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Vorliegende
Erfindung umfasst ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung
der Phase und der Amplitude der ultrakurzen Lichtimpulse.
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Allgemein
ist bekannt, dass die Messung der Amplitude und der Phase der ultrakurzen
Lichtimpulse von einer Dauer von zwischen einigen Femtosekunden
und einigen Picosekunden zahlreiche Schwierigkeiten aufweist.
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Die
verschiedenen gegenwärtig
möglichen Messmethoden
sind in folgenden Dokumenten beschrieben:
- I. A. Walmsley
and R. Trebino: "Measuring
fast pulses with slow detectors",
Optics and Photonics News, March 1996, Vol. 7, Nr. 3, S. 23,
- C. Dorrer and M. Joffre: "Characterization
of the spectral phase of ultrashort light pulses", C. R. Acad. Sc. Paris, t. 2, Serie
IV, S. 1415–1426,
2001.
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Diese
Methoden weichen voneinander ab, je nachdem, ob man über einen
Bezugsimpuls verfügt oder
nicht, um die unbekannte Phase und die Amplitude des Impulses zu
messen.
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Falls
man nicht über
einen Bezugsimpuls verfügt,
ist es notwendig, mindestens ein nicht lineares optisches Element
zu benutzen, um die Merkmale des zu messenden optischen Impulses
zu bestimmen. Dies ergibt sich vor allem aus dem Dokument "C. Dorrer und M.
Joffre".
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Unter
den letzteren Methoden kann man die Methode (Frequency Resolved
Optical Gating), die Methode TROG (Time Resolved Optical Gating)
und die Methode SPIDER (Spectral Phase Interferometry for Direct
Electric field Reconstruction) FROG nennen, wobei diese drei Methoden
in den folgenden Dokumenten beschrieben sind:
- R. Trebino
and D. J. Kane: "Using
phase retrieval to measure the intensity and phase of ultrashort
pulses: Frequency Resolved Optical Gating", J. Opt. Soc. Am., A11, Seiten 2429–2437, 1993,
bezüglich
der Methode FROG
- J. L. A. Chilla and O. E. Martinez: "Direct determintion of the amplitude
und phase of femtosecond light pulses", Opt. Lett., 16, Seiten 39–41, 1991
- R. G. M. P. Koumans and A. Yariv: "Time Resolved Optical Gating based on
dispersive propagation: a new method to characterized optical pulses", IEEE Journal of
Quantum Electronics, 36, Seiten 137–144, 2000, bezüglich der
Methode TROG,
- C. Iaconis und I. A. Walmsley: "Spectral Phase Interferometry for Direct
Electric-field Reconstruction of ultrashort optical pulses", Opt. Lett., 23,
Seiten 792–794,
1998, bezüglich
der Methode SPIDER
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Es
erweist sich, dass sich alle diese Methoden des Standes der Technik
auf optische Montagen beziehen unter Zuordnung eines Funktionsbausteins,
der eine lineare optische Filtrierungsfunktion mit dem vorher genannten
optischen Element auf eine nicht lineare Antwort verwirklichen.
Diese optischen Montagen sind im allgemeinen kompliziert und erfordern
eine optisch präzise
Ausrichtung.
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Die
Erfindung hat insbesondere das Ziel, diese Nachteile zu unterdrücken. Sie
schlägt
somit vor, die Messung der Amplitude und der Phase des ultrakurzen
Lichtimpulses zu vereinfachen, indem für die lineare optische Filtrierungsfunktion
eine optoakustische Wechselwirkung zwischen zwei kolinearen oder quasi
kolinearen optischen und akustischen Schallstrahlen benutzt wird,
um in einem Element, das nicht linear anspricht, eine Mischung von
durch den Schallstrahl gebeugten optischen Signalen herzustellen.
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In
einer genaueren Weise basiert diese Filtrierungsfunktion auf einer
kolinearen oder quasi kolinearen optoakustischen Wechselwirkung
in einem optoakustischen doppelbrechenden Kristall zur Maximierung
der effektiven Länge
der Wechselwirkung zwischen einer optischen Eingangswelle Ein(t) und einer programmierbaren akustischen
Welle, die räumlich
die Form des auf einen dem Kristall zugeordneten piezoelektrischen
Umformer angewandten elektrischen Signals S(t) reproduziert.
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Wie
dieses in dem auf Namen der Anmelderin eingereichten Patent FR No.
96 10717 und dem Patent FR No. 00 08278 erklärt ist, und deren Veröffentlichungs-Nummern
FR-A-2751095 bzw. FR-A-2810750 lauten, in etwa wo die gebeugten Ausgangswellen
des Kristalls von schwacher Intensität gegenüber der Intensität der optischen
Eingangswelle sind, stellt der programmierbare optoakustische Filter
zwischen der Amplitude des Eingangssignals Ein(t)
und einem Signal S(t/α)
eine Faltung her, die vom elektrischen Signal S(t) abgeleitet ist,
das auf den dem Kristall zugeordneten piezoelektrischen Umformer
angewandt wurde, wie dies im Artikel von P. Tournois "Acousto-optic programmable
dispersive filter for adaptive compensation of group delay time dispersion
in laser systems" ("Akusto-optisch programmierbare
dispergierende Filter für
eine adaptive Kompensation von einer Gruppen-Verzögerungszeit-Dispergierung
in Lasersystemen")
beschrieben ist, der in der Zeitschrift Optics Communications am 1.
August 1997, Seiten 245–249
und im Artikel von F. Verluise et al. "Amplitude and phase control of ultrashort
pulses by use of an acousto-optic programmable dispersive filter:
pulse compression and shaping",
der am 15. April 2000, Seiten 575–577 in Optics Letters, erschienen
ist, d. h.: Egebeugt(t)
= Ein(t) ⊗ S(t/α)α wurde im vorangehenden Artikel
definiert.
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In
einer solchen Filtriervorrichtung hat das durch die Wechselwirkung
mit dem Schallstrahl gebeugte optische Signal somit eine starke
lineare Filtrierung erfahren, wobei die Filtrierungsfunktion von der
zeitlichen Form des akustischen Signals abhängt. Die Energieverbreitungsrichtung
der akustischen Welle kann linear oder fast linear mit der Energieverbreitungsrichtung
der optischen Eingangswelle in ihrem Wechselwirkungsbereich sein.
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Zur
Messung der ultrakurzen Phase der Lichtimpulse, die am Eingang der
Filtriervorrichtung angewandt wurden, schlägt die Erfindung vor, am Ausgang
dieser Filtriervorrichtung ein nicht linear ansprechendes optisches Element
anzuordnen, das zur Mischung der vom Schallstrahl gebeugten optischen Signale
bestimmt ist.
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Das
nicht linear ansprechende optische Element, welches notwendigerweise
der Filtrierungsfunktion zuzuordnen ist, kann zum Beispiel mit Hilfe von
integrierenden quadratischen Messgeräten verwirklicht sein, die
aus einem einfallenden optischen Signal ein elektrisches Signal
abgeben, wobei diese Detektoren eine Art von Detektoren "mit zwei Photonen" sind, die im folgenden
beschrieben sind.
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Das
Mess- und Integriergerät
mit "einem Photon" ist ein Detektor,
bei dem das Signal proportional zum Quadrat der Amplitude des angewandten elektrischen
optischen Feldes ist, das heißt
zur optischen Intensität.
Es kann zum Beispiel durch einen aus einer Halbleiterdiode gebildeten
fotoelektrischen Detektor verwirklicht sein, so dass die Energie
des gesperrten Energiebandes des Halbleiters niedriger als die Energie
der einfallenden Photone ist. Zum Beispiel kann für Photone
mit Wellenlängen
von 0.8 μm
ein Detektor auf Siliziumgrundlage benutzt werden. In diesem Fall
ist die Integrationskonstante des Detektors höher als die Dauer der optischen
Signale.
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Das
Mess- und Integriergerät "mit zwei Photonen" ist ein Detektor,
bei dem das Signal proportional zum Quadrat der angewandten optischen
Intensität
ist. Sollte dieser aus einer Halbleiterdiode verwirklicht sein,
so muss die Energie des unzugelassenen Bandes des Halbleiters höher als
die Energie der einfallenden Photone, jedoch niedriger als das doppelte dieser
Energie sein. Zum Beispiel kann für Photone mit Wellenlängen von
0.8 μm ein
Detektor auf Galliumphosphidgrundlage (GaP) benutzt werden. Die
Integrationskonstante des Detektors ist höher als die Dauer der optischen
Signale.
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Gemäß einer
ersten Variante der Erfindung wirkt das zu messende optische Signal
mit zwei akustischen Signalen zusammen, die zumindest in Amplitude
und Frequenz moduliert sind und die gegenseitig regelbare Zeitabstände umfassen.
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Gemäß einer
anderen Variante der Erfindung wirkt das zu messende optische Signal
mit drei akustischen Signalen zusammen, wobei mindestens eine Frequenz
rein oder quasi rein ist und zwei andere mindestens in Amplitude
und Frequenz modulierte akustische Signale sind mit untereinander
regelbaren zeitlichen Abständen.
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Die
Durchführungsarten
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden im folgenden als nicht einschränkende Beispiele beschrieben,
mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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1 ist
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsart einer Meßvorrichtung
der Phase und der Amplitude von ultrakurzen Lichtimpulsen, wobei
zwei Detektoren mit einem Photon benutzt werden;
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2 ist
eine schematische Darstellung von einer zweiten Ausführungsart
einer Meßvorrichtung gemäss 1,
jedoch mit Einsatz eines Detektors mit einem Photon und eines Zwei-Photonen-Detektors.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsart wird das zu messende
optische Signal S an einen optoakustischen Wechselwirkungsblock 1 übertragen, zum
Beispiel in der im Patent FR No 96 10717 und im Patent FR No 00
08278 beschriebenen Art, die unter dem Namen der Anmelderin eingereicht
wurden, die mindestens ein doppelbrechendes optoakustisches Kristall
mit einer Eingangsseite intervenieren lassen, auf welche das optische
Signal (polarisiert) aufgebracht wird, eine Ausgangsseite, aus welcher
die im Zentrum des Kristalls gebeugten optischen Wellen D austreten,
und mindestens ein piezoelektrischer Umformer, auf dem ein durch
einen Rechner gesteuertes, von einem angesteuerten Signalgenerator
kommendes elektrisches Signal I aufgebracht wird.
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In
dem optoakustischen Wechselwirkungsblock 1 kann die Energieverbreitungsrichtung
der akustischen Welle kolinear oder quasi kolinear mit der Energieverbreitungsrichtung
der optischen Eingangswelle in ihrem Wechselwirkungsbereich sein.
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Unter
den verschiedenen Kristallen, die benutzt werden können (wie
zum Beispiel Lithium-Niobate, Kalzium-Molybdate ...), Tellurdioxid
führt zu
einer besonders großen
optoakustischen Leistung für eine
kolineare oder quasi kolineare Wechselwirkung nach den "Poynting"-Vektoren der optischen
und akustischen Schallstrahlen, im Falle der langsamen akustischen
Querwelle: Dieses Kristall wird somit vorzugsweise benutzt.
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Das
gebeugte Signal, das aus dem optoakustischen Wechselwirkungsblock
I austritt, ist an einem halbreflektierenden Spiegel angebracht,
der auf 45° ausgerichtet
ist, der einen Bruchteil des gebeugten Signals in Richtung eines
ersten Detektors mit einem Photon 2 wiedergibt und der
einen anderen Bruchteil dieses Signals mittels eines nicht linearen Mischkristalls 4 an
einen zweiten Detektor mit einem Photon 3 überträgt.
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Wie
dies im folgenden erklärt
ist, gestattet es diese Ausgestaltung, die spektrale Intensität und die spektrale
Phase des zu messenden optischen Signals herauszuziehen, wobei der
Detektor mit einem Photon 2 insbesondere dafür verwendet
wird, um die spektrale Intensität
herauszuziehen und der Detektor mit einem Photon 3 für die spektrale
Phase.
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In
der Ausführung
der 2, die einer ausgeführten Sekunde der Erfindung
entspricht, wird das gebeugte optische Signal, das aus dem optoakustischen
Wechselwirkungsblock 1 austritt, direkt auf ein Zwei-Photonen-Detektor 5 übertragen,
der in einem einzigen Bestandteil die Mischung durch eine nicht
lineare Wechselwirkung und die quadratische Ermittlung verwirklicht,
die im Beispiel der 1 von zwei verschiedenen Elementen
verwirklicht wurden (nicht linearer Mischer 4/Detektor
mit einem Photon 3). In diesem Beispiel, wie in der 1,
wird eine Portion des gebeugten Signals dank eines halbreflektierten Spiegels
M herausgezogen und an einen Detektor mit einem Photon 2 gesandt.
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Diese
Ausgestaltungen, und insbesondere jene der 2, sind
einfach und erfordern keine präzise
optische Ausrichtung, wie es bei den derzeit benutzten Messvorrichtungen
des technischen Standes der Fall ist.
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Die
Erfindung wird genauer erklärt,
indem die allgemeine Funktion des optoakustischen Wechselwirkungsblockes 1 und
eine bestimmte Anzahl von Beispielen der Messmethodologien geprüft werden.
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Wie
vorher erwähnt,
ist das Herz des optoakustischen Wechselwirkungsblockes I ein doppelbrechendes
Kristall, wie das Tellurdioxid (TeO2), das
einen Umformer umfasst, der elektrische Signale in akustischen Signale
umwandelt. Wenn man berücksichtigt,
dass das elektrische Signal und infolgedessen dessen entsprechende
Akustik aus gegebenen spektralen Amplitudenbestandteilen A(f) und
Phase Φ(f)
bestehen, für
jede der Frequenzen f, beugt die Vorrichtung eine definierte optische
Frequenz ν(f). Die
gebeugte Amplitude a(ν)
ist proportional zur akustischen spektralen Amplitude A(f) und die
Phase der gebeugten Welle ϕ(f) ist zu einer Konstante nahe der
Phase der akustischen Welle Φ(f).
Man kann somit die Amplitude und die optische Phase programmieren,
wobei die Amplitude und die akustische Phase programmiert werden,
das heißt,
dass man über einen
allgemeinen linearen Querfilter verfügt. Indem man mehrere akustische
Signale überlagert,
kann man mehrere optische Signale aus dem einfallenden optischen
Signal erhalten, wobei die Merkmale wie die relative optische Verzögerung,
die Amplitudenmodulation, die Frequenzmodulation, usw. eingestellt werden
können.
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Die
Erfindung bezieht sich besonders vorteilhaft auf Anwendungen unter
Einschaltung einer solchen Überlagerung
von optischen Signalen:
- • So erfordert die im Dokument
K. Naganuma, K. Mogi und H. Yamada: "General method for ultrashort light
pulse measurement",
IEEE Journal of Quantum Electronics, 25, Seiten 1225–1233, 1989,
beschriebene Methode der interferometrischen Autokorrelation die Überlagerung
von zwei getrennten optischen Signalen eines zeitlich regelbaren
Abstands τ,
wobei gleichzeitig die spektrale Intensität und das Quadrat der spektralen
Intensität
in Funktion τ gemessen
wird. Mittels einer komplexen algorithmischen Berechnung werden aus
diesen Daten die Phase und die Amplitude des einfallenden optischen
Signals gezogen. Dieses Ergebnis kann aus der Montage von 2 erzielt
werden, wobei der optoakustische Wechselwirkungsblock die beiden
Signale mit einer unterschiedlichen Verlagerung τ erzeugt, die Diode mit einem
Photon die spektrale Intensität
und die Diode mit zwei Photonen das Quadrat der spektralen Intensität liefert,
woraus die spektrale Phase gezogen wird.
- • Die
vorher erwähnte,
Methode TROG (Dokument "J.
L. A. Chilla and O. E. Martinez")
erfordert die Überlagerung
von zwei optischen Signalen, wobei eines das Ansprechen des zu messenden Signals
und das andere eine quasi reine Frequenz ist. Indem die Position
des ersten Impulses im Zeitintervall des zweiten (Spülung in τ) gespült wird
und diese für
mehrere Werte der reinen Frequenz verwirklicht wird, erhält man die
Ausweise Zeit-Frequenz der spektralen Intensität und des Quadrats der spektralen
Intensität.
Diese Spülungen
können
durch den optoakustischen Wechselwirkungsblock in der Art des erfindungsgemäßen Verfahrens
verwirklicht werden. Eine geeignete Berechnung gestattet es dann,
auf die Merkmale der zu messenden Impulse zu kommen.
- • Die
im Dokument "R.
G. M. P. Koumans and A. Yariv" beschriebene
Methode TROG verwirklicht die Überlagerung
zweier verschiedenartiger optischer Signale, beide linear in Frequenz
moduliert und getrennt von einem zeitlich regelbaren Abstand τ. Mittels
einer Spülung
dieses zeitlichen Abstands und einer Spülung in der Neigung der linearen
Frequenz-Modulation einer dieser beiden Signale erhält man Zeit-Neigungs-Ausweise,
die es gestatten, auf die Charakteristiken der zu messenden optischen
Impulse zu kommen.
- • Die
in den Dokumenten "C.
Iaconis and I. A. Walmsley: "Spectral
Phase Interferometry for Direkt Electric-field Reconstruction of
ultrashort optical pulses",
Opt. Lett., 23, Seiten 792–794,
1998" und "C. Dorrer, P. Londero
and I. A. Walmsley: "Homodyne
detection in spectral interferometry for direct electric-field reconstruction" Opt. Lett., 26,
Seiten 1510–1512,
2001" beschriebenen
SPIDER-Methoden erfordern die Überlagerung
von drei Signalen, wobei eine reine Frequenz und zwei Antworten
des zu messenden Signals zeitlich versetzt in einem zeitlichen Abstand τ regelbar
sind. Mittels einer Spülung
dieses zeitlichen Abstands für
verschiedene reine Frequenzen, erhält man Ausweise der Zeit-Frequenzen, die es gestatten,
auf die Merkmale des zu messenden optischen Impulses zu kommen.
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Im
allgemeinen gestattet es die Erfindung, alle Methodologien einzurichten,
die auf die Messung des Quadrats der spektralen Intensität einer
beliebigen Kombination von abgeleiteten Impulsen durch lineare Filtrierung
des zu messenden Impulses beruhen. Außerdem werden die Messungen
der spektralen Intensität
häufig
von Spektralanalysatoren verwirklicht.
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In
der vorgeschlagenen Erfindung sind die Spektralanalysatoren durch
Wechselbeziehungsfunktionen ersetzbar, die durch programmierte zeitliche
Verlagerungen τ,
gefolgt von quadratischen Ermittlungen mit einem Photon (Spektroskopie
durch Umwandlung von Fourier) verwirklicht wurden. Daraus ergibt
sich eine zusätzliche
Vereinfachung der Montagen und die Beseitigung eines teuren Bestandteils,
was feine Kalibrierungen erfordert.