DE4222970A1

DE4222970A1 - Anordnung und Verfahren zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse vorzugsweise für Lichtimpulse im ultravioletten Spektralbereich

Info

Publication number: DE4222970A1
Application number: DE19924222970
Authority: DE
Inventors: Hans-Stephan Albrecht; Lap Van Dr Dao; Thomas Schroeder; Peter Dr Heist; Juergen Dr Kleinschmidt
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1992-07-13
Filing date: 1992-07-13
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2012-07-14
Also published as: DE4222970C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse vorzugsweise für Lichtimpulse im ultravioletten (UV)-Spektralbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Pulsdauermessung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Die Erfindung wird vorteilhaft dort eingesetzt, wo ultrakurze Lichtimpulse im Spektralbereich 120 nm λ 350 nm mittels Einzelschußverfahren vermessen werden sollen.

Insbesondere für ps- und fs-Impulslaser sehr niederer Folgefrequenz sind zur Pulsdauermessung sogenannte Einzelschußmeßmethoden (Einzelschuß-Korrelator-Technik) erforderlich.

Die Impulsdauer von kurzen Lichtimpulsen im sichtbaren und infrarotem Spektralbereich wird üblicherweise durch Auswertung der Intensitätskorrelationsfunktion zweiter Ordnung durch Generation der 2. Harmonischen in nichtlinearen optischen Kristallen gewonnen. Die Grundidee der Einzelschuß-Korrelator- Technik besteht darin, daß zeitliche Profil dieser Intensitätskorrelationsfunktion in ein räumliches zu transformieren, um dieses z. B. mit einer CCD-Zeile auszuwerten. Mittels KDP-Kristall als nichtlinear-optisches Medium wurde diese Methode in Appl. Opt. 26 (1987) 4528 realisiert. Ein ähnliches Verfahren wurde durch 2-Photonen-Fluoreszenz in Farbstofflösungen erprobt (Ultrashort Light Pulses, Springer, New York 1977). Beide nichtlinear-optische Materialien können im UV-Spektralbereich wegen der großen Einphotonenabsorption im Bereich λ < 200 nm zur Pulsdauermessung nicht eingesetzt werden.

Erprobte Einzelschußverfahren im UV-Spektralbereich basieren auf der 2-Photonenfluoreszenz in Xe₂ (Opt. Lett. 12 (1967) 102), der 3-Photonenfluoreszenz in XeF (Opt. Lett. 13 (1988) 996) und der 2- Photonenionisation in verschiedenen Gasen (Rev. Sci. Instr. (1986) 2979). Die entsprechenden Meßanordnungen gestatten aber nur die Vermessung von UV-Lichtimpulsen mit Impulsdauern < 0,5 . . . 1 ps. Die Zeitauflösung wird durch die gewählte Anordnung von gegenläufigen Impulsen beschränkt.

Es muß angemerkt werden, daß Methoden, basierend auf der 2-Photonenionisation und 2-Photonenfluoreszenz insgesamt durch einen starken Untergrund bei der Messung der Autokorrelations funktion gekennzeichnet sind. Dies schränkt den Dynamikbereich des Meßverfahrens ein. Weiterhin gestatten nichtlinear-optische Effekte 2. Ordnung ohne zusätzliche Annahmen bei der Auswertung der Intensitätskorrelationsfunktion keine direkten Aussagen zur Unsymmetrie der Lichtimpulse.

Einzelschußkorrelatoranordnungen höherer zeitlicher Auflösungen wurden in Meas. Sci. Technol. 1 (1990) 637 und J. Phys. D:Appl. Phys. 24 (1991) 1225 realisiert. Das erste der genannten Meßverfahren nutzt die 3-Photonen-Fluoreszenz in XeF und das zweite Meßverfahren die 2-Photonen-Fluoreszenz in BaF₂ als nichtlinear optischen Prozeß zur Darstellung der Intensitätskorrelations funktionen. Die Nachteile dieser Verfahren sind in den dafür erforderlichen hohen Intensitäten der UV-Impulse zu sehen. Insbesondere bilden solche Isolatorkristalle wie BaF₂ und CaF₂ bei Einstrahlung intensiver UV-Impulse Farbzentren, die die Strahlung selbst absorbieren, wobei die Kristalle schließlich selbst zerstört werden können.

Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine Meßanordnung zur Pulsdauermessung von ultrakurzen Lichtimpulsen anzugeben, wobei die Wellenlängen dieser Impulse vorzugsweise im ultravioletten Spektralbereich liegen (120 nm λ 350 nm), die Intensitäten dieser Impulse beliebig klein sein können (nur begrenzt durch die Empfindlichkeit des Empfängers), die Registrierung im Einzelschußverfahren erfolgt und die gewählte Meßmethode, neben der Impulsdauer, Informationen zur Unsymmetrie der zu vermessenden Lichtimpulse liefert.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung erfindungs gemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die Anordnung zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse ist vorzugsweise für Lichtimpulse im ultravioletten Spektralbereich geeignet.

In Lichtrichtung gesehen sind die Pumplichtquelle, eine einstellbare optische Verzögerung, ein erster Polarisator und ein Wechselwirkungskristall auf einer optischen Achse angeordnet.

In Lichtrichtung gesehen sind die Meßlichtquelle, ein zweiter Polarisator (Polarisationsrichtung um 45° zu der des ersten Polarisators verdreht), Wechselwirkungskristall, ein Analysator (Polarisationsrichtung um 90° zu der des zweiten Polarisators verdreht) und der Meßwertaufnehmer angeordnet.

Die optischen Achsen des Meßlicht-Strahlenganges und des Pumplicht-Strahlenganges kreuzen sich unter einem kleinen Winkel α im Wechselwirkungskristall.

Im Lichtweg des Pumplichtimpulses ist eine erste bündelformende Optik, im Lichtweg des Meßlichtimpulses ist eine zweite bündelformende Optik jeweils vor dem Wechselwirkungskristall angeordnet. Im Lichtweg des Meßlichtes ist hinter dem Wechselwirkungskristall eine dritte bündelformende Optik angeordnet.

Die erste, die zweite und/oder die dritte bündelformende Optik ist aus Zylinderlinsen so aufgebaut, daß sich Meßlicht- und Pumplichtimpulse linienformig (in einer Ebene) im Wechselwirkungskristall überlagern. Mittels dritter bündelformender Optik, wird die hinter dem Analysator entstehende laterale Intensitätsverteilung der Meßlichtstrahlung auf den Meßwertaufnehmer, vorzugsweise einer CCD-Zeile abgebildet.

Die Lösung obiger Aufgabe gelingt mit einem Verfahren erfindungs gemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 6. Pumplicht und Meßlicht werden auf ein Wechselwirkungskristall gerichtet und die hinter dem Analysator entstehende laterale Intensitätsverteilung der Meßlichtstrahlung wird mittels Meßwertaufnehmer registriert.

Pumplichtimpuls und Meßlichtimpuls sind unter 45° zueinander polarisiert und werden im Wechselwirkungskristall linienförmig in einer Ebene überlappt. In Lichtrichtung gesehen, hinter dem Wechselwirkungskristall, wird das austretende Meßlicht analiert und linienförmig ausgewertet.

Die Lichtrichtungen des Pumplichtimpuls und des Meßlichtimpuls stehen in einem kleinen Winkel zueinander und überlagern sich in dem Wechselwirkungskristall.

Die Dauer des Meßlichtimpulses kann durch Veränderung der optischen Verzögerungsstrecke und der daraus resultierenden räumlichen Verschiebung des Maximums der hinter dem Analysator entstehenden räumlichen Intensitätsverteilung direkt gemessen werden.

Eine relative zeitliche Verschiebung vom Pump- und Meßlichtimpuls um Δt mittels optischer Verzögerungsstrecke äußert sich in einer räumlichen Verschiebung des Maximums der Intensitätsverschiebung um Δx, wobei gilt

Ein linear polarisierter intensiver Lichtimpuls auf dem Meßwertaufnehmer (Pumpimpuls, vorzugsweise im sichtbaren Spektralbereich) wird nach Durchlaufen einer einstellbaren optischen Verzögerungsstrecke in ein im Spektral bereich λ < 120 nm transmittives Medium mit Hilfe eines optischen Systems bestehend aus Zylinderlinsen so eingestrahlt, daß auf der Oberfläche des transmittiven Mediums ein strichförmig beleuchtetes Gebiet entsteht. Das Medium sollte vorzugsweise ein Isolatorkristall mit einem Bandabstand <10 eV sein. Als Folge dieses intensiven Lichtimpulses wird im Wechselwirkungskristall eine zusätzliche zeitabhängige Anisotropie von der Dauer des Pumpimpulses erzeugt.

Die Strahlung des zu vermessenden UV-Lichtimpulses wird unter einem genügend kleinen Winkel α zur Richtung des Pumpimpulses in den Wechselwirkungskristall mittels einer im UV transmittiven Zylinderoptik so eingestrahlt, daß die Oberfläche des Wechselwirkungskristalls strichförmig beleuchtet wird und dieses beleuchtete Gebiet mit dem ebenfalls strichförmig beleuchtetem Gebiet der Pumplichtstrahlung zur Deckung kommt. Die Strahlung des UV-Meßlichtimpulses ist linear polarisiert; mit einer zur Polarisationsrichtung des Pumpimpulses um 45° verdrehten Polarisationsrichtung. Der Wegunterschied zwischen Pump- und UV- Meßimpuls wird mittels der optischen Verzögerungsstrecke so eingestellt, daß sich die Impulszentren beider Impulse räumlich in der Mitte des (durch beide Strahlungen beleuchteten) strichförmigen Gebietes auf der Oberfläche des Wechselwirkungskristalls (räumlich und zeitlich) treffen. Die Dicke des Wechselwirkungskristalls ist so dünn gewählt, daß sich beide Impulse trotz unterschiedlicher Gruppengeschwindigkeiten auch nach Durchlauf des Wechselwirkungskristalls noch innerhalb ihrer Impulsdauern überlappen.

Die durch den Pumpimpuls im Wechselwirkungskristall induzierte optische Anisotropie (gegeben durch die Differenz der Brechzahlen parallel und senkrecht zur Polarisation des Pumpimpulses) bewirkt beim gemeinsamen Durchlauf von Pump- und UV-Meßimpuls eine Veränderung des Polarisationszustandes des UV-Meßlichtes. Diese Veränderung wird mittels Analysator, angeordnet hinter dem Wechselwirkungskristall, nachgewiesen. Die Polarisationsrichtung des Analysators ist senkrecht zur ursprünglichen Polarisationsrichtung des UV-Meßlichtes eingestellt. Die Einstrahlung von Pump- und UV-Meßlichtstrahlung unter einem kleinen Winkel bewirkt, daß die Transmission des Systems (mittels Pumpimpuls bestrahlter Wechselwirkungskristall - Analysator) für bestimmte räumliche (und zeitliche) Anteile des Meßlichtimpulses entlang der Längsseite des betrachteten strichförmigen Gebietes unterschiedlich ist. Die dadurch hinter dem Analysator entstehende räumliche Intensitätsverteilung der UV- Meßlichtstrahlung wird mittels einer im ultravioletten Spektralbereich empfindlichen CCD-Zeile registriert.

Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt: Erfindungsgemäße Anordnung zur Einzelschuß- Pulsdauermessung.

Ein ultrakurzer Pumplichtimpuls 1 mit einer Wellenlänge vorzugsweise im sichtbaren Spektralbereich wird gemäß Lichtweg über eine Verzögerungsstrecke 2, einen ersten Polarisator 3 (Durchlaßpolarisationsrichtung senkrecht zur Zeichenebene) mittels Zylinderzerstreuungslinse 4 (Brennlinie senkrecht zur Zeichenebene), einer Zylindersammellinse 5 (Brennlinie senkrecht zur Zeichenebene) und einer weiteren Zylindersammellinse 6 (Brennlinie in Zeichenebene) in einem dünnen Wechselwirkungskristall 7 (Material: CaF₂, Dicke: 0,2 mm) linienförmig fokussiert.

Der ultraviolette ultrakurze Meßlichtimpuls 8 wird gemäß Lichtweg über einen Polarisator 9 (Durchlaßpolisationsrichtung 45° zur Durchlaßpolarisationsrichtung des Polarisators 3 verdreht), ein Zylinderlinsenteleskop, bestehend des den im UV durchlässigen Zylinderlinsen, Zylinderzerstreuungslinse 10, Zylindersammellinse 11 (Brennlinien senkrecht zur Zeichenebene) und der im UV durchlässigen Zylindersammellinse 12 (Brennlinie in Zeichenebene) ebenfalls linienförmig in dem Wechselwirkungskristall 7 fokussiert. Dabei ist die Anordnung der Verzögerungsstrecke 2 so angeordnet, daß im Wechselwirkungskristall die beiden Impulse zeitlich überlappen. Der Winkel zwischen den Impulsfronten im Kristall wird gemäß Anordnung so eingestellt, daß folgende Beziehung erfüllt wird:

c - Lichtgeschwindigkeit im Vakuum
n - Brechzahl des Wechselwirkungskristalles
T_p - Impulsdauer des Pumplichtimpuls
T_u - Impulsdauer des Meßlichtimpuls
L - Länge des strichförmig beleuchteten Gebietes (vorgegeben durch die ausnutzbare Breite der CCD-Zeile).

Die hinter dem Wechselwirkungskristall 7 austretende UV-Strahlung durchläuft den Analysator 14 (Durchlaßpolarisationsrichtung senkrecht zu derselben des Polarisators 9). Die hinter dem Analysator 14 austretende laterale Intensitätsverteilung des Meßlichtes wird mittels der im UV durchlässigen Zylindersammellinse 15 (Brennlinie in Zeichenebene) auf eine CCD- Zeile 16 fokussiert. Mittels CCD-Zeile 16 und Auswerteelektronik 17 wird die hinter dem Analysator 14 entstehende laterale Intensitätsverteilung zeitintegriert registriert und ausgewertet. Die mittels CCD-Zeile 16 registrierte Intensitätsverteilung ist der Intensitätskorrelationsfunktion K(t) proportional

K (τ) =∫ I_u (t) · I_p² (t-τ) dt.

K(τ) ist eine Intensitätskorrelationsfunktion 3. Ordnung und gestattet neben der Bestimmung der Impulsdauer des UV- Meßlichtimpulses (bei bekannter Dauer des Pumpimpulses) Aussagen zur Unsymmetrie des Meßlichtimpulses. Der Zusammenhang zwischen der zeitabhängigen Korrelationsfunktion K(τ) und der ortsabhängigen Intensitätsverteilung bzw. zwischen der zeitlichen Halbwertsbreite von K(τ) und der räumlichen Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung wird anordnungsgemäß dadurch ermittelt, daß z. B. der Pumpimpuls mittels Verzögerungsstrecke 2 gegenüber dem Meßlichtimpuls um Δt verzögert wird. Gemäß der in Fig. 1 dargestellten Verschiebung der Maximen verschiebt sich dadurch das Maximum der lateralen Intensitätsverteilung um die Strecke Δx, wobei gilt

Bezugszeichenliste

1 Lichtweg des ultrakurzen Pumplichtimpulses
2 optische Verzögerung
3 erster Polarisator für die Pumplichtstrahlung (senkrecht zur Zeichenebene)
4, 10 Zylinderzerstreuungslinsen (Brennlinie senkrecht zur Zeichenebene)
5, 11 erste Zylindersammellinsen (Brennlinie senkrecht zur Zeichenebene)
6, 12 zweite Zylindersammellinsen (Brennlinie in Zeichenebene)
7 Wechselwirkungskristall
8 Lichtweg des UV-Meßlichtimpulses
9 zweiter Polarisator für die Meßlichtstrahlung
13 Überlagerung der Impulsfronten im Wechselwirkungskristall
14 Analysator
15 Zylinderlinse (Brennlinie in Zeichenebene)
16 Meßwertaufnehmer
17 Auswertelektronik
Winkel zwischen den optischen Achsen von Pump- und Meßlichtstrahlengang
n Brechzahl des Wechselwirkungskristalls
c Vakuumlichtgeschwindigkeit
T_p Impulsdauer des Pumplichtimpuls
T_u Impulsdauer des Meßlichtimpuls
L Länge des linienförmig beleuchteten Gebietes im Wechselwirkungskristall
τ relative zeitliche Verzögerung zwischen Pump- und Meßlichtimpuls
K Intensitätskorrelationsfunktion
I_u Intensität des Meßlichtimpulses
I_p Intensität des Pumplichtimpulses
t Zeit
Δt Zeitverschiebung
Δx örtliche Verschiebung der Maxima der lateralen Intensitätsverteilung

Claims

1. Anordnung zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse, vorzugsweise für Lichtimpulse im ultravioletten Spektralbereich mittels Pumplichtquelle, Meßlichtquelle, Wechselwirkungskristall, Meßwertaufnehmer und Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß in Lichtrichtung (1) gesehen

- die Pumplichtquelle,
- eine einstellbare optische Verzögerung (2)
- ein erster Polarisator (3) und
- der Wechselwirkungskristall (7) angeordnet sind,

daß in Meßlichtrichtung (8) gesehen

- die Meßlichtquelle,
- ein zweiter Polarisator (9),
- der Wechselwirkungskristall (7),
- ein Analysator (14) und
- der Meßwertaufnehmer (16) angeordnet sind.

2. Anordnung zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse dadurch gekennzeichnet, daß
im Lichtweg des Pumplichtimpulses (1) eine erste bündelformende Optik,
im Lichtweg des Meßlichtimpulses (8) eine zweite bündelformende Optik und/oder
im Lichtweg des hinter dem Wechselwirkungskristall ausgetretenen Meßlichtes eine dritte bündelformende Optik angeordnet ist.

3. Anordnung zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse dadurch gekennzeichnet, daß die erste, die zweite und/oder die dritte bündelformende Optik aus Zylinderlinsen so aufgebaut ist, daß sich Meßlicht- und Pumplichtimpulse in einer Ebene linienförmig im Wechselwirkungskristall (7) überlagern und mittels dritter bündelformender Optik die hinter dem Analysator (14) entstehende laterale Intensitätsverteilung auf den Meßwertaufnehmer (16 vorzugsweise einer CCD-Zeile linienförmig abbildet und die elektrischen Signale in einer Auswerteelektronik (17) auswertbar sind.

4. Anordnung zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßpolarisationsrichtung des Polarisators (9) um 45° gegenüber der Durchlaßrichtung des Polarisators (3) verdreht ist und die Durchlaßrichtung des Analysators (14) gegenüber der Durchlaßrichtung des Polarisators (9) um 90° verdreht ist.

5. Anordnung zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse dadurch gekennzeichnet, daß sich Meßlicht- und Pumplichtstrahlung im Wechselwirkungskristall mit einem Winkeln α in einer Ebene schneiden, wobei α durch die Beziehung gegeben ist.

6. Verfahren zur Pulsdauermessung ultrakurzer Lichtimpulse, vorzugsweise für Lichtimpulse im ultravioletten Spektralbereich dadurch gekennzeichnet, daß Pumplichtimpuls (1) und Meßlichtimpuls (8) 45° zueinander polarisiert, im Wechselwirkungskristall (7) linienförmig überlappt und nach Austritt aus dem Wechselwirkungskristall (7) analysiert und die laterale Intensitätsverteilung ausgewertet wird.