DE19802845B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung mittels eines Lichtwellenleiter-Verstärkers - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen, gekennzeichnet durch
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von Signallicht,
einen nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung, der das durch die optische Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt, und
einen Frequenzwandler (20), der aus dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebene optische Impulse empfängt, wobei der Frequenzwandler (20) die optischen Hochleistungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von Signallicht,
einen nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung, der das durch die optische Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt, und
einen Frequenzwandler (20), der aus dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebene optische Impulse empfängt, wobei der Frequenzwandler (20) die optischen Hochleistungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung und insbesondere ein System, das einen Oszillator, einen Verstärker, einen Kompressor und einen Frequenzwandler zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen verwendet.
- Techniken zur Erzeugung von kurzen und ultrakurzen optischen Impulsen bei Lichtwellenleitern sind bereits seit einigen Jahren bekannt und sind vor kurzem auf vielen Gebieten angewandt worden. Beispielsweise sind wie in der Clark erteilten US-5 530 582 offenbart und wie durch A. Hariharan u.a. in „Alexandrite-pumped alexandrite regenerative amplifier for femtosecond pulse amplification", „Optics Letters", Bd. 21, S. 128 (1996) berichtet ultrakurze optische Impulse als Injektionsquellen verwendet worden. Die Injektionseinkopplung ("injection seeding") von Hochleistungsverstärkern zieht wie durch Clark und Hariharan beschrieben wesentlich aus Impulswellenlängen Nutzen, die in dem Bereich unter 1,2 μm liegen. Ähnliche Einschränkungen gelten für viele andere derzeit verfolgte Anwendungen von ultrakurzen Impulsen, beispielsweise bei der THz-Erzeugung (wie durch W. Denk in „Two-photon excitation in functional biological imaging", „Journal of Biomedical Optics", Bd. 1, S. 296 (1996) berichtet) oder in der konfokalen Mikroskopie (wie durch van Exter u.a. in „ Terahertz time-domain spectroscopy of water vapor", „Optics Letters", Bd. 14, S. 1128 (1989) berichtet). Derartige Wellenlängen können durch Frequenzverdopplung der Impulse aus einem ultraschnellen Erbium-Lichtwellenleiteroszillator (wie durch Clark und L.E. Nelson u.a. in „Efficient frequency-doubling of a femtosecond fiber laser", „Optics Letters", Bd. 21, S. 1759 (1996) vorgeschlagen) erzeugt werden, d.h. einen Oszillator, der Impulse in der Größenordnung von 100 fs erzeugt, oder wahlweise von Lichtwellenleiter-Verstärkersystemen (wie durch Hariharan vorgeschlagen). Jedoch lehrt keine dieser Veröffentlichungen, daß der Wirkungsgrad der Frequenzverdopp lung durch eine Einschränkung der spektralen Akzeptanz- bzw. Toleranzbandbreite des Verdopplungskristalls optimiert werden kann.
- Außerdem lehrt keine dieser Veröffentlichungen, daß eine hervorragende Leistungsfähigkeit auch durch Implementierung von Oszillator- bzw. Verstärkerentwürfen mit nichtlinearen Verstärkern oder durch Implementierung von Oszillator- bzw. Verstärkerentwürfen mit nichtlinearen Kompressoren erhalten werden kann.
- Vor dem Impulsverstärker oder -kompressor verwendete Impulse müssen nicht von einem Lichtwellenleiteroszillator hergeleitet werden, wie in den vorstehend erwähnten Veröffentlichungen von Clark und Hariharan beschrieben wurde. Wahlweise können Impulse aus optischen Großeinrichtungen (siehe Islam u.a.: „Broad-bandwidths from frequency-shifting solitons in fibers", „Optics Letters", Bd. 14, S. 370 (1989)) oder Diodenlasern (siehe Galvanauskas u.a.: „Generation of femtosecond optical pulses with nanojoule energy from a diode laser and fiber based system", „Applied Physics Letters", Bd. 63, S. 1742 (1993) und Ong u.a.: „Subpicosecond soliton compression of gain-switched diode laser pulses using an erbiumdoped fiber amplifier", „IEEE Journal of Quantum Electronics", Bd. 29, S. 1701 (1993)) verwendet werden. Es sei bemerkt, daß die durch Clark und Hariharan offenbarten Systeme lineare Verstärker verwenden, und nicht vorgeschlagen wird, daß Impulse von einem nichtlinearen Verstärker hergeleitet werden. Außerdem verwenden die durch Islam, Galvanauskas und Ong offenbarten Systeme keine Frequenzverdopplung.
- Darüber hinaus erfordert die Erzeugung der kürzestmöglichen Impulse mit Systemen nur mit Oszillatoren, wie die durch Clark, Nelson u.a. offenbarten, typischerweise komplizierte Hohlraum-Entwürfe mit relativ hohen optischen Verlusten, die deswegen nicht sehr effektiv bei der Erzeugung einer maximalen Ausgangsleistung für eine bestimmte Pumpleistung sind.
- Die
DE 195 10 432 A1 zeigt einen modenverkoppelten Faserlaser mit ultrakurzen Impulsen, die durch nicht-lineare Effekte erzeugt werden. - Hinsichtlich der Kompressionstechniken bei Systemen zur Erzeugung von ultrakurzen optischen Impulsen gibt es zwei Möglichkeiten: die Verwendung eines Lichtwellenleiters mit positiver Dispersion (der keine Solitonwelle gestattet), wie in der Kafka erteilten US-4 913 520 sowie durch Tamura u.a.: „Pulse compression using nonlinear pulse evolution with reduced optical wave breaking in erbium-doped fiber amplifiers with normal group-velocity dispersion", „Optics Letters", Vol. 21, Nr. 1, (1996), S. 68–70, offenbart; oder die Verwendung von Lichtwellenleitern mit negativer Dispersion (die eine Solitonwelle gestattet), wie durch Islam u.a. offenbart. Es wird auch auf „Peak Power Fluctuations in Optical Pulse Compression" von Kafka u.a., „IEEE Journal of Quantum Electronics", Bd. 24, S. 341 (1988) verwiesen. Obwohl Lichtwellenleiter mit positiver Dispersion im Prinzip für die Erzeugung von Impulsen von weniger als 10 fs verwendet werden können, erfordern derartige Lichtwellenleiter zusätzliche lineare Impulskompressoren, die einen Entwurf mit niedrigen Kosten verhindern. Auf gleiche Weise kann bei Kompressionstechniken mit einem Lichtwellenleiter mit positiver Dispersion der Ramaneffekt im allgemeinen nicht verwendet werden, da die Wirkungen der Ramanumwandlung nachteilig eingeschätzt werden (siehe Kafka).
- Deswegen werden Impulskompressoren auf Grundlage von Lichtwellenleitern mit negativer Dispersion trotz der Tatsache bevorzugt, daß die erzeugte Impulsbreite typischerweise länger als 10 fs ist, da derartige Lichtwellenleiterkompressoren derart entworfen werden können, daß sie nicht auf externen linearen Impulskompressoren beruhen. Darüber hinaus können derartige Kompressoren derart entwickelt werden, daß sie aus der Raman-Eigenfrequenzverschiebung bei Lichtwellenleitern einen Vorteil ziehen, die dazu neigt, das Spektrum des komprimierten Impulses weiter zu verbreitern (siehe Islam u.a.).
- Dies kann jedoch zu der Erzeugung eines Austastimpulses mit niedrigem Pegel in dem erwünschten komprimierten Impuls führen, was bei vielen Anwendungen von ultraschneller Optik ab träglich ist. Demgegenüber ist die Spektralentwicklung des Ramanimpulses nützlich, da sie ein bestimmtes Ausmaß an Abstimmbarkeit gestattet (siehe Islam u.a.). Derartige Impulskompressoren sind nachstehend als Soliton-Raman-Kompressoren (SRC) beschrieben.
- Eine frühe Systemimplementierung eines Soliton-Raman-Kompressors bei einem Erbium-Lichtwellenleiter-Verstärker wurde durch K. Kurokawa u.a. in „Wavelength-dependent amplification characteristics of femtosecond erbium-doped optical fiber amplifiers", „Applied Physics Letters", Bd. 58, S. 2871 (1991) beschrieben. Jedoch erzeugte in dem darin offenbarten System ein Diodenlaser die „Einkopplungs"-Impulse für den Soliton-Raman-Verstärker.
- Eine weitere Systemimplementierung eines Soliton-Raman-Kompressors bei einem Erbium-Lichtwellenleiter-Verstärker, die auf einem unpraktischen starken Lasersignal und Pumpquellen beruht, wurde durch I. Y. Kruschev u.a. in „Amplification of Femtosecond Pulses in Er3+-doped single-mode optical fibers", „Electronics Letters", Bd. 26, S. 456 (1990) berichtet.
- Die erste Implementierung eines Soliton-Raman-Kompressors bei einem Erbiumverstärker unter Verwendung eines Lichtwellenleiter-Lasers als Einkopplung wurde durch Richardson u.a. in „Passive all-fiber source of 30 fs pulses", „Electronics Letters", Bd. 28, S. 778 (1992) und in „Amplificatin of femtosecond pulses in a passive all-fiber soliton source", „Optics Letters", Bd. 17, S. 1596 (1992) beschrieben. Jedoch implementieren die in den Veröffentlichungen durch Islam u.a., Galvanauskas u.a., Ong u.a., Kafka, Tamura u.a., Kurokawa u.a., Khrushchev u.a. und Richardson u.a. offenbarte Systeme keine Frequenzumwandlung unter Verwendung eines nichtlinearen Verstärkersystems zur Erzeugung einer frequenzverdoppelten Wellenlänge.
- Außerdem sehen die in den Veröffentlichungen von Islam u.a., Galvanauskas u.a., Ong u.a., Tamura u.a., Kurokawa u.a., Khrushchev u.a. sowie Richardson u.a, keine Steuerung des Polarisationszustands des Soliton-Raman-Kompressors vor. Derzeit ziehen Soliton-Raman-Kompressoren einen Nutzen aus dem Ramaneffekt in Lichtwellenleitern, der wiederum von dem Pola risationszustand des Lichts in dem Lichtwellenleiter und der Lichtwellenleiter-Doppelbrechung abhängt, wie durch Menyak u.a. in „Raman effect in birefringent optical fibers", „Optics Letters", Bd. 16, S. 566 (1991) offenbart ist. Darüber hinaus kann eine nichtlineare Polarisationsentwicklung in hochgradig nichtlinearen Soliton-Raman-Kompressoren stattfinden, wie durch Fermann u.a. in „Optics Letters", Bd. 19, S. 43 (1994) berichtet wurde. Daher kann ein reproduzierbarer und stabiler Soliton-Raman-Kompressor ohne Polarisationssteuerung nicht aufgebaut werden.
- Die in dem vorangehenden Abschnitt aufgeführten Veröffentlichungen lehren auch nicht, wie der Wirkungsgrad von Soliton-Raman-Kompressoren allgemein zu maximieren ist und wie die Impulsenergie der mit den Soliton-Raman-Kompressoren erzeugten – komprimierten Impulse zu maximieren ist. Da die mit unkritisch phasenangepaßten Verdopplungskristallen erhaltbare Verdopplungseffektivität wie periodisch gepolte LiNbO3 (PPLN) hauptsächlich von der Impulsenergie abhängt und nicht kritisch von der Impulsbreite abhängt, bei Verwendung von konfokaler Fokussierung, ist die Maximierung der Impulsenergie eindeutig ein kritischer Punkt.
- In der vorstehenden Veröffentlichung von Richardson u.a. wurde vorgeschlagen, daß eine unbestimmte Steuerung der Modengröße eines Lichtwellenleiter-Oszillators und eines Lichtwellenleiter-Verstärkers zu der Erzeugung der kürzestmöglichen Impulse führen kann. Jedoch kann eine Maximierung der Impulsenergie von einem derartigen System tatsächlich eine höhere Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge erzeugen.
- Als Alternative zu Soliton-Raman-Kompressoren ist eine adiabatische Soliton-Verstärkung zur Impulskompression diskutiert worden (siehe E. M. Dianov u.a., „Optics Letters", Bd. 14, S. 1008 (1989)). Im allgemeinen erfordert der adiabatische Zustand, daß der Verstärkungskoeffizient α pro Solitonperiode wesentlich kleiner als 1 ist. In diesem Fall ist die Solitonperiode des Solitons mit Ld ≈ 0,5 |β2|/τ2 definiert, wobei τ die FWHM- (volle Breite, halbes Maximum) Impulsbreite des Solitons und β2 die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Lichtwellenleiters ist. Alternativ muß bei einer adiabatischen Soliton-Verstärkung das Aufbrechen der grundlegenden Solitonwelle mit N = 1 in eine Solitonwelle mit N = 2 verhindert werden. Da die Energie einer Solitonwelle mit N = 2 für dieselbe Impulsbreite viermal höher als das für eine Solitonwelle mit N = 1 ist, sollte die Verstärkung g pro Solitonperiode kleiner als ungefähr 2 sein. Infolgedessen müssen typischerweise Verstärkerlängen von einigen 10m bis zu mehreren km Länge verwendet werden, was nicht praktisch ist. Auf gleiche Weise kann wegen nichtlinearer Effekte höherer Ordnung in dem Lichtwellenleiter die Impulsenergie nach derart langen Lichtwellenleiterlängen verglichen mit dem, was mit kurzen Verstärkern möglich ist, geringer sein.
- Als weitere Alternative zu Soliton-Raman-Kompressoren können Femtosekunden-Impulse durch Chirpimpuls-Verstärkung (CPA) bei Lichtwellenleitern verstärkt werden, wie durch Minelly u.a. in „Optics Letters", Bd. 20, S. 1797 (1995) und in der Galvanauskas u.a. erteilten US-5 499 134 offenbart ist. Jedoch wird typischerweise so keine Impulsverkürzung, sondern eher eine Impulsverbreiterung wegen der begrenzten Bandbreite des Verstärkungsmediums und der zur Impulskomprimierung und Impulsdehnung verwendeten Gitter erhalten. Daher sind derartige Systeme weniger nützlich, solange die Impulsenergie ungefähr wenige nJ erreicht.
- In dem durch Minelly u.a. beschriebenen System wurde ein Doppelmantel-Lichtwellenleiter, d.h. ein Lichtwellenleiter mit einem Doppelstufen-Beugungsindexprofil als Lichtwellenleiter implementiert. Daher wurde ein Mantelpumpen (wie in der Kafka erteilten US-4 829 529 offenbart) zur Abgabe des Pumplichts in den Lichtwellenleiter-Verstärker implementiert. Wie in der Veröffentlichung durch Minelly u.a. gelehrt kann die Modengröße der einzelne Grundmode in derartigen Lichtwellenleitern erhöht werden, während gleichzeitig eine hohe Konzentration des Dotierstoff-Lösungsmittels (Al2O3 bei Minelly u.a.) beibehalteyn wird, das den Index erhöht. Wiederum kann eine hohe Konzentration eines Dotierstoff-Lösungsmittels die Lösbarkeit eines Dotierstoffs (Er3+ bei Minelly u.a.) erhöhen, was zu einem hohen Quantenwirkungsgrad für einen derartigen Verstärker führen kann.
- Jedoch lehren Minelly u.a. nicht, daß das Leistungsvermögen derartiger Lichtwellenleiter zur Femtosekundenimpuls-Verstärkung durch Richten des Pumplichts direkt in den Kern optimiert werden kann, anstelle ein Mantelpumpen zu implementieren.
- Als Alternative zur Chirpimpuls-Verstärkung kann auch eine lineare Verstärkung kurzer optischer Impulse in Betracht gezogen werden. Ob ein Verstärker als linear oder nichtlinear betrachtet werden kann, hängt von der durch den Verstärker verursachten nichtlinearen Phasenverzögerung Φn1 ab. Nimmt man einen linearen Anstieg der Impulsenergie mit der Lichtwellenleiterlänge bei einem gesättigten Verstärker und eine Verstärkungsrate von wesentlich mehr als dem adiabatischen Zustand an, ist die nichtlineare Phasenverzögerung Φn1 eines Impulses bei einem Verstärker der Länge L ungefähr gegeben durch wobei n2 der nichtlineare Brechungsindex, n2 = 3,2 × 10–20W–1 für Siliziumglas, A die Kernfläche, λ die Signalwellenlänge und τ die Impulsbreite ist. In diesem Fall wurde eine dispersionsfreie Verstärkung mit einer Stufe angenommen; für eine Verstärkung mit zwei Stufen wird L/2 durch L ersetzt. Her kömmliche Laserverstärker sind typischerweise derart entwikkelt, daß sie eine gute Impulsqualität bei einer Signalwellenlänge erzeugen, was eine Entwicklung für einen Verstärker mit Φn1 < 5 impliziert.
- Es sei bemerkt, daß das Problem der Polarisationssteuerung bei einem Nichtpolarisation erhaltenden Lichtwellenleiter durch Implementation von Faraday-Rotationsspiegeln (FRMs) minimiert werden kann. Vorangegangene Verwendungen von Faraday-Rotationsspiegeln waren tatsächlich jedoch auf lineare Lichtwellenlaserverstärker beschränkt, wie in der Duling u.a. erteilten US-5 303 314 offenbart, oder nur auf ultraschnelle Femtosekunden-Lichtwellenleiterlaser, wie in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung durch Fermann u.a. offenbart.
- Auf sämtliche der vorstehend erwähnten Artikel und Patentschriften sei hiermit zur Bezugnahme verwiesen.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kurze optische Impulse mit einer Signalwellenlänge (SW) in kurze optische Impulse mit einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW) umzuwandeln. Erfindungsgemäß weist ein System einen Kurzimpuls-Oszillator, einen Verstärker, einen Kompressor und einen Frequenzwandler auf, wobei der Verstärker und der Kompressor hochgradig nichtlinear sein und der Vorgang der Verstärkung und Kompression in einer optischen Einheit kombiniert werden können. Die Implementation eines Frequenzwandlungsvorgangs gestattet die Verwendung von sehr hochgradig nichtlinearen Verstärkern oder Kompressoren mit einer Signalwellenlänge (SW) ohne Eingehen von Kompromissen hinsichtlich der Impulsqualität bei einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW).
- Die Entwicklung des Oszillators, des Verstärkers sowie des Kompressors kann hinsichtlich der Energie effektiver als Entwicklungen nur mit grundlegenden Oszillatoren sein, da die Erzeugung der kürzestmöglichen Impulse aus Oszillatoren typischerweise komplizierte Hohlraum-Entwürfe mit relativ hohen optischen Verlusten beinhaltet, die daher nicht sehr effektiv bei der Erzeugung einer maximal möglichen Ausgangsleistung für eine bestimmte Pumpleistung sind. Darüber hinaus gestattet die Implementation eines nichtlinearen Verstärker-/Impulskompressors die Verwendung von Oszillator-Einkopplungsimpulsen mit bedeutend längeren Impulsbreiten als bei Techniken nur mit Oszillatoren zum Erhalt einer schließlich bestimmten ultrakurzen Impulsbreite. Dies gestattet wiederum eine Vereinfachung des Oszillatorentwurfs und führt zu einer wesentlichen Kostensenkung für das System.
- Eine besondere Systemimplementierung weist einen Kurzimpuls-Lichtwellenleiter-Laseroszillator, einen Lichtwellenleiter-Verstärker, einen Soliton-Raman-Kompressor (SRC) und einen nichtlinearen Kristall (NC) auf, wobei eine nichtlineare Frequenzumwandlung hauptsächlich bei dem nichtlinearen Kristall auftritt. Durch einen umsichtigen Entwurf des Soliton-Raman-Kompressors und eine geeignete Wahl des nichtlinearen Kristalls wird der Wirkungsgrad des Umwandlungsvorgangs maximiert, und die fast bandbreitenbegrenzten Impulse bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge werden selbst mit Impulsen niedriger Qualität bei der Signalwellenlänge erzeugt.
- Der Soliton-Raman-Kompressor wird durch Steuerung dessen Polarisationszustand und dessen Dispersionseigenschaften durch Verwendung von Lichtwellenleitern mit großen Modenwerten und durch Steuerung des Werts der Raman-Verschiebung bei dem Verstärker optimiert.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Lichtwellenleiter-Verstärker mit dem Soliton-Raman-Kompressor kombiniert, wobei der Wirkungsgrad des Verstärkers durch Implementierung von Lichtwellenleitern mit Doppelstufenprofilen des Brechungsindexes optimiert werden kann. Langzeitverschiebungen des Polarisationszustands werden durch Verwendung eines Faraday-Rotationsspiegels (FRM) in Verbindung mit einem Verstärker und einem Soliton-Raman-Kompressor vermieden. Alternativ kann die Verwendung eines polarisationserhaltenden, erbiumdotierten Lichtwellenleiters für den Verstärker und den Soliton-Raman-Kompressor verwendet werden.
- Erfindungsgemäß wird demonstriert, daß eine Frequenzumwandlung hauptsächlich nicht nur für den komprimierten Teil der aus dem Soliton-Raman-Kompressor austretenden Impulse implementiert werden kann, wohingegen der unkomprimierte Impulsteil in dem nichtlinearen Frequenzumwandlungsvorgang unterdrückt werden kann. Außerdem kann durch Auswahl eines nichtlinearen Vorgangs mit einer Akzeptanzbandbreite, die kleiner als die Bandbreite der aus dem Soliton-Raman-Kompressor austretenden Impulse ist, der Wirkungsgrad der nichtlinearen Frequenzumwandlung optimiert werden.
- Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung gestattet die Raman-Verschiebung bei dem Soliton-Raman-Kompressor und der Implementierung eines nichtlinearen Frequenzumwandlungsvorgangs eine beschränkte Abstimmbarkeit der frequenzverdoppelten Wellenlänge.
- Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird Pumplicht direkt in den Lichtwellenleiterkern eines Doppelmantel-Lichtwellenleiters gepumpt, damit ein Vorteil aus der Tatsache gezogen werden kann, daß die Pumpabsorption in dem Lichtwellenleiterkern höher als die Absorption in dem Mantel um einen Faktor ist, der proportional zu dem Verhältnis (Fläche des Innenmantels)/(Kernfläche) ist. Diese Anordnung gestattet die Verwendung von kürzeren Verstärker-Lichtwellenleitern als dies mit Mantelpumpen möglich ist, was wiederum die Nichtlinearität des Verstärkers zur Verstärkung von Femtosekundenimpulsen minimiert.
- Schließlich kann bei Anpassung an konfokale Mikroskopieanwendungen das Leistungsvermögen einer erfindungsgemäßen Impulsquellen-/Lichtwellenleiter-Verstärker-/Frequenzwandleranordnung durch Auswahl von fast bandbreitenbegrenzten Impulsquellen optimiert werden, die relativ lange Impulse erzeugen, damit eine fast lineare Verstärkung bei dem Lichtwellenleiter-Verstärker gestattet wird.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine Doppelstufenkonfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung, -
2 das Beugungsindexprofil des Verstärkers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, -
3 eine interferometrische Autokorrelation der frequenzverdoppelten, optischen Impulse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
4 die Spektra der aus dem Soliton-Raman-Kompressor bei unterschiedlichen Temperaturen des PPLN austretenden Impulse gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, -
5 die abgesenkte Spektralbreite bei dem Oszillator und bei dem Verstärker wegen der Eigenphasenmodulation bei dem Verstärker, wenn die Pumpleistung verringert ist, -
6 eine Einzelstufenkonfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung, -
7 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem Gegenrichtungspumpen verwendet wird, -
8 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Lichtwellenleiter-Verstärker zwei Dotierpegel und einen undotierten Lichtwellenleiterabschnitt aufweist, -
9 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Doppelmantel-Verstärker-Lichtwellenleiter verwendet wird, -
10 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Multimoden-Lichtwellenleiter-Verstärker verwendet wird, -
11 ein Blockschaltbild der Erfindung, -
12 ein Blockschaltbild der Erfindung, bei dem ein linearer Verstärker und ein nichtlinearer Kompressor verwendet werden, und -
13 ein anderes Blockschaltbild der Erfindung. - Lediglich beispielhaft werden nachstehend drei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Das Ziel des Systems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, die durchschnittliche Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW) ohne Eingehen von Kompromissen hinsichtlich der Impulsbreite zu maximieren. Das Ziel des Systems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, die durchschnittliche Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge insbesondere zur Optimierung des Wirkungsgrades zur Verwendung der frequenzverdoppelten Wellenlänge bei konfokaler Mikroskopie zu maximieren. Das Ziel des Systems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, die erforderliche Pumpleistung für den Lichtwellenleiter-Verstärker des Systems zu minimieren.
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1 stellt die Konfiguration eines Hochleistungs-Femtosekunden-Impulserzeugungssystems gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel dar. Gemäß1 erzeugt ein Lichtwellenleiteroszillator10 Einkopplungsimpulse. Der Lichtwellenleiteroszillator10 kann beispielsweise ein in der Umgebung stabiler Erbium-Lichtwellenleiter sein, der bei einer Wellenlänge von 1,5 μm arbeitet. Ein derartiger Lichtwellenleiteroszillator wurde in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung von Fermann u.a. offenbart. Der Lichtwellenleiteroszillator10 kann bandbreitenbegrenzte Impulse von 300 fs mit einer Wiederholungsrate von 50 MHz mit einer einstellba ren durchschnittlichen Ausgangsleistung von 1 bis 5 mW erzeugen. Vorzugsweise sind die Impulse linear polarisiert. - Es sei bemerkt, daß die Einkopplungsimpulse nicht von einem Lichtwellenleiteroszillator erzeugt werden müssen; alternativ können Impulse aus optischen Großeinrichtungen oder Diodenlasern verwendet werden. Aus der Perspektive der Kosten sind Impulse entweder aus einem Diodenlaser oder aus einem Lichtwellenleiterlaser-Oszillator vorzuziehen. Im allgemeinen wird erwartet, daß ein Lichtwellenleiteroszillator sauberere und kürzere Impulse erzeugt, was dafür vorteilhaft ist, damit eine effektivere nichtlineare Impulskompression stattfindet. Da die Anwendung von ultraschnellen Impulsen soviel Impulsleistung wie möglich hinsichtlich eines optischen Entwurfs erfordert, der leicht herzustellen ist, kann die Verwendung von Verstärkern auch sehr effektiv sein, die den Vorgang der Impulsverstärkung und der Impulskomprimierung kombinieren.
- Bei dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden Impulse mit einer durchschnittlichen Leistung von 2 mW in einen Soliton-Raman-Kompressor (SRC)-Erbium-Lichtwellenleiter-Verstärker
11 über einen Isolator12 für das Signallicht bei 1,5 μm, einen darauffolgenden Polarisations-Strahlenteiler13 sowie zwei Wellenplatten14 und15 eingekoppelt, die hinter dem Polarisations-Strahlenteiler13 zur Einstellung des Polarisationszustands des in den Verstärker-Lichtwellenleiter11 eingegebenen Signallichts eingesetzt werden. Die (links des Polarisations-Strahlenteilers13 in1 gezeigte) Wellenplatte21 optimiert den Durchsatz zu dem Polarisations-Strahlenteilers13 , die Wellenplatte22 optimiert den Polarisationszustand in den (nachstehend beschriebenen) PPLN20 , und ein Linsensystem23 koppelt das Signallicht in den Verstärker-Lichtwellenleiter11 . Der gesamte Einkopplungs-Wirkungsgrad von dem Oszillator10 zu dem Verstärker-Lichtwellenleiter11 wird durch den geeigneten Einsatz von modenangepaßten Linsen gesteuert, und ein Wirkungsgrad von 70 % oder mehr (bis zu 100 %) kann erreicht werden. - Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel behält der Verstärker-Lichtwellenleiter
11 die Nichtpolarisation bei und weist einen Er3+-Dotierpegel von 0,1 Molekülprozent und ein Doppelstufenprofil des Beugungsindexes auf. Das Beugungsindexprofil des Verstärker-Lichtwellenleiters11 ist in2 abgebildet. Der innere Kern weist eine numerische Apertur (NA) 0,12 und einen Durchmesser von ungefähr 8 μm auf. Der äußere Kern weist einen Durchmesser von ungefähr 25 μm und eine numerische Apertur von 0,18 auf. Es sei bemerkt, daß das Pumplicht direkt in den inneren Kern des Verstärker-Lichtwellenleiters11 gerichtet werden kann. Der Verstärker-Lichtwellenleiter11 wird durch eine Pumpe16 bei 1,48 μm über einen Wellenlängenmultiplex- (WDM-) Koppler17 gepumpt, wobei das Pumplicht über einen Breitbandisolator geleitet wird, damit ein Verlust des Hochleistungs-Signallichts bei 1,5 μm verhindert wird. Nach dem WDM-Koppler17 wird eine Pumpleistung von 100 mW in den Verstärker-Lichtwellenleiter11 gekoppelt. Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des Verstärker-Lichtwellenleiters11 ungefähr 2,5 m; die gesamte Länge des zur Signallichtausbreitung verwendeten WDM-Lichtwellenleiters ist auf 0,50 m begrenzt. Obwohl1 einen dispersionskompensierenden Lichtwellenleiter18 darstellt, der nachstehend näher beschrieben wird, muß das System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel keinen dispersionskompensierenden Lichtwellenleiter verwenden. - Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verstärker-Lichtwellenleiter
11 um einen Er3+-dotierten Lichtwellenleiter. Der Verstärker-Lichtwellenleiter11 kann jedoch irgendein mit ErYb+, Pr, Tm, Ho dotierter Lichtwellenleiter oder ein mit seltenen Erden dotierter Lichtwellenleiter sein, der mit einem geeigneten Oszillator kombiniert ist. Außerdem dient der Verstärker-Lichtwellenleiter11 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auch als der Soliton-Raman-Kompressor; jedoch können der Verstärker und der Soliton-Raman-Kompressor getrennte Komponenten sein. - Gemäß
1 kann ein Doppelstufenaufbau zur Signallichtverstärkung verwendet werden. Bei dem Doppelstufenaufbau ist es vorteilhaft, einen Faraday-Rotationsspiegel (FRM)19 an einem Ende des Verstärker-Lichtwellenleiters11 zu implementieren. Der Polarisationszustand des Lichts an dem Ausgang des Verstärker-Lichtwellenleiters11 ist dann senkrecht zu dem Polarisationszustand bei dem Eingang, weshalb der vorstehend erwähnte Polarisations-Strahlenteiler13 für nahezu 100 % Wirkungsgrad der Ausgangskopplung des verstärkten Lichts aus dem System verwendet werden kann. Obwohl ein Faraday-Rotationsspiegel in1 abgebildet ist, kann jede Lichtwellenleiter-Polarisations-Steuereinrichtung oder eine λ/4-Wellenplatte verwendet werden. - Es sei bemerkt, daß selbst bei dem Vorhandensein der erwünschten nichtlinearen Frequenzverschiebung bei dem Verstärker-Lichtwellenleiter
11 die Einstellungen der beiden Wellenplatten14 und15 bei dem Eingang des Verstärker-Lichtwellenleiters11 eine sehr effektive Ausgangskopplung des verstärkten Lichts gestatten. Außerdem gestattet eine Einstellung der Wellenplatten14 und15 eine Optimierung des Soliton-Raman-Kompressors durch Steuerung des Polarisationszustands in dem Lichtwellenleiter und durch Steuerung einer nichtlinearen Polarisationsentwicklung in dem Verstärker-Lichtwellenleiter11 . - In mit dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durchgeführten Untersuchungen wurde hinter der doppelten Stufe des Verstärker-Lichtwellenleiters
11 eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 30 mW (Impulsenergie von 600 pJ) gemessen. Bei Ersetzen der Einkopplungs-Signalimpulse mit einem CW – (Continuous Wave-) Signal mit demselben durchschnittlichen Signalpegel wurde eine durchschnittliche Leistung von bis zu 37 mW aus dem Verstärker-Lichtwellenleiter11 entnommen. Der Energieverlust von 20 % bei gepulster Verstärkung entsteht aus der Raman-Verschiebung der verstärkten Impulse bei der Signalwellenlänge (SW). Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt die Raman-Verschiebung 20 nm, was die Signalimpulse außerhalb der Verstärkungsbandbreite von Erbium verschiebt. Darüber hinaus können optische Verluste wegen der begrenzten Bandbreite der optische Elemente (WDM-Koppler usw.) verursacht werden, was durch die verstärkten Impulse begegnet wird. - Gemäß
1 werden die verstärkten und komprimierten Impulse auf einer Länge von 0,8 mm von periodisch gepolten LiNbO3 (PPLN)20 frequenzverdoppelt, wobei eine konfokale Fokussierung verwendet wird. Gemäß diesem Beispiel ist der PPLN20 nicht mit AR beschichtet. Die Polungsperiode des PPLN wird auf 19,25 μm eingestellt, was mit dem Maximum des Spektrums des komprimierten Impulses aus dem Soliton-Raman-Kompressor ungefähr übereinstimmend gewählt wird. Die Erwärmung des PPLN20 auf Temperaturen zwischen 50°C bis 150°C kann zur Feinabstimmung der optimalen Frequenzverdopplungswellenlängen sowie zur Verhinderung eines photorefraktiven Schadens bei dem PPLN20 verwendet werden. Die Länge des PPLN wird zur Erzeugung einer Frequenzverdopplungsbandbreite einer Größe gewählt, die vergleichbar mit oder kleiner als die Bandbreite der komprimierten Impulse aus dem Soliton-Raman-Kompressor ist. Es sei jedoch bemerkt, daß die spektrale Akzeptanzbandbreite des PPLN bei der Signalwellenlänge viel kleiner als der Wert des Spektrums bei der Signalwellenlänge ohne eine Strafe hinsichtlich des gesamten Verdopplungswirkungsgrades sein kann. Der PPLN wandelt die Frequenz selbst eines Signalwellenlängen-Spektrums außerhalb dessen Nenn-Akzeptanzbandbreite effektiv um. Dies ist auf einen nichtlinearen Vorgang zurückzuführen, der ähnlich zu einer Summenfrequenzerzeugung ist, die wie nachstehend beschrieben bei dem PPLN auftritt. Dies steht im Widerspruch zu einem Frequenzwandlerentwurf, wie er in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung von Nelson u.a. beschrieben ist, der keine Punkte erwähnt, die auf die endliche Akzeptanzbandbreite eines Frequenzwandlerkristalls bezogen sind. - Die frequenzverdoppelten Impulse weisen eine Wellenlänge von 790 nm, eine durchschnittliche Leistung von 6,3 mW, eine Impulsbreite von 120 fs und ein Zeit-Bandbreite-Produkt von 0,66 auf, wenn man eine Gaußförmige Impulsform annimmt. Daher liegen die sich ergebenden Impulse innerhalb eines Faktors von 50 % der Bandbreitengrenze. Eine interferometrische Autokorrelation der Impulse ist in
3 abgebildet, die die gute Qualität der Impulse veranschaulicht. Es sei bemerkt, daß durch Veränderung des Polarisationszustands vor dem Verstärker-Lichtwellenleiter11 des Soliton-Raman-Kompressors eine Veränderung der gemessenen, frequenzverdoppelten Leistung zwischen 0,1 und 6,3 mW beobachtet wird, was das Erfordernis der Polarisationssteuerung bei diesem hochgradig nichtlinearen Verstärker veranschaulicht. - Der sich ergebende Umwandlungs-Wirkungsgrad von Pumplicht zu Femtosekundenimpulsen bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge beträgt daher 6,3 %. Demgegenüber beträgt der Umwandlungs-Wirkungsgrad von Signallicht zu frequenzverdoppeltem Licht 21 % Daher weist der Soliton-Raman-Kompressor einen Kompressions-Wirkungsgrad von ungefähr 60 % auf, was sehr vorteilhaft mit Ergebnissen verglichen werden kann, die mit Lichtwellenleiter-Kompressoren mit positiver Dispersion erreichbar sind, wie diejenigen, die in der vorstehend erwähnten US-4 913 520 offenbart sind.
- Diese Untersuchungsergebnisse wurden durch Implementierung eines Verstärkers mit einem großen Kerndurchmesser zur Maximierung der Energie der aus dem Soliton-Raman-Kompressor austretenden, komprimierten Impulse erhalten. Für einen Impuls mit einer festgelegten Breite τ steigt die Solitonenergie W proportional zu der Lichtwellenleiter-Kernfläche A und der Lichtwellenleiterdispersion β2. Da der Soliton-Raman-Kompressor einen solitonähnlichen Impuls erzeugt, gestattet eine Maximierung der Kernfläche eine Maximierung der erzeugten Soliton-Impulsenergie aus dem Soliton-Raman-Kompressor. Außerdem minimiert ein großer Kerndurchmesser auch die Lichtwel lenleiter-Wellenleiter-Dispersion, was wiederum die totale Lichtwellenleiterdispersion β2 maximiert. Obwohl das letztere lediglich ein Sekundäreffekt ist, erhöht es weiter die Impulsenergie.
- Es sei bemerkt, daß das Signal hinter der Doppelstufe des Verstärker-Lichtwellenleiters
11 tatsächlich kleiner als nach einer einzelnen Stufe ist. Abgesehen von durch den großen Wert der Raman-Verschiebung verursachten Energieverluste, die in dem Verstärker-Lichtwellenleiter11 auftreten, hat der Verstärker-Lichtwellenleiter11 auch eine Überlänge, d.h, das meiste des Pumplichts wird zu der Zeit absorbiert, zu der es das Einkopplungsende des Verstärker-Lichtwellenleiters11 erreicht. Daher ist der Verstärker an diesem Ende nicht vollständig invertiert, und es tritt ein Signalverlust bei der Signalwellenlänge auf. - Nachstehend wird das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Entwicklungskriterien für das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden hauptsächlich zum Erfüllen der Erfordernisse eines konfokalen Zweiphoton-Abbildungssystems ausgewählt. Es sei angenommen, daß die frequenzverdoppelte Wellenlänge (ungefähr 800 nm gemäß diesen Beispielen) als Quelle für die Zweiphoton-Erregung verwendet wird. Es kann gezeigt werden, daß die Anzahl von durch die Zweiphoton-Erregung für einen festgelegten Strahldurchmesser erzeugten Photonen M proportional ist zu: wobei const eine Konstante, P, f, τ die durchschnittliche Leistung, die Wiederholungsrate und die FWHM-Impulsbreite der Erregerquelle sind. Gemäß Gleichung 2 ist es eindeutig wichtiger, die durchschnittliche Leistung zu erhöhen, als die Impulsbreite für eine effektive, konfokale Zweiphoton-Abbildung zu verringern. Es sei jedoch bemerkt, daß bei tatsächlichen biologischen Systemen sowohl Schadens-Schwellwerte als auch Photobleichbetrachtungen der auf Impulsleistung, -energie und -breite bezogenen biologischen Proben bestehen können, die durch Gleichung (2) nicht berücksichtigt sind. Bei der Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels wird die Maximierung der durchschnittlichen Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge jedoch ohne Berücksichtigung des Schadens oder von Photobleichpunkten beschrieben.
- Die in
1 dargestellte Anordnung kann auch auf das zweite Ausführungsbeispiel angewandt werden. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel darin, daß eine Oszillatorleistung von 4 mW verwendet wird. Der Verstärker-Lichtwellenleiter11 ist ähnlich wie der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; jedoch ist die numerische Apertur des inneren Kerns auf ungefähr NA = 0,10 abgesenkt und die Größe des inneren Kerns auf ungefähr 10 μm erhöht. Außerdem ist der Er-Dotierpegel um ungefähr 25 % auf ungefähr 750 ppm verringert. Die Länge des Verstärker-Lichtwellenleiters11 beträgt 2,6 m und wird derart ausgewählt, daß sie die höchste Durchschnittsleistung für einen linearen Betrieb des Verstärkers erzeugt (d.h. durch Verwendung eines CW-Signals von 4 mW als Einkopplung). Die Länge des PPLN20 wird auf 1,2 mm erhöht, damit die Länge der Impulse bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge erhöht wird; die Periode des PPLN20 wird auf 18,75 μm verringert, damit eine effektive Frequenzverdopplung bei 1,56 μm gestattet wird. In mit dem System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel durchgeführten Untersuchungen erzeugte eine Doppelstufe der Einkopplungsimpulse über den Verstärker-Lichtwellenleiter11 54 mW bei der Signalwellenlänge, wohingegen eine Doppelstufe eines CW-Signals eine Leistung von 57 mW bei der Signalwellenlänge erzeugte, d.h. ein Signalverlust von lediglich 5 % wurde durch den nichtlinearen Betrieb des Verstärkers verursacht. Es wurde herausgefunden, daß das Spektrum der aus den Soliton-Raman-Kompressor austretenden Impulse in der Mitte bei 1,56 μm (wie in4 dargestellt) lag. Es wurde heraus gefunden, daß die Impulse bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge eine Wellenlänge von ungefähr 780 nm, eine durchschnittliche Leistung von 12 mW, eine Impulsbreite von 190 fs mit einer Spektralbreite innerhalb von 50 % der Bandbreitengrenze aufweisen. Eine Veränderung der Polarisation vor dem Soliton-Raman-Kompressor-Verstärker-Lichtwellenleiter11 erzeugte eine Veränderung der Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge zwischen 7 bis 12 mW. Der sich ergebende Umwandlungs-Wirkungsgrad bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge beträgt 22 %, was Reflexionsverluste berücksichtigt, und der Umwandlungs-Wirkungsgrad steigt auf 29 %. Verglichen mit dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Anzahl von Photonen M um einen Faktor von 2,2 erhöht. - Die hohe Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Ergebnis der Optimierung des linearen Verstärker-Wirkungsgrads und der Beschränkung der Raman-Verschiebung der Impulse auf Wellenlängen in der Nähe der Wellenlänge der Oszillatorimpulse (innerhalb ungefähr 10 nm gemäß diesem Beispiel). Dies steht im Gegensatz zu dem durch Richardson u.a. in „Amplification of femtosecond pulses in a passive all-fiber soliton source" (vorstehend diskutierten) berichteten System, in dem eine Raman-Verschiebung von 30 nm verwendet wurde. Die Impulsbreite des Raman-Solitons gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist eindeutig länger als diejenige gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Tatsächlich kann wegen der verringerten Nichtlinearität des Verstärkers das Raman-Soliton nicht vollständig entwickelt werden, und eine Impulskompression kann wegen eines großen Umfangs einer Soliton-Kompression von höherer Ordnung entstehen. Wegen der relativen Unempfindlichkeit von M auf die Impulsbreite erzeugt jedoch das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein höheres M als für das erste Ausführungsbeispiel.
- Der gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen erhaltene hohe Frequenzumwandlungs-Wirkungsgrad ist auch auf die Ausbeutung eines allgemeineren Frequenzumwandlungsvorgangs als nur Frequenzverdopplung zurückzuführen. Zur Verifikation des Vorhandenseins eines derartigen nichtlinearen Frequenzumwandlungsvorgangs wurde die Temperatur des PPLN
20 verändert, während die Spektra bei der Signalwellenlänge und bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge gemessen wurden. Die Ergebnisse sind in4 abgebildet. Es sei bemerkt, daß wegen des Vorhandenseins einer Soliton-Kompression mit höherer Ordnung das Spektrum bei der Signalwellenlänge in zwei Teile mit einer Verarmung in der Mitte des Spektrums aufgeteilt wird, was dem Ort des Spektrums des injizierten Oszillatorimpulses entspricht. Bei T = 162°C wird eine Frequenzumwandlung hauptsächlich bei der ramanverschobenen Wellenlänge erhalten; bei T = 100°C wird eine Frequenzumwandlung bei dem Verarmungspunkt erhalten, wohingegen bei T = 25°C eine Frequenzumwandlung hauptsächlich an dem blauen Ende des Signalwellenlängen-Spektrums erhalten wird. Es wurde beobachtet, daß der Umwandlungs-Wirkungsgrad bei einer frequenzverdoppelten Wellenlänge an dem Verarmungspunkt am höchsten ist, was eindeutig nicht allein mit einer einfachen Erzeugung einer zweiten Harmonischen erklärt werden kann. Eher erzeugt ein Vorgang wie eine Summenfrequenzerzeugung die frequenzverdoppelte Wellenlänge. Jedoch ist derzeit der genaue physikalische Ursprung dieses Phänomens nicht bekannt. Einige mögliche Erklärungen sind: die Resonanznatur des Frequenzverdopplungsvorgangs bei der PPLN, Effekte wegen des Impulschirps, Effekte wegen der kaskadierten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung in dem Kristall oder gerade Effekte wegen des Imaginärteils der Nichtlinearität zweiter oder dritter Ordnung des PPLN20 oder eine Wechselwirkung zwischen Nichtlinearitäten höherer Ordnung in dem PPLN20 . Nachstehend wird auf diesen nichtlinearen Vorgang einfach als summenfrequenzerzeugungsähnliche Frequenzumwandlung (SLF) bezug genommen. - Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde experimentell beobachtet, daß die summenfrequenzerzeugungsähnliche Frequenzumwandlung die Verwendung eines nichtlinearen Kristalls (NC) mit einer Verdopplungsbandbreite gestattet, die wesentlich kleiner als die Bandbreite des Soliton-Raman-Kompressors ohne einen Kompromiß hinsichtlich des Umwandlungs-Wirkungsgrades bei einer Frequenzverdopplungswellenlänge ist. Dies ist nützlich, da es die Steuerung der Impulsbreite der Impulse der Frequenzverdopplungswellenlänge ohne einen Kompromiß hinsichtlich der Leistung bei der Frequenzverdopplungswellenlänge gestattet. Mit anderen Worten kann der nichtlineare Kristall die Leistung bei der Signalwellenlänge effektiv in eine Frequenzverdopplungswellenlänge durch Entnahme von Energie aus dem größten Teil des Spektrums bei den Impulsen bei der Signalwellenlänge (d.h. aus einem Spektrum, das größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite des nichtlinearen Kristalls ist); daher können Impulse bei der Signalwellenlänge von relativ schlechter Qualität zur effektiven Frequenzumwandlung verwendet werden. Dies ist ein wertvolles Merkmal für die Entwicklung jeder Verstärker-/Frequenzwandleranordnung, da dieses Merkmal eine effektive Frequenzumwandlung nicht nur bei einer einzelnen Signalwellenlänge, sondern in einem innerhalb des gesamten Spektralbereichs der Signalwellenlänge gemäß
4 abstimmbaren Wellenlängenbereich ermöglicht. - Es ist aufschlußreich, die Nichtlinearität des vorstehend beschriebenen Verstärkers unter Verwendung von Gleichung (1) zu berechnen. Für eine eingegebene Impulsbreite τ von 300 fs und eine Impulsenergie von E = 1,2 nJ wird Φn1 = 16,6 erhalten. Daher können selbst hochgradig nichtlineare Verstärker (Kompressoren) Impulse mit sehr hoher Qualität erzeugen, sobald eine frequenzverdoppelte Wellenlänge verwendet wird. Dieses Prinzip wurde durch die vorstehend erwähnten Veröffentlichungen von Clark und Nelson u.a. nicht vorgeschlagen.
- Außerdem ist es aufschlußreich, das Leistungsvermögen mit einem linearen Verstärker zu vergleichen. Verglichen mit einem linearen Verstärker wird die Pumpleistung zum Erhalt einer verstärkten Impulsenergie von 400 pJ verringert, was zu Φn1 ≈ 5 führt. Wegen der Eigenphasenmodulation bei dem Verstärker nimmt die Spektralbreite von ungefähr 8,2 nm (Spitze) bei dem Oszillator auf 5,7 nm bei dem Verstärker (unten) ab, wie in
-
5 dargestellt ist. Gemäß5 wird wie erwartet eine höhere Spektralqualität von verstärkten Impulsen bei „linearen" Verstärkern erhalten. - Nachstehend wird das System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die in
1 dargestellte Anordnung wird auch auf das dritte Ausführungsbeispiel angewandt. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird ein in der Umgebung beständiger Oszillator verwendet, der Impulse von 50 pJ mit einer Wiederholungsrate von 5 MHz erzeugt. Die Impulse haben eine Bandbreite von 20 nm und sind positiv gechirped, d.h. der Chirp kann mit einer Länge von ungefähr 8 Metern eines eine Solitonwelle erlaubenden Lichtwellenleiters (Corning SMF28) kompensiert werden. Nach der Implementierung einer Chirp-Kompensation wurde beobachtet, daß die gemessene Impulsbreite bei der Signalwellenlänge 190 fs beträgt (wenn man eine Gaußsche Form annimmt), d.h. fast bandbreitenbegrenzte Impulse können auf diese Weise nach einer Chirp-Kompensierung erhalten werden. - Die Entwicklung des Verstärkersystems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu denen gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen beschriebenen abgesehen von den folgenden Ausnahmen. Der Verstärker-Lichtwellenleiter
11 weist eine numerische Apertur von ungefähr 0,16 und einen Kerndurchmesser von ungefähr 6 μm auf. Die Verstärkerlänge beträgt 1,1 m. In den Verstärker wird 90 mW Pumplicht bei 980 nm gepumpt. Ein dispersionskompensierender Lichtwellenleiter19 , der ein Teil von mehreren Metern eines genormten Fernmelde-Lichtwellenleiters (Corning SMF28) ist, wird zwischen dem Wellenmultiplex-Koppler17 und dem Faraday-Rotationsspiegel19 zur Dispersionskompensation eingefügt. Die gesamte Länge des Lichtwellenleiters zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkersystems, über das das übertragene Signallicht eingestellt wird, wird zum Erhalt einer optimalen Dispersionskompensation der Oszillatorimpulse eingestellt. Diese Optimierung kann durch Messen der Impulsbreite der aus dem Verstärker austretenden Impulse mit einem Autokorrelator und Einstellung der Länge des eingefügten, genormten Fernmelde-Lichtwellenleiters verifiziert werden, bis eine aus dem System austretende, minimale Impulslänge erhalten wird. Während der Dispersions-Einstellphase wird die Pumpleistung bei dem Verstärker auf einen Pegel verringert, bei dem jegliche nichtlinearen Vorgänge in dem Verstärker minimiert werden, so daß keine Raman-Verschiebung des Signals beobachtet wird. - Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Entwicklung des Frequenzverdopplersystems identisch mit den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, aber das PPLN
20 mit einer Länge von nur 600 μm wird verwendet. Das System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß die Dispersion des Verstärkersystems auf Null eingestellt und leicht gesteuert werden kann, was nützlich beim Erhalt der kürzestmöglichen Impulse aus dem Soliton-Raman-Kompressor ist. Da die Impulse über die gesamte Länge des Verstärkers stark gechirped sind, treten jegliche Nichtlinearitäten nur in dem letzten Teil des Verstärkers auf, was beim Erhalt der höchstmöglichen Ausgangsimpulsenergie aus dem Soliton-Raman-Kompressor vorteilhaft ist. - Bei dem System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Signalimpulse auf eine Leistung von 4 mW verstärkt (eine Impulsenergie von 800 pJ/Impuls). Nach der Frequenzverdopplung werden Impulse von 100 fs mit einer durchschnittlichen Leistung von 1 mW experimentell bei 790 nm erhalten. Es wurde ermittelt, daß das Zeit-Bandbreite-Produkt ungefähr 0,50 beträgt, wenn man Gaußsche Impulse annimmt; daher betrugen die Impulse innerhalb von 10 bis 20 % der Bandbreitengrenze. Dies demonstrierte die vorteilhafte Wirkung der bei diesem System implementierten Dispersionseinstellung. Es wurde herausgefunden, daß der Wirkungsgrad der Frequenzverdopplung 25 % beträgt und niedriger als der ist, der für einen bandbreitenbeschränkten Signalimpuls von 800 pJ erwartet wird.
- Bei sämtlichen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele werden relativ hohe Erbium-Dotierpegel zwischen 700 bis 1500 ppm trotz der Abnahme des Quanten-Wirkungsgrades dieser Arten von Verstärkern verglichen mit niedrigeren Dotierpegeln implementiert. Diese hohen Dotierpegel gestatten eine Minimierung der verwendeten Verstärkerlängen. Da Impulse von 1 nJ mit einer Breite von 100 fs eine Spitzenleistung von 10 kW haben, weisen sie wesentliche Nichtlinearitäten bei nur 20 bis 30 cm Lichtwellenleiter selbst für Verstärker mit großem Kern auf. Außerdem werden Impulse von 100 fs durch Dispersion dritter Ordnung in dem Lichtwellenleiter
11 beeinträchtigt. Deswegen ist es vorteilhaft, die Länge des Verstärkersystems zur Maximierung der Impulsqualität und zur Minimierung der erhaltbaren Impulsbreite zu minimieren. Allgemein sollte die Länge des Verstärkersystems jedoch nicht zu kurz sein, da zumindest der Einsatz der Soliton-Kompression höherer Ordnung sichergestellt werden muß, damit eine wesentliche Impulsverkürzung ermöglicht wird. Falls die Nichtlinearität des Verstärkers tatsächlich zu klein ist, führt eine Eigenphasenmodulation bei Lichtwellenleitern mit negativer Dispersion gemäß5 zu einer Impulsverbreiterung. - Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind einige andere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich. Insbesondere kann eine Dispersionsoptimierung oder ein Nulldispersionssystem bei den Systemen gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel oder irgendein Verstärkersystem verwendet werden. Eine Kombination eines positiven oder negativen Dispersions-Lichtwellenleiters kann zum Erreichen einer Dispersionsoptimierung verwendet werden. Gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen kann ein positivdispersions-kompensierender Lichtwellenleiter
18 mit einer geeigneten Länge zwischen dem Wellenlängenmultiplex-Koppler17 und dem Faraday-Rotationsspiegel19 gemäß1 eingesetzt werden. - Außerdem kann ein Einzelstufenaufbau in dem Soliton-Raman-Kompressor implementiert werden. Eine Systemimplementierung ist in
6 abgebildet. Zur Ermöglichung einer vollständigen Polarisationsstabilität kann ein polarisationserhaltender Verstärker (PMA) verwendet werden. Die Polarisation des Lichts aus dem Oszillator10 wird dann mit einer der Polarisationsachsen des polarisationserhaltenden Verstärkers ausgerichtet. Der Polarisationszustand an dem Ausgang wird derart eingestellt, daß er den höchsten Verdopplungsumwandlungs-Wirkungsgrad erzielt. Ein polarisationserhaltender Lichtwellenleiter ist jedoch kein Erfordernis bei einem Einzelstufenaufbau, da eine Kombination von Wellenplatten an dem Eingang14 ,15 und an dem Ausgang60 des Soliton-Raman-Kompressors zur Maximierung des Wirkungsgrades des Frequenzverdopplungsvorgangs wie in6 dargestellt verwendet werden kann. Jedoch wird eine bessere langfristige und Umgebungs-Stabilität mit einem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter erwartet. Außerdem kann auch ein unterschiedlicher Wellenlängenmultiplex-Koppler61 (und62 ) implementiert werden. Bei den in6 dargestellten Wellenlängenmultiplex-Kopplern61 und62 wird das Pumplicht in den Verstärker11 über eine mikrooptische Anordnung gekoppelt, die dichroitische Spiegel beinhaltet. Derartige Wellenlängenmultiplex-Koppler können tatsächlich Freiraum-Ausgänge aufweisen, was bei der Minimierung jeglicher Kopplerleitungen und optischer Verluste in Verstärkersystemen nützlich ist. Ein vollständig polarisationsstabiles System erfordert eindeutig einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter über das Verstärkersystem. Die Spleiße zwischen unterschiedlichen Abschnitten des polarisationserhaltenden Lichtwellenleiters sollten sicherstellen, daß die Polarisationsachsen der Lichtwellenleiter ausgerichtet sind. - Da es vorteilhaft ist, soviel Pumpleistung wie möglich für den Soliton-Raman-Kompressor erhältlich zu haben, kann mehr als eine Pumpdiode verwendet werden. Eine Anordnung mit zwei Pumpdioden
63 und64 ist ebenso in6 dargestellt. Eine ähnliche Anordnung könnte mit einer Doppelstufe für das (nicht dargestellte) Signallicht verwendet werden. Außerdem können Polarisations-Strahlenteiler für das Pumplicht bei den Wellenlängenmultiplex-Kopplern enthalten sein, damit die Verwendung von bis zu vier (nicht dargestellten) Pumpdioden gestattet wird. - Zusätzlich zu der Soliton-Kompression höherer Ordnung oder der Erzeugung von Raman-Solitons können adiabatische Impulsverstärker auch zur Verkürzung der Impulsbreite aus dem Oszillator verwendet werden. Zur Sicherstellung der Verstärkung in der Nähe der Adiabazität wird ein gegengerichtetes, gepumptes Verstärkersystem wie in
7 dargestellt bevorzugt. Gegengerichtetes Pumpen gestattet eine Zunahme der Verstärker-Verstärkung pro Längeneinheit mit einer Abnahme der Impulsbreite bei der Abwesenheit einer Verstärkersättigung, was mit der Adiabazität kompatibel ist. Die Verwendung von polarisationserhaltenden Lichtwellenleitern ist bei derartigen Systemen eindeutig vorteilhaft. - Für Anwendungen bei konfokaler Zweiphoton-Mikroskopie ist es in der Abwesenheit von Beschränkungen hinsichtlich des Schadens und des Photobleichens auch nützlich, auf nahezu lineare Verstärkersysteme zum Erhalt eines hohen Werts M zurückzugreifen. Wiederum ist in diesem Fall ein gegengerichteter, gepumpter Verstärker am nützlichsten, da er die Nichtlinearität des Verstärkers minimiert, obwohl ein Doppelstufensystem ebenfalls möglich ist. Das erwartete Leistungsvermögen eines derartigen Systems kann durch dessen Vergleichen mit dem System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel geschätzt werden. Angenommen, daß ein optimal entwickelter Einzelstufenverstärker ungefähr 30 % länger als ein Zweistufenverstärker sein muß, beträgt die optimale Länge des Verstärkers ungefähr L = 3,4 m für einen Einzelstufenverstärker mit einem Er-Dotierpegel von ungefähr 750 ppm. Unter Verwendung eines PPLN-Kristalls mit einer Länge von ungefähr 3 mm kann eine Impulsbreite von ungefähr 500 fs bei der Frequenzverdopplungswellenlänge erhalten werden. Da der erwartete Kleinsignal-Verdopplungswirkungsgrad von PPLN ungefähr 95 %/nJ für einen bandbreitenbegrenzten, sech2-geformten Impuls ist, kann ein gesamter Verdopplungs-Wirkungsgrad von ungefähr 40 % für derartige Impulse erhalten werden. Daher kann die lineare Konfiguration gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Leistungspegel von 23 mW bei der Frequenzverdopplungswellen länge erzeugen, einen Wert von M von 30 % höher als denjenigen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Jedoch berücksichtigt diese Zahl nicht Impulsverbreiterungseffekte bei „fast linearen" Verstärkern und eine Verringerung des Frequenzumwandlungswirkungsgrads wegen der restlichen, kleinen Nichtlinearität derartiger Systeme. Falls die Verwendung von längeren Impulsen bei praktischen, konfokalen Zweiphoton-Meßsystemen nichtsdestotrotz kompatibel mit Beschränkungen hinsichtlich des Schadens und des Photobleichens ist, können längere Impulse bevorzugt werden, da sie das Meßsystem wegen der verringerten Dispersionsprobleme innerhalb des konfokalen Mikroskops vereinfachen. Es sei bemerkt, daß das kritische Element bei einem derartigen System ein sehr wirksamer Verstärker mit großem Kern und ein Oszillator ist, der keine ultrakurzen Impulse erzeugt, sondern eher Impulse mit Breiten von einigen 100 fs. Natürlich kann eine willkürlich lange Impulsbreite aus einem Breitband-Oszillator durch Verwendung von Spektralfilterung ausgewählt werden. Dies führt jedoch zu einem Leistungsverlust. Als bessere Alternative kann eine Einkopplungs-Impulsquelle verwendet werden, die eine Impulsbreite von mehr als 500 fs erzeugt. Die Verwendung von polarisationserhaltenden Lichtwellenleitern ist bei derartigen Systemen eindeutig vorteilhaft.
- Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben können Überlängenverstärker bei einem Soliton-Raman-Kompressor zum Erhalt eines maximalen Verdopplungs-Umwandlungs-Wirkungsgrades verwendet werden. Da dort eine sehr geringe Verstärkung in dem letzten Abschnitt eines Überlängenverstärkers vorliegt, kann ein undotierter Lichtwellenleiter
80 in dem letzten Abschnitt des Soliton-Raman-Kompressors verwendet werden. Dann kann die Länge des Verstärkers zum Erhalt einer optimalen Signalverstärkung und daraufhin ein undotierter Lichtwellenleiter mit großem Kern in den Verstärker-Lichtwellenleiter zum Erhalt eines Soliton-Raman-Kompressorvorgangs aufgespleißt werden. Eine derartige Anordnung für einen Einzelstufenverstärker ist in8 abgebildet. Ein (nicht dargestellter) Doppelstufenaufbau kann ebenfalls implementiert werden. - Zur Maximierung des gesamten Wirkungsgrades des gesamten Systems können Verstärker
81 und82 mit unterschiedlichen Dotierpegeln (wie auch in8 dargestellt) implementiert werden. Da der Wirkungsgrad von typischen Lichtwellenleiter-Verstärkern mit einer Abnahme des Dotierpegels bei den vorderen Stufen der Verstärkung zunimmt, können niedrige Dotierpegel für die Verstärker implementiert werden; da der Signalpegel bei den ersten Stufen der Verstärkung gering ist, kann eine größere Länge des Verstärkers mit einem niedrigen Dotierpegel toleriert werden. - Zur Erhöhung der erhaltbaren Pumpleistung für den Soliton-Raman-Kompressor und zur Minimierung der Kosten der Pumpquelle kann wie in
9 dargestellt ein Doppelmantel-Lichtwellenleiter90 implementiert werden. Doppelmantel-Lichtwellenleiter gestatten ein Pumpen des Systems mit Breitstreifen-Diodenanordnungs-Lasern. Der Einfachheit halber ist nur eine einzelne Stufe in9 abgebildet. Zum Ermöglichen von Mantelpumpen können Er-dotierte oder Er-/Yb-dotierte Lichtwellenleiter verwendet werden. Die Erweiterung auf eine Doppelstufe ist aus der vorangehenden Diskussion ersichtlich. Gemäß9 wird die Pumpleistung über eine Endkopplung auf eine Diodenanordnung91 über einen dichroitischen Spiegel92 erzeugt. Jedoch können Multimoden-Lichtwellenleiterkoppler zur Ausführung dieser Funktion verwendet werden. Alternativ kann das Seitenkoppeln der Pumpleistung in den Doppelmantel-Lichtwellenleiter auch implementiert werden. - Da der Soliton-Raman-Kompressor ein hochgradig nichtlineares System ist, ist auch die Verwendung von Verstärkern oder undotierten Lichtwellenleitern mit großem Kern akzeptabel, die leicht mehrmodig arbeiten. Bei Multimoden-Lichtwellenleitern werden die Einkoppelbedingungen für den Verstärker-Lichtwellenleiter derart ausgewählt, daß vorzugsweise die Grundmode eingekoppelt wird, obwohl allgemein dann auch Moden höherer Ordnung erregt werden. Solange die Leistung in der Grundmode höher als oder vergleichbar mit der Leistung in all den anderen Moden ist, beeinflußt der Soliton-Raman-Kompressor die Grundmode zuerst. Die Raman-Verschiebung der Grundmode kann dann in Verbindung mit dem Frequenzverdoppler zum Erhalt eines nahezu beugungsbegrenzten Ausgangssignals bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge implementiert werden. Wiederum kann auch ein Doppelmantel-Lichtwellenleiter in einem derartigen System implementiert werden. Eine einen Multimoden-Lichtwellenleiter
100 verwendende mögliche Systemimplementierung ist in10 abgebildet.10 zeigt einen Einzelstufenaufbau, aber ein Doppelstufenaufbau ist auch möglich. Ein dichroitischer Großspiegel92 kann zur Kopplung des Pumplichts aus einer Laserdiode91 verwendet werden. Es sei jedoch bemerkt, daß Multimoden-Koppler vollständig aus Lichtwellenleitern auch zur Durchführung dieser Funktion verwendet werden können. Auf gleiche Weise kann auch eine Seitenkopplung des Pumplichts implementiert werden. - Außerdem ist wie vorstehend beschrieben die Anwendung eines Frequenzumwandlungsvorgangs nicht auf Lichtwellenleiter-Verstärker oder nichtlineare Lichtwellenleiter-Kompressoren beschränkt. Im Prinzip kann jede Art eines nichtlinearen Verstärkers bei einer Signalwellenlänge mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung Φn1 > 5 (wie vorstehend berechnet) verwendet werden, und eine Frequenzumwandlung kann dann einen Impuls mit hoher Qualität bei einer frequenzumgewandelten Wellenlänge erzeugen. Eine derartige Systemimplementierung ist allgemein in
11 abgebildet. Eine Systemimplementierung mit einem Verstärker, einem nichtlinearen Kompressor und einem PPLN-Frequenzverdoppler ist in12 abgebildet. Natürlich können der Lichtwellenleiter-Verstärker und der Kompressor in ein einzelnes optisches Element kombiniert werden. Auf gleiche Weise könnten ein nichtlinearer Verstärker und ein linearer oder nichtlinearer Kompressor verwendet werden. - Wie vorstehend beschrieben ist die Verwendung eines PPLN für derartige Systeme besonders vorteilhaft, da der PPLN nicht kritisch phasenangepaßt ist und eine sehr effektive Frequenzumwandlung gestattet. Die Auswahl eines PPLN-Kristalls oder eines Frequenzwandlers mit einer Akzeptanzbandbreite bei der Signalwellenlänge von weniger als der Bandbreite der Quelle bei der Signalwellenlänge ist dann zur Erzeugung der Impulse mit der höchstmöglichen Qualität mit dem höchstmöglichen Umwandlungs-Wirkungsgrad vorteilhaft.
- Darüber hinaus kann das Prinzip der Verwendung eines Frequenzwandlers mit einer Akzeptanzbandbreite bei der Signalwellenlänge von weniger als der Bandbreite bei der Signalwellenlänge zur Frequenzumwandlung bei jeder Quelle von kurzen Impulsen angewandt werden. Eine derartige Systemimplementierung ist in
13 abgebildet. Wie vorstehend beschrieben ist die Verwendung eines PPLN für derartige Systeme besonders vorteilhaft, da der PPLN nicht kritisch phasenangepaßt ist und eine Steuerung der Akzeptanzbandbreite einfach durch Steuerung der Länge des Kristalls gestattet. Ein derartiger Abstimmbereich ist dann durch Auswahl des PPLN mit unterschiedlichen Polperioden oder durch Veränderung der Temperatur des PPLN erreichbar. Alternativ könnte jeder Typ eines periodisch gepolten nichtlinearen Kristalls zur Ausführung der Funktion der Frequenzumwandlung verwendet werden. - Eine Vorrichtung erzeugt Femtosekunden-Impulse aus Laserverstärkern durch nichtlineare Frequenzumwandlung. Die Implementierung einer nichtlinearen Frequenzumwandlung gestattet die Entwicklung von hochgradig nichtlinearen Verstärkern bei einer Signalwellenlänge (SW), während ein Impuls mit hoher Qualität bei ungefähr einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW) noch beibehalten wird. Eine nichtlineare Frequenzumwandlung wird auch für eine begrenzte Wellenlängenabstimmung der frequenzverdoppelten Wellenlänge gestattet. Beispielsweise wird das Ausgangssignal aus einem nichtlinearen Lichtwellenleiter-Verstärker frequenzgewandelt. Durch Steuerung des Polarisationszustands des nichtlinearen Lichtwellenleiter-Verstärkers und durch Betrieb des die Solitonwelle gestattenden Dispersionsbereichs des Grundglases wird eine effektive nichtlineare Impulskompression für die Signalwellenlänge erhalten. Die erzeugte Impulsbreite wird durch Verwendung von Soliton-Kompression bei dem Vorhandensein der Raman-Eigenfrequenzverschiebung in dem nichtlinearen Lichtwellenleiter-Verstärker bei der Signalwellenlänge optimiert. Hochleistungs-Impulse werden durch Einsatz von Lichtwellenleiter-Verstärkern mit großen Kerndurchmessern erhalten. Der Wirkungsgrad des nichtlinearen Lichtwellenleiter-Verstärkers wird durch Verwendung eines Doppelmantel-Lichtwellenleiters (d.h. eines Lichtwellenleiters mit einem Doppelstufenprofil des Brechungsindexes) und durch Pumpen von Licht direkt in den Innenkern dieses Lichtwellenleiters optimiert. Periodisch gepoltes LiNbO3 (PPLN) wird zur effektiven Umwandlung der Signalwellenlänge auf eine Frequenzverdopplungswellenlänge verwendet. Die Qualität der Impulse bei der Frequenzverdopplungswellenlänge kann durch nichtlineare Frequenzumwandlung der komprimierten und ramanverschobenen Signalimpulse bei der Signalwellenlänge weiter verbessert werden. Die Verwendung der Raman-Verschiebung verbessert den Abstimmbereich bei der Frequenzverdopplungswellenlänge weiter. Für Anwendungen bei konfokaler Mikroskopie wird ein besonderer linearer Lichtwellenleiter-Verstärker verwendet.
Claims (48)
- Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen, gekennzeichnet durch eine optische Quelle (
10 ) zur Erzeugung von Signallicht, einen nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung, der das durch die optische Quelle (10 ) erzeugte Signallicht empfängt, und einen Frequenzwandler (20 ), der aus dem nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) ausgegebene optische Impulse empfängt, wobei der Frequenzwandler (20 ) die optischen Hochleistungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt. - Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen der optischen Quelle (
10 ) und dem nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) angeordnete Polarisations-Steuereinrichtung (14 ,15 ), wobei die Polarisations-Steuereinrichtung (14 ,15 ) den Polarisationszustand des durch den nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) empfangenen Signallichts einstellt. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisations-Steuereinrichtung Wellenplatten (
14 ,15 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Quelle (
10 ) einen Lichtwellenleiter-Oszillator aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) einen Verstärker-Lichtwellenleiter (11 ;81 ;82 ;100 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ) mit seltenen Erden dotiert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ) mit Er3+, ErYb+, PrTm oder Ho dotiert ist. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) eine numerische Apertur (NA) von weniger als 0,15 aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) eine Kernfläche von mehr als 50 μm2 aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) eine Impulskompression ausführt. - Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) einen Soliton-Raman-Kompressor (SRC) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Impulskompressor zur Komprimierung der aus dem nichtlinearen Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) ausgegebenen optischen Impulse. - Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Impulskompressor ein Soliton-Raman-Kompressor (SRC) ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzwandler (
20 ) einen periodisch gepolten Kristall aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der periodisch gepolte Kristall (
20 ) einen periodisch gepolten Lithium-Niobat-Kristall (PPLN) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) in einem Doppelstufenaufbau angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Faraday-Rotationsspiegel (
19 ), eine Lichtwellenleiter-Polarisations-Steuereinrichtung oder eine λ/4-Wellenplatte, die an einem Ende des nichtlinearen Verstärkers (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen der optischen Quelle (
10 ) und dem nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) angeordneten Isolator (12 ). - Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an einem Ausgang des nichtlinearen Verstärkers (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) angeordneten Polarisations-Strahlenteiler (13 ). - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) in einem Einzelstufenaufbau angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem nichtlinearen Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) über einen ersten Wellenlängenmultiplex-Koppler (17 ;61 ) gekoppelte erste Pumpe (16 ;63 ), wobei die erste Pumpe (16 ;63 ) Pumplicht für den nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) erzeugt. - Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine über einen zweiten Wellenlängenmultiplex-Koppler (
62 ) an den nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) gekoppelte zweite Pumpe (64 ), wobei die zweite Pumpe (64 ) Pumplicht für den nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) erzeugt. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) ein polarisationserhaltender Lichtwellenleiter ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen der optischen Quelle (
10 ) und dem nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) angeordnete erste Polarisations-Steuereinrichtung (14 ,15 ) und eine zweite Polarisations-Steuereinrichtung (60 ) an einem Ausgang des nichtlinearen Verstärkers (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ). - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) einen gegengerichteten, gepumpten Verstärker aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) ein Überlängenverstärker ist und einen undotierten Lichtwellenleiter (80 ) an dessen Ausgangsende aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
81 ,82 ) einen ersten Verstärker-Lichtwellenleiter (81 ) mit einer ersten Dotierung und einen zweiten Verstärker-Lichtwellenleiter (82 ) mit einer zweiten Dotierung aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) einen mit einem Diodenanordnungs-Laser (91 ) gepumpten Doppelmantel-Lichtwellenleiter (90 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Pumplicht und das Signallicht direkt in einen Innenkern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (
90 ) eingekoppelt werden. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) einen Multimoden-Verstärker-Lichtwellenleiter (100 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtlineare Verstärker (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) einen dispersionskompensierenden Lichtwellenleiter (18 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dispersionskompensierenden Lichtwellenleiter (
18 ). - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine spektrale Akzeptanzbandbreite des Frequenzwandlers (
20 ) kleiner als eine Ausdehnung des Spektrums der aus dem nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) ausgegebenen optischen Impulse ist, wobei der Frequenzwandler (20 ) Energie aus einem Abschnitt des Spektrums der aus dem nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) ausgegebenen optischen Impulse, der größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite ist, in die spektrale Akzeptanzbandbreite umwandelt. - Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen, gekennzeichnet durch eine optische Quelle (
10 ) zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen und einen Frequenzwandler (20 ), der durch einen nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) erzeugte optische Impulse empfängt und optische Hochleistungs-Impulse mit einer frequenzumgewandelten Wellenlänge erzeugt, wobei eine spektrale Akzeptanzbandbreite des Frequenzwandlers (20 ) kleiner als eine Ausdehnung des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10 ) ist, und wobei der Frequenzwandler (20 ) Energie aus einem Abschnitt des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10 ), der größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite ist, in die spektrale Akzeptanzbandbreite umwandelt. - Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzwandler (
20 ) periodisch gepolt ist. - Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen, gekennzeichnet durch eine optische Quelle (
10 ) zur Erzeugung eines Signallichts, einen nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ), der das durch die optische Quelle (10 ) erzeugte Signallicht empfängt, einen nichtlinearen Kompressor, der durch den nichtlinearen Verstärker (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) erzeugte optische Impulse empfängt, und einen periodisch gepolten Frequenzwandler (20 ), der durch den nichtlinearen Kompressor komprimierte optische Impulse empfängt und die optischen Hochleistungs-Impulse mit einer frequenzumgewandelten Wellenlänge erzeugt. - Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (
10 ) zur Erzeugung von Signallicht, eine Einrichtung (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) zur nichtlinearen Verstärkung des Signallichts und eine Einrichtung (20 ) zur Frequenzumwandlung von durch die Einrichtung (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) zur nichtlinearen Verstärkung erzeugten optischen Impulsen, wobei die Einrichtung (20 ) zur Frequenzumwandlung die optischen Hochleistungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt. - Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (
60 ) zur Steuerung des Polarisationszustands des Signallichts. - Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Komprimierung der durch die Einrichtung (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) zur nichtlinearen Verstärkung erzeugten optischen Impulse. - Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Reflexion von optischen Impulsen durch die Einrichtung (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) zur nichtlinearen Verstärkung, wodurch ein Doppelstufenaufbau erzeugt wird. - Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (
16 ;63 ) zum Pumpen von Pumplicht in die Einrichtung (11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ) zur nichtlinearen Verstärkung. - Verfahren zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen, gekennzeichnet durch die Schritte Erzeugen eines Signallichts, nichtlineares Verstärken des Signallichts zur Erzeugung von verstärkten optischen Impulsen und Umwandeln der Frequenz der verstärkten optischen Impulse zur Erzeugung der optischen Hochleistungs-Impulse.
- Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt des Steuerns des Polarisationszustands des Signallichts.
- Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt des Komprimierens der optischen Impulse.
- Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Impulse während des Schritts des nichtlinearen Verstärkens komprimiert werden.
- Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass ein Doppelmantel-Lichtwellenleiter (
90 ) eine nichtlineare Verstärkung ausführt. - Verfahren nach Anspruch 46, gekennzeichnet durch den Schritt des Einkoppelns von Pumplicht und des Signallichts direkt in einen inneren Kern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (
90 ). - Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt des Reflektierens der optischen Impulse durch einen Verstärker-Lichtwellenleiter (
11 ,18 ;81 ,82 ;90 ;100 ), wodurch eine Doppelstufenkonfiguration erzeugt wird.
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