DE19802845A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung mittels eines Lichtwellenleiter-Verstärkers - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung mittels eines Lichtwellenleiter-VerstärkersInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung und
insbesondere ein System, das einen Oszillator, einen Verstär
ker, einen Kompressor und einen Frequenzwandler zur Erzeugung
von Femtosekundenimpulsen verwendet.
Techniken zur Erzeugung von kurzen und ultrakurzen optischen
Impulsen bei Lichtwellenleitern sind bereits seit einigen
Jahren bekannt und sind vor kurzem auf vielen Gebieten ange
wandt worden. Beispielsweise sind wie in der Clark erteilten
US-5 530 582 offenbart und wie durch A. Hariharan u. a. in
"Alexandrite-pumped alexandrite regenerative amplifier for
femtosecond pulse amplification", "Optics Letters", Bd. 21,
S. 128 (1996) berichtet ultrakurze optische Impulse als In
jektionsquellen verwendet worden. Die Injektionseinkopplung
("injection seeding") von Hochleistungsverstärkern zieht wie
durch Clark und Hariharan beschrieben wesentlich aus Impuls
wellenlängen Nutzen, die in dem Bereich unter 1,2 µm liegen.
Ähnliche Einschränkungen gelten für viele andere derzeit ver
folgte Anwendungen von ultrakurzen Impulsen, beispielsweise
bei der THz-Erzeugung (wie durch W. Denk in "Two-photon exci
tation in functional biological imaging", "Journal of Biome
dical Optics", Bd. 1, S. 296 (1996) berichtet) oder in der
konfokalen Mikroskopie (wie durch van Exter u. a. in "Tera
hertz time-domain spectroscopy of water vapor", "Optics Let
ters", Bd. 14, S. 1128 (1989) berichtet). Derartige Wellen
längen können durch Frequenzverdopplung der Impulse aus einem
ultraschnellen Erbium-Lichtwellenleiteroszillator (wie durch
Clark und L.E. Nelson u. a. in "Efficient frequency-doubling
of a femtosecond fiber laser", "Optics Letters", Bd. 21, S.
1759 (1996) vorgeschlagen) erzeugt werden, d. h. einen Oszil
lator, der Impulse in der Größenordnung von 100 fs erzeugt,
oder wahlweise von Lichtwellenleiter-Verstärkersystemen (wie
durch Hariharan vorgeschlagen). Jedoch lehrt keine dieser
Veröffentlichungen, daß der Wirkungsgrad der Frequenzverdopp
lung durch eine Einschränkung der spektralen Akzeptanz- bzw.
Toleranzbandbreite des Verdopplungskristalls optimiert werden
kann.
Außerdem lehrt keine dieser Veröffentlichungen, daß eine her
vorragende Leistungsfähigkeit auch durch Implementierung von
Oszillator- bzw. Verstärkerentwürfen mit nichtlinearen Ver
stärkern oder durch Implementierung von Oszillator- bzw. Ver
stärkerentwürfen mit nichtlinearen Kompressoren erhalten wer
den kann.
Vor dem Impulsverstärker oder -kompressor verwendete Impulse
müssen nicht von einem Lichtwellenleiteroszillator hergelei
tet werden, wie in den vorstehend erwähnten Veröffentlichun
gen von Clark und Hariharan beschrieben wurde. Wahlweise kön
nen Impulse aus optischen Großeinrichtungen (siehe Islam
u. a.: "Broad-bandwidths from frequency-shifting solitons in
fibers", "Optics Letters", Bd. 14, S. 379 (1989)) oder Di
odenlasern (siehe Galvanauskas u. a.: "Generation of femtose
cond optical pulses with nanojoule energy from a diode laser
and fiber based system", "Applied Physics Letters", Bd. 63,
S. 1742 (1993) und Ong u. a.: "Subpicosecond soliton compres
sion of gain-switched diode laser pulses using an erbium
doped fiber amplifier", "IEEE Journal of Quantum Electro
nics", Bd. 29, S. 1701 (1993)) verwendet werden. Es sei be
merkt, daß die durch Clark und Hariharan offenbarten Systeme
lineare Verstärker verwenden, und nicht vorgeschlagen wird,
daß Impulse von einem nichtlinearen Verstärker hergeleitet
werden. Außerdem verwenden die durch Islam, Galvanauskas und
Ong offenbarten Systeme keine Frequenzverdopplung.
Darüber hinaus erfordert die Erzeugung der kürzestmöglichen
Impulse mit Systemen nur mit Oszillatoren, wie die durch
Clark, Nelson u. a. offenbarten, typischerweise komplizierte
Hohlraum-Entwürfe mit relativ hohen optischen Verlusten, die
deswegen nicht sehr effektiv bei der Erzeugung einer maxima
len Ausgangsleistung für eine bestimmte Pumpleistung sind.
Hinsichtlich der Kompressionstechniken bei Systemen zur Er
zeugung von ultrakurzen optischen Impulsen gibt es zwei Mög
lichkeiten: die Verwendung eines Lichtwellenleiters mit posi
tiver Dispersion (der keine Solitonwelle gestattet), wie in
der Kafka erteilten US-4 913 520 sowie durch Tamura u. a.:
"Pulse compression using nonlinear pulse evolution with redu
ced optical wave breaking in erbium-doped fiber amplifiers
with normal group-velocity dispersion", "Optics Letters",
(1996) offenbart; oder die Verwendung von Lichtwellenleitern
mit negativer Dispersion (die eine Solitonwelle gestattet),
wie durch Islam u. a. offenbart. Es wird auch auf "Peak Power
Fluctuations in Optical Pulse Compression" von Kafka u. a.,
"IEEE Journal of Quantum Electronics", Bd. 24, S. 341 (1988)
verwiesen. Obwohl Lichtwellenleiter mit positiver Dispersion
im Prinzip für die Erzeugung von Impulsen von weniger als 10
fs verwendet werden können, erfordern derartige Lichtwellen
leiter zusätzliche lineare Impulskompressoren, die einen Ent
wurf mit niedrigen Kosten verhindern. Auf gleiche Weise kann
bei Kompressionstechniken mit einem Lichtwellenleiter mit po
sitiver Dispersion der Ramaneffekt im allgemeinen nicht ver
wendet werden, da die Wirkungen der Ramanumwandlung nachtei
lig eingeschätzt werden (siehe Kafka).
Deswegen werden Impulskompressoren auf Grundlage von Licht
wellenleitern mit negativer Dispersion trotz der Tatsache be
vorzugt, daß die erzeugte Impulsbreite typischerweise länger
als 10 fs ist, da derartige Lichtwellenleiterkompressoren
derart entworfen werden können, daß sie nicht auf externen
linearen Impulskompressoren beruhen. Darüber hinaus können
derartige Kompressoren derart entwickelt werden, daß sie aus
der Raman-Eigenfrequenzverschiebung bei Lichtwellenleitern
einen Vorteil ziehen, die dazu neigt, das Spektrum des kom
primierten Impulses weiter zu verbreitern (siehe Islam u. a.).
Dies kann jedoch zu der Erzeugung eines Austastimpulses mit
niedrigem Pegel in dem erwünschten komprimierten Impuls füh
ren, was bei vielen Anwendungen von ultraschneller Optik ab
träglich ist. Demgegenüber ist die Spektralentwicklung des
Ramanimpulses nützlich, da sie ein bestimmtes Ausmaß an Ab
stimmbarkeit gestattet (siehe Islam u. a.). Derartige Impuls
kompressoren sind nachstehend als Soliton-Raman-Kompressoren
(SRC) beschrieben.
Eine frühe Systemimplementierung eines Soliton-Paman-Kom
pressors bei einem Erbium-Lichtwellenleiter-Verstärker wurde
durch K. Kurokawa u. a. in "Wavelength-dependent amplification
characteristics of femtosecond erbium-doped optical fiber
amplifiers", "Applied Physics Letters", Bd. 58, S. 2871
(1991) beschrieben. Jedoch erzeugte in dem darin offenbarten
System ein Diodenlaser die "Einkopplungs"-Impulse für den So
liton-Paman-Verstärker.
Eine weitere Systemimplementierung eines Soliton-Raman-Kom
pressors bei einem Erbium-Lichtwellenleiter-Verstärker, die
auf einem unpraktischen starken Lasersignal und Pumpquellen
beruht, wurde durch I. Y. Kruschev u. a. in "Amplification of
Femtosecond Pulses in Er3+-doped single-mode optical fibers",
"Electronics Letters", Bd. 26, S. 456 (1990) berichtet.
Die erste Implementierung eines Soliton-Raman-Kompressors bei
einem Erbiumverstärker unter Verwendung eines Lichtwellenlei
ter-Lasers als Einkopplung wurde durch Richardson u. a. in
"Passive all-fiber source of 30 fs pulses", "Electronics Let
ters", Bd. 28, S. 778 (1992) und in "Amplificatin of femtose
cond pulses in a passive all-fiber soliton source", "Optics
Letters", Bd. 17, S. 1596 (1992) beschrieben. Jedoch imple
mentieren die in den Veröffentlichungen durch Islam u. a.,
Galvanauskas u. a., Ong u. a., Kafka, Tamura u. a., Kurokawa
u. a., Khrushchev u. a. und Richardson u. a. offenbarte Systeme
keine Frequenzumwandlung unter Verwendung eines nichtlinearen
Verstärkersystems zur Erzeugung einer frequenzverdoppelten
Wellenlänge.
Außerdem sehen die in den Veröffentlichungen von Islam u. a.,
Galvanauskas u. a., Ong u. a., Tamura u. a., Kurokawa u. a.,
Khrushchev u. a. sowie Richardson u. a. keine Steuerung des Po
larisationszustands des Soliton-Raman-Kompressors vor. Der
zeit ziehen Soliton-Raman-Kompressoren einen Nutzen aus dem
Ramaneffekt in Lichtwellenleitern, der wiederum von dem Pola
risationszustand des Lichts in dem Lichtwellenleiter und der
Lichtwellenleiter-Doppelbrechung abhängt, wie durch Menyak
u. a. in "Raman effect in birefringent optical fibers",
"Optics Letters", Bd. 16, S. 566 (1991) offenbart ist. Dar
über hinaus kann eine nichtlineare Polarisationsentwicklung
in hochgradig nichtlinearen Soliton-Raman-Kompressoren statt
finden, wie durch Fermann u. a. in "Optics Letters", Bd. 19,
S. 45 (1994) berichtet wurde. Daher kann ein reproduzierbarer
und stabiler Soliton-Raman-Kompressor ohne Polarisations
steuerung nicht aufgebaut werden.
Die in dem vorangehenden Abschnitt aufgeführten Veröffentli
chungen lehren auch nicht, wie der Wirkungsgrad von Soliton-
Raman-Kompressoren allgemein zu maximieren ist und wie die
Impulsenergie der mit den Soliton-Raman-Kompressoren erzeug
ten - komprimierten Impulse zu maximieren ist. Da die mit un
kritisch phasenangepaßten Verdopplungskristallen erhaltbare
Verdopplungseffektivität wie periodisch gepolte LiNbO3 (PPLN)
hauptsächlich von der Impulsenergie abhängt und nicht kri
tisch von der Impulsbreite abhängt, bei Verwendung von konfo
kaler Fokussierung, ist die Maximierung der Impulsenergie
eindeutig ein kritischer Punkt.
In der vorstehenden Veröffentlichung von Richardson u. a. wur
de vorgeschlagen, daß eine unbestimmte Steuerung der Moden
größe eines Lichtwellenleiter-Oszillators und eines Lichtwel
lenleiter-Verstärkers zu der Erzeugung der kürzestmöglichen
Impulse führen kann. Jedoch kann eine Maximierung der Impul
senergie von einem derartigen System tatsächlich eine höhere
Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge erzeugen.
Als Alternative zu Soliton-Raman-Kompressoren ist eine adia
batische Soliton-Verstärkung zur Impulskompression diskutiert
worden (siehe E. M. Dianov u. a., "Optics Letters", Bd. 14, S.
1008 (1989)). Im allgemeinen erfordert der adiabatische Zu
stand, daß der Verstärkungskoeffizient α pro Solitonperiode
wesentlich kleiner als 1 ist. In diesem Fall ist die Soliton
periode des Solitons mit Ld ≈ 0,5|β2|/τ2 definiert, wobei τ die
FWHM- (volle Breite, halbes Maximum) Impulsbreite des Soli
tons und β2 die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Licht
wellenleiters ist. Alternativ muß bei einer adiabatischen So
liton-Verstärkung das Aufbrechen der grundlegenden Soliton
welle mit N = 1 in eine Solitonwelle mit N = 2 verhindert
werden. Da die Energie einer Solitonwelle mit N = 2 für die
selbe Impulsbreite viermal höher als das für eine Solitonwel
le mit N = 1 ist, sollte die Verstärkung g pro Solitonperiode
kleiner als ungefähr 2 sein. Infolgedessen müssen typischer
weise Verstärkerlängen von einigen 10 m bis zu mehreren km
Länge verwendet werden, was nicht praktisch ist. Auf gleiche
Weise kann wegen nichtlinearer Effekte höherer Ordnung in dem
Lichtwellenleiter die Impulsenergie nach derart langen Licht
wellenleiterlängen verglichen mit dem, was mit kurzen Ver
stärkern möglich ist, geringer sein.
Als weitere Alternative zu Soliton-Raman-Kompressoren können
Femtosekunden-Impulse durch Chirpimpuls-Verstärkung (CPA) bei
Lichtwellenleitern verstärkt werden, wie durch Minelly u. a.
in "Optics Letters", Bd. 20, S. 1797 (1995) und in der Galva
nauskas u. a. erteilten US-5 499 134 offenbart ist. Jedoch
wird typischerweise so keine Impulsverkürzung, sondern eher
eine Impulsverbreiterung wegen der begrenzten Bandbreite des
Verstärkungsmediums und der zur Impulskomprimierung und Im
pulsdehnung verwendeten Gitter erhalten. Daher sind derartige
Systeme weniger nützlich, solange die Impulsenergie ungefähr
wenige nJ erreicht.
In dem durch Minelly u. a. beschriebenen System wurde ein Dop
pelmantel-Lichtwellenleiter, d. h. ein Lichtwellenleiter mit
einem Doppel stufen-Beugungsindexprofil als Lichtwellenleiter
implementiert. Daher wurde ein Mantelpumpen (wie in der Kafka
erteilten US-4 829 529 offenbart) zur Abgabe des Pumplichts
in den Lichtwellenleiter-Verstärker implementiert. Wie in der
Veröffentlichung durch Minelly u. a. gelehrt kann die Moden
größe der einzelne Grundmode in derartigen Lichtwellenleitern
erhöht werden, während gleichzeitig eine hohe Konzentration
des Dotierstoff-Lösungsmittels (Al2O3 bei Minelly u. a.) bei
behalten wird, das den Index erhöht. Wiederum kann eine hohe
Konzentration eines Dotierstoff-Lösungsmittels die Lösbarkeit
eines Dotierstoffs (Er3+ bei Minelly u. a.) erhöhen, was zu
einem hohen Quantenwirkungsgrad für einen derartigen Verstär
ker führen kann.
Jedoch lehren Minelly u. a. nicht, daß das Leistungsvermögen
derartiger Lichtwellenleiter zur Femtosekundenimpuls-Ver
stärkung durch Richten des Pumplichts direkt in den Kern op
timiert werden kann, anstelle ein Mantelpumpen zu implemen
tieren.
Als Alternative zur Chirpimpuls-Verstärkung kann auch eine
lineare Verstärkung kurzer optischer Impulse in Betracht ge
zogen werden. Ob ein Verstärker als linear oder nichtlinear
betrachtet werden kann, hängt von der durch den Verstärker
verursachten nichtlinearen Phasenverzögerung Φn1 ab. Nimmt man
einen linearen Anstieg der Impulsenergie mit der Lichtwellen
leiterlänge bei einem gesättigten Verstärker und eine Ver
stärkungsrate von wesentlich mehr als dem adiabatischen Zu
stand an, ist die nichtlineare Phasenverzögerung Φn1 eines
Impulses bei einem Verstärker der Länge L ungefähr gegeben
durch
wobei n2 der nichtlineare Brechungsindex, n2 = 3,2 × 10-20W-1
für Siliziumglas, A die Kernfläche, λ die Signalwellenlänge
und τ die Impulsbreite ist. In diesem Wall wurde eine disper
sionsfreie Verstärkung mit einer Stufe angenommen; für eine
Verstärkung mit zwei Stufen wird L/2 durch L ersetzt. Her
kömmliche Laserverstärker sind typischerweise derart entwic
kelt, daß sie eine gute Impulsqualität bei einer Signalwel
lenlänge erzeugen, was eine Entwicklung für einen Verstärker
mit Φn1 < 5 impliziert.
Es sei bemerkt, daß das Problem der Polarisationssteuerung
bei einem Nichtpolarisation erhaltenden Lichtwellenleiter
durch Implementation von Faraday-Rotationsspiegeln (FRMs) mi
nimiert werden kann. Vorangegangene Verwendungen von Faraday-
Rotationsspiegeln waren tatsächlich jedoch auf lineare Licht
wellenlaserverstärker beschränkt, wie in der Duling u. a. er
teilten US-5 303 314 offenbart, oder nur auf ultraschnelle
Femtosekunden-Lichtwellenleiterlaser, wie in der vorstehend
erwähnten Veröffentlichung durch Fermann u. a. offenbart.
Auf sämtliche der vorstehend erwähnten Artikel und Patent
schriften sei hiermit zur Bezugnahme verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kurze optische Im
pulse mit einer Signalwellenlänge (SW) in kurze optische Im
pulse mit einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW) umzu
wandeln. Erfindungsgemäß weist ein System einen Kurzimpuls-
Oszillator, einen Verstärker, einen Kompressor und einen Fre
quenzwandler auf, wobei der Verstärker und der Kompressor
hochgradig nichtlinear sein und der Vorgang der Verstärkung
und Kompression in einer optischen Einheit kombiniert werden
können. Die Implementation eines Frequenzwandlungsvorgangs
gestattet die Verwendung von sehr hochgradig nichtlinearen
Verstärkern oder Kompressoren mit einer Signalwellenlänge
(SW) ohne Eingehen von Kompromissen hinsichtlich der Impuls
qualität bei einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW).
Die Entwicklung des Oszillators, des Verstärkers sowie des
Kompressors kann hinsichtlich der Energie effektiver als Ent
wicklungen nur mit grundlegenden Oszillatoren sein, da die
Erzeugung der kürzestmöglichen Impulse aus Oszillatoren typi
scherweise komplizierte Hohlraum-Entwürfe mit relativ hohen
optischen Verlusten beinhaltet, die daher nicht sehr effektiv
bei der Erzeugung einer maximal möglichen Ausgangsleistung
für eine bestimmte Pumpleistung sind. Darüber hinaus gestat
tet die Implementation eines nichtlinearen Verstärker-/Im
pulskompressors die Verwendung von Oszillator-Einkopplungs
impulsen mit bedeutend längeren Impulsbreiten als bei Tech
niken nur mit Oszillatoren zum Erhalt einer schließlich be
stimmten ultrakurzen Impulsbreite. Dies gestattet wiederum
eine Vereinfachung des Oszillatorentwurfs und führt zu einer
wesentlichen Kostensenkung für das System.
Eine besondere Systemimplementierung weist einen Kurzimpuls-
Lichtwellenleiter-Laseroszillator, einen Lichtwellenleiter-
Verstärker, einen Soliton-Raman-Kompressor (SRC) und einen
nichtlinearen Kristall (NC) auf, wobei eine nichtlineare Fre
quenzumwandlung hauptsächlich bei dem nichtlinearen Kristall
auftritt. Durch einen umsichtigen Entwurf des Soliton-Raman-
Kompressors und eine geeignete Wahl des nichtlinearen Kri
stalls wird der Wirkungsgrad des Umwandlungsvorgangs maxi
miert, und die fast bandbreitenbegrenzten Impulse bei der
frequenzverdoppelten Wellenlänge werden selbst mit Impulsen
niedriger Qualität bei der Signalwellenlänge erzeugt.
Der Soliton-Raman-Kompressor wird durch Steuerung dessen Po
larisationszustand und dessen Dispersionseigenschaften durch
Verwendung von Lichtwellenleitern mit großen Modenwerten und
durch Steuerung des Werts der Raman-Verschiebung bei dem Ver
stärker optimiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Licht
wellenleiter-Verstärker mit dem Soliton-Raman-Kompressor kom
biniert, wobei der Wirkungsgrad des Verstärkers durch Imple
mentierung von Lichtwellenleitern mit Doppelstufenprofilen
des Brechungsindexes optimiert werden kann. Langzeitverschie
bungen des Polarisationszustands werden durch Verwendung ei
nes Faraday-Rotationsspiegels (FRM) in Verbindung mit einem
Verstärker und einem Soliton-Raman-Kompressor vermieden. Al
ternativ kann die Verwendung eines polarisationserhaltenden,
erbiumdotierten Lichtwellenleiters für den Verstärker und den
Soliton-Raman-Kompressor verwendet werden.
Erfindungsgemäß wird demonstriert, daß eine Frequenzumwand
lung hauptsächlich nicht nur für den komprimierten Teil der
aus dem Soliton-Raman-Kompressor austretenden Impulse imple
mentiert werden kann, wohingegen der unkomprimierte Impuls
teil in dem nichtlinearen Frequenzumwandlungsvorgang unter
drückt werden kann. Außerdem kann durch Auswahl eines nicht
linearen Vorgangs mit einer Akzeptanzbandbreite, die kleiner
als die Bandbreite der aus dem Soliton-Raman-Kompressor aus
tretenden Impulse ist, der Wirkungsgrad der nichtlinearen
Frequenzumwandlung optimiert werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung gestattet die
Raman-Verschiebung bei dem Soliton-Raman-Kompressor und der
Implementierung eines nichtlinearen Frequenzumwandlungsvor
gangs eine beschränkte Abstimmbarkeit der frequenzverdoppel
ten Wellenlänge.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird Pump
licht direkt in den Lichtwellenleiterkern eines Doppelmantel-
Lichtwellenleiters gepumpt, damit ein Vorteil aus der Tatsa
che gezogen werden kann, daß die Pumpabsorption in dem Licht
wellenleiterkern höher als die Absorption in dem Mantel um
einen Faktor ist, der proportional zu dem Verhältnis (Fläche
des Innenmantels)/(Kernfläche) ist. Diese Anordnung gestattet
die Verwendung von kürzeren Verstärker-Lichtwellenleitern als
dies mit Mantelpumpen möglich ist, was wiederum die Nichtli
nearität des Verstärkers zur Verstärkung von Femtosekundenim
pulsen minimiert.
Schließlich kann bei Anpassung an konfokale Mikroskopieanwen
dungen das Leistungsvermögen einer erfindungsgemäßen Impuls
quellen-/Lichtwellenleiter-Verstärker-/Frequenzwandleran
ordnung durch Auswahl von fast bandbreitenbegrenzten Impuls
quellen optimiert werden, die relativ lange Impulse erzeugen,
damit eine fast lineare Verstärkung bei dem Lichtwellenlei
ter-Verstärker gestattet wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der bevorzugten Ausfüh
rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be
schrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Doppelstufenkonfiguration der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 2 das Beugungsindexprofil des Verstärkers gemäß dem er
sten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 eine interferometrische Autokorrelation der frequenz
verdoppelten, optischen Impulse gemäß dem ersten Ausführungs
beispiel der Erfindung,
Fig. 4 die Spektra der aus dem Soliton-Raman-Kompressor bei
unterschiedlichen Temperaturen des PPLN austretenden Impulse
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5 die abgesenkte Spektralbreite bei dem Oszillator und
bei dem Verstärker wegen der Eigenphasenmodulation bei dem
Verstärker, wenn die Pumpleistung verringert ist,
Fig. 6 eine Einzelstufenkonfiguration der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem Ge
genrichtungspumpen verwendet wird,
Fig. 8 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein
Lichtwellenleiter-Verstärker zwei Dotierpegel und einen undo
tierten Lichtwellenleiterabschnitt aufweist,
Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein
Doppelmantel-Verstärker-Lichtwellenleiter verwendet wird,
Fig. 10 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem
ein Multimoden-Lichtwellenleiter-Verstärker verwendet wird,
Fig. 11 ein Blockschaltbild der Erfindung,
Fig. 12 ein Blockschaltbild der Erfindung, bei dem ein linea
rer Verstärker und ein nichtlinearer Kompressor verwendet
werden, und
Fig. 13 ein anderes Blockschaltbild der Erfindung.
Lediglich beispielhaft werden nachstehend drei bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Das Ziel des
Systems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin,
die durchschnittliche Leistung bei der frequenzverdoppelten
Wellenlänge (FDW) ohne Eingehen von Kompromissen hinsichtlich
der Impulsbreite zu maximieren. Das Ziel des Systems gemäß
dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, die durch
schnittliche Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlän
ge insbesondere zur Optimierung des Wirkungsgrades zur Ver
wendung der frequenzverdoppelten Wellenlänge bei konfokaler
Mikroskopie zu maximieren. Das Ziel des Systems gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, die erforderliche
Pumpleistung für den Lichtwellenleiter-Verstärker des Systems
zu minimieren.
Fig. 1 stellt die Konfiguration eines Hochleistungs-Femto
sekunden-Impulserzeugungssystems gemäß einem ersten erfin
dungsgemäßen Ausführungsbeispiel dar. Gemäß Fig. 1 erzeugt
ein Lichtwellenleiteroszillator 10 Einkopplungsimpulse. Der
Lichtwellenleiteroszillator 10 kann beispielsweise ein in der
Umgebung stabiler Erbium-Lichtwellenleiter sein, der bei ei
ner Wellenlänge von 1,5 µm arbeitet. Ein derartiger Lichtwel
lenleiteroszillator wurde in der vorstehend erwähnten Veröf
fentlichung von Wermann u. a. offenbart. Der Lichtwellenleite
roszillator 10 kann bandbreitenbegrenzte Impulse von 300 fs
mit einer Wiederholungsrate von 50 MHz mit einer einstellba
ren durchschnittlichen Ausgangsleistung von 1 bis 5 mW erzeu
gen. Vorzugsweise sind die Impulse linear polarisiert.
Es sei bemerkt, daß die Einkopplungsimpulse nicht von einem
Lichtwellenleiteroszillator erzeugt werden müssen; alternativ
können Impulse aus optischen Großeinrichtungen oder Diodenla
sern verwendet werden. Aus der Perspektive der Kosten sind
Impulse entweder aus einem Diodenlaser oder aus einem Licht
wellenleiterlaser-Oszillator vorzuziehen. Im allgemeinen wird
erwartet, daß ein Lichtwellenleiteroszillator sauberere und
kürzere Impulse erzeugt, was dafür vorteilhaft ist, damit ei
ne effektivere nichtlineare Impulskompression stattfindet. Da
die Anwendung von ultraschnellen Impulsen soviel Impulslei
stung wie möglich hinsichtlich eines optischen Entwurfs er
fordert, der leicht herzustellen ist, kann die Verwendung von
Verstärkern auch sehr effektiv sein, die den Vorgang der Im
pulsverstärkung und der Impulskomprimierung kombinieren.
Bei dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden
Impulse mit einer durchschnittlichen Leistung von 2 mW in ei
nen Soliton-Raman-Kompressor (SRC)-Erbium-Lichtwellenleiter-
Verstärker 11 über einen Isolator 12 für das Signallicht bei
1,5 µm, einen darauffolgenden Polarisations-Strahlenteiler 13
sowie zwei Wellenplatten 14 und 15 eingekoppelt, die hinter
dem Polarisations-Strahlenteiler 13 zur Einstellung des Pola
risationszustands des in den Verstärker-Lichtwellenleiter 11
eingegebenen Signallichts eingesetzt werden. Die (links des
Polarisations-Strahlenteilers 13 in Fig. 1 gezeigte) Wellen
platte 21 optimiert den Durchsatz zu dem Polarisations-
Strahlenteilers 13, die Wellenplatte 22 optimiert den Polari
sationszustand in den (nachstehend beschriebenen) PPLN 20,
und ein Linsensystem 23 koppelt das Signallicht in den Ver
stärker-Lichtwellenleiter 11. Der gesamte Einkopplungs-Wir
kungsgrad von dem Oszillator 10 zu dem Verstärker-Licht
wellenleiter 11 wird durch den geeigneten Einsatz von moden
angepaßten Linsen gesteuert, und ein Wirkungsgrad von 70%
oder mehr (bis zu 100 -%) kann erreicht werden.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel behält der Verstärker-
Lichtwellenleiter 11 die Nichtpolarisation bei und weist ei
nen Er3+-Dotierpegel von 0,1 Molekülprozent und ein Doppel
stufenprofil des Beugungsindexes auf. Das Beugungsindexprofil
des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 ist in Fig. 2 abgebil
det. Der innere Kern weist eine numerische Apertur (NA) ≈
0,12 und einen Durchmesser von ungefähr 8 µm auf. Der äußere
Kern weist einen Durchmesser von ungefähr 25 µm und eine nu
merische Apertur von 0,18 auf. Es sei bemerkt, daß das Pump
licht direkt in den inneren Kern des Verstärker-Lichtwellen
leiters 11 gerichtet werden kann. Der Verstärker-Lichtwellen
leiter 11 wird durch eine Pumpe 16 bei 1,48 µm über einen
Wellenlängenmultiplex-(WDM-)Koppler 17 gepumpt, wobei das
Pumplicht über einen Breitbandisolator geleitet wird, damit
ein Verlust des Hochleistungs-Signallichts bei 1,5 µm verhin
dert wird. Nach dem WDM-Koppler 17 wird eine Pumpleistung von
100 mW in den Verstärker-Lichtwellenleiter 11 gekoppelt. Ge
mäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des Ver
stärker-Lichtwellenleiters 11 ungefähr 2,5 m; die gesamte
Länge des zur Signallichtausbreitung verwendeten WDM-Licht
wellenleiters ist auf 0,50 m begrenzt. Obwohl Fig. 1 einen
dispersionskompensierenden Lichtwellenleiter 18 darstellt,
der nachstehend näher beschrieben wird, muß das System gemäß
dem ersten Ausführungsbeispiel keinen dispersionskompensie
renden Lichtwellenleiter verwenden.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem
Verstärker-Lichtwellenleiter 11 um einen Er3+-dotierten
Lichtwellenleiter. Der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 kann
jedoch irgendein mit ErYb⁺, Pr, Tm, Ho dotierter Lichtwellen
leiter oder ein mit seltenen Erden dotierter Lichtwellenlei
ter sein, der mit einem geeigneten Oszillator kombiniert ist.
Außerdem dient der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 gemäß dem
ersten Ausführungsbeispiel auch als der Soliton-Raman-Kom
pressor; jedoch können der Verstärker und der Soliton-Raman-
Kompressor getrennte Komponenten sein.
Gemäß Fig. 1 kann ein Doppelstufenaufbau zur Signallichtver
stärkung verwendet werden. Bei dem Doppelstufenaufbau ist es
vorteilhaft, einen Faraday-Rotationsspiegel (FRM) 19 an einem
Ende des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 zu implementieren.
Der Polarisationszustand des Lichts an dem Ausgang des Ver
stärker-Lichtwellenleiters 11 ist dann senkrecht zu dem Pola
risationszustand bei dem Eingang, weshalb der vorstehend er
wähnte Polarisations-Strahlenteiler 13 für nahezu 100% Wir
kungsgrad der Ausgangskopplung des verstärkten Lichts aus dem
System verwendet werden kann. Obwohl ein Faraday-Rotations
spiegel in Fig. 1 abgebildet ist, kann jede Lichtwellenlei
ter-Polarisations-Steuereinrichtung oder eine λ/4-Wellen
platte verwendet werden.
Es sei bemerkt, daß selbst bei dem Vorhandensein der er
wünschten nichtlinearen Frequenzverschiebung bei dem Verstär
ker-Lichtwellenleiter 11 die Einstellungen der beiden Wellen
platten 14 und 15 bei dem Eingang des Verstärker-
Lichtwellenleiters 11 eine sehr effektive Ausgangskopplung
des verstärkten Lichts gestatten. Außerdem gestattet eine
Einstellung der Wellenplatten 14 und 15 eine Optimierung des
Soliton-Raman-Kompressors durch Steuerung des Polarisations
zustands in dem Lichtwellenleiter und durch Steuerung einer
nichtlinearen Polarisationsentwicklung in dem Verstärker-
Lichtwellenleiter 11.
In mit dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch
geführten Untersuchungen wurde hinter der doppelten Stufe des
Verstärker-Lichtwellenleiters 11 eine durchschnittliche Aus
gangsleistung von 30 mW (Impulsenergie von 600 pJ) gemessen.
Bei Ersetzen der Einkopplungs-Signalimpulse mit einem
CW-(Continuous Wave-)Signal mit demselben durchschnittlichen
Signalpegel wurde eine durchschnittliche Leistung von bis zu
37 mW aus dem Verstärker-Lichtwellenleiter 11 entnommen. Der
Energieverlust von 20% bei gepulster Verstärkung entsteht
aus der Raman-Verschiebung der verstärkten Impulse bei der
Signalwellenlänge (SW). Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
beträgt die Raman-Verschiebung 20 nm, was die Signalimpulse
außerhalb der Verstärkungsbandbreite von Erbium verschiebt.
Darüber hinaus können optische Verluste wegen der begrenzten
Bandbreite der optische Elemente (WDM-Koppler usw.) verur
sacht werden, was durch die verstärkten Impulse begegnet
wird.
Gemäß Fig. 1 werden die verstärkten und komprimierten Impulse
auf einer Länge von 0,8 mm von periodisch gepolten LiNbO3
(PPLN) 20 frequenzverdoppelt, wobei eine konfokale Fokussie
rung verwendet wird. Gemäß diesem Beispiel ist der PPLN 20
nicht mit AR beschichtet. Die Polungsperiode des PPLN wird
auf 19,25 µm eingestellt, was mit dem Maximum des Spektrums
des komprimierten Impulses aus dem Soliton-Raman-Kompressor
ungefähr übereinstimmend gewählt wird. Die Erwärmung des PPLN
20 auf Temperaturen zwischen 50°C bis 150°C kann zur Feinab
stimmung der optimalen Frequenzverdopplungswellenlängen sowie
zur Verhinderung eines photorefraktiven Schadens bei dem PPLN
20 verwendet werden. Die Länge des PPLN wird zur Erzeugung
einer Frequenzverdopplungsbandbreite einer Größe gewählt, die
vergleichbar mit oder kleiner als die Bandbreite der kompri
mierten Impulse aus dem Soliton-Raman-Kompressor ist. Es sei
jedoch bemerkt, daß die spektrale Akzeptanzbandbreite des
PPLN bei der Signalwellenlänge viel kleiner als der Wert des
Spektrums bei der Signalwellenlänge ohne eine Strafe hin
sichtlich des gesamten Verdopplungswirkungsgrades sein kann.
Der PPLN wandelt die Frequenz selbst eines Signalwellenlän
gen-Spektrums außerhalb dessen Nenn-Akzeptanzbandbreite ef
fektiv um. Dies ist auf einen nichtlinearen Vorgang zurückzu
führen, der ähnlich zu einer Summenfrequenzerzeugung ist, die
wie nachstehend beschrieben bei dem PPLN auftritt. Dies steht
im Widerspruch zu einem Frequenzwandlerentwurf, wie er in der
vorstehend erwähnten Veröffentlichung von Nelson u. a. be
schrieben ist, der keine Punkte erwähnt, die auf die endliche
Akzeptanzbandbreite eines Frequenzwandlerkristalls bezogen
sind.
Die frequenzverdoppelten Impulse weisen eine Wellenlänge von
790 nm, eine durchschnittliche Leistung von 6,3 mW, eine Im
pulsbreite von 120 fs und ein Zeit-Bandbreite-Produkt von
0,66 auf, wenn man eine Gaußförmige Impulsform annimmt. Daher
liegen die sich ergebenden Impulse innerhalb eines Faktors
von 50% der Bandbreitengrenze. Eine interferometrische Auto
korrelation der Impulse ist in Fig. 3 abgebildet, die die gu
te Qualität der Impulse veranschaulicht. Es sei bemerkt, daß
durch Veränderung des Polarisationszustands vor dem Verstär
ker-Lichtwellenleiter 11 des Soliton-Raman-Kompressors eine
Veränderung der gemessenen, frequenzverdoppelten Leistung
zwischen 0,1 und 6,3 mW beobachtet wird, was das Erfordernis
der Polarisationssteuerung bei diesem hochgradig nichtlinea
ren Verstärker veranschaulicht.
Der sich ergebende Umwandlungs-Wirkungsgrad von Pumplicht zu
Femtosekundenimpulsen bei der frequenzverdoppelten Wellenlän
ge beträgt daher 6,3%. Demgegenüber beträgt der Umwandlungs-
Wirkungsgrad von Signallicht zu frequenzverdoppeltem Licht 21%.
Daher weist der Soliton-Raman-Kompressor einen Kompressi
ons-Wirkungsgrad von ungefähr 60% auf, was sehr vorteilhaft
mit Ergebnissen verglichen werden kann, die mit Lichtwellen
leiter-Kompressoren mit positiver Dispersion erreichbar sind,
wie diejenigen, die in der vorstehend erwähnten US-4 913 520
offenbart sind.
Diese Untersuchungsergebnisse wurden durch Implementierung
eines Verstärkers mit einem großen Kerndurchmesser zur Maxi
mierung der Energie der aus dem Soliton-Raman-Kompressor aus
tretenden, komprimierten Impulse erhalten. Für einen Impuls
mit einer festgelegten Breite τ steigt die Solitonenergie W
proportional zu der Lichtwellenleiter-Kernfläche A und der
Lichtwellenleiterdispersion β2. Da der Soliton-Raman-Kom
pressor einen solitonähnlichen Impuls erzeugt, gestattet eine
Maximierung der Kernfläche eine Maximierung der erzeugten So
liton-Impulsenergie aus dem Soliton-Raman-Kompressor. Außer
dem minimiert ein großer Kerndurchmesser auch die Lichtwel
lenleiter-Wellenleiter-Dispersion, was wiederum die totale
Lichtwellenleiterdispersion β2 maximiert. Obwohl das letztere
lediglich ein Sekundäreffekt ist, erhöht es weiter die Impuls
energie.
Es sei bemerkt, daß das Signal hinter der Doppelstufe des
Verstärker-Lichtwellenleiters 11 tatsächlich kleiner als nach
einer einzelnen Stufe ist. Abgesehen von durch den großen
Wert der Raman-Verschiebung verursachten Energieverluste, die
in dem Verstärker-Lichtwellenleiter 11 auftreten, hat der
Verstärker-Lichtwellenleiter 11 auch eine Überlänge, d. h. das
meiste des Pumplichts wird zu der Zeit absorbiert, zu der es
das Einkopplungsende des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 er
reicht. Daher ist der Verstärker an diesem Ende nicht voll
ständig invertiert, und es tritt ein Signalverlust bei der
Signalwellenlänge auf.
Nachstehend wird das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben. Die Entwicklungskriterien für das System gemäß
dem zweiten Ausführungsbeispiel werden hauptsächlich zum Er
füllen der Erfordernisse eines konfokalen Zweiphoton-Ab
bildungssystems ausgewählt. Es sei angenommen, daß die fre
quenzverdoppelte Wellenlänge (ungefähr 800 nm gemäß diesen
Beispielen) als Quelle für die Zweiphoton-Erregung verwendet
wird. Es kann gezeigt werden, daß die Anzahl von durch die
Zweiphoton-Erregung für einen festgelegten Strahldurchmesser
erzeugten Photonen M proportional ist zu:
wobei const eine Konstante, P, f, τ die durchschnittliche
Leistung, die Wiederholungsrate und die FWHM-Impulsbreite der
Erregerquelle sind. Gemäß Gleichung 2 ist es eindeutig wich
tiger, die durchschnittliche Leistung zu erhöhen, als die Im
pulsbreite für eine effektive, konfokale Zweiphoton-Abbildung
zu verringern. Es sei jedoch bemerkt, daß bei tatsächlichen
biologischen Systemen sowohl Schadens-Schwellwerte als auch
Photobleichbetrachtungen der auf Impulsleistung, -energie und
-breite bezogenen biologischen Proben bestehen können, die
durch Gleichung (2) nicht berücksichtigt sind. Bei der Be
schreibung des zweiten Ausführungsbeispiels wird die Maximie
rung der durchschnittlichen Leistung bei der frequenzverdop
pelten Wellenlänge jedoch ohne Berücksichtigung des Schadens
oder von Photobleichpunkten beschrieben.
Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kann auch auf das zweite
Ausführungsbeispiel angewandt werden. Das zweite Ausführungs
beispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbei
spiel darin, daß eine Oszillatorleistung von 4 mW verwendet
wird. Der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 ist ähnlich wie der
gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; jedoch ist die numeri
sche Apertur des inneren Kerns auf ungefähr NA = 0,10 abge
senkt und die Größe des inneren Kerns auf ungefähr 10 µm er
höht. Außerdem ist der Er-Dotierpegel um ungefähr 25% auf
ungefähr 750 ppm verringert. Die Länge des Verstärker-
Lichtwellenleiters 11 beträgt 2,6 m und wird derart ausge
wählt, daß sie die höchste Durchschnittsleistung für einen
linearen Betrieb des Verstärkers erzeugt (d. h. durch Verwen
dung eines CW-Signals von 4 mW als Einkopplung). Die Länge
des PPLN 20 wird auf 1,2 mm erhöht, damit die Länge der Im
pulse bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge erhöht wird;
die Periode des PPLN 20 wird auf 18,75 µm verringert, damit
eine effektive Frequenzverdopplung bei 1,56 µm gestattet
wird. In mit dem System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
durchgeführten Untersuchungen erzeugte eine Doppelstufe der
Einkopplungsimpulse über den Verstärker-Lichtwellenleiter 11
54 mW bei der Signalwellenlänge, wohingegen eine Doppelstufe
eines CW-Signals eine Leistung von 57 mW bei der Signalwel
lenlänge erzeugte, d. h. ein Signalverlust von lediglich 5%
wurde durch den nichtlinearen Betrieb des Verstärkers verur
sacht. Es wurde herausgefunden, daß das Spektrum der aus den
Soliton-Raman-Kompressor austretenden Impulse in der Mitte
bei 1,56 µm (wie in Fig. 4 dargestellt) lag. Es wurde heraus
gefunden, daß die Impulse bei der frequenzverdoppelten Wel
lenlänge eine Wellenlänge von ungefähr 780 nm, eine durch
schnittliche Leistung von 12 mW, eine Impulsbreite von 190 fs
mit einer Spektralbreite innerhalb von 50% der Bandbreiten
grenze aufweisen. Eine Veränderung der Polarisation vor dem
Soliton-Raman-Kompressor-Verstärker-Lichtwellenleiter 11 er
zeugte eine Veränderung der Leistung bei der frequenzverdop
pelten Wellenlänge zwischen 7 bis 12 mW. Der sich ergebende
Umwandlungs-Wirkungsgrad bei der frequenzverdoppelten Wellen
länge beträgt 22%, was Reflexionsverluste berücksichtigt,
und der Umwandlungs-Wirkungsgrad steigt auf 29%. Verglichen
mit dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die
Anzahl von Photonen M um einen Faktor von 2,2 erhöht.
Die hohe Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge
gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Ergebnis der
Optimierung des linearen Verstärker-Wirkungsgrads und der Be
schränkung der Raman-Verschiebung der Impulse auf Wellenlän
gen in der Nähe der Wellenlänge der Oszillatorimpulse (inner
halb ungefähr 10 nm gemäß diesem Beispiel). Dies steht im Ge
gensatz zu dem durch Richardson u. a. in "Amplification of
femtosecond pulses in a passive all-fiber soliton source"
(vorstehend diskutierten) berichteten System, in dem eine Ra
man-Verschiebung von 30 nm verwendet wurde. Die Impulsbreite
des Raman-Solitons gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist
eindeutig länger als diejenige gemäß dem ersten Ausführungs
beispiel. Tatsächlich kann wegen der verringerten Nichtlinea
rität des Verstärkers das Raman-Soliton nicht vollständig
entwickelt werden, und eine Impulskompression kann wegen ei
nes großen Umfangs einer Soliton-Kompression von höherer Ord
nung entstehen. Wegen der relativen Unempfindlichkeit von M
auf die Impulsbreite erzeugt jedoch das System gemäß dem
zweiten Ausführungsbeispiel ein höheres M als für das erste
Ausführungsbeispiel.
Der gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen erhal
tene hohe Frequenzumwandlungs-Wirkungsgrad ist auch auf die
Ausbeutung eines allgemeineren Frequenzumwandlungsvorgangs
als nur Frequenzverdopplung zurückzuführen. Zur Verifikation
des Vorhandenseins eines derartigen nichtlinearen Frequenzum
wandlungsvorgangs wurde die Temperatur des PPLN 20 verändert,
während die Spektra bei der Signalwellenlänge und bei der
frequenzverdoppelten Wellenlänge gemessen wurden. Die Ergeb
nisse sind in Fig. 4 abgebildet. Es sei bemerkt, daß wegen
des Vorhandenseins einer Soliton-Kompression mit höherer Ord
nung das Spektrum bei der Signalwellenlänge in zwei Teile mit
einer Verarmung in der Mitte des Spektrums aufgeteilt wird,
was dem Ort des Spektrums des injizierten Oszillatorimpulses
entspricht. Bei T = 162°C wird eine Frequenzumwandlung haupt
sächlich bei der ramanverschobenen Wellenlänge erhalten; bei
T = 100°C wird eine Frequenzumwandlung bei dem Verarmungs
punkt erhalten, wohingegen bei T = 25°C eine Frequenzumwand
lung hauptsächlich an dem blauen Ende des Signalwellenlängen-
Spektrums erhalten wird. Es wurde beobachtet, daß der Umwand
lungs-Wirkungsgrad bei einer frequenzverdoppelten Wellenlänge
an dem Verarmungspunkt am höchsten ist, was eindeutig nicht
allein mit einer einfachen Erzeugung einer zweiten Harmoni
schen erklärt werden kann. Eher erzeugt ein Vorgang wie eine
Summenfrequenzerzeugung die frequenzverdoppelte Wellenlänge.
Jedoch ist derzeit der genaue physikalische Ursprung dieses
Phänomens nicht bekannt. Einige mögliche Erklärungen sind:
die Resonanznatur des Frequenzverdopplungsvorgangs bei der
PPLN, Effekte wegen des Impulschirps, Effekte wegen der kas
kadierten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung in dem Kristall
oder gerade Effekte wegen des Imaginärteils der Nichtlineari
tät zweiter oder dritter Ordnung des PPLN 20 oder eine Wech
selwirkung zwischen Nichtlinearitäten höherer Ordnung in dem
PPLN 20. Nachstehend wird auf diesen nichtlinearen Vorgang
einfach als summenfrequenzerzeugungsähnliche Frequenzumwand
lung (SLF) bezug genommen.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde experimentell be
obachtet, daß die summenfrequenzerzeugungsähnliche Frequen
zumwandlung die Verwendung eines nichtlinearen Kristalls (NC)
mit einer Verdopplungsbandbreite gestattet, die wesentlich
kleiner als die Bandbreite des Soliton-Raman-Kompressors ohne
einen Kompromiß hinsichtlich des Umwandlungs-Wirkungsgrades
bei einer Frequenzverdopplungswellenlänge ist. Dies ist nütz
lich, da es die Steuerung der Impulsbreite der Impulse der
Frequenzverdopplungswellenlänge ohne einen Kompromiß hin
sichtlich der Leistung bei der Frequenzverdopplungswellenlän
ge gestattet. Mit anderen Worten kann der nichtlineare Kri
stall die Leistung bei der Signalwellenlänge effektiv in eine
Frequenzverdopplungswellenlänge durch Entnahme von Energie
aus dem größten Teil des Spektrums bei den Impulsen bei der
Signalwellenlänge (d. h. aus einem Spektrum, das größer als
die spektrale Akzeptanzbandbreite des nichtlinearen Kristalls
ist); daher können Impulse bei der Signalwellenlänge von re
lativ schlechter Qualität zur effektiven Frequenzumwandlung
verwendet werden. Dies ist ein wertvolles Merkmal für die
Entwicklung jeder Verstärker-/Frequenzwandleranordnung, da
dieses Merkmal eine effektive Frequenzumwandlung nicht nur
bei einer einzelnen Signalwellenlänge, sondern in einem in
nerhalb des gesamten Spektralbereichs der Signalwellenlänge
gemäß Fig. 4 abstimmbaren Wellenlängenbereich ermöglicht.
Es ist aufschlußreich, die Nichtlinearität des vorstehend be
schriebenen Verstärkers unter Verwendung von Gleichung (1) zu
berechnen. Für eine eingegebene Impulsbreite τ von 300 fs und
eine Impulsenergie von E = 1,2 nJ wird Φn1 = 16,6 erhalten.
Daher können selbst hochgradig nichtlineare Verstärker (Kom
pressoren) Impulse mit sehr hoher Qualität erzeugen, sobald
eine frequenzverdoppelte Wellenlänge verwendet wird. Dieses
Prinzip wurde durch die vorstehend erwähnten Veröffentlichun
gen von Clark und Nelson u. a. nicht vorgeschlagen.
Außerdem ist es aufschlußreich, das Leistungsvermögen mit ei
nem linearen Verstärker zu vergleichen. Verglichen mit einem
linearen Verstärker wird die Pumpleistung zum Erhalt einer
verstärkten Impulsenergie von 400 pJ verringert, was zu Φn1 ≈
5 führt. Wegen der Eigenphasenmodulation bei dem Verstärker
nimmt die Spektralbreite von ungefähr 8,2 nm (Spitze) bei dem
Oszillator auf 5,7 nm bei dem Verstärker (unten) ab, wie in
Fig. 5 dargestellt ist. Gemäß Fig. 5 wird wie erwartet eine
höhere Spektralqualität von verstärkten Impulsen bei "li
nearen" Verstärkern erhalten.
Nachstehend wird das System gemäß dem dritten Ausführungsbei
spiel beschrieben. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung wird
auch auf das dritte Ausführungsbeispiel angewandt. Gemäß dem
dritten Ausführungsbeispiel wird ein in der Umgebung bestän
diger Oszillator verwendet, der Impulse von 50 pJ mit einer
Wiederholungsrate von 5 MHz erzeugt. Die Impulse haben eine
Bandbreite von 20 nm und sind positiv gechirped, d. h. der
Chirp kann mit einer Länge von ungefähr 8 Metern eines eine
Solitonwelle erlaubenden Lichtwellenleiters (Corning SMF28)
kompensiert werden. Nach der Implementierung einer Chirp-Kom
pensation wurde beobachtet, daß die gemessene Impulsbreite
bei der Signalwellenlänge 190 fs beträgt (wenn man eine Gauß
sche Form annimmt), d. h. fast bandbreitenbegrenzte Impulse
können auf diese Weise nach einer Chirp-Kompensierung erhal
ten werden.
Die Entwicklung des Verstärkersystems gemäß dem dritten Aus
führungsbeispiel ist ähnlich zu denen gemäß den ersten und
zweiten Ausführungsbeispielen beschriebenen abgesehen von den
folgenden Ausnahmen. Der Verstärker-Lichtwellenleiter 11
weist eine numerische Apertur von ungefähr 0,16 und einen
Kerndurchmesser von ungefähr 6 µm auf. Die Verstärkerlänge
beträgt 1,1 m. In den Verstärker wird 90 mW Pumplicht bei 980
nm gepumpt. Ein dispersionskompensierender Lichtwellenleiter
19, der ein Teil von mehreren Metern eines genormten Fernmel
de-Lichtwellenleiters (Corning SMF28) ist, wird zwischen dem
Wellenmultiplex-Koppler 17 und dem Faraday-Rotationsspiegel
19 zur Dispersionskompensation eingefügt. Die gesamte Länge
des Lichtwellenleiters zwischen dem Eingang und dem Ausgang
des Verstärkersystems, über das das übertragene Signallicht
eingestellt wird, wird zum Erhalt einer optimalen Dispersi
onskompensation der Oszillatorimpulse eingestellt. Diese Op
timierung kann durch Messen der Impulsbreite der aus dem Ver
stärker austretenden Impulse mit einem Autokorrelator und
Einstellung der Länge des eingefügten, genormten Fernmelde-
Lichtwellenleiters verifiziert werden, bis eine aus dem Sy
stem austretende, minimale Impulslänge erhalten wird. Während
der Dispersions-Einstellphase wird die Pumpleistung bei dem
Verstärker auf einen Pegel verringert, bei dem jegliche
nichtlinearen Vorgänge in dem Verstärker minimiert werden, so
daß keine Raman-Verschiebung des Signals beobachtet wird.
Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Entwicklung des
Frequenzverdopplersystems identisch mit den vorangegangenen
Ausführungsbeispielen, aber das PPLN 20 mit einer Länge von
nur 600 µm wird verwendet. Das System gemäß dem dritten Aus
führungsbeispiel hat den Vorteil, daß die Dispersion des Ver
stärkersystems auf Null eingestellt und leicht gesteuert wer
den kann, was nützlich beim Erhalt der kürzestmöglichen Im
pulse aus dem Soliton-Raman-Kompressor ist. Da die Impulse
über die gesamte Länge des Verstärkers stark gechirped sind,
treten jegliche Nichtlinearitäten nur in dem letzten Teil des
Verstärkers auf, was beim Erhalt der höchstmöglichen Aus
gangsimpulsenergie aus dem Soliton-Raman-Kompressor vorteil
haft ist.
Bei dem System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden
die Signalimpulse auf eine Leistung von 4 mW verstärkt (eine
Impulsenergie von 800 pJ/Impuls). Nach der Frequenzverdopp
lung werden Impulse von 100 fs mit einer durchschnittlichen
Leistung von 1 mW experimentell bei 790 nm erhalten. Es wurde
ermittelt, daß das Zeit-Bandbreite-Produkt ungefähr 0,50 be
trägt, wenn man Gaußsche Impulse annimmt; daher betrugen die
Impulse innerhalb von 10 bis 20% der Bandbreitengrenze. Dies
demonstrierte die vorteilhafte Wirkung der bei diesem System
implementierten Dispersionseinstellung. Es wurde herausgefun
den, daß der Wirkungsgrad der Frequenzverdopplung 25% be
trägt und niedriger als der ist, der für einen bandbreitenbe
schränkten Signalimpuls von 800 pJ erwartet wird.
Bei sämtlichen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbei
spiele werden relativ hohe Erbium-Dotierpegel zwischen 700
bis 1500 ppm trotz der Abnahme des Quanten-Wirkungsgrades
dieser Arten von Verstärkern verglichen mit niedrigeren Do
tierpegeln implementiert. Diese hohen Dotierpegel gestatten
eine Minimierung der verwendeten Verstärkerlängen. Da Impulse
von 1 nJ mit einer Breite von 100 fs eine Spitzenleistung von
10 kW haben, weisen sie wesentliche Nichtlinearitäten bei nur
20 bis 30 cm Lichtwellenleiter selbst für Verstärker mit gro
ßem Kern auf. Außerdem werden Impulse von 100 fs durch Dis
persion dritter Ordnung in dem Lichtwellenleiter 11 beein
trächtigt. Deswegen ist es vorteilhaft, die Länge des Ver
stärkersystems zur Maximierung der Impulsqualität und zur Mi
nimierung der erhaltbaren Impulsbreite zu minimieren. Allge
mein sollte die Länge des Verstärkersystems jedoch nicht zu
kurz sein, da zumindest der Einsatz der Soliton-Kompression
höherer Ordnung sichergestellt werden muß, damit eine wesent
liche Impulsverkürzung ermöglicht wird. Falls die Nichtlinea
rität des Verstärkers tatsächlich zu klein ist, führt eine
Eigenphasenmodulation bei Lichtwellenleitern mit negativer
Dispersion gemäß Fig. 5 zu einer Impulsverbreiterung.
Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei
spielen sind einige andere Ausführungsbeispiele der Erfindung
möglich. Insbesondere kann eine Dispersionsoptimierung oder
ein Nulldispersionssystem bei den Systemen gemäß dem ersten
oder zweiten Ausführungsbeispiel oder irgendein Verstärkersy
stem verwendet werden. Eine Kombination eines positiven oder
negativen Dispersions-Lichtwellenleiters kann zum Erreichen
einer Dispersionsoptimierung verwendet werden. Gemäß den er
sten und zweiten Ausführungsbeispielen kann ein positivdis
persions-kompensierender Lichtwellenleiter 18 mit einer ge
eigneten Länge zwischen dem Wellenlängenmultiplex-Koppler 17
und dem Faraday-Rotationsspiegel 19 gemäß Fig. 1 eingesetzt
werden.
Außerdem kann ein Einzelstufenaufbau in dem Soliton-Raman-
Kompressor implementiert werden. Eine Systemimplementierung
ist in Fig. 6 abgebildet. Zur Ermöglichung einer vollständi
gen Polarisationsstabilität kann ein polarisationserhaltender
Verstärker (PMA) verwendet werden. Die Polarisation des
Lichts aus dem Oszillator 10 wird dann mit einer der Polari
sationsachsen des polarisationserhaltenden Verstärkers ausge
richtet. Der Polarisationszustand an dem Ausgang wird derart
eingestellt, daß er den höchsten Verdopplungsumwandlungs-Wir
kungsgrad erzielt. Ein polarisationserhaltender Lichtwellen
leiter ist jedoch kein Erfordernis bei einem Einzelstufenauf
bau, da eine Kombination von Wellenplatten an dem Eingang 14,
15 und an dem Ausgang 60 des Soliton-Raman-Kompressors zur
Maximierung des Wirkungsgrades des Frequenzverdopplungsvor
gangs wie in Fig. 6 dargestellt verwendet werden kann. Jedoch
wird eine bessere langfristige und Umgebungs-Stabilität mit
einem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter erwartet.
Außerdem kann auch ein unterschiedlicher Wellenlängenmulti
plex-Koppler 61 (und 62) implementiert werden. Bei den in
Fig. 6 dargestellten Wellenlängenmultiplex-Kopplern 61 und 62
wird das Pumplicht in den Verstärker 11 über eine mikroopti
sche Anordnung gekoppelt, die dichroitische Spiegel beinhal
tet. Derartige Wellenlängenmultiplex-Koppler können tatsäch
lich Freiraum-Ausgänge aufweisen, was bei der Minimierung
jeglicher Kopplerleitungen und optischer Verluste in Verstär
kersystemen nützlich ist. Ein vollständig polarisationsstabi
les System erfordert eindeutig einen polarisationserhaltenden
Lichtwellenleiter über das Verstärkersystem. Die Spleiße zwi
schen unterschiedlichen Abschnitten des polarisationserhal
tenden Lichtwellenleiters sollten sicherstellen, daß die Po
larisationsachsen der Lichtwellenleiter ausgerichtet sind.
Da es vorteilhaft ist, soviel Pumpleistung wie möglich für
den Soliton-Raman-Kompressor erhältlich zu haben, kann mehr
als eine Pumpdiode verwendet werden. Eine Anordnung mit zwei
Pumpdioden 63 und 64 ist ebenso in Fig. 6 dargestellt. Eine
ähnliche Anordnung könnte mit einer Doppelstufe für das
(nicht dargestellte) Signallicht verwendet werden. Außerdem
können Polarisations-Strahlenteiler für das Pumplicht bei den
Wellenlängenmultiplex-Kopplern enthalten sein, damit die Ver
wendung von bis zu vier (nicht dargestellten) Pumpdioden ge
stattet wird.
Zusätzlich zu der Soliton-Kompression höherer Ordnung oder
der Erzeugung von Raman-Solitons können adiabatische Impuls
verstärker auch zur Verkürzung der Impulsbreite aus dem Os
zillator verwendet werden. Zur Sicherstellung der Verstärkung
in der Nähe der Adiabazität wird ein gegengerichtetes, ge
pumptes Verstärkersystem wie in Fig. 7 dargestellt bevorzugt.
Gegengerichtetes Pumpen gestattet eine Zunahme der Verstär
ker-Verstärkung pro Längeneinheit mit einer Abnahme der Im
pulsbreite bei der Abwesenheit einer Verstärkersättigung, was
mit der Adiabazität kompatibel ist. Die Verwendung von pola
risationserhaltenden Lichtwellenleitern ist bei derartigen
Systemen eindeutig vorteilhaft.
Für Anwendungen bei konfokaler Zweiphoton-Mikroskopie ist es
in der Abwesenheit von Beschränkungen hinsichtlich des Scha
dens und des Photobleichens auch nützlich, auf nahezu lineare
Verstärkersysteme zum Erhalt eines hohen Werts M zurückzu
greifen. Wiederum ist in diesem Fall ein gegengerichteter,
gepumpter Verstärker am nützlichsten, da er die Nichtlineari
tät des Verstärkers minimiert, obwohl ein Doppelstufensystem
ebenfalls möglich ist. Das erwartete Leistungsvermögen eines
derartigen Systems kann durch dessen Vergleichen mit dem Sy
stem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel geschätzt werden.
Angenommen, daß ein optimal entwickelter Einzelstufenverstär
ker ungefähr 30% länger als ein Zweistufenverstärker sein
muß, beträgt die optimale Länge des Verstärkers ungefähr L =
3,4 m für einen Einzelstufenverstärker mit einem Er-
Dotierpegel von ungefähr 750 ppm. Unter Verwendung eines
PPLN-Kristalls mit einer Länge von ungefähr 3 mm kann eine
Impulsbreite von ungefähr 500 fs bei der Frequenzverdopp
lungswellenlänge erhalten werden. Da der erwartete Kleinsi
gnal-Verdopplungswirkungsgrad von PPLN ungefähr 95%/ nJ für
einen bandbreitenbegrenzten, sech2-geformten Impuls ist, kann
ein gesamter Verdopplungs-Wirkungsgrad von ungefähr 40% für
derartige Impulse erhalten werden. Daher kann die lineare
Konfiguration gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen
Leistungspegel von 23 mW bei der Frequenzverdopplungswellen
länge erzeugen, einen Wert von M von 30% höher als denjeni
gen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Jedoch berücksich
tigt diese Zahl nicht Impulsverbreiterungseffekte bei "fast
linearen" Verstärkern und eine Verringerung des Frequenzum
wandlungswirkungsgrads wegen der restlichen, kleinen Nichtli
nearität derartiger Systeme. Falls die Verwendung von länge
ren Impulsen bei praktischen, konfokalen Zweiphoton-
Meßsystemen nichtsdestotrotz kompatibel mit Beschränkungen
hinsichtlich des Schadens und des Photobleichens ist, können
längere Impulse bevorzugt werden, da sie das Meßsystem wegen
der verringerten Dispersionsprobleme innerhalb des konfokalen
Mikroskops vereinfachen. Es sei bemerkt, daß das kritische
Element bei einem derartigen System ein sehr wirksamer Ver
stärker mit großem Kern und ein Oszillator ist, der keine ul
trakurzen Impulse erzeugt, sondern eher Impulse mit Breiten
von einigen 100 fs. Natürlich kann eine willkürlich lange Im
pulsbreite aus einem Breitband-Oszillator durch Verwendung
von Spektralfilterung ausgewählt werden. Dies führt jedoch zu
einem Leistungsverlust. Als bessere Alternative kann eine
Einkopplungs-Impulsquelle verwendet werden, die eine Impuls
breite von mehr als 500 fs erzeugt. Die Verwendung von pola
risationserhaltenden Lichtwellenleitern ist bei derartigen
Systemen eindeutig vorteilhaft.
Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben können
Überlängenverstärker bei einem Soliton-Raman-Kompressor zum
Erhalt eines maximalen Verdopplungs-Umwandlungs-Wirkungs
grades verwendet werden. Da dort eine sehr geringe Verstär
kung in dem letzten Abschnitt eines Überlängenverstärkers
vorliegt, kann ein undotierter Lichtwellenleiter 80 in dem
letzten Abschnitt des Soliton-Raman-Kompressors verwendet
werden. Dann kann die Länge des Verstärkers zum Erhalt einer
optimalen Signalverstärkung und daraufhin ein undotierter
Lichtwellenleiter mit großem Kern in den Verstärker-Licht
wellenleiter zum Erhalt eines Soliton-Raman-Kompressorvor
gangs aufgespleißt werden. Eine derartige Anordnung für einen
Einzelstufenverstärker ist in Fig. 8 abgebildet. Ein (nicht
dargestellter) Doppelstufenaufbau kann ebenfalls implemen
tiert werden.
Zur Maximierung des gesamten Wirkungsgrades des gesamten Sy
stems können Verstärker 81 und 82 mit unterschiedlichen Do
tierpegeln (wie auch in Fig. 8 dargestellt) implementiert
werden. Da der Wirkungsgrad von typischen Lichtwellenleiter-
Verstärkern mit einer Abnahme des Dotierpegels bei den vorde
ren Stufen der Verstärkung zunimmt, können niedrige Dotierpe
gel für die Verstärker implementiert werden; da der Signalpe
gel bei den ersten Stufen der Verstärkung gering ist, kann
eine größere Länge des Verstärkers mit einem niedrigen Do
tierpegel toleriert werden.
Zur Erhöhung der erhaltbaren Pumpleistung für den Soliton-
Raman-Kompressor und zur Minimierung der Kosten der Pumpquel
le kann wie in Fig. 9 dargestellt ein Doppelmantel-Licht
wellenleiter 90 implementiert werden. Doppelmantel-Licht
wellenleiter gestatten ein Pumpen des Systems mit Breit
streifen-Diodenanordnungs-Lasern. Der Einfachheit halber ist
nur eine einzelne Stufe in Fig. 9 abgebildet. Zum Ermöglichen
von Mantelpumpen können Er-dotierte oder Er-/Yb-dotierte
Lichtwellenleiter verwendet werden. Die Erweiterung auf eine
Doppelstufe ist aus der vorangehenden Diskussion ersichtlich.
Gemäß Fig. 9 wird die Pumpleistung über eine Endkopplung auf
eine Diodenanordnung 91 über einen dichroitischen Spiegel 92
erzeugt. Jedoch können Multimoden-Lichtwellenleiterkoppler
zur Ausführung dieser Funktion verwendet werden. Alternativ
kann das Seitenkoppeln der Pumpleistung in den
Doppelmantel-Lichtwellenleiter auch implementiert werden.
Da der Soliton-Raman-Kompressor ein hochgradig nichtlineares
System ist, ist auch die Verwendung von Verstärkern oder un
dotierten Lichtwellenleitern mit großem Kern akzeptabel, die
leicht mehrmodig arbeiten. Bei Multimoden-Lichtwellenleitern
werden die Einkoppelbedingungen für den Verstärker-Lichtwel
lenleiter derart ausgewählt, daß vorzugsweise die Grundmode
eingekoppelt wird, obwohl allgemein dann auch Moden höherer
Ordnung erregt werden. Solange die Leistung in der Grundmode
höher als oder vergleichbar mit der Leistung in all den ande
ren Moden ist, beeinflußt der Soliton-Raman-Kompressor die
Grundmode zuerst. Die Raman-Verschiebung der Grundmode kann
dann in Verbindung mit dem Frequenzverdoppler zum Erhalt ei
nes nahezu beugungsbegrenzten Ausgangssignals bei der fre
quenzverdoppelten Wellenlänge implementiert werden. Wiederum
kann auch ein Doppelmantel-Lichtwellenleiter in einem derar
tigen System implementiert werden. Eine einen Multimoden-
Lichtwellenleiter 100 verwendende mögliche Systemimplementie
rung ist in Fig. 10 abgebildet. Fig. 10 zeigt einen Einzel
stufenaufbau, aber ein Doppelstufenaufbau ist auch möglich.
Ein dichroitischer Großspiegel 92 kann zur Kopplung des Pump
lichts aus einer Laserdiode 91 verwendet werden. Es sei je
doch bemerkt, daß Multimoden-Koppler vollständig aus Licht
wellenleitern auch zur Durchführung dieser Funktion verwendet
werden können. Auf gleiche Weise kann auch eine Seitenkopp
lung des Pumplichts implementiert werden.
Außerdem ist wie vorstehend beschrieben die Anwendung eines
Frequenzumwandlungsvorgangs nicht auf Lichtwellenleiter-Ver
stärker oder nichtlineare Lichtwellenleiter-Kompressoren be
schränkt. Im Prinzip kann jede Art eines nichtlinearen Ver
stärkers bei einer Signalwellenlänge mit einer nichtlinearen
Phasenverzögerung Φn1 < 5 (wie vorstehend berechnet) verwen
det werden, und eine Frequenzumwandlung kann dann einen Im
puls mit hoher Qualität bei einer frequenzumgewandelten Wel
lenlänge erzeugen. Eine derartige Systemimplementierung ist
allgemein in Fig. 11 abgebildet. Eine Systemimplementierung
mit einem Verstärker, einem nichtlinearen Kompressor und ei
nem PPLN-Frequenzverdoppler ist in Fig. 12 abgebildet. Natür
lich können der Lichtwellenleiter-Verstärker und der Kompres
sor in ein einzelnes optisches Element kombiniert werden. Auf
gleiche Weise könnten ein nichtlinearer Verstärker und ein
linearer oder nichtlinearer Kompressor verwendet werden.
Wie vorstehend beschrieben ist die Verwendung eines PPLN für
derartige Systeme besonders vorteilhaft, da der PPLN nicht
kritisch phasenangepaßt ist und eine sehr effektive Frequen
zumwandlung gestattet. Die Auswahl eines PPLN-Kristalls oder
eines Frequenzwandlers mit einer Akzeptanzbandbreite bei der
Signalwellenlänge von weniger als der Bandbreite der Quelle
bei der Signalwellenlänge ist dann zur Erzeugung der Impulse
mit der höchstmöglichen Qualität mit dem höchstmöglichen Um
wandlungs-Wirkungsgrad vorteilhaft.
Darüber hinaus kann das Prinzip der Verwendung eines Frequen
zwandlers mit einer Akzeptanzbandbreite bei der Signalwellen
länge von weniger als der Bandbreite bei der Signalwellenlän
ge zur Frequenzumwandlung bei jeder Quelle von kurzen Impul
sen angewandt werden. Eine derartige Systemimplementierung
ist in Fig. 13 abgebildet. Wie vorstehend beschrieben ist die
Verwendung eines PPLN für derartige Systeme besonders vor
teilhaft, da der PPLN nicht kritisch phasenangepaßt ist und
eine Steuerung der Akzeptanzbandbreite einfach durch Steue
rung der Länge des Kristalls gestattet. Ein derartiger Ab
stimmbereich ist dann durch Auswahl des PPLN mit unterschied
lichen Polperioden oder durch Veränderung der Temperatur des
PPLN erreichbar. Alternativ könnte jeder Typ eines periodisch
gepolten nichtlinearen Kristalls zur Ausführung der Funktion
der Frequenzumwandlung verwendet werden.
Eine Vorrichtung erzeugt Femtosekunden-Impulse aus Laserver
stärkern durch nichtlineare Frequenzumwandlung. Die Implemen
tierung einer nichtlinearen Frequenzumwandlung gestattet die
Entwicklung von hochgradig nichtlinearen Verstärkern bei ei
ner Signalwellenlänge (SW), während ein Impuls mit hoher Qua
lität bei ungefähr einer frequenzverdoppelten Wellenlänge
(FDW) noch beibehalten wird. Eine nichtlineare Frequenzum
wandlung wird auch für eine begrenzte Wellenlängenabstimmung
der frequenzverdoppelten Wellenlänge gestattet. Beispielswei
se wird das Ausgangssignal aus einem nichtlinearen Lichtwel
lenleiter-Verstärker frequenzgewandelt. Durch Steuerung des
Polarisationszustands des nichtlinearen Lichtwellenleiter-
Verstärkers und durch Betrieb des die Solitonwelle gestatten
den Dispersionsbereichs des Grundglases wird eine effektive
nichtlineare Impulskompression für die Signalwellenlänge er
halten. Die erzeugte Impulsbreite wird durch Verwendung von
Soliton-Kompression bei dem Vorhandensein der Raman-Eigenfre
quenzverschiebung in dem nichtlinearen Lichtwellenleiter-Ver
stärker bei der Signalwellenlänge optimiert. Hochleistungs-
Impulse werden durch Einsatz von Lichtwellenleiter-Ver
stärkern mit großen Kerndurchmessern erhalten. Der Wirkungs
grad des nichtlinearen Lichtwellenleiter-Verstärkers wird
durch Verwendung eines Doppelmantel-Lichtwellenleiters (d. h.
eines Lichtwellenleiters mit einem Doppelstufenprofil des
Brechungsindexes) und durch Pumpen von Licht direkt in den
Innenkern dieses Lichtwellenleiters optimiert. Periodisch ge
poltes LiNbO3 (PPLN) wird zur effektiven Umwandlung der
Signalwellenlänge auf eine Frequenzverdopplungswellenlänge
verwendet. Die Qualität der Impulse bei der Frequenzverdopp
lungswellenlänge kann durch nichtlineare Frequenzumwandlung
der komprimierten und ramanverschobenen Signalimpulse bei der
Signalwellenlänge weiter verbessert werden. Die Verwendung
der Raman-Verschiebung verbessert den Abstimmbereich bei der
Frequenzverdopplungswellenlänge weiter. Für Anwendungen bei
konfokaler Mikroskopie wird ein besonderer linearer Lichtwel
lenleiter-Verstärker verwendet.
Claims (48)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Im
pulsen, gekennzeichnet durch
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von Signallicht,
einen nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung, der das durch die opti sche Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt, und
einen Frequenzwandler (20), der aus dem nichtlinearen Ver stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebene optische Impulse empfängt, wobei der Frequenzwandler (20) die optischen Hochlei stungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von Signallicht,
einen nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung, der das durch die opti sche Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt, und
einen Frequenzwandler (20), der aus dem nichtlinearen Ver stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebene optische Impulse empfängt, wobei der Frequenzwandler (20) die optischen Hochlei stungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwi
schen der optischen Quelle (10) und dem nichtlinearen Verstärker
(11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordnete Polarisations-Steuerein
richtung (14, 15), wobei die Polarisations-Steuereinrichtung
(14, 15) den Polarisationszustand des durch den nichtlinearen
Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) empfangenen Signallichts
einstellt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Polarisations-Steuereinrichtung Wellenplatten (14, 15) aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
optische Quelle (10) einen Lichtwellenleiter-Oszillator auf
weist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen Verstär
ker-Lichtwellenleiter (11; 81; 82; 100) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verstärker-Lichtwellenleiter (11) mit seltenen Erden dotiert
ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verstärker-Lichtwellenleiter (11) mit Er3+, ErYb⁺, PrTm oder Ho
dotiert ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) eine nu
merische Apertur (NA) von weniger als 0,15 aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) eine
Kernfläche von mehr als 50 µm2 aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) eine Im
pulskompression ausführt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen So
liton-Raman-Kompressor (SRC) aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Im
pulskompressor zur Komprimierung der aus dem nichtlinearen Ver
stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebenen optischen Impul
se.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Impulskompressor ein Soliton-Raman-Kompressor (SRC) ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Frequenzwandler (20) einen periodisch gepolten Kristall auf
weist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
der periodisch gepolte Kristall (20) einen periodisch gepolten
Lithium-Niobat-Kristall (PPLN) aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) in einem Dop
pelstufenaufbau angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Fa
raday-Rotationsspiegel (19), eine Lichtwellenleiter-Polari
sations-Steuereinrichtung oder eine λ/4-Wellenplatte, die an ei
nem Ende des nichtlinearen Verstärkers (11, 18; 81, 82; 90; 100)
angeordnet ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwi
schen der optischen Quelle (10) und dem nichtlinearen Verstärker
(11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordneten Isolator (12).
19. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an
einem Ausgang des nichtlinearen Verstärkers (11, 18; 81, 82; 90;
100) angeordneten Polarisations-Strahlenteiler (13).
20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) in einem Ein
zelstufenaufbau angeordnet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit
dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) über ei
nen ersten Wellenlängenmultiplex-Koppler (17; 61) gekoppelte er
ste Pumpe (16; 63), wobei die erste Pumpe (16; 63) Pumplicht für
den nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine über
einen zweiten Wellenlängenmultiplex-Koppler (62) an den nichtli
nearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) gekoppelte zweite
Pumpe (64), wobei die zweite Pumpe (64) Pumplicht für den nicht
linearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugt.
23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) ein pola
risationserhaltender Lichtwellenleiter ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwi
schen der optischen Quelle (10) und dem nichtlinearen Verstärker
(11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordnete erste Polarisations-
Steuereinrichtung (14, 15) und eine zweite Polarisations-Steuer
einrichtung (60) an einem Ausgang des nichtlinearen Verstärkers
(11, 18; 81, 82; 90; 100).
25. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen gegenge
richteten, gepumpten Verstärker aufweist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ein Überlän
genverstärker ist und einen undotierten Lichtwellenleiter (80)
an dessen Ausgangsende aufweist.
27. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (81, 82) einen ersten Verstärker-Licht
wellenleiter (81) mit einer ersten Dotierung und einen zweiten
Verstärker-Lichtwellenleiter (82) mit einer zweiten Dotierung
aufweist.
28. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen mit ei
nem Diodenanordnungs-Laser (91) gepumpten Doppelmantel-Lichtwel
lenleiter (90) aufweist.
29. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
Pumplicht und das Signallicht direkt in einen Innenkern des Dop
pelmantel-Lichtwellenleiters (90) eingekoppelt werden.
30. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen Multimo
den-Verstärker-Lichtwellenleiter (100) aufweist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen disper
sionskompensierenden Lichtwellenleiter (18) aufweist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dis
persionskompensierenden Lichtwellenleiter (18).
33. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei
ne spektrale Akzeptanzbandbreite des Frequenzwandlers (20) klei
ner als ein Wert des Spektrums der aus dem nichtlinearen Ver
stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebenen optischen Impulse
ist, wobei der Frequenzwandler (20) Energie aus einem Abschnitt
des Spektrums der aus dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81,
82; 90; 100) ausgegebenen optischen Impulse, der größer als die
spektrale Akzeptanzbandbreite ist, in die spektrale Akzeptanz
bandbreite umwandelt.
34. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Im
pulsen, gekennzeichnet durch
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen und
einen Frequenzwandler (20), der durch den nichtlinearen Ver stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugte optische Impulse emp fängt und optische Hochleistungs-Impulse mit einer frequenzumge wandelten Wellenlänge erzeugt, wobei eine spektrale Akzeptanz bandbreite des Frequenzwandlers (20) geringer als ein Wert des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10) ist, und wobei der Frequenzwandler (20) Energie aus einem Ab schnitt des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10), der größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite ist, in die spektrale Akzeptanzbandbreite umwandelt.
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen und
einen Frequenzwandler (20), der durch den nichtlinearen Ver stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugte optische Impulse emp fängt und optische Hochleistungs-Impulse mit einer frequenzumge wandelten Wellenlänge erzeugt, wobei eine spektrale Akzeptanz bandbreite des Frequenzwandlers (20) geringer als ein Wert des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10) ist, und wobei der Frequenzwandler (20) Energie aus einem Ab schnitt des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10), der größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite ist, in die spektrale Akzeptanzbandbreite umwandelt.
35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß
der Frequenzwandler (20) periodisch gepolt ist.
36. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impu
lsen, gekennzeichnet durch
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung eines Signallichts,
einen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100), der das durch die optische Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt,
einen nichtlinearen Kompressor, der durch den nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugte optische Impulse empfängt, und
einen periodisch gepolten Frequenzwandler (20), der durch den nichtlinearen Kompressor komprimierte optische Impulse emp fängt und die optischen Hochleistungs-Impulse mit einer frequen zumgewandelten Wellenlänge erzeugt.
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung eines Signallichts,
einen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100), der das durch die optische Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt,
einen nichtlinearen Kompressor, der durch den nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugte optische Impulse empfängt, und
einen periodisch gepolten Frequenzwandler (20), der durch den nichtlinearen Kompressor komprimierte optische Impulse emp fängt und die optischen Hochleistungs-Impulse mit einer frequen zumgewandelten Wellenlänge erzeugt.
37. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Im
pulsen, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (10) zur Erzeugung von Signallicht,
eine Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung des Signallichts und
eine Einrichtung (20) zur Frequenzumwandlung von durch die Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstär kung erzeugten optischen Impulsen, wobei die Einrichtung (20) zur Frequenzumwandlung die optischen Hochleistungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.
eine Einrichtung (10) zur Erzeugung von Signallicht,
eine Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung des Signallichts und
eine Einrichtung (20) zur Frequenzumwandlung von durch die Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstär kung erzeugten optischen Impulsen, wobei die Einrichtung (20) zur Frequenzumwandlung die optischen Hochleistungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.
38. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein
richtung (60) zur Steuerung des Polarisationszustands des Si
gnallichts.
39. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein
richtung zur Komprimierung der durch die Einrichtung (11, 18;
81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung erzeugten opti
schen Impulse.
40. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein
richtung zur Reflexion von optischen Impulsen durch die Einrich
tung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung,
wodurch ein Doppelstufenaufbau erzeugt wird.
41. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein
richtung (16; 63) zum Pumpen von Pumplicht in die Einrichtung
(11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung.
42. Verfahren zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-
Impulsen, gekennzeichnet durch die Schritte
Erzeugen eines Signallichts,
nichtlineares Verstärken des Signallichts zur Erzeugung von verstärkten optischen Impulsen und
Umwandeln der Frequenz der verstärkten optischen Impulse zur Erzeugung der optischen Hochleistungs-Impulse.
Erzeugen eines Signallichts,
nichtlineares Verstärken des Signallichts zur Erzeugung von verstärkten optischen Impulsen und
Umwandeln der Frequenz der verstärkten optischen Impulse zur Erzeugung der optischen Hochleistungs-Impulse.
43. Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt
des Steuerns des Polarisationszustands des Signallichts.
44. Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt
des Komprimierens der optischen Impulse.
45. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die
optischen Impulse während des Schritts des nichtlinearen Ver
stärkens komprimiert werden.
46. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Doppelmantel-Lichtwellenleiter (90) eine nichtlineare Verstär
kung ausführt.
47. Verfahren nach Anspruch 46, gekennzeichnet durch den Schritt
des Einkoppelns von Pumplicht und des Signallichts direkt in ei
nen inneren Kern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (90)
48. Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt
des Reflektierens der optischen Impulse durch einen Verstärker-
Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100), wodurch eine Dop
pelstufenkonfiguration erzeugt wird.
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