DE102011012768A1

DE102011012768A1 - Lasersystem für steuerung seinem ausgang

Info

Publication number: DE102011012768A1
Application number: DE102011012768A
Authority: DE
Inventors: Marcos Dantus; Vadim Lozovoy; Dimtry Pestov
Original assignee: Michigan State University MSU
Current assignee: Michigan State University MSU
Priority date: 2010-03-01
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2011-12-29
Anticipated expiration: 2031-03-02
Also published as: FR2956929B1; DE102011012768B4; FR2956929A1; US20110211600A1; DE102011012768B8; US8630322B2

Abstract

Das Lasersystem umfasst: einen Laser (21), der dafür ausgelegt ist, Laserimpulse auszusenden; einen Impulsformer (51), der dafür ausgelegt ist, die Impulse zu formen; einen Detektor (43), der dafür ausgelegt ist, die geformten Impulse zu empfangen, wobei der Detektor ein frequenzintegriertes nonlineares optisches Ansprechen hat; und einen Controller (45), der dafür ausgelegt ist, den Former zu veranlassen, mindestens einen spektralen Abschnitt der Impulse durch den Former auszuwählen, der weniger als die Hälfte des gesamten Spektrums umfasst. Der Controller, der Detektor und der Former sind dafür ausgelegt, eine unerwünschte Phasenverzerrung in mindestens einigen der Impulse zu messen und automatisch zu korrigieren.

Description

Diese Anmeldung betrifft allgemein Lasersysteme und insbesondere ein Lasersystem, das in der Lage ist, seinen Ausgang zu steuern.
Impulskomprimierung, insbesondere die Fähigkeit zur Abgabe vorgegebener optischer Wellenformen am Ausgang eines Lasers oder an einem Zielort, ist einer der Grundpfeiler der Entwicklung ultraschneller Laserquellen und der stetig wachsenden Zahl von Anwendungen, die ultrakurze Impulse benötigen. Je kürzer die Impulse, desto größer ihre Bandbreite, und desto größer die Anfälligkeit für Gruppenlaufzeitdispersion (Group Delay Dispersion – „GDD”). während Luft und die meisten optischen Medien überwiegend eine lineare Gruppengeschwindigkeitsverzögerung verursachen, können dielektrische Breitbandspiegel eine hoch-nonlineare GDD mit Störoszillationen verursachen. Das Messen und Kompensieren dieser Verzerrungen war immer eine Herausforderung bei herkömmlichen Ausrüstungen und Verfahren. Seit kurzem werden herkömmliche Autokorrelationsmessungen durch höherentwickelte Impulscharakterisierungstechniken wie zum Beispiel Frequency Resolved Optical Gating („FROG”) und Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-Field Reconstruction („SPIDER”) ersetzt. Fortschritte bei der Impulsformungstechnologie haben zur Implementierung von evolutionären Algorithmen für Impulskomprimierung, Formerunterstützten Versionen von FROG, SPIDER und der Spectrally and Temporally Resolved Up-conversion Technique („STRUT”) geführt. Wir meinen jedoch, dass STRUT aufgrund seiner inhärenten Instabilität noch keine Akzeptanz für den kommerziellen Einsatz gefunden hat.
Das Konzept der integrierten Impulscharakterisierung und -komprimierung wurde realisiert, als Multiphoton Intrapulse Interference Phase Scan(MIIPS^®)-Verfahren und -Ausrüstungen in die kommerzielle Nutzung überführt wurden. Verschiedene Ausführungsformen von MIIPS^® sind in folgenden Dokumenten offenbart: US-Patent Nr. 7,450,618 mit dem Titel „Laser System using Ultra-Short Laser Pulses”, erteilt am 11. November 2008; US-Patentveröffentlichung Nr. 2009/0296744 mit dem Titel „Laser Based Identification of Molecular Characteristics”, veröffentlicht am 3. Dezember 2009; US-Patent Nr. 7,609,731 mit dem Titel „Laser System using Ultra-Short Laser Pulses”, erteilt am 27. Oktober 2009; US-Patentveröffentlichung Nr. 2009/0238222 mit dem Titel „Laser System Employing Harmonic Generation”, veröffentlicht am 24. September 2009; US-Patentveröffentlichung Nr. 2009/0207869 mit dem Titel „Laser Plasmonic System”, veröffentlicht am 20. August 2009; und US-Patent Nr. 7,567,596 mit dem Titel „Control System and Apparatus for use with Ultra-Fast Laser”, erteilt am 28. Juli 2009; die alle von Dantus und Mitarbeitern erfunden wurden. Obgleich MIIPS^® eine signifikante Verbesserung darstellt, verwendet es in seiner grundlegendsten Form, die in der kommerziellen Produktion verkauft wird, in der Regel (beispielsweise) Spektrometer, die über ein gesamtes Impulsspektrum hinweg in einer frequenzaufgelösten, zweiphotonenansprechbaren Weise messen, und stützt sich auf die Messung und Rekonstruktion der spektralen Phase von seiner zweiten Ableitung mit Bezug auf die Frequenz.
Herkömmliche Sonogrammmessungen (wie zum Beispiel Frequenz- und Zeitplots) von ultrakurzen Laserimpulsen wurden durch Fork und Mitarbeiter, „Compression of Optical Pulses to Six Femtoseconds by Using Cubic Phase Compensation", Opt. Lett. 12, 483–485 (1987), offenbart, wobei verstärkte 50-fs-Impulse mit verschiedenen Spektralbändern eines Breitbandkontinuums kreuzkorreliert wurden, um die Komprimierung von frequenzverbreiterten optischen Impulsen über eine Gittersequenz zu charakterisieren. Des Weiteren wurde die Idee spektral-aufgelöster Gruppenlaufzeitmessungen durch Kreuzkorrelation mit einem Referenzimpuls in Chilla und Mitarbeiter, „Direct Determination of the Amplitude and the Phase of Femtosecond Light-Pulses", Opt. Lett. 16, 39–41 (1991), offenbart. Die detaillierte mathematische Beschreibung folgte in Chilla und Mitarbeiter, „Analysis of a Method of Phase Measurement of Ultrashort Pulses in the Frequency-Domain", IEEE J. Quantum Electron. 27, 1228–1235 (1991). Eine geringfügig modifizierte Version, in der die Auflösungsleistung auf den Referenzimpuls übertragen und das gesamtes aufwärtskonvertierte Spektrum aufgezeichnet wurde, wurde in Foing und Mitarbeiter, „Femtosecond Pulse Phase Measurement by Spectrally Resolved Up-Conversion – Application to Continuum Compression", IEEE J. Quantum Electron. 28, 2285–2290 (1992), offenbart. Die letztendlich akzeptierte Bezeichnung „STRUT” wurde durch Rhee und Mitarbeiter in „Chirped- Pulse Amplification of 85-Fs Pulses at 250 Khz with 3rd-Order Dispersion Compensation by Use of Holographic Transmission Gratings", Optics Letters 19, 1550–1552 (1993), eingeführt. Viele herkömmliche Bauweisen, die sich auf Aufwärtskonvertierung in einem nonlinearen Kristall stützen, sind als Varianten von STRUT bekannt. Ein mehr oder weniger eigenständiger, aber sehr ähnlicher Ansatz ist die Verwendung von Zweiphotonenabsorption anstelle von Aufwärtskonvertierung. Die Idee wurde in Albrecht und Mitarbeiter, „Chirp Measurement of Large-Bandwidth Femtosecond Optical Pulses Using Two-Photon Absorption", Optics Communications 84, 223–227 (1991), offenbart.
Ein häufiger Nachteil dieser herkömmlichen Ansätze ist die Notwendigkeit eines separaten geteilten Referenzstrahls. Es verkompliziert den Instrumentenaufbau und erschwert die Charakterisierung des Impulses am Untersuchungsobjekt. Zweitens wird die Kompensation gemessener Phasenverzerrungen an andere Hardware-Komponenten, zum Beispiel einen einfachen Prismapaarkompressor, speziell konstruierte dielektrische Spiegel oder einen Impulsformer, delegiert, die unerwünschte Umgebungs- und Hardware-Variablen in die Analyse einbringen.
US-Patent Nr. 6,327,068 mit dem Titel „Adaptive Pulse Compressor”, erteilt an Silberberg und Mitarbeiter am 4. Dezember 2001, und „Femtosecond Pulse Shaping by an Evolutionary Algorithm with Feedback", Applied Physics 63, 779–782 (Dezember 1997), offenbaren die Korrektur einer spektralen Phase unter Verwendung eines genetischen Algorithmus' und Messen des maximalen Second Harmonic Generation(„SHG”)-Signals ohne Impulscharakterisierung. Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass es in der Regel mehr als 100 Pixel in einem Spatial Light Modulator(„SLM”)-Impulsformer gibt und das unabhängige Justieren jedes einzelnen Änderungen verursacht, die mit Bezug auf die Gesamt-SHG minimal sind. Darum ist die Konvergenz in Richtung des komprimierten Impulses zeitaufwändig und ungenau. Andere ähnliche Ansätze, die ein nonlineares optisches Signal aus dem gesamten Impuls erfassen, versagen, weil Änderungen im zentralen Teil des Impulses ein viel größeres Gewicht haben als jene in den Flügeln des Impulsspektrums. Darum besteht Raum für ein verbessertes, auf Impulscharakterisierung basierendes, genaues und effizientes Verfahren zur Laserimpulscharakterisierung und Komprimierung, das kostengünstiger ist, es ohne Spektrometer.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Lasersystem bereitgestellt, das zur Phasen- und/oder Amplituden- und/oder Polarisationsveränderung der ausgegebenen Impulse befähig ist. Gemäß einem weiteren Aspekt enthält ein Lasersystem ein Verfahren zur selbstreferenzierten Impulscharakterisierung. Ein weiterer Aspekt isoliert zwei oder mehr Spektralbänder, tastet eines oder mehrere von ihnen über das Spektrum ab und misst und/oder berechnet die erste Ableitung einer Phase (Gruppenlaufzeit). Ein weiterer Aspekt erhält eine Zeitüberlappung zwischen Wellenformen, die den isolierten Spektralbändern entsprechen, durch Messen eines nonlinearen optischen Ansprechens und Suchen nach konstruktiver integrierter Mehrphotonen-Intraimpuls-Interferenz in nonlinearer (Zweiphotonen- oder höher) Erregung oder Absorption. Gemäß einem weiteren Aspekt fungiert das hier besprochene Verfahren als eine Impulsformer-unterstütze Kreuzkorrelation zwischen spektralen Teilbändern. Gemäß einem weiteren Aspekt wird außerdem eine Einzelstrahl-Impulsformer-basierte Technik für Spektrometer-freie Messung und Kompensation von Laserimpulsphasenverzerrungen bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt des hier besprochenen Systems werden zwei oder mehr Spektralbänder als isoliert angesehen, wenn sie keine gemeinsamen Frequenzen haben. Für den Zweck dieser Erfindung besteht das Ziel in der Detektion eines nonlinearen optischen Anteils, der von den isolierten Bändern abhängig ist, und dessen Unterscheidung von dem Anteil, der vom übrigen Teil des Laserimpulsspektrums stammt. Dies wird beispielsweise durch direkte frequenzabhängige Amplitudenmodulation erreicht, wenn das Licht außerhalb ausgewählter Spektralbändern gedämpft wird. Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Unterdrücken von Licht außerhalb der gewünschten isolierten Bänder auch durch Polarisationsformung und die Verwendung polarisationsempfindlicher optischer Elemente oder eines polarisationsempfindlichen nonlinearen Ansprechens erreicht werden. Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Unterdrücken von Licht außerhalb der gewünschten isolierten Bänder auch durch Phasenmodulation erreicht werden, die zu destruktiver Interferenz und darum einer Minderung des nonlinearen Anteils von außerhalb der ausgewählten Spektralbänder führt. Ein weiterer Aspekt stellt Phasen- und/oder Amplituden- und/oder Polarisationsformung bereit, um eine interne Referenz zu erzeugen und die Zeitverzögerung zwischen Wellenformen, die isolierten Spektralbändern des Eingangsspektrums entsprechen, abzutasten.
Das hier besprochene System verwendet vorteilhafterweise eine interne Referenz und unterstützt einen kostengünstigeren, genaueren und vereinfachten Ansatz für die Messung und Kompensation von Phasenverzerrungen. Ein Einzelstrahlansatz für die Messung und Korrektur des hier besprochenen Systems und Verfahrens ist den früheren Systemen mit geteiltem Strahl, die mit einem Referenzimpuls und einem versetzten und getrennten gemessenen Impuls arbeiten, überlegen, da der hier besprochene Einzelstrahlansatz im Gegensatz zu den herkömmlichen zwei Strahlsystemen keinen Umgebungseinflüssen unterliegt, wie zum Beispiel Vibrationen, Luftschwankungen und Temperaturwechseln. Im Gegensatz zu herkömmlichen geteilten Strahlen nutzt der hier besprochene Einzelstrahlweg des Systems dieselbe Optik, wodurch Hardware entfällt und keine Umgebungsunterschiede zwischen den getrennten Wegen entstehen können. Das hier besprochene Impulsformerbasierte System und Verfahren zur Impulscharakterisierung und Komprimierung benötigen keine externe Referenz und erlauben ein Spektrometer-freies Erhalten der ersten Ableitung der spektralen Phase über den gesamten Impuls.
Das hier besprochene System isoliert vorteilhafterweise verschiedene spektrale Regionen für ihre unabhängige Optimierung, die vorteilhaft mit der Former-unterstützen Implementierung von STRUT vergleicht, wo der separate Referenzimpuls das gesamte Spektrum enthält. Berechnungen der ersten Ableitung sind für das Erhalten von Spektralphasenfunktionen mit hohem Gradienten bedeutend zuverlässiger und vorteilhafter als Berechnungen der zweiten Ableitung. Messungen von komplexen Spektralfunktionen mit hohem Gradienten sind für Systeme des Standes der Technik problematisch, einschließlich der üblicheren Impulscharakterisierungsverfahren, die als SPIDER und FROG bekannt sind. Das hier besprochene System und Verfahren eignen sich ideal für Bedingungen, in denen es schwierig ist, ein nonlineares optisches Spektrum zu erhalten, aber einfach ist, ein integriertes nonlineares optisches Signal zu erhalten; zum Beispiel in der nonlinearen optischen Mikroskopie. Des Weiteren bieten das hier besprochene System und Verfahren einen verbesserten Ansatz für das Messen spektraler Phasenverzerrungen von ultrakurzen Laserimpulsen. Der hier besprochene Ansatz adressiert – im Gegensatz zu der Basis-Ausführungsform von MIIPS für die kommerzielle Produktion – den Impuls nach spektralen Regionen oder Teilbändern anstelle des gesamten Spektrums.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beiliegenden Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor.
1 ist eine schaubildhafte Ansicht, die eine bevorzugte Labor-Ausführungsform des Lasersystems der vorliegenden Anmeldung zeigt;
2 ist eine schaubildhafte Ansicht, die eine bevorzugte Mikroskopie-Ausführungsform des Lasersystems der vorliegenden Anmeldung zeigt;
3 und 4 sind schaubildhafte Ansichten, die eine bestimmte Ausführungsform des Verfahrens zeigen, wobei Amplitudenmodulation (Übertragungsschlitze) durch einen Impulsformer verwendet wird, um die Spektralbänder innerhalb des Laserspektrums des bevorzugten Lasersystems zu isolieren;
5 ist ein Satz von Diagramme, die Isolation und Phasenveränderung des Spektrums durch das bevorzugte Lasersystem und sein Zeitbereichs-Gegenstück zeigen;
6–10 sind Diagramme, die erwartete Phasenveränderungsergebnisse durch das bevorzugte Lasersystem zeigen;
11 ist ein Diagramm, das erwartete Phasenveränderungsergebnisse durch eine erste alternative Ausführungsform des Lasersystems zeigt;
12 ist ein Diagramm, das erwartete Phasenveränderungsergebnisse durch eine zweite alternative Ausführungsform des Lasersystems zeigt, wobei keine Referenz verwendet wird;
13 ist ein Flussdiagramm, das erste alternative Software-Anweisungen für das Lasersystem zeigt;
14 ist ein Flussdiagramm, das bevorzugte Software-Anweisungen für das Lasersystem zeigt;
15 ist ein Flussdiagramm, das zweite alternative Software-Anweisungen für das Lasersystem zeigt, wobei keine Referenz verwendet wird;
16 ist eine schaubildhafte Ansicht, die eine alternative Ausführungsform des Lasersystems zeigt; und
17 ist ein Diagramm, das erwartete Phasenveränderungsergebnisse durch eine alternative Ausführungsform des Lasersystems zeigt.
In 1 ist die Anordnung des bevorzugten Hardware-Aufbaus für ein Labor gezeigt. Es werden ein Ti:Saphir-Laseroszillator 21 (vorzugsweise von KMLabs, 86 MHz Wiederholrate, ca. 100 nm FWHM-Bandbreite bei 810 nm) und ein gefalteter 4f-Impulsformer 51 verwendet. Der Impulsformer 51 enthält einen mit zwei Masken ausgestatteten, eindimensionalen (oder anders ausgedrückt: mit einer einzelnen Pixelzeile versehenen) Raumlichtmodulator mit 640 Pixeln 23, bei dem es sich bevorzugt um das Modell CRi SLM-640-D von der Firma Cambridge Research & Instrumentation, Inc. handelt. Andere Ausführungsformen des Raumlichtmodulators, die Phasen- und Amplituden- oder Polarisationsmodulation durch Brechung, Absorption oder Rotation der Polarisation von Licht ausführen (nachbilden) können, sind ebenfalls geeignet. Gleichermaßen sind auch andere Ausführungsformen von programmierbaren Impulsformern geeignet, die nicht von der 4f-Bauart sind, aber in der Lage sind, die spektrale Phase und Amplitude zu steuern. In der bevorzugten Ausführungsform hat jeder Impuls in dem Laserstrahl 24 bevorzugt eine Zeitdauer von weniger als 1 Pikosekunde und besonders bevorzugt von weniger als 15 Femtosekunden. Der Strahl in dem 4f-Former wird durch ein Gitter 31 gestreut, durch einen Flachspiegel 25 gelenkt und durch einen Hohlspiegel 33 auf den SLM 23 fokussiert. Der SLM hat auf seiner Rückseite einen Reflexionsspiegel 53. Der ausgesendete Laserstrahl wird von den Lenkspiegeln 27 und 29 zurückgeworfen. Der Strahl wird dann mit einem silberbeschichteten Hohlspiegel 35 (f = 250 mm) auf einen ca. 20 μm dicken KDP-Kristall 37 fokussiert. Ein Second Harmonic Generation(„SHG”)-Signal wird durch ein 3 mm dickes BG39-Glasfilter 39 von dem Infrarotlicht getrennt und durch eine Linse 41 refokussiert. In einer alternativen und kostspieligeren Ausführungsform wird ein fasergekoppelter Spektrometerdetektor (wie zum Beispiel von Ocean Optics, Modell USB4000) anstelle des Photodiodendetektors verwendet. In dieser alternativen Variante wird das SHG-Signal für die Gruppenlaufzeitmessungen dergestalt spektral integriert, dass das Spektrometer als ein Einkanaldetektor fungiert. In einer weiteren Ausführungsform kann ein nonlinearer Detektor, wie zum Beispiel eine nonlineare Photodiode, anstelle des SHG-Kristall und der begleitenden optischen Elemente in dem Detektionsarm verwendet werden. Der bevorzugte Photodiodendetektor 43 ist von einem frequenzintegrierten Zweiphotonenansprechentyp mit einem Bandabstand, der größer ist als die Photonenenergie des Lasers, aber kleiner als das Doppelte der Photonenenergie des Lasers. Die Photodiode ist dafür ausgelegt, analoge Werte einer frequenzintegrierten MII- oder Zweiphotonen-Erregung zu messen oder zu detektieren, misst aber nicht im Frequenzbereich, wie es die viel kostspieligeren und komplizierteren Spektrometer tun. Eine geeignete Photodiode ist bei Ranka und Mitarbeitern, „Autocorrelation Measurement of 6-fs Pulses Based an the Two-Photon-induced Photocurrent in a GaAsP Photodiode", Opt. Lett. 22 (17), 1344–1346 (1977), offenbart.
In den bevorzugten Bauformen ist ein programmierbarer Computercontroller 45 mit dem SLM 23 und dem Detektor 43 verbunden und enthält nicht-flüchtigen ROM- und RAM-Speicher zum Speichern der Software-Anweisungen. Unter den Begriff „Speicher” fallen hier beispielsweise fest eingebaute Speicher oder Wechseldatenspeicher, Festplatten, Compact-Disks, Speichersticks, Magnetbänder und dergleichen. Die Software läuft in einem Mikroprozessor oder einer anderen zentralen Verarbeitungseinheit ab, die sich in dem Controller befindet oder dem Controller zugeordnet ist; und Eingabegeräte, wie zum Beispiel eine Tastatur und ein Bildschirm, werden für das manuelle Einstellen von Zielwerten und das visuelle Beobachten automatisch gemessener Ergebniswerte verwendet.
Das hier besprochene Lasersystem und Verfahren eignen sich ideal für die Mikroskopie, da kein Spektrometer benötigt wird. Die bevorzugte Ausführungsform eines Mikroskopiesystems ist in 2 gezeigt. Ein abstimmbarer Laseroszillator 121 sendet einen Strahl aus ultrakurzen Impulsen 124 aus, die zu einem reflektierenden 4f-Impulsformer 151 gesendet werden, der einen programmierbaren SLM 123 (wie den, der oben für die Labor-Ausführungsform beschrieben wurde), einen Reflexionsspiegel 153 und ein Gitter 131 enthält. Ein Hohlspiegel 133 und Richtspiegel 125, 127 und 129 werden ebenfalls verwendet. In einer Brennebene eines Objektivs eines Mikroskops 155 ist ein erfassender Photodiodendetektor 143 montiert, der die geformten Impulse empfängt und sie auf eine darin angeordnete Untersuchungsprobe fokussiert. Ein programmierbarer Computercontroller 145 ist mit dem SLM 123 und dem Laser 121 verbunden und steuert diese und empfängt detektierte Signale von dem Photodiodendetektor 143 für weitere Berechnungen, Hardware-Steuerung und Datenausgabe, wie im Fall der Labor-Ausführungsform.
Bei dem hier besprochenen System wird eine Spektrometerfunktion an den Impulsformer 51 delegiert. Spektralamplitudenmodulation (Übertragung T = 0 oder 1) wird zum Isolieren zweier schmaler Spektralbänder verwendet, wie in den 3–5 gezeigt ist. Die Zeitüberlappung zwischen den entsprechenden Wellenformen wird durch Messen eines nonlinearen optischen („NLO”) Ansprechens und Suchen nach der konstruktiven Mehrphotonen-Intraimpuls-Interferenz („MII”) erhalten. Unter der Annahme, dass die Phasenverzerrungen innerhalb des Schmalbandes durch eine Linie approximiert werden können, braucht nur der Anstieg (d. h. Zeitverzögerung) justiert zu werden, um das maximale nonlineare Signal zu finden.
Alternativ kann man sich das Verfahren als eine Formerunterstütze Kreuzkorrelation zwischen spektralen Teilbändern vorstellen. Eine lineare spektrale Phasenfunktion, ϕ_Delay = τ·(ω – ω_Slit), wird mit einer variablen Zeitverzögerung τ über eines der Spektralbänder codiert. Der Versatz der Trägerfrequenz ω durch die Mittenfrequenz des Bandes, ω_Slit, erlaubt die Vornahme einer intensitätsartigen Kreuzkorrelation der sich kollinear ausbreitenden Impulse (τ-Scan). Die Verzögerungswerte, die den Maxima der Kreuzkorrelationsspuren entsprechen, erzeugen die erste Ableitung der Kompensationsphasenmaske, ϕ'_c(ω). Nachdem einer der Übertragungsschlitze („T-Schlitze”), auch als Öffnungen oder Fenster bezeichnet, über den spektralen Frequenzbereich abgetastet wurde, kann die erste Ableitung der Kompensationsphase über das gesamte Spektrum interpoliert werden. Ihre direkte Integration über die Frequenz ω ergibt die Impulsspektralphase ϕ(ω), die gleich –ϕ_c(ω) ist. Dieses Verfahren wird im vorliegenden Text als „MIIPS-S” bezeichnet.
Der SLM 23 ist für programmierbare Phasen- und Amplitudenmodulation geeignet. Amplitudenformung wird zum Auswählen zweier Schmalbänder mit einer Breite δ innerhalb des Eingangslaserspektrums mit einer Breite Δ(δ << Δ) verwendet. Phasenformung wird zum Kreuzkorrelieren der entsprechenden Wellenformen am Zielort und Erhalten der relativen Gruppenlaufzeit zwischen den zwei ausgewählten Spektralbändern verwendet. Die T-Schlitze (siehe „T_Scan” und „T_Fixed” in 3) werden so gewählt, dass sie ungefähr 12–31 Pixel breit sind (bevorzugt ca. 10 nm oder 0,03 rad/fs bei 800 nm, 0,32 nm pro Pixel, für 31 Pixel). Eine feste spektrale Region nahe der Mitte wird als die interne Referenz T_Fixed bezeichnet, und die andere, T_Scan, wird nach jedem τ-Scan auf der Grundlage einer automatischen Steuerung des Controllers und seiner Software über die SLM-Pixelanordnung hinweg verschoben. Die zwei T-Schlitze werden spektral um mindestens eine Breite versetzt, um Verzerrungen von Kreuzkorrelationsspuren durch die Interferenz zwischen Intra- und Interbandanteilen in dem SHG-Signal zu vermeiden. Die Kreuzkorrelationsspuren werden mit einer Gaußschen Funktion eingepasst, um die relative Zeitverzögerung zu bestimmen. Die Phasenmaskendiagramme von 5 zeigen die Beziehung, dass, wenn der scharfe Anstieg von τ-Scan justiert wird, dies die Zeitverzögerung der Emissionen des schmalen Spektralbandes verändert.
Wir lenken die Aufmerksamkeit des Lesers speziell auf das mittlere und das untere Diagramm von 7, wo Verzögerung-versus-Pixelanzahl-Plots für den SLM gezeigt sind. In jedem Plot ist der als feste Referenz dienende gewünschte spektrale Abschnitt des Strahls als eine Öffnung oder ein „Ref.-T-Schlitz” bezeichnet, und der Kreis darin ist der durchschnittliche Verzögerungswert darin. Diese Öffnung oder dieser T-Schlitz erlaubt es dem Impulsformer, die schmale spektralen Region oder den Abschnitt jedes Impulses, der ihm entspricht, zu senden. Die anderen Öffnungen in diesen Plots, die von dem Ref.-T-Schlitz nach oben und außen ansteigen, sind eine Reihe der abgetasteten oder bewegten Übertragungsschlitze oder Öffnungen. Die bewegten Öffnungen T-Scan, die geschichtet nebeneinander gezeigt sind, werden einer pro anschließendem Laser-τ-Scan in der Reihe oder Kette erzeugt, nachdem der anfängliche Ref.-T-Schlitz (T_Fixed) in dem SLM erzeugt wurde; zur Klarstellung wird angemerkt, dass jeder anschließende τ-Scan praktisch für eine andere Pixelpositionsöffnung ausgeführt werden kann. Die Kreise innerhalb jedes T_Scan geben den Zeitverzögerungswert an, der dem eingepassten Maximum des nonlinearen Ansprechens für jedes Schlitzfenster entspricht. 7 stellt eine einzige Iteration dar, obgleich mehrere τ-Scans innerhalb der Iteration enthalten sind. Die Pixel außerhalb der offenen T-Schlitze blockieren die Übertragung des übrigen Impulsspektrums. Des Weiteren ist ein Anstieg wünschenswerter als eine konstante Phase für die Verzögerung, und die Verzögerung dient zum Maximieren des Zweiphotonen Ansprechens, wie zum Beispiel MII oder Kreuzkorrelation. Die T_Scan-Schlitze lassen sich automatisch durch Computersoftwaresteuerung des Impulsformers justieren.
In einer alternativen Ausführungsform werden die vergangenen T_Scan-Öffnungen offen gelassen, wenn die T-Fenster bewegt werden. Während zum Beispiel der durch T_Scan übertragene Abschnitt justiert wird, wird mindestens ein Impuls übertragen, aber im Regelfall werden eine Vielzahl von Impulsen übertragen, während die Phase justiert wird. Nach der Phasenjustierung kann dieser Abschnitt des Spektrums im Übertragungsmodus belassen werden, während das nächste T_Scan-Fenster geöffnet wird, was dazu dient, die Intensität der Referenz zu erhöhen und die Impulsdauer der Referenz zu verkürzen, wobei beide Charakteristika für die anschließenden T_Scan-Messungen von Vorteil sind. Dieser Ansatz ist in 17 gezeigt. Als eine weitere Option können die optimalen Zeitwerte durch die Software für Kompensationszwecke geglättet oder gemittelt werden. Der in 7 gezeigte Ansatz ähnelt dem oben beschriebenen Ansatz, aber in diesem Fall wird ein einzelner T-Schlitz gewählt, um die Phase des längerwelligen Abschnitts des Spektrums zu justieren; und ein zweiter T-Schlitz wird gewählt, um die Phase der kürzeren Wellenlänge des Spektrums zu justieren. Die Daten für die zwei Referenzschlitze haben gemeinsame Punkte, wodurch es möglich ist, sie zu verschmelzen, wie weiter unten erläutert wird.
Es ist zu beachten, dass, obgleich ein einzelner Referenz-T-Schlitz verwendet werden kann, es von Vorteil ist, verschiedene Referenz-T-Schlitze zur ϕ'_c(ω)-Rekonstruktion in dem raten und blauen Teil des Spektrums zuzuweisen und dann die zwei resultierenden Messkurven unter Verwendung gemeinsamer Punkte zu überlagern. Die Phase und ihre erste Ableitung werden in der vorliegenden Ausführungsform bei Pixel 319, in der Mitte des Infrarotspektrums, auf null gesetzt. Das oberste Diagramm in 7 zeigt normalisierte Daten, die aus der ersten Iteration erwartet werden. Wie zuvor angesprochen, beträgt die T-Schlitz-Breite für beide Spektralbänder, das feste und das abgetastete, bevorzugt 31 Pixel. Jedoch wird der T-Schlitz an den spektralen und SLM-Rändern oder äußeren Sektionen verbreitert. Der Referenz-T-Schlitz wird für die Messungen im roten und im blauen Teil des Spektrums an den Pixeln 244–274 bzw. 364–394 gewählt. Die Kreise zeigen die Positionen von Kreuzkorrelationsmaxima, die durch Gaußsche Einpassung gefunden wurden.
Die Verfahrensschritte für die Messungskompensation sind folgende: Zuerst wird ein Referenzschlitz T_Fixed festgesetzt. Als Zweites wird die Phase innerhalb des Abtastschlitzes T_Scan unabhängig justiert, um die Zeitverzögerung zwischen den Wellenformen zu finden, die T_Fixed und T_Scan entsprechen. Als Drittes wird der zweite Schritt wiederholt, während T_Scan über die SLM-Pixel abgetastet wird. Als Viertes werden die Abtastschlitze für die Enden des Spektrums verbreitert. Als Fünftes wird ein anderer Referenzschlitz festgesetzt (vergleiche das mittlere und das untere Diagramme von 7), um eine Lücke zwischen dem Referenz- und dem Abtastschlitz zu überwinden. Als Sechstes werden weitere Abtastschlitze an anderen spektralen/SLM-Positionen geöffnet. Als Siebentes werden die zuvor justierten Abtastschlitzöffnungen während anschließender Laserimpulse weiter verwendet, um die Zeitverzögerung relativ zu der Referenzwellenform darin zu messen. Dies wird bevorzugt durch den Controller und die Software automatisch in weniger als etwa fünf Minuten und ohne die Notwendigkeit des Bewegens physischer Hardware erledigt.
Eine einzige Messung und Komprimierung haben einen Impuls mit signifikanter nonlinearer GDD wiederhergestellt und führte zu einer SHG-Intensität von > 80% des Maximums, das für einen transformationsbeschränkten(TL-)Impuls erwartet wird. Zwei oder drei weitere Messungs-Kompensations-Iterationen (von jeweils ungefähr 5 Minuten Dauer mit der hier besprochenen Hardware) dürften die SHG-Intensität auf 97–100% anheben. Die erwarteten SHG-Spektren und das erwartete spektral integrierte SHG-Signal für sechs aufeinanderfolgende Iterationen einer Phasenverzerrungskompensation in dem alternativen Laboraufbau mit einem Spektrometer sind in 6 gezeigt. Die erwarteten Daten zeigen an, dass davon ausgegangen wird, dass drei Iterationen ausreichen, um den Impuls innerhalb der Rauschgrenze bis hinab auf TL zu komprimieren. Das kleine eingefügte Diagramm in 6 veranschaulicht die erwartete signifikante Verbesserung bei der SHG-Intensität mit der ersten Iteration des hier besprochenen Systems und Verfahrens. Das erwartete Profil für ϕ'_c(ω) ist als eine dünne dunkle Linie gezeigt, die durch experimentelle Punkte (Kreise) in dem obersten Diagramm von 7 hindurch verläuft.
In 7 werden zwei Referenzsignale verwendet. Für das mittlere Diagramm liegt der Referenz-T-Schlitz ca. bei Pixel 260, während der T-Schlitz für das untere Diagramm ca. bei Pixel 380 liegt. Dies geschieht, um eine gute Überlappung von beiden Seiten des Spektrums zu erhalten. während die Messungen stattfinden, gibt es nur eine einzige Referenz; jedoch werden die beiden Hälften des Spektrums separat abgearbeitet.
Konzeptuell werden bei den Bauformen der bevorzugten Ausführungsform nur zwei Abschnitte des Impulses auf einmal adressiert. Bei der nachfolgend besprochenen zweiten alternativen Ausführungsform wird jedoch nur eine einzige Region auf einmal adressiert, und es gibt keine Referenzregion. In den bevorzugten Ausführungsformen wird die Phase eines einzelnen Abschnitts lokal justiert, bis ein maximales nonlineares optisches Signal detektiert wird, was eine maximale konstruktive MII anzeigt. Die Abtastberechnung bewegt sich dann weiter zu einem anschließenden Abschnitt, bis die gesamte Phase anhand der spektralen Referenzregion gemessen wurde. In allen Fällen wird der Impuls in eine diskrete Anzahl von Spektralregionen oder -abschnitte unterteilt (in der Regel eine Zahl zwischen 3 und 3000). Anschließend wird die Phase jedes Abschnitts justiert. Dieser Ansatz isoliert vorteilhafterweise die Aufmerksamkeit auf die Impulsflügel, und er kann ohne Verwendung eines Spektrometers zum Messen des Spektrums des nonlinearen optischen Ansprechens realisiert werden. Dieses Verfahren kann alternativ mit dem früheren MIIPS^®-Verfahren kombiniert werden – entweder als eine weitere Verfeinerung des Verfahrens oder als eine erste Abtastung.
Bei einer alternativen Ausführungsform des hier besprochenen Lasersystems und Verfahrens wird die Phase einer der Regionen durch eine Konstante geändert. Die Konstante wird in einer der Regionen von 0 bis 2B variiert, während das System ein NLO-Signal misst, das aus der Summe (oder Differenz) der Frequenzen in der gemessenen Region und der Frequenzen in einer Region, die als die Referenzregion bezeichnet ist (in der Regel in der Mitte des Spektrums, wo die Intensität am größten ist), resultiert. Diese Version ist für das Erhalten einer binären Phase ideal, aber es funktioniert auch mit arbiträren Phasenverzerrungen. 11 veranschaulicht das Impulsspektrum (als eine durchgezogene gekrümmte Linie gezeigt), die unbekannte Phase (als eine gepunktete gekrümmte Linie gezeigt) und die gemessene Phase (als kurze horizontale, durchgezogene Linien gezeigt), die dem Negativen der Phase entsprechen, die zu ihrer Kompensation erzeugt wird. Nach dem Messen kann eine Glättungsfunktion oder eine Splinefunktion angewendet werden, um die Diskontinuitäten in der Phase zu reduzieren.
6 veranschaulicht erwartete SHG-Spektren für eine fehlende Phasenkompensation in dem SLM und ausgewählte Kompensationsmasken nach der hier besprochenen MIIPS-S-Phasenverzerrungskompensation. Das hineingesetzte Diagramm zeigt die erwartete Abhängigkeit des spektral integrierten SHG-Signals von der Anzahl der Messungs-Kompensations-Iterationszyklen. Dielektrische Breitbandspiegel, deren Reflexionseigenschaften von einer präzisen technischen Bemessung ihrer Mehrschichtstruktur abhängen, sind potenzielle Quellen einer Verzerrung ultrakurzer Impulse. Ein Spiegel von New Focus, Modell NIR5102, wird hier als ein Beispiel verwendet. Die erwarteten Daten für die Messung und Kompensation von Phasenverzerrungen, die durch den dielektrischen Spiegel hervorgerufen werden und die geformten Laserimpulse reflektieren, sind in 8 gezeigt. Das untere Diagramm in 8 zeigt die erwarteten Daten bei 45° und 46° Einfallswinkel für verschiedene, klar erkennbare GDD-Oszillationen, wobei sich die Gruppenlaufzeit rasch um bis zu 150 fs verändert. Diese Merkmale sind das Ergebnis einer Gires-Tournois-artigen Interferenz. Die dünne durchgezogene Linie markiert das Laserspektrum, und die gepunkteten Linien markieren den 1/e^2–Intensitätspegel. Wenn ein TL-Impuls durch einen solchen Spiegel reflektiert wird, so kann die Komplexität eingetragenen der spektralen Phase aus der Struktur in dem SHG-Spektrum des obersten Diagramms in 8 geschlossen werden. Die dünne durchgezogene Linie ist das erwartete SHG-Spektrum nach der hier besprochenen Kompensation. Die Spitzen in den SHG-Spektren für verzerrte Impulse korrelieren recht gut mit denen, die aus den GDD-Oszillationen entstehen, wenn man Zweite-Oberschwingungs- und Summenfrequenzprozesse berücksichtigt. Das liegt daran, dass die GDD-Oszillationen Achsen einer (lokalen) Symmetrie in der spektralen Phase bilden.
Verzerrungsberechnungen für erste Ableitungen, die durch die Software des hier besprochenen Systems ausgeführt werden, eignen sich ideal für Spektralfunktionen mit hohem Gradienten, wie zum Beispiel jene, die durch Interferenzen, wie in 8 veranschaulicht, hervorgerufen werden. Solche Interferenzen treten in kleinen Regionen (z. B. kleiner als ein Zehntel der spektralen Breite) in dem Spektrum auf und führen zu Gruppenlaufzeiten von länger als 100 fs oder Phasensprüngen um mehr als 10 B relativ zu den anderen spektralen Regionen. Dieser Ansatz der ersten Ableitung ist viel zuverlässiger als Berechnungen der zweiten Ableitungen und ermöglicht darum in dieser Situation eine bessere Echtzeitanalyse.
Die geringfügige Impedanz-Nichtübereinstimmung in einem einfachen Braggschen Viertelwellenspiegel macht ihn für das Lenken ultrakurzer Impulse in herkömmlichen Geräten ungeeignet, weil den resultierenden GDD-Oszillationen, die den Impuls stark verzerren und verbreitern. Das Wellenformprofil nach einer Reflexion von einem dielektrischen Breitbandspiegel (45° Einfallswinkel) in einem herkömmlichen System ist in kräftigem Schwarz im Hauptabschnitt von 9 gezeigt. Diese Daten verwendeten den gleichen Laboraufbau und ein Verfahren, das als mehrfaches unabhängiges Kammformen bekannt ist, zum Erhalten der Kreuzkorrelationsspur. Nur-Phasen-Formung und die Phasenverzerrungskorrekturmaske werden zum Erzeugen eines TL-Referenzimpulses verwendet, der mit der verzerrten Wellenform an dem KDP-Kristall kreuzkorreliert ist, um die erwarteten Ergebnisse in dem Hauptabschnitt von 9 zu erhalten. Darüber hinaus zeigt das hineingesetzte Diagramm in 9 die erwartete interferometrische Autokorrelation des Laserimpulses nach der hier besprochenen MIIPS-S-Kompensation, was anzeigt, dass der Impuls trotz der durch den dielektrischen Breitbandspiegel hervorgerufenen GDD-Oszillationen ordnungsgemäß neukomprimiert werden sollte.
Die Fähigkeit mehrschichtiger dielektrischer Spiegel zum Verändern der Phase ultrakurzer Impulse wurde genutzt, um sogenannte gechirpte Spiegel zu konstruieren, um eine spezielle spektrale Phase zu einem Femtosekunden-Laserimpuls hinzuzufügen. Ein beispielhafter gechirpter Spiegel ist im US-Patent Nr. 5,734,503 mit dem Titel „Dispersive Dielectric Mirror” offenbart, das am 31. März 1998 an Szipocs und Mitarbeiter erteilt wurde. Die technische Bemessung gechirpter Spiegel richtet sich in gewissem Maße nach der Messung der Dispersion des hergestellten Spiegels (oder Braggschen Fasergitters) und der Kalibrierung zwischen der Soll-Phasenfunktion und der gemessenen Ist-Phasenfunktion. Die hier offenbarten Erfindungen eignen sich ideal zum Messen der Dispersion von gechirpten Spiegeln und zum Kalibrieren ihrer technischen Bemessung und Implementierung. Des Weiteren kann die hier offenbarte Erfindung zum Durchführen von Dispersionsmessungen an bestimmten Femtosekundenlaser-Designs verwendet werden und kann dafür verwendet werden, eine Kombination gechirpter Spiegel vorzuschreiben, um den ausgegebenen Strahl eines Lasersystems transformationsbeschränkt zu machen. Diese Messungen können auch für die Kompensation spektraler Phasenverzerrungen hoher Ordnung bei Faserlasern vorgenommen werden. Das hier offenbarte Phasenmessverfahren kann auch verwendet werden, um durch den Laser verursachte Phasenverzerrungen in nachgeschalteter Optik zu kompensieren, darunter Mikroskopobjektive, optische Fasern und andere derartige Optik, die für bestimmte Anwendungszwecke benötigt wird. Gechirpte Spiegel können dann gemäß den mit diesem Verfahren vorgenommenen Messungen gestaltet werden, um die Phasenverzerrungen zu korrigieren und die Abgabe transformationsbeschränkter Impulse zu gewährleisten.
Das Software-Flussdiagramm von 14 gilt für die derzeit bevorzugte Ausführungsformen des hier besprochenen Systems und geht davon aus, dass der Anstieg für jeden Schritt justiert wird, und es geht von optionalen Iterationen aus. In einem allgemeineren Fall sind die Iterationen nicht erforderlich, verbessern aber die Impulsmessung und die Kompensationsleistung in einer schnellen und automatisierten Weise. Zum Beispiel in weniger als einer Minute für sechs Iterationen. Der Computer ermittelt die lokale erste Ableitung durch Eingeben eines konstanten Phasenwertes in einem der übertragenen Strahlen und Finden der optimalen konstanten Phase oder durch Ändern des Anstiegs der Phase für einen der übertragenen Strahlen und Finden des optimalen Anstiegs. Dies kann alternativ durch Eingeben einer quadratischen Phase für einen der übertragenen Strahlen und Finden der optimalen Größenordnung für die quadratische Phase an jeder Position erfolgen.
In der bevorzugten Version des hier besprochenen Systems wird die Phase einer der Regionen durch eine lineare Funktion mit einem Anstieg verändert. Der Anstieg wird variiert, während das System ein NLO-Signal misst, das aus der Summe (oder Differenz) der Frequenzen in der gemessenen Region und der Frequenzen in einer Region, die als die Referenzregion bezeichnet ist (in der Regel in der Mitte des Spektrums, wo die Intensität am größten ist), resultiert. 10 veranschaulicht dieses alternative Impulsspektrum (als eine durchgezogene schwarze Linie gezeigt), die unbekannte Phase (als eine gepunktete Linie gezeigt) und die gemessene Phase (als eine dünne Linie gezeigt), die dem Negativen der Phase entsprechen, die zu ihrer Kompensation erzeugt wird.
Das Software-Flussdiagramm von 13 gehört zu der ersten alternativen Ausführungsform und geht davon aus, dass der Anstieg für jeden Schritt justiert wird (d. h. die Phase wird justiert, aber nicht der Anstieg der Phase), und es wird von optionalen Iterationen ausgegangen. Anstelle eines Phasenamplituden-SLM auf der Fourier-Ebene gibt es eine Reihe von Spiegeln, die manuell oder durch das Computerprogramm abgetastet werden; in diesem Beispiel sind die Spiegel auf den gewünschten Winkel geneigt (Anstieg). Um das Äquivalent zu T-Split-Öffnungen zu erreichen, können physische Schlitze verwendet werden, oder die Spiegel können so geneigt werden, dass sie das Licht in eine andere Richtung, aus dem Strahlweg heraus, ablenken (in der Regel die vertikale Richtung).
Eine zweite alternative Ausführungsform des hier besprochenen Lasersystems und Verfahrens erfordert nur eine einzige spektrale Region (d. h. es ist keine spektrale Referenzregion erforderlich). Wie in 12 dargestellt, wird die Phase einer einzelnen spektralen Region durch eine quadratische Funktion für diese Version geändert. Die Krümmung der Funktion wird variiert, während das System das Gesamt-NLO-Signal misst. Das Impulsspektrum (als eine durchgezogene schwarze Linie gezeigt), die unbekannte Phase (als eine gepunktete Linie gezeigt) und die gemessene Phase (als dünne und kurze Linien gezeigt) sind veranschaulicht. Dieses Verfahren ähnelt der ersten alternativen Ausführungsform, außer dass eine quadratische Phase verwendet wird und kein Referenzimpuls benötigt wird.
Wie in 15 dargestellt, verwenden die Software-Anweisungen für diese zweite alternative Ausführungsform nur einen einzigen Schlitz (zum Vergleich: für die bevorzugten Ausführungsformen wurden zwei Schlitze verwendet). Die hier besprochene Softwarelogik geht von optionalen Iterationen aus. Die Implementierung dieser beispielhaften Ausführungsform verwendet einen Phasenamplituden-SLM in einer reflektierenden 4f-Konfiguration, jedoch kann dieses Verfahren auch mit einem Nur-Phasen-SLM oder mit einem verformbaren Spiegel verwendet werden. In dieser beispielhaften Bauform gibt es nur eine einzige Schlitzregion, aber es dürfte genug Auflösung vorhanden sein, um eine Krümmung (Parabel) innerhalb dieser Region zu definieren.
Das Computerprogramm für alle Ausführungsformen in dieser Beschreibung wählt automatisch die gemessene Region, justiert die Phase der gemessenen spektralen Region und findet die maximale konstruktive Mehrphotonen-Intraimpuls-Interferenz („MII”) auf der Grundlage dieser Messung. Die Software justiert dann die Phase aller spektralen Regionen, um eine maximale MII hervorzurufen. Das Programm eliminiert somit im Wesentlichen während des Messens die spektralen Phasenverzerrungen hoher Ordnung der Impulsreihe. Optional kann das Computerprogramm Iterationen an denselben spektralen Regionen vornehmen, oder es kann den Bereich der spektralen Regionen für eine anschließende Iteration justieren, um ein feineres Messergebnis zu erzeugen. Optional kann das Computerprogramm eine Funktion ausgeben, die zu den Phasenverzerrungen äquivalent ist, die sie kompensiert hat. Des Weiteren kann die Software optional eine Impulsdauer, eine gemessene spektrale Phase, eine gemessene temporale Phase und andere ergänzende Impulscharakterisierungsanweisungen für die visuelle Analyse durch den Bediener ausgeben.
Das hier besprochene System und Verfahren eignet sich ideal zum Messen und/oder Optimieren optischer Verzerrungen, die durch eine mehrschichtige, dielektrische Breitbandspiegel-Optik verursacht werden. Es wird außerdem in Betracht gezogen, dass das hier besprochene System und Verfahren zum Optimieren eines Femtosekunden-Faserlasers auf der Grundlage der erhaltenen Messungen verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Laserhersteller eine oder mehrere optische dispersive Fasern in Reaktion auf die Messungen verlängern, verkürzen oder anderweitig variieren. Alternativ kann die Intensität der Laserpumpe und/oder einer verformbaren Spiegeloptik im Stretcher oder Kompressor manuell oder automatisch (durch Computersteuerung) auf der Grundlage der Messungen verändert werden. Ein solcher verformbarer Spiegel ist in der Internationalen PCT-Anmeldungsschrift Nr. WO 2009/086122 mit dem Titel „Direct Ultrashort Laser System” offenbart.
Es wird alternativ in Betracht gezogen, dass eine Übertragungsblockierung im Impulsformer mittels eines Polarisators oder eines polarisationsempfindlichen SHG-Kristalls ausgeführt wird. Der Polarisator kann automatisch durch den Computer gesteuert werden, um die Polarisation unerwünschter Abschnitte des Spektrums orthogonal zur Polarisation des Eingangsimpulses zu drehen, um die unerwünschten Abschnitte, die eine senkrechte Polarisation haben, im Wesentlichen zu beseitigen oder ihren Anteil an dem nonlinearen Signal unter Verwendung des polarisationsempfindlichen nonlinearen Ansprechens zu beseitigen. Es ist beispielsweise bekannt, dass die SHG von der Polarisation des Eingangsstrahls relativ zu den Achsen des nonlinearen Kristalls abhängig ist. Als eine andere Alternative werden unerwünschte Abschnitte des Impulses durch eine Hochfrequenzmodulation einer Phasenmaske aus dem Strahlweg herausgebeugt. Anstelle der Nachahmung einer Amplitudenmodulation kann eine Phasenmodulation verwendet werden, um den von unerwünschten Abschnitten des Spektrums ausgehenden Anteil an dem nonlinearen Signal mittels ihrer destruktiven Interferenz zu unterdrücken. Eine andere Variante bewirkt ein Ansprechen von einer nonlinearen Optik einer Ordnung von höher als 1,5 mit Bezug auf eine Spitzenintensität des Laserstrahls; zum Beispiel die Erzeugung zweiter oder dritter Oberschwingungen. Eine weitere Variante verwendet Phasenmodulation, die die MII von unerwünschten spektralen Abschnitten reduziert, die auch übertragene Abschnitte auswählen kann.
Wie in 16 dargestellt, enthält der Hardware-Aufbau einer alternativen Ausführungsform einen Laseroszillator 221, einen programmierbaren ersten SLM-Impulsformer 223, einen Verstärker 225, einen Teilungsspiegel 227, einen zweiten programmierbaren SLM-Impulsformer 229 und einen Photodiodendetektor 243. Der erste Former 223 fungiert als ein Korrekturformer, der automatisch durch Software-Berechnungen eines Computercontrollers 245 gesteuert wird, die auf Messungen des zweiten Formers 229 basieren. Der zweite Former 229 und der Detektor 243 messen die Impulse, die von den Hauptimpulsen durch den Spiegel 227 in etwas abgespalten werden, das man als einen Hilfsstrahlweg bezeichnen kann. Zwar ist diese Ausführungsform teurer, weil sie zwei computergesteuerte Impulsformer erfordert, sie bietet jedoch den anderen Vorteil, dass der ausgegebene Hauptstrahl immer verfügbar ist und ohne Unterbrechung optimiert werden kann. Dies ist für alle Anwendungen von ultraschnellen Lasern von Vorteil, wo On-the-fly-Optimierung gewünscht wird. Die folgende Auflistung solcher Anwendungen ist nur ein Beispiel und erhebt weder Anspruch auf Vollständigkeit, noch soll sie die Erfindung einschränken: chirurgische Verfahren, maschinelle Bearbeitung, Abstandsdetektion, Umgebungsdetektion, filamentbasierte Detektion, Massenspektrometrie mit laserinduzierter Aktivierung, Zweiphotonenbildgabe und Verteidigungsanwendungen, die eine ständige Bereitschaft des Lasers erfordern. Diese Ausführungsform ist auch von Vorteil, wenn Strahlen von sehr hoher Intensität komprimiert werden. Die Messung, die den Hilfsstrahlweg unterbricht, wird durch den zweiten Impulsformer 229 ausgeführt. Außerdem kann ein Former verwendet werden, um den anderen zu kalibrieren, wenn das oben beschriebene bevorzugte Verfahren verwendet wird.
Zusammenfassend ausgedrückt, justiert ein bevorzugter Ansatz für das hier besprochene System und Verfahren die Ankunftszeit zwischen Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz, die durch Auswählen mehrerer Spektralbänder durch den Impulsformer gebildet werden. Der SLM wird so mit Energie beaufschlagt, dass alle Pixel außerhalb der Schlitze null Übertragung (Amplitudenmodulation) bewirken oder den Anteil zugehöriger Teile des Spektrums an dem nonlinearen Signal mindern. Der Controller veranlasst automatisch, dass der Impulsformer ein festes spektrales Band verlässt und das zweite Band über das Spektrum hinweg abtastet oder bewegt. Man lässt nur das Licht von ausgewählten Referenz- und abgetasteten Spektralbändern einen Anteil an dem zur Rückkopplung verwendeten nonlinearen Signal haben. Jedes spektrale Band entspricht einem Lichtimpuls, und die Verzögerung zwischen den zwei Impulsen wird durch Hervorrufen einer Neigung in der Phase justiert. Das feste Band bildet die Referenz, aber ohne einen geteilten oder separaten Laserstrahlimpuls zu erfordern. An jeder Position justiert der programmierbare Impulsformer die Phase der spektralen Region, die dem zweiten (Abtast-)Band entspricht, um ein nonlineares optisches Signal zu maximieren. An Schluss der Abtastung werden die Werte für jede Sektion miteinander verknüpft oder kombiniert, um die erste Ableitung der spektralen Phase über das gesamtes Spektrum zu erhalten. Die Phase wird durch direkte Integration der ersten Ableitung über die Frequenz erhalten. Der Controller verwendet die Software-Anweisungen zum automatischen Vergleichen des Impulses des abgetasteten Bandes mit dem Impuls des festen Bandes, der als eine Referenz fungiert. Die Software ermittelt dadurch die Phasenverzerrung der Impulse durch Justieren des Anstiegs der lokalen Phase der spektralen Region, die durch das zweite Band abgedeckt wird, und findet das maximale nonlineare Signal (z. B. ein Zweiphotonensignal von der Photodiode). Dieses Verfahren wird automatisch für die anderen Regionen des Spektrums wiederholt. Sobald die spektrale Phase erhalten wurde, können die Phasenverzerrungen optional eliminiert werden, um einen komprimierten Impuls zu erzeugen. Als eine weitere Option können diese Schritte iteriert werden, um die Beseitigung der Phasenverzerrungen für anschließende Impulse zu verfeinern. Es ist darüber hinaus erwähnenswert, dass das hier besprochene System dafür verwendet werden kann, nur die Impulsverzerrung, wie zum Beispiel eine Phasenverzerrung, zu messen, oder sowohl für die Messung als auch für die Korrektur der Impulskennlinien verwendet werden kann.
Die obige Beschreibung der Ausführungsformen dient lediglich der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt weder Anspruch auf Vollständigkeit, noch soll sie die Erfindung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausführungsform sind generell nicht auf diese bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern sind, sofern möglich, untereinander austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform auch dann verwendet werden, wenn sie nicht ausdrücklich gezeigt oder beschrieben sind. Sie können auch auf vielfältige Weise variiert werden. Zum Beispiel können alternativ die Intensität einer Zweiphotonenabsorption und Lumineszenz in einem ZnO-Kristall, die SHG von Stärkekörnern oder die endogene Zweiphotonen-Autofluoreszenz von biologischem Gewebe anstelle einer Aufwärtskonvertierung in einem SHG-Kristall, zusätzlich zu einer Zweiphotonendiode, verwendet werden. Die Gesamt-Third Harmonic Generation (THG) in Luft kann ebenfalls verwendet werden, um das gewünschte nonlineare optische Signal bereitzustellen.
Des Weiteren ist zwar die bevorzugte Dispersionsoptik ein Gitter, doch sie kann alternativ auch ein Prisma, ein Grisma, ein Bragg-Gitter oder ein integriertes Fasergitter sein. Es ist ein Amplituden-SLM zum Isolieren spektraler Regionen offenbart worden; jedoch können alternativ auch physische Schlitze, Fasern, eine MEMS-Spiegelanordnung, die in der Lage ist, den Impuls aus der Messung herauszureflektieren, ein verformbarer Spiegel, ein akustooptischer Modulator, der aneinandergrenzende Phasen 0-B-0-B einstellt, um Beugung zu bewirken, oder der innerhalb dieser Region eine sehr große lineare oder parabolische Funktion einstellt, oder Materialien mit steuerbarer Absorption verwendet werden, auch wenn dabei möglicherweise verschiedene Vorteile nicht realisiert werden können. Die Amplitudenmodulation kann durch reine Phasenmodulation ersetzt werden, solange letztere in der Lage ist, Einflüsse von außerhalb der Referenz- und Abtastschlitze auf das nonlineare Signal effizient zu unterdrücken. Darüber hinaus ist ein SLM offenbart worden, um eine Phase in einer diskreten spektralen Region zu erzeugen; doch als alternative Optiken kommen auch Fasern, eine MEMS-Spiegelanordnung, verformbare Spiegel, ein akusto-optischer Modulator, ein Akusto-Optisches Programmierbares Beugungsfilter („AOPDF”) oder eine Gruppe unabhängiger Spiegel, die unabhängig bewegt werden können, in Frage. Darüber hinaus ist eine Zweiphotonen-Photodiode offenbart worden, um das Ausmaß an MIT in einer oder mehreren spektralen Regionen des Impulses zu messen. Jedoch kommen als alternative Detektoren oder zusätzliche Optik auch ein SHG-Kristall, Oberflächen-SHG, Terahertz-Emission, Dritte-Oberschwingungs-Erzeugung aus einem Gas, Zweiphotonenerregungsfluoreszenz oder Gesamtionenertragsverfahren in Betracht.
Im vorliegenden Text sind Ausführungsformen offenbart worden, die einen oder zwei Schlitze, Öffnungen oder Fenster verwenden. Jedoch können auch mehrere Schlitze, Öffnungen oder Fenster verwendet werden, auch wenn dabei möglicherweise verschiedene Vorteile nicht realisiert werden können. Es ist anzumerken, dass die Begriffe „Schlitz” und „T” keine spezielle Öffnungsform implizieren sollen. Es wird alternativ, und trotz nachteiliger Auswirkung, auch in Betracht gezogen, dass ein Bediener eine manuelle anstatt einer automatischen Ausführung beliebiger Abschnitte des hier offenbarten Verfahrens vornehmen kann, was aber die Systemleistung senkt. Es sind zwar konkrete Abmessungen, Materialien und Hardware-Modelle offenbart worden, doch es versteht sich, dass auch andere verwendet werden können, auch wenn dabei möglicherweise manche der hier beschriebenen Vorteile nicht realisiert werden können. Ungeachtet dessen sind solche Änderungen, Modifizierungen oder Varianten nicht als eine Abweichung vom Geist und Schutzumfang der Erfindung anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

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US 2009/0296744 [0003]
US 7609731 [0003]
US 2009/0238222 [0003]
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US 6327068 [0006]
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WO 2009/086122 [0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Fork und Mitarbeiter, „Compression of Optical Pulses to Six Femtoseconds by Using Cubic Phase Compensation”, Opt. Lett. 12, 483–485 (1987) [0004]
Chilla und Mitarbeiter, „Direct Determination of the Amplitude and the Phase of Femtosecond Light-Pulses”, Opt. Lett. 16, 39–41 (1991) [0004]
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Rhee und Mitarbeiter in „Chirped- Pulse Amplification of 85-Fs Pulses at 250 Khz with 3rd-Order Dispersion Compensation by Use of Holographic Transmission Gratings”, Optics Letters 19, 1550–1552 (1993) [0004]
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Claims

Lasersystem, das Folgendes umfasst: einen Laser, der dafür ausgelegt ist, Laserimpulse auszusenden; einen Impulsformer, der dafür ausgelegt ist, die Impulse zu formen; einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, die geformten Impulse zu empfangen, wobei der Detektor eine frequenzintegrierte, nonlineare optisches Ansprechen aufweist; und einen Controller, der dafür ausgelegt ist, den Former zu veranlassen, mindestens einen spektralen Abschnitt der Impulse durch den Former auszuwählen, der weniger als die Hälfte des gesamten Spektrums umfasst; wobei der Controller, der Detektor und der Former dafür ausgelegt sind, eine unerwünschte Phasenverzerrung in mindestens einigen der Impulse zu messen und automatisch zu korrigieren.
System nach Anspruch 1, das des Weiteren ein Mikroskop umfasst, das mindestens einige der durch den Impulsformer übertragenen Laserimpulse empfängt.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der durch den Impulsformer ausgewählte spektrale Referenzabschnitt der Laserimpulse als eine Referenz fungiert, mit der abgetastete spektrale Abschnitte der Laserimpulse, die durch mindestens eine Bewegungsbereich des Impulsformers ausgewählt wurden, durch den Controller verglichen werden.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, das des Weiteren Software-Anweisungen innerhalb des Controllers umfasst, um gemessene Phasenverzerrungen automatisch zu kompensieren, indem eine entsprechende Phase erzeugt wird, die die Verzerrungen auslöscht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, das des Weiteren Folgendes umfasst: mindestens eine der folgenden Optiken: (a) einen mehrschichtigen dielektrischen Spiegel, und (b) ein Bragg-Gitter, die in dem Strahlweg angeordnet sind; wobei der Controller automatisch die durch die Optik hervorgerufene Phase in einer berechneten Weise ohne einen genetischen lernenden Algorithmus und durch Erfassen einer Zweiten-Oberschwingungs-Erzeugung nur von Abschnitten des Spektrums anstelle der Verwendung des gesamtes Spektrums misst.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die von den Former vorgenommene Auswahl von spektralen Abschnitten der Impulse durch den Former eine Übertragung enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die von den Former vorgenommene Auswahl von spektralen Abschnitten der Impulse durch den Former das Formen (a) einer Phase und/oder (b) einer Polarisation zum Reduzieren eines nonlinearen Ansprechens von unerwünschten Abschnitten des Spektrums enthält.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Detektor eine Photodiode mit einem durch die ausgegebenen Impulse verursachten nonlinearen optischen Ansprechen ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das des Weiteren Software-Anweisungen innerhalb des Controllers umfasst, um automatisch eine Phasenverzerrung in den Laserimpulsen durch Ermitteln einer lokalen ersten Ableitung einer Phase über ein Spektrum der Impulse zu messen.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, das des Weiteren Software-Anweisungen innerhalb des Controllers umfasst, um automatisch Messungs- und Kompensationsanweisungen zu wiederholen und so die Qualität der ausgegebenen Impulse zu verbessern, wobei eine erste Iteration eine mindestens 80%-ige Beseitigung von Phasenverzerrungen erreicht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Laserimpulse jeweils eine Dauer von weniger als 1 Pikosekunde haben.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Laserimpulse jeweils eine Dauer von weniger als 15 Femtosekunden haben.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei Phasenkorrekturen, die an einem intensitätsschwachen Abschnitt eines ausgegebenen Laserstrahls gemessen werden, in einem zweiten programmierbaren Impulsformer implementiert werden, der auf den ausgesendeten Hauptlaserstrahl einwirkt.
Computer-Software für ein Lasersystem, wobei die Software Folgendes umfasst: einen ersten Satz von Anweisungen, der spektrale Auswahlfenster für den Impulsformer erzeugt; einen zweiten Satz von Anweisungen, der den Impulsformer veranlasst, spektrale Abschnitte mindestens eines Laserimpulses in Bereichen zu verringern, die anderen sind als denen, die durch die Fenster ausgewählt wurden; einen dritten Satz von Anweisungen, der mindestens eines der Fenster als eine Referenz festlegt; einen vierten Satz von Anweisungen, der Phasenwerte über mindestens eines der Fenster abtastet; einen fünften Satz von Anweisungen, der Werte von einem Detektor aufzeichnet, der in der Lage ist, ein nonlineares optisches Ansprechen von einem ausgegebenen Strahl zu messen; einen sechsten Satz von Anweisungen, der die detektierten Werte als eine Funktion der abgetasteten Werte vergleicht; einen siebenten Satz von Anweisungen, der die Phase bestimmt, welche das Ansprechen des Detektors für einen bestimmten Satz Fenster maximiert; und einen achten Satz von Anweisungen, der im Wesentlichen alle Werte erfasst und anhand der Werte die Verzerrung des mindestens einen Impulses ermittelt.
Computer-Software nach Anspruch 14, die des Weiteren einen Satz von Anweisungen umfasst, um die Phasenverzerrung zu kompensieren.
Computer-Software nach Anspruch 14 oder 15, die des Weiteren einen Satz von Anweisungen umfasst, um einen Laser zu veranlassen, den mindestens einen Impuls, der die Referenz- und Abtastfenster enthält, als einen Einzelstrahl zwischen dem Laser und dem Detektor auszusenden.
Computer-Software nach einem der Ansprüche 14 bis 16, die des Weiteren einen Satz von Anweisungen umfasst, um das frequenzintegrierte Second Harmonic Generation-Spektrum aufzuzeichnen, wobei der Detektor einen Second Harmonic Generation-Kristall und ein Spektrometer enthält.
Computer-Software nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Detektor eine Photodiode ist, und die des Weiteren einen Satz von Anweisungen umfasst, um Spektralmesswerte von der Photodiode zu empfangen.
Verfahren zum Verwenden eines Lasers, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: (a) Aussenden eines Laserstrahlimpulses; (b) Charakterisieren des Impulses durch Isolieren mindestens zweier Spektralbänder und Abtasten mindestens eines Bandes beim Verwenden eines programmierbaren Impulsformers und beim Bestimmen einer ersten Ableitung einer Phase über ein gesamtes Spektrum des Impulses; und (c) Messen eines nonlinearen optischen Ansprechens durch Erzeugen einer internen Referenz innerhalb des Impulses und Abtasten einer Zeitverzögerung zwischen entsprechenden Wellenformen.
Verfahren nach Anspruch 19, das des Weiteren das Messen einer frequenzabhängigen Verzögerung umfasst, die durch Reflexion des Impulses durch einen dielektrischen Breitbandspiegel hervorgerufen wird.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, das des Weiteren eine Kreuzkorrelation zwischen spektralen Teilbändern des Impulses unter Verwendung des programmierbaren Impulsformers umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, das des Weiteren Folgendes umfasst: automatisches Berechnen einer Phasenverzerrung in dem Impuls, und automatisches Korrigieren der Phasenverzerrung in anschließenden Impulsen innerhalb von weniger als fünf Iterationen in weniger als fünf Minuten, wobei die Impulsen jeweils eine Dauer von weniger als 1 Pikosekunde haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, das des Weiteren Folgendes umfasst: Übertragen eines ersten spektralen Bandes des Impulses durch einen festen Schlitz des Impulsformers; Übertragen eines zweiten und anderen Bandes des Impulses durch den Abtastschlitz; und Blockieren des übrigen Spektrums des Impulses während des Charakterisierungsvorgangs durch Feststellen der Phase von Pixeln, die zu blockieren sind, auf sich wiederholende und abwechselnde Null- und π-Werte und durch Beschränken der optischen Auflösung des Impulsformers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, das des Weiteren umfasst, unerwünschte spektrale Abschnitte durch Polarisation im Wesentlichen zu beseitigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, das des Weiteren umfasst, unerwünschte spektrale Abschnitte durch Amplitudenveränderung im Wesentlichen zu beseitigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 25, das des Weiteren umfasst, unerwünschte spektrale Abschnitte durch Phasenveränderung im Wesentlichen zu beseitigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 26, das des Weiteren umfasst, einen mehrschichtigen dielektrischen Spiegel mindestens teilweise auf der Grundlage der Messungen zu optimieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 27, das des Weiteren umfasst, einen Faserlaser mindestens teilweise auf der Grundlage der Messungen zu optimieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 28, das des Weiteren umfasst, einen verformbaren Spiegel mindestens teilweise auf der Grundlage der Messungen zu justieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 29, das des Weiteren umfasst, ein Bragg-Gitter mindestens teilweise auf der Grundlage der Messungen zu optimieren.
Lasersystem, das Folgendes umfasst: eine Laserquelle, die dafür ausgelegt ist, Laserimpulse auszusenden; einen Impulsformer, der dafür ausgelegt ist, die Impulse zu formen; einen Detektor, der dafür ausgelegt ist, die geformten Impulse zu empfangen, wobei die Impulse einem einzigen Weg zwischen der Quelle und dem Detektor folgen; und einen Controller, der dafür ausgelegt ist, den Former zu veranlassen, einen spektralen Referenzabschnitt von mindestens einem der Impulse durch den Former zu übertragen; wobei der Controller dafür ausgelegt ist, den Former zu veranlassen, andere abgetastete spektrale Abschnitte von mindestens einem derselben Impulse durch eine andere spektrale Stelle in dem Former zu übertragen; und wobei der Controller, der Detektor und der Former dafür ausgelegt sind, eine unerwünschte Verzerrung in mindestens einigen der Impulse durch Vergleichen detektierter Werte, die den Übertragungen der spektralen Referenz- und abgetasteten Abschnitte zugeordnet sind, zu messen und zu korrigieren.
System nach Anspruch 31, wobei: der Impulsformer programmierbar ist; und der Detektor ein nonlineares optisches Ansprechen hat.
System nach Anspruch 31 oder 32, wobei der Detektor eine Photodiode mit einem nonlinearen optischen Ansprechen ist, die durch die ausgegebenen Impulse verursacht wird.
System nach einem der Ansprüche 31 bis 33, das des Weiteren ein Mikroskop umfasst, das mindestens einige der Laserimpulse empfängt, die durch den Impulsformer übertragen werden.
System nach einem der Ansprüche 31 bis 34, wobei der spektrale Referenzabschnitt der Laserimpulse, die durch eine feste Öffnung in dem Impulsformer übertragen werden, als eine Referenz fungiert, mit der abgetastete spektrale Abschnitte der Laserimpulse, die durch mindestens eine sich bewegende Öffnung in dem Impulsformer übertragen werden, durch den Controller verglichen wird.
System nach einem der Ansprüche 31 bis 35, das des Weiteren Software-Anweisungen innerhalb des Controllers umfasst, um automatisch eine Phasenverzerrung in den Laserimpulsen durch Ermitteln einer lokalen ersten Ableitung einer Phase über ein Spektrum der Impulse zu messen.