DE2900899A1

DE2900899A1 - Lasereinrichtung zum erzeugen von ultrakurzen laserstrahlungsimpulsen

Info

Publication number: DE2900899A1
Application number: DE19792900899
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl Phys Dr Jasny; 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: 1979-01-11
Filing date: 1979-01-11
Publication date: 1980-07-17
Also published as: GB2040550B; FR2446548A1; DE2900899C2; GB2040550A; FR2446548B3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Für viele Zwecke werden sehr kurze Lichtimpulse, insbesondere sogenannte ultrakurze Lichtimpulse benötigt. Als ultrakurze Lichtimpulse werden in der Literatur im allgemeinen Impulse mit einer Halbwertsbreite von weniger als 100 Picosekunden bezeichnet. Zu ihrer Erzeugung gibt es eine Reihe von Lasereinrichtungen, die sich in die beiden
großen Untergruppen von Einrichtungen, die mit aktiver und solchen, die mit passiver Phasenkopplung arbeiten, einordnen lassen. Bei den

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mit passiver Phasenkopplung arbeitenden Lasereinrichtungen ist innerhalb eines Laserresonators an geeigneter Stelle ein sättigbarer Absorber, wie z.B. eine Farbstofflösung angeordnet, während bei Lasereinrichtungen, die mit aktiver Phasenkopplung arbeiten, im Laserresonator ein von außen her ansteuerbarer elektro-optischer oder elektro-akustischer Modulator verwendet wird. Handelt es sich bei dem Laser, der zur Erzeugung der ultrakurzen Impulse benutzt wird, um einen breitbandig abstimmbaren Laser, wie z.B. einem Farbstofflaser, so wird beim Arbeiten mit aktiver ebenso wie beim Arbeiten mit passiver Phasenkopplung stets ein zusätzliches Element zur Abstimmung der Wellenlänge benötigt. Bei der passiven Phasenkopplung bedingen die spektralen Eigenschaften der wenigen bisher bekannten sättigbaren Absorber, die als passive Modulatoren in Frage kommen, daß die Einrichtung nur in gewissen engen Spektralbereichen benutzt werden kann. Bei den mit aktiver Phasenkopplung arbeitenden Einrichtungen besteht andererseits eine besondere Schwierigkeit darin, die Modulatorfrequenz genau auf den Wert einzustellen, der notwendig ist, um den Modulator durchzuschalten, wenn der im Resonator umlaufende ultrakurze Lichtimpuls am Modulator angelangt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit aktiver Phasenkopplung arbeitende Einrichtung anzugeben, mit der reproduzierbar Lichtimpulse mit einer Dauer von weniger als einer Mikrosekunde., insbesondere üitrakurze Lichtimpulse mit einer Dauer von weniger als IQO Picosekunden in einem sehr großen Wellenlängenbereich, beispielsweise vom ultravioletten Spektral bereich über den ganzen sichtbaren Spektralbereich bis ins nahe Infrarotgebiet erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Lasereinrichtung gelöst.

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Die Unteransprüche betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Lasereinrichtung gemäß· der Erfindung.

Die Lasereinrichtung gemäß Unteranspruch 4, die ein breitbandig abstimmbares Lasermedium enthält, hat den besonderen Vorteil, daß die Wellenlänge einstellbar ist, ohne daß es hierfür eines zusätzlichen Elementes bedarf.

Im übrigen hat die Lasereinrichtung gemäß der Erfindung den Vorteil, daß eine sehr reproduzierbare Folge von sehr kurzen Laserimpulsen erzeugt werden kann.

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

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Jasny-Interferometers, das bei den Lasereinrichtungen gemäß der Erfindung vorteilhafterweise als Reflektoranordnung verwendet wird;

Figur 2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Interferometers gemäß Figur 1;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Lasereinrichtung gemäß der Erfindung und einer Abwandlung dieser Ausführungsform, und

Figur 4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Laserwellenlänge von der Umlaufperiode eines rotierenden Bauteiles des Interferometers.

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Geht man beispielsweise von einer der üblichen linearen Laseranordnungen aus, die ein aktives Medium sowie einen 100% reflektierenden Spiegel und einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel enthalten, so wird erfindungsgemäß anstelle eines einfachen 100%ig reflektierenden Spiegels ein Interferometer, bei dem das Verhältnis der optischen Längen der von den Teil Strahlengängen durchlaufenen Wege - vorzugsweise gegenläufig - veränderbar ist, verwendet und zwar vorteilhafterweise eine von Jasny vorgeschlagene Abart des Michel son-Interferometers (PO-PA P 20 47 29 vom 17.2.1978). Dieses Interferometer besteht im wesentlichen aus einem Strahl teil er, einem rotierenden Block aus optisch transparentem Material, wie Quarz, und zwei Spiegeln. Die optische Anordnung eines Ausführungsbeispieles eines solchen Interferometers ist in Figur 1 dargestellt. Der Strahlteiler besteht aus zwei Quarzblöcken 1 und 2, die die Form von an vier Seiten polierten rechtwinkligen Parallelepipeden der Länge a und der Höhe b haben, die wie Figur 1 zeigt, aufeinander gelegt sind. Die einander zugewandten Flächen der beiden Quarzblöcke berühren sich jedoch nicht sondern sind durch eine Luftschicht von 108 Nanometern Dicke getrennt, die durch zwei bei den Langen Rändern des einen Ouarzblockes aufgedampfte, ca 7mm breite Abstandshalter aus MgF» eingehalten wird (nicht dargestellt). Infolge des geringen Abstandes der die Luftschicht begrenzenden Flächen der Quarzblöcke 1 und 2 wird die Totalreflexion an diesen Flächen behindert und wirkt die "Grenzfläche" zwisehen den beiden Quarzblöcken als 50%iger Strahlteiler bei einer Lichtwellenlänge von 500 Nanometern. Das Teilungsverhältnis bleibt auch im ganzen Sichtbaren, nahen Ultraviolett und nahen Intrarot in der Nähe von 50". Das Verhältnis der Länge a zur Höhe b ist so gewählt, daß (a/b) = 2n_Q ist, wobei n_n der mittlere Brechungsindex des Materials der Blöcke (Quarz, d.h. in der Praxis Quarzglas) ist. Ein Lichtstrahl E, der unter dem Brewsterwinkel E₀ = 55° 40' auf den Mittelpunkt der Stirnfläche von Block 1 auftrifft, wird gebrochen und dann an der Glas-Luft-Grenzfläche im Verhältnis 1:1 geteilt, wobei zwei Teilstrahlen entstehen, die wie in Figur 1 dünn eingezeichnet ist, weiterlaufen, nach Totalreflexion an den freien

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langen Oberflächen der Quarzblöcke aus den anderen beiden Stirnflächen der Quarzblöcke 1 und 2 wieder austreten und schließlich in die Stirnfläche eines dritten Quarzblockes 3 eintreten. Der Quarzblbck 3 hat die Länge a und ist hinsichtlich Material, Form und Oberflächenbeschaffenheit ebenso ausgebildet wie die Quarzblöcke 1 und 2. Der Quarzblock 3 ist um eine Achse drehbar, die durch den mit 0 bezeichneten Punkt in Figur 1 geht, also senkrecht auf der Zeichenebene der Figur 1 steht und durch die Mitte der in Figur 1 dargestellten Seite des Quarzblockes 3 geht. Die beiden Arme oder Teil Strahlengänge des Interferometers werden durch zwei stationäre Spiegel 4 und 5 vervollständigt, die die aus dem Quarzblock 3 austretenden Teilstrahlen jeweils in sich selbst reflektieren. Die aus dem Strahl teiler in den Block 3 eintretenden beiden Teil strahl en werden, wie dargestellt, an den Oberflächen des Blockes 3 jeweils zweimal total reflektiert und laufen nach Reflexion an den Endspiegeln 4 und 5 in sich selbst wieder zurück zum Strahlteiler 1, 2, wo sie sich zu einem reflektierten Strahl R und einem durchgelassenen Strahl T vereinigen. Wird der Block 3 um die erwähnte Achse gedreht, so wird der optische y/eg des einen Teilstrahles verkürzt und der des anderen um den gleichen Betrag verlängert. Bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit werden dabei die Intensitäten des reflektierten und des transmittierten Strahles R bzw. T derart sinusförmig moduliert, daß das Intensitätsmaximum des einen Strahles mit dem Intensitätsminimum des anderen Strahles zeitlich zusammenfällt. Wenn R also maximale Intensität hat, ist die Intensität von T gleich 0, d.h. der einfallende Strahl E wird dann praktisch verlustfrei in sich selbst reflektiert. Die Modulationsfrequenz kann sehr hoch sein, da der Block 3 mit hoher Winkelgeschwindigkeit (gegebenenfalls im Vakuum) rotieren kann. Die beschriebene Strahlführung hat die Eigenschaft, daß die Einflüsse aller Veränderungen der Oberfläche durch die Fliehkraft, sowie die dadurch verursachten Polarisationseffekte, sowie die Einflüsse von Abweichungen von der genauen

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Einjustierung des Blockes 3 bezüglich des Restes der Interferometerbestandteile, etwa durch Taumeln der Drehachse oder ähnliche Fehler, sich aufheben, weil die Strahlen genau den selben Weg durch den Block hin - und zurück-!aufen.

Die in Figur 1 dargestellte Stellung des Blockes 3 entspricht dem Rotationswinkel ψ = 0. Für kleine Werte des Winkels ψ(φ 4+ 5°) ist die Modulationsperiode T, der Strahl intensität eine nahezu lineare Funktion der mechanischen Rotationsperiode T :

Κ(φ,λ) = x/{4ir(2c(^(a sin i_Q+2b cos ι_ο)-βί(ψ))} (la)

(Ib)

wobei a und b die oben erwähnte Länge bzw. Höhe der Blöcke sind, i der Einfallswinkel, unter dem der Strahl E in den Block 1 eintritt, λ die Wellenlänge des Lichtes, η der Brechungsindex des Materials der Blöcke (z.B. Quarzglas) bei der Wellenlänge λ. Der Faktor Κ(φ,λ) ist von der Größenordnung 10" .

Der Block 3 durchläuft also während jeder Umdrehung einen kleinen Winkel bereich, in dem der einfallende Strahl vom Interferometer reflektiert wird. Innerhalb dieses Winkelbereiches nimmt der Block eine Vielzahl N von Winkelstellungen ein,in denenfür die durch das Interferometer reflektierte (oder durchfallende) Laserstrahlung vorgegebener Wellenlänge die Bedingung für ein Interferenzmaximum erfüllt ist. Die Zeitspanne, die der Block braucht, um sich von einer solchen Winkelstellung in die nächste zu drehen, soll gleich der Umlaufzeit des Laserstrahlungsimpulses im Laserstrahlengang (odereinem ganzzahligen Bruchteil der UmIaufzeit)sein.

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- ίο -

Der Winkelbereich -<j> < ψ < +ψ , in welchem das Interferometer die Lichtstrahlen modulieren kann, hängt hauptsächlich von der benötigten Linearität von T ab, die eine Funktion von T ist, d.h. von der Abweichung ΔΚ vom mittleren Wert von K, wie er in Tabelle 1 angegeben ist.

ΔΚ/Κ

10"⁵ 10~⁴ 10"³

0.5° -1.5° ~5°

Tabelle 1

Der ausnutzbare Winkelbereich mag zwar klein erscheinen, jedoch muß man berücksichtigen, daß die Zahl N der Modulationsperioden T (abhängig von -r£ und λ) von der Größenordnung 10 bis 10 ist. Die genauen Werte sind in Figur 2 wiedergegeben. Die Verluste, die durch die Einfügung in den Laserresonator entstehen, können sehr klein gemacht werden, wenn man die Polarisationsebene geeignet wählt, d.h. so, daß durch die Wahl des Brewsterwinkels als Einfallswinkel die Reflexion nahezu Null wird, wenn überdies die Spiegel 4 und 5 als breitbandige dielektrische Spiegel mit einer Reflexion von nahezu 100% ausgeführt sind, der Strahlteiler arbeitet ja durch die Ausnutzung der verhinderten Totalreflexion nahezu verlustlos.

In Figur 3 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein blitzlampengepumpter Farbstofflaser dargestellt. Der Laser enthält einen Farbstofflaserkopf D,denn selbstverständlich könnte auch ein kontinuierlicher Farbstofflaser oder irgendein anderer Laser benutzt werden, dessen PuIshalbwertsbreite nur länger sein muß als einige Umlaufszeiten des Lichtes im Resonator. Der Resonator des Lasers wird durch einen teil durchlässigen Auskoppel spiegel OM und durch ein Interferometer I begrenzt, dessen Konstruktion anhand von Figur 1 beschrieben wurde. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestanden die Blöcke 1, 2 und 3 aus Quarzglas.

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- li -

Die Länge a betrug 58,0mm, die Höhe b betrug 19,8mm und die (nicht wesentliche) Breite der Blöcke betrug ca 20mm.

Der Laserkopf D enthielt eine Küvette mit einer inneren Länge von 84,5mm, einem inneren Durchmesser von 4mm, und jeweils 1,5mm dicken

-4 Endfenstern. Das aktive Medium war eine 2 . 10 molare Lösung von Rhodamin 6G in Äthanol. Der Auskopplungsspiegel OM war ein dielektrischer Spiegel mit 94% Reflexionsvermögen, sein Abstand vom benachbarten Ende der Küvette betrug 160mm. Die gesamte optische Weglänge vom Auskoppelspiegel OM zum Spiegel 4 oder 5 des Interferometers betrug 665mm. Zur Stimulation wurden vier Blitzlampen mit ca 50mm Elektrodenabstand (Typ ILC-3F2) verwendet, die elektrische Eingangsleistung für die vier Lampen betrug pro Schuß etwa 60 Joule.

Zwischen dem Laserkopf D und dem Interferometer I kann eine Absorberküvette AC in den Strahlengang eingesetzt werden, worauf unten noch eingegangen wird. Eine geeignete Küvette hat Fenster von 2mm Dicke und einen 1,5mm dicken Innenraum. Die Fenster sind im Brewsterwinkel im Strahlengang angeordnet. Der Absorber kann beispielsweise eine 1 . 10 molare Lösung von 3J3¹ Diäthyloxadicarbocyaniniodid (DODCI) in Äthanol sein.

Die Abhängigkeit der Arbeitswellenlänge λ des Farbstoff-Lasers von der Rotationsperiode T des Blockes 3 ist aus Figur 4 ersichtlich. Da die Abhängigkeit zwischen λ und T wegen der Dispersion im Quarzglas und Lasermedium keine ganz lineare Funktion ist, kann eine Wellenlängenmessung bei zwei verschiedenen Rotationsperioden zur Bestimmung der Konstanten A und B in der einfachen Approximation

T = ^Αλ+Ι (2)

verwendet werden, die im Wellenlängenbereich 250nm < λ < 700nm genauer als 10"⁴ T_m ist. Der rotierende Quarzblock 3 kann auf der Achse eines

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Gleichstrommotors (nicht dargestellt) sein, dessen Drehzahl elektronisch regelbar ist. Eine andere Ausführungsform, die zu noch höheren Geschwindigkeiten zu gelangen gestattet, ist die, daß der rotierende Quarzblock 3 auf der Achse einer luftgetriebenen Turbine sitzt, überdies kann zusammen mit dem Block ein kleiner Hohlspiegel CM auf einem rotierenden Halterungsstück für den Quarzblock 3 angebracht werden. In einem Abstand vom Hohlspiegel CM, der gerade seinem Krümmungsradius entspricht, ist, wie in Figur 3 zu sehen, ein Spalt SL angeordnet, hinter dem eine Lichtquelle L angeordnet ist, und direkt darüber eine Photodiode P oder ein anderer Lichtempfänger. Bei jeder Umdrehung des Motors wird damit durch die kurzzeitige Abbildung der Lichtquelle auf den Lichtempfänger hinter dem Spalt ein kurzer Auslöseimpuls erzeugt, der beispielsweise benutzt werden kann, um im rechten Zeitpunkt die Blitzlampen für den blitzlampengepumpten Farbstofflaser zu zünden oder in einer anderen Ausführung einen Intensitätsmodulator für einen Argon-Ionen-Laser zu betreiben, der einen kontinuierlichen Farbstofflaser pumpt, oder in einem anderen Beispiel eine Einzelimpuls-Selektionseinrichtung zu betreiben. Durch Verschiebung der aus Spalt, Lichtquelle und Lichtempfänger bestehenden Einheit in den als Doppelpfeil eingezeichneten Richtungen läßt sich der Auslösezeitpunkt gegenüber der Winkelnullstellung des Quarzblockes weitgehend vor- und zurückverlegen.

Zur weiteren Verkürzung der Halbwertsbreite des umlaufenden ultrakurzen Lichtimpulses kann, wie erwähnt, an geeigneter Stelle im Resonator auch noch ein nichtlinearer Absorber eingefügt werden, z.B. die Küvette AC (Figur 3) mit einer geeigneten Farbstofflösung, wie sie in der Literatur vielfach für die passive Phasenkopplung beschrieben sind. Dieser zusätzliche Absorber ist jedoch nicht wesentlich

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für die Erzeugung der Impulse und dient nur zu einer weiteren Verschmäl erung der Halbwertsbreite der Impulse und kann, falls diese nicht benötigt wird, auch weggelassen werden.

Durch die Einfügung des Interferometers an Stelle des sonst üblichen lOO^ig reflektierenden Spiegels wird in der im folgenden beschriebenen Art und Weise ein Zug von Laserimpulsen erzeugt und in seiner Wellenlänge festgelegt. Es sei zunächst angenommen, daß bereits ein stationärer ultrakurzer Lichtimpuls von geeigneter Wellenlänge im Laserresonator umlaufe und nun auf die Mitte der Stirnseite des Blockes 1 des Interferometer am einen Ende des Laserresonators auftrifft, wobei sich der Block 3 des Interferometers gerade in einer solchen Winkelstellung befinden soll, daß sich für die Wellenlänge des umlaufenden Laserimpulses maximale Reflexion ergibt. Dann wird dieser Impuls durch das Interferometer nahezu verlustlos reflektiert, läuft wieder durch das aktive Medium im Laserkopf D, wird dabei verstärkt und trifft anschließend auf den Auskoppel spiegel OM, wobei der Impuls durch die Auskopplung eines Teiles L der Strahlung geschwächt wird. Der im Resonator verbleibende Teil läuft wieder durch das stimulierte aktive Medium zurück, wird dabei wiederum verstärkt, wobei die zweimalige Verstärkung gerade ausreichen soll, um die Auskoppelverluste zu ersetzen, und trifft wieder auf das Interferometerende des Resonators. Es ist nun wesentlich, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Quarzblockes 3 so gewählt wird, daß während der Umlaufzeit des Lichtimpulses im Resonator (d.h. der Laufzeit des Lichtimpulses vom Interferometer I zum Auskoppel spiegel OM und zurück) sich der Block 3 um einen solchen (kleinen) Winkel weitergedreht hat, daß das nächste Reflexionsmaximum für die vorliegende Wellenlänge erreicht wird. Damit wird der Impuls wieder nahezu verlustlos reflektiert und es wiederholt sich der oben beschriebene Umlauf. Man sieht sofort, daß es möglich ist, auf diese Art und Weise den Impuls im Resonator

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stationär zu halten, d.h., durch den Auskoppel spiegel OM eine Impulsfolge von konstanter Amplitude mit einem Impulsabstand, der der Umlaufzeit des Lichtes im Resonator entspricht, auszukoppeln. Selbstverständlich kann auch die Umdrehungsgeschwindigkeit ein ganzes Vielfaches d^r eben angegebenen minimalen Umdrehungsgeschwindigkeit zur Erzielung eines stationär umlaufenden Impulses sein.

Die Frage* wie groß die Halbwertsbreite der einzelnen Impulse sein kann, wird im wesentlichen durch die Rundumverstärkung des Laserresonators bestimmt, d.h. durch das Produkt aus Abschwächung durch die Auskopplung und Verstärkung im aktiven Medium. Wenn man nämlich annimmt, daß das Maximum des umlaufenden Impulses jeweils genau dann auf das Interferometer auftrifft, wenn das Maximum der Reflexion des Interferometers erreicht wird, so sieht man sofort, daß die Anstiegsflanke und Abfallsflanke jeweils zu einem Zeitpunkt, wo nicht die maximale Reflexion des Interferometers auf Grund seiner sinusförmigen Modulation vorhanden ist, auftrifft und entsprechend einen Verlust erleidet, indem ein Teil der Impulsenergie aus den beiden Flanken durch Transmissionsverluste verlorengeht. Es ist leicht ersichtlich, daß durch Einstellung einer marginalen Verstärkung des aktiven Mediums bzw. durch Einstellung einer entsprechenden Auskopplung der Impuls immer schmaler gemacht werden kann, vorausgesetzt, daß eine genügende Zahl von Umläufen erreicht wird. Da wir eingangs vorausgesetzt hatten, daß bereits ein stationärer Impuls vorhanden ist, ist jetzt nur noch zu klären, inwieweit das angegebene Verfahren das Entstehen eines solchen Impulses ermöglicht. Dazu ist davon auszugehen, daß, bevor die Laserschwelle erreicht wird, das aktive Medium im wesentlichen nur spontane Fluoreszenz aussendet, die in bekannter Weise spektral breitbandig und zeitlich fluktuierend ist. Es ist nun aus dem eben Gesagten unmittelbar verständlich, daß

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eine zeitliche Spitze von der richtigen Wellenlänge, die zum Zeitpunkt des Reflexionsmaximums für diese Wellenlänge auf das Interferometerende trifft, dort nahezu verlustlos reflektiert wird und sich dann durch vielfachen Durchlauf durch das aktive Medium zur stationären Intensität aufschaukeln kann. Rauschspitzen, die zur anderen Zeit als dem Reflexionsmaximum auftreffen oder auch nicht genau die richtige Wellenlänge haben, werden bei jedem Umlauf am Interferometerende stark abgeschwächt und sterben daher nach wenigen Umläufen vollkommen aus.

Es ist auch unmittelbar ersichtlich, daß auf die beschriebene Art und Weise jeweils eine ganz bestimmte Wellenlänge ausgewählt wird und diese Wellenlänge durch die Rotationsgeschwindigkeit des Quarzblockes 3 eingestellt werden kann. Die genaue Relation zwischen der gewünschten Wellenlänge und der einzustellenden Rotationsgeschwindigkeit ist in der obigen Formel (1) bis (Ib) bereits niedergelegt. Wird beispielsweise die Rotationsgeschwindigkeit um 1% erhöht, so vergrößert sich die Wellenlänge um etwa 1/2%. Selbstverständlich kann bei der eingestellten Rotationsgeschwindigkeit nicht nur diese Wellenlänge sondern'auch die halbe, drittel, viertel usw. Wellenlänge anschwingen; also beispielsweise bei einer eingestellten Wellenlänge von 600nm auch eine von 300nm oder 200nm. Da jedoch das aktive Medium des Lasers jeweils nur einen relativ schmalen Verstärkungsbereich hat, kann nur einer dieser möglichen Wellenlängenbereiehe ausgenutzt werden, so daß der Zusammenhang zwischen Rotationsgeschwindigkeit und gewünschter Wellenlänge jeweils eindeutig ist, wenn man die Eigenschaften des aktiven Mediums des Lasers mit berücksichtigt.

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Da das Interferometer ebenso wie in Reflexion auch in Transmission benutzt werden kann und dann der transmittierte Strahl T gerade um den doppelten Brewsterwinkel abgeknickt wird, läßt sich das Interferometer statt in linearen Laserresonatoren auch in Ringlaserresonatoren einsetzen, wo es an Stelle eines Spiegels eingesetzt wird, der den Strahlengang um den genannten Betrag abknickt. Der Ringlaserresonator kann also z.B., wie in Figur 3 gestrichelt dargestellt ist, das Interferometer I, den entsprechend schräg gestellten Aus koppelspiegel OM¹ und einen weiteren 100%ig reflektierenden Spiegel 7, z.B. einen dielektrischen Dünnschichtspiegel, enthalten. Im Ringresonator entsteht dann ein umlaufender Impuls, der stets im Transmissionsmaximum auf das Interferometerende treffen muß. Die Wellenlänge wird durch die Rotationsgeschwindigkeit wieder so festgelegt, daß jeweils nach einem Umlauf des Pulses im Resonator das nächste oder übernächste oder ein noch späteres Transmissionsmaximum des Interferometers erreicht wird. Da es im Ringresonator zwei Imlaufrichtungen gibt, stellt sich die Frage, ob zwei umlaufende Pulse in entgegengesetzten Richtungen entstehen können. Dies wird dann der Fall sein, wenn die.Mitte des aktiven Mediums gerade eine halbe Umlaufszeit vom Interferometerende entfernt angebracht wird. Wird das aktive Medium jedoch um einen gewissen Betrag gegen diese Position verschoben, so wird der Impuls eine größere Verstärkung erfahren, der zuerst in das aktive Medium eintritt und dort die zwischen den Impulsen aufgespeicherte Inversion weitgehend abbauen kann, während der später eintreffende Impuls eine entsprechend verringerte Inversion sieht und entsprechend weniger verstärkt wird. Dieser Effekt wird maximal sein, wenn die Verschiebung des aktiven Mediums gegenüber der Mittelposition nicht mehr beträgt, als nötig ist, um den ersten Impuls gerade aus dem Medium austreten zu lassen, wenn der zweite Impuls eben in das Medium eintritt. Wird dann die Stimulierungs-

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intensität nicht zu hoch gewählt, so läßt sich leicht eine unidirektionale Laseremission des Ringresonators erreichen. Damit wird dann in bekannter Weise der sogenannte "spatial hole burning effect" durch diesen reinen Wanderwellenbetrieb vermieden und eine wesentlich höhere relative Ausgangsleistung und eine bessere Stabilität des austretenden Impulszuges erreicht.

Bei dem beschriebenen linearen Farbstofflaser, der mit einer Rhodamin-6G-Lösung der Konzentration 2 · ICf molar in Äthanol betrieben wurde, konnte die Wellenlänge von 585 Nanometer bis 615 Nanometer kontinuierlich verändert werden, wenn die Umdrehungsgeschwindigkeit des rotierenden Quarzblockes von 6500 Umdrehungen pro Minute auf 6850 U/min erhöht wurde. Geht man mit der Pumpenintensität nur wenig Über den Schwellwert der Laseroszillation, so erhält man Impulse, die typisch eine Halbwertsbreite von etwa 50 ps haben. Bei höheren Pumpintensitäten entstehen dicht hintereinander mehrere Impulse, was nach der obigen Schilderung des Verfahrens unmittelbar verständlich ist, da dann auch Impulse, die kurz vor oder nach dem Maximum der Reflexion des Interferometers eintreffen, noch ausreichend verstärkt werden, um sich zu einer meßbaren Intensität aufbauen zu können. Diese Mehrfachpulse können allerdings durch Einfügung eines Absorbers, wie oben erwähnt, wieder zu einem Einzel impuls mit einer geringen Halbwertsbreite reduziert werden.

Eine weitere Verkürzung der Impulse konnte dadurch erreicht werden, daß die Rotationsperiode T auf 5860 Mikrosekunden verringert, die optische Länge des Resonators auf 857mm verlängert und die Absorberküvette AC in der optischen Mitte des Resonators angeordnet wurde. Bei einer solchen Ausgestaltung der Lasereinrichtung breiten sich im

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Resonator zwei Impulse in entgegengesetzten Richtungen aus, die sich an der Absorberküvette trennen und man erhält einen Impulszug mit einem Impulsabstand von 2,8ns und einer erheblich kürzeren Impulsbreite bis herunter zu einigen Picosekunden.

Das Jasny-Interferometer gemäß Figur 1 kann selbstverständlich auch in Kombination mit einem wellenlängenmäßig relativ schmal bandigen, praktisch nicht oder jedenfalls nicht kontinuierlich durchstimmbaren aktiven Lasermedium verwendet werden. In diesem Falle dient das Jasny-Interferometer dann nur zur Verkürzung der Impulse und der Winkel Φ des Blockes 3 wird durch die Emissionswellenlänge bestimmt.

Anstelle des beschriebenen, bevorzugten Jasny-Interferometers kann auch ein anderes wirkungsgleiches Interferometer verwendet werden.

Anstelle des drehbaren quaderförmigen Bauteiles 3 kann gegebenenfalls auch eine einfache planparallele Platte verwendet werden. Die Länge des Bauteiles 3 kann ein beliebiges (vorzugsweise gerades) ganzes Vielfaches von 0,5a sein. Auch andere Längen des Bauteiles 3 sind möglich, wenn b so geändert ist, daß sich analoge Reflexionsverhältnisse ergeben.

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Claims

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11. Januar 1979 *^7β810

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Max-Planck-Gesel 1 schaft

zur Förderung der Wissenschaften e.V.

ßunsenstraße 10, 3400 Göttingen

Lasereinrichtung zum Erzeugen von ultrakurzen Laserstrahlungsimpulsen

Patentansprüche

Lasereinrichtung zum Erzeugen von Laserstrahlungsimpulsen vorgegebener Wellenlänge, mit mindestens zwei Reflektoranordnungen, die einen Laserstrahlengang begrenzen und von denen eine erste die Laserstrahlung möglichst vollständig reflektiert während eine zweite zur teilweisen Auskopplung der Laserstrahlung aus dem Laserstrahlengang teildurchlässig ausgebildet ist, ferner mit einem im Laserstrahlengang angeordneten stimulierbaren Lasermedium, und mit einer Vorrichtung zum Stimulieren des Lasermediums, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Reflektoranordnung ein Interferometer (I) ist, das im Wege der aus dem Laserstrahlungsgang eintretenden Strahlung einen Strahl teil er (I₅ 2) zum Erzeugen zweier Teil bündel, eine Reflektoranordnung (4, 5) zum Reflektieren der Teilbündel zum Strahlteiler, und eine Vorrichtung (3) zur Änderung des Verhältnisses der Längen der optischen Wege, die die Teil bündel zwischen dem Strahlteiler und der Reflektoranordnung zurücklegen enthält.

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POSTSCHECK MÜNCHEN NH. 0 01 18 800 - BANKKONTO UTFOBANK MÜNCHEN (BU! 70020040) KTO. βΟ003578

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2. Lasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (1, 2) mit behinderter Totalreflexion arbeitet.

3. Lasereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet , daß die Vorrichtung zum Ändern des Weglängenverhältniss'S ein drehbares transparentes Bauteil (3) mit paralleler Strahlungseintritts- und Strahlungsaustrittsfläche enthält.

4. Lasereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, da3 das Bajteil (3) rechtwfnklig-paraHelepipedfö'rmig und um eine zur mittleren Ausbreitungsrichtung der Strahlung im wesentlichen senkrechte Achse drehbar ist, und daß die Reflektoranordnung zwei Spiegel (4, 5)>die Teilstrahlen, die aus dem drehbaren optischen Bauteil (3) austreten, in sich selbst reflektieren, enthält.

5. Lasereinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Lasermedium durchstimmbar ist und daß die Drehzahl des drehbaren optischen Bauteiles (3) des Interferometers steuerbar ist.

6. Lasereinrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (CM, SL, L₅ P) zum Synchronisieren der Winkellage des drehbaren Bauteiles {3) vorgesehen ist.

7. Lasereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahlengang einen Absorber (AC) enthält.

8. Lasereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermedium eine stimulierbare Farbstoff!ösung ist.

9. Lasereinrichtung nach einepi der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzei chnet, daß die beiden Reflektoranordnungen (I,0M) einen linearen optischen Laserresonator bilden {Figur 3).

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10. Lasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8» dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflektoranordnungen (I, OM¹) mit mindestens einer weiteren, möglichst vollständig reflektierienden Reflektoranordnung (7) einen Ringlaserresonator bilden.

11. Lasereinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (3) zur Änderung des Verhältnisses der Längen der optischen Wege der Teil bündel zwischen dem Strahl teil er und der Reflektoranordnung so schnell arbeitet, daß die Bedingung für ein Interferenzmaximum bei der Wellenlänge der Laserstrahlung während eines Umlaufes des Laserstrahlungsimpulses im Laserstrahlengang eine ganzzahlige Anzahl von Malen (einschließlich einmal) angenommen wird.

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