DD145588A1 - Optisch-optisches verfahren zur verkuerzung und selektion von laserimpulsen - Google Patents

Abstract

Dia Erfindung soll mit einfachen Mitteln eine Verkürzung von Laseriapulsen auf Impulslängen im Bereich von 10~^s bis 10~‘’s sowie eine Selektion von Eiazelimpulsen aus den Impulszügen modensynchronisierter Laser gewährleisten. Erfindungsgemäß wird dies durch die schnelle Durchstimmung der optischen Weglänge einer als Fabry-Perot-Interferometer ausgebildeten Halbleiterplatte erreicht. Die schnalle Durchstimmung der optischen Weglänge und die damit verbundene Durchstimmung der Transmission der Halbleiterplatte erfolgt dabei durch Variation des BrechungsIndex n, welche durch in der Halbleiterplatte erzeugte freie Ladungsträger hervorgerufen wird. Diese freien Ladungsträger werden entweder durch den zu .verkürzenden bzw, zu selektierenden Laserimpuls selbst oder durch einen aus diesem Laserimpuls abgespaltenen Anteil erzeugt. Dadurch treten keine Synchronisierungsprobleme auf, Anwendungsgebiet der Erfindung ist vor allem die Untersuchung schneller kinetischer Prozesse' in Festkörpern, Molekülen und anderen atomaren Systemen, -Fig.2 —

Description

Titel der Erfindung

Optisch-optisches Verfahren zur Verkürzung und Selektion von laserimpulsen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Sie Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Verkürzung und Selektion von Laserimpulsen.

Zahlreiche Anwendungen der Laserstrahlung erfordern Strahlungsimpulse möglichst kurzer zeitlicher HalbwertsbreiteΠΓ_Η (10""¹²S-T_n £ -10"^s).

B^upteinsatzgebiet solcher Laserimpulse ist die Ultrakurzzeit— spektroskopie* Ihre vielfältigen Methoden gestatten z. B. die Aufklärung zahlreicher- dynamischer Eigenschaften von Festkorpern, Molekülen und anderen atomaren Systemen. So erhält man u. a. Aussagen über Relaxations- und Diffusionsprozesse in Festkörpern und Fesikörperschichten, die z. B. von großer Bedeutung für die Entwicklung von mikroelektronischen Bauelementen sind, über Bsslaxationsprozesse in Molekülen_s zu Problemen der Beaktioifskinetik usw.

Dm den jeweiligen Anwendungszweck entsprechende Laserimpulse zu erzeugen, macht sicii bei aktiv und passiv gütegeschalteten Lasern häufig eine Impalsverkürzung, bei modensynchronisierten lasern, die Impulszüge aus mehreren kurzen Einzelimpulsen liefern, eine relativ aufwendige Impulsselektion erforderlich» Vorteilhafte Anwendungen des Erfindungsvorschlages sind z. B, die Verkürzung der Strahlisigsimpulse von gütegeschalteten Niederdruck-CO -Lasern und C3—Hybridlasern, deren. Halbwertsbreiten

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im Bereich 10 s£t_k£ 10 s liegen, sowie die Selektion von Einzelimpulsen aus den Impulszügen modensynchronisierter CO₂^TS- oder Nd; YAG*.*laser.

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bsp gegenwärtige Stand der Technik zur Verkürzung von Laserimpulsen mit "X^ ^,40 ss kann durch folgende Beispiele charakterisiert werden: Ein bekanntes Verfahren (Appl. Phys. Letters 22, 660 (1975)) beruht auf der Erzeugung hoher Laclungsträgerschichten in Germanium durch Hublstiaserbeschuß und der Ausnutzung der kurzzeitig vorhandenen PlasEsareflexion zum "Herausschneiden" kurzer CO «Las er impulse (T_w einige rs ) aus einem wesentlich längeren Impuls (T^ >, 100ns). Ib den letzten Jahren wurde (Appl.Phys. Letters 25 »580 (197²O intensiv das Verfahren des ^iSFree Induction Decay" untersucht. Sehr kurze CO -Laser—Impulse (1ζ,~ 100 ps) können z. B. nach diesem Verfahren erhalten werden, indem man zunächst mittels eines optischen Burefcfaruchs in Stickstoff as-Impulse _mit außerordentlich steiler Abfallflanke (JV-C 100 ps) «rzeugt und diese anschließend durchein sehr scbtnal bandig es Filter schickt. Dieses Filter kann ein Schiaalband-iklisorber oder ein Fabry-Perot-Interferometer (opt.Letters ly 161 (1977)) sein

Ebefalls zur Verkürzung vom ns—CO -Laser-Impulsen verwendet ein

weiteres Verfahren (Appl.Ptiys.Letters ^2, 598 (1978)) einen schnei« lea Schalter auf der Basis von Germanium, der den Effekt der Plasmareflexion zweifach ausnutzt. Bsi Verwendung eines niodonsynchroni·» gierten Nd: Slas-Lasers als Pumplaser für den Schalter konnten

CO «-Raser«Impulse vonf^- Sps erzeugt werden. Eine Möglichkeit zur Verkürzung·von ps—Impulsen modensynchroni— siertsr Festkörperlaser bietet der kombinierte Einsatz von Einund. Mehrphotonenabsorbern iAnn, d. Phys«. 21 (1976) S. 309). Eise weitere bekannte Variante zum schnellen Schalten von Laserstrahlung ist iß Appl. Phys «Letters ^0_, 280 (1977) beschrieben. . Sie verwende» einen elektrooptischen Kristall_t der sich in einem Faljr^-"Perot~Interferometer (FPI) befindet. Durch schnelle Änderung der SpannuHg am Kristall gelingt es, über die Änderung der optischen Weglänge des FPI seine Transmission, d. h» die Inten« sität des transmittiertsa ILaserliehtes zu schalten* Kacfeteile des ersten und dritten Verfahreais sind vor allem der feofae apparative Aufwand, öle schwierige Synchronisierung zweier

Impulslaser sowie die relativ niedrige Folgefrequenz der Impulse, die durch die Festkörperlaser vorgegeben wird. Die Nachteile des adelten Verfahrens ergeben, sich aus dem erforderlichen optischen öarciibruch, der zum einen &ohe Laserleistungen voraussetzt (J? MW) oad zum anderen Stabilitätsprobleme mit sich bringt. Das vierte ferfaaren gestattet nur relativ geringe Impulsverkürzungen und "ist ^:%rar' von Interesse bei Anwendung auf ps-Impulse, die nach ierfcämralichen Verfahren ers«ugt werden. Es ist ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens, daß mit einer bestimmten Absorberkombi- sation nur Laserimpulse eines relativ schmalen Wellenlängenbe-

* reiches verkürzt werden können. Das fünfte Verfahren schließlich erfordert hochwertige Kristalle und eine Hochspannungsversorgung oit sehr kurzen Anstiegszeiten der Spannung.

Sen gegenwärtigen Stand der Technik bei der Selektion von Einzelimpulsen aus einem Impulszug charakterisieren folgende Beispiele: Bekannt ist eine Impulsselektion mittels einer Pockels-Zelle und eines Glan-Thomson-Prismas, die sich im Resonator eines moden— synchronisierten Nd; Glas—Lasers befinden (Phys.Rev.Letters j21_, (1963)). Durch einen schnellen Thyratron-Schalter wurde die Pockels-Zelle mit einer A / 2-Spannung 1 so angesteuert, daß mit Hilfe des Slaa—Thomson-Prismas ein Einzel impuls aus dem Laserresonator ausgekoppelt werden konnte.

Ün irei-t.eres bekanntes Verfahren (Opt. Comm·. 2 , 215 (1970)) der Impulsselektion außerhalb des Resonators nutzt den Kerr-Effekt ia Hiirobenzol aus. Eine optisch gezündete Funkenstrecke steuert die sich zwischen zwei geftreuzten Glan-Thomson-Prisraen befindliche KerrwZelie so an, daß durch das zweite Glan-Thomson-Prisma ein Einzel impuls aus dem Impuls zug selektiert wird. ;.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß bereits viele verschiedene Varianten der Einzelimpulsselektion mittels kerr- und Pockelszellen bekannt sind. Alle Verfahren erfordern hohe Spannungen ( "> 10 KV), schnelle Impulsanstiegszexten (< Ins) und stabile friggeriapulse, um eine zufriedenstellende Arbeitsweise zu gewährleisten. Ferner ist eine genaue Synchronisierung des Kochspsunungs— und Laserimpuises erforderlich.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist einerseits die Schaffung eines Verfahrens zur Verkürzung von Laserimpulsen auf Halbwertsbreiten im Bereich IG*" s £c<ΐ*_Η £z> 10*" s, das sich durch folgende Merkmale auszeichnet « Der apparative Aufwand für die Impulsverkürzung soll möglichst gering gehaltet, werden, insbesondere sollen Synchronisierungsprobleisa, die bei zahlreichen bisher verwendeten Methoden auftraten, vermieden werden·

Die Impulsverkürzung soll bereits für relativ niedrige Impulsleistungen*{^ 1(Ar) effektiv sein*

Bas Verfahren soll eine möglichst hohe Folgefrequenz der Laserimpulse gewährleisten.

Die verkürzten Laserimpulse sollen eine möglichst hohe Amplituden·« Stabilität und geringe Verluste in der Spitzenleistung aufweisen. Me Impulslänge soll übet* einen möglichst weiten Bereich durchstimmbar sein. ., .

Das Verfahren soll die Verkürzung von Laserimpulsen eines möglichst veiten Wellenlängenbereiefees gewährleisten und andererseits die Schaffung eines Verfahrens zur Selektion von Einzelimpulsen aus den Impulszügen modensyncihronisierter Laser, das sich durch folgende Merkmale auszeichnet: Geringer apparativer Aufwand,

Anwendbarkeit auch bei sehneil er Auf einasaderfolge der Impulszüge, Geringe Verluste in der Spitzenleistung des selektierten Einzel-

Wirksamkeit über einen weiten Wellenlängenbereich.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Ber Erfindung liegt die #aifgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ver«» kürzung und Selektion von Laserimpulsen zu schaffen. Bestrahlt man ein Fabry*»PerQ ^Interferometer (FPI) mit Licht einer Wellenlänge A sowie der Leistung P und variiert dabei die optische Weglänge nd («-»Brechzahl des Mediums zwischen den reflektierenden Flächen, d - deren Abstand), se zeigt die transmittierte Leistung Pr eine Folge von Airy—£«rifligen Transtnissions-Maxisia mit der Periode Δ- ^/3., deren Amplitude im verlustfreien Fall dem Wert ven P entspricht»

- 5 - ig ^

Gelingt es nun, den Brechungsindex η so rasch su ändern, daß aus·* reichend schnell z.B. eine volle Periode der Funktion P ( nd) überstrichen wird, so kann das kurzzeitige "Aufschalten" des FPI beim Überstreichen des Transinissionsmaximums als "optisches Tor" fungieren, das zur Impulsverkürzung bzw. zur Impulsselektion verwendbar ist. Bei der Impulsverkürzung muß die Öffnungszeit des optischen Tores T klein .gegen die Halbwertsbreite^ des einfallenden Impulses sein; außerdem soll das Leistungsmaximum des einfallenden Impulses mit einem Durchlässigkeitsmaximum des FPI zusammenfallen. Bei der Impulsselektion muß das optische Tor gerade so geöffnet sein, daß nur ein Impuls des einfallenden Impulszuges (möglichst der Impuls maximaler Leistung) mit möglichst geringen Verlusten durchgelassen wird.

Hauptbestandteil des Schalters ist eine planparallele Halbleiterplatte, die als FPI wirkt. Zur Erhöhung der FPI-Güte können dabei die Endflächen der Platte im gewünschten Maße verspiegelt werden, Die Transaission T einer solchen Platte wird durch folgende Gleichung beschrieben:

mit d - Dicke der Halbleiterplatte η - Brechungsindex

K -» Reflexionsgrad der beiden Endflächen <£'·· Absorptionskoeffizient des Halbleiters

Die schnelle Durchstimmung von T soll durch eine Variation von η erfolgen. Dabei kann die erforderliche Änderung des Brechungsindex¹ Δη durch die Erzeugung ausreichend vieler freier Ladungsträger N im Halbleiter hervorgerufen werden. Voraussetzung für die Funktion dieses Verfahrens sind dabei zum einen Rekombinations- und Diffusionszeiten, die möglichst groß gegen die Impulsdauer des einlaufenden Laserirapulses bzw. gegen dia Dauer des Irapulszuges sind, um oino genügend starke Auf summier u.ng der freien Ladungsträger während, dor Bestrahlungsdauer im Fokusvolumen zu ermöglichen. Zum anderen muß eine ausreichend homogene Ladungsträgervertoilung über den Strahl querschnitt des zu schaltenden Strahles vorhanden sein.

, IfS Si A

Der Zusammenhang zwischen & s und N wird in der Drudenäherung durch

Gl, 2 gegeben:

mit «a , m — effektive Massen der Elektronen bzw. Locher

tr — Kreisfrequenz der Laserstrahlung

e ·· Eleraentarladutig

Wie aus Gl. 1 hervorgeht, spielt auch der Absorptionskoeffizient dir Halbleiterplatte für des Verlauf der Funktion E₁- (n - d) eine wesentliche Bolle. Kommt das Produkt oC- d in die Größenordnung von 1» erfolgt eine beträchtliche Verringerung der Maximal transmission und eine Verschlechterung der Güte des FPI. Der Beitrag der freien Ladungsträger zu cL wird durch Gl. 3 gegeben:

mit jüu up~ Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcher

c - Vakuum-Lichtgeschwindigkeit

Bei uiigünstigen Verhältnissen von ta undu. kann der Einfluß von auf die TransKsission im Vergleich zum Einfluß vontn so groß werden, daß mit eines- solchen Halbleitermaterial kein Optisch-Optischer-Schalter (OÖS) realisiert werden kann» Bei vielen Halbleiterniate« rialien habes ta ursdyU- jedocfe solche Werte» daß der Schaltprozeß von Af£. nicht beeinträchtigt wird. In einigen günstigen Fällen ist es sogar so, daß der erste {erwünschte) Schaltvorgang durch Absorption nicht v/esentlich beeinträchtigt wird, während beim wei«· teren Anwachsen \^ron N evtl* noch auftretende (unerwünschte)

Transmissionsm&xiiaa durch das dann bereits wesentliche δ<£ stark reduziert werden*

Ein solcher Fall muß insbesondere bei der Selektion eines Einzel~ impulses aus'eines: Impulszug realisiert werden.

Als Prozesse* die zur Erzeugung der freien Ladungsträger führen, kommen Ein«· and Mehrphotoneiiabsorpt-ionen der eingestellten Laserimpulse in Frage* Von der V/e 11 en länge -A- der Laserstrahlung uu,d dem Bandgap Ig des Jlalbleitei's hängt es ab, welcher Prozeß auftritt. Der lasansiienhatig zwischen den ira Zeitintervall dt er« zeugt en-'freien Ladungsträgern dN und der eingestrahlten Laser-» intensität I: der y/ellenläoge λ.; wird für die vier praktisch nutzbaren -Prazesse- durch die folgenden Gleichungen k. beschrieben:

i S#4 7

d Tv^-^ ^- A X^ eii: Einphotonenabsorption of Nq ts. RT^eLi: Zweiphotonenabsorption . ., _'¹-_T. Zweiphotonenabsorption /

1 h/ T) T 2 ι χ Dreiphotonenabsorption

1, Bt C und D sind die Absorptionsraten der entsprechenden Prozesse, I₁ die Intensität der Grtmdwelle uid I die Intensität ihrer 2.Harmo~ nisjchen. Die Gl. 4. zeigen, daß die* Art des Absorptionsprozesses bei vorgegebenen zeitlichen Impulsprofil der Laserstrahlung wesentlichen Einfluß auf die Schnelligkeit der Erzeugung der freien !ladungsträger und damit auf den Schaltprozeß hat. Er wird am schnellsten für die Dreipiiotonenabsorption.

Die Ausnutzung der Einphotonenabsorption ist nur bei Verwendung sehr dünner Halbleiterplatten ( d 4. 10 m) möglich, während die Ausnutzung der Mehrphotonenabsorption die Durchstrahlung größerer Dicken erlaubt. Ein wesentliches Kriterium für die Wahl der Plattendicke ist die gewünschte Schnelligkeit des Schaltvorgangs, Diese ist prinzipiell begrenzt durch die Aufbauzeit t des Feldes im 3PPI. Sie wird durch d, η und R folgenderinaßen bestimmt;

So ergibt sich z. iß. für ©ine Si-Platte ( n= 3,565) mit der Sicke d s 100/Um und einem Reflexionsvermögen B = 0»*) ein t. von c& 12 ps.

Ein. wesentliches Merkmal der Erfindung besteht für sämtliche lusführungsvarianten, die im einzelnen sehr unterschiedlich sein können, darin, daß der schaltende (der die freien Ladungsträger erzeugende) und der geschaltete (der den FPI-Effekt ausnutzende) Impuls aus dem gleichen Laserimpuls gewonnen werden. Dadurch treten keine Synchronisierungsprobleme auf, da die einzige erforderliche Synchronisierung, nämlicii das Zusammenfallen eines Durchlässig— keitsmaxiinucis des FPI mit einem gewünschten Punkt des zeitlichen Leistungsprofils des einfallenden Impulses bzw. Iinpulszuges eicfach durch Temperiex*iisg der päanparallelen Halbleiterplatte (ia folgenden Schaltkristall genannt) erfolgt.

Ausführungsbeispiel

Das geschilderte Verfahren ist in verschiedenen Ausführungsvarianten realisierbar, die dem jeweiligen Anwendungszweck angepaßt werden können. Die nachfolgend beschriebenen Varianten sind speziell zur Impulsverkürzung bzw. —selektion von CO -Lasex*- strahlung einsetzbar. Sie basieren auf der gleichzeitigen Absorption von 3 Laserphotonen (ThPA) bzw. der Simultanabsorption von 2 Photonen der 2. Harmonischen der Laserstrahlung (TPA) ia Tellur-Einkristallen

Ausführungsbeispiel 1 gemäß Fig. Ii

Biese Variante stellt die einfachste Realisierungsmöglichkeit dar» Der einlaufende Laserimpuls, der gleichzeitig den schaltenden Strahl ( zur Produktion der freien Ladungsträger durch IhPA) und den zu schaltenden Strahl repräsentiert» wird mit Hilfe einer Linse 1 auf einen Schaltkristall 2 fokussiert. Ba nur im Zentrum des räumlichen Intensitätsprofils die Verseilung der erzeugten freien Ladungsträger ausreichend homogen ist, werden mittels einer Blende 3 die geschalteten zentralen Teile des Strahles ausgeblendet. Diese Variante zeichnet sich durch eißfachen Aufbau aus und ist besonders für Experimente geeignet₈ die nur geringe Strahlungsleistungen erfordern, sodaß die großen Verluste im 0OS eine untergeordnete Bolle spielen

Ausführangsbeispiel 2 gemäß Fig. 2:

Diese Variante soll gewährleisten^ daß praktisch über den gesamten Querschnitt des zu schaltenden Strahles der Schaltprozeß den gleichen zeitlichen Verlauf besitzt. Zwei Vornus~ setzungen müssen dazu erfüllt werden. Zum einen darf der zu schaltende Strahl selbst keine Ladungsträger erzeugen und zum anderen darf er nur die zentralen Teile des Fokusvolu·» s»ens des schaltenden Strahles durchsetzen. Dazu wird der einlaufende I,aserimpuls_s dessen .Wellenlänge /Ξ- 11,2 /Ura sein muß um die ThPA au vermeiden,; durch den Strahlteiler k. in de« schaltenden und den zu schaltenden Strahl aufgeteilt. Über einen umlenkspiegel 5 gelaugt der schaltende Strahl euf eine Linse 6_S die ilia in eine Einheit'7 ^xur Erzeugung der 2. Harmonischen der Gyundwelle (SIIG^Einheit) fokussiert,»

4| • 9 ·*

Die 2· Harmonische wird nach Passieren eines Filters 8» das zum Abblocken der Grandwelle dient, mit Hilfe einer Linse 9 unter einem kleinen Winkel zum Einfallslot auf den Schaltkristall 2 fokussiert. Der Te-Schaltkristall ist fUr die ' 2. Harmonische entspiegelt und für die Grundwelle im gewünschten Maße verspiegelt«

Der zu schaltende Strahl gelangt Über eine Verzögerungsstrecke 10 auf eine kurzbrennweitige Linse 11, die ihn bei senkrechter Inzidenz in das Fokusvolumen des schaltenden Strahles bündelt.

«Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, daß das räumliche Strahlprofil des geschalteten Strahles praktisch erhalten bleibt und die Leistungsverluste relativ gering sind.

Claims (5)

Erfindungsanspruch

1. Optisch-optisches !"erfahren zur Verkürzung und Selektion von Lsserimpulsen _t dadurch gekennzeichnet, daß durch Er«- zeugung freier Ladsngstrager mittels eines schaltenden Lichtstrahles über Ein« oder Mehrphötonenabsorption in

einem Medium die optische Weglänge einer interferenzfähigen Anordnung derart dsrchgestiramt wird, daß aus einem zu schaltenden Strahl., der vom gleichen Lichtstrahl wie der schaltende Strahl herrUiirt₉ ein verkürzter Impuls * herausgeschnitten^, bzw. ein Einzelimpuls aus einer Im« pulsfolge selektiert wird.

2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang eines fo« kussierten Laserstrahles ausreichender Leistung» der gleichzeitig den für die Erzeugung der zum Schalten not-

* wendigen freien Ladungsträger vorgesehenen schaltenden und den zu schaltenden Strahl verkörpert, eine senkrecht durchstrahlte, plaaparallel und beidseitig teilverspie— gelte Halbleiterplatte und dahinter ein Mittel zur Ausblendung der geschalteten zentralen Teile des Strahles enthält.

3« Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt I₈ dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Aufteilung des Laserstrahles in den sclialtenden und den zu schaltenden Strahl einen Stra.hlteiler, eine SHG—Sinheit im Strahlengang des schaltenden Strahls, Mittel zur Fokussierung des schal«. tenden Strahles auf einen für die 2* Harmonische des schaltenden Strahles entspiegclten und für die Grundwelle reflektierenden Schaltkristall, der derart angeordnet ist, daß sein Einfallslot einen geringen Winkel mit dem einfallenden schaltenden Strahl einschließt und Mittel zur Zeitverzögerung und senkrechten Fokus»» sierung in das Zentrum des Fokusvolumens des schaltenden Strahles enthält.

Λ. .- 11 -

4· Anordnung nach Punkt 3» dadurch gekennzeichnet» daß Mittel zur räumlichen, Abtrennung des unter einem kleinen Winkel zum Einfallslot von dem Schaltkristall reflektierten Anteils des zu schaltenden Strahles.und seiner Weiterverwendung als schaltender Strahl vorgesehen sind.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des unter einem kleinen Winkel gegenüber dem Einfallslot auf dem Schaltkristall fokussierten schaltenden Strahles hinter dem Schaltkristall eine, mit diesem ein PPI hoher Güte bildende transparente Platte angeordnet ist und daß Mittel vorgesehen sind, des an der Vorderfläche des Schaltkristalls reflektierten Anteil, der den zu schaltenden Strahl verkörpert, senkrecht auf die Rückseite der transparenten Platte zu führen und in das Fokusvolumen des schaltenden Strahles zu fokussieren.

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