DD208511A1 - Passiv modensynchronisierter edelgasionen-laser - Google Patents

Abstract

Der passiv modensynchronisierte Edelgasionen- Laser ist geeignet zur Erzeugung ultrakurzer durchstimmbarer Lichtimpulse und damit zur Untersuchung kurzzeitiger Vorgaenge in Molekuelen und Halbleietern. Die Aufgabe der Erfindung,passive Modensynchronisation eines cw-Pumplasers mit Hilfe eines nichtgasfoermigen saettigbaren Absorbers zu ermoeglichen,wurde dadurch geloest, dass dieser aus einem oder mehreren Farbstoffen oder aus einem Farbzentrenkristall besteht. Als saettigbaren Absorber kann auch ein laserfaehiges Medium vorgesehen sein. Die Resonatorspiegel sollen ein hohes Reflexionsvermoegen fuer die Pumpstrahlung und die Fluoreszenzstrahlung des Absorbers besitzen. Gegenueber passiver Modensynchronisation von mit einem cw-Laser gepumpten Farbstofflaser,die einen saettigbaren Absorber enthalten, ermoeglicht der erfindungsgemaesse Laser eine wesentlich groessere Durchstimmung der Wellenlaenge der Impulse und hoehere Ausgangsleistungen. Gegenueber synchronrn Pumpen mit aktiver Modulation des Pumplasers wird der Aufwand bedeutend verringert.

Description

Titel der Erfindung

Passiv niodensynchronisierter Edelgasionen-Laser

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen passiv modensynchronisierten Eaelgasionen-Laser mit einem sättigbaren Absorber. Der Laser ist geeignet zur Erzeugung ultrakurzer durchstimmbar er Lichtimpulse und damit zur Untersuchung kurszeitiger Torgänge in Molekülen und Halbleitern. Anwendungsgebiet ist also die Physik, Chemie und Biologie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Modensynchronisierte cw-Farbstofflaser gestatten die Erzeugung von Lichtimpulsen im psec und subpsec-Bereich bei einer gleichzeitigen mehr oder weniger großen Durchstimmung der Wellenlänge. Dabei hat die Methode des synchronen Pumpens 'eine große Bedeutung erlangt, da sie die Erzeugung von psec und subpsec Lichtimpulsen ermöglicht und Impulse mit relativ hoher Leistung generiert werden können. Bekannterweise werden cw-Farbstofflaser mit leistungsstarken Edelgas-Ioneniasem gepumpt. Die Methode des synchronen Pumpens erfordert, daß der Farbstofflaser mit kurzzeitigen Impulsen gepumpt wird, Die Erzeugung der Kurszeitimpulse des Pumplasers ist prinzipiell nach zwei Methoden möglich, der Methode der aktiven und der Methode der passiven Modensynchronisation.

Bei der Methode der aktiven Modensynchronisation werden die Moden des Pumplasers beispielsweise durch die Modulation der Resonatorverluste gekoppelt, Auch mit einer Modulation der 'verstärkung kann Modensynchronisation erzielt werden. Bei allen Varianten der aktiven Modensynchronisation ist .jedoch ein Modulator notwendig, dessen frequenz und Phase estrem stabil gehalten werden müssen. Die zur Erzeugung von psec Impulsen des !Farbstoff lasers notwendige Prequenz- und Phasenstabilität des Modulators des Pump-

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lasers muß in der Größenordnung 10 liegen, (CP. Ausschnitt, IEBB J,QS'15 (1979), 912), was hohe Anforderungen an die Stabilität der Elektronik stellt.

Die-passive Modensynehronisation eines Sdelgasionenlasers wurde von A.A. Vinogradova u,a. (Kvant.Elekt,7(19S0),21S) realisiert. In.einem Ar-Laser-Resenator mirde ein zweites Ar-Sntladungsrohr eingebaut. Durch Wahl geeigneter Werte für Fülldruck und Stromstärke kann erreicht werden, daß das Argon im zweiten Entladungsrohr als sättigbarer Absorber wirkt. Dadurch erübrigt sich der hohe elektronische Aufwand, der bei der aktiven Modensynehronisation getrieben werden muß. Das von A.A. Vinogradova u,a, (Kvant.Elekt,7 (1980),. 219) realisierte Verfahren konnte sich jedoch nicht durchsetzen, da sich zu seiner Realisierung ein zweites Ar-Entladungsrohr notwendig macht. Da dieses zweite Ar-Entladungsrohr im Prinzip einemAr-Laser-Entladungsrohr entspricht, muß zur Realisierung dieser Methode ein unangemessener hoher Aufwand getrieben werden. Die 'passive Modensynehronisation von He-lie-Lasern ist seit längerer Zeit bekannt, So ist z.B. die passive Modensynehronisation eines He-He-Lasers mit i-Je-Absorberzelle und mit Kresylviolett von Runge (Opt.Commun« 5(1972), 311; realisiert worden, Runge benutzte einen 10 m langen He-Ne-Laser und erreichte mit Hilfe von Xresyl-violett als sättigbaren Absorber passive Modensynehronisation des He-Fe-Lasers·mit Impulslängen von 0,27 vsec. Dieses Verfahren hat ,ie do ob. keine Verbreitung finden

können, da der leistungsschwache Ee-He-Laser als Pumplaser für Farbstofflaser ohne praktische Bedeutung ist. Seit der ersten Arbeit von Runge (Opt.Comm. 4 (1971)? 195) aus dem Jahre 1971 lag die Ausdehnung dieses Verfahrens auf den Ar-Laser im Bereich der technischen Möglichkeiten, Offensichtlich ist es auch der auf dem Gebiet der Modensynchronisation arbeitenden !Fachwelt nicht gelungen, diesen Schritt su vollziehen. Das wird besonders in einer von Dienes veröffentlichten Arbeit "Mode-Locked cw-dye Lasers" (Opto-Elect, β (Τ974), 99) deutlich. Dienes beschreibt auf 3. 100, Fig. la eine Anordnung zur Modensynchronisation bei der in einem 3-3piegel-Resonator sowohl ein Ar-Laser als auch ein Farbstofflaser enthalten waren. Die Modensynchronisation wird, aber nicht passiv, sondern nach der Methode der aktiven Modensynchronisation mittels eines in den Resonator eingebrachten akusto-optischen Modulators durchgeführt. Dienes weist auf S. 106 seiner Arbeit darauf hin, daß bis auf den akusto-optischen Modulator seine Anordnung der von Runge (Opt, Comm, 5 (1972), 311) entspricht.

Benutzt man wie Runge (Opt, Comm. 5 (1972), 311) zur passiven Modensynchronisation als sättigbaren Absorber einen geeigneten Laserfarbstoff, so kann der Farbstoff gleichzeitig als synchron gepumptes aktives Medium dienen. Dieses Prinzip des sogenannten double-mode-locking ist mit dem Farbstoff Kresyl-violett beim He-iTe-Laser durch Runge (Opt. Comm, 5 (1972), 311) und beim cw gepumpten Ehodamin β G.Farbstofflaser durch Dienes und Mitarbeiter (Z.A. Yasa, A. Dienes, J.H. Whinnery, Appl. Phys. Lett. 34 (1979), 455) realisiert worden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, bei Sdelgas-Ionen-Lasem, die bekannterweise zum Pumpen von Farbstoff- und Farbzentrenlasern benutzt werden, mit geringem Aufwand passive !ίο-

densynchronisation zu erreichen. Gleichzeitig soll es mit diesem System möglich sein, kontinuierlich durchstimmbare Impulse in psec-3ereicli zu erzielen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe der passiven Paodensynchronisation eines cw-Pumplasers, vorzugsweise eines .Edelgas-Ionen-Lasers mit Hilfe eines nichtgasföraigen sättigbaren Absorbers zu Grunde. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem passiv modensync !ironisiert en Sdelgas-Ionen-Laser mit einem sättigbaren Absorber erfindungsgeaäS dadurch, daß der sättigbare Absorber aus einem oder mehreren Farbstoffen oder aus einem Farbzentrerikristall besteht..

Vorteilhaft ist es, wenn als sättigbarer Absorber ein läserfähiges Medium vorgesehen ist und die Resonatorspiegel hohes Reflexionsvermögen für die Pumpstrahlung und die Fluoreszenz strahlung des Absorbers besitzen. Als sättigbare Absorber werden solche nichtgasfönaigen Stoffe eingesetzt, die als optisch gepumpte aktive Lasermedien dienen können und über breite Pluoreszenzlinien verfügen.. Hierzu zählen vorzugsweise Farbstoffe für- Farbstofflaser und Farbzentrenkristalle für Farbzentrenlaser. Sei derartigen Medien vollzieht sich in der Regel der Absorptionsprozeß·zwischen den Uiveaus 3.J und S₂, der Esissionsprozeß zwischen 5L und S₁ (4-iIiveauschema) wobei 3_p > B-,> S^> S₁ gilt. Zwischen den. Niveaus Sp ^²¹^- -3 sowie E_± und Ξ- vollzieht sich schnelle strahlungslose Relaxation. Der Absorber befindet sich innerhalb des Resonators des Pumplasers. Durch Absorption der ?umr>strahlung erfolgt der Übergang E^-^S₂ und unmittelbar durch schnelle strahiungslose Relaxation die Besetzung des relativ langlebigen Zustandes E^. Die Sesatzungsdichte

im Zustand SJ-, wird vermindert, im Sustand ü., erhöht, was bei entsprechender Pumpintensität zur Sättigung führt. Damit kann der sättigbare Absorber den Pumplaser modensynchronisieren. Die passive Modensynchronisation ist erreicht, die Pumplaserstrahlung oszilliert im Impulsbetrieb.

In einem weiteren Schritt wird ausgenutzt, daß es sich bei dem sättigbaren Absorber um ein Lasermedium handelt. Durch den Impulsbetrieb der Pumpstrahlung erfolgt ein synchrones Pumpen des Lasermediums (sogenanntes double-mode-locking), der Laserübergang beginnt in E-, und endet in einem bestimmten wählbaren Hiveau S,. Durch das synchrone Pumpen können sich in einem geeigneten Resonator Laserimpulse ausbilden, deren Wellenlänge über das !Fluoreszenzprofil des Lasermediums abstimmbar ist und deren Breite gegenüber dem Pumpimpuls um etwa zwei Größenordnungen verkürzt wird. Die Realisierung des Verfahrens erfolgt in einfacher Weise beispielsweise dadurch, da;3 ein gemeinsamer drei-Spiegelresonator für Pump- und Farbstoff- bzw. Parbzentrenlaser vorhanden ist,

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Lasers besteht gegenüber der passiven Modensynchronisation des Pumplasers mit gasförmigen Absorber in einer deutlichen .7er- ringerung des Aufwandes. So wird kein kompliziertes Hochstromentladungsrohr für den Absorber benötigt. Weiterhin ist bei diesem Laser das double-mode-locking-Prinzip nicht anwendbar.

Gegenüber der passiven Modensynchronisation von Parbstofflasern, die mit einem cw-Laser gepumpt werden und einen sättigbaren Absorber (z.3. DODGI) enthalten, gestattet das erfindungsgemälBe Verfahren eine bedeutend größere Durchstimmung der Wellenlänge der Impulse, und eine höhere Ausgangsleistung. Gegenüber der Methode des synchronen Pumpens mit aktiver Modulation des

Fumplasers gestattet das erfindungsgemäße Verfahren eine drastische Herabsetzung des Aufwandes. So kann auf die komplizierte Elektronik für den Modulator und auf den Modulator selbst verzichtet werden, Weiterhin entfällt das Problem, . die Modulationsfrequenz mit einer Genauigkeit von 1Q~*' auf die reziproke Umlaufseit der Impulse im Farbstofflaserresonator konstant halten zu müssen.

Ausführungsbe i

Die Srfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden, bei dem ein Ar-Tonenlaser als Pumplaser und der Farbstoff Rhodanin β G als sättigbarer Absorber dient, Das Lasersystem zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse entsteht -durch Vereinigung "einesT'Ar'^ljäser-Res'öHätors mit einem cw-Parbstofflaser-Resonator, so daß im einfachsten Fall ein gemeinsamer drei-Spiegelresonator gebildet wird. Bei einem Ar-Laser, bestehend aus dem Entladungsrohr 1 (3.- Abb.- 1), einem Littrow-Prisma 2 zur Selektion der Wellenlänge und einem Auskoppelspiegel wird der Auskoppelspiegel entfernt und durch die Kombination zweier sphärischer Spiegel 3, 4 ersetzt, wie sie für cw-Farbstofflaser typisch sind. Die Spiegel sind hoehreflektierend für die Ar-Laser-Strahlung und besitzen einen Krümmungsradius '/on' etwa 5 csi. In der sich zwischen den Spiegeln 3 und 4 ausbildenden 'Taille befindet sich ein sättigbarer Absorber 5 in Form..eines frei fallenden Flüssigkeitsstrahles (sogenannter jet stream) aus Ithylenglykol, der Rhodamin 6 G enthält. Der Winkel 2Θ dient·in bekannter Weise zur Kompensation .des Astigmatismus, Wird bei vorgegebener Verstärkung des Ar-Entladungsrohres die Konzentration des Rhodamin allmählich erhöht, tritt an einem bestimmten Punkt passive Modensynchronisation auf. Typisch ist eine Konzentration von ca, 5.10 so 1/1 ±üx einen Ax-L&ser mil: einer Leis'b'Uüs von

-ο

etwa 2 ^T,7 bei 514 nm.

Wesentlich vorteilhafter als die passive Modensynchronisation des Ar-Lasers und das anschließende synchrone Pumpen eines Farbstofflasers ist die Vereinigung beider Verfahren (double-moda-locking). Zu diesem Zweck muß die Güte des Resonators für die Fluoreszenzstrahlung des Absorbers soweit erhöht werden, daß die Verstärkung die Verluste pro Durchgang übertrifft und Farbstofflaserbetrieb einsetzt. Der Farbstoff wird jetzt durch die Ar-Laserimpulse synchron gepumpt. Der für den Farbstofflaser notwendige Resonator kann in verschiedenen Varianten ausgeführt werden. Eine Ausführungsfonn, in der die Resonatoren für den Ar- und den Farbstofflaser nahezu identisch sind, zeigt Abb. 2. Zwei sphärische Spiegel 6 und 7 sind für die Ar- und Farbstofflaserwellenlänge hoch reflektierend, zwei Spiegel S und 9 sind Auskoppelspiegel für die Farbstoff- bzw. Ar-Laserirapulse und weisen große Krümmungsradien auf (5 bis 10 m). Sin Brewster-Prisma 10 trennt die Ar- und Farbstofflaserimpulse. Die Veränderung der Wellenlänge der Farbstofflaserimpulse erfolgt durch Drehung des Spiegels S. Ein !lachteil dieser Variante, bei der die Färbstofflaserstrahlung durch das Ar-Entladungsrohr geht, besteht darin, da3 die kontinuierliche Durchstimmung der Farbstofflaserstrahlung durch die Linsenwirkung der Entladung bei bestimmten Arübergängen beeinträchtigt werden kann.

Sine Variante, die frei von diesen Beeinträchtigungen ist, zeigt Fig. 3« Ar- und Farbstofflaserstrahlung laufen unter einem kleinen Winkel durch den jet stream 5· ^oex ein Prisma 10 wird die Färbstofflaserstrahlung aus den Ar-Laser-Resonator abgelenkt. Ein sphärischer 5 πι - Spiegel dient als Auskoppelspiegel. Ein Prisma 11, auf das auch verzichtet werden kann, vermindert die Dispersion des Resonators -. Der sättigbare Absorber kann auch aus einem Gemisch von Farbstoffen bestehen, beispielsweise aus zwei oder mehreren Laserfarbstoffen oder aus einem Gemisch eines Laserfarbstoffes und eine3 üblicherweise benutzten sättigbaren Absorberfarbstoffes.

Claims (3)

1. Erfindung s ansprach

   1. Passiv modensynchronisierter Sdelgas-Ionen-Laser mit einem sättigbaren Absorber zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, dadurch gekennzeichnet, daß der sättigbare Absorber aus einem oder mehreren Farbstoffen oder aus einem Farbzentrenkristall besteht.
2. 2. Passiv.modensynchronisierter Sdelgas-Ionen-Laser nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als sättigbarer Absorber ein laserfähiges Medium vorgesehen ist und die Resonatorspiegel hohes Reflexionsvermögen für die Pumpstrahlung und die Fluoreszenzstrahlung des Absorbers besitzen.
3. 3. Passiv modensynchronisierter Edeigas-Ionen-Laser nach Punkt 2, dadurch -gekennzeichnet, daß für die induzierte Fluoreszenzstrahlung ein Resonator vorgesehen ist, der höchstens die beiden sphärischen Spiegel mit.dem Resonator des Sdelgas-lonen-Lasers gemeinsam hat.

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