DE19634489A1 - Vorrichtung zur Synchronisation von ultrakurzen optischen Laserimpulsen - Google Patents

Description

2. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lichtimpulszüge mit einer Impulsdauer von kürzer als 100 ps (1·10^-10 s), die von mehreren modengekoppelten Laseroszillatoren erzeugt werden, mit hoher Genau­ igkeit zu synchronisieren.

Für zahlreiche Anwendungen, z. B. zeitaufgelöste Spektroskopie auf der fs- oder ps Zeitskala oder für die Frequenzkonversion der Impulse durch nichtlineare optische Effekte ist es notwendig, daß die Im­ pulse von den Laseroszillatoren synchronisiert sind, d. h. mit definiertem zeitlichen Abstand emittiert werden. Diese Bedingung ist beispielsweise erfüllt, wenn sich die Intensitätsmaxima der Impulse genau zeitlich überlagern. Die angestrebte Genauigkeit der Überlagerung liegt bei einem Bruchteil der Impulsdauer. Durch optische Verzögerungseinrichtungen läßt sich dann in bekannter Weise der zeitlich Abstand der Impulse in weiten Bereichen definiert verändern.

3. Stand der Technik 3.1 Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse

Für die nicht synchronisierte Impulserzeugung entsprechender ultrakurzer Impulse in Lasersystemen sind eine Reihe von Modenkopplungsverfahren bekannt, die nicht Gegenstand der Erfindung sind. Bei­ spiele hierfür sind die Modenkopplung durch einen nichtlinearen Absorber, durch additive Impuls- Modenkopplung oder Kerr-Linsen-Modenkopplung [siehe EP 0 492 994 A2]. Modengekoppelte Laser enthalten häufig für die Erzeugung sehr kurzer Impulse im Femtosekundenbereich Einrichtungen zur Kompensation und Einstellung der Frequenzdispersion der benutzten Resonatoranordnungen. Hierfür sind einige optische Baugruppen bekannt, beispielsweise Prismenpaare [Optics Letters, 9,5, (1984) 150], Paare parallel orientierter optischer Gitter [Physics Letters, 28A, (1968) 34], sogenannte Gires- und Tournois-Interferometer [Comptes Rendues, 258, (1964) 6112] oder dispersive Spiegel [Optics Letters 19 (1994) 201], mit deren Hilfe kürzere Impulsdauern realisiert werden. Diese bekannten Baugruppen werden im Folgenden als Dispersionsbaugruppen bezeichnet und spielen für die vorliegende Erfindung eine wichtige Rolle; allerdings werden sie (gegebenenfalls zusätzlich) für einen anderen Anwendungszweck eingesetzt, nämlich zum Einstellen einer geeigneten Abhängigkeit der Resonatorumlaufzeit von der Trägerfrequenz des umlaufenden Laserimpulses. Der bekannte Anwendungszweck, die Einstellung der Laserimpulsdauer im Femtosekundenbereich, läßt sich mit den Anforderungen des Erfindungsgedankens in der Regel kombinieren. Die genannten Dispersionsbaugruppen werden im patentgemäßen Lösungsmittel auch für die Synchronisation von längeren Impulsen, beispielsweise im Pikosekundenbereich, eingesetzt.

3.2 Synchronisation ultrakurzer Lichtimpulse verschiedener Wellenlänge

Das Problem der Synchronisation verschiedener modengekoppelter Laser wurde bisher häufig dadurch umgangen, daß Impulse mit veränderten Eigenschaften wie geänderte Frequenzposition und/oder Im­ pulsdauer und/oder spektrale Bandbreite von einem Laseroszillator abgeleitet wurden, wozu der Aus­ gangsimpuls durch optische Bündelteiler aufgeteilt und durch Folgeprozesse die Teilimpulse in ihren Eigenschaften entsprechend verändert wurden. Zu diesem Zweck sind zahlreiche Verfahren bekannt, beispielsweise nichtlineare Frequenzkonversion wie optische Frequenzverdopplung, parametrische Dreiphotonen-Wechselwirkung, stimulierte Ramanstreuung oder Verkürzungsverfahren wie optische Impulskompression. Diese Vorgehensweise bedingt einen erheblichen technischen Aufwand und wei­ tere Nachteile, beispielsweise einen meist erheblichen Leistungs- oder Energieverlust.

Bekannte Verfahren zur Synchronisation von Impulszügen benutzen das Modenkopplungsverfahren selbst zur zeitlichen Kopplung der Laseremission. Zu nennen ist hier beispielsweise das synchrone Pum­ pen durch zeitlich korrelierte optische oder elektrische Pumpimpulse, etwa die Anregung von zwei modengekoppelten Farbstofflasern durch den entsprechend geteilten Impulszug eines aktiv modenge­ koppelten Argon-Ionenlasers. Auch durch den Betrieb von zwei Lasern mit aktiver Modenkopplung durch akustooptische oder elektrooptische Modulatoren mit HF-Anregung identischer Frequenz wird eine (vergleichsweise ungenaue) Synchronisation der emittierten Impulszüge durch die elektrische Syn­ chronisation der Modenkoppler erreicht. Nachteil dieser Methoden ist die mangelnde Präzision der Synchronisation: Zeitliche Schwankungen unterhalb 100 fs sind nicht erreichbar.

Ein weiteres Beispiel ist der zeitlich gekoppelte Betrieb des Zweifarben-Titan-Saphir-Lasers durch die Synchronisation des Modenkopplungsverfahrens durch eine gemeinsame Kerr-Linse ("cross-mode- locking"), allerdings unter Beschränkung der Impulsdauer auf Werte oberhalb von 100 fs und weitge­ hendem Verlust der Durchstimmbarkeit [Optics Letters 18 (1993) 634].

Eine zufriedenstellende Vorrichtung zur Synchronisation ist bisher auf der Subpikosekunden-Zeitskala nicht bekannt. Ein einfacher, unabhängiger Betrieb der verschiedenen modengekoppelten Laseroszilla­ toren - allerdings mit elektronisch stabilisierter Resonatorumlaufdauer - ist beispielsweise ungeeignet, da ein Abgleich der verschiedenen Laser auf exakt gleiche Resonatorumlaufdauer wegen äußerer Stö­ rungen und der begrenzten Zeitauflösung der Meßeinrichtung zur Regelung der Umlaufdauern mit einer Genauigkeit von weniger als 10 ps (1·10^-11 s) bisher praktisch nicht möglich war.

4. Aufgabe

Die Erfindung zielt darauf ab, in eine Anordnung von zwei oder mehreren Laseroszillatoren, die ultra­ kurze Lichtimpulse erzeugen, einen zusätzlichen Regelmechanismus zur Synchronisation der Impulser­ zeugung zu implementieren, welcher zu einem sich selbst stabilisierenden synchronisierten Betrieb der gekoppelten Laserresonatoren führt.

5. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

• a) daß die Erzeugung der Besetzungsinversion und die Modenkopplung in den verschiedenen Laser­ resonatoren im wesentlichen unabhängig erfolgen,
• b) daß die Laseranordnungen durch den gewählten mechanischen Aufbau oder eine aktive Regelung nur geringe Schwankungen der Resonatorumlaufzeiten von höchstens einigen Femtosekunden für aufein­ anderfolgende Umläufe aufweisen,
• c) daß die Resonatorachsen der verschieden Laserresonatoren sich in einem oder mehreren Koppelele­ menten zur Frequenzverschiebung der Laserimpulse überlagern, wobei die räumliche Ausdehnung des Überlappungsbereiches einstellbar ist,
• d) daß durch die Dispersionseigenschaften der Laserresonatoren, die zu diesem Zweck in der Regel durch Dispersionsbaugruppen einstellbar sind, die Frequenzverschiebungen der Koppelelemente in geeignete Abweichungen der Resonatorumlaufzeiten der Laserimpulse umgesetzt werden
• e) daß sich damit nach einmal erfolgtem Abgleich der einzelnen optischen Resonatorlängen ein sich selbst stabilisierender synchronisierter Betrieb der gekoppelten Laserresonatoren einstellt.

6. Erläuterungen

6.1 Die Wellenlänge der synchronisierten Impulszüge kann im infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Spektralbereich liegen.

6.2 Die Synchronisation der Laserimpulse durch die erfindungsgemäße Vorrichtung setzt voraus, daß die Umlaufzeiten der Laserimpulse in den Resonatoren auch ohne die Wirkung des Koppelelementes schon näherungsweise gleich sind, da der verfügbare Regelbereich beschränkt ist. Der exakte Abgleich der Impulsfolgefrequenzen wird dann durch den Synchronisationsmechanismus der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewirkt. Bezogen auf die Resonatorlängen sind Abweichungen im Mikrometerbereich zulässig, die ausgeregelt werden. Dieser Zahlenwert zeigt, daß die Anforderungen an die mechanische Stabilität der Laseranordnungen durch den synchronisierten Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht nennenswert erhöht werden; eine externe Regelung der Resonatorlängen ist im allgemeinen nicht erforderlich. Die Genauigkeit der erzielten Synchronisation wird allerdings durch äußere Störungen und Schwankungen der Resonatorlängen beeinträchtigt, so daß für sehr präzise Synchronisation (zeitliche Schwankung des Impulsabstandes etwa 1 fs oder darunter) Maßnahmen zur Verbesserung der mechanischen Stabilität, beispielsweise durch Dämpfung von Körperschall in den Laseraufbauten oder eine kompakte, erschütterungsunempfindliche Bauweise erforderlich sein können. Der näherungsweise Abgleich der Resonatorlängen erfolgt in durchaus bekannter Weise, beispielsweise durch Verschieben der Resonatorendspiegel, die dazu auf präzisen Translationstischen und/ oder auf Piezoelementen gehaltert sind, welche eine elektronisch gesteuerte Positionierung ermöglichen.

6.3 Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem optischen Kopplungselement in Verbindung mit jeweils einer Dispersionsbaugruppe in den zu koppelnden Laserresonatoren. Das Kopplungselement wird von den Resonatorachsen der zu koppelnden Laseroszillatoren durchsetzt, so daß sich die in den verschiedenen Laserresonatoren umlaufenden Impulse in dem Kopplungselement räumlich überlagern können. Die Wirkung des Kopplungselementes erfolgt durch den nichtlinearen optischen Brechungs­ index n₂, welcher durch die Abhängigkeit des optischen Brechungsindex von der Lichtintensität I defi­ niert ist:

n (I) = n₀ + n₂·I

Hierzu eignet sich eine Vielfalt von optisch transparenten festen Stoffen oder Flüssigkeiten in optischen Küvetten. Bevorzugte Ausführungsformen des Kopplungselementes sind wegen des geringen Material­ aufwandes ein dünnes Plättchen aus einem optisch transparenten Material, beispielsweise Glas, Quarz oder Saphir. Für diese Materialien gilt n₂ < 0.

Das Koppelelement erzeugt in durchaus bekannter Weise Frequenzverschiebungen der überlagerten Impulse durch den physikalischen Effekt der Kreuz-Phasenmodulation, sobald sich die Impulse in dem Koppelelement zufällig zeitlich überlagern. Dies tritt wegen der geringfügig verschiedenen Umlauf­ dauern innerhalb von Bruchteilen von Sekunden zwangsläufig auf (siehe 6.2). Das Vorzeichen der Fre­ quenzverschiebung der Impuls-Trägerfrequenz hängt davon ab, ob ein Impuls etwas früher oder später als ein zweiter Impuls im Kopplungselement eintrifft, während beim exakt gleichzeitigen Durchlaufen des Koppelelementes keine Frequenzverschiebung auftritt. Für n₂ < 0 gilt:

• a) Ein Impuls wird durch einen zweiten, leicht vorauslaufenden Impuls blauverschoben, d. h. seine Trägerfrequenz nimmt zu
• b) Ein Impuls wird durch einen zweiten, leicht verzögerten Impuls rotverschoben, d. h. seine Trägerfre­ quenz nimmt ab
• c) Findet kein zeitlicher und räumlicher Überlapp von nichtverschwindender Lichtintensität der beiden Impulse statt, so ergibt sich keine Frequenzverschiebung

Der Wert der Frequenzverschiebung df ist abhängig von der Länge L und der effektiven Fläche A des räumlichen Überlappvolumens der beiden Impulszüge im Koppelelement, von der Spitzenleistung des zweiten Impulses P₀, von der Impulsdauer t_p des zweiten Impulses, vom nichtlinearen Brechungsindex n₂, der Gruppengeschwindigkeiten der beiden Impulszüge v_g1 und v_g2, der Wellenlänge des betrachteten Impulses λ und der Verzögerungszeit t_D der beiden Impulse beim Eintreffen in das Koppelelement. Die Frequenzverschiebung errechnet sich näherungsweise durch [Appl. Phys. Lett. 52 (1988) 1939]:

wobei

In Fig. 6 ist df in Abhängigkeit der zeitlichen Verzögerung zweier Lichtimpulse im Koppelelement ab­ gebildet, wobei beispielhaft folgende typische Parameter angenommen sind: L = 100 µm, P = 10⁶ W, t_p = 30 fs, Differenzfrequenz der beiden Impulse f₁-f₂ = 0.5 THz (mit 1 THz = 10¹² Hz). und n₂ = 3.2·10^-20 m²/W (für Saphir als Material des Koppelelementes). Hierbei ergibt sich für die Impulse jeweils eine maximale Frequenzverschiebung von 1.5 THz für einen Einzeldurchlauf durch das Koppelelement.

Es zeigt sich, daß die Frequenzverschiebung nahezu unabhängig von der Differenz der Trägerfrequen­ zen der beiden Impulszüge ist, aber stark vom räumlichen Überlappvolumen (Parameter L und A) der beiden Impulszüge und der Spitzenleistung P₀ bestimmt wird. Zweckmäßig nutzt man daher die Parame­ ter L und A zur Einstellung der Frequenzverschiebung. Dies kann beispielsweise durch Hinein- und Herausfahren des Koppelelementes aus dem räumlichen Überlappbereich der beiden Lasermoden oder/und durch Ändern des Kreuzungswinkels zwischen den Lasermoden erfolgen. Ebenso möglich ist die Einstellung der Frequenzverschiebung durch die Regelung der Spitzenleistung P₀.

6.4 In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dient derjenige Laseroszillator mit dem größten Wert für den Quotienten I₀/t_p von Spitzenintensität I₀ und Impulsdauer t_p als Meisterlaser, der die übrigen Laser kreuzphasenmoduliert und damit "versklavt", während die anderen Laser deutlich kleinere Werte von I₀/t_p aufweisen und somit auf den Meisterlaser wegen der kleineren nichtlinearen Frequenzmodula­ tion keinen wesentlichen Einfluß haben. Dies führt zu einer verbesserten Stabilität der Synchronisation der Impulszüge.

6.5 Die Laserresonatoren zeigen optische Dispersion, d. h. die Resonatorumlaufdauer T hängt von der Trä­ gerfrequenz f des umlaufenden Impulses ab, T = T(f). Die Änderung der Resonatorumlaufdauer mit der Trägerfrequenz dT/df wird durch den Einsatz von Dispersionsbaugruppen wählbar. Die Dispersionsbau­ gruppen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen der Umsetzung der Frequenzverschiebungen des Koppelelementes in geeignete Änderungen der jeweiligen Resonatorumlaufdauer.

Für die Synchronisation der Impulse muß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Vorzeichen der Kreuzphasenmodulation des Koppelelementes zum Vorzeichen der Laufzeitdispersion der Resonatoren passen. Üblicherweise liegt ohne den Einbau einer zusätzlichen Dispersionsbaugruppe normale Disper­ sion vor, so daß ein blauverschobener Impuls eine etwas längere Resonatorumlaufzeit aufweist, d. h. (dT/df) < 0. Geht man von einem positiven nichtlinearen Brechungsindex aus, n₂ < 0, so wird ein etwas verzögert durch das Koppelelement laufender Impuls im Vergleich mit dem Impulsmaximum des Mei­ steroszillators etwas blauverschoben und benötigt eine etwas verkürzte Resonatorumlaufzeit, um beim nächsten Zusammentreffen im Koppelelement den "Meister"-Impuls einzuholen, bzw. sogar etwas zu überholen; d. h. (dT/df) < 0 ist erforderlich.

Die Realisierung der Bedingung (dT/df) < 0 erfolgt durch den Einbau von Dispersionsbaugruppen, welche in bekannter Weise anomale Laufzeitdispersion aufweisen. Beispielsweise eignen sich Prismen­ paare [Optics Letters, 9,5, (1984) 150], Paare parallel orientierter optischer Gitter [Physics Letters, 28A, (1968) 34]. oder Gires- und Tournois-Interferometer [Comptes Rendues, 258, (1964) 6112]. Die Ände­ rung der Umlaufdauer dT bei Änderung der Frequenz um df ergibt sich zu:

Hierbei beschreibt ∂²Φ/∂ω² die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit (DG) für den gesamten Resona­ tor. Sie setzt sich zusammen aus der DG aller im Resonator durchlaufener Medien (vor allem des aktiven Lasermediums) und der DG der Dispersionsbaugruppe. Im Falle eines Prismenpaares ist Wert der DG einstellbar durch den Abstand zwischen den Prismen, den Laufweg der Lasermode innerhalb des Prismenmaterials und durch die Wahl des Prismenmaterials. Die DG läßt sich in bekannter Weise aus den genannten Parametern errechnen. Typische Werte für ∂²Φ/∂ω² eines Prismenpaares liegen im Bereich von -100 fs² bis -10 000 fs². Dies entspricht Werten für dT/df von -0.6 fs/THz bis -60 fs/THz. Für eine wie in 6.3 angegebene maximale Frequenzverschiebung von 1.5 THz pro Durchlauf durch das Kopplungselement ergibt sich beispielhaft für dT/df = 3 fs/THz (d. h. ∂²Φ/∂ω² = 500 fs²) eine maximale Änderung der Resonatorumlaufzeit von dT = 4.5 fs für einen Umlauf.

Ebenso möglich ist der Einsatz von sogenannten dispersiven Spiegeln, welche durch ihre speziellen mikroskopischen Eigenschaften eine Verkürzung der Resonatorumlaufdauer bei Erhöhung der Träger­ frequenz bewirken [Optics Letters, 19,3 (1994) 201]. Für Impulsdauern im Bereich von Pikosekunden (10^-12 s) kann aufgrund der benötigten hohen Dispersionswerte das Verwenden von Gitterpaaren vorteil­ haft sein.

6.6 Für ein Koppelelement mit umgekehrten Vorzeichen der Kreuzphasenmodulation, d. h. für n₂ < 0, ist dagegen normales Dispersionsverhalten für die Synchronisation geeignet. Die Dispersionsbaugruppen sind für diesen Fall für die erfindungsgemäße Synchronisation entbehrlich.

6.7 Eine Verschiebung der Trägerfrequenz und damit verbundene Korrektur der Umlaufzeit findet bei jedem Umlauf statt, und zwar solange, bis die Resonatorumlaufzeiten der beteiligten Laserresonatoren egalisiert sind. Dieser Vorgang kann, abhängig von der Wahl der Systemparameter, mehrere hunderttausend Umläufe in Anspruch nehmen. Bei erfolgter Angleichung der Resonatorumlaufzeiten verschwindet die Verzögerungszeit t_D zwischen den Impulsmaxima im Koppelelement, so daß keine weitere Frequenzverschiebung auftritt. Fluktuationen der Resonatorlängen aufgrund äußerer Störungen (z. B. Schall) werden durch das beschriebene Zusammenspiel von Frequenzverschiebung und Laufzeitdispersion erfindungsgemäß kompensiert.

6.8 Die betragsmäßigen Größen der Frequenzverschiebung und der Resonatordispersion (dT/df) müssen für einen stabilen Betrieb der synchronisierten Impulszüge in gewissen Bereichen gewählt werden.

Beispielsweise geht man dabei so vor, daß man die Größe von (dT/df) (im negativen Wertebereich) so wählt, daß gewünschte Werte für die Impulsdauer des jeweiligen Laseroszillators resultieren. Dies ge­ schieht in durchaus bekannter Weise für die jeweilige Bauart der Dispersionsbaugruppen, beispiels­ weise durch Justieren des Prismenabstands und/oder der lateralen Prismenposition beim Prismenkom­ pressor. (Die Dispersionsbaugruppe des Meisterlasers kann allein zu diesem Zweck dienen). Die Kopplungsstärke der Kreuzphasenmodulation im Koppelelement wird dann für den Synchronisations­ betrieb entsprechend angepaßt. Dies läßt sich durch Wahl des Kopplungselementes (beispielsweise Dicke des Kopplungsplättchens) und/oder Überlappbereichs der sich kreuzenden (resonatorinternen) Laserbündel nach Querschnitt und Länge leicht bewerkstelligen. Beispielsweise ordnet man das Koppel­ element zum Einregulieren der Kopplungsstärke auf einem Translationstisch an und kann somit das Element definiert durch Bewegung in Richtung auf den Resonatorspiegel in den Bereich des Bündel­ überlapps hinein- oder herausschieben.

6.9 Die Synchronisation der Impulszüge, die von den Auskoppelspiegeln emittiert werden, läßt sich in einfacher Weise beispielsweise mittels schnellen Photodioden in Verbindung mit einem Zweispur-Oszil­ loskop mit Nanosekunden-Zeitauflösung beobachten, welches mit externer Triggerung durch die Im­ pulse des Meisteroszillators betrieben wird. Die Impulsfolgen der Laser erzeugen im synchronisierten Betrieb eine stehendes Oszilloskopbild beider Impulszüge, während im nicht-synchronen Betrieb das Oszilloskopbild eines der beiden Impulszüge durchläuft.

7. Vorteile

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bewirkt eine Synchronisation, die von dem benutzten Modenkopplungsverfahren unabhängig ist. Dies hat den Vorteil, daß der Betrieb mehrerer Laser unter Benutzung bekannter Modenkopplungsverfahren möglich ist, wobei die so erreichten Impulsdauern und andere Lasereigenschaften durch die Erfindung im wesentlich unbeeinflußt bleiben. Dadurch können beispielsweise Laser mit unterschiedlichen Modenkopplungsverfahren synchronisiert werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Trägerfrequenz der synchronisierten Impulszüge beispielsweise in weiten Spektralbereichen verschieden sein kann und die spektrale Durchstimmbarkeit von Laseranordnungen durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht beeinträchtigt wird. Ein wesentlicher Vorzug der Erfindung ist durch eine sehr genaue Synchronisation gegeben; eine Genauigkeit von einigen Femtosekunden oder weniger kann erreicht werden.

8. Beschreibung anhand von Zeichnungen

8.1 Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Fig. 1 näher erläutert, die den schematischen Aufbau von drei Laseroszillatoren mit Synchronisationsvorrichtung zeigt. Die Laserreso­ natoren werden durch die Resonatorendspiegel 101-103 mit den Auskoppelspiegeln 111-113 gebildet und enthalten jeweils in bekannter Weise ein Lasermedium 131-133 zur Lichtverstärkung durch stimu­ lierte Emission und eine Einrichtung zum modengekoppelten Betrieb 141-143. Weitere bekannte Ein­ richtungen, beispielsweise zur Zufuhr der Pumpenergie und gegebenenfalls zum Durchstimmen der Impulsfrequenzen sind in Fig. 1 nicht eingezeichnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus dem optischen Kopplungselement 150 in Verbindung mit jeweils einer Dispersionsbaugruppe 121-123 in den zu koppelnden Laserresonatoren. Das Kopp­ lungselement 150 wird von den Resonatorachsen 01, 02 und 03 der zu koppelnden Laseroszillatoren durchsetzt, so daß sich die in den verschiedenen Laserresonatoren umlaufenden Impulse in dem Ele­ ment 150 räumlich überlagern können. Das Koppelelement besteht aus einem optisch transparenten Material, dessen maßgebliche Eigenschaft durch den nichtlinearen Brechungsindex n₂ beschrieben ist. Wie bereits oben beschrieben, treten bei einem simultanen Durchlauf der verschiedenen Impulszüge durch das Koppelelement definierte Frequenzverschiebungen der Trägerfrequenzen der Impulse auf. Das Vorzeichen der Frequenzverschiebung der Impuls-Trägerfrequenz hängt davon ab, ob ein Impuls etwas zu früh oder zu spät im Kopplungselement eintrifft, während beim exakt gleichzeitigen Durch­ laufen des Koppelelementes keine Frequenzverschiebung auftritt. Geeignete Materialien für das Koppelelement sind beispielsweise Saphir oder Schwerflintgläser, welche einen hohen Wert für n₂ aufweisen. Bei der Wahl des Materials ist zu beachten, daß dieses bei der jeweiligen Frequenz der ein­ zelnen Impulszüge, bei den verdoppelten Frequenzwerten sowie der Summenfrequenz jeweils zweier verschiedener Impulszüge keine Absorption besitzen. Dies könnte zu Störungen des Modenkoppelns oder des Laserbetriebs überhaupt in den einzelnen Laserzweigen führen.

Zweckmäßig werden für die verschiedenen Oszillatoren im Koppelelement unterschiedliche Verhält­ nisse I₀/t_p von Spitzenintensität I₀ und Impulsdauer t_p gewählt, um so einen Oszillator als Meisteroszilla­ tor auszuzeichnen. Dieser bleibt in seinen Eigenschaften durch den Synchronisationsprozeß weitgehend unbeeinflußt, während die übrigen Resonatoren, wie bereits oben beschrieben, versklavt werden.

Im folgenden sei angenommen daß der Laseroszillator 02 charakterisiert durch die Resonatorachse 02 der Meisterlaser ist, während die Laser mit Resonatorachsen 01 bzw. 03 für die Impulssynchronisation versklavt sind.

Die Dispersionsbaugruppen 121-123 der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienen der Umsetzung der Frequenzverschiebungen des Koppelelementes 150 in geeignete Änderungen der jeweiligen Resonator­ umlaufdauer. Mit den genannten Einrichtungen 121, 123 läßt sich nämlich in durchaus bekannter Weise ein anomales Dispersionsverhalten der versklavten Laseroszillatoren einstellen und erfindungsgemäß damit auch die Synchronisation realisieren.

Dies geschieht in durchaus bekannter Weise für die jeweilige Bauart der Dispersionsbaugruppen 121- 123, beispielsweise durch Justieren des Prismenabstands und/oder der lateralen Prismenposition beim Prismenkompressor. Die Kopplungsstärke der Kreuzphasenmodulation im Koppelelement 150 wird dann für den Synchronisationsbetrieb entsprechend angepaßt. Dies läßt sich durch Wahl des Kopplungselementes (beispielsweise Dicke des Kopplungsplättchens) und/oder Überlappbereichs der sich kreuzenden (resonatorinternen) Laserbündel nach Querschnitt und Länge leicht bewerkstelligen. Beispielsweise ordnet man das Koppelelement 150 zum Einregulieren der Kopplungsstärke auf einem Translationstisch 160 an und kann somit das Element definiert durch Bewegung in Richtung auf den Resonatorspiegel 102 in den Bereich des Bündelüberlapps hinein- oder herausschieben.

Der geometrische Aufbau der einzelnen Resonatoren ist derart gewählt, daß die optische Weglänge zwischen den Endspiegeln 101-103 und den jeweilig zugehörigen Auskoppelspiegeln 111-113 für alle Resonatoren nahezu gleich ist. Ein präziser Abgleich der Resonatorlängen auf etwa ± 1 µm (dies ent­ spricht einer Differenz der Resonatorumlaufzeiten von etwa ± 7 fs) erfolgt beispielsweise durch Ver­ schieben der Resonatorendspiegel 101 und 103, welche dazu auf präzisen Translationstischen 161, 163 und/oder auf Piezoelementen 171, 173 gehaltert sind. Die Position der Spiegel ist durch Präzi­ sionsschrauben (beispielsweise Differentialmikrometerschrauben) und/oder durch den Einsatz von Piezostellelementen parallel zur Resonatorachse mechanisch bzw. elektrisch einstellbar.

In speziellen Ausführungsformen der Vorrichtung, kann es beispielsweise aus Platzgründen zweckmäßig sein, daß die Umlaufdauern T₁-T₃ der Resonatoren 01-03 nicht gleich, sondern in einem rationalen Verhältnis stehen, beispielsweise T₁ : T₃ = 1 : 2 oder = 3 : 2; die jeweiligen Impulse treffen sich im Kop­ pelelement 150 dann nicht nach jedem Umlauf, sondern nach jedem 2. bzw. 3. Umlauf des Resonators 02. Die entsprechend geänderte Effizienz des Synchronisationsverfahrens wirkt sich auf die Anforde­ rungen an die mechanische Stabilität der Laseranordnung aus.

8.2 In konkreten Anwendungen lassen sich häufig Bauelemente der erfindungsgemäß synchronisierten Laser einsparen, deren Anordnungen in den Fig. 2-4 beispielhaft dargestellt sind. Fig. 2 zeigt ein Bei­ spiel für einen 2-Farbenlaser mit Koppelelement 150 und einem gemeinsamen Lasermedium 131 für die beiden Laserresonatoren 01 und 02. Durch den gewählten Aufbau wird ein weiteres Lasermedium einge­ spart. Zur Vermeidung einer unerwünschten Kopplung der beiden Laser durch Abbau der Besetzungs­ inversion müssen die Resonatorachsen 01, 02 im Lasermedium 131 hinreichend räumlich getrennt ver­ laufen. Die Zufuhr der Pumpenergie muß entsprechend zu diesen getrennten Bereichen erfolgen. Ge­ schieht das Pumpen beispielsweise optisch durch einen Diodenlaser oder Argonionenlaser, sind ge­ trennte Pumplaserbündel für die Erzeugung der Besetzungsinversionen der Laser 01 und 02 zweckmäßig (in Fig. 2 nicht eingezeichnet). Das Durchstimmen der Laser, d. h. Einstellen der Impulsträgerfrequenzen der beiden synchronisierten Laserresonatoren erfolgt in bekannter Weise, beispielsweise durch ver­ schiebbare Spalte in den Dispersionsbaugruppen 121 und 122. Die Bündelüberlagerung im Koppelele­ ment 150, das zu Justierzwecken auf dem Verschiebetisch 160 angeordnet ist, erfolgt durch die beiden Sammellinsen 180, 181 oder durch Hohlspiegel (in Fig. 2 nicht dargestellt). Durch die gleichzeitig be­ wirkte Bündelfokussierung lassen sich die Intensitätsanforderungen für die nichtlineare Kreuzphasen­ modulation im Koppelelement 150 leicht erfüllen. Der Endspiegel 101 schließt beide Resonatoren 01, 02 ab. Die dargestellte kompakte Bauweise wirkt sich günstig auf die Resonatorstabilität aus. Der Längenabgleich der Resonatoren 01, 02 erfolgt mittels des verschiebbaren Auskoppelspiegels 111 mit Translationstisch 161 und/oder Piezoelement 171. Durch Einsatz des bekannten Verfahrens der Selbst­ modenkopplung (Kerr-Linsen-Modenkopplung) läßt sich das Lasermedium 131 zur Modenkopplung heranziehen, so daß zusätzliche Modenkopplungseinrichtungen 141, 142 eingespart werden können.

8.3 In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Dreifarbenlaser dargestellt, wobei das gemeinsame Lasermedium 131 der drei Laseroszillatoren 01-03 gleichzeitig als Koppelelement 150 dient, so daß ein gesondertes Koppelelement eingespart wird. Wie für das Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bereits aus­ geführt wurde, muß eine Kopplung der Laseroszillatoren 01-03 durch den Abbau der Besetzungsinver­ sion im Lasermedium 131 durch weitgehende räumliche Trennung der Laserbündel vermieden werden. Die räumliche Überlappung, die für die erfindungsgemäße Synchronisation über die Kreuzphasenmodu­ lation des Lasermaterials erforderlich ist, darf nur in einem sehr engen Bereich am Rand des Laserme­ diums erfolgen. Die Größe des Überlappbereiches und damit des Kopplungsgrades ist durch einen Translationstisch 160 einstellbar, auf dem das Lasermedium 131 befestigt ist. Die Fig. 3 zeigt beispiel­ haft auch, daß weitere Bauelemente durch Einsatz für die drei Laserresonatoren eingespart werden kön­ nen. Neben der nur einfach ausgebildeten Fokussieroptik mit dem Hohlspiegel 190 zum Einengen der drei Laserbündel 01, 02 und 03 im Überlappbereich des Lasermaterials 131 wird auf den ebenen End­ spiegel 101 hingewiesen, der die drei Resonantoren 01, 02 und 03 abschließt. Neben dem geringeren Aufwand an Bauelementen bietet diese Anordnung den entscheidenden Vorteil einer kompakten Bau­ weise, bei der sich kleine Bewegungen des Spiegel 101 und 190 in gleicher Weise auf die Resonatorum­ laufzeiten der drei Laserresonatoren auswirken und nicht zu Laufzeitunterschieden führen. Dieser Kom­ pensationseffekt wirkt sich günstig auf die Einhaltung der Stabilitätsanforderungen der Synchronisa­ tionseinrichtung aus. Der gemeinsame Endspiegel 101 hat den zusätzlichen Vorteil, daß die Laufzeiten vom Kreuzungspunkt der Bündelachsen im Lasermedium 131 zum Endspiegel 101 für die verschiede­ nen Resonatoren 01-03 gleich groß sind, so daß sich die Impulse beim Rücklauf nach der Reflexion am Endspiegel wiederum im Überlappbereich treffen und der Kopplungseffekt entsprechend verstärkt wird. Die Anforderungen an die Größe des Überlappbereiches und die Spitzenintensität des Meisteroszillators 02 für die erfindungsgemäße Synchronisation werden dadurch entsprechend herabgesetzt. Der Abgleich der Resonatorumlaufzeiten kann bei der Anordnung der Fig. 3 beispielsweise durch die Auskoppelspiegel 111 und 113 erfolgen, die zu diesem Zweck auf den Translationstischen 161, 163 und/oder auf den Piezoelementen 171, 173 gehaltert sind. Ein Abgleich durch die Verschiebung des gemeinsamen Endspiegels ist dagegen nicht möglich.

8.4 Das zusätzliche Koppelelement 150 der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich auch in anderer Weise als im Beispiel der Fig. 3 einsparen, in dem ein anderes optisches Bauelement, beispielsweise einer Modenkopplungseinrichtung oder einer Dispersionsbaugruppe die Funktion des Koppelelements zu­ sätzlich übernimmt. Ein Ausführungsbeispiel zeigt hierzu die Fig. 4, wo eine Anordnung von drei Pris­ men 120-122 als gemeinsame Dispersionsbaugruppe für zwei Laseroszillatoren 01 und 02 dient. Das Prisma 120 ist gleichzeitig als Koppelelement 150 der erfindungsgemäßen Synchronisationseinrichtung ausgebildet, wozu die Laserbündel 01, 02 in dem Bauelement justierbar überlagern. Die Frequenz­ verschiebungen der umlaufenden Laserimpulse durch Kreuzphasenmodulation werden durch den nichtlinearen Brechungsindex n₂ des Prismenmaterials bewirkt. Die Justierung der Größe des Über­ lappbereichs erfolgt beispielsweise durch eine Parallelverschiebung der einen Resonatorachse 01 in dem prismatischen Koppelelement 120, und zwar zweckmäßig nicht in der Zeichenebene, wodurch gleichzeitig die Laufzeit durch die Dispersionsbaugruppe des Resonators 01 bestehend aus den Pris­ men 120, 121 geändert würde, sondern in der zur Zeichenebene senkrechten Ebene. Letzteres läßt sich beispielsweise durch leichtes Kippen des Auskoppelspiegels 111 oder eines anderen Bauelemen­ tes des Laseroszillators 01 um eine zur Zeichenebene parallele Achse bewirken. Die Anordnung eignet sich besonders in Anwendungsbeispielen mit deutlich verschiedenen Spektralbereichen für die Emis­ sionen der synchronisierten Laser.

8.5 Die erfindungsgemäße Synchronisationseinrichtung läßt sich auch für modengekoppelte Laser mit Ringresonatoren einsetzen. Die Fig. 5 zeigt dazu ein Beispiel, in welchem der durch Achse 01 bezeichnete Resonator als Ringresonator ausgeführt ist. Wie auch bei den linearen Resonatoren ist darauf zu achten, daß der Überlappbereich der resonatorinternen Laserbündel im Kopplungselement 150 geeignet eingestellt werden kann, um in Verbindung mit den Dispersionsbaugruppen die Synchroni­ sation sicherzustellen. Dazu ist es günstig, wenn die Bündelradien des jeweiligen Grundmodus TEM₀₀ der Laserresonatoren 01-03 im Bereich des Koppelelementes 150 ähnliche Werte aufweisen.

Die Zahl der durch ein Koppelelement 150 synchronisierbaren Laseroszillatoren ist aus Platzgründen beschränkt. Diese Einschränkung läßt sich die Verwendung mehrerer Koppelelemente 150, 150′, 150′′ usw. beheben, durch die Gruppen von Lasern in Verbindung mit den jeweiligen Dispersionsbaugruppen zusammengekoppelt werden. Die Fig. 5 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel. Der als Meisteroszillator geeignete Laser 02 enthält dazu die beiden Koppelelemente 150 und 150′, die von den Resona­ torachsen 01-03 bzw. 01′, 02, 03′ bzw. 01′, 01′′ durchsetzt werden, wobei die Bauelemente von weiteren Laserresonatoren mit einfach gestrichenen Nummern bezeichnet sind. Durch die im Zusammenhang mit den obigen Ausführungsbeispielen erläuterte Vorgehensweise läßt sich die Synchronisation aller Laseroszillatoren erreichen. Die Verwendung des Koppelelementes 150′′ ermöglicht die kaskadenartige Ankopplung eines weiteren Resonators 01′′, auf welchen Resonator 01′ als Meisteroszillator wirkt. Auf die Darstellung von Einzelheiten des Laserresonators 01′′ wurde in der Fig. 5 verzichtet.

Bezugszeichenliste

KE = Koppelelement
ML = Einrichtung zum Modenkoppeln
LM = Lasermedium
DB = Dispersionsbaugruppe

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Synchronisation der Erzeugung ultrakurzer elektro-magnetischer Impulse in mehreren modengekoppelten Lasersystemen im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Spektral­ bereich,
dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Erzeugung der Besetzungsinversion und die Modenkopplung in den verschiedenen Laser­ resonatoren im wesentlichen unabhängig erfolgen,
• b) daß die Laseranordnungen durch den gewählten mechanischen Aufbau oder eine aktive Regelung näherungsweise gleiche Resonatorumlaufzeiten mit geringen Schwankungen von höchstens einigen Femtosekunden für aufeinanderfolgende Umläufe aufweisen,
• c) daß die Resonatorachsen der verschieden Laserresonatoren sich in einem oder mehreren Koppel­ elementen zur Frequenzverschiebung der Laserimpulse überlagern, wobei die Größe der Frequenzverschiebung einstellbar ist,
• d) daß durch die Dispersionseigenschaften der Laserresonatoren die Frequenzverschiebungen der Koppelelemente in geeignete Abweichungen der Resonatorumlaufzeiten der Laserimpulse umgesetzt werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Resonatoren ein gemein­ sames Lasermedium als aktives Medium nutzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium gleichzeitig als Koppelelement dient.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement der Vorrichtung zum Modenkoppeln gleichzeitig als Koppelelement dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine beliebige Anzahl der beteiligten Resonatoren als Ringresonatoren ausgeführt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere optische Reso­ natorspiegel von zwei oder mehreren Resonatorachsen gemeinsam verwendet werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bauelement der Dispersionsbau­ gruppe als Koppelelement dient.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Einsatz mehrerer Koppelelemente eine Zahl von Resonatoren kaskadenförmig synchronisiert wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatorumlaufzeiten nicht näherungsweise gleich sind, sondern näherungsweise in einem rationalen Verhältnis stehen.