DE19549303A1

DE19549303A1 - Analyser for short and ultra-short light pulses

Info

Publication number: DE19549303A1
Application number: DE19549303A
Authority: DE
Inventors: Harald Dr Schulz; Ping Zhou
Original assignee: Wissenschaftlich-Technisches Optikzentrum Nordrhein-Westfalen Ev (optikzentrum Nrw) 44799 Bochum De; WISSENSCHAFTLICH TECH OPTIKZEN
Current assignee: "optikzentrum Nrw (oz)" 44799 Bochum De GmbH
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1997-01-02
Also published as: DE19549280A1

Abstract

Measuring appts. for short and ultra-short light pulses consists of an arrangement of beam dividers and reflectors for dividing a beam into two subsidiary pulses and then merging the pulses, an optical element (9) for producing a correlation signal for both pulses and a replaceable detection unit (17). The novelty is that (a) optical components, which differ according to the dispersion of the subsidiary pulses, are arranged in the beam paths of the two subsidiary pulses and/or one or more dispersive components are arranged in one of the beam paths; and (b) the correlation signal producing element (9) is a second order nonlinear optical element, e.g. a lithium beta-borate crystal or a reflective GaAs surface. Also claimed is a method of analysing short and ultra-short laser pulses using the above appts.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtimpulse mit Impulsdau ern im Femtosekunden- bis Picosekundenbereich, mit der qualitative und quantitative Messungen der Impulsform, -phase, -dauer und -spektrum sowie des Chirps kurzer und ultrakurzer Lichtimpulse durchge führt werden können. Derartige Meßvorrichtungen wer den insbesondere bei der Untersuchung der Impulsei genschaften von Lasern sowie bei der Entwicklung und Justierung von Lasersystemen mit kurzen bzw. ultra kurzen Lichtimpulsen verwendet.The invention relates to a measuring device for short and ultra-short light pulses with pulse duration in the femtosecond to picosecond range, with the qualitative and quantitative measurements of the Pulse shape, phase, duration and spectrum as well as the Chirps of short and ultra-short light pulses can be led. Such measuring devices who especially when examining the impulse egg properties of lasers as well as in the development and Adjustment of laser systems with short or ultra short light pulses used.

Zur Messung der Impulseigenschaften von derartig kur zen Laserimpulsen wird überlicherweise die Autokorre lationsfunktion dieser Impulse untersucht. Zur Be stimmung einzelner Eigenschaften dieser Laserimpulse, wie beispielsweise deren Form, Phase, Spektrum oder auch Intensität stehen nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren zur Verfügung. Diese unter scheiden sich insbesondere bezüglich des Verfahrens, um zwischen zwei zu korrelierenden Teilimpulsen des Lasers eine definierte Verzögerung herzustellen, so wie bezüglich der durch diese Verfahren erhältlichen Informationen über Eigenschaften des untersuchten Laserimpulses. Jedes dieser Verfahren eignet sich für einen bestimmten Typus von Laserstrahlung, wobei ins besondere zu unterscheiden ist zwischen Verfahren zur Messung der Strahlungsimpulseigenschaften hochrepe tierlicher Impulse sowie der Eigenschaften von ein zelnen bzw. mit geringer Wiederholrate erzeugten Lichtimpulsen.To measure the pulse properties of such a cure zen laser pulses usually become the auto correction tion function of these impulses examined. To Be tuning individual properties of these laser pulses, such as their shape, phase, spectrum or intensity is also state of the art different procedures are available. This under differ in particular with regard to the procedure, in order to correlate between two partial pulses of the Lasers produce a defined delay, so as for those obtainable by these methods Information about properties of the examined Laser pulse. Each of these methods is suitable for a certain type of laser radiation, ins A distinction must be made between procedures for Measurement of the radiation pulse properties hochrepe animal impulses as well as the properties of a individually or with a low repetition rate Light pulses.

Das Prinzip der Messung der Lichtimpulseigenschaften durch Korrelation beruht ganz allgemein darauf, daß der zu messende Lichtimpuls in zwei Teilimpulse auf geteilt wird. Einer dieser Teilimpulse wird an schließend um eine definierte Zeit gegenüber dem an deren Teilimpuls verzögert. Anschließend werden diese beiden Teilimpulse überlagert. Aufgrund der durch die Überlagerung erzeugten physikalischen Phänomene, d. h. des Korrelationssignals, können anschließend Eigen schaften der einzelnen Teilimpulse bestimmt werden. Das Korrelationssignal besteht beispielsweise aus der zweiten oder höheren Harmonischen des zu untersuchen den Laserimpulses oder einer Strahlung mit einer Mi schung der Frequenzen der zu korrelierenden Teilim pulse. Um die für die Charakterisierung von kurzen bzw. ultrakurzen Laserimpulsen nötigen kurzen Verzö gerungszeiten im Femto- bis Picosekundenbereich zu erzeugen, wird die Laufstrecke des einen Teilimpulses um einige µm bis cm verlängert. Die Idee der Kurz zeitmessungen besteht also darin, daß eine Verzöge rungszeit p durch eine Verzögerungsstrecke x erzeugt wird. Aufgrund dieser Äquivalenz zwischen Verzöge rungszeit p und Verzögerungsstrecke x können an schließend zeitabhängige Eigenschaften des Lichtimpulses wie Amplitude oder Phase in Abhängig keit von der sehr genau zu erzeugenden Verzögerungs strecke x dargestellt werden.The principle of measuring the light pulse properties by correlation is generally based on the fact that the light pulse to be measured has two sub-pulses is shared. One of these partial impulses is on then at a defined time compared to the whose partial pulse is delayed. Then these two partial impulses superimposed. Because of the Overlay generated physical phenomena, i.e. H. of the correlation signal, can then Eigen properties of the individual partial impulses can be determined. The correlation signal consists, for example, of the second or higher harmonics to examine the laser pulse or radiation with a Mi the frequencies of the parts to be correlated pulse. In order for the characterization of short or ultra-short laser pulses require short delays delivery times in the femto to picosecond range generate, the running distance of a partial pulse extended by a few µm to cm. The idea of short So time measurements consist of a delay time p generated by a delay line x becomes. Because of this equivalence between delays time p and delay line x can closing time-dependent properties of the Light pulse such as amplitude or phase depending speed of the delay to be generated very precisely distance x are shown.

Bei einem Abtast-Autokorrelator, wie er aus der Lite ratur bekannt ist (A. Watanabe und H. Saito, Rev. Sci. Instrum. Bd. 58, s. 1852 (1987)) wird die Lauf strecke des einen Teilimpulses durch ein bewegliches Element verändert und dadurch dieser Teilimpuls ge genüber dem anderen Teilimpuls um eine definierte Zeit verzögert. So wird punktweise die Autokorrela tion zwischen diesen beiden Teilimpulsen in Abhängig keit von der Verzögerungsstrecke bestimmt. Da dieses Verfahren zur Bestimmung der Autokorrelation für eine bestimmte Verzögerungsstrecke die Messung mit jeweils einem Lichtimpuls benötigt, eignet sich der Abtast-Auto korrelator nur zur Messung mit Laserimpulsen mit hoher Wiederholrate. Aus derartigen Messungen lassen sich der zeitliche Verlauf der Amplitude und die Im pulsdauer des Laserimpulses, nicht jedoch seine Phase oder der Chirp des Laserimpulses bestimmen.In the case of a sampling autocorrelator such as that found in the Lite is known (A. Watanabe and H. Saito, Rev. Sci. Instrument. Vol. 58, p. 1852 (1987)) becomes the Lauf stretch the one partial impulse through a movable one Element changed and this ge partial pulse compared to the other partial pulse by a defined one Time delayed. This is how the autocorrela becomes tion between these two partial impulses speed determined by the delay line. Since this Method for determining the autocorrelation for a certain delay distance the measurement with each the scanning car is suitable correlator only for measurement with laser pulses high repetition rate. Let out of such measurements the time course of the amplitude and the Im pulse duration of the laser pulse, but not its phase or determine the chirp of the laser pulse.

Bei dem Einzelimpulsautokorrelator werden die beiden Teilimpulse durch eine Zylinderlinse zu einem schma len Streifen fokussiert und anschließend unter einem bestimmten Winkel miteinander überlagert. Hierdurch ergibt sich, daß die Autokorrelationsfunktion entlang des Streifens mit der Verzögerungszeit T variiert. Man erhält folglich bereits aus einem Impuls eine eindimensionale Darstellung der Überlagerung der bei den Teilimpulse, aus der sich die Form des Laserim pulses näherungsweise rekonstruieren läßt. Damit wird die Analyse von Laserimpulsen mit niedriger Wieder holrate bzw. die Analyse von einzelnen Laserimpulsen möglich. Der Einzelimpulsautokorrelator ermöglicht es jedoch nicht, die Phase bzw. den Chirp des Laserim pulses zu bestimmen.With the single pulse autocorrelator, the two Partial impulses through a cylindrical lens to a schma Len strip focused and then under one certain angles superimposed. Hereby results in the autocorrelation function along of the strip varies with the delay time T. One therefore already receives one from an impulse one-dimensional representation of the overlay of the the partial impulses from which the shape of the laserim approximately reconstructs pulses. So that will the analysis of laser pulses with low re frame rate or the analysis of individual laser pulses possible. The single pulse autocorrelator makes it possible however, not the phase or chirp of the Laserim to determine pulses.

Bei dem wellenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrela tor wird die aus der Überlagerung der Teilimpulse, beispielsweise in einem Material mit nichtlinear op tischer Polarisation, erzeugte Strahlung anschließend in einem Spektrometer analysiert. Bei diesem Verfah ren wird eine zweidimensionale Darstellung des Korre lationssignals in Abhängigkeit von der Verzögerungs zeit und der Wellenlänge gewonnen, so daß aus diesen Informationen anschließend nach bekannten Verfahren sowohl die zeitabhängige Impulsform, die Impulsphase, die Impulsdauer als auch das Impulsspektrum gewonnen werden kann. Derartige wellenlängenauflösend messende Einzelimpulskorrelatoren verwenden nach dem Stand der Technik einen nichtlinearen optischen Effekt dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals. Daher können mit diesem Verfahren lediglich Laserimpulse mit einer hohen Energie größer als 1 µJ untersucht werden. Da die Intensität von Laserimpulsen in umge kehrtem Verhältnis zu der Wiederholrate der Laser Im pulse steht, können mit den üblichen wellenlängenauf lösenden Einzelimpulskorrelatoren keine Laserimpulse aus hochrepetierenden Lasersystemen untersucht wer den.With the wavelength-resolved single pulse correla gate is the result of the superimposition of the partial impulses, for example in a material with nonlinear op polarization, then generated radiation analyzed in a spectrometer. With this procedure ren is a two-dimensional representation of the corrections tion signal depending on the delay time and wavelength, so that from these Then information according to known methods both the time-dependent pulse shape, the pulse phase, won the pulse duration as well as the pulse spectrum can be. Such wavelength-resolving measuring Single pulse correlators use the state of the art Technique a nonlinear optical effect third Order for generating the correlation signal. Therefore can only use laser pulses with this method examined with a high energy greater than 1 µJ will. Because the intensity of laser pulses in reverse inversely related to the repetition rate of the laser Im pulse stands, can with the usual wavelengths solving single pulse correlators no laser pulses from highly repetitive laser systems the.

Auch der Abtast-Autokorrelator kann mit einer disper siven Abbildungsoptik versehen werden, wodurch eine wellenlängenaufgelöste Autokorrelation gemessen wer den kann. Ein derartiger Abtast-Autokorrelator erfor dert jedoch hohe Impulsfolgefrequenzen mit gleich bleibenden Impulseigenschaften, um lange Datenerfas sungszeiten zu vermeiden. Der wellenlängenaufgelöste Abtast-Autokorrelator kann daher nicht als Impulsmo nitor zur unmittelbaren Beobachtung der Eigenschaften von Laserimpulsen verwendet werden.The sampling autocorrelator can also be used with a disper sive imaging optics are provided, whereby a wavelength-resolved autocorrelation measured that can. Such a sampling autocorrelator is required changes high pulse repetition frequencies with the same permanent impulse properties to long data acquisition to avoid solution times. The wavelength resolved Sampling autocorrelator can therefore not be used as a pulse mo monitor for direct observation of the properties of laser pulses can be used.

Um sowohl niederfrequente als auch hochfrequente La serimpulse vollständig zu charakterisieren, benötigt jedes mit der Entwicklung von nieder- bzw. hochrepe tierlichen Laserstrahlern beschäftigte Labor mehrere der geschilderten Korrelatortypen. Nach dem Stand der Technik ist es jedoch aufgrund der bisher unumgäng lichen Verwendung von nichtlinearen Effekten dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals bisher nicht möglich, Laserimpulse geringer Energie und mit niedriger Pulsfolgefrequenz bezüglich sämtlicher Im pulsparameter mit einem Einzelimpulskorrelator zu charakterisieren.For both low-frequency and high-frequency La to fully characterize serimpulse each with the development of low or high rep animal laser emitters employed several laboratories of the correlator types described. According to the state of the However, technology is inevitable due to the previously use of non-linear effects from third parties Order for generating the correlation signal so far not possible with low energy laser pulses and with low pulse repetition frequency with respect to all Im pulse parameters with a single pulse correlator characterize.

Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die Messung der spektralen und/oder zeitlichen Eigen schaften von kurzen und ultrakurzen Lichtimpulsen im Femtosekunden- und Picosekundenbereich sowohl mit hoher als auch mit niedriger Impulswiederholfrequenz mit möglichst vielen Korrelationsverfahren zu ermög lichen und zu vereinfachen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es dabei, außerdem die zeitgleiche Mes sung der spektralen und zeitlichen Eigenschaften der artiger Lichtimpulse zu ermöglichen. Insbesondere ist es Ziel der vorliegenden Erfindung die vollständige Charakterisierung auch einzelner und/oder inten sitätsschwacher Laserimpulse zu ermöglichen. It is therefore an object of the present invention Measurement of the spectral and / or temporal eigen short and ultra-short light pulses in the Femtosecond and picosecond range with both high as well as with low pulse repetition frequency with as many correlation methods as possible lichen and simplify. Another goal of The invention is also the simultaneous measurement solution of the spectral and temporal properties of the to enable like light pulses. In particular is it is the aim of the present invention to complete the Characterization of individual and / or inten to enable weaker laser pulses.

Diese Aufgabe wird durch die Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is performed by the measuring device after General term in connection with the characteristic Features of claim 1 solved.

Der zu analysierende Lichtimpuls wird in der erfin dungsgemäßen Meßvorrichtung durch eine Anordnung von Strahlteilern und Reflektoren in zwei Teilimpulse aufgeteilt. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ent hält weiterhin ein optisches Element, das ein Korre lationssignal der beiden Teilimpulse erzeugt sowie die für räumliche bzw. zeitliche und/oder spektrale Auflösung notwendigen Detektoren. Die beiden Teilim pulse werden in dem optischen Element zur Erzeugung des Korrelationssignals wieder überlagert und das entstehende Korrelationssignal wird anschließend in der Detektionseinheit analysiert. Die erfindungsgemä ße Meßvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilimpulse bis zur Überlagerung eine definiert unterschiedliche, wellenlängenabhängige Dispersion erfahren. Da das optische Element zur Er zeugung des Korrelationssignals in zweiter Ordnung nichtlinear optisch ist, wird bei der Überlagerung der beiden Teilimpulse als Korrelationssignal Strah lung erzeugt, deren Frequenz der Summe der beiden Frequenzen der beiden Teilimpulse entspricht.The light pulse to be analyzed is invented measuring device according to the invention by an arrangement of Beam splitters and reflectors in two partial pulses divided up. The measuring device according to the invention ent continues to hold an optical element that corrects tion signal of the two partial pulses generated as well those for spatial or temporal and / or spectral Resolution necessary detectors. The two parts pulses are generated in the optical element of the correlation signal superimposed again and that resulting correlation signal is then in the detection unit analyzed. The invention ß measuring device is characterized in that the two partial impulses until they are superimposed defines different, wavelength-dependent Experience dispersion. Since the optical element to Er Generation of the second order correlation signal is nonlinear optical, is superimposed of the two partial pulses as a correlation signal Strah generated whose frequency is the sum of the two Corresponds to frequencies of the two partial pulses.

Die durch die optischen Bauelemente ausgelöste Pha senverschiebung wird nach dem Stand der Technik meist als unerwünscht betrachtet und daher möglichst ver ringert bzw. kompensiert. Eine definierte frequenz abhängige Phasenverschiebung des einen gegenüber dem anderen Teilimpuls wird jedoch in der erfindungsgemä ßen Meßvorrichtung bewußt erzeugt. Eine derartige, wellenlängenabhängige, definierte Phasenverschiebung führt zu einer Asymmetrie zwischen den beiden Teilim pulsen. Aufgrund dieser Asymmetrie kann dann zur Er zeugung des Korrelationsignals bei sämtlichen Korre latortypen ein nichtlinearer optischer Effekt zweiter Ordnung ausgenutzt werden, da sich aus der Korrela tionsfunktion der beiden asymmetrischen Teilimpulse bei räumlicher bzw. zeitlicher und spektraler Auflö sung die gesamte Information über den Amplituden- und Phasenverlauf des zu untersuchenden Laserimpulses bestimmen läßt.The Pha triggered by the optical components According to the state of the art, sensor displacement is mostly regarded as undesirable and therefore ver wrestles or compensates. A defined frequency dependent phase shift of one versus other partial pulse is, however, in the ß measuring device deliberately generated. Such a Wavelength-dependent, defined phase shift leads to an asymmetry between the two parts pulse. Because of this asymmetry, Er generation of the correlation signal for all corrections lator types a non-linear optical effect second Order can be exploited because it comes from the correla tion function of the two asymmetrical partial pulses with spatial or temporal and spectral resolution all the information about the amplitude and Phase curve of the laser pulse to be examined lets determine.

Die Verwendung eines nichtlinearen optischen Effektes 2. Ordnung war bisher aufgrund der Symmetrieeigen schaften der korrelierten Teilimpulse auf die Bestim mung der Impulsdauer beschränkt. Die Untersuchung der Asymmetrie von ansteigender und abfallender Pulsam plitude und die Unterscheidung zwischen Satelliten impulsen vor und nach dem Hauptimpuls war deshalb bisher nicht möglich. Entsprechendes gilt für die Asymmetrie der zeitabhängigen Impulsphase. Um diese wichtigen Informationen zu erhalten, mußte bisher ein nichtlinearer Effekt dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals eingesetzt werden mußte. Mit dem wellenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrelator konnten daher bisher lediglich nachverstärkte, d. h, hochenergetische Laserimpulse mit niedriger Wieder holrate untersucht werden.The use of a non-linear optical effect So far, 2nd order was due to the symmetry of the correlated partial impulses on the determin limited the pulse duration. The investigation of the Asymmetry of rising and falling pulsam plitude and the distinction between satellites was therefore before and after the main pulse not yet possible. The same applies to the Asymmetry of the time-dependent pulse phase. Around To get important information has so far had to Third order nonlinear effect for generation of the correlation signal had to be used. With the wavelength-resolved single-pulse correlator So far, therefore, could only be re-amplified. H, high energy laser pulses with low re Holrate are examined.

Bei Verwendung eines nichtlinearen optischen Effektes 2. Ordnung genügen jedoch erheblich (bis zu einem Faktor 10⁴) geringere Impulsintensitäten bzw. Impuls energien, um das Korrelationssignal, d. h. die zu de tektierende Summenfrequenzstrahlung zu erzeugen. In Verbindung mit der Erzeugung einer Asymmetrie zwischen den beiden Teilimpulsen durch ein dispersi ves Element ist es damit erstmals möglich, auch nicht verstärkte energiearme Laserimpulse mit niedriger oder auch hoher Wiederholrate vollständig zu analy sieren.When using a non-linear optical effect However, 2nd order suffice considerably (up to one Factor 10⁴) lower pulse intensities or pulse energies to the correlation signal, d. H. the de generating tectonic sum frequency radiation. In Associated with the creation of an asymmetry between the two partial pulses by a dispersi ves Element it is possible for the first time, not even amplified low energy laser pulses with lower or even a high repetition rate sieren.

Weiterhin ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrich tung, das Autokorrelationssignals eines einzelnen Teilimpulses zu messen und damit das Spektrum des Laserstrahls zu bestimmen.Furthermore, the device according to the invention makes it possible tion, the autocorrelation signal of an individual Partial pulse to measure and thus the spectrum of To determine the laser beam.

Dadurch ergeben sich unter anderem große Vorteile bei der Justierung von Lasern, da nun jede Zwischenstufe der Laserimpulserzeugung und -verstärkung analysierbar ist. Ebenso ist es möglich, durch die Analyse der Laserimpulseigenschaften vor und nach Durchtritt durch dispersive Elemente, dies können beispielsweise auch zu untersuchende Proben sein, die Wirkung dieser dispersiven Elemente auf Impulsform und -phase des Laserimpulses zu untersuchen. Deshalb ist der vorgestellte Korrelator zur Analyse von La serstrahlung und damit auch als Meßgerät zur Analyse von Proben verwendbar. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Entwicklung und Justierung von Lasern durch die Verwendung eines nichtlinear opti schen Effektes zweiter Ordnung zur Erzeugung der Kor relationsfunktion auch im spektral aufgelösten Ein zelimpulskorrelator erheblich vereinfacht wird.Among other things, this results in great advantages the adjustment of lasers, because now every intermediate stage laser pulse generation and amplification is analyzable. It is also possible through the Analysis of the laser pulse properties before and after Passing through dispersive elements, this can for example, samples to be examined that Effect of these dispersive elements on pulse shape to investigate and phase of the laser pulse. That's why is the presented correlator for the analysis of La radiation and thus also as a measuring device for analysis of samples usable. To sum up: find that the development and adjustment of Lasering through the use of a nonlinear opti second order effect to generate the Cor relation function also in spectrally resolved on cell pulse correlator is considerably simplified.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich zur Bestimmung sowohl der Autokorrelation als auch der Kreuzkorrelation. Dabei kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung sowohl zur unmittelbaren Darstellung der Impulseigenschaften als Impulsmonitor oder auch zur quantitativen Auswertung der Impulseigenschaften als Impulsmeßsystem verwendet werden. The measuring device according to the invention is suitable for Determination of both the autocorrelation and the Cross correlation. The invention can Measuring device for immediate display the pulse properties as a pulse monitor or also for quantitative evaluation of impulse properties can be used as a pulse measuring system.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfin dungsgemäßen Meßvorrichtung sind in den Unteransprü chen gegeben.Further advantageous embodiments of the inventions Measuring device according to the invention are in the dependent claims given.

Die dispersive Phasenverschiebung des einen Teilim pulses gegenüber dem anderen Teilimpuls kann vorteil hafterweise durch eine geeignet gewählte dielektri sche bzw. metallische Beschichtung eines optischen Bauelementes, beispielsweise des Strahlteilers, oder durch ein geeignetes, zusätzliches dispersives Ele ment in einem der Strahlengänge erzeugt werden.The dispersive phase shift of one part in the pulses over the other partial pulse can be advantageous unfortunately by a suitably chosen dielectric cal or metallic coating of an optical Component, for example the beam splitter, or through a suitable, additional dispersive ele ment in one of the beam paths.

Die Erzeugung der Strahlung mit der Summenfrequenz der beiden Teilimpulse als Korrelationssignal kann sowohl in Vorwärtsrichtung, beispielsweise in einem Kristall erfolgen, als auch an einer reflektierenden Oberfläche, beispielsweise einem Spiegel, in Rück wärtsrichtung erfolgen. Als Kristall eignet sich ins besondere ein Kristall aus Lithium-Betaborat (LBO) und als Oberfläche eine Gallium-Arsenid-Oberfläche zur Erzeugung des Korrelationssignals. Ein reflektie rendes Element läßt sich zusätzlich zur Umlenkung des optischen Strahlengangs nutzen.The generation of the radiation with the sum frequency of the two partial pulses as a correlation signal both in the forward direction, for example in one Made of crystal, as well as on a reflective Surface, for example a mirror, in the back downward direction. As a crystal is ins special a crystal of lithium betaborate (LBO) and a gallium arsenide surface as the surface to generate the correlation signal. A reflection rendes element can be used in addition to the redirection of the use optical beam path.

Bei Verwendung eines Kristalls, beispielsweise eines LBO-Kristalls, genügen 0,2 nJ eines Impulses mit 100 fs Impulsdauer, um einen Laserimpuls zu analysieren.When using a crystal, for example one LBO crystal, 0.2 nJ of a pulse with 100 fs are sufficient Pulse duration to analyze a laser pulse.

Werden die beiden Teilstrahlen nicht kollinear auf das optische Element zu Erzeugung des Korrelations signals geleitet, so erfolgt die Abgabe des Korrela tionssignals mittig zu den Richtungen der beiden Teilimpulse in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung. Abgesehen von Streulicht der beiden Teilimpulse in Richtung des Korrelationssignals kann damit eine weitgehend untergrundfreie Messung der Korrelation durchgeführt werden. Es erübrigt sich die Verwendung einer Blende oder eines Wellenlängenfilters vor der Detektionseinheit. Außerdem wird so auf einfache Art die maximal mögliche Dynamik der Meßvorrichtung er reicht.If the two partial beams are not collinear the optical element for generating the correlation signals passed, so the correla is delivered tion signal centered on the directions of the two Partial impulses in the forward or reverse direction. Apart from stray light from the two partial pulses in The direction of the correlation signal can thus be a largely underground measurement of the correlation be performed. There is no need for use an aperture or a wavelength filter in front of the Detection unit. It is also easy the maximum possible dynamics of the measuring device enough.

Eine weitgehend untergrundfreie Messung kann auch bei kollinearer Strahlführung durchgeführt werden, wenn die Austauschplatte mit einem polarisationsdrehenden Element für einen der Teilimpulse ausgestattet ist und der Detektor zur Erfassung der Summenfrequenz strahlung mit einem polarisationsanalysierenden Ele ment versehen ist.A largely underground-free measurement can also be used collinear beam guidance can be performed if the exchange plate with a polarization rotating Element is equipped for one of the partial impulses and the detector for detecting the total frequency radiation with a polarization-analyzing ele ment is provided.

Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrich tung als Abtastkorrelator kann der Strahlengang mit einer zusätzlichen variablen Verzögerungsstrecke ver sehen werden. Vorteilhafterweise kann ein Retroflek tors als bewegliches Verzögerungselement verwendet werden. Wenn dieser Retroflektor über eine Mikrome terschraube von einem Schrittschaltmotor angetrieben wird, so kann bei entsprechend starker Untersetzung des Schrittschaltmotors eine sehr hohe relative Auf lösung von 4×10⁴ bei Verzögerungszeiten zwischen 1 fs bis zu ± 40 ps erreicht werden. Mit einem derarti gen beweglichen Verzögerungselement können Pulse mit einer Länge zwischen 10 fs und 80 ps untersucht wer den.For the use of the measuring device according to the invention The beam path can be used as a scanning correlator an additional variable delay line ver will see. A retroflek can advantageously be used tors used as a movable delay element will. If this retroflector has a microme screw driven by a stepper motor with a correspondingly strong reduction the stepper motor has a very high relative up solution of 4 × 10⁴ with delay times between 1 fs up to ± 40 ps can be achieved. With such a against moving delay element can pulses with length between 10 fs and 80 ps the.

Weiterhin kann als bewegliches Verzögerungselement ein dispersives optisches Bauelement verwendet wer den, das vorteilhafterweise in einem drehbaren selbstjustierenden Halter gelagert wird. Zum einen wird dadurch der Austausch des dispersiven Elements sehr einfach und es wird nach dem Austausch keine Neujustage des Meßsystems notwendig. Zum anderen ist es im Gegensatz zu einem über einen Schrittschaltmo tor angetriebenen Retroflektor mit dispersiven Bau elementen möglich, kontinuierliche Änderungen der Verzögerungsstrecke zu erreichen. Ein derartiges dis persives Element eignet sich daher insbesondere, um Laserimpulse mit hoher Pulsfolgefrequenz mit dem Ver fahren des Abtast-Korrelators zu untersuchen. Der selbstjustierende Halter verhindert außerdem, daß der Impuls in unerwünschter Weise versetzt wird, oder daß Unwuchten bzw. dadurch ausgelöst Vibrationen des Meß systems auftreten.Furthermore, as a movable delay element who uses a dispersive optical component the one that is advantageously in a rotatable self-adjusting holder is stored. On the one hand this will replace the dispersive element very simple and it won't be after the exchange Readjustment of the measuring system necessary. Second is it unlike a stepping motor Tor driven retro reflector with dispersive construction elements possible, continuous changes of To reach the delay line. Such a dis persive element is therefore particularly suitable to Laser pulses with high pulse repetition frequency with the Ver driving the scanning correlator to investigate. Of the self-adjusting holder also prevents the Impulse is undesirably offset, or that Imbalance or vibrations caused by the measurement systems occur.

Als dispersive Elemente eignen sich insbesondere Glasplatten, mit denen sich abhängig von der Platten dicke Verzögerungszeiten zwischen 300 fs und ± 15 ps herstellen lassen. Durch Verwendung unterschiedlich dicker Glasplatten kann der Bereich der einzu stellenden Verzögerungszeiten rasch und einfach ver ändert werden.Are particularly suitable as dispersive elements Glass plates with which depend on the plates thick delay times between 300 fs and ± 15 ps have it made. By using different thicker glass plates can be the area of the setting delay times quickly and easily be changed.

Als Detektoren eignen sich für die verschiedenen Ver fahren zur Bestimmung der Korrelation sowohl zeitlich auflösende Detektoren wie Sekundärelektronenverviel facher, Photodioden und dergleichen als auch räumlich auflösende Detektoren, wie beispielsweise Anordnungen der ladungsgekoppelten Art. Um auch eine spektrale Auflösung zu erreichen, kann zwischen die erfindungs gemäße Meßvorrichtung und dem eigentlich detektieren den Element beispielsweise eine abbildende Optik und/oder ein dispersives Element, beispielsweise ein Gitter, eingesetzt werden. Vorteilhafter Weise wird der Linienfokus, der bei dem Einzelimpulskorrelator am Ort des nichtlinearen optischen Elementes auftritt, dispersiv abgebildet, so daß kein zusätzli cher Spektrometerspalt zur Abbildung benötigt wird. Der Austausch der Detektoren an dem erfindungsgemäßen Meßsystem erfolgt dabei auf einfache Art und Weise, beispielsweise an standardisierten, leicht zu bedie nenden und präzise positionierenden Kopplungsvorrichtungen.As detectors are suitable for the different ver drive to determine the correlation both temporally high resolution detectors such as secondary electrons facher, photodiodes and the like as well as spatially resolution detectors, such as arrays of the charge-coupled type. To include a spectral one Achieving resolution can be between the Invention appropriate measuring device and actually detect it the element, for example, an imaging optic and / or a dispersive element, for example a Grid, are used. It will be advantageous the line focus, that of the single pulse correlator at the location of the nonlinear optical element occurs, shown dispersively, so that no additional cher spectrometer gap is required for imaging. The exchange of the detectors on the invention The measuring system is carried out in a simple manner, for example on standardized, easy to use and precise positioning Coupling devices.

Um mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung rasch und mit geringem Justageaufwand sowohl einen Abtast-Kor relator als auch einen Einzelimpulskorrelator zu rea lisieren kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit einer austauschbaren Platte versehen sein. Diese aus tauschbare Platte trägt optischen Bauelemente, die die beiden Teilimpulse je nach anzuwendendem Korrela tionsprinzip auf das optische Element zur Erzeugung des Korrelationssignals fokussieren.To quickly and with the measuring device according to the invention with little adjustment effort both a scanning cor relator as well as a single pulse correlator to rea can measure the measuring device according to the invention be provided with an interchangeable plate. This out interchangeable plate carries optical components that the two partial impulses depending on the correla to be used principle of production on the optical element focus of the correlation signal.

Dadurch, daß die Platte austauschbar ist, kann das verwendete Korrelationsverfahren rasch und mit sehr geringem Aufwand gewechselt werden, um denselben La serimpuls anschließend mit einem anderen Verfahren zu untersuchen. Insbesondere kann durch eine geringe To leranz der Positionierung der austauschbaren Platten in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung eine bestück te Platte beliebig entfernt und wieder eingesetzt werden, ohne daß die korrekte, justierte Position der auf ihr montierten optischen Bauelemente dabei zer stört würde. Es ist dadurch möglich geworden, ohne großen Justieraufwand Laserimpulse mit beliebiger Wiederholrate und auch sehr geringer Energie nach einander mit allen zur Verfügung stehenden Korrela tionsverfahren zu charakterisieren, ohne dafür ver schiedene Geräte einsetzen und/oder jeweils neu Ju stieren zu müssen. Because the plate is interchangeable, it can correlation method used quickly and with very can be changed with little effort to the same La serimpuls then using another method examine. In particular, a small To Positioning of the interchangeable plates one in the measuring device according to the invention The plate can be removed and reinserted as required without the correct, adjusted position of the on her mounted optical components would bother. This has made it possible without large adjustment effort laser pulses with any Repetition rate and also very low energy after each other with all available correla characterization process without ver use different devices and / or new Ju to have to bull.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßvor richtung besteht darin, daß statt einer bestückten austauschbaren Platte eine unbestückte Platte einge setzt oder die austauschbare Platte weggelassen wer den kann. Die beiden Teilimpulse werden dann nicht auf den Kristall fokussiert, sondern können aus der Meßvorrichtung herausgeführt und für Anrege-/Abfra geimpuls-Experimente verwendet werden. Dabei bleibt insbesondere der Nullzeitpunkt für die beiden Teilim pulse, so wie er zuvor durch ein Korrelationsexperi ment bestimmt wurde, erhalten. Dies erspart langwie rige Justagen, die bei Verwendung herkömmlicher Meß systeme Stunden bis Tage dauern können.Another advantage of the Meßvor invention direction is that instead of an assembled one interchangeable plate an empty plate sets or the replaceable plate omitted who that can. The two partial impulses are then not focused on the crystal, but can from the Measuring device led out and for start / Abfrra pulse experiments can be used. That remains in particular the zero time for the two parts pulse, like he did before through a correlation expert ment was obtained. This saves a long time rigorous adjustments when using conventional measuring systems can take hours or days.

Die Justierung der austauschbaren Platte in der er findungsgemäßen Meßvorrichtung erfolgt vorteilhafter weise mit an der Platte angebrachten Justierelemen ten, die mit einer entsprechenden Anzahl Aufnehmer der Meßvorrichtung zusammenwirken. Diese Aufnehmer können selbstjustierend, beispielsweise als konische Vertiefungen, ausgebildet sein. Durch entsprechende Formgebung der an der Platte angebrachten Justierele mente kann dadurch eine besonders hohe Positionier genauigkeit erreicht werden. Die Justierelemente kön nen weiterhin so ausgebildet sein, daß sie die aus tauschbare Platte tragen und dadurch weitere Stützele mente entbehrlich sind.Adjusting the interchangeable plate in the he Measuring device according to the invention is more advantageous wise with adjustment elements attached to the plate with a corresponding number of transducers the measuring device interact. These pickups can be self-adjusting, for example as conical Wells. By appropriate Shape of the adjustment element attached to the plate This means that positioning can be particularly high accuracy can be achieved. The adjustment elements can NEN continue to be trained so that they out carry an exchangeable plate and thereby additional supports elements are dispensable.

Um die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung der Korrelation zu verwirklichen, werden Austauschplatten zur Verfügung gestellt, die entweder eine eindimen sional fokussierende Optik, wie beispielsweise einen Spiegel und eine Zylinderlinse, zur Herstellung eines Einzelimpulskorrelators oder eines wellenlängenauf gelösten Einzelimpulskorrelators oder eine zweidimen sional fokussierende Optik, beispielsweise ein sphä risch korrigierter Achromat und einen Spiegel, zur Herstellung eines Abtastkorrelators bzw. eines spek tral aufgelösten Abtastkorrelators besitzen. Der Aus tausch der Platten ist sehr einfach und erfolgt, ohne daß anschließend eine Neujustierung des Laserimpulses bzw. der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nötig wäre.To the different procedures for determining the Exchange plates are used to realize correlation provided that either dim one regional focusing optics, such as one Mirror and a cylindrical lens, for making one Single pulse correlator or a wavelength solved single pulse correlator or a two-dim regional focusing optics, for example a spherical Achromatically corrected achromat and a mirror Production of a scanning correlator or a spec tral resolved sampling correlator. The end Replacing the plates is very easy and is done without that subsequently readjustment of the laser pulse or the measuring device according to the invention would be necessary.

Um mit verschiedenen Impulswellenlängen arbeiten zu können und um unerwünschte Phasenverschiebungen durch die Dispersion der optischen Bauelemente, wie zum Beispiel Linsen zu vermeiden, können die dispersiven optischen Elemente durch reflektive optische Elemen te, beispielsweise Spiegel, ersetzt werden.To work with different pulse wavelengths can and by unwanted phase shifts the dispersion of the optical components, such as Example to avoid lenses can be the dispersive optical elements by reflective optical elements te, such as mirrors, are replaced.

Ein zusätzlicher Kurzpaßfilter zwischen dem nichtli nearen optischen Element und dem Detektor verhindert, daß Streulicht der Grundwelle der beiden Teilimpulse zu dem Detektor gelangt.An additional short pass filter between the non-li near optical element and the detector prevents that stray light from the fundamental wave of the two partial pulses comes to the detector.

Die optischen Bauelemente können spezifisch für die Eigenschaften des verwendeten Lichtimpulses dielek trisch beschichtet werden. Durch Abstimmung der Be schichtung auf die Wellenlänge des verwendeten Licht impulses lassen sich unerwünschte Reflexionen und/oder dispersive Effekte, wie Phasendispersion, ver ringern oder vermeiden.The optical components can be specific to the Properties of the light pulse used dielek be coated. By coordinating the Be layering on the wavelength of the light used unwanted reflections and / or impulses dispersive effects, such as phase dispersion, ver wrestle or avoid.

Die reflektiven optischen Elemente können statt die lektrisch auch metallisch beschichtet werden. Im Ge gensatz zu dielektrischen Beschichtungen ist die Re flektivität der metallischen Beschichtung und die Phasenänderung des Lichtes bei der Reflexion an me tallischen Beschichtungen nur schwach frequenzabhän gig. Es ergeben sich daher bei der metallischen Be schichtung nur geringe dispersive Phasenänderungen des Lichtfeldes, die bei ultrakurzen Lichtimpulsen zur Änderung der Lichtimpulseigenschaften führen wür den. Ein besonderer Vorteil der metallischen Be schichtung besteht folglich darin, daß bei Wechsel der verwendeten Laserimpulswellenlänge kein Wechsel des Spiegels notwendig wird und ultrakurze Impulse (bis zu 10 fs) mit großer spektraler Bankbreite (bis größer 200 nm) gemessen werden können.The reflective optical elements can instead of can also be coated electrically. In Ge Contrary to dielectric coatings is the Re flexibility of the metallic coating and the Phase change of light when reflecting on me metallic coatings only weakly frequency-dependent gig. It therefore results in the metallic loading stratification only small dispersive phase changes of the light field at ultrashort light pulses lead to change in the light pulse properties the. A particular advantage of the metallic Be stratification consequently consists in the fact that with change no change in the laser pulse wavelength used of the mirror becomes necessary and ultra-short impulses (up to 10 fs) with a large spectral bank width (up to greater than 200 nm) can be measured.

Besonders vorteilhaft können die reflektiven opti schen Elemente mit Gold beschichtet werden. Der größ te Teil der Kurzpulslaser wird mit einer Laserab strahlung im Wellenlängenbereich größer 500 nm be trieben. Eine Goldbeschichtung besitzt für diese Wel lenlängen eine sehr hohe Reflektivität. Im Gegensatz zu der üblichen Beschichtung mit Aluminium besitzt eine Goldbeschichtung eine erheblich höhere Reflekti vität im nahen Infrarotbereich und im Infrarotbe reich. Außerdem ist eine Goldbeschichtung chemisch stabil, so daß keine zusätzliche Schutzschicht benö tigt wird.The reflective opti can be particularly advantageous elements are coated with gold. The largest Part of the short pulse laser is laser ab radiation in the wavelength range greater than 500 nm drove. A gold plating has for this wel very high reflectivity. In contrast to the usual coating with aluminum a gold coating has a significantly higher reflectivity vity in the near infrared range and in the infrared range rich. Gold plating is also chemical stable, so that no additional protective layer is required is done.

Die Goldbeschichtung kann mit einem plasmaunter stützten Verfahren aufgetragen werden. Eine derartige Goldbeschichtung besitzt eine verbesserte Haftung und kann im Gegensatz zu konventionell, beispielsweise durch Verdampfen aufgebrachten Goldbeschichtungen mit einem gewöhnlichen Linsentuch ohne Zerstörungsgefahr gereinigt werden. Auch die Zerstörgrenze der plas maunterstützt aufgetragenen Goldbeschichtung durch intensive Laserstrahlung ist höher als die Zerstör grenze konventionell aufgetragener Goldbeschichtun gen. The gold plating can be done with a plasma sub supported procedures are applied. Such Gold plating has improved adhesion and unlike conventional, for example gold coatings applied by evaporation an ordinary lens cloth without risk of destruction getting cleaned. Also the destruction limit of the plas supported gold coating intense laser radiation is higher than the destruct limit conventionally applied gold plating gene.

Auch der Strahlteiler kann zur Vermeidung unerwünsch ter Phasenänderungen des durchgehenden Teilimpulses statt dielektrisch beschichtet zu werden metallisch beschichtet werden. Dadurch ergibt sich eine geringe re dispersive Phasenmodulation des durchgehenden, nichtreflektierten Teilimpulses und eine große spek trale Bandbreite, innerhalb der der Strahlteiler ein gesetzt werden kann.The beam splitter can also be undesirable to avoid ter phase changes of the continuous partial pulse instead of being dielectric coated metallic be coated. This results in a low one re dispersive phase modulation of the continuous, non-reflected partial pulse and a large spec central bandwidth within which the beam splitter enters can be set.

Um die unerwünschten dispersiven Wirkungen von optischen Elementen des Korrelators auf den Lichtim puls zu kompensieren, kann die erfindungsgemäße Meß vorrichtung weiterhin mit einem zusätzlichen Impuls kompressor, beispielsweise einem Prismenkompressor, versehen werden, dessen Dispersion einstellbar ist. Eine derartige Kompensation der Dispersion ist beson ders für ultrakurze Lichtimpulse mit einer Impulsdau er kleiner 20 fs vorteilhaft.To the undesirable dispersive effects of optical elements of the correlator on the light pulse to compensate, the measurement according to the invention device continues with an additional impulse compressor, for example a prism compressor, be provided, the dispersion of which is adjustable. Such compensation of the dispersion is special for ultra-short light pulses with a pulse duration he less than 20 fs advantageous.

Die Aufzeichnung der Daten sowie die Steuerung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und der Detektoren kann über Mikrocontroller erfolgen. Weiterhin können die Daten gleichzeitig aufgezeichnet und verrechnet sowie dargestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß parallel zu der Messung der Korre lation die Laserleistung bestimmt und aufgezeichnet wird.The recording of the data as well as the control of the measuring device according to the invention and the detectors can be done via microcontroller. Can continue the data recorded and cleared at the same time as well as be represented. One more way is that parallel to the measurement of the corrections laser power determined and recorded becomes.

Eine für den Anwender besonders vorteilhafte, da un mittelbar verständliche Darstellung ergibt sich, wenn spektral und bzgl. der Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilimpulsen aufgelöste Daten zweidimensional dargestellt werden, wobei die Koordinatenachsen die Frequenz des Korrelationssignals bzw. die Verzöge rungszeit zwischen den beiden Teilimpulsen darstel len. Der Anwender hat so die vollständige Darstellung beider Fourierkomponenten, Frequenz und Zeit, als zweidimensionales Muster und braucht nicht mehr, wie im Stand der Technik, den zeitlichen und spektralen Verlauf zusammenzufügen.A particularly advantageous for the user, since un indirectly understandable presentation results if spectral and with regard to the delay time between the data resolved in two sub-pulses in two dimensions are shown, the coordinate axes being the Frequency of the correlation signal or the delays time between the two partial pulses len. The user thus has the complete representation of both Fourier components, frequency and time, as two-dimensional pattern and no longer needs how in the state of the art, the temporal and spectral Merge history.

Im folgenden werden einige beispielhafte Ausführungs formen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung darge stellt.The following are some exemplary execution form the measuring device according to the invention Darge poses.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 einen Abtast-Korrelator; FIG. 1 is a scanning correlator;

Fig. 2 den Strahlengang in der verzögernden Glasplatte; Figure 2 illustrates the beam path in the retarding glass plate.

Fig. 3 einen spektral auflösenden Abtast-Korrelator; Fig. 3 is a spectrally resolving scanning correlator;

Fig. 4 die Verwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zur Erzeugung von Anre ge-/Abfrageimpulsen; Fig. 4 shows the use of the measuring device according to the invention to produce overall Anre / interrogation pulses;

Fig. 5 einen Einzelimpulskorrelator; und Fig. 5 is a Einzelimpulskorrelator; and

Fig. 6 einen spektral auflösenden Abtast-Korrelator. Fig. 6 is a spectrally resolving scanning correlator.

Fig. 1 beschreibt eine erfindungsgemäße Meßvorrich tung 12, die als Abtastkorrelator betrieben wird. Der zu analysierende Lichtimpuls tritt durch eine Blende 10 unterhalb des Spiegels 1 in den Abtast-Korrelator ein. Der Lichtimpuls wird durch einen Strahlteiler 4 in zwei Teilimpulse aufgespalten, die von Spiegeln 2 bzw. 3 auf zwei den Strahl in der Höhe versetzende Retroflektoren 7 bzw. 8 gelenkt werden. Der Strahl teiler ist dielektrisch und/oder metallisch beschich tet, um zwischen den beiden Teilimpulsen eine defi nierte, frequenzabhängige Phasenverschiebung zu er zeugen. Zwischen dem Spiegel und dem Retroflektor treten die beiden Teilimpulse durch eine Glasplatte 5, die durch einen drehzahlgeregelten Motor 6 mit einer Schrittkonstanz von 10^-3 und Rotationsfrequenzen zwischen 0,1 Hz und 25 Hz gedreht wird. Die Glas platte 5 erzeugt zwischen den beiden Teilimpulse ei nen Gangunterschied ΔL, der sich nach der folgenden Formel ergibt (Fig. 2): Fig. 1 describes a measuring device 12 according to the invention, which is operated as a scanning correlator. The light pulse to be analyzed enters the scanning correlator through an aperture 10 below the mirror 1 . The light pulse is split by a beam splitter 4 into two partial pulses, which are directed by mirrors 2 and 3 to two retroflectors 7 and 8 , which shift the beam in height. The beam splitter is dielectrically and / or metallically coated in order to produce a defined, frequency-dependent phase shift between the two partial pulses. Between the mirror and the retroflector, the two partial impulses pass through a glass plate 5 , which is rotated by a speed-controlled motor 6 with a step constancy of 10 ^-3 and rotation frequencies between 0.1 Hz and 25 Hz. The glass plate 5 generates a path difference ΔL between the two partial pulses, which results from the following formula ( FIG. 2):

Dabei d die Dicke und n der Brechungsindex der Glas platte 5, θ₁ und θ₂ die Einfallswinkel der beiden Tei limpulse auf die Glasplatte 5 und θ₁′ und θ₂′ die Win kel zwischen den in die Glasplatte gebrochenen Strah len und der Oberflächennormalen der Glasplatte. Die reflektierten Teilimpulse treten anschließend wieder durch die Glasplatte 5 hindurch und werden von den Spiegeln 2 bzw. 3 wieder durch den Strahlteiler 4 gesandt. Der eine der Teilimpulse wird durch den Spiegel 1 so umgelenkt, daß er versetzt aber parallel zu dem anderen Teilimpuls in Richtung einer aus tauschbaren Platte 13 läuft. Der eine Teilimpuls tritt durch eine Blende 11 und anschließend parallel zu dem anderen Teilimpuls durch eine auf der aus tauschbaren Platte 13 montierte sphärische Linse 14. Beide Impulse werden durch einen Spiegel 15, der ebenfalls auf der austauschbaren Platte 13 montiert ist, etwa rechtwinklig umgelenkt und treffen sich in ihrem Fokus, der aufgrund der Linse 14 sich in einem Kristall 9 befindet. Als Kristall 9 wird ein LBO-Kri stall verwendet. Die in dem LBO-Kristall 9 entstehen de elektromagnetische Welle mit der Summenfrequenz der Einzelfrequenzen der beiden Teilimpulse wird von dem LBO-Kristall mittig zu der Richtung der beiden Teilimpulse ausgesandt und trifft auf einen Spiegel 16. Der Spiegel 16 lenkt die Strahlung mit der Sum menfrequenz durch eine Blende 20 auf einen Detektor 17. Der Detektor 17 ist beispielsweise ein Sekundär elektronenvervielfacher.Here, the thickness and n the refractive index of the glass plate 5 , θ₁ and θ₂ the angle of incidence of the two partial limpulse on the glass plate 5 and θ₁ 'and θ₂' the win angle between the rays broken into the glass plate and the surface normal of the glass plate. The reflected partial pulses then pass through the glass plate 5 again and are sent again by the mirrors 2 and 3 through the beam splitter 4 . One of the partial pulses is deflected by the mirror 1 in such a way that it runs offset but runs parallel to the other partial pulse in the direction of an exchangeable plate 13 . The one partial pulse passes through an aperture 11 and then parallel to the other partial pulse through a spherical lens 14 mounted on the exchangeable plate 13 . Both pulses are deflected approximately at right angles by a mirror 15 , which is also mounted on the exchangeable plate 13 , and meet in their focus, which is located in a crystal 9 due to the lens 14 . As crystal 9 , an LBO crystal stall is used. The electromagnetic wave generated in the LBO crystal 9 with the sum frequency of the individual frequencies of the two partial pulses is emitted by the LBO crystal in the center of the direction of the two partial pulses and strikes a mirror 16 . The mirror 16 directs the radiation with the sum frequency through a diaphragm 20 to a detector 17th The detector 17 is, for example, a secondary electron multiplier.

Die austauschbare Platte 13 kann auf einfachste Art und Weise aus der Meßvorrichtung 12 entfernt bzw. in sie eingesetzt werden. Sie wird durch Präzissions stifte auf 10 µm genau in ihrer Position gehalten, so daß der Rücktausch einer Platte ohne neue Justierung erfolgen kann.The exchangeable plate 13 can be removed from the measuring device 12 or inserted into it in the simplest way. It is held in position by precision pins to 10 µm, so that a plate can be replaced without any new adjustment.

Da die Strahlung mit Summenfrequenz zur Bestimmung der Korrelation genutzt wird, genügen für dieses Meß verfahren niedrige Impulsenergien. Es hat sich gezeigt, daß bei Einzelimpulsenergien größer 2 pJ Messungen mit Laserimpulsen mit einer Impulsdauer im Femtosekundenbereich möglich sind.Since the radiation with sum frequency for determination the correlation is used for this measurement process low pulse energies. It has shown that with single pulse energies greater than 2 pJ Measurements with laser pulses with a pulse duration in Femtosecond range are possible.

Bei dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind auf der austauschbaren Platte 13 eine sphärische Linse 14 und ein Spiegel 15 montiert. Der Retroflektor 8 ist verschiebbar. Mit ihm können Verzögerungszeiten zwi schen 1 fs und größer +/- 40 ps erzeugt werden. Mit der Glasscheibe können Verzögerungszeiten zwischen ± 300 fs und ± 15 ps erzeugt werden. Der Detektor 17 zeichnet die Intensität des Impulses mit der Summenfrequenz in Abhängigkeit von der Verzögerungs zeit bzw. der Verzögerungsstrecke auf.In this measuring device according to the invention, a spherical lens 14 and a mirror 15 are mounted on the exchangeable plate 13 . The retro reflector 8 is displaceable. It can be used to generate delay times between 1 fs and greater than +/- 40 ps. Delay times between ± 300 fs and ± 15 ps can be generated with the glass pane. The detector 17 records the intensity of the pulse with the sum frequency depending on the delay time or the delay path.

Mit dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung können bei Einsatz der Glasplatte 5 Lichtimpulse mit hoher Impulsfolgefrequenz sowie bei einer Drehfrequenz von bis zu 0,1 Hz auch Lichtimpulse mit niedriger Impuls folgefrequenz charakterisiert werden. Nach Entnahme der Glasplatte 5 können mit Hilfe der durch den Re troflektor 8 erzeugten Verzögerungsstrecken ebenfalls Lichtimpulse mit niedriger und hoher Impulsfolgefre quenz vermessen werden. Aus dem von dem Detektor 17 aufgezeichneten Korrelationssignal läßt sich die Im pulsdauer des zu analysierenden Lichtimpulses bestim men.With this measuring device according to the invention, when using the glass plate, 5 light pulses with a high pulse repetition frequency and, at a rotational frequency of up to 0.1 Hz, also light pulses with a low pulse repetition frequency can be characterized. After removal of the glass plate 5 can also be measured with the help of the delay lines generated by the re troflektor 8 light pulses with low and high pulse frequency. From the correlation signal recorded by the detector 17 , the pulse duration of the light pulse to be analyzed can be determined.

In Fig. 3 ist ein Abtast-Korrelator wie in Fig. 1 dargestellt. Die von dem Kristall 9 erzeugte Strah lung mit der Summenfrequenz der Einzelfrequenzen der Teilimpulse wird in diesem Falle jedoch durch eine Linse 18 und ein dispersives Element 19 auf den De tektor 17 abgebildet. Die so erhaltenen wellenlängen aufgelösten Signale werden von einer eindimensionalen Detektionseinheit 17 aufgenommen. Das dispersive Ab bildungselement 19 kann beispielsweise ein Gitter und ein sphärisch gekrümmter Spiegel sein. Die Zeilende tektionseinheit 17 ist beispielsweise von der la dungsgekoppelten Art.In Fig. 3 is a scanning correlator as shown in FIGS. 1. The radiation generated by the crystal 9 with the sum frequency of the individual frequencies of the partial pulses is, however, imaged in this case by a lens 18 and a dispersive element 19 on the detector 17 . The wavelength-resolved signals thus obtained are recorded by a one-dimensional detection unit 17 . The dispersive imaging element 19 can be, for example, a grating and a spherically curved mirror. The line end detection unit 17 is, for example, of the load-coupled type.

Durch diese Anordnung wird ein wellenlängenauflösen der Abtast-Korrelator realisiert, der neben der Mes sung der Impulsform auch die Bestimmung des Chirps ermöglicht. Aufgrund seiner mit der Fig. 1 ansonsten identischen Anordnung ist es auch in diesem Falle möglich, Lichtimpulse sowohl mit hoher als auch nied riger Impulsfolgefrequenz zu analysieren. Da auch hier die Erzeugung der Strahlung mit Summenfrequenz zur Bestimmung der Korrelation genutzt wird, genügen für dieses Meßverfahren ebenfalls wie bei dem Abtast-Korrelator aus Fig. 1 niedrige Lichtimpulsenergien.With this arrangement, a wavelength resolution of the sampling correlator is realized which, in addition to the measurement of the pulse shape, also enables the chirp to be determined. Because of its otherwise identical arrangement with FIG. 1, it is also possible in this case to analyze light pulses with both high and low pulse repetition frequencies. Since the generation of the radiation with a sum frequency is also used here to determine the correlation, low light pulse energies are also sufficient for this measuring method, as in the case of the scanning correlator from FIG. 1.

In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der gegen über dem Abtast-Korrelator aus Fig. 1 die aus tauschbare Platte 13 entfernt oder gegen eine unbe stückte Platte ersetzt wurde. Dadurch können nun die beiden Lichtteilimpulse beispielsweise außerhalb der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für Pump-Sonden-Ex perimente genutzt werden. Die erzielbaren Verzögerun gen des einen Teilimpulses gegen den anderen Teilim puls liegen auch hier im Bereich von ± 40 ps für die Erzeugung der Verzögerung durch Verschiebung des Re troflektors 8 und im Bereich ± 300 fs bis ± 15 ps für die Erzeugung der Verzögerung durch die Glasplatte 5.In Fig. 4, an arrangement is shown in which was removed from the interchangeable plate 13 or replaced with an un-plate plate against the scanning correlator of Fig. 1. As a result, the two partial light pulses can now be used, for example, outside of the measuring device according to the invention for pump probe experiments. The achievable delays of one partial pulse against the other partial pulse are also in the range of ± 40 ps for the generation of the delay by shifting the re troflektor 8 and in the range ± 300 fs to ± 15 ps for the generation of the delay through the glass plate 5 .

Fig. 5 zeigt einen Einzelimpulskorrelator. Im Unter schied zu dem in Fig. 1 gezeigten Abtast-Korrelator wurde die Glasplatte 5 entfernt und die Austauschplatte 13 ist nun mit einem Spiegel 15 und einer Zylinderlinse 14 bestückt. Die Zylinderlinse 14 fokussiert die beiden Teilimpulse unter einem vorge gebenen Winkel in dem Kristall 9 in Linienform auf einander. Alternativ kann die Austauschplatte 13 auch mit 2 Umlenkspiegeln und einer Zylinderlinse bestückt werden, um den Winkel zwischen den Teilstrahlen zu variieren. Strahlung mit der Summenfrequenz der ein zelnen Teilimpulse wird nur dort im Kristall 9 erzeugt, wo in dem Kristall 9 die Teilimpulse sowohl zeitlich als auch räumlich überlappen. Da die beiden Teilimpulse sich schräg überlagern, ergibt sich eine Überlagerungslinie (Fokallinie), längs derer in dem Kristall 9 sich die Intensität des Korrelations signals entsprechend der Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilimpulse ändert. Man erhält folglich eine Darstellung der Intensität der Summenfrequenz strahlung in Abhängigkeit von der relativen Verzöge rungszeit entlang der Fokallinie. Das Bild dieser Überlagerungslinie wird durch einen Spiegel 16 und eine Linse 18 auf eine eindimensionale Detektoranord nung, beispielsweise der ladungsgekoppelten Art, ab gebildet. Aus dieser Darstellung des Korrelationssig nals kann ebenfalls die Impulsdauer und näherungswei se die Impulsform des zu untersuchenden Lichtimpulses ermittelt werden. Fig. 5 shows a Einzelimpulskorrelator. In contrast to the scanning correlator shown in Fig. 1, the glass plate 5 was removed and the replacement plate 13 is now equipped with a mirror 15 and a cylindrical lens 14 . The cylindrical lens 14 focuses the two partial pulses at a pre-given angle in the crystal 9 in line form on each other. Alternatively, the exchange plate 13 can also be equipped with 2 deflecting mirrors and a cylindrical lens in order to vary the angle between the partial beams. Radiation at the sum frequency of an individual sub-pulses is generated only there in the crystal 9, where in the crystal 9, the sub-pulses overlap in both time and space. Since the two partial pulses overlap, there is a superposition line (focal line) along which in the crystal 9 the intensity of the correlation signal changes in accordance with the delay time between the two partial pulses. One thus obtains a representation of the intensity of the sum frequency radiation as a function of the relative delay time along the focal line. The image of this overlay line is formed by a mirror 16 and a lens 18 on a one-dimensional detector arrangement, for example of the charge-coupled type. From this representation of the correlation signal, the pulse duration and approximately the pulse shape of the light pulse to be examined can also be determined.

Durch die Veränderung des Kreuzungswinkels der beiden Teilimpulse in dem Kristall 9 kann die Verzögerungs zeit bei der Einzelimpulskorrelation entsprechend Fig. 5 weiter variiert werden.By changing the crossing angle of the two partial pulses in the crystal 9 , the delay time in the individual pulse correlation can be varied further according to FIG. 5.

Um die Zeitachse der Einzelimpulskorrelation zu kali brieren und ihren Nullpunkt zu bestimmen, kann mit dem verschiebbaren Retroflektor 8 eine zusätzliche definierte Verzögerung zwischen den Teilimpulse her gestellt werden, die sich in einer Verschiebung des mit dem Detektor erhaltenen Bildes der Überlappungs linie, d. h. des Korrelationssignals, entlang der Pi xel des eindimensionalen ortsauflösenden Detektors.In order to calibrate the time axis of the individual pulse correlation and to determine its zero point, the displaceable retroflector 8 can be used to provide an additional defined delay between the partial pulses, which results in a shift in the image of the overlap line obtained with the detector, ie the correlation signal, along the pixel of the one-dimensional spatially resolving detector.

In Fig. 6 ist ein Einzelimpulskorrelator dargestellt, der zeit- und wellenlängenaufgelöst mißt. Bei dieser Anordnung, bei der ebenfalls wie in Fig. 5 die Glas platte entnommen wurde, ist der Spiegel 16, die Linse 18 und die Detektionseinheit 17 der Fig. 5 durch eine achromatische Linse 18, das dispersive Element 19 aus einem Gitter und einem sphärischen Spiegel und eine zweidimensionale Detektionsanordnung 17, beispiels weise der ladungsgekoppelten Art, ersetzt. Im Gegen satz zu den vorhergehend beschriebenen Korrelatoren, die nicht spektral auflösen, wird bei diesem Einzel impulskorrelator die Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilimpulsen nicht durch eine dielektrische Beschichtung des Strahlteilers, sondern durch ein zusätzliches dispersives Element 21, beispielsweise eine Glasplatte, erzeugt, die sich im Strahlengang eines der beiden Teilimpulse befindet. Bei dem wel lenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrelator der Fig. 6 wird nun das eindimensionale Abbild der Überlage rung der beiden Teilimpulse, senkrecht zu dieser Ach se durch das dispersiv abbildende Element 19 gebeugt.In Fig. 6 a single pulse correlator is shown which measures time and wavelength resolved. In this arrangement, in which the glass plate was also removed as in FIG. 5, the mirror 16 , the lens 18 and the detection unit 17 of FIG. 5 are provided by an achromatic lens 18 , the dispersive element 19 comprising a grating and a spherical one Mirror and a two-dimensional detection arrangement 17 , example of the charge-coupled type, replaced. In contrast to the previously described correlators, which do not resolve spectrally, in this single pulse correlator the phase shift between the two partial pulses is not generated by a dielectric coating of the beam splitter, but by an additional dispersive element 21 , for example a glass plate, which can be found in the Beam path of one of the two partial pulses is located. In the wel lenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrelator of Fig. 6 the one-dimensional image is now the overlay tion of the two partial pulses, vertical se diffracted by the dispersive imaging element 19 to this Ach.

Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, daß der Linienfokus in dem Kristall einem beleuchteten Spalt in einem Spektrometer entspricht. Deshalb kann auf einen zusätzlichen Eingangsspalt des spektral auflö senden Elementes 19 verzichtet und der Linienfokus direkt dispersiv auf den Detektor 17 abgebildet wer den.An advantage of this embodiment is that the line focus in the crystal corresponds to an illuminated slit in a spectrometer. Therefore, an additional input slit of the spectrally resolving element 19 can be dispensed with and the line focus can be imaged directly dispersively on the detector 17 .

Damit erhält man mit dem zweidimensionalen Detektor 17 eine zeitabhängige und wellenlängenabhängige Dar stellung der Intensität dieser Summenfre quenzstrahlung entlang zweier orthogonaler Koordina tenachsen. Auf, diese Weise kann gleichzeitig die zeitliche und wellenlängenabhängige Korrelationsfunk tion für einen einzelnen Lichtimpuls gemessen werden.This gives the two-dimensional detector 17 a time-dependent and wavelength-dependent representation of the intensity of this Sumfrefre frequency radiation along two orthogonal coordinate axes. In this way, the temporal and wavelength-dependent correlation function can be measured simultaneously for a single light pulse.

Aus der Darstellung der Intensität der Summenfre quenzstrahlung über diesen beiden Koordinaten, der Verzögerungszeit und der Wellenlänge, können durch bekannte numerische Verfahren alle Charakteristika des Lichtimpulses ermittelt werden. So können mit diesem wellenlängenauflösenden Einzelimpulskorrelator die Impulsform, -phase, -amplitude und -dauer sowie der Chirp des Lichtimpulses bestimmt werden. Damit ist der Lichtimpuls vollständig charakterisiert.From the representation of the intensity of the sum frequency radiation over these two coordinates, the Delay time and the wavelength, can by known numerical methods all characteristics of the light pulse can be determined. So with this wavelength-resolving single-pulse correlator the pulse shape, phase, amplitude and duration as well as the chirp of the light pulse can be determined. In order to the light pulse is fully characterized.

Die in den Ausführungsbeispielen gegebenen, erfin dungsgemäßen Meßsysteme ermöglichen es aufgrund ihrer nichtkollinearen Strahlführung weitgehend untergrund frei die Korrelation zu messen. Auf diese Weise kann die Korrelation mit sehr großer Dynamik (16 Bit oder mehr in Abhängigkeit vom verwendeten Detektor) gemes sen werden.The given in the exemplary embodiments, invented Measurement systems according to the invention make it possible due to their non-collinear beam guidance largely underground freely measure the correlation. That way the correlation with very high dynamics (16 bit or more depending on the detector used) will be.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Anwen dung eines nichtlinearen optischen Effekts zweiter Ordnung in Verbindung mit einer definierten Phasen verschiebung des einen Teilimpulses gegenüber dem anderen Teilimpuls statt des für Messungen der zeit abhängigen/frequenzabhängigen Amplitude und Phase üblichen optischen Effekts dritter Ordnung es ermög licht, zeitliche Asymmetrien zu charakterisieren und weitgehend untergrundfrei sowohl Einzelimpulse oder Impulse mit niedriger Impulsfolgefrequenz mit hoher oder niedriger Intensität als auch Laserimpulse mit hoher Impulsfolgefrequenz mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung vollständig zu analysieren.In summary, it can be said that the users of a nonlinear optical effect second Order in connection with a defined phase shift of a partial pulse compared to the another sub-pulse instead of that for measurements of time dependent / frequency dependent amplitude and phase usual third-order optical effect to characterize light, temporal asymmetries and largely either underground or single impulses Pulses with low pulse repetition frequency with high or low intensity as well as using laser pulses high pulse repetition frequency with the invention Analyze measuring device completely.

Claims

1. Measuring device for short and ultrashort Lichtim pulse consisting of an arrangement of beam splitters and reflectors, which divides the beam to be analyzed into two partial pulses and the two partial pulses are superimposed with one another, an optical element ( 9 ) for generating a correlation signal of the two Partial pulses and an interchangeable detection unit ( 17 ), characterized in that optical components which differ with respect to the dispersion of the partial pulses are arranged in the beam paths of the two partial pulses and / or at least one dispersive component ( 21 ) is additionally arranged in one of the beam paths and that the element ( 9 ) is a second-order non-linear optical element for generating a correlation signal.

2. Device according to claim 1, characterized records that to produce the Dispersun terschiedes an optical component of a part impulse beam path and a dispersion differently defined coating be sits.

3. Device according to at least one of the previous existing claims, characterized in that the element for generating a correlation si gnals a radiation with the sum frequency of the two partial pulses in the forward direction or in Is designed to generate the reverse direction.

4. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the element ( 9 ) for generating a correlation tion signal consists of a crystal.

5. The device according to claim 4, characterized indicates that the crystal is a lithium Betaborate crystal is.

6. The device according to claim 3, characterized in that the element ( 9 ) for generating egg nes correlation signal has a reflective surface.

7. The device according to claim 6, characterized records that the surface is a gallium arsenic nid surface is.

8. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the beam paths of the two partial pulses in the element ( 9 ) for generating the correlation signal are not collinear.

9. The device according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the on device contains at least one polarization at least one partial beam rotating element ent and the beam paths of the two partial impulses are collinear in the element ( 9 ) for generating the correlation signal are.

10. The device according to at least one of the preceding claims, characterized by at least one movable delay element ( 5 , 8 ) for delaying the two partial pulses against each other.

11. The device according to claim 10, characterized in that the movable delay element is a retroflector ( 8 ).

12. The device according to at least one of claims 11 and 12, characterized in that the movable retardation element is a retroflector ( 8 ) driven by a stepping motor via a mi-size screw.

13. The apparatus according to claim 10, characterized in that the movable delay element is a rotatable dispersive element ( 5 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the dispersive element ( 5 ) is fixed in a rotatably mounted, self-adjusting Hal ter.

15. The apparatus according to claim 14, characterized records that the self-adjusting holder for the dispersive element by a motor preferably move a speed-controlled motor is cash.

16. The device according to at least one of claims 13 to 15, characterized in that the dis persive element ( 5 ) is a glass plate.

17. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that the detection unit send optical components with downstream time-resolving, spatially resolving and / or spectrally resolving detectors ( 17 ).

18. Device according to one of the preceding claims, characterized by an exchangeable plate ( 13 ) equipped with optical components ( 14 , 15 ).

19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the interchangeable plate ( 13 ) has at least two on the plate surface angeord designated adjustment elements and in the Meßvor direction a corresponding number of sensors are arranged.

20. The apparatus according to claim 19, characterized records that the transducers are self-adjusting are trained.

21. The device according to at least one of the claims 19 and 20, characterized in that the Ju bull elements conical or frustoconical and the transducers as a tapered recess are trained.

22. The device according to at least one of claims 18 to 20, characterized in that the interchangeable plate ( 13 ) rests on the adjusting elements.

23. The device according to at least one of the preceding claims, characterized in that a one-dimensional or two-dimensional focusing optics is arranged on the exchange plate ( 13 ).

24. Device according to at least one of the preceding existing claims, characterized in that in the device dispersive optical elements and / or reflective optical elements arranged are.

25. Device according to at least one of the preceding existing claims, characterized in that the optical components specific to the Properties of the light pulses used, such as e.g. B. their wavelength are coated.

26. Device according to at least one of the preceding existing claims, characterized in that the reflective optical elements at least are partially coated with metal.

27. The apparatus according to claim 26, characterized records that the reflective optical elements coated with precious metals, preferably gold are.

28. The apparatus according to claim 27, characterized records that the gold coating with a plasma-assisted process is applied.

29. Device according to at least one of the preceding existing claims, characterized in that the device with an additional pulse Compressor is provided.

30. The device according to claim 29, characterized records that the pulse compressor is a prism is compressor.

31. Device according to at least one of the preceding existing claims, characterized in that to control the measuring device, the detectors and a microcontroller before data recording is there.

32. Method of analyzing short and ultra-short Laser pulses with a device according to at least At least one of the preceding claims characterized in that a laser pulse is so in the arrangement of beam splitters and reflectors is radiated that it in two partial pulses is divided and the two partial impulses the optical element for generating a correction tion signal are performed and that the correla generated by the device tion signal regarding the light frequency and / or regarding the runtime differences between the two sub-pulses is analyzed.

33. The method according to claim 32, characterized in net that the correct generated by the device tion signal on a monitor in two dimensions is shown, the two coordinates axes the frequency of the correlation signal or the delay time between the two parts represent pulses.