DE19755361A1

DE19755361A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Zuführen dispersionskompensierter ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung

Info

Publication number: DE19755361A1
Application number: DE19755361A
Authority: DE
Inventors: Michelle L Dr Stock; Mark P Dr Bendett; Almantas Dr Galvanauskas; Donald J Dr Harter; Gregg D Dr Sucha
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1996-12-13
Filing date: 1997-12-12
Publication date: 1998-06-18
Also published as: JP3546917B2; US5862287A; JPH10186424A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Im pulszuführsystem für verschiedene Arten optischer Vorrichtun gen, wie beispielsweise ein ultrakurze Impulse mit hoher Im pulsleistung erforderndes optisches Meßsystem. Im einzelnen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein optisches Im pulsausgabesystem, in dem ein Lichtwellenleiter eingesetzt ist und das ein Kompensieren verschiedener innerhalb des Systems auftretender Dispersionseffekte ermöglicht, um Impulse mit hoher Spitzenleistung auszugeben.

Bekannte Impulsquellen für ultrakurze optische Impulse können derzeit Impulse mit Impulsbreiten im Pikosekunden- und Sub-Pikosekundenbereich bei verschiedene Wellenlängen, Impulse nergien und Wiederholraten bis in den GHz-Bereich erzeugen. Solche optischen Impulsquellen werden im allgemeinen in Meß- und Bilderzeugungsanwendungen eingesetzt, in denen eine Zeit fensterung oder Anregung durch eine hohe Spitzenleistung oder Intensität erforderlich ist. Ultrakurze optische Impulse er möglichen sowohl eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung als auch für die Anregung bestimmter nichtlinearer Vorgänge (wie beispielsweise die Anregung eines multiphotonenfloures zierenden Mediums) erforderlich hohe Spitzenleistungen. Diese Möglichkeiten werden in Anwendungen wie beispielsweise biolo gische und medizinische Bildgebung, Meßtechnik, Terahertzer zeugung, lichtleitender und elektrooptischer Abtastung und optischer Zeit-Bezirk-Reflexmessung eingesetzt.

Bekannte Verfahren zum Ausgeben ultrakurzer optischer Impulse an eine zu testende Vorrichtung oder einen Meßpunkt umfassen die Verwendung optischer Komponenten wie beispielsweise Spie gel, Linsen, Lichtwellenleiter, Strahlteiler und dichroiti sche Elemente. Ein aus solchen Elementen bestehendes Ausgabe system durch laufende ultrakurze optische Impulse erfahren so wohl eine Änderung ihrer Spitzenleistung als auch Verzerrun gen ihrer zeitlichen Form. Diese Verzerrungen können zu einer verringerten Auflösung oder einer Verschlechterung des Si gnal-Rausch-Verhältnisses führen. Die Veränderungen der Spit zenleistung und der zeitlichen Form eines sich durch ein op tisches System ausbreitenden ultrakurzen optischen Impulses werden durch Verluste und Dispersion hervorgerufen. Darüber hinaus führen die bei hohen Spitzenleistung auftretenden nichtlinearen Effekte zu einer Verzerrung des optischen Im pulses.

Ein ultrakurzer optischer Impuls ist aus einem gewissen Be reich optischer Frequenzen (oder Wellenlängen) zusammenge setzt, die seine Bandbreite ergeben. Bei dem kürzesten Impuls einer gegebenen Bandbreite (bandbreitenbegrenzter Impuls) sind alle seine Frequenzkomponenten zeitlich optimal überla gert. Bei der Ausbreitung durch ein System erfahren die ver schiedenen Wellenlängenkomponenten eines Impulses unter schiedliche Verzögerungen. Diese unterschiedlichen Verzöge rungen verursachen die vorgenannte Verzerrung der zeitlichen Form und Änderung der Spitzenleistung eines ultrakurzen opti schen Impulses. Das Ergebnis ist ein frequenzchirpmodulierter Impuls, wobei die augenblickliche Frequenz entlang des Impul ses eine Funktion der Zeit ist.

Eine Ausbreitung durch ein zur Ausgabe optischer Signale ver wendetes lichtdurchlässiges Material, wie beispielsweise Glas, führt im allgemeinen zu sehr geringen Verlusten. Auf grund des frequenzabhängigen Brechungsindexes n(ν) des Medi ums, der die Ausbreitungsgeschwindigkeit v des optischen Si gnals durch die Beziehung v = c/n(ν) bestimmt, wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum kennzeichnet, breiten sich verschiedene Wellenlängen λ in dem Material mit unterschied licher Geschwindigkeit aus, wobei die Beziehung zwischen der Wellenlänge und der Frequenz durch λ = c/ν gegeben ist. Die ser Effekt wird als chromatische Dispersion bezeichnet. Die Wechselwirkung zwischen einem gepulsten optischen Signal und einem solchen Material kann aufgrund der Gruppengeschwindig keitsdispersion (GVD) zu einer Impulsverbreiterung führen. Dieser Effekt führt dazu, daß die niedrigeren Frequenzkompo nenten und die höheren Frequenzkomponenten der Bandbreite nach dem Durchlaufen des Dispersionsmediums zu unterschiedli chen Zeitpunkten ankommen. In Abhängigkeit des Vorzeichens der Dispersion kann sich die Wirkung ergeben, daß die niedri geren Frequenzkomponenten früher oder später ankommen. In Glas ist das Vorzeichen der Dispersion für solche Wellenlän gen positiv, die kürzer als die Nulldispersionswellenlänge (ungefähr 1300 nm) sind, wobei sich höhere Frequenzen des op tischen Impulses langsamer ausbreiten als niedrigere Frequen zen. Oberhalb der Nulldispersionswellenlänge ist das Vorzei chen der Dispersion negativ, wobei sich niedrigere Frequenzen des optischen Impulses langsamer ausbreiten als höhere Fre quenzen. Daher führt jedes optische Element, über das der ul trakurze optische Impuls übertragen wird, zu einer potentiel len Verzerrungswirkung.

Eine Dispersionsmanipulation ist durch einige bekannte opti sche Elemente und Systeme möglich. Diese umfassen Glaspris men, Beugungsgitter, Fasergitter und Lichtwellenleiter. Diese Elemente ermöglichen sowohl das Erreichen beider Dispersions vorzeichen bei jeder Wellenlänge als auch das Kompensieren eines Frequenzchirps. Glasprismenpaare können zum Aufbauen einer Dispersionsverzögerungsleitung verwendet werden, wobei unterschiedlichen Dispersionsgrade durch Verändern der Di stanz zwischen den beiden Prismen erzielt werden können. In ähnlicher Weise sind unterschiedliche Grade sowohl positiver als auch negativer Dispersion erreichbar, wenn entweder re flektierende oder lichtdurchlässige Beugungsgitter verwendet werden. Fasergitter sind gechirpte Bragg-Gitter, die in den Kern eines Lichtwellenleiters eingeschrieben wurden. In einem gechirpten Fasergitter erfolgt die Dispersion durch Reflek tieren unterschiedlicher Wellenlängen an unterschiedlichen räumlichen Positionen, wobei unterschiedlichen Wellenlän genkomponenten unterschiedliche Zeitverschiebungen hinzuge fügt werden. Spezialfasern können für Wellenlängen herge stellt werden, die länger als ungefähr 1300 nm sind. Bei die sen Fasern wird eine Wellenleiterdispersion in Verbindung mit einer Materialdispersion zum Erzielen einer gewünschten posi tiven, negativen oder nahe bei Null befindlichen Dispersion verwendet.

Unter den bekannten Optiken für eine Strahlsteuerung in einem optischen System stellen Lichtwellenleiter ein bevorzugtes Ausgabeverfahren in praktischen Systemen dar, insbesondere wenn die Laserquelle unhandlich ist. Lichtwellenleiter ermög lichen durch ein stabiles Vorabausrichten der Komponenten ei ne erhöhte Zuverlässigkeit und Robustheit. Durch das mögliche Einschließen des Laserlichts kann die Laserquelle bei der op tischen Lichtausgabe in verschiedensten von typischen La serlaboratorien abweichenden Umgebungen angeordnet werden, wobei die Lichtquelle auch an einer geeigneten Stellen bezüg lich des übrigen Systems angeordnet werden kann, was zu einer erhöhten Flexibilität beim Systementwurf führt. Darüber hin aus kann der Lichtwellenleiter ohne Stören der Ausrichtung zwischen der Laserquelle und der optischen Vorrichtung abge trennt werden; somit können die beiden Systeme vorab ausge richtet und in verschiedenen Behältern getrennt geliefert werden. Wie vorstehend beschrieben, können Lichtwellenleiter jedoch zu einer Verzerrung des Zeitprofils ultrakurzer opti scher Impulse führen.

Lichtwellenleiter können als Einzelmodelichtwellenleiter (Monomodelichtwellenleiter, zum Ausbreiten eines einzelnen räumlichen Modes) oder als Mehrfachmodelichtwellenleiter (Multimodelichtwellenleiter, zum Ausbreiten mehrerer räumli cher Moden) für eine Wellenlänge λ gekennzeichnet werden. Im Falle des Monomodelichtwellenleiters ergeben sich bei der Lichtwellenleiterimpulsausbreitung die folgenden Eigenschaf ten: frequenzabhängige Verluste, eine zur Impulsverbreiterung führende Materialsdispersion und eine Wellenleiterdispersion. An dem "Nulldispersions"-Punkt, in dem die Materialdispersion ihr Vorzeichen umkehrt (beispielsweise bei ungefähr 1300 nm in Standardtelekommunikationslichtwellenleitern), können sich Impulse ohne merkliche Verbreiterung ausbreiten. Mit verrin gerter Materialdispersionswirkung wird jedoch die durch die Modenbegrenzung an der Kern-Mantel-Grenzfläche hervorgerufene Wellenleiterdispersion spürbarer. In Multimodelichtwellenlei tern führt das Hinzufügen vieler räumlicher Moden, die zu ei ner weiteren zeitlichen Verbreiterung führen können, zu einem komplexeren Verhalten. Der Multimodelichtwellenleiter ist al lerdings aufgrund seiner höheren Toleranz hinsichtlich einer Fehlausrichtung für eine Vielzahl von Anwendungen interes sant.

In optischen Langstreckenlichtwellenleitertelekommunikations systemen tritt das Problem auf, daß hohe Bitfehlerraten auf grund der Verbreiterung optischer Signalimpulse längs der langen optischen Lichtwellenleiterzuführstrecken auftreten. Diesem Problem wurde durch verschiedene Verfahren begegnet, wie beispielsweise Dispersionskompensation unter Verwendung speziell ausgebildeter Lichtwellenleiter, Vorabchirpen der Impulse, wobei in jedem dieser Verfahren optische Fasergitter verwendet werden können. Die Spitzenleistungen der in diesen Systemen verwendeten Signale befinden sich jedoch unterhalb des Einsetzens nichtlinearer Effekte; diese Systeme haben nicht das Zuführen von Impulsen hoher Spitzenleistung (eine hohe Spitzenleistung wird hier als < 1 kW definiert) über den Lichtwellenleiter zum Ziel.

Ein Zwei-Photonen-Lasermikroskop stellt ein das Zuführen op timierter Impulsbreiten erforderndes System dar. Wie durch Denk u. a. in der US-Patentschrift 5,034,613 offenbart ist, umfaßt ein solches System ein Laserabtastmikroskop, ein Fluorophor mit geeigneter Abstrahlung einer Langwellenbeleuchtung (Rot oder Infrarot) beispielsweise als ein Fleck, eine Piko sekunden- oder Subpikosekundenlaserquelle mit geeigneter Wel lenlänge, einen Detektor für die Abstrahlung des Fluorophors und eine durch einen Computer bereitgestellte Signalverarbei tung. Obwohl mehrere verschiedene Quellen zum Bereitstellen ultrakurzer Impulse verwendet wurden, wie beispielsweise Ti:Saphir und Cr:LiSAF, erfolgt die Ausgabe der Impulse mit hoher Spitzenleistung im "freien Raum". In einem solchen Sy stem, über das durch M. Muller u. a. in "Measurement of Fem tosecond Pulses in the Focal Point of a High-Numerical- Aperture Lens by Two-Photon Absorption", Optics Letters, Vol. 20, No. 9 (1995) berichtet wird, wurde festgestellt, daß das Mikroskopobjektiv die auf die Linse einfallenden Impulse ver zerrt, wodurch die Impulse merklich verbreitert werden.

Ein weiteres Beispiel für eine optimierte Impulse erfordernde Anwendung ist die optische Meßtechnik. Bei der optischen Meß technik erfolgt die Messung eines physikalischen Parameters in nichtzerstörender kontaktfreier Weise unter Verwendung ei ner optischen Meßvorrichtung. Die Vorrichtung umfaßt eine op tische Impulsquelle, einen Ausgabemechanismus und eine Sonde oder ein Fühler die in solcher Weise eingeführt werden, daß die Lichtquelle ein zu messendes Objekt beleuchtet und dessen Reflektion zur Signalverarbeitung eingefangen wird. Eine ge eignete Möglichkeit zum Zuführen des Lichts von der Impuls quelle ist das Bereitstellen des Lichts über einen in die Meßsonde integrierten Lichtwellenleiter. Die Sonde kann dann so aufgebaut sein, daß ein geeignetes Anbringen in einem Meß system ermöglicht wird, so daß die Sonde annähernd mit der Meßprobe in Kontakt gebracht wird. Bei diesem System ist die Auflösung abhängig vom Erzielen des (kürzesten) Impulses mit hoher Spitzenleistung an dem Meßpunkt, der sich in dem Ver dopplungskristall eines in dem Meßsystem befindlichen Auto korrelators oder Kreuzkorrelators befindet. Allerdings führt die Lichtwellenleiterzuführung allein zu keinem optimalen Zu stand für das Zuführen des kürzesten Impulses zu diesem Meß punkt.

In anderen Systemen wurde eine Form der Lichtwellenleiterzu führung modenstarrer oder modenverriegelter Impulse zu einer zu untersuchenden Meßprobe eingesetzt. Insbesondere wird in der internationalen Anmeldung Nr. PCT/US92/03536, Huang u. a. ein System für eine optische Kohärenz-Bezirk-Reflexmessung beschrieben, die eine Lichtwellenleiterzuführung einer Quelle mit kurzer Kohärenzlänge zu der zu messenden Probe umfaßt. Eine solche Quelle kann entweder eine breitbandige Superlumi neszenzquelle oder eine ultrakurze Impulse abgebende (und da her breitbandige) modenverriegelte Quelle sein. Bei dem Meß verfahren existiert ein Bezugspfad und ein Meßpfad, die als Interferometer aufgebaut sind (zum Erhalten der Meßinforma tion müssen die beiden Pfade eine optische Interferenz her vorrufen). Eine erforderliche Bedingung für das Auftreten dieser Interferenz besteht darin, daß die optischen Pfadlän gen von der Quelle zu dem Bezugselement und von der Quelle zu der Meßprobe annähernd gleich sind, eine Bedingung die durch L_ref - L_sample ∼ L_coherence beschrieben wird, wobei L_ref die optische Pfadlänge von der Quelle zu dem Bezugselement, L_sample die op tische Pfadlänge von der Quelle zu der Meßprobe und L_coherence die Kohärenzlänge der optischen Quellen kennzeichnet. Diese Bedingung muß für alle Wellenlängen erfüllt sein. Hierbei ist festzustellen, daß ein anderes optisches Material mit bekann ter höherer GVD und kürzerer Länge zu dem kürzerem Arm hinzu gefügt werden kann, um diese optischen Pfadlängen anzuglei chen, falls die Länge des Lichtwellenleiters in einem Zweig des Systems kürzer ist als in dem anderen, beispielsweise für blauseitiges Spektrallicht, wodurch die relative Länge als Funktion der Wellenlänge kompensiert wird. Die Kompensation erfolgt zum Sicherstellen, daß jede Wellenlängenkomponente des breitbandigen Lichts die Endpunkte der beiden optischen Pfade zum gleichen Zeitpunkt erreicht (d. h. die kürzesten Wellenlängen, die mittleren Wellenlängen und die längsten Wellenlängen kommen zum gleichen Zeitpunkt an). Bei der Ver wendung einer modenverriegelten Quelle brauchen die Impuls breiten nicht kurz zu sein. Der Chirp ist allerdings bei den Impulsen eines jeden Pfads gleich.

In einem ähnlichen System, über das Bouma u. a. in "High Reso lution Optical Coherence Tomographic Imaging Using a Modelok ked Ti:Al₂O₃ Laser Source", Optics Letters, Vol. 20, No. 13 (1995) berichtet, erfolgt eine optische Coherence Tomografie bildgebung unter Verwendung eines modenverriegelten Cr:Forsterit-Lasers. Auch hier ist die optische Bandbreite des Lasers für das Bildgebungsverfahren von primärer Bedeu tung. Daher wurde die begrenzte Bandbreite des Cr:Forsterits durch Verwendung des bekannten Verfahrens zum Erzeugen einer Bandbreite in Lichtwellenleitern unter Verwendung einer Ei genphasenmodulation erweitert. Somit wurde ein Lichtwellen leiter zwischen dem Ausgang des Lasers und dem Eingang des Bilderzeugungssystems hinzugefügt, wobei sich als zusätzli cher Vorteil eine vereinfachte Ausrichtung ergibt. Hier be stand jedoch nicht das Erfordernis oder die Absicht, der zu untersuchenden Meßprobe optimierte Impulsbreiten zuzuführen. Tatsächlich ist zum Erzielen der kürzesten Impulse normaler weise eine Eigenphasenmodulation unerwünscht.

Ein weiteres System, bei dem die Lichtwellenleiterzuführung vorteilhaft eingesetzt wird, wird durch Harris in der US-Patentschrift 5,120,953 beschrieben. Hierbei wird einer in einem Abtastkonfokalmikroskop befindlichen Meßprobe über ei nen Lichtwellenleiter Licht zugeführt und das an der Meßprobe erzeugte rückgestreute Signal in demselben Lichtwellenleiter zur Erfassung gesammelt. Der Lichtwellenleiter dient zum Ver meiden strikter Positionserfordernisse der Konfokalbildge bungsoptik im Strahlengang des Mikroskops und als räumliches Filter für den Eingangslichtmode und das rückgestreute Signallicht. In einem solchen System wird die Impulsbreite des Lichts nicht berücksichtigt, da eine Einzelphotonenfluores zenz die Quelle des Signals darstellt, wobei die Fluoreszenz zur mittleren Leistung und nicht zur Intensität des auf die Meßprobe einfallenden Lichts proportional ist. Daher werden bei dieser Anwendung CW-Laser und keine Impulswellen verwen det.

Bei einem optischen Meßsystem wie beispielsweise das Ab tastkonfokalmikroskop ist insbesondere die Lichtwellenleiter zuführung vorteilhaft. In einem bestimmten Meßsystem kann ei ne ultraschnelle Lichtquelle über eine Zuführungsfaser an ein optisches System gekoppelt sein. Im Falle der Zwei-Photonen- Mikroskopie ist das Zuführen von Lichtimpulsen mit hoher Spitzenleistung und geringer Gesamtenergie zu der Meßprobe entscheidend. Die Laserintensität (d. h. W/cm²) muß einen für das Fortschreiten der Zwei-Photonen-Absorbtion mit geeigneter Rate ausreichenden Betrag aufweisen. Oberhalb eines gewissen Energiepegels können die Impulse jedoch ein Fotobleichen ver ursachen und die Meßprobe möglicherweise beschädigen. Dement sprechend ist ein Meßsystem mit einer Ultrakurzimpulslicht quelle erforderlich, daß einen Impuls mit hoher Spitzenlei stung, kurzer Dauer aber geringer Gesamtenergie zuführt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zuführen von Impulsen mit hoher Spit zenleistung über einen Lichtwellenleiter zu einer optischen Vorrichtung bereitzustellen, wobei die Impulsformeigenschaf ten der Impulse mit hoher Spitzenleistung in einem gewünsch ten Interaktionspunkt optimiert sind.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, die in einer optischen Impulsquelle und/oder einem Zufüh rungslichtwellenleiter auftretenden Dispersionseffekte zu steuern, um die Dispersionseffekte in einer optischen Vor richtung wie beispielsweise einem optischen Meßsystem zu kom pensieren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dar in, eine durch bei der Ausbreitung von Impulsen mit hoher Spitzenleistung über ein Lichtwellenleiterzuführungssystem entstehende nichtlineare Effekte verursachte Impulsverzerrung zu vermeiden.

Die vorgenannten Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrich tung nach den Patentansprüchen 1, 20 und 21 bzw. durch ein Verfahren nach dem Patentanspruch 28.

Die vorliegende Erfindung umfaßt eine ultrakurz gepulste La serquelle, die ultrakurze optische Impulse mit hoher Spitzen leistung erzeugt. Vor dem Aussenden der optischen Impulse über einen Lichtwellenleiter wird die Impulsbreite der opti schen Impulse gedehnt, wobei gechirpte optische Impulse mit einer geringeren Spitzenleistung gebildet werden. Die Impuls verbreiterung kann innerhalb des Lasers oder durch eine ge trennte Spreiz- oder Expandereinheit durchgeführt werden. Ein direkt von der Laserquelle resultierender Chirp des optischen Impulses kann mit oder ohne weitere Dispersionsvorrichtungen (d. h. holografische Gitter, Lichtwellenleitergitter, metalli sche Gitter, Lichtwellenleiter, Speziallichtwellenleiter oder Prismen) verwendet werden.

Die gespreizten oder expandierten optischen Impulse werden über einen Lichtwellenleiter ausgesendet, der die Impulse ei ner ultrakurze optische Impulse mit hoher Spitzenleistung er fordernden optischen Vorrichtung zuführt. Da die Spitzenlei stung der optischen Impulse durch das Expandieren der Impuls breite verringert ist, werden die bei Impulsen mit hoher Spitzenleistung auftretenden nichtlinearen Effekte in Licht wellenleitern vermieden. Der Lichtwellenleiter und/oder ein Impulskompressor führen eine Dispersion herbei, die die durch die gepulste Laserquelle und den Expander hervorgerufene Dis persion kompensiert, und führen der optischen Vorrichtung ei nen rekomprimierten optischen Impuls zu. Vorzugsweise führt das Lichtwellenleiterzuführungssystem eine Vorabkompensation der durch die optischen Komponenten innerhalb der optischen Vorrichtung herbeigeführten Dispersion durch, so daß die op tischen Impulse an dem betrachteten Punkt innerhalb der opti schen Vorrichtung vollständig rekomprimiert sind, wie bei spielsweise an einer Meßprobe oder an einem Detektor.

Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden zum Zuführen von Impulsen mit hoher Spitzenleistung (< 1 kW) über einen Lichtwellenleiter zu einem in einem Meßsystem befindlichen Testmuster wie beispielsweise ein gefärbtes biologisches Ge webe für eine Zwei-Photonen-Konfokalmikroskopie oder zu der Oberfläche eines Objekts, so daß dessen Position durch ein Autokorrelationsverfahren gemessen werden kann.

Darüber hinaus kann das Lichtwellenleiterzuführungssystem ge mäß der vorliegenden Erfindung einen Frequenzumsetzer entwe der vor oder nach dem Zuführungslichtwellenleiter aufweisen. Der Frequenzumsetzer ermöglicht eine effiziente Zuführung op tischer Impulse mit von der durch die Laserquelle erzeugten Frequenz abweichenden Frequenzen zu der optischen Vorrich tung.

Ein gechirpter periodisch gepolter nichtlinearer Frequenzum setzer wie beispielsweise ein periodisch gepoltes Lithium- Niobat-Kristall (PPLN) kann sowohl als Frequenzumsetzer als auch als Expander (oder Kompressor) verwendet werden. Das PPLN ermöglicht ein Erzeugen eines Impulses mit gegenüber dem einfallenden Impuls verdoppelter Frequenz, wobei der Fre quenzchirp des Kristalls so ausgestaltet werden kann, daß er gegebenenfalls an das Vorzeichen und die Betrag der Dispersi on der Kompensationselemente angepaßt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm einer Lichtwellenleiterzuführungsvorrich tung nach einem allgemeinen erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel;

Fig. 2 ein Diagramm einer Lichtwellenleiterzuführungsvorrich tung nach dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein Diagramm einer Lichtwellenleiterzuführungsvorrich tung nach dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 ein Diagramm einer Lichtwellenleiterzuführungsvorrich tung nach dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel; und

Fig. 5 ein Diagramm einer weiteren Anordnung einer Lichtwel lenleiterzuführungsvorrichtung nach dem dritten erfindungsge mäßen Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Lichtwellenleiterzuführungsvor richtung nach einem allgemeinen erfindungsgemäßen Ausfüh rungsbeispiel. Gemäß Fig. 1 erzeugt eine optische Impulsquel le 10 optische Impulse mit hoher Spitzenleistung. Die opti sche Impulsquelle 10 kann beispielsweise ein passiver moden verriegelter Faserlaser sein und einen Oszillator und einen Verstärker umfassen. Die durch die optische Impulsquelle 10 erzeugten ultrakurzen optischen Impulse weisen eine Impuls breite auf, die weniger als 100 ps betragen kann, und eine Spitzenleistung, die mehr als 1 kW betragen kann. Vorzugswei se wird ein Erbium-dotierter Faserlaser verwendet, da die Wellenlänge (1,55 µm) des durch diesen erzeugten Lichts so wohl für die Verwendung in Lichtwellenleitern mit positiver und negativer Dispersion als auch in Lichtwellenleitern mit geringer Dispersion geeignet ist.

Die optischen Impulse werden von der optischen Impulsquelle 10 in einen Impulsspreizer oder Impulsexpander 20 eingegeben. Der Impulsexpander 20 kann eines der nachfolgenden Elemente aufweisen: einen Lichtwellenleiter, gechirpte Lichtwellenlei ter-Bragg-Gitter, ein Beugungsgitterpaar oder ein Prismen paar. Der Impulsexpander 20 verbreitert die Impulsbreite der einfallenden optischen Impulse, wobei gechirpte optische Im pulse gebildet werden. Aufgrund der Verbreiterung der Impuls breite wird die Spitzenleistung der optischen Impulse verrin gert. Die gespreizten optischen Impulse werden danach über einen Monomode- oder Einzelmodenlichtwellenleiter 30 übertra gen, der die optischen Impulse einer gewünschten Stelle zu führt. Der Einzelmodenlichtwellenleiter ist gegenüber dem Multimodelichtwellenleiter dahingehend bevorzugt, daß die verschiedenen Moden eines Multimodelichtwellenleiters unter schiedliche Ausbreitungslängen aufweisen, was zu einer Im pulsaufteilung führt.

Einzelmodenlichtwellenleiter sind typischerweise nicht für die Übertragung optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung geeignet, da die hohe Spitzenleistung zu durch starke nicht lineare Effekte hervorgerufenen Verzerrungen führt, wodurch die Spitzenleistung verringert wird.

Der Aufbau des allgemeinen Ausführungsbeispiels führt zu ei ner Vermeidung dieses Problems, da die hohe Spitzenleistung der durch die optische Impulsquelle 10 erzeugten optischen Impulse vor dem Einführen der Impulse in den Einzelmoden lichtwellenleiter 30 verringert wird. D.h., die Spitzenlei stung der optischen Impulse wird bei der Impulsverbreiterung durch den Impulsexpander 20 verringert. Folglich werden die optischen Impulse durch nichtlineare Effekte kaum verzerrt und erleiden bei der Ausbreitung über den Einzelmodenlicht wellenleiter 30 keine Verringerung der Spitzenleistung.

Ein Kompressor 40 dient zum Komprimieren der Impulsbreite der über den Einzelmodenlichtwellenleiter 30 übertragenen opti schen Impulse. Bei dem allgemeinen Ausführungsbeispiel kann der Kompressor durch einen Lichtwellenleiter, ein Beugungs gitterpaar, gechirpte Lichtwellenleiter-Bragg-Gitter oder ein Prismenpaar gebildet sein. Es ist auch möglich, daß der Lichtwellenleiter 30 selbst den Kompressor bildet. In diesem Fall muß der Chirp (d. h. die Dispersion) innerhalb der Länge des Einzelmodenlichtwellenleiters 30 und durch die optische Vorrichtung 50 umgekehrt gleich dem in den Lichtwellenleiter 30 eingegebenen sein (d. h. gleich und umgekehrt zu dem durch die optische Impulsquelle 10 und/oder den Impulsexpander 20 hervorgerufenen Chirp). Dementsprechend kann die Länge des Einzelmodenlichtwellenleiters 30 so ausgestaltet werden, daß die Gesamtdispersion des Systems von der optischen Impuls quelle 10 zu der optischen Vorrichtung 50 kompensiert wird. Der Einzelmodenlichtwellenleiter 30 weist gegenüber dem Im pulsexpander 20 eine umgekehrte und vorzugsweise eine hohe Dispersion auf, um die Länge hinsichtlich der nichtlinearen Effekte zu minimieren. Die optische Vorrichtung 50 weist eine bekannte Dispersion auf, wodurch die abschließende Kompres sion der Impulse mit hoher Spitzenleistung in einem gewünsch ten Punkt innerhalb der optischen Vorrichtung 50 bereitge stellt wird, wie beispielsweise dem Meßpunkt oder an dem De tektor.

Obwohl die optische Impulsquelle 10 und der Expander 20 in Fig. 1 als getrennte Einheiten dargestellt sind, kann auch die optische Impulsquelle 10 gechirpte optische Impulse er zeugen, so daß kein getrennter Impulsexpander erforderlich ist. D.h., die durch eine solche Laserquelle erzeugten ge chirpten optischen Impulse können Spitzenleistungs- und Im pulsbreiteneigenschaften aufweisen, die keinen getrennten Ex pander 20 zum Expandieren der Impulsbreite und zum Reduzieren der Spitzenleistung erforderlich machen.

Die Vorrichtung gemäß dem allgemeinen Ausführungsbeispiel löst zwei Schlüsselprobleme. Erstens wird die Dispersion des Zuführungslichtwellenleiters kompensiert, so daß die kürzeste Impulsdauer (und die höchste Spitzenleistung) an dem ge wünschten Punkt in der optischen Vorrichtung 50 erzielt wer den kann, wie beispielsweise an einem Meßpunkt oder an einem Detektor. Zweitens werden durch das Lichtwellenleiterzufüh rungssystem optische Impulse mit hoher Spitzenleistung ohne durch die auf Impulse mit hoher Spitzenleistung in Lichtwel lenleitern einwirkenden nichtlinearen Effekte hervorgerufene Verzerrungen zugeführt.

Insbesondere das Einsetzen nichtlinearer Effekte wie bei spielsweise eine Raman-Erzeugung und Eigenphasenmodulation führen zu einer Verzerrung und Verbreiterung optischer Impul se. In Lichtwellenleitern kann die nachteilige Wirkung dieser Einwirkungen vernachlässigt werden, falls die Dispersionslän ge L_d = T₀ ²|β₂| eines Impulses in einem Lichtwellenleiter kür zer ist als die nichtlineare Länge L_N = 1/gP₀: L_d/L_N < 1, wobei |β₂| die Größe des Faserdispersionskoeffizienten kennzeich net, λ den Nichtlinearitätskoeffizienten des Lichtwellenlei ters, P₀ die Spitzenleistung des Laserimpulses und T₀ die Dauer des komprimierten Impulses. Die Dispersionslänge L_d und die nichtlineare Länge L_N stellen die Längenwerte bereit, ab denen die dispersiven oder nichtlinearen Wirkungen bei der Impulsentwicklung entlang eines Lichtwellenleiters Bedeutung erlangen. Mit anderen Worten werden Impulse viel schneller gedehnt oder komprimiert als die nichtlinearen Effekte zeit liche und spektrale Verzerrungen hervorrufen, wenn die Dis persionslänge kürzer ist als die nichtlineare Länge.

Laserimpulse mit einer Spitzenleistung von < 1 kW können sich in einem Lichtwellenleiter nicht mit geringer Dispersion aus breiten, da L_d/L_N < 1. Durch Übertragen eines gechirpten Im pulses (d. h. eines Impulses, der durch die optischen Impuls quelle 10 oder den Impulsexpander 20 gespreizt wurde) wird die Spitzenleistung verringert, wodurch sich die nichtlineare Länge ohne Veränderung der Dispersionslänge vergrößert. Dann kann beispielsweise ein Lichtwellenleiter mit beachtlicher Lichtwellenleiterdispersion (kurzer Dispersionslänge) zur Re kompression des Impulses verwendet werden. Folglich ist der optische Impuls lediglich am Ende des Lichtwellenleiters kurz und weist dort eine hohe Spitzenleistung auf.

Durch die vorliegende Erfindung kann eine Dispersionskompen sation für positive oder negative Dispersionseffekte bereit gestellt werden. Dies ermöglicht eine flexible Optimierung, die an den optischen Weg des Systems angepaßt werden kann, so daß ein Systembenutzer die geeignete Vorabkompensation für ein einstellbares System wie beispielsweise Mikroskopobjekti ve in einem Turmaufbau eines Zwei-Photonen-Laserabtastmikros kops bereitstellen kann. Solche Verfahren führen sowohl zu einer erhöhten Flexibilität, Robustheit und Zuverlässigkeit der Systemausgestaltung als auch zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis und einer verbesserten Auflösung des Gesamtsystems.

Das erfindungsgemäße Kompensationsverfahren kann bei einer beispielhaften Betrachtung eines Erbium-dotierten modenver riegelten optischen Faserlasers erläutert werden. Die Emissi onswellenlänge dieses Lasertyps beträgt ungefähr 1550 nm, was bei der Ausbreitung in einem Standardeinzelmodenlichtwellen leiter zu einer anormalen oder negativen Dispersion führt. Der Nulldispersionspunkt (zwischen beiden Dispersionsberei chen) befindet sich ungefähr bei 1300 nm. In der Umgebung des Nulldispersionspunkts kann jedoch eine starke Wellenleiter dispersion auftreten. Es ist sogar möglich, das Vorzeichen der bei 1550 nm auftretenden Dispersion durch geeignete Wel lenleiterausgestaltung umzukehren. Daher können Lichtwellen leiter beider Dispersionsvorzeichen hergestellt werden. Bei einer Erbium-dotierten modenverriegelten optischen Faserla serausgestaltung ist es möglich, Lichtwellenleiter beider Dispersionsvorzeichen zu verwenden. Der Ausgangsimpuls kann daher so angepaßt werden, daß er eine bestimmte Restdispersi on aufweist, die dann in Kombination mit einem Lichtwellen leiter in dem Zuführungsweg so optimiert werden kann, daß sie umgekehrt gleich zu der in der optischen Vorrichtung 50 auf tretenden Dispersion ist.

Zum Erzielen optischer Impulse mit sehr hoher Spitzenleistung kann ein Lichtwellenleiterzuführungssystem mit gechirpter Im pulsverstärkung (CPA) eingesetzt werden, bei dem ein Verstär ker zwischen der Vorkompensationsstufe (Expandierung) und der Kompressionsstufe verwendet wird, wobei das System als Licht wellenleiterzuführung zu einer Meßvorrichtung für bestimmte Anwendungen verwendet werden kann. In dem optischen CPA-Lichtwellenleiterzuführungssystem wird ein Einzelwegverstär ker und eine polarisationsbeibehaltende Verstärkerfaser als Zuführungsfaser verwendet, falls die Polarisation am Ausgang beibehalten werden muß, was normalerweise der Fall ist. Durch Verwendung der CPA ermöglicht das erfindungsgemäße optische Lichtwellenleiterzuführungssystem das Zuführen optischer Im pulse mit Spitzenleistungen zwischen 2 × 10⁴ und 7 × 10⁷ Watt.

In vielen Fällen muß die Frequenz des durch die optische Im pulsquelle 10 erzeugten Lichts vor dem Auftreffen auf die Meßprobe in eine andere Frequenz umgesetzt werden. Dement sprechend kann das erfindungsgemäße Lichtwellenleiterzufüh rungssystem ein Frequenzumsetzungskristall aufweisen.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Lichtwellenleiterzuführungsvor richtung nach dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel. Gemäß Fig. 2 werden optische Impulse der optischen Im pulsquelle 10 in ein gechirptes PPLN 60 eingeführt, in dem sowohl eine Frequenzumsetzung als auch eine Impulsverbreite rung durchgeführt wird.

Bei einem gechirpten PPLN 60 handelt es sich um einen ge chirpten periodisch gepolten nichtlinearen Frequenzumsetzer. Die Verwendung von gechirpten quasiphasenangepaßten Gittern zur Rekompression ultrakurzer Impulse während der Verdopplung wurde zuerst in Gesprächen durch Byer (CLEO Pacific Rim July '95) vorgeschlagen, danach durch Fejer (CLEO Mai '96) und schließlich detaillierter durch Arbore, Fejer, Harter, Marco und Fermann (CNOM Annual meeting Sept. '96). Die Fähigkeit zur Chirpkompensation und Frequenzumsetzung in einem gechirp ten quasiphasenangepaßten (QPM) Kristall basiert auf zwei Schlüsselmerkmalen solcher Kristalle. Erstens sind die Grup pengeschwindigkeiten des Eingangsgrundimpulses und des fre quenzgewandelten Ausgangsimpulses entlang desselben Ausbrei tungswegs unterschiedlich, wie typischerweise in jedem nicht linearen Substratmaterial. Dies führt zu einem zeitweisen Auseinanderlaufen dieser Impulse. Zweitens kann ein quasipha senangepaßtes Kristall so ausgestaltet sein, daß die Frequenz setzung (z. B. Erzeugung der zweiten Harmonischen) für ver schiedene Eingangswellenlängen an unterschiedlichen räumli chen Positionen entlang des Impulsausbreitungswegs stattfin det. Dies kann durch Verwenden von gechirpten anstelle übli cher ungechirpter QPM-Gittern erzielt werden. Ein in ein sol ches Kristall eintretender bandbreitenbegrenzter Impuls mit einer Grundwellenlänge erzeugt frequenzgewandelte (zweithar monische) Impulse mit einem Frequenzchirp. Dieser Fre quenzchirp kann durch die Ausgestaltung des Kristalls so ge wählt werden, daß er mit dem Vorzeichen und dem Betrag der Dispersion der Kompensationselemente übereinstimmt.

Die Dauer dieser zweitharmonischen Impulse (SH) ΔT wird durch den Betrag des Gruppengeschwindigkeitsauseinanderlaufens be stimmt: ΔT = L/ν_SH-L/U_FUND. Hierbei kennzeichnet L die Länge des Kristalls und ν_SH, ν_FUND die Gruppengeschwindigkeiten der Wellenlängen der zweiten Harmonischen bzw. der Grundwelle. Die Frequenzbandbreite Δn des SH-Impulses ist durch den Be trag der QPM-Periodenschwankung (Chirpbandbreite) gegeben. Die zum Kompensieren dieses Frequenzchirps erforderliche Dis persion beträgt ΔT/Δn. Das Einkoppeln von Grundimpulsen aus zwei gegenüberliegenden Richtungen führt zu zweitharmonischen Impulsen mit umgekehrten Vorzeichen des Frequenzchirps.

Bei dem gechirpten PPLN 60 handelt es sich um ein Kristall mit einem gechirpten Gitter mit umgekehrtem Bezirk, das durch elektrische Feldpolung induziert ist. Bei einem 1550 nm-Pumpen und einer zweiten Harmonischen von 780 nm beträgt das Grup pengeschwindigkeitsauseinanderlaufen ungefähr 300 fs/mm. Die Bandbreite eines gechirpten PPLN kann einige zehn Nanometer betragen. Dies reicht zum Erzeugen vorgespreizter zweitharmo nischer Impulse aus, die in einem optischen System unter Ver wendung von ungefähr einem bis zu einigen Metern Lichtwellen leiter weiter kompensiert werden können.

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer Lichtwellenleiterzuführungsvor richtung nach dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel. In Fig. 3 werden die optischen Impulse durch eine ge chirpte optische Impulsquelle 11 mit einem zum Vermeiden si gnifikanter, in dem Einzelmodenlichtwellenleiter 30 auftre tender Nichtlinearitäten ausreichenden Chirp erzeugt. Ein ge chirpter PPLN 70 ist nach dem Einzelmodenlichtwellenleiter 30 angeordnet. Folglich wird die Grundfrequenz durch den Einzel modenlichtwellenleiter 30 übertragen und der gechirpte PPLN 70 kompensiert den Chirp der gechirpten optischen Impulsquel le 11 und des Einzelmodenlichtwellenleiters 30. Ein Vorteil der Verwendung eines PPLN sowohl zur Frequenzumsetzung als auch zur Impulskompression liegt darin, daß der Meßvorrich tung Impulse mit noch höherer Spitzenleistung und der fre quenzgewandelten Wellenlänge zugeführt werden können, auf grund der Tatsache, daß das frequenzgewandelte Licht nicht in den Lichtwellenleiter zurückgeführt wird.

Im Gegensatz dazu ist es bei Laserquellen ohne Chirp wie bei spielsweise der optischen Impulsquelle des ersten Ausfüh rungsbeispiels (Fig. 2) vorteilhaft, zuerst eine Frequenzum setzung mit einem gechirpten quasiphasenangepaßten Gitter (PPLN 60) durchzuführen. Danach rekomprimiert der Einzelmo denlichtwellenleiter 30 den Chirp des frequenzgewandelten Im pulses.

Somit kann ein PPLN entweder vor oder nach oder bei einer Vielzahl von Frequenzumsetzungsvorrichtungen an beiden Enden des Lichtwellenleiters angeordnet werden. Der Vorteil des ge chirpten quasiphasenangepaßten Materials liegt darin, daß der geeignete Chirp in das Material konstruiert werden kann.

Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Lichtwellenleiterzuführungsvor richtung nach dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbei spiel. Gemäß Fig. 4 ist ein Frequenzumsetzer 80 zwischen die optische Impulsquelle 10 und den Expander 20 geschaltet, so daß der Frequenzumsetzer 80 die Frequenz vor der Übertragung über den Einzelmodenlichtwellenleiter 30 ändert. Der Frequen zumsetzer 80 ändert die Frequenz des Lichts, so daß der zu der optischen Vorrichtung 50 übertragene optische Impuls die für die optische Vorrichtung 50 geeignete Frequenz aufweist. Fig. 5 zeigt eine weitere Anordnung der Lichtwellenleiterzu führungsvorrichtung nach dem dritten erfindungsgemäßen Aus führungsbeispiel. In Fig. 5 ist der Frequenzumsetzer 80 zwi schen den Kompressor 40 und die optische Vorrichtung 50 ge schaltet.

Gemäß den Fig. 4 und 5 kann der Frequenzumsetzer 80 entwe der vor oder nach dem Zuführungslichtwellenleiter angeordnet sein. In einigen Systemen ist es bevorzugt, den Frequenzum setzer vor dem Lichtwellenleiter anzuordnen, da die Frequen zumsetzung üblicherweise einen Wirkungsgrad von weniger als 50% aufweist und dieser geringe Wirkungsgrad die Spitzenlei stung und damit die in dem Lichtwellenleiter auftretenden Nichtlinearitäten verringert. In anderen Systemen ist es be vorzugt, den Frequenzumsetzer nach dem Lichtwellenleiter an zuordnen, da der Lichtwellenleiter bei der Wellenlänge Erbi um-dotierter optischer Faserlaser dann eine positive und ne gative Dispersion aufweisen kann, so daß ein spezieller Lichtwellenleiter für die Dispersionskompensation verwendet werden kann. Die häufigste Frequenzumsetzung ist die Fre quenzverdoppelung; dieses Lichtwellenleiterzuführungssystem kann jedoch auch mit einer optischen Parametererzeugung (OPG) und einer optischen Parameterverstärkung (OPA) und auch mit einer Kombination einer Mehrfachfrequenzumwandlung umfassend eine Verdopplung mit OPG, OPA und/oder Frequenzdifferenz mischung verwendet werden.

Der Frequenzumsetzer des vierten und fünften Ausführungsbei spiels kann mit dem vorstehend beschriebenen Erbium-dotierten modenverriegelten optischen Faserlaser verwendet werden. Im einzelnen kann die Laserquelle frequenzverdoppelt sein, um optische Impulse mit einer Wellenlänge von ungefähr 780 nm unter Verwendung eines Verdopplungskristalls zu erzeugen. Diese Impulse mit kürzerer Wellenlänge sind zu den durch die Laserquelle erzeugten 1550 nm-Eingangsimpulsen kohärent, wo durch die Phasenimformation der Eingangsimpulse beibehalten wird. Folglich ist es möglich, den ultrakurz gepulsten Oszil lator und den Zuführungslichtwellenleiter zum Vorabkompensie ren der auf das 780 nm-Licht in dem optischen Weg des Meß- oder Bilderzeugungssystems einwirkenden Dispersion bei 1550 nm auszugestalten. Dies ist wichtig, da das im Bereich von 780 nm erzeugte Licht, wie bereits erwähnt, in optischen Kom ponenten 1 eine Dispersion mit lediglich einem Vorzeichen er fährt und es daher unmöglich ist, die hier beschriebene Art der flexiblen Kompensation ohne die Möglichkeit des Rück griffs auf beide Dispersionsvorzeichen durchzuführen.

Die Lichtwellenleiterzuführung des Ausgangs einer Laserquelle weist einige Vorteile auf. Diese umfassen die Möglichkeit des Beibehaltens einer gleichbleibenden Ausrichtung und einer räumlichen Filterung einer Multimodeeingabe bei der Verwen dung eines Einzelmodenquellenleiters für die Eingabewellen länge. Die Lichtwellenleiterzuführung eines Eingangssignals zu einem optischen System weist diese Vorteile auf und ermög licht eine einfache Änderung der Eingabe durch Ändern eines Lichtwellenleiteranschlußstücks (Pigtail). Wie bereits er wähnt, können Lichtwellenleiter in Abhängigkeit der eingekop pelten Wellenlänge und der Lichtwellenleiterausgestaltung un terschiedliche Dispersionsvorzeichen aufweisen. Daher ermög licht ein dem Ausgang eines Lasers hinzugefügtes Lichtwellen leiteranschlußstück (Pigtail) eine weitere Kompensation der entstehenden Dispersionsart, während eine vereinfachte Aus richtung bezüglich einem optischen System möglich ist. Da durch ist auch ein während der Herstellung der Ultrakurzim pulslaserquelle vorkalibriertes Einstellen durch den Anwender möglich.

Zusammenfassend werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zuführen eines Impulses mit hoher Spitzenleistung zu einer optischen Vorrichtung über einen Lichtwellenleiter offenbart, wobei eine ultrakurz gepulste Laserquelle zum Erzeugen ultra kurzer optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung vorgesehen ist. Vor der Übertragung der optischen Impulse über einen Zu führungslichtwellenleiter wird die Impulsbreite der optischen Impulse expandiert, wobei gechirpte optische Impulse mit ge ringer Spitzenleistung erzeugt werden. Die expandierten Im pulse werden über den Lichtwellenleiter zum Zuführen der Im pulse zu einer ultrakurze optische Impulse mit hoher Spitzen leistung erfordernden optischen Vorrichtung übertragen. Der Lichtwellenleiter und/oder eine an das Ende des Lichtwellen leiters gekoppelte Ausgabeeinheit bewirken eine Dispersion, die die durch die gepulste Laserquelle und einen Expander hervorgerufene Dispersion kompensiert, und führen der opti schen Vorrichtung einen rekomprimierten optischen Impuls zu. Das Lichtwellenleiterzuführungssystem führt vorzugsweise eine Vorkompensation der durch die optischen Komponenten der opti schen Vorrichtung bewirkten Dispersion durch, so daß die op tischen Impulse an einem betrachteten Punkt innerhalb der op tischen Vorrichtung, wie beispielsweise an einem Muster oder an einem Detektor, vollständig rekomprimiert sind. Das Licht wellenleiterzuführungssystem kann einen Frequenzumsetzer ent weder vor oder nach dem Zuführungslichtwellenleiter aufwei sen. Der Frequenzumsetzer ermöglicht ein Zuführen optischer Impulse mit einer von der durch die Laserquelle erzeugten Frequenz abweichenden Frequenz zu der optischen Vorrichtung in effizienter Weise.

Claims

1. Vorrichtung zum Zuführen ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung zu einer optischen Vorrichtung (50), mit:

a) einem Impulsexpander (20) zum Empfangen ultrakurzer op tischer Impulse mit hoher Spitzenleistung und zum Expandieren der Impulsbreite der optischen Impulse; und
b) einem Lichtwellenleiter (30) zum Übertragen der opti schen Impulse über eine gewünschte Länge, wobei der Lichtwel lenleiter eine Dispersion aufweist, durch die andere in der Vorrichtung auftretende und die optischen Impulse beeinflussende Dispersionen kompensiert werden, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt der optischen Vorrichtung vollständig rekomprimiert sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Impulsexpander (20) ein gechirptes optisches Faser-Bragg-Gitter, ein Beu gungsgitterpaar oder ein Prismenpaar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter (30) ein Einzelmodenlichtwellenleiter ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter (30) ein verstärkender Lichtwellenleiter ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Lichtwellenleiter (30) die Impulsbreite des über diesen übertragenen optischen Impulses komprimiert, um der optischen Vorrichtung (50) opti sche Impulse mit hoher Spitzenleistung zuzuführen, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt in der optischen Vorrichtung vollständig rekomprimiert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Impulskompressor (40) zum Komprimieren der Impulsbreite der über den Lichtwellenleiter (30) übertragenen optischen Impul se, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt in der optischen Vorrichtung (50) vollständig rekomprimiert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Impulskompressor (40) ein gechirptes optisches Faser-Bragg-Gitter, ein Beu gungsgitterpaar oder Prismenpaar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Vorrich tung (50) ein zum Analysieren einer Meßprobe verwendetes Zwei-Photonen-Laserabtastmikroskop ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Lichtwellenleiter (30) eine durch das Mikroskop verursachte Dispersion kompen siert, so daß die optischen Impulse an der Meßprobe vollstän dig rekomprimiert sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen stromabwärts der optischen Impulsquelle angeordneten Frequen zumsetzer (80), wobei der Frequenzumsetzer eine Frequenz des durch die optische Impulsquelle erzeugten optischen Impulses in eine von der optische Vorrichtung (50) geforderte Frequenz umsetzt.

11. Vorrichtung zum Zuführen ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung zu einer optischen Vorrichtung (50), mit:

a) einem periodisch gepolten nichtlinearen Frequenzumsetzer (60) zum Empfangen der ultrakurzen optischen Impulse mit ho her Spitzenleistung, wobei der periodisch gepolte nichtlinea re Frequenzumsetzer die Impulsbreite der optischen Impulse expandiert und die Frequenz der optischen Impulse ändert; und
b) einem Lichtwellenleiter (30) zum Übertragen der opti schen Impulse über eine gewünschte Länge, wobei der Lichtwel lenleiter eine Dispersion aufweist, durch die andere in der Vorrichtung auftretende und die optischen Impulse beeinflus sende Dispersionen kompensiert werden, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt in der optischen Vorrich tung (50) vollständig rekomprimiert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Lichtwellenlei ter (30) ein Einzelmodenlichtwellenleiter ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Lichtwellenlei ter (30) ein verstärkender Lichtwellenleiter ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Lichtwellenlei ter (30) die Impulsbreite der über diesen übertragenen opti schen Impulse komprimiert, um der optischen Vorrichtung (50) optische Impulse mit hoher Spitzenleistung zuzuführen, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt in der opti schen Vorrichtung (50) vollständig rekomprimiert sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin umfassend einen Impulskompressor (40) zum Komprimieren der Impulsbreite der über den Lichtwellenleiter (30) übertragenen optischen Impul se, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt in der optischen Vorrichtung (50) vollständig rekomprimiert sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Impulskompressor (40) ein gechirptes optischen Faser-Bragg-Gitter, ein Beu gungsgitterpaar oder ein Prismenpaar ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die optische Vor richtung (50) ein zum Analysieren einer Meßprobe verwendetes Zwei-Photonen-Laserabtastmikroskop ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei der Lichtwellenlei ter (30) eine durch das Mikroskop verursachte Dispersion kom pensiert, so daß die optischen Impulse an der Meßprobe voll ständig rekomprimiert sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der periodisch ge polte nichtlineare Frequenzumsetzer ein periodisch gepoltes Lithium-Niobat-(PPLN)-Kristall (60) ist.

20. Vorrichtung zum Erzeugen ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung, mit:

a) einem Lichtwellenleiter (30) zum Empfangen gechirpter optischer Impulse und zum Übertragen der optischen Impulse über eine gewünschte Länge;
b) einem verstärkenden Medium zum Verstärken der optischen Impulse, wobei das verstärkende Medium eine Dispersion auf weist, die andere in der Vorrichtung auftretende und die op tischen Impulse beeinflussende Dispersionen kompensiert; und
c) einem Impulskompressor umfassend einen periodisch gepol ten nichtlinearen Frequenzumsetzer (70) zum Komprimieren der Impulsbreite der optischen Impulse und zum Ändern der Fre quenz der optischen Impulse.

21. Vorrichtung zum Zuführen ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung zu einer optischen Vorrichtung (50), mit:

a) einem Lichtwellenleiter (30) zum Empfangen gechirpter optischer Impulse und zum Übertragen der optischen Impulse über eine gewünschte Länge; und
b) einem periodisch gepolten nichtlinearen Frequenzumsetzer (70) zum Empfangen der optischen Impulse des Lichtwellenlei ters, wobei der periodisch gepolte nichtlineare Frequenzum setzer die Impulsbreite der optischen Impulse komprimiert und die Frequenz der optischen Impulse ändert,
c) wobei der Lichtwellenleiter (30) eine Dispersion auf weist, die andere in der Vorrichtung auftretende und die op tischen Impulse beeinflussende Dispersionen kompensiert, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt in der optischen Vorrichtung (50) vollständig rekomprimiert sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Lichtwellenlei ter (30) ein verstärkender Lichtwellenleiter ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Lichtwellenlei ter (30) ein Einzelmodenlichtwellenleiter ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der Lichtwellenlei ter (30) die Impulsbreite der über diesen übertragenen opti schen Impulse komprimiert, um der optischen Vorrichtung (50) optische Impulse mit hoher Spitzenleistung zuzuführen, so daß die optischen Impulse an einem gewünschten Punkt in der opti schen Vorrichtung (50) vollständig rekomprimiert sind.

25. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die optische Vor richtung (50) ein zum Analysieren einer Meßprobe verwendetes Zwei-Photonen-Laserabtastmikroskop ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der Lichtwellenlei ter (30) eine durch das Mikroskop verursachte Dispersion kom pensiert, so daß die optischen Impulse an der Meßprobe voll ständig rekomprimiert sind.

27. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei der periodisch ge polte nichtlineare Frequenzumsetzer ein periodisch gepoltes Lithium-Niobat-(PPLN)-Kristall (70) ist.

28. Verfahren zum Zuführen ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Spitzenleistung zu einer optischen Vorrichtung, mit den Schritten:

a) Erzeugen ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Spit zenleistung;
b) Expandieren einer Impulsbreite der optischen Impulse;
c) Übertragen der optischen Impulse über einen Lichtwellen leiter;
d) Komprimieren der Impulsbreite der über den Lichtwellen leiter übertragenen optischen Impulse durch Kompensieren ei ner Dispersion; und
e) Zuführen der optischen Impulse zu der optischen Vorrich tung.

29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei der Kompressions schritt eine in der optischen Vorrichtung verursachte Disper sion kompensiert.

30. Verfahren nach Anspruch 28, weiterhin umfassend den Schritt des Frequenzumsetzens einer Frequenz der in dem Er zeugungsschritt erzeugten optischen Impulse in eine für die optische Vorrichtung erforderliche Frequenz.

31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Frequenzumset zungsschritt vor dem Übertragungsschritt durchgeführt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 30, wobei der Frequenzumset zungsschritt nach dem Übertragungsschritt durchgeführt wird.