Ultrarövid infravörös és távoli infravörös (THz-es) fényimpulzusok előállítása és alkalmazása = Generation and application of ultrashort infrared and far-infrared (THz pulses) light pulses

A projekt célja olyan eszközök kutatása és fejlesztése volt, amelyek ultrarövid impulzusokat állítanak elő a közeli és a távoli infravörös spektrumtartományon. A közeli infravörös (1-1,5 mikrométer) impulzusokat az ultragyors kommunikációs eszközök, és az ezekben alkalmazott anyagok kutatásában és fejlesztésében lehet alkalmazni. A távoli infravörös (THz-es) impulzusok lehetővé teszik a kisenergiájú gerjesztések nagy időfelbontású dinamikájának vizsgálatát a szilárdtest fizika, a kémia és a biológia területén. Mindkét tartomány esetén, a széles körben elterjedt Ti:zafír lézerek fényimpulzusainak nemlineáris optikai frekvenciakonverziójával (OPO, illetve optikai egyenirányítás segítségével) állítottuk elő az impulzusokat. Legfontosabb eredményeink: - Minden eddiginél rövidebb (12 fs időtartamú) impulzusokat előállító OPO-t terveztünk. - Új elven, az ultrarövid pumpáló impulzusok intenzitásfrontjának dőlésén alapuló, optikai egyenirányítást felhasználó, néhány THz frekvenciájú impulzusokat előállító elrendezést terveztünk. Nemlineáris kristályként litium-niobátot alkalmazva, 0,5 mJ pumpáló energia esetén 260 nJ energiájú THz-es impulzusokat állítottunk elő, és 10 % kvantumhatásfokot értünk el. Ezek az értékek ezerszer (!) nagyobbak, mint amit valaha is elértek. - Részletesen megvizsgáltuk a litium-niobát fotorefrakciójának, valamint THz-es törésmutatójának és abszorpciójának a függését a Li/Nb aránytól és a (fotorefrakció csökkentésére használt) Mg tartalomtól. | The aim of the project was to research and develop devices producing ultrashort pulses on the near-infrared and far-infrared spectral region. The near-IR (1-1.5 micrometer) pulses can be used in the research and development of ultrafast communication devices and the materials used in them. The far-IR (or THz) pulses make it possible to investigate the dynamics of low energy excitations with high temporal resolution in the field of solid state physics, chemist and biology. For both region nonlinear frequency conversion (using optical parametric oscillator (OPO) and optical rectification, respectively) was used to produce the pulses. Our main results are: - Designing an OPO producing the shortest (12 fs) pulses. - Designing of a set-up producing THz pulses by accomplishing the optical rectification and a new idea, the tilting of the intensity front of the pump pulses. Using lithium-niobate as the nonlinear crystal THz pulses having 260 nJ energy were produced by pump pulses having 0.5 mJ energy. The quantum efficiency reached 10 %. These values are one thousand times (!) larger than what have been ever reached earlier. - We have investigated thoroughly the dependence of the photorefraction of lithium-niobate and its index of refraction and absorption on the Li/Nb ratio and the content of Mg (which is used to decrease the photorefraction)

Photorefractive damage resistance threshold in stoichiometric LiNbO_3:Zr crystals

Several optical methods including ultraviolet absorption, infrared absorption of the hydroxyl ions, Raman spectroscopy, and the Z-scan method have been used to determine the damage resistance threshold in 0–0.72 mol. % Zr-containing, flux-grown, nearly stoichiometric LiNbO3 single crystals. All spectroscopical methods used indicate that samples containing at least ≈0.085 mol: % Zr in the crystal are above the threshold while Z-scan data locate the photorefractive damage threshold between 0.085 and 0.314 mol. % Zr

Index of Refraction and Absorption Coefficient Spectra of Paratellurite in the Terahertz Region

Index of refraction and absorption coefficient spectra of pure paratellurite (α-TeO2) crystal as a potential material for terahertz (THz) applications were determined in the 0.25–2 THz frequency range at room temperature by THz time domain spectroscopy (THz-TDS). The investigation was performed with beam polarization both parallel (extraordinary polarization) and perpendicular (ordinary polarization) to the optical axis [001] of the crystal. Similarly to the visible spectral range, positive birefringence was observed in the THz range as well. It was shown that the values of the refractive index for extraordinary polarization are higher and show significantly larger dispersion than for the ordinary one. The absorption coefficient values are also larger for extraordinary polarization. The measured values were fitted by theoretical curves derived from the complex dielectric function containing independent terms of Lorentz oscillators due to phonon-polariton resonances. The results are compared with earlier publications, and the observed significant discrepancies are discussed

Numerical investigation of a scalable setup for efficient terahertz generation using a segmented tilted-pulse-front excitation

A hybrid-type terahertz pulse source is proposed for high energy terahertz pulse generation. It is the combination of the conventional tilted-pulse-front setup and a transmission stair-step echelon-faced nonlinear crystal with a period falling in the hundredmicrometer range. The most important advantage of the setup is the possibility of using plane parallel nonlinear optical crystal for producing good-quality, symmetric terahertz beam. Another advantage of the proposed setup is the significant reduction of imaging errors, which is important in the case of wide pump beams that are used in high energy experiments. A one dimensional model was developed for determining the terahertz generation efficiency, and it was used for quantitative comparison between the proposed new hybrid setup and previously introduced terahertz sources. With lithium niobate nonlinear material, calculations predict an approximately ten-fold increase in the efficiency of the presently described hybrid terahertz pulse source with respect to that of the earlier proposed setup, which utilizes a reflective stairstep echelon and a prism shaped nonlinear optical crystal. By using pump pulses of 50 mJ pulse energy, 500 fs pulse length and 8 mm beam spot radius, approximately 1% conversion efficiency and 0.5 mJ terahertz pulse energy can be reached with the newly proposed setup

A Vértes és előtereinek szerkezetfejlődése és annak kapcsolata a kainozoos üledékképződéssel és ősföldrajzzal = Structural evolution if the Vértes Hills including their forelands and the relationship with Cenozoic sedimentation and paleogeography

A Vértes kainozos szerkezetfejlődésében 6 fázis elemeit és azoknak az üledékképződéshez és felszínfejlődéshez való kapcsolatát vizsgáltuk. Az eocén üledékképződés (Ny)ÉNy-(K)DK-i összenyomás és merőleges húzás hatására ment végbe. Az enyhe gyűrődés következtében ÉK-DNy-i csapású hátak és medencék jöttek létre. Előbbieken karbonátos, utóbbiakban pelites rétegsorok rakódtak le. A karbonátos üledékképződés változó jellegű rámpákon ment végbe, melyek tükrözik a kismértékű deformációt, a karbonátproduktivitást és a globális vízszintesést. Az oligocénben a Móri-peremvető működött, ami nagy vastagságú összlet lerakódását tette lehetővé. A vértesi törmelékes sorozat képződése a kiscelli végén kezdődhetett. A kora-miocénben működő K-Ny-i jobbos és ÉNy-DK-i balos eltolódásokat ismertünk fel. A kora-, középső-miocén szin-rift fázis normálvetőihez a szarmatától társult szintektonikus üledékképződés. Az úgynevezett poszt-rift fázisban számos normálvető és eltolódás jött létre ill. reaktiválódott, melyek meghatározták a késő-pannon árkokat, transztenziós medencéket. A pliocéntől kitakaródó Vértesről hegylábfelszínek mentén pusztult le a miocén és paleogén fedőüledék. A negyedidőszaki vetők mozgása kibillentette a hegylábfelszíneket és módosította a vízrajzot, deformálta a kvarter üledékeket. A felszínalakulást erős szélerózió kísérte. | We investigated 6 Cenozoic deformation phase and their relationship to sedimentation, basin formation and landscape evolution. The Eocene sedimentation was controlled by (W)NW-SE compression and perpendicular tension. The gentle folding resulted in the formation of NE-trending ridges and basins. Shallow marine carbonate sedimentation occurred on ridges, while deeper basins were marked by pelitic successions. Carbonate sedimentation occurred on ramps with varying style, reflecting the gentle deformation, carbonate productivity and global eustatic sea level changes. The Oligocene activity of the Mór Fault permitted the deposition of a thick clastic succession, which started to form in the late Kiscellian. We recognized E-W striking dextral and NW-SE striking sinistral strike-slip faults of early Miocene age. The late Early to Middle Miocene syn-rift phase was associated with sedimentation only from the Sarmatian. The post-rift phase is marked by numerous normal and strike-slip faults, which controlled the evolution of late Miocene syn-sedimentary grabens and transtensional basins. The Miocene and Palaeogene sedimentary cover of the Vértes was eroded along pediment surfaces from the Pliocene onset of exhumation. The Quaternary slip of reactivated faults resulted in tilting of the pediment surfaces, sediment deformation and deflection of the drainage pattern. Landscape evolution was strongly influenced by wind erosion

Nemlineáris optika és spektroszkópia a THz (távoli infravörös) tartományon = Nonlinear optics and spectroscopy on the THz (far-infrared) range

Felépítettük az első magyarországi THz-es laboratóriumot. Ez egy nem OTKA forrásból vásárolt, 1 mJ energiájú impulzusok 1 kHz-el történő előállítására alkalmas diódapumpált szilárdtest lézeren alapul. Ezeknek az impulzusoknak az optikai egyenirányításával nagyobb, mint 0.5 mikroJ energiájú egyciklusú THz-es impulzusokat állítunk elő. Ezekkel nemcsak lineáris időbeli terahertzes spektroszkópiai (TDTS) méréseket, hanem nemlineáris TDTS méréseket is tudunk végezni. Modellszámításokkal megmutattuk, hogy a korábban használtnál hosszabb pumpáló lézerimpulzusokkal (jelentősen nagyobb hatásfokkal) jelentősen nagyobb THz-es impulzusenergiák érhetők el. Ezt az elméleti eredményt kísérletileg bizonyítottuk, 125 mikroJ (világrekord) energiájú THz-es impulzusokat állítottunk elő. A modellszámítások szerint a kristály hűtése további jelentős energianövekedést fog eredményezni. Megterveztünk egy kontaktrácsos elrendezést, amellyel több mJ energiájú THz-es impulzusokat lehet majd előállítani. Ezek fókuszálásával várhatóan 100 MV/cm térerősséget is el lehet majd érni. Modellszámításokkal megmutattuk, hogy több 10 MV/cm maximális térerősségű THz-es impulzusokkal többszázszorosan meg lehet növelni a magas-harmonikus keltés hatásfokát a levágási frekvencia közelében, el lehet érni, hogy csak egy attoszekundumos impulzus keletkezzen pumpáló ciklusonként, 100 fs hosszú 10 fC töltésű relativisztikus elektroncsomagot össze lehet nyomni 100 as-ra. | The first Hungarian THz laboratory has been built up. It is based on a DPSS pump laser with 1 mJ pulse energy and 1 kHz repetition rate (purchased from non-OTKA funding). By OR of these pump pulses, single-cycle THz pulses with larger than 0.5 ?J energy have been generated. These THz pulses can also be used to nonlinear time-domain THz spectroscopy (TDTS) measurements, besides linear TDTS measurements. We have shown by model calculations that by using pump pulses with pulse duration longer than used previously, the THz pulse energy can be significantly increased with a simultaneous increase of the THz generation efficiency. This theoretical prediction has been experimentally verified. We have generated THz pulses with the highest so far 125 ?J energy. Our calculations predict additional substantial increase in the THz energy by cooling the nonlinear crystal. A contact grating setup has been designed, which will enable the generation of THz pulses with multi-mJ energy. 100 MV/cm peak electric field is expected by focusing these THz pulses. We have shown by model calculations that the efficiency of high-order harmonic generation in the cut-off region can be increased several 100 times by using THz pulses with multi-10-MV/cm peak electric field. Also, in such a THz-assisted scheme, single attosecond pulses can be generated in each optical cycle of the driving field. 100 fs long relativistic electron bunches with 10 fC charge can be compressed to 100 as