DD279731A1

DD279731A1 - Verfahren und anordnung zur spektral- und zeitaufgeloesten registrierung ultrakurzer lichtimpulse

Info

Publication number: DD279731A1
Application number: DD32544389A
Authority: DD
Inventors: Karl-Ernst Suesse; Wolfgang Nebe; Bernhardt Knull
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1990-06-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur spektral- und zeitaufgeloesten Registrierung ultrakurzer Lichtimpulse. Gemaess der Erfindung erfolgt eine Aufspaltung des Lichtimpulses in mindestens zwei Teilstrahlenbuendel, von denen einer spektral zerlegt und mit dem anderen richtungsgleich zu einem gemeinsamen Strahlenbuendel wiedervereint wird, ueber dessen Buendelquerschnitt eine ortsabhaengige Messung der Strahlungsenergie erfolgt. Laufzeiteffekte verfaelschen bei dieser Loesung nicht die zeitaufgeloeste Messung. Zusaetzlich koennen Kohaerenzeigenschaften bestimmt werden. Die Impulslaenge bleibt bei erhoehter spektraler Aufloesung unbeeinflusst. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung diont der spektral- und zeitaufgelösten Registrierung ultrakurzer Lichtimpulse und ist vorrangig für die Ultrakurzzeitspektroskopie zur optischen Untersuchung von Prozessen in Zeitintervallen unterhalb von 100 Pikosekunden vorgesehen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Z'jr spektralen und zeitlichen Auflösung eines Lichtimpulses sind Anordnungen bekannt, bei denen der Lichtimpuls zunächst einen Gittermonochromalor durchläuft und dann auf einen zeitauflösenden Empfänger gerichtet ist (DD-WP 148099).

Nachteilig bei solchen Anordnungen ist es, daß die Zeitaufiösung des Systems durch die Responsefunktion bzw. die Anstiegszeit des Empfängers begrenzt wird. Zur Erzielung einer hohen zeitlichen Auflösung ist ein bedeutender technischer Aufwand nötig.

Weiterhin ist es auf Grund des durch Fouriertransformation gebildeten Zusammenhanges zwischen der Dauer eines Lichtimpulses und dem Frequenzspektrum synchronisierter Moden nicht möglich, bei einer Messung der Frequenzauflösung beliebig hoch zu wählen, ohne das Zeitverhalten des Impulses zu verfälschen. Das Signal, das von dem zeitauflösenden Empfänger abgegeben wird, ist proportional der Intensität der Strahlung im aufgelöster Zeitintervall; dia Kohärenzeigenschaften des Strahlungsimpulses, aus denen weitere wichtige Informationen zu seiner Charakterisierung gewonnen werden können, sind jedoch nicht bestimmbar.

Nachteilig an dieser Lösung ist es auch, daß durch die Bewegung am Gitter eine Differenz der optischen Weglänge zwischen Eintrittsspalt und Austrittsspalt des Monochromaiors für die das Strahlenbündel senkrecht zu den Linien des Gitters begrenzenden Randst^rahlen entsteht. Das führt beim Durchgang sehr kurzer Lichtimpulsc durch einen Gitfermonochromator zur zeitlichen Verlängerung dieser Impulse und damit zu einer Begrenzung der Zeitauflösung.

Zur Beseitigung dieses Mangels wurde von P.Saari und A. Freiberg (JQE, QE 19 [1983] 622) eine Monochromatcranordnung vorgeschlagen, in der dem Austrittsspait nachgeordnet ein zweites Gitter vorgesehen ist, das in entgegengesetzter Dispersion benutzt wird und die vom ersten Gitter bewirkte Wegdifferenz weitgehend kompensiert.

Der Nachteil des hohen Aufwandes dieser Lösung durch die Verwendung zweier Gitter, d\°. zur spektralen Durchstimmung synchron gedreht werden müssen, wurde mit dem DD-WP 2414^5 beseitigt. Nach der Beugung am Gitter wird das Strahlenbündel mit einem reflektierenden Element ein zweites Mal über das Gitter mit entgegengesetzter Dispersion geführt, wobei Ein- und Austrittsspalt durch einen teildurchlässigen Spiegel räumlich getrennt werden.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist vor allem der Lichtverlust duich den Einsatz eines teildurchlässigen Spiegels.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mit verringertem technischen Aufwand bessere Nachweiseigenschaften und eine Erweiterung der Nachweismöglichkeiten zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine durch die Zeitauflösung des Empfängers unbeeinflußte zeitaufgelöste Messung von ultrakurzen Lichtimpulsen zu gewährleisten, die nicht durch Laufzeiteffekte verfälscht ist und zusätzlich die Bestimmung von Kohärenzeigenschaften gestattet. Eine erhöhte spektrale Auflösung soll die ermittelte Impulslänge nicht beeinflussen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur spektral- und zeitaufgelösten Registrierung ultrakurzer Lichtirnpulse, indem eine Aufspaltung des Lichtimpulses in mindestens zwei Teilstrahlenbündel erfolgt, vor, denen einer spektral zerlegt und mit dem anderen richtungsgleich zu einem gemeinsamen Strahlenbündel wiedervereint wird, über dessen Bündelquerschnitt eine ortsabhängige Messung der Strahlungsenergie erfolgt. Dabei sind die spektrale Auflösung des Monochromators und der vom anderen Teilstrahlenbündel durchlaufene optische Weg veränderbar.

Vorteilhaft ist es, wenn das gemeinsame Strahlenbündel vor der ortsabhängigen Messung durch einen Zweiphotonen-Prozeß nichtlinear verändert wird.

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Anordnung zur spektral- und zei'aufgelösten Registrierung ultrakurzer Lichtimpulse, die über einen Gittermonochromator geführt auf einen Empfänger, an den eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, gerichtet sind. Zwischen Eintrittsspalt des Gittermonochromotors mit veränderlichem Auflösungsvermögen und dem Gitter ist ein Strahlenteiler zur Lichtimpulsaufspaltung in Teilstrahlenbündel vorgesehen. Einer der Teilstrahlenbündel ist auf das Gitter gerichtet. Der Empfänger ist als ortsauflösender Empfänger ausgebildet und in einem gemeinsamen Strahlengang, in dem das am Gitter gebeugte und das andere Teilstrahlenbündel zumindest teilweise interferieren, dem Austrittsspalt des Gittermonochromators nachgeordnet. Die äußeren Empfangselemente des Empfängers sind von den Randstrahlen des gebeugten Teilstrahlenbündels, zwischen denen eine Laufzeitdifferenz besteht, beaufschlagt.

Unmittelbar vor dem ortsauflösenden Empfänger ist ein nichtlineares optisches Element angeordnet, das zwei Photonen der einfallenden Strahlung in ein Photon der austretenden Strahlung transformiert und das für die einfallende Strahlung nicht transparent ist.

Das Teilstrahlenbündel, das nicht auf das Gitter fällt, ist vor dem Eintritt in den gemeinsamen Strahlengang auf ein Element zur Veränderung der optischen Weglänge gerichtet.

Mit der beschriebenen Erfindung, die eine Synthese aus einem Monochromator und einem Interferometer darstellt, erfolgt die Messung der spektralen Verteilung des (in der Regel nicht vollständig modensynchronisierten) Lichtimpulses durch die Registrierung des über alle Empfängerelemente summierten, von der Empfängerzeile abgegebenen Signals in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Gitters. Die spektrale Auflösung wird wie bei jedem Gittermonochromator durch die Variation der Eintrittsund Austrittsspaltbru'te verändert.

Zur Registrierung von Impulsdauer und Kohärenzzeit wird die Tatsache ausgenutzt, daß beim gebeugten Teilstrahlenbündel durch die Beugung am Gitter eine lineare Zeitverzögerung von einem Randstrahl zum anderen in einer Richtung senkrecht zu den Linien des Gitters auftritt. Das zweite Teilstrahlenbündel besitzt eine solche Zeitverzögerung nicht. Kann der zu vermessende Lichtimpuls als kohärent vorausgesetzt werden, so registrieren die einzelnen Empfangselemente in Abhängigkeit vom Überlagerungszustand beider Teilstrahlenbündel unterschiedliche Strahlungsenergien. Die Ortabhängigkeit des vom Zeilenempfänger abgegebenen Signals widerspiegelt den Zeitverlauf des zu messenden Lichtimpulses, an dem unmittelbar die Impulslänge abzulesen ist. Durch die Veränderung der optischen Weglänge in dem Teilstrahlenbündel, das nicht auf das Gitter fällt, kann der Wegunterschied zwischen beiden Teilstrahlenbündeln auf einem vorgegebenen Empfängerelement auf Null festgelegt werden, so daß sich auf diesem Empfängerelement die beiden Teilstrahlenbündel genau zeitgleich überlagern und damit das maximale Empfängersigna! erzeugen.

Kann der zu untersuchende Impuls nicht als kohärent vorausgesetzt werden, ist also seine Kohärenzzeit kleiner als die Impulslänge, so widerspiegelt die Ortsabhängigkeit des vom Zeilenempfänger abgegebenen Signals vom Empfängerelement die zeitliche Korrelation der zu untersuchenden Lichtimpulse, aus der die Kohärenzzeit abzulesen ist.

Um Impulsdauer und Kohärenzzeit zu vermessen, wird die Auflösung des Monochromators so hoch gewählt, daß die spektrale Bandbreite des gebeugten Teilstrahlenbündels schmaler als die spektrale Breite der im zu untersuchenden Lichtimpuls synchronisierten Moden ist. Die damit verbundene Verlängerung der Kohärenzzeit des vom Gitter gebeugten Teilstrahlenbündels ist kontrollierbar an der Veränderung des Empfängersignals in Abhängigkeit vom Empfängerelement. Zur Bestimmung von Impulsdauer und Kohärenzzeit, die voneinander unabhängig sind, durch die Auswertung der Abhängigkeit des Empfängersignals vom Empfängerelement werden wenigstens zwoi Messungen bei unterschiedlicher Kohärenzzeit des gebeugten Teilstrahlenbündels ausgeführt.

Da Zweiphotonen-Prozesse proportional der vierten Potenz der einfallenden Feldstärke sind, läßt sich mit dem Einsatz eines nichtlinearen Elementes vor dem Zeilenempfänger die Impulsdauer der Lichtimpulses bei jeder Kohärenzzeit aus der Ortsabhängigkeit des Empfängersignals vom Empfängerelement bestimmen.

Ausf Uhrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig.1: eine erste Anordnung gemäß der Erfindung Fig. 2: eine zweite Anordnung gemäß der Erfindung

-3- 278 731

Bei der in Fig. 1 dargestellten Lösung sind einem Eintrittsspalt 1 eine Sammellinse 2 und ein Strahlenteiler 3 nachgeordnet, von dem aus ein Strahlengang 4 zu einem drehbaren Reflexionsgitter 5 und ein anderer Strahlengang 6 zu einem entlang der optischen Achse des Strahlenganges 6 verschiebbaren Spiegel 7 verläuft. Ausgehend vom Strahlenteiler 3 führt ein für 6 und 7 gemeinsamer Strahlengang 8 über eine Linse 9 und einen Austrittsspalt 10 auf einen Zeilenempfänger 11 als ortsauflösenden Empfänger. In einer weiteren Ausführungsform kann dem Zeilenempfänger 11 ein nichtlineares optisches Element 12 vorgeschaltet sein.

Nachdem ein einen ultrakurzen Lichtimpuls repräsentierendes Strahlenbündel den Eintrittsspalt 1 und die Sammellinse 2 durchlaufen hat, fällt das Strahlenbündel, bei dem die Flächen gleicher Intensität senkrecht zur Strahlrichtung verlaufen, auf den Strahlenteiler 3. Ein erstes Teilstrahlenbündel wird vom Strahlenteiler 3 über den Strahlengang 4 auf das Reflexionsgitter 5 gelenkt und für die vom Drehwinkel des Reflexionsgitters 5 abhängige Littrowsche Wellenlänge in den Strahlengang 4 gebeugt, passiert den Strahlenteiler 3, die Sammellinse 9, den Austrittsspalt 10 und fällt auf den Zeilenempfänger 11.

Auf Grund der Reflexion verlaufen die Flächen gleicher Strahlintensität für das am Reflexionsgitter 5 reflektierte Teilstrahlenbündel (Impulsfront B) nicht mehr senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Ein zweites Teilstrahlenbündel, das den Strahlenteiler 3 durchläuft, fällt auf den Spiegel 7, wird von diesem und dem Strahlenteiler 3 in den gemeinsamen Strahlengang 8 reflektiert.

Da das vom Spiegel 7 reflektierte Teilstrahlenbündel die Flächen gleicher Intensität ebenso wie der einfallende Lichtimpuls senkrecht zur Ausbreitungsrichtung besitzt (Impulsfront A), wird durch die auf den Zeilenempfänger 11 entstehende Intensitätsverteilung das zeitliche Verhalten des Lichtimpulses wierdergegeben.

Durch die Verschiebung des Spiegels 7 in Strahlrichtung wird das Element des Zeilenempfängers festgelegt, auf dem sich die beiden Teilimpulse zeitgleich überlagern, und es wird durch Phasenanpassung der sich überlagernden Teilstrahlenbündel die vom Empfänger registrierte Strahlungsintensität auf ihren Maximumwert eingestellt.

Die F^:g. 2 zeigt eine andere Ausführung, bei der der Strahlenteiler 3 in der Mittelsenkrechten eines gleichschenkligen Prismas 3' liegt. Nach der Strahlteilung werden die Teilstrahlenbündel auf ihrem Weg an den Prismenflächen totalreflektiert. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht der Vorteil einer kompakteren Bauweise, so daß zur Ausschaltung z. B. von thermischen Effekten die Strahlengänge 4,6 der beiden Teilstrahlenbündel enger benachbart sind.

Die Bestimmung von Impulsdauer T₀ und Kohärenzzeit T_k des Impulses sei am Beispiel eines Gaußimpulses erläutert, dessen kohärente Teilstrahlenbündel ebenfalls Gaußimpulse sind. Die Amplitude der Feldstärke des vom Spiegel 7 reflektierten und auf das i-te Empfängerelement fallenden Teilstrahlenbündel ist gegeben durch

wobei T₀ die Impulsdauer, T_k die Kohärenzzeit und T₂ (i) die Zeit für das Maximum des auf das i-te Empfängerelement fallenden, vom Spiegel 7 reflektierten Teilstrahlenbündels sind.

In analoger Weise gilt für die Amplitude der Feldstärke des vom Gitter 5 reflektierten und auf das i-te Empfängerelement fallenden Teilstrahlenbündels

E,«'(t)= J d<o,E^e-VccV"¹,¹ J dT.e-^-^-e-i'V, r (2)

Vn -χ T₀ ²

wobei Tm die durch den aus Eintritts- und Austrittsspalt 1,10, dem Gitter 5 und eventuell vorhandenen abbildenden Elementen gebildeter Monochromator bestimmte Kohärenzzeit des vom Gitter 5 reflektierten Teilstrahlenbündels ist. Der Interferenzterm der auf das i-te Empfängerelement fallenden Ensrgie ist dann bestimmt durch

n²T_kT_MT₀ ² " 4 ^(T2 ' ^T' ' = E₁E₂ e (3)

Vn (V + T_M + y T₀ ²) (V + Tm² + y T₀ ²)

+ konjugiert kompiexer Term

Durch den Reflexionswinkel des Gitters 5 und die Geometrie der Anordnung ist T₃(i) - T₁(J) vorgegeben, so daß sich aus (3) durch zwei Messungen bei zwei verschiedenen T_M, d. h. zwei verschieden eingestellten spektralen Auflösungen des Monochromator, wobei die spektrale Bandbreite kleiner als die spektrale Breite der synchronisierten Moden ist, die Impulsdauer T₀ und die Kohärenzzeit T_k bestimmen lassen.

Claims

1. Verfahren zur spektral- und zeitaufgelösten Registrierung ultrakurzer Lichtimpulse, gekennzeichnet dadurch, daß eine Aufspaltung des Lichtimpulses in mindestens zwei Teilstrahlenbündel erfolgt, von denen einer spektral zerlegt und mit dem anderen richtungsgleich zu einem gemeinsamen Strahlenbündel wiedervereint wird, über dessen Bündelquerschnitt eine ortsabhängige Messung der Strahlungsenergie erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die spektrale Auflösung veränderbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der vom anderen Teilstrahlenbündel durchlaufene optische Weg veränderbar ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß das gemeinsame Strahlenbündel vor der ortsabhängigen Messung durch einen Zweiphotonen-Prozeß nichtlinear verändert wird.

5. Anordnung zur spektral- und zeitaufgelösten Registrierung ultrakurzer Lichtimpulse, die über einen Gittermonochromator geführt auf einen Empfänger, an den eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, gerichtet sind, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen Eintrittsspalt des Gittermonochromators mit veränderlichem Auslösungsvermögen und dem Gitter ein Strahlenteiler zur Lichtimpulsaufspaitung in Teilstrahlenbündel vorgesehen ist, von denen einer auf das Gitter gerichtet >st, und als Empfänger ein ortsauflösender Empfänger dient, der in einem gemeinsamen Strahlengang, in dem das am Gittei gebeugte und das andere Teilstrahlenbündel zumindest teilweise interferieren, dem Austrittsspalt des Gittermonochromators nachgeordnet ist, wobei dessen äußere Empfangselemente von den Randstrahlen des gebeugten Teilstrahlenbündels, zwischen denen eine Laufzeitdifferenz besteht, beaufschlagt sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß das andere Teilstrahlenbündel vor Eintritt in den gemeinsamen Strahlengang auf ein Element zur Veränderung der optischen Weglänge gerichtet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß unmittelbar vor dem ortsauflösenden Empfänger ein nichtlineares optisches Element angeordnet ist, das zwei Photonen der einfallenden Strahlung in ein Photon der austretenden Strahlung transformiert.

8. Anordnung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, daß das nichtlineare optische Element für die einfallende Strahlung nicht'transparent ist.