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Bereich der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Quasi-Phasenanpassung
bei der Vierwellenmischung für die Frequenzwandlung und
Verstärkung kohärenter Strahlung, insbesondere
im ultravioletten, optischen und nah- und mittleren infraroten Spektralbereich,
aber auch im Vakuum Ultravioletten Bereich.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Dem
Stand der Technik nach bekannt ist die Frequenzwandlung durch Vierwellenmischung.
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Bei
der entarteten Vierwellenmischung in isotropen Medien, wie insbesondere
in Edelgasen, mittels einer Nichtlinearität dritter Ordnung
wechselwirken zwei Photonen des Pumpimpulses mit der Frequenz ωp mit je einem des sogenannten Idler mit der
Frequenz ωi < 2ωp und
des Signalimpulses mit der Frequenz ωs > 2ωp wobei die Frequenzen die Bedingung 2ωp = ωs + ωi erfüllen. Eine effiziente spektrale
Umwandlung von einem Pump- und einen Idlerimpuls in einen Signalimpuls
erfordert Phasenanpassung der Wellenvektoren Δk = 2kp – ki – ks = 0.
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In
Festkörpern und Flüssigkeiten kann diese Bedingung
wegen der Dispersion des Mediums nur unter der Bedingung nicht paralleler
Ausbreitung der drei Wellen realisiert werden und deshalb nur über wesentlich
reduzierter Wechselwirkungslängen. In Gasen lässt
sich Phasenanpassung unter der Bedingung der nahen Resonanz eines
Bindungszustands in atomaren Systemen erfüllen. Beispiele
für Frequenzwandler im VUV Bereich auf dieser Basis sind in
EP 1 245 997 A1 und
EP 1 248 336 A2 beschrieben.
Die Bedingung der nahen Resonanz schränkt aber die mögliche
Bandbreite stark ein, wodurch dieses Vorgehen nicht für
ultrakurze Impulse geeignet ist. Eine alternative Methode unter
nichtresonanter Bedingung lässt sich in Hohlwellenleitern
mit einer Edelgasfüllung realisieren. Der Hohlwellenleiter
liefert einen Druck abhängigen anomalen Beitrag zur Dispersion,
wodurch bei einem bestimmten Druck die Bedingung Δk = 0
erfüllt werden kann. Außerdem werden die Wechselwirkungslängen
durch die Wellenleiterführung vergrößert.
Die Effizienz der Umwandlung wird jedoch in interessanten Fällen,
wie z. B. bei der VUV Impulserzeugung, dadurch begrenzt, dass der
Druck, bei dem Phasenanpassung realisiert ist, relativ klein ist.
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In
anisotropen Kristallen basiert die parametrische Wechselwirkung
eines Pumpimpulses oder -signals mit der Frequenz ωp und eines Idlerimpulses oder -signals mit
der Frequenz ωi < ωp bzw. eines Signalimpuls mit der Frequenz ωs > ωp auf einem nichtlinearen Prozess zweiter
Ordnung, der zur Frequenzwandlung sowie auch zur Verstärkung
eines Signalimpulses bzw. alternativ eines Idlerimpulses durch den
Pumpimpuls ausgenutzt werden kann. Die Kreisfrequenzen erfüllen
hierbei die Beziehung 2ωp = ωs + ωi.
Die Wellenvektoren müssen dabei die Bedingung der Phasenanpassung Δk
= kp – ki – ks = 0 erfüllen. Wegen der Dispersion
des Mediums lässt sich dies dadurch realisieren, dass Pump-
und Signalimpuls sich in nichtparalleler Richtung im optisch anisotropen
Kristall ausbreiten.
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Eine
spezifische Variante für die Verstärkung ultrakurzer
Impulse ist die Optische Parametrische Gestreckte Impulsverstärkung
(OPCPA, „optical parametric chirped pulse amplification”)
mittels nichtlinearer Kristalle mit einer Nichtlinearität
zweiter Ordnung. Dabei wird zur Vermeidung ungünstiger
nichtlinearer Effekte bei der Verstärkung ein zu verstärkender
breitbandiger Startimpuls, der sogenannte „seed pulse”,
vor der Verstärkung durch ein dispersives Element bis auf
die Dauer des Pumpimpulses gestreckt, die im Pikosekunden- bis Nanosekunden-Bereich
liegen kann, im Verstärker dann um viele Größenordnungen
durch die parametrische Wechselwirkung verstärkt und schließlich
mittels Phasenkompensation („chirp compensation”)
durch Gitter, gechirpte Spiegel oder räumliche Lichtmodulatoren
wieder nahezu auf seine Ausgangsdauer gekürzt. Dieses Konzept
ermöglicht die Herstellung relativ einfacher Laserverstärker,
wobei ultrakurze breitbandige, aber auf eine große Dauer
gestreckte Impulse durch schmalbandige, lange Pumpimpulse hoher
Energie zu extrem hohen Intensitäten verstärkt
werden und Spitzenleistungen bis in den Bereich von PW möglich sind.
Spezielle Ausführungsformen zur Nutzung der OPCPA sind
in
KR 100784837 B ,
WO 2007139272 und
CN 1560964 beschrieben.
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Alternativ
zur Phasenanpassung in nichtlinearen Kristallen durch Ausnutzung
der Doppelbrechung ist eine effiziente Umwandlung unter der Bedingung
der Quasi-Phasenanpassung („quasi-phase-matching”,
QPM) mittels periodisch gepolter Kristalle möglich, bei
der Startsignalimpuls und Pumpimpuls sich in paralleler Richtung
ausbreiten können. Dabei wird die nichtlineare Suszeptibilität
des Materials längs der Ausbreitungsrichtung periodisch
moduliert, mittels periodischer Strukturierung des Kristalls („periodically
poled nonlinear crystal”, PPNC). Bei geeigneten Parametern
kann in solchen Kristallen die Wellenzahldifferenz der wechselwirkenden
Wellen Δk durch die Modulation der Nichtlinearität
unter der Bedingung Δk = 2π/L
P kompensiert
werden, wobei L
P die Modulationslänge
ist. In solchen Kristallen werden periodische Strukturen im μm-Bereich
im Kristall erzeugt, so dass die Suszeptibilität zweiter
Ordnung räumlich periodisch ihr Vorzeichen ändert.
Nichtlineare Kristalle sind jedoch nicht für die Erzeugung
bzw. Verstärkung von ultrakurzen Impulsen im UV/VUV Spektralbereich
geeignet. Aber auch für den optischen Bereich existieren
Nachteile, wie z. B. die relativ kleine Zerstörungsschwelle
nichtlinearer Kristalle und ihre Begrenzungen hinsichtlich geometrischer, spektraler
und dispersiver sowie anderer Parameter. Verschiedene Methoden und
Ausführungsformen zur Nutzung der Quasi-Phasenanpassung
bei der Frequenzwandlung sind in
US 2008/080044 A1 ,
JP 2006059964 A ,
US 2005/211155 A1 ,
US 2005/008297 A1 ,
US 2004/227986 A1 ,
US 6,710,912 B1 ,
US 2003/0084837 A1 ,
US 2002/114059 A1 ,
GB 2353397 A ,
JP 2001133820 ,
JP 9054657 A ,
EP 0 454 071 A2 ,
US 5,475,526 A beschrieben.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren und Vorrichtungen
für die Erzeugung und Frequenzwandlung von ultrakurzen
Impulsen durch Vierwellenmischung anzugeben, welches breite Einsatzmöglichkeiten
in verschiedensten Frequenzbereichen zulässt. Die Erfindung
lässt vorteilhafte Realisierungen im optischen sowie nah-
und mittleren infraroten Bereich zu, und schließt auch
den Vakuum ultravioletten Bereich ein.
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In
der Erfindung wird zur Verstärkung und Frequenzwandlung
von Laserstrahlung eine Realisierung der Quasi-Phasenanpassung in
isotropen nichtlinearen Medien bei der Vierwellenmischung durch
eine räumliche periodische Modulation des Druckes bzw.
der Teilchenzahldichte durch Ultraschallwellen realisiert.
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Dabei
wird ein mit einem isotropen nichtlinearen Medium gefüllter
Hohlzylinder, der an einem Ende durch einen Ultraschallgenerator
abgeschlossen ist, zur Vierwellenmischung von Pumpimpulsen mit Signal
bzw. Idler Impulsen genutzt. Durch den Ultraschallgenerator werden
Ultraschallwellen erzeugt, die infolge der axialen periodischen
Modulation der Teilchenzahldichte auch eine axiale periodische Modulation
der Suszeptibilität dritter Ordnung bewirken, wobei die
Modulationsperiode durch die Wellenlänge des Ultraschalls
bestimmt ist. Bei geeigneter Wahl der Ultraschallwellenlänge
kann somit durch die Ultraschallwelle die Quasi-Phasenanpassungsbedingung
bei der Vierwellenmischung in isotropen Medien erfüllt
werden. Da die Schallgeschwindigkeit viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit
ist, können sowohl laufende als auch stehende Ultraschallwellen verwendet
werden.
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Daher
wird zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung
eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche umfasst: einen Laser zur
Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ωp; ein Mittel zur Erzeugung eines Idlerimpulses
mit einer Frequenz ωi < 2ωp zur Frequenzerhöhung oder eines
Signalimpulses mit einer Frequenz ωs > 2ωp zur Frequenzerniedrigung; ein Mittel zur Synchronisation
von Pumpimpuls und Idler- bzw. Signalimpuls. Die Vorrichtung umfasst
ein Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
von Lichtwellen unter Erzeugung einer axialen Modulation einer Nichtlinearität,
die eingangsseitig mit dem Mittel zur Erzeugung von Pumpimpulsen und
dem Mittel zur Erzeugung von Idler- bzw. Signalimpulsen verbunden
ist. Ausgangsseitig ist das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung verbunden
mit einem Mittel zur Auskopplung bzw. Abtrennung der Impulse voneinander.
Das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung umfasst dabei einen Hohlzylinder,
gefüllt mit einem nichtlinearen Medium, welches eine Nichtlinearität
dritter Ordnung aufweist. Der Hohlzylinder umfasst: ein erstes optisch
transparentes Fenster, angeordnet an einem Ende des Hohlzylinders,
wobei das Fenster derart ausgebildet ist, dass es für Lichtwellen durchlässig
ist; einen Ultraschallgenerator, angeordnet an dem dem transparenten
Fenster gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders zur Erzeugung von
Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder; und eine hochreflektierende
Schicht, angeordnet auf der dem Inneren des Hohlzylinders zugewandten
Seite des Ultraschallgenerators, oder aber statt der hochreflektierend
Schicht ein zweites optisch transparentes Fenster am Ende des Hohlzylinders
und mit dem Ultraschallgenerator, welches geeignet ist, Lichtwellen aus
dem Hohlzylinder auszukoppeln. Dabei ist die Ultraschallfrequenz
des Ultraschallgenerators so eingestellt, dass die Bedingung für
Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt
ist.
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Zur
Verstärkung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung
wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend: einen Laser zur
Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ωp; ein Mittel zur Erzeugung eines Startsignals
mit einer Frequenz ωs bzw. ωi, und ein Mittel zur Synchronisation von Pumpimpuls
und Startsignal. Die Vorrichtung umfasst ein Mittel zur Quasi-Phasenanpassung
bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen, das eingangsseitig mit
dem Mittel zur Erzeugung von Pumpimpulsen und Startsignal verbunden
ist. Ausgangsseitig ist das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei
der Vierwellenmischung verbunden mit einem Mittel zur Auskopplung
eines verstärkten Impulses mit der Frequenz des Startsignals.
Das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
umfasst einen Hohlzylinder, gefüllt mit einem nichtlinearen Medium,
welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist,
wobei der Hohlzylinder: ein erstes optisch transparentes Fenster
umfasst, angeordnet an einem Ende des Hohlzylinders, wobei das Fenster
derart ausgebildet ist, dass es für Lichtwellen durchlässig ist;
einen Ultraschallgenerator, angeordnet an dem dem transparenten
Fenster gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders zur Erzeugung
von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder; und entweder eine hochreflektierende
Schicht, angeordnet auf der dem Inneren des Hohlzylinders zugewandten
Seite des Ultraschallgenerators, oder ein zweites optisch transparentes
Fenster an dem Ende des Hohlzylinders mit dem Ultraschallgenerator,
welches geeignet ist, Lichtwellen aus dem Hohlzylinder auszukoppeln.
Die Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators ist dabei so eingestellt,
dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
erfüllt ist.
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Die
Synchronisation von Pumpimpuls und Idler-/Signalimpuls bzw. Startsignal
kann durch eine Verzögerungsstrecke des Pumpimpulses realisiert werden.
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Für
die gestreckte Vierwellenmischung wird ein Pumpimpulse mit einer
längeren Dauer als die der Idler-/Signalimpulse bzw. Startsignale
genutzt und die Idler-/Signalimpulse bzw. Startsignale können
durch ein dispersives Element mittels der Erzeugung eines „Chirps” auf
die Dauer der Pumpimpulse gestreckt und nach erfolgter Frequenzwandlung
bzw. Verstärkung durch einen Impulskompressor mittels Chirp-Kompensation
wieder auf ihre ursprüngliche Dauer verkürzt werden.
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In
spezifischen wichtigen Ausführungsformen lässt
sich die Erfindung für die Frequenzwandlung und Verstärkung
von Femtosekunden Impulsen durch Realisierung der Quasi-Phasenanpassung
bei der sogenannten „gestreckten” Vierwellenmischung anwenden,
wobei breitbandige gestreckte bzw. phasenmodulierte („chirped„) Impulse mit einer Spektralbreite
größer als Δω = 1012 s
(aber nicht beschränkend) durch schmalbandige Pumpimpulse
mit einer Dauer im Bereich von 500 fs bis 100 ps (bzw. mit einer
Spektralbreite kleiner als Δω = 2 × 1013 s–1)
verstärkt bzw. frequenzgewandelt werden. Die Signal bzw.
Idlerimpulse werden dabei zunächst durch das dispersive
Element mittels der Erzeugung eines „Chirps” auf
die Dauer der Pumpimpulse gestreckt, wobei ihr breites Spektrum
erhalten bleibt. Nach erfolgter Wechselwirkung im nichtlinearen
Medium wird danach die spektrale Phase (Chirp) im Impulskompressor
durch einen „Chirp„ mit
entgegengesetztem Vorzeichen auf Null kompensiert, wodurch die verstärkten
bzw. frequenzgewandelten Idler bzw. Signalimpulse wieder auf ihre
Ausgangsdauer komprimiert werden und ihre Intensität um
den entsprechenden Faktor anwächst.
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Die
Frequenzwandlung unterscheidet sich von der Verstärkung
zum einen dadurch, dass bei der Frequenzerhöhnung entweder
ein Idlerimpuls zusammen mit dem Pumpimpuls oder bei der Frequenzerniedrigung
ein Signalimpuls zusammen mit dem Pumpimpuls in das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung
bei der Vierwellenmischung unter Erzeugung der axialen Modulation
einer Nichtlinearität eingespeist wird, und der jeweilig
andere Impuls, also bei der Frequenzerhöhung der gegenüber
dem Iderimpuls frequenzerhöhte Signalimpuls bzw. bei der
Frequenzerniednigung der gegenüber dem Signalimpuls erniedrigte
Idlerimpuls erzeugt wird. Bei der Verstärkung wird in Gegensatz
dazu der Impuls, der mit dem Pumpimpuls als Startimpuls eingespeist
wurde, durch die Wechselwirkung verstärkt. Gleichzeitig
entsteht auch der entsprechende frequenzgewandelte Impuls, der jedoch
eine viel kleinere Intensität besitzt und in der Regel
nicht genutzt wird.
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Ferner
unterscheiden sich Frequenzwandlung und Verstärkung dadurch,
dass bei der Verstärkung lediglich ein schwaches, dem Fachmann
bekanntes, sogenanntes „seed signal” oder „Startsignal” eingespeist
werden muss, da die Verstärkung in der Vorrichtung entsprechend
stark ist. Die Intensität der Startsignale kann also um
drei bis 8 Größenordnungen kleiner sein als die
der Pumpimpulse und sie kann maximal bis in den Bereich der Intensität
der Pumpimpulse verstärkt werden. Bei der Frequenzwandlung
hingegen muss bereits das eingespeiste Signal eine gewünschte
Stärke des ausgekoppelten, gewandelten Signals haben.
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Vorteilhafterweise
kann das erfindungsgemäße Mittel zur Quasi-Phasenanpassung
bei der Vierwellenmischung mittels Erzeugung einer axialen Modulation
einer Nichtlinearität ohne weitere Anpassung sowohl zur
Frequenzwandlung als auch zur Verstärkung eingesetzt werden.
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Vorteilhafterweise
kann ferner für die Verstärkung von Laserstrahlung
zur Erzeugung des eingangseitigen Startsignalimpulses (seed signal
pulse) dieser durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Frequenzwandlung aus dem Pumpimpuls und einem Idlerimpulses
erzeugt werden. Analog kann auch ein eingangseitiger Startidlerimpulse
(seed idler pulse) durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur Frequenzwandlung aus dem Pumpimpuls und einem Signalimpulse
erzeugt werden. Hier werden also die beiden erfindungsgemäßen
Vorrichtungen mit jeweils einem Hohlzylinder mit einem Ultraschallgenerator kombiniert,
wozu Impulse mit unterschiedlichsten Frequenzen zunächst
erzeugt und danach verstärkt werden können. Bei
der „gestreckten” Vierwellenmischung wird ein
dispersives Element zur zeitlichen Streckung des breitbandigen Signal
bzw. Idlerimpuses genutzt, für das z. B. ein optisches
Gitter verwendet werden kann. Im Kompressor wird ebenfalls ein dispersives
Element verwendet, das die spektrale Phase des verstärkten
bzw. frequenzgewandelten Signal bzw. Idlerimpulses kompensiert.
In Falte der Verstärkung kann die Streckung durch anomale
Dispersion erfolgen, die Kompression erfordert dann ein dispersives
Element mit normaler Dispersion. Bei der Frequenzwandlung geht im
Prozess der Vierwellenmischung die Phase des Idlers bzw. des Signals
mit entgegengesetztem Vorzeichen ein, deshalb erfolgt die Streckung
und die Kompression mit dispersiven Elementen des gleichen Typs
(z. B. mit normaler Dispersion).
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Die
Entfernung zwischen dem ersten optisch transparenten Fenster und
dem Ulraschallgenerator kann dabei so gewählt werden, dass
stehende Ultraschallwellen im Hohlzylinder zur periodischen Modulation
des Drucks im Hohlzylinder gebildet werden. Jedoch sind auch fortschreitende
Wellen möglich.
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Das
nichtlineare Medium kann bevorzugt ein Edelgas sein, wie Argon,
Xenon, Krypton oder Helium.
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Zur
Frequenzwandlung im ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten,
oder mittleren infraroten Spektralbereich, kann der Laser einen
Pumpimpuls in nah-infraroten Bereich generieren und das Mittel zur
Erzeugung eines breitbandigen Impulses kann ein nichtlineares Element
sein, welches eine breitbandige Strahlung für die Frequenzwandlung
durch Vierwellenmischung generiert.
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Zur
Frequenzwandlung von Laserstrahlung in den Vakuum ultravioletten
Spektralbereich bildet der Laser bevorzugt einen UV-Pumpimpuls mittels der
dritten Harmonischen Generation, wobei der Idlerimpuls aus dem Laser
gebildet wird.
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Für
die Verstärkung im ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten
oder mittleren infraroten Spektralbereich kann der Pumpimpuls durch
Festkörperlaser oder Faserlaser erzeugt werden und die
Startsignalstrahlung kann durch Frequenzwandlung eines Festkörperlasers
oder Faserlasers mittels parametrischer Verstärkung in
einem Festkörperkristall oder durch Generation eines Superkontinuums
aus einer Photonischen-Kristallfaser mit einem Glaskern oder mit
einem Edelgas-gefüllten Hohlkern oder durch Bildung der
zweiten oder dritten Harmonischen in einem Festkörperkristall
erzeugt werden.
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Zur
Verstärkung von Laserstrahlung im Vakuum ultravioletten
Spektralbereich kann der Laser einen UV-Pumpimpuls mittels der dritten
Harmonischen Generation generieren und die VUV Startsignalstrahlung
kann mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Frequenzwandlung, oder eines SrB4O2 Kristalls, oder einer Photonischen Kristallfaser
mit einem Hohlkern, oder laser-induzierter Plasmen gebildet werden.
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Das
Mittel zur Auskopplung kann ein dichromatischer Spiegel zur Abtrennung
des verstärkten bzw. frequenzgewandelten Signals bzw. Idlerimpulses
von den übrigen Impulsen sein.
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Erfindungsgemäß wird
ferner ein Verfahren zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung
vorgeschlagen, umfassend:
Erzeugung eines Pumpimpulses mit
einer Frequenz ωp;
Erzeugung
eines Idlerimpulses mit einer Frequenz ωi < 2ωp zur Frequenzerhöhung oder eines
Signalimpulses mit einer Frequenz ωs > 2ωp zur Frequenzerniedrigung;
Einspeisen
von Pumpimpuls und Idler- bzw. Signalimpuls in das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung
bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen;
Frequenzwandlung
in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung;
und
Auskopplung eines Signalimpuls bei der Frequenzerhöhung
mit einer Frequenz ωs = 2ωp – ωi,
oder eines Idlerimpulses bei der Frequenzerniedrigung mit einer Frequenz ωi = 2ωp – ωs aus dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung
bei der Vierwellenmischung.
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Der
Schritt der Frequenzwandlung in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung
bei der Vierwellenmischung umfasst dabei:
Einspeisen von Pumpimpuls
und Idler bzw. Signalimpuls in einen Hohlzylinder gefüllt
mit einem nichtlinearen Medium, welches eine Nichtlinearität
dritter Ordnung aufweist;
Erzeugung von Ultraschallwellen in
dem Hohlzylinder;
Modulieren der Nichtlinearität des
Mediums in axialer Richtung mittels der erzeugten Ultraschallwellen;
und
Einstellen der Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators
derart, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei
der Vierwellenmischung erfüllt ist.
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Erfindungsgemäß wird
ferner ein Verfahren zur Verstärkung von Laserstrahlung
mittels Vierwellenmischung vorgeschlagen, umfassend:
Erzeugung
eines Pumpimpulses mit einer Frequenz ωp;
Erzeugung
eines Startsignals mit einer Frequenz ωs bzw ωp
Einspeisen von Pumpimpuls und Startsignal
in das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
von Lichtwellen;
Verstärkung des eingespeisten Startsignals
in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung;
und
Auskopplung des verstärkten Signals mit der Frequenz
des Startsignals. Der Schritt der Verstärkung im dem Mittel
zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung umfasst dabei:
Einspeisen
von Pumpimpuls und Startsignal in einen Hohlzylinder (101)
gefüllt mit einem nichtlinearen Medium (102),
welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist;
Erzeugung
von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder (101);
Modulieren
der Nichtlinearität des Mediums (102) in axialer
Richtung mittels der erzeugten Ultraschallwellen; und
Einstellen
der Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators (103, 203)
derart, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei
der Vierwellenmischung erfüllt ist.
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Bei
dem Verfahren zur Frequenzwandlung oder Verstärkung von
Laserstrahlung Vierwellenmischung können sowohl fortschreitende
als auch stehende Ultraschallwellen im Hohlzylinder durch den Ultraschallgenerator
zur Modulation des Drucks und der Nichtlinearität im Hohlzylinder
erzeugt werden.
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Zur
Erzeugung des Startsignals bei der Verstärkung kann erfindungsgemäß eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzwandlung
verwendet werden, wobei aus dem Pumpimpuls und einem Idlerimpulse
ein Startsignalimpuls erzeugt wird, der danach in einem zweiten
Hohlzylinder mit einem Ultraschallgenerator verstärkt wird.
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Zur
Spezifizierung sollen nicht beschränkend einige bevorzugte
Parameterbereiche der Erfindung genannt werden. Der Hohlzylinder
hat bevorzugt eine Länge zwischen 0,1 m und 1,5 m sowie
je nach verfügbarer Pumpimpulsleistung einen Durchmesser zwischen
300 μm und 1 mm. Der Druck im Hohlzylinder variiert je
nach Frequenzbereich zwischen 1 atm und 30 atm. Der Ultraschallwellengenerator
erzeugt bevorzugt Ultraschallwellen mit einer Frequenz im Bereich
von 0.05 bis 1 MHz. Im Vakuum Ultraviolett sind Ultraschallfrequenzen
im Bereich größer als 1 MHz erforderlich. Bei
der Verwendung von Edelgasen wachsen jedoch im MHz Bereich die Verluste
der Ultraschallwellen in einem Gas stark an.
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Zur
Reduzierung der notwendigen Pumpleistung bei den genannten Methoden
kann ein Gemisch aus Edelgasen mit metallischen Nanoteilchen verwendet
werden, wobei die Nanoteilchen eine starke Feldüberhöhung
durch Plasmonresonanzen sowie durch einen sehr hohen nichtlinearen
Koeffizienten bewirken. Die Nanoteilchen können aus Silber
sein. und zur Erzeugung einer Plasmonen-Resonanz bei einer gewünschten
Frequenz eine geeignete Gestalt aufweisen, bevorzugt eine kugelförmige,
eine zylinderförmige, eine elipsoidförmige oder
pyramidenförmige Gestalt.
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Weiterhin
kann das nichtlineare Medium) eine Flüssigkeit (wie z.
B. destilliertes Wasser) oder ein verflüssigtes Edelgas
bei tiefen Temperaturen wie flüssiges Xenon, Krypton oder
Argon sein.
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Die
Erfindung wird im Folgenden exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen
nebst Zeichnungen beschrieben. Diese dienen lediglich zur Erläuterung
der Erfindung und beschränken diese nicht.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Prinzipskizze eines Hohlzylinders für die Vierwellenmischung
mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen, erzeugt
durch einen Ultraschallgenerator, der mit einer reflektierenden
Schicht versehen ist;
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2 zeigt
eine Prinzipskizze eines Frequenzwandlers oder eines Laserverstärkers
unter Verwendung der Vierwellenmischung mit einer Quasi-Phasenanpassung
mittels Ultraschallwellen erzeugt durch einen Ultraschallgenerator,
der mit einem transparenten Fenster versehen ist;
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3 zeigt
ein Blockdiagramm eines Frequenzwandlers oder eines Laserverstärkers
unter Verwendung der Vierwellenmischung mit einer Quasi-Phasenanpassung
mittels Ultraschallwellen erzeugt durch einen Ultraschallgenerator,
der mit einem transparenten Fenster versehen ist;
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4 zeigt
ein Blockdiagramm eines Frequenzwandlers oder eines Laserverstärkers
unter Verwendung der Vierwellenmischung mit einer Quasi-Phasenanpassung
mittels Ultraschallwellen erzeugt durch einen Ultraschallgenerator,
der mit einer reflektierenden Schicht versehen ist;
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5 zeigt
den Verstärkungskoeffizienten und die optimale Ultraschallfrequenz
in Abhängigkeit vom Druck der Argonfüllung bei
einem Laserverstärker mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels
Ultraschallwellen bei der Vierwellenmischung für eine Verstärkung
von Laserstrahlung im sichtbaren Bereich;
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6 zeigt
den Verstärkungskoeffizienten und die optimale Ultraschallfrequenz
in Abhängigkeit vom Druck der Argonfüllung bei
einem Laserverstärker mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels
Ultraschallwellen bei der Vierwellenmischung für eine Verstärkung
von Laserstrahlung im mittleren Infrarot.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Bei
einer Überlagerung von gegenläufigen Ultraschallwellen
in einem nichtlinearen Medium bilden sich stehende Ultraschallwellen
aus, die zu einer periodischen Modulation des Druckes bzw. der Teilchenzahldichte
längs der axialen Richtung der Wellen führt. Regt
man mittels eines piezoelektrischen Ultraschallgenerators in einem
Hohlzylinder eine Ultraschallwelle an, so wird durch den Hohlzylinder
ein akustischer Wellenleiter gebildet.
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1 und 2 zeigen
bevorzugte Ausführungsformen des Mittels zur Quasiphasenanpassung bei
der Vierwellenmischung mithilfe einer axialen Modulation einer Nichtlinearität,
das in 3 und 4. den Elementen Nummer 307 und 407 entspricht.
Ein Hohlzylinder, bevorzugt bestehend aus einer Glasröhre 101,
der mit einem nichtlinearen Medium 102, bevorzugt einem
Edelgas, gefüllt ist, wird an einem Ende durch einen piezoelektrischen
Ultraschallgenerator 103 abgeschlossen. Der Ultraschallgenerator 103 ist
bevorzugt ein piezoelektrischer Ultraschallgenerator, in dem durch
einen Wechselstrom 107a und 107b geeigneter Frequenz
mechanische Schwingungen angeregt werden, die Ultraschallwellen 106 im Hohlzylinder
anregen. Die piezoelektrische Platte ist in der Variante von 1 von
innen mit einer hochreflektierenden Schicht 104 verbunden,
an der alle Wellen reflektiert werden. Das andere Ende des Hohlzylinders
wird durch ein erstes optisch transparentes Fenster 105 gebildet,
an dem jedoch die Ultraschallwelle reflektiert werden. Im Hohlzylinder
bilden sich dadurch stehende Ultraschallwellen aus. Gleichzeitig
werden Pump- sowie Idler- bzw. Signal-Impulse in den Hohlzylinder
eingekoppelt, die an der hochreflektierenden Schicht 104 reflektiert
werden und den Hohlzylinder im gegenläufiger Richtung noch einmal
durchlaufen. Da die Nichtlinearität dritter Ordnung proportional
der Teilchendichte bzw. dem Druck ist, führt die stehende
Ultraschallwelle zu einer räumlichen periodischen Modulation
des nichtlinearen Koeffizienten mit einer ähnlichen Wirkung
wie bei der Quasi-Phasenanpassung in periodisch gepolten nichtlinearen
Kristallen (PPNC).
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Bei
einer geeignet gewählten Wellenlänge des Ultraschalls λus kann die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung Δk
= 2π/λus bei der Vierwellenmischung
in isotropen Medien realisiert werden, wobei Δk die Differenz
der Wellenvektoren Δk = 2kp – ki – ks zwischen
dem doppelten Pumpimpulswellenvektor kp und
dem des Idlers und des Signals bedeutet. Bei der (entarteten) Vierwellenmischung
sind also zwei Photonen des Pumpimpulses und je eins des Idler-
und der Signalimpulses beteiligt. Der Idlerimpuls besitzt hierbei
eine Frequenz ωi < 2ωp und der Signalimpuls eine Frequenz ωs > 2ωp, wobei die Bedingung 2ωp = ωs + ωi erfüllt ist. Diese Bedingungen
gelten sowohl für die Verstärkung als auch die
Frequenzwandlung.
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In
der Variante von 2 ist die piezoelektrische Platte 203 innen
mit einem zweiten optisch transparenten Fenster 204 versehen,
durch das der Pumpimpuls und der verstärkte Signalimpuls
bzw. Idlerimpuls den Hohlzylinder in der gleichen Richtung wie die
einfallenden Impulse am Eingang verlassen.
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Das
eingangs beschriebene Konzept zur Quasi-Phasenanpassung bei der
Vierwellenmischung lässt sich sowohl zur Verstärkung
als auch zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung in einem sehr breiten
Spektralbereich verwenden, der vom mittleren infraroten bis zum
UV/VUV Bereich reicht. Insbesondere kann diese Methode für
die Frequenzwandlung und Verstärkung von Femtosekundenimpulsen
mittels der gestreckten Vierwellenmischung realisiert werden.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verstärkung
von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ein
Vierwellen-Verstärker, der beispielsweise -aber nicht beschränkend – im
ultravioletten, optischen sowie im nah- und mittleren Infrarot verwandt werden
kann, enthält die Vorrichtung entsprechend 3 ein
Lasersystem 301 (z. B. ein Ti: Sapphire Laser) mit einem
Laserverstärker. Durch einen Strahlteiler 303 wird
ein Teil über eine Verzögerungsstrecke 306 in
das Mittel Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung unter
Erzeugung der Modulation einer Nichtlinearität 307 und
den entsprechenden Hohlzylinder eingekoppelt, während ein zweiter
Teil in einem nichtlinearen Element 304 eine frequenzverschobene
schwache Startsignalstrahlung (seed signal) erzeugt. Das nichtlineare
Element kann ein nichtlinearer Kristall zur Bildung der zweiten oder
dritten Harmonischen oder ein optischer parametrischer Oszillator
sein. Durch eine optische Verzögerungsstrecke 306 werden
die Startsignalimpulse synchronisiert mit den Pumpimpulsen in den
Hohlzylinder bzw. das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung 307 eingekoppelt
und durch Vierwellenmischung verstärkt. Im Hohlzylinder wird
mittels stehender Ultraschallwellen eine Quasi-Phasenanpassung für
den Pumpimpuls und die Startsignalstrahlung bei der Vierwellenmischung
realisiert.
-
Die
verstärkte Strahlung verlässt bei einem Hohlzylinder
des Typs von 2 in der gleichen Richtung den
Hohlzylinder. Danach wird der verstärkte Signalimpuls in
einem dichromatischen Spiegel 308 vom Pumpimpuls separiert
und der Pumpimpuls durch ein Bandpassfilter unterdrückt.
-
Die
Verstärkung der Startsignalstrahlung mit einer Intensität
IS0 lässt sich bei Vernachlässigung der
Dispersion des Mediums mittels folgender Formel berechnen: IS = IS0exp(g·L),
mit g = Δp·n2·IP·ωp/c (1) wobei der
Gain „g” von der Amplitude der Druckmodulation „Δp”,
der Intensität der Pumpstrahlung „Ip” und
ihrer Frequenz „ωp” sowie
vom nichtlinearen Koeffizienten „n2” abhängt; „c” ist
hier die Lichtgeschwindigkeit und „L” die Länge
des Hohlzylinders. Bei ausreichend großen Werten von „g·L” wird
der Signalimpuls um mehrere Größenordnungen verstärkt.
-
Für
die Verstärkung der Startidlerstrahlung mit einer Intensität
II0 gilt: II = II0·exp(g·L),
mit g = Δp·n2·Ip·ωp/c. (2)
-
Die
Startsignalimpulse lassen sich durch die weiter unten beschriebene
Methode der Frequenzwandlung durch Vierwellenmischung erzeugen durch
die analoge hier beschriebene Methode der Quasi-Phasenanpassung
mittels Ultraschallwellen.
-
Bei
der Verwendung eines Hohlzylinders entsprechend 1 mit
einer verspiegelten Fläche des Ultraschallgenerators ist
ein etwas modifiziertes Blockdiagramm zu verwenden, wie es in 4 dargestellt
ist. in diesem Fall werden Pumpimpuls 402 und Signal- oder
Idlerimpuls am Ultraschallgenerator reflektiert. Der Pumpimpuls 402 wird
dabei nach Aufteilung im Strahlteiler 403 zur Synchronisation
in der Verzögerungsstrecke 406 verzögert,
während der andere Teil des Strahls im nichtlinearen Element 404 die
Startsignalstrahlung erzeugt. Damit Pumpimpuls und Signalimpuls
nicht in den Vierwellen Verstärker 401 zurücklaufen
können wird in diesem Fall eine Polarisationsweiche 412 verwendet,
wodurch der Strahlteiler 410 und 411 nur in der
direkt durchlaufenden Strahlrichtung transparent ist, jedoch keine
Reflexion in der dazu senkrechten Richtung besitzt. Der Signalimpuls
wird danach wieder im dichromatischen Spiegel 408 vom Pumpimpuls
separiert.
-
Die
analoge Methode lässt sich auch mittels der gestreckten
Vierwellenmischung (chirped four-wave mixing) zur Verstärkung
von breitbandigen Femtosekunden Impulsen im optischen und nah-infraroten
Bereich durch schmalbandige Pikosekunden Impulse anwenden. Im Blockdiagramm
in 3 ist der Spiegel 303 dabei total reflektierend
und das Element 304 bezeichnet einen Femtosekunden-Laser, dessen
Impulse im dispersiven Element 305 durch Erzeugung eines „Chirps” auf
die Dauer der Pumpimpulse 302 gestreckt werden. Analog
lassen sich auch Impulse im mittleren Infrarot verstärken.
Startimpulse für Verstärker im mittleren Infrarot
können durch bekannte Methoden durch einen OPA und Differenzfrequenzbildung
in einem Kristall mit einer Nichtlinearität zweiter Ordnung
gewonnen werden. Alternativ kann das nichtlineare Element 304, 404 auch
eine Mikrostrukturfaser sein, in der eine Superkontinuumstrahlung
erzeugt wird. Nach Frequenzselektion eines geeigneten Spektralbereichs
aus diesem Superkontinuum und seiner zeitlichen Streckung im dispersiven
Element 305 (Impulsstrecker) auf die Dauer der Pumpimpulse 302 werden
die Startsignalimpulse synchronisiert mit den Pumpimpulsen in den
Hohlzylinder bzw. das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung 307 eingekoppelt
und durch Vierwellenmischung unter der Bedingung der Quasi-Phasenanpassung
verstärkt. Nach Trennung der Signalimpulse von den Pumpimpulsen
im dichromatischen Spiegel 308 werden schließlich
die verstärkten Signalimpulse im Impulskompressor 309 durch
Chirp Kompensation wieder auf eine Dauer verkürzt, die
ihrer spektralen Breite entspricht. Durch die Verzögerungsstrecke 306 wird
gewährleistet, dass beide Impulse synchronisiert in den
mit einem nichtlinearen Medium, wie beispielsweise einem Edelgas,
gefüllten Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
unter Erzeugung der Modulation einer Nichtlinearität 307 und
dessen Hohlzylinder eingekoppelt werden.
-
Zur
Realisierung noch höherer Verstärkungsfaktoren
kann auch ein auf den gleichen Prinzipien beruhender mehrstufiger
Verstärker verwendet werden. Weiterhin kann diese Methode
zur Impulsverstärkung in analoger Weise auch zur Verstärkung von
Idler Impulsen verwendet werden.
-
Ein
Frequenzwandler durch Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
mittels Ultraschallwellen basiert auf den gleichen Prinzipien, wie
es in 1 und 2 sowie in den Blockdiagrammen
in 3 und 4 dargestellt ist.
-
So
lässt sich beispielsweise ein Frequenzwandler am Blockdiagramm
in 3 erläutern. Dabei werden die Pumpimpulse 302 bei
der Grundfrequenz des Lasersystems 301 nach Strahlteilung
in 303 in den Hohlzylinder geleitet, während der
andere Teil der Pumpimpulse in einem optisch parametrischen Verstärker
(OPA) 304 Idlerimpulse erzeugt, die nach ihrer Verzögerung
in 305 synchronisiert mit den Pumpimpulsen in den Hohlzylinder 307 eingekoppelt werden.
Mittels der Vierwellenmischung unter der Bedingung der Quasi-Phasenanpassung
werden aus den Pump und Idler-Impulsen Signalimpulse mit einer höheren
Frequenz erzeugt. Analog werden aus Pump und Signalimpulsen Idlerimpulse
mit einer niedrigeren Frequenz erzeugt.
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Die
Intensität des Signalimpulses IS kann
bei Vernachlässigung der Dispersion durch folgende Formel
berechnet werden: IS =
n2·p·Ip
2·Ii·L2·ωp/c (3) wobei „Ii” die Intensität des Idlerimpulses
am Eingang und „p” der nicht modulierte Anteil
des Drucks (oder sein gemittelter Wert) sind; die anderen Symbole
sind wie in Gleichung (1) definiert.
-
Für
den Idlerimpuls gilt analog II = n2·p·Ip
2·IS·L2·ωp/c (4)
-
Die
Erfindung wird nun weiter anhand einiger exemplarischer Ausführungsbeispiele
beschrieben.
-
Ausführungsbeispiel 1
-
Ausführungsbeispiel
1 bezieht sich auf einen Impulsverstärker im nah infraroten,
sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich durch Verwendung von Ultraschallwellen
zur Quasi-Phasenanpassung. Für diesen Bereich existieren
eine Reihe von Lasertypen, die je nach gewünschten Parametern
als Pumpquellen sowie Startsignalquelle für den Vierwellen
Verstärker nutzbar sind (wie Festkörperlaser,
Faserlaser, Halbleiterlaser u. a.).
-
Im
Ultravioletten kann als Strartsignalimpuls z. B. die aus dem Pumpimpuls
in einem Festkörperkristall gebildete dritte Harmonische
dienen. Als Beispiel ist in 5 entsprechend
der Formel (1) der maximale Verstärkungskoeffizient (Gain)
für den Signalimpuls und die optimale Ultraschallfrequenz
in Abhängigkeit vom mittleren Druck der Argon dargestellt. Als
Pumpquelle wurde hier ein Nd:YAG Laserverstärkersystem
bei einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer Intensität
von 120 TW/cm2 gewählt. Der zu
verstärkende Startsignalimpuls wird durch einen Titan:Saphir
Laser mit einer Wellenlänge bei 900 nm erzeugt. Bei einem
Druck der Argonfüllung von 1003 Torr und einer optimalen
Ultraschallfrequenz von 173 kHz besitzt z. B. der Verstärkungskoeffizient
einen Betrag von 0.2 cm–1. Bei
einer Länge des Hohlzylinders von 1 m entspricht dies einer
Verstärkung des Signalimpulses um einen Faktor von 5 × 108.
-
Diese
Beispiel ist spezifisch für die Verstärkung von
nah-infraroten Femtosekunden Impulsen mittels gestreckter Vierwellenmischung
interessant. Hierbei werden Femtosekundenimpulse als Idlerimpulse
verwendet und im dispersiven Element 305, 405,
das z. B. ein optisches Gitter umfassen kann, durch Erzeugen eines „Chirps” auf
die zeitliche Dauer der Pumpimpulse gestreckt, die im Pikosekundenbereich
liegen kann. Die zeitlich gestreckten Idler mit einem breiten Spektrum
werden mit den schmalbandigen Pikosekunden Pumpimpulsen synchronisiert
in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt. Dabei wird eine Quasi-Phasenanpassung
mittels Ultraschallwellen realisiert, wodurch die gestreckten Idlerimpulse
um mehrere Größenordnungen verstärkt
werden. Nach Trennung der verstärkten Idlerimpulse von
den Pumpimpulsen im dichromatischen Spiegel 308 werden diese
im Impulskompressor 309 durch Chirp Kompensation wieder
auf eine Dauer verkürzt, die ihrer spektralen Breite entspricht,
wobei ihre Intensität um mehrere Größenordnungen
anwächst.
-
Die
Startidlerimpulse können auch durch ein frequenzselektives
Element aus einem Superkontinuum gewonnen werden, wie es z. B. effektiv
in einer Mikrostrukturfaser erzeugt wird. Der so ausgewählte Spektralbereich
wird dann durch ein dispersives Element auf die Dauer des Pumpimpuises
gestreckt, im Hohlzylinder mittels Vierwellenmischung verstärkt und
danach komprimiert. Dadurch lassen sich über einen weiten
Spektralbereich abstimmbare Signalimpulse zu hohen Intensitäten
verstärken, deren Frequenz mittels eines frequenzselektiven
Elements aus dem genannten Spektralbereich frei wählbar
ist.
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Ausführungsbeispiel 2
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In
diesem Ausführungsbeispiel wird ein Laserverstärker
und Frequenzwandler für den mittleren infraroten Spektralbereich
mittels Quasi-Phasenanpassung durch Ultraschallwellen beschrieben.
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Da
Edelgase auch im mittleren Infraroten transparent sind lässt
sich ein Verstärker mittels Quasiphasenanpassung bei der
Vierwellenmischung entsprechend dem Schema in 1 oder 2 auch für
die Verstärkung von Strahlung in diesem Spektralbereich
verwenden. Als Pumplaser 301 wird für diesen Fall
eine Quelle im nahen Infrarot verwendet, der im Verstärker
einen Idler verstärkt. Für die Erzeugung der Startidlerstrahlung
im mittleren Infrarot können die auf diesem Gebiet bekannten
Methoden, wie ein OPA, verwendet werden. Dadurch wird ein möglicher Wellenlängenbereich
bis zu etwa 10 μm zur Verstärkung von Strahlung
erschlossen. Als Beispiel ist in 6 nach Formel
(1) der maximale Verstärkungskoeffizient (Gain) für
den Signalimpuls im mittleren Infrarot bei 4 μm und die
optimale Ultraschallfrequenz in Abhängigkeit vom Druck
der Argonfüllung dargestellt. Als Pumpquelle wurde hier
ein Nd:YAG Laserverstärkersystem bei einer Wellenlänge
von 1064 nm mit einer Intensität von 120 TW/cm2 gewählt.
Wie der 6 zu entnehmen ist, besitzt
bei einem Druck der Argonfüllung von 1003 Torr und einer
entsprechenden optimalen Ultraschallfrequenz von 173 kHz der Verstärkungskoeffizient
einen Betrag von 0.2 cm–1. Bei
einer Länge des Hohlzylinders von 1 m entspricht dies einer
Verstärkung des Signalimpulses um einen Faktor von 5 × 108.
-
Vierwellenmischung
mittels Quasi-Phasenanpassung durch Ultraschallwellen lässt
sich auch zur Frequenzwandlung von Strahlung in das mittlere Infrarot
verwenden. Ähnlich wie im Anwendungsbeispiel 2 wird dabei
neben dem Pumpimpuls ein Signalimpuls eingestrahlt, dessen Frequenz
für eine Wandlung in das mittlere Infrarot entsprechend der
Beziehung ωi = 2ωp – ωs etwas
kleiner als die doppelte Pumpfrequenz sein muss.
-
Ausführungsbeispiel 3
-
Ausführungsbeispiel
3 betrifft einen Frequenzwandler für den UV/VUV Spektralbereich durch
gestreckte Vierwellenmischung in einen mittels Ultraschallwellen
Quasi-Phasenangepaßten Hohlzylinder.
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Ein
VUV Frequenzwandler soll hier entsprechend 1 sowie
dem Blockdiagramm 4 erläutert werden. Bei einem
VUV Frequenzwandler erzeugt das Lasersystem 401 Impulse 402 bei
der Grundfrequenz; z. B. bei 800 nm für ein Titan:Saphir
Lasersystem. Nach Strahlteilung 403 findet in einem Teilstrahl in
einem nichtlinearen Kristall (nicht gezeigt) eine Frequenzverdreifachung
statt, während der andere Teil der Pumpimpulse bei 800
nm als Idlerimpuise in 305 synchronisiert und mit den Frequenzverdreifachten
Pumpimpulsen in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt werden.
Mittels der Vierwellenmischung unter der Bedingung der Quasi-Phasenanpassung
werden aus den Pump- und Idler-Impulsen Signalimpulse mit einer
höheren Frequenz ωs =
2ωp – ωi erzeugt.
-
Im
Falle eines gestreckten Frequenzwandlers wird ein Femtosekunden
Idlerimpuls spektral verbreiterter und durch Erzeugung eine „Chirps” zeitlich gestreckt
und mit dem Pumpimpuls synchronisiert in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt.
Der Pumpimpuls besitzt eine Dauer, die im Pikosekundenbereich liegen
kann und groß gegenüber der ursprünglichen Dauer
des Idlers ist und er ist bandbreitebegrenzt (d. h. er besitzt keinen „Chirp).
-
Quasi-Phasenanpassung
durch die Ultraschallwelle ist für einen 800 nm Idler und
einen 270 nm Pumpimpuls bei einem mittleren Druck der Argonfüllung
von 0,1 atm bei einer optimalen Uitraschallfrequenz von 0,63 MHz
erfüllt. Für die experimentelle Umsetzung vereinfachend
ist, dass bei der gestreckten Frequenzwandlung die Verkürzung
des erzeugten VUV Signalimpulses ebenfalls durch normale Dispersion
erfolgen kann, da im parametrischen Prozess ωs =
2ωp – ωi die Phase des VUV Impulses durch die Phase
des Idlers mit entgegengesetztem Vorzeichen bestimmt wird.
-
Durch
diese Methode lassen sich Impulse hoher Energie in den VUV Bereich
transformieren, wobei die Dauer des VUV Impulses nach Kompression
durch eine Glasschicht (z. B. aus MgF2)
bis unterhalb von 10 fs verkürzt werden kann.
-
Für
die Erzeugung abstimmbarer kurzer VUV Impulse kann in dem oben beschriebenen
Beispiel der Idlerimpuls bei 800 nm durch einen frequenzabstimmbaren
infraroten oder optischen Impuls ersetzt werden. Dieser kann z.
B. in einem nichtlinearen Kristall zweiter Ordnung durch nichtparallele parametrische
Verstärkung (NOPA) erzeugt werden, der im Element 406 einen
Idlerimpuls mit variabler Wellenlänge erzeugen kann. Neben
der NOPA ist eine günstige Variante auch die Nutzung von
abstimmbaren IR Impulsen im Bereich von 1.1 bis 2.9 μm
durch eine OPA in einem BiB2O6 Kristalls
mit paralleler Ausbreitungsrichtung, wobei Impulsenergien im Bereich
von mJ und Impulsdauern von 20–40 fs möglich sind.
Dadurch sind kontinuierlich abstimmbare Impulse mit Wellenlängen
bis unterhalb von 100 nm erzeugbar.
-
Ausführungsbeispiel 4
-
Auf
den analogen Prinzipien beruhend kann auch ein VUV Impulsverstärker
mittels Quasi-Phasenanpassung durch Ultraschallwellen bei der Vierwellenmischung
realisiert werden.
-
Ein
VUV Verstärker wird entsprechend dem Schema in 1 und
dem Blockdiagramm in 4 erläutert. Mit kleinen
Abweichungen ist die Situation jedoch analog bei der Nutzung eines
Hohlzylinders nach dem Schema in 2 und dem
Blockdiagramm in 3.
-
Als
Pumpimpulse 402 bei einem VUV Verstärker kann
die dritte Harmonische eines Titan:Saphir Lasers mit einer Wellenlänge
von 270 nm verwendet werden. Nach Strahlteilung 403 wird
die VUV Startsignalstrahlung im nichtlinearen Element 404 erzeugt.
Die Länge der schmalbandigen Pumpimpulse und der breitbandigen
Signalstartimpulse werden durch Streckung mittels eines dispersiven
optischen Elements 405 aneinander angepasst, wobei Impulslängen
im Bereich von Pikosekunden möglich sind. Mittels Synchronisation
von Pumpimpulsen bei 270 nm und Startsignalimpulsen bei 160 nm in
der Verzögerungsstrecke 406 werden beide Impulse
in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt, wobei eine Quasi-Phasenanpassung
mittels Ultraschallwellen realisiert ist und die VUV Signalimpulse
durch Vierwellenmischung verstärkt werden.
-
Eine
Schwierigkeit bei der Realisierung eines solchen Verstärkers
liegt darin, dass bei der Verwendung von Edelgasen für
die Realisierung einer Quasi-Phasenanpassung im VUV eine relativ
hohe Ultraschallfrequenz im Bereich einiger MHz bei einem Druck
von 1 atm notwendig sind. Bei diesen Frequenzen besitzen Ultraschallwellen
in Edelgasen aber einen nicht-vernachlässigbaren Verlust,
wodurch die Länge des Hohlzylinders begrenzt wird und damit
auch der maximal realisierbare Verstärkungskoeffizient.
Auch bei höheren oder tieferen Drücken ist die
Situation nicht wesentlich günstiger. Eine mögliche
Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung von verflüssigten
Edelgasen bei tiefen Temperaturen, wobei insbesondere flüssiges
Xenon, aber auch Krypton oder Argon verwendet werden können.
-
Ein
geeigneter Startsignalimpuls kann durch die im Ausführungsbeispiel
3 dargestellte Frequenzwandlung in den VUV Bereich erzeugt werden.
-
Eine
einfache Methode für die Erzeugung von VUV Startsignalimpulse
im nichtlinearen Element 404 besteht in der Verwendung
des nichtlinearen Kristalls SrB4O2 (SBO), wobei durch Bildung der zweiten
Harmonischen aus dem UV Pumpimpuls sowie der Erzeugung eines spektralen
Kontinuums abstimmbare Startsignalimpulse im Bereich von 125–160
nm erzeugt werden können. Durch ein Frequenzfilter kann
aus diesem Superkontinuum ein geeigneter Frequenzbereich selektiert,
durch ein dispersives Element 405 zeitlich gestreckt und
dann im Hohlzylinder 407 verstärkt werden. Die
spezifische Ultraschallwellenlänge, für die die
Bedingung der Quasi-Phasenanpassung erfüllt ist, hängt
dabei von der Wellenlänge des zu verstärkenden
Signalimpulses ab.
-
Anwendungsbeispiel 5
-
Anwendungsbeispiel
5 betrifft einen Frequenzwandler und Verstärker mittels
Vierwellenmischung unter der Verwendung von Medien mit einer hohen
Nichtlinearität.
-
Für
die Verwendung preiswerter Laser wie Faserlaser, Diodenlaser, Halbleiterlaser
und anderer bei den in den Anwendungsbeispielen 1 bis 6 beschriebenen
Aufgabenstellungen zur Frequenzwandlung, Verstärkung oder
Erzeugung von ultrakurzen Impulsen in den oben charakterisierten
Spektralbereichen ist eine Reduzierung der notwendigen Laserleistung
durch Verwendung von Materialien mit wesentlich höheren
nichtlinearen Koeffizienten eine wichtige Zielstellung. Die Anforderungen
an die Pumpimpulsleistung können durch Verwendung nichtlinearer
Medien mit einem hohen nichtlinearen Koeffizienten reduziert werden.
Eine Möglichkeit dazu besteht in der Ausnutzung der sehr
hohen nichtlinearen Koeffizienten von metallischen Nanoteilchen
und ihrer ultraschnellen Response. Die nichtlinearen Eigenschaften
von Gemischen aus Gläsern, Flüssigkeiten und Gasen
mit metallischen Nanoteilchen wurden in den letzten Jahren intensiv
untersucht wobei eine starke Erhöhung der Suszeptibilität
dritter Ordnung infolge von Plasmon Resonanzen beobachtet wurde.
Eine Verwendung von Pumplasern mit geringerer Leistung kann in dem
erfindungsgemäßen Verfahren durch Verwendung eines
strömenden Edelgases als nichtlineares Medium realisiert
werden, das mit metallischen Nanoteilchen (wie z. B. Silber Nanoteilchen)
gemischt wird. Der nichtlineare Koeffizient von Silber Nanoteilchen
ist z. B. sieben Größenordnungen höher
als der von Quarzglas, so dass selbst geringe Füllfaktoren
eine wesentliche Erhöhung der Nichtlinearität
bewirken können. Zusätzlich wird durch Anregung
von Plasmon-Resonanzen eine Resonanzüberhöhung
von mehreren Größenordnungen bewirkt. Bei kugelförmigen
Silber Nanoteilchen liegt die Plasmon Resonanz bei etwa 400 nm,
diese Resonanz wird jedoch bei zylinder-, elipsoid- oder pyramidenförmigen
Nanoteilchen zu größeren Wellenlängen
bis in den 800 nm Bereich verschoben. In Abhängig vom Füllfaktor
der Nanoteilchen kann dadurch die Suszeptibilität dritter
Ordnung dramatisch um viele Größenordnungen erhöht
werden, wodurch die Anforderungen an die Laserleistung um den gleichen Faktor
reduziert wird.
-
Quasi-Phasenanpassung
durch Ultraschallwellen lässt sich auch in Flüssigkeiten
und in isotropen transparenten Festkörpern, wie z. B. in
Gläsern, realisieren, deren nichtlinearen Koeffizienten
um bis zu vier Größenordnungen höher
sind als in Edelgasen. Eine weitere Erhöhung ist dadurch
realisierbar, indem man diese Materialien mit Nanoteilchen mischt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 101
- Hohlzylinder/Glasröhre
- 102
- Nichtlineares
Medium
- 103
- Ultraschallgenerator
- 104
- hochreflektierende
Schicht
- 105
- erstes
optisch transparentes Fenster
- 106
- Ultraschallwelle
- 107a
- Wechselstromanschluss
- 107b
- Wechselstromanschluss
- 201
- Hohlzylinder/Glasröhre
- 202
- Nichtlineares
Medium
- 203
- Ultraschallgenerator
- 204
- hochreflektierende
Schicht
- 205
- erstes
optisch transparentes Fenster
- 206
- Ultraschallwelle
- 207a
- Wechselstromanschluss
- 207b
- Wechselstromanschluss
- 301
- Pumplaser
- 302
- Pumpimpuls
- 303
- Strahlteiler
- 304
- nichtlineares
Element
- 305
- dispersives
Element
- 306
- Verzögerungsstrecke
- 307
- Mittel
zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
- 308
- dichromatischer
Spiegel
- 309
- Impulskompressor
- 310
- ausgekoppelter
Impuls
- 401
- Pumplaser
- 402
- Pumpimpuls
- 403
- Strahlteiler
- 404
- nichtlineares
Element
- 405
- dispersives
Element
- 406
- Verzögerungsstrecke
- 407
- Mittel
zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
- 408
- dichromatischer
Spiegel
- 409
- Impulskompressor
- 410
- Strahlteiler
- 411
- Strahlteiler
- 412
- Polarisationsweiche
- 413
- ausgekoppelter
Impuls
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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