DE102010048576B9 - Laservorrichtung zur Erzeugung eines CEO-freien Frequenzkamms - Google Patents

Laservorrichtung zur Erzeugung eines CEO-freien Frequenzkamms Download PDF

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Abstract

Laservorrichtung, umfassend eine Strahlungsquelle (1), die Strahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien emittiert, und einen Differenzfrequenzerzeuger (5), der die Strahlung derart umwandelt, dass das Spektrum der umgewandelten Strahlung wiederum die Form eines Frequenzkamms hat, wobei die Frequenzen der Spektrallinien im Spektrum der umgewandelten Strahlung Harmonische einer Grundfrequenz sind, gekennzeichnet durch einen dem Differenzfrequenzerzeuger (5) im Strahlungsverlauf nachgeschalteten Frequenzvervielfacher (6).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung, umfassend eine Strahlungsquelle, die Strahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien emittiert, und einen Differenzfrequenzerzeuger, der die Strahlung derart umwandelt, dass das Spektrum der umgewandelten Strahlung wiederum die Form eines Frequenzkamms hat, wobei die Frequenzen der Spektrallinien im Spektrum der umgewandelten Strahlung Harmonische einer Grundfrequenz sind.
  • Optische Frequenzkämme erfahren seit einigen Jahren eine besonders große Aufmerksamkeit. Anfangs ging es hauptsächlich um Anwendungen der optischen Frequenzkämme in der Präzisionsspektroskopie. Inzwischen sind auch Anwendungen im Bereich der Frequenzmetrologie von großem Interesse.
  • Ultrakurze optische Pulse im Piko- und Femtosekundenbereich können mit modengekoppelten Lasern erzeugt werden. Das Frequenzspektrum eines regelmäßigen Pulszugs, wie er von einem modengekoppelten Laser emittiert wird, besteht aus äquidistanten diskreten Spektrallinien. Ein solches Spektrum wird als Frequenzkamm bezeichnet. Die einzelnen Spektrallinien sind im Vergleich zu ihrem Abstand im Spektrum sehr schmal. Ihr Abstand entspricht dabei der Repetitionsrate der Pulse, die typischerweise im Bereich zwischen 10 MHz und 10 GHz liegt. Dazu korrespondieren Pulsabstände zwischen 100 ns und 100 ps. Das gesamte Spektrum kann viele THz breit sein. Bei solchen mittels modengekoppelten Lasern erzeugten Frequenzkämmen ist es allerdings nicht so, dass die absoluten Frequenzen aller Spektrallinien ganzzahlige Vielfache, d. h. Harmonische einer Grundfrequenz sind. Dies resultiert daraus, dass das elektrische Trägerfeld der Strahlung von Puls zu Puls eine Veränderung der Phase in Bezug auf die Einhüllende der Pulse erfährt. Auf diesen Sachverhalt wird üblicherweise mit der Bezeichnung CEO-Phase Slip oder auch verkürzt Carrier Envelope Offset (CEO) Bezug genommen. Der CEO-Phase Slip resultiert aus den voneinander abweichenden Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten des im Laserresonator umlaufenden Laserpulses und hängt von verschiedenen dispersiven und nichtlinearen Effekten im Laser ab. Aufgrund des CEO-Phase Slip ist das gesamte Spektrum um eine entsprechende CEO-Frequenz gegenüber dem Frequenzursprung verschoben. Die Frequenzen der einzelnen Spektrallinien des Frequenzkamms ergeben sich somit als Summe aus der CEO-Frequenz und einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate des Lasers. Die CEO-Frequenz ist in der Metrologie sehr wichtig, denn die absoluten Frequenzen fn aller Spektrallinien sind erst durch die Angabe des ganzzahligen Vielfachen n der Repetitionsrate df und der CEO-Frequenz fCEO eindeutig bestimmt: fn = fCEO + n·df
  • Aus der DE 10 2004 022 037 A1 ist eine Laservorrichtung der eingangs angegebenen Art bekannt, bei welcher zur Erzeugung eines CEO-freien optischen Frequenzkamms ein Differenzfrequenzerzeuger zum Einsatz kommt. Dieser Differenzfrequenzerzeuger wandelt die Strahlung eines modengekoppelten Lasers in der Weise um, dass Spektrallinien erzeugt werden, deren Frequenz jeweils gleich der Differenzfrequenz zweier Spektrallinien der (evtl. verbreiterten) Strahlung des modengekoppelten Lasers ist. Durch die Differenzbildung wird die CEO-Frequenz eliminiert, d. h. fCEO = 0. Das Ergebnis ist ein CEO-freier Frequenzkamm, bei dem die Frequenzen der Spektrallinien allein durch ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate des modengekoppelten Lasers eindeutig definiert sind, da die CEO-Frequenz den Wert Null annimmt: fn = n·df
  • Die durch Differenzfrequenzerzeugung umgewandelte Strahlung hat also wiederum die Form eines Frequenzkamms, wobei die Frequenzen der Spektrallinien im Spektrum der umgewandelten Strahlung Harmonische der Grundfrequenz df sind.
  • Bei der bekannten Laservorrichtung kommt es entscheidend darauf an, dass die Spektrallinien der Strahlung des modengekoppelten Lasers, die der Differenzfrequenzerzeugung unterzogen werden, einen Frequenzabstand aufweisen, der mindestens einer Oktave entspricht. Bevorzugt ist sogar ein Frequenzabstand von zwei Oktaven. Dies ist Voraussetzung dafür, dass das Spektrum der Strahlung nach der Differenzfrequenzerzeugung in etwa wieder in dem Spektralbereich der Verstärkung des modengekoppelten Lasers liegt. Bei der bekannten Laservorrichtung ist es somit erforderlich, zunächst einen mehr als eine Oktave überspannenden Frequenzkamm mittels des modengekoppelten Lasers zu erzeugen. Ein solches Spektrum wird auch als optisches Kontinuum bezeichnet. Die Erzeugung eines mehr als einer Oktave überspannenden Kontinuums verlangt nachteiligerweise einen vergleichsweise aufwendigen Aufbau der vorbekannten Laservorrichtung. Ausserdem werden wichtige Strahlungseigenschaften des Frequenzkamms wie Rauschen, Kohärenz, etc. mit zunehmender Verbreiterung des Kontinuums negativ beeinflußt.
  • Aus der US 2008/0049301 A1 ist eine weitere Laservorrichtung bekannt, die zur Erzeugung von Strahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms dient. Eine Stabilisierung hinsichtlich der CEO-Frequenz erfolgt bei der vorbekannten Vorrichtung mittels Differenzfrequenzerzeugung und Selbstphasenmodulation, die in ein und demselben nicht-linearen Kristall stattfindet.
  • Aus dem Artikel von M. Zimmermann et al. (Optics Letters, Vol. 29, Nr. 3, 2004, Seiten 310–312) ist eine Laservorrichtung zur Erzeugung eines CEO-freien optischen Frequenzkamms bekannt, deren Funktionsweise auf einer Summen- und Differenzfrequenzerzeugung basiert. Ähnlich wie bei der aus der genannten DE 10 2004 022 037 A1 vorbekannten Laservorrichtung ist Voraussetzung ein optischer Frequenzkamm, dessen Spektrum mindestens eine Oktave abdeckt.
  • Die US 2007/0086713 A1 beschreibt eine kompakte Laservorrichtung zur Erzeugung von Strahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms, in welcher hoch nicht-lineare optische Wellenleiter zum Einsatz kommen. Z. B. durch in optische Wellenleiter integrierte nicht-lineare Gitter kann die Leistung in bestimmten schmalen Spektralbereichen innerhalb eines breitbandigen Spektrums der Strahlung erhöht werden. Außerdem wird der Betrieb der Laservorrichtung bei hohen Repetitionsraten bei gleichzeitig reduzierten Leistungsanforderungen ermöglicht.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik vereinfachte Laservorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, einen CEO-freien Frequenzkamm zu erzeugen, und zwar möglichst mit gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Qualität.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einer Laservorrichtung der eingangs angegebenen Art dadurch, dass dem Differenzfrequenzerzeuger im Strahlungsverlauf ein Frequenzvervielfacher nachgeschaltet ist.
  • Bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung kann die Breite des Spektrums vor der Differenzfrequenzerzeugung deutlich kleiner sein als eine Oktave. Dies führt allerdings dazu, dass die Frequenzen der Spektrallinien nach der Differenzfrequenzerzeugung deutlich außerhalb des Frequenzbereichs der ursprünglichen Strahlung liegen. Durch den dem Differenzfrequenzerzeuger gemäß der Erfindung nachgeschalteten Frequenzvervielfacher kann die Strahlung nach der Differenzfrequenzerzeugung in den Frequenzbereich der Verstärkung der Strahlungsquelle verschoben werden. Das Ergebnis ist ein CEO-freier optischer Frequenzkamm bei der Wellenlänge der Strahlungsquelle. Die aufwendige Erzeugung eines mehr als eine Oktave überspannenden Kontinuums kann bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung entfallen. Bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung reicht es z. B. aus, wenn der Frequenzbereich der Strahlung der Strahlungsquelle nur ein Drittel einer Oktave überspannt. Dementsprechend ist die erfindungsgemäße Laservorrichtung weniger aufwendig und damit kostengünstiger herstellbar.
  • Aufgrund der geringen Anforderungen an die spektrale Breite des Frequenzkamms vor der Differenzfrequenzerzeugung hat die erfindungsgemäße Laservorrichtung weitere Vorteile. So ist die erfindungsgemäße Laservorrichtung z. B. weniger anfällig für spektrale Kohärenzverluste und Rauschen als die aus dem Stand der Technik bekannte Laservorrichtung.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung überlappt der Frequenzbereich der Strahlung am Ausgang des Frequenzvervielfachers mit dem Verstärkungsbereich der Strahlungsquelle zumindest teilweise. Das bedeutet nichts anderes als, wie oben ausgeführt, dass die Spektrallinien nach Differenzfrequenzerzeugung und Frequenzvervielfachung wiederum in dem Frequenzbereich der ursprünglichen Strahlung der Strahlungsquelle liegen. Ebenso ist es vorstellbar, dass die Spektrallinien der erfindungsgemäß erzeugten Strahlung in den Verstärkungsbereich einer anderen Strahlungsquelle fallen und von dieser nachverstärkt werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Laservorrichtung als Strahlungsquelle einen modengekoppelten Laser. Modengekoppelte Laser sind, wie oben erwähnt, dazu in der Lage, ultrakurze optische Pulse im Piko- und Femtosekundenbereich in Form eines hochpräzisen regelmäßigen Pulszugs zu erzeugen. Dies ist für die Erzeugung eines Frequenzkamms zwingende Voraussetzung.
  • Zweckmäßigerweise erzeugt der modengekoppelte Laser (Oszillator) eine genügend hohe Spitzenintensität der Strahlung. Dies kann auch durch einen dem Oszillator nachgeschalteten, optischen Verstärker erzielt werden. Die evtl. notwendige Verbreiterung des Spektrums (siehe weiter unten), die Differenzfrequenzerzeugung und die Frequenzvervielfachung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung unter Ausnutzung der bekannten nichtlinearen optischen Prozesse. Deren Effizienz hängt vor allem von der Intensität der Strahlung ab. Um eine ausreichende Effizienz zu erzielen, sollte deshalb die Strahlung vor der evtl. notwendigen spektralen Verbreiterung, Differenzfrequenzerzeugung und der Frequenzvervielfachung über eine ausreichende Spitzenintensität verfügen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Strahlungsquelle der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ein dem Oszillator oder dem optischen Verstärker nachgeschaltetes Mittel zur Erhöhung der spektralen Breite der Strahlung. Zur Erhöhung der spektralen Breite kann z. B. ein optisch nichtlineares Element verwendet werden. Es bietet sich der Einsatz einer optisch hoch nichtlinearen und/oder mikrostrukturierten Faser an. Es handelt sich um herkömmlich zur Kontinuumserzeugung eingesetzte Mittel. Im Unterschied zum Stand der Technik stellt die Erfindung allerdings, wie oben erläutert, deutlich geringere Anforderungen an die spektrale Breite des Kontinuums. Eine gewisse spektrale Breite, von z. B. einer halben Oktave oder auch weniger, bleibt allerdings erforderlich, damit die Frequenzen der Spektrallinien nach der Differenzfrequenzerzeugung in einem weiter handhabbaren Frequenzbereich liegen. Insbesondere muss die gemäß der Erfindung vorgesehene Frequenzvervielfachung möglich sein.
  • Bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung kann die Erzeugung einer der zur Differenzfrequenzbildung notwendigen spektralen Komponenten durch induzierte Raman-Streuung erfolgen. Raman-Streuung bewirkt eine spektrale Verschiebung ausschließlich zu niedrigeren Frequenzen hin. Zur Erzeugung einer spektralen Verschiebung mittels Raman-Streuung kann z. B. eine einfache Glasfaser verwendet werden, durch die die Strahlung propagiert. In diesem Fall ist der genannte Effekt auch unter der Bezeichnung Soliton-Self-Frequency-Shift (SSFS) bekannt. Ein wesentlicher Vorteil ist die höhere Intensität der mittels Raman-Streuung spektral verschobenen Strahlung. Dies wirkt sich positiv auf die Effizienz der nachfolgenden optisch nichtlinearen Prozesse aus.
  • Bei der erfindungsgemäßen Laservorrichtung sollte in jedem Fall die spektrale Breite der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung maximal eine Oktave betragen. Bevorzugt beträgt die spektrale Breite weniger als zwei Drittel einer Oktave.
  • Dem Frequenzvervielfacher der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann, je nach Anwendungsfall, ein zweiter optischer Verstärker nachgeschaltet sein. Da die Frequenz der Spektrallinien des Frequenzkamms nach Differenzfrequenzerzeugung und Frequenzvervielfachung gemäß der Erfindung vorzugsweise wieder in dem Verstärkungsbereich der ursprünglichen Strahlungsquelle liegen, kann mit Vorteil in dem zweiten optischen Verstärker das gleiche Verstärkermedium zum Einsatz kommen, das auch in der Strahlungsquelle Verwendung findet. Ebenso ist es vorstellbar, dass ein Verstärker mit gegenüber der Strahlungsquelle rotverschobenem Verstärkungsbereich in der Nachverstärkung Anwendung findet.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ist dem Differenzfrequenzerzeuger ein Kompensationselement zum zeitlichen Abgleich der spektralen Komponenten vorgeschaltet. Das Kompensationselement, das z. B. eine Verzögerungsstrecke oder eine sog. Dispersionskompensierende Faser (DCF) sein kann, stellt eine zeitliche Überlagerung der in der Strahlung der Strahlungsquelle enthaltenen Moden des Frequenzkamms in dem Differenzfrequenzerzeuger sicher. Nur bei entsprechender zeitlicher und räumlicher Überlagerung der in dem Differenzfrequenzerzeuger eingestrahlten Pulse ist überhaupt eine Differenzfrequenzerzeugung möglich.
  • Bei einer praktischen Realisierung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung sollte sichergestellt sein, dass die spektralen Komponenten des ursprünglichen, d. h. mit der CEO-Frequenz behafteten Frequenzkamms aus dem Strahlungsverlauf eliminiert sind, bevor der neu erzeugte, d. h. CEO-freie Frequenzkamm zur Verfügung gestellt bzw. optisch verstärkt wird. Dies lässt sich durch eine geeignete Filtervorrichtung bewerkstelligen, die die ursprüngliche Strahlung durch Reflektion oder Absorption blockiert oder räumlich aus dem Strahlverlauf durch Brechung, Beugung oder aufgrund des Polarisationszustands entfernt. Bevorzugt wird die Filtervorrichtung zwischen Differenzfrequenzerzeuger und Frequenzvervielfacher eingefügt. Sie kann aber schon vor der Differenzfrequenzerzeugung eingesetzt werden, wenn die dazu notwendigen spektralen Komponenten ausreichend von dem später erzeugten CEO-freien Frequenzkamm spektral entfernt sind. Die Filtervorrichtung kann entfallen, wenn der Verstärkungsbereich des nachgeschalteten Verstärkers ausreichend vom CEO-behafteten Frequenzkamm spektral entfernt ist und dieser somit nicht optisch nachverstärkt wird.
  • Bei einer praktischen Realisierung der erfindungsgemäßen Laservorrichtung können der Differenzfrequenzerzeuger und der Frequenzvervielfacher optisch nicht-lineare Elemente wie z. B. Kristalle aus Lithium-Borat (LBO) oder Barium-Borat (BBO) oder periodisch gepolte Kristalle aus Lithiumniobat (ppLN) oder Lithiumtantalat (ppSLT) umfassen. Die periodisch gepolten Kristalle ermöglichen eine Quasi-Phasenanpassung sowohl bei der Differenzfrequenzerzeugung als auch bei der Frequenzvervielfachung mit besonders großen nichtlinearen Koeffizienten. Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der der Differenzfrequenzerzeuger, ggf. die Filtervorrichtung und der Frequenzvervielfacher durch einen einzelnen periodisch gepolten Kristall gebildet sind, der in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnete Bereiche mit unterschiedlichen Polungsperioden aufweist. Dies ermöglicht einen besonders kompakten und robusten Aufbau. Zur Effizienzsteigerung der nichtlinearen Prozesse ist desweiteren eine in den Kristall eingeschriebene Wellenleiterstruktur von Vorteil.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1: schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung;
  • 2: schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels;
  • 3: Illustration des erfindungsgemäßen Prinzips mit Differenzfrequenzerzeugung und Frequenzvervielfachung anhand eines Diagramms;
  • 4: alternative Vorgehensweise bei der erfindungsgemäßen Differenzfrequenzerzeugung und Frequenzvervielfachung;
  • 5: Abwandlung des erfindungsgemäßen Prinzips mit Differenzfrequenzerzeugung, Frequenzvervielfachung und Nachverstärkung;
  • Die in der 1 dargestellte Laservorrichtung weist eine Strahlungsquelle 1 auf, die Strahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien emittiert. Die Strahlungsquelle 1 umfasst einen modengekoppelten Erbium-Faserlaser als Oszillator 2. Dieser emittiert ultrakurze optische Pulse bei einer Wellenlänge von 1,5 μm. Die von dem modengekoppelten Oszillator 2 emittierten Pulse werden mittels eines ersten optischen Verstärkers 3 verstärkt. Es handelt sich um einen Diodengepumpten Faserverstärker. Die verstärkte Strahlung wird in eine optisch hoch nichtlineare Faser 4 eingekoppelt, die zur Erhöhung der spektralen Breite der Strahlung dient. Mittels der hoch nichtlinearen Faser 4 wird ein Kontinuum bei einer Wellenlänge von 1,0 μm erzeugt. Das Kontinuum wird zusammen mit der (verstärkten) fundamentalen Strahlung des modengekoppelten Lasers 2 einem Differenzfrequenzerzeuger 5 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen geeigneten nichtlinearen Kristall. Das Spektrum am Ausgang des Differenzfrequenzerzeugers 5 weist Spektrallinien auf, deren Frequenzen gleich den Differenzen der Frequenzen der in dem Kontinuum enthaltenen Spektrallinien und der Frequenz der fundamentalen Strahlung des modengekoppelten Lasers 2 sind. Mittels des Differenzfrequenzerzeugers 5 wird somit ein Frequenzkamm bei einer Wellenlänge von 3 μm erzeugt. Ein spektraler oder Polarisationsfilter 5a entfernt die noch vorhandene Strahlung der Strahlungsquelle aus dem Strahlungsverlauf. Mittels eines Frequenzvervielfachers 6 erfolgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Frequenzverdoppelung. Bei dem Frequenzvervielfacher 6 handelt es sich wiederum um einen nichtlinearen Kristall. Nach der Frequenzverdoppelung mittels des Frequenzvervielfachers 6 liegt ein Spektrum in Form eines CEO freien Frequenzkamms bei der fundamentalen Wellenlänge des modengekoppelten Lasers 2, d. h. bei 1,5 μm vor. Mittels eines zweiten optischen Verstärkers 7 erfolgt eine abschließende Verstärkung. Die Laservorrichtung umfasst Prismenpaare 8 und 9 zur Dispersionskontrolle. Dem Differenzfrequenzerzeuger 5 ist ein Kompensationselement 10 mit Verzögerungsstrecken vorgeschaltet. Das Kompensationselement 10 dient zur Effizienzsteigerung der nichtlinearen optischen Prozesse, indem es eine zeitliche Überlagerung der in der Strahlung der Strahlungsquelle 1 enthaltenen Moden in dem Differenzfrequenzerzeuger 5 bewirkt.
  • Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Differenzfrequenzerzeuger 5 und der Frequenzvervielfacher 6 als ein periodisch gepolter Kristall ausgebildet, der in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnete Bereiche mit entsprechend unterschiedlichen Polungsperioden für die Differenzfrequenzerzeugung bzw. die Frequenzvervielfachung aufweist. Dem Differenzfrequenzerzeuger 5 ist als Kompensationselement 10 mit der oben in Bezug auf die 1 beschriebene Funktion eine Dispersions-kompensierende Faser vorgeschaltet. Zwischen Differenzfrequenzerzeuger 5 und Frequenzvervielfacher 6 ist ein Abschnitt 5a mit Polungsperioden so gestaltet, dass er als Braggreflektor für die Strahlung der Strahlungsquelle dient und diese effektiv für den weiteren Strahlverlauf blockt. Die erzeugte Differenzfrequenz wird hingegen von dem Abschnitt 5a transmittiert.
  • Die 3 veranschaulicht das Vorgehen zur Erzeugung eines CEO-freien Frequenzkamms gemäß der Erfindung. Der Ausgangspunkt ist die Strahlung der Strahlungsquelle 1, die bei der Frequenz fL ultrakurze Pulse emittiert. In dem mit A bezeichneten Schritt erfolgt die oben beschriebene Kontinuumserzeugung. Das bedeutet, dass die spektrale Breite der Strahlung der Strahlungsquelle 1 vergrößert wird, z. B. durch die hoch nichtlineare Faser 4 (vgl. 1). Beispielsweise erfolgt ausgehend von der Strahlung des modengekoppelten Erbium-Faserlasers, der bei einer Wellenlänge von 1,5 μm emittiert, mittels der hoch nichtlinearen Faser 4 die Erzeugung eines zweiteiligen Kontinuums. Ein Teil des Spektrums wird dabei blau- und der andere Teil rotverschoben. In dem Diagramm der 3 sind beispielhaft die Frequenzen zweier Spektrallinien verzeichnet, die in dem Schritt A erzeugt werden. Die Wellenlängen können z. B. bei 1,2 μm (blauverschoben) und 2,0 μm (rotverschoben) liegen. Dies entspricht Frequenzen von 250 THz und 150 THz. Die fundamentale Frequenz fL der Strahlung der Strahlungsquelle 1 liegt bei 200 THz. Im Schritt B erfolgt die Differenzfrequenzerzeugung. Die Differenzfrequenz beträgt 100 THz bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Im Schritt C erfolgt die Frequenzverdoppelung auf 200 THz, was wiederum der fundamentalen Frequenz fL der Strahlungsquelle 1 entspricht. Wie in dem Diagramm der 3 zu erkennen ist, überspannt das im Schritt A erzeugte Kontinuum einen Frequenzbereich, der deutlich kleiner als eine Oktave ist.
  • Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die spektrale Verbreiterung im Schritt A durch Raman-Streuung. Hier erfolgt somit lediglich eine Rotverschiebung. Die Wellenlängen der in dem Diagramm der 4 verzeichneten Spektrallinien liegen nach der spektralen Verbreiterung im Schritt A bei 1,5 μm und 2,25 μm. Dies entspricht Frequenzen von 200 THz und 133 THz. Nach der Differenzfrequenzerzeugung im Schritt B liegt entsprechend die Frequenz bei 66 THz (4,5 μm). Durch eine Frequenzverdreifachung im Schritt C gelangt man wieder zur ursprünglichen Frequenz fL (1,5 μm bzw. 200 THz).
  • Einerseits nimmt die Effizienz der Frequenzvervielfachung bei höheren Harmonischen stark ab. Andererseits sinkt bei höheren Harmonischen die Anforderung an die spektrale Breite der Strahlungsquelle 1 bzw. der Kontinuumserzeugung. Es sollte also bei der praktischen Ausführung das Optimum gesucht werden, bei dem die Anforderungen an die Strahlungsquelle 1 mit der Effizienz der Frequenzvervielfachung abgeglichen und dabei der Gesamtaufwand minimiert wird.
  • Das in der 5 dargestellte Schema entspricht in den Verfahrensschritten A und B im Prinzip demjenigen der 4, mit dem Unterschied, dass die Wellenlänge der Strahlungsquelle nur etwa 1 μm beträgt (Frequenz fL). Hierzu basiert die Strahlungsquelle z. B. auf Yb-dotierten Fasern. Das im Schritt A erzeugte Kontinuum hat eine Breite von etwa einer Drittel Oktave, was zu einer Differenzfrequenz entsprechend einer Wellenlänge von 3 μm nach Schritt B führt. Diese wird im Schritt C nun nicht frequenzverdreifacht, sondern nur frequenzverdoppelt, so dass die Wellenlänge danach 1,5 μm beträgt (Frequenz f2). Diese Strahlung kann sodann im Schritt D z. B. mittels einer Er-dotierten Faser verstärkt werden. Der CEO-freie Frequenzkamm liegt nämlich nach der Frequenzverdoppelung im Verstärkungsbereich eines Er-Faserverstärkers.

Claims (14)

  1. Laservorrichtung, umfassend eine Strahlungsquelle (1), die Strahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien emittiert, und einen Differenzfrequenzerzeuger (5), der die Strahlung derart umwandelt, dass das Spektrum der umgewandelten Strahlung wiederum die Form eines Frequenzkamms hat, wobei die Frequenzen der Spektrallinien im Spektrum der umgewandelten Strahlung Harmonische einer Grundfrequenz sind, gekennzeichnet durch einen dem Differenzfrequenzerzeuger (5) im Strahlungsverlauf nachgeschalteten Frequenzvervielfacher (6).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzbereich der Strahlung am Ausgang des Frequenzvervielfachers (6) mit dem Frequenzbereich der Strahlung der Strahlungsquelle (1) zumindest teilweise überlappt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) einen modengekoppelten Laser (2) umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem modengekoppelten Laser (2) ein erster optischer Verstärker (3) nachgeschaltet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1) ein dem modengekoppelten Laser (2) oder dem optischen Verstärker (3) nachgeschaltetes Mittel zur Erhöhung der spektralen Breite der Strahlung umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erhöhung der spektralen Breite ein Element (4) mit optischer Nichtlinearität umfasst.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der spektralen Breite durch Raman-Streuung erfolgt.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Breite der von der Strahlungsquelle (1) emittierten Strahlung maximal eine Oktave, bevorzugt maximal zwei Drittel einer Oktave beträgt.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen dem Frequenzvervielfacher (6) nachgeschalteten zweiten optischen Verstärker (7).
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Differenzfrequenzerzeuger (5) ein Kompensationselement (10) vorgeschaltet ist, das eine zeitliche Überlagerung der in der Strahlung der Strahlungsquelle (1) enthaltenen Moden in dem Differenzfrequenzerzeuger (5) bewirkt.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzfrequenzerzeuger (5) und der Frequenzvervielfacher (6) periodisch gepolte Kristalle umfassen.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzfrequenzerzeuger (5) und der Frequenzvervielfacher (6) durch einen einzelnen periodisch gepolten Kristall gebildet sind, der in Strahlungsrichtung hintereinander angeordnete Bereiche mit unterschiedlichen Polungsperioden aufweist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Filtervorrichtung (5a), die die spektralen Komponenten der Strahlung der Strahlungsquelle (1) aus dem Strahlungsverlauf eliminiert und zumindest einen Teil der umgewandelten Strahlung passieren lässt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtervorrichtung (5a) zwischen Differenzfrequenzerzeuger (5) und Frequenzvervielfacher (6) in den Strahlungsverlauf eingefügt ist.
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