DD218499A1

DD218499A1 - Verfahren zur erzeugung kurzer chirpfreier laserimpulse

Info

Publication number: DD218499A1
Application number: DD25182383A
Authority: DD
Inventors: Wieland Dietel
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1983-06-08
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1985-02-06
Also published as: DD218499B1

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung kurzer chirpfreier Laserimpulse variabler Dauer ist fuer die Generierung von Impulsen bis zu einer Dauer von 50 fs herab anwendbar. Das ist von Bedeutung fuer die zeitaufgeloeste Spektroskopie in diesem Zeitbereich. Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Impulsen ohne Chirp. Die Aufgabe der Erfindung, auf der Grundlage der Modensynchronisation derartige Impulse zu erzeugen, die in bezug auf ihre Laenge um eine Groessenordnung veraenderbar sind, wird durch das folgende Verfahren geloest. Der Chirp-Effekt der Laserimpulse wird innerhalb des Laserresonators durch eine Dispersion der Gruppengeschwindigkeit kompensiert. Fuer die Beseitigung des Downchirp sind im Resonator Medien mit normaler Dispersion und nichtlinearem Verlauf der Dispersionskurve enthalten. Fuer die Beseitigung des Upchirp sind im Resonator Medien mit anormaler Dispersion und nichtlinearem Verlauf der Dispersionskurve vorgesehen.

Description

Verfahren zur Erzeugung kurzer chirpfreier Laserimpulse

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Yerfanren zur Erzeugung von kurzen Laserimpulsen variabler Dauer, wobei die Impuls- dauer bis zur theoretischen Grenze des Impulsdauer-Eandbreitenproduktes minimiert werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Impulse mit variabler Impulsdauer bis herab zu 50 fs generieren. Das ermöglicht die zeitaufgelöste Spektroskopie im fs-Bereich, insbesondere die Untersuchung von ultrakurzen Prozessen in der Molekül- und Festkörperphysik, der Optoelektronik, der Photochemie und Biologie. Von Interesse sind die generierten Impulse weiterhin.für die optische Informationsverarbeitung und Signalübertragung, für die Untersuchung der Impulsausbreitung in optischen Fibern und für die optische Time-Domain-Reflektometrie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Methode der passiven Modensynchronisation (Appl. Phys. Lett. 24 (1974) 373), bei der sich ein sättigbarer. Absorber im Laserresonator befindet, gestattet die Erzeugung stabiler untergrundfreier Laserimpulse. Mit Farbstoffringlasem im sogenannten CPM-Regime /1/ werden Laserimpulse kurzer als 100 fs erzielt.

Nachteilig bei den bisher realisierten Varianten der passiven Modensynchronisation ist, daß die generierten Impulse einen mehr oder weniger großen Chirp aufweisen und damit länger sind als es dem theoretisch möglichen

η *

. Minimalwert des Impulsdauer-Bandbreitenprodukts entspricht. ·, Das ist besonders für die Erzeugung kürzester Laserimpulse, also bei passiv modensynchronisierten Farbstoffringlasern von Bedeutung.

Nachteilig bei dieser Methode "ist weiterhin, daß die Impulsdauer bei Konstanthaltung der anderen Impulsparameter nur wenig verändert -werden kann.

Ziel der Erfindung ,

Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von kurzen Laserimpulsen, bei denen die Impulse keinen Chirp mehr besitzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das auf der Grundlage der Modensynchronisation die Erzeugung chirpfreier Impulse gestattet, die in ihrer Länge um etwa eine Größenordnung veränderbar sind und bis zur theoretischen Größe des Impulsdauer-Bandbreitenproduktes minimiert werden können. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur Erzeugung kurzer, chirpfreier .jc-v^ Laserimpulse basierend auf der Methode der Modensynchroni-W^: sation erfindungsgemäß dadurch, daß der Chirp-Effekt der

Laserimpulse innerhalb des Laserresonators durch eine : . Dispersion der Gruppengeschwindigkeit kompensiert wird. Dabei ist es vorteilhaft, den Downchirp durch im Resonator enthaltene Medien mit normaler Dispersion und nichtlinearem Verlauf der Dispersionskurve Und den üpchirp durch im.Resonator enthaltene Medien mit anomaler Dispersion - · und nichtlinearem Verlauf der Dispersionskurve und/oder beugende Elemente im Resonator zu kompensieren. Für die Kompensation des Downchirp ist es vorteilhaft, eine Anordnung zu verwenden, bei der sich in einem Farbstoff ringlaser optische Gläser in Form eines Brewsterprismas oder einer keilförmigen Platte oder zweier

Brewsterprismen, die gegeneinander so angeordnet sind, daß sich, ihre Winkeldispersion kompensieren läßt, befinden. " Nach* übereinstimmender Sfeinung der Fachwelt müssen aus dem Resonator eines modensynchronisierten Lasers, speziell des passiv, modensynchronisierten Lasers, alle dispersiven Slemente entfernt werden, damit eine Verbreiterung der Impulse bei ihrer Generation vermieden wird. Das kommt in den Arbeiten der führenden Gruppe zum Ausdruck, z. B. in /1/, /2/, /3/> /4/ und wurde erst kürzlich erneut betont /5/.

Bs hat sich aber gezeigt, daß diese Meinung keine Allgemeingültigkeit besitzt. Der sich darstellende Sachverhalt soll im folgenden skizziert werden.

Bei der Methode der passiven Modensynchronisation befindet sich neben dem verstärkenden. Medium ein sättigbarer Absorber im Laserresonator. Beim Durchgang der Impulse durch den Absorber, den Verstärker und durch dispersive Bauelemente können die Impulse einen Chirp erhalten, d. h. ihre Trägerfrequenz variiert vom Impulsanfang zum Impulsende. Wenn die Impulse einen Chirp besitzen, sind sie nicht mehr bandbreitenbegrenzt und damit langer als es dem Impulsdauer-Bandbreitenprodukt entspricht. Für die Entstehung des Chirps im Laserresonator kommen zwei Ursachen in Frage. Das ist einmal die Dispersion (ITrequenzabhängigkeit) der Gruppengeschwindigkeit, die durch den nichtlinearen Verlauf der Dispersionskurve auftritt. Durchläuft ein chirpfreier Impuls ein Medium normaler Dispersion und mit einem nichtlinearen Verlauf der Dispersionskurve, so wird er verbreitert, es entsteht eine langwellige Impulsvorderfront und ein kurzwelliges Impulsende. Der Impuls hat einen sogenannten Upchirp erhalten. Impulse mit Upchirp entstehen in modensynchroni.sierten Lasern, die dispersive Materialien von hinreichender Länge aufweisen, z. B. dotierte Gläser bei -Festköroerlasern.

Die zweite Ursache für die· Entstehung des Chirps ist die Intensitätsabhängigkeit des Brechungsindex. Bei hoher Leistungsdichte der Laserstrahlung wird der Brechungsindex zeitlich moduliert, was 'zu einer Phasenmodulation und zu einem Upchirp der Impulse führt. Dieser Prozeß

ΊΟ 2 spielt bei Leistungsdichten,größer 10 W/em eine Rolle. Wie die durchgeführten experimentellen Untersuchungen /6/ zeigen, wird bei passiv modensynchronisierten· Farbstofflasern jedoch ein Downchirp der Impulse beobachtet. Ein solcher Impuls besitzt eine kurzwellige Impulsvorderfront und ein langwelliges Impulsende. Der Downchirp entsteht durch eine zeitliche Variation des Brechungsindex infolge der unterschiedlichen Sättigung, die die Impulsvorderfront und das Impulsmaximum erzeugen. Da der Absorber bei der passiven Modensynchronisation naturgemäß stärker gesättigt werden muß als der Verstärker, kann der Sättigungseinfluß des Verstärkers vernachlässigt werden. Aus der Darstellung des geschilderten Sachverhaltes geht nun hervor, daß in passiv modensynchronisierten Lasern, die keine dispersiven Elemente (oder nur. dispersive EIemente mit einer Länge in der Größenordnung von einigen mm) enthalten und bei denen keine großen Leistungsdichten auftreten, Impulse mit Downchirp generiert werden. Das trifft für den passiv modensynchronisierten Farbstofflaser zu.

Andererseits werden.in passiv modensynchronisierten Lasern, die entsprechend lange dispersive Strahlwege und/oder hohe Leistungsdichten aufweisen, Impulse mit Upchirp generiert. Das trifft z.. B. für den Nd:Glas-Laser mit sättigbarem Absorber zu.

Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, den Chirp der Impulse durch geeignete Mittel bereits innerhalb des Laserresonators zu kompensieren, so daß chirpfreie. Laserimpulse generiert werden können. .

Die Kompensation des Downchirps erfolgt durch Einbringen eines Materials mit normaler Dispersion und nicht linearem·

Verlauf der Dispersionskurve in den Laserresonator.

Vorteilhaft für die Kompensation des Downchirp ist der Einsatz von dispergierenden,verlustarmen Materialien wie z. B. Gläser. Bei Variation der Länge· des Glasweges variiert die Impulsdauer, sie zeigt bei einem bestimmten Glasweg ein ausgeprägtes Minimum. Bei diesem Glasweg wird der Downchirp durch, 'den nicht line ar en Verlauf der Dispersion kompensiert. Bei kürzeren Glaswegen ist die Kompensation unvollkommen, die Impulse zeigen noch Downchirp, bei längeren Glaswegen ergibt sic-h Überkompensation, die Impulse zeigen Upchirp. Durch die Variation des Glasweges kann die Impulsdauer bei konstanter Wellenlänge kontinu- · ierlich verändert werden, im vorliegenden Fall um etwa eine Größenordnung. Bei Gläsern mit stärkerer Krümmung der Dispersionskurve erfolgt der Abfall zum Minimum der Impulsdauer schneller,'ebenso erfolgt ein steilerer Anstieg der Impulsdauer bei Überkompensation. . .

Ohne Glasweg im Resonator liegt die Impulsdauer etwa eine Größenordnung über der minimal erreichbaren bei einer bestimmten Wellenlänge. Erst durch Kompensation des Chirps können in diesem Wellenlängenbereich Impulse unter 100 fs erzielt werden. Das zeigt auch die Bedeutung des Verfahrens für die Erweiterung des Wellenlängenbereiches bei passiv modensynchronisierten Lasern»

Die Kompensation des Upchirpes erfolgt durch Einbringen beugender Elemente in den Laserresonator. Das erfolgt beispielsweise mittels eines Gitterpaares. Da bei einer Chirpkompensation außerhalb des Resonators der Impuls nur einmal das,Gitterpaar passiert, aber bei einer Kompensation innerhalb des Resonators mehrfach, reduzieren sich die Anforderungen an die dispersiven Eigenschaften eines Gitterpaares im Resonator genau in diesem Verhältnis (Photonen-¹ lebensdauer im Resonator dividiert durch Resonatorumlaufzeit).

Ausführungsbeispiel

Das Wesen der Erfindung soll für den Fall des passiv modensynchronisiert; en Farbstoff-Ringlaser an einem Aus- . ' führungsbeispiel näher erläutert werden. Ss wird für den Farbstofflaser eine verlustarme Resonatorkonfiguration zugrundegelegt, die für die Erzeugung von fs-Impulsen besonders günstig ist.

Der Ringresonator, dargestellt in Fig. 2, wird aus sechs Resonatorspiegeln gebildet, wobei zwei Spiegel 1 und 2 f\ · mit einem Krümmungsradius von ca. 5 cm um den Rhodamin 6 G-Jet 7 und zwei Spiegel 4 und 5 ^it einem Krümmungsradius von ca. 3 cm um den DODCI-Jet 8 angeordnet sind. Der Spiegel 3 besitzt einen Krümmungsradius von 1 bis 1,5 m und befindet sich in einem Abstand von ca. 30 bis-40 cm vom Spiegel 5· Der Spiegel 6 ist eben und dient als Auskoppelspiagel (Reflexionsvermögen ca. 99 %)· Alle Spiegel tragen übliche dielektrische Beschichtung. Der . Umfang des Resonators beträgt ca. 3>6O m, der Abstand zwischen Verstärker- und Absorber-Jet ein Viertel des Umfangs. Die Pumpstrahlung 11 wird über den Pumpspiegel '. 10 in das aktive Medium 7 eingekoppelt.

_r, _ . ..- Im Resonator befindet sich zur Kompensation des Downchirps \ , ein dispersives Element mit nichtlinearem Verlauf der ,· Dispersionskurve, im einfachsten Fall ein Prisma 9, auf das die Laserstrahlung 12 unter dem Brewsterwinkel trifft. Zur Variation des Glasweges wird das Prisma 9 senkrecht zu seiner Basisflache verschoben. Als Prismeninaterial eignen sich verlustarme Gläser wie SQ 1 oder auch Flintglaser. Bei den stärker brechenden Flintgläsern ändert sich die Impulsdauer mit Variation des Glasweges wie in Fig. 1 angegeben, bei SQ 1 ist der Verlauf der Kurve flacher, das Minimum der Impulsdauer etwas zu längeren 'Glaswegen verschoben.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der C airp-Kompe ns action innerhalb des Resonators und bei einer extrem niedrigen Pumpleistung von ca. 1 W (alle Argonlaser-_ linien) konnten Laserimpulse von 55 fs erzeugt werden. Das sind die bisher kürzesten, von einem Laser generierten Impulse.

Sine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die, bei der die Winkeldispersion des Prismas 9 eingeschränkt oder kompensiert werden kann. Zu¹ diesem Zweck ordnet man wie in Pig. 3 dargestellt zwei Prismen 13· und- 14· so hintereinander an, daß sich ihre Winkeldispersion kompensieren läßt. Sine resultierende dispersive Wirkung erreicht man, wenn man den Abstand der beiden Prismen 13und 14 vergrößert. Die Chirpkompensation erfolgt wie angegeben durch Verschiebung eines Prismas oder beider Prismen senkrecht zur Basisfläche.

Chirpkompensation bei reduzierter Winkeldispersion kann man auch mit einer keilförmigen Platte aus Glas oder einem anderen Medium mit ähnlich dispersiven Eigenschaften erreichen· Die Platte wird zweckmäßigerweise unter dem Brewsterwinkel im Resonator angeordnet.

Claims

8 . '3rfindungsanspruch

, 1. Verfahren zur Erzeugung kurzer, chirpfreier Laserimpulse, basierend auf der Methode der Modensynchronisation, dadurch gekennzeichnet, daß der Chirp-Sffekt der Laserimpulse innerhalb des Laserresonators durch eine Dispersion der Gruppengeschwindigkeit kompensiert wird.
2. Verfahren nach Punkt 1 basierend auf der Methode der p>_t passiven Modensynchronisation,dadurch gekennzeichnet, ^v*'' ' daß der Downchirp durch im Resonator enthaltene Medien • mit normaler Dispersion und nichtlinearem Verlauf der. Dispersionskurve kompensiert wird. ,
3· Verfahren zur passiven Modensynchronisation nach . . Punkt 2, dadurch gekennzeichnet, 'daß zur Kompensation des Downchirp optische Gläser eingesetzt werden.
. 4. Verfahren nach Punkt 1, insbesondere für Lasertypen ." mit längeren optischen Wegen in Medien mit normaler Dispersionfdadurch gekennzeichnet, daß der Upchirp '. durch im Resonator enthaltene Medien mit anomaler

Dispersion und nichtlinearem Verlauf der Dispersions- ("'" kurve und/oder beugende Elemente im Resonator kompensiert wird..
5>. Anordnung zur passiven Modensynchronisation nach Punkt 3,dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem Farbstoffringlaser optische Gläser in Jora eines Brewsterprismas oder einer keilförmigen Platte oder zweier Brewsterprismen, die gegeneinander so angeordnet sind, daß sich ihre Winkeldispersion kompensieren läßt, befinden.

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