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Main Title: Untersuchung der THz-Strahlcharakteristik an der Synchrotronstrahlquelle MLS
Translated Title: Investigation of the THz beam characteristics at the synchrotron light source MLS
Author(s): Pohl, Andreas
Advisor(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Referee(s): Müller, Anke-Susanne
Hübers, Heinz-Wilhelm
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Synchrotrons haben sich in den letzten Jahren als bedeutende Strahlungsquelle für den THz-Bereich entwickelt. Strahlung mit größeren Wellenlängen als der longitudinalen Ausdehnung der Elektronenpakete wird kohärent emittiert. Diese kohärente Synchrotronstrahlung kann an der Metrology Light Source (MLS) Frequenzen bis 1,5 THz erreichen. Aufgrund des breiten Emissionsspektrums in Verbindung mit der hohen Stabilität und Reproduzierbarkeit stellt die kohärente Synchrotronstrahlung eine attraktive Quelle für z.B. zeitaufgelöste Spektroskopie dar. Um hohe zeitliche Auflösungen zu ermöglichen, müssen die Eigenschaften der Strahlung bekannt und deren Pulsdauer gleichzeitig möglichst kurz sein. Die Erzeugung kurzer stabiler Pulse ist jedoch durch stromabhängige Instabilitäten begrenzt, welche einer beliebigen Verkürzung entgegenwirkt. Im Rahmen der Arbeit wurde ein Interferometer nach dem Martin-Puplett Prinzip an dem THz-Strahlrohr der MLS aufgebaut. Es wurde zur Charakterisierung der THz-Strahlung verwendet. Dazu wurden Pulsdauer- und Jittermessungen der kohärenten THz-Pulse durch Echtzeitdetektion und Messungen der Auto- und Kreuzkorrelationen durchgeführt. Der Jitter der THz-Pulse wurde aus den Ankunftszeiten der Detektorantwort schneller hochtemperatursupraleitender YBCO-Detektoren rekonstruiert. Die mittlere Halbwertsbreite des Jitters wurde so zu 4,7ps bestimmt. Anhand von Autokorrelationsmessungen konnte durch die Verwendung unterschiedlicher Detektoren die Ladungsverteilung der Elektronenpakete und die Dauer des elektrischen Feldes rekonstruiert werden. Schmalbandige Messungen der Pulsdauern in Bandpassbereichen zwischen 85 GHz und 775 GHz zeigten zudem eine Pulsaufweitung unterhalb von 200 GHz. Durch die Erweiterung des optischen Aufbaus mit einem Bruker Fourier-Spektrometer wurden spektral aufgelöste Messungen der Autokorrelation und Kreuzkorrelation ermöglicht. Auch hier konnte der pulsverbreiternde Effekt unterhalb von 200 GHz nachgewiesen werden. Des Weiteren wurde qualitativ die Wasserdispersion in einem Frequenzbereich von 350 GHz bis 2,3 THz aus den spektral aufgelösten Autokorrelationen bestimmt. Aus der frequenzaufgelösten Kreuzkorrelation konnte ein Jitter extrahiert werden, der um den Faktor drei kleiner als der aus Echtzeitmessungen bestimmte Jitter ist. Um die Möglichkeiten der Synchrotronstrahlquelle für zeitaufgelöste spektroskopische Untersuchungen unter Beweis zu stellen, wurde eine Machbarkeitsstudie eines Pump-Probe Experiments zur Bestimmung der Lebensdauern von angeregten Zuständen in hochdotierten n-Ge umgesetzt. Diese üblicherweise an Freie-Elektronen-Lasern durchgeführten Untersuchungen können perspektivisch breitbandige Untersuchungen mehrerer Übergänge ermöglichen. Es konnte gezeigt werden, dass eine photoinduzierte Transmissionsänderung innerhalb des kohärenten Spektralbereichs möglich ist. Der Hauptteil der Messungen wurde in Kooperation mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt an der MLS durchgeführt.
In recent years, synchrotrons have become a unique radiation source in the THz range. By using short pulse operation, synchrotron radiation with wavelength shorter than the longitudinal bunch length is emitted coherently. The Metrology Light Source (MLS) is capable for the generation of coherent synchrotron radiation up to 1,5 THz. Due to the broad emission spectra combined with the high stability and reproducibility, coherent synchrotron radiation becomes an attractive radiation source for time-resolved spectroscopy. To ensure a high time resolution, the characteristics of the radiation must be known and a minimum pulse duration should be provided. However, the generation of short and stable pulses is limited by current related instabilities. In the course of this thesis, an interferometer setup according to the principle of Martin-Puplett was established at the THz beamline of the MLS to characterize the THz radiation. Therefore, real-time measurements of the pulse duration and the time jitter as well as measurements of the autocorrelation and cross-correlation of the coherent emission were performed. The time jitter of the THz pulses was extracted from the times of arrival of the detector response provided by a fast superconducting YBCO detector. An average jitter of 4,7ps was determined. By means of measuring the autocorrelation with various detectors, the longitudinal charge distribution and the duration of the oscillating electric field could be reconstructed. Moreover, narrowband detection of the THz pulse duration between 85 GHz and 775 GHz revealed a pulse lengthening below 200 GHz. Upgrading the optical setup with a Bruker Fourier Spectrometer allows for spectrally resolved measurements of the auto- and cross-correlation. The pulse lengthening effect below 200 GHz was also proven by employing this method. As a consequence of the atmospheric conditions within the setup, it was possible to qualitatively reveal the water dispersion from the spectrally resolved autocorrelation in the frequency range of 350 GHz to 2,3 THz. Furthermore from the spectrally resolved cross-correlation, the timing jitter was extracted and was found to be three times smaller than for real-time measurements. To demonstrate the possibilities of using a synchrotron source for time-resolved spectroscopic analysis, a feasibility study of a pump-probe experiment was conducted to determine the recombination times of photo-excited states in highly doped n-Ge. In general, these studies are carried out by the use of free-electron lasers but prospectively may allow for broadband analysis of multiple transitions at the same time. The study has shown a photo-induced transmission change in the sample within the coherent spectral range. The majority of measurements were conducted in coorporation with the Physikalisch-Technische Bundesanstalt at the MLS.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6113
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5688
Exam Date: 15-Dec-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 18-Jan-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): THz
Synchrotron
Autokorrelation
Kreuzkorrelation
Pulslänge
Martin-Puplett Interferometer
Pump-Probe
synchrotron
autocorrelation
Cross-correlation
Pulse length
Martin-Puplett interferometer
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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