DE102012113029A1

DE102012113029A1 - Kurzpulslasersystem

Info

Publication number: DE102012113029A1
Application number: DE102012113029.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Molter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Also published as: US20150318658A1; US9425578B2; WO2014095392A2; WO2014095392A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse mit einem ersten Resonator mit einem ersten Strahlengang und einer ersten Resonatorlänge, einem zweiten Resonator mit einem zweiten Strahlengang und einer zweiten Resonatorlänge und einem Verstärkungsmedium, wobei das Verstärkungsmedium sowohl in dem ersten Strahlengang des ersten Resonators, sodass es elektromagnetische Strahlung in dem ersten Resonator verstärkt, als auch in dem zweiten Strahlengang des zweiten Resonators, sodass es elektromagnetische Strahlung in dem zweiten Resonator verstärkt, angeordnet ist. Gegenüber einem solchen System ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kurzpulslasersystem sowie ein Verfahren zum Erzeugen optischer Pulse bereitzustellen, welche die Erzeugung eines ersten und eines zweiten Pulses mit einer einstellbaren zeitlichen Verzögerung mit hohen Abtastraten ermöglicht. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, das eingangs genannte System derart weiterzuentwickeln, dass der erste Resonator so eingerichtet ist, dass er genau einen ersten Polarisationszustand der elektromagnetischen Pulse unterstützt, und der zweite Resonator so eingerichtet ist, dass er genau einen zweiten Polarisationszustand unterstützt, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand zueinander orthogonal sind und wobei der erste und der zweite Resonator so eingerichtet sind, dass die erste und die zweite Resonatorlänge relativ zueinander veränderbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse mit einem ersten Resonator mit einem ersten Strahlengang und einer ersten Resonatorlänge, einem zweiten Resonator mit einem zweiten Strahlengang und einer zweiten Resonatorlänge und einem Verstärkungsmedium, wobei das Verstärkungsmedium sowohl in dem ersten Strahlengang des ersten Resonators, sodass es elektromagnetische Strahlung in dem ersten Resonator verstärkt, als auch in dem zweiten Strahlengang des zweiten Resonators, sodass es elektromagnetische Strahlung in dem zweiten Resonator verstärkt, angeordnet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Pulse.
Die Erzeugung kurzer und ultrakurzer elektromagnetischer Pulse gewinnt eine immer größere Bedeutung in Wissenschaft und Technik. Kurze elektromagnetische Pulse können dabei beispielsweise zur Materialbearbeitung eingesetzt werden, wobei man sich zunutze macht, dass die gesamte Energie eines Pulses nur über ein sehr kurzes Zeitintervall, typischerweise um 100 fs, verteilt ist, sodass sehr hohe Leistungen pro Puls erreicht werden können.
Besondere Bedeutung haben Kurzpulslasersysteme aber auch im Bereich der Spektroskopie erlangt, wo kurze elektromagnetische Pulse zur Realisierung von zeitaufgelösten Anrege-/Abfrageexperimenten verwendet werden. Dabei macht man sich grundsätzlich zunutze, dass man ein physikalisches System, beispielsweise ein Halbleitermaterial, mit einem ersten Puls anregt und die Wirkung des anregenden Pulses mit Hilfe eines zweiten Pulses, der dann typischerweise kurz gegenüber der Reaktion des physikalischen Systems ist, abfragt.
Ein Beispiel für ein solches Anrege-/Abfrageexperiment ist die Vermessung von Ladungsträgerdynamiken in einem Halbleitermaterial. Dabei wird das Material mit einem ersten Puls angeregt, d.h. es werden im Material Ladungsträger erzeugt, welche die Reflektivität oder Transmission des Materials ändern. Trifft nun ein zweiter kurzer elektromagnetischer Puls auf das Material, so wird dieser in Abhängigkeit von der Anzahl der im Material vorhandenen Ladungsträger mehr oder weniger stark reflektiert. Wenn sich die zeitliche Verzögerung zwischen dem anregenden und dem abfragenden Puls einstellen lässt, so lässt sich die Ladungsträgerdynamik im Halbleitermaterial zeitaufgelöst vermessen.
Darüber hinaus kommen Kurzpulslasersysteme bei der Terahertz-(THz-)Zeitbereichsspektroskopie zum Einsatz. Dabei wird mit einem ersten Impuls ein THz-Strahlung emittierender Emitter angeregt, während ein mit einem zweiten kurzen Puls gegateter Detektor die von dem Emitter erzeugte elektromagnetische Welle zeitaufgelöst abtastet bzw. erfasst. Besonders bemerkenswert ist dabei, dass sich auf diese Weise tatsächlich die elektrische Feldstärke der von dem Emitter emittierten THz-Strahlung zeitaufgelöst erfassen lässt. Dabei kann die THz-Zeitbereichsspektroskopie auch als Anrege-/Abfrageexperiment verstanden werden.
Voraussetzung für die Durchführung sowohl von Anrege-/Abfrageexperimenten als auch der THz-Zeitbereichsspektroskopie ist, dass kurze optische Pulse verfügbar sind, von denen jeweils ein erster zum Anregen verwendet wird und ein zweiter gegenüber dem ersten Puls zeitlich verzögerbarer Puls zum Abfragen verfügbar ist.
Im Stand der Technik werden solche Anrege-/Abfrageexperimente beispielsweise dadurch realisiert, dass ein Kurzpulslasersystem einen kurzen elektromagnetischen Puls emittiert, der dann an einem Strahlteiler auf einen Anrege-Puls und einen Abfrage-Puls aufgeteilt wird, wobei der Abfrage-Puls über eine einstellbare Verzögerungsstrecke zeitlich gegenüber dem Anrege-Puls verschoben wird.
Eine solche Verzögerungsstrecke wird häufig durch einen linearen Verschiebetisch mit auf diesem angebrachten Spiegeln, der einen in der Länge variablen optischen Weg darstellt, realisiert. Um höhere Abtastraten bereitstellen zu können, wird zudem häufig die Verzögerungsstrecke mit Hilfe eines mechanisch schwingenden Systems zum schnellen Vor- und Zurückbewegen des Spiegels realisiert. Allerdings geraten auch solche Schwingsysteme zu höheren Abtastraten hin an ihre (mechanischen) Grenzen.
Um noch höhere Abtastraten realisieren zu können, ist aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus Y. Kim und D. Yee: „High-speed terahertz time-domain spectroscopy based on electronically controlled optical sampling", Optics Letters, Band 35, Nr. 22, November 2010 ein Kurzpulslasersystem für die THz-Zeitbereichsspektroskopie bekannt, welches auf zwei Kurzpulslasern beruht, von denen der eine den anregenden bzw. den Emitter treibenden Puls generiert und der andere den abtastenden bzw. den Detektor gatenden Puls generiert, wobei der zeitliche Versatz zwischen den beiden Pulsen dadurch realisiert ist, dass die Resonatorlänge des einen Kurzpulslasers um die Resonatorlänge des anderen Kurzpulslasers herum abstimmbar ist. Da die Repetitionsrate bzw. der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, von einem Kurzpulslaser erzeugten Pulsen unmittelbar proportional zur Resonatorlänge ist, lässt sich auf diese Weise der zeitliche Versatz zwischen den generierenden und den detektierenden elektromagnetischen Puls abstimmen.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein derartiges Kurzpulslasersystem deutlich erhöhte Kosten verursacht, da zwei Kurzpulslaser vorhanden sein müssen. Zudem treten weitere Komplikationen dadurch auf, dass zwei völlig unabhängige Resonatoren bzw. deren Resonatorlängen aufeinander abgestimmt und gegebenenfalls stabilisiert werden müssen.
Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kurzpulslasersystem sowie ein Verfahren zum Erzeugen optischer Pulse bereitzustellen, welche die Erzeugung eines ersten und eines zweiten Pulses mit einer einstellbaren zeitlichen Verzögerung mit hohen Abtastraten ermöglicht. Zudem sollen die optischen Pulse mit möglichst geringem Aufwand bereitgestellt werden.
Zumindest eine der vorgenannten Aufgaben wird durch ein Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse gelöst mit einem ersten Resonator, der einen ersten Strahlengang und eine erste Resonatorlänge aufweist, einem zweiten Resonator, der einen zweiten Strahlengang und eine zweite Resonatorlänge aufweist, und einem Verstärkungsmedium, wobei das Verstärkungsmedium sowohl in dem ersten Strahlengang des ersten Resonators, sodass es elektromagnetische Pulse in dem ersten Resonator verstärkt, als auch in dem zweiten Strahlengang des zweiten Resonators, sodass es elektromagnetische Pulse in dem zweiten Resonator verstärkt, angeordnet ist, wobei der erste Resonator so eingerichtet ist, dass er genau einen ersten Polarisationszustand der elektromagnetischen Pulse unterstützt, und der zweite Resonator so eingerichtet ist, dass er genau einen zweiten Polarisationszustand unterstützt, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand zueinander orthogonal sind und wobei der erste und der zweite Resonator so eingerichtet sind, dass die erste und die zweite Resonatorlänge relativ zueinander veränderbar sind.
Ziel eines derartigen Kurzpulslasersystems ist es, elektromagnetische Pulse, von denen ein erster Pulszug zum Anregen eines physikalischen Systems verwendet werden kann und ein zweiter Pulszug zum Abfragen eines physikalischen Systems verwendet werden kann, zu realisieren, wobei das System eine schnelle Änderung eines Zeitversatzes zwischen dem ersten und dem zweiten Puls ermöglicht, während das System zudem mit möglichst wenigen Komponenten auskommt.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Kurzpulslasersystems ist es dabei, das Verstärkungsmedium gleichzeitig in zwei Resonatoren zur Erzeugung von elektromagnetischen Pulsen zu verwenden, sodass zwei Resonatoren mit nur einem Verstärkungsmedium auskommen.
Die Anordnung des Verstärkungsmediums gleichzeitig in dem ersten und dem zweiten Medium bedeutet in einer Ausführungsform insbesondere, dass der erste und der zweite Strahlengang in dem Verstärkungsmedium räumlich identisch sind.
Zudem ist das Kurzpulslasersystem selbst so ausgestattet, dass die Resonatorlängen der beiden Resonatoren relativ zueinander veränderbar sind, sodass sich ein zeitlicher Versatz zwischen den von den beiden Resonatoren emittierten Pulsen einstellen lässt. Damit gleichzeitig eine größtmögliche Unabhängigkeit der beiden Resonatoren voneinander erzielt wird, und sich die Pulse insbesondere nicht gegenseitig im Verstärkungsmedium beeinflussen, sind die beiden Resonatoren so ausgestaltet, dass sie zueinander orthogonale Polarisationszustände unterstützen. Solche zueinander orthogonale Polarisationszustände sind im Verstärkungsmedium voneinander entkoppelt.
Wenn im Sinne der vorliegenden Anmeldung von zueinander orthogonalen oder senkrechten Polarisationszuständen gesprochen wird, so werden damit vorzugsweise zueinander orthogonale lineare Polarisationszustände, aber alternativ auch links- und rechtszirkulare Polarisationszustände verstanden.
Elektromagnetische Pulse im Sinne der vorliegenden Anmeldung können Pulse im gesamten elektromagnetischen Spektrum sein, bevorzugt jedoch im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Bewährt haben sich insbesondere elektromagnetische Pulse mit einer Wellenlänge um 1310 nm oder um 1550 nm, d.h. in den Telekommunikationsfenstern, bei welchen optische Komponenten für Faserlaser kommerziell verfügbar sind.
Wenn im Sinne der vorliegenden Erfindung von einem Kurzpulslasersystem oder kurzen elektromagnetischen Pulsen die Rede ist, so werden darunter insbesondere Pulse mit einer Dauer von weniger als 500 fs, vorzugsweise von weniger als 200 fs und besonders bevorzugt von weniger als 100 fs verstanden.
Um die erste und die zweite Resonatorlänge relativ zueinander veränderbar zu realisieren, ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zweckmäßig, bei welcher zumindest der erste Resonator einen Abschnitt aufweist, der nur im ersten Strahlengang und nicht im zweiten Strahlengang liegt.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der erste und/oder der zweite Resonator einen Reflektor auf, der angetrieben bewegbar ist, sodass die Resonatorlänge veränderbar ist. Dazu kann beispielsweise ein Endspiegel des ersten Resonators oder des zweiten Resonators auf ein schwingendes mechanisches System montiert werden, welches die Resonatorlänge dann oszillierend ändert. Alternativ könnte der Reflektor auf ein piezoelektrisches Element montiert werden, welches es erlaubt, den Spiegel in kurzer Zeit in seiner Position zu verändern, sodass die Resonatorlänge einstellbar und veränderbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der erste Resonator und/oder der zweite Resonator zumindest abschnittsweise einen Lichtwellenleiter auf, dessen Länge veränderbar ist, sodass die Resonatorlänge des entsprechenden Resonators veränderbar ist.
Es versteht sich, dass alternativ zu Ausführungsformen, bei welchen die Länge des erste oder des zweiten Resonators veränderbar ist, Ausführungsformen denkbar sind, bei welchen beide Resonatorlängen gleichzeitig veränderbar sind.
Eine Möglichkeit, einen Lichtwellenleiter in seiner Länge zu verändern, ist beispielsweise eine mechanische Vorrichtung, welche den Lichtwellenleiter streckt. Solche Vorrichtungen weisen typischerweise eine Einrichtung auf, auf der mehrere Windungen des Lichtwellenleiters aufgewickelt sind, wobei die Vorrichtung eine automatische Dehnung der Windungen in einer oder mehreren Richtungen ermöglicht.
Alternativ kann eine Veränderung der Länge eines Lichtwellenleiters beispielsweise durch thermisches Einwirken erfolgen.
Unter Lichtwellenleitern im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden insbesondere optische Lichtleitfasern, vorzugsweise aus Glas, verstanden. Diese werden nachfolgend verkürzt als optische Fasern bezeichnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Kurzpulslasersystem einen Faserlaser. Ein solcher Faserlaser weist zum Einen den Vorteil auf, dass seine Komponenten aufgrund der weiten Verbreitung im Bereich der optischen Telekommunikationstechnik kommerziell erhältlich sind. Zum Anderen lassen sich aber in optischen Fasern, mit welchen ein solcher Faserlaser realisiert wird, die beiden zueinander orthogonalen Polarisationszustände der beiden Resonatoren einfach führen, ohne dass ein Übersprechen zwischen den beiden, von den zueinander orthogonalen Polarisationszuständen gebildeten Kanälen stattfindet.
Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung ein solcher Faserlaser mit Hilfe einer polarisationserhaltenden optischen Faser realisiert.
Polarisationserhaltende optische Fasern sind optische Fasern, bei denen die Polarisation von linear polarisiertem Licht während der Ausbreitung der elektromagnetischen Welle durch die Faser erhalten bleibt. Es findet also kein Verlust von optischer Leistung in die andere Polarisationsmoden statt. Derartige Fasern werden manchmal auch als doppelbrechende Fasern bezeichnet.
Das Funktionsprinzip polarisationserhaltender optischer Fasern basiert typischerweise darauf, dass der Kern der polarisationserhaltenden Faser im Querschnitt keine isotropen Eigenschaften, sondern eine ausgezeichnete Spannungsachse aufweist. Wird elektromagnetische Strahlung mit einer Polarisation parallel zu dieser Spannungsachse oder auch senkrecht zu dieser Spannungsachse in die Faser eingekoppelt, so behält diese elektromagnetische Strahlung ihren Polarisationszustand während der Ausbreitung in der Faser bei.
Solche nicht isotropen Kerne können insbesondere dadurch realisiert werden, dass der Mantel der Faser gezielt nicht rotationssymmetrisch aufgebaut ist und so Zug- oder Druckspannungen auf den Kern ausgeübt werden, die zu der eine Isotropie des Kerns im Querschnitt führen. Beispiele für polarisationserhaltende optische Fasern sind sogenannte Panda-Fasern, Bow-Tie-Fasern und Elliptical-Clad-Fasern.
In einer solchen polarisationserhaltenden Faser können sich die beiden Moden der ersten und zweiten Resonatoren des Kurzpulslasersystems unabhängig voneinander ausbreiten.
In einer Ausführungsform umfasst das Kurzpulslasersystem einen Faserlaser. In einem Faserlaser wird das Verstärkungsmedium von der optischen Faser selbst gebildet.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Faserlaser einen Polarisationsstrahlteiler auf, sodass innerhalb des Kurzpulslasersystems zwei voneinander räumlich getrennte Strahlengänge des erste oder des zweiten Resonators mit zueinander senkrechter Polarisation erzeugt werden.
Derartige Polarisationsstrahlteiler, die insbesondere auch als faseroptische Komponenten verfügbar sind, teilen in sie eingespeistes Licht entsprechend seinen Polarisationskomponenten auf. Breiten sich zwei zueinander orthogonale Polarisationszustände unabhängig voneinander aus, so ist ein Polarisationsstrahlteiler in der Lage, diese in zwei räumlich getrennte Kanäle aufzuteilen. Auf diese Weise können einfach Abschnitte des ersten und des zweiten Resonators realisiert werden, die nur im ersten Strahlengang oder nur im zweiten Strahlengang liegen, in denen also die beiden Strahlengänge der beiden Resonatoren räumlich voneinander getrennt sind. In diesen Teilen des ersten und des zweiten Resonators führen Änderungen der Resonatorlänge einer der beiden Resonatoren dann zu einer relativen Längenänderung zwischen der ersten Resonatorlänge und der zweiten Resonatorlänge.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Kurzpulslasersystem einen in dem ersten und/oder dem zweiten Strahlengang liegenden Faserverstärker auf, wobei vorzugsweise ein Ausgang des Faserlasers mit dem Faserverstärker verbunden ist. Auf diese Weise können die in dem Faserlaser des Kurzpulslasersystems erzeugten elektromagnetischen Pulse zumindest einer der Resonatoren nachverstärkt und damit in ihrer Leistung auf ein Niveau angehoben werden, welches die effektive Durchführung von Experimenten oder das Treiben eines THz-Spektrometers ermöglichen.
Dabei ist es möglich, dass sich die Pulse des ersten Resonators und des zweiten Resonators auch in dem Faserverstärker räumlich überlappend bzw. räumlich identisch ausbreiten und aufgrund ihrer orthogonalen Polarisationszustände unabhängig voneinander nachverstärkt werden. Allerdings sind auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen nur die Pulse aus einem der Resonatoren nachverstärkt werden. Beispielsweise kann es für ein THz-Zeitbereichsspektrometer zweckmäßig sein, wenn Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden und die auf einen Generator für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden, nachverstärkt werden, während Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden und auf einen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden, nicht nachverstärkt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Kurzpulslasersystem einen Ausgang mit einem Polarisationsstrahlteiler auf, sodass außerhalb des Kurzpulslasersystems zwei Strahlengänge mit zueinander senkrechter Polarisation erzeugt werden.
An dieser Stelle, d.h. am Ausgang des Kurzpulslasersystems, dient ein Polarisationsstrahlteiler dazu, die beiden zueinander senkrechten Polarisationszustände, die sich innerhalb des Kurzpulslasersystems, d.h. insbesondere vor dem Ausgang, entlang der sich räumlich überlappenden ersten und zweiten Strahlengänge der ersten und zweiten Resonatoren ausbreiten, räumlich voneinander zu trennen, sodass die einen Pulse zum Anregen und die anderen Pulse zum Abfragen eines physikalischen Systems verwendet werden können.
In einer Ausführungsform der Erfindung weisen der erste und der zweite Resonator jeweils einen sättigbaren Absorber auf, um kurze und insbesondere ultrakurze elektromagnetische Pulse erzeugen zu können.
Darüber hinaus wird zumindest eine der oben genannten Aufgaben auch durch eine optische Anrege-/Abfrageanordnung mit einem Kurzpulslasersystem, so wie es zuvor beschrieben wurde, gelöst.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die optische Anrege-/Abfrageanordnung so eingerichtet, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, zum Anregen eines physikalischen Systems auf diese geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, zum Abfragen des physikalischen Systems auf dieses geleitet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine solche optische Anrege-/Abfrageanordnung ein THz-Zeitbereichsspektrometer, das so eingerichtet ist, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, auf einen Generator für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, auf einen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden.
Solche Generatoren und Detektoren für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich, welche entweder mit optischen Pulsen getrieben oder von diesen gegatet werden, sind insbesondere nichtlineare optische Kristalle und sogenannte photokonduktive oder photoleitfähige Schalter auf Basis von Halbleiterbauelementen.
Zumindest eine der oben genannten Aufgaben wird auch durch ein Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Pulse gelöst mit den Schritten: Bereitstellen eines ersten Resonators, der einen ersten Strahlengang und eine erste Resonatorlänge aufweist, Bereitstellen eines zweiten Resonators, der einen zweiten Strahlengang und eine zweite Resonatorlänge aufweist, und Bereitstellen genau eines Verstärkungsmedium sowohl in dem ersten Strahlengang des ersten Resonators, sodass ein elektromagnetischer Puls in dem ersten Resonator verstärkt wird, als auch in dem zweiten Strahlengang des zweiten Resonators, sodass ein elektromagnetischer Puls in dem zweiten Resonator verstärkt wird, Unterstützen genau eines ersten Polarisationszustandes in dem ersten Resonator und Unterstützen genau eines zweiten Polarisationszustandes in dem zweiten Resonator, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand zueinander orthogonal sind und Verändern der ersten und der zweiten Resonatorlänge relativ zueinander.
Soweit im folgenden Aspekte der Erfindung im Hinblick auf das Kurzpulslasersystem beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Pulse und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einem Kurzpulslasersystem gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist diese die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind Ausführungsformen des Kurzpulslasersystems zum Ausführen des Verfahrens zum Erzeugen elektromagnetischer Impulse geeignet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Kurzpulslasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
2a bis 2b zeigen Ausführungsformen von polarisationserhaltenden optischen Fasern.
In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
Das in 1 gezeigte Kurzpulslasersystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basiert auf optischen Fasern, welche für den Betrieb bei einer Wellenlänge von 1,55 μm ausgelegt sind.
Die verwendeten optischen Fasern sind sogenannte polarisationserhaltende Fasern mit einem Kern, auf den durch eine spezielle Ausgestaltung des Mantels der Fasern in einer Richtung gezielt Spannungen aufgebracht sind. Auf diese Weise breitet sich elektromagnetische Strahlung, welche parallel oder senkrecht zur Auszeichnungsrichtung in diese Fasern eingekoppelt wird, aus, ohne dass nennenswerte Anteile der Strahlung während der Ausbreitung durch die Faser von dem einen in den anderen Polarisationszustand übertragen werden. Das Gleiche gilt auch für die Ausbreitung von links- oder rechtszirkularen Polarisationszuständen. Mit anderen Worten ausgedrückt, gibt es in solchen polarisationserhaltenden Fasern kein Übersprechen zwischen den beiden von den zueinander orthogonalen Polarisationszuständen gebildeten Kanälen.
2a bis 2c zeigen Beispiele für derartige polarisationserhaltende Fasern, wie sie zum Aufbau des Faserlasersystems aus 1 alternativ verwendet werden können. Dabei zeigt 2a eine sogenannte Bow-Tie-Faser 1, bei welcher in den Fasermantel 2 zwei Strukturen 3 eingebracht sind, welche zusammen mit dem Kern 4 in der Schnittansicht an eine Fliege (Kleiderstück) erinnern. Die beiden Strukturen 3 im Mantel 2 der Faser 1 führen dazu, dass der Kern 4, welcher zentrisch in den Mantel 2 eingebettet ist, eine ausgezeichnete Achse aufweist, in welche beispielsweise linearpolarisierte elektromagnetische Strahlung polarisationserhaltend eingekoppelt werden kann.
2b zeigt eine alternative Ausführungsform einer solchen polarisationserhaltenden optischen Faser 1’, welche als Panda-Faser bezeichnet wird. Um eine entsprechende Spannung in dem Kern 4 aufzubauen, sind in den Mantel 2 der optischen Faser 1’ zwei Glasstränge 5 eingelassen, welche in etwa die gleiche Wirkung haben wie die fliegenartigen Strukturen 3 der Faser 1 aus 2a.
2c zeigt eine dritte Ausführungsform einer polarisationserhaltenden optischen Faser 1’’, bei welcher der Kern 4 innerhalb des Mantels 2 in eine elliptische Struktur 6 eingebettet ist, die dem Kern 4 die notwendige anisotrope Spannung aufprägt. Eine solche polarisationserhaltende optischer Faser 1’’ wird auch als Elliptical-Clad-Faser bezeichnet.
Durch die Ausbildung aller Faserkomponenten des Kurzpulslasersystems aus 1 als polarisationserhaltende Fasern weist das Kurzpulslasersystem aus 1 zwei zum Teil kopropagierende optische Kanäle auf, welche von zwei zueinander orthogonalen Polarisationen gebildet werden. Diese beiden Kanäle sind, obwohl sie zumindest abschnittsweise kopropagieren, derart voneinander getrennt, dass sie keine gegenseitige Beeinflussung und kein Übersprechen zwischen den beiden Kanälen erfahren. D.h. beide Kanäle bilden im Prinzip voneinander unabhängige Laser in einem einzigen System. Insbesondere werden beide Kanäle unabhängig voneinander verstärkt.
Der Einfachheit halber wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die beiden Kanäle von linear polarisierter elektromagnetischer Strahlung gebildet werden, wobei die beiden Kanäle zueinander orthogonale lineare Polarisationen aufweisen. In der 1 sind diese zueinander orthogonalen linearen Polarisationen durch einen Pfeil 10 bzw. einen zentrisch in einem Kreis angeordneten Punkt 11 gekennzeichnet. Dort wo der Pfeil und der in dem Kreis angeordnete Punkt beide zusammen dargestellt sind, bedeutet dies, dass beide Kanäle im gleichen Faserabschnitt kopropagieren, während an anderer Stelle in dem Kurzpulslasersystem nur eine der beiden Polarisationen in dem jeweiligen Faserabschnitt vorhanden ist.
Das dargestellte Kurzpulslasersystem besteht aus zwei Abschnitten, nämlich dem Faserlaser 14 und einem nachgeschalteten Verstärker 15. Der Laser 14 selbst wiederum verfügt über zwei Resonatoren, die einen gemeinsamen Strahlteiler 28 als Auskoppler, einen gemeinsamen Endspiegel 29 sowie jeweils einen Endspiegel 17a, 17b für die beiden Polarisationskanäle des Lasers 14 aufweisen.
Der Strahlteiler 28 ist so eingerichtet, dass nur ein geringer Anteil der Leistung der in den Resonatoren oszillierenden Laserpulse, vorliegend 3 % der in den Strahlteiler 28 eingekoppelten Leistung, aus dem Faserlaser 14 ausgekoppelt wird. Der überwiegende Anteil der Leistung verbleibt in den Resonatoren und wird vom Endspiegel 29 zurückreflektiert.
Das Verstärkungsmedium wird von einem Faserabschnitt 12 gebildet, der mit Hilfe einer optischen Pumpe 13 gepumpt wird, um die notwendige Verstärkung der in dem Laser 14 oszillierenden Strahlung bereitstellen zu können. Die Pumpstrahlung 13 wird mit Hilfe eines Wellenlängenmultiplexfaserkoppler 27 in den verstärkenden Faserabschnitt 12 eingekoppelt.
Während innerhalb eines Faserabschnitts zwischen dem Endspiegel 29 und einem polarisierenden Strahlteiler 18 beide Polarisationsmoden in der gleichen Faser des Lasers 14 kopropagieren, sind die beiden Polarisationskanäle hinter dem Polarisationsstrahlteiler 18 voneinander räumlich getrennt, d.h. sie werden dort in zwei voneinander verschiedenen Faserabschnitten 19 bzw. 20 geführt. Da der Faserabschnitt zwischen dem polarisierenden Strahlteiler 18 und dem Endspiegel 29 beide Polarisationskanäle exakt gleich lang ist, bestimmt der Längenunterschied zwischen den Faserabschnitten 19, 20, in welchen die Polarisationsmoden räumlich getrennt voneinander vorliegen, den Unterschied in der Repetitionsrate bzw. Wiederholfrequenz der Pulse der beiden Resonatoren hinter dem Auskoppler 28.
Herzstück des dargestellten Faserlasers 14 ist der Oszillator, in welchem sich beide Polarisationsmoden 10, 11 gleichzeitig in der gleichen Faser ausbreiten und der von einer optischen Pumpe 13 gepumpt wird, sodass die elektromagnetische Strahlung in der Faser eine Verstärkung erfährt.
Um eine Verstärkung der in der Faser oszillierenden Strahlung zu erzielen, ist der Faserabschnitt 12 zumindest abschnittsweise mit Seltenerdionen dotiert. In der dargestellten Ausführungsform ist der Faserabschnitt 12 erbiumdotiert, sodass sich eine Emissionswellenlänge des Faserlasers von ungefähr 1,55 μm ergibt.
Ziel des erfindungsgemäßen Kurzpulslasersystems ist es, die Längendifferenz und damit die Repetitionsrate des einen Resonators gegenüber dem anderen Resonator schnell abstimmen zu können. Dazu weist der Faserabschnitt 19, in welchen in der dargestellten Ausführungsform eine Polarisationsmode 11 geführt wird, welche senkrecht zu dem Blatt der Darstellung aus 1 steht, einen Faserstrecker 21 auf. Dieser Faserstrecker 21 besteht aus zwei Stützpfosten 22, die mit Hilfe eines Piezoelements in ihrem Abstand einstellbar und variierbar sind. Um die beiden Stützpfosten 22 herum sind mehrere Faserschlaufen des Abschnitts 19 gelegt, sodass eine Bewegung der beiden Stützpfosten 22 auseinander zu einer nennenswerten Längenänderung des Faserabschnitts 19 und damit zu einer Änderung der Repetitionsrate desjenigen Resonators erfolgt, dessen Polarisationsmode sich hinter dem Polarisationsstrahlteiler 18 in dem Faserabschnitt 19 ausbreitet.
Beide Endspiegel 17a, 17b der Resonatoren für die beiden zueinander senkrechten Polarisationsmoden sind als sättigbare Absorber ausgestaltet, um die Erzeugung kurzer elektromagnetischer Pulse zu unterstützen. Dabei dienen die sättigbaren Absorber 17a, 17b als passive optische Schaltelemente und damit zur passiven Güteschaltung der beiden Laserresonatoren. Die sättigbaren Absorber bestehen aus einem Material mit einem intensitätsabhängigen Absorptionskoeffizienten. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei den sättigbaren Absorbern um Halbleiterbauelemente, nämlich einen SESAM (engl. Semiconductor Saturable Absorber Mirror), welcher sowohl als sättigbarer Absorber dient als auch als Reflektor bzw. Spiegel. Das Material des sättigbaren Absorbers wird erst bei Erreichen einer bestimmten Intensitätsschwelle reflektierend, sodass der Laser erst bei Erreichen einer hohen Inversion innerhalb des Verstärkungsmediums anschwingt und dann die gesamte Inversion mit einem kurzen Puls hoher Leistung abgeräumt wird. Der sättigbare Absorber schaltet dann die Güte des Resonators wieder unter die Laserschwelle, sodass erneut eine hohe Besetzungsinversion in dem Verstärkungsmedium 12 aufgebaut werden kann.
Der dem eigentlichen Laser 14 nachgestaltete Verstärker 15, welcher ebenfalls mit einer optischen Pumpe 23 gepumpt ist, verstärkt die in den Resonatoren des Lasers 14 erzeugten kurzen Pulse in einem als Verstärkungsmedium realisierten Faserabschnitt 30 nach, sodass diese noch eine höhere Leistung erlangen. Auch in dem Faserverstärker 14 bzw. dessen Verstärkungsmedium 30 kopropagieren beide Polarisationsmoden in der gleichen Faser.
Wie im Faselaser 14 wird auch im Faserverstärker 15 die Pumpstrahlung 23 über zwei Wellenlängenmultiplexfaserkoppler 31 in die verstärkende Faser 30 ein- bzw. aus dieser ausgekoppelt.
Zwischen dem Faserlaser 14 und dem Faserverstärker 15 ist zudem eine optische Diode 16 angeordnet, welche eine Rückkopplung von elektromagnetischer Strahlung aus dem Verstärker 15 in den Laser 14 verhindert.
Der Ausgang des Faserverstärkers 15 und damit des Kurzpulslasersystems wird von einem Polarisationsstrahlteiler 24 gebildet, welcher die beiden Polarisationskanäle des Kurzpulslasersystems auf zwei räumlich getrennte Kanäle aufteilt. Diese beiden Ausgänge 25, 26 des Kurzpulslasersystems können dann dazu verwendet werden, ein optisches System mit einem Anregepuls und einem Abfragepuls 26 zu versehen.
In der dargestellten Ausführungsform wird mit Hilfe des ersten Ausgangs 25 ein photokoduktiver Schalter (nicht dargestellt) zum Erzeugen von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich geschaltet und der zweite Ausgang 26 des Kurzpulslasersystems gatet eine zugehörige Empfangsantenne für die THz-Strahlung, sodass das elektrische Feld der von dem Puls des ersten Ausgangs 25 erzeugten THz-Strahlung zeitaufgelöst abgetastet wird.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1, 1’, 1’’: polarisationserhaltende Faser
2: Mantel
3: Strukturen
4: Kern
5: Glasstränge
6: elliptische Struktur
10: erster Polarisationszustand
11: zweiter Polarisationszustand
12: verstärkender Faserabschnitt des Faserlasers 14
13, 23: Pumpe
14: Faserlaser
15: Faserverstärker
16: optische Diode
17a, 17b: Endspiegelr
18, 24: Polarisationsstrahlteiler
19, 20: Faserabschnitte
21: Faserstrecker
22: Stützpfosten
25: erster Ausgang (Anregepuls)
26: zweiter Ausgang (Abfragepuls)
27: Wellenlängenmultiplexfaserkoppler des Faserlasers 14
28: Strahlteiler als Auskoppler des Faserlasers 14
29: Endspiegel des Faserlasers 14
30: verstärkender Faserabschnitt des Faserverstärkers 15
31: Wellenlängenmultiplexfaserkoppler des Faserverstärkers 15

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Y. Kim und D. Yee: „High-speed terahertz time-domain spectroscopy based on electronically controlled optical sampling“, Optics Letters, Band 35, Nr. 22, November 2010 [0010]

Claims

Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse mit einem ersten Resonator, der einen ersten Strahlengang und eine erste Resonatorlänge aufweist, einem zweiten Resonator, der einen zweiten Strahlengang und eine zweite Resonatorlänge aufweist, und einem Verstärkungsmedium (12), wobei das Verstärkungsmedium (12) sowohl in dem ersten Strahlengang des ersten Resonators, sodass es elektromagnetische Pulse in dem ersten Resonator verstärkt, als auch in dem zweiten Strahlengang des zweiten Resonators, sodass es elektromagnetische Pulse in dem zweiten Resonator verstärkt, angeordnet ist, wobei der erste Resonator so eingerichtet ist, dass er genau einen ersten Polarisationszustand (11) der elektromagnetischen Pulse unterstützt, und der zweite Resonator so eingerichtet ist, dass er genau einen zweiten Polarisationszustand (12) unterstützt, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand (11, 12) zueinander orthogonal sind und wobei der erste und der zweite Resonator so eingerichtet sind, dass die erste und die zweite Resonatorlänge relativ zueinander veränderbar sind.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Resonator oder der zweite Resonator einen Abschnitt (19, 20) aufweist, der nur in dem einen Strahlengang und nicht in dem anderen Strahlengang liegt, sodass eine der Resonatorlängen unabhängig von der anderen Resonatorlänge veränderbar ist.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Resonator oder der zweite Resonator einen Reflektor aufweist, der angetrieben bewegbar befestigt ist, sodass die Resonatorlänge veränderbar ist.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Resonator oder der zweite Resonator zumindest abschnittsweise einen Lichtleiter aufweist, dessen Länge veränderbar ist, sodass die erste Resonatorlänge veränderbar ist.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzpulslasersystem einen Faserlaser (14) mit einer polarisationserhaltenden optischen Faser umfasst.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserlaser (14) einen Polarisationsstrahlteiler (18) aufweist, sodass innerhalb des Kurzpulslasersystems zwei voneinander räumlich getrennte Strahlengänge (19, 20) des ersten und des zweiten Resonators mit zueinander senkrechter Polarisation (10, 11) erzeugt werden.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzpulslasersystem einen in dem ersten und/oder in dem zweiten Strahlengang liegenden Faserverstärker (15) aufweist.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzpulslasersystem einen Ausgang mit einem Polarisationsstrahlteiler (24) aufweist, sodass außerhalb des Kurzpulslasersystems zwei Strahlengänge (25, 26) mit zueinander orthogonaler Polarisation (10, 11) erzeugt werden.
Kurzpulslasersystem zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Resonator jeweils einen sättigbaren Absorber (17a, 17b) aufweisen.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung mit einem Kurzpulslasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anrege-/Abfrageanordnung so eingerichtet ist, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, zum Anregen eines physikalischen Systems auf dieses geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, zum Abfragen des physikalischen Systems auf dieses geleitet werden.
Optische Anrege-/Abfrageanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anrege-/Abfrageanordnung so eingerichtet ist, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, auf einen Generator für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, auf einen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden.
Verfahren zum Erzeugen elektromagnetischer Pulse mit den Schritten Bereitstellen eines ersten Resonators, der einen ersten Strahlengang und eine erste Resonatorlänge aufweist, Bereitstellen eines zweiten Resonators, der einen zweiten Strahlengang und eine zweite Resonatorlänge aufweist, und Bereitstellen genau eines Verstärkungsmedium (12) sowohl in dem ersten Strahlengang des ersten Resonators, sodass ein elektromagnetischer Puls in dem ersten Resonator verstärkt wird, als auch in dem zweiten Strahlengang des zweiten Resonators, sodass ein elektromagnetischer Puls in dem zweiten Resonator verstärkt wird, Unterstützen genau eines ersten Polarisationszustandes (11) in dem ersten Resonator und Unterstützen genau eines zweiten Polarisationszustandes (12) in dem zweiten Resonator, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand (11, 12) zueinander orthogonal sind und Verändern der ersten und der zweiten Resonatorlänge relativ zueinander.