DE10220237A1

DE10220237A1 - Laser, Lasersystem und optisches Uhrwerk sowie Verfahren und Verwendung der selben zur Erzeugung eines breitbandigen Emmissionsspektrums und eines Frequenzkamms

Info

Publication number: DE10220237A1
Application number: DE2002120237
Authority: DE
Inventors: Albrecht Bartels
Original assignee: Giga Optics GmbH
Current assignee: Giga Optics GmbH
Priority date: 2002-05-06
Filing date: 2002-05-06
Publication date: 2003-11-27

Abstract

Ein passiv modengekoppelter Femtosekunden-Laser weist zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung üblicherweise ein laseraktives Element, einen Resonator und ein selbstfokussierendes Element auf, wobei die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente des Lasers negativ ist. Ein selbstfokussierendes Element bewirkt beim Betrieb des Lasers eine Änderung einer räumlichen Mode der Laserstrahlung in Abhängigkeit von einer Leistung der Laserstrahlung. Dies kann zu einer Selbstamplituden-Modulation eines Pulses im laseraktiven Element und damit zur Erzeugung von kurzen Laserimpulsen genutzt werden. Bei üblichen Lasern ist die Selbstamplituden-Modulation jedoch beschränkt, um eine auf einen Teil des Verstärkungsspektrums des laseraktiven Elements beschränkte Emission von Laserstrahlung zu ermöglichen. Bei dem erfindungsgemäßen Laser weist der Resonator ein Zerstreuungsmittel auf, das in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element eine effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation eines Laserpulses im laseraktiven Element ermöglicht. Dies führt auf ein Verfahren, das eine ultrabreitbandige phasenkohärente Emission von Laserstrahlung direkt aus einem passiv modengekoppelten Laser ermöglicht. Darauf aufbauend kann ein über seine Versatzfrequenz und Repetitionsrate sehr genau definierter optischer Frequenzkamm generiert werden, welcher in der hier vorgeschlagenen besonderen Weise im Rahmen der optischen Frequenzmetrologie eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen passiv modengekoppelten Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung innerhalb eines Emissionsspektrums, mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben, umfassend eine Anzahl optischer Elemente, wenigstens:

- ein laseraktives Element, welches eine Emission von Laserstrahlung wenigstens innerhalb eines Verstärkungsspektrums bestimmter Bandbreite ermöglicht;
- einen Resonator, der eine Anzahl von Resonator-Elementen aufweist, welcher eine Rückkopplung der Laserstrahlung in das laseraktive Element ermöglicht;
- ein selbstfokussierendes Element, welches eine Änderung einer räumlichen Mode der Laserstrahlung in Abhängigkeit von einer Leistung der Laserstrahlung zur Bereitstellung einer Selbstamplituden-Modulation eines Pulses im laseraktiven Element ermöglicht;

Bisher bekannte passiv modengekoppelte Femtosekunden-Lasersysteme nutzen in vielen Fällen die Verwendung eines Titan-dotierten Saphirkristalls als laseraktives Element. Ein solcher Kristall zeigt bei optischer Anregung ein für diesen Kristall charakteristisches Fluoreszenzspektrum. Für Titansaphirkristalle liegt dieses im Bereich zwischen 700 nm und 1000 nm, was die Bandbreite des Verstärkungsspektrums dieses laseraktiven Elements bestimmt.
Eine Fluoreszenzstrahlung innerhalb des Verstärkungsspektrums wird durch einen geeignet dimensionierten Resonator in das laseraktive Element zurück gekoppelt, was zu einer stimulierten Emission im laseraktiven Element und somit zur Emission von Laserstrahlung innerhalb des Verstärkungsspektrums führt. Kurze Pulse werden unter Benutzung des Verstärkungsspektrums erzeugt.
Die Erzeugung solcher kurzen Pulse im Subpikosekundenbereich beruht bei den bisher bekannten passiv modengekoppelten Femtosekunden-Lasern auf dem Konzept des "Kerr-lens mode-locking". Dieser nicht-lineare optische Effekt führt zur Verstärkung eines einzelnen im Resonator umlaufenden Pulses im laseraktiven Element. Die Repetitionsrate für die Emission gepulster Laserstrahlung aus einem solchen Laser entspricht der inversen Umlaufdauer des im Resonator umlaufenden Pulses.
Die zeitliche Dauer eines Subpikosekundenpulses wird in Femtosekunden-Lasern nach dem Stand der Technik dominierend durch Selbstphasenmodulation und Gruppengeschwindigkeitsdispersion bestimmt. Dies ist zum Beispiel in dem Artikel von T. Brabec et al., in Opt. Lett. 17, 748 (1992) beschrieben. Ein im Resonator unlaufender solitonartiger Puls ist nur dann stabil, wenn die Summe der Gruppengeschwindigkeitsdispersionen aller im Resonator enthaltenen optischen Elemente negativ ist. Eine geringe Selbstamplitudenmodulation wird nur zur Stabilisierung des gepulsten Betriebs benötigt. In diesem Fall ist es unbedingt erforderlich, dass im Laserresonator über den gesamten gewünschten Emissionswellenlängenbereich eine negative netto-Gruppengeschwindigkeits- Dispersion, insbesondere mit möglichst geringen Werten dritter Ordnung Dispersion vorliegt, damit die Pulse zeitlich nicht zerfließen.
In einem anderen theoretischen Bild, ohne die Wirkung von Selbstphasenmodulation und Gruppengeschwindigkeitsdispersion, kann die Entstehung von kurzen Pulsen in einem Laserresonator auch durch die auschließliche Wirkung eines schnellen sättigbaren Absorbers in Kombination mit einem breitbandigen Verstärkungsspektrum beschrieben werden. Dies ist zum Beispiel in dem Artikel von Ursula Keller im Buch "Advances in Lasers and Applications", ed. von D. M. Finlayson und B. D. Sinclair, Inst. of Physics Publishing (1999) beschrieben. Dort ist die Pulslänge im Resonator theoretisch invers proportional zum sättigbaren Absorptionshub des sättigbaren Absorbers. In diesem Modell sind Selbstphasenmodulation und Gruppengeschwindigkeitsdispersion nicht berücksichtigt.
Beide oben beschriebenen Pulsformungsmechanismen könnten zwar im allgemeinen gemischt in gewöhnlichen Femtosekunden-Lasern auftreten, aber bei bekannten Femtosekunden-Lasern dominiert der ganz wesentliche Einfluß von Selbstphasenmodulation und Gruppengeschwindigkeits-Dispersion bei weitem.
Selbstphasenmodulation und Selbstfokussierung können entweder im laseraktiven Element selbst oder in einem zusätzlichen Resonatorelement auftreten, das den sogenannten Kerr-Effekt aufweist. Der Kerr-Effekt bedeutet eine lineare Abhängigkeit des Brechungsindexes eines Materials von der in ihn eingestrahlten instantanen Lichtleistung.
Die zeitliche Pulsdauer eines Subpikosekundenpulses ist im Wesentlichen vom Ausmaß des Kerr-Effekts, insbesondere von der Ausbildung einer Kerr-Linse in einem selbstfokussierenden Element im Zusammenspiel mit dem laseraktiven Element abhängig. Zweckmäßigerweise ist oftmals ein laseraktives Element auch als ein selbstfokussierendes Element ausgebildet. Das selbstfokussierende Element bewirkt eine Änderung einer räumlichen Mode der Laserstrahlung in Abhängigkeit von der Leistung der Laserstrahlung, welche die Stärke der Kerr- Linse bestimmt. Dieser nicht-lineare Effekt führt zu einer Selbstamplituden- Modulation des Laserpulses im laseraktiven Element. Über den Kerr-Effekt wirkt das laseraktive Element im Zusammenspiel mit dem selbstfokussierenden Element wie ein sehr schnell sättigbarer Absorber, was je nach Ausgestaltung dieses Absorbers die Pulsbreite bestimmt. Je kürzer die Pulsdauer eines Laserpulses ist, desto breiter ist die damit korrelierte Bandbreite des Emissionsspektrums der gepulsten Laserstrahlung. Grundsätzlich ist aus diesem Grunde ein laseraktives Element mit möglichst breitem Verstärkungsprofil, wie das des Titansaphirkristalls, zur Erzeugung ultrakurzer Pulse geeignet. Der Bildung ultrakurzer Pulse gegenläufige Effekte, wie dispersive Effekte in dem Resonator, beruhen insbesondere auf der sogenannten positiven Gruppengeschwindigkeits- Dispersion eines Resonator-Elements oder anderer Laserelemente, insbesondere des laseraktiven Elements. Dies hat zur Folge, das unterschiedliche Frequenzbestandteile des umlaufenden Pulses das laseraktive Element, das in allen bekannten Fällen eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion hat, innerhalb unterschiedlicher Zeiten durchlaufen, wodurch der durch das laseraktive Element hindurchlaufende Laserpuls zeitlich verbreitert wird. Entsprechend können andere optische Elemente des Lasers so ausgebildet werden, dass die Summe aller Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente des Lasers für wenigstens einen Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums negativ ist, um die Kompensation einer zeitlichen Pulsverbreiterung zu garantieren und einen stabilen solitonartigen Puls im Resonator wie oben beschrieben zu gewährleisten. In üblichen Lasersystemen wird dazu eine spektral ultrabreitbandige Kompensation der Gruppengeschwindigkeits-Dispersion angestrebt, um eine phasenkohärente Emission von Laserstrahlung in einem spektral möglichst breiten Teil des Verstärkungsspektrums des laseraktiven Elements im gepulsten Betrieb zu ermöglichen.
Ein Laser mit besonders hoher Repetitionsrate und gleichzeitig extrem kurzen Pulsen ist beispielsweise beschrieben in den WO 00/72412 A1, deren Offenbarung hiermit in die Offenbarung dieser Anmeldung aufgenommen wird. Ein wie dort beschriebener Femtosekunden-Laser eignet sich besonders vorteilhaft zur Anwendung im Bereich der zeitaufgelösten Spektroskopie, der nicht-linearen Optik, der Mehrphotonenmikroskopie, der Mikromaterialbearbeitung, der optischen Kohärenztomographie und der optischen Datenkommunikation.
Für die meisten der genannten Anwendungen und insbesondere für den Bereich der optischen Frequenzmetrologie ist es besonders wünschenswert, nicht nur besonders kurze Pulse mit hoher Spitzenintensität, sondern auch eine spektral möglichst breitbandige phasenkohärente Emission im gepulsten Betrieb zu erreichen.
Aufgrund der begrenzten Bandbreite des Verstärkungsspektrums bisher bekannter laseraktiver Elemente und der oben genannten Anforderungen an die Bandbreite der Gruppengeschwindigkeits-Dispersions-Kontrolle bei bisher bekannten Lasersystemen beschränkt sich die phasenkohärente Emission gepulster Laserstrahlung bei bekannten Lasersystemen auf Bruchteile des Verstärkungsspektrums des laseraktiven Elements. Eine weitere Verbreiterung des Emissionsspektrums eines solchen Lasers konnte in nahezu allen bisher bekannten Fällen nur mittels externer spektraler Verbreiterung außerhalb des Lasers erreicht werden. Insbesondere ist bekannt, eine spektrale Verbreiterung in einer Glasfaser durch Ausnutzung der Selbstphasenmodulation eines kurzen Laserpulses beim Durchlaufen einer solchen Faser zu erreichen.
In einem einzigen Fall konnte ein verbreitertes Spektrum direkt aus einem Laser gewonnen werden. Auch dabei wurde das verbreiterte Spektrum unter Ausnutzung der Selbstphasenmodulation eines kurzen Pulses in einer Glasplatte innerhalb des Resonators gewonnen. Dieser Laser ist in dem Artikel von R. EII. et al. "Generation of five femtosecond pulses and octave spanning spectra directly from a Ti: Sapphire laser" in Optics Letters, Vol. 26, No. 6, S. 373-375 (15. März 2001) beschrieben. Nachteilig bei diesem vorbekannten Laser ist der relativ komplexe Aufbau mit einem zweiten Fokus zur Anbringung der Glasplatte und die Notwendigkeit für eine ultrabreitbandige Gruppengeschwindigkeits-Dispersions- Kontrolle für die gepulste Laserstrahlung in einem solchen Laser.
Alle bisher bekannten Methoden zur Erzielung einer spektral möglichst breitbandigen phasenkohärenten Emission gepulster Laserstrahlung im Subpikosekundenbereich beruhen nahezu ausschließlich auf dem Konzept der Selbstphasenmodulation. In dem oben genannten einzigen Fall des Artikels von EII et al. ist es unter Ausnutzung der Selbstphasenmodulation mit relativ komplexen Erfordernissen möglich geworden, eine phasenkohärente spektrale Verbreiterung von kurzen Laserpulsen direkt aus einem Laser zu gewinnen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die es ermöglicht auf möglichst einfache Weise gepulste Laserstrahlung im Subpikosekundenbereich direkt aus einem Laser zu erzeugen. Dabei sollte eine phasenkohärente Emission der gepulsten Laserstrahlung in einem spektralen Emissionsspektrum erfolgen, das nicht beschränkt ist auf Bruchteile eines Verstärkungsspektrums eines laseraktiven Elements.
Betreffend die Vorrichtung wird die Aufgabe durch einen Laser der Eingangs genannten Art gelöst, bei dem erfindungsgemäß der Resonator aufweist:

- ein Fokussierungsmittel, und
- ein Zerstreuungsmittel, das in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element eine effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation des Pulses im laseraktiven Element ermöglicht.

Unter Selbstamplitudenmodulation werden sowohl Verlust- als auch Verstärkungsmodulationen in einem Laserresonator subsummiert, die durch die Propagation des Pulses selbst verursacht werden. Eine Selbstverstärkungsmodulation könnte äquivalent auch als eine Selbstverlustmodulation betrachtet werden und beide Effekte können wie ein effektiv sättigbarer Absorber in einem Resonator wirken.
Eine Selbstverlustmodulation in einem Resonator könnte derart dargestellt werden, dass sich durch die Wirkung der Selbstfokussierung in einem Medium mit Kerr-Effekt (selbstfokussierendes Medium) in Kombination mit einer an geeigneter Stelle im Resonator angebrachten harten Apertur für gepulste Strahlung, aufgrund deren höherer Momentanleistung, geringere Resonatorverluste ergeben als für kontinuierliche Laserstrahlung. Auf diese Weise kann gepulste Strahlung im Resonator stabil verstärkt werden.
Eine Selbstverstärkungsmodulation in einem Resonator könnte derart dargestellt werden, dass durch die Wirkung der Selbstfokussierung im selbstfokussierenden Element in Kombination mit einem endlichen Verstärkungsvolumen im laseraktiven Element, für gepulste Strahlung durch besseren Überlapp deren räumlicher Resonatormode mit dem Verstärkungsvolumen eine höhere Verstärkung entsteht als für kontinuierliche Strahlung und somit kann wiederum nur gepulste Strahlung stabil verstärkt werden.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass ein Zerstreuungsmittel in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element bei einem Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Selbstamplitudenmodulation derart effektiv erhöht, dass ein hoher Energieübertrag vom Zentrum des Verstärkungsspektrums eines laseraktiven Elements in seine Randbereiche hinein erfolgt und sogar über das Verstärkungsspektrum hinaus auf Seitenbänder des Verstärkungsspektrums erfolgen kann. Keinesfalls wäre dies üblicherweise von einem Zerstreuungsmittel als solchem zu erwarten gewesen. Auch zeigt sich, dass die Erhöhung einer Selbstamplituden-Modulation durch das Zerstreuungsmittel in einem Rahmen erfolgen kann, der weit über übliche Maßnahmen zur Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation hinausgeht. Gemäß dem Stand der Technik wurde bisher nur versucht, mittels Anwendung der Selbstphasenmodulation für einen kurzen Puls eine Grundlage für eine breitbandige phasenkohärente spektrale Emission zu schaffen. Dahingegen beruht der Erfolg des vorgeschlagenen Lasers auf einer effektiven Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation und zwar in einem Rahmen, der weit über den Prozentbereich hinausgeht. Durch die Einführung eines Zerstreuungsmittels in einen üblichen Resonator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 kann beispielsweise mindestens eine zehnprozentige, i. d. R. aber 50%-ige Erhöhung bis zu einer Vervielfachung der Selbstamplituden- Modulation erreicht werden. Andere Maßnahmen, wie die Erhöhung der Pumpleistung, der Fokussierung der Pumpleistung oder der Erhöhung der Nicht- Linearität des laseraktiven Elements, beispielsweise durch Verlängerung desselben, können nur zu einer beschränkten Erhöhung der Selbstamplituden- Modulation führen, wenn die zeitliche Pulsbreite im Subpikosekundenbereich gehalten werden soll und die Materialeigenschaften eines laseraktiven Elements, eines fokussierenden Elements und eines Pumpmittels begrenzend eingehen. Dies führt dazu, dass bei üblichen Lasern die erreichbare Selbstamplituden- Modulation in einem bestimmten Bereich sättigt und somit begrenzt ist. Dagegen ermöglicht ein Zerstreuungsmittel in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element eine Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation ohne Sättigung und ist somit als effektiv hinsichtlich ihrer qualitativen Eigenschaft und hinsichtlich des oben ausgeführten quantitativen Ausmaßes zu bezeichnen.
Vereinfacht dargestellt, lässt sich die Selbstamplituden-Modulation bei dem vorgeschlagenen Lasersystem als Unterschied der Verstärkung oder der Verluste zwischen einem kontinuierlichen und einem gepulsten Betrieb quantifizieren. Die Erfindung hat erkannt, dass mit der Einführung des Zerstreuungsmittels in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element dieser Unterschied effektiv erhöht werden kann. Unter Selbstamplituden-Modulation ist somit sowohl eine Selbstverstärkungs-Modulation als auch eine Selbstverlustmodulation zu subsumieren. In jedem Fall wird der Hub zwischen der Verstärkung im kontinuierlichen Betrieb und gepulsten Betrieb bei dem als sättigbaren Absorber wirkenden Laser durch das Zerstreuungsmittel effektiv erhöht.
Das vorgeschlagene Konzept hat eine ganze Reihe von erheblichen Vorteilen gegenüber bisher bekannten Maßnahmen. Insbesondere reguliert sich die Phasenkohärenz der Laserpulse aufgrund der Erhöhung der Selbstamplituden- Modulation durch das Zerstreuungsmittel in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element im Resonator weitgehend selbst. Damit ist eine ultrabreitbandige Kontrolle und Kompensation der Gruppengeschwindigkeits- Dispersion unnötig. Denn es wurde erkannt, daß in einem Resonator, bei dem die Selbstamplitudenmodulation dominiert, eine Kontrolle der Gruppengeschwindikeitsdispersion hinsichtlich negativer Werte nur noch über einen geringen Kernbereich des Emissionspektrums des Lasers erforderlich ist. Dagegen nutzt der von R. EII et al. vorgeschlagene Laser das Konzept der Selbstphasenmodulation und benötigt neben einem relativ komplexen Aufbau auch eine aufwendige Kontrolle der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen.
Des Weiteren lässt sich das Zerstreuungsmittel in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element auf besonders einfache Art und Weise in einen üblichen Resonator integrieren. Erst recht lässt sich auf Grundlage des vorgeschlagenen Konzepts ein besonders einfacher Resonatoraufbau, insbesondere im Rahmen eines kompakten Aufbaus, wie er in der WO 00/72412 A1 beschrieben wurde, realisieren. Diese und weitere Vorteile werden auch durch vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung erreicht, die den Unteransprüchen zu entnehmen sind.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich das Emissionsspektrum der vom Laser im Betrieb erzeugten gepulsten Laserstrahlung wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt. Ein Frequenzspektrum dieser Breite ist auf Grundlage des vorgeschlagenen Konzepts problemlos direkt aus dem vorgeschlagenen Laser auf einfache Weise zu erzeugen. Es eignet sich vorteilhaft als eine erste Ausführungsform eines halboktavenbreiten Spektrums für Anwendungen im Rahmen der Frequenzmetrologie, was im Folgenden noch erläutert werden wird.
Vorzugsweise wird das Zerstreuungsmittel in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element bei Betrieb des Lasers eine effektive Erhöhung der Selbstverstärkungs-Modulation eines Pulses im laseraktiven Element bewirken. Dies ist die einfachere Möglichkeit, eine Selbstamplituden-Modulation zu realisieren. Möglich wäre jedoch auch die Realisierung einer Selbstverlustmodulation, beispielsweise durch Einführung einer Blende in den Resonator. Diese blendet zugunsten der Verstärkung gepulster Laser-Strahlung eine unerwünschte CW-Strahlung durch höhere Verluste für die CW-Strahlung aus.
Insbesondere ist mit dem vorgeschlagenen Konzept eine Bandbreite des Emissionsspektrums des Lasers realisierbar, welches mindestens der Bandbreite des Verstärkungsspektrums entspricht. Denn es wurde erkannt, dass insbesondere durch eine Amplitudenmodulation von Licht einer bestimmten Frequenz, Seitenbänder zu dieser Frequenz hinzugeneriert werden. Dieser durch das Zerstreuungsmittel bewirkte Effekt der effektiven Erhöhung der Selbstamplitudenmodulation ist als besonders geeignet Energie in einem Laserspektrum auf einen breiten spektralen Bereich zu verteilen. Die Effektivität der Energieverteilung nimmt dabei grundsätzlich mit der Stärke des Modulationshubs zu. Der oben angesprochene Energieübertrag ist aufgrund der effektiven Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation ausreichend groß, dass vorteilhaft auch über das Verstärkungsspektrum des laseraktiven Elements hinaus eine phasenkohärente Emission gepulster Laserstrahlung erfolgen kann, insbesondere auch in einem Bandbreitenbereich, der um mehr als 50% die Bandbreite des Verstärkungsspektrums übersteigt. Eine Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation kann vorteilhaft so weit gehen, dass sich ein verbreitertes Emissionsspektrum des Lasers von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das zweifache der ersten Frequenz beträgt oder auch eine dritte oder noch höher Harmonische der ersten Frequenz entspricht. Je breiter ein solches Spektrum ist, desto günstiger ist seine Anwendung im Rahmen optischer Frequenzmetrologie. Dabei wirkt sich besonders vorteilhaft aus, dass selbst ein Emissionsspektrum der vorgeschlagenen Bandbreite aufgrund der einfacheren Konstruktion des Lasers und aufgrund der Erzeugung direkt aus dem Laser eine ausgezeichnete Stabilität selbst in seinen Randbereichen aufweist. Dies ist keinesfalls selbstverständlich, da die der Erzeugung zugrundeliegenden Prozesse alle nicht-linearer Art sind. Das Ausmaß der effektiven Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation und die in gewisser Weise selbstregulierenden Prozesse innerhalb des vorgeschlagenen Lasers tragen dazu bei. Maßnahmen, die zu einer Verbreiterung eines Emissionsspektrums im Vergleich zu einem Verstärkungsspektrum gemäß dem Stand der Technik vorgeschlagen wurden, führen zu weit aus schlechteren Stabilitätsresultaten. Dies ist insbesondere für die bekannten externen Glasfaserverbreiterungsvorrichtungen der Fall.
Hinsichtlich der Kompensation der positiven Gruppengeschwindigkeits-Dispersion ist es bei dem vorgeschlagenen Laser vorteilhaft ausreichend, wenn die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersion des laseraktiven Elements, des selbstfokussierenden Elements und der Resonator-Elemente für wenigstens einen Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums des laseraktiven Elementes negativ ist. Mit dem vorgeschlagenen Konzept erübrigt sich also die sensitive Kontrolle der Gruppengeschwindigkeits-Dispersion über das gesamte Emissionsspektrum des Lasers, wie dies im Stand der Technik erforderlich ist. Es reicht gemäß einer Weiterbildung des vorgeschlagenen Lasers, dass der Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums einen zusammenhängenden Bereich bildet, vorzugsweise einen zentralen Bereich bildet, in dem dann eine Gruppengeschwindigkeits-Dispersionskontrolle vorgenommen wird, derart, dass die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente des Lasers negativ ist.
Hinsichtlich der Ausbildung der optischen Elemente des vorgeschlagenen Lasers werden im Folgenden eine Reihe von vorteilhaften Weiterbildungen angegeben.
Es erweist sich als besonders günstig, dass das Fokussierungsmittel durch ein erstes, auf einer ersten Seite des laseraktiven Elements angeordnetes fokussierendes Element und ein zweites, auf einer zweiten Seite des laseraktiven Elements angeordnetes fokussierendes Element gebildet ist. Dies sind günstigerweise zwei Konkavspiegel, deren vorteilhafte Ausführung und Anordnung im Resonator des vorgeschlagenen Lasers im Weiteren in der Detailbeschreibung ausgeführt ist.
Besonders günstig ist es, das laseraktive Element auch als ein selbstfokussierendes Element auszubilden, was beispielsweise für einen Titansaphir-Kristall der Fall ist. Es ist jedoch auch möglich, ein weiteres selbstfokussierendes Element im Laser zur Verfügung zu stellen, um eine zusätzliche Selbstamplituden-Modulation zu unterstützen.
Grundsätzlich lässt sich das Zerstreuungsmittel durch ein einziges oder mehrere optische Elemente bilden. Wenigstens eines davon sollte ein Zerstreuungselement sein, derart, dass dieses oder die Elemente des Zerstreuungsmittels in ihrer Kombination eine zerstreuende optische Eigenschaft aufweisen. Ein Zerstreuungsmittel könnte also beispielsweise auch durch ein Teleskop gebildet sein.
Für einen Laser zur Erzeugung von Subpikosekundenpulsen erweist sich eine Brennweite des Zerstreuungsmittels im Bereich von 200 mm bis 2000 mm als besonders günstig. Insbesondere für einen kompakten Resonator, wie er im Einzelnen in der detaillierten Beschreibung erläutert ist, ist eine Brennweite des Zerstreuungsmittels im Bereich von 800 mm bis 1200 mm günstig, insbesondere im Bereich von 1000 mm.
Der Resonator weist günstigerweise eines oder mehrere reflektierende Elemente auf, insbesondere einen Auskoppler zur Auskopplung der erzeugten Laserstrahlung und/oder wenigstens ein hochreflektierendes Element zur Rückkopplung der vom laseraktiven Element erzeugten Laserstrahlung in das laseraktive Element.
Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das Zerstreuungselement durch ein reflektierendes Element gebildet, günstigerweise durch einen konvexen Spiegel. Eine solche Weiterbildung hat erhebliche Vorteile, da sie sich besonders einfach realisieren lässt. Beispielsweise könnte ein geeigneter Planspiegel im Resonator durch einen in geeigneter Weise leicht konvexen Spiegel ersetzt werden. Grundsätzlich kann dies irgend ein Wölbspiegel sein, durch den gemäß der geometrischen Optik virtuelle, verkleinerte und aufrechte Bilder entstehen würden. Bei einem Konvexspiegel oder Wölbspiegel handelt es sich also insbesondere um eine außenspiegelnde Kugel- oder eine nach außen gewölbte andere Fläche, vorzugsweise Rotationsfläche. Gemäß der geometrischen Optik würde ein Konvexspiegel also parallel einfallendes Licht nicht bündeln, sondern zerstreuen. Insbesondere kommt ihm nach den Vorzeichenregeln der geometrischen Optik ein positiver Krümmungsradius und eine positive Brennweite zu.
Günstigerweise kann der Resonator, wenn erwünscht, auch ein oder mehrere transmittierende Elemente, insbesondere eine Platte und/oder eine Linse und/oder ein prismatisches Element aufweisen. Ein prismatisches Element könnte sich beispielsweise für die Zwecke der Durchstimmbarkeit der Zentralwellenlänge und/oder Gruppengeschwindigkeits-Dispersion eignen. Eine Platte könnte auch hinsichtlich zerstreuender Eigenschaften hinsichtlich des vorgeschlagenen Konzepts genutzt werden. Insbesondere könnte zusätzlich oder alternativ zu einem reflektierenden Element als Zerstreuungsmittel auch ein transmittierendes Element eingesetzt werden, insbesondere eine Zerstreuungslinse. Also günstigerweise jede Art eines lichtdurchlässigen Körpers mit zwei Grenzflächen, von denen wenigstens eine gekrümmt ist und der in der Mitte dünner ist als am Rand. Üblicherweise würde durch eine Zerstreuungslinse gemäß den Regeln der geometrischen Optik ein verkleinertes aufrechtes Bild erzeugt.
Es kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung günstig sein, das Zerstreuungselement mit einer dielektrischen Beschichtung zu versehen, um diesem eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion zu verleihen. Solch ein Spiegel wird auch als gechirpter Spiegel bezeichnet. Die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente des Lasers liegt vorteilhaft im Bereich von 0 fs² bis -1000 fs², insbesondere im Bereich von 0 fs² bis -100 fs². Beispielsweise erweist es sich als besonders günstig, einem optischen Element, insbesondere auch dem Zerstreuungselement, eine jeweilige negative Gruppengeschwindigkeit im Bereich um etwa -75 fs² zu verleihen.
Aufgrund des vorgeschlagenen Konzepts ist es vorteilhaft ausreichend, wenn nur in einem Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums vorteilhaft in einem zusammenhängenden Bereich eine negative Gruppengeschwindigkeits- Dispersion der genannten Art zur Verfügung gestellt wird. So ist es beispielsweise, insbesondere bei Verwendung von Titansaphir als laseraktivem Element, ausreichend, einen Bereich von 700 nm bis 900 nm, insbesondere ein Bereich um 800 nm, vorzusehen. Es kann ausreichend sein, lediglich eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion im Bereich von 790 nm bis 810 nm vorzusehen. Demgegenüber muss bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Laser über den gesamten Bereich des Emissionsspektrums eine ultrabreitbandige Dispersionsgeschwindigkeitskontrolle vorgenommen werden, was einen erheblichen Kostenaufwand zur Anfertigung entsprechend ausgelegter dielektrischer gechirpter Spiegel bedeutet.
Sowohl reflektive als auch transmittierende Elemente können vorteilhaft je nach Bedarf eine dielektrische Beschichtung aufweisen, um entweder eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion in Reflektion oder entsprechend in Transmission zur Verfügung zu stellen.
Im Einzelnen sind die folgenden Weiterbildungen des vorgeschlagenen Lasers zu bevorzugen. Günstigerweise ist ein Laser zur Erzeugung von Femtosekundenpulsen mit einer Pulsdauer unterhalb von 50 fs, insbesondere bei einer Repetitionsrate von mehr als 500 MHz vorgesehen. Dazu beträgt der optische Weg im Resonator weniger als 60 cm. Auf diese Weise ist eine besonders kompakte Gestaltung des Lasers bei gleichzeitig hoher Repetitionsrate möglich. Die kompakte Ausführung macht den Laser besonders leicht handhabbar und geeignet für kommerzielle Anwendungen. Die hohe Repetitionsrate hat erhebliche Vorteile bei Verwendung des Lasers im Rahmen optischer Frequenzmetrologie.
Der Resonator des vorgeschlagenen Lasers lässt sich vorzugsweise im Rahmen einer vorgeschlagenen Stabilitätsebene mit einer ersten Koordinate und einer zweiten Koordinate spezifizieren. Die erste Koordinate wird dabei durch den Abstand eines ersten von einem zweiten fokussierenden Element des Fokussierungsmittels gebildet. Die zweite Koordinate wird durch den Abstand des ersten oder des zweiten fokussierenden Elements des Fokussierungsmittels vom laseraktiven Element gebildet. Innerhalb dieses die Stabilitätsebene bildende Koordinatensystems lässt sich ein Stabilitätsbereich definieren, der diejenigen Werte der ersten und zweiten Koordinate umfasst, für welche Laserstrahlung, insbesondere kontinuierliche Laserstrahlung auf stabile Weise erzeugt wird, wenn der Laser in Betrieb ist. Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung wird der Resonator auf die Nähe eines Randes des Stabilitätsbereichs eingestellt, um einen stabilen gepulsten Betriebsmodus des Lasers zur Verfügung zu stellen. Das heißt, der Abstand des ersten und zweiten Fokussierungselements bzw. der Abstand eines der Fokussierungselemente vom laseraktiven Element wird so eingestellt, dass die diesen Abständen zugeordneten Werte am Rande des Stabilitätsbereichs liegen.
Besonders günstig erweist sich die Bauform eines Ringresonators, welcher aufgrund seiner Bauweise lediglich einen Stabilitätsbereich aufweist. Eine solche Bauform ist auf besonders vorteilhaft kompakte Art und Weise zu realisieren und hat eine hohe Repetitionsrate. Entsprechend ist ein Ringresonator vorteilhaft auf die Nähe des inneren Randes seines Stabilitätsbereiches eingestellt.
Es ist auch möglich einen Resonator als linearen Resonator auszubilden, welcher einen ersten und zweiten Stabilitätsbereich aufweist. Entsprechend sollte ein linearer Resonator auf die Nähe eines Randes des ersten oder zweiten Stabilitätsbereiches eingestellt sein. Es zeigt sich, dass insbesondere bei den hier genannten Resonatortypen ein erstes und/oder zweites fokussierendes Element des Fokussierungsmittels als ein konkaver Spiegel mit einer Brennweite von unterhalb von 30 mm günstig ist. Dies gewährleistet eine ausreichende Fokussierung im Rahmen des Kerr-Effekts zur Erzeugung entsprechend kurzer Pulse und liefert zugleich auch eine günstige Grundlage zur effektiven Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation.
In das laseraktive Element ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein Titan-dotierter Saphirkristall integriert. Gleichermaßen sind jedoch auch laseraktive Elemente von der Art eines Cr:LiSAF-, Cr:Forsterit-, Cr:LiSGaF-, Cr:LiCAF- oder Cr:YAG-Kristalls oder andere laseraktive Elemente deren Verstärkungsbandbreite geeignet ist, um Sub-Pikosekundenpulsstrahlung zu erzeugen, geeignet.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Ausbildung des Resonators sowohl hinsichtlich der erzeugten Laserstrahlung als auch hinsichtlich der Kompaktheit des Lasers, wenn er wenigstens fünf optische Elemente aufweist, wobei der Resonator als ein Ringresonator ausgebildet ist. Gleichermaßen eignet sich auch ein wenigstens sieben optische Elemente aufweisender Resonator, wobei der Resonator als ein gefalteter Ringresonator ausgebildet ist, um einen Laser der vorgeschlagenen Art zu realisieren. Die entsprechenden Resonatortypen sind in der Detailbeschreibung genauer erläutert.
Besonders günstige Weiterbildungen des vorgeschlagenen Lasers lassen sich auch hinsichtlich der Durchstimmbarkeit des Lasers bei Betrieb desselben erreichen. So ist es besonders günstig, im Resonator ein prismatisches Element in Kombination mit einem drehbaren Spiegel vorzusehen, was eine Durchstimmbarkeit der Laserstrahlung innerhalb des Emissionsspektrums ermöglicht. Dies ermöglicht insbesondere die Durchstimmbarkeit der Zentralwellenlänge des Lasers innerhalb des Emissionsspektrums. Details dazu lassen sich auch der WO 00/72412 A1 entnehmen.
Günstigerweise lässt sich bei dem vorgeschlagenen Laser auch ein Filtermittel zum Herausfiltern eines spektralen Teilbereichs aus dem Emissionsspektrum der bei Betrieb des Lasers erzeugten Laserstrahlung vorsehen. Die effektiv erhöhte Selbstamplituden-Modulation führt gemäß dem Konzept des vorgeschlagenen Lasers, wie oben erläutert insbesondere zu einem Emissionsspektrum, dessen Bandbreite über die des Verstärkungsspektrums des laseraktiven Elements hinausgeht. Es kann deshalb auf besonders günstige Weise zum Herausfiltern ein spektraler Teilbereich vorgesehen werden, der wenigstens teilweise über das Verstärkungsspektrum hinausgeht. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach eine gepulste Laserquelle hoher Intensität auch außerhalb des Verstärkungsspektrums eines laseraktiven Elements realisieren. So könnte beispielsweise aufgrund eines Titansaphirlasers, welcher üblicherweise ein Verstärkungsspektrum zwischen 700 nm und 1000 nm aufweist, aufgrund des vorgeschlagenen Konzepts eine intensitätsstarke Laserquelle bei 650 nm realisiert werden.
Zum Pumpen des vorgeschlagenen Lasers ist grundsätzlich jede Art einer Lichtquelle geeignet, welche sich zur Erzielung einer ausreichenden Verstärkung im laseraktiven Element hinreichend fokussieren lässt und zur Anregung des laseraktiven Elements zur Emission in dessen Fluoreszenzbereich geeignet ist. Günstigerweise ist dies ein Pumplaser, vorteilhaft ein Pumplaser von der Art eines frequenzverdoppelten Nd:YVO4, Yb:YVO4, Nd:YAG oder Yb:YAG-Laser.
Weiterhin führt die Erfindung auf ein optisches Uhrwerk aufweisend einen Laser gemäß der vorgeschlagenen Art oder ein oben beschriebenes Lasersystem, bei dem erfindungsgemäß das Emissionsspektrum als ein frequenzkammartiges Emissionsspektrum des Lasers oder des Lasersystems zur Verfügung gestellt ist, wobei sich das frequenzkammartige Emissionsspektrum aus optischen Frequenzen f_n zusammensetzt und wobei eine optische Frequenz aus einer Versatzfrequenz f₀ des Lasers oder des Lasersystems und einem n-ten Vielfachen einer Repetitionsfrequenz f_rep des Lasers oder des Lasersystems gebildet ist, also als: f_n = f₀ + n.f_rep. Dabei ist die Versatzfrequenz f₀ und die Repetitionsfrequenz f_rep bekannt. Insbesondere sind diese durch Messung direkt aus dem Emissionsspektrum des Lasers, d. h. ohne einen externen spektralen Verbreiterungsschritt bekannt.
Dies könnte insbesondere durch ein Mittel zur Interferometrie, insbesondere ein Mittel zur nicht-linearen Interferometrie bewirkt werden.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass aufgrund der strengen Periodizität der Pulsfolge aus einem Femtosekunden-Laser mit der Repetitionsrate f_rep dieser ein im Frequenzraum streng periodisches Spektrum aufweist. Das Emissionsspektrum des vorgeschlagenen Lasers ist also ein kammartiges Spektrum, was deshalb auch als Frequenzkamm bezeichnet wird. Dieser Frequenzkamm, also das Emissionsspektrum des vorgeschlagenen Lasers, enthält Komponenten von optischen Frequenzen

f_n = f₀ + n.f_rep.
Dabei ist n eine ganze Zahl, f_rep bezeichnet die Repetitionsrate des Pulszuges des vorgeschlagenen Lasers und f₀ die Versatzfrequenz des Frequenzkamms gegenüber 0 Hz. Die Versatzfrequenz f₀ liegt zwischen 0 Hz und der ganzen Repetitionsrate f_rep.
Die Repetitionsrate f_rep und die Versatzfrequenz f₀ liegen im Mikrowellen- bzw. im Radiowellenfrequenzbereich - also im Megahertz- oder Gigaherzbereich und sind elektronisch messbar.
Wenn die Repetitionsrate f_rep und die Versatzfrequenz f₀ bekannt sind, dann ist auch jede optische Frequenz des Frequenzkamms, also jede optische Frequenz des Emissionsspektrums des vorgeschlagenen Lasers wie durch die oben genannte Formel festgelegt und bekannt.
Da der durch das Laserspektrum dargestellte optische Frequenzkamm, sich wie

f_n = f₀ + n.f_rep.

zuammensetzt, verknüpft er direkt eine oder mehrere optische Frequenzen f_n mit den beiden Mikro-/Radiowellenfrequenzen f₀ und f_rep. Er kann somit bei bekannten Frequenzen f₀ und f_rep ein effektives optisches Uhrwerk zur Verknüpfung bzw. Synthese von einer oder mehrerer optischer Frequenzen direkt mit den genannten, elektronisch einfach handhabbaren Mikro-/Radiowellenfrequenzen darstellen. Gleichermaßen kann er bei einer bekannten Frequenz f_n ein effektives optisches Uhrwerk zur Verknüpfung bzw. Synthese einer Mikro- /Radiowellenfrequenz nämlich f₀ oder f_rep mit der bekannten optischen Frequenz f_n genutzt werden. In einer bevorzugten Realisierung ist dabei f_n relativ zu einem optischen Frequenznormal stabilisiert, sodaß f₀ oder f_rep das elektronisch handhabbare Ausgangssignal eines optischen Frequenznormals darstellen.
Betreffend die Bestimmung derselben lässt sich die Repetitionsrate f_rep vorzugsweise durch Detektion des Pulszugs mit einem Detektor genügender Bandbreite, also größer als die Repetitionsrate f_rep, bestimmen. Dagegen ist die Detektion der Versatzfrequenz f₀ nur möglich, wenn unterschiedliche Harmonische des Emissionsspektrums des Femtosekunden-Lasers mit einer Frequenzdifferenz von weniger als einer Repetitionsrate f_rep zur Interferenz gebracht werden und ein Schwebungssignal mit der Versatzfrequenz f₀ bilden.
Bei gewöhnlichen Femtosekunden-Lasern gemäß dem Stand der Technik kann eine solche Versatzfrequenz nicht gemessen werden, da ihr Emissionsspektrum keine ausreichend große Bandbreite aufweist, um das oben genannte Kriterium der maximalen Frequenzdifferenz der unterschiedlichen Harmonischen, die zur Interferenz gebracht werden sollen, zu erreichen. Gemäß dem Stand der Technik muss ein übliches Emissionsspektrum durch einen externen Verbreiterungsschritt auf die erforderliche Bandbreite gebracht werden. Dazu werden gewöhnlich Mikrostrukturglasfasern verwendet, in denen das ursprüngliche Laserspektrum durch Selbstphasenmodulation in einem kleinen Querschnitt und auf einer großen Interaktionslänge verbreitert wird. Diese Fasern haben einen großen Nachteil. Ihr Kerndurchmesser von gewöhnlich unter 2 µm ist sehr gering, denn er entspricht nur etwa zwei Wellenlängen üblicher verwendeter Femtosekundenstrahlung. Daher ist die eingekoppelte Leistung stark empfindlich gegenüber mechanischen Störungen und Vibrationen. Da Selbstphasenmodulation ein nicht-linearer Effekt dritter Ordnung ist, ist der Grad der spektralen Verbreiterung und die Leistung in den neu erzeugten Frequenzbereichen entsprechend potenzierten Schwankungen unterworfen. Im ungünstigen Fall wird durch geringe externe Störungen die ausreichende spektrale Verbreiterung und damit Darstellung der Versatzfrequenz verhindert.
Ein optisches Uhrwerk wie es hier vorgeschlagen ist, aufweisend den Laser gemäß der Erfindung, benötigt keinen externen Verbreiterungsschritt. Die Versatzfrequenz f₀ kann direkt dargestellt werden. Da gemäß der Erkenntnis der Erfindung ein externer nicht-linearer Schritt dritter Ordnung entfällt, ist die Stabilität des Signals der Versatzfrequenz entscheidend gegenüber dem Stand der Technik verbessert.
Zwar wurde auch von EII et al. ein Femtosekunden-Laser vorgeschlagen, dessen Spektrum eine ausreichende Breite zur Bestimmung der Versatzfrequenz f₀ überspannt, jedoch wurde in diesem Laser im Unterschied zum Laser gemäß der Erfindung die spektrale Verbreiterung ausschließlich durch verstärkte Selbstphasenmodulation in einem zusätzlichen resonatorinternen Element und nur mittels zusätzlicher Kontrolle der Gruppengeschwindigkeits-Dispersion über die gesamte Bandbreite des Emissionsspektrums erreicht. Aufgrund der effektiven Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation beim hier vorgeschlagenen Laser entfällt zum einen die Notwendigkeit einer Gruppengeschwindigkeits- Dispersionskontrolle und zum anderen ist auch eine wenigstens um einen Faktor 100 größere Leistung pro Element des Frequenzkamms mit dem hier vorgeschlagenen Laser erzielbar. Da die Signal-zu-Rauschverhältnisse der interferometrischen Signale zur Bestimmung der Versatzfrequenz proportional zur Leistung pro Frequenzkomponente des Frequenzkamms sind, bildet der erfindungsgemäße Laser eine Basis für das erfindungsgemäße optische Uhrwerk mit erheblichen Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen des optischen Uhrwerks im Rahmen der Erfindung sind den Unteransprüchen zum optischen Uhrwerk zu entnehmen.
Insbesondere ist es aufgrund des vorgeschlagenen Konzepts möglich, die Laserstrahlung des Lasers als Frequenzkamm zu erzeugen und direkt dem Mittel zur Interferometrie zur Erzeugung der Schwebungsfrequenz zur Verfügung zu stellen. Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung weist das nicht-lineare Interferometer auf:

- ein Mittel zur Erzeugung einer ersten harmonischen Frequenz einer Grundfrequenz aus einem ersten Teil des Emissionsspektrums des Lasers;
- ein Mittel zur Erzeugung einer zweiten harmonischen Frequenz einer Grundfrequenz aus einem zweiten Teil des Emissionsspektrums des Lasers;
- ein Mittel zur Überlagerung der ersten harmonischen Frequenz und der zweiten harmonischen Frequenz;
- ein Mittel zur Messung der aus der Überlagerung resultierenden Schwebung.

Vorteilhafterweise übersteigt die Grundfrequenz aus einem zweiten Teil des Emissionsspektrums die Grundfrequenz aus einem ersten Teil des Emissionsspektrums.
Eine harmonische Frequenz kann auch durch eine Vielzahl harmonischer Frequenzen mit einer Einhüllenden gebildet sein. Der Überlappbereich der Einhüllenden einer ersten harmonischen Frequenz und einer zweiten harmonischen Frequenz umfasst vorteilhafterweise eine Differenz von Frequenzen, die größer ist als die Hälfte einer Repetitionsrate des Lasers. Das optische Uhrwerk weist günstigerweise ein Mittel zum Messen der Versatzfrequenz des Lasers als Differenz zunächst benachbarter zweiter harmonischer Frequenzen und erster harmonischer Frequenzen auf.
Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, ein Mittel zur Stabilisierung der Versatzfrequenz und/oder der Repetitionsrate des Lasers relativ zu einem Referenzsignal vorzusehen, wobei das Referenzsignal günstigerweise durch ein elektronisch messbares Signal gebildet ist, insbesondere durch ein Signal im Bereich von Radio- und/oder Mikrowellen.
Es zeigt sich, dass eine besonders günstige Weiterbildung des optischen Uhrwerks darin besteht, für die Messung der Versatzfrequenz f₀ mindestens einen nicht-linearen Frequenzkonversionsschritt vorzusehen, bei dem Harmonische unterschiedlicher Ordnung von Teilen des Emissionsspektrums des Lasers auf einem geeigneten Detektor zur Interferenz gebracht werden und ein Schwebungssignal mit der Versatzfrequenz f₀ durch Interferenz gebildet wird. Der vorgeschlagene Laser weist entsprechend seiner Auslegung ein Emissionsspektrum auf, das so breit ist, dass Einhüllende harmonischer Frequenzen unterschiedlicher Ordnung hinreichend überlappen, um ein Schwebungssignal mit der Versatzfrequenz f₀ bilden zu können.
So ist in einer ersten bevorzugten Weiterbildung des wie oben vorgeschlagenen optischen Uhrwerks die erste harmonische Frequenz in der zweiten Ordnung einer Grundfrequenz aus einem niederfrequenten Teil des Emissionsspektrums des Lasers erzeugt. Des Weiteren ist dabei die zweite harmonische Frequenz in der ersten Ordnung, also als Grundfrequenz, aus einem hochfrequenten Teil des Emissionsspektrums des Lasers erzeugt. Vorteilhaft überspannt dazu das Emissionsspektrum des Lasers mindestens eine Oktave, d. h., seine Einhüllende weist mindestens eine erste Frequenz f_n und mindestens eine zweite Frequenz f_2n auf, wobei die zweite Frequenz bis auf einen etwaigen Unterschied von f_rep/2 das doppelte der ersten Frequenz ist. Hier sollte in einem Frequenzverdopplungsschritt die erste Frequenz f_n verdoppelt werden, so dass sich dann als Schwingungssignal mit der zweiten Frequenz f_2n auf einem geeigneten Detektor ein Signal mit der Frequenz

2.f_n - f_2n = 2.f₀ + 2.n.f_rep - f₀ - 2.n.f_rep = f₀

ergibt.
Des Weiteren kann es in einer zweiten Weiterbildung des oben vorgeschlagenen optischen Uhrwerks ebenso vorteilhaft sein, dass die erste harmonische Frequenz in der dritten Ordnung einer Grundfrequenz aus einem niederfrequenten Teil des Emissionsspektrums erzeugt ist. Dabei ist die zweite harmonische Frequenz in der zweiten Ordnung einer Grundfrequenz aus einem hochfrequenten Teil des Emissionsspektrums erzeugt. Vorteilhaft sollte dazu das Emissionsspektrum des Lasers mindestens eine halbe Oktave überspannen, d. h., die Einhüllende des Emissionsspektrums sollte sich mindestens von einer ersten Frequenz f_2n bis zu einer zweiten Frequenz f_3n erstrecken, wobei die zweite Frequenz bis auf einen etwaigen Unterschied von f_rep/2 das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt. Die zweite Frequenz f_3n wird also frequenzverdoppelt, während die erste Frequenz f_2n verdreifacht wird, so dass beide Signale in einer zu oben analogen Weise wiederum ein Schwebungssignal mit der Versatzfrequenz f₀ bilden.
Zur weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen optischen Uhrwerks kann die Repetitionsrate durch Detektion des Pulszuges mit einem geeigneten Detektor dargestellt werden. Da die Repetitionsrate antiproportional zur Resonatorgesamtlänge ist, kann sie durch Kontrolle der selben, etwa durch einen Piezoaktuator, geregelt und in einer elektronischen Nachfolgeschleife relativ zu einer externen Frequenz stabilisiert werden.
Die Versatzfrequenz kann in einer vorteilhaften Weiterbildung durch Beeinflussung der resonatorinternen Leistung, etwa durch Beeinflussung der Pumpleistung des Lasers, mit einem elektro-optischen oder akusto-optischen Modulator geregelt und stabilisiert werden.
Zusammenfassend lässt sich also feststellen, dass das hier vorgeschlagene optische Uhrwerk unter Verwendung des erfindungsgemäßen Lasers und einem dadurch zur Verfügung gestellten Emissionsspektrums auf besonders einfache und stabile Weise die vollständige Messung des Frequenzkamms des Emissionsspektrums des erfindungsgemäßen Lasers mit seinen beiden Freiheitsgraden f₀ und f_rep ermöglicht. Aufgrund der ausreichenden spektralen Bandbreite des Emissionsspektrums lässt sich nämlich die Versatzfrequenz f₀ als elektronisch messbares Signal durch geeignete Interferenz harmonischer Frequenzen des Emissionsspektrums bestimmen ohne dass ein weiterer externer Verbreiterungsschritt erforderlich ist.
Entsprechend führt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe betreffend des Verfahrens auf ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung innerhalb eines Emissionsspektrums gemäß der eingangs genannten Art, bei dem erfindungsgemäß

- das laseraktive Element gepumpt wird und Strahlung in das laseraktive Element fokussiert wird,
- die Selbstamplituden-Modulation eines Pulses im laseraktiven Element effektiv erhöht wird, indem ein Zerstreuungsmittel in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element zur Verfügung gestellt wird, und
- gepulste Laserstrahlung mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben, innerhalb des Emissionsspektrums erzeugt wird, dass es sich wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind den abhängigen Verfahrensansprüchen 50 bis 52 zu entnehmen.
Des Weiteren führt die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Erzeugung eines Frequenzkamms, bei dem mittels eines oben beschriebenen Lasers oder Lasersystems
gepulste Laserstrahlung mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben, innerhalb eines Emissionsspektrums erzeugt wird, das sich wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt, wobei
die Repetitionsrate (f_rep) und die Versatzfrequenz (f₀) an ein Referenzsignal phasenkohärent gekoppelt werden und dadurch eine Frequenz im optischen Frequenzbereich direkt aus dem Emissionsspektrum (a, b) des Lasers (1) phasenkohärent an das Referenzsignal gekoppelt wird.
Inbesondere wird nämlich eine Frequenz im optischen Frequenzbereich direkt aus dem Emissionsspektrum des Lasers an ein elektronisch messbares Referenzsignal gekoppelt und ein Frequenzkamm erzeugt, dessen Repetitionsrate und Versatzfrequenz bekannt sind.
Insbesondere ist es vorteilhaft bei dem letztgenannten Verfahren die Versatzfrequenz des optischen Uhrwerks wie oben beschrieben, zu messen.
Erfindungsgemäß ist weiterhin die Verwendung eines oben beschriebenen Lasers vorgesehen zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben und innerhalb eines Emissionsspektrums, das sich wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt. Dies ermöglicht die erfindungsgemäße Verwendung des oben beschriebenen Lasers oder Lasersystems oder optischen Uhrwerks im Rahmen der optischen Frequenzmetrologie.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass, wenn die Repetitionsrate und die Versatzfrequenz, die üblicherweise im Mikrowellen- bzw. Radiowellenfrequenzbereich liegen, bekannt sind, auch jede optische Frequenz des Frequenzkamms mit der Formel

f_n = f₀ + n.f_rep

, wie im Bezug auf das obige optische Uhrwerk sowie das Verfahren zur Erzeugung eines Frequenzkamms beschrieben, messbar ist und somit festgelegt und bekannt ist. Dieser Frequenzkamm wird in der oben beschriebenen Weise durch den erfindungsgemäßen Laser auf einzigartige Weise zur Verfügung gestellt. Das ermöglicht auf einzigartige Weise die Verwendung des erfindungsgemäßen Lasers im Rahmen der optischen Frequenzmetrologie. Die optische Frequenzmetrologie soll eine absolute Messung unbekannter optischer Frequenzen auf möglichst genaue Weise durch Vergleich mit einem standardisierten Frequenzkamm ermöglichen.
Man kann optische Frequenzen durch Verwendung des Lasers als optisches Uhrwerk aus einem Mikrowellen Frequenznormal synthetisieren. Durch phasenkohärente Kopplung von f₀ und f_rep an ein Frequenznormal im Mikrowellenbereich, zum Beispiel an eine Cäsiumatomuhr bei einer Frequenz von 9,2 GHz oder an ein von einer Cäsiumuhr abgeleitetes Mikrowellensignal, können optische Frequenzen f_n relativ zu diesem Frequenznormal synthetisiert werden. Des Weiteren ist damit vorzugsweise das kammartige optische Emissionsspektrum mit der Genauigkeit der Cäsiumatomuhr als Standard stabilisiert. Der Frequenzkamm des erfindungsgemäßen Lasers stellt damit ein Werkzeug zur absoluten Messung optischer Frequenzen, beispielsweise der Frequenz eines beliebigen anderen Lasers, relativ zu einem Mikrowellenstandard dar. Dies entspricht der Kopplung des anderen Lasers über das optische Uhrwerk an die Präzision eines Frequenzstandards im Mikrowellen- bzw. Radiowellenbereich.
Man kann durch Verwendung des Lasers als optisches Uhrwerk eine Mikrowellen Frequenz aus einem optischen Frequenznormal synthetisieren. Ebenso wie eine optische Frequenz f_n durch phasenkohärente Kopplung von f₀ und f_rep an ein Frequenznormal im Mikrowellenbereich relativ zu diesem synthetisiert werden kann, können auch die Mikrowellenfrequenzen f₀ oder f_rep durch phasenkohärente Kopplung einer optischen Komponente f_n des Frequenzkamms an ein optisches Frequenznormal relativ zu diesem synthetisiert werden. Die Repetitionsrate oder die Versatzfrequenz des Femtosekundenlasers stellt damit den Mikrowellenausgang einer optischen Atomuhr dar. Jeweils eine Frequenz f₀ oder f_rep ist zur stabilen Darstellung des Mikrowellenausgangs der optischen Atomuhr durch die andere relativ zur anderen zu stabilisieren. Dies ist nach dem Stand der Technik bisher nur unter Verwendung eines externen spektralen Verbreiterungsmittels wie im Artikel von S. A. Diddams et al., in Science, Vol. 293, p. 825 (2001) möglich gewesen.
Es könnte gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sowohl die Repetitionsrate als auch die Versatzfrequenz relativ zu einem atomaren optischen Frequenzstandard stabilisiert werden. Auf diese Weise können die Repetitionsrate oder die Versatzfrequenz das elektronisch messbare Ausgangssignal einer optischen Atomuhr bilden. Es könnte beispielsweise ein optisches Frequenznormal basierend auf einem einzelnen Quecksilberion dessen Frequenz bei 1064 THz liegt als optisches Referenzsignal genutzt werden, um den Frequenzkamm des erfindungsgemäßen Lasers zu stabilisieren. Auf diese Weise ist der hier vorgeschlagene Laser praktisch als optisches Uhrwerk zwischen der optischen Referenzfrequenz und der vom Laser bekannten Mikrowellenfrequenzen f₀ und f_rep geschaltet von denen eine wie oben beschrieben den Mikorwellenausgang eines optischen Frequenznormals darstellt. Der Frequenzkamm des hier vorgeschlagenen optischen Uhrwerks stellt damit einen optischen Frequenzstandard mit elektronisch zählbaren Mikrowellen- oder Radiowellenfrequenzen mit bekannten Teilungsverhältnissen relativ zur optischen Referenzfrequenz als Ausgangssignal dar. Dies entspricht der Verwendung des erfindungsgemäßen Lasers und seines Emissionsspektrums als ein atomarer optischer Frequenzstandard, also praktisch der Realisierung einer optischen Atomuhr. Sie könnte beispielsweise auch verwendet werden, um eine beliebige optische Frequenz irgendeines anderen Lasers zu messen. Dies entspricht der Kopplung des anderen Lasers über das optische Uhrwerk an die Präzision einer atomaren Übergangsstrahlung im optischen Bereich.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik beschrieben. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend Form und Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht eingeschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand.
Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsformen nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen. Vielmehr ist die Zeichnung nur zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf die Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik, insbesondere die WO 00/72412 A1, verwiesen. Im Einzelnen zeigen die Figuren der Zeichnung in:
Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des vorgeschlagenen Lasers;
Fig. 2 im oberen Teil: die Reflektivität eines gechirpten Spiegels als durchgezogene Linie und eines Auskopplers als gestrichelte Linie bei einer bevorzugten Ausführungsform des vorgeschlagenen Lasers; im unteren Teil: die Netto-Resonatorgruppengeschwindigkeits-Dispersion in einem Resonator beim vorgeschlagenen Laser, wobei die Auslegungsparameter der gechirpten Spiegel, des Auskopplers und der Dispersion des laseraktiven Elements berücksichtigt sind;
Fig. 3 das Emissionsspektrum einer bevorzugten Ausführungsform des vorgeschlagenen Lasers in einem unidirektionalen Betriebsmodus auf einer logarithmischen (Kurve a) und linearen Skala (Kurve b). Die eingesetzte Grafik zeigt das Emissionsspektrum der bevorzugten Ausführungsform nach der Reflektion von zwei hochreflektierenden Spiegeln, die für ein Band im Bereich von 670 nm ausgelegt sind;
Fig. 4 den weiter unten erläuterten Deltafaktor als Maß für die Selbstverstärkungs-Modulation bei der bevorzugten Ausführungsform des vorgeschlagenen Lasers;
Fig. 5 den Deltafaktor als Maß der Selbstverstärkungs-Modulation für einen Laser gemäß dem Stand der Technik, bei dem der konvexe Spiegel in der bevorzugten Ausführungsform durch einen planaren Spiegel ersetzt ist.
Modengekoppelte Femtosekunden-Laser zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung bei Repetitionsraten im Gigaherzbereich haben sich als ein Schlüsselelement für Präzisionsmessungen im Rahmen der optischen Frequenzmetrologie erwiesen. Ihre Anwendungen bieten vielversprechende Einsatzmöglichkeiten bei der Realisierung und Verbesserung atomarer Zeitstandards, welche auf optische Übergänge im Petaherzbereich basieren. Unter Nutzung der einzigartigen Frequenzkammeigenschaften der besonderen Ausführungsform eines passiv modengekoppelten Femtosekunden-Lasers dient dieser Laser als ein optisches Uhrwerk zur Aufkonversion eines Referenzsignals im Mikrowellenbereich in den optischen Bereich. Des Weiteren ist es möglich, ein optisches Referenzsignal phasenkohärent in ein elektronisch messbares Mikrowellensignal hinunterzukonvertieren. Der Schlüssel für eine verlässlichere Ausführung dieser Funktionen besteht darin, neben der leicht zu messbaren Repetitionsrate auch den zweiten Freiheitsgrad des Frequenzkamms auf verlässliche Weise zu bestimmen, nämlich die Versatzfrequenz f₀. Der Frequenzkamm wird durch das Emissionsspektrum der bevorzugten Ausführungsform des Lasers gebildet und ist über die Formel:

f_n = f₀ + n.f_rep

vollständig beschrieben.
Voraussetzung für die stabile Messung der Versatzfrequenz mittels nicht-linearer Interferometrie ist eine spektrale Bandbreite des Emissionsspektrums, welche sich wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt.
Solch ein Spektrum wird als halboktavenbreites Spektrum bezeichnet. Zur Messung der Versatzfrequenz auf eine weitere noch zu erläuternde Art sollte ein solches Spektrum eine zweite Frequenz aufweisen, die wenigstens das doppelte der ersten Frequenz beträgt. Solch ein Spektrum wird als oktavenbreites Spektrum bezeichnet.
Die Realisierung solcher Spektren mit einer Repetitionsrate jenseits von 500 MHz bis hin zu etwa 3 GHz ist auf bisher einzigartige Weise mit dem hier vorgeschlagenen Laser und dem hier vorgeschlagenen optischen Uhrwerk möglich geworden. Im Folgenden wird für eine besonders bevorzugte Ausführungsform die Realisierung eines solchen Spektrums mittels eines Lasers beschrieben, der ein halb- bzw. oktavenbreites Emissionsspektrum (im folgenden kurz oktavenbreites Spektrum) für eine gepulste Laserstrahlung mit einer Repetitionsrate von 1 GHz zur Verfügung stellt.
Das oktavenbreite Emissionsspektrum wird direkt vom Resonator des Femtosekunden-Lasers zur Verfügung gestellt, welcher in einer besonders kompakten Weise durch die Anordnung von fünf optischen Elementen realisiert ist und auf einen optischen Weg von 30 cm beschränkt ist, um eine so hohe Repetitionsrate von 1 GHz zu Verfügung zu stellen.
Das Konzept beruht auf einer effektiv erhöhten Selbstamplituden-Modulation eines Laserpulses innerhalb des Resonators, welches auf überraschende Weise durch die Einführung eines leicht konvexen Spiegels in den kollimierten Arm des als Ringresonator ausgelegten fünfelementigen Resonators beruht. Dabei hat sich gezeigt, dass eine akkurate und extrem breitbandige Kontrolle der Gruppengeschwindigkeits-Dispersion innerhalb des Laser-Resonators entfallen kann. Dies wird im Einzelnen im Folgenden nachgewiesen.
Der Resonator des Lasers gemäß der besonders bevorzugten Ausführungsform ist in Fig. 1 dargestellt. Er weist ein laseraktives Element auf, das in diesem Fall als ein 1,9 mm langer Titansaphirkristall ausgeführt ist, welcher in einem Brewster- Winkel zwischen den Spiegeln M1 und M2 angeordnet ist. Der Kristall wird über die Strahlung eines Pumplasers durch die Linse L mit einer Brennweite von 30 mm gepumpt. Die Pumpstrahlung erfolgt bei einer Leistung von 10,5 W durch einen frequenzverdoppelten Festkörperlaser bei einer Wellenlänge von 532 nm. Ein um den Kristall angeordnetes Fokussierungsmittel zur Fokussierung und Rückkopplung der Laserstrahlung innerhalb des Resonators in den Titansaphirkristall wird durch zwei konkave Spiegel M1 und M2 gebildet. Der schwarz dargestellte Spiegel M3 ist ein leicht konvexer hochreflektierender Spiegel. Des Weiteren weist der Resonator einen Auskoppler OC auf. Der Strahlverlauf ist durch eine Linie gekennzeichnet. Der Krümmungsradius des konvexen Spiegels beträgt 1000 mm.
Der grundsätzliche Aufbau des Resonators in dieser Form wurde in der WO 00/72412 bzgl. Fig. 4 der selben beschrieben. Die quantitative Ausführung der optischen Elemente des Lasers gemäß der Fig. 4 der WO 00/72412 zueinander unterscheidet sich von der der bevorzugten Ausführungsform und der in Fig. 4 der WO 00/72412 mit M1 bezeichnete Spiegel ist im Unterschied zum M3 der Fig. 1 der bevorzugten Ausführungsform kein konvexer, sondern ein planarer Spiegel.
Die üblicherweise in einem Resonator wie in der WO 00/72412 zu erwartende Selbstverstärkungs-Modulation ist jedoch auf überraschende Weise um ein Vielfaches erhöht, wenn der planare Spiegel M1 der Fig. 4 der WO 00/72412, wie in der Fig. 1 hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsform gezeigt, durch einen leicht konvexen Spiegel M3 ersetzt wird. Auf diese Weise wird ein Zerstreuungsmittel in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element, was bei der bevorzugten Ausführungsform mit dem laseraktiven Element übereinstimmt, eine effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation des Laserpulses im laseraktiven Element ermöglicht. Die Selbstverstärkungs- Modulation, als eine Form der Selbstamplituden-Modulation, ist Resultat der leistungsinduzierten Modulation eines Überlapps zwischen einer räumlichen Mode der Laserstrahlung im Resonator und insbesondere des durch den Pumpstrahl bestimmten Pumpvolumens und damit der Verstärkung in Abhängigkeit von der Leistung der Laserstrahlung. Die genannte Modulation wird durch die sogenannte Kerr-Nicht-Linearität hervorgerufen und ist maßgeblich auch für die Pulslänge der Pulse bei einem passiv modengekoppelten Femtosekunden-Laser. In diesem Fall ergibt sich die überraschende Erhöhung der Selbstverstärkungs-Modulation aufgrund der außergewöhnlichen Wirkung des konvexen Spiegels im Zusammenspiel mit dem laseraktiven Element als selbstfokussierendes Element und den anderen Resonatorkomponenten. Es zeigt sich, dass der Deltafaktor

δ = 1/w₀.δw₀/δP

ein Maß für die Selbstverstärkungs-Modulation ist. In den δ-Faktor geht der Strahlradius der Lasermode im Titansaphirkristall als laseraktives Element w₀ ein und die im Resonator herrschende maximale Pulsleistung P. Er beschreibt die Änderung des Strahlradius der Laser mode im Titansaphirkristall. Für einen stabilen Pulsbetrieb in einem Resonator muß der Deltafaktor (δ-Faktor) negativ sein und einen möglichst großen Betrag haben. Theoretische Berechnungen zeigen nun, dass aufgrund des konvexen Spiegels in Kombination mit dem Titansaphirkristall, der einen Kerr-Effekt aufweist, der Deltafaktor günstig in seinem Betrag vergrößert werden kann im Vergleich zu einem Resonator ähnlicher Auslegung - aber mit einem planaren Spiegel anstatt einem konvexen Spiegel - und somit die Selbstverstärkungsmodulation erhöht werden kann. Der Vergleich beider Situationen ist durch Gegenüberstellung der Fig. 4 für einen Resonator mit einem konvexen Spiegel gemäß der Fig. 1 bevorzugten Ausführungsform und der Fig. 5 für einen Resonator gemäß Fig. 4 der WO 00/72412 für einen bekannten Resonator ähnlicher Bauart sichtbar gemacht. In der Fig. 5 ist jeweils auf der linksseitigen Ebene der Deltafaktor dargestellt, wie er sich aus einer Resonatorkonfiguration im Bereich der Stabilitätsebene des Resonators ergibt. Die Stabilitätsebene wird dabei von einer ersten und zweiten Koordinate gebildet. Die erste Koordinate entspricht dabei dem Abstand der beiden Fokussierspiegel M1 und M2 der Fig. 1. Dieser Abstand d beträgt bei der bevorzugten Ausführungsform zwischen 30,3 mm und 31,1 mm. Die zweite Koordinate entspricht dem Abstand x des Spiegels M1 von der dem Spiegel zugewandten Kristalloberfläche in mm. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt dieser Abstand zwischen 15,23 mm und 16,81 mm. Auf der linken Ebene der Fig. 4 ist sichtbar, dass der Deltafaktor für einen stabilen modengekoppelten Betrieb des Lasers negativ ist und am größten, wenn der Laser am Rand des Stabilitätsbereichs des Ringresonators betrieben wird. Bevorzugt ist der Titansaphirkristall dabei leicht aus der Mitte der fokussierenden Spiegel gerückt. Für die Bereiche der Stabilitätsebene, in denen ein stabiler modengekoppelter Betrieb des Lasers möglich ist, zeigt nun der Vergleich der Fig. 4 und 5, dass bei einem Resonator mit einem konvexen Spiegel der Deltafaktor um mehr als das doppelte erhöht ist im Vergleich zu einem Deltafaktor, wie er bei einem ansonsten im Wesentlichen gleichen Laser bestehen würde, bei dem der konvexe Spiegel durch einen planaren Spiegel ersetzt ist.
Fig. 5 zeigt also einen Deltafaktor für einen Resonator ähnlich dem der Fig. 4 in der WO 00/72412, welche keinen konvexen Spiegel aufweist, sondern bei dem der Resonator durch zwei konkave und zwei planare Spiegel gebildet ist.
Sogar über die Aussagen dieses theoretischen Erklärungsansatzes hinaus zeigt sich tatsächlich, dass die Ersetzung eines planaren Spiegels durch einen konvexen Spiegel bei einer ansatzgleichen Laserkonfiguration zu einer überraschenden und unerwartet hohen Erhöhung der Selbstamplituden- Modulation bei der Erzeugung eines ultrakurzen Laserpulses im laseraktiven Element führt, was allein aufgrund der zerstreuenden optischen Eigenschaften eines konvexen Spiegels im Bereich der geometrischen Optik nicht zu erwarten ist.
Eine Erklärung für diesen Effekt wird leichter verständlich, wenn die sich im laseraktiven Element ausbildende Kerr-Linse in ihrer Wirkung mit einem sättigbaren Absorber verglichen wird, welcher bei Sättigung zu einer Verstärkung der für den Laserpuls verantwortlichen Moden der Laserstrahlung im Resonator führt. Indem ein konvexer M3 anstatt ein flacher Spiegel im Resonator zur Verfügung gestellt wird, wird auf effektive Weise die Modulationstiefe des effektiven sättigbaren Absorbers erhöht. Auf diese Weise wird nur ein sehr viel kürzerer Puls in der Lage sein, diesen Bereich der Nettoverstärkung auszuschöpfen, um so einen stabilen modengekoppelten Betrieb des Lasers aufrechtzuerhalten. Dies wiederum führt zu einer effektiv erhöhten Verteilung von Energie auf die Außenbereiche des Verstärkungsspektrums und auf die Seitenbänder außerhalb des Verstärkungsspektrums des Titansaphirkristalls. Somit kann durch eine relativ einfache Maßnahme das Emissionsspektrum bei der bevorzugten Ausführungsform über das Verstärkungsspektrum des laseraktiven Elements hinaus ausgedehnt werden.
Bemerkenswert bei der bevorzugten Ausführungsform ist auch, dass eine Erweiterung des Emissionsspektrums besonders gut auch oberhalb der Sättigungsleistung für Selbstfokussierung im Titansaphirkristall, die bei 960 kW liegt, erfolgt. Eine Sättigung der Selbstamplituden-Modulation ist für diesen Bereich auf überraschende Weise nicht zu erwarten.
Ähnlich breite Emissionsspektren lassen sich mit Resonatorgeometrien verwirklichen, wie sie prinzipiell aus der Fig. 5 der WO 00/72412 oder den Fig. 6 oder 7 der WO 00/72412 bekannt sind. Besonders bevorzugt ist dazu ein gegenüber dem zweiten Fokussierspiegel M2 in der Fig. 1 gegenüberliegender planarer Spiegel der bekannten Resonatorausführung durch einen konvexen Spiegel zu ersetzen.
Weitere Ausführungsformen des vorgeschlagenen Lasers ergeben sich durch Einbringung weiterer oder anderer Zerstreuungsmittel in einen Resonator, beispielsweise durch Einbringung einer Zerstreuungslinse oder durch Austausch mehrerer planarer Spiegel oder eines Auskopplers durch konvexe Spiegel oder einen konvexen Auskoppler.
Hinsichtlich der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform sind in Fig. 2 die Reflektivitätsdaten von gechirpten Spiegeln M1 bis M3 und des Auskopplers gezeigt. Die Reflektivität der Spiegel ist dabei als durchgezogene Linie, die des Auskopplers als gestrichelte Linie ausgeführt. Überraschenderweise zeigt sich, dass ein hochreflektierendes Band der gechirpten Spiegel sich auf einen relativ kleinen Bereich des Verstärkungsspektrums des Titansaphirkristalls von ungefähr 700 nm bis 870 nm beschränken kann und ein deutlich breiteres Emissionsspektrum des Lasers, wie im Detail noch später beschrieben, generiert werden kann. Außerhalb dieses hochreflektierenden Bandes betragen die Verluste nur einige wenige Prozent. Der Auskoppler reflektiert 98% im Zentrum seines Reflektionsbandes. Die Transmission sinkt auf wesentlich mehr als 10% unterhalb von 680 nm und oberhalb von 880 nm.
Weiterhin ist in Fig. 2 die netto-Gruppengeschwindigkeits-Dispersion der in Fig. 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Durch Verwendung der gechirpten Spiegel wird in Kombination mit der Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Titansaphirkristalls und des Auskopplers nur in einem engen Bereich von ca. 730 nm bis 850 nm eine negative netto- Gruppengeschwindigkeits-Dispersion erreicht, wie sie für stabile solitonartige Propagation eines Subpikosekundenpulses im Resonator erforderlich wäre. Durch die bei der bevorzugten Ausführungsform bewirkte effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation erübrigt sich eine Gruppengeschwindigkeits- Dispersionskontrolle über einen Großteil des Verstärkungsspektrums des laseraktiven Elements und erst recht über den allergrößten Teil des Emissionsspektrums des Lasers der bevorzugten Ausführungsform. Dahin gegen müssen alle bisher bekannten Lasersysteme zur Generierung von Femtosekundenpulsen eine Gruppengeschwindigkeits-Dispersionskontrolle über die gesamte Bandbreite des Emissionsspektrums vorsehen.
Im unteren Bereich der Fig. 2 wird die Netto-Dispersion des in Fig. 1 gezeigten Resonators unter Berücksichtigung der Dispersion im Titansaphirkristall und für die gechirpten Spiegel sowie den Auskoppler gezeigt. Es zeigt sich, dass unterhalb von 730 nm die Gruppengeschwindigkeits-Dispersion meistens positiv ist, wohingegen oberhalb von 850 nm starke Oszillation mit Dispersionseffekten dritter Ordnung im Bereich von mehreren 1000 fs³ vorhanden sind. Dies zeigt, dass die Gruppengeschwindigkeits-Dispersion der optischen Elemente des Lasers in ihrer Summe für wenigstens einen Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums negativ sein sollte. Dies reicht jedoch auch schon aus, um für einen Laser gemäß der bevorzugten Ausführungsform einen stabilen, passiv modengekoppelten Femtosekundenbetrieb zur ermöglichen.
Der Resonator ist auf eine Repetitionsrate von 1 GHz eingestellt. Ähnliche Ergebnisse lassen sich jedoch durchaus auch im gesamten Bereich zwischen 500 MHz bis 3 GHz erzielen.
Die Leistungsdaten des Lasers gemäß der bevorzugten Ausführungsform lassen sich durch übliche Messmethoden ermitteln. Insbesondere lässt sich ein Emissionsspektrum, wie das in Fig. 3 gezeigte, durch ein kommerzielles Spektrometer bestimmen. Die Intensitätsautokorrelation der Laserpulse lässt sich in einem Autokorrelator unter Nutzung eines beta-Barium-Borat Kristalls (BBO- Kristalls) zur Generierung einer zweiten Harmonischen bestimmen. Zur weiteren Verkürzung der zeitlichen Pulslänge der vom Laser erzeugten Pulse lässt sich eine Kompressionseinrichtung einsetzen, in der die Pulse zwischen einem Paar gechirpter Spiegel mehrfach hin- und herreflektiert werden.
Zur Inbetriebnahme des Lasers wird dieser zunächst in einem bidirektionalen Continuous-Wave-(CW)-Betriebsmodus am inneren Rand des Stabilitätsbereichs des Ringresonators einjustiert. Um den passiv modengekoppelten Femtosekundenbetrieb zu initiieren, wird der Spiegel M2, wie in Fig. 1 dargestellt, auf den Spiegel M1 zubewegt, bis sich ein bidirektionaler gepulster Betriebsmodus einstellt, bei dem zwei einzelne Pulszüge mit Pulsen von 24 fs Dauer gegenläufig im Resonator umlaufen. Diese Pulsdauer entspricht in etwa einer Bandbreite von 30 nm bei einer zentralen Wellenlänge von 800 nm. Weiterhin wird der zweite Fokussierspiegel M2 auf M1 zubewegt, was zu einer starken Erhöhung der Leistung und Verteilung der Leistung auf die Ausläufe und die spektralen Seitenbänder des Verstärkungsspektrums des laseraktiven Elements führt. Der Laserbetrieb in diesem Zustand ist zunächst instabil. Nach kurzer Zeit stellen sich jedoch zunächst kurze Doppelpulse und danach ein unidirektionaler, passiv modengekoppelter Femtosekundenbetrieb mit nur einem einzigen umlaufenden Pulszug ein. Dieser Pulszug zeigt dann ein Spektrum, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die weitere Verschiebung des Fokussierspiegels M2 auf M1 zu beendet den modengekoppelten Femtosekundenbetrieb. Am Rande des Stabilitätsspektrums ergibt sich für die Stellung des Spiegels M2 eine gemessene Pulsdauer von 12 fs. Aufgrund der bei dieser Ausführungsform nur teilweise negativen Gruppengeschwindigkeits-Dispersion im Resonator und insbesondere dem positiven Beitrag des Substrates des Auskopplers, durch den ein Puls den Resonator verlässt, wird die Pulsdauer außerhalb des Resonators noch oberhalb der Pulsdauer innerhalb des Resonators liegen. Die Pulsdauer innerhalb des Resonators wird also wesentlich unter 12 fs bei der bevorzugten Ausführungsform des Lasers betragen. Dabei ergibt sich eine maximale Ausgangsleistung von 1,2 W im gepulsten Betrieb. Eine kurze Unterbrechung des Pumpstrahl stoppt den gepulsten Betrieb des Lasers und seine kontinuierliche Leistung fällt auf 20-40 mW. Dieser deutliche Leistungsabfall ist auf den effektiven sättigbaren Absorber zurückzuführen, der nun nicht mehr gesättigt werden kann.
Das in Fig. 3 gezeigte Spektrum des Lasers im passiv modengekoppelten Betrieb erstreckt sich von 560 nm bis auf 1150 nm in einem Bereich bis -50 dB unterhalb seines Maximums bei 664 nm. Es lassen sich vier auffallende Bänder identifizieren: eine Doppelpeakstruktur bei etwa 655 nm, eine relativ breite Struktur mit 62 nm Halbwertsbreite bei etwa 835 nm und zwei weitere Piks bei etwa 885 nm mit etwa 10 nm Breite und bei 950 nm mit etwa 33 nm Breite. Sowohl die genannten Bänder als auch die oben genannte Breite des Emissionsspektrums ist auf die Einfügung des konvexen Spiegels in den Resonator zurückzuführen. Bei Verwendung eines flachen Spiegels ergibt sich ein ganz gewöhnlicher Laserbetrieb, wie er in der WO 00/72412 beschrieben ist.
Eine Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform ergibt sich, wenn Teile des in Fig. 3 dargestellten oktavenbreiten Spektrums einer spektralen Filterung unterworfen werden, so dass schmalbandige Laserquellen auch außerhalb des Verstärkungsbereichs des von Titansaphir jenseits von 700 nm und 1000 nm herausgefiltert werden. So kann durch Mehrfachreflektion des Spektrums zwischen zwei bei 670 nm mit ungefähr 150 nm Bandbreite hochreflektierende Spiegel eine Femtosekunden-Laserquelle mit einem Emissionsspektrum um 655 nm zentriert, also außerhalb des Verstärkungsspektrums des Titansaphirkristalls, mit einer mittleren Leistung von 450 mW realisiert werden. Dieses Spektrum hinter den genannten Spiegeln ist in der eingesetzten Grafik der Fig. 3 gezeigt. Die 655 nm Laserpulse haben immer noch eine zeitliche Breite von nur 33 fs. Die Leistung der 655 nm Laserquelle liegt bei etwa der Hälfte der spektralintegrierten mittleren Leistung des gesamten Emissionsspektrums im Hauptteil der Fig. 3 des Lasers der Fig. 1. Zum ersten Mal konnte eine Femtosekundenquelle außerhalb des eigentlichen Verstärkungsspektrums eines laseraktiven Elements mit derartig hoher Leistung realisiert werden.
In vorteilhafter Weise benötigt der hier beschriebene Laser in seiner bevorzugten Ausführungsform lediglich eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion im Kernbereich des Verstärkungsspektrums des Titansaphirkristalls, also bei etwa 800 nm. Eine ausschließlich positive Gruppengeschwindigkeits-Dispersion über den gesamten Frequenzbereich des Verstärkungsspektrums beendet den modengekoppelten Pulsbetrieb, jedoch ist er im Übrigen so gut wie unabhängig von dem Betrag einer Gruppengeschwindigkeits-Dispersion. Dies zeigt, dass allenfalls für den Kernbereich des Verstärkungsspektrums die Beschränkungen betreffend die Gruppengeschwindigkeits-Dispersion für eine solitonartige Pulspropagation innerhalb des Resonators erfüllt sein müssen, um einen passiv modengekoppelten Pulsbetrieb zu ermöglichen. Dagegen scheint eine reine solitonartige Propagation der Pulse nicht der einzige Pulsform-Mechanismus bei dem beschriebenen Laser zu sein. In diesem Fall wäre eine modengekoppelter Betriebszustand des Lasers außerhalb des Verstärkungsspektrums von Titansaphir, also außerhalb von 700 nm bis 900 nm, nicht möglich. Die deutliche und effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation durch Einfügung eines konvexen Spiegels M3 an geeigneter Stelle des Resonators wie er in Fig. 1 beschrieben ist, ermöglicht eine Pulsgenerierung auch außerhalb des Verstärkungsspektrums des Titansaphirkristalls und ermöglicht auch eine effektive Pulsbildung, ohne dass eine solitonartige Propagation von Pulsen überall gewährleistet sein muss.
Die außergewöhnlich kompakte Bauweise des fünfelementigen Femtosekunden-Titansaphirlasers, welcher gleichzeitig aufgrund der genannten Effekte in der Lage ist, ein oktavenbreites Spektrum zu erzeugen, führt damit auch auf die bereits im allgemeinen Teil der Beschreibung vorgeschlagenen Verfahren und Verwendung im Rahmen der optischen Frequenzmetrologie, insbesondere auf die Bereitstellung eines optischen Uhrwerks. Bei einer Breitbandigkeit des Emissionsspektrums zwischen 560 nm bis 1150 nm bis -50 dB und bei einer Repetitionsrate von 1 GHz erlaubt der im Rahmen der bevorzugten Ausführungsform beschriebene Laser zudem eine sehr robuste Betriebsweise, ohne dass die Gruppengeschwindigkeits-Dispersion über das gesamte Emissionsspektrum genau kontrolliert werden müsste. Dies wird auf überraschende Weise durch ein Zerstreuungsmittel M3 erreicht, das in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element 2 eine effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation δ des Pulses im laseraktiven Element 2 ermöglicht.
Mit dem beschriebenen Laser ist eine Messung und kontrollierte Stabilisierung der Versatzfrequenz eine durch den Laser erzeugten Frequenzkamms möglich, ohne dass eine externe Verbreiterung des Emissionsspektrums notwendig sein würde. Auf diese Weise werden für die optische Frequenzmetrologie oktavenbreite Spektren zur Verfügung gestellt, die in ihrer Stabilität und Leistung weit über diejenigen hinausgehen, welche infolge der Verbreiterung durch mikrostrukturierte Glasfasern bereitgestellt werden könnten. Des Weiteren liegt die Leistung des beschriebenen Lasers um Größenordnungen über bisher bekannten Lasersystemen, die in der Regel ein oktavenbreites überhaupt nur durch externe spektrale Verbreiterungsmechanismen weitaus stabilitätsanfälliger zur Verfügung stellen können. Dies wird erreicht aufgrund des überlegenen Konzepts der erhöhten Selbstamplituden-Modulation. Dies bietet erhebliche Vorteile im Vergleich zu bisher bekannten Systemen zur Realisierung optischer Uhrwerke. Ein auf Basis des hier beschriebenen Lasers realisiertes optisches Uhrwerk für Anwendungen im Bereich der Frequenzmetrologie ist wesentlich kompakter, leistungsstärker und stabiler als bisher bekannte Systeme und eignet sich deshalb in einzigartiger Weise für zukünftige Anwendungen in einer optischen Atomuhr bzw. Frequenznormal im optischen Bereich mit einer Genauigkeit, die durch bisherige Frequenzstandards im Mikrowellenbereich nicht erreichbar ist.
Weitere Anwendungen des hier beschriebenen Lasers ergeben sich auch im Rahmen einer präzisen Kontrolle der Phasenentwicklung innerhalb der Einhüllenden eines ultrakurzen Pulses. Insbesondere ist dies mit dem hier beschriebenen Laser auf besonders einfache Weise und mit einem stabilen Aufbau möglich. Die Phasenkontrolle bei ultrakurzen Pulsen ist von größtem Interesse für die phasensensitive, nicht-lineare Optik. Dies könnte auch Anwendung bei Resonatoren mit geringer Repetitionsrate finden. Schließlich kann durch entsprechende Bandfilterung des breitbandigen, insbesondere oktavenbreiten Emissionsspektrums des beschriebenen Lasers eine entsprechend den Anforderungen außergewöhnlich leistungsstarke gepulste Laserquelle, insbesondere im hochfrequenten Bereich oberhalb des Verstärkungsspektrums von Titansaphir, zur Verfügung gestellt werden. Dies ermöglicht eine Anwendung des beschriebenen Lasers, insbesondere im hochfrequenten spektralen Bereich, als Alternative zu bisher für diesen Bereich geeigneten CPM-Farbstofflasern oder frequenzverdoppelten Cr:Forsterit-Lasern oder optischen parametrischen Oszillatoren. Dabei hat die hier beschriebene Laserquelle den erheblichen Vorteil einer relativ stabilen Quelle mit ausreichend hoher Leistung. Bezugszeichenliste 1 Femtosekunden-Laser
2 laseraktives/optisches Element (GVDlas)
3, 4 Laserstrahlen
4 Pumplaser
a, b Emissionsspektren
c spektrale Teilbereich
d, x Abstände
δ Selbstamplituden-/Selbstverstärkungs-Modulation
f₀ Versatzfrequenz
f_n erste Frequenz
f_2n zweite Frequenz
f_rep Repetitionsrate
L Linse
M1, M2 konkave Spiegel (Fokussierungsmittel bzw. Resonator-Elemente)
M3 konvexer Spiegel (Zerstreuungsmittel bzw. Resonator-Elemente)
OC Auskoppler

Claims

1. Passiv modengekoppelter Femtosekunden-Laser (1) zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (3) innerhalb eines Emissionsspektrums (a, b) mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben, umfassend eine Anzahl optischer Elemente (2, L, M1, M2, M3, OC), wenigstens:

- ein laseraktives Element (2), welches eine Emission von Laserstrahlung wenigstens innerhalb eines Verstärkungsspektrums bestimmter Bandbreite ermöglicht;

- einen Resonator, der eine Anzahl von Resonator-Elementen (L, M1, M2, M3, OC) aufweist, welcher eine Rückkopplung der Laserstrahlung (3) in das laseraktive Element (2) ermöglicht;

- ein selbstfokussierendes Element (2), welches eine Änderung einer räumlichen Mode der Laserstrahlung (3) in Abhängigkeit von einer Leistung der Laserstrahlung (3, 4) zur Bereitstellung einer Selbstamplituden-Modulation eines Pulses im laseraktiven Element (2) ermöglicht,

wobei die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente (2, L, M1, M2, M3, OC), des Lasers (ΣGVD) für wenigstens einen Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums negativ ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aufweist:

- ein Fokussierungsmittel (M1, M2), und

- ein Zerstreuungsmittel (M3), das in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element (2) eine effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation (δ) des Pulses im laseraktiven Element (2) ermöglicht.

2. Laser gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sich das Emissionsspektrum (a, b) der vom Laser (1) im Betrieb erzeugten gepulsten Laserstrahlung (3) wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt.

3. Laser gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerstreuungsmittel (M3) in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element eine effektive Erhöhung der Selbstverstärkungs-Modulation (δ) eines Pulses im laseraktiven Element (2) ermöglicht.

4. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite des Emissionsspektrums (a, b) der Bandbreite des Verstärkungsspektrums entspricht oder die Bandbreite des Verstärkungsspektrums übersteigt, insbesondere um mehr als 50% der Bandbreite des Verstärkungsspektrums übersteigt.

5. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Frequenz das zweifache der ersten Frequenz beträgt, insbesondere der dritten oder einer höheren Harmonischen der ersten Frequenz entspricht.

6. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen des laseraktiven Elements (GVDlas), des selbstfokussierenden Elements (GVDsf) und der Resonator-Elemente (GVDn) für wenigstens einen Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums negativ ist.

7. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums einen zusammenhängenden Bereich bildet.

8. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fokussierungsmittel (M1, M2) durch ein erstes, auf einer ersten Seite des laseraktiven Elements (2) angeordnetes fokussierendes Element (M1) und ein zweites, auf einer zweiten Seite des laseraktiven Elements (2) angeordnetes fokussierendes Element (M2) gebildet ist.

9. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Element (2) das selbstfokussierende Element (2) bildet und/oder ein weiteres selbstfokussierendes Element zur Verfügung gestellt ist.

10. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerstreuungsmittel (M3) durch ein einziges oder mehrere Elemente gebildet ist, von denen wenigstens eines ein Zerstreuungselement (M3) ist, derart, dass das einzige oder die Elemente in ihrer Kombination eine zerstreuende optische Eigenschaft aufweisen, insbesondere das Zerstreuungsmittel durch ein Teleskop gebildet ist.

11. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerstreuungsmittel (M3) eine Brennweite im Bereich von 200 mm bis 2000 mm, insbesondere im Bereich von 800 mm bis 1200 mm, aufweist, insbesondere eine Brennweite, die im Bereich von 1000 mm liegt.

12. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aufweist: ein oder mehrere reflektierende Elemente (M1, M2, M3, OC), insbesondere einen Auskoppler (OC) und/oder wenigstens ein hochreflektierendes Element (M3).

13. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zerstreuungselement durch ein reflektierendes Element (M3) gebildet ist, insbesondere einen konvexen Spiegel (M3).

14. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aufweist: ein oder mehrere transmittierende Elemente, insbesondere eine Platte und/oder eine Linse und/oder ein prismatisches Element.

15. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zerstreuungselement durch ein transmittierendes Element gebildet ist, insbesondere durch eine Zerstreuungslinse.

16. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zerstreuungselement (M3) eine dielektrische Beschichtung aufweist, derart, dass das Zerstreuungselement (M3) eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion aufweist.

17. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe von Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente des Lasers (1) im Bereich von 0 fs² bis -1000 fs², insbesondere im Bereich von 0 fs² bis -100 fs² liegt, insbesondere eine jeweilige negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion (Fig. 2) im Bereich um -45 fs² liegt.

18. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion (Fig. 2) nur in einem Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums, insbesondere in einem zusammenhängenden Bereich, zur Verfügung gestellt wird, insbesondere in einem Bereich von 700 nm bis 900 nm, insbesondere in einem Bereich von 750 nm bis 850 nm, insbesondere in einem Bereich von 790 nm bis 810 nm.

19. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein reflektives Element oder mehrere reflektive Elemente jeweils durch einen dielektrischen Spiegel gebildet werden, der eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion (Fig. 2) in der Reflexion aufweist, insbesondere die jeweilige Gruppengeschwindigkeits-Dispersion (Fig. 2) gemäß Anspruch 17.

20. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein transmittierendes Element oder mehrere transmittierende Elemente jeweils eine dielektrische Beschichtung aufweisen, um dem einen oder den mehreren transmittierenden Elementen jeweils eine negative Gruppengeschwindigkeits-Dispersion in der Transmission zu verleihen, insbesondere die jeweilige Gruppengeschwindigkeits-Dispersion gemäß Anspruch 17.

21. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer unterhalb von 50 fs liegt, insbesondere bei einer Repetitionsrate (f_rep) von mehr als 500 MHz.

22. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Umlaufweg im Resonator unterhalb von 60 cm liegt.

23. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator über eine Stabilitätsebene spezifizierbar ist, die eine erste durch den Abstand (δ) eines ersten (M1) vom zweiten (M2) fokussierenden Element des Fokussierungsmittels (M1, M2) gebildete Koordinate aufweist und eine zweite durch den Abstand (x) des ersten (M1) oder zweiten (M2) fokussierenden Elements des Fokussierungsmittels (M1, M2) vom laseraktiven Element (2) gebildete Koordinate aufweist, wobei diejenigen Werte der ersten und zweiten Koordinate einen Stabilitätsbereich (Fig. 4) definieren, für welche Laserstrahlung wenigstens im Verstärkungsspektrum auf stabile Weise erzeugt wird, wenn der Laser in Betrieb ist.

24. Laser gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator auf die Nähe eines Randes des Stabilitätsbereichs (Fig. 4) eingestellt ist, um einen stabilen gepulsten Betriebsmodus des Lasers (1), insbesondere zur Emission von Laserstrahlung (3) im Emissionsspektrum (a, b), zur Verfügung zu stellen, wenn der Laser (1) in Betrieb ist.

25. Laser gemäß einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator in Form eines einen Stabilitätsbereich mit einem inneren Rand aufweisenden Ringresonators ausgebildet ist und der Resonator auf die Nähe des inneren Randes des Stabilitätsbereiches des Ringresonators eingestellt ist.

26. Laser gemäß einem der Ansprüche 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator in Form eines einen ersten und zweiten Stabilitätsbereich aufweisenden linearen Resonators ausgebildet ist und der Resonator auf die Nähe eines Randes des ersten oder zweiten Stabilitätsbereiches des linearen Resonators eingestellt ist.

27. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes und/oder zweites fokussierendes Element des Fokussierungsmittels (M1, M2) als ein konkaver Spiegel (M1, M2) mit einer Brennweite von unterhalb von 30 mm ausgebildet ist.

28. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Element (2) von der Art eines aus der Gruppe bestehend aus: Ti:Saphir, Cr:LiSAF, Cr:Forsterit, Cr:LiSGaF, Cr:LiCAF und Cr:YAG, ist.

29. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens fünf optische Elemente (2, L, M1, M2, M3, OC) aufweist, wobei der Resonator als ein Ringresonator ausgebildet ist.

30. Laser gemäß Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aufweist:

- ein auf einer ersten Seite des laseraktiven Elements (2) angeordnetes erstes fokussierendes Element (M1) des Fokussierungsmittels (M1, M2) und ein auf einer zweiten Seite des laseraktiven Elements (2) angeordnetes zweites fokussierendes Element (M2) des Fokussierungsmittels (M1, M2),

- ein in Richtung des ersten fokussierenden Elements (M1) angeordnetes reflektierendes Element, insbesondere ein Auskoppler (OC),

- ein in Richtung des zweiten fokussierenden Elements (M2) angeordnetes zweites reflektierendes Element,

wobei das zweite reflektierende Element als das Zerstreuungselement, insbesondere als ein konvexer Spiegel (M3), ausgebildet ist.

31. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass er wenigstens sieben optische Elemente aufweist, wobei der Resonator als ein gefalteter Ringresonator ausgebildet ist.

32. Laser gemäß Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator aufweist:

- ein auf einer ersten Seite des laseraktiven Elements (2) angeordnetes erstes fokussierendes Element (M1) und ein auf einer zweiten Seite des laseraktiven Elements (2) angeordnetes zweites fokussierendes Element (M2),

- ein in Richtung des ersten fokussierenden Elements (M1) angeordnetes erstes reflektierendes Element, insbesondere ein Auskoppler,

- ein in Richtung des ersten reflektierenden Elements angeordnetes drittes reflektierendes Element,

- ein in Richtung des zweiten reflektierenden Elements angeordnetes viertes reflektierendes Element,

wobei das zweite reflektierende Element als das Zerstreuungselement, insbesondere als ein konvexer Spiegel (M3) ausgebildet ist.

33. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein prismatisches Element in Kombination mit einem drehbaren Spiegel aufweist, welche Kombination eine Durchstimmbarkeit der bei Betrieb des Lasers (1) erzeugten Laserstrahlung (3) innerhalb des Emissionsspektrums (a, b) ermöglicht.

34. Laser gemäß einem der Ansprüche 1 bis 33, gekennzeichnet, durch ein Filtermittel zum Herausfiltern eines spektralen Teilbereichs (c) aus dem Emissionsspektrum (a, b) der bei Betrieb des Lasers (1) erzeugten Laserstrahlung (3), insbesondere eines Teilbereichs (c), der zumindest teilweise über das Verstärkungsspektrum hinausgeht.

35. Lasersystem aufweisend Pumplaser und einen Laser (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 34.

36. Lasersystem gemäß Anspruch 35, gekennzeichnet, durch einen Pumplaser (4) von der Art eines aus der Gruppe bestehend aus: frequenzverdoppelter Nd:YVO4, Yb:YVO4, Nd:YAG und Yb:YAG-Laser.

37. Optisches Uhrwerk aufweisend einen Laser (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 34 oder ein Lasersystem gemäß einem der Ansprüche 35 bis 36 dadurch gekennzeichnet, daß das Emissionsspektrum als ein frequenzkammartiges Emissionsspektrum des Lasers oder des Lasersystems zur Verfügung gestellt ist, wobei sich das frequenzkammartige Emissionsspektrum aus optischen Frequenzen (fn) zusammensetzt und wobei eine optische Frequenz aus einer Versatzfrequenz (f0) des Lasers (1) oder des Lasersystems und einem Vielfachen (n) einer Repetitionsfrequenz (frep) des Lasers (1) oder des Lasersystems gebildet ist (f_n = f0 + n.f_rep), wobei die Versatzfrequenz (f₀) und die Repetitionsfrequenz (f_rep), bekannt sind.

38. Optisches Uhrwerk gemäß Anspruch 37, gekennzeichnet, durch ein Mittel zur Interferometrie, insbesondere zur nicht-linearen Interferometrie, zur Messung der Versatzfrequenz des Lasers.

39. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung (3) des Lasers (1) als Frequenzkamm erzeugt wird und direkt dem Mittel zur Interferometrie zur Verfügung gestellt ist.

40. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Interferometrie aufweist:

- Mittel zur Erzeugung einer ersten harmonischen Frequenz einer Grundfrequenz aus einem ersten Teil des Emissionsspektrums (a, b) des Lasers (1);

- Mittel zur Erzeugung einer zweiten harmonischen Frequenz einer Grundfrequenz aus einem zweiten Teil des Emissionsspektrums (a, b) des Lasers (1);

- Mittel zur Überlagerung der ersten harmonischen Frequenz und der zweiten harmonischen Frequenz;

- Mittel zur Messung der aus der Überlagerung resultierenden Schwebung.

41. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfrequenz aus einem zweiten Teil des Emissionsspektrums (a, b) die Grundfrequenz aus einem ersten Teil des Emissionsspektrums (a, b) übersteigt.

42. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite harmonische Frequenz eine aus einer Vielzahl von zweiten harmonischen Frequenzen mit einer zweiten Einhüllenden ist und eine erste harmonische Frequenz eine aus einer Vielzahl von ersten harmonischen Frequenzen mit einer ersten Einhüllenden ist und die erste und zweite Einhüllenden in einem Überlappbereich spektral überlappen.

43. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überlappbereich der Einhüllenden erste und zweite harmonische Frequenzen umfasst, deren Differenz größer als die Hälfte einer Repetitionsrate (f_rep) des Lasers (1) ist.

44. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 43, gekennzeichnet durch Mittel zum Messen einer Versatzfrequenz (f₀) des Lasers (1) als Differenz zunächst benachbarter zweiter harmonischer Frequenzen und erster harmonischer Frequenzen.

45. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 44, dadurch gekennzeichnet, dass die erste harmonische Frequenz in der zweiten Ordnung einer Grundfrequenz aus einem niederfrequenten Teil des Emissionsspektrums (a, b) des Lasers (1) erzeugt ist und/oder die zweite harmonische Frequenz in der ersten Ordnung als Grundfrequenz aus einem hochfrequenten Teil des Emissionsspektrums (a, b) des Lasers (1) erzeugt ist.

46. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass die erste harmonische Frequenz in der dritten Ordnung einer Grundfrequenz aus einem niederfrequenten Teil des Emissionsspektrums (a, b) erzeugt ist und/oder die zweite harmonische Frequenz in der zweiten Ordnung einer Grundfrequenz aus einem hochfrequenten Teil des Emissionsspektrums (a, b) erzeugt ist.

47. Optisches Uhrwerk gemäß einem der Ansprüche 37 bis 46, gekennzeichnet durch ein Mittel zur Stabilisierung einer Versatzfrequenz (f₀) und/oder einer Repetitionsrate (f_rep) des Lasers (1) relativ zu einem Referenzsignal.

48. Optisches Uhrwerk gemäß Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal durch ein elektronisch messbares Signal gebildet ist, insbesondere durch ein Signal im Bereich von Radio- und/oder Mikrowellen.

49. Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (3) innerhalb eines Emissionsspektrums (a, b) mit einem passiv modengekoppelten Femtosekunden-Laser (1) umfassend eine Anzahl optischer Elemente (2, L, M1, M2, M3, OC), wenigstens:

- einen Resonator, der eine Anzahl von Resonator-Elementen (L, M1, M2, M3, OC), aufweist, welcher eine Rückkopplung der Laserstrahlung (3) in das laseraktive Element (2) ermöglicht;

wobei die Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente des Lasers (1) derart eingestellt werden, dass die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente (ΣGVD) für wenigstens einen Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums negativ ist;
insbesondere mit einem Laser (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, dass

- das laseraktive Element (2) gepumpt wird und Strahlung (3, 4) in das laseraktive Element (2) fokussiert wird,

- die Selbstamplituden-Modulation (ä) eines Pulses im laseraktiven Element (2) effektiv erhöht wird, indem ein Zerstreuungsmittel (M3) in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element (2) zur Verfügung gestellt wird, und

- gepulste Laserstrahlung (3) mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben, innerhalb des Emissionsspektrums (a, b) erzeugt wird, das sich wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt.

50. Verfahren gemäß Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass das Zerstreuungsmittel (M3) zur Verfügung gestellt wird, indem beim Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 49 wenigstens eines der Resonator- Elemente (L, M1, M2, M3, OC) durch das Zerstreuungsmittel (M3) ersetzt wird.

51. Verfahren gemäß Anspruch 49 oder 50, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 49 das Zerstreuungsmittel zur Verfügung gestellt wird, indem es zu den Resonator- Elementen (L, M1, M2, M3, OC) hinzugefügt wird.

52. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 49 bis 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) in einem stabilen gepulsten Betriebsmodus betrieben wird, indem der Resonator auf die Nähe eines Randes des Stabilitätsbereichs eingestellt wird.

53. Verfahren zur Erzeugung eines Frequenzkamms, bei dem

- mittels eines Lasers (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 34 oder eines Lasersystems gemäß den Ansprüchen 35 bis 36

- gepulste Laserstrahlung (3) mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben, innerhalb eines Emissionsspektrums (a, b) erzeugt wird, das sich wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt, wobei

- die Repetitionsrate (f_rep) und die Versatzfrequenz (f₀) an ein Referenzsignal phasenkohärent gekoppelt werden und dadurch eine Frequenz im optischen Frequenzbereich direkt aus dem Emissionsspektrum (a, b) des Lasers (1) phasenkohärent an das Referenzsignal gekoppelt wird.

54. Verfahren gemäß Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Versatzfrequenz (f₀) des optischen Uhrwerks gemäß den Ansprüchen 37 bis 48, gemessen wird.

55. Verwendung eines passiv modengekoppelten Femtosekunden-Lasers (1) umfassend eine Anzahl optischer Elemente (2, L, M1, M2, M3, OC), wenigstens:

wobei die Summe der Gruppengeschwindigkeits-Dispersionen der optischen Elemente des Lasers (ΣGVD) für wenigstens einen Teil der Bandbreite des Verstärkungsspektrums negativ ist, und wobei der Resonator aufweist:

- ein Fokussierungsmittel (M1, M2), und

- ein Zerstreuungsmittel (M3), das in Kombination mit dem selbstfokussierenden Element (2) eine effektive Erhöhung der Selbstamplituden-Modulation (δ) eines Pulses im laseraktiven Element (2) ermöglicht;

insbesondere Verwendung eines Lasers (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 34 oder eines Lasersystems gemäß den Ansprüchen 35 bis 36;
zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung (3) mit Pulsen, die eine Pulsdauer im Subpikosekundenbereich haben und innerhalb eines Emissionsspektrums (a, b), das sich wenigstens von einer ersten Frequenz bis zu einer zweiten Frequenz erstreckt, wobei die zweite Frequenz das eineinhalbfache der ersten Frequenz beträgt.

56. Verwendung gemäß Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandbreite des Emissionsspektrums (a, b) der Bandbreite des Verstärkungsspektrums entspricht oder die Bandbreite des Verstärkungsspektrums übersteigt, insbesondere die Bandbreite des Verstärkungsspektrums um mehr als 50% übersteigt.

57. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 55 oder 56, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Frequenz das zweifache der ersten Frequenz beträgt, insbesondere der dritten oder einer höheren Harmonischen der ersten Frequenz entspricht.

58. Verwendung eines Lasers (1) gemäß den Ansprüchen 1 bis 34 oder eines Lasersystems gemäß den Ansprüchen 35 bis 36 oder eines optischen Uhrwerks gemäß den Ansprüchen 37 bis 48 im Rahmen optischer Frequenzmetrologie.

59. Verwendung gemäß Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz im optischen Frequenzbereich aus dem Emissionsspektrum (a, b) des Lasers (1) an ein Referenzsignal gekoppelt wird, insbesondere an ein Referenzsignal im Radio- und/oder Mikrowellenbereich.

60. Verwendung gemäß Anspruch 58 oder 59, dadurch gekennzeichnet, dass ein stabilisierter Frequenzkamm erzeugt wird, dessen Repetitionsrate (f_rep) und/oder Versatzfrequenz (f₀) über den Laser als optisches Uhrwerk an eine optische Frequenz, insbesondere an ein optisches Frequenznormal phasenkohärent gekoppelt werden.

61. Verwendung gemäß einem der Ansprüche 58 bis 61 zur Bereitstellung eines optischen Frequenznormals.