DE3225769A1 - Verfahren zur bestimmung des zeitlichen verhaltens ultrakurzer optischer pulse - Google Patents

Description

PHILIPS PATENTVERWALTUNG GMBH CT PHD 82-077

"Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Verhaltens ultrakurzer optischer Pulse"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Verhaltens ultrakurzer optischer Pulse sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Es sind bereits verschiedene Verfahren der eingangs genannten Art bekannt geworden. So erfolgt bei einem ersten bekannten Verfahren eine direkte Messung mit Hilfe schneller optischer Detektoren (im allgemeinen Avalanche-Photodioden oder MES-Feldeffekttransistor"en) in Verbindung mit Sampling-Oszilloskopen. Dabei wird die Form des optischen Pulses direkt gemessen. Die zeitliche Auflösung ist begrenzt durch die Anstiegs-Abfall-Zeit des Detektors und des Sampling-Systems - oder anders ausgedrückt: generell durch das elektrische Ansprechverhalten des Detektionssystems. Derzeit beträgt die FWHM (Full Width Half Maximum)-Breite solcher Systeme ca. 50 bis 100 ps. Die Bestimmung echter optischer Pulsbreiten ·<100 ps ist über quadratische Dekonvolution des Systemverhaltens möglich, jedoch - je nach Pulsbreite und -form - mit eventuellen systematischen Fehlern behaftet.

Entsprechend den jeweiligen spektralen Empfindlichkeitskurven des Detektors ist der Nachweis im allgemeinen für kleine Pulsenergien (^10"¹⁴J) und über einen großen Bereich von Wellenlängen (einige 100 mn) des optischen Pulses möglich.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren erfolgt die Messung mit Hilfe einer schnellen "Streak-Kamera". Auch hier wird die Pulsform - mit der Einschränkung eines endlichen Systemverhaltens, der bei diesem System allerdings im ps-Bereich liegt - direkt gemessen. Die zeitliche Auflösung der Streak-Kamera ist gegenüber dem obengenannten Verfahren um ca.

PHD 82-077

zwei Größenordnungen besser, der Spektralbereich ist ähnlich, die benötigten Pulsenergien ebenfalls.

Schließlich ist auch ein nichtlineares Autokorrelationsmeßverfahren bekannt. Dieses Verfahren zur Pulsbreitenmessung benutzt das physikalische Prinzip der "Second-harmonic-generation" (SHG) in einem nichtlinearen Kristall (z.B. KDP), das auch bei der Frequenzverdoppelung von Lasern zur Erzeugung kombinierter oder sehr kurzer Wellenlängen verwendet wird: Durch gemeinsames Einstrahlen von zwei Frequenzen CO^ und u^ in den Kristall werden über einen nichtlinearen Effekt die Kombinationsfrequenzen cO* + Ca?2 bzw. Cu^ -CJt^ ^erzeugt. Die Anwendung für die Pulsbreitenmessung besteht nun darin, daß das aus einer Folge wiederholter optischer Pulse bestehende Licht des optischen Senders in einem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird. Diese Teilstrahlen werden über je einen hochreflektierenden Spiegel reflektiert und im nichtlinearen Kristall wiedervereinigt. Bei zunächst gleichem Abstand der Spiegel vom Strahlteiler kann nun - z.B. durch relatives Verschieben eines der Spiegel gegen den anderen - eine optische Weglängendifferenz zwischen beiden Teilstrahlen (bzw. damit eine zeitliche Verschiebung der Pulse relativ gegeneinander) erzeugt werden. Entsprechend der Laufzeit des Lichtes in Luft besteht dabei die Beziehung T = ■ zwischen Laufzeitdifferenz der Pulse und optischer ° Weglängendifferenz (bzw. Abweichung ö>Z des einen Spiegels von der symmetrischen Lage) zwischen den Teilstrahlen. Einer Verschiebung von 1 mm eines Spiegels aus der Nullage (symmetrische Stellung) entspricht damit eine zeitliche Verzögerung der Teilpulse im wiedervereinigten Strahl von ca. 6,7 ps.

Das SHG-Signal im KDP-Kristall tritt mit einer SignalfrequenztJ, /₂ ^{auf und} i^st proportional dem Produkt der mit <*?1 (Laser- oder Senderfrequenz) einfallenden überlappenden Teilstrahlintensitäten. D.h.: bei vollständiger

PHD 82-077

Überlappung der Teilpulse (Δ Z=O) ist das SHG-Signal maximal. Überlappen die Pulse einander nicht mehr ( Δ Z jS» Cq/2 . Δτ_Μ/Δτ_Μ = maximale Breite des optischen Pulses), so verschwindet das SHG-Signal (bzw. geht nach der exakten Theorie auf 1/3 des Maximalsignals zurück; vgl. Spectra Physics, Laser Technical Bulletin, Febr. 1978, Nr. 8). Die Breite des SHG-Signals ist also mit Einschränkungen proportional zur Pulsdauer des optischen Pulses; unter Ausnahme definierter Pulsformen - z.B. Gaußscher PuIsform für den optischen Puls - kann aus dem SHG-Signal die Pulsbreite bestimmt werden (Autokorrelationsfunktions-Analyse; IEE Journal, QE-16, 1980, Nr, 9, Seite 990).

Die zeitliche Auflösung der SHG-Messung ist sehr hoch (besser als 0,1 ps), jedoch sind - da es sich bei SHG um einen nichtlinearen Effekt handelt - die benötigten optischen Pulsenergien hoch. Zudem ist der spektrale Bereich, in dem SHG stattfindet, ^;iber die Auswahl des Kristalls und dessen Justierung stark eingeschränkt (phase matching condition). Insgesamt wird dieses Verfahren dadurch sehr teuer, komplex in der Justierung und ist beschränkt auf vergleichsweise hohe Pulsenergien.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich bei einfachem Aufbau und einfacher Arbeitsweise insbesondere für die Messung des zeitlichen Verhaltens optischer Pulse bei kleinen Pulsenergien und kleinen absoluten Pulsbreiten eignen.

Dabei geht das erfindungsgemäß vorgeschlagene Verfahren von den oben beim SHG-Verfahren beschriebenen Möglichkeiten der Teilung, Verzögerung und Wiedervereinigung gepulster optischer Strahlen mit interferometrischen Anordnungen aus. in Verbindung damit wird jedoch zusätzlich die Interferenz-

g_

PHD 82-077

fähigkeit von kohärentem Licht innerhalb der.Kohärenzlänge ausgenutzt, die bei gepulsten Laserstrahlen von der Dauer des Emissionsvorgangs und damit zwangsläufig auch von der zeitlichen Dauer der optischen Pulse abhängt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist demzufolge dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Pulsform und Pulsdauer unter Verwendung einer nach dem Interferenzverfahren gewonnenen linearen Autorkorrelationsfunktion bestimmt wird, derart, daß ein interferenzfähiger gepulster Strahl über einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, daß diese Teilstrahlen an geeigneten optischen Komponenten reflektiert und wiedervereinigt werden und daß ein mit diesen wiedervereinigten Teilstrahlen gebildetes Interferenzmuster ausgewertet wird, derart, daß Änderungen der Intensitätsverteilung im Interferenzmuster in Abhängigkeit von der Verschiebung mindestens einer der reflektierenden Komponenten gemessen werden.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahren werden als reflektierende Komponenten zu den Teilstrahlen jeweils senkrecht stehende Spiegel eingesetzt. Dabei können die beiden Teilstrahlen nach Reflexion an den Spiegeln und nach Wiedervereinigung im Strahlteiler über den gesamten Querschnitt des aus den wiedervereinigten Teilstrahlen gebildeten Strahlenbündels gleichmäßig miteinander interferieren. Diese Interferenz tritt nur dann auf, wenn die Weglängen der Teilstrahlen sich untereinander um nicht mehr als die Kohärenzlänge des gepulsten Laserlichtes unterscheiden. Als Interferenzmuster ergibt sich hierbei über dem Querschnitt des aus den wiedervereinigten Teilstrahlen gebildeten Strahlenbündels (im folgenden als wiedervereinigtes Strahlenbündel bezeichnet) eine gleichförmige Lichtverteilung, deren Intensität von der relativen Phase der Teilstrahlen abhängt und periodisch mit der kontinuier-

^ ,5 - ^PHD 82-077

lichen Veränderung der Weglänge eines der beiden Teilstrahlen über Verschiebung eines der reflektierenden Spiegel variiert. Eine Periode entspricht dabei einer Verschiebung um die halbe Wellenlänge des verwendeten gepulsten Laserlichtes. Die Amplitude der Intensitätsschwankungen ist außerdem abhängig von der absoluten Weglängendifferenz beider Teilstrahlen und der Dauer des optischen Emissionsvorganges. Die Intensitätsschwankungen sind maximal für gleiche optische Weglängen der Teilstrahlen und nehmen bei Verschiebung eines der Spiegel in dem Maße ab, in dem die Pulsanteile der Teilstrahlen im wiedervereinigten Strahlenbündel noch miteinander überlappen. Für Weglängenunterschiede, die so groß sind, daß die Teilpulse nicht mehr überlappen - d.h. um mehr als die Pulsbreite gegeneinander verschoben sind - verschwindet die Interferenzerscheinung.

Das Verfahren, senkrechte Spiegel einzusetzen, ist vorteilhaft, wenn die zur Verfügung stehenden Intensitäten des gepulsten optischen Strahls gering sind, da aufgrund des gleichförmigen Interferenzverhaltens über den gesamten Strahlenbündelquerschnitt die Intensitätsmodulation bei Verschiebung eines der Spiegel mit einem geeigneten Empfänger integrierend über der gesamten Flache des

wiedervereinigten Strahlenbündels gemessen werden kann. 25

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird einer der Spiegel so gekippt, daß die Normale auf die Fläche des Spiegels gegenüber der Achse des Teilstrahls geneigt ist. Als Interferenzmuster ergibt sich hierbei - entsprechend der örtlich unterschiedlichen relativen Phase beider Teilstrahlen - eine über dem Querschnitt des wiedervereinigten Strahlenbündels streifenförmige, nell-dunkel modulierte Lichtverteilung. Der Abstand benachbarter paralleler Streifen ist dabei vom Kippwinkel des Spiegels und der

PHD 82-077

Wellenlänge des gepulsten Lichtes abhängig, die maximalen örtlichen Intensitätsschwankungen zwischen zwei benachbarten Streifen sind vom Wellenlängenunterschied der Teilstrahlen und der optischen Pulsdauer abhängig. Bei Ver-Schiebung eines der reflektierenden Spiegel wandert das Interferenzmuster je nach Verschiebungsrichtung in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur Streifenachse über die Querschnittsfläche des wiedervereinigten Strahlenbündels. Eine Verschiebung um die halbe Wellenlänge des verwendeten gepulsten Lichtes entspricht dabei einer Verschiebung des Streifenmusters um einen vollen Streifenabstand. Die örtliche Intensitätsmodulation zwichen benachbarten Streifen (Streifenkontrast) ist maximal für gleiche optische Weglängen der Teilstrahlen, sie nimmt in dem Maße ab, in dem bei Verschiebung eines der Spiegel die Pulse der Teilstrahlen im wiedervereinigen Strahlenbündel zeitlich nur noch teilweise überlappen und verschwindet bei relativen Weglängendifferenzen, die einer zeitlichen Verschiebung der Teilpulse relativ gegeneinander um mehr als die Pulsbreite entsprechen.

Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß die Bewegung des Interferenzmusters über dem Querschnitt des Strahlenbündels direkte Aussagen über Richtung und Geschwindigkeit der Ver-Schiebung beider Teilpulse gegeneinander gestattet. Zusätzlich ist das Auftreten der Interferenz im Bereich des wiedervereinigten Strahlenbündels - insbesondere bei kleinen Modulationsamplituden (geringe Teilpulsüberlappung) einfacher feststellbar als bei Verwendung senkrechter Spiegel. Die Registrierung des Interferenzmuster,s kann dabei ortsaufgelöst über dem Strahlenbundelquerschnxtt erfolgen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung werden als reflektierende Komponenten Prismen, insbesondere Retroreflexionsprismen,

> . /f/f . PHD 82-077

eingesetzt, wobei nach einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mindestens eines der Prismen senkrecht zur Strahlachse verschoben wird. Diese Verschiebung bewirkt, daß die Teilstrahlen im Bereich des wiedervereinigten Strahlenbündels parallel zueinander versetzt werden, ohne daß dadurch ein zusätzlicher Weglängenunterschied zwischen den Teilstrahlen auftritt. Auf diese Weise können die wiedervereinigten Teilstrahlen nur noch in dem Bereich miteinander interferieren, in dem sie sich flächenmäßig überlappen. Die interferenzfähige Teilfläche kann dabei durch die Verschiebung eines der Prismen senkrecht zu der entsprechenden Teilstrahlachse variiert werden. Da in diesem Fall jedoch unterschiedliche Flächenbereiche der Teilstrahlen miteinander interferieren, enthält das so gebildete Interferenzmuster im Überlappungsbereich Informationen über das lokale zeitliche Verhalten des optischen Pulses über dem Querschnitt des wiedervereinigten Strahlenbündels. Diese Information ist zur Bestimmung der Pulsdauer und Pulsform dann notwendig, wenn diese über einen

Emissionsvorgang bestimmt werden, der nicht in allen Bereichen des Strahlquerschnitts gleichzeitig erfolgt, oder wenn das gepulste Licht beim Durchlaufen inhomogener Medien über dem Strahlenbündelquerschnitt unterschiedlich verzögert worden ist. Beide Fälle führen dazu, daß die totale PuIsbreite des optischen Strahls größer ist als es der Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes entspricht.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt also u.a. darin, daß bei Verwendung eines senkrecht zur Strahlachse verschiebbaren Retroreflexionsprismas auch in diesen Fällen aus der Änderung des Interferenzmusters bei Verschiebung einer der reflektierenden Komponenten und aus der Variation der senkrechten Verschiebung die totale Pulsdauer bestimmt

werden kann.
35

«Τ . ή2- PHD 82-077

Nach einer weiteren Ausgestaltang des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das wiedervereinigte Strahlenbündel dem Detektor über eine in ihrem Durchmesser und/oder in ihrer örtlichen Positionierung senkrecht zur Achse des wiedervereinigten Strahlenbündels variierbare Lochblende zugeführt.

Eine in ihrem Durchmesser variierbare Lochblende wird vorteilhafterweise dann eingesetzt, wenn als reflektierende Komponente mindestens ein Spiegel oder ein Prisma so gekippt ist, daß die Normale auf die Grundfläche dieser Komponente gegenüber der entsprechenden Teilstrahlachse geneigt ist. Das in diesen Fällen entstehende streifenförmiges bewegte Interferenzmuster kann dann mittels der Lochblende bezüglich des Streifenkontrastes punktweise abgetastet und mit einem hinter der Lochblende liegenden Empfänger registriert werden. Der Durchmesser der Lochblende wird dabei vorteilhafterweise so gewählt, daß der Blendendurchmesser sehr klein ist im Vergleich zum Streifenabstand im Interferenzmuster.

Eine in ihrer örtlichen Positionierung senkrecht zur Achse des wiedervereinigten Strahlenbündels variierbare Lochblende wird vorteilhaft eingesetzt, wenn die Teilstrahlen über Verschiebung eines Prismas senkrecht zur Teilstrahlenachse im Bereich des wiedervereinigten Strahlenbündels parallel zueinander verschoben sind. In diesem Falle kann über eine Variation der Position der Lochblende senkrecht zur Achse des wiedervereinigten Strahlenbündels und über Variation des Blendendurchmessers das Interferenzmuster an verschiedenen Orten im Strahlquerschnitt bzw. für verschiedene Überlappungsbereiche der Teilstrahlen lokal abgetastet und registriert werden. Die örtliche Auflösung hängt dabei vom gewählten Blendendurchmesser ab.

^{PHD 82}-°⁷⁷

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeicnet durch einen Strahlteiler, reflektierende Komponenten für jeden Teilstrahl, von denen mindestens eine in Richtung der Teilstrahlachse verschiebbar ist, einen Detektor, der ein aus den wiedervereinigten Teilstrahlen gebildetes Interferenzmuster empfängt und eine Auswerteinrichtung.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.
Es zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit zwei senkrecht zu den Teilstrahlen stehenden Spiegeln,

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem gekippten Spiegel,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit zwei Prismen als reflektierenden Komponenten,

Fig. 4 und

Fig. 5 graphische Darstellungen von mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielten Meßergebnissen.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung mit zwei senkrecht zu den Teilstrahlen stehenden Spiegeln als reflektierenden Komponenten dargestellt:

V^er ' /flfi- PHD 82-077

Ein Puls P eines mit einem Strahlaufweiter SA aufgeweiteten und parallelisierten gepulsten Laserstrahls LS wird in einem Strahlteiler ST in zwei Teilstrahlen a, b bzw. in zwei Teilpulse P1 und P2 aufgeteilt. Diese Teilstrahlen a, b werden an zwei senkrecht zu den Strahlachsen stehenden Spiegeln S1 und S2 reflektiert und bei erneutem Passieren des Strahlteilers ST wiedervereinigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich der Spiegel S2 mittels eines Motors M in Richtung der Teilstrahlachse verschieben. Ein variables Dämpfungsfilter DP sorgt dafür, daß die Teilstrahlintensitäten im Bereich des Querschnittes B des aus den wiedervereinigten Teilstrahlen gebildeten Strahlenbündels annähernd gleich sind. Die Teilstrahlen a, b sind untereinander interferenzfähig, wobei in diesem Fall eine über dem Querschnitt B gleichförmige Interferenz auftritt, deren Intensitätsmodulation und -amplitude vom Abstand zdes Spiegels S2 vom Strahlteiler ST bestimmt ist. Im Strahlengang des wiedervereinigten Strahlenbündels ist ferner eine Lochblende L mit einem Öffnungsdurchmesser 0 _T

angebracht. Im vorliegenden Fall ist die Lochblende L zentrisch zum wiedervereinigten Strahlenbündel positioniert, und die öffnung ist so gewählt, daß sie dem Strahlenbündelquerschnitt B entspricht (0_L = B); die Blende dient somit lediglich zur Reduzierung von unerwünschtem Nebenlicht.

Hinter der Lochblende L befindet sich ein optischer Detektor D, mit dem die Intensität des wiedervereinigten Strahlenbündels gemessen wird. Diese Intensität wird im dargestellten Ausführungsbeispiel auf der vertikalen (Y)-Achse eines Recorders R registriert, wobei die horizontale (X)-Achse über den Motor M und somit entsprechend dem Abstand Z₂ des Spiegels S2 angesteuert wird. Die Interferenzintensität wird somit direkt als Funktion der Spiegelposition bzw. des Abstandes z₂ registriert.

W ^ //3 . PHD 82-077

Bei symmetrischer Spiegelstellung (Δζ = z~ - z-i = 0) ist die zeitliche Überlappung der Teilpulse PT und P2 im wiedervereinigten Strahlenbündel maximal (ΔΤ = 0). Bei Verschiebung des Spiegels S2 schwankt die Intensität über Interferenz periodisch, wobei die Periodenlänge mit Δ ζ = Λ/2 über die Wellenlänge A des gepulsten Laserlichts vorgegeben ist. Eine Verschiebung des Spiegels S2 um einen Betrag Δ ζ entspricht aber gleichzeitig einer optischen Weglangendifferenz von 2Δζ zwischen beiden Teilstrahlen und damit einer zeitlichen Verschiebung des Teilpulses P2 gegen den Teilpuls P1. Damit ist der Verschiebung des Spiegels S2 um eine Periodenlänge Δ z„ eine zeitliche Verschiebung der beiden Teilpulse um Δ T_p = λ /c_o ^ 6,67 . 10~³ps . (~) zugeordnet.

Bei wachsender Verschiebung Δ ζ des Spiegels werden also die Teilpulse P1 und P2 immer stärker gegeneinander zeitlich verschoben, wobei jeweils nur die Pulsanteile miteinander interferieren können, die sich noch zeitlich überlappen. Das führt dazu, daß die Modulationsamplitude des Interferenzsignals bei wachsendem Δ ζ abnimmt; bei Verschiebungen Δ ζ und daraus resultierenden Verzögerungen Δ T = 2Δζ/σ_ο> Δτ_ο (wobei ΔΤ_Ο die maximale Pulsbreite des optischen Pulses P ist) verschwindet die Modulation durch Interferenz vollständig, und es wird nur noch ein konstantes Gleichlichtsignal beobachtet.

Die mit dem Recorder R registrierte Lichtintensität als Funktion der Verschiebung Δ ζ des Spiegels S2 von der symmetrischen Lage weist deshalb den in Fig. 1 qualitativ dargestellten charakteristischen Verlauf auf, aus dem nach den Verfahren der Autokorrelationsanalyse auf Pulsform und -dauer des Laserpulses P zurückgeschlossen werden kann. Dies ist dann quantitativ möglicL; wenn Pulsdauer und -form eindeutig mit der Kohärenzlänge deb Emissionsvorgangs für

,</6-^:~^: "■■■·-■■' '■ "■■■'■■■■■■ 322576

V2" PHD 82-077

den Puls korreliert sind.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung mit einem gegenüber einer Teilstrahlachse gekippten Spiegel dargestellt:

Ein Puls P eines mit einem Strahlaufweiter SA aufgeweiteten und parallelisierten gepulsten Laserstrahls LS wird in einem Strahlteiler ST in zwei Teilstrahlen a, b bzw. in zwei Teilpulse P1 und P2 aufgeteilt. Diese Teilpulse werden an zwei Spiegeln S1 und S2 reflektiert. Einer der Spiegel, im vorliegenden Beispiel der Spiegel S2_f läßt sich um einen Winkel «9" gegen die Teilstrahlachse kippen, während der Spiegel S1 senkrecht zur Achse des Teilstrahls a steht. Nach der Reflexion werden beide Teilstrahlen a, b im Strahlteiler ST wiedervereinigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel läßt sich der Spiegel S2 mittels eines Motors M in Richtung der Achse des Teilstrahls b verschieben. Zugleich sorgt ein variables Dämpfungsfilter DF im Strahlengang des Teilstrahls a dafür, daß die Teilstrahlintensitäten im Bereich des Querschnittes B des aus den wiedervereinigten Teilstrahlen gebildeten Strahlenbündels annähernd gleich sind. Die Teilstrahlen a, b sind untereinander interferenzfähig, wobei sich in diesem Fall im Bereich des Strahlenbündelquerschnitts B ein streifenförmiges Interferenzmuster ergibt, dessen Interferenzkontrast, Streifenabstand und Streifenlage von der Verschiebung Δ ζ des Spiegels S2 abhängt.

Im Strahlengang des wiedervereinigten Strahlenbündels ist ferner eine bezüglich ihrer Position und ihrer Durchmesseröffnung 0_L variable Lochblende L angebracht. Im vorliegenden Fall ist die Lochblende L zweckmäßigerweise zentrisch zur Achse des wiedervereinigten Strahlenbündels positioniert, wobei der Öffnungsquerschnitt wesentlich kleiner als der halbe Abstand d benachbarter Interferenzstreifen gewählt ist ( 0_L « d/2). Das bei Bewegung des

PHD 82-077

Spiegels S2 sich über dem Strahlenbundelquerschnitt B verschiebende Interferenzmuster kann mit dieser Blendenanordnung dann punktweise abgetastet werden. Hinter der Lochblende L befindet sich ein optischer Detektor D, mit dem die Intensität des durch die Blendenöffnung gelangenden Teilbereichs des wiedervereinigten Strahlenbündels gemessen wird. Diese Intensität wird im dargestellten Ausführungsbeispiel auf der vertikalen (Y)-Achse des Recorders R registriert, wobei die horizontale (X)-Achse über den Motor M und somit entsprechend dem Abstand z_ des Spiegels S2 angesteuert wird. Die Interferenzintensität am Ort der Lochblendenöffnung wird somit direkt als Funktion der Spiegelposition z₂ registriert.

Bei symmetrischer Stellung der Spiegel (Δζ = ζ, - ζ, = 0) ist die zeitliche Überlappung der Teilpulse PT und P2 im wiedervereinigten Strahlenbündel maximal (ΔΤ =0). Die Modulationsamplitude des im Strahlenbundelquerschnitt B auftretenden streifenförmigen Interferenzmusters ist in diesem Fall ebenfalls maximal, da die Teilstrahlen a, b vollständig interferenzfähig sind. Der Streifenabstand d ist für alle Streifen gleich und wird wegen der Interferenzbedingung im vorliegenden Fall mit d = λ/2 tg I?* von der Wellenlänge Λ des gepulsten Laserlichtes und dem Kippwinkel T^ des Spiegels S2 bestimmt. Bei Verschiebung des Spiegels S2 aus der symmetrischen Lage wandern die Interferenzstreifen je nach Verschiebungsrichtung in unterschiedlichen Richtungen senkrecht zur Streifenachse aus. Einer Verschiebung des Spiegels S2 um Δ z_{2 p} = λ/2 entspricht dabei einer Periode der Interferenz, d.h. der Verschiebung des Streifenmusters um einen vollen Streifenabstand d. Gleichzeitig entspricht liese Verschiebung einer zeitlichen Verzögerung des Pulses P2 von Δ T_p = λ/c

= 6,61 . 10 ps . (™jf)f wobei c_Q die äusbrei-

tungsgeschwindigkeit des Laserlichtes ist.

PHD 82-077

Bei wachsender Verschiebung Δ ζ des Spiegels S2 werden also die Teilpulse Pl und P2 immer stärker zeitlich gegeneinander verschoben, wobei jeweils nur die Pulsanteile miteinander interferieren können, die sich zeitlich überlappen. Das führt dazu, daß die Modulationsamplitude des Interferenzsignals bei wachsendem Δ ζ abnimmt; bei Verschiebungen Δζ, die daraus resultierenden zeitlichen Verschiebungen Δτ = 2 Δ z/c_o >AT_q (mit Δτ_ο als Pulsbreite des Pulses P) entsprechen, verschwindet der Interferenzkontrast bzw. das Streifenmuster völlig, und es wird nur ein konstantes Gleichlichtsignal detektiert. Die mit dem Recorder R registrierte Lichtintensität weist deshalb als Punktion der Verschiebung Δ ζ des Spiegels S2 von der symmetrischen Lage den in Fig. 2 qualitativ dargestellten charakteristischen Verlauf auf, aus dem nach den Verfahren der Autokorrelationsanalyse auf Pulsform und Pulsdauer des Pulses P zurückgeschlossen werden kann. Dies ist quantitativ möglich, wenn beide Größen eindeutig mit der Kohärenzlänge des Emissionsvorganges für den Puls korreliert sind.

In Fig. 3 ist eine Vorrichtung mit zwei senkrecht zu den Teilstrahlachsen stehenden Retroreflexionsprismen als reflektierenden Komponenten dargestellt:

Ein Puls P eines mit einem Strahlaufweiter SA aufgeweiteten und parallelisierten gepulsten Laserstrahls LS wird in einem Strahlteiler ST in zwei Teilstrahlen a, b bzw. in zwei Teilpulse P1 und P2 aufgeteilt. Diese Teilpulse werden an zwei Retroreflexionsprismen RP1 und RP2 reflektiert und bei erneutem Passieren des Strahlteilers ST wiedervereinigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Prisma RP1 senkrecht zur Achse des Teilstrahls a um variable Weglängen Δγ·. (r = radiale Verschiebung) verschiebbar, das Prisma RP2 läßt sich dagegen mittels des Motors M in Richtung der Achse des Teilstrahls b bewegen. Ein variables

PHD 82-077

Dämpfungsfilter DF im Strahlengang des Teilstrahls a ermöglicht einen Abgleich der Teilstrahlintensitäten in der Art, daß beide Intensitäten im Bereich des wiedervereinigten Strahlenbündels in etwa gleich sind. Entsprechend den speziellen, bekannten Eigenschaften von Retroreflexionsprismen führt eine Verschiebung des Prismas RP1 um einen Betrag ^r- senkrecht zur Achse des Teilstrahls a zu einer Parallelverschiebung dieses Teilstrahls um 2Δΐι im Bereich des Querschnittes B des wiedervereinigten Strahlenbündeis; dabei wird jedoch die optische Weglänge des Teilstrahles a nicht verändert. Die Teilstrahlen a, b sind in diesem Fall lediglich in dem Bereich interferenzfähig, in dem sich die beiden Teilstrahlen nach Verschiebung um 2Ar| noch überlappen. Das Interferenzmuster in diesem Bereich hängt vom Abstand z~ des Prismas RP2, aber auch von der Verschiebung Δ r* ab - und zwar dann, wenn das zeitliche Verhalten des Laserpulses P in unterschiedlichen Bereichen des Strahles verschieden ist. Dies ist im allgemeinen dann der Fall, wenn der Emissionsvorgang nicht homogen über dem Strahlquerschnitt auftritt oder das gepulste Laserlicht nachträglich, z.B. beim Durchlaufen inhomogener optischer Medien, über dem Strahlenbündelquerschnitt örtlich unterschiedlich stark verzögert wird.

Im Strahlengang des wiedervereinigten Strahlenbündels ist ferner eine in der radialen Positionierung und im Durchmesser 0_T variable Lochblende L angebracht. Hinter der Lochblende L befindet sich ein optischer Detektor D, mit dem das Modulationsverhalten der Lichtintensität am Ort<kr_r mit einer örtlichen Auflösung abhängig vom Durchmesser der Lochblende bei Verschiebung des Prismas RP2 gemessen wird. Diese Intensität wird im dargestellten Beispiel auf der vertikalen (Y)-Achse des Recorders R registriert; die horizontale (X)-Achse wird gleichzeitig über den Motor M entsprechend dem Abstand z_? des Prismas RP2 vom Strahl-

' -'-' 322576

82-077

teiler ST angesteuert. Die Interferenzintensität kann somit direkt als Punktion des Abstandes z^ für unterschiedliche Werte für Δγι gemessen werden.

Bei symmetrischer Stellung der Retroreflexionsprismen ( ύ>ζ- ^Z1 ~ ^Z2 ⁼ O'^^ri ⁼ 0) ist die örtliche Überlappung wie auch die seitliche Überlappung der Querschnitte der Teilstrahlen bzw. der Teilpulse P1 und P2 maximale Bei Verschiebung des Prismas RP2 schwankt die Intensität über Interferenz periodisch gleichmäßig über dem gesamten Strahlenbündelquerschnitt B, wobei die Periodenlänge mit Äz. =

Λ /2 über die Wellenlänge Λ des Laserlichtes vorgegeben ist. Dieser Periodenlänge Δζ entspricht gleichzeitig eine Verzögerung des Teilpulses P2 gegen den Teilpuls P1 von Δ T_n = λ Au ^ 6,67 . 10" ps (-A), wobei σ_Λ die

c O JuIH O

Ausbreitungsgeschwindigkeit des Laserlichtes ist» Bei wachsender Verschiebung Δ. ζ werden die Teilpulse immer stärker zeitlich gegeneinander verschoben/ wobei nur Pulsanteile interferieren können, die sich noch zeitlich über-20

lappen. Dementsprechend nimmt die Modulationsamplitude mit wachsendem Δ ζ ab, bis bei Verschiebungen Δζ bsw«, zeitlicher Verschiebung um Δ T = 2Δζ/σ_ο>Δτ_ο (<θ>Τ_ο = maximale Pulsbreite des Laserpulses) nur noch ein Gleich~ lichtanteil beobachtet wird.

Ein qualitativ ähnliches Verhalten wird beobachtet** wenn das Prisma RP1 um eine Strecke Δ r^ senkrecht zur Achse des Teilstrahls a verschoben wird und - ausgehend von der symmetrischen Stellung (Zj - ζ« = Δζ = 0) - die Modulationsamplitude wiederum als Funktion der Verschiebung Δ ζ

des Prismas RP2 registriert wird. In diesem Fall wird jedoch das Interferenzmuster bei Überlappung der Teilpulsintensitäten an unterschiedlichen Bereichen der Strahlquerschnitte a und b miteinander gemessen. Ist das zeitliche Verhalten des Laserpulses über dem Strahlquerschnitt unter-

schiedlich, so führt dies zu Verschiebungen der maximalen

ΥΓ. ^/f.. PHD 82-077

Modulationsamplxtude als Funktion von Ar₁ und £± r . Die mit dem Recorder R registrierten Lichtintensitäten weisen deshalb als Funktion der Verschiebung Δ ζ des Prismas RP2 von der symmetrischen Lage die in Fig. 3 dargestellten charakteristischen Verläufe auf (Ar₁ = 0,ArL =j= 0). Eine vollständige Analyse dieser Modulationskurven bezüglich Form und Lage der Maxima als Funktion von Ar^ undÄr, liefert in diesem Fall Aussagen über die Kohärenzlänge des Pulses (Dauer des Emissionsvorganges) und die zeitlich-örtliche Struktur des Pulses (delays im Bereich des Strahlenbündelquerschnittes).

Die Fig. 4 und 5 zeigen beispielhaft mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessene Interferenzmuster und daraus bestimmte Verläufe der Autokorrelationsfunktion:

Fig. 4 zeigt die gemessene Intensität im wiedervereinigten Strahlenbündel bei Verwendung einer Vorrichtung gemäß Fig. 1; als gepul"ste Lichtquelle diente ein mode-gelockter, synchron gepumpter Dye-Laser mit einer Wellenlänge des emittierten Lichts von 900 nm. Eine Periode entspricht in diesem Fall einer Weglängenänderung von 0,45 /um bzw. einer

-3

zeitlichen Verzögerung des Teilpulses P2 um 5,7 . 10 ps ( Δ Tp = 2Δ Zp/c_o). Aus dem Verlauf der Modulationsamplitude über Δ ζ lassen sich charakteristische zeitliche Verläufe der Autokorrelationsfunktion I_mo(a (^^T)/*max (Δτ = 0) bestimmen.

Fig. 5 zeigt solche Verläufe für einen mode-gelockten, synchron gepumpten Dye-Laser-Puls und für einen mode-gelockten Krypton-Ionen-Laser-Puls.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist im Vergleich zu den Verfahren des Standes der Technik (schneller Detektor + Sampling, Streak-Kamera, SHG) folgende Vorteile auf:

-""-'¹. ^; : ' ~^: 322576!

PHD 82-077

Der Aufbau ist in allen Ausführungsformen kompakt, einfach und kostengünstig. Die Adaption an entsprechende Sender ist ohne aufwendige Justierung möglich.

Je nach Qualität der optischen Komponenten ist die Messung über einen großen Spektralbereich von Laserwellenlängen ohne Austausch von Komponenten möglich.

Da die Interferenz ein linearer Effekt ist, können Modulationen auch noch bei extrem kleinen Pulsleistungen gemessen werden. Die Nachweisempfindlichkeit ist dementsprechend sehr hoch und kann (z.B. mit Hilfe von Lock-in-Technik) noch

—9 weiter gesteigert werden (minimale Pulsenergien s»10 Wc

— 12
ohne Lock-in-Technik, «*10 Ws mit Lock-in-Technik).

Aus der nach dem Interferenzverfahren gewonnenen linearen Autokorrelationsfunktion läßt sich die explizite Form des optischen Pulses einfacher rekonstruieren, als dies bei der nichtlinearen SHG-Messung der Fall ist; da das gemessene Signal direkt proportional zur relativen, überlappenden Pulsfläche ist, ergibt sich die zeitliche Pulsform aus der einfachen zeitlichen Ableitung des Autokorrelationskurven-Verlaufes.

Die zeitliche Auflösung ist sehr hoch, wobei gleichzeitig aus der Periodizität des Modulationsverlaufes über & ζ Eichmarken für die Zeitachse gewonnen werden können (1 Periode ^ 6,67 . 10~³ ps . (. Λ.), vgl. Fig. 4). Die Zeitauflösung ist durch die Genauigkeit der mechanischen Verschiebekomponenten bestimmt und typischerweise besser als 10~² ps.

Die Messung der Interferenz-Modulationskurven erfordert keine schnellen Detektoren; die Vorschubgeschwindigkeit des

30Motors kann sehr langsam gewählt und auf die Detektorempfindlichkeit abgestimmt werden. Schnelle repetierliche Pulsfolgen können integriert als als Gleichlichtsignal gemessen werden, ohne daß die Information über die zeitliche Pulsstruktur verloren geht.

35Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich bei Ver-

~23- PHD 82-077

wendung einer Vorrichtung gemäß Fig. 3 zeitliche Verzögerungen innerhalb eines örtlich ausgedehnten optischen Pulses mit hoher zeitlicher Auflösung messen (besser 10 ps).

Leerseite

Claims (20)

1. PHD 82-077

   PATENTANSPRÜCHE:

   1 J Verfahren zur Bestimmung des zeitlichen Verhaltens ultrakurzer optischer Pulse, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Pulsform und Pulsdauer unter Verwendung einer nach dem Interferenzverfahren gewonnenen linearen Autokorrelationsfunktion bestimmt wird, derart, daß ein interferenzfähiger gepulster Strahl über einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird, daß diese Teilstrahlen an geeigneten optischen Komponenten reflektiert und wiedervereinigt werden, und daß ein mit diesen wiedervereinigten Teilstrahlen gebildetes Interferenzmuster ausgewertet wird, derart, daß Änderungen der Intensitätsverteilung im Interferenzmuster in Abhängigkeit von der Verschiebung mindestens einer der reflektierenden Komponenten gemessen werden.
2. 2 . Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß als interferenzfähiger Strahl ein Laserstrahl eingesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet,daß der interferenzfähige Strahl mittels geeigneter Optiken aufgeweitet und/oder parallelisiert wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß als reflektierende Komponenten zu den Teilstrahlen jeweils senkrecht stehende Spiegel eingesetzt werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4,

   dadurch gekennzeichnet,daß einer der Spiegel so gekippt wird, daß die Normale auf die Fläche des Spiegels gegen-

   PHD 82-077

   über der Achse des Teilstrahls geneigt ist. .
6. 6 . Verfahren nach Anspuch 1,

   dadurch gekennzeichnet daß als reflektierende Komponenten

   zu den Teilstrahlen jeweils senkrecht stehende Prismen eingesetzt werden.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6,

   dadurch gekennzeichnet, daß Retroreflexionsprismen eingesetzt werden.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6,

   dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Prismen senkrecht zur Strahlachse verschoben wird. 15
9. 9. Verfahren nach Anspuch 6,

   dadurch gekennzeichnet, daß eines der Prismen so gekippt wird, daß die Normale auf die Grundfläche des' Prismas gegenüber der Achse des Teilstrahls geneigt ist. 20
10. 10. Verfahren nach Anspuch 1,

    dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität mindestens eines der Teilstrahlen über geeignete optische Komponenten variiert wird.
    25
11. 11. Verfahren nach Anspruch 1,

    dadurch gekennzeichnet, daß die Änderungen der Intensitätsverteilung im Interferenzmuster der wiedervereinigten Teilstrahlen bei Verschiebung mindestens einer der reflektierenden Komponenten in Richtung der Teilstrahlachse mit einem optischen Detektor gemessen werden.
12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis

    11, dadurch gekennzeichnet, daß die wiedervereinigten Teilstrahlen dem Detektor über eine in ihrem Durchmesser

    _ 3 . PHD 82-077

    und/oder in ihrer örtlichen Positionierung senkrecht zur Achse der wiedervereinigten Teilstrahlen variierbare Lochblende zugeführt werden.
13. 13. Vorrichtung zur Durchführung des

    Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 12, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (ST), reflektierende Komponenten für jeden Teilstrahl(a, b), von denen mindestens eine in Richtung der Teilstrahlachse verschiebbar ist, einen Detektor (D), der ein aus den wiedervereinigten Teilstrahlen gebildetes Interferenzmuster empfängt, und eine Auswerteinrichtung.
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 13,

    dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der wiedervereinigten Teilstrahlen eine in ihrem Durchmesser und/oder in ihrer örtlichen Positionierung senkrecht zur Achse der wiedervereinigten Teilstrahlen variierbare Lochblende (L) angeordnet ist.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 13,

    dadurch gekennzeicnet, daß die reflektierenden Komponenten jeweils zu den Teilstrahlen senkrecht stehende Spiegel (S1, S2) sind.
    25
16. 16. Vorrichtung nach Anspuch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Spiegel so kippbar ist, daß die Normale auf die Fläche des Spiegels gegenüber der Achse des Teilstrahls geneigt ist.
17. 17. Vorrichtung nach Anspruch 13,

    dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Komponenten jeweils zu den Teilstrahlen senkecht stehende Prismen sind.

    if. _ PHD 82-077
18. 18. Vorrichtung nach Anspuch 17, <·.

    dadurch gekennzeichnet, daß die Prismen Retroreflexionsprismen (RP1, RP2) sind.
19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 17_f dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Prismen senkrecht zur Strahlachse verschiebbar ist.
20. 20. Vorrichtung nach Anspruch 17,

    dadurch gekennzeichnet, daß eines der Prismen so kippbar ist, daß die Normale auf die Grundfläche des Prismas gegenüber der Achse des Teilstrahls geneigt ist.