Ultrakurzpuls Lasersysteme

Transkript

1 Ultrakurzpuls Lasersysteme Vortrag von Julia Ehrt 27.November 2003 Experimentelles Lehrseminar WS 2003/04 Prof. Hertel Betreuer: Herr Dr. Noack

2 Übersicht

3 Übersicht 1) Entwicklungsgeschichte ultrakurzer Laserpulse 2) Typische Ultrakurzpulslaser 3) Verstärkung von Laserpulsen 4) Dehnung und Verkürzung von ultrakurzen Laserpulsen 5) Selbsphasenmodulation (optional)

4 1) Historische Entwicklung 1960 erster Laser (Rubinlaser) 1961 erster Q-switch Pulslaser (rotierende Blende im Resonator (Pulsdauer >10 µs) von Hellwarth 1964 Q-switch Pulslaser mit sättigbarem Absorber (Pulsdauer um 1 ns) von Kafalas et al. Datenbsp. für einen Q-switched Rubinlaser: λ = 694,2 nm t = 2 ns P = 1,8 GW Pulserergie: einige Joule

5 1964 erster Laser (HeNe) mit Pulsen unter 100 ps (Hargrove) 1965 Rubinlaser (<100 ps) (Mocker & Collins) 1966 Nd:Glas, später auch Nd:YAG (<100ps) Pulserzeugung durch Modenkopplung aber auch Q-switched

6 1964 erster Laser (HeNe) mit Pulsen unter 100 ps (Hargrove) 1965 Rubinlaser (<100 ps) (Mocker & Collins) 1966 Nd:Glas, später auch Nd:YAG (<100ps) Pulserzeugung durch Modenkopplung aber auch Q-switched Abstrahlcharakteristik eines modengekoppelten Q-switched Lasers

7 1970 Erfindung des kontinuierlich abstrahlenden Farbstofflasers große Bandbreite großer Emmissionsquerschnitt kurze Zerfallszeit des angeregten Niveaus keine Q-switch Probleme 1974 erster subpicosekunden Laser (Shank & Ippen)) 1981 erster Laser mit Pulsen unter 100 fs (Fork et al.) 1985 Farbstofflaser mit 27 fs (Valdmanis et al.) Verkürzung auf 6 fs 1987 (Fork et al.)

8 1970 Erfindung des kontinuierlich abstrahlenden Farbstofflasers große Bandbreite großer Emmissionsquerschnitt kurze Zerfallszeit des angeregten Niveaus keine Q-switch Probleme 1974 erster subpicosekunden Laser (Shank & Ippen)) 1981 erster Laser mit Pulsen unter 100 fs (Fork et al.) 1985 Farbstofflaser mit 27 fs (Valdmanis et al.) Verkürzung auf 6 fs 1987 (Fork et al.) Abstrahlcharakteristik eines modengekoppelten Lasers (ohne Q-switch)

9 1986 neues Lasermedium: Ti:Saphir (Moulton) 1991 Kerr Linsen modelocking mit Ti:Saphir Laser (Spence et al.) 1992 SESAM (semiconductor saturable absorber mirror) von Keller fs Pulse von Sutter et al. und Morgner et al. Der Vorteil des Ti:Saphir liegt in der höheren erreichbaren mittleren Leistung.

10 Einige Daten der letzten Jahre Material Kopplung Pulsdauer Leistung Wiederholfreq. Ti:Saphir KLM <6 fs 300 mw 85 MHz 13 fs 1,5 W 110 MHz Nd:YVO 4 SESAM 2,7 ps 65 mw 77 GHz Yb:YAG Soliton 730 fs 16,2 W 35MHz SESAM Nd:YAG active EOM 8 ps 240mW 1

11 2) Typische Ultrakurzpulslaser Nd 3+ :YAG Picosekundenlaser mit hoher mittlerer Leistung

12 Nd:Glas Laser 60 fs Pulse bei 84mW durchschnittlicher Leistung

13 Zusammenhang zwischen Pulsenergie und Wiederholfrequenz Energie pro Puls

14 3) Verstärkung von Laserpulsen E in Verstärkermedium E out pumpen Für kleine Intensitäten ergibt sich eine Verstärkung pro Durchgang von: g 0 ist hier gegeben durch : J sto = gespeicherte Energiedichte E p α/s J sat = hν/σ ε = Energiedichte des Verstärkermaterials

15 Für große eingestrahlte Energiedichten ist der Zusammenhang komplizierter. Dies versanschaulicht folgende Grafik:

16 Verstärkung in Abhängigkeit der Durchläufe durch einen regenerativen Verstärker

17 (i) Geometrische Lösung (ii) Regenerativer Verstärker

18 Beim Verstärken ultrakurzer Pulse treten verschiedene Probleme auf: Verstärkung führt zu kleinerer Bandbreite je kürzer der Puls um so kleiner sollte das Verstärkermaterial sein (Dispersion) die wenigsten Materialien halten mehr als 5 GW/cm 2 aus, so können z.b. 100fs Pulse nicht direkt verstärkt werden

19 Bandbreitenveringerung bei Verstärkung

20 Bandbreitenverkleinerung mit und ohne Filter

21 4) Dehnung und Verkürzung von ultrakurzen Laserpulsen

22 Dispersion ultrakurzer Lichtpulse Bei ultrakurzen Lichtpulsen spielen die Terme höherer Ordnung in der Dispersion eine bedeutende Rolle. Für Pulse mit einer Länge von wenigen fs ist eine Kontrolle der Dispersion bis in die dritte Ordnung erforderlich. Die Dispersion ist gegeben durch: Mit der Beziehung k=nω/c ergibt sich der Zusammenhang zur in den Grundvorlesungen behandelten Dispersion (Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Frequenz)

23 Diese Beziehung setzen wir nun in einen gaussförmigen Puls ein: Nach einer Fourriertransformation und einiger algebraischanalytischer Gymnastik erhält man schließlich: Γ ist der Formfaktor der Gausglocke in Raum-Zeit Koordinaten.

24 Entwicklung des Pulses in Raum und Zeit

25 Die Phase des Wellenpaketes ist der Form: Φ(t)=ωt+At 2 Daher gilt für die Frequenz die Beziehung: (!) ω(t)=ω 0 +At A>0 Solch eine Frequenzabhängigkeit heißt (positiver) chirp. Die roten Frequenzanteile sind an der Forderkante größer, die blauen an der Hinterkante.

26 Verkürzen eines chirped Pulses Das Hauptproblem besteht darin, dass fast alle Medien eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GGD)haben! Unter Ausnutzung von Winkeldispersion lassen sich jedoch negative GGDen erzeugen:

27 Ein ähnlicher Aufbau läßt sich auch zum erzeugen verlängerter chirped Pulse zu erzeugen:

28

29 5) Selbstphasenmodulation Voraussetzung: ein nichtlineares Medium bei dem der Brechungsindex von der Intensität abhängt: mit ergibt sich

30 Bandbreitendeformation eines Gausspeaks und Pulskompression Die optische Fiber ist das nichtlineare Medium und in der Praxis sehr kurz um die Dispersion klein genug zu halten.