Detailansicht
Generation of intense deep ultra-violet light for high-mass cluster interferometry
Hannah Foltas
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Markus Arndt
DOI
10.25365/thesis.79086
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-12413.61501.552625-3
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Laserlicht im tiefen ultraviolet (UV) Bereich hat aufgrund seiner kurzen Wellenlänge zahlreiche Hochpräzisions-Anwendungen. Es ermöglicht die Erforschung von Bereichen wie Spektroskopie und Atomphysik, da viele elektronische Übergänge von Atomen im UV-Bereich liegen, wie zum Beispiel der Übergang 1S0 →1 P1 in Zink bei 213 nm . UV-Laser können gezielt bestimmte Energieniveaus anregen und ermöglichen damit Laserkühlen, Messungen von Isotopenverschiebungen [2], sowie optisches Pumpen, beispielsweise von Quecksilber (Hg0 ) mit einem Übergang bei 253.7 nm [3]. Mit der steigenden Nachfrage an mikro-elektronischen Bauteilen, gewinnt auch die Photolithografie an Bedeutung, etwa bei der Herstellung von Mikrochips bei der Laserwellenlängen bei 193 nm [4], 132 nm oder sogar im extremen UV-Bereich bei 13.5 nm [5], [6] verwendet werden. UV-Laserquellen haben auch Anwendung bei der Fertigung von photonisch integrierten Schaltungen [7]. Gepulste UV-Lichtquellen können beispielsweise für zeit- und winkelaufgelöste Photoemissionsspektroskopie eingesetzt werden [8]. UV-Licht wird häufig durch das Prinzip der Frequenzverdopplung, Frequenzverdreifachung oder durch die Summe von unterschiedlichen Frequenzen erzeugt, da es wenig geeignete Laserübergänge im UV-Bereich gibt. Die am häufigsten genutzten Verstärkermedien, wie beispielsweise Ti:Saphir, Nd:YAG usw. haben Übergänge im sichtbaren oder infraroten Bereich, nicht jedoch im UV. Diese Arbeit präsentiert eine Lasersystem, das kontinuierliches Licht bei einer Wellenlänge von 225 nm emittiert. Es besteht aus zwei aufeinanderfolgenden, externen Ringresonatoren, die das Licht von einem Ti:Saphir-Laser zweimal frequenzverdoppeln, um tiefes UV-Licht zu erzeugen: 902 nm → 451 nm → 225 nm. Der erste Resonator enthält einen anti-reflexbeschichteten LBO-Kristall und generiert bis zu 3 W Ausgangsleistung mit einer Konversionseffizienz von bis zu 74%. Der zweite Resonator nutzt einen Brewster-geschnittenen BBO-Kristall und einen elliptischen Strahl, um maximale Leistungen bis zu 270 mW und stabile 160 mW im Dauerbetrieb zu erzeugen. Um die Stabilität des Lasersystems nachzuweisen, wurden Photoionisationsquerschnitte von Silberclustern (Ag) im Massenbereich von (500 − 2350) kDa mit mittleren Geschwindigkeiten von ∼ 130 m/s gemessen. Das Lasersystem liefert stabile und ausreichend hohe Ausgangsleistung über einige Stunden und mehrere Tage hinweg. Auch wenn die UV Leistung noch verbessert werden muss, eignet sich das hier präsentierte Lasersytem gut für weitere Messungen von Photoionisationsquerschnitten von unterschiedlichen Clustern. Zukünftig soll der Laser als stehendes Lichtgitter bei Materiewellen-Experimenten mit massiven Nanoteilchen aus Metall eingesetzt werden. Das Ersetzen des derzeitigen 266 nm-Gitters mit dem hier vorgestellten 225 nm-Laser erlaubt eine Erweiterung der verwendbaren Materialien, da die Einzelphotonenenergie Eγ = 5.82 eV beträgt und soll Interferoemtrie mit Massen bis zu 1 MDa ermöglichen.
Abstract
(Englisch)
Laser light in the deep ultra-violet (UV) region has many high-precision applications because of the small wavelength. It allows to explore research fields like spectroscopy and atomic physics, since many electronic transitions in atoms are in the UV region, for instance the 1S0 →1 P1 transition in zinc at 213 nm [1]. UV lasers can excite specific energy levels, enabling laser-cooling and isotope-shift measurements [2], as well as optical pumping, for instance of mercury Hg0 with a transition at 253.7 nm [3]. With the rising demand of microelectronics, photolithography also becomes more relevant in the manufacturing of microchips using laser wavelengths at 193 nm [4], 132 nm or even in the extreme UV at 13.5 nm [5], [6] - or in the fabrication of photonic integrated circuits [7]. Pulsed UV-light sources can also be employed for time- and angle-resolved photoemission spectroscopy [8]. UV light is often generated via frequency doubling, third-harmonic generation or sumfrequency generation because of the lack of suitable laser transitions in the UV wavelength regime. The most common gain media, like Ti:Sapphire, Nd:YAG, etc., have transitions in the visible or infrared-region, not in the UV. This thesis presents a continuous-wave (CW) laser system, which produces light at a wavelength of 225 nm. It is based on two consecutive external bow-tie enhancement cavities, which frequency quadruple the light of a Ti:Sapphire laser, to achieve deep UV light: 902 nm → 451 nm → 225 nm. The first resonator contains an anti-reflection coated LBO crystal and generates up to 3 W output power with conversion efficiencies up to 74%. The second cavity uses a Brewster cut BBO crystal and an elliptically shaped beam to generate peak output powers up to 270 mW and stable 160 mW during continuous operation. To prove the robustness of the cascade laser system, photoionization cross-sections of silver (Ag) clusters in a mass range of (500−2350) kDa with a mean velocity of ∼ 130 m/s were measured. The laser system shows stable and sufficiently high output power over many hours of operation, over several working days. Although the UV power still needs to be scaled up, it is well suited for further photoionization cross-section measurements on different elements. In the future, the laser system will server as standing-wave ionization gratings for matter-wave experiments with massive metal nanoparticles. Replacing the current 266 nm grating with the here presented 225 nm laser would offer a big extension in materials, since the single photon energy is Eγ = 5.82 eV and should enable matter-wave interferometry with masses up to 1 MDa.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Frequenzverdopplung optischer Resonator Materiewellen Interferometrie Photoionisations Querschnitt
Schlagwörter
(Englisch)
frequency doubling second harmonic generation matter-wave interferometry photoionization cross-section
Autor*innen
Hannah Foltas
Haupttitel (Englisch)
Generation of intense deep ultra-violet light for high-mass cluster interferometry
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xviii, 102 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Markus Arndt
Klassifikation
33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik
AC Nummer
AC17619308
Utheses ID
76850
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |