WO2013152781A1 - Anordnung zum vermessen von laserpulsen - Google Patents
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Classifications
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- 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 measuring arrangement preferably has a shaft plate arranged in front of the Bragg reflector, for example a lambda / 4 plate.
- a shaft plate arranged in front of the Bragg reflector, for example a lambda / 4 plate.
- the polarization direction of the laser light can be rotated by 90 °, resulting in a low-loss or even completely lossless beam guidance of the laser light by a polarizing beam splitter (PBS).
- PBS polarizing beam splitter
- Another implementation of the measuring arrangement is based on non-perpendicular incidence on the Bragg reflector, whereby the beam of the stretched pulse can be extracted with low loss.
- a set of mutually exchangeable, different chirped Bragg reflectors is provided, one of which can be used as a pulse stretcher in the measuring arrangement.
- the Bragg reflector for example, in their lattice constants differ from each other and so be particularly well suited for reflecting laser pulses at different central wavelengths, for example, at 2 ⁇ , 1, 5 ⁇ , 1030 nm or 800 nm, or at any other wavelengths.
- the measuring arrangement can be optimally adapted to the properties of the laser pulse to be measured.
- the chirped Bragg reflector can be modified in terms of its optical properties, in particular with regard to the lattice constants of the Bragg grating. This could be made possible by the formation of a chirped Bragg reflector in a photorefractive material, ie with a material with an intensity-dependent refractive index such as Rh: BaTi0 3 . By irradiating interfering laser light into the photorefractive material, a Bragg reflector could be generated there and varied in its optical properties.
- a polarizing beam splitter (PBS) 6 This directs the second Laserpulskopie on a pulse stretcher 7, which is formed according to the invention as a chirped Bragg reflector or CVBG.
- the lattice planes 8 of the Bragg reflector are indicated. It can be seen that these lattice planes 8 are closer together near the entry point of the laser light into the pulse stretcher 7 than at the rear, right end of the pulse stretcher 7. This results in the higher-frequency spectral components of the second laser coil being reflected earlier in the pulse stretcher than the low-frequency ones , longer-wave components (or the other way round when the Bragg reflector is reversed). In this way, a laser pulse 2c which is greatly extended in time and which also receives a so-called chirp, that is to say a period of time, is obtained from the second laser pulse copy. H. an over its temporal course changing frequency or wavelength.
- the measuring arrangement according to the invention can be changed in many ways.
- a Faraday rotator instead of the lambda / 2 plate 10, which can perform the same task as the lambda / 2 plate.
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Abstract
Eine Messanordnung (1) zum Vermessen von Laserpulsen (2) umfasst einen Strahlteiler (4) zum Erzeugen zweier Laserpulskopien, einen Pulsverdoppler (4) zum Aufteilen einer ersten Laserpulskopie auf zwei Teilpulse (2a, 2b) mit einem zeitlichen Abstand voneinander, sowie einen Pulsstrecker (7) zum zeitlichen Strecken der zweiten Laserpulskopie zu einem gestrecktem Laserpuls (2) und einen Frequenzmischer (11) zum Erzeugen eines Frequenzmischsignals (12) aus den zwei Teilpulsen (2a, 2b) und den gestrecktem Laserpuls (2c). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass als Pulsstrecker (7) ein gechirpter Bragg-Reflektor vorgesehen ist.
Description
ANORDNUNG UM VERMES SEN VON LASERPULSEN
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messanordnung zum Vermessen von Laserpulsen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Durch die rasante Entwicklung und Energie-Skalierung gepulster Lasersysteme in den letzten Jahren wächst zunehmend der Bedarf an leistungsstarken Puls- Charakterisierungsmethoden, welche in der Lage sind, die erzeugten Pulse hochgenau und eindeutig hinsichtlich ihrer Eigenschaften zu vermessen.
Im Bereich der gepulsten Hochleistungs-Lasersysteme bieten Technologien, die auf Ytterbium basieren, zum Beispiel Thin-Disk oder Faserlaser, das größte Potential zum Er- reichen hoher Pulsenergien bis in den mJ-Bereich. Zum Reduzieren der dabei auftretenden Nichtlinearitäten und zum Schonen der Optiken muss jedoch die Spitzenleistung häufig durch ein zeitliches Strecken der Pulse verringert werden. Aus diesem Grund emittieren beispielsweise Hochenergie-Faserlaser Pulse mit einer Dauer deutlich länger als eine Pikosekunde (1 ps = 10"12 s), die erst im letzten Schritt vor der Anwendung durch eine geeignete Dispersionskompensation nahe an das sogenannte Fourier-Limit von 100 bis 200 fs (1 fs = 10"15 s) verkürzt werden.
Um solche Systeme optimal zu entwerfen, weiterzuentwickeln und auf die kürzest- mögliche Pulsdauer komprimieren zu können, benötigt man eine eindeutige Kenntnis der relativen Phasen der einzelnen Spektralkomponenten der emittierten Pulse, d. h. der so- genannten spektralen Phase. Mit verbreiteten Messmethoden zum Charakterisieren der Dauer ultrakurzer Pulse, zum Beispiel der Autokorrelation , ist die spektrale Phase nicht ermittelbar. Sie kann allein durch die sogenannte SPIDER-Methode direkt bestimmt werden. Das Akronym SPIDER steht dabei für„Spectral (Shearing) Interferometry for Direct Electric Field Reconstruction". Das SPIDER-Verfahren wird einschließlich seiner mathematischen Grundlagen ausführlich in der EP 1 000 315 B1 und der zugehörigen US 6,61 1 ,336 beschrieben. Es beruht darauf, dass zwei zeitlich voneinander getrennte Pulskopien mit einer weiteren, gechirp- ten und daher zeitlich enorm gestreckten Pulskopie in einem nicht-linearen Kristall zur Überlagerung gebracht werden. Auf diese Weise entstehen zwei im Frequenzraum hoch- konvertierte Pulse, aus deren Interferenz die Ableitung der spektralen Phase gewonnen
werden kann. Durch geeignete Rechenmethoden kann daraus die spektrale Phase des ursprünglichen Pulses berechnet werden.
Offenbart ist das SPIDER-Verfahren auch in den beiden folgenden wissenschaftlichen Veröffentlichungen: C. laconis, I. A. Walmsley,„Spectral phase interferometry for direct electrical-field reconstruction of ultrashort optical pulses", Optics Letters 23, 792-794
(1998) , sowie C. laconis, I. A. Walmsley, „Self-referencing Spectral interferometry for Measuring Ultrashort Optical Pulses", IEEE Journ. of Quantum Electron 35, 501-509
(1999) .
Etabliert ist das SPIDER-Verfahren für Ultrakurzpulslaser wie Titan-Saphir-Laser mit sehr kurzen Pulsdauern unter 50 fs, die folglich eine entsprechend große spektrale Bandbreite aufweisen. Für Pulse mit deutlich längeren Pulsdauern, beispielsweise länger als 100 fs, existiert allerdings noch keine kompakte Umsetzung der SPIDER-Methode, da aufgrund der hier auftretenden geringen spektralen Bandbreite der Puls bisher nur mit aufwändigen Gittersequenzen ausreichend stark gestreckt werden kann. Ungünstigerweise sind in die- sem Pulsdauerbereich auch die eingangs genannten Ytterbium-basierten Lasersysteme einzuordnen, die in Wissenschaft und Anwendung eine zunehmend größere Rolle spielen.
Möglicherweise aus solchen Überlegungen heraus wendet sich beispielsweise die DE 10 2010 012 768 A1 explizit gegen das SPIDER-Verfahren und schlägt stattdessen ein sogenanntes STRUT-Verfahren („Spectrally and Temporarily Resolved Up-Conversion Technique") vor. Allerdings ist auch diese Technik offenbar nur für besonders kurze Pulse von weniger als 1 ps und besonders bevorzugt von weniger als 15 fs geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Messanordnung zum Vermessen von Laserpulsen zur Verfügung zu stellen, die einfach in ihrer Handhabung und zuverlässig auch zur Vermessung beispielsweise der spektralen Phase von vergleichsweise langen Laserpulsen mit Pulsdauern über 50 fs, über 100 fs oder sogar über 1 ps sowie mit einer spektralen vollen Halbwerts-Bandbreite von weniger als 30 nm (30 Nanometer) geeignet ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen in der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In der erfindungsgemäßen Messanordnung ist als Pulsstrecker zum zeitlichen Strecken einer Laserpulskopie ein gechirpter Bragg-Reflektor vorgesehen („Chirped Distributed Bragg Reflector", DBR, oder auch als„Chirped Volume Bragg Gräting" (CVBG) bezeichnet). Ein solcher gechirpter Bragg-Reflektor ist prinzipiell bekannt, beispielsweise aus der US 7,424,185 B2, allerdings nicht im Einsatz in einer Messanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , insbesondere in einer Messanordnung zum Durchführen des SPIDER-Verfahrens zum Charakterisieren von Laserpulsen. Der DBR könnte auch in einer Glasfaser als„Chirped Fiber Bragg Gräting" (CFBG) realisiert sein.
Bei einem gechirpten Bragg-Reflektor handelt es sich beispielsweise um ein in einen Glasblock geschriebenes optisches Gitter, d. h. ein Gitter aus Bereichen unterschiedlicher Brechungsindizes, bei dem sich der Gitterabstand mit zunehmender Eindringtiefe kontinuierlich vergrößert. Dies führt dazu, dass kurzwellige Spektralkomponenten näher am Eintrittspunkt des Lichts und langwellige Spektralkomponenten näher am hinteren Ende des Reflexionsvolumens reflektiert werden. Der Betrieb des Reflektors in Gegenrichtung ist ebenfalls möglich und führt zur Dispersion anderen Vorzeichens. Der Bragg-Reflektor kann also je nach Orientierung dazu konfiguriert werden, wahlweise eine Pulsstreckung mit positivem oder mit negativem Chirp zu induzieren.
Gegenüber anderen technischen Möglichkeiten zum Induzieren eines Chirp und zum zeitlichen Strecken eines Laserpulses hat ein gechirpter Bragg-Reflektor den Vorteil, ver- gleichsweise kompakt gebaut werden zu können. Beispielsweise könnte der Bragg- Reflektor äußere Abmessungen von maximal 2 bis 4 cm haben, während alternative Gitterstrecker zum zeitlichen Strecken von Pulsen mit einer Bandbreite von weniger als 30 nm Abmessungen von 50 x 50 cm oder sogar 60 x 60 cm haben müssten. Damit wird die erfindungsgemäße Messanordnung insgesamt sehr kompakt. Ein weiterer Vorteil des Bragg- Reflektors liegt darin, dass er wartungs- und justagefrei ist, dass er im Gegensatz zu Gitterstreckern monolithisch ausgebildet ist, und dass er weitgehend frei ist von Umwelteinflüssen wie einer Umgebungstemperatur und daher hochpräzise Messungen erlaubt.
Vorzugsweise hat der Pulsstrecker eine Dispersionsrate von mindestens 5 ps/nm, vor- zugsweise von etwa 8 bis 15 ps/nm. Solche Dispersionsraten lassen sich mit einem gechirpten Bragg-Reflektor (im Folgenden: CVBG) bei gleichzeitig sehr kleinen Abmessun-
gen erreichen und sind daher ideal zum zeitlichen Strecken von Laserpulsen mit einem vergleichsweise schmalen Spektrum.
Bereits erwähnt wurde, dass der als CVBG ausgebildete Pulsstrecker sehr klein bauen kann. Besonders günstig ist es, wenn der Pulsstrecker ein Volumen von weniger 1500 mm3 aufweist, vorzugsweise von weniger als 1000 mm3, noch weiter bevorzugt von weniger als 750 mm3. Beispielsweise könnte der CVBG Abmessungen von etwa 5 x 5 x 25 mm haben. Insbesondere im Zusammenhang mit dem monolithischen Aufbau des Pulsstreckers sorgen die geringen Abmessungen dafür, dass sich Umwelteinflüsse wie Temperaturschwankungen kaum oder gar nicht auf die Messung auswirken können.
Das Aufteilen einer ersten Laserpulskopie auf zwei Teilpulse mit einem bestimmten zeitlichen Abstand Δί voneinander kann mittels eines Michelson-Interferometers erfolgen. Alternativ zu dem Michelson-Interferometer kann für diesen Zweck ein Glas-Etalon eingesetzt werden, das den Vorteil eines monolithisch justagefreien Interferometers bietet. Besonders kompakt wird die Messanordnung, wenn ein einzelnes Etalon sowohl als Strahlteiler zum Erzeugen zweier Laserpulskopien aus dem ursprünglichen Laserpuls, als auch als Pulsverdoppler zum Aufteilen einer ersten Laserpulskopie auf zwei Teilpulse mit einem zeitlichen Abstand voneinander verwendet wird. Durch diese Doppelfunktion des Etalon wird die Zahl der optischen Komponenten der Messanordnung reduziert.
Der zeitliche Abstand At der beiden aus der ersten Laserpulskopie generierten Teilpulse sollte größer sein als die zeitliche Dauer des ursprünglichen Laserpulses. Besonders günstig in dieser Hinsicht ist es, wenn der zeitliche Abstand Δί der beiden Teilpulse voneinander durch geeignete Konfiguration des Pulsverdopplers variabel einstellbar ist, beispielsweise durch Verfahren einer Verzögerungsstrecke des zu diesem Zweck eingesetzten Michelson-Interferometers.
Vorzugsweise weist die Messanordnung ein vor dem Bragg-Reflektor angeordnetes Wel- lenplättchen auf, beispielsweise ein lambda/4-Plättchen. Durch das zweimalige Durchlaufen dieses lambda/4-Plättchen vor dem Eintritt in den Pulsstrecker und nach dem Austritt in den reflektierenden Pulsstrecker kann die Polarisationsrichtung des Laserlichts um 90° gedreht werden, was eine möglichst verlustarme oder sogar völlig verlustfreie Strahlführung des Laserlichts durch einen polarisierenden Strahlteiler (PBS) ermöglicht.
Eine andere Realisierung der Messanordnung beruht auf nicht-senkrechtem Einfall auf dem Bragg-Reflektor, wodurch der Strahl des gestreckten Pulses verlustarm extrahiert werden kann.
Eine weitere Verbesserung der Erfindung sieht vor, dass im optischen Rad zwischen dem Pulsstrecker und dem Frequenzmischer ein lambda/2-Plättchen und/oder ein Faraday- Rotator angeordnet ist. Mit diesem optischen Element kann die Polarisationsrichtung des gestreckten Laserpulses beeinflusst werden, um die Frequenzmischung im Frequenzmischer im Hinblick auf eine möglichst hohe Effizienz zu optimieren.
Als Frequenzmischer selbst wird vorzugsweise ein Kristall mit einer hohen nicht-linearen Suszeptibilität χ(2) eingesetzt. Beispielsweise kann als Frequenzmischer ein Kristall zur Summenfrequenzbildung (SFG) verwendet werden.
Günstig ist es, wenn die Messanordnung eine Fokussieroptik zum Fokussieren der zwei Teilpulse und/oder des gestreckten Laserpulsen auf den Frequenzmischer aufweist, um dort die Intensität der Laserpulse und damit die Effizienz der Frequenzmischung zu erhö- hen. Dies sorgt für ein intensives Messsignal und damit für ein hohes Signal-zu-Rausch- Verhältnis der Messung.
Die Messanordnung kann des Weiteren ein Spektrometer zum Erfassen des Frequenzmischsignals aufweisen.
In einer vorteilhaften Variante der Messanordnung ist diese konfiguriert zum Messen einer spektralen Phase des vermessenen Laserpulses. Dies kann gemäß dem eingangs beschriebenen SPIDER-Verfahren geschehen. Vorzugsweise weist die Messanordnung zu diesem Zweck eine geeignete Auswerteeinheit auf, die zum Berechnen der spektralen Phase des Laserpulses aus dem bei der Frequenzmischung gewonnenen Signal beispielsweise mittels algebraischer Verfahren eingerichtet ist. Denkbar ist es, dass die Messanordnung eine Anzeige aufweist, die konfiguriert ist zum Anzeigen des Verlaufs der Dispersion des Laserpulses in erster, zweiter und/oder höherer Ordnung. Mit der Anzeige dieser Informationen eignet sich die Messanordnung besonders gut als Hilfsmittel zum Optimieren von Laserpuls-Kompressoren.
Ideal ist es, wenn die Messanordnung zum Durchführen von Messungen an Laserpulsen unterschiedlicher Zentralwellenlängen geeignet ist. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, dass ein Satz von gegeneinander austauschbaren, unterschiedlichen gechirpten Bragg- Reflektoren vorgesehen ist, von denen jeweils einer als Pulsstrecker in die Messanord- nung eingesetzt werden kann. Die Bragg- Reflektor können sich beispielsweise in ihren Gitterkonstanten voneinander unterscheiden und so besonders gut zum Reflektieren von Laserpulsen bei unterschiedlichen Zentralwellenlängen geeignet sein, beispielsweise bei 2 μιτι, 1 ,5 μηι, 1030 nm oder 800 nm, oder auch bei beliebigen anderen Wellenlängen. Damit und mit dem zeitgleichen Anpassen des Kristalls und des Spektrometers lässt sich die Messanordnung optimal an die Eigenschaften des zu vermessenen Laserpulses anpassen.
Noch besser wäre es, wenn der gechirpte Bragg- Reflektor in seinen optischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Gitterkonstanten des Bragg-Gitters, veränderbar ist. Ermöglicht werden könnte dies durch die Ausbildung eines gechirpten Bragg- Reflektors in einem photorefraktiven Material, d. h. mit einem Material mit intensitätsabhängigem Brechungsindex wie beispielsweise Rh:BaTi03. Durch das Einstrahlen von mit sich interferierendem Laserlicht in das photorefraktive Material könnte dort ein Bragg- Reflektor erzeugt und in seinen optischen Eigenschaften variiert werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Verwendung einer Messanordnung der vorste- hend beschriebenen Art, beispielsweise zur Optimierung eines optischen Kompressors für Laserpulse im Hinblick auf möglichst kurze Dauern der vom Kompressor komprimierten Laserpulse. Diese Optimierung kann zweckmäßigerweise sogar in Echtzeit erfolgen. Weitere Anwendungs- und Einsatzgebiete sind das Charakterisieren von Laserpulsen mit einem unbekannten Puls-Chirp, auch hier mit der Möglichkeit zu einem daran angepass- ten Optimieren eines Kompressors, die Echtzeit-Charakterisierung von Laserpulsen (spektral und/oder zeitlich, inklusive einer Messung der spektralen Phase), die Optimierung von Laserpuls-Kompressoren durch Berücksichtigung der zweiten oder noch höheren Dispersions-Ordnungen, die Online-Kontrolle von Kompressoren, Dispersionsmessungen von optischen Materialien wie CVBGs oder Fasern, die Vermessung von Phasen- effekten (nicht-linearen Effekten) oder eine Prozessintegration.
Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Messanordnung zum Vermessen von Ytterbium-basierten Laserpulssystemen wie Faserlasern, bei denen es bislang keine nicht-iterative Methode zum Vermessen der spektralen Phase gibt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung und
Figur 2 die Verwendung einer solchen Messanordnung zur Optimierung eines optischen Kompressors.
Gleiche Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen Bezugszeichen ver- sehen.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Messanordnung 1 zum Vermessen beziehungsweise Charakterisieren von Laserpulsen 2. Exemplarisch ist ein einzelner Laserpuls 2 dargestellt, der entlang eines optischen Pfades 3 in die Messanordnung 1 eingestrahlt wird. Üblicherweise wird jedoch eine Pulsfolge beziehungsweise ein Zug von vielen Laserpul- sen 2 in die Messanordnung 1 eingestrahlt werden. Bei den Laserpulsen kann es sich im Rahmen der Erfindung um kurze oder ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern von mehr als 50 fs handeln, beispielsweise mit Pulsdauern zwischen 100 fs und 500 ps, vorzugsweise von mehr als 1 ps, möglicherweise jedoch auch im Bereich zwischen 100 ps und 500 ps.
Im optischen Pfad 3 der Messanordnung 1 befindet ein Strahlteiler 4, der aus den ur- sprünglichen Laserpulsen 2 zwei gegebenenfalls identische Laserpulskopien erzeugt. Diese Laserpulskopien verlassen den Strahlteiler 4 auf zwei getrennten optischen Raden 3a, 3b. In der Messanordnung 1 nach Figur 1 wird ein Glas-Etalon als Strahlteiler 4 verwendet. Dabei dient dieses Etalon in einer Doppelfunktion gleichzeitig als Pulsverdoppler, der die entlang des ersten optischen Rades 3a laufende erste Laserpulskopie auf zwei Teilpulse 2a, 2b mit einem gegenseitigen zeitlichen Abstand At aufteilt. Diese Aufteilung erfolgt durch die Reflexion der eingestrahlten ursprünglichen Laserpulse 2 an der Vorder- und an der Rückseite des Etalons 4. Entlang des ersten optischen Rades befinden sich zwei Umlenkspiegel M1 , M4, die die Teilpulse 2a, 2b auf eine Fokussieroptik 5 lenken. Bei der Fokussieroptik 5 kann es sich um eine Linse oder um ein Linsensystem handeln.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 handelt es sich beim Aufteilen des ursprünglichen Laserpulses 2 auf die zwei Laserpulskopien und auf das Aufteilen der ersten Laserpulskopie auf zwei Teilpulse um einen einheitlichen Prozess. Denkbar wäre es jedoch auch, alternativ das Erzeugen zweier Laserpulskopien aus dem ursprünglichen Laserpuls 2 und das Aufteilen der ersten Laserpulskopie auf zwei Teilpulse 2a, 2b durch unterschiedliche optische Elemente in zwei getrennten Schritten durchzuführen.
Im zweiten optischen Pfad 3b befindet sich hinter dem Etalon 4 ein polarisierender Strahlteiler (PBS) 6. Dieser lenkt die zweite Laserpulskopie auf einen Pulsstrecker 7, der gemäß der Erfindung als gechirpter Bragg-Reflektor beziehungsweise CVBG 7 ausgebildet ist. In Figur 1 sind dazu die Gitterebenen 8 des Bragg-Reflektors angedeutet. Zu erkennen ist, dass diese Gitterebenen 8 nahe am Eintrittspunkt des Laserlichts in den Pulsstrecker 7 dichter beieinander liegen, als am rückwärtigen, rechten Ende des Pulsstreckers 7. Dies führt dazu, dass die höherfrequenten Spektralanteile der zweiten Laserpulskopie früher im Pulsstrecker reflektiert werden als die niederfrequenten, längerwelligen Anteile (oder an- ders herum bei umgedrehtem Bragg-Reflektor). Damit wird aus der zweiten Laserpulskopie ein zeitlich stark gestreckter Laserpulspuls 2c, der darüber hinaus einen sogenannten Chirp erhält, d. h. eine sich über seinen zeitlichen Verlauf ändernde Frequenz beziehungsweise Wellenlänge.
Zwischen dem Strahlteiler 6 und dem Pulsstrecker 7 ist ein lambda/4-Plättchen 9 ange- ordnet. Dieses lambda/4-Plättchen 9 dient dazu, die Polarisation des eingestrahlten Laserlichts 2 beim zweimaligen Durchtritt der Laserpulskopie, d. h. auf dem Weg zum Pulsstrecker 7 und zurück auf dem Weg vom Pulsstrecker 7 zum Strahlteiler 6, um insgesamt 90° zu drehen. Damit erlaubt der Strahlteiler 6 einen geradlinigen, verlustfreien Durchtritt des gestreckten Laserpulses 2c. Jenseits des Strahlteilers 6 befindet sich im zweiten optischen Rad 3b des gestreckten Laserpulses 2c ein lambda/2-Plättchen 10. Durch Drehen dieses lambda/2-Plättchens 10 kann die Polarisation des gestreckten Laserpulses 2c auf beliebige Weise eingestellt und verändert werden, um später die Effizienz der Frequenzmischung und damit die Qualität des Messsignals zu erhöhen. Im zweiten optischen Pfad 3b befinden sich ferner zwei Umlenkspiegel M2, M3. Sie dienen dazu, den gestreckten Laserpuls 2c auf die Fokussieroptik 5 zu lenken. Die Fokus-
sieroptik 5 ist so ausgelegt, dass sie sowohl die beiden Teilpulse 2a, 2b, als auch den zeitlich gestreckten und gechirpten Laserpuls 2c auf einen Frequenzmischer 1 1 lenkt und in diesen Frequenzmischer 1 1 fokussiert. Bei dem Frequenzmischer handelt es sich um einen nicht-linearen Kristall vom Typ-Ii, insbesondere einen SHG-Kristall, beispielsweise aus BBO oder LiNbO oder KTP. Der Frequenzmischer 1 1 ist dazu konfiguriert, aus den zwei zeitlich getrennten Teilpulsen 2a, 2b und dem zeitlich gestreckten Laserpuls 2c ein Frequenzmischsignal 12 zu erzeugen. Dieses Frequenzmischsignal 12 wird von einem jenseits des Fr.equenzmischers 11 angeordneten Spektrometer 13 detektiert. Zum Erhöhen der Signalqualität kann zwischen dem Frequenzmischer 1 1 und dem Spektrometer 13 ein Filter und/oder eine Fokussieroptik vorgesehen sein, der für das Frequenzmischsignal 12 eine höhere Transmission aufweist als für die Frequenzen des ursprünglichen, zu vermessenen Laserpulses 2.
Dem Spektrometer 13 nachgeordnet, oder alternativ auch als Teil des Spektrometers 13 vorgesehen, ist eine Auswerteeinheit 14. Sie kann dazu ausgebildet sein, aus dem vom Spektrometer 13 detektierten Messsignal durch algebraische Verfahren, beispielsweise einschließlich einer Fourier-Transformation, die spektrale Phase der einzelnen Spektralanteile des ursprünglichen Laserpulses 2 zu berechnen. Damit ist die erfindungsgemäße Messanordnung 1 konfiguriert zum Durchführen des SPIDER-Verfahrens. Die Auswerteeinheit 14 steht ihrerseits in Verbindung mit einer Anzeige 15. Bei geeigneter Konfigurati- on und Programmierung der Auswerteeinheit 14 ist die Anzeige 15 in der Lage, den Verlauf der Disperison des ursprünglichen Laserpulses 2 in erster, zweiter und/oder höherer Ordnung anzuzeigen.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine mögliche Form der Verwendung des in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Messanordnung 1. Dabei ist ein Laser 20 vorgesehen, der ultrakurze Laserpulse L abgibt. Diese Pulse gelangen in einen Kompressor 21 , der in diesem Ausführungsbeispiel zwei Reflexionsgitter 22, 23 aufweist, die den vom Laser 20 emittierten Laserpuls L zu einem zeitlich verkürzten Laserpuls 2 komprimieren. Ein Strahlteiler 24 sendet einen Teil des Laserpulses 2 als Eingang in die Messanordnung 1 und lässt den übrigen, in der Regel größeren Anteil des Laserpulses 2 passieren zu einem Ausgang 25.
Die Messanordnung 1 dient nun dazu, die in sie eingestrahlten Laserpulse 2 zu ckarakte- risieren, insbesondere hinsichtlich ihrer spektralen Phase. Die von der Anzeige 15 ange-
zeigte Dispersion der Laserpulse kann dazu verwendet werden, den Kompressor 21 hinsichtlich einer möglichst kurzen Pulsdauer der den Kompressor 21 verlassenden Laserpulse 2 zu optimieren, beispielsweise durch entsprechendes Verstellen der Gitter 22, 23. In einer weiter verbesserten Variante der Erfindung kann die Auswerteeinheit 14 von sich aus die zum Optimieren des Kompressors 21 notwendigen Schritte berechnen und diese in Form von Steuerbefehlen über eine Steuerleitung 26 an den Kompressor 21 durchgeben. Auf diese Weise kann der Kompressor 21 in Echtzeit hinsichtlich möglichst kurzer Pulsdauern optimiert werden.
Ausgehend von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann die erfindungsgemäße Messanordnung in vielfacher Weise verändert werden. Beispielsweise ist es denkbar, statt des lambda/2-Plättchens 10 einen Faraday-Rotator einzusetzen, der die gleiche Aufgabe wie das lambda/2-Plättchen wahrnehmen kann.
Claims
1. Messanordnung (1) zum Vermessen von Laserpulsen (2), umfassend: einen Strahlteiler (4) zum Erzeugen zweier Laserpulskopien, einen Pulsverdoppler (4) zum Aufteilen einer ersten Laserpulskopie auf zwei Teilpulse (2a, 2b) mit einem zeitlichen Abstand (At) voneinander, sowie einen Pulsstrecker (7) zum zeitlichen Strecken der zweiten Laserpulskopie zu einem gestreckten Laserpuls (2c), einen Frequenzmischer (11) zum Erzeugen eines Frequenzmischsignals (12) aus den zwei Teilpulsen (2a, 2b) und dem gestreckten Laserpuls (2c), dadurch gekennzeichnet, dass als Pulsstrecker (7) ein gechirpter Bragg-Reflektor vorgesehen ist.
2. Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bragg- Reflektor eine Pulsstreckung mit positivem Chirp induziert.
3. Messanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Bragg- Reflektor eine Pulsstreckung mit negativem Chirp induziert.
4. Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsstrecker (7) eine Dispersionsrate von mindestens 5 ps/nm aufweist, vorzugsweise etwa 8 bis 15 ps/nm.
5. Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsstrecker (7) ein Volumen von weniger als 1.500 mm3 aufweist, vorzugsweise weniger als 1.000 mm3, noch weiter bevorzugt weniger als 750 mm3.
6. Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelnes Etalon (4) sowohl als Strahlteiler, als auch als Pulsverdoppler vorgesehen ist. Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1 ) ein vor dem Pulsstrecker (7) angeordnetes lambda/4-Plättchen (9) aufweist.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bragg-Reflektor nicht-senkrecht bestrahlt wird.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Rad (3b) zwischen dem Pulsstrecker (7) und dem Frequenzmischer (11) ein lambda/2-Plättchen (10) und/oder ein Faraday-Rotator angeordnet ist.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1 ) eine Fokussieroptik (5) zum Fokussieren der zwei Teilpulse (2a, 2b) und/oder des gestreckten Laserpulses (2c) auf den Frequenzmischer (1 1) aufweist.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messanordnung (1 ) ein Spektrometer (13) zum Erfassen des Frequenzmischsignals (12) aufweist.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie konfiguriert ist zum Messen einer spektralen Phase des zu vermessenden Laserpulses (2).
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzeige (15) vorgesehen ist, die konfiguriert ist zum Anzeigen des Verlaufs der Dispersion des Laserpulses (2) in erster, zweiter und/oder höherer Ordnung.
Messanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gechirpte Bragg-Reflektor (7) in einem photorefraktiven Material vorgesehen ist.
Verwendung einer Messanordnung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Optimierung eines optischen Kompressors im Hinblick auf möglichst kurze Dauern der vom Kompressor komprimierten Laserpulse (2).
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