DE102013219338A1

DE102013219338A1 - Verfahren und Vorrichtung zur direkten Stabilisierung der Carrier-Envelope-Phase eines Laserverstärkersystems

Info

Publication number: DE102013219338A1
Application number: DE201310219338
Authority: DE
Inventors: Tadas Balciunas; Günter Steinmeyer; Andrius Baluska
Original assignee: Technische Universitaet Wien; Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Technische Universitaet Wien; Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2013-09-25
Filing date: 2013-09-25
Publication date: 2015-03-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zum Stabilisieren einer Carrier-Envelope-Frequenz eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse einer Kurzpulslaserstrahlung. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Schritte: Erfassen eines ersten Eingangssignals als Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (SCE; 32), aus welchem die Carrier-Envelope-Frequenz des Zuges (5) kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, Erfassen eines zweiten Eingangssignals als Repetitionssignal (SREP; 62), aus welchem die Repetitionsrate (fAMP) des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse oder eine Harmonische der Repetitionsrate (n·fAMP) des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, Synthetisieren eines elektronischen Steuersignals (SAOFS; SAOFS1; 200) aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (SCE) und dem Repetitionssignal (SREP) und Einwirken mit dem Steuersignal auf ein optisches Element (300, 310; 400, 410), welches die Carrier-Envelope-Frequenz beeinflusst, wobei das Erfassen des ersten oszillierenden Eingangssignals, ein Ableiten des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals (SCE) aus einem Anteil (15; 451) des Zuges (350; 530) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines kompensierten Zugs zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse aus einem Laserverstärkersystem, dessen Frequenzkamm Einzellinien umfasst, deren Carrier-Envelope-Frequenz auf einen vorgegebenen Wert stabilisiert wird, sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Zugs solcher kurzer Laserpulse.
Ein Zug kurzer Laserpulse mit Pulsfolgefrequenz f_OSC lässt sich mit einem so genannten modengekoppelten Laser erzeugen. Wählt man aus diesem hochrepetierenden Pulszug Einzelpulse bei einer niedrigeren Pulsfolgefrequenz f_AMP aus, so lassen sich deren Energie und Spitzenleistung in einem Laserverstärker gegenüber den ursprünglichen erzeugten Pulsen wesentlich erhöhen, ohne hierfür eine höhere mittlere Leistung erzeugen zu müssen. Weist der ursprünglich erzeugte Pulszug beispielsweise eine Einzelpulsenergie von 10 nJ bei einer Wiederholrate von 100 MHz auf, so ermöglicht eine Reduktion der Wiederholrate auf 1 kHz mit anschließender Nachverstärkung auf die vormalige mittlere Leistung von 1 W eine Steigerung der Einzelpulsenergie auf 1 mJ, wobei gleichzeitig die Spitzenleistung um einen Faktor 100000 gesteigert wird. Weist der Oszillatorpuls beispielsweise eine Spitzenleistung von 100 kW auf, so wird nach der Verstärkung ein Wert von 10 GW erreicht, was bei Fokussierung dieser Laserstrahlung ausreicht, um sämtliche Materie im Fokusbereich zu ionisieren.
Bei diesen durch mehrere Photonen gleichzeitig ausgelösten Ionisationsprozessen und anderen nichtlinearen Prozessen hoher Ordnung zeigt sich eine Abhängigkeit der Ionisationseffizienz von der genauen Phasenlage des elektrischen Trägerfeldes relativ zur Intensitätseinhüllenden. Diese Phasenlage wird als Carrier-Envelope-Phase φ_CE bezeichnet. Des Weiteren existieren zahlreiche Anwendungen kurzer Laserpulse, wie z. B. die Erzeugung von Attosekundenpulsen im tiefen ultravioletten Spektralbereich, die eine Kontrolle dieser Carrier-Envelope-Phase φ_CE erforderlich machen. Es ist aus der Literatur bekannt, dass bei Laseroszillatorsystemen ohne aktive Stabilisierungs- oder Regelungsmaßnahmen die Carrier-Envelope-Phase sich im zeitlichen Verlauf ändert. Man spricht davon, dass die Carrier-Envelope-Phase driftet. Somit ist bei solchen nicht stabilisierten Lasersystemen eine Ausnutzung der Phasenabhängigkeit der genannten hoch nichtlinearen Prozesse nicht möglich.
Während man bei einer Betrachtung auf einer kurzen Zeitskala im Nanosekundenbereich feststellt, dass die Phasendifferenz Δφ_CE zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen im Rahmen der erreichbaren Messgenauigkeit nahezu konstant ist, zeigt sich bei einer Betrachtung auf einer Mikrosekundenzeitskala ein zunehmender Einfluss von verschiedenen Dephasierungseffekten dergestalt, dass die Carrier-Envelope-Phasendifferenzen zwischen den Eingangs- als auch den Ausgangspulsen des optischen Verstärkers keineswegs mehr konstant sind.
Im Stand der Technik wird diesem Problem stets mit einem zweistufigen Stabilisierungsverfahren begegnet. Hierzu wird zunächst die Puls-zu-Puls-Phasenänderung Δφ_CE bzw. die zugehörige sogenannte Carrier-Envelope-Frequenz f_CE= f_OSC Δφ_CE/2π im hochrepetierenden Laseroszillator oder an dem erzeugten Zug zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse gemessen. Verfahren hierfür sind dem Fachmann aus der Literatur bekannt. Insbesondere werden zur Messung der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE ein sogenanntes f-2f-Interferometer, wie es beispielsweise bei H. R. Telle et al., Applied Physics B 69, Seiten 327ff., 1999, beschrieben ist, oder ein sogenanntes 0-f-Interferometer, wie es beispielsweise bei T. Fuji, et al., Opt. Lett. 30, Seiten 332, 2005 beschrieben ist, verwendet. Ziel dieser ersten Stabilisierungsstufe ist es, den Wert der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE entweder durch Rückwirkung auf den Laseroszillator, wie dieses in der DE 1991103 A1 beschreiben ist, oder durch Manipulation des Pulszuges in einer akustooptischen Komponente, wie dieses in der WO 2010/063051 A1 gezeigt ist, auf eine Subharmonische der Pulsfolgefrequenz f_OSC/N oder auf null zu stabilisieren, wobei N einen sogenannten Vorteilungsfaktor angibt. Der Vorteilungsfaktor N ist als eine ganze Zahl derart zu wählen, dass ein weiterer ganzzahliger Teilungsfaktor M existiert, so dass eine weitere Teilung der Frequenz f_OSC/N um einen weiteren ganzzahligen Faktor M die Verstärkerwiederholrate f_AMP = f_OSC/(N M) ergibt. Durch diese Wahl ist dann gewährleistet, dass alle Verstärkereingangspulse die gleiche Carrier-Envelope-Phase φ_CE aufweisen. Die Verstärkerwiederholrate f_AMP gibt hierbei die Frequenz an, mit der in zeitlich gleichen Abständen verstärkte Laserpulse erzeugt werden.
In Abwesenheit von Phasendrifteffekten innerhalb des Verstärkers weisen auch Ausgangspulse des optischen Verstärkers eine konstante Carrier-Envelope-Phase auf. In der Literatur ist jedoch hinlänglich beschrieben, dass verschiedene Phasendrift-Effekte innerhalb des Verstärkers, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen, Pumpenergiefluktuationen, Strahlrichtungsschwankungen, siehe beispielsweise bei F. W. Helbing et al., Applied Physics B 74, Seite 35 ff., 2002, zumindest auf einer Zeitskala von einigen Sekunden weitere korrigierende Maßnahmen zur Aufrechterhaltung der Carrier-Envelope-Phasenstabilisierung erfordern. Diese zweite Stabilisierung erfordert im Stand der Technik eine zweite unabhängige Messung der Carrier-Envelope-Phase der verstärkten Pulse. Verfahren hierfür sind beispielsweise bei M. Kakehata et al., Optics Letters 26, 1436 (2001), bei M. Mehendale et al., Optics Letters 25, 1672 (2000)., bei G. G. Paulus et al., Nature 414, 282 (2001) oder bei S. Koke et al., Optics Letters 33, 2545 (2008) beschrieben. Aus dem gemessenen Wert der Carrier-Envelope-Phase kann dann beispielsweise auf die Laseroszillatorstabilisierung dergestalt rückgewirkt werden, dass sich im Ausgang des Verstärkers Pulse mit stabiler Carrier-Envelope-Phase ergeben. Alternativ kann durch Positionsveränderung von Keilprismen, wie bei K. Osvay et al., Optics Letters 33, 2704 (2008) beschreiben ist, oder, falls der optische Verstärker einen Gitterkompressor besitzt, durch Manipulation der Position eines Gitters in dem Gitterkompressor, wie dieses in der WO 2007/149956 A2 beschrieben ist, ebenfalls ein Ausgleich der langsamen Phasendrifteffekte erreicht werden.
Obschon der beschriebene Lösungsweg vielfach in der Literatur demonstriert wurde, ist er durch die Verschachtelung zweier Regelschleifen sowie durch die Notwendigkeit zweier unabhängiger Carrier-Envelope-Phasen-Messapparaturen relativ komplex. Des Weiteren ist der zweistufige Lösungsweg keineswegs für alle denkbaren Kurzpuls-Laseroszillator-Verstärkersysteme anwendbar. Ein inhärentes Problem der Laseroszillatorstabilisierung mit den genannten 0-f- oder f-2f-Interferometern ist die Notwendigkeit eines oktavenspannenden optischen Eingangspulses. Diese Bedingung erfordert es, dass in dem Spektrum des optischen Eingangspulses spektrale Komponenten enthalten sind, deren Eingangsfrequenzen mindestens das Verhältnis 1:2 betragen, also eine optische Oktave auseinander liegen. Nur wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann durch Heterodynvergleich des fundamentalen Signals bei einer optischen Frequenz 2f₀ mit einem frequenzverdoppelten Signal der Frequenz f₀ ein Überlagerungssignal erzeugt werden, aus dem ein elektronisches Heterodynsignal mit einem für eine Stabilisierung ausreichenden Signal-zu-Rausch-Verhältnis abgeleitet werden kann.
Obwohl eine direkte Stabilisierung von oktavenspannenden Lasern im Labor demonstriert werden konnte, ist es im Allgemeinen erforderlich, das Ausgangsspektrum des modengekoppelten Laseroszillators durch geeignete nichtlineare optische Prozesse zunächst zu verbreitern, um die Oktavenbedingung zu erfüllen. Falls nur eine geringe Verbreiterung erforderlich ist, kann die Oktavenbedingung bereits durch Selbstphasenmodulation in einem dielektrischen optischen Material erfüllt werden. Sehr viel effizienter ist hingegen die Superkontinuumserzeugung in mikrostrukturierten optischen Fasern oder photonischen Kristallfasern. Dieser Prozess ist geeignet, die Oktavenbedingung zu erfüllen, selbst wenn die Eingangspulse nur wenige Nanometer Bandbreite überspannen und Energien von weniger als einem Nanojoule aufweisen.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Erfüllung der Oktavenbedingung keineswegs immer ausreichend für eine erfolgreiche Stabilisierung der Carrier-Envelope-Phase ist. So kann beispielsweise die Carrier-Envelope-Phase von Laserpulsen eines Ti:Saphirlasers, deren Pulsdauer 10 fs beträgt und deren spektrale Breite größer als 100nm ist, nach einer Verbreiterung der spektralen Breite in einer Mikrostrukturfaser problemlos stabilisiert werden. Aus der Literatur ist hingegen kein einziges Beispiel einer erfolgreichen Stabilisierung der Carrier-Envelope-Phase von Laserpulsen eines Ti:Saphir-Lasers mit einer Pulsbreite von mehr als 100 fs und einer entsprechend geringeren spektralen Bandbreite bekannt. Als Ursache hierfür wurden Kohärenzeigenschaften des in Mikrostrukturfasern erzeugten Superkontinuums identifiziert, die einen oberen Grenzwert für eine förderliche spektrale Verbreiterung in Mikrostrukturfasern setzen, wie bei J. M. Dudley et al., Reviews of Modern Physics 78, 1135, 2006 beschrieben ist. Wird dieser Grenzwert überschritten, so resultiert der einhergehende Kohärenzverlust zwischen der f₀- und der 2f₀-Komponente in einem zusätzlichen Rauschbeitrag in dem gemessenen Heterodynsignal, der schließlich eine Stabilisierung unmöglich macht. Aufgrund dieser Probleme konnten bislang nur bestimmte Typen von modengekoppelten Lasern erfolgreich hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert werden, wohingegen für eine große Klasse von modengekoppelten Lasern kein für eine Stabilisierung ausreichendes Signal-Rauschverhältnis von größer 30 dB in 100 kHz Bandbreite des Überlagerungssignals (Heterodynsignals) erreicht werden konnte (siehe beispielsweise C. J. Saraceno et al., Opt. Express 20, 9650–9656 (2012)). Insbesondere hat es sich bislang als unmöglich erwiesen, hocheffiziente und direkt mit Dioden pumpbare Ytterbium-dotierte Materialien für phasenstabilisierte Laser zu verwenden.
Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die Carrier-Envelope-Phase einer großen Klasse von Laserverstärkersystemen in möglichst einfacher technischer Weise stabilisiert werden kann und deren Carrier-Envelope-Phasenstabilisierung insbesondere nicht durch Kohärenzprobleme bei der spektralen Verbreiterung zur Erzeugung eines rauscharmen Heterodynsignals limitiert ist.
Die technische Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein Hochfrequenzschwebungssignal zwischen zwei verschiedenen optischen Harmonischen direkt im Ausgang des optischen Verstärkers zu erzeugen und durch geeignete Frequenzsynthese ein Treibersignal für ein optisches Element zur Beeinflussung der Carrier-Envelope-Frequenz zu erzeugen, insbesondere ein Treibersignal für einen akustooptischen Frequenzschieber so zu erzeugen, dass die im Hochfrequenzschwebungssignal gemessenen Carrier-Envelope-Phasen-Schwankungen in der ersten Beugungsordnung im Ausgang dieses Frequenzschiebers ausgeglichen werden, so dass ein Pulszug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse mit fester Carrier-Envelope-Phase entsteht.
Es wird somit ein Verfahren zum Stabilisieren einer Carrier-Envelope-Frequenz eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse einer Kurzpulslaserstrahlung vorgeschlagen, der mittels eines Verstärkens eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse erzeugt ist, wobei die kurzen verstärkten Laserpulse eine höhere Pulsenergie als die kurzen unverstärkten Laserpulse aufweisen, und das Verfahren die Schritte umfasst:
Erfassen eines ersten Eingangssignals als Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE, aus welchem die Carrier-Envelope-Frequenz des Zuges kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist,
Erfassen eines zweiten Eingangssignals als Repetitionssignal S_REP, aus welchem die Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse oder eine Harmonische der Repetitionsrate n·f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist,
Synthetisieren eines elektronischen Steuersignals S_AOFS aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE und dem Repetitionssignal S_REP und
Einwirken mit dem Steuersignal auf ein optisches Element, welches die Carrier-Envelope-Frequenz beeinflusst,
wobei das Erfassen des ersten Eingangssignals, ein Ableiten des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE aus einem Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse umfasst.
Ferner wird eine Vorrichtung zum Erzeugen von Laserstrahlung in Form eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse mit einer stabilisierten Carrier-Envelope-Frequenz geschaffen, welche umfasst:
einen Kurzpulslaser zum Erzeugen eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse;
einen optischen Verstärker zum Erzeugen eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse; und
eine Stabilisierungseinrichtung mit
einem optischen Element zum Beeinflussen der Carrier-Envelope-Frequenz sowie einem Synthesizer,
der einen ersten Eingang zum Erfassen eines ersten Eingangssignals als Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE, aus welchem die Carrier-Envelope-Frequenz des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist,
einen zweiten Eingang zum Erfassen eines zweiten Eingangssignals als Repetitionssignal S_REP, aus welchem die Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse oder eine Harmonische der Repetitionsrate n·f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, und einen Ausgang umfasst
und ausgebildet ist, ein Steuersignal aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE und dem Repetitionssignal S_REP zu synthetisieren und an dem Ausgang der Stabilisierungseinrichtung bereitzustellen,
wobei das optische Element mit dem Ausgang der Stabilisierungseinrichtung verbunden ist, und ausgebildet ist, die Carrier-Envelope-Frequenz bei einem Einwirken des Steuersignals auf das optische Element zu beeinflussen,
wobei der erste Eingang zum Erfassen des ersten Eingangssignals mit der Laserstrahlung so gekoppelt ist, dass das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE aus einem Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abgeleitet ist.
Schließlich wird eine Stabilisierungseinrichtung mit
einem optischen Element zum Beeinflussen der Carrier-Envelope-Frequenz sowie einem Synthesizer geschaffen,
der einen ersten Eingang zum Erfassen eines ersten Eingangssignals als Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE, aus welchem die Carrier-Envelope-Frequenz des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist,
einen zweiten Eingang zum Erfassen eines zweiten Eingangssignals als Repetitionssignal S_REP, aus welchem die Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse oder eine Harmonische der Repetitionsrate n·f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, und einen Ausgang umfasst
und ausgebildet ist, ein Steuersignal aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE und dem Repetitionssignal S_REP zu synthetisieren und an dem Ausgang der Stabilisierungseinrichtung bereitzustellen,
wobei das optische Element mit dem Ausgang der Stabilisierungseinrichtung verbunden ist und ausgebildet ist, die Carrier-Envelope-Frequenz bei einem Einwirken des Steuersignals auf das optische Element zu beeinflussen,
wobei der erste Eingang zum Erfassen des ersten Eingangssignals mit der Laserstrahlung so für eine Kopplung vorgesehen ist, dass das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE aus einem Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abgeleitet ist.
Da die Repetitionsrate f_AMP der Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse eine Subharmonische 1/N·f_OSC der Repetitionsfrequenz der Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse ist, ist auch jede Harmonische k·f_OSC der Repetitionsfrequenz des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse eine Harmonische n·f_AMP = k·f_OSC der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquidistanter verstärkter Laserpulse. Hierbei gilt k = n/N, wobei k, n und N natürliche Zahlen sind. Das Repetitionssignal S_REP kann somit auch aus dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse abgeleitet werden. Bei einer Ausführungsform wird das Repetitionssignal S_REP aus dem optischen Signal des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse abgeleitet. Allgemein sind Formulierung wie die „Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse“ zu verstehen als die „Repetitionsrate der Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse“. Die Begriffe Repetitionsrate, Repetitionsfrequenz, Wiederholrate und Wiederholfrequenz sind hier als Synonyme verwendet.
Technisch wird das Hochfrequenzschwebungssignal vorzugsweise durch Weißlichterzeugung in einem Volumenmaterial, anschließende Frequenzverdopplung oder Differenzfrequenzerzeugung eines Teils oder der gesamten Bandbreite des erzeugten Weißlichtspektrums und anschließender Überlagerung der verschiedenen Laserharmonischen auf einem photoempfindlichen Detektor erzeugt.
Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass das Erfassen des ersten oszillierenden Eingangssignals, dass Erzeugen eines als Heterodynsignal bezeichneten Schwebungssignals umfasst, dessen eine Frequenzkomponente sich als eine Summe oder eine Differenz einer Carrier-Envelope-Frequenz einerseits und andererseits der Repetitionsrate oder einer Harmonischen der Repetitionsrate der Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ausdrücken lässt.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht somit vor, dass das Erfassen des ersten Eingangssignals eine Weißlichterzeugung in einem Volumenmaterial umfasst. Eine geeignete Vorrichtung umfasst somit ein dielektrisches Volumenmaterial, auf welches zumindest ein Anteil eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse geführt ist, um eine Weislichterzeugung für die verstärkten Laserpulse zu bewirken. Die Verwendung eines dielektrischen Volumenmaterials wie beispielsweise Saphir zur spektralen Verbreiterung verbessert hierbei maßgeblich die Kohärenzeigenschaften des erzeugten Weißlichts gegenüber der Verwendung von Mikrostrukturfasern oder photonischen Kristallfasern. Des Weiteren erlaubt die Verbreiterung in Volumenmaterialien die Erzeugung von Weißlichtpulsen mit sehr viel höheren Pulsenergien, als es Fasern tun, was es ermöglicht ein großes schrotrauschlimitiertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis des Schwebungssignals zu erhalten.
Bei einer Ausführungsform wird somit Saphir als dielektrisches Volumenmaterial verwendet, um die Weißlichterzeugung auszuführen.
Das Heterodynsignal wird vorzugsweise in einem f-2f-Interferometer oder einem 0-f-Interferometer gebildet. Daher sieht eine Ausführungsform der Vorrichtung vor, dass die Stabilisierungseinrichtung ein f-zu-2f-Interferometer oder ein 0-f-Interferometer zum Erzeugen eines als Heterodynsignal bezeichneten Schwebungssignals umfasst, dessen eine Frequenzkomponente sich als eine Summe oder eine Differenz einer Carrier-Envelope-Frequenz und der Repetitionsrate oder einer Harmonischen der Repetitionsrate der Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ausdrücken lässt, wobei das f-2f-Interferometer oder das 0-f-Interferometer so angeordnet sind, dass ein Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse auf das f-zu-2f-Interferometer oder das 0-f-Interferometer geführt ist.
Das f-2f oder 0-f Interferometer wird vorzugsweise in kollinearer Geometrie ausgeführt, was es erlaubt etwaige Driftprobleme nichtkollinearer Interferometer zu vermeiden. Die technische Umsetzung der Schwebungssignalerzeugung kann zudem einen Ausgleich der bei der Weißlichterzeugung und nichtlinearen Konversion entstandenen Gruppenlaufzeitdifferenzen erfordern, der vorzugsweise in einem geeigneten doppelbrechenden linearen optischen Material erfolgt und der zusätzlich durch die Einfügung von Keilprismen in den Strahlengang feinabgestimmt werden kann.
Bei Erzeugung des optischen harmonischen Signals mit einer anderen Polarisation als der des optischen Eingangssignals ist es zusätzlich nötig einen Polarisator in den Strahlengang einzufügen, um ein Überlagerungssignal zu generieren. Für die Ausführung der Erfindung kann es zudem vorteilhaft sein, durch geeignete Filterung die spektrale Bandbreite des Überlagerungssignals vor der optoelektronischen Wandlung in ein elektronisches Signal geeignet einzuengen, um eine Sättigung des verwendeten photoempfindlichen Detektors zu vermeiden und um Schrotrauschen zu minimieren.
Das mittels des f-2f oder 0-f Interferometers erzeugte Heterodynsignal besteht nach einer Wandlung in ein elektronisches Signal, das elektronische Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE, aus kurzen elektronischen Impulsen mit einer Wiederholrate f_AMP, die der Wiederholrate (auch als Repetitionsrate bezeichnet) der Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter verstärkter Laserpulse entspricht, der nach der Weißlichterzeugung und Frequenzverdopplung auf das entsprechende Interferometer geführt ist. Auf dieses elektronische Signal ist zusätzlich eine Schwebung mit der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE als Amplitudenmodulation aufgeprägt, wobei hier die Carrier-Envelope-Frequenz f_CE maßgeblich ist, die mit den Laserpulsen korrespondiert, die auf das entsprechende Interferometer geführt sind.
Bei einer spektralen Analyse mit einem Hochfrequenz-Spektrumanalysator führt dieser zeitliche Signalverlauf zu einem Satz von 3 überlagerten Frequenzkämmen, deren Einzelkomponenten jeweils einen Frequenzabstand von f_AMP aufweisen. Der erste dieser Kämme besteht aus den sogenannten Intermode-Überlagerungssignalen bei Frequenzen n f_AMP, wobei n jeweils eine ganze Zahl größer oder gleich null ist. Des Weiteren tritt durch die Überlagerung der beiden Harmonischen im f-2f- oder 0-f-Interferometer ein Kamm von Frequenzen bei f_CE + nf_AMP auf sowie ein dritter Kamm bei den zugehörigen Spiegelfrequenzen –f_CE + nf_AMP. Die elektronische Bandbreite des verwendeten photoempfindlichen Detektors gibt dabei vor, bis zu welchem n noch Kammkomponenten nachgewiesen werden können. Prinzipiell kann nun jede einzelne Kammkomponente f_CE + nf_AMP, deren Frequenz innerhalb der Bandbreite eines akustooptischen Frequenzschiebers liegt, nach geeigneter Filterung und Verstärkung direkt als elektronisches Treibersignal für denselbigen verwendet werden, um das optische Signal des Verstärkers zu niedrigeren Frequenzen derart zu verschieben, dass jeder optische Puls die gleiche Carrier-Envelope-Phase aufweist.
Der optische Pulszug aus dem Verstärker kann nun im Frequenzbild ebenfalls als Frequenzkamm mit Einzelkomponenten f_CE + mf_AMP aufgefasst werden, wobei m wiederum eine ganze Zahl ist, deren Wertebereich durch die optische Bandbreite des Pulszuges gegeben ist. Die akustooptische Differenzfrequenzerzeugung führt nun zur Synthese eines offsetfreien optischen Kamms mit Einzelfrequenzen (m-n)f_AMP. Ein solcher offsetfreier Kamm weist von Puls zu Puls eine konstante Carrier-Envelope-Phase auf und ist somit phasenstabilisiert. Wird nun anstelle einer akustooptischen Differenzfrequenzerzeugung eine entsprechende Summenfrequenzerzeugung betrieben, so können wiederum eine ausgewählte Spiegelfrequenz –f_CE + nf_AMP nach Filterung und Verstärkung als Treibersignal für den akustooptischen Modulator oder akustooptischen Frequenzschieber verwendet werden, um ebenfalls wieder einen offsetfreien optischen Kamm zu erzeugen und das Problem der Carrier-Envelope-Phasenstabilisierung des Zuges verstärkter Laserpulse geeignet zu lösen.
In beiden diskutierten Fällen, der akustooptischen Differenzfrequenzerzeugung und der akustooptischen Summenfrequenzerzeugung, sind lediglich eine schmalbandige Filterung zur Selektion genau einer Kammfrequenz aus dem Heterodynsignal oder seiner Spiegelfrequenz sowie eine nachfolgende Verstärkung erforderlich. An dieser Stelle wird ausgenutzt, dass es ausreichend ist, wenn das Steuersignal so synthetisiert wird, dass für Laserpulse mit der Wiederholrate f_AMP des Verstärkerpulszugs eine Phasenstabilisierung möglich ist. Da jedoch die Oszillationsrepetitionsrate f_OSC und deren Harmonische k·f_OSC ebenfalls Harmonische der Wiederholrate (Repetitionsrate) der Verstärkung sind, tritt auch eine Stabilisierung ein, wenn die Frequenz des Steuersignals als einen Summanden die Harmonische der Laseroszillationsfrequenz f_OSC oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon aufweist, d. h. wenn sich die Frequenz des Steuersignals schreiben lässt als ±f_CE + m·f_AMP + k·f_OSC, da aufgrund der Vorteilung für die Verstärkung um den Faktor N gilt, dass N·f_AMP = f_OSC, existiert allgemein eine natürliche Zahl n, so dass k·f_OSC = n·f_AMP gilt.
Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass das Synthetisieren des Steuersignals ein schmalbandiges Filtern des elektronischen Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE umfasst, um eine Frequenzkomponente zu selektieren (filtern), deren Frequenz additiv oder subtraktiv einerseits durch die Carrier-Envelope-Frequenz f_CE und andererseits entweder durch die Repetitionsrate f_AMP oder eine Harmonische der Repetitionsrate n·f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse festgelegt ist.
Eine Ausführungsform sieht daher vor, dass der Synthesizer einen schmalbandigen Bandpassfilter in Form eines Quarzfilters umfasst, um im Signalverarbeitungspfad des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE eine Frequenzkomponente zu selektieren, deren Frequenz additiv oder subtraktiv einerseits durch die Carrier-Envelope-Frequenz f_CE und andererseits entweder durch die Repetitionsrate f_AMP oder eine Harmonische der Repetitionsrate n·f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse festgelegt ist.
Möglich ist es direkt eine geeignete Frequenzkomponente auszuwählen, die im Arbeitsbereich des optischen Elements, insbesondere also in dem Arbeitsbereich eines akustooptischen Frequenzschiebers liegt. Vorzugsweise filtert man jedoch die geeignete Treiberfrequenz nicht direkt aus dem gemessenen Heterodynsignal heraus, sondern isoliert zunächst eine geeignete Kammfrequenz bei möglichst niedrigem n also beispielsweise f_CE oder f_AMP – f_CE. Dieses hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, da bei Detektion der 3 elektronischen Frequenzkämme mit hoher Bandbreite das Messsignal jeweils auf eine Vielzahl von Einzelmoden verteilt wird, die jede für sich zum Schrotrauschen beitragen, wobei aber nur eine einzelne Signalfrequenz wirklich benötigt wird. Dieses führt unweigerlich zu einem relativ schlechten Signal-Rausch-Verhältnis. Sehr viel günstiger ist es daher, einen großflächigen und relativ langsamen photoempfindlichen Detektor zu verwenden, dessen Hochfrequenzbandbreite etwa der Repetitionsrate des Verstärker-Pulszugs entspricht. Im günstigsten Fall tritt dann im Messsignal nur noch eine Frequenzkomponente bei f_CE oder f_AMP – f_CE auf, und alle höheren Moden des elektronischen Kamms werden stark bedämpft. Dieses erlaubt sehr viel höhere Signal-Rausch-Verhältnisse als ein direktes Ausfiltern bei einer für einen akustooptischen Frequenzschieber geeigneten Treiberfrequenz.
Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass beim Ableiten des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE eine Wandlung in das elektronische Signal mit einem photoempfindlichen Detektor vorgenommen wird, dessen Frequenzbandbreite in der Größenordnung der Repetitionsrate der zeitlich äquidistanten kurzen verstärkten Laserpulse liegt. D. h., der photoempfindliche Detektor zur Wandlung des optischen Heterodynsignals in das elektronische Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE wird hinsichtlich seiner Bandbreite an die Pulsfolge-Frequenz der verstärkten Laserpulse angepasst gewählt.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist der photoempfindliche Detektor zum Wandeln des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE eine Photodiode.
In der einfachsten Ausführung kann man nun durch Summenfrequenzerzeugung zwischen der Frequenz f_CE oder f_AMP – f_CE mit einer geeigneten Harmonischen der Repetitionsrate n f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse oder einer Harmonischen kf_OSC der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquivalenter kurzer unverstärkter Laserpulse wiederum eine geeignete Treiberfrequenz für den akustooptischen Frequenzschieber synthetisieren. Daher sieht eine Ausführungsform vor, dass bei der Signalverarbeitung das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE oder ein aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE abgeleitetes Signal mit dem Repetitionssignal S_REP gemischt wird, um eine Frequenzanpassung des bei der Signalverarbeitung synthetisierten Steuersignals an einen Arbeitsbereich des optischen Elements, beispielsweise eines akustooptischen Frequenzschiebers, zu bewirken. Das Repetitionssignal umfasst als Frequenzkomponenten die Repetitionsrate des Laseroszillators, d.h., die Pulsfolgefrequenz der ursprünglich erzeugten kurzen unverstärkten Laserpulse, und/oder eine Harmonische hiervon und/oder die Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquivalenter kurzer verstärkten Laserpulse f_AMP und/oder eine Harmonische der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquivalenter kurzer verstärkter Laserpulse. Die Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquivalenter kurzer verstärkten Laserpulse f_AMP deren Harmonische sind insbesondere in dem Signal enthalten, wenn dieses mittels eines photoempfindlichen Detektors erzeugt ist, auf den Kurzpulslaserstrahlung aus dem Strahlengang hinter einer Selektionsvorrichtung (einem Pulsselektierer) gelenkt ist, die die zu verstärkenden Laserpulse selektiert. Wird Laserstrahlung aus dem Strahlengang vor einer möglicherweise vorhandenen Selektionseinrichtung genutzt, um das Repetitionssignal abzuleiten, so enthält das erzeugte Signal die Repetitionsfrequenz des Laseroszillators und eventuell dessen Harmonische, die exakt betrachtet natürlich auch Harmonische der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquivalenter kurzer verstärkten Laserpulse f_AMP sind.
Bei einer Ausführungsform ist somit vorgesehen, dass der Synthesizer einen Anpassmischer umfasst, um das an dem zweiten Eingang erfasste Repetitionssignal S_REP oder ein hieraus abgeleitetes Signal mit dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE oder einem hieraus abgeleiteten Signal zu mischen, um eine Frequenzanpassung des synthetisierten Steuersignals an einen Arbeitsbereich des optischen Elements zu erreichen.
Vorzugsweise ist das optische Element für die Beeinflussung der Carrier-Envelope-Phase ein akustooptisches Element. Besonders bevorzugt ist das akustooptische Element ein Frequenzschieber. Das Einwirken auf das optische Element erfolgt somit bevorzugt, indem ein akustooptischer Frequenzschieber mit dem Steuersignal angetrieben wird.
Insbesondere kann es sich als vorteilhaft erweisen, den akustooptischen Frequenzschieber derart auszuführen, dass er bei der Oszillatorrepetitionsrate f_AMP des Oszillator-Verstärkersystems oder bei einer seiner Harmonischen n f_AMP betrieben werden kann. Da auch die Laseroszillatorrepetitionsrate f_OSC immer eine Harmonische der Verstärkerrepetitionsrate f_AMP ist, kann nun nach den obigen Ausführungen insbesondere auch das Signal k·f_OSC ± f_CE nach geeigneter Verstärkung als Treibersignal für den akustooptischen Frequenzschieber verwendet werden, um eine Stabilisierung der Carrier-Envelope-Phase zu erreichen. Eine derartige Ausführung ist vorteilhaft, weil weitere aufwendige Syntheseschritte wie etwa die Frequenzvervielfachung von f_AMP durch einen phasenstarren Koppelkreis entfallen können. Selbstverständlich kann das Treibersignal neben Harmonischen der Laseroszillatorfrequenz k·f_OSC auch Harmonische der Verstärkerrepetitionsrate M·f_AMP aufweisen und somit folgende Darstellung besitzen: kf_OSC ± f_CE + M·f_AMP.
Vorzugsweise wird die Carrier-Envelope-Frequenz immer in dem Frequenzintervall zwischen Frequenz 0 und der Repetitionsrate f_AMP entnommen. Im einfachsten Fall kann sich hier ein Tiefpassfilter bereits als vollständig ausreichend erweisen. Bei Anwesenheit von Störsignalen im Basisband (0 – f_AMP) des Kamms kann es sich als vorteilhaft erweisen, das Treibersignal aus einem höheren Band (n f_AMP – (n + 1)f_AMP) abzuleiten. Auch kann sich die erreichbare Selektivität einer einfachen Tiefpassfilterung als unzureichend erweisen, um Störungen durch den Repetitionsratenkamm (nf_AMP), Spiegelfrequenzen sowie Laserrauschkomponenten ausreichend zu unterdrücken. Daher kann die Filterung vorzugsweise über einen schmalbandigen Zwischenfrequenzfilter durchgeführt werden. Ein solcher Zwischenfrequenzfilter weist ein schmalbandiges Bandpassverhalten bei fester Zentralfrequenz f₀ auf. Man erzeugt nun mittels eines elektronischen Mischers, der als erster Filtermischer bezeichnet wird, aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE und einem Lokaloszillatorsignal S_LO mit der Frequenz f_LO zunächst die Summenfrequenz zwischen der zu selektierenden elektronischen Kammmode mit Frequenz n f_AMP ± f_CE und einem Lokaloszillatorsignal eines elektronischen Lokaloszillator mit Frequenz f_LO dergestalt, dass die Summenfrequenz n f_AMP ± f_CE + f_LO innerhalb des Durchlassbereichs des Zwischenfrequenzfilters liegt, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich null ist. Die Bandbreite des Zwischenfrequenzfilters muss derart gewählt sein, dass alle anderen Kammkomponenten nach Mischung in dem Filter hohe Verluste erfahren. Das derart gefilterte Signal nahe der Frequenz f₀ kann nun in einem zweiten Filtermischer über Differenzfrequenzerzeugung wieder zurück in sein Ursprungsband verschoben werden, wobei hier wiederum das Lokaloszillatorsignal S_LO als zweites Eingangssignal des zweiten Filtermischers Verwendung findet. Alternativ kann man ebenfalls ein geeignet synthetisiertes Summen- oder Differenzfrequenzsignal f_LO ± kf_AMP verwenden, wobei k eine ganze Zahl größer oder gleich null ist, die so gewählt sein muss, dass (n ± k) f_AMP ± f_CE als Treiberfrequenz für den akustooptischen Frequenzschieber geeignet ist.
Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass zum Selektieren einer Frequenzkomponente des elektronischen Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE das elektronische Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE mit einem Lokaloszillator-Signal S_LO gemischt wird und ein so erhaltenes Mischsignal, auch Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE-IF1 genannt, auf einen schmalbandigen Bandpassfilter geführt wird, wobei die Frequenz des Lokaloszillatorsignals S_LO so gewählt wird, dass das Mischsignal eine Frequenzkomponente aufweist, deren Frequenz f_MISCH innerhalb eines Durchlassbereichs des Bandpassfilters, vorzugsweise nahe der Zentralfrequenz f₀ des Bandpassfilters, liegt und sich als Summe (f_MISCH = f_CE + n·f_AMP + f_LO) oder Differenz (f_MISCH = f_LO + n·f_AMP – f_CE) einerseits der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE und andererseits der Summe (f_LO + n·f_AMP) der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO und einem n-fachen (Nullfachen, Einfachen oder Vielfachen) n·f_AMP der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse angeben lässt, wobei n eine ganze Zahl größer gleich null ist, und bei der weiteren Signalverarbeitung eine erneute Frequenzmischung mit dem Lokaloszillatorsignal S_LO und anschließendes Führen über einen Tiefpassfilter erfolgen, um die durch das Mischen mit dem Lokaloszillatorsignal verursachte Frequenzverschiebung in der Signalverarbeitung zu kompensieren. Für n in den Fromeln dieses Absatzes gilt: n ist eine ganze Zahl größer oder gleich null (n = 0, 1, 2, 3, ...). Es versteht sich, dass die Differenzen jeweils so zu bilden sind, dass eine positive Differenz entsteht, da die Mischfrequenz immer positiv ist. Die Mischfrequenz lässt sich somit angeben entweder als:

a) Summe (f_MISCH = f_CE + f_LO) einerseits der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE und andererseits der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO; oder
b) Differenz (f_MISCH = f_LO – f_CE) der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO und der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE; oder
c) Summe (f_MISCH = f_CE + f_LO + f_AMP) einerseits der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE und andererseits der Summe (f_LO + f_AMP) der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO und der Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse; oder
d) Differenz (f_MISCH = f_LO + f_AMP – f_CE) einerseits der Summe (f_LO + f_AMP) der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO und der Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse und andererseits der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE; oder
e) Summe (f_MISCH = f_CE + n·f_AMP + f_LO) der einerseits der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE und andererseits der Summe (f_LO + n·f_AMP) der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO und einem positiven ganzzahligen Vielfachen n·f_AMP der Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse; oder
f) Differenz (f_MISCH = f_LO + n·f_AMP – f_CE) einerseits der Summe (f_LO + n·f_AMP) der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO und einem positiven ganzzahligen Vielfachen n·f_AMP der Repetitionsrate f_AMP des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse und andererseits der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE.

_MISCH

_AMP

_LO

_CE

Bei einer Ausführungsform weist der Synthesizer einen ersten Lokaloszillator zum Erzeugen des Lokaloszillatorsignals S_LO, einen ersten Filtermischer zum Mischen des Lokaloszillatorsignals S_LO mit dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE, einen schmalbandigen Bandpassfilter auf den das Mischsignal des ersten Filtermischers geführt ist und einen zweiten Filtermischer, der mit dem Lokaloszillator gekoppelt ist, um den durch das Mischen des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE mit dem Lokaloszillatorsignal S_Lo verursachten Frequenzversatz in der weiteren Signalverarbeitung des bandpassgefilterten Ausgangssignals des ersten Filtermischers zu kompensieren, wobei die Frequenz des Lokaloszillatorsignals S_LO so gewählt wird, dass das Mischsignal eine zu selektierende Frequenzkomponente aufweist, deren Frequenz f_MISCH innerhalb eines Durchlassbereichs des Bandpassfilters, vorzugsweise nahe der Zentralfrequenz f₀ des Bandpassfilters, liegt und sich als Summe (f_MISCH=f_CE + f_LO + n·f_AMP) oder Differenz (f_MISCH = f_LO + n·f_AMP – f_CE) einerseits der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE und andererseits der Summe (n·f_AMP + f_LO) der Frequenz f_LO des Lokaloszillatorsignals S_LO und einem n-fachen (Nullfachen, Einfachen oder Vielfaches) n·f_AMP der Repetitionsrate angeben lässt, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich null ist.
In der einfachsten technischen Ausführung wird der akustooptische Frequenzschieber direkt in den optischen Strahlengang nach dem Verstärkerausgang eingesetzt. Eine Ausführungsform sieht somit vor, dass der mit dem Steuersignal angetriebene akustooptische Frequenzschieber im Strahlengang des Zuges kurzer verstärkter Laserpulse angeordnet ist und jener Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse, dessen zugehöriger Frequenzkamm Einzellinien aufweist, deren Frequenzen in dem mit dem Steuersignal angetriebenen akustooptischen Frequenzschieber verschoben worden sind, hinsichtlich der Carrier-Envelope-Frequenz stabilisiert ist bzw. wird. Dieses bedeutet, dass die in die erste Ordnung des akustooptischen Frequenzschiebers abgebeugten Pulse bei geeigneter Synthese des Steuersignals, wie dieses zuvor beschrieben ist, immer die gleiche feste Carrier-Envelope-Phase aufweisen.
Vorzugsweise nutzt man bei niedriger Pulsenergie die restliche Strahlung in der nullten Ordnung des akustooptischen Frequenzschiebers zur Erzeugung des Heterodynsignals im f-2f- oder 0-f-Interferometer.
Alternativ kann man auch einen Strahlteilerspiegel zwischen Ausgang des optischen Verstärkers und den mit dem Steuersignal angetriebenen akustooptischen Frequenzschieber einfügen und einen der beiden Teilstrahlen als Eingang für das f-2f- oder 0-f-Interferometer benutzen.
Diese beiden Ausführungen haben den Vorteil, dass kein Eingriff in das Laserverstärkersystem erfolgen muss. Als nachteilig kann sich diese Ausführung jedoch erweisen, wenn der zu stabilisierende Laser sehr hohe Pulsspitzenleistungen aufweist. Selbst bei Verwendung eines akustooptischen Frequenzschiebers mit großer akustischer Feldbreite werden ab einer bestimmten optischen Eingangsintensität unweigerlich unerwünschte nichtlineare optische Effekte wie eine Selbstphasenmodulation bis hin zur Zerstörung des Materials auftreten. Um derartige Effekte zu vermeiden, kann es sich als hilfreich erweisen, den akustooptischen Frequenzschieber nicht im Ausgang des Verstärkers zu platzieren, sondern ihn zwischen das eigentliche optische Verstärkermaterial und einen eventuell vorhandenen nachfolgenden Gitterkompressor einzufügen. Wesentlich ist hierbei, dass in dem akustooptischen Frequenzschieber bereits die verstärkten Laserpulse vorliegen.
Bei einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, dass der Frequenzschieber zum Bewirken der Carrier-Envelope-Frequenz-Stabilisierung im Strahlengang nach dem optischen Verstärkermedium angeordnet ist und der Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse, von dessen zugeordnetem Frequenzkamm die Einzellinien in dem Frequenzschieber frequenzverschoben sind bzw. werden, hinsichtlich der Carrier-Envelope-Frequenz stabilisiert ist. Es ist somit der Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse bezüglich der Carrier-Envelope-Frequenz stabilisiert, der mit einem Frequenzkamm aus Einzellinien korrespondiert, die jeweils in dem Frequenzschieber um dieselbe Frequenz verschoben werden oder sind.
Vorzugsweise wird man bei dieser Ausführung beide Beugungsordnungen des akustooptischen Frequenzschiebers durch den Kompressor propagieren lassen und beide Ordnungen erst anschließend geometrisch voneinander separieren. Die erste und die nullte Ordnung lassen sich nach zeitlicher Verkürzung im Kompressor dann wieder in der gleichen Weise nutzen wie zuvor beschrieben. Insbesondere kann also auch die nullte Ordnung wieder zur Erzeugung des Heterodynsignals verwendet werden.
Wenn nicht besondere Vorkehrungen getroffen sind, wie beispielsweise ein Eingriff in den Laseroszillator über eine Variation der Pumpleistung des Lasers, die in der DE 199 11 103 A1 beschrieben ist, treten auf längeren Zeitskalen zeitliche Variationen der Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Frequenz f_CE auf. Eine bessere Langzeitstabilität der Carrier-Envelope-Phase erreicht man somit, wenn man die auftretenden Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase und der damit gekoppelten Carrier-Envelope-Frequenz berücksichtigt. Im Idealfall sollte ein Bandpassfilter, der nur Frequenzen in einem Frequenzbereich, der einer Hälfte des Frequenzabstands der Einzellinien eines zugehörigen Frequenzkamms entspricht, beispielsweise von 0 bis f_AMP/2, passieren lässt, ausreichen, so dass die Stabilisierung bei Schwankungen der Carrier-Envelope-Frequenz, die im Laseroszillator verursacht sind, über längere Zeit folgen kann, d.h. diese Schwankungen kompensieren kann. In der Praxis lässt sich jedoch in der Regel kein Bandpassfilter finden, der ausreichend steile Flanken aufweist. Nähert sich die Carrier-Envelope-Frequenz der Null oder der Mittenfrequenz f_AMP/2, so ist eine Messung der Carrier-Envelope-Frequenz nur noch schwer möglich oder eine ausreichende Unterdrückung der Spiegelfrequenz oder von Rauschsignalen nicht möglich. Zudem sind in der Regel weitere störende Frequenzkomponenten in dem aus dem optischen Heterodynsignal abgeleiteten Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE enthalten, so dass eine Filterbandbreite wünschenswert ist, die deutlich schmaler als der halbe Frequenzabstand der Einzellinien eines zugehörigen Frequenzkamms ist. Um eine solche schmalbandige Filterung zu ermöglichen und dennoch zu erreichen, dass die zu filternde Frequenzkomponente des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE im Durchlassbereich des Filters liegt, ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE mit einem Lokaloszillatorsignal S_LO zu mischen und dessen Frequenz automatisch so nachzuführen, dass ein erzeugtes Mischsignal im Durchlassbereich des schmalbandigen Bandpassfilters verbleibt.
Es wird somit ein schmalbandiger Filter mit variabler Mittenfrequenz geschaffen, der den Schwankungen der Carrier-Envelope-Frequenz geeignet folgt und alle störenden Spiegelfrequenzen, Intermodebeats und andere störende Frequenzkomponenten ausfiltert. Einen derartigen Mitführfilter kann man beispielsweise derart implementieren, dass man das gemessene Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE (mit Frequenz f_CE) des optischen Verstärkersystems mit dem Signal eines spannungsgesteuerten Oszillators (mit Frequenz f_VCO) mischt, so dass die Summenfrequenz f_CE + f_VCO im Durchlassbereich des Bandpassfilters liegt. Die Steuerspannung des spannungsgesteuerten Oszillators wird nun über eine Regelschleife derart kontrolliert, dass das Summenfrequenzsignal immer im Durchlassbereich des schmalbandigen Filters gehalten wird. Nach Filterung wird das Signal bei Frequenz f_CE + f_VCO erneut mit genau demselben Signal des spannungsgesteuerten Oszillators bei Frequenz f_VCO gemischt, wobei jedoch anschließend die Differenzfrequenz f_CE + f_VCO – f_VCO = f_CE mit Hilfe eines Tiefpassfilters ausgefiltert wird. Diese Vorgehensweise der doppelten Mischung mit einem Lokaloszillator vermeidet jeglichen Einfluss der Phase des Lokaloszillators auf die Messung, erlaubt eine schmalbandige Filterung und entfernt gleichzeitig alle parasitären Frequenzkomponenten aus dem gemessenen Signal.
Eine Ausführungsform sieht daher vor, dass der Lokaloszillator einen Referenzoszillator, einen spannungsgesteuerten Oszillator und eine Filter-Phase-Lock-Loop-Schaltung umfasst, welche das von dem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugte Lokaloszillatorsignal so erzeugt, dass das bandpassgefilterte Ausgangssignal des ersten Filtermischers phasenstarr an das Signal des Referenzoszillators gekoppelt ist, wodurch erreicht wird, dass die Frequenz der zu selektierenden Frequenzkomponente des Ausgangssignals des ersten Filtermischers im Durchlassbereich des Bandpassfilters bleibt.
Eine Weiterbildung des Verfahrens sieht somit vor, dass das Lokaloszillatorsignal S_LO mittels einer Phase-Lock-Loop-Schaltung (PLL-Schaltung oder, zur Unterscheidung, Filter-Phase-Lock-Loop-Schaltung bezeichnet) so stabilisiert wird, dass die Frequenz des Mischsignals im Durchlassbereich des Bandpassfilters bleibt, indem das das gefilterte Mischsignal an den Referenzoszillator gekoppelt wird.
Um einen Einfluss der Phase des Referenzoszillators auf das synthetisierte Steuersignal zu eliminieren, sind in der weiteren Signalverarbeitung der zweite Filtermischer und ein Filter, vorzugsweise ein Tiefpassfilter, vorgesehen. Wird in dem ersten Filtermischer eine additive Frequenzmischung ausgeführt, so wird in dem zweiten Filtermischer eine subtraktive Frequenzmischung ausgeführt.
Mit diesem Verfahren des mitlaufenden Filters lassen sich Schwankungen der Carrier-Envelope-Frequenz von bis zur Hälfte des Frequenzabstands der Einzellinien eines zugehörigen Frequenzkamms, d.h. der Hälfte der Repetitionsrate des optischen Verstärkers ausgleichen.
Führt die Drift der Carrier-Envelope-Phase jedoch beispielsweise dazu, dass f_CE in die Nähe der Frequenz Null wandert, so wird ab einem bestimmten Punkt die Trennschärfe der verwendeten Filter nicht mehr ausreichen, um Störsignale im Treibersignal für den akustooptischen Frequenzschieber hinreichend stark zu unterdrücken. Ein ähnlicher störender Effekt ergibt sich, wenn f_CE in die Nähe der halben Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse auswandert, weil dann eine ausreichende Unterdrückung der Spiegelfrequenz nicht mehr gewährleistet werden kann.
Überschreiten Schwankungen der Carrier-Envelope-Frequenz einen halben Frequenzabstand der Einzellinien des zugehörigen Frequenzkamms, so kann eine Stabilisierung nach einem selbstständig erfinderischen Verfahren ausgeführt werden, wobei jedoch eine Frequenzverschiebung des optischen und nicht nur des elektronischen Signals vorgenommen wird. Der Prozess der elektronischen Mischung zur Filteranpassung wird dann durch den Prozess der akustooptischen Frequenzverschiebung ersetzt.
Zu diesem Zweck werden zwei akustooptische Frequenzschieber gleichzeitig verwendet. Zusätzlich zu dem einen mit dem Steuersignal betriebenen einen Frequenzschieber wird ein weiterer akustooptischer Frequenzschieber verwendet. Im Folgenden sei die erste Treiberfrequenz f_AOFS1 diejenige Treiberfrequenz, die den ersten in den optischen Strahlengang eingefügten Frequenzschieber, den einen Frequenzschieber, betreibt und die zweite Treiberfrequenz f_AOFS2, die des Treibersignals des zweiten, weiter entfernt von dem Laseroszillator angeordneten Frequenzschiebers. Da Frequenzschieber die optische Frequenz sowohl um die akustische Treiberfrequenz erhöhen wie erniedrigen können, ergibt sich die Gesamtfrequenzverschiebung des optischen Signals entweder als die Summen- oder die Differenzfrequenz beider Treibersignale, wenn beide Frequenzschieber in der ersten Beugungsordnung betrieben werden.
Eine sehr viel vorteilhaftere Betriebsart ergibt sich jedoch, wenn der in Ausbreitungsrichtung als Zweites im Strahlengang angeordnete akustooptische Frequenzschieber, der weitere Frequenzschieber, mit einer fixen Frequenz f_AOFS2 betrieben wird und auf die Treiberfrequenz f_AOFS1 des ersten Frequenzschiebers mittels einer phasenstarren Regelschleife so zurückgewirkt wird, dass sich in der ersten Beugungsordnung ein Zug kurzer Laserpulse ergibt, deren Laserpulse eine Carrier-Envelope-Phase aufweisen, mit der eine Carrier-Envelope-Frequenz korrespondiert, die genau der Treiberfrequenz des zweiten Frequenzschiebers entspricht, also f_CE=f_AOFS2 gilt. Wenn diese Bedingung erfüllt ist, gilt in der nullten Beugungsordnung des zweiten Frequenzschiebers automatisch, dass die Carrier-Envelope-Frequenz null ist, also f_CE=0. Somit ist auch das Eingangssignal in diesen Frequenzschieber offsetfrei, hat also ebenfalls eine verschwindende Carrier-Envelope-Frequenz.
In dieser besonders vorteilhaften Ausführung kann das Hochfrequenztreibersignal bei der ersten Treiberfrequenz f_AOFS1 über einen großen Bereich nachgeführt werden, ohne dass es jemals zu Konflikten aufgrund kollidierender Spiegelfrequenzen kommen kann. Der Nachführbereich von der Frequenz des ersten Treibersignals f_AOFS1 kann die Verstärkerrepetitionsrate f_AMP um ein Vielfaches überschreiten und ist nur durch den Frequenzbereich des Frequenzschiebers und der Treiberelektronik begrenzt. Ein unmittelbarer Vorteil ergibt sich daraus, dass bereits der Eingangsstrahl in den zweiten Frequenzschieber eine stabile Carrier-Envelope-Frequenz aufweist, also eine Stabilisierung nicht erst im abgebeugten Strahl entsteht. Nichtlineare Effekte im zweiten Frequenzschieber können daher komplett vermieden werden, wenn nur ein kleiner Teil der vorhandenen Ausgangsleistung durch einen Strahlteiler in den zweiten Frequenzschieber gelenkt wird. Dieser Leistungsanteil sollte so bemessen sein, dass störende nichtlineare optische Effekte vermieden werden aber dennoch ein Carrier-Envelope-Frequenz-Signal mit möglichst gutem Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt wird.
Zur Umsetzung der optischen Nachführung ist vorgesehen, dass der Synthesizer einen weiteren Treiberoszillator zum Erzeugen eines Festfrequenzsignals aufweist, welches einen weiteren akustooptischen Frequenzschieber antreibt, welcher in dem Strahlengang so angeordnet ist, dass zumindest ein Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse auf diesen mit dem Festfrequenzsignal betriebenen weiteren akustooptischen Frequenzschieber geführt ist, und das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE aus dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abgeleitet wird, dessen zugehöriger Frequenzkamm Einzellinien aufweist, deren Frequenzen in dem weiteren mit der Festfrequenz betriebenen akustooptischen Frequenzschieber verschoben worden sind, und das Steuersignal für den akustooptischen Frequenzschieber, der in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse angeordnet ist und das Stabilisieren der Carrier-Envelope-Frequenz eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse bewirkt, phasenstarr an das Festfrequenzsignal mittels einer Treibersignal-Phase-Lock-Loop-Schaltung gekoppelt ist, welche als Rückkoppelsignal das aus dem erfassten Carrier-Envelope-Frequenz-Signal abgeleitete Signal verwendet, welches genau eine Frequenzkomponente aufweist, die sich schreiben lässt als: f_MISCH = n·f_AMP + f_CE oder f_MISCH = n·f_AMP – f_CE, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich null ist. Hierbei wird angemerkt, dass f_AMP die Repetitionsrate der kurzen Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse angibt.
In diesem vorteilhaften Aufbau wird der erste Frequenzschieber (auch als der eine Frequenzschieber bezeichnet), der mit dem Steuersignal betrieben wird, vorzugsweise nahe am Oszillator eingefügt. Dessen erste Beugungsordnung wird verstärkt und rekomprimiert. Ein kleiner Anteil der verstärkten Strahlung wird durch einen Strahlteiler absepariert und in einen zweiten Frequenzschieber (der auch als weiterer Frequenzschieber bezeichnet wird) geleitet, der mit der Festfrequenz f_AOFS2 betrieben wird. In die erste Beugungsordnung wird dann ein f-2f-Interferometer oder ein 0-f-Interferometer eingefügt, dessen Ausgang die Messung des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals im abgebeugten Strahl ermöglicht. Das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE wird entsprechend den vorherigen Ausführungen gefiltert und um eine Frequenz n·f_AMP so frequenzverschoben, dass es innerhalb von f_AMP/2 in der unmittelbaren Nähe der Festfrequenz f_AOFS2 liegt. Das geeignet gefilterte und frequenzverschobene Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE ist ein Hochfrequenzsignal, dessen relative Phase zum Festfrequenzsignal bei der Frequenz f_AOFS2 mit einer geeigneten Schaltung ermittelt wird. Zu diesem Zweck kann im einfachsten Fall ein Hochfrequenzmischer verwendet werden, dessen Ausgang tiefpassgefiltert wird. Dieses Ausgangssignal wird nun direkt auf den Eingang eines spannungsgesteuerten Oszillators geführt, der das Steuersignal des ersten akustooptischen Frequenzschiebers bei der Frequenz f_AOFS1 erzeugt, so dass ein phasenstarrer Koppelkreis geschlossen wird. Dieser phasenstarre Koppelkreis erzwingt eine Carrier-Envelope-Frequenz von null in der nullten Ordnung des zweiten akustooptischen Frequenzschiebers, der sich hinter dem Verstärkerausgang befindet.
Zugleich erzwingt der phasenstarre Koppelkreis auch im direkten Ausgang des optischen Verstärkers eine Carrier-Envelope-Frequenz von null.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass zumindest ein Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse auf einen mit einer vorgegebenen Festfrequenz betriebenen weiteren akustooptischen Frequenzschieber geführt wird und das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE aus dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abgeleitet wird, dessen zugehöriger Frequenzkamm Einzellinien aufweist, deren Frequenzen in dem mit der Festfrequenz betriebenen akustooptischen Frequenzschieber verschoben worden sind, und das Einwirken mit dem Steuersignal auf das optische Element im Strahlengang des Zuges der zeitlich äquidistanten kurzen unverstärkten Laserpulse erfolgt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Einwirken auf das optische Element im Strahlengang des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse vorgenommen wird, indem der mit dem Steuersignal betriebene akustooptische Frequenzschieber in dem Strahlengang des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse verwendet wird, und jener Zug zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse auf den Verstärker geführt wird, dessen zugrunde liegender Frequenzkamm Einzellinien aufweist, die in dem mit dem Steuersignal betriebenen akustooptischen Frequenzschieber frequenzverschoben worden sind.
Vorteilhafterweise wird das synthetisierte Steuersignal über eine Treibersignal-Phase-Lock-Loop-Schaltung mit dem Festfrequenzsignal gekoppelt, welches den mit der Festfrequenz betriebenen weiteren akustooptischen Frequenzschieber im Strahlengang zumindest eines Anteils des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse antreibt.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine allgemeine schematische Darstellung eines hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisierten Laserverstärkersystems;
2 eine detailliertere schematische Darstellung eines hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisierten Laserverstärkersystems;
3 eine schematische Darstellung einer elektronischen Schaltstruktur einer Stabilisierungseinrichtung;
4 eine weitere schematische Darstellung der elektronischen Struktur einer Stabilisierungseinrichtung;
5 eine schematische Darstellung eines verstärkten Lasersystems mit stabilisierter Carrier-Envelope-Phase, welches größere Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase auch über längere Zeiträume stabilisieren kann;
6 eine weitere schematische Darstellung ähnlich zu der nach 5, bei der eine Stabilisierung teilweise innerhalb eines Kurzpulslasers ausgeführt ist; und
7 schematisch die Anordnung eines Frequenzschiebers in dem optischen Verstärker.
In 1 ist schematisch ein Lasersystem 1, welches auch Anordnung genannt werden kann, zur Erzeugung eines Zuges 330 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse mit stabilisierter Carrier-Envelope-Phase schematisch dargestellt. Das Lasersystem 1 zum Erzeugen eines Zuges 330 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse umfasst allgemein einen Kurzpulslaser 2, in dem über eine Modenkopplung ein Zug 3 zeitlich äquidistanter kurzer zunächst unverstärkter Laserpulse erzeugt wird. Kurzpulslaser dieser Art sind dem Fachmann wohlbekannt. Beispielsweise kann es sich hierbei um einen modengekoppelten Titansaphirlaser oder auch um einen mit Dioden gepumpten Laser mit einem ytterbiumdotierten Lasermedium handeln.
Der Zug 3 zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse wird auf einen optischen Verstärker 4 hingeführt. In diesem wird die Pulsenergie der einzelnen Pulse gesteigert, so dass ein Zug 5 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse erzeugt wird. Der optische Verstärker 4 kann eine Reihe verschiedener Komponenten umfassen, beispielsweise einen Pulsstrecker (Pulsstretcher), ein eigentliches optisches Verstärkermedium und einen Pulskompressor, welche hier aus Gründen der Vereinfachung nicht gesondert dargestellt sind. Grundsätzlich kann jeder optische Verstärker genutzt werden, der in der Lage ist die zeitlich äquidistanten kurzen unverstärkten Laserpulse zu verstärken, ohne deren sonstige Pulseigenschaften wesentlich zu beeinträchtigen.
Da Kurzpulslaser Laserstrahlung in Form eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse erzeugen, deren Repetitionsrate, hier als Oszillatorrepetitionsrate f_OSC bezeichnet, häufig im Bereich von 100 Megahertz liegen und die unverstärkten Einzelpulse bereits Einzelpulsenergien im Bereich von beispielsweise von 10 nJ liegen, ist eine Verstärkung sämtlicher erzeugter kurzer Laserpulse in der Regel aus energetischen Gründen bereits unmöglich. Daher weisen Lasersysteme zur Erzeugung kurzer verstärkter Laserpulse in der Regel einen Pulsselektierer, auch Pulspicker genannt, auf. Ein solcher Pulsselektierer 6 ist so ausgebildet, dass dieser in regelmäßigen Zeitabständen Pulse des Zuges 3 äquidistanter kurzer Laserpulse auswählt und zu dem optischen Verstärker 4 passieren lässt. Die übrigen Laserpulse werden aus dem Strahlengang entfernt und einem hier nicht dargestellten Absorber zugeführt oder in dem Pulsselektierer selbst "absorbiert". Als Pulsselektierer kann jede technische Einrichtung genutzt werden, die zu einer solchen Selektion der Laserpulse in der Lage ist. Beispielsweise kann es sich um einen Shutter, ein Lochblendenrad oder auch um eine elektrooptische Selektionseinrichtung oder Ähnliches handeln.
Um eine Stabilisierung der Carrier-Envelope-Phase bzw. der ihr zugeordneten Carrier-Envelope-Frequenz des zugrunde liegenden Frequenzkamms zu erreichen, weist das Lasersystem 1 eine Stabilisierungseinrichtung 10 auf. Die Stabilisierungseinrichtung 10 umfasst in der dargestellten Ausführungsform einen ersten Strahlteiler 11, der im Strahlengang hinter dem optischen Verstärkermedium angeordnet ist und einen Anteil 15 des Zuges 5 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse 5 auf eine erste Erfassungseinrichtung 20 lenkt. Die erste Erfassungseinrichtung 20 ist ausgebildet, aus dem Anteil 15 des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ein elektronisches Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE abzuleiten. Sofern die spektrale Breite der verstärkten Laserpulse keine optische Oktave überspannt, weist die erste Erfassungseinrichtung 20 eine Spektralverbreiterungseinrichtung 22, welche häufig auch als Weißlichterzeugungseinrichtung bezeichnet wird, auf. Vorzugsweise wird hierzu ein dielektrisches Volumenmaterial verwendet, da im Gegensatz zu mikrostrukturierten Fasern bessere Kohärenzeigenschaften der unterschiedlichen Spektralanteile erhalten bleiben. Zusätzlich umfasst die erste Erfassungseinrichtung 20 eine Frequenzverdopplungseinrichtung 24, in der zumindest eine niederenergetische spektrale Komponente frequenzverdoppelt wird. In einem sogenannten f-2-Interferometer 26 wird ein optisches Überlagerungssignal, welches auch als Heterodynsignal 28 bezeichnet wird, erzeugt. Anstelle des hier beschriebenen optischen Aufbaus der ersten Erfassungseinrichtung 20 kann auch ein 0-f-Interferometer genutzt werden, um ein Heterodynsignal zu erzeugen.
Die erste Erfassungseinrichtung 20 umfasst ferner einen photoempfindlichen Detektor 30, der das optische Heterodynsignal 28 in ein elektronisches Heterodynsignal 32 wandelt. Das optische Heterodynsignal 28 wird auch als optisches Carrier-Envelope-Frequenz-Signal bezeichnet, da in der Überlagerung eine Schwebungsfrequenz auftritt, welche der Carrier-Envelope-Frequenz entspricht. Entsprechend wird das elektronische Heterodynsignal 32 als elektronisches Carrier-Envelope-Frequenz-Signal bezeichnet. Als Abkürzung wird auch der Ausdruck S_CE verwendet. Insgesamt ist somit die erste Erfassungseinrichtung 20 dafür ausgebildet, ein Signal, das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE, aus dem Anteil 15 des Zuges 5 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abzuleiten und zu erfassen, welches mindestens eine Frequenzkomponente aufweist, die der Carrier-Envelope-Frequenz entspricht oder durch diese bestimmt ist. Die erste Erfassungseinrichtung 20 kann somit auch als Carrier-Envelope-Frequenz-Signalerfassungseinrichtung bezeichnet werden.
Im Folgenden wird keine strikte Unterscheidung zwischen dem optischen Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE 28 und dem elektronischen Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE 32 vorgenommen. Für den Fachmann ergibt es sich jeweils eindeutig, ob es sich bei dem als Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE bezeichneten Signal um ein elektronisches oder ein optisches Signal handelt.
Die Stabilisierungseinrichtung 10 umfasst einen zweiten Strahlteiler 12, welcher aus dem Zug 3 zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse einen Anteil 45 auf eine Repetitionsratenerfassungseinrichtung 50 lenkt. Die Repetitionsratenerfassungseinrichtung 50, welche auch als zweite Erfassungseinrichtung bezeichnet werden kann, umfasst einen Photodetektor 60, um das durch den Anteil 45 des Zuges 3 zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse repräsentierte optische Repetitionssignale 58 in ein elektronisches Repetitionssignal 62 S_REP zu wandeln.
Aus dem elektronischen Carrier-Envelope-Frequenz-Signal 32 und dem elektronischen Repetitionsartensignal 62 wird in einem hier schematisch als Mischer dargestellten Synthesizer 100 ein Steuersignal 200 abgeleitet, dessen Frequenz sich als Summe oder Differenz aus einer Harmonischen der Wiederholrate der verstärkten Laserpulse f_AMP und der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE beschreiben lässt. Das synthetisierte Steuersignal 200 wird bei der dargestellten Ausführungsform über einen Verstärker 210 in ein verstärktes Steuersignal 220 überführt, welches ein akustooptisches Element 300, welches hier in Form eines Frequenzschiebers 310 ausgebildet ist, antreibt.
Der durch den ersten Strahlteiler 11 passierende andere Anteil 16 des Zuges 5 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse wird zum Teil in dem akustooptischen Frequenzschieber 310 in eine erste Beugungsordnung 320 abgebeugt. Der in der ersten Beugungsordnung 320 austretende Zug 330 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ist hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase kompensiert, da die Einzellinien des zugehörigen optischen Frequenzkamms jeweils um die Carrier-Envelope-Frequenz f_CE sowie ein Vielfaches der Linienabstände k·f_AMP in dem Frequenzkamm verschoben sind, so dass diese quasi auf Linienpositionen eines hinsichtlich der Carrier-Envelope-Frequenz kompensierten, d. h. stabilisierten Frequenzkamm verschoben sind. Der in der nullten Ordnung 340 austretende Zug 350 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ist hingegen bezüglich der Carrier-Envelope-Phase nicht stabilisiert.
Entscheidend an dem hier gezeigten schematischen Aufbau ist es, dass zur Ermittlung der Carrier-Envelope-Frequenz, abweichend von der aus dem Stand der Technik üblichen Vorgehensweise, die bereits verstärkte Kurzpulslaserstrahlung herangezogen wird. Insbesondere bei jenen Systemen, bei denen eine Vorteilung in dem Pulsselektierer 6 stattgefunden hat, führt dies jedoch dazu, dass auch die Carrier-Envelope-Frequenz quasi "geteilt" wird, so dass die Carrier-Envelope-Frequenz f_CE selbst oder die niederfrequenten Linien in den im Carrier-Envelope-Frequenz-Signal enthaltenen Frequenzkämmen, welche durch Frequenzmischung des sogenannten Intermodefrequenzkamms in additiver und subtraktiver Frequenzmischung mit der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE entstanden sind, Frequenzen aufweisen, welche außerhalb eines Arbeitsbereichs eines akustooptischen Elements liegen. Da darüber hinaus die im Stand der Technik häufig genutzten mikrostrukturierten Fasern zur Spektralaufweitung bei hohen Pulsenergien aufgrund einer sonst eintretenden Materialzerstörung in der Regel nicht einsetzbar sind, scheint eine Ermittlung der Carrier-Envelope-Frequenz aus dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse als zielführender. Gerade hiervon weicht jedoch die Erfindung ab und zeigt einen verbesserten Weg auf, um eine Carrier-Envelope-Frequenz Stabilisierung auch niedrigrepetitierender hochverstärkter Kurzpulslasersysteme zu ermöglichen.
In 2 ist eine detailliertere Darstellung einer Ausführungsform ähnlich zu der nach 1 dargestellt, wobei hier insbesondere eine Struktur des Synthesizers 100 detaillierter erläutert ist. Gleiche technische Merkmale sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut erläutert.
Bei niedrigrepetierenden verstärkten Lasersystemen liegt die Carrier-Envelope-Frequenz häufig in einem Frequenzbereich, in dem mit einem einfachen Tiefpassfilter auch aufgrund von Störsignalen in dem erfassten Carrier-Envelope-Frequenz-Signal eine Auswahl der Carrier-Envelope-Frequenz nicht hinreichend gut möglich ist. Daher wird bei der in 2 dargestellten Ausführungsform in dem Synthesizer 100 das erfasste Carrier-Envelope-Frequenz-Signal 32 in einem Mischer, der als erster Filtermischer 110 bezeichnet wird, mit einem Lokaloszillatorsignal 122 eines Lokaloszillators 120 gemischt. Man erhält ein Mischsignal, welches auch als Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE-IF1 112 bezeichnet wird. Das Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE-IF1 112 wird auf einen schmalbandigen Bandpassfilter 140 geführt. Der Bandpassfilter 140 ist vorzugsweise als Quarzfilter ausgebildet, dessen Durchlassbereich wesentlich geringer als ein Frequenzabstand der Einzellinien eines dem Zug 5 kurzer verstärkter Laserpulse zugeordneten Frequenzkamms ist. Das so in dem ersten Filtermischer 110 erzeugte Mischsignal 112 weist somit eine Frequenzkomponenten f_IF1 auf, die sich als Summe aus der Frequenz f_LO des Lokaloszillators und der Carrier-Envelope-Frequenz und einem n-fachen n·f_AMP der Repetitionsfrequenz des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse oder als Differenz aus der Summe der Lokaloszillatorfrequenz f_LO und eine n-fachen n·f_AMP der Repetitionsfrequenz des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse und der Carrier-Envelope-Frequenz schreiben lässt (f_IF1=f_LO+n·f_AMP±f_CE), wobei das n-fache für das Null-fache, Einfache oder ein positives ganzzahliges Vielfaches steht. Um in der weiteren Signalverarbeitung einen Einfluss der Frequenz und der Phase des Signals S_LO 122 des Lokaloszillators 120 zu eliminieren, ist ein zweiter Filtermischer 115 vorgesehen, in dem erneut eine Mischung mit dem Lokaloszillatorsignal 122 vorgenommen wird. Wird das Mischsignal 116 anschließend auf einen Filter, vorzugsweise einen Tiefpassfilter 117 geführt, so kann eine Frequenzkomponente isoliert werden, aus der aufgrund der in dem zweiten Filtermischer 115 aufgetretenen Differenzmischung keine Anteile des Lokaloszillatorsignals mehr enthalten sind.
Das tiefpassgefilterte Signal enthält keine Frequenzanteile des Lokaloszillators mehr und stellt das synthetisierte Steuersignal 200 dar, welches unabhängig von Frequenz und Phase des Lokaloszillatorsignals 122 ist.
Um eine Anpassung der Frequenz des synthetisierten Steuersignals 200 an einen Arbeitsbereich des akustooptischen Elements 300, insbesondere des akustooptischen Frequenzschiebers 310 zu erreichen, wird das Repetitionssignal 62, in einem Anpassmischer 150 mit dem gefilterten Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE-gIF1 gemischt und auf einen Hochpassfilter 170 geführt. In dem nun an die Arbeitsfrequenz angepassten, d. h. erneut frequenzverschobenen, gefilterten Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE-gIF2 172 sind nun nur noch Frequenzanteile enthalten, deren Frequenzen im oder oberhalb des Arbeitsbereichs des akustooptischen Elements 300 liegen. In dem in dem Hochpassfilter 170 gefilterten Signal 172 tritt als niedrigste Frequenzkomponente ein eine Frequenz auf, welches sich additiv aus einer Harmonischen der Verstärkerrepetitionsrate n·f_AMP und der Frequenz des Lokaloszillators f_LO und einem Summanden oder einem Subtrahenden in Form der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE ausdrücken lässt (n·f_AMP + f_LO ± f_CE). Häufig wird als Harmonische der Verstärkerrepetitionsrate n·f_AMP eine Harmonische k·f_OSC des Laseroszillators genutzt.
Wird dieses an die Arbeitsfrequenz des akustooptischen Frequenzschiebers 310 angepasste und gefilterte Zwischenfrequenz-Carrie-Envelope-Frequenz-Signal S_CE-gIF2 172 auf den zweiten Filtermischer 115 geführt, so dass, wie oben erwähnt, der Frequenzversatz aufgrund der Mischung mit dem Lokaloszillatorsignal 122 rückgängig gemacht wird und das aus dem zweiten Filtermischer austretende Signal 116 über den Tiefpassfilter 117 geführt, so weist das synthetisierte Steuersignal 200 eine Frequenz auf, die sich als Summe oder Differenz aus einer Harmonischen der Repetitionsrate der verstärkten Laserpulse und der Carrier-Envelope-Frequenz oder auch als Summe bzw. Differenz der Repetitionsrate des Laseroszillators und der Carrier-Envelope-Frequenz der verstärkten Laserpulse ausdrücken lässt (n·f_AMP ± f_CE oder n·f_OSC ± f_CE).
Nach einer Verstärkung des synthetisierten Steuersignals 200 in dem Verstärker 210 ist somit das verstärkte Steuersignal 220 in der Lage, den akustooptischen Frequenzschieber 310 zu betreiben, so dass in der ersten Beugungsordnung 320 ein Zug 330 zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse erzeugt wird, dessen Pulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase kompensiert bzw. stabilisiert sind.
In 3 ist noch eine Ausführungsform einer Stabilisierungseinrichtung 10 gesondert, jedoch ohne möglicherweise notwendige optische Auskopplungseinrichtungen, z. B. den zweiten Strahlteiler 12 nach 2, dargestellt.
Detaillierter ist bei dieser Ausführungsform die Erfassung des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals 32 dargestellt. Die Erfassungseinrichtung 20 umfasst den photoempfindlichen Detektor 30 der das optische Repetitionssignal 28 in das elektronische Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE wandelt. Hierfür wird vorzugsweise eine Photodiode verwendet, deren Bandbreite, d. h. deren Zeitverhalten, an die Repetitionsfrequenz f_AMP in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse angepasst ist. Die Bandbreite sollte in der Größenordnung dieser Repetitionsfrequenz liegen, vorzugsweise ein wenig, beispielsweise ca. 10%, größer als diese Repetitionsfrequenz sein. Das erfasste Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE wird zunächst auf einen Transimpedanzverstärker 34 und anschließend auf einen automatisch geregelten Verstärker 36 geführt (Automatic Gain Amplifier), der eine automatische Signalverstärkung des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals S_CE 32 bewirkt. Dieses so aufbereitete Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE 32 wird dann, wie im Zusammenhang mit der Ausführungsform nach 2 beschrieben, weiterverarbeitet.
Eine ähnliche Aufbereitung kann für das Repetitionssignal 62 vorgesehen sein. In der Regel ist jedoch das Repetitionssignal 62 sehr viel stabiler als das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal S_CE 32.
Da in der Regel Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase in dem erzeugenden Kurzpulslaser auftreten, ist es wünschenswert, dass Schwankungen in der Carrier-Envelope-Phase bzw. der zugehörigen Carrier-Envelope-Frequenz die Stabilisierung und Kompensierung nicht sofort "zerstören". Einerseits wäre es möglich, die Filterbandbreite des Bandpassfilters so zu wählen, dass dieser an eine maximal mögliche tolerierbare Phasenschwankung, welche einer Hälfte des Frequenzabstands der Einzellinien des zugehörigen Frequenzkamms betragen kann, angepasst gewählt ist. In der Regel ist dieses jedoch nicht ausreichend, um ein hinsichtlich des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses ausreichendes Signal zu erhalten.
In 4 ist eine Elektronik zur verbesserten Synthese des Steuersignals 200 schematisch dargestellt, welche gegenüber Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase unempfindlicher ist. Der Grundgedanke besteht darin, die in dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal 32 auftretenden Carrier-Envelope-Frequenzschwankungen dadurch bei der Filterung zu kompensieren, dass das Signal 122 des Lokaloszillators hinsichtlich seiner Frequenz so angepasst wird, dass die Frequenz des Mischsignals 112, d. h. des Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signals 112 immer nahe einer Mittenfrequenz eines Durchlassbereichs des Bandpassfilters 140 gehalten wird. Hierzu wird das gefilterte Mischsignal 142 als Rückkoppelsignal 130 einer Phase-Lock-Loop-Schaltung 128 verwendet. Auf diese wird ein Referenzsignal 126 eines Referenzoszillators 124 geführt. Die PLL-Schaltung 128 erzeugt ein Regelsignal 132, welches einen spannungsgesteuerten Oszillator 134 (VCO) antreibt, der das Lokaloszillatorsignal 122 erzeugt. Die PLL-Schaltung 128 sorgt im Zusammenwirken mit dem spannungsgesteuerten Oszillator 134 dafür, dass das Lokaloszillatorsignal 122 hinsichtlich seiner Frequenz-Schwankungen der Carrier-Envelope-Frequenz in der Weise folgt, dass eine Summe aus der Lokaloszillatorfrequenz f_LO und der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE konstant bleibt oder alternativ eine Differenz der Lokaloszillatorfrequenz f_LO und der Carrier-Envelope-Frequenz f_CE, d. h. f_LO – f_CE = konstant. Wie oben bereits erwähnt, muss nicht notwendigerweise die "niedrigste" Carrier-Envelope-Frequenz im Carrier-Envelope-Frequenz-Signal selektiert werden. Dies bedeutet, dass die Mittenfrequenz des Bandpasssignals gegenüber der eben angegebenen Summe bzw. Differenz um Harmonische n·f_AMP der Repetitionsrate des optischen Verstärkersystems verschoben sein kann. Diese verbesserte Ausführungsform umfasst somit quasi einen hinsichtlich der Mittenfrequenz variablen Bandpassfilter, der automatisch geregelt, seine Mittenfrequenz, der zu selektierende Frequenz, anpasst. Hiermit können Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase bzw. der zugeordneten Carrier-Envelope-Frequenz in der Größenordnung bis zur Hälfte des Frequenzabstands der Einzellinien des Intermodefrequenzkamms des erfassten Carrier-Envelope-Frequenz-Signals kompensiert werden.
Nach einer weiteren selbstständig erfinderischen Idee ist die Ausführungsform nach 5 ausgebildet. Bei dieser wird quasi die Nachführung des zu filternden Carrier-Envelope-Frequenz-Signals optisch über ein akustooptisches Element bewirkt und zwar jenes, welches auch die Carrier-Envelope-Phase kompensiert. Hierzu wird der von dem abgeleiteten Steuersignal angetriebene eine akustooptische Frequenzschieber 410 in den Strahlengang des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse, an vorzugsweise vor dem Pulsselektierer 6, angeordnet, hinter dem optischen Verstärker 4 ist ein Strahlteiler 450 angeordnet. Ein Anteil 451 des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse wird auf einen weiteren akustooptischen Frequenzschieber 510 geführt, welcher mit einer Festfrequenz betrieben wird. In der ersten Beugungsordnung 520 dieses weiteren akustooptischen Frequenzschiebers 510 ist die erste Erfassungseinrichtung 20 zum Erfassen des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals 32 angeordnet. Ein anderer Teil 452, der an dem Strahlteiler 450 abgeteilt wird, stellt das Nutzsignal dar.
Im Folgenden soll erläutert werden, wie die Synthetisierung des Steuersignals 200 bei dieser Ausführungsform eines Systems zum Erzeugen eines hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisierten Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse erfolgt. Der Aufbau des Synthesizers ist in weiten Teilen ähnlich zu dem nach 2 und 3. Über einen ersten Filtermischer 110 wird ein nicht hinsichtlich der Frequenz nachgeführtes Lokaloszillatorsignal 122 mit dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal 32 gemischt, das gemischte Signal 112 über einen schmalbandigen Bandpassfilter 140 geführt, anschließend mit dem Repetitionssignal 62 in einem Anpassmischer 150 gemischt, einen Hochpassfilter 170 geführt, anschließend in dem zweiten Filtermischer 115 erneut mit dem Lokaloszillatorsignal 122 gemischt und anschließend über einen Tiefpassfilter 117 geführt, um ein an die Arbeitsfrequenz des akustooptischen Frequenzschiebers 410 angepasstes, von den Einflüssen des Lokaloszillatorsignals 122 „befreites“ synthetisiertes Signal 600 zu erhalten, welches auch als synthetisiertes Carrier-Envelope-Frequenz-Signal bezeichnen wird. Die durch das Lokaloszillatorsignal 122 verursachte Frequenzverschiebung wird somit kompensiert. Die Frequenz des Lokaloszillators 120 bzw. des Lokaloszillatorsignals 122 wird konstant gehalten, d. h. nicht nachgeführt.
Das synthetisierte Signal 600 entspricht im Wesentlichen dem Steuersignal der Ausführungsform nach 2. Ein Treiberoszillator 650 erzeugt ein Festfrequenzsignal 652, welches über einen Verstärker 654 geführt ist und als verstärktes Festfrequenzsignal 656 den weiteren akustooptischen Frequenzschieber 510 antreibt. Die Frequenzanpassung in dem Anpassmischer 150 wird so vorgenommen, dass das synthetisierte Signal 600 eine Frequenz aufweist, welche anfangs maximal um die Hälfte der Repetitionsrate der verstärkten Laserpulse f_AMP von der Frequenz f_FEST abweicht, mit der der weitere akustooptische Frequenzschieber 510 betrieben wird. Über eine Treiber-PLL-Schaltung 670 wird ein Treiberregelsignal 672 erzeugt, welches einen spannungsgesteuerten Treiber-Oszillator 680 antreibt, der das Steuersignal 200 erzeugt. Dieses muss in der Regel nicht verstärkt werden, sondern kann den akustooptischen Frequenzschieber 410 direkt antreiben.
Wenn die Frequenz des Steuersignals modulo der Wiederholrate der Pulse in dem Zug verstärkter Laserpulse der aus dem gebeugten Zug kurzer verstärkter Laserpulse abgeleiteten Carrier-Envelope-Frequenz entspricht, ist der in nullter Ordnung 540 aus dem weiteren mit der Festfrequenz betriebenen akustooptischen Frequenzschieber 510 austretende Zug 550 kurzer verstärkter Laserpulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase auf den Wert null kompensiert. Dies bedeutet gleichzeitig, dass bereits die in den anderen akustooptischen Frequenzschieber 510 eintretenden verstärkten Laserpulse eine Carrier-Envelope-Phase null aufweisen und somit sämtliche aus dem Verstärker 4 austretenden verstärkten Laserpulse.
Variationen in der Carrier-Envelope-Phase, welche durch Einflüsse in dem Lasersystem 2 verursacht sind, werden aufgrund der Synthese des Steuersignals 200 unmittelbar kompensiert, da das Steuersignal 200 phasenstarr gekoppelt an das Festfrequenzsignal 652 bzw. das verstärkte Festfrequenzsignal 656 in Abhängigkeit des abgeleiteten synthetisierten Carrier-Envelope-Frequenz-Signals 600 angepasst wird und somit die Änderung der Carrier-Envelope-Frequenz dem akustooptischen Frequenzschieber 410 in dem in der ersten Ordnung 420 abgebeugten Zug 430 äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse kompensiert. Das von der ersten Erfassungseinrichtung 20 erfasste Carrier-Envelope-Frequenz-Signal 32 weist somit einen Frequenzkamm mit einer zu selektierenden Einzellinie auf, deren Frequenz n·fAMP ± fCE konstant gehalten wird, so dass das Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal 112, welches durch die Mischung mit dem Signal 112 des Lokaloszillators 120 erzeugt wird, immer eine Frequenzkomponente aufweist, die im Durchlassbereich des schmalbandigen Bandpassfilters 140 liegt. Da eine Regelbreite des akustooptischen Frequenzschiebers 410 wesentlich größer als ein halber Frequenzabstand der Einzellinien des Intermodenfrequenzkamms im abgeleiteten Carrier-Envelope-Frequenz-Signal 32 ist, können relativ große Carrier-Envelope-Frequenz-Schwankungen nachgeführt werden, ohne die Stabilität der Carrier-Envelope-Phase der erzeugten zeitlich äquidistanten kurzen verstärkten Laserpulse nachteilig zu beeinflussen. Hierdurch lässt sich eine langzeitstabile Carrier-Envelope-Phasen-Stabilisierung verstärkter kurzer Laserpulse erreichen auch für Lasersysteme, die mit Dioden gepumpten ytterbiumdotierten Lasermedien betrieben sind.
In 6 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, ähnlich zu der nach 5, bei der jedoch das akustooptische Element, welches die Carrier-Envelope-Phase der kurzen unverstärkten Laserpulse beeinflusst, in den eigentlichen Kurzpulslaser 2 integriert ist. Ebenso ist es möglich, ein anderes optisches Element, welches nicht akustooptisch wirkt, mit dem Steuersignal zu beeinflussen und hierüber die Stabilisierung der Carrier-Envelope-Frequenz bzw. Carrier-Envelope-Phase der zeitlich äquidistanten kurzen verstärkten Laserpulse zu erreichen.
Vorteilhaft an der Ausführungsform in der 5 ist, dass kein Eingriff unmittelbar in das Lasersystem 2 oder den optischen Verstärker 4 notwendig ist. Lediglich in den Strahlengang zwischen Laser 2 und Verstärker 4 ist eine Anordnung des mit dem Steuersignal 200 betriebenen akustooptischen Frequenzschiebers 410 notwendig, der so anzuordnen ist, dass nur die erste Beugungsordnung 420 in dem optischen Verstärker 4 verstärkt wird.
Aufgrund der Tatsache, dass nur ein Anteil 451 des Zuges 5 verstärkter Laserpulse auf den mit der Festfrequenz betriebenen akustooptischen Frequenzschieber 410 gelenkt werden muss, deren Pulsenergien ausreichend sind, um eine Spektralverbreiterung auszuführen und ein Carrier-Envelope-Frequenz-Signal ableiten zu können, welches ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist, können nicht-lineare optische Effekte in dem mit der Festfrequenz betriebenen akustooptischen Element 500, 510 zuverlässig vermieden werden. Somit ist eine nach diesem Prinzip betriebene Stabilisierung bis zu höchsten Einzelpulsleistungen möglich, ohne dass die Stabilisierung das verstärkte Lasersystem 1 nachteilig beeinflusst.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die schematischen Darstellungen nicht sämtliche optischen Komponenten wie Spiegel oder Polarisatoren und Ähnliches zeigen, die in einem Lasersystem tatsächlich genutzt werden. Die wesentlichen Komponenten zur Umsetzung der Erfindung sind jedoch in den Figuren jeweils dargestellt. Hinsichtlich der Anordnung des akustooptischen Elements bei der Ausführungsform nach 1 oder 2 wird darauf hingewiesen, dass in den Figuren jeweils eine Darstellung gewählt ist, bei der der akustooptische Frequenzschieber 310 jeweils hinter dem optischen Verstärker 4 angeordnet ist. Bei einer praktischen Umsetzung, insbesondere bei hohen Pulsleistungen, ist es jedoch vorteilhaft, den akustooptischen Frequenzschieber 310 in den optischen Verstärker 4 so zu integrieren, dass der akustooptische Frequenzschieber 310 von den im Verstärker 4 zeitlich gestreckten Laserpulsen durchlaufen wird, so dass keine hohen Spitzenleistungen auftreten. Auch wenn in der Beschreibung der Erfindung immer von kurzen verstärkten Laserpulsen die Rede ist, soll dieses die Situation mit einschließen, bei der die den akustooptischen Frequenzschieber passierenden Laserpulse zuvor zeitlich gestreckt und erst nach dem Passieren des akustooptischen Frequenzschiebers über einen Kompressor wieder in zeitlich kurze Laserpulse zurückgeführt werden.
In 7 ist eine solche Anordnung schematisch dargestellt. Der Zug 3 zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse trifft zunächst auf einen Pulsstrecker 800, der beispielsweise mit Hilfe von Gittern oder Prismen aufgebaut ist. Anschließend durchläuft der Zug 810 nun zeitlich gestreckter Laserpulse ein Laserverstärkermedium 820 ein oder mehrmals und anschließend den akustooptischen Frequenzschieber 310. Anschließend wird zumindest die erste Beugungsordnung 320 über einen Pulskompressor 850, welcher in der Regel mittels ein oder mehrerer Gitter ausgebildet ist, wieder in zeitlich kurze äquidistante Laserpulse zurück überführt. In der Regel wird man den Pulskompressor 850 so anordnen, dass sowohl die erste Ordnung 320 als auch die nullte Ordnung 340 den Pulskompressor 850 durchlaufen und eine geometrische Trennung der Beugungsordnungen 320, 340 erst nach dem Austreten aus dem Pulskompressor 850 geometrisch vorgenommen wird.
An dieser Stelle wird auch noch darauf hingewiesen, dass der in den Figuren gezeigte Pulsselektierer jeweils eine optionale Komponente darstellt. Als Pulsselektierer kann beispielsweise eine Pockelszelle eingesetzt werden. Ferner kann die Anordnung des akustooptischen Frequenzschiebers in der Ausführungsform nach 5 hinter dem Pulsselektierer angeordnet werden. Auch ein Ableiten des Repetitionssignals kann an unterschiedlichen Stellen im Strahlengang erfolgen. Vorteilhaft ist es jedoch, dieses Signal möglichst nahe am Kurzpulslaser auszukoppeln, um in dem Repetitionssignal möglichst ohne zusätzliche Störungen die Laserrepetitionsrate der kurzen Pulse des Laseroszillators und dessen Harmonische erfassen und ableiten zu können. Das Repetitionssignal S_REP kann jedoch auch nach dem Pulsselektierer im Strahlengang des Zuges selektierter zeitlich gleichbeabstandeter kurzer unverstärkter Laserpulse oder sogar in dem Strahlengang des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse erfasst werden.
Bezugszeichenliste

1: Lasersystem mit stabilisierter Carrier-Envelope-Phase
2: Kurzpulslaser
3: Zug zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse
4: optischer Verstärker
5: Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse
6: Pulsselektierer
10: Stabilisierungseinrichtung
11: erster Strahlteiler
12: zweiter Strahlteiler
15: Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse
16: anderer Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse
20: erste Erfassungseinrichtung
22: Spektralverbreiterungseinrichtung
24: Frequenzverdopplungseinrichtung
26: f-2f-Interferometer
28: optisches Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (optisches Heterodynsignal)
30: photoempfindlicher Detektor
32: elektronisches Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (elektronisches Heterodynsignal)
34: Impedanzanpassverstärker
36: automatisch geregelter Verstärker (automatic gain amplifier)
45: Anteil des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse
50: Repetitionserfassungseinrichtung
58: optisches Repetitionssignal
60: Photodetektor
62: Repetitionssignal S_REP (elektronisch)
72: verstärktes Repetitionssignal
100: Synthesizer
110: erster Filtermischer
112: Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal
115: zweiter Filtermischer
116: Mischsignal (des zweiten Filtermischers)
117: Tiefpassfilter
120: Lokaloszillator
122: Lokaloszillatorsignal S_LO
124: Referenzoszillator
126: Referenzsignal S_REF
128: Filter-Phase-Lock-Loop-Schaltung
130: Rückkoppelsignal
132: Regelsignal
134: spannungsgesteuerter Oszillator
140: Bandpassfilter (Quarzfilter)
142: gefiltertes Mischsignal (gefiltertes Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal)
150: Anpassmischer
152: an die Arbeitsfrequenz angepasstes Zwischenfrequenz-Carrier-Envelope-Frequenz-Signal
164: Impedanz-Anpassverstärker
166: automatisch geregelter Verstärker (Automatic Gain Amplifier)
170: Hochpassfilter
200: Steuersignal
210: Verstärker
220: verstärktes Steuersignal
300: akustooptisches Element
310: akustooptischer Frequenzschieber
320: erste Beugungsordnung
330: Zug kurzer verstärkter Laserpulse in erster Beugungsordnung
340: nullte Beugungsordnung
350: Zug kurzer verstärkter Laserpulse in nullter Ordnung
410: akustooptischer Frequenzschieber
420: erste Beugungsordnung
430: Zug kurzer unverstärkter Laserpulse in erster Ordnung
440: nullte Beugungsordnung
450: Strahlteiler
451: ein Anteil des Zuges kurzer verstärkter Laserpulse
452: weiterer Anteil des Zuges kurzer verstärkter Laserpulse
510: weiterer akustooptischer Frequenzschieber
520: erste Beugungsordnung
530: Zug kurzer verstärkter Laserpulse in erster Ordnung
540: nullte Beugungsordnung
550: Zug kurzer verstärkter Laserpulse in nullter Ordnung (Carreier-Envelope-
Phase: stabilisiert)
600: synthetisiertes Signal
650: Treiberoszillator
652: Festfrequenztreibersignal
654: Verstärker
656: verstärktes Festfrequenzsignal
670: Treiber-Phase-Lock-Loop-Schaltung
672: Regelsignal
680: spannungsgesteuerter Treiber-Oszillator
800: Pulsstrecker
810: Zug zeitlich gestreckter unverstärkter Laserpulse
820: Verstärkermaterial
850: Pulskompressor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1991103 A1 [0005]
WO 2010/063051 A1 [0005]
WO 2007/149956 A2 [0006]
DE 19911103 A1 [0046]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

. R. Telle et al., Applied Physics B 69, Seiten 327ff., 1999 [0005]
T. Fuji, et al., Opt. Lett. 30, Seiten 332, 2005 [0005]
F. W. Helbing et al., Applied Physics B 74, Seite 35 ff., 2002 [0006]
M. Kakehata et al., Optics Letters 26, 1436 (2001) [0006]
M. Mehendale et al., Optics Letters 25, 1672 (2000) [0006]
G. G. Paulus et al., Nature 414, 282 (2001) [0006]
S. Koke et al., Optics Letters 33, 2545 (2008) [0006]
K. Osvay et al., Optics Letters 33, 2704 (2008) [0006]
J. M. Dudley et al., Reviews of Modern Physics 78, 1135, 2006 [0009]
C. J. Saraceno et al., Opt. Express 20, 9650–9656 (2012) [0009]

Claims

Verfahren zum Stabilisieren einer Carrier-Envelope-Frequenz eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse einer Kurzpulslaserstrahlung, der mittels eines Verstärkens eines Zuges (3) zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse erzeugt ist, wobei die kurzen verstärkten Laserpulse eine höhere Pulsenergie als die kurzen unverstärkten Laserpulse aufweisen, umfassend die Schritte: Erfassen eines ersten Eingangssignals als Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE; 32), aus welchem die Carrier-Envelope-Frequenz des Zuges (5) kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, Erfassen eines zweiten Eingangssignals als Repetitionssignal (S_REP; 62), aus welchem die Repetitionsrate (f_AMP) der Laserpulse des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse oder eine Harmonische der Repetitionsrate (n·f_AMP) des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, Synthetisieren eines elektronischen Steuersignals (S_AOFS, S_AOFS1; 200) aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE) und dem Repetitionssignal (S_REP) und Einwirken mit dem Steuersignal auf ein optisches Element (300, 310; 400, 410), welches die Carrier-Envelope-Frequenz beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des ersten oszillierenden Eingangssignals, ein Ableiten des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals (S_CE) aus einem Anteil (15; 451) des Zuges (350; 530) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erfassen des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals (S_CE; 32) eine Wandlung in das elektronische Signal mit einem photoempfindlichen Detektor (30) vorgenommen wird, dessen Frequenzbandbreite in der Größenordnung der Repetitionsrate der zeitlich äquidistanten kurzen verstärkten Laserpulse liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (300; 400) ein akustooptischer Frequenzschieber (310; 410) ist und das Einwirken auf das optische Element erfolgt, indem der akustooptische Frequenzschieber mit dem Steuersignal (200, 220) angetrieben wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Selektieren einer Frequenzkomponente des elektronischen Carrier-Envelope-Frequenz-Signals (S_CE; 32) das elektronische Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE) mit einem Lokaloszillator-Signal (S_LO; 122) gemischt wird und ein so erhaltenes Mischsignal (112) auf einen schmalbandigen Bandpassfilter (140) geführt wird, wobei die Frequenz des Lokaloszillatorsignals (S_LO; 122) so gewählt wird, dass das Mischsignal (112) eine Frequenzkomponente aufweist, deren Frequenz (f_MISCH) innerhalb eines Durchlassbereichs des Bandpassfilters (140), vorzugsweise nahe der Zentralfrequenz (f₀) des Bandpassfilters (140), liegt und sich als Summe (f_MISCH = n·f_AMP + f_CE + f_LO) oder Differenz (f_MISCH = n·f_AMP – f_CE + f_LO; f_MISCH = f_CE + f_LO) einerseits der Carrier-Envelope-Frequenz (f_CE) und andererseits der Summe (n·f_AMP + f_LO) der Frequenz (f_LO) des Lokaloszillatorsignals (S_LO) und einem n-fachen (n·f_AMP) der Repetitionsrate der Laserpulse in dem Zug zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse angeben lässt, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich null ist, und bei der weiteren Signalverarbeitung eine erneute Frequenzmischung mit dem Lokaloszillator-Signal (S_LO) und anschließendes Führen über einen Tiefpassfilter (117) erfolgt, um die durch das Mischen mit dem Lokaloszillatorsignal (122) verursachte Frequenzverschiebung in der Signalverarbeitung zu kompensieren.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Signalverarbeitung das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE; 32) oder ein aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE; 142) abgeleitetes Signal mit dem Repetitionssignal (62) gemischt wird, um eine Frequenzanpassung des bei der Signalverarbeitung synthetisierten Steuersignals (200, 600) an einen Arbeitsbereich eines akustooptischen Frequenzschiebers zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lokaloszillatorsignal (S_LO) mittels einer Filter-Phase-Lock-Loop-Schaltung (128) stabilisiert wird, indem das Lokaloszillatorsignal mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators (134) so erzeugt wird, dass das bandpassgefilterte Ausgangssignal (142) des ersten Filtermischers (110) phasenstarr an das Signal (126) eines Referenzoszillators (134) gekoppelt wird, wodurch erreicht wird, dass die Frequenz der zu selektierenden Frequenzkomponente des Ausgangssignals (112) des ersten Filtermischers (110) im Durchlassbereich des Bandpassfilters (140) bleibt.
Verfahren nach Anspruch einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Steuersignal angetriebene akustooptische Frequenzschieber (310) im Strahlengang des Zuges (5) kurzer verstärkter Laserpulse angeordnet ist und jener Zug (330) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse, dessen zugehöriger Frequenzkamm Einzellinien aufweist, deren Frequenzen in dem mit dem Steuersignal angetriebenen akustooptischen Frequenzschieber verschoben worden sind, hinsichtlich der Carrier-Envelope-Frequenz stabilisiert ist.
Verfahren nach einem der vorangegangen Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Anteil (451) des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse auf einen mit einer vorgegebenen Festfrequenz betriebenen weiteren akustooptischen Frequenzschieber (510) geführt wird und das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE; 32) aus dem Zug (530) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abgeleitet wird, dessen zugehöriger Frequenzkamm Einzellinien aufweist, deren Frequenzen in dem mit der Festfrequenz betriebenen weiteren akustooptischen Frequenzschieber (510) verschoben worden sind, und das Einwirken mit dem Steuersignal (200) auf das optische Element (400) im Strahlengang des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einwirken auf das optische Element (400) im Strahlengang des Zuges (3) zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse vorgenommen wird, indem der mit dem Steuersignal (200) betriebene eine akustooptische Frequenzschieber (410) in dem Strahlengang des Zuges (3) zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse verwendet wird, und jener Zug (430) zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse auf den Verstärker (4) geführt wird, dessen zugrunde liegender Frequenzkamm Einzellinien aufweist, die in dem mit dem Steuersignal betriebenen akustooptischen Frequenzschieber (410) frequenzverschoben worden sind bzw. werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das synthetisierte Steuersignal (200) über eine Treibersignal-Phase-Lock-Loop-Schaltung (670) mit dem Festfrequenzsignal (652, 656), welches den mit der Festfrequenz betriebenen weiteren akustooptischen Frequenzschieber (510) im Strahlengang zumindest eines Anteils (451) des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse antreibt, phasenstarr gekoppelt wird.
Vorrichtung (1) zum Erzeugen von Laserstrahlung in Form eines Zuges (5) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse mit einer stabilisierten Carrier-Envelope-Frequenz umfassend einen Kurzpulslaser (2) zum Erzeugen eines Zuges (3) zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse; einen optischen Verstärker (4) zum Erzeugen eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse; sowie eine Stabilisierungseinrichtung (109) mit einem optischen Element (300, 400) zum Beeinflussen der Carrier-Envelope-Frequenz und einem Synthesizer (100), der einen ersten Eingang zum Erfassen eines ersten Eingangssignals als Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE), aus welchem die Carrier-Envelope-Frequenz des Zuges (5) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, einen zweiten Eingang zum Erfassen eines zweiten Eingangssignals als Repetitionssignal (S_REP), aus welchem die Repetitionsrate (f_AMP) der Laserpulse des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse oder eine Harmonische der Repetitionsrate (n·f_AMP) der Laserpulse des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse ableitbar ist, und einen Ausgang umfasst und ausgebildet ist, ein Steuersignal (200) aus dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE) und dem Repetitionssignal (S_REP) zu synthetisieren und an dem Ausgang bereitzustellen, wobei das optische Element (300; 400) mit dem Ausgang des Synthesizers verbunden ist und ausgebildet ist, dass die Carrier-Envelope-Frequenz bei einem Einwirken des Steuersignals auf das optische Element (300; 400) beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang zum Erfassen des ersten Eingangssignals, mit der Laserstrahlung so gekoppelt ist, dass das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE) aus einem Anteil (15) des Zuges (5) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abgeleitet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stabilisierungseinrichtung einen photoempfindlichen Detektor (30) umfasst, dessen Frequenzbandbreite in der Größenordnung der Repetitionsrate der zeitlich äquidistanten kurzen verstärkten Laserpulse liegt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (300; 400) ein akustooptischer Frequenzschieber (310; 410) ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesizer einen schmalbandigen Bandpassfilter (140) in Form eines Quarzfilters umfasst, um im Signalverarbeitungspfad des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals (S_CE) eine Frequenzkomponente zu selektieren, deren Frequenz additiv oder subtraktiv einerseits durch die Carrier-Envelope-Frequenz (f_CE) und andererseits ein n-faches (n·f_AMP) der Repetitionsrate (f_AMP) der Laserpulse des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse sowie gegebenenfalls zusätzlich additiv durch eine Frequenz (f_LO) eines in dem Synthesizer (100) erzeugten Lokaloszillatorsignals (S_LO) festgelegt ist, wobei n eine ganze Zahl größer gleich null ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesizer einen ersten Lokaloszillator (120) zum Erzeugen des Lokaloszillatorsignals (S_LO), einen ersten als ersten Filtermischer (110) bezeichneten Mischer zum Mischen des Lokaloszillatorsignals (S_LO) mit dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE), einen schmalbandigen Bandpassfilter (140) auf den das Mischsignal (112) des ersten Filtermischers (110) geführt ist und einen zweiten als zweiten Filtermischer (115) bezeichneten Mischer, der mit dem Lokaloszillator (120) gekoppelt ist, um den durch das Mischen des Carrier-Envelope-Frequenz-Signals (S_CE) mit dem Lokaloszillatorsignal (S_LO) verursachten Frequenzversatz in der weitern Signalverarbeitung des bandpassgefilterten Ausgangssignals des ersten Filtermischers (110) zukompensieren, wobei die Frequenz des Lokaloszillatorsignals (S_LO) so gewählt wird, dass das Mischsignal (112) des ersten Filtermischers eine zu selektierende Frequenzkomponente aufweist, deren Frequenz (f_MISCH) innerhalb eines Durchlassbereichs des Bandpassfilters (140), vorzugsweise nahe der Zentralfrequenz f₀ des Bandpassfilters, liegt und sich als Summe (f_MISCH = n·f_AMP + f_CE + f_LO) oder Differenz (f_MISCH = f_LO + n·f_AMP – f_CE) einerseits der Carrier-Envelope-Frequenz (f_CE) und andererseits der Summe (n·f_AMP + f_LO) der Frequenz (f_LO) des Lokaloszillatorsignals (S_LO) und einem n-fachen (n·f_AMP) der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse angeben lässt, wobei n eine ganze Zahl größer oder gleich null ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesizer (100) einen dritten als Anpassmischer (150) bezeichneten Mischer umfasst, um das an dem zweiten Eingang erfasste Repetitionssignal (S_REP; 62) oder ein hieraus abgeleitetes Signal mit dem Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE) oder einem hieraus abgeleiteten Signal (142) zu mischen, um eine Frequenzanpassung des synthetisierten Steuersignals (200; 600) an einen Arbeitsbereich des optischen Elements (300; 400) zu erreichen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Lokaloszillator (120) einen Referenzoszillator (124), einen spannungsgesteuerten Oszillator (134) und eine Lokaloszillator-Phase-Lock-Loop-Schaltung (128) umfasst, welche das von dem spannungsgesteuerten Oszillator (134) erzeugte Lokaloszillatorsignal (122) so erzeugt, dass das bandpassgefilterte Ausgangssignal (142) des ersten Filtermischers (110) phasenstarr an das Signal (126) des Referenzoszillators (134) gekoppelt ist, wodurch erreicht wird, dass die Frequenz der zu selektierenden Frequenzkomponente des Ausgangssignals (112) des ersten Filtermischers (110) im Durchlassbereich des Bandpassfilters (140) bleibt.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzschieber (310) zum Bewirken der Carrier-Envelop-Frequenz-Stabilisierung im Strahlengang nach dem optischen Verstärkermedium (820) angeordnet ist und der Zug (330) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Frequenz stabilisiert ist, von dessen zugeordnetem Frequenzkamm die Einzellinien in dem Frequenzschieber (310) frequenzverschoben sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Synthesizer (100) einen weiteren Treiberoszillator (650) zum Erzeugen eines Festfrequenzsignals (652) aufweist, welches einen weiteren akustooptischen Frequenzschieber (510) antreibt, welcher in dem Strahlengang so angeordnet ist, dass zumindest ein Anteil (451) des Zuges (5) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse auf diesen mit dem Festfrequenzsignal (652) betriebenen weiteren akustooptischen Frequenzschieber (510) geführt ist, und das Carrier-Envelope-Frequenz-Signal (S_CE; 32) aus dem Zug (530) zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse abgeleitet wird, dessen zugehöriger Frequenzkamm Einzellinien aufweist, deren Frequenzen in dem weiteren mit der Festfrequenz betriebenen akustooptischen Frequenzschieber (510) verschoben worden sind, und das Steuersignal (200) für den akustooptischen Frequenzschieber (410), der in dem Zug (3) zeitlich äquidistanter kurzer unverstärkter Laserpulse angeordnet ist und das Stabilisieren der Carrier-Envelope-Frequenz eines Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse bewirkt, phasenstarr an das Festfrequenzsignal (652) mittels einer Treibersignal-Phase-Lock-Loop-Schaltung (670) gekoppelt ist, welche als Rückkoppelsignal das aus dem erfassten Carrier-Envelope-Frequenz-Signal abgeleitet Signal verwendet, welches genau eine Frequenzkomponente aufweist, die sich schreiben lässt: als Summe aus einem nfachen der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse und der Carrier-Envelope-Frequenz (f_MISCH = n·f_AMP + f_CE) oder als Differenz eines n-fachen der Repetitionsrate des Zuges zeitlich äquidistanter kurzer verstärkter Laserpulse und der Carrier-Envelope-Frequenz (f_MISCH = n·f_AMP – f_CE), wobei n jeweils eine ganze Zahl größer gleich null ist.