WO2023110288A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von laserpulsen - Google Patents

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WO2023110288A1
WO2023110288A1 PCT/EP2022/082472 EP2022082472W WO2023110288A1 WO 2023110288 A1 WO2023110288 A1 WO 2023110288A1 EP 2022082472 W EP2022082472 W EP 2022082472W WO 2023110288 A1 WO2023110288 A1 WO 2023110288A1
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laser radiation
pump
pump laser
wavelength
beam paths
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Jens Limpert
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Active Fiber Systems Gmbh
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    • H01S3/2383—Parallel arrangements
    • H01S3/2391—Parallel arrangements emitting at different wavelengths

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for generating laser pulses.
  • the energy gap between the central wavelengths of the two laser pulse trains must correspond to the Raman resonance energies of the molecules to be examined. In order to be able to address several resonance energies and thus different types of molecules, the energy gap between the two laser pulse trains must be variable.
  • the central wavelengths of the laser pulses are usually selected in the near infrared range, since absorption (in biological material) is low in this range and the diffraction-limited spatial resolution is high.
  • picosecond pulses are used because they can provide sufficient pulse peak power for the nonlinear interaction processes (in addition to CARS and SRS, the second harmonic at interfaces (SHG), the third harmonic (THG) and fluorescence excited by multiphoton absorption (TPEF) are also interesting modalities) and on the other hand, because their relatively small spectral bandwidth is smaller than typical bandwidths of molecular vibrations (typically a few cm -1 to a few 10 cm -1 ). Accordingly, the laser pulses should not fall below a minimum pulse duration of approx. 1 ps in order to meet the requirements for spectral resolution with a limited transform bandwidth.
  • the repetition frequency of the pulses should be in the range of at least 1 MHz, ideally in the range of >10 MHz.
  • a structure based on optical fibers that generates synchronized laser pulse trains with the aforementioned parameters is known from WO 2015/063063 A1.
  • the setup includes an optical parametric oscillator (OPO) based on four-wave mixing, whereby the concept can also be implemented using an optical parametric amplifier (OPA).
  • OPO optical parametric oscillator
  • OPA optical parametric amplifier
  • the OPO converts part of the light into laser pulses at a shorter wavelength (signal wavelength) and another part into laser pulses at a longer wavelength (idler wavelength).
  • the laser pulses generated in this way can be used for (imaging) CRS procedures. Since the pumping energy is not stored during the parametric conversion in the previously known concept, the OPO must be pumped synchronously.
  • the time interval between the pump pulses, ie the laser pulses of the pump laser, must therefore correspond to the round trip time of the signal or idler radiation in the resonator of the OPO.
  • the OPO resonator mainly consists of an optical fiber whose dispersion has a significant effect on the round trip times of the radiation of the different wavelengths. If the resonator length for the signal or idler wavelength is chosen so that it is resonant to the repetition frequency of the pump laser and at the same time the four-wave mixing process overcompensates the circulation losses in the corresponding wavelength range, the laser pulses are generated at the signal and idler wavelength. If the resonator length of the OPO is changed, a different wavelength range is resonant to the pump pulses.
  • a microstructured fiber is used as the non-linear wavelength conversion medium, the phase adaptation curve of which predetermines an unambiguous assignment of the pump wavelength to the signal and idler wavelengths. That means the central wavelength of the amplification range is determined by the pump wavelength and the bandwidth of the range in which signal and idler radiation can be generated is limited by the bandwidth of the phase matching at a given pump wavelength.
  • DE 10 2016 103093 A1 is an extension of this approach and describes a synchronously pumped fiber-based OPO whose pump laser can be changed in terms of its emission wavelength and repetition rate, in such a way that the OPO is synchronously pumped for different pump wavelengths, which increases the available tuning range in terms of distance of the signal and idler wavelengths in relation to each other or to the pump wavelength is significantly increased.
  • Raman resonance frequencies can be covered (by appropriate adjustment of the difference between signal and pump or idler wavelength) between approximately 700 cm'1 and 7400 cm'1 . So far, resonance frequencies of less than 700 cm' 1 cannot be addressed with this approach, since on the one hand the four-wave mixing becomes extremely broadband near the zero-dispersion wavelength and competes with other nonlinear processes if the frequency spacing of the triplet of pump, signal and idler radiation is too small, on the other hand a dichroic one Element (e.g. a dichroic mirror or - in a fiber optic version - a WDM element) for separating or superimposing the pump, signal and idler laser pulses has a fixed spectral characteristic, but the pump wavelength changes when addressing a large tuning range .
  • a dichroic one Element e.g. a dichroic mirror or - in a fiber optic version - a WDM element
  • the object of the invention is to provide a device and a method which make it possible to reach the frequency ranges of great interest for a large number of applications in coherent Raman spectroscopy/microscopy, in particular from 0-700 cm -1 .
  • the invention achieves this object by means of a device for generating laser pulses, with a pump source set up to emit pulsed pump laser radiation with a first spectral bandwidth, a beam splitting element, set up to split the pump laser radiation into two or more separate beam paths, at least one spectral filter element, which is arranged in one of the beam paths, the spectral transmission range of the filter element being smaller than the spectral bandwidth of the pump laser radiation, and at least one optically parametric oscillator or amplifier, set up to at least partially convert the spectrally filtered pump laser radiation fed to it via one of the beam paths into laser radiation at a signal wavelength and into laser radiation at a different idler wavelength.
  • At least two spectral filter elements are provided, one of the filter elements being arranged in each case in at least two beam paths.
  • the filter elements can differ from one another in terms of their spectral transmission range, which is in each case smaller than the spectral bandwidth of the pump laser radiation.
  • the passbands can also overlap.
  • the invention solves the problem with a method for generating laser pulses, with the following steps:
  • optical parametric oscillator OPO
  • OPA optical parametric amplifier
  • the core of the invention is the division of the pump laser radiation into at least two separate beam paths.
  • the pump laser radiation with which the OPO/OPA is applied is not - as in the prior art - generated by a tunable and optionally amplified picosecond laser, but by spectrally narrow-band filtering of a broad-band emitting pump source, which is, for example, a femtosecond laser or a post-amplified femtosecond laser or a spectrally broadened ultrafast laser (pico or femtosecond laser).
  • This spectrally narrow-band filtering takes place in the beam path after the beam splitting element by means of the spectral filter element or the spectral filter elements, which are located in different beam paths.
  • the filtering can take place at different wavelengths, corresponding to the different passbands of the filter elements. However, the filtering can also take place at identical wavelengths; the tuning range of the filtering can be superimposed.
  • two or more OPOs/OPAs can be pumped from a shared pump source at different pump wavelengths.
  • the OPOs/OPAs can emit at different signal and idler wavelengths, but also at wavelengths that are arbitrarily close together in order to precisely cover the range of frequency spacing from 0 cm' 1 to 700 cm' 1 .
  • they are temporally synchronous with one another, which is a prerequisite for the above-mentioned applications in the field of coherent Raman spectroscopy/microscopy.
  • the device according to the invention thus advantageously comprises a short-pulse laser system as the pump source, the spectral bandwidth of which should be at least 10 nm, preferably at least 20 nm, more preferably at least 30 nm, even more preferably at least 40 nm, particularly preferably at least 50 nm. It is of secondary importance whether this bandwidth is generated directly by a mode-locked laser, for example, or whether it is generated downstream by spectral broadening.
  • the essentially transform-limited pulse duration of the spectrally filtered pump laser radiation in the at least two beam paths should be 0.5-100 ps, preferably 2-50 ps, for the reasons explained above.
  • the spectral bandwidth of the spectrally filtered pump laser radiation in the at least two beam paths should preferably be less than 2 nm.
  • each OPO/OPA is supplied with the spectrally filtered pump laser radiation via a beam path exclusively assigned to this OPO/OPA.
  • each OPO/OPA is assigned its own beam path.
  • the invention makes it possible to adapt or optimize various (preferably fiber-based) OPOs/OPAs, in particular the components used in them (e.g. WDMs), to a specific spectral range, as a result of which a particularly good overall performance can be achieved over a wide tuning range .
  • the range of applications is broader than that of the prior art, for example by the difference between the signal or idler wavelength of the first Beam path addressed OPOs / OPAs and the wavelength of the (preferably spectrally filtered) pump laser radiation is used in the other beam path.
  • the at least one OPO expediently has an optical resonator and a non-linear wavelength converter, which converts the filtered pump laser radiation into laser radiation at the signal wavelength and into laser radiation at the idler wavelength.
  • their non-linear wavelength converters can expediently differ from one another in terms of phase matching.
  • different non-linear fibers e.g. photonic crystal fibers
  • phase matching curves can be used as wavelength converters. This increases the flexibility and the addressable tuning range.
  • a dispersive element can be located in the OPO, which delays the laser radiation circulating in the resonator depending on the wavelength.
  • a variable delay line for changing the resonator length can be located in the resonator in order to adapt the OPO to the repetition frequency of the pump laser radiation so that it is resonant at the desired signal and idler wavelengths.
  • the repetition rate at which the pump source emits the pulsed pump laser radiation is variable.
  • the signal and idler wavelengths can be influenced—as in the cited prior art—the OPO oscillates at those wavelengths at which it is resonant at the repetition rate of the pump laser radiation.
  • a dispersive element is connected upstream of the OPO in at least one of the beam paths and is set up to impress a negative chirp on the pump laser radiation.
  • a pulse selection element is provided in at least one of the beam paths, set up to feed the pump laser radiation to the OPO at a reduced, in particular halved, repetition rate.
  • the at least one OPO/OPA is expediently set up to provide the laser radiation at the signal wavelength and/or the laser radiation at the idler wavelength at an output of the device for the respective application.
  • the device is set up to also provide the pump laser radiation, filtered or unfiltered, directly at an output via at least one of the beam paths, i.e. without the pump laser radiation being fed to an optical parametric oscillator via this beam path.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention schematically as a block diagram.
  • the device comprises, for example, a mode-locked fs fiber laser (optionally with a spectral broadening stage) which emits spectrally broadband, pulsed pump laser radiation.
  • the repetition rate of the emitted pump laser radiation is variable. If necessary, a pulse selection (pulse rate reduction), dispersive pulse stretching (to avoid undesired non-linear effects) and/or amplification can take place in an optional stage 2 downstream in the beam path.
  • the pump laser radiation then passes through a beam splitting element 3 (beam splitter), which splits the pump laser radiation into a number of (three in the example) separate beam paths. In each of the beam paths is a narrow-band spectral filter element 4, 5, 6 is provided.
  • the beam paths these lead to the generation of almost transform-limited picosecond pulses at a wavelength predetermined by the respective passband of the filter element 4, 5, 6.
  • the transmission ranges of the filter elements 4, 5, 6 can be different, but they can also overlap.
  • the repetition rate can be reduced, amplified and/or a negative chirp can be impressed.
  • the radiation that has passed through the filter element 6 is provided in the example as direct useful emission of the device at an output 10 of the device.
  • the spectrally filtered pump laser radiation is first fed to a fiber-based OPO or OPA 11 , 12 .
  • the OPOs/OPAs each convert the spectrally filtered pump laser radiation fed to them via the assigned beam path at least partially into laser radiation at a signal wavelength and into laser radiation at a different idler wavelength.
  • the signal or idler radiation generated in this way is finally made available (via suitable decoupling elements) at an output 13, 14 for the desired application as useful emission.
  • the independently operated (but still emitting in the cycle of the common pump source 1) OPOs/OPAs 11, 12 can now, depending on the design and tuning range, cover different wavelength ranges, in particular their emissions can be spectrally arbitrarily close to each other, which means that the addressing of Raman resonances between 0 cm'1 and 1000 cm'1 compared to the prior art.
  • beam paths can also be provided, so that a correspondingly larger number of OPOs/OPAs 11, 12, . . . results.
  • beam paths can be fed to a useful emission without spectral filtering, as a result of which time-synchronized spectrally broadband pulses, potentially femtosecond pulses, can be provided.
  • the wavelength-dependent round trip time must be individually adapted to the common pump source 1 in the respective resonator. Analogous to the cited prior art, this can be done by a variable delay line in the respective OPO resonator and/or by adjusting the repetition rate in the mode-locked fs oscillator of the pump source.
  • the round trip time at different wavelengths can thus be freely adapted to the round trip time of the associated signal or idler pulses in the OPO resonator and brought into agreement with the repetition rate of the pump source 1 . In this way, the OPO can be brought into resonance over its entire tuning range.
  • a suitable dispersive fiber line e.g. a suitable dispersive fiber line, or a chirped fiber Bragg grating
  • a particularly low amplitude noise is required on at least one of the two laser pulse trains required for imaging.
  • one of the OPO emissions referred to as emission A
  • emission B the other emission
  • the part in the noise spectrum at half the frequency of the repetition rate of emission B is particularly important.
  • the direct or amplified emission without non-linear frequency conversion meets the requirements with regard to the low amplitude noise.
  • this Emission be tunable in terms of wavelength (by a variable filter element 6).
  • multiple beam paths at different (independent) wavelengths can be provided at a corresponding number of outputs (not shown).
  • the ytterbium gain band (in pump source 1) supports wavelengths from 1010 nm to >1100 nm available in direct emission, which in turn makes molecular resonances between 0 cm'- 1 and 800 cm'- 1 addressable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen. Es ist Aufgabe der Erfindung, den für eine Vielzahl von Anwendungen der kohärenten Raman-Spektroskopie/Mikroskopie hochinteressanten Frequenzbereich der Molekülschwingungen von 0-700 cm-1 erreichbar zu machen. Hierzu umfasst die von der Erfindung vorgeschlagene Vorrichtung: - eine Pumpquelle (1), dazu eingerichtet, gepulste Pumplaserstrahlung mit einer ersten spektralen Bandbreite zu emittieren, - ein Strahlaufteilungselement (3), dazu eingerichtet, die Pumplaserstrahlung auf zwei oder mehr separate Strahlwege aufzuteilen, - wenigstens ein spektrales Filterelement (4, 5, 6), das in einem der Strahlwege angeordnet ist, wobei der spektrale Durchlassbereich des Filterelements (4, 5, 6) kleiner ist als die spektrale Bandbreite der Pumplaserstrahlung, und - wenigstens einen optisch parametrischen Oszillator oder Verstärker (11, 12), dazu eingerichtet, die ihm über einen der Strahlwege zugeführte, spektral gefilterte Pumplaserstrahlung zumindest zum Teil in Laserstrahlung bei einer Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei einer davon verschiedenen Idlerwellenlänge umzuwandeln. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Laseroulsen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen.
Für die kohärente Raman-Spektroskopie/Mikroskopie (CRS, z.B. CARS und SRS) werden zwei synchronisierte Laserpulszüge bei verschiedener Emissionswellenlänge benötigt und Repetitionsraten von wenigen MHz bis wenigen zehn MHz sind wünschenswert. Dabei muss der Energieabstand zwischen den Zentralwellenlängen der beiden Laserpulszüge den Raman- Resonanzenergien der zu untersuchenden Moleküle entsprechen. Um mehrere Resonanzenergien und damit verschiedene Molekülsorten adressieren zu können, muss der Energieabstand zwischen den beiden Laserpulszügen variabel sein. Die Zentralwellenlängen der Laserpulse werden meist im nahen Infrarotbereich gewählt, da in diesem Bereich die Absorption (in biologischem Material) gering ist und die beugungsbegrenzte räumliche Auflösung hoch. Typischerweise werden Pikosekundenpulse verwendet, da diese einerseits ausreichend Pulsspitzenleistung für die nichtlinearen Wechselwirkungsprozesse bieten können (neben CARS und SRS sind auch die zweite Harmonische an Grenzflächen (SHG), die dritte Harmonische (THG) sowie über Mehrphotonenabsorption angeregte Fluoreszenz (TPEF) interessante Modalitäten) und andererseits da deren relativ geringe spektrale Bandbreite kleiner ist, als typische Bandbreiten der Molekülschwingungen (typ. wenige cm-1 bis wenige 10 cm-1). Entsprechend sollten die Laserpulse eine minimale Pulsdauer von ca. 1 ps nicht unterschreiten, um bei transform limitierter Bandbreite den Anforderungen an die spektrale Auflösung zu genügen. Daher ist die Verwendung von Laserpulsen im Bereich von 1 -100 ps ein Kompromiss aus einer hohen spektralen Auflösung der Ramanresonanzen und der Erzeugung rauscharmer Messsignale durch die Anregung mit ausreichend hoher Pulsspitzenleistung bei einer verträglichen mittleren Leistung. Für schnelle Bildaufnahmen sollte darüber hinaus die Repetitionsfrequenz der Pulse im Bereich von mindestens 1 MHz liegen, idealerweise im Bereich von >10 MHz.
Ein auf optischen Fasern basierender Aufbau, der synchronisierte Laserpulszüge mit den vorgenannten Parametern erzeugt, ist aus der WO 2015/063063 A1 bekannt. Der Aufbau umfasst einen auf Vierwellenmischung basierenden optisch parametrischen Oszillator (OPO), wobei das Konzept ebenso mittels optisch parametrischen Verstärkers (OPA) umsetzbar ist. Der OPO (bzw. OPA) wandelt, abhängig von der Wellenlänge und der Repetitionsfrequenz des Pumplasers, einen Teil des Lichts in Laserpulse bei einer kleineren Wellenlänge (Signalwellenlänge) und einen anderen Teil in Laserpulse bei einer größeren Wellenlänge (Idlerwellenlänge) um. Die so erzeugten Laserpulse können für (bildgebende) CRS Verfahren verwendet werden. Da bei dem vorbekannten Konzept während der parametrischen Umwandlung die Pumpenergie nicht gespeichert wird, muss der OPO synchron gepumpt werden. Deshalb muss der zeitliche Abstand der Pumppulse, d.h. der Laserpulse des Pumplasers, der Umlaufzeit der Signal- oder Idlerstrahlung im Resonator des OPOs entsprechen. Der OPO-Resonator besteht zum größten Teil aus einer optischen Faser, deren Dispersion sich maßgeblich auf die Umlaufzeiten der Strahlung der verschiedenen Wellenlängen auswirkt. Wird die Resonatorlänge für die Signaloder Idlerwellenlänge so gewählt, dass sie resonant zur Repetitionsfrequenz des Pumplasers ist und gleichzeitig der Vierwellenmischprozess in dem entsprechenden Wellenlängenbereich die Umlaufverluste überkompensiert, werden die Laserpulse bei der Signal- und Idlerwellenlänge erzeugt. Wird die Resonatorlänge des OPOs verändert, ist ein anderer Wellenlängenbereich resonant zu den Pumppulsen. Können in diesem Wellenlängenbereich die Umlaufverluste im Resonator durch die Verstärkung im OPO weiterhin überkompensiert werden, schwingen entsprechend neue Signal- und Idlerwellenlängen an. In dem bekannten Aufbau wird eine mikrostrukturierte Faser als nichtlineares Wellenlängenkonversionsmedium verwendet, deren Phasenanpassungskurve eine eindeutige Zuordnung der Pumpwellenlänge zu den Signal- und Idlerwellenlängen vorgibt. Das bedeutet, dass die Zentralwellenlänge des Verstärkungsbereichs durch die Pumpwellenlänge festgelegt ist und die Bandbreite des Bereiches, in dem Signal- und Idlerstrahlung erzeugt werden können, durch die Bandbreite der Phasenanpassung bei gegebener Pumpwellenlänge begrenzt ist.
Die DE 10 2016 103093 A1 ist eine Erweiterung dieses Ansatzes und beschreibt einen synchron gepumpten faserbasierten OPO, dessen Pumplaser in seiner Emissionswellenlänge und Repetitionsrate veränderbar ist, in der Art, dass der OPO für verschiedene Pumpwellenlängen synchron gepumpt wird, wodurch der verfügbare Durchstimmbereich hinsichtlich des Abstands der Signal- und Idlerwellenlängen in Relation zueinander oder zur Pumpwellenlänge deutlich vergrößert wird.
Mit den bekannten Aufbauten können in der Praxis Raman-Resonanzfrequenzen (durch entsprechende Einstellung der Differenz zwischen Signal- und Pump- bzw. Idlerwellenlänge) zwischen ca. 700 cm’1 und 7400 cm’1 abgedeckt werden. Resonanzfrequenzen von weniger als 700 cm’1 sind mit diesem Ansatz bisher nicht adressierbar, da einerseits die Vierwellenmischung bei zu geringem Frequenzabstand des Triplets aus Pump-, Signal- und Idlerstrahlung nahe der Nulldispersionswellenlänge extrem breitbandig wird und mit anderen nichtlinearen Prozessen konkurriert, andererseits ein dichroitisches Element (z.B. ein dichroitischer Spiegel oder - in einer faseroptischen Ausführung - ein WDM- Element) zur Trennung bzw. Überlagerung der Pump-, Signal- und Idler- Laserpulse eine feste spektrale Charakteristik besitzt, sich bei der Adressierung eines großen Durchstimmbereiches die Pumpwellenlänge aber verändert.
Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit zu stellen, die den für eine Vielzahl von Anwendungen der kohärenten Raman-Spektroskopie/Mikroskopie hochinteressanten Frequenzbereiche, insbesondere von 0-700 cm’1 erreichbar machen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen, mit einer Pumpquelle, dazu eingerichtet, gepulste Pumplaserstrahlung mit einer ersten spektralen Bandbreite zu emittieren, einem Strahlaufteilungselement, dazu eingerichtet, die Pumplaserstrahlung auf zwei oder mehr separate Strahlwege aufzuteilen, wenigstens einem spektralen Filterelement, das in einem der Strahlwege angeordnet ist, wobei der spektrale Durchlassbereich des Filterelements kleiner ist als die spektrale Bandbreite der Pumplaserstrahlung, und wenigstens einem optisch parametrischen Oszillator oder Verstärker, dazu eingerichtet, die ihm über einen der Strahlwege zugeführte, spektral gefilterte Pumplaserstrahlung zumindest zum Teil in Laserstrahlung bei einer Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei einer davon verschiedenen Idlerwellenlänge umzuwandeln.
Bei einer möglichen Ausgestaltung sind wenigstens zwei spektrale Filterelemente vorgesehen, wobei in wenigstens zwei Strahlwegen jeweils eines der Filterelemente angeordnet ist. Dabei können sich die Filterelemente hinsichtlich ihres spektralen Durchlassbereiches, der jeweils kleiner ist als die spektrale Bandbreite der Pumplaserstrahlung, voneinander unterscheiden. Die Durchlassbereiche können aber auch überlappen.
Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den folgenden Schritten:
Erzeugen von gepulster Pumplaserstrahlung mit einer ersten spektralen Bandbreite,
Aufteilung der Pumplaserstrahlung auf zwei oder mehr Strahlwege, spektrale Filterung der Pumplaserstrahlung in wenigstens einem, vorzugsweise in wenigstens zwei Strahlwegen, wobei der spektrale Durchlassbereich der Filterung jeweils kleiner ist als die spektrale Bandbreite der Pumplaserstrahlung, und
Konversion der über wenigstens einen der Strahlwege zugeführten, spektral gefilterten Pumplaserstrahlung in einem optisch parametrischen Prozess in Laserstrahlung bei einer Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei einer davon verschiedenen Idlerwellenlänge.
Wenn in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen der Begriff des optisch parametrischen Oszillators (OPO) verwendet wird, soll davon stets alternativ auch ein optisch parametrischer Verstärker (OPA) erfasst sein, d.h. auch wenn diese Alternative nicht ausdrücklich genannt ist.
Die von den vorbekannten Vorrichtungen bekannten Vorteile des faseroptischen OPOs bzw. OPAs, d.h. dessen Stabilität sowie exzellente Kompatibilität zu faseroptischen Pumpquellen und faseroptischen Resonatorelementen, bleiben auch bei dem Ansatz der Erfindung erhalten. Hinsichtlich der Ausgestaltung des OPOs und der Vorgehensweise zur Veränderung der Signal- und Idlerwellenlängen werden die Inhalte der oben zitierten WO 2015/063063 A1 und DE 10 2016 103093 A1 hier voll inhaltlich einbezogen.
Der Kern der Erfindung ist die Aufteilung der Pumplaserstrahlung auf mindestens zwei separate Strahlwege. Dabei wird die Pumplaserstrahlung, mit der der OPO/OPA beaufschlagt wird, nicht - wie im Stand der Technik - durch einen durchstimmbaren und optional verstärkten Pikosekundenlaser erzeugt, sondern durch eine spektral schmalbandige Filterung einer breitbandig emittierenden Pumpquelle, bei der es sich z.B. um einen Femtosekundenlaser oder einen nachverstärkten Femtosekundenlaser oder einen spektral verbreiterten Ultrakurzpulslaser (Piko- oder Femtosekundenlaser) handeln kann. Diese spektral schmalbandige Filterung erfolgt im Strahlverlauf nach dem Strahlaufteilungselement mittels des spektralen Filterelements bzw. der spektralen Filterelemente, die sich in unterschiedlichen Strahlwegen befinden. Die Filterung kann bei unterschiedlichen Wellenlängen erfolgen, entsprechend den unterschiedlichen Durchlassbereichen der Filterelemente. Die Filterung kann aber auch bei identischen Wellenlängen erfolgen, der Durchstimmbereich der Filterung kann überlagern. So können bei möglichen Ausgestaltungen zwei oder mehr OPOs/OPAs von einer gemeinsam genutzten Pumpquelle bei verschiedenen Pumpwellenlängen gepumpt werden. Die OPOs/OPAs können entsprechend bei verschiedenen Signal- und Idlerwellenlängen emittieren, aber eben auch bei beliebig nah beieinander liegenden Wellenlängen, um genau den Bereich der Frequenzabstände von 0 cm’1 bis 700 cm’1 abzudecken. Darüber hinaus sind sie zeitlich synchron zueinander, was Voraussetzung für die oben genannten Anwendungen im Bereich der kohärenten Raman-Spektros- kopie/Mikroskopie ist. Vorteilhaft umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung somit als Pumpquelle ein Kurzpulslasersystem, dessen spektrale Bandbreite wenigstens 10 nm, vorzugsweise wenigstens 20 nm, weiter bevorzugt wenigstens 30 nm, noch weiter bevorzugt wenigstens 40 nm, besonders bevorzugt wenigstens 50 nm betragen sollte. Dabei ist es zweitrangig, ob diese Bandbreite z.B. von einen modengekoppelten Laser direkt erzeugt wird oder diese nachgeschaltet durch spektrale Verbreiterung erzeugt wird.
Für Anwendungen im Bereich der kohärenten Raman-Mikroskopie/- Spektroskopie sollte aus den oben erläuterten Gründen die im Wesentlichen transform limitierte Pulsdauer der spektral gefilterten Pumplaserstrahlung in den wenigstens zwei Strahlwegen 0,5-100 ps, vorzugsweise 2-50 ps betragen. Gleichzeitig sollte die spektrale Bandbreite der spektral gefilterten Pumplaserstrahlung in den wenigstens zwei Strahlwegen vorzugsweise weniger als 2 nm betragen.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist wenigstens ein weiterer OPO/OPA vorgesehen, wobei jedem OPO/OPA die spektral gefilterte Pumplaserstrahlung über einen nur jeweils diesem OPO/OPA exklusiv zugeordneten Strahlweg zugeführt wird. Jedem OPO/OPA ist also, mit anderen Worten, ein eigener Strahlweg zugeordnet. Die Erfindung ermöglicht es, verschiedene (vorzugsweise faserbasierte) OPOs/OPAs, insbesondere die in ihnen zum Einsatz kommenden Komponenten (z.B. WDMs), jeweils auf einen bestimmten Spektralbereich anzupassen bzw. zu optimieren, wodurch eine besonders gute Gesamtperformance über einen breiten Durchstimmbereich erzielt werden kann.
Insbesondere können durch den Einsatz von zwei oder mehr OPOs/OPAs beliebig geringe Wellenlängenabstände (z.B. zwischen der Signalwellenlänge des einen OPOs und der Signalwellenlänge des anderen OPOs) erzeugt werden und damit Molekülresonanzen im Frequenzbereich < 700 cm’1 adressiert werden.
Bereits bei Verwendung nur eines einzigen OPOs/OPAs ergibt sich jedoch ein gegenüber dem Stand der Technik erweitertes Anwendungsspektrum, indem z.B. die Differenz zwischen Signal- oder Idlerwellenlänge des über den ersten Strahlweg angesprochenen OPOs/OPAs und der Wellenlänge der (vorzugsweise spektral gefilterten) Pumplaserstrahlung in dem anderen Strahlweg genutzt wird.
Zweckmäßig weist der wenigstens eine OPO einen optischen Resonator und einen nichtlinearen Wellenlängenkonverter auf, der die gefilterte Pumplaserstrahlung in Laserstrahlung bei der Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei der Idlerwellenlänge umwandelt. Bei zwei oder mehr OPOs können sich deren nichtlineare Wellenlängenkonverter zweckmäßig hinsichtlich der Phasenanpassung voneinander unterscheiden. Bei faserbasierten OPOs in den unterschiedlichen Strahlwegen können als Wellenlängenkonverter verschiedene nichtlineare Fasern (z.B. photonische Kristallfasern) mit verschiedenen Phasenanpassungskurven eingesetzt werden. Es erhöht sich dadurch die Flexibilität und der adressierbare Durchstimmbereich.
Wie in dem angeführten Stand der Technik kann sich in dem OPO jeweils ein dispersives Element befinden, das die in dem Resonator umlaufende Laserstrahlung wellenlängenabhängig verzögert. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Resonator jeweils eine variable Verzögerungsstrecke zur Veränderung der Resonatorlänge befinden, um den OPO an die Repetitionsfrequenz der Pumplaserstrahlung anzupassen, damit dieser bei gewünschten Signal- und Idlerwellenlängen resonant ist.
Bei einer möglichen Ausgestaltung ist die Repetitionsrate, mit der die Pumpquelle die gepulste Pumplaserstrahlung emittiert, variabel. Dadurch können - wie in dem angeführten Stand der Technik - die Signal- und Idlerwellenlängen beeinflusst werden, der OPO schwingt auf diejenigen Wellenlängen ein, bei denen er bei der Repetitionsrate der Pumplaserstrahlung resonant ist.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist in wenigstens einem der Strahlwege dem OPO ein dispersives Element vorgeschaltet, dazu eingerichtet, der Pumplaserstrahlung einen negativen Chirp aufzuprägen. Dadurch kann insgesamt eine spektrale Kompression der am Ende von der Vorrichtung emittierten Laserpulse erreicht werden. Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist in wenigstens einem der Strahlwege ein Pulsselektionselement vorgesehen ist, dazu eingerichtet, dem OPO die Pumplaserstrahlung bei einer reduzierten, insbesondere halbierten Repetitionsrate zuzuführen.
Zweckmäßig ist der wenigstens eine OPO/OPA dazu eingerichtet, die Laserstrahlung bei der Signalwellenlänge und/oder die Laserstrahlung bei der Idlerwellenlänge an einem Ausgang der Vorrichtung für die jeweilige Anwendung bereitzustellen. Bei einer möglichen Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, über wenigstens einen der Strahlwege auch die Pumplaserstrahlung gefiltert oder ungefiltert direkt an einem Ausgang bereitzustellen, d.h. ohne dass die Pumplaserstrahlung über diesen Strahlweg einem optisch parametrischen Oszillator zugeführt wird.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten anhand des nachfolgenden Textes mit Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch als Blockdiagramm.
Die Vorrichtung umfasst als Pumpquelle 1 z.B. einen modengekoppelten fs- Faserlaser (optional mit spektraler Verbreiterungsstufe) der spektral breitbandige gepulste Pumplaserstrahlung emittiert. Die Repetitionsrate der emittierten Pumplaserstrahlung ist dabei variabel. In einer im Strahlverlauf nachgeordneten optionalen Stufe 2 können, falls erforderlich, eine Pulsselektion (Pulsratenreduktion), eine dispersive Pulsstreckung (zur Vermeidung unerwünschter nichtlinearer Effekte) und/oder eine Verstärkung erfolgen. Nachfolgend durchläuft die Pumplaserstrahlung ein Strahlaufteilungselement 3 (Strahlteiler), welches die Pumplaserstrahlung auf mehrere (in dem Beispiel drei) separate Strahlwege aufteilt. In jedem der Strahlwege ist ein schmalbandiges spektrales Filterelement 4, 5, 6 vorgesehen. Diese führen in den Strahlwegen jeweils zur Erzeugung nahezu transform-limitierter Pikosekundenpulse bei durch den jeweiligen Durchlassbereich des Filterelementes 4, 5, 6 vorgegebener Wellenlänge. Die Durchlassbereiche der Filterelemente 4, 5, 6 können unterschiedlich sein, aber auch überlappen. Optional können in jedem Kanal in einer nachgeschalteten Stufe 7, 8, 9 eine Reduktion der Repetitionsrate, eine Verstärkung und/oder die Aufprägung eines negativen Chirps erfolgen. Die Strahlung, die das Filterelement 6 durchlaufen hat, wird in dem Beispiel als direkte Nutzemission der Vorrichtung an einem Ausgang 10 der Vorrichtung bereitgestellt. In den anderen beiden Strahlwegen wird die spektral gefilterte Pumplaserstrahlung jeweils zunächst einem faserbasierten OPO bzw. OPA 11 , 12 zugeführt. Bezüglichen deren konkreter Ausgestaltung sei auf den oben mehrfach zitierten Stand der Technik verwiesen. Die OPOs/OPAs wandeln jeweils die ihnen über den zugeordneten Strahlweg zugeführte, spektral gefilterte Pumplaserstrahlung zumindest zum Teil in Laserstrahlung bei einer Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei einer davon verschiedenen Idlerwellenlänge um. Die so erzeugte Signal- bzw. Idlerstrahlung wird (über geeignete Auskoppelelemente) schließlich jeweils an einem Ausgang 13, 14 für die gewünschte Anwendung als Nutzemission bereitgestellt. Die unabhängig betriebenen (aber dennoch im Takt der gemeinsamen Pumpquelle 1 emittierenden) OPOs/OPAs 11 , 12 können nun, je nach Auslegung und Durchstimmbereich, verschiedene Wellenlängenbereiche abdecken, insbesondere können deren Emissionen spektral beliebig nah beieinander liegen, was die Adressierung von Raman-Resonanzen zwischen 0 cm’1 und 1000 cm’1 gegenüber dem Stand der Technik erheblich vereinfacht.
Statt der dargestellten drei Strahlwege können auch mehr Strahlwege vorgesehen sein, so dass sich eine entsprechende größere Zahl von OPOs/OPAs 11 , 12, ... ergibt. Ebenso können Strahlenwege ohne spektrale Filterung einer Nutzemission zugeführt werden, wodurch zeitlich synchronisierte spektral breitbandige Pulse, potenziell also Femtosekundenpulse, bereitgestellt werden können.
Zu erwähnen ist, dass zum Erreichen der Synchronität (der Pumppulse zu den Signal- oder Idlerpulsen) in den verschiedenen OPOs 11 , 12, ... die wellenlängenabhängige Umlaufzeit in deren jeweiligem Resonator individuell an die gemeinsame Pumpquelle 1 angepasst werden muss. Analog zu dem zitierten Stand der Technik kann dies durch eine variable Verzögerungsstrecke im jeweiligen OPO-Resonator und/oder durch Anpassung der Repetitionsrate in dem modengekoppelten fs-Oszillator der Pumpquelle erfolgen.
In einem der OPOs 11 , 12, ... kann eine Verzögerungsstrecke im modengekoppelten Oszillator oder im OPO Resonator als Freistrahlaufbau oder faseroptisch realisiert sein. So kann die Umlaufzeit bei verschiedenen Wellenlängen an die Umlaufzeit der zugehörigen Signal- bzw. Idlerpulse im OPO- Resonator frei angepasst und in Übereinstimmung mit der Repetitionsrate der Pumpquelle 1 gebracht werden. So kann der OPO über dessen gesamten Durchstimmbereich in Resonanz gebracht werden.
Alle weiteren OPOs/OPAs 11 , 12, ... , die in den anderen Strahlwegen nach der jeweiligen Filterung bei anderen Pumpwellenlängen getrieben werden und die nichtlineare Wellenlängenkonverter (z.B. nichtlineare Fasern) mit abweichender Phasenanpassung nutzen, benötigen, nachdem der eine OPO/OPA bereits an die Repetitionsrate der gemeinsamen Pumpquelle 1 angepasst ist, eine eigene wellenlängenabhängige Verzögerungsstrecke (z.B. eine geeignete dispersive Faserstrecke, oder ein gechirptes Faser-Bragg Gitter), um in Resonanz mit der Pumpquelle 1 bei dem jeweiligen spezifischen Arbeitspunkt hinsichtlich der Wellenlängen des Pump-/Signal-/Idler Laserpuls-Tripels zu sein.
Für SRS-Anwendungen (Stimulated Raman Scattering Microscopy) ist ein besonders geringes Amplitudenrauschen auf mindestens einer der beiden zur Bildgebung nötigen Laserpulszüge erforderlich. Hierbei kann zum Beispiel eine der OPO-Emissionen (als Emission A bezeichnet) mit halber Repetitionsrate der anderen Emission (Emission B) betrieben werden (z.B. per in dem betreffenden Strahlweg dem OPO vorgeschalteter Pulsselektion). Dann ist insbesondere der Anteil im Rauschspektrum bei der halben Frequenz der Repetitionsrate von Emission B entscheidend. Insbesondere die direkte bzw. verstärkte Emission ohne nichtlineare Frequenzkonversion (am Ausgang 10 in Fig. 1 ) erfüllt die Anforderungen hinsichtlich des geringen Amplitudenrauschens. Ausgehend von der spektralen Filterung der breitbandigen Pumplaserstrahlung kann diese Emission hinsichtlich der Wellenlänge durchstimmbar sein (durch ein variables Filterelement 6). Ebenso können mehrere Strahlwege bei verschiedenen (voneinander unabhängigen) Wellenlängen an einer entsprechenden Anzahl von Ausgängen bereitgestellt werden (nicht dargestellt). Das Ytterbium- Verstärkungsband (in der Pumpquelle 1 ) unterstützt Wellenlängen von 1010 nm bis > 1100 nm, die in der direkten Emission verfügbar sind, was wiederum Molekülresonanzen zwischen 0 cm’1 und 800 cm’1 adressierbar macht.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen, mit einer Pumpquelle (1 ), dazu eingerichtet, gepulste Pumplaserstrahlung mit einer ersten spektralen Bandbreite zu emittieren, einem Strahlaufteilungselement (3), dazu eingerichtet, die Pumplaserstrahlung auf zwei oder mehr separate Strahlwege aufzuteilen, wenigstens einem spektralen Filterelement (4, 5, 6), das in einem der Strahlwege angeordnet ist, wobei der spektrale Durchlassbereich des Filterelements (4, 5, 6) kleiner ist als die spektrale Bandbreite der Pumplaserstrahlung, und wenigstens einem optisch parametrischen Oszillator oder Verstärker (11 , 12), dazu eingerichtet, die ihm über einen der Strahlwege zugeführte, spektral gefilterte Pumplaserstrahlung zumindest zum Teil in Laserstrahlung bei einer Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei einer davon verschiedenen Idlerwellenlänge umzuwandeln.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei wenigstens zwei spektrale Filterelemente (4, 5, 6) vorgesehen sind, wobei in wenigstens zwei Strahlwegen jeweils eines der Filterelemente (4, 5, 6) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei sich die Filterelemente (4, 5, 6) hinsichtlich ihres spektralen Durchlassbereiches, der jeweils kleiner ist als die spektrale Bandbreite der Pumplaserstrahlung, voneinander unterscheiden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die spektrale Bandbreite der spektral gefilterten Pumplaserstrahlung in den wenigstens zwei Strahlwegen weniger als 4 nm, vorzugsweise weniger als 2nm, vorzugsweise weniger als 1 nm beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Pumpquelle (1 ) einen modengekoppelten Laser, z.B. ein fs-Lasersystem, ein spektral verbreitertes fs-Lasersystem bzw. ps-Lasersystem umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die spektrale Bandbreite der von der Pumpquelle (1 ) emittierten Pumplaserstrahlung wenigstens 10 nm, vorzugsweise wenigstens 20 nm, weiter bevorzugt wenigstens 30 nm, noch weiter bevorzugt wenigstens 40 nm, besonders bevorzugt wenigstens 50 nm beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit wenigstens einem weiteren optisch parametrischen Oszillator oder Verstärker (11 , 12), wobei jedem optisch parametrischen Oszillator oder Verstärker (11 , 12) die spektral gefilterte Pumplaserstrahlung über einen diesem optisch parametrischen Oszillator oder Verstärker (11 , 12) zugeordneten Strahlweg zugeführt wird.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der wenigstens ein optisch parametrischer Oszillator (1 1 , 12) einen optischen Resonator aufweist und einen nichtlinearen Wellenlängenkonverter, der die gefilterte Pumplaserstrahlung in Laserstrahlung bei der Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei der Idlerwellenlänge umwandelt.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 und 8, wobei sich die nichtlinearen Wellenlängenkonverter der zwei oder mehr optisch parametrischen Oszillatoren (11 , 12) hinsichtlich der Phasenanpassung voneinander unterscheiden
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei sich in dem optischen Resonator ein dispersives Element befindet, das die in dem Resonator um laufende Laserstrahlung wellenlängenabhängig verzögert. 14
11 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei sich in dem Resonator wenigstens eines der optisch parametrischen Oszillatoren (11 , 12) eine variable Verzögerungsstrecke zur Veränderung der Resonatorlänge befindet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei die Repetitionsrate, mit der die Pumpquelle (1 ) die gepulste Pumplaserstrahlung emittiert, variabel ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei in wenigstens einem der Strahlwege dem optisch parametrischen Oszillator (11 , 12) ein dispersives Element vorgeschaltet ist, dazu eingerichtet, der Pumplaserstrahlung einen negativen Chirp aufzuprägen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei in wenigstens einem der Strahlwege ein Pulsselektionselement (7, 8, 9) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der wenigstens eine optisch parametrische Oszillator oder Verstärker (11 , 12) dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung bei der Signalwellenlänge und/oder die Laserstrahlung bei der Idlerwellenlänge an einem Ausgang (13, 14) der Vorrichtung bereitzustellen.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dazu eingerichtet, über wenigstens einen der Strahlwege die Pumplaserstrahlung gefiltert oder ungefiltert an dem Ausgang (10) bereitzustellen, d.h. ohne dass die Pumplaserstrahlung über diesen Strahlweg einem optisch parametrischen Oszillator (11 , 12) zugeführt wird.
17. Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen, mit den folgenden Schritten:
Erzeugen von gepulster Pumplaserstrahlung mit einer ersten spektralen Bandbreite, 15
Aufteilung der Pumplaserstrahlung auf zwei oder mehr Strahlwege, spektrale Filterung der Pumplaserstrahlung in wenigstens einem, vorzugsweise in wenigstens zwei Strahlwegen, wobei der spektrale Durchlassbereich der Filterung jeweils kleiner ist als die spektrale Bandbreite der Pumplaserstrahlung, und
Konversion der über wenigstens einen der Strahlwege zugeführten, spektral gefilterten Pumplaserstrahlung in einem optisch parametrischen Prozess in Laserstrahlung bei einer Signalwellenlänge und in Laserstrahlung bei einer davon verschiedenen Idlerwellenlänge.
18. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Quelle von zwei oder mehr synchronisierten Laserpulszügen für die kohärente Raman-Spektroskopie oder -Mikroskopie.
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