Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik
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- Rüdiger Fritz Stein
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1 Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik 1. Einleitung 2. Darstellung ultrakurzer Lichtimpulse 2.1 Prinzip der Modenkopplung 2.2 Komplexe Darstellung ultrakurzer Lichtimpulse Fourier Transformation Zeitliche und spektrale Phase Taylor Entwicklung der Phase Nützliche Umrechnungen 2.3 Ausbreitung ultrakurzer Impulse Der Brechungsindex Ausbreitung eines Gauß-Impulses Messung der Dispersion Kompensation der Dispersion Kurze Pulse und optische Komponenten 2.4 Nichtlineare Pulsausbreitung Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 1
2 Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik 2.4 Nichtlineare Pulsausbreitung Kerr-Effekt Solitonen 3. Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse 3.1 Allgemeines 3.2 Aktive Modenkopplung 3.3 Passive Modenkopplung Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 2
3 Nichtlineare Modulation Diodenkennlinie: kt I = I ( e 1) M S eu Taylor-Entwicklung: e x 1 2 = 1+ x+ x +... Nichtlineare Kennlinie: I 2 M U 2 Arbeitspunkteinstellung: u = U + u + u S 0 M T Amplitudenmoduliertes Signal nach Filterung Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 3
4 Modenkopplung Mehrere Moden können gleichzeitig im Resonator oszillieren: losses multiple oscillating cavity modes laser gain profile ω q 2 ω q 1 ω q ω q+1 ω q+2 ω q+3 possible cavity modes Im homogen verbreiterten Lasermedium kommt es zu Konkurrenzprozessen, also zu starken Fluktuationen Energieübertrag durch Modulation führt zu Kopplung und optimaler Ausnutzung der Verstärkung Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 4
5 Modenkopplung Zufällige Phasen aller Lasermoden Gekoppelte Phasen aller Lasermoden Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 5
6 Modenzahl und Pulslänge Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 6
7 Verlustmodulation zur Modenkopplung im Zeitbild Umlauf! überschreitet Verlust nur für kurze Zeit pro zeitliches Tor fürs Laseranschwingen in Form von kurzen Pulsen Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 7
8 3.3 Passive Modenkopplung Ergibt i.d.r. kürzere Pulse als mit aktiver Modenkopplung!? Ist i.d.r. einfacher zu realisieren!? Ist i.d.r. kostengünstiger! Der Puls moduliert sich (optisch) selbst und damit keine Abstimmungsprobleme zwischen Elektronik und Optik! Parameterbereiche häufig enger gesteckt und aufwändigere Justage im Vergleich zur aktiven Modenkopplung Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 8
9 P.M. mittels (künstlicher) sättigbarer Absorber Intensitätsspitzen (d.h. kurze Pulse) erfahren erfahren weniger Verluste und kommen über die Laserschwelle im Gegensatz zum Untergrund (d.h. lange Pulse) Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 9
10 Schneller sättigbarer Absorber Absorptionskoeffizient: α ( () ) 2 a t = α 0 1+ () 2 a t A I eff a Transmission: a() t 2 2 a 0 a 0 a Aeff Ia al e a 1 αl = 1 α L 1 = 1 α L + γ a where: γ = αola A eff L a D.h., es ergibt sich ein intensitätsabhängiger Verlust! Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 10
11 Nichtlineare Einflüsse ermöglichen künstliche sättigbare Absorber Brechungindex: n r r (, t) = n, λ) + 0 n2 I r (, O( t), O( ( λ )) Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 11
12 Kerr-Lens Mode-Locking (KLM) Identischer Verlust für c.w. und p.w. Hoher Verlust für c.w. Geringer Verlust für p.w. Zusammen mit einer Blende ergeben sich intensitätsabhängige Verluste, welche die Erzeugung von Pulsen bevorzugen. Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 12
13 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 13
14 Interferometrische Überlagerung am Strahlteiler Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 14
15 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Phasenrichtige Überlagerung Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 15
16 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 16
17 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Resonatoren für APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 17
18 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Resonatoren für APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 18
19 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 19
20 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 20
21 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 21
22 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 22
23 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 23
24 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 24
25 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 25
26 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 26
27 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Theorie des APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 27
28 Additive-Pulse Mode-Locking (APM) Startprozess für APM Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 28
29 Aufbaubeispiel für APM-Laser Mitschke & Mollenauer Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 29
30 Passive Mode-locking with a Slow Saturable Absorber What if the absorber responds slowly (more slowly than the pulse)? Then only the leading edge will experience pulse shortening. This is the most common situation, unless the pulse is many ps long. Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 30
31 Gain Saturation shortens the pulse trailing edge. The intense spike uses up the laser gain-medium energy, reducing the gain available for the trailing edge of the pulse (and for later pulses). Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 31
32 Saturable gain and loss Lasers lase when the gain exceeds the loss. The combination of saturable absorption and saturable gain yields short pulses even when the absorber is slower than the pulse. Ultrakurze Lichtimpulse und THz Physik, WS07/08 32
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