WO1997000429A1 - Messvorrichtung für kurze und ultrakurze lichtimpulse - Google Patents

Messvorrichtung für kurze und ultrakurze lichtimpulse Download PDF

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WO1997000429A1
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pulses
pulse
partial
correlation signal
measuring device
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PCT/DE1996/001125
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Inventor
Harald Schulz
Ping Zhou
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Optikzentrum Nrw Gmbh (Oz)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F13/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00
    • G04F13/02—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00 using optical means
    • G04F13/026—Measuring duration of ultra-short light pulses, e.g. in the pico-second range; particular detecting devices therefor

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for short and ultrashort light pulses with pulse durations in the femtosecond to picosecond range, with which qualitative and quantitative measurements of the pulse shape, phase, duration and spectrum as well as the chirp of short light pulses can be carried out.
  • Such measuring devices are used in particular when examining the pulse properties of lasers and when developing and adjusting laser systems with short or ultra-short light pulses.
  • the autocorrelation function of these pulses is usually examined to measure the pulse properties of short laser pulses.
  • individual properties of these laser pulses such as their shape, phase, spectrum or intensity, according to the prior art different procedures are available. These differ in particular with regard to the method in order to produce a defined delay between two partial pulses of the laser to be correlated.
  • Each of these methods is suitable for a specific one
  • Type of laser radiation a distinction being made in particular between methods for measuring the radiation pulse properties of highly repetitive pulses and the properties of individual light pulses or those generated with a low repetition rate.
  • the principle of measuring the light pulse properties by correlation is based in general on the fact that the light pulse to be measured is divided into two partial pulses. One of these partial pulses is then delayed by a defined time compared to the other partial pulse. Then these two partial impulses are superimposed. Due to the physical phenomena created by the overlay, i.e. of the correlation signal, properties of the individual partial pulses can then be determined.
  • the correlation signal consists, for example, of the second or higher harmonic of the laser pulse to be examined or of radiation with a mixture of the frequencies of the superimposed partial pulses.
  • the running distance of the one partial pulse is extended by a few ⁇ m to cm.
  • the idea of short-time measurements is therefore that a delay time p is generated by a delay path x. Because of this equivalence between delay time p and delay line x, time-dependent properties of the light pulse, such as amplitude or phase, are depicted as a function of the delay path x to be generated very precisely.
  • the autocorrelation between these two partial pulses is determined point by point as a function of the delay line. Since this method for determining the autocorrelation for a specific delay path requires measurement with one light pulse each, the scanning autocorrelator is only suitable for measurement with laser pulses with a high repetition rate. The temporal course of the amplitude and the pulse duration of the laser pulse can be derived from such measurements. but do not determine its phase or the chirp of the laser pulse.
  • the two partial pulses are focused into a narrow strip by a cylindrical lens and then overlaid at a certain angle.
  • the autocorrelation function varies along the strip with the delay time ⁇ . Consequently, a one-dimensional representation of the superposition of the two partial pulses is obtained from one pulse, from which the shape of the laser pulse can be approximately reconstructed. This makes it possible to analyze laser pulses with a low repetition rate or to analyze individual laser pulses.
  • the single pulse autocorrelator makes it possible but not to determine the phase or chirp of the laser pulse.
  • the radiation generated from the superimposition of the partial pulses is subsequently analyzed in a spectrometer.
  • a two-dimensional representation of the correlation signal as a function of the delay time and the wavelength is obtained, so that the time-dependent pulse shape, the pulse phase, the pulse duration and the pulse spectrum are then obtained from this information using known methods can.
  • Such wavelength-resolved single-pulse correlators according to the prior art use a third-order nonlinear optical effect to generate the correlation signal. Therefore, only laser pulses with a high energy greater than 1 ⁇ J can be examined with this method. Since the intensity of laser pulses is inversely related to the repetition rate of the laser pulses, laser pulses from highly repetitive laser systems cannot be examined with the usual wavelength-resolved individual pulse correlators.
  • the scanning autocorrelator can also be provided with dispersive imaging optics, as a result of which a wavelength-resolved autocorrelation can be measured.
  • a scanning autocorrelator requires high pulse repetition frequencies with constant pulse properties in order to avoid long data acquisition times.
  • the wavelength-resolved sampling autocorrelator can therefore not be used as a pulse nitor can be used for direct observation of the properties of laser pulses.
  • each laboratory involved in the development of low- or high-repetition laser emitters requires several of the correlator types described.
  • the maintenance and adjustment when exchanging the correlators is very labor-intensive and time-consuming, particularly when examining a laser with different correlator types.
  • the data of several different measurement systems are to be combined with one another by the operator.
  • Another object of the invention is to enable the simultaneous measurement of the spectral and temporal properties of such light pulses. In particular, a change between the different methods for determining the correlation should be able to be carried out quickly and with little effort.
  • the light pulse to be analyzed is radiated into the device according to the invention and divided into two pulses in the measuring device according to the invention by an arrangement of beam splitters and / or reflectors, or two pulses are radiated into the device as pulses to be correlated .
  • the pulses to be correlated are called partial pulses in both cases.
  • the two partial pulses are delayed against each other by a movable delay element.
  • the measuring device according to the invention further contains an optical element which generates a correlation signal of the two partial pulses as well as the detectors necessary for spatial or temporal and spectral resolution.
  • the measuring device is provided with an exchangeable plate which is equipped with optical components which focus the two partial pulses on the optical element for generating the correlation signal.
  • the correlation signal which can consist, for example, of the second or third harmonic of the irradiated laser beam or of radiation with a frequency that corresponds to the sum or difference of the individual frequencies of the two partial pulses, is then analyzed in a detection unit.
  • the measuring device according to the invention is suitable for determining both the auto-correlation and the cross-correlation of a laser pulse divided into two partial pulses.
  • the measuring device according to the invention can be used both for the immediate display of the pulse properties as a pulse monitor or for the quantitative evaluation of the pulse properties as a pulse measuring system.
  • the autocorrelation function it is also possible to measure a cross-correlation function between a pulse with known pulse properties of frequency ⁇ and a pulse with unknown pulse properties of frequency ⁇ 2 .
  • these two, if necessary, separately generated pulses must be radiated into the device according to the invention and recorded by it as partial pulses.
  • the correlation of a well-characterized with an unknown pulse enables a quick and simplified determination of the properties of the unknown pulse.
  • the interchangeable plate carries the optical components which focus the two partial pulses, depending on the correlation principle to be used, on the optical element for generating the correlation signal. Because the plate is exchangeable, the correlation method used can be changed quickly and with very little effort in order to subsequently examine the same laser pulse with another method. In particular, due to a low tolerance of the positioning of the exchangeable plates in the measuring device according to the invention, a populated plate can be removed and reinserted at will without the correct, adjusted position of the optical components mounted on it being destroyed. This has made it possible to use successive laser pulses with any repetition rate and also very low energy with all available correlation characterize tion process without having to use different devices for this and / or having to re-juice each time.
  • Another advantage of the measuring device according to the invention is that instead of an exchangeable plate fitted, an empty plate can be used or the exchangeable plate can be omitted.
  • the two partial pulses are then not focused on the crystal, but can be led out of the measuring device and used for excitation / interrogation pulse experiments.
  • the zero time for the two partial pulses is retained. This saves lengthy adjustments, which can take hours or days when using conventional measuring systems.
  • the device according to the invention enables the autocorrelation signal of an individual
  • Partial pulse to measure and thus, for example, to determine the spectrum of the laser beam.
  • the correlation signal is emitted in the center of the directions of the two partial pulses in the forward or reverse direction. Apart from scattered light from the two partial pulses in the direction of the correlation signal, a largely background-free measurement of the correlation can thus be carried out be performed. There is no need to use an aperture or a wavelength filter in front of the detection unit. In addition, the maximum possible dynamic range of the measuring device is achieved in a simple manner.
  • a largely background-free measurement can also be carried out with collinear beam guidance if the exchange plate is equipped with a polarization-rotating element for one of the partial pulses and the detector for detecting the sum or differential frequency radiation is provided with a polarization-analyzing element.
  • the interchangeable plate in the measuring device according to the invention is advantageously adjusted using adjusting elements attached to the plate, which interact with a corresponding number of sensors of the measuring device.
  • These transducers can be designed to be self-adjusting, for example as conical depressions. A particularly high positioning accuracy can thereby be achieved by appropriate shaping of the adjusting elements attached to the plate.
  • the adjusting elements can furthermore be designed in such a way that they carry the exchangeable plate and additional support elements are therefore unnecessary.
  • a particularly simple implementation of the delay times in delay sections results when a retroflector is used as the movable delay element. If this retroflector is driven by a stepper motor via a micrometer screw, then a very high relative reduction can be achieved if the stepper motor is correspondingly strongly reduced. tive resolution of 4 x IO 4 with delay times between 1 fs up to ⁇ 40 ps. With such a movable delay element, pulses with a length between 10 fs and 80 ps can be examined.
  • a dispersive optical component can be used as the movable delay element, which is advantageously mounted in a rotatable self-adjusting holder.
  • this makes the exchange of the dispersive element very easy and, after the exchange, no readjustment of the measuring system is necessary.
  • a retroflector with dispersive components driven by a stepping motor it is possible to achieve continuous changes in the delay line.
  • Such a dispersive element is therefore particularly suitable for examining laser pulses with a high pulse repetition frequency using the method of the scanning correlator.
  • the self-adjusting holder also prevents the pulse from being displaced in an undesirable manner, or from imbalances or vibrations of the measuring system triggered thereby.
  • Glass plates with which delay times between 300 fs and ⁇ 15 ps can be produced depending on the plate thickness, are particularly suitable as dispersive elements. By using glass plates of different thicknesses, the range of the delay times to be set can be changed quickly and easily.
  • the detectors are suitable for the various methods for determining the correlation both in terms of time Resolving detectors such as secondary electron multipliers, photodiodes and the like as well as spatially resolving detectors, such as, for example, arrangements of the charge-coupled type.
  • time Resolving detectors such as secondary electron multipliers, photodiodes and the like
  • spatially resolving detectors such as, for example, arrangements of the charge-coupled type.
  • an imaging optics and / or a dispersive element for example a grid. If the line focus, which occurs in the single-pulse correlator at the location of the nonlinear optical element, is dispersively imaged, no additional spectrometer gap is required for imaging.
  • the exchange of the detectors on the measuring system according to the invention is carried out in a simple manner, for example on standardized, easy-to-use and precisely positioning coupling devices.
  • phase shift triggered by the optical components is usually considered undesirable in the prior art and is therefore reduced or compensated for as far as possible.
  • a suitably chosen dielectric and / or metallic coating of an optical component for example the beam splitter, or by means of an additional dispersive element, for example a glass plate
  • a defined frequency-dependent phase shift of one versus the other partial pulse can be achieved also create consciously.
  • Such a wavelength-dependent, defined phase shift can be used to generate an asymmetry between the two partial pulses.
  • a non-linear optical effect of the second order can then be used to investigate the correlation in all correlator types temporal symmetry of amplitude and phase course can be used.
  • the generation of an asymmetry is not necessary if two separately irradiated laser pulses are correlated, one of which is known with regard to its properties. In this case, the superposition of these two beams generates radiation with the sum frequency and / or the difference frequency, which can easily be analyzed with regard to the properties of the unknown partial pulse.
  • the generation of the radiation with the sum or difference frequency of the two partial pulses as a correlation signal can, however, not only in the forward direction.
  • - H - hung for example in a crystal, but also on a reflective surface, for example a mirror, in the backward direction.
  • Gallium arsenide surfaces are particularly suitable for generating the correlation signal. This also achieves a separation of the fundamental waves and the correlation signal.
  • the reflective element can be used to deflect the optical beam path.
  • exchange plates which either have one-dimensionally focusing optics, such as a mirror and a cylindrical lens, for producing a single-pulse correlator or a wavelength-resolved single-pulse correlator or a two-dimensionally focusing Optics, for example a spherically corrected achromatic and a mirror, for producing a scanning correlator or a spectrally resolved scanning correlator.
  • one-dimensionally focusing optics such as a mirror and a cylindrical lens
  • a single-pulse correlator or a wavelength-resolved single-pulse correlator or a two-dimensionally focusing Optics for example a spherically corrected achromatic and a mirror, for producing a scanning correlator or a spectrally resolved scanning correlator.
  • the dispersive elements can be replaced by reflective elements, for example mirrors become.
  • the optical components can be specific to the optical components
  • Properties of the light pulse used are coated dielectric. By coordinating the Layering on the wavelength of the light pulses used can reduce or avoid undesired reflections and / or dispersive effects, such as phase dispersion.
  • the reflective optical elements for example mirrors
  • the reflectivity of the metallic coating and the phase change of the light when reflecting on metallic coatings are only weakly frequency-dependent. There are therefore only small dispersive phase changes in the light field in the metallic coating, which would lead to a change in the light pulse properties in the case of ultrashort light pulses.
  • a particular advantage of the metallic coating is consequently that when the laser pulse wavelength used is changed, there is no need to change the mirror, and also ultrashort pulses (with a half-width in the range of approximately 10 fs) with a large spectral bandwidth (up to greater than 200 nm) ) can be measured.
  • the reflective optical elements can be coated with gold particularly advantageously because the majority of the short-pulse lasers are operated in the wavelength range greater than 500 nm and gold has a very high reflectivity for these wavelengths and is chemically stable.
  • a gold coating In contrast to the usual coating with aluminum, a gold coating has a considerably higher reflectivity in the near infrared range and in the infrared range.
  • the gold coating can be applied using a plasma-assisted process. Such a gold coating has improved adhesion and, in contrast to conventional gold coatings, for example by evaporation, can be cleaned with a conventional lens cloth without the risk of destruction.
  • the destruction limit of the plasma-supported gold coating by intensive laser radiation is also higher than the destruction limit of conventionally applied gold coatings.
  • the beam splitter can also be metallically coated to avoid undesired phase changes of the continuous partial pulse instead of being coated with a dielectric. This results in a lower dispersive phase modulation of the continuous, non-reflected partial pulse and a large spectral bandwidth within which the beam splitter can be used.
  • the measuring device can also be provided with additional pulse compressors, for example prism compressors, the dispersion of which can be adjusted.
  • additional pulse compressors for example prism compressors
  • Such a compensation of the dispersion is particularly advantageous for ultrashort light pulses with a pulse duration of less than 20 fs.
  • the recording of the data and the control of the measuring device according to the invention and the detectors can take place via microcontrollers. Furthermore, the data can be recorded and offset simultaneously as well as be represented. Another possibility is that the laser power is determined and recorded parallel to the measurement of the correlation.
  • the user has thus shown the complete representation of both Fourier components (frequency and time) as a two-dimensional pattern and no longer has to combine separately recorded measurement curves of time and spectral characteristics.
  • Fig. 2 shows the beam path in the retarding
  • Fig. 4 shows the use of the invention
  • Measuring device for generating excitation / interrogation pulses
  • 5 shows a single pulse correlator; 6 shows a spectrally resolving sampling correlator, and
  • the 1 describes a measuring device 12 according to the invention, which is operated as a scanning correlator.
  • the individual light pulse to be analyzed enters the scanning correlator through an aperture 10 below the mirror 1.
  • the light pulse is split by a beam splitter 4 into two partial pulses, which are directed by mirrors 2 and 3 to two retroflectors 7 and 8, which shift the beam in height.
  • the two partial impulses pass through a glass plate 5, which is rotated by a speed-controlled motor 6 with a step constancy of 10 " 3 and rotation frequencies between 0.1 Hz and 25 Hz.
  • the glass plate 5 generates between the two Partial impulses
  • ⁇ L - ⁇ —r [n-cos ( ⁇ i- ⁇ i)] -— -TL-J [n-cos ( ⁇ 2 - ⁇ £)] cos ⁇ i cos ⁇ j
  • the thickness and n the refractive index of the glass plate 5, 0, and ⁇ 2 the angle of incidence of the two partial pulses on the glass plate 5 and und- 'and ⁇ 2 ' the angle between the rays broken into the glass plate and the surface normal of the glass plate .
  • the reflected partial pulses then pass through the glass plate 5 again and are sent again by the mirrors 2 and 3 through the beam splitter 4.
  • One of the partial pulses is deflected by mirror 1 in such a way that it runs offset but parallel to the other partial pulse in the direction of an exchangeable plate 13.
  • One partial pulse passes through an aperture 11 and then parallel to the other partial pulse through a spherical lens 14 mounted on the exchangeable plate 13.
  • Both pulses are deflected approximately at right angles by a mirror 15, which is also mounted on the exchangeable plate 13 and meet in their focus, which is due to the lens 14 in a crystal 9.
  • An LBO crystal is used as crystal 9.
  • the electromagnetic wave generated in the LBO crystal 9 with the sum frequency of the individual frequencies of the two partial pulses is emitted by the LBO crystal in the center of the direction of the two partial pulses and strikes a mirror
  • the mirror 16 directs the radiation at the sum frequency through an aperture 20 to a detector
  • the detector 17 is, for example, a secondary electron multiplier.
  • the exchangeable plate 13 can be removed from the measuring device 12 or inserted into it in the simplest way. It is held in position with a precision of 10 ⁇ m by means of precision pins, so that a plate can be replaced without having to make any new adjustments.
  • a spherical lens 14 and a mirror 15 are mounted on the exchangeable plate 13.
  • the retro reflector 8 is displaceable. It can be used to generate delay times between 1 fs and greater than +/- 40 ps. Delay times between ⁇ 300 fs and ⁇ 15 ps can be generated with the glass pane.
  • the detector 17 records the intensity of the pulse with the sum frequency depending on the delay time or the delay path.
  • the 3 shows a sampling correlator as shown in FIG. 1.
  • the radiation generated by the crystal 9 with the sum frequency of the individual frequencies of the partial pulses is imaged onto the detector 17 by a lens 18 and a dispersive element 19.
  • the wavelengths thus obtained resolved signals are recorded by a one-dimensional detection unit 17.
  • the dispersive element 19 can be, for example, a grating and a spherically curved mirror.
  • the line detection unit 17 is, for example, of the charge-coupled type.
  • a wavelength-resolved sampling correlator which, in addition to measuring the pulse shape, also enables the chirp to be determined. Because of its otherwise identical arrangement to FIG. 1, it is also possible in this case to analyze light pulses with both high and low pulse repetition frequencies. Since the generation of the radiation with a sum frequency is also used here to determine the correlation, low light pulse energies are also sufficient for this measurement method, as in the case of the scanning correlator from FIG.
  • FIG. 4 shows an arrangement in which, compared to the scanning correlator from FIG. 1, the exchangeable plate 13 has been removed or has been replaced by an empty plate.
  • the two partial light pulses can now be used, for example, outside the measuring device according to the invention for pump probe experiments.
  • the achievable delays of one partial pulse against the other partial pulse are also in the range of ⁇ 40 ps for the generation of the delay by shifting the retro-reflector 8 and in the range of ⁇ 300 fs to ⁇ 15 ps for the generation of the delay through the glass plate 5.
  • the Exchange plate 13 is now equipped with a mirror 15 and a cylindrical lens 14.
  • the cylindrical lens 14 focuses the two partial pulses on one another at a predetermined angle in the crystal 9 in line form.
  • the exchange plate 13 can also be equipped with 2 deflecting mirrors and a cylindrical lens in order to vary the angle between the partial beams. Radiation with the sum frequency of the individual partial pulses is only generated in the crystal 9 where the partial pulses in the crystal 9 overlap both temporally and spatially.
  • a superposition line (focal line) results, along which the intensity of the correlation signal changes in the crystal 9 in accordance with the delay time between the two partial pulses.
  • the intensity of the sum frequency radiation is consequently obtained as a function of the relative delay time along the focal line.
  • the image of this overlay line is imaged by a mirror 16 and a lens 18 onto a one-dimensional detector arrangement, for example of the charge-coupled type.
  • the pulse duration and approximately the pulse shape of the light pulse to be examined can also be determined from this representation of the correlation signal.
  • the delay time in the individual pulse correlation can be varied further according to FIG. 5.
  • an additional one can be used with the displaceable retroflector 8
  • Defined delay between the partial pulses are produced, which is expressed in a displacement of the image of the overlap line obtained with the detector, ie the correlation signal, along the pixel of the one-dimensional CCD detector.
  • a single pulse correlator which measures time and wavelength resolved.
  • the mirror 16, the lens 18 and the detection unit 17 of FIG. 5 are provided by an achromatic lens 18, a dispersive element 19 and a two-dimensional detection arrangement 17 , for example of the charge-coupled type.
  • this spectrally resolving single pulse correlator generates a frequency-dependent phase shift between the two partial pulses by means of an additional element 21, for example a glass plate.
  • the one-dimensional image of the superposition of the two partial pulses is now diffracted perpendicularly to this axis by the dispersive element 19.
  • An advantage of this embodiment is that the line focus in the crystal corresponds to an illuminated slit in a spectrometer. Therefore, an additional input slit of the spectrally resolving element can be dispensed with and the line focus can be imaged directly on the detector 17 in a dispersive manner.
  • the two-dimensional detector 17 thus provides a time-dependent and wavelength-dependent representation of the intensity of this sum frequency radiation along two orthogonal coordinate axes. In this way, the temporal and wavelength-dependent correlation function for a single light pulse can be measured at the same time.
  • All characteristics of the light pulse can be determined from the representation of the intensity of the sum frequency radiation via these two coordinates, the delay time and the wavelength, by known numerical methods. With this wavelength-resolving single pulse correlator, the pulse shape, phase, amplitude and duration as well as the chirp of the light pulse can be determined. The light pulse is thus fully characterized.
  • FIG. 7 shows a further single pulse correlator which measures time and wavelengths in a resolved manner.
  • the arrangement of this single pulse correlator largely corresponds to the arrangement shown in FIG. 6 and described there.
  • two laser pulses with two different wavelengths (in special cases also with the same wavelengths) ⁇ , and ⁇ 2 are radiated into the device according to the invention. Both beams pass through the aperture 10.
  • the beam with the frequency ⁇ t is directed by the mirror 2 and the retroflector 7 onto the mirror 1 and is radiated from there in the direction of the exchangeable plate 15.
  • the beam with the frequency ⁇ 2 is also radiated back through the semi-transparent mirror 4, the mirror 3 and the retroflector 8 via the mirror 3 and the semi-transparent mirror 4 in the direction of the exchangeable plate 15. It can be seen that in this case the mirrors 1 and 4 are arranged differently in accordance with the geometry caused by the two laser pulses than in the previous previous examples.
  • the beam ⁇ 2 passes through an aperture 11 and is focused together with the beam ⁇ through a dispersive element 14 onto a crystal 9. The focusing takes place in the same way as described in FIG.
  • this cross-correlation signal is particularly simple if one of the two pulses, for example the laser pulse ⁇ lf , is well characterized with regard to its optical properties.
  • the optical properties of the second laser pulse superimposed with it can be determined simply and quickly. This makes it possible, for example, to overlay an amplified laser pulse with a non-amplified pulse from a laser oscillator, which can usually be characterized very well, and thereby to obtain a rapid and precise characterization of the amplified laser pulse.
  • the device described here and the method described here for superimposing two separately irradiated laser pulses can be used not only with the spectrally resolving single pulse correlator described here but also in the same way with all other correlators described so far.
  • the term partial pulse used up to now therefore refers not only to two partial pulses which were obtained from a laser pulse via beam splitters, but also to two separately irradiated laser pulses, as denoted by ⁇ and ⁇ 2 in FIG. 7.
  • the measuring systems according to the invention given in the exemplary embodiments make it possible to measure the correlation largely free of background due to their non-collinear beam guidance. In this way, the correlation can be measured with very high dynamics (16 bits or more depending on the detector used).
  • the measuring device according to the invention provides a system which is set up or set up in a simple, rapid and uncomplicated manner for the individual methods of correlation and for excitation / interrogation pulse experiments. can be converted.
  • the special arrangement of the measuring device according to the invention using an interchangeable plate and, in addition, the use of a non-linear optical effect of the second order instead of the optical effect of the third order which is customary for measurements of time-dependent amplitude and phase make it possible, largely without background, both individual pulses or pulses to analyze with low pulse repetition frequency with high or low intensity as well as laser pulses with high pulse repetition frequency with the measuring device according to the invention and to characterize their temporal asymmetry.

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Abstract

Die Erfindung stellt eine Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtimpulse mit Impulsdauern im Femtosekunden- und Picosekundenbereich zur Verfügung, mit der verschiedene Verfahren der Korrelation zur Charakterisierung von kurzen und ultrakurzen Lichtimpulsen durchgeführt werden können. Durch eine geeignete Anordnung der optischen Bauelemente und die Verwendung einer präzise positionierbaren Austauschplatte (13) ist es möglich, mit geringem Aufwand mit der Meßvorrichtung einen Abtast-Korrelator, einen spektral auflösenden Abtast-Korrelator, einen Einzelimpulskorrelator sowie einen spektral auflösenden Einzelimpulskorrelator zu realisieren. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich auch zur Erzeugung definierter Verzögerungen zwischen zwei Laserimpulsen für Anrege-/Abfragepuls-Experimente.

Description

Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtimpulse
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtimpulse mit Impulsdau¬ ern im Femtosekunden- bis Picosekundenbereich, mit der qualitative und quantitative Messungen der Impulsform, -phase, -dauer und -Spektrum sowie des Chirps kurzer Lichtimpulse durchgeführt werden kön- nen. Derartige Meßvorrichtungen werden insbesondere bei der Untersuchung der Impulseigenschaften von La¬ sern sowie bei der Entwicklung und Justierung von LaserSystemen mit kurzen bzw. ultrakurzen Lichtimpul- sen verwendet.
Zur Messung der Impulseigenschaften von kurzen Laser¬ impulsen wird überlicherweise die Autokorrelations¬ funktion dieser Impulse untersucht. Zur Bestimmung einzelner Eigenschaften dieser Laserimpulse, wie bei- spielsweise deren Form, Phase, Spektrum oder auch Intensität stehen nach dem Stand der Technik ver- schiedene Verfahren zur Verfügung. Diese unterschei¬ den sich insbesondere bezüglich des Verfahrens, um zwischen zwei zu korrelierenden Teilimpulsen des La¬ sers eine definierte Verzögerung herzustellen. Jedes dieser Verfahren eignet sich für einen bestimmten
Typus von Laserstrahlung, wobei insbesondere zu un¬ terscheiden ist zwischen Verfahren zur Messung der Strahlungsimpulseigenschaften hochrepetierlicher Im¬ pulse sowie der Eigenschaften von einzelnen bzw. mit geringer Wiederholrate erzeugten Lichtimpulsen.
Das Prinzip der Messung der Lichtimpulseigenschaften durch Korrelation beruht ganz allgemein darauf, daß der zu messende Lichtimpuls in zwei Teilimpulse auf- geteilt wird. Einer dieser Teilimpulse wird an¬ schließend um eine definierte Zeit gegenüber dem an¬ deren Teilimpuls verzögert. Anschließend werden diese beiden Teilimpulse überlagert. Aufgrund der durch die Überlagerung erzeugten physikalischen Phänomene, d.h. des Korrelationssignals, können anschließend Eigen¬ schaften der einzelnen Teilimpulse bestimmt werden. Das Korrelationssignal besteht beispielsweise aus der zweiten oder höheren Harmonischen des zu untersuchen¬ den Laserimpulses bzw. aus Strahlung mit einer Mi- schung der Frequenzen der überlagerten Teilimpulse.
Um die für die Charakterisierung von kurzen bzw. ul¬ trakurzen Laserimpulsen nötigen kurzen Verzögerungs¬ zeiten im Femto- bis Picosekundenbereich zu erzeugen, wird die Laufstrecke des einen Teilimpulses um einige μm bis cm verlängert. Die Idee der KurzZeitmessungen besteht also darin, daß eine Verzögerungszeit p durch eine Verzögerungsstrecke x erzeugt wird. Aufgrund dieser Äquivalenz zwischen Verzögerungszeit p und Verzögerungsstrecke x können anschließend zeitabhän- gige Eigenschaften des Lichtimpulses wie Amplitude oder Phase in Abhängigkeit von der sehr genau zu er¬ zeugenden Verzögerungsstrecke x dargestellt werden.
Bei einem Abtast-Autokorrelator, wie er aus der Lite¬ ratur bekannt ist (A. Watanabe und H. Saito, Rev. Sei. Instrum. Bd. 58, s. 1852 (1987)) wird die Lauf¬ strecke des einen Teilimpulses durch ein bewegliches Element verändert und dadurch dieser Teilimpuls ge- genüber dem anderen Teilimpuls um eine definierte
Zeit verzögert. So wird punktweise die Autokorrela¬ tion zwischen diesen beiden Teilimpulsen in Abhängig¬ keit von der Verzögerungsstrecke bestimmt. Da dieses Verfahren zur Bestimmung der Autokorrelation für eine bestimmte Verzögerungsstrecke die Messung mit jeweils einem Lichtimpuls benötigt, eignet sich der Abtast- Autokorrelator nur zur Messung mit Laserimpulsen mit hoher Wiederholrate. Aus derartigen Messungen lassen sich der zeitliche Verlauf der Amplitude und die Im- pulsdauer des Laserimpulses,. nicht jedoch seine Phase oder der Chirp des Laserimpulses bestimmen.
Bei dem Einzelimpulsautokorrelator werden die beiden Teilimpulse durch eine Zylinderlinse zu einem schma- len Streifen fokussiert und anschließend unter einem bestimmten Winkel miteinander überlagert. Hierdurch ergibt sich, daß die Autokorrelationsfunktion entlang des Streifens mit der Verzögerungszeit τ variiert. Man erhält folglich bereits aus einem Impuls eine eindimensionale Darstellung der Überlagerung der bei¬ den Teilimpulse, aus der sich die Form des Laserim¬ pulses näherungsweise rekonstruieren läßt. Damit wird die Analyse von Laserimpulsen mit niedriger Wieder¬ holrate bzw. die Analyse von einzelnen Laserimpulsen möglich. Der Einzelimpulsautokorrelator ermöglich es jedoch nicht, die Phase bzw. den Chirp des Laserim¬ pulses zu bestimmen.
Bei dem wellenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrela- tor wird die aus der Überlagerung der Teilimpulse, beispielsweise in einem Material mit nichtlinear op¬ tischer Polarisation, erzeugte Strahlung anschließend in einem Spektrometer analysiert. Bei diesem Verfah¬ ren wird eine zweidimensionale Darstellung des Korre- lationssignals in Abhängigkeit von der Verzögerungs¬ zeit und der Wellenlänge gewonnen, so daß aus diesen Informationen anschließend nach bekannten Verfahren sowohl die zeitabhängige Impulsform, die Impulsphase, die Impulsdauer als auch das Impulsspektrum gewonnen werden kann. Derartige wellenlängenaufgelöst messende Einzelimpulskorrelatoren verwenden nach dem Stand der Technik einen nichtlinearen optischen Effekt dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals. Daher können mit diesem Verfahren lediglich Laserimpulse mit einer hohen Energie größer als 1 μJ untersucht werden. Da die Intensität von Laserimpulsen in umge¬ kehrtem Verhältnis zu der Wiederholrate der Laserim¬ pulse steht, können mit den üblichen wellenlängenauf¬ gelösten Einzelimpulskorrelatoren keine Laserimpulse aus hochrepetierenden LaserSystemen untersucht wer¬ den.
Auch der Abtast-Autokorrelator kann mit einer disper¬ siven Abbildungsoptik versehen werden, wodurch eine wellenlängenaufgelöste Autokorrelation gemessen wer¬ den kann. Ein derartiger Abtast-Autokorrelator erfor¬ dert jedoch hohe Impulsfolgefrequenzen mit gleich¬ bleibenden Impulseigenschaften, um lange Datenerfas¬ sungszeiten zu vermeiden. Der wellenlängenaufgelöste Abtast-Autokorrelator kann daher nicht alε Impulsmo- nitor zur unmittelbaren Beobachtung der Eigenschaften von Laserimpulsen verwendet werden.
Um sowohl niederfrequente als auch hochfrequente La- serimpulse vollständig zu charakterisieren, benötigt jedes mit der Entwicklung von nieder- bzw. hochrepe- tierlichen Laserstrahlern beschäftigte Labor mehrere der geschilderten Korrelatortypen. Abgesehen von dem technischen und finanziellen Aufwand für mehrere Meß- Systeme, ist insbesondere bei der Untersuchung eines Lasers mit unterschiedlichen Korrelatortypen die War¬ tung und die Justierung beim Austausch der Korrelato- ren sehr personal- und zeitaufwendig. Außerdem sind bei der Auswertung der Meßdaten die Daten mehrerer unterschiedlicher Meßsysteme durch den Bediener mit¬ einander zu kombinieren.
Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die Messung der spektralen und zeitlichen Eigenschaften von kurzen und ultrakurzen Lichtimpulsen im Femtose- kunden- und Picosekundenbereich mit hoher als auch mit niedriger Impulswiederholrate sowie mit hoher als auch geringer Intensität mit möglichst vielen Korre¬ lationsverfahren zu ermöglichen und zu vereinfachen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es dabei, außer¬ dem die zeigleiche Messung der spektralen und zeitli¬ chen Eigenschaften derartiger Lichtimpulse zu ermög¬ lichen. Insbesondere soll ein Wechsel zwischen den verschiedenen Verfahren zur Bestimmung der Korrela- tion rasch und mit geringem Aufwand durchgeführt wer¬ den können.
Diese Aufgabe wird durch die Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der zu analysierende Lichtimpuls wird in die erfin¬ dungsgemäße Vorrichtung eingestrahlt und in der er¬ findungsgemäßen Meßvorrichtung durch eine Anordnung von Strahlteilern und/oder Reflektoren in zwei Impul- se aufgeteilt bzw. es werden zwei Impulse in die Vor¬ richtung als zu korrelierende Impulse eingestrahlt. Die zu korrelierenden Impulse werden in beiden Fällen als Teilimpulse bezeichnet. Die beiden Teilimpulse werden durch ein bewegliches Verzögerungselement ge- geneinander verzögert. Die erfindungsgemäße Meßvor¬ richtung enthält weiterhin ein optisches Element, das ein Korrelationssignal der beiden Teilimpulse erzeugt sowie die für räumlich bzw. zeitliche und spektrale Auflösung notwendigen Detektoren. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit einer aus¬ tauschbaren Platte versehen, die mit optischen Bau¬ elementen bestückt ist, die die beiden Teilimpulse auf das optische Element zur Erzeugung des Korrela¬ tionssignals fokussieren. Das Korrelationssignal, das beispielsweise aus der zweiten oder dritten Harmoni¬ schen des eingestrahlten Laserstrahls oder aus einer Strahlung mit einer Frequenz bestehen kann, die der Summe oder der Differenz der Einzelfrequenzen der beiden Teilimpulse entspricht, wird anschließend in einer Detektionseinheit analysiert.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich zur Bestimmung sowohl der Autokorrelation als auch der Kreuzkorrelation eines in zwei Teilimpulse aufgeteil- ten Laserimpulses. Dabei kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung sowohl zur unmittelbaren Darstellung der Impulseigenschaften als Impulsmonitor oder auch zur quantitativen Auswertung der Impulseigenschaften als Impulsmeßsystem verwendet werden. Anstelle der Autokorrelationsfunktion kann auch eine Kreuzkorrelationsfunktion zwischen einem Impuls mit bekannten Impulseigenschaften der Frequenz ω, und einem Impuls mit unbekannten Impulseigenschaften der Frequenz ω2 gemessen werden. Dazu müssen diese bei¬ den, gegebenenfalls, separat erzeugte Impulse in die erfindungsgemaße Vorrichtung eingestrahlt und von dieser als Teilimpulse aufgenommen werden. Die Korre¬ lation kann dann zum Beispiel auf der Basis der Sum- menfrequenzerzeugung (ωs = ω- + ω2) oder der Diffe¬ renzfrequenzerzeugung (ωD = ω, - ω2) unter Verwendung eines nichtlinearen optischens Effektes 2. Ordnung gemessen werden. Die Korrelation eines gut charakte¬ risierten mit einem unbekannten Impuls ermöglicht eine rasche und vereinfachte Bestimmung der Eigen¬ schaften des unbekannten Impulses.
Die austauschbare Platte trägt die optischen Bauele¬ mente, die die beiden Teilimpulse je nach anzuwenden- dem Korrelationsprinzip auf das optische Element zur Erzeugung des Korrelationssignals fokussieren. Dadurch, daß die Platte austauschbar ist, kann das verwendete Korrelationsverfahren rasch und mit sehr geringem Aufwand gewechselt werden, um denselben La- serimpuls anschließend mit einem anderen Verfahren zu untersuchen. Insbesondere kann durch eine geringe To¬ leranz der Positionierung der austauschbaren Platten in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung eine bestück¬ te Platte beliebig entfernt und wieder eingesetzt werden, ohne daß die korrekte, justierte Position der auf ihr montierten optischen Bauelemente dabei zer¬ stört würde. Es ist dadurch möglich geworden, ohne großen Justieraufwand Laserimpulse mit beliebiger Wiederholrate und auch sehr geringer Energie nach- einander mit allen zur Verfügung stehenden Korrela- tionsverfahren zu charakterisieren, ohne dafür ver¬ schiedene Geräte einsetzen und/oder jeweils neu ju¬ stieren zu müssen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßvor¬ richtung besteht darin, daß statt einer bestückten austauschbaren Platte eine unbestückte Platte einge¬ setzt oder die austauschbare Platte weggelassen wer¬ den kann. Die beiden Teilimpulse werden dann nicht auf den Kristall fokussiert, sondern können aus der Meßvorrichtung herausgeführt und für Anrege-/Abfra- geimpuls-Experimente verwendet werden. Dabei bleibt insbesondere der Nullzeitpunkt für die beiden Teilim¬ pulse, so wie er zuvor durch ein Korrelationsexperi- ment bestimmt wurde, erhalten. Dies erspart langwie¬ rige Justagen, die bei Verwendung herkömmlicher Me߬ systeme Stunden bis Tage dauern können.
Weiterhin ermöglich es die erfindungsgemäße Vorrich- tung, das Autokorrelationssignals eines einzelnen
Teilimpulses zu messen und damit beispielsweise das Spektrum des Laserstrahls zu bestimmen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfin- dungsgemäßen Meßvorrichtung sind in den Unteransprü¬ chen gegeben.
Werden die beiden Teilstrahlen nicht kollinear auf das optische Element zu Erzeugung des Korrelations- signals geleitet, so erfolgt die Abgabe des Korrela¬ tionssignals mittig zu den Richtungen der beiden Teilimpulse in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung. Abgesehen von Streulicht der beiden Teilimpulse in Richtung des Korrelationssignals kann damit eine weitgehend untergrundfreie Messung der Korrelation durchgeführt werden. Es erübrigt sich die Verwendung einer Blende oder eines Wellenlängenfilters vor der Detektionseinheit. Außerdem wird so auf einfache Art die maximal mögliche Dynamik der Meßvorrichtung er- reicht.
Eine weitgehend untergrundfreie Messung kann auch bei kollinearer Strahlführung durchgeführt werden, wenn die Austauschplatte mit einem polarisationsdrehenden Element für einen der Teilimpulse ausgestattet ist und der Detektor zur Erfassung der Summen- bzw. Dif¬ ferenzfrequenzstrahlung mit einem polar'isationsanaly- sierenden Element versehen ist.
Die Justierung der austauschbaren Platte in der er¬ findungsgemäßen Meßvorrichtung erfolgt vorteilhafter¬ weise mit an der Platte angebrachten Justierelemen¬ ten, die mit einer entsprechenden Anzahl Aufnehmer der Meßvorrichtung zusammenwirken. Diese Aufnehmer können selbstjustierend, beispielsweise als konische Vertiefungen, ausgebildet sein. Durch entsprechende Formgebung der an der Platte angebrachten Justierele¬ mente kann dadurch eine besonders hohe Positionier¬ genauigkeit erreicht werden. Die Justierelemente kön- nen weiterhin so ausgebildet sein, daß sie die aus¬ tauschbare Platte tragen und dadurch weitere Stütz¬ elemente entbehrlich sind.
Eine besonders einfache Umsetzung der Verzögerungs- Zeiten in Verzögerungsstrecken ergibt sich bei Ver¬ wendung eines Retroflektors als bewegliches Verzöge¬ rungselement. Wenn dieser Retroflektor über eine Mi¬ krometerschraube von einem Schrittschaltmotor ange¬ trieben wird, so kann bei entsprechend starker Unter- Setzung des Schrittschaltmotors eine sehr hohe rela- tive Auflösung von 4 x IO4 bei Verzögerungszeiten zwischen 1 fs bis zu ± 40 ps erreicht werden. Mit einem derartigen beweglichen Verzögerungselement kön¬ nen Pulse mit einer Länge zwischen 10 fs und 80 ps untersucht werden.
Weiterhin kann als bewegliches Verzögerungselement ein dispersives optisches Bauelement verwendet wer¬ den, das vorteilhafterweise in einem drehbaren selbstjustierenden Halter gelagert wird. Zum einen wird dadurch der Austausch des dispersiven Elements sehr einfach und es wird nach dem Austausch keine Neujustage des Meßsystems notwendig. Zum anderen ist es im Gegensatz zu einem über einen Schrittschaltmo- tor angetriebenen Retroflektor mit dispersiven Bau¬ elementen möglich, kontinuierliche Änderungen der Verzögerungsstrecke zu erreichen. Ein derartiges dis¬ persives Element eignet sich daher insbesondere, um Laserimpulse mit hoher Pulsfolgefrequenz mit dem Ver- fahren des Abtast-Korrelators zu untersuchen. Der selbstjustierende Halter verhindert außerdem, daß der Impuls in unerwünschter Weise versetzt wird, oder daß Unwuchten bzw. dadurch ausgelöst Vibrationen des Me߬ systems auftreten.
Als dispersive Elemente eignen sich insbesondere Glasplatten, mit denen sich abhängig von der Platten¬ dicke Verzögerungszeiten zwischen 300 fs und ± 15 ps herstellen lassen. Durch Verwendung unterschiedlich dicker Glasplatten kann der Bereich der einzu¬ stellenden Verzögerungszeiten rasch und einfach ver¬ ändert werden.
Als Detektoren eignen sich für die verschiedenen Ver- fahren zur Bestimmung der Korrelation sowohl zeitlich auflösende Detektoren wie Sekundärelektronenverviel¬ facher, Photodioden und dergleichen als auch räumlich auflösende Detektoren, wie beispielsweise Anordnungen der ladungsgekoppelten Art. Um auch eine spektrale Auflösung zu erreichen, kann zwischen die erfindungs¬ gemäße Meßvorrichtung und dem eigentlich detektieren- den Element beispielsweise eine abbildende Optik und/oder ein dispersives Element, beispielsweise ein Gitter, eingesetzt werden. Wird der Linienfokus, der bei dem Einzelimpulskorrelator am Ort des nichtlinea¬ ren optischen Elementes auftritt, dispersiv abgebil¬ det, so wird kein zusätzlicher Spektrometerspalt zur Abbildung benötigt. Der Austausch der Detektoren an dem erfindungsgemäßen Meßsystem erfolgt dabei auf einfache Art und Weise, beispielsweise an standardi¬ sierten, leicht zu bedienenden und präzise positio¬ nierenden Kopplungsvorrichtungen.
Die durch die optischen Bauelemente ausgelöste Pha- senverschiebung wird nach dem Stand der Technik meist als unerwünscht betrachtet und daher möglichst ver¬ ringert bzw. kompensiert. Durch eine geeignet gewähl¬ te dielektrische und/oder metallische Beschichtung eines optischen Bauelementes, beispielsweise des Strahlteilers, oder durch ein zusätzliches dispersi¬ ves Element, beispielsweise eine Glasplatte, läßt sich jedoch eine definierte frequenzabhängige Phasen¬ verschiebung des einen gegenüber dem anderen Teilim¬ pulses auch bewußt erzeugen. Eine derartige, wellen- längenabhängige, definierte Phasenverschiebung kann zur Erzeugung einer Asymmetrie zwischen den beiden Teilimpulsen verwendet werden. Aufgrund dieser Asym¬ metrie kann dann zur Erzeugung der Korrelation bei sämtlichen Korrelatortypen ein nichtlinearer opti- scher Effekt zweiter Ordnung zur Untersuchung der zeitlichen Symmetrie von Amplituden- und Phasenver¬ lauf ausgenutzt werden.
Die Verwendung eines nichtlinearen optischen Effektes 2. Ordnung für die Korrelation der Teilimpulse, die aus einem einzigen Laserimpuls beispielsweise durch Strahlteiler, erzeugt wurden, war bisher aufgrund der Symmetrieeigenschaften der korrelierten Teilimpulse auf die Bestimmung der Impulsdauer beschränkt. Die Untersuchung der Asymmetrie von ansteigender und ab¬ fallender Pulsamplitude und die Unterscheidung zwi¬ schen Satellitenimpulsen vor und nach dem Hauptimpuls war nicht möglich. Entsprechendes gilt für die Asym¬ metrie der zeitabhängigen Impulsphase bei der fre- quenzaufgelösten Korrelationsmessung. Um diese ins¬ besondere für wissenschaftliche und technische Ver¬ suche und Anwendungen wichtige Informationen zu er¬ halten, mußte bisher ein nichtlinearer Effekt dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals einge- setzt werden. Damit konnten aber bisher lediglich nachverstärkte, d.h. hochenergetische Laserimpulse mit niedriger Wiederholrate untersucht werden.
Bei Verwendung eines nichtlinearen optischen Effektes 2. Ordnung genügen erheblich (bis zu einem Faktor IO4) geringere Impulsintensitäten bzw. Impuls¬ energien, um das Korrelationsignal, d.h. die zu de- tektierende SummenfrequenzStrahlung bzw. die zweite Harmonische zu erzeugen. In Verbindung mit der Erzeu- gung einer Asymmetrie zwischen den beiden Teilimpul¬ sen durch ein dispersives Element ist es damit erstmals möglich, auch nicht verstärkte energiearme Laserimpulse mit hoher oder niedriger Wiederholrate vollständig zu analysieren. Bei Verwendung eines Kristalls, beispielsweise eines LBO-Kristalls, genügt eine Energie von 0,2 nJ aus Impulsen mit 100 fs Im¬ pulsdauer, um einen Laserimpuls zu analysieren.
Die Erzeugung einer Asymmetrie ist jedoch nicht nö- tig, wenn zwei getrennt eingestrahlte Laserimpulse korreliert werden, von denen der eine bezüglich sei¬ ner Eigenschaften bekannt ist. In diesem Fall wird durch die Überlagerung dieser beiden Strahlen Strah¬ lung mit der Summenfrequenz und/oder der Differenz- frequenz erzeugt, die leicht bezüglich der Eigen¬ schaften des unbekannten Teilimpulses analysiert wer¬ den kann.
Dadurch ergeben sich unter anderem große Vorteile bei der Justierung von Lasern, da nun jede Zwischenstufe der Laserimpulserzeugung und -Verstärkung analysier¬ bar ist. Ebenso ist es möglich, durch die Analyse der Laserimpulseigenschaften vor und nach Durchtritt durch dispersive Elemente die Wirkung dieser disper- siven Elemente oder zu untersuchenden Proben auf Im¬ pulsform und -phase des Laserimpulses zu untersuchen. Deshalb ist der vorgestellte Korrelator sowohl zur Analyse von Laserstrahlung als auch als Meßgerät zur Probenanalyse einsetzbar.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Ent¬ wicklung und Justierung von Lasern durch die Verwen¬ dung eines nichtlinear optischen Effektes zweiter Ordnung zur Erzeugung der Korrelationsfunktion auch im spektral aufgelösten Korrelator erheblich verein¬ facht wird.
Die Erzeugung der Strahlung mit der Summen- bzw. Dif¬ ferenzfrequenz der beiden Teilimpulse als Korrela- tionssignal kann jedoch nicht nur in Vorwärtsrich- - H - tung, beispielsweise in einem Kristall erfolgen, son¬ dern auch an einer reflektierenden Oberfläche, bei¬ spielsweise einem Spiegel, in Rückwärtsrichtung. Ins¬ besondere eignen sich Gallium-Arsenid-Oberflachen zur Erzeugung des Korrelationssignals. Dadurch wird eben¬ falls eine Trennung der Grundwellen und des Korrela¬ tionssignals erreicht. Zusätzlich läßt sich das re¬ flektierende Element zur Umlenkung des optischen Strahlengangs nutzen.
Um die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung der Korrelation zu verwirklichen, werden Austauschplatten zur Verfügung gestellt, die entweder eine eindimen¬ sional fokussierende Optik, wie beispielsweise einen Spiegel und eine Zylinderlinse, zur Herstellung eines Einzelimpulskorrelators oder eines wellenlängenauf¬ gelösten Einzelimpulskorrelators oder eine zweidimen- sional fokussierende Optik, beispielsweise ein sphä¬ risch korrigierter Achromat und einen Spiegel, zur Herstellung eines Abtastkorrelators bzw. eines spek¬ tral aufgelösten Abtastkorrelators besitzen. Der Aus¬ tausch der Platten ist sehr einfach und erfolgt, ohne daß anschließend eine Neujustierung des Laserimpulses bzw. der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nötig wäre.
Um zugleich mit verschiedenen Impulswellenlängen ar¬ beiten zu können und/oder um unerwünschte Phasenver¬ schiebungen durch die Dispersion der optischen Bau¬ elemente, wie zum Beispiel Linsen zu vermeiden, kön- nen die dispersiven Elemente durch reflektive Elemen¬ te, beispielsweise Spiegel, ersetzt werden.
Die optischen Bauelemente können spezifisch für die
Eigenschaften des verwendeten Lichtimpulses dielek- trisch beschichtet werden. Durch Abstimmung der Be- Schichtung auf die Wellenlänge der verwendeten Licht¬ impulse lassen sich unerwünschte Reflexionen und/oder dispersive Effekte, wie Phasendispersion, verringern oder vermeiden.
Die reflektiven optischen Elemente, beispielsweise Spiegel, können statt dielektrisch metallisch beschichtet werden. Im Gegensatz zu dielektrischen Beschichtungen ist die Reflektivität der metallischen Beschichtung und die Phasenänderung des Lichtes bei der Reflexion an metallischen Beschichtungen nur schwach frequenzabhängig. Es ergeben sich daher bei der metallischen Beschichtung nur geringe dispersive Phasenänderungen des Lichtfeldes, die bei ultrakurzen Lichtimpulsen zur Änderung der Lichtimpulseigenschaf¬ ten führen würden. Ein besonderer Vorteil der metallischen Beschichtung besteht folglich darin, daß bei Wechsel der verwendeten Laserimpulswellenlänge kein Wechsel des Spiegels notwendig wird und auch ultrakurze Impulse (mit einer Halbwertsbreite im Be¬ reich von ca. 10 fs) mit einer großen spektralen Bandbreite ( bis größer 200 nm) gemessen werden kön¬ nen.
Besonders vorteilhaft können die reflektiven opti¬ schen Elemente mit Gold beschichtet werden, weil der größte Teil der Kurzpulslaser im Wellenlängenbereich größer 500 nm betrieben wird und Gold für diese Wel¬ lenlängen eine sehr hohe Reflektivität besitzt und chemisch stabil ist. Im Gegensatz zu der üblichen Be¬ schichtung mit Aluminium besitzt eine Goldbeschich- tung eine erheblich höhere Reflektivität im nahen Infrarotbereich und im Infrarotbereich. Die Goldbeschichtung kann mit einem plasmaunter¬ stützten Verfahren aufgetragen werden. Eine derartige Goldbeschichtung besitzt eine verbesserte Haftung und kann im Gegensatz zu konventionell, beispielsweise durch Verdampfen aufgebrachten Goldbeschichtungen mit einem gewöhnlichen Linsentuch ohne Zerstörungsgefahr gereinigt werden. Auch die Zerstörgrenze der plas¬ maunterstützt aufgetragenen Goldbeschichtung durch intensive Laserstrahlung ist höher als die Zerstör- grenze konventionell aufgetragener Goldbeschichtun¬ gen.
Auch der Strahlteiler kann zur Vermeidung unerwünsch¬ ter Phasenänderungen des durchgehenden Teilimpulses statt dielektrisch beschichtet zu werden metallisch beschichtet werden. Dadurch ergibt sich eine geringe¬ re dispersive Phasenmodulation des durchgehenden, nichtreflektierten Teilimpulses und eine große spek¬ trale Bandbreite, innerhalb der der Strahlteiler ein- gesetzt werden kann.
Um die unerwünschten dispersiven Wirkungen von optischen Elementen des Korrelators auf die Lichtim¬ pulse zu kompensieren, kann die erfindungsgemäße Meß- Vorrichtung weiterhin mit zusätzlichen Impulskompres¬ soren, beispielsweise Prismenkompressoren, versehen werden, deren Dispersion einstellbar ist. Eine derar¬ tige Kompensation der Dispersion ist besonders für ultrakurze Lichtimpulse mit einer Impulsdauer kleiner 20 fs vorteilhaft.
Die Aufzeichnung der Daten sowie die Steuerung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und der Detektoren kann über Mikrocontroller erfolgen. Weiterhin können die Daten gleichzeitig aufgezeichnet und verrechnet sowie dargestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß parallel zu der Messung der Korre¬ lation die Laserleistung bestimmt und aufgezeichnet wird.
Eine für den Anwender besonders vorteilhafte, da un¬ mittelbar verständliche Darstellung ergibt sich, wenn spektral und bzgl. der Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilimpulsen aufgelöste Daten zweidimensional dargestellt werden, wobei die Koordinatenachsen die Frequenz des Korrelationssignals bzw. die Verzöge¬ rungszeit zwischen den beiden Teilimpulsen darstel¬ len. Der Anwender hat so die vollständige Darstellung beider Fourierkomponenten (Frequenz und Zeit) als zweidimensionales Muster dargestellt und braucht nicht mehr separat aufgenommene Meßkurven von zeitli¬ chem und spektralem Verlauf zusammenzufügen.
Im folgenden werden einige beispielhafte Ausführungs- formen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung darge¬ stellt. Es zeigen:
Fig. 1 einen Abtast-Korrelator;
Fig. 2 den Strahlengang in der verzögernden
Glasplatte;
Fig. 3 einen spektral auflösenden Abtast- Korrelator;
Fig. 4 die Verwendung der erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung zur Erzeugung von Anre- ge-/Abfrageimpulsen;
Fig. 5 einen Einzelimpulskorrelator; Fig. 6 einen spektral auflösenden Abtast- Korrelator, und
Fig. 7 einen weiteren spektralauflösenden Abtastkorrelator.
Fig. 1 beschreibt eine erfindungsgemäße Meßvorrich¬ tung 12, die als Abtastkorrelator betrieben wird. Der einzelne zu analysierende Lichtimpuls tritt durch eine Blende 10 unterhalb des Spiegels 1 in den Ab¬ tast-Korrelator ein. Der Lichtimpuls wird durch einen Strahlteiler 4 in zwei Teilimpulse aufgespalten, die von Spiegeln 2 bzw. 3 auf zwei den Strahl in der Höhe versetzende Retroflektoren 7 bzw. 8 gelenkt werden. Zwischen dem Spiegel und dem Retroflektor treten die beiden Teilimpulse durch eine Glasplatte 5, die durch einen drehzahlgeregelten Motor 6 mit einer Schrittkonstanz von 10"3 und Rotationsfrequenzen zwi¬ schen 0,1 Hz und 25 Hz gedreht wird. Die Glasplatte 5 erzeugt zwischen den beiden Teilimpulse einen
Gangunterschied ΔL, der sich nach der folgenden For¬ mel ergibt (Fig. 2) :
ΔL=— ^—r [n-cos(θi-θi) ] -— -TL-J [n-cos(θ2-θ£)] cosθi cosθj
Dabei d die Dicke und n der Brechungsindex der Glas¬ platte 5, 0, und θ2 die Einfallswinkel der beiden Teilimpulse auf die Glasplatte 5 und Θ- ' und θ2' die Winkel zwischen den in die Glasplatte gebrochenen Strahlen und der Oberflächennormalen der Glasplatte. Die reflektierten Teilimpulse treten anschließend wieder durch die Glasplatte 5 hindurch und werden von den Spiegeln 2 bzw. 3 wieder durch den Strahlteiler 4 gesandt. Der eine der Teilimpulse wird durch den Spiegel 1 so umgelenkt, daß er versetzt aber parallel zu dem anderen Teilimpuls in Richtung einer aus¬ tauschbaren Platte 13 läuft. Der eine Teilimpuls tritt durch eine Blende 11 und anschließend parallel zu dem anderen Teilimpuls durch eine auf der aus- tauschbaren Platte 13 montierte sphärische Linse 14. Beide Impulse werden durch einen Spiegel 15, der ebenfalls auf der austauschbaren Platte 13 montiert ist, etwa rechtwinklig umgelenkt und treffen sich in ihrem Fokus, der aufgrund der Linse 14 sich in einem Kristall 9 befindet. Als Kristall 9 wird ein LBO-Kri- stall verwendet. Die in dem LBO-Kristall 9 entstehen¬ de elektromagnetische Welle mit der Summenfrequenz der Einzelfrequenzen der beiden Teilimpulse wird von dem LBO-Kristall mittig zu der Richtung der beiden Teilimpulse ausgesandt und trifft auf einen Spiegel
16. Der Spiegel 16 lenkt die Strahlung mit der Sum¬ menfrequenz durch eine Blende 20 auf einen Detektor
17. Der Detektor 17 ist beispielsweise ein Sekundär¬ elektronenvervielfacher.
Die austauschbare Platte 13 kann auf einfachste Art und Weise aus der Meßvorrichtung 12 entfernt bzw. in sie eingesetzt werden. Sie wird durch Präzissions- stifte auf 10 μm genau in ihrer Position gehalten, so daß der Rücktausch einer Platte ohne neue Justierung erfolgen kann.
Da die Strahlung mit Summenfrequenz zur Bestimmung der Korrelation genutzt wird, genügen für dieses Meß- verfahren niedrige Impulsenergien. Es hat sich gezeigt, daß mit auf einen Fleck fokussierten Teil¬ strahlen bei Impulsenergien größer 2 pJ Messungen mit Laserimpulsen mit einer Impulsdauer im Femtosekunden- bereich möglich sind.
Bei dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind auf der austauschbaren Platte 13 eine sphärische Linse 14 und ein Spiegel 15 montiert. Der Retroflektor 8 ist verschiebbar. Mit ihm können Verzögerungszeiten zwi- sehen 1 fs und größer +/- 40 ps erzeugt werden. Mit der Glasscheibe können Verzögerungszeiten zwischen ± 300 fs und ± 15 ps erzeugt werden. Der Detektor 17 zeichnet die Intensität des Impulses mit der Summen¬ frequenz in Abhängigkeit von der Verzögerungszeit bzw. der Verzögerungsstrecke auf.
Mit dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung können bei Einsatz der Glasplatte 5 Lichtimpulse mit hoher Impulsfolgefrequenz sowie bei einer Drehfrequenz von bis zu 0,1 Hz auch Lichtimpulse mit niedriger Impuls¬ folgefrequenz charakterisiert werden. Nach Entnahme der Glasplatte 5 können mit Hilfe der durch den Re- troflektor 8 erzeugten Verzögerungsstrecken ebenfalls Lichtimpulse mit niedriger und hoher Impulsfolgefre- quenz vermessen werden. Aus dem von dem Detektor 17 aufgezeichneten Korrelationssignal läßt sich die Im¬ pulsdauer des zu analysierenden Lichtimpulses bestim¬ men.
In Fig. 3 ist ein Abtast-Korrelator wie in Fig. 1 dargestellt. Die von dem Kristall 9 erzeugte Strah¬ lung mit der Summenfrequenz der Einzelfrequenzen der Teilimpulse wird in diesem Falle jedoch durch eine Linse 18 und ein dispersives Element 19 auf den De- tektor 17 abgebildet. Die so erhaltenen Wellenlängen- aufgelösten Signale werden von einer eindimensionalen Detektionseinheit 17 aufgenommen. Das dispersive Ele¬ ment 19 kann beispielsweise ein Gitter und ein sphä¬ risch gekrümmter Spiegel sein. Die Zeilendetektions- einheit 17 ist beispielsweise von der la¬ dungsgekoppelten Art.
Durch diese Anordnung wird ein wellenlängenaufgelös¬ ter Abtast-Korrelator realisiert, der neben der Mes- sung der Impulsform auch die Bestimmung des Chirps ermöglicht. Aufgrund seiner mit der Fig. 1 ansonsten identischen Anordnung ist es auch in diesem Falle möglich, Lichtimpulse sowohl mit hoher als auch nied¬ riger Impulsfolgefrequenz zu analysieren. Da auch hier die Erzeugung der Strahlung mit Summenfrequenz zur Bestimmung der Korrelation genutzt wird, genügen für dieses Meßverfahren ebenfalls wie bei dem Abtast- Korrelator aus Fig. l niedrige Lichtimpulsenergien.
In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der gegen¬ über dem Abtast-Korrelator aus Fig. 1 die aus¬ tauschbare Platte 13 entfernt oder gegen eine unbe- stückte Platte ersetzt wurde. Dadurch können nun die beiden Lichtteilimpulse beispielsweise außerhalb der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für Pump-Sonden-Ex¬ perimente genutzt werden. Die erzielbaren Verzögerun¬ gen des einen Teilimpulses gegen den anderen Teilim¬ puls liegen auch hier im Bereich von ± 40 ps für die Erzeugung der Verzögerung durch Verschiebung des Re- troflektors 8 und im Bereich ± 300 fs bis ± 15 ps für die Erzeugung der Verzögerung durch die Glasplatte 5.
Fig. 5 zeigt einen Einzelimpulskorrelator. Im Unter¬ schied zu dem in Fig. 1 gezeigten Abtast-Korrelator wurde die Glasplatte 5 entfernt und die Austauschplatte 13 ist nun mit einem Spiegel 15 und einer Zylinderlinse 14 bestückt. Die Zylinderlinse 14 fokussiert die beiden Teilimpulse unter einem vorge¬ gebenen Winkel in dem Kristall 9 in Linienform auf- einander. Alternativ kann die Austauschplatte 13 auch mit 2 Umlenkspiegeln und einer Zylinderlinse bestückt werden, um den Winkel zwischen den Teilstrahlen zu variieren. Strahlung mit der Summenfrequenz der ein¬ zelnen Teilimpulse wird nur dort im Kristall 9 erzeugt, wo in dem Kristall 9 die Teilimpulse sowohl zeitlich als auch räumlich überlappen. Da die beiden Teilimpulse sich schräg überlagern, ergibt sich eine Überlagerungslinie (Fokallinie) , längs derer in dem Kristall 9 sich die Intensität des Korrelations- signals entsprechend der Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilimpulse ändert. Man erhält folglich eine Darstellung der Intensität der Summenfrequenz- Strahlung in Abhängigkeit von der relativen Verzöge¬ rungszeit entlang der Fokallinie. Das Bild dieser Überlagerungslinie wird durch einen Spiegel 16 und eine Linse 18 auf eine eindimensionale Detektoranord¬ nung, beispielsweise der ladungsgekoppelten Art, ab¬ gebildet. Aus dieser Darstellung des Korrelationssig¬ nals kann ebenfalls die Impulsdauer und näherungswei- se die Impulsform des zu untersuchenden Lichtimpulses ermittelt werden.
Durch die Veränderung des Kreuzungswinkels der beiden Teilimpulse in dem Kristall 9 kann die Verzögerungs- zeit bei der Einzelimpulskorrelation entsprechend Fig. 5 weiter variiert werden.
Um die Zeitachse der Einzelimpulskorrelation zu kali¬ brieren und ihren Nullpunkt zu bestimmen, kann mit dem verschiebbaren Retroflektor 8 eine zusätzliche definierte Verzögerung zwischen den Teilimpulse her¬ gestellt werden, die sich in einer Verschiebung des mit dem Detektor erhaltenen Bildes der Überlappungs¬ linie, d.h. des Korrelationssignals, entlang der Pi¬ xel des eindimensionalen CCD-Detektors äußert.
In Fig. 6 ist ein Einzelimpulskorrelator dargestellt, der zeit- und wellenlängenaufgelöst mißt. Bei dieser Anordnung, bei der ebenfalls wie in Fig. 5 die Glas- platte entnommen wurde, ist der Spiegel 16, die Linse 18 und die Detektionseinheit 17 der Fig. 5 durch eine achromatische Linse 18, ein dispersives Element 19 und eine zweidimensionale Detektionsanordnung 17, beispielsweise der ladungsgekoppelten Art, ersetzt. Im Gegensatz zu den vorhergehend beschriebenen Korre- latoren, die nicht spektral auflösen, wird bei diesem spektral auflösenden Einzelimpulskorrelator eine fre¬ quenzabhängige Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilimpulsen durch ein zusätzliches Element 21, bei- spielsweise eine Glasplatte, erzeugt. Bei dem wellen¬ längenaufgelösten Einzelimpulskorrelator der Fig. 6 wird nun das eindimensionale Abbild der Überlagerung der beiden Teilimpulse, senkrecht zu dieser Achse durch das dispersive Element 19 gebeugt.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, daß der Linienfokus in dem Kristall einem beleuchteten Spalt in einem Spektrometer entspricht. Deshalb kann auf einen zusätzlichen Eingangsspalt des spektral auflö- senden Elementes verzichtet und der Linienfokus di¬ rekt dispersiv auf den Detektor 17 abgebildet werden. Damit erhält man mit dem zweidimensionalen Detektor 17 eine zeitabhängige und wellenlängenabhängige Dar¬ stellung der Intensität dieser Summenfrequenzstrah- lung entlang zweier orthogonaler Koordinatenachsen. Auf diese Weise kann gleichzeitig die zeitliche und wellenlängenabhängige Korrelationsfunktion für einen einzelnen Lichtimpuls gemessen werden.
Aus der Darstellung der Intensität der Summenfre- quenzstrahlung über diesen beiden Koordinaten, der Verzögerungszeit und der Wellenlänge, können durch bekannte numerische Verfahren alle Charakteristika des Lichtimpulses ermittelt werden. So können mit diesem wellenlängenauflösenden Einzelimpulskorrelator die Impulsform, -phase, -amplitude und -dauer sowie der Chirp des Lichtimpulses bestimmt werden. Damit ist der Lichtimpuls vollständig charakterisiert.
In Fig. 7 ist ein weiterer Einzelimpulskorrelator dargestellt, der Zeit- und Wellenlängen aufgelöst mißt. Die Anordnung dieses Einzelimpulskorrelators entspricht weitgehend der in Fig. 6 gezeigten und dort beschriebenen Anordnung. Im Gegensatz zu dem bei Fig. 6 beschriebenen Korrelator werden in diesem Fal¬ le jedoch zwei Laserimpulse mit zwei verschiedenen Wellenlängen (im Sonderfall auch mit gleichen Wellen¬ längen) ω, und ω2 in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingestrahlt. Beide Strahlen treten durch die Blende 10. Der Strahl mit der Frequenz ωt wird durch den Spiegel 2 und den Retroflektor 7 auf den Spiegel 1 gelenkt und von dort in Richtung der austauschbaren Platte 15 gestrahlt. Der Strahl mit der Frequenz ω2 wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 4, den Spie- gel 3 und den Retroflektor 8 zurück über den Spiegel 3 und den halbdurchlässigen Spiegel 4 ebenfalls in Richtung der austauschbaren Platte 15 gestrahlt. Es ist zu sehen, daß in diesem Falle die Spiegel 1 und 4 entsprechend der durch die zwei Laserimpulse beding- ten Geometrie anders angeordnet sind als in den bis- herigen Beispielen. Der Strahl ω2 tritt durch eine Blende 11 und wird gemeinsam mit dem Strahl ω, durch ein dispersives Element 14 auf einen Kristall 9 fo¬ kussiert. Die Fokussierung erfolgt in der gleichen Weise wie bei Fig. 6 beschrieben und die Auswertung des durch die Überlagerung der beiden Impulse entste¬ henden«Kreuzkorrelationssignals mit Hilfe einer achromatischen Linse 18, eines dispersiven Elementes 19 und eines Detektors 17 erfolgt in gleicher Weise wie dort beschrieben. Folglich wird hier ebenfalls ein spektralauflösender Einzelimpulskorrelator reali¬ siert.
Im Gegensatz zu den bisherigen Beispielen befindet sich in keinem der Strahlengänge der beiden Impulse ω, und ω2 ein zusätzliches dispersives Element. Dieses ist bei der Überlagerung zweier getrennt eingestrahl¬ ter Laserimpulse ωt und ω2 nicht nötig, da diese bei¬ den Impulse nicht zueinander symmetrisch sind, wie es in den vorigen Beispielen die durch Teilung des einen einzigen eingestrahlten Laserpulses erhaltenen Tei¬ limpulse waren. Eine Symmetriebrechung zur Erzeugung einer Asymmetrie ist folglich nicht nötig. Da die beiden Laserimpulse ω, und ω2 unterschiedliche Wellen- längen haben, wird in den Kristall 9 ein Kreuzkorre¬ lationssignal erzeugt, das entweder als Strahlung mit der Summe der Einzelfrequenzen (ωs = ω, + ω2) oder mit einer Frequenz gleich der Differenz der Einzelfre¬ quenzen (ωD = ω, - ω2) beobachtet wird.
Die Auswertung dieses Kreuzkorrelationssignals ist besonders einfach, wenn einer der beiden Impulse, beispielsweise der Laserimpuls ωl f bezüglich seiner optischen Eigenschaften gut charakterisiert ist. In diesem Falle können die optischen Eigenschaften des zweiten mit ihm überlagerten Laserimpulses einfach und rasch ermittelt werden. Dadurch ist es beispiels¬ weise möglich, einen verstärkten Laserimpuls mit ei¬ nem nichtverstärkten Impuls aus einem Laseroszilla¬ tor, der gewöhnlich sehr gut charakterisiert werden kann, βu überlagern und hierdurch eine rasche und präzise Charakterisierung des verstärkten Laserimpul¬ ses zu erhalten.
Die hier beschriebene Vorrichtung und das hier be¬ schriebene Verfahren zur Überlagerung zweier getrennt eingestrahlter Laserimpulse kann nicht nur bei dem hier beschriebenen spektralauflösenden Einzelimpuls- korrelator sondern auch in gleicher Weise bei allen anderen bisher beschriebenen Korrelatoren verwendet werden. Dazu genügt es statt der Aufteilung des zu charakterisierenden einzelnen eingestrahlten Laser¬ impulses zwei getrennte Laserimpulse einzustrahlen und den Strahlengang so wie in Fig. 7 beschrieben zu modifizieren. Der bisher verwendete Begriff Teilim¬ puls bezieht sich daher durchgängig nicht nur auf zwei Teilimpulse, die über Strahlteiler aus einem Laserimpuls gewonnen wurden, sondern auch auf zwei getrennt eingestrahlte Laserimpulse, wie beispiels¬ weise in Fig. 7 mit ω, und ω2 bezeichnet.
Die in den Ausführungsbeispielen gegebenen, erfin¬ dungsgemäßen Meßsysteme ermöglichen es aufgrund ihrer nichtkollinearen Strahlführung weitgehend untergrund¬ frei die Korrelation zu messen. Auf diese Weise kann die Korrelation mit sehr großer Dynamik (16 Bit oder mehr in Abhängigkeit vom verwendeten Detektor) gemes¬ sen werden. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ein System zur Ver¬ fügung gestellt wird, das auf einfache, rasche und unaufwendige Art und Weise für die einzelnen Verfah- ren der Korrelation sowie für Anrege-/Abfragepuls-Ex- perimente eingerichtet bzw. umgerüstet werden kann. Die besondere Anordnung der erfindungsgemäßen Meßvor¬ richtung unter Verwendung einer austauschbaren Platte und zusätzlich die Anwendung eines nichtlinearen op- tischen Effekts zweiter Ordnung statt des für Messun¬ gen von zeitabhänginger Amplitude und Phase üblichen optischen Effekts dritter Ordnung ermöglichen es, weitgehend untergrundfrei sowohl Einzelimpulse oder Impulse mit niedriger Impulsfolgefrequenz mit hoher oder niedriger Intensität als auch Laserimpulse mit hoher Impulsfolgefrequenz mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zu analysieren und ihre zeitliche As- symetrie zu charakterisieren.

Claims

Patentansprüche
1. Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtim¬ pulse bestehend aus einer Anordnung aus Strahl- teilern und/oder Reflektoren, die den zu analy¬ sierenden Strahl aufnimmt und in zwei Teilimpul¬ se aufteilt bzw. zwei zu korrelierende Impulse als Teilimpulse aufnimmt, mindestens einem be¬ weglichen Verzögerungselement (5, 8) für minde- stens einen der beiden Teilimpulse, einem opti¬ schen Element (9) zur Erzeugung eines Korrelationssignals der beiden Teilimpulse und einer austauschbaren Detektionseinheit (17) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Meßvorrichtung eine austauschbare Platte
(13) mit optischen Bauelementen (14, 15) ent¬ hält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Strahlengänge der beiden Teil¬ impulse eine nichtkollineare Teilstrahlanordnung in dem Element (9) zur Erzeugung des Korrelationssignals erzeugend ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Vorrichtung mindestens ein die Polarisation mindestens eines Teilstrahles dre¬ hendes Element enthält und die Strahlengänge der beiden Teilimpulse in dem Element (9) zur Erzeu- gung des Korrelationssignals kollinear ausgebildet sind.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die austauschbare Platte (13) mindestens zwei auf der Platte angeordnete Justierelemente be¬ sitzt und in der Meßvorrichtung eine entspre¬ chende Anzahl Aufnehmer angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Aufnehmer selbstjustierend ausgebildet sind.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Justierelemente kegelförmig oder kegelstumpfför¬ mig und die Aufnehmer als konisch zulaufende Vertiefungen ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, daß die austauschbare Platte (13) auf den Justierelemen¬ ten aufliegt.
8. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Verzögerungselement ein Retro¬ flektor (8) ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das bewegliche Verzögerungselement ein über eine Mikrometerschraube von einem Schrittschaltmotor angetriebener Retroflektor (8) ist.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das beweg¬ liche Verzögerungselement ein drehbares disper¬ sives Element (5) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das dispersive Element (5) in ei¬ nem drehbar gelagerten, selbstjustierenden Hal¬ ter befestigt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der selbstjustierende Halter für das dispersive Element (5) durch einen Motor, vorzugsweise einen drehzahlgeregelten Motor, be- wegbar ist.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das dis¬ persive Element (5) eine Glasplatte ist.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinheit optische Bauelemente mit nachgeordneten zeitauflösenden, räumlich auflö- senden und/oder spektral auflösenden Detektoren
(17) aufweist.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengängen der beiden Teilimpulse bezüg¬ lich der Dispersion der Teilimpulse sich unter¬ scheidende optische Bauelemente angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen Strahlengang ein zusätzliches disper¬ sives Element (21) angeordnet ist.
17. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Er- zeugung des Dispersionsunterschiedes ein opti¬ sches Bauelement eines Teilimpuls-Strahlenganges eine einen Dispersionsunterschied erzeugend de¬ finierte dielektrische und/oder metallische Be- Schichtung besitzt.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (9) zur Erzeugung eines Korrela- tionssignals eine Strahlung mit der Summenfre¬ quenz und/oder der Differenzfrequenz der beiden Teilimpulse in Vorwärtsrichtung oder in Rück¬ wärtsrichtung erzeugend ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Element (9) zur Erzeugung ei¬ nes Korrelationssignals aus einem Kristall be¬ steht.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Kristall ein Lithium- Betaborat-Kristall (LBO) ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekenn- zeichnet, daß das Element (9) zur Erzeugung ei¬ nes Korrelationssignals eine reflektierende Oberfläche besitzt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Oberfläche eine Gallium-Arse¬ nid-Oberflache ist.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Austauschplatte (13) eine eindimensional oder eine zweidimensional fokussierende Optik (14, 15) angeordnet ist.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung dispersive optische Elemente und/oder reflektive optische Elemente angeordnet sind.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauelemente spezifisch für die Eigenschaften der verwendeten Lichtimpulse, wie z.B. ihre Wellenlänge, beschichtet sind.
26. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektiven optischen Elemente zumindest teilweise metallisch beschichtet sind.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die reflektiven optischen Elemente mit Edelmetallen, vorzugsweise Gold, beschichtet sind.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Goldbeschichtung mit einem plasmaunterstützten Verfahren aufgetragen ist.
29. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem zusätzlichen Impuls¬ kompressor versehen ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Impulskompressor ein Prismen¬ kompressor ist.
31. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Meßgerätes, der Detektoren und der Datenaufzeichnung ein Mikrocontroller vor¬ handen ist.
32. Verfahren zur Analyse von kurzen und ultrakurzen Laserimpulsen mit einer Vorrichtung nach minde¬ stens einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß zwei Laserimpulse als Teilimpulse in die Anordnung aus Strahlenteilern und/oder Reflektoren eingestrahlt werden oder daß ein Laserimpuls so in die Anordnung aus Strahlteilern und/oder Reflektoren eingestrahlt wird, daß er in zwei Teilimpulse aufgeteilt wird, und daß anschließend die beiden Teilimpul¬ se auf das optische Element zur Erzeugung eines Korrelationssignals geführt werden und daß das von der Vorrichtung erzeugte Korrela¬ tionssignal bezüglich der Lichtfrequenz und/oder bezüglich der Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Teilimpulsen analysiert wird.
33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeich¬ net, daß das von der Vorrichtung erzeugte Korre- lationssignal auf einem Monitor zweidimensional dargestellt wird, wobei die beiden Koordinaten¬ achsen die Frequenz des Korrelationssignals bzw. die Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilim¬ pulse darstellen.
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