DE19634489C2 - Vorrichtung zur Synchronisation von ultrakurzen optischen Laserimpulsen - Google Patents

Abstract

Bei der Vorrichtung zur Synchronisation ultrakurzer Lichtimpulse werden Laserbündel zweier oder mehrerer Resonatoren räumlich in einem Koppelelement zur Überlagerung gebracht. Sowohl die Besetzungsinversion als auch die Erzeugung der ultrakurzen Impulse in den optisch gekoppelten Resonatoren sind voneinander unabhängig. Der Brechungsindex des Koppelelementes hängt von der Lichtintensität ab, so daß beim simultanen Durchlaufen des Elementes Verschiebungen der Trägerfrequenz der Impulszüge entstehen. Diese werden durch Dispersionsbaugruppen in Laufzeitänderungen umgesetzt, so daß sich nach jedem Umlauf der zeitliche Abstand der Impulse im Koppelelement reduziert. Bei einem hinreichend genauen Abgleich der Resonatorlängen führt dies zu einer sich selbst stabilisierenden Synchronisation der Impulszüge. Das Koppelelement ist dabei funktionell vom laseraktiven Medium getrennt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Vorrichtung ist aus Optics Letters, Vol. 20, No. 8, 1995, S. 916-918 bekannt.

Für zahlreiche Anwendungen, z. B. zeitaufgelöste Spektroskopie auf der fs- oder ps Zeitskala oder für die Frequenzkonversion der Impulse durch nichtlineare optische Effekte ist es notwendig, daß die Impulse von den Laseroszillatoren synchronisiert sind, d. h. mit definiertem zeitlichen Abstand emittiert werden. Diese Bedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn sich die Intensitätsmaxima der Impulse genau zeitlich überlagern. Die angestrebte Genauigkeit der Oberlagerung liegt bei einem Bruchteil der Impulsdauer. Durch optische Verzögerungseinrichtungen läßt sich dann in bekannter Weise der zeitliche Abstand der Impulse in weiten Bereichen definiert verändern.

Für die nicht synchronisierte Impulserzeugung entsprechender ultrakurzer Impulse in Lasersystemen sind eine Reihe von Modenkopplungsverfahren bekannt, die nicht Gegenstand der Erfindung sind. Beispiele hierfür sind die Modenkopplung durch einen nichtlinearen Absorber, durch additive Impuls-Modenkopplung oder Kerr-Linsen-Modenkopplung [siehe EP 0 492 994 A2]. Modengekoppelte Laser enthalten häufig für die Erzeugung sehr kurzer Impulse im Femtosekundenbereich Einrichtungen zur Kompensation und Einstellung der Frequenzdispersion der benutzten Resonatoranordnungen. Hierfür sind einige optische Baugruppen bekannt, beispielsweise Prismenpaare [Optics Letters, 9, 5, (1984) 150], Paare parallel orientierter optischer Gitter [Physics Letters, 28A, (1968) 34], sogenannte Gires-und-Tournois Interferometer [Comptes Rendues, 258, (1964) 6112], oder dispersive Spiegel [Optics Letters 19 (1994) 201], mit deren Hilfe kürzere Impulsdauern realisiert werden. Diese bekannten Baugruppen werden im Folgenden als Dispersionsbaugruppen bezeichnet und spielen für die vorliegende Erfindung eine wichtige Rolle. Allerdings werden sie (gegebenenfalls zusätzlich) für einen anderen Anwendungszweck eingesetzt, nämlich zum Einstellen einer geeigneten Abhängigkeit der Resonatorumlaufzeit von der Trägerfrequenz des umlaufenden Laserimpulses. Der bekannte Anwendungszweck, die Einstellung der Laserimpulsdauer im Femtosekundenbereich, läßt sich mit den Anforderungen des Erfindungsgedankens in der Regel kombinieren. Die genannten Dispersionsbaugruppen werden in der Erfindung auch für die Synchronisation von längeren Impulsen, beispielsweise im Pikosekundenbereich, eingesetzt.

Das Problem der Synchronisation verschiedener modengekoppelter Laser wurde bisher häufig dadurch umgangen, daß Impulse mit veränderten Eigenschaften wie geänderte Frequenzposition und/oder Impulsdauer und/oder spektrale Bandbreite von einem Laseroszillator abgeleitet wurden, wozu der Ausgangsimpuls durch optische Bündelteiler aufgeteilt und durch Folgeprozesse die Teilimpulse in ihren Eigenschaften entsprechend verändert wurden. Zu diesem Zweck sind zahlreiche Verfahren bekannt, beispielsweise nichtlineare Frequenzkonversion wie optische Frequenzverdopplung, parametrische Dreiphotonen-Wechselwirkung, stimulierte Ramanstreuung oder Verkürzungsverfahren wie optische Impulskompression. Diese Vorgehensweise bedingt einen erheblichen technischen Aufwand und weitere Nachteile, beispielsweise einen meist erheblichen Leistungs- oder Energieverlust.

Bekannte Verfahren zur Synchronisation von Impulszügen benutzen das Modenkopplungsverfahren selbst zur zeitlichen Kopplung der Laseremission. Zu nennen ist hier beispielsweise das synchrone Pumpen durch zeitlich korrelierte optische oder elektrische Pumpimpulse, etwa die Anregung von zwei modengekoppelten Farbstofflasern durch den entsprechend geteilten Impulszug eines aktiv modengekoppelten Argon-Ionenlasers. Auch durch den Betrieb von zwei Lasern mit aktiver Modenkopplung durch akusto-optische oder elektro­ optische Modulatoren mit HF-Anregung identischer Frequenz wird eine (vergleichsweise ungenaue) Synchronisation der emittierten Impulszüge durch die elektrische Synchronisation der Modenkoppler erreicht. Nachteil dieser Methoden ist die mangelnde Präzision der Synchronisation: Zeitliche Schwankungen unterhalb 100 fs sind nicht erreichbar. Ein weiteres Beispiel ist der zeitlich gekoppelte Betrieb des Zweifarben-Titan-Saphir-Lasers durch die Synchronisation des Modenkopplungsverfahrens durch eine gemeinsame Kerr-Linse ("cross­ modelocking"), allerdings unter Beschränkung der Impulsdauer auf Werte oberhalb von 100 fs und weitgehendem Verlust der Durchstimmbarkeit. [Optics Letters 18 (1993) 634]. Eine zufriedenstellende Vorrichtung zur Synchronisation ist bisher auf der Subpikosekunden-Zeitskala nicht bekannt. Ein einfacher, unabhängiger Betrieb der verschiedenen modengekoppelten Laseroszillatoren - allerdings mit elektronisch stabilisierter Resonatorumlaufdauer - ist beispielsweise ungeeignet, da ein Abgleich der verschiedenen Laser auf exakt gleiche Resonatorumlaufdauer wegen äußerer Störungen und der begrenzten Zeitauflösung der Meßeinrichtung zur Regelung der Umlaufdauern mit einer Genauigkeit von weniger als 10 ps (1 . 10^-11 s) bisher praktisch nicht möglich war.

Die Erfindung zielt darauf ab, zwei oder mehrere Laseroszillatoren, die ultrakurze Lichtimpulse erzeugen, zueinander zu synchronisieren, so daß die emittierten Lichtimpulse paarweise zueinander einen definierten und konstanten zeitlichen Abstand aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Wellenlänge der synchronisierten Impulszüge kann im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich liegen.

Die Synchronisation der Laserimpulse durch die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt voraus, daß die Umlaufzeiten der Laserimpulse in den Resonatoren auch ohne die Wirkung des Koppelelementes schon näherungsweise gleich sind, da der verfügbare Regelbereich beschränkt ist. Der exakte Abgleich der Impulsfolgefrequenzen wird dann durch den Synchronisationsmechanismus der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt. Bezogen auf die Resonatorlängen sind Abweichungen im Mikrometerbereich zulässig, die ausgeregelt werden. Dieser Zahlenwert zeigt, daß die Anforderungen an die mechanische Stabilität der Laseranordnungen durch den synchronisierten Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nennenswert erhöht werden. Eine externe Regelung der Resonatorlängen ist im allgemeinen nicht erforderlich. Die Genauigkeit der erzielten Synchronisation wird allerdings durch äußere Störungen und Schwankungen der Resonatorlängen beeinträchtigt, so daß für sehr präzise Synchronisation (zeitliche Schwankung des Impulsabstandes etwa 1 fs oder darunter) Maßnahmen zur Verbesserung der mechanischen Stabilität, beispielsweise durch Dämpfung von Körperschall in den Laseraufbauten oder eine kompakte, erschütterungsunempfindliche Bauweise erforderlich sein können. Der näherungsweise Abgleich der Resonatorlängen erfolgt in durchaus bekannter Weise, beispielsweise durch Verschieben der Resonatorendspiegel, die dazu auf präzisen Translationstischen und/oder auf Piezoelementen gehalten sind, welche eine elektronisch gesteuerte Positionierung ermöglichen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem optischen Kopplungselement in Verbindung mit jeweils einer Dispersionsbaugruppe in den zu koppelnden Laserresonatoren. Das Kopplungselement wird von den Resonatorachsen der zu koppelnden Laseroszillatoren durchsetzt, so daß sich die in den verschiedenen Laserresonatoren umlaufenden Impulse in dem Kopplungselement räumlich überlagern können. Die Wirkung des Kopplungselementes erfolgt durch den nichtlinearen optischen Brechungsindex n₂, welcher durch die Abhängigkeit des optischen Brechungsindex von der Lichtintensität I definiert ist:

n(I) = n_o + n₂ . I

Hierzu eignet sich eine Vielfalt von optisch transparenten festen Stoffen oder Flüssigkeiten in optischen Küvetten. Bevorzugte Ausführungsformen des Kopplungselementes sind wegen des geringen Materialaufwandes ein dünnes Plättchen aus einem optisch transparenten Material, beispielsweise Glas, Quarz oder Saphir. Für diese Materialien gilt n₂ < 0.

Das Koppelelement erzeugt in durchaus bekannter Weise Frequenzverschiebungen der überlagerten Impulse durch den physikalischen Effekt der Kreuz-Phasenmodulation, sobald sich die Impulse in dem Koppelelement zufällig zeitlich überlagern. Dies tritt wegen der geringfügig verschiedenen Umlaufdauern innerhalb von Bruchteilen von Sekunden zwangsläufig auf. Das Vorzeichen der Frequenzverschiebung der Impuls-Trägerfrequenz hängt davon ab, ob ein Impuls etwas früher oder später als ein zweiter Impuls im Kopplungselement eintrifft, während beim exakt gleichzeitigen Durchlaufen des Koppelelementes keine Frequenzverschiebung auftritt. Für n₂ < 0 gilt:

• 1. Ein Impuls wird durch einen zweiten, leicht vorauslaufenden Impuls blauverschoben. d. h. seine Trägerfrequenz nimmt zu.
• 2. Ein Impuls wird durch einen zweiten, leicht verzögerten Impuls rotverschoben, d. h. seine Trägerfrequenz nimmt ab.
• 3. Findet kein zeitlicher und räumlicher Überlapp von nichtverschwindender Lichtintensität der beiden Impulse statt, so ergibt sich keine Frequenzverschiebung.

Der Wert der Frequenzverschiebung df ist abhängig von der Länge L und der effektiven Fläche A des räumlichen Überlappvolumens der beiden Impulszüge im Koppelelement, von der Spitzenleistung des zweiten Impulses P₀, von der Impulsdauer t_p des zweiten Impulses, vom nichtlinearen Brechungsindex n₂, der Gruppengeschwindigkeiten der beiden Impulszüge v_g1 und v_g2, der Wellenlänge des betrachteten Impulses λ und der Verzögerungszeit t_D der beiden Impulse beim Eintreffen in das Koppelelement. Die Frequenzverschiebung errechnet sich näherungsweise

durch [Appl. Phys. Lett. 52 (1988) 1939]:
wobei

In Fig. 6 ist df in Abhängigkeit der zeitlichen Verzögerung zweier Lichtimpulse im Koppelelement abgebildet, wobei beispielhaft folgende typische Parameter angenommen sind: L = 100 µm, P₀ = 10⁶ W, t = 30 fs, Differenzfrequenz der beiden Impulse f₁ - f₂ = 0,5 THz (mit 1 THz = 10¹² Hz), und n₂ = 3,2 . 10^-20 m²/W (für Saphir als Material des Koppelelementes). Hierbei ergibt sich für die Impulse jeweils eine maximale Frequenzverschiebung von 1,5 THz für einen Einzeldurchlauf durch das Koppelelement.

Es zeigt sich, daß die Frequenzverschiebung nahezu unabhängig von der Differenz der Trägerfrequenzen der beiden Impulszüge ist, aber stark vom räumlichen Überlappvolumen (Parameter L und A) der beiden Impulszüge und der Spitzenleistung P₀ bestimmt wird. Zweckmäßig nutzt man daher die Parameter L und A zur Einstellung der Frequenzverschiebung. Dies kann beispielsweise durch Hinein- und Herausfahren des Koppelelementes aus dem räumlichen Überlappbereich der beiden Lasermoden oder/und durch Ändern des Kreuzungswinkels zwischen den Lasermoden erfolgen. Ebenso möglich ist die Einstellung der Frequenzverschiebung durch die Regelung der Spitzenleistung P₀.

In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dient derjenige Laseroszillator mit dem größten Wert für den Quotienten I₀/t_P, von Spitzenintensität I₀ und Impulsdauer t_P, als Meisterlaser, der die übrigen Laser kreuzphasenmoduliert und damit "versklavt", während die anderen Laser deutlich kleinere Werte von I₀/t_P, aufweisen und somit auf den Meisterlaser wegen der kleineren nichtlinearen Frequenzmodulation keinen wesentlichen Einfluß haben. Dies führt zu einer verbesserten Stabilität der Synchronisation der Impulszüge.

Die Laserresonatoren zeigen optische Dispersion, d. h. die Resonatorumlaufdauer T hängt von der Trägerfrequenz f des umlaufenden Impulses ab, T = T(f). Die Änderung der Resonatorumlaufdauer mit der Trägerfrequenz dT/df wird durch den Einsatz von Dispersionsbaugruppen wählbar. Die Dispersionsbaugruppen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen der Umsetzung der Frequenzverschiebungen des Koppelelementes in geeignete Änderungen der jeweiligen Resonatorumlaufdauer.

Für die Synchronisation der Impulse muß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Vorzeichen der Kreuzphasenmodulation des Koppelelementes zum Vorzeichen der Laufzeitdispersion der Resonatoren passen. Üblicherweise liegt ohne den Einbau einer zusätzlichen Dispersionsbaugruppe normale Dispersion vor, so daß ein blauverschobener Impuls eine etwas längere Resonatorumlaufzeit aufweist, d. h. (dT/df) < 0. Geht man von einem positiven nichtlinearen Brechungsindex aus, n₂ < 0, so wird ein etwas verzögert durch das Koppelelement laufender Impuls im Vergleich mit dem Impulsmaximum des Meisteroszillators etwas blauverschoben und benötigt eine etwas verkürzte Resonatorumlaufzeit, um beim nächsten Zusammentreffen im Koppelelement den "Meister"-Impuls einzuholen, bzw. sogar etwas zu überholen, d. h. (dT/df) < 0 ist erforderlich.

Die Realisierung der Bedingung (dT/df) < 0 erfolgt durch den Einbau von Dispersionsbaugruppen. welche in bekannter Weise anomale Laufzeitdispersion aufweisen. Beispielsweise eignen sich Prismenpaare [Optics Letters, 9, 5. (1984) 150], Paare parallel orientierter optischer Gitter [Physics Letters, 28A, (1965) 34]. oder Gires-und-Tournois Interferometer [Comptes Rendues, 258, (1964) 6112]. Die Änderung der Umlaufdauer dT bei Änderung der Frequenz um df ergibt sich zu:

Hierbei beschreibt ∂²Φ/∂ω² die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit (DG) für den gesamten Resonator. Sie setzt sich zusammen aus der DG alter im Resonator durchlaufener Medien (vor allem des aktiven Lasermediums) und der DG der Dispersionsbaugruppe. Im Falle eines Prismenpaares ist Viert der DG einstellbar durch den Abstand zwischen den Prismen, den Laufweg der Lasermode innerhalb des Prismenmaterials und durch die Wahl des Prismenmaterials. Die DG läßt sich in bekannter Weise aus den genannten Parametern errechnen. Typische Werte für ∂²Φ/∂ω² eines Prismenpaares liegen im Bereich von -100 fs² bis -10000 fs². Dies entspricht Werten für dT/df von -0,6 fs/THz bis -60 fs/THz. Für eine maximale Frequenzverschiebung von 1,5 THz pro Durchlauf durch das Kopplungselement ergibt sich beispielhaft für dT/df = 3 fs/THz (d. h. ∂²Φ/∂ω² = 500 fs²) eine maximale Änderung der Resonatorumlaufzeit von dT = 4,5 fs für einen Umlauf.

Ebenso möglich ist der Einsatz von sogenannten dispersiven Spiegeln, welche durch ihre speziellen mikroskopischen Eigenschaften eine Verkürzung der Resonatorumlaufdauer bei Erhöhung der Trägerfrequenz bewirken [Optics Letters, 19, 3 (1994) 201]. Für Impulsdauern im Bereich von Pikosekunden (10^-12 s) kann aufgrund der benötigten hohen Dispersionswerte das Verwenden von Gitterpaaren vorteilhaft sein.

Für ein Koppelelement mit umgekehrtem Vorzeichen der Kreuzphasenmodulation, d. h. für n₂ < 0, ist dagegen normales Dispersionsverhalten für die Synchronisation geeignet. Die Dispersionsbaugruppen sind für diesen Fall für die erfindungsgemäße Synchronisation entbehrlich.

Eine Verschiebung der Trägerfrequenz und damit verbundene Korrektur der Umlaufzeit findet bei jedem Umlauf statt, und zwar solange, bis die Resonatorumlaufzeiten der beteiligten Laserresonatoren egalisiert sind. Dieser Vorgang kann, abhängig von der Wahl der Systemparameter, mehrere hunderttausend Umläufe in Anspruch nehmen. Bei erfolgter Angleichung der Resonatorumlaufzeiten verschwindet die Verzögerungszeit t_D zwischen den Impulsmaxima im Koppelelement, so daß keine weitere Frequenzverschiebung auftritt. Fluktuationen der Resonatorlängen aufgrund äußerer Störungen (z. B. Schall) werden durch das beschriebene Zusammenspiel von Frequenzverschiebung und Laufzeitdispersion erfindungsgemäß kompensiert.

Die betragsmäßigen Größen der Frequenzverschiebung und der Resonatordispersion (dT/df) müssen für einen stabilen Betrieb der synchronisierten Impulszüge in gewissen Bereichen gewählt werden. Beispielsweise geht man dabei so vor, daß man die Größe von (dT/df) (im negativen Wertebereich) so wählt, daß gewünschte Werte für die Impulsdauer des jeweiligen Laseroszillators resultieren. Dies geschieht in durchaus bekannter Weise für die jeweilige Bauart der Dispersionsbaugruppen, beispielsweise durch Justieren des Prismenabstands und/oder der lateralen Prismenposition beim Prismenkompressor. (Die Dispersionsbaugruppe des Meisterlasers kann allein zu diesem Zweck dienen). Die Kopplungsstärke der Kreuzphasenmodulation im Koppelelement wird dann für den Synchronisationsbetrieb entsprechend angepaßt. Dies läßt sich durch Wahl des Kopplungselementes (beispielsweise Dicke des Kopplungsplättchens) und/oder Überlappbereichs der sich kreuzenden (resonatorinternen) Laserbündel nach Querschnitt und Länge leicht bewerkstelligen. Beispielsweise ordnet man das Koppelelement zum Einregulieren der Kopplungsstärke auf einem Translationstisch an und kann somit das Element definiert durch Bewegung in Richtung auf den Resonatorspiegel in den Bereich des Bündelüberlapps hinein- oder herausschieben.

Die Synchronisation der Impulszüge, die von den Auskoppelspiegeln emittiert werden, läßt sich in einfacher Weise beispielsweise mittels schneller Photodioden in Verbindung mit einem Zweispur- Oszilloskop mit Nanosekunden-Zeitauflösung beobachten, welches mit externer Triggerung durch die Impulse des Meisteroszillators betrieben wird. Die Impulsfolgen der Laser erzeugen im synchronisierten Betrieb eine stehendes Oszilloskopbild beider Impulszüge, während im nicht­ synchronen Betrieb das Oszilloskopbild eines der beiden Impulszüge durchläuft.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine Synchronisation, die von dem benutzten Modenkopplungsverfahren unabhängig ist. Dies hat den Vorteil, daß der Betrieb mehrerer Laser unter Benutzung bekannter Modenkopplungsverfahren möglich ist, wobei die so erreichten Impulsdauern und andere Lasereigenschaften durch die Erfindung im wesentlich unbeeinflußt bleiben. Dadurch können beispielsweise Laser mit unterschiedlichen Modenkopplungsverfahren synchronisiert werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Trägerfrequenz der synchronisierten Impulszüge beispielsweise in weiten Spektralbereichen verschieden sein kann und die spektrale Durchstimmbarkeit von Laseranordnungen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht beeinträchtigt wird. Ein wesentlicher Vorzug der Erfindung ist durch eine sehr genaue Synchronisation gegeben. Eine Genauigkeit von einigen Femtosekunden oder weniger kann erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel mit drei Laseroszillatoren,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel unter Einsparung einzelner Bauelemente,

Fig. 3 den Stand der Technik,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, in welchem ein Bauelement der Dispersionsbaugruppe die Funktion des Koppelelements übernimmt,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel unter Verwendung mehrerer Koppelelemente zur Synchronisation einer Gruppe von Resonatoren,

Fig. 6 die Verschiebung der Trägerfrequenz in Abhängigkeit der zeitlichen Verzögerung zweier Lichtimpulse im Koppelelement.

Die in den Figuren verwendeten Abkürzungen bedeuten: KE = Koppelelement, ML = Einrichtung zum Modenkoppeln, LM = Lasermedium, DB = Dispersionsbaugruppe.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 näher erläutert, die den schematischen Aufbau von drei Laseroszillatoren mit Synchronisationsvorrichtung zeigt. Die Laserresonatoren werden durch die Resonatorendspiegel 101-103 mit den Auskoppelspiegeln 111-113 gebildet und enthalten jeweils in bekannter Weise ein Lasermedium 131-133 zur Lichtverstärkung durch stimulierte Emission und eine Einrichtung zum modengekoppelten Betrieb 141-143. Weitere bekannte Einrichtungen, beispielsweise zur Zufuhr der Pumpenergie und gegebenenfalls zum Durchstimmen der Impulsfrequenzen sind in Fig. 1 nicht eingezeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem optischen Kopplungselement 150 in Verbindung mit jeweils einer Dispersionsbaugruppe 121-123 in den zu koppelnden Laserresonatoren. Das Kopplungselement 150 wird von den Resonatorachsen 01, 02 und 03 der zu koppelnden Laseroszillatoren durchsetzt, so daß sich die in den verschiedenen Laserresonatoren umlaufenden Impulse in dem Element 150 räumlich überlagern können. Das Koppelelement besteht aus einem optisch transparenten Material, dessen maßgebliche Eigenschaft durch den nichtlinearen Brechungsindex n₂ beschrieben ist. Wie bereits oben beschrieben, treten bei einem simultanen Durchlauf der verschiedenen Impulszüge durch das Koppelelement definierte Frequenzverschiebungen der Trägerfrequenzen der Impulse auf. Das Vorzeichen der Frequenzverschiebung der Impuls-Trägerfrequenz hängt davon ab, ob ein Impuls etwas zu früh oder zu spät im Kopplungselement eintrifft, während beim exakt gleichzeitigen Durchlaufen des Koppelelementes keine Frequenzverschiebung auftritt. Geeignete Materialien für das Koppelelement sind beispielsweise Saphir oder Schwerflintgläser, welche einen hohen Wert für n₂ aufweisen. Bei der Wahl des Materials ist zu beachten, daß dieses bei der jeweiligen Frequenz der einzelnen Impulszüge, bei den verdoppelten Frequenzwerten sowie der Summenfrequenz jeweils zweier verschiedener Impulszüge keine Absorption besitzen. Dies könnte zu Störungen des Modenkoppelns oder des Laserbetriebs Oberhaupt in den einzelnen Laserzweigen führen.

Zweckmäßig werden für die verschiedenen Oszillatoren im Koppelelement unterschiedliche Verhältnisse I₀/t_P von Spitzenintensität I₀ und Impulsdauer t_P, gewählt, um so einen Oszillator als Meisteroszillator auszuzeichnen. Dieser bleibt in seinen Eigenschaften durch den Synchronisationsprozeß weitgehend unbeeinflußt, während die übrigen Resonatoren, wie bereits oben beschrieben, versklavt werden.

Im folgenden sei angenommen daß der Laseroszillator 02 charakterisiert durch die Resonatorachse 02 der Meisterlaser ist, während die Laser mit Resonatorachsen 01 bzw. 03 für die Impulssynchronisation versklavt sind.

Die Dispersionsbaugruppen 121-123 der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen der Umsetzung der Frequenzverschiebungen des Koppelelementes 150 in geeignete Änderungen der jeweiligen Resonatorumlaufdauer. Mit den genannten Einrichtungen 121, 123 läßt sich nämlich in durchaus bekannter Weise ein anomales Dispersionsverhalten der versklavten Laseroszillatoren einstellen und erfindungsgemäß damit auch die Synchronisation realisieren.

Dies geschieht in durchaus bekannter Weise für die jeweilige Bauart der Dispersionsbaugruppen 121-123, beispielsweise durch Justieren des Prismenabstands und/oder der lateralen Prismenposition beim Prismenkompressor. Die Kopplungsstärke der Kreuzphasenmodulation im Koppelelement 150 wird dann für den Synchronisationsbetrieb entsprechend angepaßt. Dies läßt sich durch Wahl des Kopplungselementes (beispielsweise Dicke des Kopplungsplättchens) und/oder Überlappbereichs der sich kreuzenden (resonatorinternen) Laserbündel nach Querschnitt und Länge leicht bewerkstelligen. Beispielsweise ordnet man das Koppelelement 150 zum Einregulieren der Kopplungsstärke auf einem Translationstisch 160 an und kann somit das Element definiert durch Bewegung in Richtung auf den Resonatorspiegel 102 in den Bereich des Bündelüberlapps hinein- oder herausschieben.

Der geometrische Aufbau der einzelnen Resonatoren ist derart gewählt, daß die optische Weglänge zwischen den Endspiegeln 101-103 und den jeweilig zugehörigen Auskoppelspiegeln 111-113 für alle Resonatoren nahezu gleich ist. Ein präziser Abgleich der Resonatorlängen auf etwa ±1 µm (dies entspricht einer Differenz der Resonatorumlaufzeiten von etwa ±7 fs) erfolgt beispielsweise durch Verschieben der Resonatorendspiegel 101 und 103, welche dazu auf präzisen Translationstischen 161, 163 und/oder auf Piezoelementen 171, 173 gehalten sind. Die Position der Spiegel ist durch Präzisionsschrauben (beispielsweise Differentialmikrometerschrauben) und/ oder durch den Einsatz von Piezostellelementen parallel zur Resonatorachse mechanisch bzw. elektrisch einstellbar.

In speziellen Ausführungsformen der Vorrichtung, kann es beispielsweise aus Platzgründen zweckmäßig sein, daß die Umlaufdauern T₁ - T₃ der Resonatoren 01-03 nicht gleich, sondern in einem rationalen Verhältnis stehen, beispielsweise T₁ : T₃ = 1 : 2 oder = 3 : 2. Die jeweiligen Impulse treffen sich im Koppelelement 150 dann nicht nach jedem Umlauf, sondern nach jedem 2. bzw. 3. Umlauf des Resonators 02. Die entsprechend geänderte Effizienz des Synchronisationsverfahrens wirkt sich auf die Anforderungen an die mechanische Stabilität der Laseranordnung aus.

In konkreten Anwendungen lassen sich häufig Bauelemente der erfindungsgemäß synchronisierten Laser einsparen, deren Anordnungen in den Fig. 2-4 beispielhaft dargestellt sind. Fig. 2 zeigt ein Beispiel für einen 2-Farbenlaser mit Koppelelement 150 und einem gemeinsamen Lasermedium 131 für die beiden Laserresonatoren 01 und 02. Durch den gewählten Aufbau wird ein weiteres Lasermedium eingespart. Zur Vermeidung einer unerwünschten Kopplung der beiden Laser durch Abbau der Besetzungsinversion müssen die Resonatorachsen 01, 02 im Lasermedium 131 hinreichend räumlich getrennt verlaufen. Die Zufuhr der Pumpenergie muß entsprechend zu diesen getrennten Bereichen erfolgen. Geschieht das Pumpen beispielsweise optisch durch einen Diodenlaser oder Argonionenlaser, sind getrennte Pumplaserbündel für die Erzeugung der Besetzungsinversionen der Laser 01 und 02 zweckmäßig (in Fig. 2 nicht eingezeichnet). Das Durchstimmen der Laser, d. h. Einstellen der Impulsträgerfrequenzen der beiden synchronisierten Laserresonatoren erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise durch verschiebbare Spalte in den Dispersionsbaugruppen 121 und 122. Die Bündelüberlagerung im Koppelelement 150, das zu Justierzwecken auf dem Verschiebetisch 160 angeordnet ist, erfolgt durch die beiden Sammellinsen 180, 181 oder durch Hohlspiegel (in Fig. 2 nicht dargestellt). Durch die gleichzeitig bewirkte Bündelfokussierung lassen sich die Intensitätsanforderungen für die nichtlineare Kreuzphasenmodulation im Koppelelement 150 leicht erfüllen. Der Endspiegel 101 schließt beide Resonatoren 01, 02 ab. Die dargestellte kompakte Bauweise wirkt sich günstig auf die Resonatorstabilität aus. Der Längenabgleich der Resonatoren 01, 02 erfolgt mittels des verschiebbaren Auskoppelspiegels 111 mit Translationstisch 161 und/oder Piezoelement 171. Durch Einsatz des bekannten Verfahrens der Selbstmodenkopplung (Kerr-Linsen-Modenkopplung) läßt sich das Lasermedium 131 zur Modenkopplung heranziehen, so daß zusätzliche Modenkopplungseinrichtungen 141, 142 eingespart werden können.

In Fig. 3 ist ein Dreifarbenlaser dargestellt, der jedoch kein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. Das gemeinsame Lasermedium 131 der drei Laseroszillatoren 01-03 dient gleichzeitig als Koppelelement 150, so daß ein gesondertes Koppelelement eingespart wird. Wie für das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bereits ausgeführt wurde, muß eine Kopplung der Laseroszillatoren 01-03 durch den Abbau der Besetzungsinversion im Lasermedium 131 durch weitgehende räumliche Trennung der Laserbündel vermieden werden. Die räumliche Überlappung, die für die erfindungsgemäße Synchronisation über die Kreuzphasenmodulation des Lasermaterials erforderlich ist, darf nur in einem sehr engen Bereich am Rand des Lasermediums erfolgen. Die Größe des Überlappbereiches und damit des Kopplungsgrades ist durch einen Translationstisch 160 einstellbar, auf dem das Lasermedium 131 befestigt ist. Die Fig. 3 zeigt beispielhaft auch, daß weitere Bauelemente durch Einsatz für die drei Laserresonatoren eingespart werden können. Neben der nur einfach ausgebildeten Fokussieroptik mit dem Hohlspiegel 190 zum Einengen der drei Laserbündel 01, 02 und 03 im Überlappbereich des Lasermaterials 131 wird auf den ebenen Endspiegel 101 hingewiesen, der die drei Resonantoren 01, 02 und 03 abschließt. Neben dem geringeren Aufwand an Bauelementen bietet diese Anordnung den entscheidenden Vorteil einer kompakten Bauweise, bei der sich kleine Bewegungen des Spiegel 101 und 190 in gleicher Weise auf die Resonatorumlaufzeiten der drei Laserresonatoren auswirken und nicht zu Laufzeitunterschieden führen. Dieser Kompensationseffekt wirkt sich günstig auf die Einhaltung der Stabilitätsanforderungen der Synchronisationseinrichtung aus. Der gemeinsame Endspiegel 101 hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Laufzeiten vom Kreuzungspunkt der Bündelachsen im Lasermedium 131 zum Endspiegel 101 für die verschiedenen Resonatoren 01-03 gleich groß sind, so daß sich die Impulse beim Rücklauf nach der Reflexion am Endspiegel wiederum im Überlappbereich treffen und der Kopplungseffekt entsprechend verstärkt wird. Die Anforderungen an die Größe des Überlappbereiches und die Spitzenintensität des Meisteroszillators 02 für die erfindungsgemäße Synchronisation werden dadurch entsprechend herabgesetzt. Der Abgleich der Resonatorumlaufzeiten kann bei der Anordnung der Fig. 3 beispielsweise durch die Auskoppelspiegel 111 und 113 erfolgen, die zu diesem Zweck auf den Translationstischen 161, 163 und/oder auf den Piezoelementen 171, 173 gehalten sind. Ein Abgleich durch die Verschiebung des gemeinsamen Endspiegels ist dagegen nicht möglich.

Das zusätzliche Koppelelement 150 der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich auch in anderer Weise als im Beispiel der Fig. 3 einsparen, in dem ein anderes optisches Bauelement, beispielsweise einer Modenkopplungseinrichtung oder einer Dispersionsbaugruppe die Funktion des Koppelelements zusätzlich übernimmt. Ein Ausführungsbeispiel zeigt hierzu die Fig. 4, wo eine Anordnung von drei Prismen 120-122 als gemeinsame Dispersionsbaugruppe für zwei Laseroszillatoren 01 und 02 dient. Das Prisma 120 ist gleichzeitig als Koppelelement 150 der erfindungsgemäßen Synchronisationseinrichtung ausgebildet, wozu die Laserbündel 01, 02 in dem Bauelement justierbar überlagern. Die Frequenzverschiebungen der umlaufenden Laserimpulse durch Kreuzphasenmodulation werden durch den nichtlinearen Brechungsindex n₂ des Prismenmaterials bewirkt. Die Justierung der Größe des Überlappbereichs erfolgt beispielsweise durch eine Parallelverschiebung der einen Resonatorachse 01 in dem prismatischen Koppelelement 120, und zwar zweckmäßig nicht in der Zeichenebene, wodurch gleichzeitig die Laufzeit durch die Dispersionsbaugruppe des Resonators 01 bestehend aus den Prismen 120, 121 geändert würde, sondern in der zur Zeichenebene senkrechten Ebene. Letzteres läßt sich beispielsweise durch leichtes Kippen des Auskoppelspiegels 111 oder eines anderen Bauelementes des Laseroszillators 01 um eine zur Zeichenebene parallele Achse bewirken. Die Anordnung eignet sich besonders in Anwendungsbeispielen mit deutlich verschiedenen Spektralbereichen für die Emissionen der synchronisierten Laser.

Die erfindungsgemäße Synchronisationseinrichtung läßt sich auch für modengekoppelte Laser mit Ringresonatoren einsetzen. Die Fig. 5 zeigt dazu ein Beispiel, in welchem der durch Achse 01 bezeichnete Resonator als Ringresonator ausgeführt ist. Wie auch bei den linearen Resonatoren ist darauf zu achten, daß der Überlappbereich der resonatorinternen Laserbündel im Kopplungselement 150 geeignet eingestellt werden kann, um in Verbindung mit den Dispersionsbaugruppen die Synchronisation sicherzustellen. Dazu ist es günstig, wenn die Bündelradien des jeweiligen Grundmodus TEM00 der Laserresonatoren 01-03 im Bereich des Koppelelementes 150 ähnliche Werte aufweisen.

Die Zahl der durch ein Koppelelement 150 synchronisierbaren Laseroszillatoren ist aus Platzgründen beschränkt. Diese Einschränkung läßt sich die Verwendung mehrerer Koppelelemente 150, 150', 150" usw. beheben, durch die Gruppen von Lasern in Verbindung mit den jeweiligen Dispersionsbaugruppen zusanunengekoppelt werden. Die Fig. 5 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel. Der als Meisteroszillator geeignete Laser 02 enthält dazu die beiden Koppelelemente 150 und 150', die von den Resonatorachsen 01-03 bzw. 01', 02, 03' bzw. 01', 01" durchsetzt werden, wobei die Bauelemente von weiteren Laserresonatoren mit einfach gestrichenen Nummern bezeichnet sind. Durch die im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsbeispielen erläuterte Vorgehensweise läßt sich die Synchronisation aller Laseroszillatoren erreichen. Die Verwendung des Koppelelementes 150" ermöglicht die kaskadenartige Ankopplung eines weiteren Resonators 01", auf welchen Resonator 01' als Meisteroszillator wirkt. Auf die Darstellung von Einzelheiten des Laserresonators 01" wurde in der Fig. 5 verzichtet.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Synchronisation ultrakurzer elektromagnetischer Impulse in modengekoppelten Lasersystemen mit mindestens zwei optisch gekoppelten Resonatoren, bei der
die gekoppelten Resonatoren mindestens ein laseraktives Medium enthalten,
jeder der Resonatoren eine Dispersionsbaugruppe enthält,
die Besetzungsinversion in den optisch gekoppelten Resonatoren voneinander unabhängig ist,
die Erzeugung der ultrakurzen Impulse in den optisch gekoppelten Resonatoren voneinander unabhängig durch Modenkoppeln erfolgt,
mindestens ein Koppelelement zur Synchronisation der ultrakurzen Impulse der optisch gekoppelten Resonatoren vorhanden ist,
die Resonatorachsen der gekoppelten Resonatoren das Koppelelement paarweise durchsetzen, so daß sich die zugehörigen ultrakurzen Impulse in dem Koppelelement mit geringem zeitlichen Abstand überlagern,
der Brechungsindex des Koppelelementes von der Strahlungsintensität abhängt, so daß in Abhängigkeit von der Intensität der überlagerten Impulse eine Verschiebung ihrer Trägerfrequenz stattfindet,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit in den Resonatoren des Resonatorpaares diese Verschiebung der Trägerfrequenzen in Änderungen der Resonatorumlaufzeiten der Impulse umsetzt, so daß sich nach jedem Umlauf der zeitliche Abstand der Impulse bei erneuter Überlagerung reduziert,
das mindestens eine Koppelelement von dem mindestens einen laseraktiven Medium funktionell getrennt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement der Vorrichtung zum Modenkoppeln gleichzeitig als Koppelelement dient.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl der beteiligten Resonatoren als Ringresonatoren ausgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere optische Resonatorspiegel in zwei oder mehreren Resonatoren gemeinsam verwendet werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement einer der Dispersionsbaugruppen Koppelelement ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Resonatoren mit mehreren Koppelelementen kaskadenförmig synchronisiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorumlaufzeiten in den Resonatoren in einem rationalen Verhältnis stehen.