DE4202270A1 - Optische verzoegerungsleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Verzögerungsleitungen und insbesondere auf eine kontinuierlich veränderbare Retroreflektor- Verzögerungsleitung für die Verwendung bei sehr kurzen Impulsen.

Pump-Sonden-Experimente bilden ein wertvolles analytisches Verfahren zum Beobachten von Übergängen in chemischen, physikalischen oder elektronischen Prozessen. Grundsätzlich wird hierbei ein zu beobachtendes Ereignis durch einen "Pump"-Impuls aufgelöst und nachfolgend durch einen zeitlich gegenüber dem Pump-Impuls verzögerten "Abtast- bzw. Sensor"- Impuls abgetastet. Durch Veränderung der Zeitverzögerung zwischen den Pump- und Abtastimpulsen kann das zeitliche Fortschreiten des Prozesses beobachtet werden. Das Doppel- Impuls-Korrelationsverfahren ist eine bekannte Möglichkeit der Durchführung solcher Messungen. Ein Impulszug aus ultrakurzen Laserstrahlimpulsen wird in zwei Arme bzw. Zweige aufgespalten und in einen Zweig eine bekannte Verzögerung eingeführt sowie die beiden Zweige entweder vor oder innerhalb des experimentellen Systems rekombiniert. Die Zeitverzögerung wird innerhalb vorbestimmter Grenzen verändert, um eine Windung oder Faltung (convolution) der Antwort mit der Impuls-Autokorrelation zu erzeugen. Herkömmlicherweise wird die Zeitverzögerung langsam mit Hilfe einer motorisierten Übersetzungsstufe oder dergleichen verändert und die Daten werden über eine verhältnismäßig lange Zeitdauer, beispielsweise 10 bis 20 Minuten, akkumuliert. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens ist durch die niedrige Rate, mit der die Zeitverzögerung verändert werden kann, beschränkt. Dies führt zu einer Erhöhung des Rauschens bzw. der Störungen und verhindert eine Echtzeit-Beobachtung der Daten.

Die vorgenannten Arten von Erscheinungen können in Echtzeit beobachtet werden, wenn die Rate der Veränderung der Zeitverzögerung für die Impulse erhöht werden kann. Es besteht ein Bedürfnis nach einer Verzögerungsleitung mit wiederholter Hochgeschwindigkeits-Abtastung, die, verglichen mit herkömmlichen Verzögerungsleitungen, variable Zeitverzögerungen solange wie oder länger als die beobachtete Erscheinung in einer Weise erzeugen, die das Rauschen minimiert und eine rasche Veränderung der Verzögerung erlaubt.

Eine Verzögerungsleitung, die eine Veränderung der Zeitverzögerung mit einer höheren Rate als bislang möglich erlaubt, ermöglicht die Durchführung von Messungen mit erheblicher Verbesserung des Signal/Stör-Verhältnisses bzw. Störabstands durch rasches und wiederholtes Abtasten bzw. Durchfahren der Zeitverzögerung und Mittelwertbildung der gesammelten Daten, mit oder ohne Notwendigkeit einer phasenempfindlichen Detektion. Folglich können in derselben Zeit, die bislang für die Durchführung einer langsamen Abtastung benötigt wurde, viele tausend schnelle Abtastungen durchgeführt und die Daten gemittelt werden. Zusätzlich kann eine wesentliche Quelle der Störungen, nämlich die langsamen Schwankungen der Laserintensität über die Zeit, die ein ernstes Problem bei Einsatz langer Abtastungen darstellte, zu Null ausgemittelt oder ausgefiltert werden, wodurch hohe Störabstände erzielt werden.

Durch die vorliegende Erfindung werden zwei wünschenswerte, bislang aber gegenläufige Abtastcharakteristiken, nämlich hohe Abtast- bzw. Veränderungsraten und verhältnismäßig große Änderungen der Verzögerungszeit bereitgestellt. Bislang konnten bekannte Vorrichtungen und Verfahren zum Bewegen optischer Elemente in einer Verzögerungsleitung, wie etwa Stimm-Spulen-Übersetzung, Vibratoren, Drehspiegelpaare und rotierende Dachprismen, zwar eine verhältnismäßig hohe Abtastrate bereitstellen, jedoch nur über kurze Distanzen. Bekannte Verfahren zum Erzeugen großer Abstandsveränderungen schließen Motoren und Kurbelwellen, Nocken, hin- und hergehende Führungsschrauben, die zum Antrieb eines Linearschlittens eingesetzt werden, und Schlitten bzw. Führungen ein, die sämtlich die geforderten großen Abstände bzw. Distanzen bereitstellen können, aber nur bei langsamen Raten.

Weiterhin muß den optischen Elementen, die zur Verzögerung kurzer Impulse mit einer Dauer unterhalb 100 Femtosekunden eingesetzt werden, spezielles Augenmerk gewidmet werden. Bekannte Abtasteinrichtungen, die mit Dachprismen, festen Retro-Reflektoren, Glaslinsen und Filtern oder irgendeinem brechenden Material im Strahlpfad arbeiten, rufen unerwünschte Verzerrungen hervor, wenn sie bei Impulssystemen mit kurzen Pulsdauern eingesetzt werden.

Kurz gesagt und in Übereinstimmung mit einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung umfaßt eine optische Verzögerungsleitung für ultrakurze Impulse einen ersten hohlen Vorderflächen-Retro-Reflektor,
einen zweiten hohlen Vorderflächen-Retro-Reflektor mit einer zweiten optischen Achse, die parallel und versetzt zur optischen Achse des ersten Retro-Reflektors angeordnet ist,
eine Übersetzungs- oder Verschiebungseinrichtung, die mit zumindest einem der beiden Retro-Reflektoren für die Einstellung des Abstands zwischen diesen gekoppelt ist,
eine Eintritts- oder Einkopplungseinrichtung zum Einführen eines Lichtstrahls in die Verzögerungsleitung, derart, daß der Lichtstrahl zwischen dem ersten und dem zweiten Retro-Reflektor mehrmals reflektiert wird, und
eine Austritts- oder Auskopplungseinrichtung zum Herausrichten oder -führen des Strahls aus der Verzögerungsleitung.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt vorliegender Erfindung ist eines der Elemente der Verzögerungsleitung auf einer Hochgeschwindigkeits-Langhub-Umsetzungs- oder Verschiebungseinrichtung zum Verschieben des Elements entlang eines linearen Pfads montiert, wobei eine feste Stufe oder Bühne vorhanden ist und ein Galvanometer, das eine drehbare Ausgangswelle aufweist, deren Drehachse rechtwinklig zur gewünschten Richtung der linearen Bewegung eines Schlittens angeordnet ist, an der festen Stufe bzw. Bühne montiert ist; mit
einem längsverschieblichen, an der festen Bühne für eine lineare Bewegung in einer gewünschten Richtung montierten Schlitten bzw. Gleitstück,
einer Anbringungseinrichtung am Schlitten bzw. Gleitstück für die Aufnahme des beweglichen Elements der Verzögerungsleitung,
einer an der Ausgangswelle der Galvanometer-Einrichtung montierten Nockeneinrichtung und
einem Spannband, das zwischen der feststehenden und der Schlitteneinrichtung angeordnet bzw. mit diesen verbunden ist und durch die Nockeneinrichtung zum Bewegen des Schlittens auf die Drehung der Galvanometer-Welle hin angetrieben ist.

Während die neuartigen Aspekte der Erfindung insbesondere in den Ansprüchen vorgestellt sind, läßt sich die Erfindung selbst sowie weitere Zielsetzungen und Vorteile derselben unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung eines derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstehen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer optischen Verzögerungsleitung in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Aspekt vorliegender Erfindung,

Fig. 2 eine Frontansicht der Retro-Reflektoren gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Hochgeschwindigkeits- Großdistanz-Translators bzw. -Umsetzers für die erfindungsgemäße Verzögerungsleitung,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Spannbands gemäß Fig. 3 und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Verhaltens bzw. der Wirkung des Umsetzers gemäß Fig. 4.

In den Fig. 1 und 2 ist eine in Übereinstimmung mit einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung stehende Verzögerungsleitung dargestellt.

Zunächst bezugnehmend auf Fig. 1 weist die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Verzögerungsleitung einen ersten, vorzugsweise hohlen Frontflächen-Retro-Reflektor 2 und einen zweiten, vorzugsweise hohlen, zylindrisch für geringe Masse geschnittenen Frontflächen-Retro-Reflektor 14 auf, die jeweils in schematischer Schnittansicht dargestellt sind. Der erste Retro-Reflektor 12 ist mit einer Eintrittsöffnung 16 an seinem Scheitel ausgestattet, um die Einführung eines Eingangslichtbündels in die Verzögerungsleitung zu ermöglichen. Das einfallende Lichtbündel bzw. der einfallende Lichtstrahl wird im wesentlichen entlang der zentralen optischen Symmetrieachse des Retro-Reflektors 12 eingeführt. Der Retro-Reflektor 14 ist mit seiner zentralen optischen Symmetrieachse parallel, aber versetzt zur Symmetrieachse des Retro-Reflektors 12 angeordnet, so daß der Eingangsstrahl anfänglich auf eine der Spiegelflächen des Retro-Reflektors 14 auftrifft und durch diese reflektiert wird.

Fig. 2 zeigt jeden der beiden Retro-Reflektoren 12 und 14 in einer Draufsicht, wie sie einem Beobachter erscheinen würden, der zwischen den Retro-Reflektoren steht und den einen oder den anderen betrachtet. Die Einfalls-, Austritts­ und Zwischenreflektionspunkte des Lichtstrahls auf den verspiegelten Oberflächen der Retro-Reflektoren sind durch schmale Kreise mit Punkten, schmale Kreise mit "x" bzw. hohle Kreisen dargestellt. Der einfallende Strahl trifft somit zunächst die erste Oberfläche 20 des Retro-Reflektors 14, wird von der Oberfläche 22 zur Oberfläche 24 reflektiert und von dieser zurück in Richtung zum Retro-Reflektor 12 entlang einer Linie gerichtet, die parallel zur Einfallslinie liegt. Zur besseren Veranschaulichung ist das Fortschreiten des Lichtstrahls von der Einfallsöffnung zum Ausgang der Verzögerungsleitung aufeinanderfolgend durch die Buchstaben a bis p bezeichnet. Ein schmaler Frontflächen- Austrittsspiegel 30 ist zwischen den Retro-Reflektoren angeordnet und dient zum Richten bzw. Umlenken des Austrittsstrahls zu einem Nutz- oder Weiterverarbeitungspunkt.

Wie vorstehend angegeben, werden bei vorliegender Erfindung hohle Frontflächen-Retro-Reflektoren bevorzugt. Das Vorhandensein irgendeines optischen Materials zwischen den reflektierenden Oberflächen der Retro-Reflektoren 12 und 14 könnte die ultrakurzen Impulse, für die vorliegende Erfindung insbesondere geeignet ist, durch Einführung einer Gruppengeschwindigkeits- oder Gruppenlaufzeit-Verteilung, die eine Tendenz zur Dehnung eines Impulses im niedrigen Femtosekunden-Bereich einführen würde, verzerren. Demgemäß sollten feste oder massive Retro-Reflektoren, Kantenwürfel und Prismen in Übereinstimmung mit der Erfindung vorzugsweise nicht verwendet werden, es sei denn, diese Effekte könnten toleriert oder kompensiert werden. Zusätzlich können hohle Retro-Reflektoren mit wesentlich geringerer Masse als irgendeiner der vorstehend angegebenen festen bzw. massiven Retro-Reflektoren hergestellt werden, so daß sie dementsprechend rascher und mit geringeren Kräften als massive Retro-Reflektoren äquivalenter Größe bewegt werden können.

Vorzugsweise wird die Veränderung der Pfadlänge und dementsprechend die Veränderung der Verzögerungszeit durch Bewegen eines der Retro-Reflektoren relativ zum anderen hervorgerufen. Beispielsweise wird der Retro-Reflektor 14 in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Aspekt der Erfindung entlang seiner optischen Achse bewegt, wie dies durch den Doppelpfeil 32 in Fig. 1 veranschaulicht ist. Die Veränderung der Verzögerungszeit ist eine Funktion sowohl der Strecke, über die der Retro-Reflektor 14 bewegt wird, als auch der Anzahl von Reflektionen des Lichtstrahls, die zwischen den Retro-Reflektoren auftreten. Wenn der Retro- Reflektor 14 beispielsweise 1 cm bewegt wird und, wie in Fig. 1 gezeigt, sechs Reflektionen auftreten, beträgt die Veränderung der gesamten optischen Pfadlänge 6 cm. Dies ist äquivalent zu einer Veränderung der Verzögerungszeit von ungefähr 200 Picosekunden. Die Veränderung der Zeitverzögerung kann entweder durch Vergrößerung des Bereichs der Bewegung des einen Retro-Reflektors bezüglich des anderen oder durch Erhöhung der Anzahl von Reflektionen vergrößert werden. Allerdings läßt sich die Anzahl von Reflektionen nicht grenzenlos erhöhen, da die Lichtstrahlen, die bei den Experimenttypen, auf die vorliegende Erfindung gerichtet ist, eingesetzt werden, endliche Dimensionen haben. Die Erzeugung einer übermäßigen Anzahl von Reflektionen würde Verlust einführen, die besser vermieden werden.

Wie vorstehend erwähnt, ist es in vielen Fällen wünschenswert, die optische Verzögerung wiederholt von einem unteren bis zu einem oberen Grenzwert mit einer Rate von mehreren Hertz zu wiederholen, um eine Echtzeit-Beobachtung des ablaufenden Prozesses zu ermöglichen, während gleichzeitig der Effekt von Störungen durch Mittelwertbildung von während der wiederholten Abtastungen gesammelten Daten minimiert wird. Die rasche wiederholte Bewegung eines oder beider Retro-Reflektoren muß in einer Weise erfolgen, die die Eigenschaften, Position und Richtung des Strahls nicht verändert. Diese Überlegungen legen dem Entwurf des Systems Beschränkungen auf, die durch den vorliegenden Hochgeschwindigkeits-Großhub-Translator (bzw. -Verschiebungseinrichtung) für ein bewegbares Element einer optischen Verzögerungsleitung berücksichtigt bzw. gelöst werden. Der Einsatz von einander zugewandten Retro- Reflektoren und die mehrfachen Reflektionen verringern die Forderungen an den Translator bzw. die Verschiebungseinrichtung erheblich, insbesondere bezüglich der bewegungsinduzierten Verzerrungen der Retro-Reflektoren. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeits-Translators bzw. einer erfindungsgemäßen Hochgeschwindigkeits- Verschiebungseinrichtung für große Strecken ist in Fig. 3 gezeigt. Der feststehende Retro-Reflektor 12 ist durch eine herkömmliche, nicht gezeigte Einrichtung getragen. Der bewegliche Retro-Reflektor 14 ist an einem Ende einer Miniaturkugel- oder Kreuzrollenlager(crossed roller­ bearing)-Schlittenschiene oder -Gleitschiene 40 angebracht, die für eine hin- und hergehende Bewegung in einem Schlittenträger oder Gleitträger 42 montiert ist. Ein Luftlager-Schlitten oder Luftlager-Gleitstück kann gleichfalls eingesetzt werden. Der Retro-Reflektor 14 kann durch jedes beliebige geeignete Mittel am freien Ende der Gleitschiene montiert werden und sollte fest am Schienenende befestigt sein. Vorzugsweise ist der Retro-Reflektor an einen Halter, der an einem Ende der Gleitschiene angeschraubt ist, angeklebt oder in anderer Weise fest an diesem befestigt. Die Gleitführung 42 ist fest an einem im wesentlichen L-förmigen festen Träger 46 befestigt. Ein Galvanometer wie etwa das Galvanometer "General Scanning G325DT" ist fest am Träger 46, beispielsweise über Bolzen 50, befestigt. Eine drehbare Galvanometer-Ausgangswelle 54 erstreckt sich durch den Träger 46 und hängt über der Gleitführung 42.

Ein langgestreckter Nocken 56 niedriger Masse ist an der Welle 54 befestigt. Der Nocken bzw. Ansatz 56 hat eine äußere Fläche 58 in der Form eines Kreisbogens mit einem Radius, der gleich groß ist wie der Abstand zwischen der Ausgangswelle und der oberen Fläche der Gleitschiene 40. Ein Spannband 60 ist mit der Gleitführung 42 verbunden. Das Spannband 60 ist perspektivisch in Fig. 4 dargestellt und weist einen ersten und einen zweiten Endabschnitt 62, 68 auf, die beispielsweise über Bolzen bzw. Schrauben 66, 70 an räumlich beabstandeten Punkten an der Gleitschiene 40 befestigt sind. Ein zentraler Schlitz 42 ermöglicht es dem Ende 68, durch das Zentrum bzw. den mittleren Abschnitt des Spannbands hindurchzutreten. Das Spannband verläuft um den Außenumfang des Nocken bzw. Ansatzes 56, wobei die Spannung durch ein einstellbares Spannstück 80 aufrechterhalten wird, das vorzugsweise in einer mit Gewinde versehenen Öffnung 82 im Körper des Nockens bzw. Ansatzes aufgenommen ist. Vorzugsweise ist das Spannband aus Blech aus rostfreiem Stahl mit einer Stärke von 0,004′′ (ca. 0,1 mm) hergestellt. Unter dem Ausdruck Spannband, wie er hier und in den Ansprüchen verwendet wird, sind auch Spanndrähte oder -kabel oder dergleichen zu verstehen.

Wenn der Nocken bzw. Ansatz 56 rotiert, schaukelt bzw. bewegt er das Gleitstück in beiden Richtungen unter Minimierung des Schlupfes und des Spiels. Die Gleitstückverschiebung ist linear proportional zum Nockenradius mit dem Winkel verknüpft, über den sich die Ausgangswelle bewegt.

Vorzugsweise ist die Masse des Nockens bzw. Ansatzes 56 durch Vorsehen von Durchgangslöchern 86 minimiert.

In Übereinstimmung mit einem beispielhaften Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung besitzt der Nocken bzw. Ansatz 56 eine Erstreckung (throw) von 1,5′′ (ca. 38,1 mm) und dementsprechend auch der Kreisbogen 58 einen Radius von 1,5′′ (circa 38,1 mm). Die Galvanometer- Welle bewegt sich über einen Winkel von plus oder minus 17,5° bei Frequenzen unterhalb 30 Hz. Diese winkelmäßige Verstellung übersetzt sich in eine Schlitten-Verlagerung von 23 mm von Spitze zu Spitze. Eine vierfach gefaltete Verzögerungsleitung mit einem an der Schlittenschiene montierten Retro-Reflektor stellt eine Veränderung der Verzögerungszeit von 307 Picosekunden bereit, wenn sie zusammen mit dieser Umsetzungseinrichtung benutzt wird.

Vorzugsweise ist die Galvanometer-Antriebseinheit auch als Schaltung mit geschlossener Regelschleife verschaltet, die einen nicht dargestellten herkömmlichen Sensor an der Galvanometer-Welle zum Bereitstellen einer analogen Positions-Ausgangsgröße aufweist. Eine Galvanometer- Antriebseinheit für generelle Abtastung CX6325 wurde im Zusammenhang mit der Erfindung erfolgreich eingesetzt. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Retro-Reflektor-Last ein geschätztes Trägheitsmoment von ungefähr 150 Gramm-cm² besitzt, zeigt die Kombination eine mechanische Resonanz von 30 Hz, oberhalb derer eine zweipolige Abwälzung zu 180 Hz, wo der Servoelektronik-Pol angeordnet ist, beobachtet wird. Vorzugsweise ist die Antwort nahezu kritisch gedämpft, so daß der Scanner bzw. die Abtasteinrichtung durch Resonanz mit sehr niedriger Amplituden-Überschwingung getrieben werden kann.

Die Galvanometer-Antriebseinheit erhält eine analoge Eingangsgröße zur Programmierung der Bewegung und stellt eine analoge Positions-Ausgangsgröße bereit, die hochexakt und linear mit dem Wellenwinkel verknüpft ist. Es ist wichtig, daß die Welle eng bzw. fest mit dem Gleitstück gekoppelt ist. Wenn dies erfolgt bzw. sichergestellt ist, ist die Positionsspannung linear mit der optischen Verzögerung verknüpft, und es sind der Verzögerung entsprechende Daten sofort erhältlich. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung erzeugt das analoge Treibersignal die Zeitachse auf einem Oszilloskop, dessen vertikale Ablenkung mit dem Sonden- bzw. Test-Impuls- Ausgang gekoppelt ist, wobei die Daten in Echtzeit betrachtet werden können.

Fig. 5 zeigt die Linearität und Kalibrierungsgenauigkeit der optischen Verzögerung gegenüber der Positionsspannung der Umsetzeinrichtung gemäß Fig. 3. Die Umsetzeinrichtung bzw. Verschiebungseinrichtung wurde über eine Pfadlänge von vollen 23 mm bei einer Rate von 20 Hz betrieben. Die Kalibrierung ist über den gesamten Bereich einschließlich der Enden der Abtastung innerhalb von 0,02% linear. Der Fehler ist über denselben Bereich der Positionsspannungen in demselben Graph in Fig. 5 in Picosekunden aufgetragen.

Auch wenn der in Fig. 4 gezeigte Galvanometer-Umsetzer den gegenwärtig bevorzugten Aufbau zum Steuern der Position und Bewegung des sich bewegenden Retro-Reflektors darstellt, können auch andere Formen von Translatoren bzw. Umsetzeinrichtungen eingesetzt werden. Beispielsweise ist in Fig. 6 ein Spulen-Translator bzw. eine mit Magnetspule arbeitende Umsetzeinrichtung für translatorische Bewegung dargestellt. Die allgemein mit dem Bezugszeichen 90 bezeichnete Umsetzeinrichtung weist eine elektrische Solenoidwicklung 92 auf, die vorzugsweise als auf einem langgestreckten, herkömmlichen Spulenkörper 53 oder dergleichen aufgebrachte Vielfachwindungs-Wicklung ausgebildet ist, und zumindest einen ersten und einen zweiten Leiter (nicht gezeigt) zum Verbinden des Solenoids bzw. der Magnetspule mit einer elektrischen Steuerquelle umfaßt. Ein linear beweglicher Kern 94 ist derart angeordnet, daß er entlang einer Hauptachse des Solenoids 92 für eine Hin- und Herbewegung, wie durch den Doppelpfeil 96 angezeigt, bewegbar ist. Vorzugsweise wird der Kern 94 bezüglich des Spulenkörpers 93 über lineare Endlager 98 und 100 herkömmlicher Gestaltung abgestützt, die die Bewegung des Kerns auf lineare Bewegung entlang der Hauptachse des Solenoids beschränken. Es ist wünschenswert, daß die Lager 98 und 100 die Bewegung des Kerns so genau wie möglich auf eine geradlinige Bewegung entlang der Achse begrenzen.

Vorzugsweise ist der Kern 94 über eine Feder oder ein Paar von Federn 102 und 104, die vorzugsweise in der gezeigten Weise in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sein können, in Richtung zu einer zentralen Ruhestellung vorgespannt. Eine bewegbare, zentrale Ablenkplatte oder Anschlag 106 ist am Kern 94 angebracht und steht mit einem Ende jeder Feder 102 und 104 in Eingriff. Die anderen Enden jeder Feder stehen mit dem Lager 88 bzw. 100 in Eingriff.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung können die Federn 102 und 104 vollständig oder teilweise durch Einsatz einer zweifach entgegengesetzten Magnetspule (dual opposed solenoid) ersetzt werden. Die Einzelwicklungs- Magnetspule 92 wird durch einen dualen, entgegengesetzt gewickelten Solenoidaufbau ersetzt, wobei jede Solenoidspule eine Tendenz zur Bewegung des Kerns 84 in entgegengesetzter Richtung hervorruft. Die Bewegung des Kerns wird durch Veränderung der an die beiden Solenoidwicklungen angelegten Signale gesteuert.

Bei jeder Ausgestaltung ist der Kern 96 vorzugsweise gegenüber allen Bewegungen mit Ausnahme linearer Bewegung entlang der Achse gehemmt. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn Drehbewegungen des Kerns 94 verhindert sind, beispielsweise durch Einsatz eines Kerns in der Form einer langgestreckten, dreieckförmigen oder rechtwinkligen Stange, deren Drehung durch Einsatz geeeignet geformter Lager 98 bzw. 100 gesteuert werden kann.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, ist der Retro- Reflektor 14 an einem linearen Gleitstück 101 montiert, das auf einer Bühne 102 für geradlinige Bewegung gehalten bzw. geführt ist. Ein Antriebsrad 103 wird durch einen nicht gezeigten Motor oder dergleichen um eine Welle 104 angetrieben. Das Antriebsrad 103 ist mit dem bewegbaren Retro-Reflektor 14 über ein Koppelglied 105 verbunden, das einen exzentrischen Angel- oder Schwenkzapfen 106 am Antriebsrad 103 mit einem Angel- oder Schwenkzapfen 107 am bewegbaren Retro-Reflektor 14 verbindet. Wenn sich das Antriebsrad 103 in der durch einen Pfeil 109 gezeigten Richtung dreht, bewegt sich der Retro-Reflektor 14 in einer im wesentlichen sinusförmigen Weise bezüglich der Bühne 102 vor und zurück. Die Drehbewegung des Rads 103 wird hierdurch in eine lineare Bewegung umgesetzt.

Die erfindungsgemäße optische Verzögerungsleitung definiert eine besondere Anwendung bei einer Autokorrelator/Pump/Test- bzw. Sonden-Abtasteinrichtung, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Der Autokorrelator/Abtaster bzw. /Scanner ist schematisch gezeigt. Eine Quelle oder Reihe von Impulsen, die von einem Laser kurzer Impulsbreite oder dergleichen ausgesandt werden, tritt entlang des Strahls 110 ein und wird durch einen Spiegel 112 in einem Winkel von 90° auf einen Strahlteiler 116 reflektiert. Ein erster Teil des aufgespaltenen Strahls 120 läuft zu einem stationären hohlen Retro-Reflektor 122 weiter, während der zweite Teil 124 des aufgespaltenen Strahls in eine erfindungsgemäße Verzögerungsleitung über eine Öffnung 128 in einem feststehenden Retro-Reflektor 130 eintritt und mehrmals zwischen dem feststehenden Retro-Reflektor und einem sich bewegenden Retro-Reflektor 132 reflektiert wird. Der Austrittsstrahl wird durch einen Spiegel 136 zurück zum Strahlteiler 116 gerichtet. Der austretende Strahl 140 der Verzögerungsleitung wird mit einem Strahl 142 vom feststehenden hohlen Retro-Reflektor 122 zusammengefaßt, um einen ersten Austrittsstrahl 150 zu bilden, der über einen Spiegel 152, eine Linse bzw. ein Objektiv 154, einen Verdopplungskristall 156, ein Filter 158 zum Abblocken der Grundfrequenz und Durchlassen der zweiten Harmonischen auf einen Detektor 160 gerichtet ist. Der andere zusammengefaßte Strahl 164 wird über einen Spiegel 166 auf das Pump/Test- Experiment gerichtet. Der in Fig. gezeigte Autokorrelator besitzt eine Anzahl von Vorteilen gegenüber anderen Autokorrelator-Gestaltungen. Ein umlaufendes Spiegelpaar oder Dachprismen-Korrelatoren können keine Retro-Reflektoren verwenden und sind daher empfindlich gegenüber Fehlausrichtungen gegenüber der Ebene der Bewegung des sich bewegenden Reflektors. Retro-Reflektoren mit umlaufendem Spiegelpaar haben ein verringertes Tastverhältnis, da der Laserstrahl während eines großen Teils der Drehung der umlaufenden Spiegel von der Optik weggerichtet ist. Bei Autokorrelatoren mit umlaufendem Glasblock verändert sich die Größe der Dispersion im Strahl mit der Zeit und kann daher nicht vollständig kompensiert werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Autokorrelatoren mit rotierender Optik besteht darin, daß, da der Strahl über die Oberfläche der verschiedenen optischen Elemente des Autokorrelators abgelenkt wird, jede Ungenauigkeit oder jeder Fleck oder Schmutz in die Daten bei der Mittelwertbildung miteingeht. Der in Fig. 7 gezeigte Autokorrelator macht sich den Vorteil der Fähigkeit der optischen Verzögerungsleitung, schnelle Abtastungen bzw. Veränderungen über große Verzögerungszeiten bereitzustellen, zunutze.

Durch Zusammenfassen bzw. Mittelwertbilden für aufeinanderfolgende Abtastungen kann ein erheblich verbesserter Störabstand erzielt werden. Während des Zeitintervalls, das zur Durchführung einer langsamen Abtastung bei herkömmlichen Verzögerungsleitungen erforderlich ist, können viele tausend schnelle Abtastungen durchgeführt und miteinander zusammengerechnet bzw. gemittelt werden. Die langsamen Schwankungen der Quellenintensität, die die Genauigkeit langsamer Abtastungen beschränken, mitteln sich über eine große Anzahl von Abtastungen zu Null aus. Das Laserrauschen ist bei 10 Hz bis zu 40 dB niedriger als bei 0,1 Hz. Ein synchronisierter Verstärker würde ein Rauschen von 1 Hz in einer langsamen Abtastung durchlassen, jedoch ein derartiges Rauschen bei einem schnellen Abtastbetrieb unter Einsatz der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung zurückweisen bzw. sperren. Daher können Verbesserungen des Störabstands von zumindest 40 dB bei Verwendung der erfindungsgemäßen Verzögerungsleitung erzielt werden.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einem derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist es für den Fachmann verständlich, daß viele Abweichungen und Änderungen durchgeführt werden können, ohne den Gehalt und Umfang der Erfindung, der lediglich durch die beigefügten Ansprüche definiert werden soll, zu verlassen.

Claims (38)

1. Optische Verzögerungsleitung für ultrakurze Impulse, mit einem ersten hohlen Frontflächen-Retro-Reflektor (12),
einem zweiten hohlen Frontflächen-Retro-Reflektor (14), der bezüglich des ersten hohlen Frontflächen-Retro- Reflektors derart angeordnet ist, daß ein Lichtstrahl zwischen dem ersten und dem zweiten Retro-Reflektor mehrfach reflektiert wird,
einer mit zumindest einem der beiden Retro-Reflektoren (12, 14) gekoppelten Translations- oder Umsetzeinrichtung (40-82; 90; 101-107) zum Einstellen des Abstands zwischen den Retro-Reflektoren (12, 14) entlang einer Linie parallel zum reflektierten Lichtstrahl bei dessen Ein- und Austreten in die bzw. aus den Retro-Reflektoren (12, 14),
einer Einführungseinrichtung (16) zum Einführen eines Lichtstrahls in die Verzögerungsleitung parallel zur ersten optischen Achse derart, daß der Lichtstrahl mehrfach zwischen dem ersten und dem zweiten Retro- Reflektor reflektiert wird, und
einer Austrittseinrichtung (30) zum Herausführen des Lichtstrahls aus der Verzögerungsleitung.

2. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Retro- Reflektor gegeneinander versetzt sind, und daß die Einführungseinrichtung (16) einen ersten reflektierenden Spiegel des zumindest einen der beiden hohlen Frontflächen-Retro-Reflektoren (12, 14) aufweist.

3. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Retro-Reflektor gegeneinander versetzt sind, und daß die Austrittseinrichtung (30) einen ersten reflektierenden Spiegel des zumindest einen der beiden hohlen Frontflächen-Retro-Reflektoren (12, 14) aufweist.

4. Optische Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung eine Öffnung (16) aufweist, die an einem Scheitel eines der beiden hohlen Frontflächen- Retro-Reflektoren ausgebildet ist, um einen Eingangsstrahl parallel zur Achse des sich bewegenden Retro-Reflektors eintreten zu lassen.

5. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangsstrahl parallel zur Achse des sich bewegenden Retro-Reflektors eintritt.

6. Optische Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexion des Strahl zwischen den Retro-Reflektoren viermal erfolgt.

7. Optische Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittseinrichtung einen Spiegel (30) aufweist, der zwischen dem ersten und dem zweiten Retro-Reflektor (12, 14) angeordnet ist.

8. Optische Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Translations- bzw. Umsetzeinrichtung ein in eine Richtung parallel zur Richtung des einfallenden Strahls bewegbares Gleitstück und eine Befestigungseinrichtung zum Befestigen eines der beiden Retro-Reflektoren am Gleitstück aufweist.

9. Optische Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung
eine feststehende Bühneneinrichtung (42), an der das Gleitstück (40) befestigt ist,
eine Galvanometer-Einrichtung, die an der feststehenden Bühneneinrichtung montiert ist und eine drehbare Ausgangswelle (54) aufweist, deren Drehachse rechtwinklig zur Achse des sich bewegenden Retro- Reflektors ausgerichtet ist,
eine an der Ausgangswelle angebrachte Nockeneinrichtung (56) und
eine Spannbandeinrichtung (60) aufweist, die an dem Gleitstück befestigt und durch die Nockeneinrichtung zur Bewegung des Gleitstücks auf die Drehung der Galvanometer-Welle hin angetrieben ist.

10. Optische Verzögerungsleitung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entweder ein oder beide Retro-Reflektoren (12, 14) durch Frontflächenspiegel ersetzt sind.

11. Hochgeschwindigkeits-Betätigungseinrichtung für die wiederholte Bewegung eines beweglichen Elements einer optischen Verzögerungsleitung über eine große Strecke, mit
einer feststehenden Bühneneinrichtung (42)
einer hin- und herbewegbaren Gleiteinrichtung (40), die an der ersten Bühneneinrichtung für eine lineare Bewegung in einer gewünschten Richtung montiert ist,
einer Montiereinrichtung an der Gleiteinrichtung (40) für die Aufnahme des beweglichen Elements der Verzögerungsleitung,
einer an der feststehenden Bühneneinrichtung montierten Galvanometer-Einrichtung mit einer drehbaren Ausgangswelle (54), deren Drehachse rechtwinklig zur gewünschten Richtung der Linearbewegung der Gleiteinrichtung (40) ausgerichtet ist,
einer an der Ausgangswelle (54) angebrachten Nockeneinrichtung (56) und
einer Spannbandeinrichtung (60), die zwischen die feststehende Bühneneinrichtung und die Gleiteinrichtung eingefügt bzw. mit diesen verbunden ist und durch die Nockeneinrichtung zur Bewegung der Gleiteinrichtung bei Drehung der Galvanometer-Welle angetrieben wird.

12. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nockeneinrichtung eine Umfangsoberfläche mit einem Kreisbogen aufweist, dessen Radius gleich groß ist wie der Abstand zwischen der Ausgangswelle und der Gleiteinrichtung.

13. Umsetzeinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine an der Nockeneinrichtung angebrachte Spanneinrichtung (80) zum Spannen der Spannbandeinrichtung (60).

14. Umsetzeinrichtung nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß die Montiereinrichtung eine Einrichtung zum Montieren des Retro-Reflektors an einem Ende der Gleiteinrichtung (40) aufweist.

15. Verfahren zum Durchführen von zeitlich aufgelösten Messungen eines physikalischen, chemischen, biologischen oder elektronischen Prozesses, der durch einen Pump- Impuls eingeleitet und durch einen Abtast-Impuls beobachtet werden kann, mit folgenden Schritten:

• a) Richten eines Impulszugs eines Paars eines Pump- Impulses und eines zeitverzögerten Abtast-Impulses auf den Prozeß,
• b) Variieren der Verzögerung zwischen dem Pump-Impuls und dem Abtast-Impuls, so daß mehrfache überlappende Beobachtungen über einen Bereich von Verzögerungen durchgeführt werden,
• c) Mittelwertbilden der mehrfachen Beobachtungen und
• d) Korrelieren der gemittelten Beobachtungen mit der variierenden Verzögerung, um zeitlich aufgelöste Messungen des Prozesses bereitzustellen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Pump-Impuls und Abtast-Impuls elektromagnetische Impulse sind.

17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Pump-Impuls und der Abtast-Impuls optische Impulse sind.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-17, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Verzögerung zwischen dem Pump-Impuls und dem Abtast-Impuls proportionales elektrisches Signal bereitgestellt wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-18, dadurch gekennzeichnet, daß die Beobachtungen in der Form eines Signals durchgeführt werden, dessen Spannung, Phase, Frequenz oder Strom proportional zu einem beobachteten Aspekt des Verfahrens ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrelationsschritt das elektronische Korrelieren des der Verzögerung proportionalen elektrischen Signals und des dem beobachteten Aspekt des Verfahrens proportionalen Signals beinhaltet.

21. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung eine elektrische Magnetspuleneinrichtung (90),
eine bewegbare Kerneinrichtung (94), die für eine lineare Bewegung bezüglich der elektrischen Magnetspuleneinrichtung angebracht ist,
eine Montageeinrichtung zum Anbringen des zumindest einen der beiden Retro-Reflektoren an der Kerneinrichtung (84) und
eine betriebsmäßig mit der Magnetspuleneinrichtung und der bewegbaren Spuleneinrichtung verknüpfte Vorspanneinrichtung (102, 104) zum Vorspannen der Kerneinrichtung gegenüber der linearen Bewegung aufweist.

22. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, die auf die elektrische Magnetspuleneinrichtung oder die bewegbare Kerneinrichtung anspricht und ein elektrisches Positionssignal bereitstellt, das auf die Position des zumindest einen Retro-Reflektors, der an der Kerneinrichtung angebracht ist, bezogen ist.

23. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung eine Federeinrichtung aufweist.

24. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung eine Schraubenfedereinrichtung mit einer Achse aufweist, die mit einer Achse der elektrischen Magnetspuleneinrichtung ausgerichtet ist.

25. Optische Verzögerungsleitung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung eine Vorspann- Magnetspuleneinrichtung aufweist, um eine entgegengesetzt gerichtete Kraft an der Kerneinrichtung zu erzeugen.

26. Autokorrelator mit einem Strahlteiler zum Empfangen eines Eingangs-Lichtimpulszuges, der jeweils zwei Ausgangsstrahlen erzeugt,
einem feststehenden hohlen Frontflächen-Retro- Reflektor, der derart angeordnet ist, daß er einen ersten der beiden Ausgangsstrahlen zum Strahlteiler (116) zurückreflektiert,
einer optischen Verzögerungsleitung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 oder 21 bis 25, die derart angeordnet ist, daß sie einen zweiten der beiden Ausgangsstrahlen zum Strahlteiler, der dritte und vierte Ausgangsstrahlen erzeugt, zurückreflektiert, und
einer Detektoreinrichtung (160), die auf den vierten Ausgangsstrahl zur Erzeugung eines Ausgangssignals anspricht, das durch eine Größe charakterisiert ist, die mit dem Grad der Überlappung der Impulse im ersten und zweiten Ausgangsstrahl, die zusammen den vierten Ausgangsstrahl bilden, verknüpft ist.

27. Autokorrelator nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen Verdopplungskristall und ein Grundwellenfrequenzfilter aufweist.

28. Autokorrelator nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen Fotodetektor umfaßt.

29. Autokorrelator nach Anspruch 26, 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß der feststehende hohle Frontflächen­ Retro-Reflektor und die optische Verzögerungsleitung derart angeordnet sind, daß der erste und der zweite der beiden Ausgangsstrahlen vertikal gegeneinander versetzt sind, wenn sie beim Strahlteiler wieder zusammengefaßt werden.

30. Autokorrelator nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung gemäß Anspruch 1
eine feststehende Bühneneinrichtung, auf der das Gleitstück montiert ist,
eine Galvanometer-Einrichtung, die auf der feststehenden Bühneneinrichtung montiert ist und eine drehbare Ausgangswelle aufweist, deren Drehachse senkrecht zur Achse des sich bewegenden Retro-Reflektors ausgerichtet ist,
eine an der Ausgangswelle montierte Nockeneinrichtung und
eine mit der Gleiteinrichtung verbundene Spannbandeinrichtung aufweist, die durch die Nockeneinrichtung zum Bewegen des Gleitstücks auf die Drehung der Galvanometer-Welle hin angetrieben ist.

31. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung eine elektrische Magnetspuleneinrichtung,
eine bewegbare Kerneinrichtung, die für eine lineare Bewegung bezüglich der elektrischen Magnetspuleneinrichtung angebracht ist,
eine Montageeinrichtung zum Befestigen des zumindest einen der beiden Retro-Reflektoren an der Kerneinrichtung und
eine Vorspanneinrichtung aufweist, die betriebsmäßig mit der Magnetspuleneinrichtung und der beweglichen Kerneinrichtung zum Vorspannen der Kerneinrichtung gegenüber der linearen Bewegung verknüpft ist.

32. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung eine Federeinrichtung aufweist.

33. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung eine Schraubenfedereinrichtung umfaßt, deren Achse mit einer Achse der elektrischen Magnetspuleneinrichtung ausgerichtet ist.

34. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspanneinrichtung eine Vorspann-Solenoideinrichtung umfaßt, die bezüglich der elektrischen Magnetspuleneinrichtung derart angebracht ist, daß sie eine entgegengesetzt gerichtete Kraft auf die Kerneinrichtung ausübt.

35. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung
ein drehbares Antriebsrad (103),
eine Antriebsstange (105), deren eines Ende schwenkbar an dem Antriebsrad angebracht und deren anderes Ende schwenkbar mit dem zumindest einen der beiden Retro-Reflektoren gekoppelt ist, und
eine Einrichtung aufweist, die den zumindest einen der beiden Retro-Reflektoren auf eine Bewegung entlang einer Linie beschränkt.

36. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschränkungseinrichtung eine translatorische lineare Stufe umfaßt.

37. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzeinrichtung
ein drehbares Antriebsrad (103),
eine Antriebsstange (105), deren eines Ende schwenkbar an dem Antriebsrad angebracht und deren anderes Ende schwenkbar mit dem zumindest einen der beiden Retro-Reflektoren gekoppelt ist, und
eine Einrichtung aufweist, die den zumindest einen der beiden Retro-Reflektoren auf eine Bewegung entlang einer Linie beschränkt.

38. Optische Verzögerungsleitung nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschränkungseinrichtung eine translatorische lineare Stufe bzw. Bühne umfaßt.