EP3520180A1 - Kurzpulslasersystem - Google Patents

Kurzpulslasersystem

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EP3520180A1
EP3520180A1 EP17777530.1A EP17777530A EP3520180A1 EP 3520180 A1 EP3520180 A1 EP 3520180A1 EP 17777530 A EP17777530 A EP 17777530A EP 3520180 A1 EP3520180 A1 EP 3520180A1
Authority
EP
European Patent Office
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birefringent material
material portion
resonator
short
pulse laser
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17777530.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
DR. Daniel MOLTER
Michael KOLANO
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.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Huebner GmbH and Co KG
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Huebner GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Huebner GmbH and Co KG filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3520180A1 publication Critical patent/EP3520180A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/063—Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067—Fibre lasers
    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
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    • H01S3/06708—Constructional details of the fibre, e.g. compositions, cross-section, shape or tapering
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    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1112—Passive mode locking
    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based

Definitions

  • the present invention relates to a short pulse laser system for generating electromagnetic pulses having a first resonator having a first beam path, a second resonator having a second beam path, and a gain medium, wherein the gain medium both in the first beam path, so that in an operation of the Short pulse laser system amplifies electromagnetic pulses in the first resonator, as well as in the second beam path, so that it amplified in the operation of the short pulse laser system electromagnetic pulses in the second resonator, wherein the first beam path and the second beam path in the gain medium are at least partially spatially superimposed and wherein the first resonator is arranged to support exactly a first linear polarization state of the electromagnetic pulses, and the second resonator is arranged to have exactly one second linear polarization state, wherein the first and the second polarization state are perpendicular to each other.
  • Short electromagnetic pulses can be used, for example, for material processing, taking advantage of the fact that the entire energy of a pulse is distributed only over a very short time interval, typically around 100 fs, so that very high powers per pulse can be achieved.
  • short-pulse laser systems have also gained particular importance in the field of spectroscopy, where short electromagnetic pulses are used for the realization of time-resolved excitation / interrogation experiments.
  • a physical system for example a semiconductor material
  • the effect of the exciting pulse is interrogated with the aid of a second pulse, which is then typically short compared to the reaction of the physical system.
  • An example of such an excitation / interrogation experiment is the measurement of charge carrier dynamics in a semiconductor material.
  • the material is excited with a first pulse, that is, charge carriers are generated in the material which increase the reflectivity or transmission of the magnet. change terials. If a second short electromagnetic pulse impinges on the material, it is reflected more or less strongly as a function of the number of charge carriers present in the material. If the time delay between the stimulating and the interrogating pulse can be adjusted, then the charge carrier dynamics in the semiconductor material can be measured in a time-resolved manner.
  • THz time domain spectroscopy short pulse laser systems are used in terahertz (THz) time domain spectroscopy.
  • THz terahertz
  • an emitter emitting THz radiation is excited with a first pulse, while a detector gated with a second short pulse scans or detects the electromagnetic wave generated by the emitter in a time-resolved manner.
  • a detector gated with a second short pulse scans or detects the electromagnetic wave generated by the emitter in a time-resolved manner. It is particularly noteworthy that, in this way, the electric field strength of the THz radiation emitted by the emitter can actually be detected in a time-resolved manner.
  • the THz time domain spectroscopy can also be understood as an excitation / query experiment.
  • excitation / interrogation experiments are realized, for example, in that a short pulse laser system emits a short electromagnetic pulse, which is then split at a beam splitter to an excitation pulse and an interrogation pulse, the interrogation pulse via an adjustable delay path is shifted in time relative to the excitation pulse.
  • Such a delay line is often realized by a linear translation stage with mirrors mounted thereon, which is a variable length optical path.
  • the delay line is often realized with the aid of a mechanically oscillating system for fast forward and backward movement of the mirror.
  • oscillating systems also come to higher sampling rates towards their (mechanical) limits.
  • DE 10 2012 1 13 029 A1 discloses a short-pulse laser system which is based on a short-pulse laser with two spatially separated resonators, the polarizations of the electromagnetic radiation in the two resonators being orthogonal to one another.
  • the resonator length of one resonator can be tuned by the resonator length of the other resonator. Because the repetition rate or the time interval between two successive pulses generated by a short pulse laser is directly proportional to the resonator length, the time offset between the generating and the detecting electromagnetic pulse can be tuned in this way.
  • a short pulse laser system for generating electromagnetic pulses having a first resonator having a first beam path, a second resonator having a second beam path and a gain medium, the gain medium both in the first beam path
  • the short-pulse laser system it amplifies electromagnetic pulses in the first resonator, as well as in the second beam path, so that it amplifies electromagnetic pulses in the second resonator in the operation of the short-pulse laser system, wherein the first beam path and the second beam path in the gain medium at least partially spatially superimposed
  • the first resonator is arranged such that it supports exactly a first linear state of polarization of the electromagnetic pulses
  • the second resonator is arranged such that it has exactly one second a linear polarization state of the electromagnetic pulses is supported, wherein the first and the second polarization state are perpendicular to each other
  • the short pulse laser system having a first birefringent material portion
  • the aim of such a short-pulse laser system is to realize electromagnetic pulses from which a first pulse train can be used to excite a physical system and a second pulse train can be used to interrogate a physical system.
  • the system allows a rapid change of a time offset between the first and the second pulse that is stable with respect to mechanical and thermal influences.
  • the system also manages with as few components as possible.
  • the basic idea of the short-pulse laser system according to the invention is to use the same volume of the amplification medium simultaneously in two resonators for generating electromagnetic pulses, so that two resonators manage with only one amplification medium.
  • the first and the second beam path are collinear at least in the birefringent material sections responsible for the time offset between the two pulse trains.
  • the essential components of the two resonators are subject to the identical thermal and mechanical influences, so that in particular length changes due to these influences occur in both resonators and have no influence on the time offset between the two pulse trains.
  • the first and second beam paths are completely collinear with each other over the entire length of the first and second resonators.
  • the first and second beam paths of the first and second resonator are subject to the same mechanical and thermal influences.
  • Electromagnetic pulses in the sense of the present application can be pulses in the entire electromagnetic spectrum, but preferably in the visible or infrared spectral range. In particular, electromagnetic pulses with a wavelength around 1310 nm or around 1550 nm, ie in telecommunications windows, in which optical components for fiber lasers are commercially available, have proven themselves.
  • a short-pulse laser system or short electromagnetic pulses are mentioned, they are understood to mean, in particular, pulses with a duration of less than 500 fs, preferably less than 200 fs and particularly preferably less than 100 fs.
  • the short pulse laser system itself is equipped such that the optical resonator lengths of the two resonators are variable relative to each other, so that a temporal offset between the pulses emitted by the two resonators can be set.
  • the relative change in the path length of the first beam path of the first resonator and the second beam path of the second resonator is based on a change in the difference of the optical path lengths.
  • the short pulse laser system has first and second birefringent material portions configured and oriented to have a state in which the sum of the optical path length of the first beam path in the first birefringent material portion and the optical path length of the first beam path in the second birefringent material section is equal to the sum of the optical path length of the second beam path in the first birefringent material section and the optical path length of the second beam path in the second birefringent material section.
  • the two resonators outside the two birefringent material sections likewise have the same optical path lengths for the electromagnetic radiation with the respective polarization, in this state of the resonator, one could also call it a zero state, the optical path lengths of the first beam path and of the first identical to the second beam path. Both resonators then have the same repetition or repetition rate of the electromagnetic pulses generated in them.
  • first and second birefringent material portions are also configured and arranged to be adjacent to the state in which the sum of the optical path length of the first beam path in the first birefringent material portion and the first optical path length of the first beam path in the second birefringent material section is equal to the sum of the optical path length of the second beam path in the first birefringent material section and the optical path length of the second beam path in the second birefringent material section are also or can be brought into such states which this is not the case.
  • the difference between the repetition rates of the pulses in the two resonators is varied.
  • the relative phase position of the pulses from the first resonator with respect to the pulses from the second resonator also shifts.
  • this variation of the phase position due to the change in the difference of the optical path lengths of the two resonators as a variation of the time offset between the pulses arriving there is perceptible.
  • the first and / or the second birefringent material portion are just designed and arranged such that when the difference of the optical resonator lengths is varied, the zero state is crossed.
  • the first and / or the second birefringent material section are configured so that, in a variation of the difference in optical path lengths, first the first resonator has a smaller optical path length than the second resonator, then both resonators have the same optical length and then the first resonator has a greater optical length than the second resonator.
  • the first birefringent material portion and the second birefringent material portion are rotated against each other such that the fast axis of the first birefringent material portion makes an angle with the fast axis of the second birefringent material portion 90 °, ie the fast axes are perpendicular to each other.
  • the first polarization state is parallel to the fast axis of the first or the second birefringent material section.
  • the geometric length of the first birefringent material section and / or of the second birefringent material section is changed from the zero state described above, the two beam paths with mutually perpendicular polarizations have a difference in their optical path length due to the birefringent property of these material sections.
  • the first birefringent material section and / or the second birefringent material section are configured in the resonators in such a way that their geometric length can be variably changed.
  • the change in the optical path length difference from the geometrical path length change is "squared," ie, the sensitivity is reduced only one of the beam paths, as known from the prior art, no longer on the scale of nanometers, but the scale of micrometers.
  • the first and / or the second birefringent material portion are configured such that, in a variation of the difference of the geometric lengths first, the first material portion has a smaller geometric length than the second material portion, then both material portions have the same geometric length and then the first material portion has a greater geometric length than the second material portion.
  • this can be realized by selecting the first section of material so that it initially, i. unstretched, has a shorter geometric length than the second material portion, wherein the first material portion is stretchable so that it can be brought by stretching to the same geometric length as the second material portion and beyond can be stretched to a geometric length which is greater than the geometric length of the second material section.
  • the geometric lengths of both birefringent material sections can be variably changed.
  • the geometric lengths of both material sections are stretchable, wherein in the initial state, i. without stretching one of the two material sections, both material sections have the same geometric length and are in the zero state.
  • the short-pulse laser system has a device for changing the geometric length of the first and / or the second birefringent material section.
  • a device for changing the geometric length of the first and / or the second birefringent material section may, for example, be a tempering device which cools or heats the first and / or the second birefringent material section in order to bring about a thermal change in length.
  • the means for changing the geometric length of the first and / or the second birefringent material section is a mechanical device which exerts a compressive or tensile force on the material section so that it changes its geometric length.
  • the short-pulse laser system has a device for changing the difference between the optical path length of the first beam path and the optical path length of the second beam path, which does not require a change in the geometric path length of the first and / or the second beam path.
  • this device acts directly on the refractive indices of the first and / or the second birefringent material section and changes the difference between the fast axis refractive index and the slow axis refractive index.
  • Such a change in the difference of the refractive indices of a birefringent material section can be effected, for example, by crushing the birefringent material section, in particular a birefringent fiber, in a direction deviating from the propagation direction or by bending the birefringent material section.
  • the first birefringent material portion and the second birefringent material portion are polarization-maintaining optical waveguides.
  • Optical waveguides in the sense of the present application are understood in particular to be optical optical fibers, preferably of glass. These will be referred to below as optical fibers.
  • One possibility for changing the polarization-maintaining optical waveguide of the first birefringent material section and / or the second birefringent material section in its length is, for example, a mechanical device which stretches the polarization-maintaining optical waveguide.
  • Such devices typically include means on which a plurality of turns of the polarization-maintaining optical fiber are wound, the device allowing automatic winding of the turns in one or more directions.
  • Polarization-maintaining optical fibers are realized in one embodiment as polarization-maintaining optical fibers.
  • Polarization-maintaining optical fibers are optical fibers in which the polarization of linearly polarized light is maintained during the propagation of the electromagnetic wave through the fiber. So there is no loss of optical power in the other polarization modes. Such fibers are also referred to as birefringent fibers.
  • the operating principle of polarization-maintaining optical fibers is typically based on the fact that the core of the polarization-maintaining fiber has in cross section no isotropic properties, but an excellent stress axis. If electromagnetic radiation with a linear polarization parallel to this voltage axis or also perpendicular to this voltage axis coupled into the fiber, so this electromagnetic radiation maintains its linear polarization state during the propagation of the fiber.
  • non-isotropic cores can be realized, in particular, by the fact that the sheath of the fiber is deliberately constructed non-rotationally symmetrical and thus tensile or compressive stresses are exerted on the core, which lead to an isotropy of the core in cross section.
  • polarization-preserving optical fibers are so-called panda fibers, bow tie fibers and elliptical clad fibers.
  • the two perpendicularly linearly polarized modes of the first and second resonators of the short-pulse laser system can propagate independently of each other.
  • first and a second resonator when a first and a second resonator is used, this particularly includes embodiments in which these two resonators have beam paths that are completely collinear with one another, i.e., with one another. spatially inseparable.
  • the two resonators differ in the polarization of the electromagnetic radiation they support. Since the linear polarization states in the two resonators are perpendicular to one another, the two resonators are independent of each other in the sense that there is no crosstalk between these two channels defined by the polarization. Therefore, a complete collinear arrangement also has two resonators in the sense of the present application.
  • an active or a passive mode coupler is provided in the first and second optical paths of the first and second resonators.
  • An example of a passive mode coupler is a saturable absorber.
  • Such a saturable absorber is particularly suitable for a linear fiber laser, wherein the saturable absorber forms part of the highly reflective mirror.
  • the short pulse laser system is a fiber laser.
  • the gain medium is formed by the optical fiber itself.
  • Such a fiber laser on the one hand has the advantage that its components are commercially available due to the widespread use in the field of optical telecommunications technology.
  • the two mutually orthogonal states of polarization of the two resonators can easily be guided in optical fibers with which such a fiber laser is realized without a crosstalk occurring between the two channels formed by the mutually orthogonal polarization states.
  • a fiber amplifier located in the first and the second beam path is provided in the beam direction behind an output of the first and / or the second resonator of the short pulse laser system, wherein preferably an output of the fiber laser is connected to the fiber amplifier.
  • the pulses of the first resonator and of the second resonator may propagate spatially overlapping or collinear in the fiber amplifier as well and to be independently amplified on the basis of their orthogonal polarization states.
  • embodiments are also conceivable in which only the pulses from one of the resonators are post-amplified.
  • a THz time domain spectrometer it may be useful for a THz time domain spectrometer to pulse-amplify pulses generated in the first resonator and conducted to an electromagnetic radiation generator in the THz frequency range, while pulses generated in the second resonator and be directed to a detector for electromagnetic radiation in the THz frequency range, not be amplified.
  • a polarization beam splitter is provided behind the short-pulse laser system or behind the fiber amplifier, so that two spatially separated beam paths are provided.
  • a polarization beam splitter serves to spatially separate the two mutually orthogonal polarization states, within the short pulse laser system or within the amplifier collinear first and second beam paths of the first and second resonators, so that the one pulse to excite and the other pulses to query a physical system can be used.
  • an optical pickup / interrogation arrangement with a short pulse laser system as described above.
  • the optical pickup / interrogator arrangement is arranged so that pulses generated in the first resonator are directed thereto for exciting a physical system and pulses generated in the second resonator for interrogating the physical one Systems are directed to this.
  • such an optical pickup / interrogator arrangement is a THz time domain spectrometer configured to direct pulses generated in the first resonator to an electromagnetic radiation generator in the THz frequency range and pulses are generated in the second resonator, are directed to an electromagnetic radiation detector in the THz frequency range.
  • Such generators and detectors for electromagnetic radiation in the THz frequency range which are either driven with optical pulses or gated by these, are in particular non-linear optical crystals and so-called photoconductive or photoconductive switches based on semiconductor components.
  • Figures 1 a and 1 b show schematic representations of a first embodiment of a short-pulse laser system according to the present invention with linear resonators.
  • Figures 2a to 2c show embodiments of polarization-maintaining optical fibers.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a short pulse laser system according to the present invention with ring resonators.
  • Figure 4 shows a schematic representation of another embodiment of a short pulse laser system according to the present invention with ring resonators.
  • the short-pulse laser systems shown in FIGS. 1, 3 and 4 are fiber lasers based on optical fibers designed for operation at a wavelength of 1.55 ⁇ .
  • the optical fibers used are so-called polarization-maintaining fibers 1, 1 ', 1 "having a core 4, which is formed by a special configuration of the sheath of the fibers in one direction targeted voltages are applied.
  • electromagnetic radiation which is coupled into these fibers with a linear polarization parallel or perpendicular to the direction of the marking propagates without significant portions of the radiation being transmitted from one to the other polarization state during the propagation through the fiber.
  • Figures 2a to 2c show examples of such polarization-maintaining fibers 1, 1 ', 1 "as may alternatively be used to construct the fiber laser system of Figures 1, 3 and 4.
  • Figure 2a shows a so-called bow-tie fiber 1 at which are introduced into the fiber cladding 2 two structures 3, which together with the core 4 in the sectional view of a fly (garment) recall.
  • the two structures 3 in the jacket 2 of the fiber 1 cause the core 4, which centric in the Jacket 2 is embedded, has an excellent axis, in which, for example, linear polarized electromagnetic radiation can be coupled polarization maintaining.
  • FIG. 2b shows an alternative embodiment of such a polarization-maintaining optical fiber 1 ', which is referred to as panda fiber.
  • a polarization-maintaining optical fiber 1 ' which is referred to as panda fiber.
  • two glass strands 5 are embedded in the shell 2 of the optical fiber 1 ', which have approximately the same effect as the fly-like structures 3 of the fiber 1 of Figure 2a.
  • Figure 2c shows a third embodiment of a polarization-maintaining optical fiber 1 "in which the core 4 is embedded within the shell 2 in an elliptical structure 6 which imparts the necessary anisotropic stress to the core 4.
  • a polarization-maintaining optical fiber 1" is also referred to as Elliptical-clad fiber called.
  • the short-pulse laser systems 10, 10', 10 By forming all the fiber components of the short-pulse laser systems 10, 10 ', 10 "from FIGS. 1, 3 and 4 as polarization-maintaining fibers 1, the short-pulse laser systems 10, 10', 10" have two completely collinear channels or resonators, which have two mutually perpendicular linear polarizations support. Although completely collinear, these two resonators are separated from each other in such a way that they have the least possible mutual interference and no crosstalk. That both channels form largely independent resonators in a single system. In particular, there is an at least reduced mode competition between the two channels in the gain medium 11.
  • the gain medium is formed by an erbium-doped fiber portion 11. This is pumped by means of an optical pump 12 to provide the necessary gain in the lasers
  • the pumping radiation 12 is coupled into the reinforcing fiber section 11 by means of a wavelength division multiplex fiber coupler 13.
  • Both fiber sections are denoted in all embodiments by the reference numerals 16 and 17, wherein reference is first made to the embodiment of Figures 1 a and 1 b, since in particular the schematic representation of Figure 1 b, the understanding of the basic idea of the present Invention facilitated.
  • Both polarization-maintaining fiber sections 16, 17 are realized as birefringent material sections in the sense of the present application by panda fibers. However, the fiber sections are at the splices 18 connecting them rotated by 90 ° about their longitudinal axes against each other, as shown schematically in Figure 1 b and the inserts of Figures 1 a, 3 and 4.
  • this fiber section has a fiber expander 19.
  • This fiber stretcher 19 consists of two support posts 20 which are adjustable and variable in their spacing with the aid of a piezo element.
  • Around the two support posts 20 around a plurality of fiber loops of the fiber portion 16 are laid so that movement of the two support posts 20 apart leads to a significant change in length of the fiber portion 16 and thus to a change in the difference between the repetition rates of the two resonators.
  • the fiber sections 16, 17 in one state have the exact same geometric length and thus the two linear polarization states of the electromagnetic radiation in the two resonators or channels in this state, identical optical path lengths.
  • the state of exactly the same geometric length is just selected such that, in order to achieve it, an elongation of the fiber section 16 with the aid of the fiber extensor 19 is required.
  • the fiber section 16 when the fiber section 16 is stretched with the fiber stretcher 19, the fiber section 16 is stretched from a state where the fiber section 16 has a shorter geometric length than the fiber section 17 to have the same geometric length as the fiber section 17 and further, In other words, the repetition rate of the first resonator is initially greater than that of the second resonator, and in the course of the extension of the fiber section 16, the repetition rates of the two resonators become equal before the repetition rate of the first resonator Resonator becomes smaller than the repetition rate of the second resonator.
  • This variation of the repetition rates leads to a shifting of the phase positions of the pulses from the two resonators and thus to a variation of the time offset between the pulses from the first resonator and the pulses from the second resonator.
  • the end mirror 21 also serves as a mode coupler since it is designed as a saturable absorber.
  • the saturable absorber 21 serves as a passive optical switching element and thus for passive Q-switching of the two laser resonators.
  • the saturable absorber is made of a material having an intensity-dependent absorption coefficient.
  • the saturable absorber 21 is a semiconductor device, namely a SESAM (Semiconductor Saturable Absorber Mirror), which serves as both a saturable absorber and an end mirror.
  • SESAM semiconductor Saturable Absorber Mirror
  • the ring laser 10 'of Figure 3 is composed of two polarization-maintaining fiber sections 16, 17, wherein these are connected to two splices 18 together. Again, the fast axes of the two fiber sections 16, 17 at the splices 18 are rotated by 90 ° from each other, so that a change in the geometric path length in the one fiber section 16 by means of the fiber extensor 19 leads to an optical path length difference between the two collinear resonators.
  • the ring laser 10 'additionally has in the beam paths of the two collinear resonators an optical diode 22 in order to prevent the formation of standing waves in the resonators.
  • a mode coupler in the ring laser 10 ' is also a saturable absorber 24th
  • the laser 10 "of Figure 4 in contrast, combines a linear resonator structure with a ring structure.” Again, two polarization-maintaining fiber sections 16, 17 with their fast axes are mutually rotated by 90 ° at a splice 18. The fiber section 17 is connected by means of a 2x1 fiber fusion coupler 25 connected to the linear part of the laser 10 ". In order to achieve that the power propagating in the ring 24 is completely returned to the linear part of the laser system 10 ", a non-reciprocal element 27 is provided in the ring 26.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kurzpulslasersystem mit einem ersten und einem zweiten Resonator, und einem Verstärkungsmedium zum Verstärken der elektromagnetische Pulse sowohl in demersten als auch in dem zweiten Resonator, wobei der erste Resonator genau einen ersten linearen Polarisationszustand unterstützt und der zweite Resonator genau einen linearen zudem ersten Polarisationszustand senkrechten zweiten Polarisationszustand unterstützt, wobei das Kurzpulslasersystem einen ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und einen zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt aufweist, und wobei der erste doppelbrechende Materialabschnitt und/oder der zweite doppelbrechende Materialabschnitt derart ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen der Summe der optischen Weglänge des ersten Resonators in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des ersten Resonators in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt und der Summe der optischen Weglänge des zweiten Resonators in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des zweiten Resonators in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt einstellbar veränderbar ist.

Description

Kurzpulslasersystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kurzpulslasersystem zum Erzeugen elektromagnetischer Pulse mit einem ersten Resonator, der einen ersten Strahlengang aufweist, einem zweiten Resonator, der einen zweiten Strahlengang aufweist, und einem Verstärkungsmedium, wobei das Verstärkungsmedium sowohl in dem ersten Strahlengang, sodass es in einem Betrieb des Kurzpulslasersystems elektromagnetische Pulse in dem ersten Resonator verstärkt, als auch in dem zweiten Strahlengang, sodass es in dem Betrieb des Kurzpulslasersystems elektromagnetische Pulse in dem zweiten Resonator verstärkt, angeordnet ist, wobei der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang in dem Verstärkungsmedium zumindest abschnittsweise räumlich überlagert sind und wobei der erste Resonator derart eingerichtet ist, dass er genau einen ersten linearen Polarisationszustand der elektromagnetischen Pulse unterstützt, und der zweite Resonator derart eingerichtet ist, dass er genau einen zweiten linearen Polarisationszustand unterstützt, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand senkrecht zueinander sind.
Die Erzeugung kurzer und ultrakurzer elektromagnetischer Pulse gewinnt eine immer größere Bedeutung in Wissenschaft und Technik. Kurze elektromagnetische Pulse können beispielsweise zur Materialbearbeitung eingesetzt werden, wobei man sich zunutze macht, dass die gesamte Energie eines Pulses nur über ein sehr kurzes Zeitintervall, typischerweise um 100 fs, verteilt ist, sodass sehr hohe Leistungen pro Puls erreicht werden können.
Besondere Bedeutung haben Kurzpulslasersysteme aber auch im Bereich der Spektroskopie erlangt, wo kurze elektromagnetische Pulse zur Realisierung von zeitaufgelösten Anrege-/Abfrage- experimenten verwendet werden. Dabei macht man sich grundsätzlich zunutze, dass man ein physikalisches System, beispielsweise ein Halbleitermaterial, mit einem ersten Puls anregt und die Wirkung des anregenden Pulses mit Hilfe eines zweiten Pulses, der dann typischerweise kurz gegenüber der Reaktion des physikalischen Systems ist, abfragt.
Ein Beispiel für ein solches Anrege-/Abfrageexperiment ist die Vermessung von Ladungsträgerdynamiken in einem Halbleitermaterial. Dabei wird das Material mit einem ersten Puls angeregt, d.h. es werden im Material Ladungsträger erzeugt, welche die Reflektivität oder Transmission des Ma- terials ändern. Trifft nun ein zweiter kurzer elektromagnetischer Puls auf das Material, so wird dieser in Abhängigkeit von der Anzahl der im Material vorhandenen Ladungsträger mehr oder weniger stark reflektiert. Wenn sich die zeitliche Verzögerung zwischen dem anregenden und dem abfragenden Puls einstellen lässt, so lässt sich die Ladungsträgerdynamik im Halbleitermaterial zeitaufgelöst vermessen.
Darüber hinaus kommen Kurzpulslasersysteme bei der Terahertz-(THz-)Zeitbereichsspektrosko- pie zum Einsatz. Dabei wird mit einem ersten Puls ein THz-Strahlung emittierender Emitter angeregt, während ein mit einem zweiten kurzen Puls gegateter Detektor die von dem Emitter erzeugte elektromagnetische Welle zeitaufgelöst abtastet bzw. erfasst. Besonders bemerkenswert ist dabei, dass sich auf diese Weise tatsächlich die elektrische Feldstärke der von dem Emitter emittierten THz-Strahlung zeitaufgelöst erfassen lässt. Dabei kann die THz-Zeitbereichsspektroskopie auch als Anrege-/Abfrageexperiment verstanden werden.
Voraussetzung für die Durchführung sowohl von Anrege-/Abfrageexperimenten als auch der THz- Zeitbereichsspektroskopie ist, dass kurze optische Pulse verfügbar sind, von denen jeweils ein erster zum Anregen verwendet wird und ein zweiter gegenüber dem ersten Puls zeitlich verzögerbarer Puls zum Abfragen verfügbar ist.
Im Stand der Technik werden solche Anrege-/Abfrageexperimente beispielsweise dadurch realisiert, dass ein Kurzpulslasersystem einen kurzen elektromagnetischen Puls emittiert, der dann an einem Strahlteiler auf einen Anrege-Puls und einen Abfrage-Puls aufgeteilt wird, wobei der Abfrage-Puls über eine einstellbare Verzögerungsstrecke zeitlich gegenüber dem Anrege-Puls verschoben wird.
Eine solche Verzögerungsstrecke wird häufig durch einen linearen Verschiebetisch mit auf diesem angebrachten Spiegeln, der einen in der Länge variablen optischen Weg darstellt, realisiert. Um höhere Abtastraten bereitstellen zu können, wird zudem häufig die Verzögerungsstrecke mit Hilfe eines mechanisch schwingenden Systems zum schnellen Vor- und Zurückbewegen des Spiegels realisiert. Allerdings geraten auch solche Schwingsysteme zu höheren Abtastraten hin an ihre (mechanischen) Grenzen.
Um noch höhere Abtastraten realisieren zu können, ist aus der DE 10 2012 1 13 029 A1 ein Kurzpulslasersystem bekannt, welches auf einem Kurzpulslaser mit zwei abschnittsweise räumlich getrennten Resonatoren beruht, wobei die Polarisationen der elektromagnetischen Strahlung in den beiden Resonatoren orthogonal zueinander sind. Dabei ist die Resonatorlänge des einen Resonators um die Resonatorlänge des anderen Resonators herum abstimmbar. Da die Repetitionsrate bzw. der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden, von einem Kurzpulslaser erzeugten Pulsen unmittelbar proportional zur Resonatorlänge ist, lässt sich auf diese Weise der zeitliche Versatz zwischen dem generierenden und dem detektierenden elektromagnetischen Puls abstimmen.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein derartiges Kurzpulslasersystem sehr empfindlich gegenüber mechanischen und thermischen Einflüssen ist. Die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Lasersystems müssen aufwendig kompensiert werden. Zudem führt die Notwendigkeit zur abschnittsweisen räumlichen Trennung der beiden Strahlengänge des ersten und des zweiten Resonators zu Leistungsverlusten an dem erforderlichen Strahlteiler.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kurzpulslasersystem zum Erzeugen optischer Pulse bereitzustellen, welches thermisch und mechanisch stabil ist. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Kurzpulslasersystem mit erhöhter Ausgangsleistung bereitzustellen.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird gelöst durch ein Kurzpulslasersystem zum Erzeugen elektromagnetischer Pulse mit einem ersten Resonator, der einen ersten Strahlengang aufweist, einem zweiten Resonator, der einen zweiten Strahlengang aufweist, und einem Verstärkungsmedium, wobei das Verstärkungsmedium sowohl in dem ersten Strahlengang, sodass es in einem Betrieb des Kurzpulslasersystems elektromagnetische Pulse in dem ersten Resonator verstärkt, als auch in dem zweiten Strahlengang, sodass es in dem Betrieb des Kurzpulslasersystems elektromagnetische Pulse in dem zweiten Resonator verstärkt, angeordnet ist, wobei der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang in dem Verstärkungsmedium zumindest abschnittsweise räumlich überlagert sind, wobei der erste Resonator derart eingerichtet ist, dass er genau einen ersten linearen Polarisationszustand der elektromagnetischen Pulse unterstützt, und der zweite Resonator derart eingerichtet ist, dass er genau einen zweiten linearen Polarisationszustand der elektromagnetischen Pulse unterstützt, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand senkrecht zueinander sind, wobei das Kurzpulslasersystem einen ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und einen zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt aufweist, wobei der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt kollinear verlaufen, wobei der erste doppelbrechende Materialabschnitt und der zweite doppelbrechende Materialabschnitt derart ausgestaltet und ausgerichtet sind, dass in einem Zustand des ersten doppelbrechenden Materialabschnitts und des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts die Summe der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt gleich der Summe der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt ist und wobei der erste doppelbrechende Materialabschnitt und/oder der zweite doppelbrechende Materialabschnitt derart ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen der Summe der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt und der Summe der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt einstellbar veränderbar ist.
Ziel eines derartigen Kurzpulslasersystems ist es, elektromagnetische Pulse, von denen ein erster Pulszug zum Anregen eines physikalischen Systems verwendet werden kann und ein zweiter Pulszug zum Abfragen eines physikalischen Systems verwendet werden kann, zu realisieren. Dabei ermöglicht das System eine schnelle Änderung eines gegenüber mechanischen und thermischen Einflüssen stabilen Zeitversatzes zwischen dem ersten und dem zweiten Puls. Das System kommt zudem mit möglichst wenigen Komponenten aus.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Kurzpulslasersystems ist es dabei, das gleiche Volumen des Verstärkungsmediums gleichzeitig in zwei Resonatoren zum Erzeugen von elektromagnetischen Pulsen zu verwenden, sodass zwei Resonatoren mit nur einem Verstärkungsmedium auskommen. Zudem verlaufen der erste und der zweite Strahlengang zumindest in den für den Zeitversatz zwischen den beiden Pulszügen verantwortlichen doppelbrechenden Materialabschnitten kollinear. Auf diese Weise unterliegen die wesentlichen Komponenten der beiden Resonatoren den identischen thermischen und mechanischen Einflüssen, so dass insbesondere Längenänderungen aufgrund dieser Einflüsse in beiden Resonatoren auftreten und keinen Einfluss auf den Zeitversatz zwischen den beiden Impulszügen haben.
In einer Ausführungsform aber verlaufen der erste und der zweite Strahlengang über die gesamte Länge des ersten und des zweiten Resonators vollständig kollinear zueinander. Insbesondere in einer solchen Ausführungsform unterliegen die ersten und zweiten Strahlengänge des ersten bzw. zweiten Resonators den gleichen mechanischen und thermischen Einflüssen.
Damit gleichzeitig eine größtmögliche Unabhängigkeit der beiden Resonatoren voneinander erzielt wird, und sich die Pulse insbesondere nicht gegenseitig im Verstärkungsmedium beeinflussen, sind die beiden Resonatoren so ausgestaltet, dass sie zueinander senkrechte lineare Polarisationszu- stände unterstützen. Solche zueinander senkrechte Polarisationszustände haben in einer Ausführungsform im Verstärkungsmedium einen zumindest reduzierten Modenwettbewerb. Elektromagnetische Pulse im Sinne der vorliegenden Anmeldung können Pulse im gesamten elektromagnetischen Spektrum sein, bevorzugt jedoch im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich. Bewährt haben sich insbesondere elektromagnetische Pulse mit einer Wellenlänge um 1310 nm oder um 1550 nm, d.h. in den Telekommunikationsfenstern, bei welchen optische Komponenten für Faserlaser kommerziell verfügbar sind.
Wenn im Sinne der vorliegenden Erfindung von einem Kurzpulslasersystem oder kurzen elektromagnetischen Pulsen die Rede ist, so werden darunter insbesondere Pulse mit einer Dauer von weniger als 500 fs, vorzugsweise von weniger als 200 fs und besonders bevorzugt von weniger als 100 fs verstanden.
Zudem ist das Kurzpulslasersystem selbst so ausgestattet, dass die optischen Resonatorlängen der beiden Resonatoren relativ zueinander veränderbar sind, sodass sich ein zeitlicher Versatz zwischen den von den beiden Resonatoren emittierten Pulsen einstellen lässt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung beruht die relative Änderung der Weglänge des ersten Strahlengangs des ersten Resonators und des zweiten Strahlengangs des zweiten Resonators auf einer Änderung der Differenz der optischen Weglängen.
Zu diesem Zweck weist das Kurzpulslasersystem einen ersten und einen zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt auf, die derart ausgestaltet und ausgerichtet sind, dass sie einen Zustand aufweisen, in dem die Summe der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt gleich der Summe der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt ist.
Unter der Voraussetzung, dass die beiden Resonatoren außerhalb der beiden doppelbrechenden Materialabschnitte ebenfalls gleiche optische Weglängen für die elektromagnetische Strahlung mit der jeweiligen Polarisation aufweisen, sind in diesem Zustand des Resonators, man könnte ihn auch als Nullzustand benennen, die optischen Wegelängen des ersten Strahlengangs und des zweiten Strahlengangs identisch. Beide Resonatoren haben dann die gleiche Wiederhol- oder Re- petitionsrate der in ihnen erzeugten elektromagnetischen Pulse.
Es versteht sich, dass der erste und der zweite doppelbrechenden Materialabschnitt auch derart ausgestaltet und eingerichtet sind, dass sie neben dem Zustand, in dem die Summe der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt gleich der Summe der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt und der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt ist, auch solche Zustände aufweisen bzw. in diese bringbar sind, in denen dies gerade nicht der Fall ist.
Durch das Ändern der Differenz der optischen Weglängen zwischen den beiden Resonatoren wird die Differenz zwischen den Wiederholraten der Pulse in den beiden Resonatoren variiert. Während der Änderung der Differenz der optischen Weglängen in den Resonatoren verschiebt sich auch die relative Phasenlage der Pulse aus dem ersten Resonator gegenüber den Pulsen aus dem zweiten Resonator. Auf einer Probe ist diese Variation der Phasenlage aufgrund der Änderung der Differenz der optischen Weglängen der beiden Resonatoren als Variation des Zeitversatzes zwischen den dort eintreffenden Pulsen wahrnehmbar.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste und/oder der zweite doppelbrechende Materialabschnitt gerade so ausgestaltet und eingerichtet, dass bei einem Variieren der Differenz der optischen Resonatorlängen der Nullzustand gekreuzt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt sind in dieser Ausführungsform der erste und/oder der zweite doppelbrechende Materialabschnitt so ausgestaltet, dass bei einer Variation der Differenz der optischen Weglängen zunächst der erste Resonator eine kleinere optische Weglänge aufweist als der zweite Resonator, dann beide Resonatoren die gleiche optische Länge aufweisen und danach der erste Resonator eine größere optische Länge aufweist als der zweite Resonator.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste doppelbrechende Materialabschnitt und der zweite doppelbrechende Materialabschnitt, die jeweils eine schnelle Achse und eine langsame Achse aufweisen, derart gegeneinander gedreht, dass die schnelle Achse des ersten doppelbrechenden Materialabschnitts mit der schnellen Achse des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts einen Winkel von 90° einschließt, d.h. die schnellen Achsen senkrecht zueinander sind.
Dabei ist in einer Ausführungsform der Erfindung der erste Polarisationszustand parallel zur schnellen Achse des ersten oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts.
Ändert man in einer Ausführungsform gegenüber dem zuvor beschriebenen Nullzustand die geometrische Länge des ersten doppelbrechenden Materialabschnitts und/oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts, so haben aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaft dieser Materialabschnitte die beiden Strahlengänge mit zueinander senkrechten Polarisationen eine Differenz in ihrer optischen Weglänge. In den Resonatoren ist daher in einer Ausführungsform der erste doppelbrechende Materialabschnitt und/oder der zweite doppelbrechende Materialabschnitt derart ausgestaltet, dass seine geometrische Länge einstellbar veränderbar ist.
Erfolgt eine Änderung der Differenz der optischen Weglängen durch eine Änderung der geometrischen Länge eines Mediums mit Doppelbrechung, so ist die Änderung der optischen Weglängendifferenz gegenüber der geometrischen Weglängenänderung „untersetzt", d.h. die Empfindlichkeit ist herabgesetzt. Die Streckung erfolgt dann anders als bei einer Weglängenänderung in nur einem der Strahlengänge, so wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht mehr auf der Skala von Nanometern, sondern der Skala von Mikrometern.
In einer Ausführungsform sind der erste und/oder der zweite doppelbrechende Materialabschnitt so ausgestaltet, dass bei einer Variation der Differenz der geometrischen Längen zunächst der erste Materialabschnitt eine kleinere geometrische Länge aufweist als der zweite Materialabschnitt, dann beide Materialabschnitte die gleiche geometrische Länge aufweisen und danach der erste Materialabschnitt eine größere geometrische Länge aufweist als der zweite Materialabschnitt.
Realisieren lässt sich dies in einer Ausführungsform beispielsweise, indem man den ersten Materialabschnitt so wählt, dass er zunächst, d.h. ungedehnt, eine kürzere geometrische Länge aufweist als der zweite Materialabschnitt, wobei der erste Materialabschnitt so dehnbar ist, dass er durch Strecken auf die gleiche geometrische Länge wie der zweite Materialabschnitt bringbar ist und darüber hinaus auf eine geometrische Länge gestreckt werden kann, die größer ist als die geometrische Länge des zweiten Materialabschnitts.
In einer alternativen Ausführungsform sind die geometrischen Längen beider doppelbrechenden Materialabschnitte einstellbar veränderbar. In einer Ausführungsform sind dabei die geometrischen Längen beider Materialabschnitte dehnbar, wobei im Ausgangszustand, d.h. ohne Dehnung einer der beiden Materialabschnitte, beide Materialabschnitte die gleiche geometrische Länge aufweisen und im Nullzustand sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Kurzpulslasersystem eine Einrichtung zum Ändern der geometrischen Länge des ersten und/oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts auf. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise eine Temperiereinrichtung sein, die den ersten und/oder den zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt abkühlt oder erwärmt, um eine thermische Längenänderung herbeizuführen. In einer alternativen Ausführungsform ist die Einrichtung zum Ändern der geometrischen Länge des ersten und/oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts eine mechanische Einrichtung, welche eine Druck- oder Zugkraft auf den Materialabschnitt ausübt, so dass dieser seine geometrische Länge ändert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Kurzpulslasersystem eine Einrichtung zum Ändern der Differenz zwischen der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs und der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs auf, welche ohne eine Änderung der geometrischen Weglänge des ersten und/oder des zweiten Strahlengangs auskommt. Dazu wirkt diese Einrichtung direkt auf die Brechungsindizes des ersten und/oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts ein und ändert die Differenz zwischen dem Brechungsindex der schnellen Achse und dem Brechungsindex der langsamen Achse. Eine solche Änderung der Differenz der Brechungsindizes eines doppelbrechenden Materialabschnitts kann beispielsweise durch Quetschen des doppelbrechenden Materialabschnitts, insbesondere einer doppelbrechenden Faser, in einer von der Ausbreitungsrichtung abweichenden Richtung oder durch Biegen des doppelbrechenden Materialabschnitts erfolgen.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind der erste doppelbrechende Materialabschnitt und der zweite doppelbrechende Materialabschnitt polarisationserhaltende Lichtwellenleiter.
Unter Lichtwellenleitern im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden insbesondere optische Lichtleitfasern, vorzugsweise aus Glas, verstanden. Diese werden nachfolgend verkürzt als optische Fasern bezeichnet.
Eine Möglichkeit, den polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter des ersten doppelbrechenden Materialabschnitts und/oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts in seiner Länge zu verändern, ist beispielsweise eine mechanische Einrichtung, die den polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter streckt. Solche Vorrichtungen weisen typischerweise eine Einrichtung auf, auf der mehrere Windungen des polarisationserhaltende Lichtwellenleiters aufgewickelt sind, wobei die Einrichtung eine automatische Dehnung der Windungen in einer oder mehreren Richtungen ermöglicht.
Polarisationserhaltende Lichtwellenleiter sind in einer Ausführungsform als polarisationserhaltende optische Fasern realisiert. Polarisationserhaltende optische Fasern sind optische Fasern, bei denen die Polarisation von linear polarisiertem Licht während der Ausbreitung der elektromagnetischen Welle durch die Faser erhalten bleibt. Es findet also kein Verlust von optischer Leistung in die anderen Polarisationsmoden statt. Derartige Fasern werden auch als doppelbrechende Fasern bezeichnet. Das Funktionsprinzip polarisationserhaltender optischer Fasern basiert typischerweise darauf, dass der Kern der polarisationserhaltenden Faser im Querschnitt keine isotropen Eigenschaften, sondern eine ausgezeichnete Spannungsachse aufweist. Wird elektromagnetische Strahlung mit einer linearen Polarisation parallel zu dieser Spannungsachse oder auch senkrecht zu dieser Spannungsachse in die Faser eingekoppelt, so behält diese elektromagnetische Strahlung ihren linearen Polarisationszustand während der Ausbreitung der Faser bei.
Solche nicht isotropen Kerne können insbesondere dadurch realisiert werden, dass der Mantel der Faser gezielt nicht-rotationssymmetrisch aufgebaut ist und so Zug- oder Druckspannungen auf den Kern ausgeübt werden, die zu einer Isotropie des Kerns im Querschnitt führen. Beispiele für pola- risationserhaltende optische Fasern sind sogenannte Panda-Fasern, Bow-Tie-Fasern und Ellipti- cal-Clad-Fasern.
In einer solchen polarisationserhaltenden Faser können sich die beiden senkrecht linear zueinander polarisierten Moden der ersten und zweiten Resonatoren des Kurzpulslasersystems unabhängig voneinander ausbreiten.
Wenn im Sinne der vorliegenden Anmeldung von einem ersten und einem zweiten Resonator gesprochen wird, so umfasst dies insbesondere Ausführungsformen, in denen diese beiden Resonatoren Strahlpfade aufweisen, die vollständig kollinear zueinander sind, d.h. räumlich nicht voneinander zu trennen sind. Die beiden Resonatoren unterscheiden sich jedoch durch die von ihnen unterstützte Polarisation der elektromagnetischen Strahlung. Da die linearen Polarisationszu- stände in den beiden Resonatoren senkrecht zueinander sind, sind die beiden Resonatoren in dem Sinne unabhängig voneinander, dass kein Übersprechen zwischen diesen beiden durch die Polarisation definierten Kanälen gibt. Daher weist dann auch eine vollständig kollineare Anordnung zwei Resonatoren im Sinne der vorliegenden Anmeldung auf.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in den ersten und zweiten Strahlengängen der ersten und zweiten Resonatoren ein aktiver oder ein passiver Modenkoppler vorgesehen. Ein Beispiel für einen passiven Modenkoppler ist ein sättigbarer Absorber. Ein derartiger sättigbarer Absorber ist insbesondere für einen linearen Faserlaser geeignet, wobei der sättigbare Absorber Teil des hochreflektierenden Spiegels bildet.
In einer Ausführungsform ist das Kurzpulslasersystem ein Faserlaser. In einem Faserlaser wird das Verstärkungsmedium von der optischen Faser selbst gebildet. Ein solcher Faserlaser weist zum Einen den Vorteil auf, dass seine Komponenten aufgrund der weiten Verbreitung im Bereich der optischen Telekommunikationstechnik kommerziell erhältlich sind. Zum Anderen lassen sich aber in optischen Fasern, mit welchen ein solcher Faserlaser realisiert wird, die beiden zueinander orthogonalen Polarisationszustände der beiden Resonatoren einfach führen, ohne dass ein Übersprechen zwischen den beiden, von den zueinander orthogonalen Polarisationszuständen gebildeten Kanälen stattfindet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist in Strahlrichtung hinter einem Ausgang des ersten und/oder des zweiten Resonators des Kurzpulslasersystem ein in dem ersten und dem zweiten Strahlengang liegender Faserverstärker vorgesehen, wobei vorzugsweise ein Ausgang des Faserlasers mit dem Faserverstärker verbunden ist. Auf diese Weise können zumindest die in einem der Resonatoren des Kurzpulslasersystems erzeugten elektromagnetischen Pulse nachverstärkt und damit in ihrer Leistung auf ein Niveau angehoben werden, welches die effektive Durchführung von Experimenten oder das Treiben eines THz-Spektrometers ermöglicht.
Dabei ist es möglich, dass sich die Pulse des ersten Resonators und des zweiten Resonators auch in dem Faserverstärker räumlich überlappend bzw. kollinear ausbreiten und aufgrund ihrer orthogonalen Polarisationszustände unabhängig voneinander nachverstärkt werden. Allerdings sind auch Ausführungsformen denkbar, bei welchen nur die Pulse aus einem der Resonatoren nachverstärkt werden. Beispielsweise kann es für ein THz-Zeitbereichsspektrometer zweckmäßig sein, wenn Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden und die auf einen Generator für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden, nachverstärkt werden, während Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden und auf einen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden, nicht nachverstärkt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist hinter dem Kurzpulslasersystem oder hinter dem Faserverstärker ein Polarisationsstrahlteiler vorgesehen, sodass zwei räumlich getrennte Strahlengänge bereitgestellt werden. An dieser Stelle, d.h. hinter dem Ausgang des Kurzpulslasersystems oder hinter dem Ausgang des Faserverstärkers, dient ein Polarisationsstrahlteiler dazu, die beiden zueinander senkrechten Polarisationszustände, die innerhalb des Kurzpulslasersystems oder innerhalb des Verstärkers kollinearen ersten und zweiten Strahlengänge der ersten und zweiten Resonatoren räumlich voneinander zu trennen, sodass die einen Pulse zum Anregen und die anderen Pulse zum Abfragen eines physikalischen Systems verwendet werden können.
Darüber hinaus wird zumindest eine der oben genannten Aufgaben auch durch eine optische An- rege-/Abfrageanordnung mit einem Kurzpulslasersystem, so wie es zuvor beschrieben wurde, gelöst. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die optische Anrege-/Abfrageanordnung so eingerichtet, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, zum Anregen eines physikalischen Systems auf diese geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, zum Abfragen des physikalischen Systems auf dieses geleitet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine solche optische Anrege-/Abfrageanordnung ein THz-Zeitbereichsspektrometer, das so eingerichtet ist, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, auf einen Generator für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, auf einen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden.
Solche Generatoren und Detektoren für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich, welche entweder mit optischen Pulsen getrieben oder von diesen gegatet werden, sind insbesondere nichtlineare optische Kristalle und sogenannte photokonduktive oder photoleitfahige Schalter auf Basis von Halbleiterbauelementen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen davon und der dazugehörigen Figuren deutlich.
Figuren 1 a und 1 b zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform eines Kurzpulslasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit linearen Resonatoren.
Figuren 2a bis 2c zeigen Ausführungsformen von polarisationserhaltenden optischen Fasern.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kurzpulslasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Ringresonatoren.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Kurzpulslasersystems gemäß der vorliegenden Erfindung mit Ringresonatoren.
In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
Die in den Figuren 1 , 3 und 4 gezeigten Kurzpulslasersysteme sind Faserlaser, die auf optischen Fasern basieren, welche für den Betrieb bei einer Wellenlänge von 1 ,55 μιη ausgelegt sind.
Die verwendeten optischen Fasern sind sogenannte polarisationserhaltende Fasern 1 , 1 ', 1 " mit einem Kern 4, auf den durch eine spezielle Ausgestaltung des Mantels der Fasern in einer Richtung gezielt Spannungen aufgebracht sind. Auf diese Weise breitet sich elektromagnetische Strahlung, welche mit einer linearen Polarisation parallel oder senkrecht zur Auszeichnungsrichtung in diese Fasern eingekoppelt wird, aus, ohne dass nennenswerte Anteile der Strahlung während der Ausbreitung durch die Faser von dem einen in den anderen Polarisationszustand übertragen werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, gibt es in solchen polarisationserhaltenden Fasern kein Übersprechen zwischen den beiden von den zueinander senkrechten linearen Polarisationszuständen gebildeten Kanälen.
Figuren 2a bis 2c zeigen Beispiele für derartige polarisationserhaltende Fasern 1 , 1 ', 1 ", wie sie zum Aufbau des Faserlasersystems aus Figuren 1 , 3 und 4 alternativ verwendet werden können. Dabei zeigt Figur 2a eine sogenannte Bow-Tie-Faser 1 , bei welcher in den Fasermantel 2 zwei Strukturen 3 eingebracht sind, welche zusammen mit dem Kern 4 in der Schnittansicht an eine Fliege (Kleiderstück) erinnern. Die beiden Strukturen 3 im Mantel 2 der Faser 1 führen dazu, dass der Kern 4, welcher zentrisch in den Mantel 2 eingebettet ist, eine ausgezeichnete Achse aufweist, in welche beispielsweise linearpolarisierte elektromagnetische Strahlung polarisationserhaltend eingekoppelt werden kann.
Figur 2b zeigt eine alternative Ausführungsform einer solchen polarisationserhaltenden optischen Faser 1 ', welche als Panda-Faser bezeichnet wird. Um eine entsprechende Spannung in dem Kern 4 aufzubauen, sind in den Mantel 2 der optischen Faser 1 ' zwei Glasstränge 5 eingelassen, welche in etwa die gleiche Wirkung haben wie die fliegenartigen Strukturen 3 der Faser 1 aus Figur 2a.
Figur 2c zeigt eine dritte Ausführungsform einer polarisationserhaltenden optischen Faser 1 ", bei welcher der Kern 4 innerhalb des Mantels 2 in eine elliptische Struktur 6 eingebettet ist, die dem Kern 4 die notwendige anisotrope Spannung aufprägt. Eine solche polarisationserhaltende optischer Faser 1 " wird auch als Elliptical-Clad-Faser bezeichnet.
Durch die Ausbildung aller Faserkomponenten der Kurzpulslasersysteme 10, 10', 10" aus Figuren 1 , 3 und 4 als polarisationserhaltende Fasern 1 weisen die Kurzpulslasersysteme 10, 10', 10" zwei vollständig kollineare Kanäle bzw. Resonatoren auf, welche zwei zueinander senkrechte lineare Polarisationen unterstützen. Diese beiden Resonatoren sind, obwohl sie vollständig kollinear sind, derart voneinander getrennt, dass sie eine möglichst geringe gegenseitige Beeinflussung und kein Übersprechen erfahren. D.h. beide Kanäle bilden voneinander weitgehend unabhängige Resonatoren in einem einzigen System. Insbesondere gibt es zwischen den beiden Kanäle in dem Verstärkungsmedium 1 1 einen zumindest verringerten Modenwettbewerb.
Das Verstärkungsmedium wird von einem Erbium-dotierten Faserabschnitt 1 1 gebildet. Dieserwird mit Hilfe einer optischen Pumpe 12 gepumpt, um die notwendige Verstärkung der in den Lasern 10, 10', 10" oszillierenden Strahlung bereitstellen zu können. Die Pumpstrahlung 12 wird mit Hilfe eines Wellenlängenmultiplexfaserkopplers 13 in den verstärkenden Faserabschnitt 1 1 eingekoppelt.
Während innerhalb der Faserlaser 10, 10', 10" beide Polarisationsmoden des ersten und des zweiten Resonators in der gleichen Faser des Lasers 10, 10', 10" kollinear propagieren, können die beiden Polarisationskanäle hinter dem Auskoppler 14, 23 mit Hilfe eines Polarisationsstrahlteilers (in den Figuren nicht gezeigt) räumlich voneinander getrennt werden.
Da die elektromagnetische Strahlung sowohl in dem linearen Faserlaser 10 aus den Figuren 1 a und 1 b als auch in den Ringresonatoren der Faserlaser 10', 10" aus den Figuren 3 und 4 vollständig kollinear sind, sind bei allen gezeigten Ausführungsformen die geometrischen Weglängen des ersten und zweiten Strahlpfades der ersten und zweiten Resonatoren exakt gleich lang. Um dennoch einen optischen Weglängenunterschied einfügen zu können, verfügen alle drei Laser 10, 10', 10" über zwei doppelbrechende Faserabschnitte 16, 17.
Diese beiden Faserabschnitte sind in allen Ausführungsformen mit den Bezugszeichen 16 und 17 bezeichnet, wobei hier zunächst auf die Ausführungsform nach den Figuren 1 a und 1 b Bezug genommen wird, da insbesondere die schematische Darstellung aus der Figur 1 b das Verständnis der grundlegenden Idee der vorliegenden Erfindung erleichtert. Beide polarisationserhaltenden Faserabschnitte 16, 17 sind als doppelbrechende Materialabschnitte im Sinne der vorliegenden Anmeldung durch Panda-Fasern realisiert. Die Faserabschnitte sind jedoch an den sie verbindenden Spleißen 18 um 90° um ihre Längsachsen gegeneinander verdreht, so wie dies schematisch in Figur 1 b und den Inserts der Figuren 1 a, 3 und 4 dargestellt ist.
Während die eine lineare Polarisation in dem Faserabschnitt 16 zunächst entlang der schnellen Achse der Faser 1 ' propagiert, propagiert sie in dem dazu um 90° gedrehten Faserabschnitt 17 entlang dessen langsamer Achse. Ändert man nun in dem einen Faserabschnitt 16 dessen geometrische Länge, so führt dies für beide Kanäle zur gleichen Änderung der geometrischen Länge, jedoch aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaft der Faser 1 ' zu einer Differenz der optischen Weglängen. Da aber die optische Weglänge für die Repetitionsrate der Pulse in den Resonatoren ausschlaggebend ist, führt eine Streckung des Faserabschnitts 16 gegenüber dem Faserabschnitt 17 zu einer Änderung der Differenz der optischen Weglängen und damit zu einer Änderung der Repetitionsraten der Pulse in den beiden Resonatoren.
Um eine Streckung des Faserabschnitts 16 zu erreichen, weist dieser Faserabschnitt einen Faserstrecker 19 auf. Dieser Faserstrecker 19 besteht aus zwei Stützpfosten 20, die mit Hilfe eines Pie- zoelements in ihrem Abstand einstellbar und variierbar sind. Um die beiden Stützpfosten 20 herum sind mehrere Faserschlaufen des Faserabschnitts 16 gelegt, so dass eine Bewegung der beiden Stützpfosten 20 auseinander zu einer nennenswerten Längenänderung des Faserabschnitts 16 und damit zu einer Änderung der Differenz zwischen den Repetitionsraten der beiden Resonatoren führt.
Dabei haben die Faserabschnitte 16, 17 in einem Zustand die exakt gleiche geometrische Länge und damit die beiden linearen Polarisationszustände der elektromagnetischen Strahlung in den beiden Resonatoren bzw. Kanälen in diesem Zustand auch identische optische Weglängen. In der gezeigten Ausführungsform ist der Zustand exakt gleicher geometrischer Länge gerade so gewählt, dass zu seinem Erreichen eine Dehnung des Faserabschnitts 16 mit Hilfe des Faserstreckers 19 erforderlich ist. Daher wird bei einem Strecken des Faserabschnitts 16 mit dem Faserstrecker 19 der Faserabschnitt 16 aus einem Zustand, bei dem der Faserabschnitt 16 eine kürzere geometrische Länge aufweist als der Faserabschnitt 17 so gedehnt, dass er die gleiche geometrische Länge aufweist wie der Faserabschnitt 17 und weiter, so dass er eine größere geometrische Länge aufweist als der Faserabschnitt 17. Anders ausgedrückt ist die Repetitionsrate des ersten Resonators zunächst größer als die des zweiten Resonators und im Verlaufe der Streckung des Faserabschnitts 16 gleichen sich die Repetitionsraten der beiden Resonatoren an, bevor die Repetitionsrate des ersten Resonators kleiner wird als die Repetitionsrate des zweiten Resonators.
Diese Variation der Repetitionsraten führt zu einem Schieben der Phasenlagen der Pulse aus den beiden Resonatoren und damit zu einer Variation des Zeitversatzes zwischen den Pulsen aus dem ersten Resonator gegenüber den Pulsen aus dem zweiten Resonator.
In der linearen Ausgestaltung der Resonatoren der Figuren 1 a und 1 b wird an dem Auskoppelspiegel 14 ein geringer Anteil der Leistung der in den Resonatoren oszillierenden Laserpulse aus dem Faserlaser 10 ausgekoppelt. Der überwiegende Anteil der Leistung verbleibt in den Resonatoren und wird von dem Endspiegel 21 zurückreflektiert.
Dabei dient der Endspiegel 21 auch als Modenkoppler, da er als sättigbarer Absorber ausgestaltet ist. Der sättigbare Absorber 21 dient als passives optisches Schaltelement und damit zur passiven Güteschaltung der beiden Laserresonatoren. Der sättigbare Absorber besteht aus einem Material mit einem intensitätsabhängigen Absorptionskoeffizienten. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich bei dem sättigbaren Absorber 21 um eine Halbleiterbauelement, nämlich einen SESAM (Engl. Semiconductor Saturable Absorber Mirror), welcher sowohl als sättigbarer Absorber als auch als Endspiegel dient. Der sättigbare Absorber führt zu einer Randbedingung der Resonatoren, welche wiederum bewirkt, dass der Laser zueinander phasengekoppelte Moden generiert. Auch der Ringlaser 10' aus Figur 3 ist aus zwei polarisationserhaltenden Faserabschnitten 16, 17 aufgebaut, wobei diese an zwei Spleißen 18 miteinander verbunden sind. Wieder sind die schnellen Achsen der beiden Faserabschnitte 16, 17 an den Spleißen 18 um 90° gegeneinander verdreht, so dass eine Änderung der geometrischen Weglänge in dem einen Faserabschnitt 16 mit Hilfe des Faserstreckers 19 zu einer optischen Weglängendifferenz zwischen den beiden kollinearen Resonatoren führt. Der Ringlaser 10' verfügt zusätzlich in den Strahlengängen der beiden kollinearen Resonatoren über eine optische Diode 22, um die Ausbildung stehender Wellen in den Resonatoren zu verhindern. Die Auskopplung aus dem Ringlaser erfolgt über einen Faserschmelzkoppler 23, der einen Teil der Leistung aus den Ringresonatoren auskoppelt. Als Modenkoppler dient in dem Ringlaser 10' ebenfalls ein sättigbarer Absorber 24.
Der Laser 10" aus Figur 4 hingegen kombiniert eine lineare Resonatorstruktur mit einer Ringstruktur. Wieder sind an einem Spleiß 18 zwei polarisationserhaltende Faserabschnitte 16, 17 mit ihren schnellen Achsen um 90° gegeneinander verdreht miteinander verbunden. Der Faserabschnitt 17 ist mit Hilfe eines 2x1 Faserschmelzkopplers 25 mit dem linearen Teil des Lasers 10" verbunden. Um zu erreichen, dass die in dem Ring 24 propagierende Leistung vollständig in den linearen Teil des Lasersystems 10" zurückgelangt, ist in dem Ring 26 ein nicht reziprokes Element 27 vorgesehen.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort„aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel„eine" oder „ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste , 1 ', 1 " polarisationserhaltende Faser
Mantel
Strukturen
Kern
Glasstränge
elliptische Struktur
0, 10', 10" Kurzpulslasersystem
1 Verstärkungsmedium
2 Pumpstrahlung führender Faserabschnitt 3 Wellenlängenmultiplexfaserkoppler4, 23 Auskoppler
6, 17 Faserabschnitte
8 Spleiß
9 Faserstrecker
0 Stützpfosten
1 Endspiegel
2 Diode
4 sättigbarer Absorber
5 2x1 Schmelzkoppler
6 Ring
7 nicht reziprokes Element

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") zum Erzeugen elektromagnetischer Pulse mit
einem ersten Resonator, der einen ersten Strahlengang aufweist,
einem zweiten Resonator, der einen zweiten Strahlengang aufweist, und
einem Verstärkungsmedium (1 1 ),
wobei das Verstärkungsmedium (1 1 ) sowohl in dem ersten Strahlengang, sodass es in einem Betrieb des Kurzpulslasersystems (10, 10', 10") elektromagnetische Pulse in dem ersten Resonator verstärkt, als auch in dem zweiten Strahlengang, sodass es in dem Betrieb des Kurzpulslasersystems (10, 10', 10") elektromagnetische Pulse in dem zweiten Resonator verstärkt, angeordnet ist,
wobei der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang in dem Verstärkungsmedium (1 1 ) zumindest abschnittsweise räumlich überlagert sind und
wobei der erste Resonator derart eingerichtet ist, dass er genau einen ersten linearen Polarisationszustand der elektromagnetischen Pulse unterstützt, und der zweite Resonator derart eingerichtet ist, dass er genau einen zweiten linearen Polarisationszustand der elektromagnetischen Pulse unterstützt, wobei der erste und der zweite Polarisationszustand senkrecht zueinander sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") einen ersten doppelbrechenden Materialabschnitt (16) und einen zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt (17) aufweist, wobei der erste Strahlengang und der zweite Strahlengang in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt (16) und in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt (17) kollinear verlaufen,
wobei der erste doppelbrechende Materialabschnitt (16) und der zweite doppelbrechende Materialabschnitt (17) derart ausgestaltet und ausgerichtet sind, dass in einem Zustand des ersten doppelbrechenden Materialabschnitts (16) und des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts (17) die Summe der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt (16) und der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt (17) gleich der Summe der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt (16) und der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt (17) ist, und
wobei der erste doppelbrechende Materialabschnitt (16) oder der zweite doppelbrechende Materialabschnitt (17) derart ausgestaltet ist, dass eine Differenz zwischen der Summe der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt (16) und der optischen Weglänge des ersten Strahlengangs in dem zweiten dop- pelbrechenden Materialabschnitt (17) und der Summe der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem ersten doppelbrechenden Materialabschnitt (16) und der optischen Weglänge des zweiten Strahlengangs in dem zweiten doppelbrechenden Materialabschnitt (17) einstellbar veränderbar ist.
2. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlpfad und der zweite Strahlpfad über die gesamte Länge des ersten und des zweiten Resonators kollinear sind.
3. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste doppelbrechende Materialabschnitt (16) und der zweite doppelbrechende Materialabschnitt (17) jeweils eine schnelle Achse und eine langsame Achse aufweisen, wobei die schnelle Achse des ersten doppelbrechenden Materialabschnitts (16) gegenüber der schnellen Achse des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts (17) um 90° gedreht ist.
4. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Polarisationszustand parallel zur schnellen Achse des ersten oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts (16, 17) ist.
5. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") eine Einrichtung zum Ändern der geometrischen Länge (19) des ersten und/oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts und/oder eine Einrichtung zum Ändern einer Differenz zwischen einem ersten Brechungsindex und einem zweiten Brechungsindex des ersten und/oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts aufweist.
6. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste doppelbrechende Materialabschnitt (16) und der zweite doppelbrechenden Materialabschnitt (17) polarisationserhaltende optische Fasern (1 , 1 ', 1 ") sind.
7. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") eine Einrichtung (19) zum mechanischen Strecken oder Stauchen des ersten doppelbrechenden Materialabschnitts (16) oder des zweiten doppelbrechenden Materialabschnitts (17) aufweist.
8. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") ein Faserlaser, vorzugsweise ein linearer Faserlaser oder ein Faserringlaser, ist.
9. Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") einen Modekoppler, insbesondere einen sättigbaren Absorber (21 , 24), aufweist.
10. Optische Anrege-/Abfrageanordnung mit einem Kurzpulslasersystem (10, 10', 10") nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
1 1. Optische Anrege-/Abfrageanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anrege-/Abfrageanordnung so eingerichtet ist, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, zum Anregen eines physikalischen Systems auf dieses geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, zum Abfragen des physikalischen Systems auf dieses geleitet werden.
12. Optische Anrege-/Abfrageanordnung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anrege-/Abfrageanordnung so eingerichtet ist, dass Pulse, die in dem ersten Resonator erzeugt wurden, auf einen Generator für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden und Pulse, die in dem zweiten Resonator erzeugt wurden, auf einen Detektor für elektromagnetische Strahlung im THz-Frequenzbereich geleitet werden.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2747724C1 (ru) * 2020-07-23 2021-05-13 Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Техническое Объединение "Ирэ-Полюс" Способ устойчивой автогенерации ультракоротких лазерных импульсов в поддерживающем состояние поляризации волоконном кольцевом резонаторе и лазер на его основе
CN115296131B (zh) * 2022-10-09 2023-03-28 武汉中科锐择光电科技有限公司 一种产生超短脉冲的虚拟环形腔激光器

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6097741A (en) * 1998-02-17 2000-08-01 Calmar Optcom, Inc. Passively mode-locked fiber lasers
US6201608B1 (en) * 1998-03-13 2001-03-13 Optical Biopsy Technologies, Inc. Method and apparatus for measuring optical reflectivity and imaging through a scattering medium
JP3857868B2 (ja) 1999-09-16 2006-12-13 古河電気工業株式会社 半導体レーザモジュール
US6954575B2 (en) * 2001-03-16 2005-10-11 Imra America, Inc. Single-polarization high power fiber lasers and amplifiers
DE602004022669D1 (de) * 2003-06-19 2009-10-01 Corning Inc Einzelpolarisations-lichtfaser und system
US20080231861A1 (en) 2005-08-24 2008-09-25 Agilent Technologies, Inc. Polarization Maintaining Optical Delay Circuit
CN101483307A (zh) * 2009-02-03 2009-07-15 江西师范大学 一种偏振相关输出的多波长和被动锁模光纤激光器
CN101854022B (zh) * 2009-04-03 2012-04-04 苏州大学 双波长超短脉冲输出的被动锁模光纤激光器
KR20140006027A (ko) 2011-03-07 2014-01-15 아이엠알에이 아메리카, 인코포레이티드. 피크 전력이 증가한 광 펄스 소스
DE102012113029A1 (de) * 2012-12-21 2014-06-26 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Kurzpulslasersystem
US9726472B1 (en) * 2013-11-22 2017-08-08 Stc.Unm Intracavity fiber sensors
CN104064942B (zh) * 2014-06-05 2018-03-16 北京航空航天大学 一种双重复频率短脉冲激光系统
US10367328B2 (en) * 2017-07-06 2019-07-30 Industrial Technology Research Institute Pulse laser device

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