Promotionsvortrag von Carsten Mai

Bei DELTA, dem 1,5-GeV-Elektronen-Speicherring, der von der TU Dortmund als Synchrotronstrahlungsquelle betrieben wird, wird die Ablenkung eines hochrelativistischen Elektronenstrahls genutzt, um Strahlung im Spektralbereich des harten Röntgenbereichs bis zum Terahertz (THz)-Bereich zu erzeugen. Die Kurzpulsquelle von DELTA stellt auf der Basis einer Laser-Elektronen-Wechselwirkung Pulse im Vakuum-Ultraviolett (VUV) und THz-Bereich bereit. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Erzeugung von THz-Strahlung systematisch in Experimenten und Simulationen untersucht. Der Frequenzbereich zwischen Radiowellen und Infrarotstrahlung wurde lange Zeit als Terahertz-Lücke bezeichnet, da die Verfügbarkeit von Quellen und Detektoren sehr begrenzt war. Heutzutage haben Teilchenbeschleuniger und moderne Lasertechnologie begonnen, die Lücke der THz-Quellen zu schlieÿen. Bei DELTA wurde die Kurzpulsquelle um die Möglichkeit erweitert, THz-Pulse von nahezu beliebiger spektro-temporaler Form zu erzeugen. Hierbei moduliert ein Titan-Saphir-Kurzpulslaser die Elektronenenergie innerhalb eines Teils des Elektronenpakets mittels einer Laser-Elektronen-Wechselwirkung in einem Undulator. Die dispersiven Eigenschaften des Speicherrings führen zur Bildung einer Senke in der longitudinalen Elektronendichte. Dies führt zu einer kohärenten Emission von Synchrotronstrahlung im THz-Bereich. Während die Wechselwirkung mit einem ultrakurzen Laserpuls zu einer breitbandigen Emission von THz-Strahlung führt, führt ein längerer Laserpuls mit einem periodischen zeitlichen Prol zu einer schmalbandigen Emission. Um dies zu realisieren, wurde durch Interferenz des gechirpten Laserpulses mit einer verzögerten Kopie eine Intensitäts-Schwebung des Laserpulses erzeugt. Durch eine Änderung der Schwebungsfrequenz kann die zentrale Frequenz des emittierten THz-Spektrums zwischen 50 GHz und 6.5 THz mit einer relativen Bandbreite von etwa 10% eingestellt werden. In einem nächsten Schritt wurde eine direkte Manipulation der spektralen Phase der Laserpulse mit einem Flüssigkristall-basierten räumlichen Lichtmodulator implementiert, der es erlaubt, die Laserpulse nahezu beliebig zu formen. Auf diese Weise konnte durchstimmbare schmalbandige THz-Strahlung mit einer noch besseren relativen Bandbreite von unter 2% erzeugt werden. Außerdem wurden zweifarbige Pulse und Spektren mit rechteckigem und trapezförmigem Spektrum erzeugt. Die Messungen der spektralen Eigenschaften wurden mit einem im Rahmen dieser Arbeit in Betrieb genommenen Fourier-Transformations-Spektrometer durchgeführt. Neben der spektralen Formung von THz-Pulsen wurde auch die zeitliche Entwicklung der laserinduzierten Energiemodulation untersucht. Reste der Energiemodulation wurden für mehr als 350 Umläufe im Speicherring aufgezeichnet, nachdem die ursprüngliche Laser-Elektronen-Wechselwirkung stattgefunden hatte.