WO2012136197A1 - Verfahren und vorrichtung zur schnellen phasenauswertung, insbesondere von mehrzyklenpulsen einer laserstrahlung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur schnellen phasenauswertung, insbesondere von mehrzyklenpulsen einer laserstrahlung Download PDF

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WO2012136197A1
WO2012136197A1 PCT/DE2012/000387 DE2012000387W WO2012136197A1 WO 2012136197 A1 WO2012136197 A1 WO 2012136197A1 DE 2012000387 W DE2012000387 W DE 2012000387W WO 2012136197 A1 WO2012136197 A1 WO 2012136197A1
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pulses
laser
phase
polarization
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PCT/DE2012/000387
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Gerhard Georg PAULUS
Arthur Maxwell SAYLER
Tim Rathje
Max MÖLLER
Dominik HOFF
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Friedrich-Schiller-Universität Jena
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Publication date
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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

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for fast phase evaluation, in particular of multi-cycle pulses of a laser radiation.
  • the absolute phase is defined as the shift between the maximum of the pulse envelopes and the nearest maximum of the carrier wave of the electric field of a laser pulse. Frequently, the absolute phase is also referred to as carrier-envelope phase (CEP).
  • CEP carrier-envelope phase
  • it is a size that is needed to describe the exact course of the electric field of laser pulses of any kind.
  • the CEP plays a central role, since the electric field of these pulses has particularly large CEP-dependent asymmetries.
  • CEP dependencies are also observed in experiments with multi-cycle pulses.
  • this method can only be realized with very high pulse energies (greater than 50 mJ) and requires a comparatively high amount of equipment.
  • the method requires a lot of data transfer and calculation of the CEP, so that the pulse repetition rate is limited.
  • the need for very high pulse energies allows this method as the basis for control of CEP or correlation of CEP measurement with other physical quantity measurements in real time (CEP tagging) only for laser systems having low pulse repetition rates and pulse energies of several tens of mJ provide.
  • a device for rapid phase evaluation of single-cycle pulses has also been proposed (DE 10 2010 019 814.5), which was able to significantly improve the CEP determination based on the principle of the stereo time-of-flight spectrometer.
  • This device allows single shot determination of the CEP of single cycle pulses in real time at repetition rates in the kHz range.
  • the amount of equipment required for the CEP measurement is significantly reduced, and a high accuracy of the CEP measurement in the range below 200 mrad is achieved, while comparatively moderate Pulse energies in the range of some 10 ⁇ are needed.
  • this device can serve as the basis for a control of the CEP or a correlation of the CEP measurement (CEP-tagging) with the measurement of other physical quantities in real time (AM Sayler, Tim Rathje, Walter Muller, Klaus Rühle, R. Kienberger, GG Paulus: Precise, real-time, every-single-shot, carrier-envelope phase measurement of ultrasonic laser pulses, OPTICS LETTERS Vol. 36, No. 1, 201 1), although it is disadvantageous for the CEP determination that the given radius parameter r decreases during the transition from single-cycle pulses to multi-cycle pulses, while the scattering Ar remains largely constant (AM Sayler, Tim Rathje, W. Muller, Ch.
  • the invention is based on the object to enable a fast CE phase evaluation of the laser pulses, in particular in real time, even for multi-cycle pulses.
  • This object is achieved by a method for rapid phase evaluation, in particular of multi-cycle pulses of laser radiation, by generating laser pulses having at least one region of approximately linear polarization and at least one region of nonlinear polarization, the phase being measured by the at least one region of approximately linear polarization ,
  • a device for rapid phase evaluation in particular of multi-cycle pulses of a laser radiation, consists of a polarization gating stage for changing the laser pulses to be evaluated in the phase and a phase evaluation stage connected to the polarization gating stage for measuring the phase position of the changed laser pulses.
  • the polarization gating stage and the Phasenauswakenement can be realized by different optical or electronic or computational arrangements.
  • embodiments of such a device are given.
  • the CE phase can also be determined by multi-cycle pulses in real time and in single-shot mode with high precision.
  • Fig. 1 Schematically represented laser pulse
  • Fig. 2 Schematically represented laser pulse with overlapping time-shifted copy of the same
  • Fig. 4 Scheme of a possible arrangement for fast
  • the laser pulses are changed with respect to their polarization direction time-dependent by a polarization gating stage before the interaction with a gas.
  • Fig. 1 the intensity profile of a known laser pulse 1 is shown in a schematic representation.
  • Fig. 2 behind the first laser pulse 1 to this time-offset second laser pulse 2 is shown in phantom as a copy of the first laser pulse 1, wherein the two Laser pulses 1, 2 partially overlap. The result is an overlaid laser pulse 3.
  • This superimposed laser pulse 3 is linearly polarized in its central pulse region 4, elliptically polarized in its two outer pulse regions 5, 6.
  • FIG. 3 shows a profile 16 of the elliptical polarization in the two outer pulse regions 5, 6.
  • the polarization is linear in region 4 only for approximately two optical cycles.
  • FIG. 4 shows a possible embodiment of the invention as an arrangement for fast phase evaluation of ultrashort laser pulses.
  • a laser pulse train 7 makes a time-dependent change in its polarization first to a polarization gating stage 8, consisting of an aperture 9, a solid wave plate 10 made of quartz glass, one or more Brewster windows 1 1 and a final quarter wave plate 12 zeroth order.
  • the laser pulse train 7 first passes through the circular aperture 9 of variable diameter for the manual regulation of the pulse energy.
  • the intensity profile of a single laser pulse is shown in FIG. 1 (see laser pulse 1).
  • the solid wave plate 10 of quartz glass Arranged in the beam path of the laser pulse train 7 behind the aperture 9 is the solid wave plate 10 of quartz glass oriented at an angle of 45 ° to the linear input polarization, each generating mutually perpendicular pulses (see laser pulses 1, 2 in FIG Pulse centers, however, are delayed against each other.
  • the delay generated depends on the thickness 1 of the full-wave plate 10, which is chosen such that the delay generated corresponds to an integer multiple of the period at the central wavelength T 0 , the ultrashort laser pulse 1.
  • n denotes the order of the full wave plate 10.
  • Other angles change the ratio between the amplitudes of the pulses and their polarization direction with respect to the axes of the laboratory coordinate system x and y.
  • ⁇ can be used to optimize the polarization direction on the axis of the device proposed in DE 10 2010 019 814.5.
  • the mutually delayed Pulskopien pass through the or the ultra-thin Brewster window 1 1, depending on their orientation to the vertical axis of the laboratory coordinate system, indicated by the angle ⁇ reflect a part of the horizontal field components and thus change the ratio between the horizontal and vertical field components.
  • This causes a change in the ellipticity in the pulse areas 5, 6 of the superimposed laser pulse 3 outside the overlapping area of the laser pulses 1, 2.
  • the superimposed laser pulses 3 of the laser pulse train 7 are now reflected by a plane mirror 13 and directed by means of a focusing mirror 14 to a phase evaluation stage 15 for measuring the phase position of the changed laser pulses of the laser pulse train 7.
  • the interaction of the superimposed laser pulse 3, which thus has a time-dependent polarization direction, with a gas during The ionization differs from the interaction of laser pulses with time-independent polarization direction. Electrons of high kinetic energy are efficiently generated only with a sufficiently constant direction of polarization. At the same time, the rate of production of these high-energy electrons has the highest CEP dependency. As a result, these particularly CEP-sensitive electrons are generated exclusively during the period of almost constant polarization direction, ie in the center of the overlap region of the two Pulskopien.
  • the usable range of application is thus extended to laser pulses up to a duration of approximately 12 fs (at 800 nm central wavelength).
  • the polarization gating stage 8 shown in Figure 3 its function could be realized, for example, by an interferometric design (not shown in the drawing) (eg BP Tzallas, E. Skantzakis, C. Kalpouzous, EP Benis, GD Tsakiris, D. Charalambidis: Generation of intense continuum extreme-ultraviolet radiation by many-cycle laser fields, Nature Physics, Vol 3, 2007) or by a construction (also not shown in the drawing) which linearly polarizes the beat perpendicular to each other Laser pulses with slightly different center frequency used (eg BPB Corkum, NH Burnett, MY Ivanov: Subfemtosecond pulses, Optics Letters, Vol. 19, No 22, 1994).
  • an interferometric design eg BP Tzallas, E. Skantzakis, C. Kalpouzous, EP Benis, GD Tsakiris, D. Charalambidis: Generation of intense continuum extreme-ultraviolet

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Abstract

Aufgabe war es, eine schnelle CE-Phasenauswertung der Laserpulse, insbesondere in Echtzeit, auch für Mehrzyklenpulse zu ermöglichen. Vorschlagsgemäß sind eine Polarisations-Gating-Stufe (8) zur Veränderung der in der Phase auszuwertenden Laserpulse (7) sowie eine nachfolgende Phasenauswertestufe (15) zur Messung der Phasenlage der veränderten Laserpulse vorgesehen. Die Erfindung findet beispielsweise Anwendung in der Lasertechnik zur Erzeugung und Kontrolle von Einzelzyklenpulsen

Description

Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Phasenauswertung, insbesondere von Mehrzyklenpulsen einer Laserstrahlung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Phasenauswertung insbesondere von Mehrzyklenpulsen einer Laserstrahlung.
Die absolute Phase ist definiert als die Verschiebung zwischen dem Maximum der Pulseinhüllenden und dem nächstgelegenen Maximum der Trägerwelle des elektrischen Feldes eines Laserpulses. Häufig wird die absolute Phase auch als carrier-envelope Phase (CEP) bezeichnet. Damit ist sie eine Größe, die zur Beschreibung des exakten Verlaufs des elektrischen Feldes von Laserpulsen jeglicher Art benötigt wird. Insbesondere bei Laserpulsen, deren Pulseinhüllenden nur eine Halbwertsdauer von wenigen optischen Zyklen haben, sogenannte few- cycle pulses oder Einzelzyklenpulse, spielt die CEP eine zentrale Rolle, da das elektrische Feld dieser Pulse besonders große CEP-abhängige Asymmetrien aufweist. Allerdings werden auch bei Experimenten mit Mehrzyklenpulsen CEP- Abhängigkeiten beobachtet.
Die Erzeugung von Einzelzyklenpulsen ist seit 1997 möglich (M. Nisoli, S. Stagira, S. De Silvestri, O, Svelto, S. Sartania, Z. Cheng, M. Lenzner, C. Spielmann, F: rausz: A novel high energy pulse compression System: Generation of multigigawatt sub-5-fs pulses, Applied Physics B- Lasers And Optics, 1997, Vol. 65; 189-196). Seitdem sind diese Laserpulse und ihre Wechselwirkung mit Materie ein Forschungsgebiet von zentralem Interesse und werden ausf hrlich studiert.
2001 wurden Effekte der absoluten Phase erstmals bei der Photoionisation von Edelgasen direkt nachgewiesen (G. G. Paulus, F. Grasbon, H. Walther, P. Villoresi, M. Nisoli, S. Stagira, E. Priori, S. De Silvestri: Absolute-phase phenomena in photoionization with few- cycle laser pulses, NATURE, 2001, Vol 414, 182- 184). Dabei wurden die CEP-abhängigen Asymmetrien der Einzelzyklenpulse in Form von räumlich asymmetrisch emittierten Photoelektronen beobachtet. Zur Verwendung kamen dabei zwei sich gegenüberstehende Flugzei tspektrometer ( S tereo-Flugzeitspektrometer) .
Seitdem wurden auch andere Vorrichtungen zur CEP -Messung vorgeschlagen und zum Teil verwirklicht. In der Regel war es dabei erforderlich, über die durch hunderte oder tausende von Laserpulsen induzierten Effekte zu mittein, um die CEP der Laserpulse zu bestimmen. Ebenso funktioniert die Mehrzahl dieser Verfahren in der Regel nur, wenn die Laserpulse kürzer als ca. zwei optische Zyklen (Halbwertsbreite) sind (ca. 6 fs bei 800 nm Zentralwellenlänge des Lasers). (T. M. Fortier, P. A. Roos, D. J. Jones, S. T. Cundiff, R. D. R. Bhat, J. E. Sipe: Carrier-Envelope Phase-Controlled Quantum Interference of Injected Photocurrents in Semiconductors, Phys. Rev. Letters, 2004, Vol 92, No. 14; A. Apolonski, P. Dombi, G. G. Paulus, M. Kakehata, R. Holzwarth, Th. Udem, Ch. Lemell, K. Torizuka, J. Burgdörfer, T. W. Hänsch, F. Krausz: Observation of Light-Phase- Sensitive Photoemission from a Metal. Phys. Rev. Letters, 2004, Vol 92, No 7; M. Kreß, T. Löffler, M. D. Thomson, R. Dörner, H. Gimpel, K. Zrost, T. Ergler, R. Moshammer, U. Morgner, J. Ullrich, H. G. Roskos: Determination of the carrier-envelope phase of few-cycle laser pulses with terahertz-emission spectroscopy, Nature Physics Let., 2006, Vol 2, 327-331 ; C. A. Haworth, L. E. Chipperfield, J. S. Robinson, P. L. Knight, J. P. Marangos, J. W. G. Tisch: Half-cycle cutoffs in harmonic spectra and robust carrier-envelope phase retrieval, Nature Physics, 2007, Vol. 3, 52-57; G. G. Paulus, F. Lindner, H. Walther,
A. Baltuska, E. Goulielmakis, M. Lezius, F. Krausz: Measurement of the phase of few- cycle laser pulses, Phys, Rev. Let., 2003, Vol 91 , Issue 25.)
2009 gelang es erstmals, die CEP von Einzelzyklenpulsen mit hoher Genauigkeit mit der obengenannten Stereo-Flugzeitspektrometer Anordnung im Einzelschussbetrieb zu bestimmen (T. Wittmann,
B. Horvath, W. Helml, M. G. Schätzet, X. Gu, A. L. Cavalieri, G. G. Paulus, R. Kienberger: Single-shot carrier-envelope phase measurement of few-cycle laser pulses, Nature Physics, 2009, Vol. 5; 357-362). Auch dieser Aufbau ist nur für die Vermessung der CEP von Einzelzyklenpulsen mit einer Halbwertdauer von weniger als 8 fs geeignet.
2010 wurde eine weitere Methode demonstriert, welche die Vermessung der CEP von ultrakurzen Pulsen mit Pulsdauern von 38 fs im Einzelschussbetrieb ermöglichte (P. Tzallas, E. Skantzakis, and D. Charalambidis: Measuring the absolute carrier-envelope phase of many- cycle laser fields, PHYSICAL REVIEW A 82, 061401 (R), 2010). Dabei wird ein Laserpuls mit zeitabhängiger Polarisation in Wechselwirkung mit einem Edelgas zur Erzeugung von Strahlung im extremen ultravioletten Bereich, sogenannter hoher Harmonischer, verwendet. Aus der genauen Vermessung des Verlaufs der spektralen Intensität der extrem ultravioletten Strahlung kann die CEP des ultrakurzen Pulses bestimmt werden. Diese Methode ist allerdings nur mit sehr hohen Pulsenergien (größer 50 mJ) realisierbar und benötigt einen vergleichsweise hohen Apparateaufwand. Außerdem erfordert die Methode einen hohen Aufwand beim Datentransfer und der Berechnung der CEP, sodass die Pulsrepetitionsrate limitiert ist. Somit ist mit dieser Methode weder eine Bestimmung der CEP noch eine Einflussnahme auf die CEP oder eine Korrelation der CEP Messung mit der Messung anderer physikalischer Größen in Echtzeit möglich. Insbesondere die Notwendigkeit sehr hoher Pulsenergien lässt dieses Verfahren als Basis für eine Regelung der CEP oder eine Korrelation der CEP-Messung mit der Messung anderer physikalischer Größen in Echtzeit (CEP-Tagging) nur für Lasersysteme zu, die niedrige Pulsrepetitionsraten und Pulsenergien von mehreren 10 mJ zur Verfügung stellen.
Es wurde auch bereits eine Vorrichtung zur schnellen Phasenauswertung von Einzelzyklenpulsen vorgeschlagen (DE 10 2010 019 814.5), die basierend auf dem Prinzip des Stereo-Flugzeitspektrometers die CEP Bestimmung deutlich verbessern konnte. Diese Vorrichtung lässt die Einzelschussbestimmung der CEP von Einzelzyklenpulsen in Echtzeit bei Wiederholraten im kHz Bereich zu. Gleichzeitig wird der für die CEP Messung erforderliche Apparateaufwand erheblich vermindert und es wird eine hohe Genauigkeit der CEP Messung im Bereich unterhalb von 200 mrad erreicht, während dabei vergleichsweise moderate Pulsenergien im Bereich einiger 10 μΐ benötigt werden. Damit kann diese Vorrichtung als Basis für eine Regelung der CEP oder eine Korrelation der CEP-Messung (CEP-Tagging) mit der Messung anderer physikalischer Größen in Echtzeit dienen (A. M. Sayler, Tim Rathje, Walter Müller, Klaus Rühle, R. Kienberger, G. G. Paulus: Precise, real- time, every-single-shot, carrier-envelope phase measurement of ultrashort laser pulses, OPTICS LETTERS Vol. 36, No. 1 , 201 1), wenngleich für die CEP -Bestimmung nachteilig ist, dass sich der ausgegebene Radius-Parameter r beim Übergang von Einzelzyklenpulsen zu Mehrzyklenpulsen verringert, während die Streuung Ar weitestgehend konstant bleibt (A. M. Sayler, Tim Rathje, W. Müller, Ch. Kürbis, Klaus Rühle, Gero Stibenz, and G. G. Paulus: Real-time pulse length measurement of few-cycle laser pulses using above-threshold ionization, Optics Express Vol. 19, Iss. 5, 201 1, 4464-4471). Da sich die Unsicherheit der CEP Messung Δφ ungefähr wie Ar/r verhält (Δφ ~ Ar/r), führt dies zu zwei wesentlichen Problemen für die CEP Bestimmung in Echtzeit und Einzelschussbetrieb:
1) Die Unsicherheit der CEP Bestimmung steigt mit der der Pulsdauer, da der Radius-Parameter r, mit steigender Pulsdauer sinkt, und es gilt: Δφ - Ar/r.
2) Die CEP Messung ist nicht mehr durchführbar, wenn Ar die Größenordnung von r erreicht, weil die Unsicherheit der CEP Bestimmung zu groß wird. Diese Grenze liegt typischerweise bei 8 fs (bei einer zentralen Wellenlänge von 800 nm).
Es ist auch bekannt, dass Laserpulse mit zeitabhängig veränderlicher Polarisationsrichtung bei der Untersuchung und Optimierung der Wechselwirkung von Laserpulsen mit Materie angewendet werden. Die Erzeugung von Laserpulsen mit zeitabhängig veränderlicher Polarisationsrichtung erfolgt in einer sogenannten Polarisations-Gating- Stufe, die auf verschiedene Weise verwirklicht werden kann. (O. Tcherbakoff, E. Mevel, D. Descamps, J. Plumridge, and E. Constant: Time-gated high-order harmonic generation, PHYSICAL REVIEW A 68, 2003, 043804; G. Sansone, E. Benedetti, F. Calegari, C. Vozzi, L. Avaldi, R. Flammini, L. Poletto, P. Villoresi, C. Altucci, R. Velotta, S. Stagira, S. De Silvestri, M. Nisoli: Isolated Single-Cycle Attosecond Pulses, Science 314, 2006, 443; P. Tzallas, E. Skantzakis, C. Kalpouzous, E. P. Benis, G. D. Tsakiris, D. Charalambidis: Generation of intense continuum extreme-ultraviolet radiation by many-cycle laser fields, Nature Physics, Vol 3, 2007; P. B. Corkum, N. H. Burnett, M. Y. Ivanov: Subfemtosecond pulses, Optics Letters, Vol. 19, No 22, 1994).
Eine spezielle Möglichkeit ist die Verwendung verschiedener doppelbrechender Quarzplatten unterschiedlicher Dicken in Kombination mit einem oder mehreren Brewster-Fenstern (S. Gilbertson, Y. Wu, S. D. Khan, M. Chini, K. Zhao, X. Feng, and Z. Chang: Isolated attosecond pulse generation using multicycle pulses directly from a laser amplifier, PHYSICAL REVIEW A 81 , 2010, 043810). Bislang wurden diese Techniken zur Erzeugung von Attosekunden-Laserpulsen benutzt. Eine Verwendung dieser Techniken für eine schnelle CE- Phasenauswertung ist nicht bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine schnelle CE- Phasenauswertung der Laserpulse, insbesondere in Echtzeit, auch für Mehrzyklenpulse zu ermöglichen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur schnellen Phasenauswertung insbesondere von Mehrzyklenpulsen einer Laserstrahlung, indem Laserimpulse erzeugt werden mit zumindest jeweils einem Bereich annähernd linearer Polarisation und zumindest jeweils einem Bereich nichtlinearer Polarisation, wobei die Phase von dem jeweils zumindest einem Bereich annähernd linearer Polarisation gemessen wird.
In einem speziellen Fall werden zur Generierung unterschiedlich polarisierter Pulsbereiche von jedem linear polarisierten Laserimpuls zum Zweck dessen Phasenauswertung jeweils zumindest ein zweiter zeitverzögerter sowie den originalen Impuls teilweise überlappender Impuls erzeugt, wobei von den Laserpulskombinationen aus jeweils erstem und jeweils zugehörigem zumindest zweitem zeitverzögertem Impuls jeweils der überlappende Impulsbereich eine annähernd linearer Polarisation aufweist, deren Phase jeweils gemessen wird. Eine Vorrichtung zur schnellen Phasenauswertung insbesondere von Mehrzyklenpulsen einer Laserstrahlung, besteht aus einer Polarisations- Gating-Stufe zur Veränderung der in der Phase auszuwertenden Laserpulse sowie einer an die Polarisations-Gating-Stufe angeschlossenen Phasenauswertestufe zur Messung der Phasenlage der veränderten Laserpulse.
Die Polarisations-Gating-Stufe und die Phasenauswertestufe können dabei durch unterschiedliche optische bzw. elektronische oder rechentechnische Anordnungen realisiert sein. In den Unteransprüchen und Beispielen sind Ausführungsformen einer solchen Vorrichtung angeführt.
Mit den aktuell bekannten Möglichkeiten ist es nur möglich, für Einzelzyklenpulse die CE-Phase im Einzelschussbetrieb in Echtzeit zu bestimmen. Mit der Erfindung kann dagegen die CE-Phase auch von Mehrzyklenpulsen in Echtzeit und im Einzelschussbetrieb mit einer hohen Präzision ermittelt werden.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 : Schematisch dargestellter Laserpuls
Fig. 2: Schematisch dargestellter Laserpuls mit überlappender zeitlich versetzter Kopie desselben
Fig. 3: Polarisation des Laserpulses
Fig. 4: Schema einer möglichen Anordnung zur schnellen
Phasenauswertung ultrakurzer Laserpulse. Die Laserpulse werden vor der Wechselwirkung mit einem Gas hinsichtlich ihrer Polarisationsrichtung zeitabhängig durch eine Polarisations-Gating-Stufe verändert.
In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung der Intensitätsverlauf eines bekannten Laserpulses 1 gezeigt. In Fig. 2 ist hinter dem ersten Laserpuls 1 ein zu diesem zeitversetzter zweiter Laserpuls 2 als Kopie des ersten Laserpulses 1 gestrichelt dargestellt, wobei sich die beiden Laserpulse 1 , 2 teilweise überlappen. Es entsteht ein überlagerter Laserpuls 3.
Dieser überlagerte Laserpuls 3 ist in seinem mittleren Pulsbereich 4 linear polarisiert, in seinen beiden äußeren Pulsbereichen 5, 6 elliptisch polarisiert.
Fig. 3 zeigt einen Verlauf 16 der elliptischen Polarisation in den beiden äußeren Pulsbereichen 5, 6. Die Polarisation ist im Bereich 4 nur für ca. zwei optische Zyklen linear.
Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführung der Erfindung als Anordnung zur schnellen Phasenauswertung ultrakurzer Laserpulse. Ein Laserpulszug 7 trifft zur zeitabhängigen Veränderung seiner Polarisation zunächst auf eine Polarisations-Gating-Stufe 8, bestehend aus einer Apertur 9, einer Vollwellenplatte 10 aus Quarzglas, einem oder mehreren Brewster- Fenstern 1 1 sowie einer abschließenden Viertelwellenplatte 12 nullter Ordnung.
In der Polarisations-Gating-Stufe 8 passiert der Laserpulszug 7 zunächst die kreisförmige Apertur 9 variablen Durchmessers zur manuellen Regulierung der Pulsenergie. Der Intensitätsverlauf eines einzelnen Laserpulses ist in Fig. 1 dargestellt (vgl. Laserpuls 1).
Im Strahlengang des Laserpulszuges 7 ist hinter der Apertur 9 die im Winkel = 45° zur linearen Eingangspolarisation orientierte Vollwellenplatte 10 aus Quarzglas angeordnet, die jeweils senkrecht aufeinander stehende Pulskopien (vgl. Laserpulse 1 , 2 in Fig. 2) mit gleicher Amplitude erzeugt, deren Pulszentren allerdings gegeneinander verzögert sind. Die erzeugte Verzögerung hängt von der Dicke 1 der Vollwellenplatte 10 ab, die so gewählt wird, dass die erzeugte Verzögerung einem ganzzahligen Vielfachen der Periodendauer bei der zentralen Wellenlänge T0, des ultrakurzen Laserpulses 1 entspricht. Eine Verzögerung von genau einer Periodendauer wird bei einer Dicke von ca. 10 = 88,6 μιτι erreicht (bei einer zentralen Wellenlänge von 800 nm). Daraus lässt sich die Dicke der Vollwellenplatte 10 für größere Ordnungen der Verzögerung über 1 = n 10 berechnen, wobei n die Ordnung der Vollwellenplatte 10 bezeichnet. Die resultierende Verzögerung zwischen den Pulszentren der Laserpulse 1 , 2 ergibt sich zu δ = n T0. Andere Winkel verändern das Verhältnis zwischen den Amplituden der Pulskopien und ihre Polarisationsrichtung in Bezug auf die Achsen des Laborkoordinatensystems x und y. Damit kann α dazu verwendet werden, die Polarisationsrichtung auf die Achse der in der DE 10 2010 019 814.5 vorgeschlagenen Vorrichtung zu optimieren.
Anschließend passieren die gegeneinander verzögerten Pulskopien das oder die ultradünnen Brewster-Fenster 1 1, die in Abhängigkeit ihrer Orientierung zur vertikalen Achse des Laborkoordinatensystems, angegeben durch den Winkel γ einen Teil der horizontalen Feldkomponenten reflektieren und damit das Verhältnis zwischen den horizontalen und vertikalen Feldkomponenten verändern. Dies bewirkt eine Änderung der Elliptizität in den Pulsbereichen 5, 6 des überlagerten Laserimpulses 3 außerhalb des Überlappbereichs der Laserpulse 1 , 2.
Die optische Achse der im Strahlengang des Laserpulszuges 7 nachfolgend angeordneten Viertelwellenplatte 12 nullter Ordnung schließt mit der horizontalen Achse des Laborkoordinatensystems einen Winkel von ß = 0° ein. Dies generiert eine Verzögerung von T0/4 zwischen den horizontalen Feldkomponenten gegenüber den vertikalen Feldkomponenten und erzeugt damit eine lineare Polarisation im Überlappbereich (vgl, Pulsbereich 4 in Fig. 2 sowie Fig. 3). Außerhalb des Überlappbereichs sind die Pulskopien elliptisch polarisiert (vgl. Pulsbereiche 5, 6 in Fig. 2 sowie Fig. 3).
Nach Passieren der Polarisations-Gating-Stufe 8 werden die nunmehr erzeugten überlagerten Laserpulse 3 des Laserpulszugs 7 durch einen ebenen Spiegel 13 reflektiert und mittels eines Fokussierspiegels 14 auf eine Phasenauswertestufe 15 zur Messung der Phasenlage der veränderten Laserpulse des Laserpulzugs 7 gelenkt. Die Phasenauswertestufe 15, realisiert vorzugsweise durch die in der DE 10 2010 019 814.5 vorgeschlagene Anordnung, gibt Winkel -Parameter Θ und einen Radius- Parameter r aus (siehe Fig. 3).
Die Wechselwirkung des überlagerten Laserpulses 3, der somit eine zeitabhängige Polarisationsrichtung aufweist, mit einem Gas während der Ionisation unterscheidet sich von der Wechselwirkung von Laserpulsen mit zeitunabhängiger Polarisationsrichtung. Elektronen hoher kinetischer Energie werden nur bei hinreichend konstanter Polarisationsrichtung effizient erzeugt. Gleichzeitig weist die Erzeugungsrate dieser hochenergetischen Elektronen die höchste CEP- Abhängigkeit auf. Infolge dessen werden diese besonders CEP sensitiven Elektronen ausschließlich während des Zeitraums nahezu konstanter Polarisationsrichtung erzeugt, also im Zentrum des Überlappbereichs der beiden Pulskopien.
Damit wird eine Situation verwirklicht, die eine ähnliche CEP- Sensitivität aufweist wie ein Einzelzyklenpuls. Entsprechend weisen die Photoelektronenverteilungen, die durch Laserpulse mit zeitabhängiger Polarisationsrichtung erzeugt wurden, Asymmetrien auf, die mit denen vergleichbar sind, die von Einzelzyklenpulsen erzeugt werden. Damit würde der Radius-Parameter r, der von der besagten bereits vorgeschlagenen Vorrichtung gemäß DE 10 2010 019 814.5 ausgegeben wird, erhöht werden.
Durch diese Vergrößerung des Radius-Parameters r bei nahezu gleichbleibender Streuung Ar, erhöht sich die Genauigkeit der Vorrichtung. Der nutzbare Anwendungsbereich wird damit auf Laserpulse bis zu einer Dauer von ca. 12 fs erweitert (bei 800 nm zentraler Wellenlänge).
Alternativ zu der in Fig. 3 gezeigten Polarisations-Gating-Stufe 8 könnte deren Funktion beispielsweise auch durch einen (nicht in der Zeichnung dargestellten) interferometrischen Aufbau realisiert werden (z. B. P. Tzallas, E. Skantzakis, C. Kalpouzous, E. P. Benis, G. D. Tsakiris, D. Charalambidis: Generation of intense continuum extreme-ultraviolet radiation by many-cycle laser fields, Nature Physics, Vol 3, 2007) oder auch durch einen (ebenfalls nicht in der Zeichnung dargestellten) Aufbau, der die Schwebung senkrecht aufeinander linear polarisierter Laserpulse mit leicht unterschiedlicher Mittenfrequenz verwendet (z. B. P. B. Corkum, N. H. Burnett, M. Y. Ivanov: Subfemtosecond pulses, Optics Letters, Vol. 19, No 22, 1994). Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 - Laserpuls
2 - Laserpuls (zeitlich versetzte Kopie des Laserpulses 1) 3 - überlagerter Laserpuls
4 - mittlerer Pulsbereich (des überlagerten Laserimpulses 3)
5, 6 - äußerer Pulsbereich (des überlagerten Laserimpulses 3)
7 - Laserpulszug
8 - Polarisations-Gating-Stufe
9 - Apertur
10 - Vollwellenplatte
1 1 - Brewster-Fenster
12 - Viertel wellenplatte nullter Ordnung
13 - ebener Spiegel
14 - Fokussierspiegel
15 - Phasenauswertestufe
16 - Verlauf der elliptischen Polarisation in den äußeren
Pulsbereichen 5, 6 r - von der Phasenauswertestufe 15 ausgegebener Radius- Parameter
Θ - von der Phasenauswertestufe 15 ausgegebener Winkel- Parameter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur schnellen Phasenauswertung insbesondere von Mehrzyklenpulsen einer Laserstrahlung, indem Laserimpulse erzeugt werden mit zumindest jeweils einem Bereich annähernd linearer Polarisation und zumindest jeweils einem Bereich nichtlinearer Polarisation, wobei die Phase von dem jeweils zumindest einem Bereich annähernd linearer Polarisation gemessen wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass von jedem linear polarisierten Laserimpuls zum Zweck dessen Phasenauswertung jeweils zumindest ein zweiter zeitverzögerter sowie den originalen Impuls teilweise überlappender Impuls so erzeugt wird, dass von den Laserpulskombinationen aus jeweils erstem und jeweils zugehörigem zumindest zweitem zeitverzögertem Impuls jeweils der überlappende Impulsbereich mit annähernd linearer Polarisation generiert wird und dass jeweils die Phase des überlappenden Pulsbereiches gemessen wird.
3. Vorrichtung zur schnellen Phasenauswertung insbesondere von Mehrzyklenpulsen einer Laserstrahlung, bestehend aus einer Polarisations-Gating-Stufe (8) zur Veränderung der in der Phase auszuwertenden Laserpulse (7) sowie einer an die Polarisations- Gating-Stufe (8) angeschlossenen Phasenaus wertestufe (15) zur Messung der Phasenlage der veränderten Laserpulse.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisations-Gating-Stufe (8) durch einen doppelbrechenden Kristall (10) sowie einen weiteren doppelbrechenden Kristall ( 12) realisiert ist.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisations-Gating-Stufe (8) durch einen doppelbrechenden Kristall (10), durch ein teilweise polarisierendes Fenster (1 1) und einen weiteren doppelbrechenden Kristall (12) realisiert ist.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisations-Gating-Stufe (8) durch einen interferometrischen Aufbau realisiert ist.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Polarisations-Gating-Stufe (8) durch einen Aufbau realisiert ist, der auf der Schwebung senkrecht aufeinander linear polarisierter Laserpulse mit leicht unterschiedlicher Mittenfrequenz basiert.
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