Unser Ziel bei der Demonstration von Hochleistungs-THz-Quellen mit wenigen Zyklen ist es, die Solvatationsforschung voranzutreiben, indem wir die mikroskopische Dynamik von Lösungsmitteln, insbesondere Wasser, in der Masse und bei chemischen Reaktionen wie der Proteinfaltung aufklären. THz-Strahlung mit einer Photonenenergie von 1-10 THz ist ideal für die Untersuchung der Bewegungen des Wasserstoffbrückenbindungsnetzes von Wasser. Die Zahl der THz-TDS-Studien an Flüssigkeiten nimmt zwar zu, doch kommen dabei meist lineare Techniken zum Einsatz, die einen begrenzten dynamischen Bereich mit langen Versuchslaufzeiten bieten. Die nichtlineare THz-Spektroskopie ist der nächste Meilenstein, erfordert jedoch energiereiche THz-Quellen mit hoher Wiederholungsrate. Zu den derzeitigen Einschränkungen gehören niedrige Pulsenergien bei hohen Wiederholraten oder lange Messzeiten bei niedrigen Wiederholraten, insbesondere bei Flüssigkeiten aufgrund schwacher nichtlinearer Antworten und starker Absorption.

Um diese Herausforderungen zu überwinden, setzen wir eine hochmoderne THz-Quelle ein, die von einem regenerativen Verstärker (TRUMPF Scientific Lasers, DIRA 500-10) angetrieben wird, der bis zu 500 W Durchschnittsleistung bei Wiederholraten von 10, 40 und 100 kHz liefert. Diese einzigartige Kombination aus hoher durchschnittlicher Leistung und variablen Wiederholraten ermöglicht uns den Zugang zu zwei verschiedenen Bereichen von großem Interesse: hohe Energie bei moderaten Wiederholraten und moderate Energie bei hohen Wiederholraten, wobei die durchschnittliche Leistung von 500 W konstant bleibt. Diese Flexibilität ermöglicht es uns, unsere Versuchsbedingungen an die spezifischen Anforderungen unserer Forschung anzupassen.

Um die optimale Leistung unserer Laserquelle zu gewährleisten, verwenden wir einen Autokorrelator zur kontinuierlichen Überwachung der Spezifikationen, so dass wir alle Änderungen in Echtzeit verfolgen können. Darüber hinaus haben wir ein externes PID-gesteuertes Strahlstabilisierungssystem implementiert, das die Stabilität der Strahlausrichtung erheblich verbessert. Dies ermöglicht uns, unter nahezu schlüsselfertigen Bedingungen zu arbeiten, wobei die Aufbauten ausgerichtet bleiben und nur geringe Anpassungen erforderlich sind, während wir mit durchschnittlichen Leistungen dieser Größenordnung arbeiten.

Unsere Forschungsanstrengungen konzentrieren sich derzeit auf die Entwicklung von THz-Quellen, die auf optischer Gleichrichtung basieren - ein vielversprechender Ansatz, der ein großes Potenzial für Fortschritte auf diesem Gebiet birgt. Darüber hinaus untersuchen wir die Möglichkeit, unsere Laserquelle mit externen zeitlichen Pulskompressionstechniken zu kombinieren, um ultra-breitbandige THz-Quellen auf Luft-Plasma-Basis zu schaffen. Es wird erwartet, dass diese Quellen noch nie dagewesene Pulsenergien und Durchschnittsleistungen mit oktavübergreifenden spektralen Bandbreiten erreichen und den Weg für bahnbrechende Entdeckungen in der Solvatationswissenschaft und darüber hinaus ebnen werden. Indem wir die Grenzen der THz-Technologie erweitern, wollen wir neue Einblicke in die komplexe Dynamik von Lösungsmitteln und chemischen Reaktionen gewinnen und letztlich unser Verständnis für diese grundlegenden Prozesse verbessern.