DD233248A1

DD233248A1 - Verfahren und anordnung zur erzeugung ultrakurzer lichtimpulse

Info

Publication number: DD233248A1
Application number: DD84271810A
Authority: DD
Inventors: Karl-Ernst Suesse; Frank Weidner
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-02-19
Also published as: CA1257677A; JPS61156893A; GB2169439B; GB8531472D0; JPH0240223B2; US4696009A; DE3540851A1; GB2169439A

Abstract

Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, die sowohl nach ihrer Wellenlaenge als auch der Impulsdauer abstimmbar sind. Anwendungsgebiete sind die Spektroskopie, Photobiologie und die Medizin. Die Aufgabe, auch bei Erhoehung der Pumpenergie weit ueber den Schwellwert des aktiven Lasermediums hinaus ultrakurze Lichtimpulse einstellbarer Wellenlaenge zu erzeugen, die auch bei Konstanthalten der Pumpimpulsbreite in ihrer Impulsdauer definiert veraendert werden koennen, wird dadurch geloest, dass bei einem nach dem Prinzip der verteilten Rueckkopplung arbeitenden Laser zusaetzlich zu zwei ersten Lichtbuendeln, die sich im aktiven Lasermedium ueberlagern, ein drittes Teilbuendel zur Veraenderung der Photonenflussdichte der Pumpstrahlung dem aktiven Lasermedium zugefuehrt wird. Die Zufuehrung erfolgt entweder direkt in den lasererzeugenden Bereich oder in einen Bereich des aktiven Mediums, durch den die erzeugten Laserimpulse hindurchtreten. Beide Bereiche sind zueinander verschiebbar. Das Verhaeltnis der Energien der ersten beiden Teilbuendel relativ zum dritten ist veraenderbar. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, die sowohl nach ihrer Wellenlänge als auch der Impulsdauer abstimmbar sind.

Sie findet breite Anwendung, insbesondere in der Spektroskopie, der Photobiologie und der Medizin.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Neben konventionellen Lasern mit Spiegel resonatoren gewinnen zunehmend Laser mit verteilter Rückkopplung an Bedeutung.

Es ist bekannt, daß selbst bei relativ langen Pumpimpulsen (einige Nanosekunden) durch Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) einzelne Laserimpulse mit wenigen Pikosekunden Dauer erzeugt werden können.

Dazu darf nach der DE-OS 2900728 die Energie des Pumplasers die Schwellenergie des DFB-Lasers um höchstens 20% überschreiten. Dies schließt jedoch die Erzeugung intensiver kurzer Einzelimpulse aus.

Als Ausweg wurden DFB-Laser mit nachgeschalteten Verstärkerstufen verwendet, was jedoch den technischen Aufwand enorm erhöht.

Eine Veränderung der Impulsdauer der auf diese Weise erzeugten Impulse ist über die Pumpimpulsbreite nur beschränkt möglich.

Zur Erzeugung der Rückkopplung in DFB-Lasern ist die Modulation des Brechungsindex oder des Verstärkungsfaktors im aktiven Medium notwendig. Letzteres wird üblicherweise durch die Interferenz zweier Teilstrahlen eines Pumplasers erreicht. Die als Strahlteiler verwendeten Spiegel weisen folgende Nachteile auf:

1. Eine geringe räumliche und zeitliche Kohärenz der Pumpstrahlung wirkt sich unmittelbar nachteilig auf die Sichtbarkeit des zu erzeugenden Interferenzmusters aus.

2. Mit den bekannten Strahlteilerschichten kann keine polarisationsunabhängige Strahlteilung gewährleistet werden. Die Sichtbarkeit der Verstärkungsmodulation verringert sich.

3. Die Strahlteilerschichten verursachen insbesondere für den zur Anregung von DFB-Lasern wichtigen UV-Strahlungsbereich merkliche Intensitätsverluste. Das wirkt sich nachteilig auf die Energie und Halbwertsbreite der entstehenden DFB-Impulse aus.

Nach der DE-OS 2900728 ist es bekannt, als Strahlenteiler für DFB-Laser ein holographisches Gitter zu verwenden, wobei die notwendige Rückkopplung im DFB-Laser durch die Interferenz der vom Gitter ausgehenden Teilstrahlen der ± 1. Ordnung erzeugt wird.

Nachteilig an dieser Lösung ist die Begrenzung der Pumpenergie, wodurch die Energie der erzeugten Laserimpulse beschränkt bleibt.

el der Erfindung

3 ist deshalb das Ziel der Erfindung bei Beseitigung der Nachteile des Standes der Technik, mit geringem technischen Aufwand e vorhandene Pumpenergie in vollem Maße auszunutzen und eine wesentliche Energieerhöhung bei ultrakurzen chtimpulsen mit abstimmbarer Wellenlänge und Impulsdauer zu erreichen.

arlegung des Wesens der Erfindung

ie Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine technische Lösung zu entwickeln, die es gestattet, auch bei Erhöhung der jmpenergie weit über den Schwellwert des aktiven Lasermediums hinaus, ultrakurze Lichtimpulse einstellbarer Wellenlänge ι erzeugen, die auch bei Konstanthalten der Pumpimpulsbreite in ihrer Impulsdauer definiert verändert werden können.

ie Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, bei dem zwei Teilbündel eines zumindest "inähernd kohärenten Strahlenbündels einem aktiven Lasermedium zur Bildung eines Interferenzmusters sich überlagernd igeführt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich zu den ersten beiden Teilbündeln dem aktiven Lasermedium η aus dem Strahlenbündel gebildetes drittes Teilbündel zur Veränderung der Photonenflußdichte der Pumpstrahlung im sererzeugenden Bereich zugeführt wird.

ie Zuführung dieses dritten Teilbündels erfolgt entweder direkt in den lasererzeugenden Bereich oder in einen Bereich des ctiven Mediums, durch den die erzeugten Laserimpulse hindurchtreten. Durch Verschiebung des lasererzeugenden Bereiches sgenüber dem Bereich, in den das dritte Teilbündel eintritt und/oder durch Veränderung des Verhältnisses der Energien der •sten beiden Teilbündel relativ zum dritten Teilbündel wird die Photonenflußdichte der Pumpstrahlung im aktiven Medium und amit insbesondere im lasererzeugenden Bereich verändert.

egenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, bei der im Strahlenbündel ner zumindest annähernd kohärenten Pumpstrahlungsquelle nacheinander Mittel zur Fokussierung und Erzeugung zweier jhärenter Teilbündel angeordnet und jedem Teilbündel eine Umlenkeinheit zum Zusammenführen beider Teilbündel und zur terferenzmusterbildung in einem aktiven Lasermedium zugeordnet sind. Erfindungsgemäß ist neben den ersten beiden silbündeln, die in einem ersten, lasererzeugenden Bereich auf das aktive Lasermedium treffen, ein drittes Teilbündel auf einen veiten, dem ersten im wesentlichen benachbarten Bereich des aktiven Lasermediums, durch den die erzeugten Lichtimpulse ndurchtreten, gerichtet. Es sind sowohl Mittel zum Verschieben der beiden Bereiche zueinander als auch Mittel zur Regelung 2r Energie der ersten beiden Teilbündel relativ zum dritten Teilbündel vorgesehen.

'ährend für die ersten beiden Teilbündel die beiden ersten Ordnungen eines Transmissions- oder Reflexionsgitters verwendet erden, stellt das dritte Teilbündel die nullte Ordnung dar. Zur Regelung der Energie der ersten beiden Teilbündel relativ zum ^ritten Teilbündel weist das Gitter parallel zu seiner Strichrichtung einen sich ändernden Kontrast auf und ist in Strich richtung ilativ zum Strahlenbündel der Pumpstrahlungsquelle verschiebbar.

jm Verschieben der beiden Teile zueinander ist vorteilhafterweise entweder zwischen der Anregungsquelle und den Mitteln ir Fokussierung eine verkippbare, planparallele Platte angeordnet,.defen Kippachse parallel zur Strichrichtung des Gitters srläuft oder die Mittel zur Fokussierung, das Gitter, die Umlenkeinheiten und das aktive Lasermedium sind auf einem smeinsamen Träger befestigt, der in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels der jmpstrahlungsquelle und senkrecht zur Strichrichtung des Gitters verschiebbar ist oder nur die Umlenkeinheiten und das ctive Lasermedium sind auf dem besagten gemeinsamen Träger befestigt.

urch die Interferenz der beiden ersten Teilbündel wird im aktiven Lasermedium eine Modulation des Verstärkungsfaktors reicht, so daß es zur Ausbildung eines DFB-Lasers kommt.

ntersuchungen haben gezeigt, daß die Energie, die Halbwertsbreite und die Form der entstehenden DFB-Impulse primär durch e Photonenflußdichte der Pumpstrahlung bestimmt werden.

t im Gebiet der verteilten Rückkopplung die Photonenflußdichte über die gesamte Dauer des Pumpimpulses relativ hoch, so Ttstehen relativ lange und strukturierte Impulse.

t jedoch die Photonenflußdichte nur im Gebiet des Maximums der Intensität des Pumpimpulses hinreichend hoch, so entstehen sgenüber der Dauer des Pumpimpulses relativ kurze Impulse in Abhängigkeit von den Eigenschaften des aktiven Mediums.

urch den Einsatz des dritten Teilbündels, das durch die Verschiebung der beiden Bereiche zueinander in der beschriebenen 'eise vollständig, teilweise oder nicht in das Gebiet der verteilten Rückkopplung fällt, sowie zusätzlich durch die Regelung des erhältnisses der Energie der beiden ersten Teilbündel relativ zum dritten Teilbündel ist die Photonenflußdichte der jmpstrahlung regelbar. Da die erzeugten Lichtimpulse den zweiten Bereich durchlaufen, der entweder direkt an der Erzeugung sr Laserstrahlung teilnimmt oder als Verstärkerwirkt, trägt sämtliche Energie der Pumpstrahlung zur Energie der aus dem rtiven Medium austretenden Strahlung bei.

ie gesamte Pumpstrahlung steht unmittelbar zur Erzeugung der Laserstrahlung zur Verfügung, wenn das dritte Teilbündel Dllständig in das Gebiet der verteilten Rückkopplung fällt. Bei Einstrahlung des dritten Teilbündels neben das Gebiet der 3rteilten Rückkopplung werden die DFB-Impulse verstärkt. Zwischenstufen werden erreicht, falls sich der Bereich des dritten silbündels und der lasererzeugende Bereich teilweise überlappen.

ie erfindungsgemäße Lösung gestatte somit durch Regelung der Photonenflußdichte im lasererzeugenden Bereich die rzeugung sehr Kurzer Lichtimpulse, deren Impulsdauer und Frequenzu abstimmbar ist und deren Energie auf Grund der srhandenen Nachverstärkung nur durch die Zerstörungsschweile des aktiven Mediums begrenzt ist. Die Abstimmung der equenz erfolgt in bereits für DFB-Laser bekannter Weise.

Ausf ü hrungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer planparallelen Platte zur Strahlverschiebung Fig. 2 eine erfindungsgemäße Anordnung mit gemeinsamer Verschiebung der Bauelemente zum Anregungsstrahl In Fig. 1 sind eine als Impulslaser 1 ausgebildeten Anregungsstrahlungsquelle entlang des ausgesendeten, annähernd kohärenten Strahlenbündels 2 eine planparallele Platte 3, eine Zylinderlinse 4 und ein holographisches Gitter 5 nachgeordnet.

In vom Gitter 5 erzeugten Teilbündeln 6,7, die im vorliegenden Beispiel Strahlenbündel der ± I.Ordnung sind, sind Umlenkspiegel 8,9 angeordnet, die die beiden Teilbündel 6,7 in einem aktiven Lasermedium 10, das in einer Küvette untergebracht ist, zusammenführen.

Ineinem Überlagerungsbereich 12, dem Gebiet der verteilten Rückkopplung, bildet sich ein Interferenzmuster aus. Senkrecht zu den Ebenen dieses Interferenzmusters treten Laserimpulse 13 aus dem aktiven Lasermedium 10 aus.

Die zur weiteren Verwendung vorgesehenen Laserimpulse 13 verlaufen dabei durch einen Bereich 15, auf den das vom Gitter 5 ausgehende Teilbündel 14 der nullten Ordnung gerichtet ist.

Eine Veränderung derPhotonenflußdichte im Gebiet der verteilten Rückkopplung, durch die die erzeugten Laserimpulse 13 in den Parametern Energie, Halbwertsbreite und Form beeinflußbar sind, erfolgt in der nachfolgend beschriebenen Weise:

Durch eine Drehung der planparallelen Platte 3 um eine zu den Gitterlinien 16 parallel angeordnete Drehachse 17 wird das Strahlenbündel 2 parallel verschoben, so daß sich der Ausgangsort für die Erzeugung der Teilbündel 6,7 und 14 am Gitter 5 verschiebt, infolgedessen sich durch seitliche Verschiebung des Strahlenbündels 14 und unterschiedliche Einfallswinkel α, β eine Verschiebung der Bereiche 12 und 15 zueinander ergibt. Außerdem besitzt das Gitter 5 zur Veränderung der Energien der Teilbündel 6 und 7 zum Teilbündel 14 einen sich parallel zur Strichrichtung ändernden Kontrast und ist in Strichrichtung relativ zum Strahlenbündel 2 verschiebbar angeordnet.

In Fig. 2 sind die Zylinderlinse 4, das Gitter 5, die Umlenkspiegel 8,9 und das in der Küvette 11 befindliche Lasermedium 10 auf eiern gemeinsamen Träger 18 angeordnet, der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels 2 verschiebbar ist.

Durch die Verschiebung des Trägers 18 in der dargestellten Richtung wird ebenfalls, wie das Drehen der Platte 3, eine Verschiebung der Bereiche 12 und 15 zueinander bewirkt. Es ist auch möglich, nur die Umlenkspiegel 8,9 und die Küvette 11 auf dem gemeinsamen Träger 18 anzuordnen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, bei dem zwei Teilstrahlenbündel eines zumindest annnähernd kohärenten Strahlenbündels einem aktiven Lasermedium zur Bildung eines Interferenzmusters sich überlagernd zugeführt werden, gekennzeichnet dadurch, daß zusätzlich zu den ersten beiden Teilbündeln dem aktiven Lasermedium ein aus dem Strahlenbündel gebildetes drittes Teilbündel zur Veränderung der Photonenf lußdichte der Pumpstrahlung im lasererzeugenden Bereich zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das dritte Teilbündel einem dem lasererzeugenden Bereich benachbarten Bereich des aktiven Lasermediums, durch den die erzeugten Lichtimpulse hindurchtreten, zugeführt wird und beide Bereiche zur Veränderung der Photonenflußdichte der Pumpstrahlung zueinander verschoben werden, so daß beide sich vollständig, teilweise oder nicht überlappen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß zur Veränderung der Photonenflußdichte der Pumpstrahlung das Verhältnis der Energien der ersten beiden Teilbündel relativ zum dritten Teilbündel verändert wird.
4. Vorrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, bei der im Strahlenbündel einer zumindest annähernd kohärenten Pumpstrahlungsquelle nacheinander Mittel zur Fokussierung und Mittel zur Erzeugung zweier kohärenter Teilbündel angeordnet und jedem Teilbündel eine Umlenkeinheit zum Zusammenführen beider Teilbündel und zur Interferenzmusterbildung in einem aktiven Lasermedium zugeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß neben den ersten beiden Teilbündeln, die in einem ersten lasererzeugenden Bereich auf das aktive Lasermedium treffen, ein drittes Teilbündel auf einen zweiten, dem ersten im wesentlichen benachbarten Bereich des aktiven Lasermediums, durch den die erzeugten Lichtimpulse hindurchtreten, gerichtet ist und daß sowohl Mittel zum Verschieben der beiden Bereiche zueinander als auch Mittel zur Regelung der Energie der ersten beiden Teilbündel relativ zum dritten Teilbündel vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß neben den ersten beiden Teilbündeln als die beiden ersten Ordnungen eines Gitters als drittes Teilbündel das der nullten Ordnung verwendet wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Mittel zur Regelung der Energie der ersten beiden Teilbündel relativ zum dritten Teilbündel das Gitter parallel zu seiner Strichrichtung einen sich ändernden Kontrast aufweist, und daß das Gitter in Strichrichtung relativ zum Strahlenbündel der Pumpstrahlungsquelle verschiebbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß zur Verschiebung der beiden im wesentlichen benachbarten Bereiche zueinander zwischen der Anregungsstrahlungsquelle und den Mitteln zur Fokussierung eine verkippbare, planparallele Platte angeordnet ist, deren Kippachse parallel zur Strichrichtung des Gitters verläuft.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß zur Verschiebung der beiden im wesentlichen benachbarten Bereiche zueinander, die Mittel zur Fokussierung, das Gitter, die Umlenkeinheiten und das aktive Lasermedium auf einem gemeinsamen Träger befestigt sind, der in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels der Pumpstrahlungsquelle und senkrecht zur Strichrichtung des Gitters verschiebbar ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daß zur Verschiebung der beiden im wesentlichen benachbarten Bereiche zueinander die Umlenkeinheiten und das aktiver Lasermedium auf einem gemeinsamen Träger befestigt sind, der in einer Richtung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung'des Strahlenbündels der Pumpstrahlungsquelle und senkrecht zur Strich richtung des Gitters verschiebbar ist.

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