DE102018106556B4 - Parametrische Umwandlung von gechirpten Femtosekunden-Pumppulsen - Google Patents

Parametrische Umwandlung von gechirpten Femtosekunden-Pumppulsen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen durch nichtlineares Vierwellenmischen, die Folgendes umfasst:
- eine Pumplaserquelle zum Emittieren eines Pumpstrahls von Femtosekunden-Laserpulsen bei einer Pumpwellenlänge, wobei die Dauer der durch die Pumpquelle emittierten Laserpulse 50-250 fs, bevorzugt 90-150 fs ist;
- eine Chirpeinheit zum Empfangen des Pumpstrahls von der Pumplaserquelle und die ausgelegt ist zum zeitlichen Strecken der Laserpulse, wobei die Dauer der zeitlich gestreckten Laserpulse des Pumpstrahls 0,5-5 ps, bevorzugt 1-3 ps, besonders bevorzugt 2 ps ist; und
- eine parametrische Umwandlungseinheit zum Empfangen des Pumpstrahls von der Chirpeinheit und die ausgelegt ist zum Erstellen eines Signalstrahls bei einer Signalwellenlänge durch Vierwellenmischen in einem nichtlinearen optischen Medium.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen durch nichtlineares Vierwellenmischen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Kurze Laserpulse werden für zahlreiche Anwendungen benötigt. Heutzutage zu vergleichsweise geringen Kosten handelsübliche Faserlaser werden typischerweise für die Erzeugung von kurzen Laserpulsen bei einer Vielfalt von unterschiedlichen Wellenlängen verwendet.
  • Faserlaser sind Laser, die Glasfasern (optische Fasern) als Verstärkungsmedien verwenden. In den meisten Fällen ist das Verstärkungsmedium eine mit Ionen Seltener Erden, wie Erbium (Er3+), Neodym (Nd3+), Ytterbium (Yb3+), Thulium (Tm3+) oder Praseodym (Pr3+), dotierte Faser und eine oder mehrere fasergekoppelte Laserdioden werden zum Pumpen verwendet. Die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung hängt von dem Dotanden des Verstärkungsmediums ab. Weitere Wellenlängen können durch nichtlineare Frequenzumwandlung erreicht werden, wie etwa beispielsweise Frequenzverdopplung (second harmonic generation).
  • Allerdings gibt es in dem mit ausgereiften, verfügbaren mit Seltenen Erden dotierten Faserlasern und deren Frequenzverdopplungen zugänglichen Wellenlängenbereich eine Lücke zwischen 800 nm und 1000 nm sowie zwischen 1100 nm und 1500 nm. Andererseits sind es insbesondere diese Wellenlängenbereiche, in welchen es zunehmende Nachfrage nach Laserquellen gibt, beispielsweise in dem Feld von Biophotonik.
  • Ein gut bekanntes Mittel zum Erzeugen von Laserstrahlung bei „unüblichen“ Frequenzen ist nichtlineares Vierwellenmischen (four-wave mixing - FWM) in Stufenindexfasern [2] oder in photonischen Kristallfasern [1]. Bei diesen Ansätzen werden üblicherweise optische parametrische Verstärker (optical parametric amplifiers - OPAs) durch einen schmalbandigen Pikosekundenlaser gepumpt. Allerdings besteht ein Nachteil dieser Technik darin, dass Pikosekunden-Faserlaser schlecht einstellbar sind, hauptsächlich aufgrund des Fehlens eines kompakten Pulskompressionsschemas.
  • Andererseits sind ultraschnelle Laserplattformen leicht am Markt verfügbar, welche zum Erzeugen von Femtosekundenpulsen ausgelegt sind. Dies sind beispielsweise seltenerddotierte Faserlaser, die bei 1,05 µm oder 1,55 µm emittieren (mit Pulsdauern im Bereich von typischerweise 90 bis 150 fs). Allerdings ist es sehr schwierig, von Femtosekundenpulsen ausgehend parametrische Verstärkung zu erhalten, da Superkontinuumerzeugung die nichtlineare Frequenzerzeugung dominiert. 1a zeigt die Entwicklung des FWM-Prozesses in dem nichtlinearen Medium unter Verwendung von Femtosekunden-Pumppulsen (Pulsdauern von 100 fs) bei einer Wellenlänge von 1560 nm. Das für parametrische Umwandlung verwendete nichtlineare Medium ist eine hochgradig nichtlineare Faser (HNLF) bekannter Art. Der parametrische Prozess wird durch gechirpte Femtosekundenpulse bei einer Wellenlänge von 1960 nm (Idler-Signal) geseedet. Wie man anhand des Diagramms von 1a sieht, ist die erzeugte Signalstrahlung bei 1280 nm vom Beginn an stark strukturiert, da die Erzeugung eines Superkontinuums den Prozess dominiert. Es ist nicht möglich, das Spektrum der Strahlung bei 1280 nm zu kurzen Pulsdauern zu komprimieren und es ist daher für die meisten Anwendungen nicht verwendbar.
  • Die WO 2015 / 114 075 A1 beschreibt eine optisch parametrische Verstärkungsvorrichtung, die Emissionsmittel umfasst zum Emittieren von nicht monochromatischen Lichtpulsen, die als Pumpwelle dienen. Ein Strecker ist vorgesehen, der die Pumpwelle empfängt und als Ausgang eine gestreckte Pumpwelle bestehend aus gechirpten Pulsen liefert. Ein Wellenleiter empfängt die gestreckte Pumpwelle und liefert eine aus einem FWM-Prozess resultierende Welle.
  • In der US 2016 / 0 195 793 A1 ist eine kohärente Anti-Stokes-Raman-Streuungsvorrichtung zur Abbildung einer Probe offenbart, die einen optischen Ausgang und eine optische Quelle aufweist. Die optische Quelle erzeugt ein erstes optisches Signal mit einer ersten Wellenlänge. Ein nichtlineares Element ist dazu vorgesehen, das erste optische Signal durch einen FWM-Prozess in ein zweites optisches Signal bei einer zweiten Wellenlänge und ein drittes optisches Signal bei einer dritten Wellenlänge umzuwandeln. Dabei entsteht ein optisches Signalpaar an dem optischen Ausgang zur Abbildung der Probe, das zwei der Signale umfasst.
  • In der US 9 465 274 B1 geht es um die Nutzung von Photonen bei den jeweiligen Idler- und Signalfrequenzen eines optisch parametrischen Prozesses. Ein starkes Pumpfeld wird bei Frequenzen ωi und ωs angelegt, wobei die erzeugten Idler- und Signalimpulse zur Erzeugung eines Photonenpaars bei der Frequenz ωp genutzt werden. Die Idler-Pumpleistung kann relativ zur Signal-Pumpleistung erhöht werden, so dass die Pumpleistung Pi größer als die Pumpenleistung Ps ist. Ein solcher umgekehrter Betrieb (z. B. ωi+ωs→ωp1+ωp2) kann Raman-Streuungseffekte minimieren und/oder aufheben. Durch die Einhaltung der Energieerhaltungsvorschrift erleichtern die ωi und ωs Photonen, die mit einem nichtlinearen Material in einem FWM-Prozess wechselwirken, die Verschränkung der ωp1 und ωp2 Photonen. Die ωi- und ωs-Photonen können jeweils in Wellenleitern unterschiedlicher Länge gebildet werden, wobei eine Verzögerung genutzt wird, um ein abgestimmtes Timing zwischen den ωi- und ωs-Photonen zu ermöglichen.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Anhand des Obigen versteht es sich sofort, dass es Bedarf für eine verbesserte Laserquelle zur Erzeugung von kurzen Pulsen bei bestimmten Wellenlängen gibt.
  • Es ist somit eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik bereitzustellen, welche die Erzeugung von kurzen Laserpulsen in den Wellenlängenbereichen zwischen 800 nm und 1000 nm oder zwischen 1100 nm und 1500 nm ermöglicht, auf der Grundlage eines FWM-Prozesses unter Verwendung eines seltenerddotierten Femtosekundenlasers als eine Pumpquelle.
  • Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen durch nichtlineares Vierwellenmischen offenbart. Die Vorrichtung umfasst Folgendes:
    • - eine Pumplaserquelle zum Emittieren eines Pumpstrahls von Femtosekunden-Laserpulsen bei einer Pumpwellenlänge, wobei die Dauer der durch die Pumpquelle emittierten Laserpulse 50-250 fs, bevorzugt 90-150 fs ist;
    • - eine Chirpeinheit zum Empfangen des Pumpstrahls von der Pumplaserquelle und die ausgelegt ist zum zeitlichen Strecken der Laserpulse, bevorzugt auf eine Dauer von einer oder mehreren Pikosekunden, wobei die Dauer der zeitlich gestreckten Laserpulse des Pumpstrahls 0,5-5 ps, bevorzugt 1-3 ps, besonders bevorzugt 2 ps ist; und
    • - eine parametrische Umwandlungseinheit zum Empfangen des Pumpstrahls von der Chirpeinheit und die ausgelegt ist zum Erstellen eines Signalstrahls bei einer Signalwellenlänge durch Vierwellenmischen in einem nichtlinearen optischen Medium.
  • Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass unerwünschte Superkontinuumerzeugung durch zeitliches Strecken der Laserpulse des Pumpstrahls auf eine Dauer im Bereich von einigen wenigen Pikosekunden vermieden werden kann, abhängig von der Pulsenergie. Dies wird durch die Chirp-Einheit bewirkt, welche eine frequenzabhängige Phasenverzögerung (Chirp) erzeugt. Superkontinuumerzeugung wird verhindert und FWM dominiert den nichtlinearen Prozess. Auf diesem Wege ermöglicht die Erfindung die Erzeugung von kurzen Pulsen bei verschiedenen Wellenlängen durch nichtlineares FWM unter Verwendung eines Femtosekundenlasers als Pumpquelle.
  • Erfindungsgemäß kann die parametrische Umwandlung in einem optischen parametrischen Verstärker (OPA) oder einem optischen parametrischen Oszillator (OPO) stattfinden. In dem letzten Fall ist das nichtlineare optische Medium in einer optischen Kavität positioniert.
  • Erfindungsgemäß beträgt die Dauer der durch die Pumpquelle erzeugten Laserpulse 50-250 fs, bevorzugt 90-150 fs. Diese Femtosekunden-Pumppulse werden dann in der Chirp-Einheit zeitlich auf eine Dauer von 0,5-5 ps, bevorzugt 1-3 ps, besonders bevorzugt ungefähr 2 ps gestreckt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Pumplaserquelle ausgelegt zum Koppeln des Pumpstrahls in einen ersten Strahlpfad und eines Idler-Strahls in einen zweiten Strahlpfad. Die Chirpeinheit ist in dem ersten Strahlpfad vor der parametrischen Umwandlungseinheit angeordnet. Die parametrische Umwandlungseinheit empfängt den Idler-Strahl über den zweiten Strahlpfad derart, dass sich der Pumpstrahl und der Idler-Strahl in dem nichtlinearen optischen Medium überlagern. In dieser Ausführungsform werden sowohl der Pumpstrahl als auch der Idler-Strahl durch denselben Femtosekundenlaser erzeugt. Keine separate Quelle wird zum Seeden des FWM-Prozesses benötigt. Innerhalb der Bedeutung der Erfindung kann die Signalwellenlänge kürzer oder länger als die Pumpwellenlänge sein. Dementsprechend kann die Idler-Wellenlänge (die Wellenlänge des Idler-Strahls) gegebenenfalls länger oder kürzer als die Pumpwellenlänge sein. Sowohl Signalals auch Idler-Wellenlänge sind länger als die Pumpwellenlänge.
  • Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Wellenlängenverschiebeeinheit, die in dem zweiten Strahlpfad zwischen der Pumplaserquelle und der parametrischen Umwandlungseinheit angeordnet ist, zum Verschieben der Wellenlänge der Laserstrahlung des Idler-Strahls. Die Wellenlänge der in den zweiten Strahlpfad gekoppelten Strahlung der Pumpquelle kann auf eine einfache Weise zu der benötigten Wellenlänge verschoben werden, beispielsweise durch Raman-Soliton-Selbstfrequenzverschiebung in einem Abschnitt einer nichtlinearen anomal dispersiven Glasfaser.
  • Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein erster optischer Verstärker in dem ersten Strahlpfad angeordnet, um die Laserpulse des Pumpstrahls vor dem Empfang durch die parametrische Umwandlungseinheit zu verstärken. Der erste optische Verstärker kann die Pumppulse auf ein Leistungsniveau von einem Watt oder mehr verstärken, beispielsweise durch ein bekanntes Verstärkungsschema für gechirpte Pulse.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein optischer Modulator, wie etwa beispielsweise ein elektrooptischer Modulator (EOM) in dem ersten oder dem zweiten Strahlpfad angeordnet, um die Amplitude des Pumpstrahls, des Signalstrahls oder des Idler-Strahls zu modulieren. Dies ermöglicht Modulation des erzeugten Signalstrahls, wie von der jeweiligen Anwendung benötigt.
  • Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine (optional anpassbare) optische Verzögerungsleitung in dem ersten oder dem zweiten Strahlpfad angeordnet, um eine zeitliche Verzögerung der sich auf dem jeweiligen Strahlpfad ausbreitenden Laserpulse zu erzeugen. Die optische Verzögerungsleitung dient dem Zweck des Produzierens einer erforderlichen Verzögerung der Laserpulse, die sich entlang des jeweiligen Strahlpfads ausbreiten, um eine optimale zeitliche Koinzidenz der Pumppulse und der Idler-Pulse in dem nichtlinearen optischen Medium der parametrischen Umwandlungseinheit zu erreichen.
  • Bei noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen zweiten in dem zweiten Strahlpfad angeordneten optischen Verstärker, um die Laserpulse des Idler-Strahls vor dem Empfang durch die parametrische Umwandlungseinheit zu verstärken. Der erzeugte Signalstrahl kann hinsichtlich der Signalwellenlänge durch Abstimmen der Idler-Wellenlänge abgestimmt werden. Die Idler-Wellenlänge wiederum kann durch Anpassen der Pumpleistung des zweiten optischen Verstärkers abgestimmt werden. Um dies zu erreichen, kann die Wellenlängenverschiebeeinheit in dem zweiten Strahlpfad zwischen dem zweiten optischen Verstärker und der parametrischen Umwandlungseinheit angeordnet werden, wobei die Laserpulse des Idler-Strahls als Raman-verschobene Solitonen erzeugt werden.
  • Gemäß noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist ein dispersives optisches Element in dem zweiten Strahlpfad angeordnet, um die Laserpulse des Idler-Strahls zeitlich zu strecken. Beispielsweise kann eine photonische Kristallfaser als ein dispersives optisches Element verwendet werden. Die zeitliche Dauer des Idler-Pulses sollte der zeitlichen Dauer des Pumppulses entsprechen, um den Wirkungsgrad der parametrischen Umwandlung zu optimieren.
  • Bevorzugt besteht das nichtlineare optische Medium der parametrischen Umwandlungseinheit aus einem Abschnitt einer Glasfaser. Beispielsweise kann ein Abschnitt einer hochgradig nichtlinearen Glasfaser als das nichtlineare Umwandlungselement verwendet werden, welches den Signalstrahl durch einen FWM-Prozess aus dem Pumpstrahl und dem Idler-Strahl erzeugt.
  • Die Chirp-Einheit der Vorrichtung der Erfindung sollte idealerweise ein anpassbares dispersives optisches Element sein. Auf diese Weise können die Chirp- und die zeitliche Dauer der Pumppulse abgestimmt werden. Es ergibt sich, dass die spektrale Breite der Laserstrahlung des Signalstrahls durch Abstimmen des Chirps der Pumppulse angepasst werden kann. Der Chirp der Pumppulse kann in einem Bereich von dem Regime anomaler Dispersion bis zu dem Regime normaler Dispersion abgestimmt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Pumpwellenlänge 1,5-1,6 µm. Seltenerddotierte Femtosekunden-Faserlaser, die in diesem Wellenlängenbereich emittieren sind gut etabliert und handelsüblich verfügbar. Sie erlauben es, die Signalstrahlung in dem interessierenden Wellenlängenbereich von 1,1-1,45 µm durch Einsetzen des Ansatzes der Erfindung zu erzeugen.
  • Alternativ kann die Pumpwellenlänge auch bei 1,02-1,08 µm liegen. Seltenerddotierte Femtosekunden-Faserlaser, die in diesem Wellenlängenbereich emittieren sind ebenfalls gut etabliert und handelsüblich verfügbar. In diesem Fall kann die Signalstrahlung erfindungsgemäß in dem ebenfalls interessierenden Wellenlängenbereich von 0,75-0,98 µm erzeugt werden.
  • Die Erfindung betrifft nicht nur eine Vorrichtung sondern auch ein Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen durch nichtlineares Vierwellenmischen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • - Erzeugen eines Pumpstrahls von Femtosekunden-Laserpulsen bei einer Pumpwellenlänge, wobei die Dauer der durch die Pumpquelle emittierten Laserpulse 50-250 fs, bevorzugt 90-150 fs ist;
    • - zeitliches Strecken der Laserpulse des Pumpstrahls, wobei die Dauer der zeitlich gestreckten Laserpulse des Pumpstrahls 0,5-5 ps, bevorzugt 1-3 ps, besonders bevorzugt 2 ps ist;
    • - Zuführen der gestreckten Laserpulse des Pumpstrahls zu einem nichtlinearen optischen Medium zum Erstellen eines Signalstrahls bei einer Signalwellenlänge durch Vierwellenmischen in dem nichtlinearen optischen Medium.
  • Bevorzugt werden der Pumpstrahl und ein Idler-Strahl von Laserstrahlung bei einer Idler-Wellenlänge in dem nichtlinearen optischen Medium überlagert, um an dem Vierwellenmischprozess teilzunehmen. Dabei kann, wie oben beschrieben wurde, die Signalwellenlänge durch Variation der Idler-Wellenlänge abgestimmt werden.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform werden der Idler-Strahl und/oder der Signalstrahl dem nichtlinearen optischen Medium durch eine Rückkopplung von dem Vierwellenmischprozess zugeführt. Bei dieser Ausführungsform wird ein optischer parametrischer Oszillator (OPO) für die parametrische Umwandlung verwendet.
  • Figurenliste
  • Die beigefügten Zeichnungen offenbaren bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich allerdings, dass die Zeichnungen lediglich für den Zweck einer Veranschaulichung designt sind und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung. In den Zeichnungen gilt:
    • 1 veranschaulicht den FWM-Prozess in einem Abschnitt einer hochgradig nichtlinearen Faser;
    • 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung als ein Blockdiagramm;
    • 3 veranschaulicht das Abstimmen der Signalwellenlänge durch Anpassen der Idler-Wellenlänge in dem erfindungsgemäßen FWM-Schema;
    • 4 veranschaulicht die Anpassbarkeit der spektralen Bandbreite der Signalstrahlung durch Variation des Chirps des Pumpstrahls;
    • 5 veranschaulicht die Erzeugung von Signalstrahlung bei 900 nm durch das erfindungsgemäße Verfahren.
  • Erfindungsgemäß wird Laserstrahlung bei einer gewünschten Signalwellenlänge durch FWM in einer hochgradig nichtlinearen Faser (HNLF) erzeugt, wobei ein Femtosekunden-Faserlaser (der beispielsweise bei 1,05 µm oder 1,55 µm emittiert) als eine Pumpquelle verwendet wird. Eine nützliche parametrische Verstärkung von 100-fs-Laserpulsen kann nicht erhalten werden, da Superkontinuumerzeugung die nichtlineare Frequenzerzeugung dominiert. 1a zeigt die Entwicklung des FWM-Prozesses mit einem ungechirpten Pumppuls bei 1560 nm in einer HNLF. Der Prozess wird durch einen Idler-Strahl von gechirpten Femtosekundenpulsen bei einer Wellenlänge von 1960 nm geseedet. Wie man in 1a sieht, ist die erzeugte Signalstrahlung bei 1280 nm sehr strukturiert, da die Erzeugung eines Superkontinuums den Prozess dominiert. Es ist nicht möglich, das Spektrum bei 1280 nm zu den erforderlichen kurzen Pulsdauern zu komprimieren und daher ist dieser Ansatz nicht verwendbar.
  • Die Lösung zum erfindungsgemäßen Vermeiden von Superkontinuumerzeugung besteht im Chirpen der Pumppulse auf eine Pikosekunden-Pulsdauer. Superkontinuumerzeugung wird verhindert und FWM dominiert den Prozess. Die entsprechende Entwicklung kann man in 1b sehen. Der Unterschied zu der in 1a gezeigten Situation besteht darin, dass die Pumppulse bei 1560 nm auf eine Dauer von 2 ps gestreckt werden. Auf etwa 400 fs herunterkomprimierbare Signalpulse mit einem Umwandlungswirkungsgrad von etwa 40% bei einer Signalwellenlänge von 1280 nm können mit einer schmalbandigen Linie erzeugt werden, wie man in 1b sieht.
  • 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung als ein Blockdiagramm. Die Vorrichtung umfasst eine Pumplaserquelle („modengekoppelter Erbium-Oszillator“) zum Emittieren eines Pumpstrahls von Femtosekunden-Laserpulsen von 150 fs Pulsdauer bei einer Pumpwellenlänge von 1560 nm. Der Pumpstrahl wird in einen ersten Strahlpfad (nach rechts in 2) und ein Idler-Strahl wird in einen zweiten Strahlpfad (nach unten in 2) gekoppelt. Ein erster optischer Verstärker („Hochleistungs-Er/Yb-Verstärker“) ist in dem ersten Strahlpfad zum Verstärken der Laserpulse des Pumpstrahls angeordnet. Der erste optische Verstärker empfängt die Pumppulse bei 150 fs und wendet einen Chirp an zum Strecken der Pumppulse auf eine Dauer von etwa 20 ps. Die gestreckten Pumppulse werden auf Watt-Pegel verstärkt. Eine anpassbare Anordnung von zwei dispersiven Elementen (Gittern) zum anpassbaren Neukomprimieren der Pumppulse auf eine Dauer von etwa 2 ps ist vorgesehen. Die Kombination aus dem ersten optischen Verstärker und dem anpassbaren Gitterpaar bildet somit eine Chirp-Einheit innerhalb der erfindungsgemäßen Bedeutung, welche den Pumpstrahl von der Pumplaserquelle empfängt und ausgelegt ist zum zeitlichen Strecken der Laserpulse auf eine Pikosekundendauer. Ein Abschnitt von einer polarisationserhaltenden HNLF („PM-HNLF“) ist als ein nichtlineares optisches Medium bereitgestellt, welches den Pumpstrahl über ein WDM-Element von der Chirp-Einheit empfängt. Ein Signalstrahl wird durch Vierwellenmischen in der HNLF bei einer Signalwellenlänge erzeugt. Die HNLF bildet somit eine erfindungsgemäße parametrische Umwandlungseinheit. Darüber hinaus wird der HNLF über den zweiten Strahlpfad ein Idler-Strahl zugeführt. Der Pumpstrahl und der Idler-Strahl werden in der HNLF überlagert, um an dem FWM-Prozess teilzunehmen. Eine optische Verzögerungsleitung („Faserverzögerung“) ist in dem zweiten Strahlpfad angeordnet zum Erzeugen einer zeitlichen Verzögerung der sich in dem zweiten Strahlpfad ausbreitenden Laserpulse, um optimale Koinzidenz des Pump- und des Idler-Strahls in der HNLF zu erreichen. Ein zweiter optischer Verstärker („Niederleistungs-Er-Verstärker“) ist in dem zweiten Strahlpfad zum Verstärken der Laserpulse des Idler-Strahls angeordnet. Die verstärkten Idler-Pulse werden in eine Wellenlängenverschiebungseinheit („Raman-Verschiebungsfaser oder HNLF“) eingeführt, die in dem zweiten Strahlpfad zwischen der Pumplaserquelle und der parametrischen Umwandlungseinheit angeordnet ist, zum Verschieben der Wellenlänge der Laserstrahlung des Idler-Strahls auf die erforderliche Idler-Wellenlänge. Ferner ist ein Abschnitt einer dispersiven Glasfaser („Prä-Chirp-Anpassung, fest“) in dem zweiten Strahlpfad angeordnet, um die Laserpulse des Idler-Strahls zeitlich zu strecken. Ein elektro-optischer Modulator („EOM“) ist in dem zweiten Strahlpfad angeordnet zum Modulieren der Amplitude des Idler-Strahls, wodurch die Modulation des Signalstrahls ermöglicht wird.
  • 3 veranschaulicht das Wellenlängenspektrum des Pump-, Idler- und Signalstrahls in dem erfindungsgemäßen Umwandlungsschema. In dem Idler-Strahl werden bevorzugt Raman-verschobene Solitone verwendet. Auf dieser Grundlage kann die Wellenlänge des Signalstrahls bei 1200-1400 nm durch Anpassen der Pumpleistung des zweiten optischen Verstärkers abgestimmt werden, wodurch die Mittenwellenlänge des Idler-Strahls in dem Bereich von 1700-2200 nm variiert wird. Alternativ würde eine Wellenlängenverschiebung durch Anpassen der Mittenwellenlänge einer Solitonlinie eines Superkontinuums in einem Abschnitt der HNLF möglich sein.
  • Wie in 4 gezeigt ist, kann die spektrale Breite der Signalstrahlung durch geeignete Modifikation des Chirps der Pumpstrahlung (von normalem zu anomalem Chirp) beeinflusst werden. Die Pulsdauer der Signalpulse wird hauptsächlich durch die Pulsdauer der Pumppulse bestimmt. Der Chirp dieser Pulse kann in einem weiten Bereich durch Anpassen der Vorzeichen des Chirps der Idler-Pulse und der Pumppulse manipuliert werden. Die spektrale Breite der Signalstrahlung kann in dem in 4 gezeigten Beispiel von 60 nm auf 6 nm angepasst werden, indem nur der Gitterabstand verändert wird (siehe 2).
  • Eine kontinuierliche Variation der Signalbandbreite kann durch Anpassen sowohl des Pump- als auch des Idler-Chirps erreicht werden. Auch kann das Vorzeichen des Chirps der Signalstrahlung durch Anpassen sowohl des Pump- als auch des Idler-Chirps modifiziert werden.
  • Die FWM unter Verwendung von gechirpten Pumppulsen kann theoretisch durch Lösen des entsprechenden amplitudengekoppelten Differentialgleichungssystems gelöst werden. Bei der Berechnung können dispersive Effekte und Pumpentvölkerung ausgenommen werden. Allerdings sollte die Phase der Pumppulse berücksichtigt werden. Wenn man eine parabolische Pulsform annimmt, kann ein einfacher Ausdruck für die instantane Frequenz des erzeugten Pulses folgendermaßen abgeleitet werden: δ ω ( T , z ) = − ∂ Φ s ( T , z ) ∂ T = 2 T [ 2 C p + z γ P p 0 T p 2 − C i T i 2 ]
    Figure DE102018106556B4_0001
  • Hierbei ist T die Zeit in dem sich bewegenden Bezugssystem des Pulses, z ist die Position in der nichtlinearen Faser, in welcher der FWM-Prozess stattfindet, γ ist der nichtlineare Koeffizient der Faser, Φs (T,z) ist die Phase des Signalpulses, Cp und Ci sind jeweils der Chirp des Pump- und des Idler-Pulses. Tp und Ti sind jeweils die Dauern der Chirps des Pump- und des Idler-Strahls. Der Chirp bei der Idler-Wellenlänge, welcher zum Seeden verwendet wird, wird durch die in dem verwendeten Bereich verfügbaren Fasern bestimmt, d. h., dass ein negativer Chirp erhalten wird, wenn Standardfasern mit anomaler Dispersion zum Strecken in dem 2 µm-Bereich verwendet werden. Wenn ein Hochleistungslaser zum Pumpen verwendet wird, kann ein Gitterkompressor enthalten sein, der eine leichte Anpassung des Vorzeichens des Pump-Chirps ermöglicht. Anhand der obigen Gleichung für den Signal-Chirp kann man sehen, dass ein Hochchirpfall (ω(T,z)/T > 0), ein Runterchirpfall (ω (T,z)/T < 0) oder ein Chirplosfall (ω (T,z)/T = 0) erhalten werden kann, indem nur der Chirp des Pumppulses Cp angepasst wird, beispielsweise durch Ändern des Gitterabstands.
  • Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Ansatzes sind:
  • A) Hohes Faserintegrationsniveau
  • Aufgrund des Streckens der Pumppulse sind die Spitzenleistungen moderat, wenn der Idler- und der Pumpstrahl kombiniert werden, daher ist es möglich, Faserkomponenten zum Kombinieren von diesen zu verwenden. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Vorrichtung fast vollständig faserbasiert. Nur das anpassbare Gitterpaar zum Anpassen des Chirps der Pumppulse ist eine Freistrahlanordnung.
  • B) Skalierbarkeit
  • Falls eine höhere Pumpleistung benötigt wird, ist das Konzept der Erfindung leicht skalierbar, da es lediglich nötig ist, das Strecken der Pump- und der Idler-Pulse zu vergrößern.
  • C) Möglichkeit schnellen, faserintegrierten Schaltens
  • Falls es erforderlich ist, den Signalstrahl aus- und einzuschalten, sind keine Freiraum-Hochleistungsschalter (wie akusto-optische Modulatoren) nötig. Ein Niederleistungs-EOM in dem Idler-Pfad (wie in 2 gezeigt ist) ist ausreichend, um das Hochleistungssignal ein- und auszuschalten.
  • D) Erstellen eines optischen parametrischen Verstärkers (OPA) bei 900 nm/1250 nm unter Verwendung einer 1050 nm-Pumpquelle
  • Simulationen zeigen, dass es auch möglich ist, einen Faser-OPA zu erstellen, der gleichzeitig bei 900 nm/1250 nm emittiert, wenn eine Pumpquelle bei 1050 nm verwendet wird und er mit einem durch ein Superkontinuum in einer HNLF erzeugten Idler geseedet wird. Das für den FWM-Prozess verwendete nichtlineare optische Medium kann in diesem Fall eine handelsübliche photonische Kristallfaser (PCF) sein. Das Simulationsergebnis ist in 5 gezeigt.
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    2.
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Claims (16)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen von Laserpulsen durch nichtlineares Vierwellenmischen, die Folgendes umfasst: - eine Pumplaserquelle zum Emittieren eines Pumpstrahls von Femtosekunden-Laserpulsen bei einer Pumpwellenlänge, wobei die Dauer der durch die Pumpquelle emittierten Laserpulse 50-250 fs, bevorzugt 90-150 fs ist; - eine Chirpeinheit zum Empfangen des Pumpstrahls von der Pumplaserquelle und die ausgelegt ist zum zeitlichen Strecken der Laserpulse, wobei die Dauer der zeitlich gestreckten Laserpulse des Pumpstrahls 0,5-5 ps, bevorzugt 1-3 ps, besonders bevorzugt 2 ps ist; und - eine parametrische Umwandlungseinheit zum Empfangen des Pumpstrahls von der Chirpeinheit und die ausgelegt ist zum Erstellen eines Signalstrahls bei einer Signalwellenlänge durch Vierwellenmischen in einem nichtlinearen optischen Medium.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Pumplaserquelle ausgelegt ist zum Koppeln des Pumpstrahls in einen ersten Strahlpfad und eines Idler-Strahls in einen zweiten Strahlpfad, wobei die Chirpeinheit in dem ersten Strahlpfad vor der parametrischen Umwandlungseinheit angeordnet ist, wobei die parametrische Umwandlungseinheit den Idler-Strahl über den zweiten Strahlpfad empfängt, wobei sich der Pumpstrahl und der Idler-Strahl in dem nichtlinearen optischen Medium überlagern.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, umfassend eine Wellenlängenverschiebeeinheit, die in dem zweiten Strahlpfad zwischen der Pumplaserquelle und der parametrischen Umwandlungseinheit angeordnet ist, zum Verschieben der Wellenlänge der Laserstrahlung des Idler-Strahls.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, umfassend einen ersten optischen Verstärker, der in dem ersten Strahlpfad angeordnet ist, um die Laserpulse des Pumpstrahls vor dem Empfang durch die parametrische Umwandlungseinheit zu verstärken.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, wobei ein optischer Modulator in dem ersten oder dem zweiten Strahlpfad angeordnet ist, um die Amplitude des Pumpstrahls, des Signalstrahls oder des Idler-Strahls zu modulieren.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-5, wobei eine optische Verzögerungsleitung in dem ersten oder dem zweiten Strahlpfad angeordnet ist, um eine zeitliche Verzögerung der sich auf dem jeweiligen Strahlpfad ausbreitenden Laserpulse zu erzeugen.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, umfassend einen zweiten optischen Verstärker, der in dem zweiten Strahlpfad angeordnet ist, um die Laserpulse des Idler-Strahls vor dem Empfang durch die parametrische Umwandlungseinheit zu verstärken.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-7, wobei ein dispersives optisches Element in dem zweiten Strahlpfad angeordnet ist, um die Laserpulse des Idler-Strahls zeitlich zu strecken.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das nichtlineare optische Medium von einem Abschnitt einer Glasfaser gebildet wird.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Chirpeinheit ein anpassbares dispersives optisches Element umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Pumpwellenlänge 1,5-1,6 µm ist und die Signalwellenlänge 1,1-1,45 µm ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Pumpwellenlänge 1,02-1,08 µm ist und die Signalwellenlänge 0,75-0,98 µm ist.
  13. Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen durch nichtlineares Vierwellenmischen, das die folgenden Schritte umfasst: - Erzeugen eines Pumpstrahls von Femtosekunden-Laserpulsen bei einer Pumpwellenlänge, wobei die Dauer der durch die Pumpquelle emittierten Laserpulse 50-250 fs, bevorzugt 90-150 fs ist; - zeitliches Strecken der Laserpulse des Pumpstrahls, wobei die Dauer der zeitlich gestreckten Laserpulse des Pumpstrahls 0,5-5 ps, bevorzugt 1-3 ps, besonders bevorzugt 2 ps ist; - Zuführen der gestreckten Laserpulse des Pumpstrahls zu einem nichtlinearen optischen Medium zum Erstellen eines Signalstrahls bei einer Signalwellenlänge durch Vierwellenmischen in dem nichtlinearen optischen Medium.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Pumpstrahl und ein Idler-Strahl von Laserstrahlung bei einer Idler-Wellenlänge in dem nichtlinearen optischen Medium überlagert werden, um an dem Vierwellenmischprozess teilzunehmen.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Signalwellenlänge durch Variation der Idler-Wellenlänge abgestimmt wird.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14-15, wobei der Idler-Strahl und/oder der Signalstrahl dem nichtlinearen optischen Medium durch eine Rückkopplung von dem Vierwellenmischprozess zugeführt werden.
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