DE2900728A1

DE2900728A1 - Verfahren und einrichtung zum erzeugen von ultrakurzen laserimpulsen

Info

Publication number: DE2900728A1
Application number: DE19792900728
Authority: DE
Inventors: Zsolt Dipl Phys Dr Bor; Fritz Peter Prof Dipl Schaefer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1980-07-24
Also published as: US4479220A; DE2900728C2; GB2039411B; FR2446549B3; FR2446549A1; GB2039411A

Description

,1&4m, 197S

10464 Dr.v.B/E

Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung

der Wissenschaften e.V. Bunsenstraße 10, 3400 Göttingen

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen von ultrakurzen Laserimpulsen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung Einrichtungen zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

In der Wissenschaft und Technik werden häufig ultrakurze Laserstrahlungsimpulse benötigt. Als ultrakurze Laserstrahlungsimpulse werden in der Literatur im allgemeinen Impulse mit einer Halbwertsdauer unter etwa 100 ps bezeichnet, diese Definition soll auch hier gelten.

Bei den bekannten Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserimpulse entstehen lange Impulszüge, in denen die einzelnen ultrakurzen Impulse Abstände von einigen Nanosekunden haben, die der Umlaufzeit der Strahlung im Laserresonator entsprechen. Für eine ganze Reihe von Anwendungen werden jedoch Strahlungsimpulszüge benötigt, bei denen die einzelnen ultrakurzen Impulse mit wesentlich größeren Abständen aufeinanderfolgen, z.B. typischerweise mit Abständen, entsprechend einer Impulsfolgefrequenz von etwa 1 Hz bis 20 kHz. Solche Impulszüge mit Impulsfolgefrequenzen unter einem MHz,

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insbesondere unter 100 kHz sollen im folgenden als aus "einzelnen" ultrakurzen Impulsen bestehend bezeichnet werden. Um solche einzelnen ultra kurzen Impulse aus den oben erwähnten Impulszügen mit Impulsfolgefrequenzen von einigen 100 MHz zu erhalten, bedurfte es bisher aufwendiger elektro-optischer oder akustischroptischer Verfahren, da bisher kein Verfahren bekannt war, mit dem ultrakurze Einzel impulse direkt, also ohne Umweg über die oben erwähnten Impul%üge hoher Folgefrequenz erzeugt werden können.

Es ist zwar ei η Verfahren zum Erzeugen einzelner Subnanosekundenimpulse bekannt, bei dem ein Farbstofflaser geeigneter Dimensionierung durch einen kurzen Stickstofflaserimpuls gepumpt wird. Mit diesem bekannten Verfahren lassen sich jedoch nur Laserimpulse erzeugen, deren Halbwertbreite weit oberhalb von 100 ps liegt, auch wenn man hinsichtlich der Verkürzung der Halbwertdauer der Impulse an die Grenze des technisch Möglichen geht.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es also, auf möglichst einfache Weise einzelne ultrakurze Laserimpulse zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren und durch die im Patentanspruch 2 gekennzeichnete Einrichtung gelöst. Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gemäß der Erfindung.

Bei vorteilhaften Weiterbildungen der Einrichtung gemäß der Erfindung, die in einem Teil der Unteransprüche gekennzeichnet ist, läßt sich die Wellenlänge der ultrakurzen Laserimpulse einfach einstellen. Einrichtungen dieser Art können für einen weiten Spektral bereich verwendet werden, der vom nahen Ultraviolett über das sichtbare bis zum nahen Infrarot reichen kann.

Im übrigen ermöglichen es das Verfahren und die Einrichtung gemäß der Erfindung auf sehr einfache Weise, ultrakurze Laserimpulse mit niedrigen Folgefrequenzen zu erzeugen.

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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einer geschickten Ausnutzung von bisher nicht erkannten Eigenschaften von Lasern, insbesondere Farbstofflasern mit verteilter Rückkopplung. Solche Laser sind bekannt, siehe z.B. F.P. Schäfer (Ed.): Dye Lasers. Topics in Applied Physics, Band I, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg New York 1977, 2. Auflage.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird vorzugsweise und vorteilhafterweise ein Typ des DFB-Lasers (distributed feedback dye laser) verwendet, bei dem zwei kohärente Teil bündel einer stimulierenden Anregungsstrahlung in einem stimulierbaren aktiven Lasermedium, wie einer Farbstoff!ösung in einer Farbstoffküvette zur Interferenz gebracht werden. Durch die Interferenz der beiden Teilbündel entsteht eine Interferenzfigur aus in einem vorgegebenen Abstand A aufeinanderfolgenden Ebenen, in denen die Strahlungsintensität ein Maximum bzw. ein Minimum hat. Das in den Ebenen der Interferenzmaxima stimulierte Lasermedium emittiert dann senkrecht zur Ebene der Interferenzstreifen ein Laserstrahlungsbündel mit der Vakuumwellenlänge X₀ = 2nA, wobei η der mittlere Brechungsindex des Lasermediums, also z.B. der stimulierbaren Farbstofflösung ist.

Bei der Untersuchung des zeitlichen Verlaufes der emittierten Laserimpulse wurde nun überraschend festgestellt, daß von einem solchen Laser, insbesondere Farbstofflaser, mit verteilter Rückkopplung unter ge-

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eigneten, im folgenden angegebenen Bedingungen, einzelne ultrakurze Laserimpulse ausgesandt werden können. Die wesentlichen Bedingungen hierfür sind

1) daß das Interferenzmuster nur während einiger Nanosekunden erzeugt wird, und

2) daß die Intensität des anregenden Strahlungsimpulses einen gewissen Maximalwert, der von den Parametern des Lasers abhängt, nicht überschreitet.

Daß unter diesen Bedingungen ein ultrakurzer Lichtimpuls entsteht, läßt sich wie folgt erklären: Beim Ansteigen des stimulierenden Anregungsstrahlungsimpulses (Pumplaserimpulses) wird im aktiven Lasermedium (Farbstoff) eine Inversion aufgebaut, die ständig zunimmt, jedoch nur an den örtern von Interferenzmaxima des Interferenzmusters. In dem Maße, in dem sich die beugungsgitterartige Inversionsverteilung aufbaut, erhöht sich auch die Rückkopplung für die stimulierte Emission senkrecht zu den "Gitterebenen". Die stimulierte Emission wächst dadurch nicht linear und überproportional an, wobei ein Laserimpuls entsteht. Der schnell anwachsende Laserimpuls baut jedoch die gespeicherte Inversion durch die stimulierte Emission schnell wieder ab, so daß dann auch der Rückkopplungsgrad für die stimulierte Emission schnell wieder abnimmt. Nachdem die Inversion auf diese Weise in einem sehr kurzen Laserimpuls bis weit unter die Schwelle der Laseremission abgebaut worden ist, dauert es wieder längere Zeit, bis die Inversion durch die laufend gespeicherte Anregungsstrahlungsleistung wieder bis über den Schwellwert aufgebaut worden ist. Dann entsteht in der eben beschriebenen Weise ein weiterer Laserimpuls. Richtet man es nun so ein, daß der stimulierende Anregungsstrahlungsimpuls (Pumplaserimpuls) eine Halbwertsbrei te hat, die zwar ausreicht, um einen ersten kurzen Laserimpuls zu erzeugen, jedoch nicht mehr, um die Schwell Wertleistung für einen nachfolgenden Impuls zu erreichen, so bekommt man für jeden stimulierenden Anregungsstrahlungsimpuls einen einzelnen, sehr kurzen Laser-Ausgangsimpuls. Experimente haben gezeigt, daß z.B. bei der Anregung eines Farbstofflasers mit einem Stiakstofflaserimpuls von 5,5 Nanosekunden Halbwertsbreite ein Farbstofflaserausgangsimpuls entsteht, der überraschenderweise nur eine

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typische Halbwertsbreite von 80 Picosekunden bis herunter zu 35 Picosekunden hat, d.h. daß überraschenderweise eine Impulsverschmälerung um einen Faktor 100 oder mehr gegenüber dem stimulierenden Anregungsstrahiungsimpuls stattfindet. Es ist erwähnenswert , daß sich die beschriebenen Eigenschaften eines Farbstofflasers mit verteilter Rückkopplung auch durch ein mathematisches Modell beschreiben läßt, das mit Gleichungen arbeitet, die in der Literatur allgemein als "Ratengleichungen" bezeichnet werden, und daß sich daraus ableiten läßt, daß es bei weiterer Verkürzung des Anregungsimpulses möglich ist, durch einen Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung Lichtimpulse zu erzeugen, deren Impulshalbwertsbreite unterhalb einer Picosekunde liegt.

Zur Durchführung des oben geschildterten Verfahrens wurde die in Fig. 1 vereinfacht dargestellte Einrichtung 10 entwickelt, die eine Reihe von Besonderheiten aufweist, durch die sich überraschende, neue und vorteilhafte Eigenschaften ergeben. Die Einrichtung 10 enthält eine Anregungsstrahiungsimpul squelle 12, z.B. einen Stickstofflaser, die ein Anregungsstrahiungsimpul sbündel 14 erzeugt. Ferner enthält die inpig. 1 dargestellte Aus;¹* führungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung einen mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Farbstofflaser 16 mit einer Küvette 18, in der sich ein stimulierbares Lasermedium in Form einer Farbstoff!ösung 20 befindet, ein als Bündel teil er arbeitendes Beugungsgitter 22 und eine Umlenkspiegel anordnung mit zwei Umlenkspiegeln 24, 26, bei denen es sich um dielektrische Spiegel handeln kann. Das Beugungsgitter 22 kann ein holographisches Gitter sein und eine Strichdichte von 2442 Gitterstrichen pro Millimeter aufweisen. Das Beugungsmitter, das anstelle der bisher über!icherweise verwendeten Strahlteilern mit teildurchlässigen Spiegeln oder Strahl teilerwürfeln verwendet wird, erzeugt Teil bündel 34 und 36, die den gebeugten Bündeln der Ordnung +1 bzw. -1 entsprechen. Das Bündel nullter Ordnung ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Die beiden gleich starken Teil bündel 34 und 36 werden von einem Umlenkspiegel 24 bzw. 26 einer Umlenkspiegelanordnung in die Küvette 18 geworfen. Die Spiegel 24 und 26 stehen im wesentlichen senkrecht

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zur Ebene des Beugungsgitters 22 und parallel zu den Gitterlinien des Gitters. Die beiden kohärenten Teil bündel 34 und 36 erzeugen in einem stimulierten Volumen 28 in der Farbstoff!ösung 20 ein Interferenzmuster der oben beschriebenen Art.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der in Fig. 1 dargestellten AusfUhrungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung ist im Strahlengang des Anregungsstrahlungsbündels 14 zwischen der Anregungsstrahlungsquelle 12 und dem Beugungsgitter 22 eine Zylinderlinse 32 so angeordnet, daß die Achse der Zylinderfläche senkrecht zu den Gitterlinien des Beugungsgitters 22 verläuft. Die Brennweite der Zylinderlinse ist so gewählt, daß sie das parallele AnregungsstrahlungsbUndel 14 und damit die aus ihm erzeugten Teilbündel 34 und 36 in eine Brennlinie im Inneren des Lasermediums 20 fokussiert.

Die Verwendung eines Beugungsgitters, insbesondere eines holographischen Gitters, als Bündelteiler hat den großen Vorteil, daß nicht nur schmal bandige Anregungsstrahlungsquellen verwendet werden können, sondern auch Laser, die ein relativ breites Frequenzband emittieren, wie beispielsweise der Stickstofflaser. Verwendet man solche breitbandig emittierenden Laser mit einem gewöhnlichen Bündelteiler, so ergibt sich kein ausgeprägtes Interferenzmuster, da sich Interferenzmuster der verschiedenen Wellenlängen, die im Anregungsstrahlungsbündel enthalten sind, überlagern und insgesamt nur ein verwaschenes Muster erzeugen, das für das Verfahren gemäß der Erfindung nicht gut brauchbar ist. Bei Verwendung eines Beugungsgitters werden dagegen die unterschiedlichen Wellenlängen in Anregungsstrahlungsbündel in etwas verschiedene Richtungen gebeugt und bei richtiger Wahl des Abstandes y zwischen den Spiegeln 24 und 26 und des Abstandes χ zwischen dem Beugungsgitter 22 und dem Lasermedium 20 vereinigen sich die Teil strahlen alle zu einem Interferenzmuster mit 100%iger Modulationstiefe. Dies wird durch die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung gelöst, bei der die Geometrie so gewählt wird, daß unabhängig von der Wellenlänge der Anregungsstrahlung stets A = d/2 ist, wobei d die Gitterkonstante des Beugungsgitters 22 bedeutet.

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Bei Verwendung eines Lasermediums, das in einem gewissen Frequenzband zu emittieren vermag, insbesondere bei Verwendung von Farbstofflösungen als Lasermedium, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Einstellung bzw. Änderung der Wellenlänge des AusgangsstrahlungsbUndels 30 des Lasers:

1) Änderung der Modulationsperiode A des Interferenzmusters entsprechend der bereits erwähnten Beziehung

was durch Verdrehen der Spiegel 24 und 26 um die eingezeichneten Achsen 24a bzw. 26a jeweils um einen gleichen Winkelbetrag in entgegengesetzte Richtungen

-3 bewirkt werden kann. Bei Verwendung einer 10 -molaren Lösung von Rhodamin 6G in Äthanol ergibt eine Verdrehung der Spiegel um einen Winkel von 1 mrad eine Änderung der Wellenlänge um 8 Ά.

2) Änderung der Modulationsperiode A durch Änderung des Abstandes y und/oder des Abstandes x. Hierbei ergibt sich bei dem oben erwähnten Beispiel eine

Änderung der Wellenlänge um 3 bzw. 4 A pro Millimeter Änderung von y bzw.x,

Der Abstimmbereich ist hierbei jedoch auf etwa * 1A begrenzt.

3) Änderung des Brechungsindex η der als aktives Lasermedium dienenden Farbstoff lösung, indem entsprechende Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische verwendet werden.

4) Änderung des Brechungsindex η durch Änderung der Temperatur des aktiven Lasermediums. Z.B. ändert sich bei dem Farbstofflaser, der Äthanol als Lösungsmittel enthält, die Wellenlänge um 1,7 A, wenn die Temperatur um 1 ⁰C geändert wird. . '

5) Änderung des Brechungsindex η des aktiven Lasermediums durch Druckänderung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Küvette eines Farbstofflasers als Druckküvette ausgebildet sein und durch Druckänderung eines auf der Farb-

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stofflösung lastenden Gases, beispielsweise Stickstoff, eine Brechungsindexä'nderung des Lösungsmittels über dess Kompressibilität hervorgerufen werden. Bei einer Mischung aus 80% DimethylsuIfoxid und 20% Äthanol als Lösungsmittel ergibt sich beispielsweise eine Änderung der Laserwellenlänge um 0,114 A pro Bar Druckänderung.

6) Änderung des Einfallswinkels der vom Bündel teil er kommenden Teil strahl en, was durch ein Prisma 38 bewirkt werden kann, was, wie Fig. 2 zeigt, in den Strahlengängen der Teilbündel 34, 36 im wesentlichen symmetrisch vor dem aktiven Lasermedium, also der die Farbstofflösung enthaltenden Küvette angeordnet ist. Das Prisma 38 kann als Hohlprisma ausgebildet sein und dann mit verschiedenen Gasen und/oder Gasen mit unterschiedlichen Drücken zur kontinuierlichen Wellenlängenabstimmung gefüllt werden oder mit Flüssigkeiten unterschiedlichen oder variierenden Brechungsindex.

Selbstverständlich können die oben beschriebenen verschiedenen Maßnahmen zur Well enlängenänderung bzw. -einstellung miteinander kombiniert werden, falls dies wünschenswert ist.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

^f\J Verfahren zum Erzeugen von Laserinipulsen, deren Dauer höchstens 100 ps und deren Folgefrequenz höchstens 1 MHz beträgt, d adurch gekennzeichnet daß ein Laser mit verteilter

Rückkopplung, der ein aktives Lasermedium, insbesondere einen stimulierbaren Farbstoff, enthält, durch einen Anregungsstrahlungsimpuls stimuliert wird, dessen zeitliche Halbwertsbreite kleiner als 20 ns ist und dessen Intensität die Laserschwelle des stimulierbaren Lasermediums um nicht mehr als 20% überschreitet.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

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mit einer Anregungsstrahlungsquelle, die ein/kohärentes Anregungsstrahlungsbündel liefert und einem mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Laser, der ein stimulierbares Lasermedium, einen Bündel teil er, der das Anregungsstrahlungsbündel in zwei kohärente Teilbündel zerlegt, und eine Umlenkspiegel-

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anordnung enthält, die die Teilbündel so in das aktive Lasermedium werfen, daß die Tei!bündel dort eine Interferenzstreifenteilung vorgegebener räumlicher Periode und damit eine entsprechende Stimulationsdichteverteilung im Lasermedium erzeugen, gekennzeichnet durch eine

Anregungsstrahlungsquelle, die einen Anregungsstrahlungsimpuls mit einer zeitlichen Halbwertsbreite von höchstens 20 ns und einer solchen Intensität liefert, daß die durch den Anregungsstrahlungsimpuls im Lasermedium erzeugte Stimulation die Laserschwelle des Lasermediums um höchstens 20% überschreitet.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungsstrahlungsquelle ein Laser ist; daß der Bündelteiler ein Beugungsgitter ist und daß das aktive Lasermedium eine stimulierbare Farbstoff!ösung ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzei chnet durch eine Zylinderlinse (32), die das Anregungsstrahlungsbündel (14) über den Bündelteiler (22) und die Umlenkspiegelanordnung (24, 26) in das Lasermedium (20) fokussiert.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Zylinderlinse (32) senkrecht zu Gitterstrichen des Beugungsgitters (22) verläuft.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Teilbündel (34, 36) zwischen der Umlenkspiegelanordnung (24, 26) und dem aktiven Lasermedium (20} ein bezüglich der Teilbündel im wesentlichen symmetrisches Prisma (38, Fig. 2) angeordnet ist.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermedium eine breitbandige Emissionscharakteristik hat und daß der Laser eine Vorrichtung zur Einstellung der Emissionswellenlänge des Lasermediums enthält.

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8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiegelanordnung zwei Umlenkspiegel (24, 26) enthält, die im wesentlichen symmetrisch zueinander in den Strahlengängen der Tei!bündel (34, 36) angeordnet, zur gegenläufigen Verstellung der Winkel, unter dem die Teilbündel in das aktive Lasermedium einfallen, verdrehbar sind und dadurch die Vorrichtung zur Einstellung der Emissionswellenlänge bilden.
9. Einrichtung nach Anspruch 7_a dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiegelanordnung zwei Umlenkspiegel (24, 26) enthält, die im wesentlichen symmetrisch zueinander im Wege jeweils eines Teilbündels (34, 36) angeordnet sind, und daß die Vorrichtung zur Einstellung der Emissionswellenlänge aus einer Vorrichtung zum Verstellen des gegenseitigen Abstandes (y) der beiden Umlenkspiegel (24, 26) besteht.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Einstellung der Emissionswellenlänge aus einer Vorrichtung zum Verstellen des Abstandes (x) zwischen den Bündelteiler und dem aktiven Lasermedium besteht.
11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn ζ e i c h η e t, daß die Vorrichtung zur Einstellung der Emissionswellenlänge eine Vorrichtung zur Änderung des Brechungsindex des aktiven Lasermediums (20) enthält.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Änderung der Zusammensetzung des Lasermediums.
13. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Änderung der Temperatur des aktiven Lasermediums.

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14. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ändern des auf das aktive Lasermedium einwirkenden Druckes.
15. Einrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch

gekennzei chnet, daß das Prisma (38) als Hohlprisma ausgebildet und mit einer Vorrichtung zum Füllen seines Innenraumes mit Medien unterschiedlichen Brechungsindex versehen ist.

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