Simulácie šírenia sub-ps elektromagnetických pulzov v THz spektroskope

Vedoucí: RNDr. Lukáš Nádvorník, Ph.D.

Konzultant: Mgr. Peter Kubaščík

Potreba stále rýchlejšej elektroniky vedie k postupnému posunu operačných frekvencií z jednotiek až desiatok GHz do frekvenčnej oblasti 100 GHz až jednotiek THz. Táto spektrálna oblasť bola v dlho málo preskúmaná kvôli nedostatku vhodných zdrojov a spôsobom detekcie. Situácia sa zmenila s rozvojom laserovej technológie, čo dalo vzniku časovo-rozlíšenej THz spektroskopie, umožňujúc priamu detekciu jednotlivých kmitov elektrického poľa na THz frekvenciách, čím je veľmi podobná rádiovým vlnám, avšak vďaka veľmi vysokým frekvenciám sa šíri sa vo forme dobre definovaných laserových zväzkov. My sa v laboratóriu THz spintroniky venujeme ultrarýchlej odozve magnetických materiálov.

V poslednej dobe začína pozornosť vedeckej komunity pútať aplikácie intenzívnych THz polí (E~100 kV/cm, B~0.1 T) na excitáciu spinových vĺn v magnetických materiáloch, či dokonca prepínaniu magnetických momentov. K tomu je však potrebné generovať THz pulzy s relatívne veľkej plochy, umožňujúc tak lepšie rozloženie dopadajúcej energie a následnú ostrá fokusáciu vedúcu k silným elektromagnetickým poliam. Zároveň vieme, že v nami postavenom experimentálom usporiadaní sme ďaleko od teoretického limitu zaostrenia a výrazné rozšírenie zväzkov nám v minulosti nepomohlo výrazne zväčšiť THz pole. Dôvodom je, že transformácia THz zväzkov je jednak veľmi kontraintuitívna a navyše do hry vstupujú ďalšie parametre ako efekt apertúry optických komponent, či geometrické vady.

Za týmto účelom sme zakúpili software Zeemax, ktorý je priemyselným štandardom v optickom priemysle a umožňuje simulovať jednoduché optické čočky, rozličné laboratórne experimentálne usporadania, či automobilové svetlomety. Cieľom projektu je nasimulovať akutálne experimentálne usporiadanie pomocou nášho jednoduchého modelu založeného na gaussovksých zväzkoch s rigoróznym pomocou Zeemax a porovnať ich. Študent s prvej fáze nasimuluje stávajúci setup prostredníctvom našich modelov a porovná ho s prostredím Zeemax. V ďalšej fáze sa sústredíme na hľadanie závislostí generovaného elektrického poľa na vybraných parametroch (veľkosť apertúr, excitačnej plochy a pod.) na základe ktorého určíme optimálne usporiadanie . V prípade záujmu je možné projekt rozšíriť o porovnanie simulácií s experimentom. Tento projekt nám pomôže k vnútornému pochopeniu širenia THz pulzov v experimentálnom usporiadaní a jeho optimalizácie za účelom zisku vyššej presnosti a intenzívnejších polí. Študent si pokročilé simulácie propagácie gaussovských zväzkov, simulácie šírenia svetla v priemyselnom software Zeemax a základy THz technológie.

Referencie:

[1] Kampfrath et al. Nature 5, 31–34 (2011).