DIPLOMARBEIT

Aufbau einer Delaystrecke fur Femtosekundenlaserpulse und erste
magnetooptische Pump-Probe Messungen

eingereicht am 4. Juni 2004

am Fachbereich Physik
der Freien Universität Berlin

von

Timo Damm

INHALTSVERZEICHNIS

1. Motivation und Ziele ... 3

2. Theorie zum Licht  ... 4
2.1. Polarisation ...  4
2.2. Reflexion und Transmission  ... 8
2.3. Spiegel ...  9
2.4. Fokussierung  ... 11
2.5. Doppelbrechung ...  12
2.6. ... 4- und ...2-Platten  ... 13
2.7. Polarisatoren  ... 13
2.8. Nichtlineare optische Effekte 15
2.9. Optisch induzierter magnetooptischer Kerr-Effekt  ... 17

3. Theorie zum Laser  ... 18
3.1. Grundprinzip  ... 18
3.2. Gepulste Laser  ... 20
3.3. Autokorrelation  ... 22

4. MOKE - magnetooptischer Kerr-Effekt  ... 24
4.1. Geometrien fur MOKE-Messungen  ... 24
4.2. Detektion des Kerr-Signals  ... 26

5. Theorie zum EuS  ... 27

6. Vorhandener Aufbau und nötige Modifikationen ... 32

7. Die Delaystrecke  ... 41
7.1. Aufbau  ... 41
7.2. Computergestutzte Steuerung  ... 41

8. Messungen  ... 44
8.1. Leistungsspektrum  ... 44
8.2. Signalstabilität des Pumplaser...¨Ti:Sa Systems  ... 44
8.3. Spurtreue der Delaystrecke ...  46
8.4. SHG und induzierte Transmissionsanderung am BBO-Kristall  ... 47
8.5. Einfarbige GaAs-Pump-Probe Messungen  ... 49
8.6. Hysteresekurve von EuS  ... 51

9. Zusammenfassung und Ausblick  ... 53

10. Danksagung  ... 54

Literatur  ... 55

Abbildungsverzeichnis  ... 56

Tabellenverzeichnis  ... 57

1. MOTIVATION UND ZIELE

Ein vorhandener Versuchsaufbau zur Erzeugung von fs-Laserpulsen¹ wurde mit einer computergesteuerten Delaystrecke und einer Anordnung fur magnetooptische Kerr-Messung in longitudinaler Geometrie ausgerüstet, um zeitaufgeloste Pump- Probe Versuche an magnetischen Halbleitern innerhalb eines Kryostaten durchfuhren zu können.

Der Aufbau bietet die Möglichkeit, etwa 130fs kurze Pulse mit der fundamentalen, durchstimmbaren Wellenlange eines modengekoppelten Titan-Saphir Lasers entweder mit sich selbst oder aber mit frequenzverdoppelten bzw -verdreifachten Pulsen räumlich auf der Probe mit einer einstellbaren zeitlichen Verzögerung zu überlagern, um magnetooptische Messungen zeitaufgelost durchfuhren zu können. Hauptbestandteil der Diplomarbeit war es, die für die Pump-Probe Messungen nötige Delaystrecke aufzubauen und durch ein selbst geschriebenes Computer- Programm zu steuern. Weiterhin wurden verschiedene optische Tische und Vorrichtungen konzipiert und zum Teil selber realisiert. In der Arbeitsgruppe existierte keine Expertise bezüglich des Pump-Probe Aufbaus.

Um die Funktion und Qualität des experimentellen Aufbaus beurteilen zu können, wurden Messungen bezüglich des räumlichen und zeitlichen Überlapps der Laserpulse durchgeführt. Am Pinhole wurde überprüft, ob Pump- und Probe-Pulse konstant auf einen Punkt zusammenfallen - unabhängig von der Position der Delaystrecke. Die zeitliche Überlagerung zweier Pulse wurde am BBO-Kristall untersucht. Im Falle von gleichfarbigen Pulsen wurde dazu die Erzeugung der zweiten Harmonischen als Autokorrelatorfunktion zweiter Ordnung ausgenutzt. Im Falle von zweifarbigen Pump- und Probe-Pulsen kann der BBO-Kristall uber die photoneninduzierte Transmittivitatsänderung den zeitlichen Überlapp der beiden Pulse anzeigen.

Darüber hinaus wurden Pump-Probe Messungen an einer GaAs-Probe² durchgeführt. Es stand die Untersuchung von dynamischen Spin-Prozessen mittels lichtinduziertem magnetooptischem Kerr-Effekt im Vordergrund. Dazu wurde der Aufbau im einfarbigen Modus mit Photonenenergien um 1, 5 eV entsprechend der Bandlücke des Halbleiters betrieben.

Die Motivation fur die Auslegung als zweifarbigen Pump-Probe Aufbau ist darin begründet, das wir beabsichtigen, am Europiumsulfid mit Photonenenergien von etwa 4, 5 eV Elektronen aus dem am Schwefel lokalisierten 3p6-Zustand in das leere 5d-Leitungsband anzuheben, um so die in einer Theorie zum Ferromagnetismus eingeführten "virtuellen Elektronen" im EuS durch reale Elektronen zu ersetzen. Zeitlich versetzt zur Anregung dieser Elektronen soll mit einer geringeren Photonenenergie von etwa 2, 5 eV entsprechend dem Übergang 4f ^_ 5d magnetooptischer Kerr-Effekt gemessen werden. Wir erwarten eine starke Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften des EuS durch die ins Leitungsband angeregten Elektronen, die man zeitlich sowie temperaturabhängig studieren kann. Somit bietet dieser Versuchsaufbau die Möglichkeit, die aus den 60er Jahren stammende Theorie zum Magnetismus der Europiumchalkogenide [17] erstmals direkt zu überprüfen. Erste Messungen am EuS haben bereits begonnen.

2. THEORIE ZUM LICHT

Klassisch ist Licht eine elektromagnetische Welle. Die Entdeckung dieser Tatsache ist auf Maxwell zurück zu führen, der sich als junger Student gegen die allgemeine Meinung einer mechanischen Interpretation auflehnte. 1887 konnte Hertz elektromagnetische Wellen nachweisen.

Die Maxwellschen Gleichungen beschreiben die gegenseitige Wechselwirkung von elektrischem Feld und magnetischem Feld , sowie die Wechselwirkung der resultierenden elektromagnetischen Strahlung mit Materie.

Später entwickelte sich dann in der Quantentheorie eine Vorstellung von Licht als Teilchen. Man gab den Lichtteilchen den Namen Photonen und sprach ihnen eine Energie Ephoton von

[....]

1 Aufgebaut und betreut von Jan Podsiadly im Rahmen seiner Dissertation

2 zur Verfügung gestellt durch Bernd Beschoten, RWTH Aachen