DE102010026701B4

DE102010026701B4 - Verfahren und Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse mittels statischer Parameter

Info

Publication number: DE102010026701B4
Application number: DE201010026701
Authority: DE
Inventors: Martin Bock; Dr. Grunwald Rüdiger
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-07-08
Also published as: DE102010026701A1; DE102010026701B8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse. Vorgeschlagen wird ein Verfahren, welches folgende Schritte umfasst Erzeugen von pseudo-nichtdiffraktiven Nadelstrahlen (6) an mehreren Orten (4) verteilt über den Strahlquerschnitt (5), Führen der Nadelstrahlen (6) auf einen nichtlinearen Konverter (8) und Ausführen einer nichtlinearen Konversion, Abbilden des nichtlinear konvertierten Lichts (6') auf eine Detektoreinrichtung (10); ortsaufgelöstes Erfassen der Intensität der konvertierten Strahlung (6'), Ausführen individueller Analysen der ermittelten örtlich aufgelösten Intensitätsverteilungen (11) der konvertierten Strahlung für die einzelnen Nadelstrahlen (6), wobei zur individuellen Analyse der einzelnen Intensitätsverteilungen (11) jeweils eine Pulsformanalyse ausgeführt wird, indem statistische Momente der jeweiligen Intensitätsverteilung (11) ermittelt werden und anhand der statistischen Momente eine Pulsdauer ermittelt wird, die dem jeweiligen der mehreren Orte (4), an dem der zugehörige pseudo-nichtdiffraktive Nadelstahl (6) erzeugt ist, zugeordnet wird und so eine lokale Pulsdauerverteilung über den Stahlquerschnitt (5) des Lichtstrahls (2) angegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlichen und zeitlichen Pulsanalyse kurzer Laserpulse.
In einigen Bereichen der Physik und Technik, in der ultrakurze Pulse, insbesondere ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern < 10 fs, verwendet werden, hat es sich herausgestellt, dass einzelne Prozesse und auftretende Effekte nur verstanden werden können, wenn einzelne Pulse hinsichtlich ihrer zeitlichen räumlichen Eigenschaften möglichst vollständig charakterisiert werden. Auch im Bereich der Informationstechnik besteht ein Interesse, Pulse charakterisieren zu können, um etwa Informationen zu dekodieren.
Im Stand der Technik sind hierfür verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. Ein Verfahren zur Pulsanalyse ist unter dem Begriff SPIDER (spectral interferometry for direct electric-field reconstruction) bekannt. Ein Puls wird zunächst an einem Strahlteiler in zwei Strahlführungsarme aufgeteilt. In dem einen Strahlführungsarm wird der Puls hinsichtlich der Frequenz gechirpt. Dies ist beispielsweise in einem dispersiven Medium möglich und führt zu einer zeitlichen Streckung. In dem anderen Strahlführungszweig werden zeitlich zueinander verzögerte Repliken des Pulses erzeugt. Dies kann beispielsweise an einem Etalon erfolgen. Die beiden Strahlführungsarme werden in einem nichtlinearen Konverter, beispielsweise einem Kristall zur Erzeugung höherer Harmonischer, so überlagert, dass eine nichtlineare Konversion stattfindet. Die konvertierte Strahlung wird anschließend in einem Spektrometer nachgewiesen. Aus der spektralen Intensitätsverteilung, die mit einem Schwebungssignal moduliert ist, lassen sich die zeitliche Phase und die Pulsdauer ermitteln. Das Verfahren ist beispielsweise bei von C. Iacones und I. A. Walmsley in IEEE J. Quantum Electron. 35, 501 (1999) beschrieben.
Ein anderes Verfahren zur orts- und zeitaufgelösten Charakterisierung ist aus der DE 100 28 756 A1 bekannt. Dort ist ein Verfahren zur orts- und zeitaufgelösten interferometrischen Charakterisierung von ultrakurzen Laserpulsen angegeben, wobei eine ortsaufgelöste nicht kollineare Messung der Autokorrelationsfunktion erster oder höherer Ordnung mittels einer Matrix aus strahlformenden Einzelelementen derart vorgenommen wird, dass eine örtliche Aufspaltung des Strahls in eine Strahlmatrix aus konischen Teilstrahlen erfolgt, wobei jeder Teilstrahl die räumlich integrierte Information über die von ihm durchstrahlte Teilfläche der Matrix repräsentiert, die Ortsauflösung somit durch die Matrixgeometrie bestimmt wird, und dass das durch jeden Teilstrahl in einer bestimmten, auf einer Matrixkamera abgebildeten Ebene im Raum erzeugte Interferenzmuster eine Autokorrelationsfunktion erster Ordnung oder, unter Ausnutzung nichtlinearer Wechselwirkungen in einem geeigneten Medium, entsprechend höherer Ordnung liefert, so dass Kohärenzzeit und Impulsdauer von einzelnen Laserpulsen oder Folgen mehrerer Laserpulse als Funktion des Ortes bestimmt werden können. Bei diesen Verfahren wird insbesondere die Form des Ringmusters des Zeit-zu-Raum-konvertierten Pulses ausgewertet. Je kürzer jedoch die Pulsdauern der analysierten Pulse werden, desto weniger Intensität gelangt in Nebenminima der Autokorrelationsfunktion, bis am Ende nur noch ein einziges zentrales Maximum verbleibt.
Aus der DE 199 35 631 C1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zur zeitlich aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserpulsen bekannt. Beschrieben sind korrelatorische Verfahren und Anordnungen zur zeitlich aufgelösten Charakterisierung von einzelnen ultrakurzen Laserpulsen in Mehrkanaltechnik. Vorgesehen sind eine räumliche und zeitlich aufgelöste Detektion des zeitlichen Intensitätsverlaufs einzelner Impulse. Erreicht werden soll dies dadurch, dass eine Matrix aus partiell reflektierenden Phasenelementen mit voneinander verschiedenen Phasenprofilen als Mehrkanalinterferrometer wirksam wird und die Interferenzmuster bzw. die bei Überlagerung mit Referenzstrahlen linear- oder nichtlinear-optisch erzeugten Interferogramme bzw. Hologramme mit oder ohne optische Bildverarbeitung auf einem Detektor abgebildet oder direkt auf diesem erzeugt werden und nach Weiterverarbeitung mit geeigneten elektronischen und/oder mathematischen Prozeduren Informationen über die räumliche und zeitliche Verteilung von Phase und/oder Intensität einzelner Laserimpulse liefern.
Aus der WO 97/00430 A1 ist eine Messvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtimpulse mit Impulsdauern im Femtosekunden- bis Picosekundenbereich bekannt, mit der eine vollständige Charakterisierung bezüglich der Impulsform, -phase, -dauer und -spektrum sowie des Chirps von kurzen und ultrakurzen Lichtimpulsen sowohl für Laser mit hoher Impulsfolgefrequenz als auch für Laser mit geringer Impulsfolgefrequenz und hoher oder geringer Intensität durchgeführt werden können. Der zu untersuchende Laserpuls wird in zwei Teilpulse aufgespalten und einer der beiden Teilstrahlen erfährt eine zusätzliche Dispersion oder es wird zu dem zu untersuchenden Laserimpuls ein zweiter gut charakterisierter Laserimpuls eingestrahlt. Beide Teilstrahlen werden abschließend in einem in zweiter Ordnung nichtlinear optischen Element einander überlagert. Die entstehende Summenfrequenzstrahlung wird als Korrelationssignal analysiert.
Aus der US 4,681,436 A ist ein System zum Messen der Pulsdauer von Lasern im Bereich von zehn Nanosekunden bis einer Femtosekunde mit einer Genauigkeit von einer Femtosekunde bekannt. Das System umfasst einen primären Pulssampler, ein Zehnkomponentenstrahlteilerarray, eine optische Verzögerungsstrecke, deren Einstellungen mikroprozessorgesteuert sind, eine Zehnabschnittswechselwirkungskammer mit zehn Sätzen von Ionisationsdetektoren und Pulshüllkurven- und Pulsenergieanzeigemonitore.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zu schaffen, die eine möglichst vollständige räumliche und zeitliche Pulsanalyse, möglichst für einzelne Pulse, gestattet. Wünschenswert ist es darüber hinaus, nach Möglichkeit redundante Informationen zu erfassen, die nach unterschiedlichen Messprinzipien und/oder Auswerteverfahren erfasst bzw. ausgewertet werden können, um einander gegenseitig zu plausibilisieren.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die bekannten Vorrichtungen dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Analyse bei kurzen Pulsdauern geschaffen wird. Es wurde herausgefunden, dass die bei einer nicht kollinearen Autokorrelation höherer Ordnung entstehenden Intensitätsspektren, speziell wenn sie nur ein Intensitätsmaximum umfassen, sich hinsichtlich ihrer Form gut dadurch charakterisieren lassen, dass für ein solches Intensitätsspektrum statistische Momente ermittelt werden. Das erste statistische Moment ist der gewichtete arithmetische Mittelwert.
Das zweite statistische Moment ist durch die Varianz σ² eines Spektrums repräsentiert, welches die quadratische Abweichung von seinem gewichteten arithmetischen Mittelwert angibt.
Während das zweite Moment ein Maß für die Abweichung vom Mittelwert, d. h. der Streuung, ist, geben ein drittes Moment eine Schiefe (sknewness) und das vierte Moment eine Wölbung (kurtosis) an. Höhere Momente ab dem dritten Moment sind gemäß folgender Formel festgelegt:
wobei j die Ordnung angibt.
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass es ausreichend ist, die ersten vier Momente zu ermitteln. Aus den ermittelten Momenten unterschiedlicher Ordnung lässt sich ein gewichtetes Summenmoment
für jede der gemessenen Intensitätsverteilungen bestimmen. Analog lässt sich auch ein gewichtetes Produktmoment
errechnen. Für die jeweiligen Pulsdauern können über Kalibrationsdaten oder theoretische Pulsformen (bestimmt durch die spektrale Phase und Amplitude) die zugehörigen Summenmomente und/oder Produktmomente gewonnen werden. Diese können beispielsweise in einer Tabelle abgelegt sein. Aus dem Summenmoment, dem Produktmoment und/oder den einzelnen Momenten der unterschiedlichen Ordnungen lässt sich dann für jede Verteilung eine Pulsdauer ableiten. Für jeden der Nadelstrahlen, in die das ursprüngliche Strahlprofil örtlich aufgeteilt wurde, erhält man so eine entsprechende Koeffiziententabelle, die eine Information über die lokale Pulsdauer des Ursprungspulses liefert. Eine zeitliche Charakterisierung einzelner Pulse ist hierüber auch bei hohen Repetitionsraten möglich, da eine Berechnung mittels einer Auswerteeinrichtung, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Computer, sehr schnell ausgeführt werden kann. Vorteilhaft genutzt werden kann ein solches Verfahren, um in einem Puls codierte Informationen zu erfassen, die über eine lokal über den Pulsquerschnitt variierte Pulsdauer codiert sind, die beispielsweise bei einer über den Strahlquerschnitt integrierenden Pulsdauermessung nicht detektierbar sind. D. h., Pulse mit unterschiedlichen lokalen Pulsdauerverteilungen können dieselbe Pulsdauer bei einer über den gesamten Strahlquerschnitt ausgeführten Pulsdauermessung zeigen. Ferner können beispielsweise am gleichen Ort Pulse gleicher Halbwertsbreite vorliegen, die nur hinsichtlich des dritten statistischen Moments unterscheidbar sind.
Insbesondere wird somit ein Verfahren zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse eines Lichtstrahls vorgeschlagen, umfassend die Schritte: Erzeugen von pseudo-nichtdiffraktiven Nadelstrahlen an mehreren Orten verteilt über einen Strahlquerschnitt, Führen der Nadelstrahlen auf einen nichtlinearen Konverter und Ausführen einer nichtlinearen Konversion, Abbilden des nichtlinear konvertierten Lichts auf eine Detektoreinrichtung, ortsaufgelöstes Erfassen der Intensität der konvertierten Strahlung und Ausführen individueller Analysen der ermittelten örtlich aufgelösten Intensitätsverteilungen für die einzelnen Nadelstrahlen, wobei zur individuellen Analyse der einzelnen Intensitätsverteilungen jeweils eine Pulsformanalyse ausgeführt wird, indem statistische Momente der jeweiligen Intensitätsverteilung ermittelt werden und anhand der statistischen Momente eine Pulsdauer ermittelt wird, die dem jeweiligen der mehreren Orte, an dem der zugehörige pseudo-nichtdiffraktive Nadelstrahl erzeugt ist, zugeordnet wird und so eine lokale Pulsdauerverteilung über den Strahlquerschnitt des Lichtstrahls angegeben wird.
Ebenso wird eine Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse eines Lichtstrahls vorgeschlagen, die umfasst: einen räumlichen Lichtmodulator, der einen Lichtstrahl in mehrere pseudo-nichtdiffraktive Nadelstrahlen aufteilt, die ihren Ursprung an verschiedenen Orten verteilt über den Strahlquerschnitt aufweisen, einen nichtlinearen Konverter, der mittels der Nadelstrahlen jeweils nichtlinear konvertierte Strahlung erzeugt, eine Detektoreinrichtung zum Erfassen der konvertierten Strahlung, wobei die Detektoreinrichtung so ausgebildet ist, dass die Intensität der konvertierten Strahlung eines jeden Nadelstrahls ortsaufgelöst erfassbar ist, sowie eine Auswerteeinrichtung, mittels der über eine Berechnung statistischer Momente der einzelnen Intensitätsverteilungen der konvertierten Strahlung der einzelnen Nadelstrahlen lokale Pulsdauern ermittelbar sind, die den einzelnen Orten im Strahlprofil zuordenbar sind, die den Erzeugungsorten der Nadelstrahlen entsprechen.
Bei geeignet ausgebildeter Detektoreinrichtung, die zeitgleich die Intensität an mehreren Orten erfassen kann, lassen sich somit einzelne Pulse analysieren. Hierfür umfasst bei einer Ausführungsform die Detektoreinrichtung einen flächig ausgebildeten ortsauflösenden Detektor, beispielsweise eine CCD-, ICCD-, EMCCD-, oder CMOS-Kameraeinrichtung.
Aus den gewonnenen Mittelpunkten der einzelnen Intensitätsverteilungen der konvertierten Strahlung der Nadelstrahlen lässt sich durch einen Vergleich mit erwarteten Positionen eine Aussage über eine Wölbung der Wellenfront treffen. Dies bedeutet, dass Abweichungen gegenüber einer ebenen Wellenfront sich durch Positionsverschiebungen der Mittelpunkte gegenüber erwarteten Mittelpunkten ableiten lassen. Üblicherweise ergeben sich die erwarteten Positionen aus einer Kalibration mit einer bekannten, z. B. sphärischen, Wellenfront. Dieses Prinzip ist aus so genannten Hartmann-Shack-Detektoren bekannt.
Ist darüber hinaus eine Kenntnis der spektralen Phase erwünscht, so lässt sich das Verfahren bzw. eine entsprechende Vorrichtung erweitern. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Lichtstrahl vor der räumlichen Modulation zur Erzeugung der pseudo-nichtdiffraktiven Lichtstrahlen auf zwei Strahlführungsarme aufgeteilt wird, wobei in dem einen Strahlführungsarm der Puls beispielsweise in einem ausgedehnten dispersiven Medium Frequenz-gechirped bzw. zeitlich gestreckt wird und in dem anderen Strahlführungsarm zwei zeitlich gegeneinander verzögerte Repliken des Pulses erzeugt werden. Eine Erzeugung solcher Repliken kann beispielsweise an einem Etalon oder an einem doppelbrechenden Kristall vorgenommen werden. Die Erzeugung der zwei Repliken führt auch dazu, dass alle an dem räumlichen Lichtmodulator erzeugten pseudo-nichtdiffraktiven Lichtstrahlen jeweils zwei zeitlich verzögerte, aber ansonsten identische Pulse aufweisen. Die beiden Strahlführungsarme werden so ausgestaltet, dass der Frequenz-gechirpte Puls mit den pseudo-nichtdiffraktiven Nadelstrahlen in dem Konverter überlagert wird, so dass bei der Überlagerung in einem nichtlinearen Prozess eine konvertierte Strahlung erzeugt wird und damit zwei gegeneinander spektral gechirpte Pulse, wobei für jeden der Nadelstrahlen ein frequenzaufgelöstes Intensitätsspektrum aufgenommen wird. Aufgrund der Tatsache, dass der Puls in dem einen Strahlführungsarm spektral geschert, d. h. zeitlich gestreckt, ist und die Nadelstrahlen jeweils zwei zeitlich beabstandete Pulse aufweisen, findet die Konversion mit unterschiedlichen Spektralanteilen des zeitlichen gestreckten Pulses für die zwei Pulsrepliken in den Nadelstrahlen statt. Dies führt dazu, dass bei einer spektralen Analyse der konvertierten Strahlung, die an einem Ort aufgenommen wird, aufgrund der zeitlichen Intensitätsintegration in der Detektoreinrichtung ein Schwebungssignal im Frequenzspektrum beobachtet wird, welches seine Ursache in der Überlagerung der beiden spektral gescherten Pulsrepliken innerhalb der Detektionszeit hat. Mit einem SPIDER-Algorithmus lässt sich so die spektrale Phase als Funktion der Wellenlänge errechnen. Anderweitig aufgebaute Interferometer für die Erzeugung der zwei Pulsrepliken und des einen zeitlich gestreckten Pulses für die Anwendung des bekannten SPIDER-Messprinzips sind denkbar, z. B. in Form der kollinearen Überlagerung des Doppelpulses mit dem zeitlich gestreckten Puls noch vor der räumlichen Modulation, beispielsweise mit einem räumlichen Lichtmodulator, oder dem Einsatz eines Axicon-Arrays.
Eine geeignet weiterentwickelte Vorrichtung umfasst somit zusätzlich eine Strahlteilereinheit, die den Puls auf zwei Strahlführungsarme aufteilt, wobei in dem einen der Strahlführungsarme der Puls Frequenz-gechirpt wird, in dem anderen der Strahlführungsarme, in dem der räumliche Lichtmodulator angeordnet ist, vor diesem eine Verzögerungs- und Duplikationseinheit angeordnet ist, die zwei zeitlich versetzte Pulsrepliken erzeugt, wobei die Strahlführungsarme so geführt sind, dass die Nadelstrahlen und der Frequenz-gechirpte Puls in dem nichtlinearen Konverter oder einem weiteren nichtkolinearen Konverter überlagert werden und die Detektoreinrichtung ein Spektrometer zum frequenzaufgelösten Erfassen der aus der nichtlinearen Konversion mindestens eines der Nadelstrahlen mit dem Frequenz-gechirpten Puls resultierenden konvertierten Strahlung umfasst.
Um mittels eines Spektrometers für jeden der erzeugten Nadelstrahlen ein Spektrum zu erfassen, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass eine Eintrittsöffnung des Spektrometers relativ zu der konvertierten Strahlung in einer Nachweisebene positionierbar ist, um die konvertierte Strahlung ortsaufgelöst und frequenzaufgelöst zu erfassen. Bei einer Ausführungsform wird die Strahlung dem Spektrometer über eine Lichtleitfaser zugeführt, die in der Nachweisebene positionierbar ist. Zwar lässt sich aus einem aufgenommenen Spektrum, beispielsweise im Zentrum der Intensitätsverteilung der konvertierten Strahlung eines Nadelstrahls, die vollständige zeitliche Information extrahieren, jedoch geht ohne eine Ortsauflösung zumindest die Information über die Wellenfrontkrümmung verloren. Daher ist es vorteilhaft, die örtliche Intensitätsverteilung der konvertierten Strahlung eines jedes Nadelstrahls in der Detektionsebene zusätzlich zu ermitteln. Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass die Intensitätsverteilung der konvertierten Strahlung der einzelnen Nadelstrahlen mittels spektraler Messungen abgerastert wird. Integriert man über die Spektralwerte, erhält man die örtliche Intensität und kann über die Momentenermittlung eine redundante zeitliche Aussage hinsichtlich der Pulsdauer sowie zusätzlich eine Aussage über die Wölbung der Wellenfront des zu analysierenden Pulses treffen.
Das Abrastern kann über eine schrittmotorengesteuerte Lichtleitfaser erfolgen. Alternativ können auch bewegliche Spiegel eingesetzt werden, sofern eine Eintrittsöffnung des Spektrometers ortsfest ist. Findet ein Abrastern statt, so ergibt es sich, dass eine Einzelpulsanalyse nicht durchführbar ist. Um eine Analyse zu beschleunigen, ist es jedoch möglich, ein Mehrkanalspektrometer zu nutzen, wobei entweder die erfassten Intensitäten der konvertierten Strahlung unterschiedlicher Nadelstrahlen und/oder unterschiedlicher Orte in den einzelnen Intensitätsverteilungen der konvertierten Strahlung der einzelnen Nadelstrahlen zeitgleich in unterschiedlichen spektralen Kanälen nachgewiesen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform können in der Detektionsebene alternativ ein ortsauflösender 2D-Detektor, beispielsweise eine CCD-Kamera oder CMOS-Kamera oder ein für ein- oder mehrkanaliges Abrastern vorgesehenes Spektrometer bzw. die Eintrittsöffnungen des Spektrometers angeordnet werden. Mit der zweidimensionalen ortsauflösenden photoempfindlichen Erfassungseinrichtung können über die Momentenermittlung Einzelpulsanalysen ausgeführt werden und alternativ mit dem für ein Abrastern vorgesehenen Spektrometer im Mehrpulsbetrieb die spektralen Phasen ortsaufgelöst erfasst und die hier aus den Spektren ebenfalls abgeleiteten lokalen Pulsdauern mit den aus einer Momentenanalyse ermittelten Pulsdauern verglichen und verifiziert werden.
Eine vollständige Charakterisierung in einem Einpulsbetrieb ist mit einer Ausführungsform möglich, bei der die Detektoreinrichtung ein das konvertierte Licht spektral aufteilendes Element umfasst, welches vor einem zweidimensionalen ortsaufgelösten photoempfindlichen Detektor angeordnet ist. Hierdurch kann für jeden Nadelstrahl sowohl die spektrale Verteilung für jeden Nadelstrahl als auch die ortsaufgelöste Intensitätsverteilung bestimmt werden. Eine alternative Ausführung verwendet eine Hyperspektralkamera, bei der in mehreren Halbleiterschichten eine spektrale Multikanalmessung erfolgt. Ein zweidimensionaler ortsauflösender Detektor, der zusätzlich eine spektrale Verteilung erfassen kann, kann auch mittels eins Arrays aus Lichtleitfasern in Verbund mit einem Spektrometer ausgebildet werden, wobei ein Mehrkanalspektrometer verwendet wird oder des Spektrometer die Spektren in kurzen zeitlichen Abständen nacheinander auswertet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert.
Hierbei zeigen:
1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Entstehung der ortsaufgelösten Intensitätsspektren;
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Auswertung der ermittelten Intensitätsverteilungen über eine Berechnung statistischer Momente;
4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse;
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Wechselwirkungsprozesses in dem nichtlinearen Konverter der Ausführungsform nach 4; und
6 eine schematische Darstellung noch einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse.
In 1 ist schematisch eine Vorrichtung 1 zur räumlich zeitlichen Pulsanalyse dargestellt. Ein gepulster Lichtstrahl 2, beispielsweise ein Laserstrahl, fällt auf einen räumlichen Lichtmodulator 3. Der räumliche Lichtmodulator kann beispielsweise als LCoS-SLM (liquid-crystal-on-silicon – spatial light modulator) ausgebildet sein. Alternativ kann der räumliche Lichtmodulator, welcher adaptiv die optischen Parameter des Strahls verändert, durch ein statisches (nicht adaptives) Element, beispielsweise ein Axicon-Array, ersetzt werden. Der räumliche Lichtmodulator ist vorzugsweise so ausgebildet, dass dieser in Reflexion betrieben wird. Andere Ausführungsformen können jedoch vorsehen, dass der räumliche Lichtmodulator in Transmission betrieben wird. Bei einer Ausführungsform, die in Reflexion arbeitet, können durch Dispersion verursachte Störungen minimiert werden. Der räumliche Lichtmodulator 3 ist so ausgebildet, dass dieser an unterschiedlichen Positionen 4 des Strahlquerschnitts 5 pseudo-nichtdiffratktive Nadelstrahlen 6 erzeugt. Pseudo-nichtdiffraktive Nadelstrahlen 6 sind Besselstrahlen, die auf das zentrale Maximum eingeschränkt sind, welches durch die erste ringförmige Nullstelle der Besselfunktion begrenzt ist. Diese Nadelstrahlen 6 zeichnen sich dadurch aus, dass sie im freien Raum, ohne ihre Strahlform zu ändern, über große Strecken propagieren können. Genauer betrachtet geben die Nadelstrahlen 6 eine Propagationszone an. Jeder Nadelstrahl 6 repräsentiert die räumlich integrierte Information der Teilfläche 7 des Ursprungspulses, die zur Bildung des jeweiligen Nadelstrahls 6 genutzt wurde. Die Nadelstrahlen 6 werden auf einen nichtlinearen Konverter 8 geführt. Bei diesem handelt es sich vorzugsweise um einen Kristall, beispielsweise einen BBO-Kristall, welcher bei den typischen Wellenlängen eines Ti:Saphir-Lasers zur Erzeugung einer zweiten Harmonischen geeignet ist. Andere Kristalle oder nichtlineare optische Medien können alternativ genutzt werden. Die Auftrefforte der einzelnen Nadelstrahlen 6 auf dem nichtlinearen Konverter 8 sind in einer XY-Ebene, welche eine Ebene senkrecht zur Strahlausbreitung und somit parallel zu dem Strahlquerschnitt 5 repräsentiert, voneinander entfernt platziert.
In dem nichtlinearen Konverter 8 findet eine nichtlineare Frequenzkonvertierung, beispielsweise eine Erzeugung der zweiten Harmonischen, statt. Es können auch andere nichtlineare Effekte genutzt werden, beispielsweise eine Erzeugung einer dritten Harmonischen, Mehrphotonenabsorption oder eine Frequenzmischung. Das austretende konvertierte Licht 6' der Nadelstrahlen 6 wird über eine Abbildungsoptik 9 auf eine Detektoreinrichtung 10 geführt. Die Detektoreinrichtung 10 ist bei dieser Ausführungsform als zweidimensional auflösender photoempfindlicher Detektor abgebildet. Bei dem Detektor kann es sich beispielsweise um eine CCD-, ICCD-, EMCCD- oder CMOS-Kamera handeln.
Dargestellt ist nur die konvertierte Strahlung 6' eines Nadelstrahls 6. Dies ist jedoch lediglich zur Vereinfachung der Darstellung gewählt. Tatsächlich wird jedoch die konvertierte Strahlung 6' sämtlicher Nadelstrahlen 6 zeitgleich auf den zweidimensionalen Detektor der Detektoreinrichtung 10 abgebildet. Die konvertierte Strahlung 6' eines jeden Nadelstrahls 6 erzeugt hierbei auf dem Detektor ein ortsabhängiges Intensitätsspektrum 11. Je nach Ausgestaltung des räumlichen Lichtmodulators 3 variiert das auf dem Detektor ermittelte Intensitätsspektrum. Werden rotationssymmetrische Modulationen verwendet, so erhält man ein rotationssymmetrisches Intensitätsverteilungsmuster.
Die Mittenposition der jeweiligen Intensitätsverteilung liefert im Vergleich mit einer Vorgabeposition für eine ebene Welle eine Information über eine Wölbung der Wellenfront, an dem Ort des Pulsquerschnitts, an dem der Nadelstrahl erzeugt wird. Dies bedeutet, dass, abhängig von der Wölbung der Pulsfront, der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung innerhalb eines definierten Bereichs, in dem der jeweilige Nadelstrahl auf den Detektor trifft, auf dem Detektor variiert. Je stärker eine Wölbung ist, desto weiter weicht die ermittelte Mittelpunktsposition von einer für eine ebene Wellenfront erwarteten Mittelpunktsposition ab. Die einzelnen Intensitätsverteilungen 11 werden mit einer Auswerteeinrichtung 12, beispielsweise einem Rechner, hinsichtlich ihrer Pulsform analysiert. Hierzu werden die einzelnen statistischen Momente errechnet und hieraus individuell Pulsdauern τ_l errechnet. Diese können dann den einzelnen Positionen 4, an denen die Nadelstrahlen 6 erzeugt worden sind, zugeordnet werden. Über den Strahlquerschnitt 5 erhält man somit eine ortsaufgelöste Pulsdauerverteilung.
In 2 ist schematisch dargestellt, wie die Pulsdauerinformation in einer Ortsinformation quer zur Ausbreitungsrichtung z des Nadelstrahls 6 bei der nichtkolinearen Autokorrelation überführt wird. Die pseudo-nichtdiffraktiven Nadelstrahlen 6 können als Überlagerung aus sich unter einem geringen Winkel ausbreitenden Wellenzügen zusammengesetzt betrachtet werden. In dem Nadelstrahl breitet sich der Puls, welcher durch Rechtecke 21a, 21b symbolisiert ist, entlang leicht unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen 22a, 22b aus. Diese Propagation der beiden virtuellen Teilpulse bzw., in der schematischen Darstellung, der Rechtecke 21a, 21b, ist für vier unterschiedliche Zeitpunkte t₁ bis t₄ auf der linken Seite der Abbildung gezeigt. Zu erkennen ist, dass die unterschiedlichen Anteile des Pulses an unterschiedlichen Zeitpunkten miteinander zur Wechselwirkung kommen. Setzt man an einer Position entlang der Ausbreitungsrichtung einen nichtlinearen Konverter, so Wechselwirken entlang der X-Achse zeitlich gegeneinander versetzte Anteile des Pulses mit sich selbst. Bildet man somit die konvertierte Strahlung, beispielsweise die zweite oder eine höhere Harmonische, so überlager sich die unterschiedlichen Anteile zu einer Intensitätsverteilung, die entlang des Ortes X, d. h. quer zur Ausbreitungsrichtung, variiert. Die in dem Puls enthaltene Zeitinformation bzw. die in dem Nadelstrahl 6 enthaltene Zeitinformation wird in eine Ortsinformation umgewandelt. Da bei sehr kurzen Pulsen nur das zentrale Maximum der Autokorrelationsfunktion entsteht, lassen sich die bisher üblicherweise angewendeten Verfahren, die ein Intensitätsmuster mit mehreren ausgeprägten konzentrischen Ringen auswerten, nicht anwenden. Daher wird eine Pulsformanalyse über eine Auswertung der statistischen Momente der ringfreien Intensitätsverteilung 11 vorgenommen.
Anhand der schematischen Darstellung in 3 soll dies schematisch exemplarisch erläutert werden. Im oberen Bild sind übereinander, durch unterschiedliche Schraffuren gekennzeichnet, drei Intensitätsverteilungen 11-1, 11-2, 11-3 der konvertierten Strahlung von drei verschiedenen Nadelstrahlen, d. h. von drei unterschiedlichen Orten, im Strahlquerschnitt des ursprünglich analysierten Pulses dargestellt. Gut zu erkennen ist bei der schematischen Darstellung, dass sich die Pulsformen deutlich voneinander unterscheiden. Bereits dies liefert einen Hinweis darauf, dass die hinsichtlich ihrer Intensität normierten Intensitätsverteilungen 11 mit Nadelstrahlen bzw. mit sich entlang der Nadelstrahlen ausbreitenden Pulsen korrespondieren, die eine unterschiedliche Pulsdauer aufweisen. Um diese bestimmen zu können, werden für die einzelnen Intensitätsverteilungen jeweils mehrere statistische Momente unterschiedlicher Ordnung bestimmt. Vorzugsweise werden jeweils das erste bis vierte Moment, d. h. das gewichtete arithmetische Mittel, die Varianz, die Schiefe (sknewness) und die Wölbung (kurtosis) der Intensitätsverteilungen ermittelt. Zusätzlich werden ein gewichtetes Summenmoment und ein gewichtetes Produktmoment errechnet, wobei die hierfür verwendeten Summations- bzw. Produktkoeffizienten aus einer Kalibration oder theoretischen Parametern bestimmt werden.
Im mittleren Bild sind die verschiedenen ermittelten Intensitätsverteilungen an ihren entsprechenden Positionen verteilt über den Strahlquerschnitt dargestellt. Anhand der abgeleiteten Einzelmomente und jeweiligen Summen und Produktmomente lässt sich dann für jede Intensitätsverteilung eine Pulsdauer ableiten, wie dies im unteren Bild schematisch angedeutet ist. Man erhält somit eine ortsaufgelöste Pulsdauerverteilung über den Strahlquerschnitt, wobei die Ortsauflösung im Wesentlichen durch die räumliche Periode bestimmt wird, die der räumliche Lichtmodulator, beispielsweise in Form des einprogrammierten Axicon-Arrays, bestimmt.
Eine Ortsauflösung kann durch Subpixelinterpolation oder bei einer Analyse mehrerer identischer Pulse über eine Variation der Position des räumlichen Lichtmodulators im Strahlquerschnitt gesteigert werden. Hierbei repräsentiert jeder Nadelstrahl ein Pixel.
In 4 ist schematisch eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 1' zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse dargestellt. Bei dieser wird der einfallende gepulste Strahl an einer Strahlteilereinheit 31 in zwei Strahlführungsarme 32, 33 aufgeteilt. Ein ursprünglicher Puls 34 wird lediglich hinsichtlich seiner Intensität bei der Strahlteilung verändert. Der in dem Strahlführungsarm 32 verlaufende Puls 35 wird über einen breitbandigen, hochreflektiven Spiegel 35 auf ein Dispersionselement 37, beispielsweise ein dickes dispersives Medium mit geringer Absorption, z. B. einen Glasblock, geführt, um die Frequenzanteile des Pulses zeitlich zu separieren bzw. den Puls zeitlich zu strecken. Ein hierbei entstehender zeitlich gestreckter, gechirpter Puls 38 wird über einen weiteren breitbandigen, hochreflektiven Spiegel 39 auf einen nichtlinearen Konverter 8 geführt. In dem anderen Strahlführungsarm 33 wird der ursprüngliche Puls 34 auf eine Pulsverzögerungs- und Dupliziereinheit 41 geführt, welche beispielsweise ein doppelbrechendes Kristall oder einen Strahlteileraufbau mit verschiedenen und gegebenenfalls variablen Armlängen umfassen kann. Von der Verzögerungs- und Dupliziereinheit 41 werden zwei zeitlich verzögerte Pulsrepliken 42a und 42b erzeugt, die dann auf den räumlichen Lichtmodulator 3 geführt werden. Dieser arbeitet in derselben Weise wie der räumliche Lichtmodulator 3 nach 1. Die entstehenden Nadelstrahlen 6 werden so auf den nichtlinearen Konverter 8 geführt, dass in diesem eine nichtlineare optische Wechselwirkung der Pulsrepliken 42a und 42b mit dem zeitlich gestreckten Puls 38 erfolgt. Ein Summensignal 43 tritt unter leicht unterschiedlichen Winkeln gegenüber der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung 45 der Nadelstrahlen und der Ausbreitungsrichtung 46 des zeitlich gestreckten Pulses aus. Das Summensignal 43 umfasst zwei gegeneinander spektral verscherte Summenfrequenzpulsrepliken 61a, 61b. In einer Detektionsebene 47 wird das Summensignal 43 von einer Eintrittsöffnung 48 eines Spektrometers 49 erfasst. Die Eintrittsöffnung 48 wird durch eine Blende 50, die relativ zu einem Einkoppelende 51 einer Lichtleitfaser 52 angeordnet ist, gebildet. Hierüber ist eine Richtungsselektion möglich, um das Summensignal 43 von den anderen Signalen zu separieren. Zusätzlich kann ein Polarisator 53 vorgesehen sein. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Eintrittsöffnung 48 mit dem Einkoppelende 51 in der Detektionsebene 47 positionierbar, so dass nacheinander an unterschiedlichen Orten das Summensignal 43 erfasst werden kann. Um eine vollständige Strahlinformation zu erhalten, muss mindestens von jeder Intensitätsverteilung an mindestens einer Position eine Messung ausgeführt werden, um das fundamental bzw. konvertierte Spektrum sowie das spektrale Interferogramm und damit die spektrale Phase bzw. die Pulsdauer und -form für jeden der Nadelstrahlen 6 ermitteln zu können. Mittels einer Auswerteeinrichtung 12, die zwei Rechner 54, 55 umfasst, werden die Spektren 56 ausgewertet.
Um zusätzlich eine Momentenauswertung zu ermöglichen, muss eine örtliche Abrasterung der einzelnen Intensitätsverteilungen vorgenommen werden. Über eine computergestützte Auswertung analog dem SPIDER-Algorithmus kann aus den Spektren 56 sowohl die Pulsdauer als auch die spektrale Phase 57 errechnet werden. Zusätzlich können, sofern die Intensitätsverteilungen ortsaufgelöst abgerastert sind, die Intensitätsverteilungen 11 aus den Spektren 56 abgeleitet und auch eine Momentenanalyse ausgeführt werden, wie sie oben im Zusammenhang mit 1 beschrieben ist. Ferner kann aus den lokalen Pulsdauern eine Information in Form eines räumlichen Musters decodiert werden, sofern eine solche in dem Puls kodiert ist. Im uncodierten Fall ergeben sich Aussagen über die räumliche Pulshomogenität, die beispielsweise Justage und Optimierung der Laserresonatoren oder nachgeordneter optischer Systeme ermöglichen.
In 5 sind schematisch die physikalischen Prozesse beschrieben, die bei der Ausführungsform nach 4 bedeutsam sind. Vor der Summenfrequenzbildung (SFG – sum frequency generation) in dem nichtlinearen Konverter liegen der zeitlich gestreckte und Frequenz-gechirpte Puls 38 sowie die beiden zeitlich gegeneinander verzögerten Pulsrepliken 42a und 42b vor. Diese sind zeitlich so gegeneinander verzögert, dass der zeitliche Abstand geringer als eine Pulsdauer des gestreckten Pulses 38 ist. Nach der nichtlinearen optischen Wandlung im Konverter erhält man zusätzlich zwei Summenfrequenzpulsrepliken 61a und 61b, die, da sie durch eine Wechselwirkung mit unterschiedlichen Anteilen des gestreckten Pulses entstanden sind, eine unterschiedliche Frequenzinformation tragen, d. h. spektral geschert sind. Im Spektrometer führt dies zu einem Schwebungssignal im Frequenzspektrum, da die zeitliche Auflösung des Detektors des Spektrometers die Pulse nicht trennt (zeitlich auflöst), so dass diese quantenmechanisch interferieren.
In 6 ist schematisch eine weitere Vorrichtung 1'' zum räumlich-zeitlichen Analysieren von Pulsen dargestellt. Die Ausführungsform ähnelt der nach 4. Unterschiedlich dazu ist jedoch die Detektoreinrichtung 10 aufgebaut. Bei der Ausführungsform nach 6 umfasst die Detektoreinrichtung 10 zum einen ein Gitter 71, um eine spektrale Auffächerung zu erreichen. Die Intensität der spektral aufgefächerten konvertierten Strahlung wird dann mit einem ortsauflösende 2D-Dektektor, beispielsweise einer CCD-Kamera oder einer CMOS-Kamera nachgewiesen. Hierdurch wird es möglich, zeitgleich die ortsaufgelösten Intensitätsverteilungen sowie ein vollständiges Spektrum für jeweils eine Position zu erfassen, so dass jeder Nadelstrahl 6 sowohl hinsichtlich der Momentenanalystemethode als auch mittels einer SPIDER-artigen Methode hinsichtlich der zeitlichen Eigenschaft analysiert werden kann. Hierdurch ist eine vollständige Pulscharakterisierung auch einzelner Pulse sogar mit redundanter Informationsbestimmung möglich.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'': Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse
2: gepulster Lichtstrahl
3: räumlicher Lichtmodulator
4: Position
5: Strahlquerschnitt
6: Nadelstrahlen
6': konvertierter Nadelstrahl
7: Teilfläche
8: nichtlinearer Konverter
9: Abbildungseinrichtung
10: Detektoreinrichtung
11: Intensitätsverteilung
11-1: Intensitätsverteilung am Ort x₁, y₁
11-2: Intensitätsverteilung am Ort x₂, y₂
11-3: Intensitätsverteilung am Ort x₃, y₃
12: Auswerteeinrichtung (Rechner)
20: Ausbreitungsrichtung
21a, 21b: Rechtecke
22a, 22b: Ausbreitungsrichtungen der Teilwellen
31: Strahlteilereinheit
32: Strahlführungsarm
33: weiterer Strahlführungsarm
34: ursprünglicher Puls
35: Puls nach der Strahlteilung
36: breitbandiger hochreflektiver Spiegel
37: Dispersionselement
38: gestreckter Puls
39: breitbandiger hochreflektiver Spiegel
41: Verzögerungs- und Dupliziereinheit
42a, 42b: Pulsrepliken
43: Summensignal
45: Ausbreitungsrichtung der Nadelstrahlen
46: Ausbreitungsrichtung des gestreckten Pulses
47: Detektionsebene
48: Eintrittsöffnung
49: Spektrometer
50: Blende
51: Einkoppelende
52: Lichtleitfaser
53: Polarisator
54: Rechner
55: Rechner
56: Spektrum
57: Phasen
61a, 61b: Summenfrequenzpulsrepliken (konvertierte Strahlung)
71: Gitter
72: ortsauflösender 2D Detektor

Claims

Verfahren zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse eines Lichtstrahls (2) umfassend die Schritte: Erzeugen von pseudo-nichtdiffraktiven Nadelstrahlen (6) an mehreren Positionen (4) verteilt über einen Strahlquerschnitt (5), Führen der Nadelstrahlen (6) auf einen nichtlinearen Konverter (8) und Ausführen einer nichtlinearen Konversion, Abbilden der nichtlinear konvertierten Strahlen (5') auf eine Detektoreinrichtung (10), ortsaufgelöstes Erfassen der Intensität der konvertierten Strahlen (6'), Ausführen individueller Analysen der ermittelten örtlich aufgelösten Intensitätsverteilungen (11) der konvertierten Strahlen (6') für die einzelnen Nadelstrahlen (6), wobei dass zur individuellen Analyse der einzelnen Intensitätsverteilungen (11) jeweils eine Pulsformanalyse ausgeführt wird, indem statistische Momente der jeweiligen Intensitätsverteilung (11) ermittelt werden und anhand der statistischen Momente eine Pulsdauer ermittelt wird, die der jeweiligen der mehreren Positionen (4), an dem der zugehörige pseudo-nichtdiffraktive Nadelstrahl (6) erzeugt ist, zugeordnet wird und so eine lokale Pulsdauerverteilung über den Strahlquerschnitt (5) des Lichtstrahls (2) angegeben wird,
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (2) in zwei Teilstrahlen auf zwei Strahlführungsarme (32, 33) aufgeteilt wird, wobei in dem einen Strahlführungsarm (32) der Puls (35) Frequenz-gechirpt wird, und in dem anderen Strahlführungsarm (33) vor dem Erzeugen der Nadelstrahlen (5) zwei zeitlich gegeneinander verzögerte Repliken (42a, 42b) des Pulses erzeugt werden, so dass die pseudo-nichtdiffraktiven Nadelstrahlen (6) jeweils zwei zeitlich verzögerte Pulsrepliken (42a, 42b) umfassen, und die beiden Teilstrahlen in dem nichtlinearen Konverter (8) zur Überlagerung gebracht werden und in einem nichtlinearen Prozess aus den Pulsrepliken (42a, 42b) und dem Frequenz-gechirpten Puls (38) konvertierte Strahlen (43; 61a, 61b) erzeugt und frequenzaufgelöst erfasst und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen Nadelstrahl (6) zeitgleich die Intensitätsverteilung (11) des konvertierten Strahls (6'; 43; 61a, 81b) zumindest teilflächig ortsaufgelöst erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für alle der Nadelstrahlen (6) die Strahlungsvertellungen (11) der konvertierten Strahlen (6') zeitgleich mittels eines ortsaufgelöst messenden Flächendetektors ermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen der Nadelstrahlen (6) ein Flächengebiet einer Detektionsebene (47) abgerastet wird und an jedem Rasterpunkt ein Spektrum (56) aufgenommen wird.
Verfahren nach einem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus den beim Abrastern erhaltenen Spektren (56) eines Nadelstrahls (6) eine ortsaufgelöste Intensitätsverteilung (11) abgeleitet wird, für die die verschiednen statistischen Momente abgeleitet und ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens zwei der Nadelstrahlen (6) die Strahlungsverteilungen (11) der konvertierten Strahlen (6') zeitgleich mittels eines ortsaufgelöst messenden Flächendetektors ermittelt werden und zusätzlich für die mindestens zwei der Nadelstrahlen (6) jeweils an mindestens einer Position der Detektionsebene (47) die konvertierten Strahlen (6') zeitgleich frequenz- oder wellenlängenaufgelöst erfasst werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den ermittelten Pulsdauern eine über die lokalen Pulsdauern codierte Information extrahiert wird.
Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse eines Lichtstrahls (2) umfassend einen räumlichen Lichtmodulator (3) zum Aufteilen des Lichtstrahls (2) in mehrere pseudo-nichtdiffraktive Nadelstrahlen (6), die ihren Ursprung an verschiedenen Positionen (4) verteilt über einen Strahlquerschnitt (5) des Lichtstrahls (2) haben, einen nichtlinearer Konverter (8), der mittels der Nadelstrahlen (6) jeweils nichtlinear konvertierte Strahlen (6') erzeugt, und eine Detektoreinrichtung (10) zum Erfassen der konvertierten Strahlen (6), wobei die Detektoreinrichtung (10) so ausgebildet ist, dass für jeden Nadelstrahl (6) eine Intensitätsverteilung (11) der konvertierten Strahlen (6') ortsaufgelöst erfassbar ist, sowie eine Auswerteeinrichtung (12), mittels der über eine Berechung der statistischen Momente der einzelnen Intensitätsverteilungen (11) der konvertierten Strahlen (6') der einzelnen Nadelstrahlen (6) lokale Pulsdauern ermittelbar sind, die den einzelnen Positionen (4) im Strahlprofil zugeordnet sind, welche den Erzeugungspositionen der Nadelstrahlen (6) entsprechen.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Strahlteilereinheit (31) vorgehen ist, die den Puls (34) in zwei Strahlführungsarme (32, 33) aufteilt, wobei in dem einen der Strahlführungsarme (32) ein Dispersionselement (37) zum spektralen Auseinanderziehen des Pulses (34) zu einem Frequenz-gechirpten Puls (38) angeordnet ist, und in dem anderen der Strahlführungsarme (33), in dem der räumliche Lichtmodulator (3) angeordnet ist, vor diesem eine Verzögerungs- und Dupliziereinheit (41) angeordnet ist, die zwei zeitlich versetzte Pulsrepliken (42a, 42b) erzeugt, wobei die Strahlführungsarme (32, 33) so geführt sind, dass die zwei zeitlich versetzten Pulsrepliken (42a, 42b) der Nadelstrahlen (6) und der Frequenz-gechirpte Puls (38) in dem nichtlinearen Konverter (8) oder einem weiteren nichtlinearen Konverter überlagert werden und die Detektoreinrichtung (10) ein Spektrometer (49) umfasst, um die aus der nichtlinearen Konversion mindestens der zeitlich versetzten Pulsrepliken (42a, 42b) eines der Nadelstrahlen (6) mit dem Frequenz-gechirpten Puls (38) resultierende konvertierte Strahlung (61a, 61b) frequenzaufgelöst zu erfassen und die Auswerteeinrichtung (12) ausgebildet ist, aus mindestens einem Spektrum (56) eine Pulsdauer und/oder eine spektrale Phase (57) abzuleiten.
Vorrichtung nach Anspruchs 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsöffnung (48) des Spektrometers (49) relativ zu den konvertierten Strahlen (6') in einer Detektionsebene (47) positionierbar ist, um die konvertierte Strahlen (6') ortsaufgelöst und frequenzaufgelöst zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (49) ein Mehrkanalspektrometer (75) ist und mindestens zwei Kanälen konvertierte Strahlung unterschiedlicher Nadelstrahlen (6) zugeführt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinrichtung (10) einen flächig ausgebildeten ortsauflösenden Photodetektor zum zeitgleichen Erfassen zumindest mehrer Intensitätssignale einer der Intensitätsverteilungen (11) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass vor einem flächig ausgebildeten ortsauflösenden Photodetektor ein optisches Element, vorzugsweise ein Gitter, zur spektralen Auffächerung der konvertierten Strahlen (6') engeordnet ist, so dass in mindestens zwei Bereichen, in denen die Intensitätsverteilungen der konvertierten Strahlen (6') für mindestens zwei der Nadelstrahlen erfasst werden, jeweils zeitgleich die Intensitätsverteilungen (11) und zeitgleich hiermit ein Frequenz oder Wellenlängenspektrum (56) der konvertierten Strahlen (6') erfassbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige Photodetektor eine Hyperspektralkamera ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (12) ausgebildet ist, anhand der unterschiedlichen ermittelten lokalen Pulsdauern eine Information zu dekodieren.