DE19750320C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Lichtpulsverstärkung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung phasen­ kohärenter Lichtpulse, insbesondere ein Verfahren zur resonanten Verstärkung von Lichtpulsfolgen aus Laserlicht­ quellen. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Implementierung eines derartigen Verfahrens.

Es ist allgemein bekannt, die Energie pulsförmigen Laserlichts durch sogenannte regenerative Verstärker zu erhöhen. Bei einem regenerativen Verstärker wird ein zu verstärkender Lichtpuls zur Auslösung von stimulierter Emission in einem Verstärkungs­ medium mit einer erzeugten Besetzungsinversion verwendet. Der Nachteil regenerativer Verstärker ergibt sich daraus, daß im Verstärker ein aktives Verstärkungsmedium vorhanden sein muß. Ferner ist zur Erzeugung der Besetzungsinversion ein geson­ derter Pumplaser erforderlich. Dies bedeutet, daß regenerative Verstärkeranordnungen mit einem hohen Aufwand an Kosten, Energie und Material und einem hohen Justieraufwand verbunden sind.

Es ist ferner bekannt, Laserpulse unter Einsatz von Resonator­ modulatoren zu erhalten. Beim sogenannten "cavity-dumping" Verfahren (im folgenden: (cd-Verfahren)) ist im Laserresonator ein sogenannter "cavity-dumper" z. B. in Form eines akusto- optischen Modulators vorgesehen. In einem modengekoppelten Laser mit Pulsbetrieb erlaubt der Modulator in einem ersten Zustand zunächst einen vielfachen Durchlauf eines Lichtpulses durch den Resonator mit dem Verstärkungsmedium, bis durch dessen jeweilige Verstärkung eine genügend hohe Pulsenergie erreicht ist, wonach in einem zweiten Zustand des Modulators der Puls aus dem Resonator ausgelenkt oder ausgekoppelt wird.

Fig. 2 zeigt schematisch die wichtigsten Komponenten einer cd-Anordnung, wie sie beispielsweise in der Publikation von M. S. Pshenichnikov et al. in "Optics Letters" (Band 19, 1994, S. 572 ff.) beschrieben ist. Mit einem Pumplaser wird der Pulslaser 22 angeregt, der Resonatorspiegel 221 bis 224, ein aktives Medium 225 und als cavity-dumper einen akustooptischen Modulator 226 umfaßt. Der Modulator 226 wird mit einem Steuer­ kreis 23 angesteuert, der ferner einen synchronen Betrieb mit dem umlaufenden Puls sicherstellt. Der Pulslaser 22 kann beispielsweise wie in der genannten Publikation ein Ti-Saphir- Laser oder auch ein Farbstofflaser sein. Der im Resonator 221 bis 224 des Pulslasers 22 umlaufende Laserpuls wird bei jedem Umlauf durch das gepumpte Lasermedium 225 zweifach verstärkt, bis mit dem Modulator 226 die Auskopplung in den äußeren Lichtweg 24 geschaltet wird. Zusätzlich zu den gezeigten Grundkomponenten ist aus der genannten Publikation bekannt, Mittel zur Dispersionskompensation im Resonator vorzusehen.

Die Pulsverstärkung mit einer cd-Anordnung gemäß Fig. 2 besitzt die folgenden Nachteile. Ein Pulslaser mit einem cavity-dumper im aktiven Laseresonator stellt einen komplizierten Aufbau dar. Zur Erzielung von Laserpulsen mit genügend reproduzierbaren Zeitverläufen und den für eine jeweils gewünschte Meßanwendung erforderlichen spektralen Eigenschaften ist mit einem hohen Justieraufwand verbunden. Ein entscheidender Nachteil besteht ferner darin, daß mit dem cd-Verfahren nur verhältnismäßig geringe Verstärkungsfaktoren erzielt werden können. So wird bei dem Ti-Saphir-Laser mit einem cavity-dumper gemäß M. S. Pshenichnikov et al. eine Erhöhung der Pulsenergie um einen Faktor 10 erzielt. Diese Verstärkung ist für zahlreiche Anwendungen in der Meßtechnik insbesondere zur Erzielung nicht-linearer optischer Effekte nicht ausreichend.

Generell ist somit die Erzeugung verstärkter Laserpulse mit einem hohen apparativen Aufbau verbunden. Bei der Beobachtung schnell ablaufender physikalischer Vorgänge beispielsweise in der physikalischen Chemie oder in der Festkörperphysik besteht ein starkes Interesse an Laserpulsquellen mit hohen Ausgangs­ leistungen und erweiterten Anwendungsmöglichkeiten.

Aus US 4 827 480 (und dem darauf basierenden Patent US 5 003 545) ist ein Verfahren zur Erzeugung von Lichtpulszügen in einem Resonator bekannt, wobei die Frequenz einer zirkulierenden, konstanten Lichtquelle schrittweise erhöht und die frequenzverschobenen Strahlen kombiniert werden, um mindestens einen Ausgangs-Pulszug aus diesem zu erzeugen. Hierzu wird ein passiver oder aktiver Resonator verwendet.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Erzeugung intensiver, phasenkohärenter Lichtpulse mit Pulsenergien anzugeben, die bisher nur mit aufwendigen regenerativen Verstärkern erzielt wurden, wobei die Lichtpulse reproduzierbare zeitliche und spektrale Eigenschaften besitzen sollen. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Implementierung des Verfahrens, insbesondere einen Puls­ verstärker für phasenkohärente Lichtpulse anzugeben, der einen gegenüber herkömmlichen Verstärkeranordnungen wesentlich vereinfachten Aufbau besitzt.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung basiert auf der Idee, eine Pulsverstärkung mit einem passiven Resonator durchzuführen, indem der Resonator zunächst mit einer Folge phasenkohärenter Eingangslichtpulse mit einem vorbestimmten Pulsabstand (zeitlich äquidistant) geladen und nach Erzielung einer genügend hohen Resonator­ energie mit Hilfe eines schnellen optischen Schalters wie zum Beispiel eines akustooptischen Modulators entladen wird. Die optische Resonatorlänge ist auf den zeitlichen Pulsabstand der Eingangspulse derart abgestimmt, daß nach der Einkopplung eines ersten Eingangspulses jeder neu eingekoppelte Eingangs­ puls einem im Resonator umlaufenden Lichtpuls linear über­ lagert werden kann. Das Laden des Resonators, d. h. die Einkopplung der Eingangspulse, erfolgt unter Verwendung eines als Einkoppelspiegel wirkenden Resonatorspiegels derart, daß am Einkoppelspiegel jeweils zeitlich abgestimmt ein umlaufender Lichtpuls im Resonator und ein eintreffender Eingangspuls zeitlich überlappend aufeinandertreffen und als ein gemeinsamer, überlagerter und verstärkter Puls im Resonator weiterlaufen. Durch das zum Umlaufen des Lichtpulses im Resonator synchrone Einkoppeln von Eingangspulsen wird die Energie des umlaufenden Lichtpulses mit jedem neuen Eingangspuls ohne ein Verstärkungs­ medium im Resonator erhöht. Die Überhöhung der Lichtleistung im Resonator steigt so weit, bis jeder weitere, zu über­ lagernde Eingangspuls gerade durch die relativen Verluste im Resonator kompensiert wird.

Das Entladen des Resonators erfolgt mit einem Modulator, wie es vom cd-Verfahren bekannt ist. Sobald die Energie des oder der im Resonator umlaufenden Lichtpulse genügend hoch ist, wird eine Modulatoreinrichtung so angesteuert, daß ein verstärkter Lichtpuls den Resonator verläßt.

Eine Vorrichtung zur Implementierung der erfindungsgemäßen Verfahrensweise umfaßt einen Lichtresonator mit mindestens zwei Resonatorspiegeln, die einen Lichtweg mit einer Resonator­ länge bilden, die auf die Folgefrequenz der Eingangspulse abgestimmt ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält ferner eine Modulatoreinrichtung, die in einem ersten Betriebs­ zustand den resonanten Umlauf von Lichtpulsen im Resonator erlaubt und in einem zweiten Betriebszustand einen umlaufenden Lichtpuls aus dem Resonator auslenkt.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Es wird erstmalig die Erzeugung hochenergetischer, phasenkohärenter Lichtpulse mit Energien im µJ-Bereich (und höher) erreicht, ohne daß der große apparative Aufwand regenerativer Verstärker erforderlich ist. Es wird insbesondere der Einsatz eines Verstärkungsmediums und eines zusätzlichen Pumplasers vermieden. Die Resonatoranordnung zur Pulsverstärkung erlaubt je nach der Qualität der verwendeten optischen Komponenten in der Resonatorvorrichtung eine Überhöhung der Lichtleistung gegenüber den Eingangslichtpulsen mit einem Verstärkungsfaktor von etwa 100 bis 1000. Die Verstärkung erfolgt ohne Ver­ stärkungsmedium, da der Lichtweg in einer erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung frei von einem Verstärkungsmedium ist. Dadurch ist es möglich, die spektralen und zeitlichen Eigen­ schaften des eingekoppelten Lichtes beim Umlauf im wesentlichen unverändert zu lassen. Die Erfindung ist für beliebige Puls­ breiten vom ns- bis fs-Bereich einsetzbar. Die verstärkten Ausgangspulse besitzen hervorragende spektrale Eigenschaften mit einer hohen Leistung. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Resonatorvorrichtung als vielseitig einsetzbare, gesonderte Komponente eines optischen Aufbaus angegeben wird, die insbesondere ein vom aktiven Laser unab­ hängiges, separates, passives System darstellt. Gegenüber dem herkömmlichen cd-Verfahren besteht in der erfindungsgemäßen Anwendung ein besonderer Vorteil im Aufbau eines medienfreien, externen Resonators. Die erfindungsgemäße Resonatorvorrichtung ist im wesentlichen absorptionsfrei. Im Lichtweg befinden sich nur einzelne, eine geringe Dispersion einführende Elemente. Dadurch werden hohe Brechzahlen und somit nachteilige Disper­ sionseffekte herkömmlicher cd-Verfahren verringert.

Vorteilhafte Anwendungen der Erfindung ergeben sich im Bereich der Atomoptik und in allen Gebieten der Messung ultrakurzer Vorgänge in der Spektroskopie. Eine wichtige technische Anwendung liegt beispielsweise im punktgenauen Schweißen, bei dem hohe Pulsleistungen benötigt werden. In einigen Mikro­ strukturenanwendungen darf die Laserpulsenergie andererseits nicht hoch sein, um thermische Schädigungen das umgebenden Materials zu vermeiden, so daß die Verwendung ultrakurzer, intensiver Lichtpulse vorteilhaft ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines optischen Aufbaus gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Pulslasers mit cavity-dumper (Stand der Technik).

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte optische Anordnung zeigt eine erfindungsgemäße Resonatorvorrichtung 1 in Kombination mit einem Pulslaser 2 zur Bereitstellung eines Pulszuges oder einer Pulsfolge zeitlich äquidistanter Kurzzeit- Lichtpulse. Die Resonatorvorrichtung 1 besteht aus einer Gruppe von Resonatorspiegeln 11 bis 14 (z. B. dielektrische Breitbandspiegel), die in der Folge der Numerierung 11-12-13-14-11 einen geschlossenen Lichtweg 10 mit einer einstellbaren optischen Resonatorlänge oder Umlauflänge L bilden. Ein erster Resonatorspiegel 11 bildet einen Einkoppel­ spiegel, der zur Einkopplung der zu verstärkenden Pulsfolge oder Eingangspulse 21 in die Resonatorvorrichtung 1 vorgesehen ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Einkoppel­ spiegel ein teilweise transmittierender Spiegel, der von Eingangspulsen 21 in einer Richtung durchsetzt wird, die der Ausrichtung des Lichtweges 10 innerhalb der Resonatorvor­ richtung 1 entspricht.

Zur Erzielung maximaler Pulsleistung wird die Transmission des Einkoppelspiegels vorzugsweise so gewählt, daß sie den optischen Verlusten entlang des Lichtweges während eines Resonatordurchlaufs (Modulatorelement im ersten Betriebs­ zustand, s. unten) entspricht. In diesem Fall entspricht die Überhöhung der Lichtleistung im Resonator etwa dem Inversen der Transmission des Einkoppelspiegels. Bei genügend geringen optischen Verlusten wird eine außerordentlich große Überhöhung durch den Resonator erzielt. Hierzu werden vorzugsweise dielektrische Spiegel mit relativen Verlusten von 1 bis 10 Millionstel (1-10 ppm) (sogenannte "Superspiegel") einge­ setzt. Außerdem können die relativen Verluste eines im Brewster-Winkel geschnittenen kommerziellen akustooptischen Modulators weniger als 0.1% betragen. Schließlich besitzen im Brewster-Winkel angeordnete optische Glas- bzw. Quarzflächen, beispielsweise von optischen, resonator-internen Elementen zur Dispersionskompensation oder Elemente zur Extraktion der Lichtpulse, nach geeigneter Politur Streuverluste der Größen­ ordnung einiger ppm pro Fläche.

Der Pulslaser 2 kann jeder geeignete Laser zur Bereitstellung ultrakurzer Lichtpulse sein, so z. B. ein Festkörperlaser (z. B. Ti-Saphir-Laser), ein Gaslaser (z. B. Edelgasionenlaser), ein Farbstofflaser oder ein Diodenlaser.

Der Lichtweg 10 in der Resonatorvorrichtung 1 ist frei von Lasermedien und soweit technisch möglich absorptionsfrei. Die Resonatorvorrichtung 1 ist somit so ausgebildet, daß sich entlang des Lichtweges 10 umlaufende Lichtpulse lasermedien­ unabhängig und weitgehend wechselwirkungsfrei fortbewegen. Das einzige optische Element im Lichtweg 10, das jedoch kein Verstärkungsmedium darstellt, ist ein Modulatorelement 15, das über einen elektrischen Steueranschluß 16 ansteuerbar ist. Der Lichtweg 10, wird entweder durch die Umgebungsluft oder ein entsprechendes inertes Umgebungsmedium oder durch das Modulatorelement 15 gebildet.

Das Modulatorelement 15 ist ein akustooptischer Modulator (AOM). Als AOM kann eine Modulatorkomponente eingesetzt werden, wie sie aus den cd-Verfahren bekannt ist und beispielsweise von der Firma Harris (USA) oder von der Firma Gooch & Housego (Großbritannien) angeboten werden. Zur Erzielung geringer Durchlaufverluste kann der AOM im Brewster- Winkel geschnitten sein oder mit einer Anti-Reflexionsschicht versehen sein.

Fig. 1 zeigt ferner eine Einrichtung zur Wellenlängenstabi­ lisierung. Die Wellenlängenstabilisierung ist dazu vorgesehen, die Eingangspulse und die Resonatorvorrichtung derart zueinander abzustimmen, daß eine Phasenanpassung zwischen den Eingangspulsen und den in der Resonatorvorrich­ tung umlaufenden Lichtpulsen erzielt wird. Hierzu wird mit einer Stelleinrichtung 18d auf der Grundlage eines im folgenden beschriebenen Fehlersignals die Resonatorlänge des Pulslasers 2 und/oder die Resonatorlänge des Pulsverstärkers 1 eingestellt.

Beim dargestellten Beispiel erfolgt die Erzeugung des Fehler- oder Stellsignals für die Stelleinrichtung 18d mit einem an sich bekannten Radiofrequenz-Seitenband-Verfahren (s. Drever et al. in "Appl. Phys. B", Band 31, 1983, S. 97). Die Eingangspulse vom Pulslaser 2 durchlaufen vor Einkopplung in die Resonatorvorrichtung 1 einen elektrooptischen Modulator (EOM) 18a. Unter Wirkung eines von einer Radiofrequenzquelle 18c eingespeisten elektrischen Feldes ändert sich periodisch der Brechungsindex und somit die optische Weglänge im EOM. Diese Modulation bewirkt eine periodische Variation der instantanen Frequenz jeder einzelnen Komponente des Moden­ spektrums der Eingangslichtpulse. In der Frequenzdarstellung entspricht dies jeweils dem zusätzlichen Auftreten zweier Frequenzseitenbänder, die im Abstand der am EOM anliegenden Modulationsfrequenz antisymmetrisch um jede der ursprünglichen Komponenten des Modenspektrums des Pulslasers 2 herum ange­ ordnet sind.

Die modulierten Eingangspulse treffen auf den Einkoppelspiegel (Resonatorspiegel 11), wo ein den Seitenbändern entsprechender Anteil der Eingangspulse und bei fehlender Abstimmung zwischen Eingangspulsen und Resonatorvorrichtung 1 auch ein Anteil der Eingangspulse entsprechend der Mittenfrequenz zu einer Detektoreinrichtung 18 (z. B. Photodiode) reflektiert wird. Die Detektoreinrichtung 18 ist mit einem Phasendetektor 18b verbunden. Das Detektorsignal wird am Phasendetektor 18b mit der EOM-Modulationsfrequenz demoduliert. Der Phasendetektor 18b liefert das Stellsignal, das bei optimaler Wellenlängen­ abstimmung einen Nulldurchgang besitzt, an die Stelleinrich­ tung 18d.

Bei einer alternativen Ausführungsform der Resonatorvorrich­ tung mit zwei Spiegeln (s. unten), bei der die Eingangspulse senkrecht auf den Einkoppelspiegel treffen, werden reflektierte Lichtanteile beispielsweise mit einem Polari­ sationsstrahlteilerwürfel und einem λ/4-Plättchen vor dem Einkoppelspiegel zur Detektoreinrichtung 18 gelenkt.

Bei nicht-optimaler Abstimmung der Laserfrequenz auf die Resonatormodenstruktur werden mit der Stelleinrichtung 18d Komponenten im Pulslaser 2 oder in der Resonatorvorrichtung 1 nachgestellt. Im Pulslaser 2 erfolgt dies vorzugsweise mit einer Piezo-Stelleinrichtung an den Laserresonatorspiegeln und gegebenenfalls einem zusätzlich eingesetzten elektrooptischen Modulator. In der Resonatorvorrichtung erfolgt die Korrektur mit der Verstelleinrichtung 17 (s. unten). Zur Einstellung der geeigneten Laserfrequenz bzw. der Resonatormodenstruktur sind nur sehr kleine Weglängenänderungen von weniger als einer optischen Wellenlänge (einige 100 nm) erforderlich.

Alternative Verfahren zur Erzeugung des Fehler- oder Stell­ signals zur Wellenlängenstabilisierung sind die sogenannte "side-off-fringe"-Methode, bei der in Bezug auf eine Flanke der Modenstruktur stabilisiert wird, die Methode nach Hänsch- Couillaud, bei der eine Polarisationsanalyse erfolgt, oder das "dither-lock"-Verfahren, bei dem periodisch entweder die Laserfrequenz oder die Resonatorlänge leicht verändert und dadurch die Resonanzbedingung des Resonators in Bezug auf die einzukoppelnde Wellenlänge erfaßt wird.

Fig. 1 zeigt weitere Komponenten der Resonatorvorrichtung, die jedoch nicht bei allen Anwendungen der Erfindung zwingend erforderlich sind. So ist beispielsweise an einem der Resonatorspiegel eine Verstelleinrichtung 17 angebracht, die zur Veränderung der Umlauflänge L der Resonatorvorrichtung 1 eingerichtet ist. Beim dargestellten Beispiel ist die Verstelleinrichtung 17, die beispielsweise eine Kombination aus einem mechanischen (z. B. Mikrometerstelltisch) und einem piezoelektrischen Stellelement sein kann, am Resonator­ spiegel 12 angebracht. Es ist jedoch auch eine Anbringung an einem der anderen Resonatorspiegel möglich, wobei aus Stabilitätsgründen vorzugsweise ein Resonatorspiegel zur Verstellung vorgesehen ist, von dem der Lichtweg 10 nicht unmittelbar zum Modulatorelement 15 führt. Die Resonatorvor­ richtung 1 ist vorteilhafterweise so aufgebaut, daß der Licht­ weg 10 am verstellbaren Resonatorspiegel einen möglichst spitzen Reflexionswinkel (nahezu senkrechtes Auftreffen) bildet, um eine Dejustierung des Resonators bei Veränderungen der Resonatorlänge L zu vermeiden. Die Anbringung einer Verstelleinrichtung 17 kann fortfallen, falls die Abstimmung zwischen der Resonatorlänge L und dem Pulsabstand bzw. der Pulswiederholrate der Eingangspulse 21 nicht durch eine mechanische Verstellung der Resonatorvorrichtung 1, sondern mit einer Veränderung des Pulsabstands der Eingangspulse 21 durch Beeinflussung des Pulslasers 2 erfolgt. In diesem Fall muß auch die Wellenlängenfeinabstimmung durch Komponenten im Laserresonator erfolgen.

Fig. 1 zeigt ferner eine Detektoreinrichtung 19, die zur Bestimmung der Energie von Lichtpulsen vorgesehen ist, die in der Resonatorvorrichtung 1 umlaufen. Hierzu ist einer der Resonatorspiegel teildurchlässig ausgebildet, so daß ein Teil des umlaufenden Lichtpulses aus der Resonatorvorrichtung 1 ausgekoppelt wird und auf die Detektoreinrichtung 19 fällt.

Die Detektoreinrichtung 19 ist beispielsweise eine schnell ansprechende Photodiode, die mit einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung in Verbindung steht. Die Detektoreinrichtung 19 ist dazu vorgesehen, die Energie der in der Resonatorvor­ richtung 1 umlaufenden Lichtpulse zu überwachen und das Überschreiten einer vorbestimmten Mindestenergie zu erfassen, nach deren Erreichen ein umlaufender Lichtpuls aus der Resonatorvorrichtung 1 ausgekoppelt werden soll. Der Einsatz der Detektoreinrichtung 19 kann fortfallen, falls zur Aus­ lösung der Auskopplung von Lichtpulsen aus der Resonatorvor­ richtung 1 mit Hilfe des Modulatorelements 15 ein anderer Mechanismus verwendet wird, der nicht auf einer Energiemessung beruht. Es kann beispielsweise am Pulslaser 2 eine Pulszähl­ einrichtung vorgesehen sein, die die in die Resonatorvor­ richtung 1 eingekoppelten Pulse zählt und ein Betätigungs­ signal für das Modulatorelement 15 abgibt, sobald eine vor­ bestimmte Pulszahl überschritten ist.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise wird mit einer Anordnung gemäß Fig. 1 derart verwirklicht, daß die Eingangspulse 21 (abgesehen vom ersten Eingangspuls bei Betriebsbeginn) synchron mit dem Eintreffen mindestens eines umlaufenden Lichtpulses am Einkoppelspiegel in die Resonatorvorrichtung 1 eingekoppelt werden. Das synchrone Einkoppeln bedeutet, daß jeder Eingangspuls 21 einem umlaufenden Lichtpuls linear überlagert wird, so daß sich die Leistung des oder der umlaufenden Lichtpulse in der Resonatorvorrichtung schrittweise überhöht. Das synchrone Einkoppeln wird dadurch erzielt, daß der Quotient aus optischer Resonatorlänge L und Lichtge­ schwindigkeit möglichst genau mit dem Pulsabstand der Eingangs­ pulse, einem natürlichen Vielfachen oder ganzzahligen Teilen davon übereinstimmt. Die Erfüllung dieser Bedingung kann beispielsweise mittels eines Autokorrelators, der zur Justage anstelle der Detektoreinrichtung 19 angebracht ist, überprüft werden. Vorzugsweise wird die Resonatorlänge so eingestellt, daß sich eine minimale Pulsdauer (bzw. maximale Pulsenergie) der an dieser Stelle austretenden Lichtpulse ergibt, da dies einem synchronen Einkoppeln entspricht. Ersatzweise kann die Pulsanalyse auch durch Untersuchung der Ausgangspulse 31 erfolgen.

Falls der Quotient dem einfachen Pulsabstand entspricht, so wird im Betriebsverlauf ein sich mit jedem Umlauf in der Resonatorvorrichtung verstärkender Lichtpuls gebildet. Ent­ spricht der Quotient beispielsweise dem halben Puls­ abstand, so erfolgt eine Verstärkung eines Pulses nur bei jedem zweiten Durchlauf durch den Resonator. Entspricht der Quotient hingegen dem zweifachen Pulsabstand, so werden zwei umlaufende Lichtpulse gebildet, die wechselweise mit neu eintreffenden Eingangspulsen überlagert und verstärkt werden. Es ist auch die Erzielung größerer Zahlen umlaufender Licht­ pulse in der Resonatorvorrichtung 1 möglich, wobei dann besondere Vorkehrungen beim Auskoppeln einzelner Lichtpulse, das im einzelnen unten beschrieben wird, getroffen werden müssen. Obwohl der Lichtweg 10 verstärkungsmedienfrei ist, treten während des Umlaufs Lichtverluste durch nicht-ideale Reflektivitäten der Resonatorspiegel und die begrenzte Trans­ mission des Modulatorelementes 15 auf. Dadurch entsteht je Umlauf an jedem umlaufenden Lichtpuls ein Energieverlust, der einen bestimmten Bruchteil in Bezug auf die Gesamtenergie des Lichtpulses darstellt. Sobald die umlaufende Lichtleistung infolge der Erhöhung der Pulsenergie durch die synchrone Überlagerung mit Eingangslichtpulsen so groß ist, daß der genannte Bruchteil selbst der Energie eines Eingangslicht­ pulses entspricht, kann eine weitere Pulsverstärkung nicht erzielt werden. Sobald die Maximalenergie oder auch eine geringere, gewünschte Energie des umlaufenden Lichtpulses erreicht ist, erfolgt eine Auskopplung des Lichtpulses wie folgt.

Der akustooptische Modulator AOM besitzt einen ersten Betriebszustand während der Umlauf- und Verstärkungsphase, in dem der Lichtweg 10 den AOM im wesentlichen unbeeinflußt durchsetzt. Wenn ein Lichtpuls als Ausgangslichtpuls 31 aus­ gekoppelt werden soll, wird der AOM in einen zweiten Betriebs­ zustand geschaltet, in dem der (durchgezogen gezeichnete) Lichtweg 10 in einen (gestrichelt gezeichneten) Auskoppel­ lichtweg 3 verändert wird. Der zweite Betriebszustand wird durch Anlegen eines Schallfeldes an den AOM erzielt, wodurch das umlaufende Licht aus dem Lichtweg 10 herausgebeugt wird. Der zeitweilige Übergang in den zweiten Betriebszustand erfolgt durch ein pulsförmige Schaltsignal 16a, das von einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung bereitgestellt wird. Der AOM wird beispielsweise bei einer Betriebsfrequenz von 395 MHz betrieben.

Zunächst läuft die Resonatorvorrichtung 1 mit dem ersten Betriebszustand des AOM, bis der umlaufende Lichtpuls eine vorbestimmte Energieschwelle (zum Beispiel Maximalenergie) erreicht hat. Sobald die Energieschwelle erreicht worden ist, wird das Schaltsignal 16a bereitgestellt, um den Ausgangspuls 31 aus der Resonatorvorrichtung 1 auszulenken. Der Zeitpunkt des Schaltsignals 16a wird mit der Steuereinrichtung so gewählt, daß ein umlaufender Lichtpuls nicht gestört wird. Das Schaltsignal 16a wird mit einer Vorlaufzeit vor dem erwarteten Eintreffen des auszukoppelnden Lichtpulses an den AOM gelegt. Die Vorlaufzeit entspricht mindestens der Schaltzeit des AOM, die im ns-Bereich liegen kann. So ist es beispielsweise möglich, das Schaltsignal 16a unmittelbar nach einem Modulatordurchlauf des umlaufenden Lichtpulses an den AOM anzulegen, so daß bei Eintreffen nach einem weiteren Umlauf die Ablenkung als Ausgangspuls 31 erfolgen kann. Nach der Auskopplung eines Ausgangspulses 31 kann der erneute Aufbau eines umlaufenden Lichtpulses und/oder eine weitere Aus­ kopplung umlaufender Lichtpulse erfolgen. Es sind Ausgangs­ pulsfolgefrequenzen bis in den 100 kHz-Bereich und bei geringerer Überhöhung der Lichtleistung auch im MHz-Bereich erzielbar.

Bei der Realisierung einer erfindungsgemäßen Resonatorvor­ richtung 1 werden vorteilhafterweise die folgenden Merkmale berücksichtigt. Die Umlauflänge L des Resonators muß mit einer Genauigkeit eingestellt werden, die besser als die räumliche Ausdehnung der zu verstärkenden Lichtpulse ist, um eine genügende räumliche und somit zeitliche Überlappung der Pulse zu erzielen. Da beispielsweise ein Lichtpuls der Pulslänge 10 fs eine räumliche Ausdehnung von rd. 3 µm besitzt, muß bei einer Resonatorlänge L = 2.5 m die Einstellgenauigkeit und -stabilität 10^-6 (oder besser) betragen. Bei Anwendungen mit ps- oder ns-Pulsen sind die Anforderungen entsprechend geringer.

Ferner ist zu beachten, daß ultrakurze Laserlichtpulse eine endliche spektrale Breite besitzen. So hat beispielsweise ein 10 fs-Puls bei 800 nm eine spektrale Bandbreite von 60 nm. Obwohl die Dispersion in der Resonatorvorrichtung wegen des Fortfalls eines Verstärkungsmediums vorteilhafterweise erheblich geringer als bei herkömmlichen cd-Verfahren ist, kann auch bei der erfindungsgemäßen Resonatorvorrichtung eine Kompensierung der Dispersion vorgesehen sein, um ein zeit­ liches Auseinanderfließen der im Resonator umlaufenden Pulse zu verhindern. Andernfalls würden die in Folge später ein­ gekoppelten Pulse keine genaue Überlappung mit umlaufenden Lichtpulsen erzielen, was nachteilig für die Pulsverstärkung und die spektralen und zeitlichen Eigenschaften der Ausgangs­ pulse wäre. Der Hauptbeitrag zur Dispersion wird durch das Modulatorelement gebildet, das beispielsweise aus einer dünnen Quarzglasplatte besteht. Zur Dispersionskompensierung werden geeignete Kompensierungseinrichtungen verwendet, die die Lichtpulse derart beeinflussen, daß Dispersionswirkungen auf die einzelnen Wellenlängenkomponenten innerhalb der Lichtpulse gerade aufgehoben werden. Als Kompensierungseinrichtung kann ein Prismen-Paar verwendet werden. Ein Prismen-Paar zur Dispersionskompensierung beim cd-Verfahren wird beispielsweise in der oben genannten Publikation von M. S. Pshenichnikov et al. beschrieben. Das Prismen-Paar besteht vorzugsweise jeweils aus optisch hochpolierten Prismen, bei denen sowohl der Eintritts- als auch der Austrittswinkel in der Nähe des Brewster-Winkels gewählt sind. Das Prismenpaar wird in einem Arm der Resonatorvorrichtung in Folge derart angeordnet, daß die Prismen in Bezug auf den Lichtweg mit ihren Scheitel­ winkeln zueinander entgegengesetzt stehen.

Es ist möglich, daß die Kompensierungseinrichtung durch die Resonatorspiegel selbst gebildet wird, falls diese Spiegel mit wellenlängenabhängigen Lichteindringtiefen (sogenannte "gechirpte" Spiegel) sind. Damit kann auf zusätzliche optische Elemente im Lichtweg verzichtet werden. Zur Erzielung einer genügend kurzen Ansprechzeit des Modulatorelements besteht ferner ein Interesse daran, den Fokus des Lichtweges im AOM möglichst klein zu wählen. Außerdem besteht ein Interesse an einer möglichst geringen Strahlgröße, um eine große Divergenz des Gauss-Strahls zu erhalten. Dies ist vorteilhaft, da die Frequenzkomponenten des durch Modenkopplung gebildeten, umlaufenden Lichtpulses durch den AOM in unterschiedliche Richtungen aus dem Lichtweg gebeugt werden. Der volle Winkel­ bereich wird dabei durch das Verhältnis der spektralen Band­ breite zur Zentralwellenlänge gegeben. Wird der Fokus im AOM so klein gewählt, daß die Divergenz des Gauss-Strahls wesentlich größer als der volle Winkelbereich des gestreuten Lichts ist, so spielt der genannte Effekt für die einzelnen Frequenzkomponenten eine vernachlässigbare Rolle. Der genannte Winkelbereich beträgt bei einem Beispiel von 10 fs-Pulsen (spektrale Bandbreite: 60 nm, Zentralwellenlänge: 800 nm) rd. 3 mrad, wobei sich bei einem Strahldurchmesser von rd. 40 µm asymtotisch eine Divergenz von rd. 26 mrad ergibt.

Eine Anordnung gemäß Fig. 1 kann ferner Vorkehrungen zur Astigmatismuskompensierung enthalten. Hierzu sind die gekrümmten Resonatorspiegel vorzugsweise unter einem zur Kompensierung geeigneten Winkel zu treffen.

Abweichend von der dargestellten Ausführungsform ist es möglich, einen nicht-gekreuzten Resonator oder anstelle der vier dielektrischen Breitband-Resonanzspiegel (oder gechirpten Spiegel) eine geringere Spiegelzahl vorzusehen. Eine erfindungsgemäße Resonatorvorrichtung kann beispielsweise aus nur zwei Resonatorspiegeln mit hin- und herlaufenden Licht­ pulsen und einem zwischen den Resonatorspiegeln angeordneten Modulatorelement aufgebaut sein. Es sind auch andere Resonator­ geometrien möglich, bei denen jedoch in jedem Fall der Lichtweg verstärkungsmedienfrei ist. Es ist auch ein Resonator­ aufbau mit mehreren Modulatorelementen möglich, die für ein Auskoppeln der Ausgangslichtpulse in verschiedene Richtungen eingerichtet sind. Dies ist insbesondere beim Aufbau des Resonators als externer modularer Verstärker von Vorteil.

Die erfindungsgemäße Resonatorvorrichtung wird mit besonderem Vorteil dann angewendet, falls ultrakurze Lichtpulse mit hohen Energien und Repetitionsraten erforderlich sind. Es ist insbesondere möglich, fs-Lichtpulse eines modengekoppelten Lasers (Energie im nJ-Bereich) in die Resonatorvorrichtung einzukoppeln, eine typischerweise 1000fache Verstärkung zu erzielen und als lineare Überlagerung in einem einzelnen, intensiven, ultrakurzen Lichtpuls (Energie rd. µJ bzw. mehrere 10⁷ W Pulsleistung) auszukoppeln. Damit werden mit einem verhältnismäßig einfachen Aufbau Verstärkungen erzielt, die bisher nur mit regenerativem Verstärker unter Einsatz zusätz­ licher Verstärkungsmedien und Pumplaser möglich waren. Im Vergleich zu diesen aktiven Systemen kann weiterhin eine bessere spektrale Qualität der Laserpulse erreicht werden.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Bereitstellung einer fs-Lichtquelle bestehend aus einem Pulslaser und einer Resonatorvorrichtung (Kombination gemäß Fig. 1).

Claims (14)

1. Verfahren zur Lichtpulsverstärkung, bei dem eine folge phasenkohärenter, zeitlich äquidistanter Eingangslichtpulse (21), die von einem Pulslaser erzeugt werden, in eine verstärkungsmedienfreie externe Resonatorvorrichtung (1) mit mindestens zwei Resonatorspiegeln (11-14), die einen Lichtweg (10) mit einer vorbestimmten Resonatorlänge aufspannen, derart eingekoppelt werden, daß die eingekoppelten Eingangslichtpulse (21) in der Resonatorvorrichtung (1) aufeinanderfolgend zu mindestens einem umlaufenden Lichtpuls linear überlagert wer­ den, wobei eine Auskopplung des mindestens einen umlaufenden Lichtpulses als Ausgangslichtpuls (31) aus der Resonatorvor­ richtung (1) mit einem Modulatorelement (15) erfolgt, mit dem der mindestens eine Ausgangslichtpuls aus der Resonatorvor­ richtung (1) auslenkbar ist, nachdem der mindestens eine um­ laufende Lichtpuls eine vorbestimmte Mindestenergie erreicht hat.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Modulatorelement (15) zur Auskopplung betätigt wird, nachdem mit einer Detek­ toreinrichtung (19) erfaßt worden ist, daß der umlaufende mindestens eine Lichtpuls die vorbestimmte Mindestenergie erreicht hat.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Modulatorelement (15) zur Auskopplung betätigt wird, nachdem eine Pulszählein­ richtung eine vorbestimmte Anzahl von in die Resonatorvorrich­ tung (1) eingekoppelten Eingangslichtpulsen (21) gezählt hat.

4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in der Resonatorvorrichtung (1) n umlaufende Lichtpulse er­ zeugt werden, wobei jeweils ein umlaufender Lichtpuls mit Ein­ gangslichtpulsen (21) überlagert wird, die zeitlich n Ein­ gangslichtpulse (21) voneinander beabstandet sind.

5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Phasenanpassung zwischen den Eingangslichtpulsen (21) und dem mindestens einen umlaufenden Lichtpuls erfolgt, indem auf der Grundlage eines von der Wirksamkeit der Einkopplung der Eingangslichtpulse (21) in die Resonatorvorrichtung (1) abhän­ gigen Stellsignals die Wellenlänge der Eingangslichtpulse (21) oder die Resonatorlänge der Resonatorvorrichtung (1) einge­ stellt wird.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem eine hochfrequente Modulierung der Eingangslichtpulse (21) erfolgt und das Stell­ signal aus einem phasenempfindlich detektierten Detektorsignal abgeleitet wird, das dem an einem Einkoppelspiegel (11) der Resonatorvorrichtung (1) reflektierten Anteil der Eingangs­ lichtpulse (21) entspricht.

7. Vorrichtung zur Lichtpulsverstärkung, die umfaßt

• - mindestens zwei Resonatorspiegel (11-14), die eine Resonatorvorrichtung (1) mit einer vorbestimmten Resona­ torlänge aufspannen, wobei ein erster Resonatorspiegel (11) einen Einkoppelspiegel für phasenkohärente, zeitlich äquidistante Eingangslichtpulse (21) eines Pulslasers (2) bildet und wobei der Lichtweg (10) frei von Verstärkungs­ medien ist, und
• - ein Modulatorelement (15), mit dem mindestens ein Aus­ gangslichtpuls (31) aus der Resonatorvorrichtung (1) aus­ lenkbar ist, wobei jeder Ausgangslichtpuls eine lineare Überlagerung einer vorbestimmten Vielzahl von Eingangs­ lichtpulsen (21) darstellt.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei dem die optische Resonatorlänge dem Produkt aus dem Pulsabstand und der Lichtgeschwindigkeit oder ganzzahligen Vielfachen oder Teilen davon entspricht.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, bei der das Modulatorelement (15) ein akustooptischer Modulator ist.

10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei der eine Detektoreinrichtung (19) vorgesehen ist, die zur Erfassung der Energie des mindestens einen umlaufenden Lichtpulses eingerichtet ist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, bei der eine Steuer­ einrichtung vorgesehen ist, die ein Schaltsignal (16a) an das Modulatorelement (15) abgibt, nachdem mit der Detektoreinrichtung (19) die vorbestimmte Mindestenergie des mindestens einen umlaufenden Lichtpulses erfaßt worden ist.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der mindestens ein Resonatorspiegel (12) mit einer Verstelleinrichtung (17) zur Veränderung der Resonatorlänge versehen ist.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, bei der eine Dispersionskompensierungseinrichtung vorgesehen ist.

14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, bei der eine Einrichtung (18, 18a-18c) zur Wellenlängenstabilisierung vorgesehen ist, die eine Modulatoreinrichtung (18a) zur Modulierung der Eingangslichtpulse (21), eine Detektorein­ richtung (18) zur Erfassung eines nicht in die Resonator­ vorrichtung (1) eingekoppelten Anteils der modulierten Eingangslichtpulse, eine Modulatorquelle (18c) und einen Phasendetektor (18b) zur phasenempfindlichen Detektion des Detektorsignals der Detektoreinrichtung (18) und zur Erzeugung eines Stellsignals zur Wellenlängen­ stabilisierung umfaßt.