EP2561406A1 - Parametric oscillator and method for generating ultra-short pulses - Google Patents

Parametric oscillator and method for generating ultra-short pulses

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Publication number
EP2561406A1
EP2561406A1 EP11715664A EP11715664A EP2561406A1 EP 2561406 A1 EP2561406 A1 EP 2561406A1 EP 11715664 A EP11715664 A EP 11715664A EP 11715664 A EP11715664 A EP 11715664A EP 2561406 A1 EP2561406 A1 EP 2561406A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
crystal
parametric oscillator
pump laser
signal
Prior art date
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Ceased
Application number
EP11715664A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Uwe Morgner
Stefan Rausch
Thomas Binhammer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leibniz Universitaet Hannover
Original Assignee
Leibniz Universitaet Hannover
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Filing date
Publication date
Application filed by Leibniz Universitaet Hannover filed Critical Leibniz Universitaet Hannover
Publication of EP2561406A1 publication Critical patent/EP2561406A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B17/00—Generation of oscillations using radiation source and detector, e.g. with interposed variable obturator
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/353—Frequency conversion, i.e. wherein a light beam is generated with frequency components different from those of the incident light beams
    • G02F1/3542—Multipass arrangements, i.e. arrangements to make light pass multiple times through the same element, e.g. using an enhancement cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
    • G02F1/39—Non-linear optics for parametric generation or amplification of light, infrared or ultraviolet waves
    • G02F1/392—Parametric amplification

Definitions

  • the invention relates to a parametric oscillator according to the preamble of claim 1, and to a corresponding method for generating ultrashort laser pulses.
  • Ultrashort laser pulses also known as femtosecond pulses, have a duration (FWHM) of less than one picosecond. Accordingly, a typical pulse duration of an ultrashort pulse laser is for example 100 to 200 femtoseconds (fs).
  • fs femtoseconds
  • a high gain bandwidth laser active crystal is typically used in a resonator.
  • the laser-active crystal is generated by pumping, for example by means of pump laser radiation, inversion.
  • pump laser radiation By mode-locking the radiation emitted by the laser crystal by stimulated emission, ultrashort laser pulses are generated which circulate in the resonator.
  • Dispersion compensation means in the resonator compensate for the dispersion of the laser pulses occurring during passage through the laser crystal, so that the pulse duration does not increase.
  • a laser-active crystal with high gain bandwidth is often titanium sapphire (Ti: Sa, Ti 3+ : Al 2 0 3 ) is used.
  • a disadvantage of conventional methods and laser systems for generating ultrashort pulses is, inter alia, that the operation of these laser systems is susceptible to interference, that only comparatively moderate mean laser powers can be achieved, and that the available wavelength ranges of the ultrashort laser pulses are limited by the emission bandwidth of the laser crystals ,
  • the object of the present invention is to provide a laser system and a method for generating ultrashort laser pulses with structurally simple means as possible, with which one or more of the abovementioned disadvantages are avoided.
  • an optically non-linear crystal is used in the resonator as the laser crystal, which is configured to generate a signal and an idler photon from a pump photon by means of an optical parametric process.
  • a crystal is optically nonlinear if it has a non-linear, ie intensity-dependent, polarizability or susceptibility. Due to its optical non-linearity, the amplifier crystal is able to take place an optical parametric process in which signal and idler radiation is generated by the non-linear three-wave interaction of the pump laser radiation.
  • the resonator is arranged so that a signal pulse formed from the signal photons (and / or an idler pulse formed from the idler photons) leaves the amplifier crystal along the optical axis of the resonator.
  • the signal radiation (and / or the idler radiation) is fed back as in the case of an optical parametric oscillator (OPO), so that the radiation circulating in the resonator can be further amplified during each subsequent passage through the amplifier crystal.
  • OPO optical parametric oscillator
  • the advantage of the parametric oscillator according to the invention lies in the fact that very short pulse durations (in the range of a few femtoseconds to a few tens of femtoseconds) can be produced at higher average laser powers than in previous systems.
  • a considerable advantage lies in the fact that the wavelengths of the ultrashort laser pulses are no longer limited by the emission bandwidth of a laser-active crystal, but depending on the selection and orientation of the amplifier crystal almost any wavelengths can be provided.
  • an optically non-linear amplifier crystal with a high gain bandwidth for example, a barium-beta-borate crystal (BBO crystal), or a periodically or aperiodisch polarized crystal, for example, a periodically or aperiodisch (eg .chirped ') polarized lithium niobate Crystal.
  • BBO crystal barium-beta-borate crystal
  • a periodically or aperiodisch polarized crystal for example, a periodically or aperiodisch (eg .chirped ') polarized lithium niobate Crystal.
  • Another alternative is a crystal operated at or near the degenerating point. At the degeneracy point, a crystal is operated when the wavelengths of signal and idler radiation are the same in the optical parametric process.
  • the phase matching angle between the pump laser radiation and the signal radiation depends on the amplifier used. crystal off.
  • the pump laser radiation is directed non-collinearly to the optical axis of the resonator on the amplifier crystal.
  • the internal phase matching angle is 2.4 °. If the pump laser radiation is directed onto the amplifier crystal at this angle to the optical axis, the phase matching condition is optimally fulfilled.
  • the pump laser system has a pump laser and a frequency conversion stage, for example a frequency doubling stage.
  • the pump laser radiation receives photons of higher energy, so that the signal radiation generated by the optical parametric process includes higher energy photons.
  • the frequency conversion stage it can be achieved by the frequency conversion stage that the pump laser radiation is in a wavelength range in which the nonlinear susceptibility of the amplifier crystal is particularly high, so that the efficiency of the optical parametric process is particularly high.
  • the pump laser radiation is pulsed laser radiation, for example ultrashort laser pulses.
  • pulsed laser radiation for example ultrashort laser pulses.
  • high peak intensities can be achieved to increase the efficiency of the optical parametric process.
  • the optical length of the resonator should be chosen such that the cycle time of the signal pulse in the resonator (or an integer multiple of this cycle time) corresponds as closely as possible to the time interval between two pulses of the pump laser radiation. This ensures that the signal pulse is superimposed again exactly with a pump pulse after one or more cycles in the resonator.
  • the optical parametric process caused by the new pump pulse in the amplifier crystal now amplifies the signal pulse circulating in the resonator.
  • the efficiency of the optical-parametric process is higher because the process can start from the signal pulse and no longer has to start from the noise.
  • a pair of optical wedges, a pair of prisms and / or one or more dispersion-compensating mirrors may be provided as dispersion compensation means for at least partially compensating the dispersion of the radiation circulating in the resonator, if at all possible.
  • Couples of optical wedges or prisms have the advantage that the degree of dispersion compensation can be adjusted depending on their position relative to one another.
  • an end mirror of the resonator may be mounted on a translation stage or on a corresponding actuator on which it is movable along the optical axis of the resonator.
  • the displacement table can be driven, for example, piezoelectrically with nanometer precision.
  • this mirror preferably has a reflection bandwidth of at least one octave, i. H. a reflectance of 99% or more over a frequency range from a first frequency f to twice the frequency 2f. In this way, more modes of the laser radiation can be excited in the resonator, so that shortens the pulse duration of the laser radiation generated.
  • a frequency conversion means for converting the frequency of the signal pulse may be provided within the resonator of the parametric oscillator. While the non-frequency-doubled signal radiation continues to circulate in the resonator, the frequency-doubled radiation could be coupled out of the resonator directly via a coupling-out mirror. For the non-frequency doubled, the reflective elements of the resonator could then ideally have a reflectance of 100% to prevent losses of signal radiation from the resonator.
  • the invention also relates to a method for generating ultrashort laser pulses.
  • pump photon-containing, coherent pump laser radiation is directed onto an optically non-linear amplifier crystal arranged in an optical resonator so that a signal and an idler photon are generated in the amplifier crystal by means of an opto-parametric process from a pump photon.
  • the signal photons form a signal pulse circulating in the resonator.
  • the dispersion of the radiation circulating in the resonator is compensated for at least partially, if possible completely, by dispersion compensation means.
  • the signal pulse circulating in the resonator is particularly strongly amplified when the arrival of a pulse of the pulsed pump laser radiation at the amplifier crystal is synchronized in time with the arrival of the signal pulse circulating in the resonator at the amplifier crystal.
  • This synchronization can be achieved by the resonator length leads to a cycle time of the signal pulse, which corresponds as closely as possible to the time interval between two (adjacent or non-adjacent) pulses of Pumplaserstrahlung.
  • a frequency conversion of the signal pulse in particular a frequency doubling, can be carried out within the resonator.
  • any loss of the non-frequency-converted signal radiation from the resonator can be prevented, while only the frequency-converted component is coupled out.
  • the ultrashort laser pulses generated by the system according to the invention or by the method according to the invention can be described as a mode comb.
  • Af is the mode spacing of adjacent modes, which exactly corresponds to the pulse repetition frequency, ie the repetition rate, of the resonator and which is therefore determined by the optical path length of the pulses in the resonator.
  • the offset frequency f 0 results from the fact that the group velocity for the oscillating pulses in the oscillator, which determines the repetition rate and thus the mode spacing Af, differs from the phase velocity of the individual modes.
  • the stabilizer can drive an actuator, which changes the optical path length of the oscillator and thus the pulse repetition frequency.
  • the actuator may be a linear drive or a piezoelectric actuator for a resonator mirror of the resonator.
  • the single FIGURE shows an embodiment of the system according to the invention or (in the present document synonymous :) parametric oscillator 1.
  • a pump laser 2 and a frequency doubling stage 3 together form a pump laser system 4 of the inventive oscillator or system 1.
  • the pump laser 2 is a mode-locked infrared pump laser.
  • the frequency doubling stage 3 for example a frequency doubling crystal, the frequency of the laser radiation generated by the pump laser 2 is doubled.
  • the pump laser system 4 may still have an amplifier stage.
  • the radiation generated by the pump laser system 4 has an average power of about 10 W at a central wavelength of 520 nm.
  • the pulse repetition frequency is about 35 MHz, the pulse duration 500 fs.
  • the coherent pump laser radiation 5 emerging from the pump laser system 4 is deflected via deflecting or pumping mirrors 6, 7, which are highly reflective for the pump laser radiation 5.
  • the pump laser radiation 5 passes through a focusing element 8, for example a focusing lens.
  • the focusing element 8 focuses the pump laser radiation 5 to a focus which is close to the surface or inside of an optically nonlinear crystal 9.
  • the amplifier crystal 9 is located in a resonator 10.
  • the amplifier crystal 9 has a high nonlinear susceptibility and is configured to generate a signal and idler photon by means of an optical parametric process from a pump photon of the pump laser radiation 5 by means of three-wave mixing.
  • a first end mirror M1 of the resonator 10 is connected to an actuator, in particular a piezoelectric actuator, to be displaced along the optical axis 11 of the resonator 10 with nanometer precision. This movement is indicated by a double arrow. By shifting the end mirror M1, the resonator length is changed. This causes a change in the cycle time of the signal pulse in the resonator 10 and a change in the mode spacing ⁇ of the mode comb leaving the parametric oscillator 1.
  • the second and third resonator mirrors M2, M3 are designed as concave mirrors in order to focus the signal pulses circulating in the resonator 10 or to collimate them after passing through the amplifier crystal 9.
  • the focus formed by the two concave mirrors M2, M3 lies in the interior of the crystal 9, in particular at the location of the focus laser pump 5 formed by the focusing optics 8. In this way, the efficiency of the optical parametric process in the amplifier crystal 9 is increased.
  • the signal pulse circulating in the resonator 9 reaches an outcoupling mirror OC.
  • a part of the signal pulses circulating in the resonator 10 leaves the resonator 10 through the outcoupling mirror OC in the form of ultrashort laser pulses or in the form of a mode comb 12.
  • the first four resonator mirrors M1 to M4 are dispersion-compensating mirrors which support bandwidths of up to one octave or more, i. H. have an extremely high reflectivity over a frequency range from a frequency f to at least twice the frequency 2f.
  • the dispersion-compensating mirrors support the formation of ultrashort laser pulses in the resonator 10.
  • the mirrors M1 to M4 may be so-called "chirped mirrors” or “double chirped mirrors” or “double-chirped mirror pairs”.
  • optical wedge substrates W1, W2 are arranged obliquely to the optical axis 11 of the resonator 10 and can be displaced in their own main axis in the longitudinal direction. In this way, the wedge substrates W1, W2 serve to finely adjust the dispersion compensation in the resonator 10.
  • the pump-Einstrahlgeometrie non-collinear d. H.
  • the pump laser radiation 5 impinges on the crystal 9 at an angle ⁇ not equal to 0 ° to the optical axis 11 of the resonator 10.
  • the angle 4 serves for phase matching between the pump laser radiation 5 and the crystal 9 in the direction of the optical axis 11 of the resonator 10 leaving signal radiation.
  • the angle ⁇ is 2.4 °.
  • the pump laser 2 In the method according to the invention or during operation of the parametric oscillator 1 according to the invention, the pump laser 2 generates femtosecond laser pulses. their frequency is doubled in the frequency conversion stage 3.
  • the pump laser radiation 5 is directed via the mirrors 6, 7 at the angle ⁇ to the optical axis 11 of the resonator, ie in non-collinear Einstrahlgeometrie, the amplifier crystal 9). In this case, the pump laser radiation 5 is focused by means of the focusing optics 8 on or in the crystal 9.
  • an optical parametric process takes place.
  • a signal photon and an idler photon are formed from a pump photon of the pump laser radiation 5.
  • the signal photons leave the amplifier crystal 9 along the optical axis 11 of the resonator 10. Together, the signal photons form a broadband, d. H. ultrashort laser pulse, which circulates as a signal pulse in the resonator 10.
  • the dispersion of the signal pulse is limited or compensated by the dispersion compensation means, in the present embodiment the dispersion-compensating mirrors M1 to M4 and the optical wedges W1, W2, in order to prevent the signal pulse from divergence.
  • a part of the signal pulse is coupled out at the coupling-out mirror OC as laser radiation 12 in the form of ultrashort laser pulses.
  • the repetition rate of the pump laser 2 corresponds to the repetition rate of the signal pulse in the resonator 10, which is determined by the optical length of the resonator 10.
  • the repetition rate of the resonator 10 may be an integer multiple of the repetition rate of the pump laser 2. In this way, it is ensured that a pulse of the pump laser radiation 5 arrives simultaneously with a signal pulse at the amplifier crystal 9 so as to increase the efficiency of the optical parametric process and to further amplify the signal pulse each time the amplifier crystal 9 passes through.
  • the position of the end mirror M1 of the resonator 10 can be changed in order to change the resonator length and thus the repetition rate of the resonator 10, so that this repetition rate can be matched to the repetition rate of the pump laser 2. It would also be conceivable to be able to adapt the repetition rate of the pump laser 2.
  • the signal radiation generated by the parametric oscillator 1 according to the invention in the present embodiment has an average power of approximately 600 mW, a wavelength of 800 nm and a pulse duration of slightly less than 200 fs, for example 190 fs.
  • the inventive parametric oscillator and the method according to the invention can be varied in many ways.
  • a BBO crystal another crystal can also be used as the non-linear centering crystal 9.
  • a collinear single-beam geometry would also be conceivable in which the pump laser radiation 5 reaches the amplifier crystal 9 collinearly with the optical axis 11 of the resonator 10.
  • a second amplifier crystal of the same or another type in the resonator 10 which realizes a second gain stage either by a classical laser process or by a further optical parametric process.
  • This second amplifier crystal could be pumped by the same pump laser 2, possibly with a different frequency conversion stage, that is, for example, in the frequency-tripled pump laser radiation.
  • a frequency conversion means would be provided in the resonator 10, for example a frequency doubling crystal.
  • the frequency-doubled signal pulse would be coupled out via the output coupling mirror, while the non-frequency-doubled component of the signal pulse would remain 100% in the resonator 10.
  • a stabilizer could also be provided to stabilize one or both degrees of freedom of the mode comb leaving the parametric oscillator 1.
  • the pulse train of the signal or idler pho- tons emitted by the parametric oscillator 1 can be used, for example, as an example. used as a fashion comb for precision frequency metrology.

Abstract

The invention relates to a parametric oscillator (1) for generating ultra-short pulses. The system (1) comprises a resonator (10) having an optical axis (11), an amplifier crystal (9) arranged in the resonator (10), and a pump laser system (4) for generating pump laser radiation (5) having pump photons, said pump laser radiation being directed onto the amplifier crystal (9). The invention is distinguished by the fact that the amplifier crystal (9) is an optically non-linear crystal configured for generating a signal photon and an idler photon from a pump photon by means of an optical-parametric process, wherein the resonator (10) is arranged in such a way that a signal pulse formed from the signal photons leaves the amplifier crystal (9) along the optical axis (11) of the resonator (10), and wherein dispersion compensation means for the at least partial compensation of the dispersion of the radiation circulating in the resonator (10) are provided. The invention also relates to a method for generating ultra-short pulses or the associated mode comb by means of such a parametric oscillator (1).

Description

Parametrischer Oszillator und Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Pulse  Parametric oscillator and method for generating ultrashort pulses
Die Erfindung bezieht sich auf einen parametrischen Oszillator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie auf ein entsprechendes Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse. The invention relates to a parametric oscillator according to the preamble of claim 1, and to a corresponding method for generating ultrashort laser pulses.
Ultrakurze Laserpulse, auch Femtosekunden-Pulse genannt, haben eine Dauer (FWHM) von weniger als einer Pikosekunde. Eine typische Pulsdauer eines Ultrakurzpulslasers liegt demnach beispielsweise bei 100 bis 200 Femtosekunden (fs). Ein gattungsgemäßes Lasersystem geht aus der DE 199 07 722 A1 hervor. Ultrashort laser pulses, also known as femtosecond pulses, have a duration (FWHM) of less than one picosecond. Accordingly, a typical pulse duration of an ultrashort pulse laser is for example 100 to 200 femtoseconds (fs). A generic laser system is apparent from DE 199 07 722 A1.
Wie dort beschrieben, wird zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse typischerweise ein laseraktiver Kristall mit hoher Verstärkungsbandbreite in einem Resonator verwendet. In dem laseraktiven Kristall wird durch Pumpen, beispielsweise mittels Pumplaserstrahlung, Inversion erzeugt. Durch Modenkopplung der vom Laserkristall durch stimulierte Emission abgegebenen Strahlung entstehen ultrakurze Laserpulse, die im Resonator umlaufen. Dispersi- onskompensationsmittel im Resonator gleichen die beim Durchlaufen des Laserkristalls auftretende Dispersion der Laserpulse aus, damit sich die Pulsdauer nicht verlängert. Als laseraktiver Kristall mit hoher Verstärkungsbandbreite wird häufig Titan-Saphir (Ti:Sa, Ti3+:AI203) verwendet. As described therein, to generate ultrashort laser pulses, a high gain bandwidth laser active crystal is typically used in a resonator. In the laser-active crystal is generated by pumping, for example by means of pump laser radiation, inversion. By mode-locking the radiation emitted by the laser crystal by stimulated emission, ultrashort laser pulses are generated which circulate in the resonator. Dispersion compensation means in the resonator compensate for the dispersion of the laser pulses occurring during passage through the laser crystal, so that the pulse duration does not increase. As a laser-active crystal with high gain bandwidth is often titanium sapphire (Ti: Sa, Ti 3+ : Al 2 0 3 ) is used.
Nachteilig an herkömmlichen Verfahren und Lasersystemen zum Erzeugen ultrakurzer Pulse ist unter anderem, dass der Betrieb dieser Lasersysteme störanfällig ist, dass sich damit nur vergleichsweise moderate mittlere Laserleistungen erzielen lassen, und dass die verfügbaren Wellenlängenbereiche der ultrakurzen Laserpulse durch die Emissions-Bandbreite der Laserkristalle begrenzt sind. A disadvantage of conventional methods and laser systems for generating ultrashort pulses is, inter alia, that the operation of these laser systems is susceptible to interference, that only comparatively moderate mean laser powers can be achieved, and that the available wavelength ranges of the ultrashort laser pulses are limited by the emission bandwidth of the laser crystals ,
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln ein Lasersystem und ein Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse zur Verfügung zu stellen, mit denen einer oder mehrere der vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. The object of the present invention is to provide a laser system and a method for generating ultrashort laser pulses with structurally simple means as possible, with which one or more of the abovementioned disadvantages are avoided.
Diese Aufgabe wird erfindungemäß gelöst durch einen parametrischen Oszillator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , bzw. durch ein Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Pulse mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Im erfindungsgemäßen parametrischen Oszillator wird im Resonator als Laserkristall ein optisch nichtlinearer Kristall eingesetzt, der dazu konfiguriert ist, mittels eines optisch- parametrischen Prozesses aus einem Pumpphoton ein Signal- und ein Idlerphoton zu erzeugen. Ein Kristall ist optisch nichtlinear, wenn er eine nichtlineare, d. h. intensitätsabhängige, Polarisierbarkeit oder Suszeptibilität aufweist. Durch seine optische Nicht- Linearität ist der Verstärkerkristall in der Lage, einen optisch-parametrischen Prozess stattfinden zu lassen, bei dem über die nichtlineare Drei-Wellen-Wechselwirkung aus der Pumplaserstrahlung Signal- und Idler-Strahlung erzeugt wird. This object is achieved according erfindungemäß by a parametric oscillator with the features of claim 1, or by a method for generating ultrashort pulses having the features of claim 10. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims. In the parametric oscillator according to the invention, an optically non-linear crystal is used in the resonator as the laser crystal, which is configured to generate a signal and an idler photon from a pump photon by means of an optical parametric process. A crystal is optically nonlinear if it has a non-linear, ie intensity-dependent, polarizability or susceptibility. Due to its optical non-linearity, the amplifier crystal is able to take place an optical parametric process in which signal and idler radiation is generated by the non-linear three-wave interaction of the pump laser radiation.
Erfindungsgemäß ist der Resonator so angeordnet, dass ein aus den Signalphotonen gebildeter Signalpuls (und/oder ein aus den Idlerphotonen gebildeter Idlerpuls) den Verstärkerkristall entlang der optischen Achse des Resonators verlässt. Dadurch wird die Signalstrahlung (und/oder die Idlerstrahlung) wie bei einem optisch-parametrischen Oszillator (OPO) zurückgekoppelt, sodass die im Resonator umlaufende Strahlung bei jedem nachfolgenden Durchgang durch den Verstärkerkristall weiter verstärkt werden kann. According to the invention, the resonator is arranged so that a signal pulse formed from the signal photons (and / or an idler pulse formed from the idler photons) leaves the amplifier crystal along the optical axis of the resonator. As a result, the signal radiation (and / or the idler radiation) is fed back as in the case of an optical parametric oscillator (OPO), so that the radiation circulating in the resonator can be further amplified during each subsequent passage through the amplifier crystal.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen parametrischen Oszillators liegt darin, dass sich damit sehr kurze Pulsdauern (im Bereich von wenigen Femtosekunden bis hin zu einigen zehn Femtosekunden) bei höheren mittleren Laserleistungen als in bisherigen Systemen erzeugen lassen. Ein erheblicher Vorteil liegt zudem darin, dass die Wellenlängen der ultrakurzen Laserpulse nicht mehr durch die Emissions-Bandbreite eines laseraktiven Kristalls begrenzt sind, sondern je nach Auswahl und Orientierung des Verstärkerkristall nahezu beliebige Wellenlängen zur Verfügung gestellt werden können. The advantage of the parametric oscillator according to the invention lies in the fact that very short pulse durations (in the range of a few femtoseconds to a few tens of femtoseconds) can be produced at higher average laser powers than in previous systems. A considerable advantage lies in the fact that the wavelengths of the ultrashort laser pulses are no longer limited by the emission bandwidth of a laser-active crystal, but depending on the selection and orientation of the amplifier crystal almost any wavelengths can be provided.
Als optisch nichtlinearer Verstärkerkristall mit einer hohen Verstärkungsbandbreite eignet sich beispielsweise ein Barium-Beta-Borat-Kristall (BBO-Kristall), oder ein periodisch bzw. aperiodisch gepolter Kristall, beispielsweise ein periodisch oder aperiodisch (z.B. .chirped') gepolter Lithium-Niobat-Kristall. Als weitere Alternative bietet sich ein am oder nahe am Entartungspunkt betriebener Kristall an. Am Entartungspunkt betrieben wird ein Kristall, wenn bei dem optisch-parametrischen Prozess die Wellenlängen von Signal- und Idlerstrahlung gleich sind. As an optically non-linear amplifier crystal with a high gain bandwidth, for example, a barium-beta-borate crystal (BBO crystal), or a periodically or aperiodisch polarized crystal, for example, a periodically or aperiodisch (eg .chirped ') polarized lithium niobate Crystal. Another alternative is a crystal operated at or near the degenerating point. At the degeneracy point, a crystal is operated when the wavelengths of signal and idler radiation are the same in the optical parametric process.
Damit der Signalstrahl im Resonator zurückgeführt werden kann, muss bei dem optisch- parametrischen Prozess am Verstärkerkristall die Phasenanpassungsbedingung zwischen Pump-, Signal- und Idlerwelle erfüllt sein (kP=ks+k|). Der Phasenanpassungswinkel zwischen der Pumplaserstrahlung und der Signalstrahlung hängt vom verwendeten Verstärker- kristall ab. Um die Phasenanpassung zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, wenn die Pumplaserstrahlung nicht-kollinear zur optischen Achse des Resonators auf den Verstärkerkristall gerichtet ist. Bei BBO beträgt der interne Phasenanpassungswinkel beispielsweise 2,4°. Wird die Pumplaserstrahlung unter diesem Winkel zur optischen Achse auf den Verstärkerkristall gerichtet, ist die Phasenanpassungsbedingung optimal erfüllt. In order for the signal beam to be able to be returned in the resonator, the phase matching condition between the pump, signal and idler wave must be fulfilled in the optical parametric process at the amplifier crystal (k P = k s + k |). The phase matching angle between the pump laser radiation and the signal radiation depends on the amplifier used. crystal off. In order to achieve phase matching, it may be advantageous if the pump laser radiation is directed non-collinearly to the optical axis of the resonator on the amplifier crystal. For BBO, for example, the internal phase matching angle is 2.4 °. If the pump laser radiation is directed onto the amplifier crystal at this angle to the optical axis, the phase matching condition is optimally fulfilled.
Günstig ist es, wenn das Pumplasersystem einen Pumplaser und eine Frequenzkonversionsstufe aufweist, beispielsweise eine Frequenzverdopplungs-Stufe. Auf diese Weise erhält die Pumplaserstrahlung Photonen höherer Energie, sodass auch die durch den optisch- parametrischen Prozess erzeugte Signalstrahlung Photonen höherer Energie umfasst. Zudem kann durch die Frequenzkonversionsstufe erreicht werden, dass die Pumplaserstrahlung in einem Wellenlängenbereich liegt, bei dem die nichtlineare Suszeptibilität des Verstärkerkristalls besonders hoch ist, sodass auch die Effizienz des optisch-parametrischen Prozesses besonders hoch ist. It is advantageous if the pump laser system has a pump laser and a frequency conversion stage, for example a frequency doubling stage. In this way, the pump laser radiation receives photons of higher energy, so that the signal radiation generated by the optical parametric process includes higher energy photons. In addition, it can be achieved by the frequency conversion stage that the pump laser radiation is in a wavelength range in which the nonlinear susceptibility of the amplifier crystal is particularly high, so that the efficiency of the optical parametric process is particularly high.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Pumplaserstrahlung um gepulste Laserstrahlung, beispielsweise um ultrakurze Laserpulse. Auf diese Weise können hohe Spitzen-Intensitäten erzielt werden, um die Effizienz des optisch-parametrischen Prozesses zu steigern. Preferably, the pump laser radiation is pulsed laser radiation, for example ultrashort laser pulses. In this way, high peak intensities can be achieved to increase the efficiency of the optical parametric process.
Wenn es sich bei der Pumplaserstrahlung um gepulste Laserstrahlung handelt, sollte die optische Länge des Resonators derart gewählt sein, dass die Umlaufzeit des Signalpulses im Resonator (oder ein ganzzahliges Vielfaches dieser Umlaufzeit) möglichst genau dem zeitlichen Abstand zwischen zwei Pulsen der Pumplaserstrahlung entspricht. Dadurch wird erreicht, dass der Signalpuls nach einem oder mehreren Umläufen im Resonator wieder genau mit einem Pumppuls überlagert wird. Der durch den neuen Pumppuls im Verstärkerkristall hervorgerufene optisch-parametrische Prozess verstärkt nun den im Resonator umlaufenden Signalpuls. Zudem wird die Effizienz des optisch-parametrischen Prozesses höher, da der Prozess vom Signalpuls ausgehen kann und nicht mehr aus dem Rauschen starten muss. If the pump laser radiation is pulsed laser radiation, the optical length of the resonator should be chosen such that the cycle time of the signal pulse in the resonator (or an integer multiple of this cycle time) corresponds as closely as possible to the time interval between two pulses of the pump laser radiation. This ensures that the signal pulse is superimposed again exactly with a pump pulse after one or more cycles in the resonator. The optical parametric process caused by the new pump pulse in the amplifier crystal now amplifies the signal pulse circulating in the resonator. In addition, the efficiency of the optical-parametric process is higher because the process can start from the signal pulse and no longer has to start from the noise.
Als Dispersionskompensationsmittel zum zumindest teilweisen, möglichst jedoch vollständigen Kompensieren der Dispersion der im Resonator umlaufenden Strahlung können beispielsweise ein Paar von optischen Keilen, ein Paar von Prismen und/oder ein oder mehrere dispersionskompensierende Spiegel vorgesehen sein. Paare von optischen Keilen oder Prismen haben dabei den Vorteil, dass sich je nach ihrer Stellung zueinander der Grad der Dispersionskompensation einstellen lässt. Um die Resonatorlänge ändern zu können, den Betrieb des parametrischen Oszillators stabilisieren zu können und die Effizienz zu optimieren, kann ein Endspiegel des Resonators auf einem Verschiebetisch oder an einem entsprechenden Stellglied montiert sein, auf dem er entlang der optischen Achse des Resonators beweglich ist. Zu diesem Zweck kann der Verschiebetisch beispielsweise piezoelektrisch mit Nanometer-Präzision angesteuert werden. For example, a pair of optical wedges, a pair of prisms and / or one or more dispersion-compensating mirrors may be provided as dispersion compensation means for at least partially compensating the dispersion of the radiation circulating in the resonator, if at all possible. Couples of optical wedges or prisms have the advantage that the degree of dispersion compensation can be adjusted depending on their position relative to one another. In order to be able to change the resonator length, to stabilize the operation of the parametric oscillator and to optimize the efficiency, an end mirror of the resonator may be mounted on a translation stage or on a corresponding actuator on which it is movable along the optical axis of the resonator. For this purpose, the displacement table can be driven, for example, piezoelectrically with nanometer precision.
Wenn ein dispersionskompensierender Spiegel im Resonator vorgesehen ist, hat dieser Spiegel vorzugsweise eine Reflexions-Bandbreite von mindestens einer Oktave, d. h. einen Reflexionsgrad von 99% oder mehr über einen Frequenzbereich von einer ersten Frequenz f bis zur doppelten Frequenz 2f. Auf diese Weise können mehr Moden der Laserstrahlung im Resonator angeregt werden, so dass sich die Pulsdauer der erzeugten Laserstrahlung verkürzt. If a dispersion compensating mirror is provided in the resonator, this mirror preferably has a reflection bandwidth of at least one octave, i. H. a reflectance of 99% or more over a frequency range from a first frequency f to twice the frequency 2f. In this way, more modes of the laser radiation can be excited in the resonator, so that shortens the pulse duration of the laser radiation generated.
In einer Alternative der Erfindung kann innerhalb des Resonators des parametrischer Oszillators ein Frequenzkonversionsmittel zum Umwandeln der Frequenz des Signalpulses vorgesehen sein, beispielsweise ein Frequenzverdoppler. Während die nicht-frequenzver- doppelte Signalstrahlung weiter im Resonator umläuft, könnte die frequenzverdoppelte Strahlung direkt über einen Auskoppelspiegel aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Für die Nicht-Frequenzverdoppelte könnten die reflektierenden Elemente des Resonators dann im Idealfall einen Reflexionsgrad von 100% haben, um Verluste der Signalstrahlung aus dem Resonator zu verhindern. In an alternative of the invention, a frequency conversion means for converting the frequency of the signal pulse, for example a frequency doubler, may be provided within the resonator of the parametric oscillator. While the non-frequency-doubled signal radiation continues to circulate in the resonator, the frequency-doubled radiation could be coupled out of the resonator directly via a coupling-out mirror. For the non-frequency doubled, the reflective elements of the resonator could then ideally have a reflectance of 100% to prevent losses of signal radiation from the resonator.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse. Bei diesem Verfahren wird Pumpphotonen aufweisende, kohärente Pumplaserstrahlung auf einen in einem optischen Resonator angeordneten, optisch nichtlinearen Verstärkerkristall gerichtet, sodass im Verstärkerkristall mittels eines optisch-parametrischen Prozesses aus einem Pumpphoton ein Signal- und ein Idlerphoton erzeugt werden. Aus den Signalphotonen bildet sich ein im Resonator umlaufender Signalpuls. Ferner wird die Dispersion der im Resonator umlaufenden Strahlung durch Dispersionskompensationsmittel zumindest teilweise, möglichst jedoch vollständig kompensiert. Durch dieses Verfahren lässt sich ein stabiler Pulslaserbetrieb mit sehr kurzen Pulsdauern, hohen mittleren Leistungen und einer Vielzahl von unterschiedlichen Wellenlängen erzielen. The invention also relates to a method for generating ultrashort laser pulses. In this method, pump photon-containing, coherent pump laser radiation is directed onto an optically non-linear amplifier crystal arranged in an optical resonator so that a signal and an idler photon are generated in the amplifier crystal by means of an opto-parametric process from a pump photon. The signal photons form a signal pulse circulating in the resonator. Furthermore, the dispersion of the radiation circulating in the resonator is compensated for at least partially, if possible completely, by dispersion compensation means. By this method, a stable pulse laser operation with very short pulse durations, high average power and a variety of different wavelengths can be achieved.
Um die Phasenanpassungsbedingung für den optisch-parametrischen Prozess zu erfüllen und die Effizienz dieses optisch-parametrischen Prozesses zu erhöhen, kann es günstig sein, wenn die Pumplaserstrahlung unter einem Winkel zur optischen Achse des Resonators auf den Verstärkerkristall auftrifft. To meet the phase matching condition for the optical parametric process and increase the efficiency of this optical parametric process can be beneficial be when the pump laser radiation impinges on the amplifier crystal at an angle to the optical axis of the resonator.
Der im Resonator umlaufende Signalpuls wird besonders stark verstärkt, wenn das Eintreffen eines Pulses der gepulsten Pumplaserstrahlung am Verstärkerkristall zeitlich synchronisiert wird mit dem Eintreffen des im Resonator umlaufenden Signalpulses am Verstärkerkristall. Diese Synchronisation kann erreicht werden, indem die Resonatorlänge zu einer Umlaufzeit des Signalpulses führt, die möglichst genau dem zeitlichen Abstand zwischen zwei (benachbarten oder nicht benachbarten) Pulsen der Pumplaserstrahlung entspricht. The signal pulse circulating in the resonator is particularly strongly amplified when the arrival of a pulse of the pulsed pump laser radiation at the amplifier crystal is synchronized in time with the arrival of the signal pulse circulating in the resonator at the amplifier crystal. This synchronization can be achieved by the resonator length leads to a cycle time of the signal pulse, which corresponds as closely as possible to the time interval between two (adjacent or non-adjacent) pulses of Pumplaserstrahlung.
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann innerhalb des Resonators eine Frequenzkonversion des Signalpulses, insbesondere eine Frequenzverdopplung, durchgeführt werden. Wie bereits erläutert, kann so im Idealfall jeglicher Verlust der nicht- frequenzkonvertierten Signalstrahlung aus dem Resonator verhindert werden, während nur der frequenzkonvertierte Anteil ausgekoppelt wird. In a variant of the method according to the invention, a frequency conversion of the signal pulse, in particular a frequency doubling, can be carried out within the resonator. As already explained, in the ideal case, any loss of the non-frequency-converted signal radiation from the resonator can be prevented, while only the frequency-converted component is coupled out.
Im Frequenzraum können die durch das erfindungsgemäße System bzw. durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten, ultrakurzen Laserpulse als Modenkamm beschrieben werden. Rechnerisch lässt sich der Moden- oder Frequenzkamm beschreiben als fn=fo+n Af. Dabei ist Af der Modenabstand benachbarter Moden, der genau der Pulswiederholfrequenz, d. h. der Repetitionsrate, des Resonators entspricht und der daher durch die optische Weglänge der Pulse im Resonator bestimmt ist. Die Offset-Frequenz f0 ergibt sich dadurch, dass sich die Gruppengeschwindigkeit für die im Oszillator umlaufenden Pulse, die die Repetitionsrate und damit den Modenabstand Af bestimmt, von der Phasengeschwindigkeit der einzelnen Moden unterscheidet. In the frequency domain, the ultrashort laser pulses generated by the system according to the invention or by the method according to the invention can be described as a mode comb. Computationally, the mode or frequency comb can be described as f n = fo + n Af. In this case, Af is the mode spacing of adjacent modes, which exactly corresponds to the pulse repetition frequency, ie the repetition rate, of the resonator and which is therefore determined by the optical path length of the pulses in the resonator. The offset frequency f 0 results from the fact that the group velocity for the oscillating pulses in the oscillator, which determines the repetition rate and thus the mode spacing Af, differs from the phase velocity of the individual modes.
Im erfindungsgemäßen parametrischen Oszillator und im erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, für die zwei Freiheitsgrade des Frequenzkamms, d. h. die Offset-Frequenz f0 und den Modenabstand Af, jeweils einen Stabilisator oder Regelkreis vorzusehen. Solche Stabilisatoren oder Regelkreise sind in der DE 199 11 193 A1 , der EP 1 161 782 B1 oder der DE 100 44 404 C2 beschrieben. Um den Modenabstand zu verändern oder um ihn bei festgestellter Abweichung auf einen vorgegebenen Referenzwert einzustellen, kann der Stabilisator ein Stellglied ansteuern, das die optische Weglänge des Oszillators und damit die Pulswiederholfrequenz ändert. Beispielsweise kann das Stellglied ein Linearantrieb oder ein Piezoaktor für einen Resonatorspiegel des Resonators sein. Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher dargestellt. In the parametric oscillator according to the invention and in the method according to the invention, it is possible to provide in each case one stabilizer or control loop for the two degrees of freedom of the frequency comb, ie the offset frequency f 0 and the mode spacing Δf. Such stabilizers or control circuits are described in DE 199 11 193 A1, EP 1 161 782 B1 or DE 100 44 404 C2. In order to change the mode spacing or to set it at a detected deviation to a predetermined reference value, the stabilizer can drive an actuator, which changes the optical path length of the oscillator and thus the pulse repetition frequency. For example, the actuator may be a linear drive or a piezoelectric actuator for a resonator mirror of the resonator. In the following, an advantageous embodiment of the invention is illustrated in more detail with reference to a drawing.
Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems oder (im vorliegenden Dokument synonym:) parametrischen Oszillators 1. Ein Pumplaser 2 und eine Frequenzverdopplungs-Stufe 3 bilden zusammen ein Pumplasersystem 4 des erfindungsgemäßen Oszillators oder Systems 1. Bei dem Pumplaser 2 handelt es sich um einen modengekoppelten infraroten Pumplaser. In der Frequenzverdopplungs-Stufe 3, beispielsweise einem Frequenzverdopplungs-Kristall, wird die Frequenz der vom Pumplaser 2 erzeugten Laserstrahlung verdoppelt. Optional kann das Pumplasersystem 4 noch eine Verstärkerstufe aufweisen. Die mit dem Pumplasersystem 4 erzeugte Strahlung hat eine mittlere Leistung von etwa 10 W bei einer zentralen Wellenlänge von 520 nm. Die Pulswiederholfrequenz beträgt etwa 35 MHz, die Pulsdauer 500 fs. The single FIGURE shows an embodiment of the system according to the invention or (in the present document synonymous :) parametric oscillator 1. A pump laser 2 and a frequency doubling stage 3 together form a pump laser system 4 of the inventive oscillator or system 1. The pump laser 2 is a mode-locked infrared pump laser. In the frequency doubling stage 3, for example a frequency doubling crystal, the frequency of the laser radiation generated by the pump laser 2 is doubled. Optionally, the pump laser system 4 may still have an amplifier stage. The radiation generated by the pump laser system 4 has an average power of about 10 W at a central wavelength of 520 nm. The pulse repetition frequency is about 35 MHz, the pulse duration 500 fs.
Die aus dem Pumplasersystem 4 austretende kohärente Pumplaserstrahlung 5 wird über Umlenk- oder Pumpspiegel 6, 7 umgelenkt, die für die Pumplaserstrahlung 5 hoch reflektierend sind. Jenseits des zweiten Pumpspiegels 7 durchläuft die Pumplaserstrahlung 5 ein Fokussierelement 8, beispielsweise eine Fokussierlinse. Das Fokussierelement 8 bündelt die Pumplaserstrahlung 5 zu einem Fokus, der sich nahe der Oberfläche oder im Inneren eines optisch nichtlinearen Kristalls 9 befindet. The coherent pump laser radiation 5 emerging from the pump laser system 4 is deflected via deflecting or pumping mirrors 6, 7, which are highly reflective for the pump laser radiation 5. Beyond the second pumping mirror 7, the pump laser radiation 5 passes through a focusing element 8, for example a focusing lens. The focusing element 8 focuses the pump laser radiation 5 to a focus which is close to the surface or inside of an optically nonlinear crystal 9.
Der Verstärkerkristall 9 befindet sich in einem Resonator 10. Der Verstärkerkristall 9 hat eine hohe nichtlineare Suszeptibilität und ist dazu konfiguriert, mittels eines optisch- parametrischen Prozesses aus einem Pumpphoton der Pumplaserstrahlung 5 mittels Drei- Wellen-Mischung ein Signal- und Idlerphoton zu erzeugen. The amplifier crystal 9 is located in a resonator 10. The amplifier crystal 9 has a high nonlinear susceptibility and is configured to generate a signal and idler photon by means of an optical parametric process from a pump photon of the pump laser radiation 5 by means of three-wave mixing.
Ein erster Endspiegel M1 des Resonators 10 ist mit einem Stellglied verbunden, insbesondere mit einem piezoelektrischen Aktor, um mit Nanometer-Präzision entlang der optischen Achse 11 des Resonators 10 verschoben zu werden. Diese Verschiebebewegung ist durch einen Doppelpfeil angegeben. Durch eine Verschiebung des Endspiegels M1 wird die Resonatorlänge geändert. Dies bewirkt eine Änderung der Umlaufzeit des Signalpulses im Resonator 10 sowie eine Änderung des Modenabstands Δί des den parametrischen Oszillator 1 verlassenden Modenkamms. A first end mirror M1 of the resonator 10 is connected to an actuator, in particular a piezoelectric actuator, to be displaced along the optical axis 11 of the resonator 10 with nanometer precision. This movement is indicated by a double arrow. By shifting the end mirror M1, the resonator length is changed. This causes a change in the cycle time of the signal pulse in the resonator 10 and a change in the mode spacing Δί of the mode comb leaving the parametric oscillator 1.
Zwischen einem zweiten Resonatorspiegel M2 und einem dritten Resonatorspiegel M3 befindet sich der nichtlineare Verstärkerkristall 9. Der zweite und der dritte Resonatorspiegel M2, M3 sind als konkave Spiegel ausgebildet, um die im Resonator 10 umlaufenden Signalpulse zu fokussieren bzw. nach dem Durchlaufen des Verstärkerkristalls 9 zu kollimieren. Der durch die beiden Konkavspiegel M2, M3 gebildete Fokus liegt im Inneren des Kristalls 9, insbesondere an dem Ort des durch die Fokussieroptik 8 gebildeten Fokus der Pumplaserstrahlung 5. Auf diese Weise wird die Effizienz des optisch-parametrischen Prozesses im Verstärkerkristall 9 erhöht. Between a second resonator mirror M2 and a third resonator mirror M3 is the nonlinear amplifier crystal 9. The second and third resonator mirrors M2, M3 are designed as concave mirrors in order to focus the signal pulses circulating in the resonator 10 or to collimate them after passing through the amplifier crystal 9. The focus formed by the two concave mirrors M2, M3 lies in the interior of the crystal 9, in particular at the location of the focus laser pump 5 formed by the focusing optics 8. In this way, the efficiency of the optical parametric process in the amplifier crystal 9 is increased.
Über einen weiteren Resonatorspiegel M4 gelangt der im Resonator 9 umlaufende Signalpuls zu einem Auskoppelspiegel OC. Ein Teil der im Resonator 10 umlaufenden Signalpulse verlässt den Resonator 10 durch den Auskoppelspiegel OC in Form von ultrakurzen Laserpulsen bzw. in Form eines Modenkamms 12. Via a further resonator mirror M4, the signal pulse circulating in the resonator 9 reaches an outcoupling mirror OC. A part of the signal pulses circulating in the resonator 10 leaves the resonator 10 through the outcoupling mirror OC in the form of ultrashort laser pulses or in the form of a mode comb 12.
Bei den ersten vier Resonatorspiegeln M1 bis M4 handelt es sich um dispersionskompen- sierende Spiegel, die Bandbreiten bis zu einer Oktave oder mehr unterstützen, d. h. eine extrem hohe Reflektivität über einen Frequenzbereich von einer Frequenz f bis zu mindestens der doppelten Frequenz 2f haben. Auf diese Weise unterstützen die dispersionskom- pensierenden Spiegel die Ausbildung von ultrakurzen Laserpulsen im Resonator 10. Beispielsweise kann es sich bei den Spiegeln M1 bis M4 um sogenannte .chirped mirrors' oder .double chirped mirrors' oder .double chirped mirror pairs' handeln. The first four resonator mirrors M1 to M4 are dispersion-compensating mirrors which support bandwidths of up to one octave or more, i. H. have an extremely high reflectivity over a frequency range from a frequency f to at least twice the frequency 2f. In this way, the dispersion-compensating mirrors support the formation of ultrashort laser pulses in the resonator 10. For example, the mirrors M1 to M4 may be so-called "chirped mirrors" or "double chirped mirrors" or "double-chirped mirror pairs".
Zwischen dem vierten Resonatorspiegel M4 und dem Auskoppelspiegel OC befindet sich ein Paar von optischen Keil-Substraten. Diese optischen Keile W1 , W2 sind schräg zur optischen Achse 11 des Resonators 10 angeordnet und können in ihrer eigenen Hauptachse in Längsrichtung verschoben werden. Auf diese Weise dienen die Keil-Substrate W1 , W2 zur Feineinstellung der Dispersionskompensation im Resonator 10. Between the fourth resonator mirror M4 and the outcoupling mirror OC there is a pair of optical wedge substrates. These optical wedges W1, W2 are arranged obliquely to the optical axis 11 of the resonator 10 and can be displaced in their own main axis in the longitudinal direction. In this way, the wedge substrates W1, W2 serve to finely adjust the dispersion compensation in the resonator 10.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Pump-Einstrahlgeometrie nicht-kollinear, d. h. am Verstärkerkristall 9 trifft die Pumplaserstrahlung 5 unter einem Winkel φ ungleich 0° zur optischen Achse 11 des Resonators 10 auf den Kristall 9. Der Winkel 4 dient zur Phasenanpassung zwischen der Pumplaserstrahlung 5 und der den Kristall 9 in Richtung der optischen Achse 11 des Resonators 10 verlassenden Signalstrahlung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel, bei dem ein BBO-Kristall als Verstärkerkristall 9 dient, beträgt der Winkel φ 2,4°. In the illustrated embodiment, the pump-Einstrahlgeometrie non-collinear, d. H. At the amplifier crystal 9, the pump laser radiation 5 impinges on the crystal 9 at an angle φ not equal to 0 ° to the optical axis 11 of the resonator 10. The angle 4 serves for phase matching between the pump laser radiation 5 and the crystal 9 in the direction of the optical axis 11 of the resonator 10 leaving signal radiation. In the present embodiment, in which a BBO crystal serves as the amplifier crystal 9, the angle φ is 2.4 °.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. im Betrieb des erfindungsgemäßen parametrischen Oszillators 1 erzeugt der Pumplaser 2 Femtosekunden-Laserpulse. deren Frequenz in der Frequenzkonversions-Stufe 3 verdoppelt wird. Die Pumplaserstrahlung 5 wird über die Spiegel 6, 7 unter dem Winkel φ zur optischen Achse 11 des Resonators, d. h. in nicht- kollinearer Einstrahlgeometrie, auf den Verstärkerkristal) 9 gerichtet. Dabei wird die Pumplaserstrahlung 5 mittels der Fokussieroptik 8 auf bzw. in den Kristall 9 fokussiert. In the method according to the invention or during operation of the parametric oscillator 1 according to the invention, the pump laser 2 generates femtosecond laser pulses. their frequency is doubled in the frequency conversion stage 3. The pump laser radiation 5 is directed via the mirrors 6, 7 at the angle φ to the optical axis 11 of the resonator, ie in non-collinear Einstrahlgeometrie, the amplifier crystal 9). In this case, the pump laser radiation 5 is focused by means of the focusing optics 8 on or in the crystal 9.
Im Verstärkerkristall 9 erfolgt ein optisch-parametrischer Prozess. Mittels Drei-Wellen- Mischung werden dabei aus einem Pumpphoton der Pumplaserstrahlung 5 ein Signalphoton und ein Idlerphoton gebildet. Je höher die Effizienz des optisch-parametrischen Prozesses ist, desto mehr Pumpphotonen werden in ein Signalphoton und in ein Idlerphoton umgewandelt. In the amplifier crystal 9, an optical parametric process takes place. By means of a three-wave mixture, a signal photon and an idler photon are formed from a pump photon of the pump laser radiation 5. The higher the efficiency of the optical parametric process, the more pump photons are converted to a signal photon and an idler photon.
Die Signalphotonen verlassen den Verstärkerkristall 9 entlang der optischen Achse 11 des Resonators 10. Gemeinsam bilden die Signalphotonen einen breitbandigen, d. h. ultrakurzen Laserpuls, der als Signalpuls im Resonator 10 umläuft. Die Dispersion des Signalpulses wird durch die Dispersionskompensationsmittel, im vorliegenden Ausführungsbeispiel die dispersionskompensierenden Spiegel M1 bis M4 und die optischen Keile W1 , W2, begrenzt bzw. kompensiert, um ein Auseinanderlaufen des Signalpulses zu verhindern. Ein Teil des Signalpulses wird am Auskoppelspiegel OC als Laserstrahlung 12 in Form von ultrakurzen Laserpulsen ausgekoppelt. The signal photons leave the amplifier crystal 9 along the optical axis 11 of the resonator 10. Together, the signal photons form a broadband, d. H. ultrashort laser pulse, which circulates as a signal pulse in the resonator 10. The dispersion of the signal pulse is limited or compensated by the dispersion compensation means, in the present embodiment the dispersion-compensating mirrors M1 to M4 and the optical wedges W1, W2, in order to prevent the signal pulse from divergence. A part of the signal pulse is coupled out at the coupling-out mirror OC as laser radiation 12 in the form of ultrashort laser pulses.
Die Repetitionsrate des Pumplasers 2 entspricht der Repetitionsrate des Signalpulses im Resonator 10, die durch die optische Länge des Resonators 10 festgelegt ist. Alternativ dazu kann die Repetitionsrate des Resonators 10 ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate des Pumplasers 2 sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein Puls der Pumplaserstrahlung 5 gleichzeitig mit einem Signalpuls am Verstärkerkristall 9 eintrifft, um so die Effizienz des optisch-parametrischen Prozesses zu erhöhen, und um den Signalpuls bei jedem Durchlaufen des Verstärkerkristalls 9 weiter zu verstärken. Die Position des Endspiegels M1 des Resonators 10 kann verändert werden, um die Resonatorlänge und damit die Repetitionsrate des Resonators 10 zu verändern, sodass diese Repetitionsrate an die Repetitionsrate des Pumplasers 2 angepasst werden kann. Denkbar wäre es auch, die Repetitionsrate des Pumplasers 2 anpassen zu können. The repetition rate of the pump laser 2 corresponds to the repetition rate of the signal pulse in the resonator 10, which is determined by the optical length of the resonator 10. Alternatively, the repetition rate of the resonator 10 may be an integer multiple of the repetition rate of the pump laser 2. In this way, it is ensured that a pulse of the pump laser radiation 5 arrives simultaneously with a signal pulse at the amplifier crystal 9 so as to increase the efficiency of the optical parametric process and to further amplify the signal pulse each time the amplifier crystal 9 passes through. The position of the end mirror M1 of the resonator 10 can be changed in order to change the resonator length and thus the repetition rate of the resonator 10, so that this repetition rate can be matched to the repetition rate of the pump laser 2. It would also be conceivable to be able to adapt the repetition rate of the pump laser 2.
Die mit dem erfindungsgemäßen parametrischen Oszillator 1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel erzeugte Signalstrahlung hat in einem ersten Beispiel eine mittlere Leistung von ca. 600 mW, eine Wellenlänge von 800 nm und eine Pulsdauer von etwas weniger als 200 fs, beispielsweise 190 fs. In einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer besonders breitban- digen Verstärkung hat die Signalstrahlung eine Pulsenergie von 1 ,4 nJ, eine mittlere Leistung von 100 mW, ebenfalls eine zentrale Wellenlänge von 800 nm und eine Pulsdauer von weniger als 20 fs, beispielsweise 17,9 fs. Wenn gleichzeitig zwei Pulse im Resonator 10 umlaufen, kann die Wiederholfrequenz 2x35 MHz = 70 MHz betragen. Wenn der Auskoppelspiegel OC eine Transmissivität von 1% hat, kann die Intensität der Strahlung am Verstärkerkristall 9 über 4 MW/cm2 betragen. In a first example, the signal radiation generated by the parametric oscillator 1 according to the invention in the present embodiment has an average power of approximately 600 mW, a wavelength of 800 nm and a pulse duration of slightly less than 200 fs, for example 190 fs. In a second exemplary embodiment with a particularly broadband Signal amplification, the signal radiation has a pulse energy of 1.4 nJ, an average power of 100 mW, also a central wavelength of 800 nm and a pulse duration of less than 20 fs, for example, 17.9 fs. If two pulses circulate in the resonator at the same time, the repetition frequency may be 2x35 MHz = 70 MHz. If the outcoupling mirror OC has a transmissivity of 1%, the intensity of the radiation at the amplifier crystal 9 can be over 4 MW / cm 2 .
Ausgehend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können der erfindungsgemäße parametrische Oszillator und das erfindungsgemäße Verfahren in vielfacher Hinsicht verändert werden. Statt eines BBO-Kristalls kann auch ein anderer Kristall als nichtlinearer Vertär- kerkristall 9 verwendet werden. Je nach Art des verwendeten Kristalls 9 wäre statt der darstellten nicht-kollinearen Einstrahlgeometrie auch eine kollineare Einstrahlgeometrie denkbar, bei der die Pumplaserstrahlung 5 den Verstärkerkristall 9 kollinear mit der optischen Achse 11 des Resonators 10 erreicht. Based on the illustrated embodiment, the inventive parametric oscillator and the method according to the invention can be varied in many ways. Instead of a BBO crystal, another crystal can also be used as the non-linear centering crystal 9. Depending on the type of crystal 9 used, instead of the non-collinear single-beam geometry represented, a collinear single-beam geometry would also be conceivable in which the pump laser radiation 5 reaches the amplifier crystal 9 collinearly with the optical axis 11 of the resonator 10.
Möglich wäre darüber hinaus auch ein zweiter Verstärkerkristall gleichen oder anderen Typs im Resonator 10, der entweder durch einen klassischen Laserprozess oder durch einen weiteren optisch-parametrischen Prozess eine zweite Gewinnstufe realisiert. Dieser zweite Verstärkerkristall könnte durch denselben Pumplaser 2 gepumpt werden, evtl. mit einer anderen Frequenzkonversionsstufe, also beispielsweise bei der frequenzverdreifachten Pumplaserstrahlung. In addition, it would also be possible to use a second amplifier crystal of the same or another type in the resonator 10, which realizes a second gain stage either by a classical laser process or by a further optical parametric process. This second amplifier crystal could be pumped by the same pump laser 2, possibly with a different frequency conversion stage, that is, for example, in the frequency-tripled pump laser radiation.
Eine weitere Option besteht darin, innerhalb des Resonators 10 eine Frequenzkonversion der Signalwelle durchzuführen. In diesem Fall wäre im Resonator 10 ein Frequenzkonversionsmittel vorgesehen, beispielsweise ein Frequenzverdopplerkristall. Über den Auskoppelspiegel würde der frequenzverdoppelte Signalpuls ausgekoppelt, während der nicht- frequenzverdoppelte Anteil des Signalpulses zu 100% im Resonator 10 verbleibt. Another option is to perform a frequency conversion of the signal wave within the resonator 10. In this case, a frequency conversion means would be provided in the resonator 10, for example a frequency doubling crystal. The frequency-doubled signal pulse would be coupled out via the output coupling mirror, while the non-frequency-doubled component of the signal pulse would remain 100% in the resonator 10.
Wie bereits erläutert, könnte auch ein Stabilisator zum Stabilisieren einer oder beider Freiheitsgrade des den parametrischen Oszillator 1 verlassenden Modenkamms vorgesehen werden. Der vom parametrischen Oszillator 1 emittierte Pulszug der Signal- oder Idlerpho- tonen kann z.B. als Modenkamm für die Präzisions-Frequenzmetrologie verwendet werden. As already explained, a stabilizer could also be provided to stabilize one or both degrees of freedom of the mode comb leaving the parametric oscillator 1. The pulse train of the signal or idler pho- tons emitted by the parametric oscillator 1 can be used, for example, as an example. used as a fashion comb for precision frequency metrology.

Claims

Patentansprüche  claims
Parametrischer Oszillator (1) zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse (12), umfassend:A parametric oscillator (1) for generating ultra-short laser pulses (12), comprising:
- einen Resonator (10) mit einer optischen Achse (11), a resonator (10) having an optical axis (11),
- einen im Resonator (10) angeordneten Verstärkerkristall (9) und  - In the resonator (10) arranged amplifier crystal (9) and
- ein Pumplasersystem (4) zum Erzeugen von auf den Verstärkerkristall (9) gerichteter, Pumpphotonen aufweisender Pumplaserstrahlung (5),  a pump laser system (4) for generating pump laser radiation (5) directed onto the amplifier crystal (9) and having pump photons,
wobei Dispersionskompensationsmittel (M1 - M4, W1, W2) zum zumindest teilweisen Kompensieren der Dispersion der im Resonator (10) umlaufenden Strahlung vorgesehen sind,  wherein dispersion compensation means (M1 - M4, W1, W2) are provided for at least partially compensating the dispersion of the radiation circulating in the resonator (10),
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass der Verstärkerkristall (9) ein optisch nichtlinearer Kristall ist, der dazu konfiguriert ist, mittels eines optisch-parametrischen Prozesses aus einem Pumpphoton ein Signal- und ein Idlerphoton zu erzeugen,  in that the amplifier crystal (9) is an optically nonlinear crystal configured to generate a signal and an idler photon from a pump photon by an opto-parametric process;
und dass der Resonator (9) so angeordnet ist, dass ein aus den Signalphotonen gebildeter Signalpuls den Verstärkerkristall (9) entlang der optischen Achse (11) des Resonators (10) verlässt.  and in that the resonator (9) is arranged so that a signal pulse formed from the signal photons leaves the amplifier crystal (9) along the optical axis (11) of the resonator (10).
Parametrischer Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkerkristall (9) ein BBO-Kristall, ein am Entartungspunkt betriebener Kristall, ein PPLN-Kristall oder ein anderer periodisch oder aperiodisch gepolter Kristall ist. A parametric oscillator according to claim 1, characterized in that the amplifier crystal (9) is a BBO crystal, a degenerating point operated crystal, a PPLN crystal or other periodically or aperiodically polarized crystal.
Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplaserstrahlung (5) nicht-kollinear zur optischen Achse (11) des Resonators (10) auf den Verstärkerkristall (9) gerichtet ist. Parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the pump laser radiation (5) non-collinearly directed to the optical axis (11) of the resonator (10) on the amplifier crystal (9).
Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumplasersystem (4) einen Pumplaser (2) und eine Frequenzkonversionsstufe (3) umfasst. Parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the pump laser system (4) comprises a pump laser (2) and a frequency conversion stage (3).
5. Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplaserstrahlung (5) gepulste Laserstrahlung ist. 5. Parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the pump laser radiation (5) is pulsed laser radiation.
6. Parametrischer Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Länge des Resonators (10) derart gewählt ist, dass die Umlaufzeit des Signalpulses im Resonator dem zeitlichen Abstand oder einem ganzzahligen Bruchteil des zeitlichen Abstandes zwischen zwei Pulsen der Pumplaserstrahlung (5) entspricht. 6. parametric oscillator according to claim 5, characterized in that the optical length of the resonator (10) is selected such that the cycle time of the signal pulse in the resonator corresponds to the time interval or an integral fraction of the time interval between two pulses of the pump laser radiation (5) ,
7. Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paar von optischen Keilen (W1 , W2), ein Paar von Prismen und/oder mindestens ein dispersionskompensierender Spiegel (M1 - M4) als Dispersi- onskompensationsmittel zum zumindest teilweisen Kompensieren der Dispersion der im Resonator (10) umlaufenden Strahlung vorgesehen sind. 7. A parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that a pair of optical wedges (W1, W2), a pair of prisms and / or at least one dispersion compensating mirror (M1 - M4) as dispersion compensation means for at least partially compensating the Dispersion of the resonator (10) circulating radiation are provided.
8. Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dispersionskompensierenden Spiegel eine Reflexions- Bandbreite von einer Oktave oder mehr aufweisen. 8. Parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the dispersion-compensating mirror have a reflection bandwidth of one octave or more.
9. Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Resonators (10) ein Frequenzkonversionsmittel zum Umwandeln der Frequenz des Signalpulses vorgesehen ist. 9. parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that within the resonator (10) a frequency conversion means for converting the frequency of the signal pulse is provided.
10. Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Resonators (10) ein sättigbarer Absorber vorgesehen ist, um mittels des nichtresonanten Kerr-Effekts die Pulse zu verkürzen. 10. Parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that within the resonator (10) a saturable absorber is provided in order to shorten the pulses by means of the non-resonant Kerr effect.
1 . Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stabilisator zum Stabilisieren der Offset-Frequenz f0 und/oder des Modenabstands Δί auf externe oder interne Referenzen vorgesehen ist. 1 . Parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that at least one stabilizer for stabilizing the offset frequency f 0 and / or the mode spacing Δί is provided to external or internal references.
12. Parametrischer Oszillator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der emittierte Pulszug der Signal- oder Idlerphotonen als Modenkamm für die Präzisions-Frequenzmetrologie verwendet wird. 12. Parametric oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that the emitted pulse train of the signal or Idlerphotonen is used as a mode comb for the precision frequency metrology.
13. Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulse (12), 13. Method for generating ultrashort laser pulses (12),
wobei Pumpphotonen aufweisende, kohärente Pumplaserstrahlung (5) auf einen in einem optischen Resonator (10) angeordneten, optisch nichtlinearen Verstärkerkristall (9) gerichtet wird, so dass im Verstärkerkristall (9) mittels eines optisch-parametrischen Prozesses aus einem Pumpphoton ein Signal- und ein Idterphoton erzeugt werden, wobei sich aus den Signalphotonen ein im Resonator (10) laufender Signalpuls bildet, und wobei ferner die Dispersion der im Resonator (10) umlaufenden Strahlung durch Dispersionskompensationsmittel (M1 - M4, W1 , W2) zumindest teilweise kompensiert wird. pump-photon-coherent pump laser radiation (5) on an optically non-linear amplifier crystal arranged in an optical resonator (10) (9) is directed, so that in the amplifier crystal (9) by means of an opto-parametric process from a pump photon, a signal and an Idterphoton are generated, wherein the signal photons in the resonator (10) running signal pulse is formed, and further wherein the Dispersion of the circulating in the resonator (10) radiation is at least partially compensated by dispersion compensation means (M1 - M4, W1, W2).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumplaserstrahlung (5) unter einem Winkel (φ) zur optischen Achse (11) des Resonators (10) auf den Verstärkerkristall (9) trifft. 14. The method according to claim 13, characterized in that the pump laser radiation (5) at an angle (φ) to the optical axis (11) of the resonator (10) on the amplifier crystal (9).
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintreffen eines Pulses der gepulsten Pumplaserstrahlung (5) am Verstärkerkristall (9) zeitlich synchronisiert ist mit dem Eintreffen des im Resonator (10) umlaufenden Signalpulses am Verstärkerkristall (9). 15. The method according to any one of claims 13 or 14, characterized in that the arrival of a pulse of the pulsed pump laser radiation (5) at the amplifier crystal (9) is synchronized in time with the arrival of the resonator (10) rotating signal pulse at the amplifier crystal (9).
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Resonators (10) eine Frequenzkonversion, insbesondere eine Frequenzverdopplung, des Signalpulses durchgeführt wird. 16. The method according to any one of claims 13 to 15, characterized in that within the resonator (10) a frequency conversion, in particular a frequency doubling, of the signal pulse is performed.
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