DE102004054408B4

DE102004054408B4 - Bestimmung der Carrier-Envelope Phase (CEP) eines ultrakurzen Laserpulses

Info

Publication number: DE102004054408B4
Application number: DE102004054408A
Authority: DE
Inventors: Torsten Dr. Löffler; Hartmut G. Prof. Dr. Roskos; Reinhard Prof. Dr. Dörner
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Current assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2024-11-11
Also published as: DE102004054408A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase (4) eines, insbesondere ultrakurzen, Laserpulses (1) umfassend:
– ein Target (7), auf welches der Laserpuls (1) richtbar ist, so daß im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses (1) mit dem Target (7) ein Plasma erzeugt wird und elektromagnetische Strahlung (8) aus dem Plasma emittiert wird,
– einen Detektor (11) zum Nachweisen der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung (8) und
– eine Auswerteeinrichtung (12) ausgebildet zum Bestimmen der Träger-Einhüllenden-Phase (4) des Laserpulses (1) mittels der detektierten aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung (8).

Description

Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung, Steuerung und Regelung der Träger-Einhüllende-Phase (engl. Carrier-Envelope-Phase) eines insbesondere ultrakurzen Laserpulses.
Hintergrund der Erfindung:
Die Entwicklungen in der Lasertechnik ermöglichen es heutzutage, Licht- bzw. Laserpulse mit einer Pulslänge bzw. Pulsdauer von einigen Femtosekunden zu erzeugen.
Die Technologie der Femtosekunden-Laser dringt damit in Zeitbereiche vor, in denen in der Natur viele elementare Prozesse ablaufen, wie beispielsweise Molekülschwingungen, Elektron-Phonon-Wechselwirkungen, Ladungstransfers in Halbleitern oder auch chemische Reaktionen.
Die Möglichkeit, diese Elementarprozesse mit Hilfe der Technologie der Femtosekunden-Laser bzw. mit Hilfe eines Femtosekunden-Laserpulses zu untersuchen oder sogar gezielt zu beeinflussen, beinhaltet ein großes und breit gefächertes Anwendungspotential. Dabei hat die Technologie der Femtosekunden-Laser bereits in den letzten Jahren die Grundlagenforschung zum Teil verlassen und Einzug in die technische Anwendung gehalten. Anwendungsbeispiele finden sich unter anderem in der Kommunikations- und Informationstechnik, der Materialbearbeitung, insbesondere der Mikro- und Nano-Strukurierung von Oberflächen und der Femtosekunden-Chemie.
Unter Berücksichtigung der aktuellen technisch und wissenschaftlich bedeutsamen Lasertechnik im Spektrum des sichtbaren Bereichs und des nahen Infrarots rückt die Pulsdauer bzw. Dauer eines solchen ultrakurzen Laserpulses zu Zeiten vor, in denen, bei Berücksichtigung der Trägerwellenlänge des Laserlichts, während der Dauer eines Laserpulses weniger als zwei Schwingungen der elektrischen Feldamplitude bzw. weniger als zwei Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle innerhalb des Laserpulses bzw. innerhalb der Einhüllenden des Laserpulses stattfinden.
Die sich daraus ergebende Konsequenz ist, daß die zeitliche Änderung des Laserfeldes entscheidend von der Phase der Trägerwelle des Laserpulses in Bezug zur Einhüllenden des Laserpulses, der sogenannten Träger-Einhüllende-Phase, abhängig ist.
In typischer Weise erfordert daher die Anwendung bzw. Verwendung derartiger ultrakurzer Laserpulse eine Stabilisierung der Träger-Einhüllende-Phase, d.h. eine feste Verteilung der Schwingung des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle im Laserpuls in Bezug zur Einhüllenden des Laserpulses oder zumindest die Kenntnis der Träger-Einhüllende-Phase eines Laserpulses.

Die Träger-Einhüllende-Phase eines Laserpulses kann beispielsweise mit Hilfe eines kommerziell erhältlichen f-zu-2f-Interferometers bestimmt und stabilisiert werden (siehe dazu beispielsweise J. Reichert et al., Optics Communications 172 (1999) 59–68). Jedoch ist ein f-zu-2f-Interferometer nicht in der Lage, zuverlässig den aktuellen bzw. den Wert der Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses zu bestimmen. Es ist nur geeignet, auf den von Laserpuls zu Laserpuls verschobenen Wert der Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses zuzugreifen und diesen zu kontrollieren.

Zur Bestimmung der aktuellen bzw. absoluten Phase haben G.G. Paulus et al. (Physical Review Letters, Vol. 91, No. 25 (2003) 253004-1) gezeigt, daß die Emissionsrichtung der Elektronen, die von einem durch einen Femtosekunden-Laserpuls photoionisierten Atom emittiert werden, durch Variieren der Träger-Einhüllenden-Phase des Laserpulses kontrolliert werden kann und dies eine Methode zur Bestimmung Träger-Einhüllenden-Phase des Laserpulses darstellt. Die Vorrichtung zum Erfassen und Nachweisen der Elektronen umfaßt dabei ein in einer Ultrahochvakuum-Kammer positioniertes Flugzeitspektrometer und Mikrokanalplatten-Detektoren.

Im weiteren zeigen P. Dombi et al. (New Journal of Physics 6 (2004) 39) eine Festkörpervorrichtung, welche es ermöglicht, die Träger-Einhüllende-Phase eines ultrakurzen Laserpulses zu messen. Die Messung basiert auf der multiphoton-induzierten Emission von Photoelektronen von einer Goldoberfläche. Die Menge der von der Oberfläche emittierten Ladung gibt dabei einen Hinweis auf die Phasensensitivität. Die Vorrichtung zum Erfassen und Nachweisen der Elektronen umfaßt dabei eine unter Hochvakuum-Bedingungen betriebene Elektronenvervielfacherröhre.

Da in den beiden zuletzt genannten Publikationen die Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase eines Laserpulses über den Nachweis von photoionisierten Elektronen erfolgt, erfordert dies den Betrieb der Meßapparatur unter zumindest Hochvakuum-Bedingungen, die Verwendung elektrischer Führungsfelder zum Erfassen der Elektronen auf den Detektoren und die Verwendung einer aufwendigen Elektronik zum Betreiben und Auslesen der Detektoren.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung daher zur Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimung der Träger-Einhüllende-Phase eines, insbesondere ultrakurzen, Laserpulses bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile des Standes des Technik vermeiden.

Das Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Ausführung sollen zudem einfach und kostengünstig zu verwenden sein.

Insbesondere soll das Verfahren und die Vorrichtung die Verwendung von aufwendigen Vakuumanlagen vermeiden und insbesondere geeignet sein, unter Atmosphärendruck durchführbar bzw. anwendbar zu sein.

Dies umfaßt zudem das Ziel, die Verwendung von standardisierten Bauteilen, insbesondere die Verwendung von standardisierten Elektronikmodulen und standardisierten optischen Bauteilen, wie beispielsweise Linsen oder Spiegeln zu ermöglichen.

Bei Kenntnis der Träger-Einhüllende-Phase eines jeden Laserpulses könnte eine aufwendige Stabilisierung eines Lasers entfallen. Beispielsweise kann in einem Experiment die entsprechende Träger-Einhüllende-Phase jedes einzelnen Laserpulses in dem Meßergebnis mit eingerechnet bzw. berücksichtigt werden.

Jedoch sind auch die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren integrierbar bzw. anwendbar in Lasersystemen zum Steuern oder Regeln, dabei insbesondere zum Stabilisieren, der Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserpulses, so daß die Träger-Einhüllende-Phase direkt auf die gewünschten Anforderungen angepaßt werden kann,

Gelöst wird diese Aufgabe auf überraschend einfache Weise bereits durch die Vorrichtung zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase eines ultrakurzen Laserpulses gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren gemäß dem Anspruch 26 zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase eines ultrakurzen Laserpulses. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.

In einer ersten Ausführungsform umfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase eines Laserpulses, insbesondere eines ultrakurzen Laserpulses. Die Vorrichtung umfaßt ein Target, auf welches der Laserpuls richtbar ist, so daß im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target ein Plasma erzeugt wird und dadurch eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere eine gepulste elektromagnetische Strahlung aus bzw. von dem Plasma emittiert wird, einen Detektor zum Nachweisen der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung und eine Auswerteeinrichtung, welche ausgebildet ist zum Bestimmen der Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses mittels der charakterisierenden Eigenschaften der detektierten elektromagnetischen Strahlung.

Unter einem Laser wird dabei eine Quelle kohärenter elektromagnetischer Strahlung verstanden, die sich insbesondere auch über den sichtbaren Bereich hinaus bis in die angrenzenden Bereiche des langwelligen elektromagnetischen Spektrums, bis hin zu einschließlich Infrarot und Ferninfrarot, und des kurzwelligen elektromagnetischen Spektrums, bis hin zu etwa einschließlich Ultraviolett- und Röntgenstrahlung, erstreckt. Dementsprechend weist der Laserpuls bzw. die Trägerwelle des Laserpulses eine Wellenlänge von 10^–12 m bis 10^–3 m, bevorzugt von 10^–10 m bis 10^–5 m und besonders bevorzugt von 10^–7 m bis 10^–5 m auf.

Ein ultrakurzer Laserpuls bestimmt sich dabei durch die in einem Laserpuls bzw. in der Einhüllenden eines Laserpulses enthaltene Anzahl der Schwingungen des elektromagnetischen Feldes bzw. der elektrischen Feldamplitude der Trägerwelle des Laserpulses. In der Einhüllenden des Laserpulses sind ein Bruchteil einer Schwingung bis zu einigen Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle des Laserpulses enthalten. Einige Schwingungen umfassen dabei 1 bis 10, bevorzugt 1 bis 5 und besonders bevorzugt 1 bis 2 Schwingungen des elektromagnetischen Feldes des Laserpulses bzw, der Trägerwelle des Laserpulses in der Einhüllenden des Laserpulses.

Unter Berücksichtigung der Trägerwellenlänge des Laserlichts weist somit der Laserpuls eine Laserpulslänge bzw. eine Dauer von 10^–21 s bis 10^–12 s, bevorzugt von 10^–19 s bis 10^–14 s und besonders bevorzugt von 10^–16 s bis 10^–14 s auf. Der Wert der Laserpulslängen bezieht sich dabei auf die volle Halbwertsbreite (engl. „Full Width at Half Maximum: FWHM").

Der physikalische Hintergrund einer aus einem Plasma emittierten, insbesondere gepulsten, elektromagnetischen Strahlung, welche vorzugsweise Frequenzkomponenten im THz-Bereich aufweist, kann wie folgt erläutert werden. Im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target werden die Atome und/oder Moleküle des Targets durch einen Laserpuls ausreichend starker Intensität bzw. ausreichend hoher Energie ionisiert.

a) Ein Emissionsmechanismus der gepulsten elektromagnetischen Strahlung aus dem Plasma beruht auf der Beschleunigung der Ladungsträger im Plasma in Richtung der Intensitätsgradienten durch ponderomotive Kräfte. Sie basieren auf den räumlichen und zeitlichen Änderungen der ponderomotiven Energie. Dabei wird die oszillatorische Energie, die beispielsweise ein Elektron in einem elektromagnetischen Wechselfeld, hier im elektromagnetischen Wechselfeld des Laserpulses, besitzt als ponderomotive (lateinisch: gewichtsbewegend) Energie bezeichnet. Dieses ist ein radialsymmetrischer Effekt und führt daher zu Emission einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere mit Frequenzkomponenten im THz-Bereich, in einem kegelförmigen Bereich rund um die Strahlachse. Diese Emission ist immer vorhanden. Entlang der Strahlachse in Vorwärtsrichtung verschwindet dieser Beitrag aus Symmetriegründen.
b) Mit einem im Wechselwirkungsbereichs des Laserpulses mit dem Target zusätzlich angelegten externen statischen elektrischen Feld wird das Plasma, wegen einer Feldabschirmung im Plasma, polarisiert. Dies führt zur Abstrahlung einer, insbesondere gepulsten, elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise mit Frequenzkomponenten im THz-Bereich, auch in Vorwärtsrichtung, d.h. entlang der Strahlachse des Laserstrahls. Polarität und Feldstärke der emittierten elektromagnetischen Strahlung sind proportional zum externen elektrischen Feld.
c) Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer aus dem Plasma emittierten, insbesondere gepulsten, elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise mit Frequenzkomponenten im THz-Bereich, ist die Überlagerung eines Laserpulses mit seiner eigenen zweiten Harmonischen. Das erzeugt eine Feldasymmetrie, vergleichbar mit der Feldverteilung eines ultrakurzen Laserpulse. Dabei werden fast alle Teilchen des Targets beispielsweise bei positiver Laserfeldstärke ionisiert und dann gleich von der optischen Laserfeldstärke in positive Richtung beschleunigt. Diese Asymmetrie führt zur Polarisierung des Plasmas senkrecht zur Strahlachse und zur Abstrahlung einer gepulsten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere in Vorwärtsrichtung, d.h. entlang der Strahlachse des Laserstrahls.

Die unter c) genannte Erläuterung kann zum Verständnis der physikalischen Grundlagen der Erfindung herangezogen werden. Der Unterschied besteht darin, daß die Feldasymmetrie nicht erst „künstlich" durch Überlagerung der zweiten Harmonischen erzeugt wird, sondern schon ein ultrakurzer Laserpuls selbst eine deutliche Feldasymmetrie aufweist oder aufweisen kann.

In einem vereinfachten Bild läßt sich somit die Emission der gepulsten elektromagnetischen Strahlung damit erklären, daß ein intensiver ultrakurzer Laserpuls einen großen Dichteunterschied zwischen der im Plasma generierten elektronischen Ladung und ionischen Ladung und somit ein polarisiertes Plasma erzeugt, wenn der Puls ausreichend kurz bzw. utltrakurz ist, um die Ionen über ihre Trägheit einzuschließen. Die Ladungstrennung resultiert in ein Einschwingen des Plasmas, welches unter Aussendung einer gepulsten elektromagnetischen Strahlung relaxiert.

Die Amplitude und/oder die Polarität der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung enthält bzw. enthalten Informationen über die Träger-Einhüllende-Phase des verwendeten Laserpulses. Somit kann durch Nachweisen und Auswerten der charakterisierenden Eigenschaften, insbesondere der Amplitude und/oder der Polarität, der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung die Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses bestimmt werden. Insbesondere kann sogar die absolute Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses bestimmt werden.

Da das Bestimmen der Träger-Einhüllende-Phase eines Laserpulses mittels der aus dem Plasma detektierten elektromagnetischen Strahlung erfolgt, erfordert die erfindungsgemäße Vorrichtung keine Verwendung von aufwendigen Vakuumanlagen und ist insbesondere geeignet, unter Atmosphärendruck betrieben zu werden. Ein Betrieb der vorliegenden Vorrichtung in anderen Druckverhältnissen ist aber auch möglich.

Die Energie, die notwendig ist, um das Plasma zu erzeugen, ist unter anderem abhängig vom verwendeten Target.

In einer Ausführungsform liegt das Target als ein Fluid vor, insbesondere umfaßt das Target dabei ein Gas oder das Target liegt gasförmig vor. Als bevorzugte Gase kommen dabei Luft, Argon und/oder Stickstoff in Betracht.

Da der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Atmosphärendruck möglich ist, kann sogar als Target direkt die Luft bzw. die Umgebungsluft verwendet werden.

Das gasförmige Target kann aber auch in der Wechselwirkungszone einen erhöhten oder verminderten Druck aufweisen. Beispielsweise kann das Target in der Wechselwirkungszone in einer Art Druckbehälter, welcher transparent für den Laserpuls und die aus dem Plasma emittierte Strahlung ist, vorliegen oder als ein Gasstrahl erhöhter Teilchendichte vorliegen. Das Gas weist dabei im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target einen Druck von 10^–3 mbar bis 10⁶ mbar, bevorzugt von 10 mbar bis 10⁵ mbar und besonders bevorzugt von 800 mbar bis 1200 mbar auf.

Zur Kalibrierung und/oder zur Unterdrückung von Störsignalen und Fluktuationen kann in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target zusätzlich ein externes elektrisches, insbesondere ein statisches elektrisches, Feld angelegt sein. Das elektrische Feld weist einen Wert von 1 kV/cm bis 100 kV/cm, bevorzugt von –5 kV/cm bis 20 kV/cm und besonders bevorzugt von 9 kV/cm bis 11 kV/cm auf. Das externe elektrische Feld ist dabei vorzugsweise senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zur Strahlrichtung angelegt.

In einer weiteren Ausführungsform liegt das Target als ein Festkörper vor, auf den der Laserpuls gerichtet ist. Mögliche Materialien des Festkörpers umfassen dabei Aluminium und/oder Glas.

Wie bereits erwähnt ist die notwendige Energie zum Erzeugen eines Plasmas unter anderem abhängig vom verwendeten Target. Der Laserpuls weist dabei eine Energie bzw. deponiert im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target eine Energie von 5 μJ bis 1500 μJ, bevorzugt von 50 μJ bis 500 μJ und besonders bevorzugt von 10 μJ bis 250 μJ.

Wesentlich ist dabei nicht nur die Energie des Laserpulses selbst zum Erzeugen des Plasmas, sondern auch die im Wechselwirkungsbereich eingebrachte bzw. deponierte Energie pro Fläche. Um eine erhöhte Energie pro Fläche zu erzeugen, weist die Vorrichtung zumindest ein in Stahlrichtung vor dem Target positioniertes erstes optisches Element zum Fokussieren und/oder, sofern dieses Merkmal erforderlich ist, zum Lenken bzw. Richten des Laserpulses auf. Das genannte optische Element umfaßt dabei insbesondere eine Linse, einen Spiegel oder einen fokussierenden Spiegel. Somit ist der Laserpuls fokussiert auf das Target gerichtet. Der Laserpuls ist dabei im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target, vorzugsweise mit dem genannten ersten optischen Element, auf einen Durchmesser von 0,01 μm bis 1000 μm, bevorzugt von 0,1 μm bis 100 μm und besonders bevorzugt von 1 μm bis 10 μm fokussierbar.

Der ultrakurze Laserpuls erzeugt bei ausreichender Energie in dem Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target ein Plasma, aus welchem eine elektromagnetische Strahlung emittiert wird. Die aus dem Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung weist eine Frequenz auf, welche in einem Frequenzbereich von 10⁵ Hz bis 10²⁰ Hz, bevorzugt von 10¹⁰ Hz bis 10¹⁵ Hz und besonders bevorzugt von 10¹¹ Hz bis 10¹⁴ Hz liegt. Die aus dem Plasma emittierte Strahlung ist dabei insbesondere gepulst.

Der Detektor zum Nachweisen der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung ist für den Nachweis von Amplitude und/oder Polarität der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet. Der Detektor ist dabei derart ausgebildet, so daß dieser für den Nachweis in einem Frequenzbereich der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung ausgebildet ist und umfaßt dabei den für diese elektromagnetische Strahlung genannten Frequenzbereich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Detektor ein optoelektronischer Detektor. Der optoelektronische Detektor umfaßt dabei einen Kristall, insbesondere einen elektrooptischen Kristall, wie beispielsweise einen ZnTe-Kristall, oder photoleitende Antennen.

Der optoelektronische Detektor bzw. der elektroptische Kristall des optoelektronischen Detektors weist einen von einem auf ihn einwirkenden elektrischen Feld, insbesondere von der Polarität und der elektrischen Feldstärke eines elektrischen Feldes, abhängigen Brechungsindex auf. Der Brechungsindex weist einen Wert von etwa 2,8 bis 3,2 auf.

Je nach Aufbau der Vorrichtung zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase eines Laserpulses trifft die aus dem Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung direkt auf den Detektor oder muß auf diesen gelenkt und/oder fokussiert werden. Die Funktionen des Lenkens und Fokussierens sind erreichbar durch ein optisches Element, welches beide Funktionen in sich vereinigt oder durch eine Mehrzahl von optischen Elementen mit jeweils unterschiedlichen Funktionen. Dementsprechend weist die Vorrichtung zumindest ein im Strahlengang hinter dem Target positioniertes zweites optisches Element zum Refokussieren und/oder Lenken bzw. Richten der emittierten elektromagnetische Strahlung auf. Dieses zweite optische Element umfaßt dabei eine Linse oder vorzugsweise einen fokussierenden Spiegel, welcher sowohl die Funktion des Fokussierens bzw. Refokussierens als auch die Funktion des Lenkens bzw. Richtens in sich vereinigt.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Laserpuls dabei nicht direkt auf das Target gerichtet, sondern die Vorrichtung weist zusätzlich zumindest einen in Strahlrichtung des Laserpulses vor dem Target positionierten ersten Strahlteiler zum Aufteilen des Laserpulses in zumindest einen ersten Teilpuls und einen zweiten Teilpuls auf. Der erste Strahlteiler besitzt eine Transmission von 0 % bis 100 %, bevorzugt 50 % bis 100 % und besonders bevorzugt 90 % bis 100 % und einer Reflexion von 0 % bis 100 %, bevorzugt 0 % bis 50 % und besonders bevorzugt 0 % bis 10 %.

Der erste Teilpuls wird dabei auf das Target gerichtet, um das Plasma zu generieren, während der zweite Teilpuls als ein Referenzpuls auf den Detektor bzw. optoelektronischen Detektor gelenkt bzw. geführt wird.

Der erste Teilpuls und der zweite Teilpuls weisen dabei, mit Ausnahme der Intensität, die gleichen Eigenschaften, insbesondere die gleiche Polarisation wie der ursprüngliche Laserpuls auf.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, daß die Dispersion des ersten Strahlteilers vorkompensiert ist, so daß die Pulslänge bzw. Dauer des Laserpulses im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target minimal wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Dispersion aller optischen Komponenten im Strahlenlauf des Laserpulses, des ersten Teilpulses und des zweiten Teilpulses derart vorkompensiert, so daß die Pulslänge bzw. Dauer des Laserpulses im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target und/oder beim Austreffen auf den optoelektronischen Detektor minimal wird bzw. eine Pulsverbreiterung vermieden wird.

Je nach Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung trifft der zweite Teilpuls direkt auf den Detektor oder muß auf diesen gelenkt und/oder fokussiert werden. Die Funktionen des Lenkens und Fokussierens sind erreichbar durch zumindest ein optisches Element, welches beide Funktionen in sich vereinigt oder durch eine Mehrzahl von optischen Elementen mit jeweils unterschiedlichen Funktionen.

Dementsprechend weist die Vorrichtung zumindest ein im Strahlengang hinter dem ersten Strahlteiler positioniertes optisches Element zum Fokussieren und/oder Lenken bzw. Richten des zweiten Teilpulses auf. Dieses optische Element umfaßt dabei eine Linse, einen Spiegel oder einen fokussierenden Spiegel.

Um zu erreichen, daß der zweite Teilpuls als Referenzpuls im wesentlichen zeitgleich mit der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung auf den Detektor oder auf den elektrooptischen Kristall trifft, weist die Vorrichtung zudem zumindest eine erste Verzögerungseinrichtung, beispielsweise ausgestaltet als mechanische Verzögerungsstrecke, zum Verzögern des zweiten Teilpulses auf. Die erste Verzögerungseinrichtung ist dabei insbesondere Teil des optoelektronischen Detektors. Die Zeitverzögerung ist dabei vorzugsweise so einstellbar bzw. so eingestellt, daß die elektrische Feldstärke der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung zum Zeitpunkt ihrer maximalen Feldstärke gemessen wird.

Die Vorrichtung weist, insbesondere als Teil des optoelektronischen Detektors, zudem einen Polarisator, welcher in Strahlrichtung des zweiten Teilpulses vor seinem Auftreffen auf den elektrooptischen Kristall positioniert ist, zum Prüfen bzw. Analysieren der Polarisation bzw. der Polarisationsebene des zweiten Teilpulses auf. Der Polarisatior umfaßt dabei beispielsweise einen Glan-Laser-Polarisator.

Die optoelektronische Detektion der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung basiert auf der Änderung des Brechungsindexes, also auf der Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit einer elektromagnetischen Welle in nicht-linearen optischen Kristallen, hier als Teil des optoelektronischen Detektors, unter dem Einfluß eines äußeren bzw. externen elektrischen Feldes. Das elektrische Feld der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung stellt ein in Bezug zur Pulslänge des zweiten Teilpulses, quasistatisches, d.h. im Vergleich zum Laserfeld des zweiten Teilpulses deutlich langsamer veränderliches, elektrisches Feld dar.

Das elektrische Feld bzw. der elektrische Feldvektor bedingt eine Änderung des Brechungsindexes des optoelektronischen Detektors bzw. des elektrooptischen Kristalls. Das Maß der Änderung des Brechungsindex ist dabei abhängig von der Amplitude und/oder der Polarität des elektrischen Feldvektors der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Welle.

Die Änderung des Brechungsindexes führt zu einer Polarisationsänderung bzw. zu einer Drehung der Polarisationsebene des zweiten Teilpulses des Laserlichts bzw. des Laserpulses, welcher im wesentlichen zeitgleich auf den elektrooptischen Kristall trifft. Die Änderung der Polarisation bzw. das Maß der Polarisationsänderung des zweiten Teilpulses stellt ein Maß für die Amplitude und/oder die Polarisation der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Welle dar. Und da die Amplitude und/oder die Polarisation der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Welle ein Maß für die Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses ist, kann die Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses auf diese Art bestimmt werden.

Um die Polarisationsänderung bzw. Polarisationsdrehung des zweiten Teilpulses zu erfassen, weist der optoelektronische Detektor eine zweite Verzögerungseinrichtung, insbesondere eine λ/4-Verzögerungplatte, auf. Verzögerungsplatten sind im allgemeinen dünne Schichten aus doppelbrechenden Kristallen, die so geschnitten sind, daß in Bezug zur optischen Achse des Kristalles eine Polarisationskomponente einer einfallenden Welle, hier des zweiten Teilpulses, um einen gewissen Betrag, hier um λ/4, verzögert wird, wobei λ die Wellenlänge des zweiten Teilpulses ist. Dies führt zu einer Änderung der Polarisation, so daß der zweite Teilpuls nach dem Durchlaufen des elektrooptischen Kristalls mittels der zweiten der λ/4-Verzögerungplatte elliptisch, insbesondere zirkular polarisiert ist.

Die Polarisationsdrehung des als Referenzpuls dienenden zweiten Teilpulses, welches ein Maß für das elektrische Feld der aus dem Plasma emittierten Strahlung darstellt, wird mittels zumindest eines polarisierenden Strahlteilers, als Teil des erfindungsgemäßen Detektors, ermittelt. Dabei wird der in den polarisierenden Strahlteiler eintretende zweite Teilpuls derart aufgespalten, so daß die Komponenten des zweiten Teilpulses separat nachgewiesen werden können.

Dies umfaßt dabei insbesondere, daß eine Komponente, in Bezug zur optischen Achse des polarisierenden Strahlteilers, des zweiten Teilpulses transmittiert und eine Komponente, in Bezug zur optischen Achse des polarisierenden Strahlteilers, des zweiten Teilpulses reflektiert wird. Der erfindungsgemäße polarisierende Strahlteiler umfaßt dabei vorzugsweise ein Wollastan-Prisma.

Die beiden Komponenten des zweiten Teilpulses treffen dann jeweils auf einen Photodetektor. Dementsprechend umfaßt der Detektor bzw. der elektrooptische Detektor zumindest zwei Photodetektoren. Die Photodetektoren sind dabei vorzugsweise als Photodioden ausgebildet.

Ist die Zeitverzögerung des zweiten Teilpulses derart eingestellt, daß die elektrische Feldstärke zum Zeitpunkt der maximalen Signalstärke, d.h. bei im wesentlichen gleicher Ankunftszeit der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung und des zweiten Teilpulses am elektrooptischen Kristall gemessen wird, so ist die Differenz der auf die Photodetektoren fallenden Intensität des als Referenzpuls dienenden zweiten Teilpulses proportional zur maximalen Feldstärke der genannten elektromagnetischen Strahlung.

Zum Auswerten der gemessenen Daten bzw. der mit den Photodetektoren erfaßten Intensitäten weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, die die Intensitätsdifferenz für jeden Laserpuls erfaßt und dabei entsprechend hergerichtet zum Auswerten der gemessen Daten ist, so daß sie zumindest ein Ausgangssignal generiert, welches ein Maß für die Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses ist.

Die Auswerteeinrichtung umfaßt dazu zunächst einen Differenzverstärker, der die Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen der beiden Photodetektoren bzw. die Differenz zwischen den von den beiden Photodetektoren erfaßten Intensitäten bildet und das Differenzsignal verstärkt.

Der ermittelte Wert der Differenz ist dann ein Maß für die Polarisationsdrehung des zweiten Teilpulses in Bezug zu dem Differenzwert eines zweiten Teilpulses, der ohne Polarisationsdrehung, d.h. ohne das Vorhandensein der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Welle, auf den optoelektronischen Detektor bzw. den elektrooptischen Kristall aufgetroffen und durch diesen hindurch getreten ist.

Zur Weiterverarbeitung der Daten umfaßt die Auswerteeinrichtung einen dem Differenzverstärker sich anschließenden Analog-Digital-Wandler und einen Computer.

Der Computer ist dabei so hergerichtet, daß dieser die gemessenen und vom Analog-Digital-Wandler digitalisierten Intensitätsdifferenzen für jeden Laserpuls erfaßt und ist dabei entsprechend hergerichtet zum Auswerten der gemessen Daten, so daß er zumindest ein Ausgangssignal generiert, welches ein Maß für die Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses ist.

Weiterhin umfaßt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase, vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, eines, insbesondere ultrakurzen, Laserpulses. Das Verfahren umfaßt das Richten des Laserpulses auf ein Target, so daß im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses mit dem Target ein Plasma erzeugt wird und dadurch elektromagnetische Strahlung, insbesondere gepulste elektromagnetische Strahlung aus bzw. von dem Plasma emittiert wird, Nachweisen der emittierten elektromagnetischen Strahlung und Bestimmen der Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses mittels der charakterisierenden Eigenschaften der emittierten elektromagnetischen Strahlung.

Die Amplitude und/oder die Polarität der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung enthalten die Informationen über die Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses. Insbesondere wird bzw. werden daher die Amplitude und/oder die Polarität der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung bestimmt bzw. festgestellt.

Vorzugsweise wird bzw. werden die Amplitude und/oder die Polarität der emittierten elektromagnetischen Strahlung mittels optoelektronischer Techniken, insbesondere mittels eines optoelektronischen Detektors festgestellt.

Gegenstand der vorliegende Erfindung ist ebenfalls auch ein Lasersystem, welches einen Laser und eine Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfaßt, wobei die Träger-Einhüllende-Phase des Laserpulses mittels der Vorrichtung gesteuert und/oder geregelt, insbesondere stabilisiert, wird.

Zusätzlich umfaßt die Erfindung auch die Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Lasersystem zum Steuern und/oder Regeln, insbesondere zum Stabilisieren, der Träger-Einhüllende-Phase eines Laserpulses.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungbeispiele im Einzelnen erläutert. Hierzu wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen. Die gleichen Bezugszeichen in den einzelnen Zeichnungen beziehen sich auf die gleichen Teile.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ultrakurzen Laserpulses.

2 zeigt beispielhaft die erwartete Feldstärke der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung als Funktion der Träger-Einhüllende-Phase.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

5 zeigt eine Detailansicht der Auswerteeinrichtung 12 aus 4.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

1 zeigt schematisch den Intensitätsverlauf zweier ultrakurzer Laserpulse 1 als Funktion der Zeit. Der Laserpuls 1 ist gekennzeichnet durch die Einhüllende 2, dargestellt als gestrichelte Linie und die Trägerwelle 3, dargestellt als durchgezogene Linie. Die absolute Träger-Einhüllende-Phase 4 ergibt sich aus der Verschiebung und/oder der Orientierung der Trägerwelle 3 gegenüber der Einhüllenden 2 bzw. aus der absoluten Phase der Trägerwelle 3 des Laserpulses 1 in Bezug zur Einhüllenden 2 des Laserpulses 1.

Bei nicht ultrakurzen Laserpulsen 1 ist die absolute Phase der Trägerwelle 3 in Bezug zur Einhüllenden 2 nicht von großer Bedeutung. Dagegen spielt dies eine wichtige Rolle für ultrakurze Laserpulse 1, da bei solch kurzen Laserpulsen 1 während der Dauer eines Laserpulses 1 nur wenige Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle 3 oder sogar nur ein Bruchteil einer Schwingung innerhalb des Laserpulses 1 stattfinden. Daraus ergibt sich, daß die zeitliche Änderung des Laserfeldes entscheidend von der Phase der Trägerwelle 3 des Laserpulses 1 in Bezug zur Einhüllenden 2 des Laserpulses 1, der sogenannten absoluten Träger-Einhüllende-Phase 4, abhängig ist. 2 zeigt beispielhaft die erwartete Feldstärke der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung 8, insbesondere einer gepulsten elektromagnetischen Strahlung im Terahertz-Bereich, im Signalmaximum als Funktion der Träger-Einhüllende-Phase 4. In der Figur sind zudem beispielhafte Laserpulse 1, deren Trägerwelle 3 eine zu der Einhüllenden 2 des Laserpulses 1 unterschiedliche Phase aufweisen, eingefügt. Die gemessenen Feldstärken sind dann im wesentlichen proportional zum Sinus der absoluten Träger-Einhüllende-Phase 4. Dies liegt darin begründet, daß aufgrund der Feldasymmetrie des optischen Laserpulses bzw. der Feldverteilung der Trägerwelle 3 bei der Träger-Einhüllende-Phase 4 von –90 Grad (+90 Grad) nach der Ionisierung deutlich mehr Elektronen in positiver (negativer) Polarisationsrichtung beschleunigt werden. Dieses führt zu einer elektrischen Polarisierung und damit zu einer Abstrahlung einer elektromagnetischen Strahlung aus dem Plasma bzw. eines Pulses mit Frequenzkomponenten im Terahertz-Bereich. Die Feldstärke im Signalmaximum hängt dabei im wesentlichen vom Sinus der absoluten Träger-Einhüllende-Phase 4 ab.

Der Mechanismus, welcher zur Abstrahlung einer gepulsten elektromagnetischen Strahlung 8, insbesondere im Terahertz-Bereich, bei der Erzeugung von Plasmen mittels der Fokussierung ultrakurzer Laserpulse führt, bedingt, daß Größe und Vorzeichen der erzeugten elektromagnetischen Strahlung 8 von der absoluten Träger-Einhüllende-Phase 4 eines ultrakurzen Laserpulses 1 abhängen.

Weist ein ultakurzer Puls einen zeitlichen Verlauf der optischen Laserfelder auf, der stark asymmetrisch ist, so ändern sich je nach Grad und Polarität der Asymmetrie die Amplitude und Polarität des erzeugten Terahertzpulses bzw. der aus dem Plasma emittierten gepulsten elektromagnetischen Strahlung 8 mit Frequenzkomponenten im Terahertz-Bereich. Dementsprechend erfolgt die experimentelle Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase 4 mittels der Detektion der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung 8.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Laserstrahl, typische Trägerwellenlänge etwa 800 nm, mit den zu untersuchenden intensiven, etwa größer als 50 μJ, und ultrakurzen, etwa kleiner bzw. kürzer als 10 fs, Laserpulsen 1 durchläuft einen ersten Stahlteiler 5 und teilt sich in einen ersten Teilpuls 1a und einen zweiten Teilpuls 1b, der die Funktion eines Referenzpulses übernimmt, auf. Bei den typischen Trägerwellenlängen von etwa 800 nm weist ein Laserpuls mit einer Dauer bzw. Pulslänge von etwa 10 fs schon etwa 3 Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle auf bzw. sind etwa 3 Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle in einem Laserpuls enthalten. Vorteilhafter wäre dabei ein Laserpuls mit einer Dauer von etwa 6 fs, in dem nur 2 Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle enthalten sind. Der erste Teilpuls 1a des Laserpulses 1 wird mittels eines ersten optischen Elements 6, hier ausgestaltet als eine Linse, auf das Target 7, vorliegend als ein Gas oder Umgebungsluft fokussiert. Im Wechselwirkungsbereich des ersten Teilpulses 1a des Laserpulses 1 mit der Target 7, d.h. im Brennpunkt der Linse entsteht ein Plasma, welches pulsförmige elektromagnetische Strahlung 8, insbesondere mit Frequenzkomponenten im Terahertz-Bereich, sogenannte Terahertz-Strahlung, emittiert. Die Amplitude und Polarität der elektromagnetischen Strahlung 8 enthalten die Information über die absolute Träger-Einhüllende-Phase 4 des zu untersuchenden ultrakurzen Laserpulses 1. Mittels eines geeigneten fokussierenden zweiten optischen Elements 9 wird die aus dem Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung 8 refokussiert und mittels eines dritten optischen Elements 10, vorzugsweise ausgebildet als ein Spiegel 7 auf den optoelektronischen Detektor 11 geleitet. Der mit dem ersten Stahlteiler 5 generierte zweite Teilpuls 1b des Laserpulses 1 wird als ein Referenzpuls ebenfalls auf den optoelektronischen Detektor 11 geleitet und dort zeitlich in Überlapp mit der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung 8 gebracht, so daß beide im wesentlichen zeitgleich ankommen. Die Bestimmung der Amplitude und Polarität des vom Plasma emittierten elektromagnetischen Impulses bzw. der vom Plasma emittierten gepulsten elektromagnetischen Strahlung 8 im Terahertz-Frequenzbereich erfolgt in Bezug zum zweiten Teilpuls 1b des Laserpulses 1. Die Auswerteeinrichtung 12 ist entsprechend hergerichtet zum Auswerten der aus dem Überlapp des zweiten Teilpulses 1b mit der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung 8 gemessen Daten und erzeugt ein Ausgangssignal, welches ein Maß für die absolute Träger-Einhüllende-Phase 4 des Laserpulses 1 ist.

Die meßtechnische Erfassung und die Kenntnis der absoluten Träger-Einhüllende-Phase 4 jedes einzelnen Laserpulses 1 macht eine aufwendige Stabilisierung eines Lasers, beispielsweise mittels eines f-zu-2f-Interferometer überflüssig.

Andererseits kann aber die erfindungsgemäße Vorrichtung auch eingesetzt werden, um in einem Regelkreis die Träger-Einhüllende-Phase 4 eines Laserpulses 1 zu messen und diese mittels der Rückführung eines Regelsignals in den Laser zu stabilisieren. Sollen die Signale zur Stabilisierung der Träger-Einhüllende-Phase 4 genutzt werden, so wird zunächst eine Stabilisierung des Oszillator-Lasers vorgenommen; dies kann beispielsweise wiederum mittels der genannten f-zu-2f-Interferometrie erfolgen. Werden nun die Laserpulse 1 des stabilisierten Oszillators nachverstärkt, unterliegt die absolute Träger-Einhüllende-Phase 4 der nachverstärkten Laserpulse 1 einer langsamen Langzeitdrift. Die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelten Werte bzw. die Ausgangssignale der Auswerteeinrichtung 12 können für die absolute Träger-Einhüllende-Phase 4 verwendet werden, um den Sollwert der Regelung für den Oszillator so zu regeln, daß die absolute Träger-Einhüllende-Phase 4 der Ausgangssignale des Verstärkers bzw. der nachverstärkten Laserspulse 1 konstant bleibt.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Laserstrahl mit den zu untersuchenden intensiven und ultrakurzen Laserpulsen 1 wird von einem Laser 1c bereitgestellt. Die zu untersuchenden Laserpulse 1 weisen bei einer Zentralwellenlänge der Trägerwelle 3 von 800 nm eine Pulslänge bzw. Dauer von kleiner als 8 fs (FWHM) und eine Energie von größer als 50 μJ auf. Der Laserpuls 1 durchläuft einen ersten Strahlteiler 5 (ca. 95 % Transmission und ca. 5 % Reflexion) und teilt sich in einen ersten Teilpuls 1a und einen zweiten Teilpuls 1b, der die Funktion eines Referenzpulses übernimmt, auf. Als erster Strahlteiler 5 wird ein normales dielektrisch beschichtetes Glasplättchen verwendet, welches beispielsweise einseitig anti-reflex-beschichtet ist und eine Reflexion von etwa 5 % an der unbeschichteten Seite aufweist.

Die Dispersion aller optischen Komponenten (5, 6, 13, 14, 15) im Strahlenlauf des Laserpulses 1, des ersten Teilpulses 1a und des zweiten Teilpulses 1b ist dabei derart vorkompensiert, so daß die Pulslänge bzw. die Dauer der Laserpulse (1, 1a, 1b) im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses 1a mit dem Target 7 und/oder beim Austreffen auf den optoelektronischen Detektor 11 bzw. beim Auftreffen des zweiten Teilpulses 1b auf den elektrooptischen Kristall 16 minimal werden bzw. eine Pulsverbreiterung der Laserpulse (1, 1a, 1b) vermieden wird.

Der erste Teilpuls 1a des Laserpulses 1 wird mittels eines ersten optischen Elements 6, hier ausgestaltet als eine Linse, auf das Target 7, vorliegend als ein Gas oder Umgebungsluft fokussiert. Die Linse weist dabei eine Brennweite von etwa 40 bis 80 mm auf.

Im Wechselwirkungsbereich des ersten Teilpulses 1a mit dem Target 7, d.h. im Brennpunkt der Linse entsteht ein Plasma, welches pulsförmige elektromagnetische Strahlung 8, insbesondere mit Frequenzkomponenten im Terahertz-Bereich, sogenannte Terahertz-Strahlung, emittiert. Die Amplitude und Polarität der gepulsten Terahertz-Strahlung 8 enthalten die Information über die absolute Träger-Einhüllende-Phase 4 des zu untersuchenden ultrakurzen Laserpulses 1. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung der Amplitude und Polarität der gepulsten Terahertz-Strahlung 8 mittels einer optoelektronischen Vorrichtung 11.

Mittels zweier zweiter optischer Elemente 9 wird die aus dem Plasma emittierte elektromagnetische Strahlung 8 refokussiert und derart auf den optoelektronischen Detektor 11 geführt bzw. gelenkt, so daß sie fokussiert auf einen elektrooptischen Kristall 16 trifft. Die beiden zweiten optische Elemente 9 sind als „Off-Axis"-Parabolspiegel, welche einen Durchmesser von 50 mm Durchmesser und eine „Off-Axis"-Länge (effektive Brennweite) von 50 mm aufweisen, ausgebildet.

Der mit dem ersten Stahlteiler 5 generierte zweite Teilpuls 1b des Laserpulses 1 wird als ein Referenzpuls ebenfalls auf den optoelektronischen Detektor 11 geleitet. Der zweite Teilpuls 1b wird im optoelektronischen Detektor 11 zeitlich in Überlapp mit der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung 8 gebracht, so daß beide im wesentlichen zeitgleich auf den elektrooptischen Kristall 16 treffen. Zum Einstellen dieser Zeitverzögerung weist der optoelektronische Detektor 11 eine erste Verzögerungseinrichtung 13 auf, welche mittels einer mechanischen Zeitverzögerungsstrecke realisiert ist.

Zur Kontrolle der Polarisation des zweiten Teilpulses 1b vor seinem Auftreffen auf dem elektrooptischen Kristall 16 weist der optoelektronische Detektor 11 einen Polarisator 14, hier ausgebildet als ein Glan-Laser-Polarisator, auf.

Über eine weitere Umlenkeinheit und einen zweiten Strahlteiler 15, hier ausgebildet als ein Pellicle-Strahlteiler, wird der zweite Teilpuls 1b auf den elektrooptischen Kristall 16 geführt. Insbesondere wird der als Referenzpuls dienende zweite Teilpuls 1b ebenfalls auf den elektrooptischen Kristall 16 fokussiert.

Der elektrooptische Kristall umfaßt dabei einen aus einem aktiven <110> geschnittenen ZnTe-Kristall mit einer Dicke von 20 μm auf einem nichtaktiven <111> ZnTe-Substrat.

Nach dem Durchlaufen des elektrooptischen Kristalls 16 wird der zweite Teilpuls 1b mittels einer zweiten Verzögerungseinrichtung 17, hier ausgebildet als ein λ/4-Plättchen, zirkular polarisiert. Die Polarisationsdrehung des zweiten Teilpulses 1b, welche zum elektrischen Feld der aus dem Plasma emittierten gepulsten Terahertz-Strahlung 8 proportional ist, wird mittels eines polarisierenden Strahlteilers 18, hier ausgebildet als ein Wollaston-Prisma und zweier Photodetektoren 19, hier ausgebildet als Photodioden, festgestellt und in der Auswerteeinrichtung 12 ermittelt.

Ist die Zeitverzögerung so eingestellt, daß die elektrische Feldstärke der aus dem Plasma emittierten gepulsten Terahertz-Strahlung 8 zum Zeitpunkt der maximalen Signalstärke, d.h. bei gleichzeitiger Ankunft mit dem zweiten Teilpuls 1b am elektrooptischen Kristall 16, gemessen wird, ist die Differenz der auf die Photodioden 19 fallenden Intensität des zweiten Teilpulses 1b proportional zur maximalen Feldstärke der gepulsten Terahertz-Strahlung 8. Um eine mögliche Langzeitdrift der Detektionseinheit zu kompensieren, kann ein gleitender Mittelwert über eine größere Anzahl von Messungen, etwa 100, von dem aktuellen Meßwert der aus dem Plasma emittierten Terahertz-Strahlung 8 des aktuellen Laserpulses 1 subtrahiert werden.

5 zeigt dazu eine Detailansicht der Auswerteeinrichtung 12 aus 4. Die Auswerteeinrichtung 12 umfaßt einen Differenzverstärker 20, der die Differenz zwischen den beiden Ausgangssignale der Photodetektoren 19 bildet und diese verstärkt. Zum Digitalisieren des verstärkten Differenzsignals bzw. der Ausgangsdaten des Differenzverstärkers 20 schließt sich diesem ein Analog-Digital-Wandler 21 an, welcher wiederum mit einen Computer 22 verbunden ist. Der Computer 22 ist dabei so hergerichtet, daß dieser die gemessene Intensitätsdifferenz für jeden einzelnen Laserpuls 1 erfaßt und ist dabei entsprechend hergerichtet zum Auswerten der gemessen Daten, so daß er zumindest ein Ausgangssignal generiert, welches ein Maß für die Träger-Einhüllende-Phase 4 des Laserpulses 1 ist.

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.

1: Laserpuls
1a: Erster Teilpuls
1b: Zweiter Teilpuls
1c: Laser
2: Einhüllende
3: Trägerwelle
4: Träger-Einhüllende-Phase
5: Erster Strahlteiler
6: Erstes optisches Element
7: Target
8: Emittierte elektromagnetische Strahlung
9: Zweites optisches Element
10: Drittes optisches Element
11: Detektor
12: Auswerteinrichtung
13: Erste Verzögerungseinrichtung
14: Polarisator
15: Zweiter Strahlteiler
16: Kristall
17: Zweite Verzögerungseinrichtung
18: Polarisierender Strahlteiler
19: Photodetektor
20: Differenzverstärker
21: Analog-Digital-Verstärker
22: Computer

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase (4) eines, insbesondere ultrakurzen, Laserpulses (1) umfassend: – ein Target (7), auf welches der Laserpuls (1) richtbar ist, so daß im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses (1) mit dem Target (7) ein Plasma erzeugt wird und elektromagnetische Strahlung (8) aus dem Plasma emittiert wird, – einen Detektor (11) zum Nachweisen der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung (8) und – eine Auswerteeinrichtung (12) ausgebildet zum Bestimmen der Träger-Einhüllenden-Phase (4) des Laserpulses (1) mittels der detektierten aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung (8).
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in der Einhüllenden (2) des Laserpulses (1) ein Bruchteil einer Schwingung bis zu einigen Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle (3) des Laserpulses (1) enthalten sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls (1) eine Dauer von 10^–21 s bis 10^–12 s aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls (1) eine Wellenlänge von 10^–12 m bis 10^–3 m aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls (1) eine Energie von 5 μJ bis 1500 μJ aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest ein, in Stahlrichtung vor dem Target (7) positioniertes, erstes optisches Element (6) zum Fokussieren oder Lenken des Laserpulses (1) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls (1) fokussiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls (1) im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses (1) mit dem Target (7) auf einen Durchmesser von 0,01 μm bis 1000 μm fokussierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) gasförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß das gasförmige Target (7) Luft umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß das Target (7) ein Festkörper ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) für den Nachweis von Amplitude oder Polarität der emittierten elektromagnetischen Strahlung (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) einen optoelektronischer Detektor (11) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Detektor (11) einen Kristall (16), insbesondere einen elektrooptischen Kristall (16), umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14 dadurch gekennzeichnet, daß der optoelektronische Detektor (16) einen von einem einwirkenden elektrischen Feld, insbesondere von der Polarität und der elektrischen Feldstärke des elektrischen Feldes, abhängigen Brechungsindex aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest ein im Strahlengang hinter dem Target positioniertes zweites optisches Element (9) zum Refokussieren oder Lenken der emittierten elektromagnetischen Strahlung (8) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zumindest einen in Strahlrichtung vor dem Target (7) positionierten ersten Strahlteiler (5) zum Aufteilen des Laserpulses (1) in zumindest einen ersten Teilpuls (1a) und einen zweiten Teilpuls (1b) aufweist, so daß der erste Teilpuls (1a) auf das Target (7) richtbar ist und der zweite Teilpuls (1b) auf den optoelektronischen Detektor (11) richtbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion des ersten Strahlteilers (5) vorkompensiert ist, so daß die Dauer des Laserpulses (1) im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses (1) mit dem Target (7) minimal wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) zumindest eine erste Verzögerungseinrichtung (13) zum Verzögern des zweiten Teilpulses (1b) aufweist, so daß der zweite Teilpuls (1b) im wesentlichen zeitgleich mit der elektromagnetischen Strahlung (8) auf den Kristall (16) trifft.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) einen Polarisator (14) zum Prüfen der Polarisation des zweiten Teilpulses (1b) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) zumindest eine zweite Verzögerungseinrichtung (17), insbesondere eine λ/4-Verzögerungsplatte, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) zumindest einen polarisierenden Strahlteiler (18) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (11) zumindest zwei Photodetektoren (19) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (12) einen Differenzverstärker (20) umfaßt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (12) einen Analog-Digital-Wandler (21) und einen Computer (22) umfaßt.
Verfahren zur Bestimmung der Träger-Einhüllende-Phase (4), vorzugsweise unter Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, eines, insbesondere ultrakurzen, Laserpulses (1) umfassend: – Richten des Laserpulses (1) auf ein Target (7), so daß im Wechselwirkungsbereich des Laserpulses (1) mit dem Target (7) ein Plasma erzeugt wird und dadurch elektromagnetische Strahlung (8) aus dem Plasma emittiert wird, – Nachweisen der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung (8), – Bestimmen der Träger-Einhüllenden-Phase (4) des Laserpulses (1) mittels der aus dem Plasma emittierten elektromagnetischen Strahlung (8).
Verfahren nach Anspruch 26 dadurch gekennzeichnet, daß der Laserpuls (1) mit einem Bruchteil einer Schwingung bis zu einigen Schwingungen des elektromagnetischen Feldes der Trägerwelle (3) in der Einhüllenden (2) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die emittierte elektromagnetische Strahlung (8) in einem Frequenzbereich von 10⁵ Hz bis 10²⁰ Hz nachgewiesen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Amplitude oder Polarität der emittierten elektromagnetischen Strahlung (8) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude oder die Polarität der emittierten elektromagnetischen Strahlung (8) mittels eines optoelektronischen Detektors (11) festgestellt werden.
Lasersystem umfassend ein Laser (1c) und eine Vorrichtug gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Träger-Einhüllende-Phase (4) des Laserpulses (1) mittels der Vorrichtung gesteuert oder geregelt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem Lasersystem zum Steuern oder Regeln der Träger-Einhüllende-Phase (4) des Laserpulses (1).