DD145588A1 - OPTICAL-OPTICAL METHOD FOR THE CONCENTRATION AND SELECTION OF LASER IMPULSES - Google Patents

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DD145588A1
DD145588A1 DD21504779A DD21504779A DD145588A1 DD 145588 A1 DD145588 A1 DD 145588A1 DD 21504779 A DD21504779 A DD 21504779A DD 21504779 A DD21504779 A DD 21504779A DD 145588 A1 DD145588 A1 DD 145588A1
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Gisbert Staupendahl
Klaus Schindler
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Gisbert Staupendahl
Klaus Schindler
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

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 —Dia invention is intended by simple means a reduction of Laser pulses on pulse lengths in the range of 10 ~ ^ s to 10 ~ '' s and a selection of Eiazel pulses from the pulse trains ensure mode-locked laser. According to the invention this by the fast tuning of the optical path length of a formed as a Fabry-Perot interferometer semiconductor plate reached. The buckle tuning the optical path length and the associated tuning of the transmission of the semiconductor plate takes place by varying the refractive index n, which is determined by in produced the semiconductor plate generated free charge carriers becomes. These free charge carriers are either through the . shortening or to be selected laser pulse itself or generated by a cleaved from this laser pulse portion. This causes no synchronization problems, application area The invention is primarily the investigation faster kinetic Processes in solids, molecules and other atomic systems, -Fig.2 -

Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Optisch-optisches Verfahren zur Verkürzung und Selektion von laserimpulsenOptical-optical method for shortening and selecting laser pulses

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Sie Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Verkürzung und Selektion von Laserimpulsen.The invention relates to a method and an arrangement for shortening and selecting laser pulses.

Zahlreiche Anwendungen der Laserstrahlung erfordern Strahlungsimpulse möglichst kurzer zeitlicher HalbwertsbreiteΠΓΗ (10""12S-Tn £ -10"^s).Numerous applications of laser radiation require radiation pulses as short a temporal half- width ΠΓ (10 "" 12 ST 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 Molekülens zu Problemen der Beaktioifskinetik usw.The field of application of such laser pulses is ultra-short-time spectroscopy. For example, the elucidation of many dynamic properties of solids, molecules, and other atomic systems. Thus one obtains among other things statements about relaxation and diffusion processes in solids and Fesikörperschichten, the z. B. are of great importance for the development of microelectronic devices, Bsslaxationsprozesse in molecules s to problems of Beaktioifskinetik etc.

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. HalbwertsbreitenIn the case of actively and passively Q-switched lasers, it is often necessary to produce an impulse shortening in the case of lasers which are active in lasers and which deliver pulse trains of several short individual pulses. A relatively complex pulse selection is necessary for this purpose. B, the shortening of the Strahlisigsimpulse of Q-switched low-pressure CO lasers and C3 hybrid lasers whose. Half-widths

* Q / CL >*Q /CL >

im Bereich 10 s£tk£ 10 s liegen, sowie die Selektion von Einzelimpulsen aus den Impulszügen modensynchronisierter CO2^TS- oder Nd; YAG*.*laser.in the range of 10 s £ t k £ 10 s, as well as the selection of single pulses from the pulse trains of mode-synchronized CO 2 ^ TS or Nd; YAG *. * Laser.

17 Aiii- IQ ivis'i!17 Aiii- IQ ivis'i!

. 1 15©α, 1 15 © α

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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 (Tw 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)) seinFor example, the current state of the art in shortening laser pulses of "X.sub.x, 40 ss can be characterized by the following examples: A known method (Appl. Phys. Letters 22, 660 (1975)) relies on the generation of high lacunar carrier layers in germanium by Hublstiaserbeschuß and the exploitation of the short-lived plas- sesareflexion to "excise" short pulses of CO2 (T w some rs) from a much longer impulse (T ^>, 100 ns.) Ib in recent years (Appl.Phys. Letters 25, 580 (197 2 O intensively studied the method of iS Free Induction Decay ". Very short CO laser pulses (1ζ, ~ 100 ps) z. B. can be obtained by this process, as by means of a first optical Burefcfaruchs in nitrogen Pulses with extremely steep trailing edge (JV-C 100 ps) and then sends them through a very narrow banded filter, which may be a Schiaalband iklisorber or a Fabry-Perot Inter ferometer (opt.Letters ly 161 (1977))

Ebefalls zur Verkürzung vom ns—CO -Laser-Impulsen verwendet ein Also used for shortening ns-CO laser pulses

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 konntenAnother method (Appl.Ptiys.Letters ^ 2, 598 (1978)) a schnei «lea switch on the basis of germanium, which makes use of the effect of the plasma reflection in two ways. Bsi could use a niodon-synchronized Nd: Slas laser as the pump laser for the switch

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 Kristallt 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 zweierCO "-Raser" pulses of f ^ - Sps are generated. One possibility for shortening · ps pulses of mode-locked solid-state lasers is the combined use of single-ended and single-mode lasers. Multiphoton absorbers iAnn, d. Phys. " 21 (1976) p. 309). Another further known variant for the rapid switching of laser radiation is Appl. Phys «Letters ^ 0_, 280 (1977). , They use "an electro-optic crystal t of in a Faljr ^ -.." Perot ~ interferometer (FPI) is by rapid change in the SpannuHg the crystal succeeds on the change in the optical path length of the FPI its transmission, ie "the Inten Parts of the first and third traversing ais are mainly the feofae apparatus expenditure, oils difficult synchronization of two

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-Pulse laser and the relatively low repetition frequency of the pulses, which is determined by the solid state laser. The disadvantages of the improved method result from the required optical oscillation, which on the one hand requires high laser powers (J-MW) or, on the other hand, brings about stability problems. The fourth ferfaaren allows only relatively low pulse shortening and "is:% rar 'of interest when applied to ps pulses is sufficient to ierfcämralichen method ers" It is a further disadvantage of this method is that organization with a certain Absorberkombi- only laser pulses. a relatively narrow wavelength

* reiches verkürzt werden können. Das fünfte Verfahren schließlich erfordert hochwertige Kristalle und eine Hochspannungsversorgung oit sehr kurzen Anstiegszeiten der Spannung.* rich can be shortened. Finally, the fifth method requires high quality crystals and a high voltage power supply with very short voltage rise times.

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.The current state of the art in the selection of individual pulses from a pulse train is characterized by the following examples: A pulse selection by means of a Pockels cell and a Glan-Thomson prism, which is located in the resonator of a mode-synchronized Nd; Glass lasers are located (Phys.Rev.Letters j21_, (1963)). By a fast thyratron switch, the Pockels cell was driven with an A / 2 voltage 1 so that with the help of the Slaa-Thomson prism a single pulse could be coupled out of the laser resonator.

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. ;.The known method (Opt Comm · 2 , 215 (1970)) of pulse selection outside the resonator exploits the Kerr effect, generally Hiirobenzene. An optically ignited spark gap steers the KerrwZelie located between two crossed Glan-Thomson Prisraen so that a single pulse from the pulse train is selected by the second Glan-Thomson prism. ;.

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.In summary, it can be stated that many different variants of the single pulse selection by means of kerr and Pockels cells are already known. All methods require high voltages ("> 10 KV), fast pulse rise times (<Ins), and stable friggeriapulse to ensure satisfactory operation, and exact synchronization of the cooking pause and laser pulse is required.

Ziel der ErfindungObject of the invention

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·The object of the invention is, on the one hand, to provide a method for shortening laser pulses to half-value widths in the range of IG * s * c <ΐ * Η z> 10 * s, which is characterized by the following features. The apparatus required for pulse shortening should be as much as possible In particular, the synchronization problems that have arisen in many methods used so far should be avoided.

Die Impulsverkürzung soll bereits für relativ niedrige Impulsleistungen*{^ 1(Ar) effektiv sein*The pulse shortening should already be effective for relatively low pulse power * {^ 1 (Ar) *

Bas Verfahren soll eine möglichst hohe Folgefrequenz der Laserimpulse gewährleisten.Bas method should ensure the highest possible repetition frequency of the laser pulses.

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. ., . The shortened laser pulses should have the highest possible amplitude stability and low losses in the peak power. Me impulse length should be practicable * as far as possible to be tunable. .,.

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,The method is intended to ensure the shortening of laser pulses of the widest possible wavelength range and on the other hand to provide a method for the selection of individual pulses from the pulse trains mode-synchronated laser, which is characterized by the following features:

Anwendbarkeit auch bei sehneil er Auf einasaderfolge der Impulszüge, Geringe Verluste in der Spitzenleistung des selektierten Einzel-Applicability, even in the case of long-term succession of impulse trains, low losses in the peak power of the selected individual

Wirksamkeit über einen weiten Wellenlängenbereich.Efficacy over a wide wavelength range.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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»The invention is based on the object of providing a method for shortening and selecting laser pulses. If a Fabry * »PerQ ^ interferometer (FPI) is irradiated with light of wavelength A and power P, the optical path length nd (« - »refractive index of the medium between the reflecting surfaces, d - their distance) is shown Power Pr is a sequence of Airy's terrestrial maxisia with the period Δ- ^ / 3, the amplitude of which in the lossless case corresponds to the value ven P »

- 5 - ig ^- 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.If it is now possible to change the refractive index η so quickly that, for example, rapidly reaching e.g. is swept over a full period of the function P (nd), the momentary "on-hook" of the FPI when sweeping the maximum transmittance can act as an "optical gate" useful for pulse shortening or pulse selection. In pulse shortening, the opening time of the optical gate T must be small against the half width ^ of the incident pulse; In addition, the power maximum of the incident impulse should coincide with a transmission maximum of the FPI. In the pulse selection, the optical gate must be just opened so that only one pulse of the incident pulse train (possibly the pulse of maximum power) is transmitted with the least possible loss.

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:The main component of the switch is a plane-parallel semiconductor plate, which acts as an FPI. To increase the FPI quality, the end surfaces of the plate can be mirrored to the desired extent. The transmittance T of such a plate is described by the following equation:

mit d - Dicke der Halbleiterplatte η - Brechungsindexwith d - thickness of the semiconductor plate η - refractive index

K -» Reflexionsgrad der beiden Endflächen <£'·· Absorptionskoeffizient des HalbleitersK - »reflectance of the two end faces <£ '·· absorption coefficient of the semiconductor

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.The fast tuning of T should be done by a variation of η. In this case, the required change in the refractive index 1 Δη can be caused by the generation of sufficiently many free charge carriers N in the semiconductor. Prerequisite for the function of this method are on the one hand Rekombinations- and diffusion times that are as large as possible against the pulse duration of the incoming Laserirapulses or dia duration of the Irapulszuges oino sufficiently strong on summation u.ng the free charge carriers during, dor irradiation time in To allow focus volume. On the other hand, a sufficiently homogeneous charge carrier toleration over the beam cross-section of the beam to be switched must be present.

, IfS Si A . IfSSi A

Der Zusammenhang zwischen & s und N wird in der Drudenäherung durchThe relationship between & s and N is in the Drudenäherung by

Gl, 2 gegeben:Gl, 2 given:

mit «a , m — effektive Massen der Elektronen bzw. Locherwith «a, m - effective masses of electrons or holes

tr — Kreisfrequenz der Laserstrahlung tr - angular frequency of the laser radiation

e ·· Eleraentarladutige · 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:As from Eq. 1, the absorption coefficient of the semiconductor plate also plays an important role in the course of the function E 1 - (n - d). If the product oC-d is of the order of 1 », there is a considerable reduction in the maximum transmission and a deterioration in the quality of the FPI. The contribution of the free charge carriers to cL is given by Eq. 3 given:

mit jüu up~ Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcherwith jüu up ~ mobility of the electrons or holes

c - Vakuum-Lichtgeschwindigkeitc - vacuum speed of light

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)In unfavorable conditions of ta undu. the influence of vontn the TransKsission compared to the influence can be so great that no optical-optical switch with a- such a semiconductor material (OÖS) can be realized "In many Halbleiterniate" rials habes ta ursdyU- jedocfe such values "that the Switching process from Af £. is not affected. In some favorable cases, it is even so that the first {desired) shift is affected by absorption aterial not v /, while the white "· direct growth \ r on N * possibly still occurring (unwanted)

Transmissionsm&xiiaa durch das dann bereits wesentliche δstark reduziert werden*Transmissionm xiiaa by the then already essential δ <£ are greatly reduced *

Ein solcher Fall muß insbesondere bei der Selektion eines Einzel~ impulses aus'eines: Impulszug realisiert werden.Such a case must be realized in particular in the selection of a single pulse from a pulse train.

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:As processes which lead to the generation of the free charge carriers, increase in multiphoton absorptions of the set laser pulses come into question * The laser radiation depends on the length of the laser beam and the band gap Ig of the lead particle it hangs, which process occurs. The lasansiienhatig between the ira Zeitintervall dt he "enε'-free charge carriers dN and the irradiated laser intensity I: the y / lläläge λ .; is calculated for the four practically usable slopes by the following equations k. described:

i S#4 7 i S # 4 7

d Tv-^ ^- A X^ eii: Einphotonenabsorption of Nq ts. RT^eLi: Zweiphotonenabsorption . ., _'1-T. Zweiphotonenabsorption / d Tv - ^ ^ - AX ^ eii: one- photon absorption of Nq ts. RT ^ eLi: two-photon absorption. ., _ ' 1 - T. Two-photon absorption /

1 h/ T) T 2 ι χ Dreiphotonenabsorption 1 h / T) T 2 ι χ three-photon absorption

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.1, Bt C and D are the absorption rates of the corresponding processes, I 1 the intensity of the green wave and I the intensity of their second harmonic. The Gl. 4. show that the type of absorption process with a given temporal pulse profile of the laser radiation has a significant influence on the rapidity of the generation of the free charge carriers and thus on the switching process. He is fastest for the three-band absorption.

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;The use of single-photon absorption is possible only when using very thin semiconductor plates (d 4. 10 m), while the use of Mehrphotonenabsorption allows the transmission of larger thicknesses. An essential criterion for the choice of the plate thickness is the desired speed of the switching process, this is in principle limited by the construction time t of the field in the 3PPI. It is determined by d, η and R of the following;

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.So z. eat. for a Si plate (n = 3.565) with the beading d s 100 / Um and a reflectivity B = 0 »*) a t. from 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.On. An essential feature of the invention is for all lusführungsvarianten, which may be very different in detail, in that the switching (of the free carrier generating) and the switched (the FPI effect exploiting) pulse are obtained from the same laser pulse. As a result, no synchronization problems occur, since the only synchronization required is the collapse of a transmission maxima of the FPI with a desired point in the temporal power profile of the incident pulse or pulse train simply by tempering of the parallelepiped semiconductor plate (hereinafter referred to as switching crystal).

Ausführungsbeispielembodiment

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-EinkristallenThe described method can be realized in various embodiments, which can be adapted to the particular application. The variants described below can be used especially for pulse shortening or selection of CO laser * radiation. They are based on the simultaneous absorption of 3 laser photons (ThPA) and the simultaneous absorption of 2 photons of the 2nd harmonic laser radiation (TPA) ia tellurium single crystals

Ausführungsbeispiel 1 gemäß Fig. Ii Embodiment 1 according to 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 spielenBiese variant represents the simplest possible realization »The incoming laser pulse, which simultaneously represents the switching beam (for the production of the free charge carriers by IhPA) and the beam to be switched» is focused by means of a lens 1 on a switching crystal 2. Ba only in the center of the spatial intensity profile, the stranding of the generated free charge carriers is sufficiently homogeneous, the switched central parts of the beam are hidden by means of a diaphragm 3. This variant is characterized by its antecedent structure and is particularly suitable for experiments 8 which require only low radiation power, so that the large losses in the 0OS play a minor role

Ausführangsbeispiel 2 gemäß Fig. 2: Ausführangsbeispiel 2 according to 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,aserimpulss 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 6S die ilia in eine Einheit'7 xur Erzeugung der 2. Harmonischen der Gyundwelle (SIIG^Einheit) fokussiert,»This variant is intended to ensure that practically over the entire cross section of the beam to be switched, the switching process has the same time characteristic. Two preconditions must be fulfilled. On the one hand, the beam to be switched on its own must not generate any charge carriers and, on the other hand, it must only pass through the central parts of the focus volume of the switching beam. For this, the incoming I, aserimpuls s whose. Wavelength / Ξ- 11,2 / Ura must be to avoid the ThPA au; through the beam splitter k. divided into the switching and the beam to be switched. Via a deflecting mirror 5, the switching beam leached a lens 6 S which focused ilia into a unit 7 for the generation of the 2nd harmonic of the gyro wave (SIIG 1 unit),

4| • 9 ·*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«The 2-harmonic is focused on the switching crystal 2 by passing through a filter 8 "which serves to block off the grand wave, by means of a lens 9 at a small angle to the incidence solder. The Te-switching crystal is antireflection-coated for the '2nd harmonic and mirrored to the desired extent for the fundamental wave'

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.The beam to be switched passes via a delay line 10 to a short focal length lens 11, which bundles it at a vertical incidence in the focus volume of the switching beam.

«Diese Variante zeichnet sich dadurch aus, daß das räumliche Strahlprofil des geschalteten Strahles praktisch erhalten bleibt und die Leistungsverluste relativ gering sind."This variant is characterized by the fact that the spatial beam profile of the switched beam is practically maintained and the power losses are relatively low.

Claims (5)

Erfindungsanspruchinvention claim 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! 1. Optical-optical "learn for shortening and selecting Lsserimpulsen t characterized in that by He" - generating free Ladsngstrager by means of a switching light beam on a "or 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.a medium, the optical path length of an interference-capable assembly is dsrchgestiramt such a way that a to be switched beam., is of the same beam of light as the switching beam herrUiirt 9, a shortened pulse * excised ^, or a single pulse from a selected in the "pulse sequence. 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-2. Arrangement for carrying out the method according to item 1, characterized in that in the beam path of a focused laser beam of sufficient power that at the same time the * 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.* agile free charge carriers provided switching and the beam to be switched embodied, a vertically irradiated, plaaparallel and on both sides teilverspie- gemte semiconductor plate and behind it a means for blanking the switched central parts of the beam contains. 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.3 «arrangement for carrying out the method according to item I 8, characterized in that they for dividing the laser beam in the sclialtenden and the beam to be switched a Stra.hlteiler, a SHG-sincerity in the beam path of the switching beam, means for focusing the scarf. to a fundamental beam reflecting crystal reflective to the fundamental wave, which is arranged such that its incidence slot subtends a small angle with the incident switching beam and means for time delay and vertical focusing in the center of the focus volume of the switching beam. Λ. .- 11 - 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.Arrangement according to item 3 »characterized in that means are provided for the spatial separation of the portion of the beam to be switched, which is reflected by the switching crystal at a small angle to the incidence solder, and its further use as a switching beam. 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.5. Arrangement for carrying out the method according to item 1, characterized in that in the beam path of the focused at a small angle to the incident slot on the switching crystal switching beam behind the switching crystal, with this a PPI high quality forming transparent plate is arranged and that means are provided, of the reflected at the front surface of the switching crystal portion, which embodies the beam to be switched to lead perpendicular to the back of the transparent plate and to focus in the focus volume of the switching beam. J,J,
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4739287A (en) * 1984-06-08 1988-04-19 Veb Kombinat Feinmechanische Werke Halle Apparatus for external modulation of high efficiency CO2 laser beams
DE19814199A1 (en) * 1998-03-25 1999-10-07 Las Laser Analytical Systems G Method and device for tunable frequency conversion

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