Ein vorhandener Versuchsaufbau zur Erzeugung von fs-Laserpulsen wurde mit
einer computergesteuerten Delaystrecke und einer Anordnung für magnetooptische Kerr-Messung in longitudinaler Geometrie ausgerüstet, um zeitaufgelöste Pump-Probe Versuche an magnetischen Halbleitern innerhalb eines Kryostaten durchführen zu können.
Der Aufbau bietet die Möglichkeit, etwa 130fs kurze Pulse mit der fundamentalen, durchstimmbaren Wellenlänge 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 zeitaufgelöst durchführen 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 über die photoneninduzierte Transmittivitätsänderung den zeitlichen Überlapp der beiden Pulse anzeigen.
Darüber hinaus wurden Pump-Probe Messungen an einer GaAs-Probe 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.
Inhaltsverzeichnis
1. Motivation und Ziele
2. Theorie zum Licht
2.1. Polarisation
2.2. Reflexion und Transmission
2.3. Spiegel
2.4. Fokussierung
2.5. Doppelbrechung
2.6. λ/4- und λ/2-Platten
2.7. Polarisatoren
2.8. Nichtlineare optische Effekte
2.9. Optisch induzierter magnetooptischer Kerr-Effekt
3. Theorie zum Laser
3.1. Grundprinzip
3.2. Gepulste Laser
3.2.1. Qualtitäsgeschaltet
3.2.2. Modengekoppelter Betrieb
3.3. Autokorrelation
4. MOKE - magnetooptischer Kerr-Effekt
4.1. Geometrien für MOKE-Messungen
4.2. Detektion des Kerr-Signals
5. Theorie zum EuS
6. Vorhandener Aufbau und nötige Modifikationen
7. Die Delaystrecke
7.1. Aufbau
7.2. Computergestützte Steuerung
8. Messungen
8.1. Leistungsspektrum
8.2. Signalstabilität des Pumplaser←→Ti:Sa Systems
8.3. Spurtreue der Delaystrecke
8.4. SHG und induzierte Transmissionsänderung am BBO-Kristall
8.5. Einfarbige GaAs-Pump-Probe Messungen
8.6. Hysteresekurve von EuS
9. Zusammenfassung und Ausblick
10. Danksagung
Zielsetzung und thematische Schwerpunkte
Die Arbeit befasst sich mit der Implementierung einer computergesteuerten Delaystrecke zur Durchführung zeitaufgelöster, magnetooptischer Pump-Probe-Messungen an magnetischen Halbleitern unter Kryostatbedingungen.
- Aufbau und Steuerung einer variablen Delaystrecke für fs-Laserpulse.
- Entwicklung einer C++-basierten Steuerungssoftware für die experimentelle Peripherie.
- Durchführung magnetooptischer Kerr-Effekt-Messungen (MOKE).
- Untersuchung dynamischer Spin-Prozesse in GaAs-Proben.
- Erste Hysterese-Messungen am magnetischen Halbleiter EuS.
Auszug aus dem Buch
1. MOTIVATION UND ZIELE
Ein vorhandener Versuchsaufbau zur Erzeugung von fs-Laserpulsen1 wurde mit einer computergesteuerten Delaystrecke und einer Anordnung für magnetooptische Kerr-Messung in longitudinaler Geometrie ausgerüstet, um zeitaufgelöste Pump Probe Versuche an magnetischen Halbleitern innerhalb eines Kryostaten durchführen zu können.
Der Aufbau bietet die Möglichkeit, etwa 130fs kurze Pulse mit der fundamentalen, durchstimmbaren Wellenlänge 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 zeitaufgelöst durchführen 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 Vor richtungen konzipiert und zum Teil selber realisiert. In der Arbeitsgruppe existierte keine Expertise bezüglich des Pump-Probe Aufbaus.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Motivation und Ziele: Einführung in die Zielsetzung, einen Pump-Probe-Aufbau für zeitaufgelöste magnetooptische Messungen an magnetischen Halbleitern zu etablieren.
2. Theorie zum Licht: Grundlagen der Lichtausbreitung, Polarisation, nichtlinearer optischer Effekte und des magnetooptischen Kerr-Effekts.
3. Theorie zum Laser: Theoretische Grundlagen der Laserphysik, Pulsgenerierung durch Q-Switching und Modenkopplung sowie Autokorrelation.
4. MOKE - magnetooptischer Kerr-Effekt: Erläuterung der physikalischen Grundlagen der MOKE-Geometrien und deren Detektionsverfahren.
5. Theorie zum EuS: Physikalische Eigenschaften und magnetische Ordnung des Halbleiters Europiumsulfid im Kontext des Heisenberg-Modells.
6. Vorhandener Aufbau und nötige Modifikationen: Beschreibung des vorhandenen Laser-Setups und der notwendigen Anpassungen für das Pump-Probe-Experiment.
7. Die Delaystrecke: Detaillierte Darstellung des Aufbaus der Delaystrecke und der zugehörigen computergestützten Steuerung.
8. Messungen: Ausführliche Analyse der experimentellen Ergebnisse bezüglich Leistungsspektrum, Systemstabilität, Spurstabilität und erster Messungen an GaAs und EuS.
9. Zusammenfassung und Ausblick: Bilanzierung des Projekterfolgs und Perspektiven für zukünftige Pump-Probe-Untersuchungen am EuS.
Schlüsselwörter
Pump-Probe-Messungen, Delaystrecke, Femtosekundenlaser, Magnetooptischer Kerr-Effekt, MOKE, Europiumsulfid, EuS, Galliumarsenid, GaAs, Spindynamik, Laserphysik, Modenkopplung, Autokorrelation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Diplomarbeit beschreibt den Aufbau eines experimentellen Setups zur Durchführung von zeitaufgelösten Pump-Probe-Messungen an magnetischen Halbleitern mittels Femtosekundenlaserpulsen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Laserphysik, der Optik, der nichtlinearen Spektroskopie und dem Magnetismus von Halbleitern, speziell unter Verwendung des magnetooptischen Kerr-Effekts.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel war es, eine computergesteuerte Delaystrecke in einen bestehenden Versuchsaufbau zu integrieren, um zeitaufgelöste Untersuchungen an magnetischen Systemen innerhalb eines Kryostaten zu ermöglichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Verwendet wird die Pump-Probe-Spektroskopie, bei der ein anregender (Pump) und ein abfragender (Probe) Laserpuls mit variabler zeitlicher Verzögerung zur Analyse von Materialeigenschaften eingesetzt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen des Aufbaus, die technische Realisierung der Delaystrecke, die Software-Steuerung sowie die experimentelle Validierung mittels Testmessungen an GaAs und magnetischen Hysteresemessungen an EuS.
Durch welche Schlüsselwörter wird die Arbeit charakterisiert?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Pump-Probe-Spektroskopie, Delaystrecke, MOKE, Europiumsulfid (EuS) und Spindynamik charakterisieren.
Warum wurde ein zweifarbiger Aufbau gewählt?
Ein zweifarbiger Aufbau erlaubt es, Elektronen mit einer spezifischen Energie in ein Leitungsband anzuregen und anschließend die Veränderung der magnetischen Eigenschaften mit einer anderen Photonenenergie zeitaufgelöst zu verfolgen.
Welchen Einfluss haben thermische Schwankungen auf das System?
Thermische Schwankungen im Laserkopf führten zu periodischen Leistungsfluktuationen von etwa 2%, die durch Optimierung der Pumpleistung und Temperaturkontrolle auf 0,4% reduziert werden konnten.
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- Timo Damm (Author), 2004, Aufbau einer Delaystrecke für Femtosekundenlaserpulse und erste Pump-Probe-Messungen., Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/36087
