WO2003096116A1

WO2003096116A1 - Optisch-parametrischer oszillator und verstärker

Info

Publication number: WO2003096116A1
Application number: PCT/EP2003/004814
Authority: WO
Inventors: Harald Giessen; Jörn TEIPEL
Original assignee: Rheinische Friedrich-Wilhelms- Universität Bonn
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2003-11-20
Also published as: AU2003233305A1; DE10220871A1

Abstract

Optisch-parametrischer Oszillator und/oder Verstärker aufweisend ein nichtlineares optisches Element (10), in das im Betrieb Licht eines Lasers (1) als Pumpstrahl eingekoppelt ist, wobei der Spektralbereich des Pumpstrahles sich beim Durchlaufen des Elementes (10) verändert, insbesondere verbreitert, wobei zumindest ein Teil des Lichtes, welches das Element (10) durchlaufen hat, aus dem Strahl ausgekoppelt und erneut in das Element (10) eingekoppelt ist, wobei das Element (10) einen optischen Wellenleiter aufweist, der sich auf einem Teilstück zu einer Taille mit geringerem Durchmesser verjüngt, wobei die Taille einen Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern und eine Länge von weniger als 10 Metern aufweist und wobei in der Taille nichtlineare optische Prozesse auftreten.

Description

Optisch-Parametrischer Oszillator und Verstärker

Die Erfindung betrifft einen optisch-parametrischen Oszillator und/oder Verstärker aufweisend ein nichtlineares optisches Element, in das im Betrieb Licht eines Lasers als Pumpstrahl eingekoppelt ist, wobei der Spektralbereich des Pumpstrahles sich beim Durchlaufen des Elementes verändert, insbesondere verbreitert, und wobei zumindest ein Teil des Lichtes, welches das Element durchlaufen hat, aus dem Strahl ausgekoppelt und erneut in das Element eingekoppelt ist.

In solchen optisch-parametrischen Oszillatoren und Verstärkern (nachfolgend zusammenfassend Oszillatoren oder OPOs genannt) wird ankommende elektromagnetische Strahlung, beispielsweise Licht im ultravioletten, sichtbaren, und/oder infraroten Spektralbereich, mittels nichtlinearer Prozesse in Strahlung anderer Wellenlänge umgewandelt. Diese Pumpstrahlung wird dabei in einem oder mehreren nichtlinearen optischen Elementen in zwei Komponenten, die Signal- und die sogenannte Idlerstrahlung, umgewandelt. Solche OPOs sind in Lehrbüchern beschrieben. Als entscheidende Merkmale weisen sie den nichtlinearen Kristall auf, der das Pumplicht in Signal- und Idler umwandelt. Ein Teil der Strahlung oder die gesamte Strahlung wird in den nichtlinearen Kristall zurückführt, wo sie dann verstärkt wird (Rückkopplung).

Ein optisch-parametrischer Oszillator dieses einfachen Typs ist beispielsweise in DE19623477 beschrieben. Entscheidendes Merkmal für die Funktionsfähigkeit dieses Typs ist die Phasenanpassung von Pump-, Signal- und Idlerstrahlung, die Impuls- und Energieerhaltung für die Strahlung fordert:

und kpump=k_Sign_ai⁺ki_dier, dabei ist ω die Frequenz der Strahlung und k der zugehörige

BESTATIGUNGSKOPIE Wellenvektor. Im Falle der Pumpstrahlung kann es sich um cw- oder gepulste Strahlung handeln. In letzter Zeit wurden große Anstrengungen unternommen, neue nichtlineare Kristalle zu entwickeln, die die Effizienz der Lichtumwandlung erhöhen. Dabei können sogenannte periodisch-gepolte Kristalle aufgrund der verbesserten Phasenanpassung diese Effizienz erhöhen.

Es ist zudem wünschenswert, eine Abstimm-Möglichkeit für die zu erzeugenden Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung zu haben. OPOs bieten dazu verschiedene Möglichkeiten wie zum Beispiel Kristallwinkel, Kristalltemperatur, Pumpwellenlänge, Polungsperiode von periodisch gepolten Kristallen. Solche Lösungsmöglichkeiten sind in EP 0 857 997 beschrieben. Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft, einen weiten Abstimmbereich zu haben, der sich zum Beispiel über den gesamten sichtbaren Wellenlängenbereich und darüber hinaus ins Ultraviolette und ins Infrarote erstreckt. Dabei ist es mit Hilfe von ultrakurzen Pump-Pulsen in Kombination mit einem periodisch gepolten nichtlinearen Kristall mit einem von 50:50 abweichenden Polungszyklus möglich, effizient Wellenlängen im Sichtbaren zu erzeugen und diese abzustimmen. Die Herstellung derartiger Kristalle ist jedoch sehr schwierig und der Abstimmbereich erstreckt sich nicht über den kompletten Spektralbereich, zudem begrenzt die Phasenanpassungsfähigkeit der Kristalle die erreichte Bandbreite. Mehr als 150 nm Bandbreite lassen sich so nicht erzeugen, da bei dünnen Kristallen, die eine hohe Phasenanpassungsbandbreite besitzen, die Konversionseffizienz von Pumplicht zu Signallicht stark absinkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen solchen optisch-parametrischen Oszillator und/oder Verstärker zu schaffen, der sich mit einfachen und kostengünstigen Mitteln umsetzen läßt und der Pulse mit hoher Bandbreite, weiter spektraler Durchstimmbarkeit und potentiell kurzer Pulsdauer erzeugt, wobei die erreichbare Pulsdauer invers proportional zu ihrer spektralen Bandbreite ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Oszillator und/oder Verstärker mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Der erfindungswesentliche Kerngedanke liegt darin, die bei den rückgekoppelten OPOs bislang benutzten Kristalle durch mehr oder minder lange Wellenleiter zu ersetzten. Diese Wellenleiter sind dabei so beschaffen, daß sie zumindest ein Teilstück aufweisen, in dem nichtlineare optische Prozesse auftreten oder als Ganzes derart beschaffen sind. Erfindungsgemäß zeichnen sich die Wellenleiter oder die entsprechenden Teilstücke dadurch aus, daß sie diese Eigenschaften schon auf einer Länge von weniger als 10 Metern gewährleisten, wobei der Durchmesser 10 Mikrometer nicht überschritten ist. Wegen besonders starker nichtlinearer Prozesse ist es dabei zu bevorzugen, wenn der Durchmesser weniger als 6 Mikrometer beträgt.

Zudem ist es besonders vorteilhaft, wenn sich der Wellenleiter von einem zunächst großen Durchmesser zu dem Teilstück geringeren Durchmessers verjüngt. Ein solcher sich verjüngender Wellenleiter macht die Einkopplung des Lichtes in das nichtlineare enge Teilstück auf einfache Weise möglich und ist damit einfacher zu handhaben, als eine Einkopplung, die beispielsweise durch eine fokussierende Optik erfolgt. Um eine besonders einfach handhabbare Auskopplung des Lichtes zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn der Wellenleiter im Teilstück zu einer Taille verjüngt ist, sich also nach der Verjüngung wieder zu einem größeren, insbesondere dem ursprünglichen Querschnitt erweitert. Dabei hat sich herausgestellt, daß eine Taillenlänge von mehr als einem Millimeter und von weniger als 300 Millimetern besonders vorteilhaft ist. Solche Fasern können bequem in entsprechenden Halterungen eingespannt werden, so daß eine große mechanische Stabilität gewährleistet ist.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen nichtlinearen Wellenleiter zu realisieren. Eine besonders einfache und daher zu bevorzugende Form ist die der sogenannten „tapered fiber". Dazu wird eine bekannte Glasfaser lokal so lange erwärmt, bis sie sich an dieser Stelle strecken läßt. Beim Strecken verjüngt sie sich entsprechend, wobei auf einfache Weise Taillen eines Durchmessers von weniger als 6 Mikrometer bei großer Homogenität herstellbar sind. Solche Fasern sind dazu geeignet, ein Kontinuum von Licht, das vom UV über das Sichtbare bis ins Infrarote reicht, mittels gepulster Lichtanregung zu erzeugen. Die Verfahren zur Erzeugung derartiger tapered fibers sind u.a. in WO 01/86347 A1 und US 5,960,146 beschrieben. Dabei ist die Funktionsfähigkeit keineswegs auf die dort beschriebenen Taillenlängen von mehr als 20 mm beschränkt. Es konnte nachgewiesen werden, daß auch kleinere Taillenlängen funktionieren. Ebenso sind sich verjüngende Fasern für den erfindungsgemäßen Einsatz denkbar, die keine symmetrische Taillenform besitzen. In den genannten Veröffentlichungen wird lediglich Laserlicht in die Fasern hineingeschickt und modifiziertes Licht verlässt die Faser wieder. Der erfindungsgemäße Aspekt der Rückkopplung ist jedoch nicht genannt. Zwar wurde schon vorgeschlagen, die nichtlineare Wechselwirkung, genauer gesagt das Vierwellenmischen in einer Faser, als nichtlineares Element in einem OPO anstelle eines Kristalls einzusetzen. Allerdings ist der Nachteil solch eines Aufbaus die relativ hohe Komplexität, die als Wellenlängenfilter ein Sagnac- Interferometer vorsieht. Die Ursache des Nachteil dieses Aufbaus ist die Tatsache, daß die nichtlineare Wechselwirkung des Lichtes in einer Standardfaser relativ gering ist. Auch dispersionskompensierte Fasern benötigen noch wesentlich mehr als 10 Meter Länge, um eine ausreichende Nichtlinearität zu erzeugen. Dabei liegt die Ausgangsleistung solcher Systeme im Bereich von weniger als 1 mW. ;

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die Probleme mit der komplizierten und teuren Herstellung von speziellen nichtlinearen Kristallen, die auch noch in ihrer Phasenanpassungsbandbreite limitiert sind, umgangen werden und die Phasenanpassungsbedingung wegfallen. Zudem ist eine hohe Effizienz der Umwandlung und eine gute Durchstimmbarkeit der Wellenlängen von Signal- und Idier sowie eine große Verstärkungsbandbreite gegeben.

Mit der Erfindung ist es möglich, Weisslicht oder sogar Licht mit einer spektralen Bandbreite von UV über sichtbares Licht bis ins Infrarote zu verstärken und als Ausgangssignal des OPOs verfügbar zu machen. Dabei ist es von Vorteil, daß mit der Erfindung auch nur einen Teil der Wellenlängen oder nur schmalbandiges Licht erzeugt werden kann. Die Erfindung realisiert optisch-parametrische Oszillatoren als Wellenlängenkonverter, welche die oben genannten Vorteile aller verschiedenen Ansätze kombinieren. Insbesondere werden nichtlinearen Kristalle nicht mehr benötigt und die Wellenleiter besitzen im Gegensatz zu den Kristallen eine spektral sehr breite Phasenanpassung. Auf das Phasenanpassungskriterium kann eventuell ganz verzichtet werden, so daß die erfindungsgemäßen OPOs spektral weit abstimmbar sind. Sie sind temporal abstimmbar und können u.U. sehr kurze Pulse erzeugen. Die eingesetzten Wellenleiter besitzen eine höhe Nichtlinearität und somit einen großen Konversionseffizienz und eine hohe Verstärkung. Sie liefern eine im Vergleich zu bisher bekannten OPOs eine hohe Ausgangsleistung und zeichnen sich durch einen kompakten Aufbau aus. Dabei verursachen sie wesentlich geringere Kosten in der Herstellung als bisherige Systeme mit nichtlinearen Kristallen oder mit dispersionskompensierten Fasern.

Die gewerblichen Anwendungensmöglichkeiten eines solchen Systems sind wegen der genannten Eigenschaften vielfältig. Die günstigen Kosten, die Kompaktheit, die weite spektrale Durchstimmbarkeit, die hohe spektrale Bandbreite, die hohe Ausgangsleistung und die hohe Konversionseffizienz machen den Einsatz in optischen Telekommunikationssystemen, in Glasfasersystemen und -netzen, in der Spektroskopie, in der Pump-Abfrage- Untersuchung von festen, flüssigen oder gasförmigen Proben, in der Dermatologie, in der Augenbehandlung, in der Zahnbehandlung, in Laserchirurgie- Anwendungen, in der Oberflächenanalytik, in der Interferometrie und in der Kohärenztomographie möglich. Das System läßt sich beispielsweise als Weisslichtquelle, als Supercontinuumsquelle, als Ultraviolettquelle, als Infrarotquelle, als durchstimmbare Laserquelle, als Lichtquelle für Laserprojektoren und als Lichtquelle für das Laserfernsehen einsetzen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der Figuren 1 bis 5 näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Schema eines optisch-parametrischen Oszillators (OPO),

Figur 2 das Schema eines OPOs mit Spiegelsystem,

Figur 3 das Schema eines OPOs mit Spiegeln und Linsen,

Figur 4 das Schema eines OPOs mit linearem Resonator und

Figur 5 das Spektrum eines erfindungsgemäßen OPOs.

In Figur 1 ist mit 1 ein gepulster Pumplaser bezeichnet, dessen emittierter Strahl in einen Einkoppler 50 zur Kombination zweier einlaufender Strahlen eingestrahlt wird. In einen zweiten Eingang des Einkopplers 50 wird ein zur Rückkopplung dienender Strahl eingestrahlt, der aus einem Synchronisationselement 80 herausgeführt ist. Die Rückkopplungsstrecke ist derart beschaffen, daß der kombinierte Strahl aus dem Einkoppler 50 in einen nichtlinearen Wellenleiter 10, in diesem Falle eine tapered fiber, eingekoppelt wird. Durch diesen Wellenleiter 10 im Spektrum modifiziert gelangt die Strahlung über eine als Wellenleiter ausgebildete Rückkopplungsstrecke 20 zu einem Auskoppler (51 ) zum Auskoppeln eines Teils 40 der Strahlung aus dem Strahlengang. Der nicht ausgekoppelte Rest wird dem Synchronisationselement 80 zugeführt, das mit einer Abstimmvorrichtung 100 kontrollierbar ist. Mit der Abstimmvorrichtung 100 ist auch die Eigenschaft des Wellenleiters 10 beeinflußbar, wobei auch die Wellenlänge, die Pulsdauer, die Intensität, die spektrale Bandbreite und/oder die Phase mittels der Abstimmvorrichtung durchstimmbar ist. Zur Erzeugung einer hohen Leistung wird das rückgekoppelte Licht mit dem Pumplicht zeitlich synchronisiert.

Der benutzte nichtlineare Wellenleiter, hier die sich verjüngende tapered fiber, erzeugt durch nichtlineare Prozesse in Wechselwirkung mit dem Licht andere Wellenlängenkomponenten. Diese werden unverändert oder modifiziert in die Faser zurückführt. Die Modifikation kann spektral, temporal oder durch Aufprägung eines bestimmten Phasenverhaltens erfolgen. Vorzugsweise sollte die Rückkopplung synchron mit den Pumppulsen erfolgen, aber Zeitverschiebungen zwischen Rückkopplungspuls und Pumppuls können ebenfalls gewünschte Effekte hervorrufen. Parallel und/oder seriell zu der ersten getaperten Faser können weitere getaperte Fasern in die Rückkopplungsstrecke eingefügt sein. Generell kann eine solche Vorrichtung zur Erzeugung von Strahlung eines bestimmten oder mehrerer Wellenlängenbereiche gleichzeitig eingesetzt sein. Die Pulse haben in diesen Beispielen eine Pulsdauer zwischen 100 Femtosekunden und 100 Pikosekunden. Die Pulsenergie kann zwischen 1 pJ und 10 nJ liegen. Der Abstand der einzelnen Pulse liegt typischerweise bei 12 ns. Wiederholungsraten zwischen einigen ps und 100 ns können auch vorteilhaft sein.

In die Rückkopplungsstrecke 20 ist ein Element zur spektralen Kontrolle, zur Beeinflussung und/oder Veränderung 62, ein Element zur Amplituden- und/oder Phasenkontrolle, -beeinflussung und/oder -Veränderung 61 , und/oder ein zeitlicher Pulsformer, -beeinflusser oder -veränderer 60, eingebracht, wobei diese Elemente mittels der Abstimmvorrichtung 100 durchstimmbar sind. Neben den erwähnten können noch weitere Elemente in die Rückkopplungsstrecke 20 eingebracht sein.

In der Ausführungsform nach Figur 2 wird ein Pumplaser 1 über ein Element 50 zur Kombination zweier einlaufender Strahlen und einen Einkoppler 11 in die getaperte Faser 10 eingekoppelt. Das Licht wird dann mittels eines Auskopplers 12 aus der getaperten Faser ausgekoppelt und über einen Spiegel 21 und ein Element 51zum Auskoppeln eines Teilstrahles und einen weiteren Spiegel 21 einem Synchronisationselement 80 und vermittels des Elementes 50 wieder in die Faser zurückgekoppelt. In der Ausführungsform nach Figur 3 wird der Pumplaser 1 durch einen Faraday- Isolator 30 und einen teildurchlässigen Spiegel 22 zu Einkopplung durch eine Linse als Einkoppler 11 in die getaperte Faser 10 eingekoppelt und danach durch eine Linse als Auskoppler 12 und weitere Spiegeln 21 in die getaperte Faser 10 zurückgeführt. Einer der Spiegel ist entlang seiner Oberflächennormalen verschiebbar auf einem Verschiebetisch 81 montiert. Beim Durchlaufen eines teildurchlässigen Spiegels 24 wird ein Teil der Strahlung ausgekoppelt.wobei der ausgekoppelte Strahl 40 als Nutzstrahl zur Verfügung steht. Der Nutzstrahl 40 kann als durchstimmbare Lichtquelle dienen. Die Abstimmung geschieht durch die Abstimmvorrichtung 100, vorzugsweise durch Verstimmen der Resonatorlänge am Verschiebetisch 81 und/oder durch einen teildurchlässigen Spiegel mit selektiver spektraler Charakteristik oder Filter 22. In der Rückkopplungsstrecke kann auch ein Interferometer mit Translationselement eingebaut sein.

In einer anderen Ausführungsform ist die Rückkopplung als linearer Resonator und nicht als Ringresonator ausgebildet, wobei der aus der getaperten Faser 10 ausgekoppelte Strahl durch ein Synchronisationselement 80 und einen Spiegel 21 in die getaperte Faser zurückgekoppelt wird (Figur 4).

In Figur 5 ist das Spektrum gezeigt, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugt wird, wenn die Pumppulse eine Wellenlänge von 800 nm und eine Widerholrate 75 fs von haben, wobei die rückgekoppelten Pulse zeitlich derart synchronisiert sind, daß eine Überlappung der Pulse herbeigeführt ist.

Die Ausgangsleistung der Pumpstrahlung beträgt vorzugsweise einige mW, kann aber auch über 10 mW betragen. Die Konversionseffizienz kann über 10% liegen. Die spektrale Breite erreicht leicht 200 nm und mehr, wobei eine Abstimmbarkeit von mehr als 100 nm möglich ist.

Claims

Ansprüche

1. Optisch-parametrischer Oszillator und/oder Verstärker aufweisend ein nichtlineares optisches Element (10), in das im Betrieb Licht eines Lasers (1) als Pumpstrahl eingekoppelt ist, wobei der Spektralbereich des Pumpstrahles sich beim Durchlaufen des Elementes (10) verändert, insbesondere verbreitert, und wobei zumindest ein Teil des Lichtes, welches das Element (10) durchlaufen hat, aus dem Strahl ausgekoppelt und erneut in das Element (10) eingekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (10) einen optischen Wellenleiter aufweist, der sich auf einem Teilstück zu einer Taille mit geringerem Durchmesser verjüngt, wobei die Taille einen Durchmesser von weniger als 10 Mikrometern und eine Länge von weniger als 10 Metern aufweist und wobei in der Taille nichtlineare optische Prozesse auftreten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (10) eine gestreckte Faser („tapered fiber") ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taille eine Länge von mehr als 1 Millimeter und von weniger als 300 Millimetern aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Taille einen Durchmesser von weniger als 6 Mikrometren aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumplaser (1 ) gepulst ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Elemente: Einen gepulsten Laser (1) als Pumpquelle

Einen Einkoppler (50) zur Kombination zweier einlaufender Strahlen,

Eine optische Faser (10) als nichtlinearer Wellenleiter,

Eine Rückkopplungsstrecke (20),

Einen Auskoppler (51) zum Abtrennen eines Teils (40) der Strahlung aus dem Strahlengang und

Ein Synchronisationselement (100) zur Synchronisation von Pumppulsen und rückgekoppelten Pulsen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Abstimmungselement zur Abstimmung der Wellenlänge, der Pulsdauer, der Intensität, der spektralen Bandbreite und/oder der Phase.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulse des rückgekoppelten Lichtes mit den Pulsen des Pumplichtes zeitlich synchronisiert sind, wobei insbesondere eine Überlappung der Pulse herbeigeführt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die

Rückkopplungsstrecke (20) mindestens eine weitere getaperte Faser eingefügt ist.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche zur Erzeugung von Weisslicht, als Supercontinuumsquelle oder als durchstimmbare Laserquelle.