DE19944913B4

DE19944913B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Pulsdauermessung sehr kurzer Lichtimpulse

Info

Publication number: DE19944913B4
Application number: DE1999144913
Authority: DE
Inventors: Dr. Feurer Thomas; Dipl.-Phys. Hacker Martin
Original assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Current assignee: Carl Zeiss Meditec AG
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2019-09-14
Also published as: DE19944913A1

Abstract

Verfahren zur Pulsdauermessung sehr kurzer Lichtimpulse, insbesondere zur Pulsdauermessung von Femto- und Pikosekundenlaserimpulsen, mit einer Strahlteilung, dadurch gekennzeichnet, daß Teilstrahlen gleicher optischer Eigenschaften und ohne Zeitverzögerung getrennt hinsichtlich Impulskennwerten detektiert werden, die jeweils unterschiedlich von der Impulsdauer der auszuwertenden Lichtimpulse abhängen und daß die Detektorsignale der Teilstrahlen im Verhältnis zueinander ausgewertet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Pulsdauermessung sehr kurzer Lichtimpulse, insbesondere zur Pulsdauermessung von Femto- und Pikosekundenlaserimpulsen.
Ultrakurze Lichtimpulse spielen vor allem in der Forschung bei der Beobachtung extrem schneller Vorgänge eine entscheidende Rolle. Außerdem können durch ultrakurze Laserpulse mit relativ moderaten Energien extrem hohe Intensitäten erzielt werden. Nahezu alle photochemischen Reaktionen sowie ein großer Teil der Dynamik von Ladungsträgern in Festkörpern und Halbleitern laufen auf einer Zeitskala von wenigen zehn bis hundert Femtosekunden ab. Um diese Vorgänge in Echtzeit beobachten zu können, ist eine Blitzquelle notwendig, deren Pulsdauer kürzer als die zu beobachtenden Vorgänge ist.
Ein zweites großes Anwendungsgebiet in der Grundlagenforschung für Ultrakurzpulslaser ist die Hochintensitätsphysik. Nur durch den Einsatz derartiger Laser ist es möglich geworden, extreme Intensitäten zu erzeugen. Damit ist es zum Beispiel möglich, kurzzeitig Situationen zu erzeugen, wie sie im Inneren eines Sternes auftreten. Es zeichnen sich aber auch immer mehr industrielle Nutzungsmöglichkeiten ab, die ultrakurze Laserimpulse nutzen, wie z. B. Laser-Material-Bearbeitung, Informationsübertragung über Glasfaserkabel, Mehrphotonenmikroskopie und anderes mehr. Für alle Anwendungen werden Diagnosegeräte benötigt zur schnellen und zuverlässigen Messung bzw. Anzeige der Pulsdauer dieser Laserimpulse.
Die Vermessung optischer Lichtimpulse hinsichtlich ihres zeitlichen Verlaufs zum Zweck der Ermittlung der Pulsdauer kann bis zu einer Dauer von etwa 10 ps herab mittels schneller Photodetektoren und Oszilloskope direkt erfolgen, unterhalb dieser Grenze bis etwa 0,5 ps mittels Streakkameras und im Pikosekunden- und Subpikosekundenbereich indirekt über Korrelationsverfahren, wie Auto- oder Kreuzkorrelation.
Bei den Korrelationsverfahren wird eine mit der zeitlichen Struktur des Pulses in Beziehung stehende Korrelationsfunktion ermittelt, aus der mit Hilfe von mathematischen Transformationen der zeitliche Verlauf mit von der jeweiligen Methode abhängiger Qualität rekonstruiert werden kann.
Solche Korrelationsfunktionen werden bei geeigneter Überlagerung zweier Anteile des zu vermessenden Pulses (Autokorrelation) oder des Pulses mit einem zweiten optischen Puls (Kreuzkorrelation) und anschließender Registrierung durch einen Strahlungsdetektor mit nichtlinearer Charakteristik erhalten bzw. ergeben sich durch Umwandlung der überlagerten Pulse oder Pulsanteile in einem nichtlinearen optischen Medium (optischer Effekt zweiter oder höherer Ordnung) und anschließender Registrierung durch einen Detektor mit linearer Charakteristik.
Generell kann bei geeigneter Überlagerung von Pulsen oder Pulsanteilen und Registrierung des Signals eines nichtlinearen optischen Effektes, wie z. B. auch Zwei- bzw. Mehrphotonenleitfähigkeit oder Zwei- bzw. Mehrphotonenionisation, eine Korrelationsfunktion gewonnen werden.
Beispiele für die Anwendung nichtlinearer optischer Medien in Kombination mit linearen Detektoren in Korrelatoren sind die US-Patentschriften 4.973.160 , 4.472.053 , 5.033.853 , 5.299.170 und 5.461.234 . Bei einigen Verfahren, wie in der US-PS 5.754.292 bzw. dem FROG-Verfahren (frequency resolved optical gating), werden die optisch umgewandelten Pulsanteile zur Gewinnung zusätzlicher Phaseninformationen frequenzaufgelöst registriert, wobei statt des einfachen linearen Detektors ein Spektrometer mit einem Array linearer Detektoren angewendet wird.
Korrelationsverfahren unter Anwendung nichtlinearer optischer Medien sind besonders empfindlich gegenüber Dejustierung und Änderung des Polarisationszustandes oder der Wellenlänge der untersuchten Laserpulse. Die verwendeten Kristalle sind meist teuer, sehr dünn, zerbrechlich und oft empfindlich gegenüber Luftfeuchtigkeit.
Anwendungen nichtlinearer Detektoren in Korrelatoren sind beispielsweise in den US-Patentschriften 4.693.599 , 5.068.525 und 5.900.624 sowie in der Publikation von T. Feurer, A. Glass and R. Sauerbrey: Two-photon photoconductivity in SiC photodiodes and its application to autocorrelation measurements of femtosecond optical pulses, Rapid communication, Appl. Phys. B 65 (1997), 295–297 beschrieben.
Die auf diesen Grundlagen beruhenden Korrelationsverfahren unterscheiden sich danach, ob die Vermessung eines einzelnen Pulses möglich ist (Einzelschußverfahren) oder ob die Auswertung einer Anzahl von Pulsen zur Ermittlung der Korrelationsfunktion notwendig ist (Multischußverfahren).
Bei den Multischußverfahren (beispielsweise US 5.299.170 , US 5.033.853 , US 4.973.160 , US 5.461.234 und US 5.068.525 ) wird die Überlagerung der Pulse oder Pulsanteile hinsichtlich ihres zeitlichen Abstandes voneinander von Puls zu Puls variiert. Diese Verfahren sind durch die Notwendigkeit vieler Messungen bei verschiedenen zeitlichen Abständen relativ langsam und durch den notwendigen Einsatz beweglicher Komponenten, wie Translationstische oder rotierende Spiegel, sehr aufwendig.
Bei den Einzelschußverfahren (beispielsweise US 4.693.599 , US 4.472.053 , US 5.900.624 und US 5.754.292 ) wird durch optische Hilfsmittel die zeitliche Verzögerung auf eine räumliche Dimension projiziert, weshalb durch gleichzeitige, ortsauflösende Detektion eine Ermittlung der Korrelationsfunktion nach einem Einzelschuß möglich ist. Nachteile dieser Verfahren sind die aufwendige ortsaufgelöste Detektion und die nachfolgende komplizierte Erfassung und Verarbeitung der dabei produzierten Datenmengen.
Den beschriebenen Korrelationsverfahren ist gemein, daß entweder eine variierbare zeitliche Verzögerung zwischen zwei optischen Pulsen oder aber eine ortsauflösende Detektion realisiert werden muß. Generell muß selbst für die alleinige Ermittlung der Pulsdauer eine Korrelationsfunktion, d. h. eine bestimmte Anzahl von Meßpunkten, aufgezeichnet und ausgewertet werden, was einen beträchtlichen Aufwand nach sich zieht. Die Aufbauten zur Pulskorrelation zeigen eine relativ hohe Empfindlichkeit gegenüber Dejustierung, Änderung des Polarisationszustandes der untersuchten Strahlung und mechanische oder thermische Störungen (Erschütterungen, Klimaschwankungen). Sie sind, insbesondere bei Notwendigkeit spektraler Filter, nur auf eine bestimmte Laserwellenlänge festgelegt bzw. erfordern einen hohen Justageaufwand bei Änderung der untersuchten Laserwellenlänge.
Bei Laser, die neben Strahlung bei der Laserwellenlänge auch solche bei der zweiten Harmonischen emittieren, bietet sich die Möglichkeit einer Ermittlung der Pulsdauer ohne Aufnahme einer Korrelationsfunktion (z. B. US 4.772.118 ). Die Vorgehensweise besteht darin, daß zwei von einem Laser gleichzeitig emittierte Strahlungen bei verschiedenen Wellenlängen getrennt mit zwei linearen Detektoren registriert werden und aus dem Vergleich der Signale auf die vorliegende Pulsdauer geschlossen wird. In diesen Fällen ist das aktive Medium des Lasers gleichzeitig das sonst zur Erzeugung der zweiten Harmonischen notwendige nichtlineare optische Element. Allerdings wird hierbei die vorgenannte besondere Eigenschaft einer speziellen Art von Laser zur Ermittlung der Dauer der dort generierten Pulsen genutzt, so daß dieses Verfahren auf die Anwendung dieses Lasertyps beschränkt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Pulsdauer sehr kurzer Lichtimpulse möglichst aufwandgering und mit hoher Genauigkeit zu messen.
Insbesondere soll die Messung sowohl unter geringem Apparate- und bedienungstechnischen Aufwand, einschließlich erforderlicher Justierung, mit einem robusten und unempfindlichen, kleinen sowie handlichen Meßsystem für universellen, mobilen Einsatz sowie Verwendung für einen möglichst uneingeschränkten Spektralbereich und Polarisationszustand der Lichtimpulse durchführbar sein.
Erfindungsgemäß werden nicht zwei in ihrer Phasenlage oder in ihren optischen Eigenschaften, beispielsweise durch ein Kristall, unterschiedlich beeinflußte Teilstrahlen ausgewertet, sondern die unverzögerten und in ihren optischen Eigenschaften nicht beeinflußten Teilstrahlen werden jeweils nach Impulskennwerten, die unterschiedlich von der Impulsdauer der auszuwertenden Impulse abhängen, detektiert. Die Detektorsignale werden zum Zweck einer Quotientenbildung in einer Auswertestufe zueinander ins Verhältnis gesetzt. Damit ergibt sich die Möglichkeit eines sehr aufwandgeringen, Meßsystems, das ohne erforderliche Änderungen der optischen Eigenschaften (z. B. durch nichtlineare Elemente) und der Phasenlage des zu untersuchenden Lichtstrahls oder von Teilen davon auskommt und das durch die Quotientenbildung eine relativ einfache und rechentechnisch realisierbare Auswertung gestattet. Es entfallen im Gegensatz zum Stand der Technik aufwendige Justierungen, um mögliche Fehler auszuschließen oder zu minimieren, so daß ein universell anwendbares, robustes und unempfindliches Gerät zur Messung der Impulsdauer von Lichtimpulsen jeden Lasertyps geschaffen werden kann, welches auch für den mobilen Einsatz ohne erforderliche Vorbereitungs-, Justier- und Einrichtungszeiten geeignet ist. Insbesondere werden im Vergleich zu Multischußverfahren keine beweglichen Komponenten benötigt; und es sind auch, wie bei anderen bekannten Einzelschußverfahren, keine ortsauflösende Detektorenfelder erforderlich, sondern lediglich zwei Lichtempfänger. Bei geeigneter Erzeugung der erwähnten Teilstrahlen, z. B. geometrische Strahlteilung, wird eine Unempfindlichkeit gegenüber dem Polarisationszustand des zu vermessenden Lichtstrahles erreicht. Ferner werden keine spektralen Filter, wie optische Farbfiltergläser oder Interferenzfilter, und auch keine nichtlineare optische Medien benötigt, die den nutzbaren Wellenlängen- und Intensitätsbereichs einschränken und die Meßgenauigkeit durch das Auftreten unerwünschter nichtlinearer Effekte, z. B. in Farbfiltergläsern, als Fehlerquelle beeinträchtigen. Da keine nichtlinearen optischen Kristalle eingesetzt werden müssen, ist erstens kein mit einer Änderung der Schwerpunktwellenlänge verbundener Justageaufwand erforderlich, und zweitens werden die mechanische Robustheit erhöht und auch eine vergrößerte Unempfindlichkeit gegenüber Luftfeuchtigkeit erreicht.
Sind die Wellenlängen- und Intensitätsabhängigkeiten der Signale von den verwendeten Detektoren bekannt und gehen diese in die erwähnte Quotientenbildung zur Berechnung der gesuchten Pulsdauer ein, so ist der nutzbare Wellenlängenbereich lediglich durch die elektronische Bandstruktur der in den Detektoren verwendeten (Halbleiter-)Materialien begrenzt.
Bei Verfügbarkeit von Detektoren, die eine Zweiphotonenanregung über verschiedene Wellenlängenbereiche erlauben, läßt sich der nutzbare Wellenlängenbereich durch einen unproblematischen Austausch der Detektoren und unter Berücksichtigung bei der Quotientenbildung ohne zusätzlichen Justageaufwand variieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der erste Teilstrahl durch eine Photodiode detektiert, deren Bandlücke eine Einphotonenanregung erlaubt. Im anderen Teilstrahl ist zur Detektion eine Photodiode eingesetzt, deren Bandlücke eine Mehrphotonenanregung erfordert. Die detektierten Empfängersignale sind unterschiedliche Funktionen der Intensität des Lichtimpulses. Durch einfache, geeignet gewählte Quotientenbildung wird aus den beiden detektierten Empfängersignalen die Impulsdauer bestimmt. Die Quotientenbildung kann sowohl analog als auch digital in einem geeigneten Rechenwerk durchgeführt werden.
In den Unteransprüchen sind weitere Ausführungsformen der Erfindung genannt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
1: Prinzipdarstellung der Meßvorrichtung
2: spezieller Meßaufbau zur Impulsbreitenmessung
In 1 ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung in ihrem Prinzipaufbau dargestellt. Ein in seiner Impulsbreite auszuwertender Lichtstrahl 1, wird durch einen Strahlteiler 2 in zwei Teilstrahlen 3, 4 aufgespaltet, die jeweils durch einen Lichtempfänger 5, 6 detektiert werden. Von den Lichtempfänger 5, 6 gelangen Detektorausgangssignale 7, 8 jeweils zu einem Verstärker 9, 10, deren ausgangsseitige und verstärkte Detektorsignale 11, 12 einer Auswertestufe 13 zugeführt werden.
Die 2 zeigt einen konkreten Meßaufbau, bestehend aus einer unbeschichteten Glasplatte 14 als Strahlteiler 2 (vgl. 1), einer Photodiode 15 mit linearer und einer Photodiode 16 mit quadratischer Abhängigkeit des Signals von der Intensität des auszuwertenden Lichtstrahls 1, einer den Lichtstrahl 1 fokussierenden Linse 17 zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Meßsystems, einer als geometrischer Abschwächer fungierenden Lochblende 18 und einer aus einem für den Lichtstrahl 1 undurchlässigen Material bestehenden monolithischen Halterung 19.
Für Laserpulse im nahen Infrarot bei etwa 800 nm kann für die lineare Photodiode 15 beispielsweise eine Siliziumphotodiode und für die Photodiode 16 mit quadratischer Charakteristik eine Siliziumkarbidphotodiode verwendet werden.
Der auszuwertende Lichtstrahl 1 wird zunächst mittels der Glasplatte 14 in zwei Teilstrahlen (vgl. Teilstrahlen 3, 4 in 1) zerlegt. Der von der Glasplatte 14 reflektierte Teilstrahl wird wegen der gegenüber der Photodiode 16 im allgemeinen wesentlich größeren Empfindlichkeit der Photodiode 15 dann mittels der Lochblende 18 geschwächt und anschließend von der Photodiode 15 detektiert. Deren Einphotonensignal wird in ein elektrisches Signal E₁ gewandelt. Der von der Glasplatte 14 transmittierte Strahlanteil trifft direkt auf die Photodiode 16, und deren Zweiphotonensignal wird in ein elektrisches Signal E₂ gewandelt.
Die von den Photodioden 15, 16 erzeugten elektrische Signale E₁, E₂ (vgl. Detektorsignale 7, 8 in 1), werden jeweils durch die elektronischen Verstärker 9, 10 zu elektrischen Signalen S1, S2 verstärkt und äquivalent den verstärkten Detektorsignalen 11, 12 in 1 der Auswertestufe 13 (Signalerfassungs- und -verarbeitungseinheit) zugeführt. In dieser wird die gesuchte Pulsdauer τ durch Quotientenbildung der Signale S₁, S₂ nach folgender Formel ermittelt:
Der Vorfaktor F_λ ist von den eingestellten Verstärkungsfaktoren der elektronischen Verstärker 9, 10 und von den spektralen Empfindlichkeiten der verwendeten Photodioden 15, 16 abhängig. Er läßt sich für jede Schwerpunktwellenlänge z. B. durch eine einzige Kalibrierungsmessung mit Lichtimpulsen bekannter Dauer ermitteln.
Bezugszeichenliste

1: Lichtstrahl
2: Strahlteiler
3, 4: Teilstrahl
5, 6: Lichtempfänger
7, 8: Detektorsignal
9, 10: Verstärker
11, 12: verstärktes Detektorsignal
13: Auswertestufe
14: Glasplatte
15, 16: Photodiode
17: Linse
18: Lochblende
19: monolithische Halterung
E₁, E₂, S₁, S₂: elektrisches Signal

Claims

Verfahren zur Pulsdauermessung sehr kurzer Lichtimpulse, insbesondere zur Pulsdauermessung von Femto- und Pikosekundenlaserimpulsen, mit einer Strahlteilung, dadurch gekennzeichnet, daß Teilstrahlen gleicher optischer Eigenschaften und ohne Zeitverzögerung getrennt hinsichtlich Impulskennwerten detektiert werden, die jeweils unterschiedlich von der Impulsdauer der auszuwertenden Lichtimpulse abhängen und daß die Detektorsignale der Teilstrahlen im Verhältnis zueinander ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Teilstrahlen nach mindestens einem Impulskennwert detektiert wird, der abhängig von der Impulsdauer ist, und daß der andere Teilstrahl nach mindestens einem Impulskennwert, beispielsweise der Impulsenergie, detektiert wird, der unabhängig von der Impulsdauer ist.
Vorrichtung zur Pulsdauermessung sehr kurzer Lichtimpulse, insbesondere zur Pulsdauermessung von Femto- und Pikosekundenlaserimpulsen, mit einem Strahlteiler zur Aufteilung des auszuwertenden Lichtstrahls in zwei zu detektierende Teilstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtempfänger (5, 6) mit jeweils von der Impulsdauer unterschiedlich abhängigen Ausgangssignalen (7, 8) für die durch den Strahlteiler (2) getrennten unverzögerten sowie gleiche optische Eigenschaften aufweisenden Teilstrahlen (3, 4) vorgesehen sind, und daß die Lichtempfänger (5, 6) mit einer Auswertestufe (13) zur Quotientenbildung der Ausgangssignale (7, 8) der Lichtempfänger (5, 6) in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtempfänger (5, 6) Detektoren unterschiedlicher Abhängigkeit von der Strahlungsintensität verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Lichtempfänger (5, 6) durch eine Photodiode (15) mit einer Einphotonenanregung realisiert ist und daß als anderer Lichtempfänger (5, 6) eine Photodiode (16) verwendet wird, deren Bandlücke eine Mehrphotonenanregung erfordert.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfänger (5, 6) jeweils über einen Verstärker (9, 10) mit der Auswertestufe (13) in Verbindung stehen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlteiler (2) ein unbeschichtetes oder mit metallischen oder dielektrischen Schichten beschichtetes Glas- oder Kristallsubstrat verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlteiler (2) ein optisches Element mit geometrischer Strahlteilung verwendet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (2), die Lichtempfänger (5, 6) und die Auswertestufe (13) als integrierter Baustein ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtempfänger (5, 6) zwei im ungeteilten Lichtstrahl (1) angeordnete Miniatursensoren verwendet werden, die gleichzeitig die Funktion des Strahlteilers (2) erfüllen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder beide Lichtempfänger (5, 6) zur Variation des Wellenlängenbereichs austauschbar gestaltet sind.