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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Phasenstabilisierung von Laserpulsen.
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Seit 1997 ist die Erzeugung von Laserpulsen möglich, die innerhalb ihrer Halbwertsbreite nur mehr aus wenigen optischen Zyklen bestehen (M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O. Svelto, S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, C. Spielmann, F: Krausz: A novel high energy pulse compression system: Generation of multigigawatt sub-5-fs pulses, Applied Physics B-Lasers And Optics, 1997, Vol. 65, 189–196). Diese Pulse sind als Einzelzyklen- oder few-cycle-Pulse (vgl. 1) bekannt. Charakteristisch für Einzelzyklenpulse ist deren Asymmetrie, die umso stärker zutage tritt, je kürzer der Puls ist, d. h. aus je weniger optischen Zyklen der Puls besteht.
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Die Asymmetrie und damit der detaillierte Verlauf des elektrischen Feldes dieser Pulse werden durch die Phase der Trägerwelle, bezogen auf das Maximum der Pulseinhüllenden bestimmt. Diese Phase ist als absolute Phase oder carrier-envelope (CE) Phase bekannt. Insbesondere spricht man von cosinus-artigen Pulsen, wenn das Pulsmaximum mit einem Feldmaximum zusammenfällt und von sinus-artigen Pulsen, wenn das Pulsmaximum auf einen Nulldurchgang des Feldes fällt.
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Nachdem die Wechselwirkung von Materie mit Laserpulsen im Allgemeinen vom Feld bestimmt wird, hat die absolute Phase eine erhebliche Bedeutung für unterschiedlichste wissenschaftliche und technische Anwendungen von Einzelzyklenpulsen. Nachdem der Stabilisierung der absoluten Phase technische Grenzen gesetzt sind, hat die Phasenmessung und deren Auswertung, insbesondere auch korreliert zu anderen Messdaten, eine hohe Relevanz.
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2001 wurden Effekte der absoluten Phase erstmals bei der Photoionisation von Edelgasen nachgewiesen (G. G. Paulus, F. Grasbon, H. Walther, P. Villoresi, M. Nisoli, S. Stagira, E. Priori, S. De Silvestri: Absolute-phase phenomena in photoionization with few-cycle laser Pulses, NATURE, 2001, Vol 414, 182–184). Dabei wurde die durch die asymmetrischen Pulse verursachte asymmetrische Photoelektronenverteilung mit zwei sich gegenüberstehenden Flugzeitspektrometern (Stereo-Flugzeitspektrometer) gemessen.
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Seitdem wurden Phaseneffekte auch mit einer Reihe anderer Anordnungen gemessen. In der Regel war es dabei erforderlich, die durch hunderte oder tausende Laserpulse induzierten Effekte zu mitteln, um die Phase dieser Pulse zu bestimmen. Voraussetzung war deshalb die Verfügbarkeit phasenstabilisierter Pulse (T. M. Fortier, P. A. Roos, D. J. Jones, S. T. Cundiff, R. D. R. Bhat, J. E. Sipe: Carrier-Envelope Phase-Controlled Quantum Interference of Injected Photocurrents in Semiconductors, Phys. Rev. Letters, 2004, Vol 92, No. 14; A. Apolonski, P. Dombi, G. G. Paulus, M. Kakehata, R. Holzwarth, Th. Udem, Ch. Lemell, K. Torizuka, J. Burgdörfer, T. W. Hänsch, F. Krausz: Observation of Light-Phase-Sensitive Photoemission from a Metal. Phys. Rev. Letters, 2004, Vol 92, No 7; M. Kreß, T. Löffler, M. D. Thomson, R. Dörner, H. Gimpel, K. Zrost, T. Ergler, R. Moshammer, U. Morgner, J. Ullrich, H. G. Roskos: Determination of the carrierenvelope Phase of few-cycle laser Pulses with terahertz-emission spectroscopy, Nature Physics Let., 2006, Vol 2, 327–331; C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, J. W. G. Tisch: Half-cycle cutoffs in harmonic spectra and robust carrier-envelope Phase retrieval, Nature Physics, 2007, Vol. 3, 52–57; G. G. Paulus, F. Lindner, H. Walther, A. Baltuska, E. Goulielmakis, M. Lezius, F. Krausz: Measurment of the Phase of few- cycle laser Pulses, Phys. Rev. Let., 2003, Vol 91, Issue 25).
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Es ist auch bekannt (
US 2010/0061411 A1 und
US 2010/0040097 A1 ), Laserpulse auf eine Phase relativ zu einer gemittelten Phase aus vorherigen Pulsen zu stabilisieren. Die Beeinflussung der Phase ist somit nicht für den aktuellen Laserpuls, sondern nur für spätere Folgepulse möglich.
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2009 gelang es erstmals, die absolute Phase von Einzelzyklenpulsen im single-shot-mode mit hoher Genauigkeit im vorgenannten Stereo-Flugzeitspektrometer zu messen (T. Wittmann, B. Horvath, W. Helml, M. G. Schatzel, X. Gu, A. L. Cavalieri, G. G. Paulus, R. Kienberger: Single-shot carrier-envelope Phase measurement of few-cycle laser Pulses, Nature Physics, 2009, Vol. 5; 357–362). Die Flugzeitspektren von mehreren tausend aufeinander folgenden Pulsen wurden dabei mit einem Digitaloszilloskop aufgezeichnet. Die Auswertung wurde dann später („offline”) vorgenommen. Damit war es nicht möglich, die Flugzeitspektren „online”, während das Experiment in Betrieb war, auszuwerten, und es war auch keinerlei Einflussnahme auf die Impulse und deren Generierung möglich.
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Im Jahr 2010 wurde eine Möglichkeit vorgestellt, welche die relative Phase eines Laserpulses bestimmen kann und durch welche mit dieser Information die Phase des Laserpulszugs hinter dem gemessen Laserpulses korrigiert wird. Diese Korrektur erfolgt hinter dem Lasersystem und beeinflusst, den Betrieb des Lasers nicht. Diese Methode wurde „feed-foward” genannt. Mit ihr ist es aber nicht möglich, die Phase des gemessen Pulses zu korrigieren, sondern nur die Phase der nachfolgenden Pulse (
S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Andreson, A. Assion, G. Steinmeyer: Direct frequency comb synthesis wth arbitrary offset and shot-noise-limited phasenoise, Nature Photoncis, 2010, Vol. 4; 462–465;
WO2010/063051A1 ). Es ist keine „Selbst-CEP” Korrektur möglich.
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In
DE 10 2004 054 408 B4 wird die Messung der absoluten Phase von Laserpulsen beschrieben. Insbesondere sollen dabei an sich bekannte Nachteile, wie sehr hoher Mess- und Apparateaufwand, vermindert werden.
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Möglichkeiten einer schnellen Phasenauswertung, insbesondere in Echtzeit, um damit beispielsweise auf die Erzeugung der Laserpulse oder sogar auf den gemessenen Laserpuls noch Einfluss nehmen zu können, werden nicht offenbart.
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Bis jetzt war es nur möglich die Phasendrift einer Reihe von Laserpulsen zu kompensieren, da die Drift von Puls zu nächstem Puls korreliert war. Bei Lasersystemen mit einer langsamen Repetitionsrate von einigen Hertz und darunter ist dies in der Regel nicht durchführbar, da die Phasendrift zwischen den Pulsen stark schwankt. Für diese Art von Laser, aber auch für die Hochrepetitionslaser, ist es deshalb von Vorteil, wenn man den jeweils gemessen Puls nachträglich korrigieren kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Phase eines Laserpulses zu messen und dann genau bei diesem Laserpuls die Phase auf einen vorgegeben Wert zu korrigieren (Eigen-CEP Korrektur).
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Durch diese nachträgliche Phasenkorrektur soll es möglich werden, auch bei Lasersystemen mit niedrigen Repetitionsraten von einigen Hertz und weniger die Phase auf einen vorgegebenen Wert zu stabilisieren.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Phasenstabilisierung von Laserpulsen, bei dem jeweils die Laserpulse an einer Mess-Stelle der Laserstrahlung in ihrer Phase gemessen und in ihrer Relation zu einer vorgegebenen Phase bestimmt werden und bei dem der jeweils in seiner Phase gemessene und zwischenzeitlich verzögerte Laserpuls bei Abweichung dessen Phasenlage zur vorgegebenen Phasenlage an einem Korrekturort in seiner Phase korrigiert wird.
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Es wird eine Vorrichtung zur Phasenstabilisierung von Laserpulsen vorgeschlagen, bei der an einem im Strahlengang der Laserpulse befindlichen Messort eine Mess-Stufe angeordnet ist, die mit einer Phasenauswertestufe zum Vergleich der Phasenlage der Laserimpulse gegenüber einer vorgegebenen Phasenlage in Verbindung steht, welche ausgangsseitig an eine ebenfalls im Strahlengang der Laserpulse angeordnete Phasenkorrekturstufe angeschlossen ist, in welcher die Laserimpulse im Fall einer Abweichung zur vorgegebenen Phasenlage nach Durchlaufen einer Verzögerungsstrecke zwischen der Mess-Stufe am Messort und der Phasenkorrekturstufe an einem Korrekturort jeweils in ihrer Phase korrigiert werden.
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Erfindungsgemäß wird bei einem Laserpuls an einem Messort die CE Phase bestimmt. Danach wird die CE Phase desselben Pulses, der zwischenzeitlich um eine Zeit, die zur Auswertung der CE Phase benötigt wird, verzögert wurde, an einem Korrekturort, der im Laserstrahlverlauf zeitlich hinter dem Messort liegt, auf den vorgegeben Wert korrigiert.
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In den Unteransprüchen sind Ausführungsformen zur Erfindung aufgeführt. Beispielsweise kann die in
DE 10 2010 019 814.5 vorgeschlagene Vorrichtung verwendet werden, um die CE Phase des Laserpulses schnell zu bestimmen. Nach Durchlaufen der Vorrichtung wird der Puls (soweit erforderlich) zeitlich verzögert, bevor er dann zur Korrektur der Phase z. B. einen elektro-optischen oder akkusto-optischen Modulator durchläuft. Damit ist es möglich, die Phase eines jeden Pulses, einschließlich des ersten erzeugten und gemessenen Impulses, genau bei diesem Impuls individuell zu korrigieren (Eigen-CEP Korrektur).
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Es zeigen:
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1: Schematisch dargestellter Laserpuls (Einzelzyklenpuls im single-shot-mode)
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2: Vorrichtung zur Phasenkorrektur von Laserimpulsen mit Mess-, Auswerte- und Korrekturstufe
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In 1 ist in schematischer Darstellung der Intensitätsverlauf eines bekannten Laserpulses 1 gezeigt.
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2 zeigt als Ausführungsbeispiel ein Blockschaltbild zur Phasenkorrektur von Laserimpulsen für eine mögliche Eigen-CEP Korrektur. Der Laserpuls
1 eines Laserpulszuges
2 trifft zunächst auf eine Mess-Stufe
3, mit welcher der Laserimpuls
1 im Laserpulszug
2 an einem Messort
4 (durch Pfeildarstellung symbolisiert) erfasst wird. Ausgangsseitig steht die Mess-Stufe
2 mit einer Phasenauswertestufe
5 in Verbindung, um die aktuelle CE Phase des gemessenen Laserimpulses
1 im Impulszug
2 in Echtzeit zu bestimmen. Die Mess-Stufe
3 und die Phasenauswertestufe
5 können beispielsweise durch eine in
DE 10 2010 019 814.5 vorgeschlagene Vorrichtung realisiert werden.
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Während der Berechnung der CE Phase des gemessenen Laserpulses 1 in der Phasenauswertestufe 5 durchläuft dieser im Laserpulszug 2 eine Verzögerungsstrecke 6. Die Messung und Berechnung der CE Phase wird dabei weniger als 10–6 Sekunden in Anspruch nehmen. Um diese benötigte Zeit werden die gemessenen Laserpulse des Laserpulszuges 2 in der Verzögerungsstrecke 6 verzögert.
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Eine mögliche Verzögerungstrecke 6 von unter 300 m kann beispielsweise durch einen Spiegelaufbau realisiert werden, bei dem der Laserpulszug 2 auf großen Spiegeln mehrfach reflektiert wird (aus Übersichtsgründen nicht explizit dargestellt).
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Danach trifft der Laserpulszug 2 an einem Korrekturort 7 (durch Pfeildarstellung symbolisiert) auf eine Phasenkorrekturstufe 8. In dieser durchlauft der nunmehr zeitlich verzögerte Laserpuls 1 beispielsweise einen doppelbrechenden Kristall, in dem mittels Elektroden ein elektrisches Feld erzeugt werden kann (aus Übersichtsgründen ebenfalls nicht explizit dargestellt). Durch den elektro-optischen Pockels-Effekt kann in dem Kristall eine spannungsabhängige Doppelbrechung erzeugt werden, welche die CE Phase des in der Mess-Stufe 3 erfassten Laserpulses 1 anhand der mit der Phasenauswertestufe 5 bestimmten aktuellen CE Phase im Fall einer festgestellten Phasenabweichung auf einen vorgegeben Wert korrigieren kann. Es wird von der Phasenkorrekturstufe 8 ein phasenkontrollierter Laserpulszug 9 ausgegeben, in welchem alle Laserpulse, einschließlich des ersten erzeugten und gemessenen Laserpulses in ihrer Phasenlage korrigiert werden, so dass der gesamte Laserpulszug 9 Laserpulse mit exakt vorgegebener CE Phase beinhaltet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserimpuls
- 2
- Laserpulszug
- 3
- Mess-Stufe
- 4
- Messort
- 5
- Phasenauswertestufe
- 6
- Verzögerungsstrecke
- 7
- Korrekturort
- 8
- Phasenkorrekturstufe
- 9
- phasenkontrollierter Laserstrahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2010/0061411 A1 [0007]
- US 2010/0040097 A1 [0007]
- WO 2010/063051 A1 [0009]
- DE 102004054408 B4 [0010]
- DE 102010019814 [0018, 0024]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O. Svelto, S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, C. Spielmann, F: Krausz: A novel high energy pulse compression system: Generation of multigigawatt sub-5-fs pulses, Applied Physics B-Lasers And Optics, 1997, Vol. 65, 189–196 [0002]
- G. G. Paulus, F. Grasbon, H. Walther, P. Villoresi, M. Nisoli, S. Stagira, E. Priori, S. De Silvestri: Absolute-phase phenomena in photoionization with few-cycle laser Pulses, NATURE, 2001, Vol 414, 182–184 [0005]
- T. M. Fortier, P. A. Roos, D. J. Jones, S. T. Cundiff, R. D. R. Bhat, J. E. Sipe: Carrier-Envelope Phase-Controlled Quantum Interference of Injected Photocurrents in Semiconductors, Phys. Rev. Letters, 2004, Vol 92, No. 14 [0006]
- A. Apolonski, P. Dombi, G. G. Paulus, M. Kakehata, R. Holzwarth, Th. Udem, Ch. Lemell, K. Torizuka, J. Burgdörfer, T. W. Hänsch, F. Krausz: Observation of Light-Phase-Sensitive Photoemission from a Metal. Phys. Rev. Letters, 2004, Vol 92, No 7 [0006]
- M. Kreß, T. Löffler, M. D. Thomson, R. Dörner, H. Gimpel, K. Zrost, T. Ergler, R. Moshammer, U. Morgner, J. Ullrich, H. G. Roskos: Determination of the carrierenvelope Phase of few-cycle laser Pulses with terahertz-emission spectroscopy, Nature Physics Let., 2006, Vol 2, 327–331 [0006]
- C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, J. W. G. Tisch: Half-cycle cutoffs in harmonic spectra and robust carrier-envelope Phase retrieval, Nature Physics, 2007, Vol. 3, 52–57 [0006]
- G. G. Paulus, F. Lindner, H. Walther, A. Baltuska, E. Goulielmakis, M. Lezius, F. Krausz: Measurment of the Phase of few- cycle laser Pulses, Phys. Rev. Let., 2003, Vol 91, Issue 25 [0006]
- T. Wittmann, B. Horvath, W. Helml, M. G. Schatzel, X. Gu, A. L. Cavalieri, G. G. Paulus, R. Kienberger: Single-shot carrier-envelope Phase measurement of few-cycle laser Pulses, Nature Physics, 2009, Vol. 5; 357–362 [0008]
- S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Andreson, A. Assion, G. Steinmeyer: Direct frequency comb synthesis wth arbitrary offset and shot-noise-limited phasenoise, Nature Photoncis, 2010, Vol. 4; 462–465 [0009]
