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Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Manuel Queier FB Physik, FU Berlin

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Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser Basics Laser Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

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Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser Basics Laser Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

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Einleitung Seit 1960 Siegeszug des Lasers in Naturwissenschaft und Alltag Seit 1960 Siegeszug des Lasers in Naturwissenschaft und Alltag Spektrale Reinheit und Kohrenz (CW- Betrieb) Spektrale Reinheit und Kohrenz (CW- Betrieb) Laserpulse eignen sich zum Auflsen zeitabhngiger Prozesse Laserpulse eignen sich zum Auflsen zeitabhngiger Prozesse Extrem schnelle Prozesse z.B. Moleklschwingung durch Pump-Probe mit ultrakurzen Laserpulsen Extrem schnelle Prozesse z.B. Moleklschwingung durch Pump-Probe mit ultrakurzen Laserpulsen

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Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser Basics Laser Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

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Laser-Basics Medium, Resonator, Energiepumpe Medium, Resonator, Energiepumpe G initiiert durch spontane Emission und Oszillation im Resonator G initiiert durch spontane Emission und Oszillation im Resonator => Strahlungsfeld, Energiedichte aus mehreren TEM xy Moden => Strahlungsfeld, Energiedichte aus mehreren TEM xy Moden Absorbtion vs. Verstrkung G (stimulierte Emission) Absorbtion vs. Verstrkung G (stimulierte Emission) => Schwellwertbedingung => Schwellwertbedingung (Demtrder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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Laser-Basics Verstrkungsprofil eines Lasers: Verstrkungsprofil eines Lasers: (Demtrder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser Basics Laser Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

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Wie macht man Laser-Pulse? Einfachste Methode: Pumpvorgang modulieren (Blitzanregung) Einfachste Methode: Pumpvorgang modulieren (Blitzanregung) => einige s => einige s Gteschaltung (Q-Switching): Strahlungsrckkopplung erst beim Inversionsmaximum durch z.B. optischen Schalter (hohe Verluste - zu, niedrige Verluste - auf) Gteschaltung (Q-Switching): Strahlungsrckkopplung erst beim Inversionsmaximum durch z.B. optischen Schalter (hohe Verluste - zu, niedrige Verluste - auf) - schneller Inversionsabbau - schneller Inversionsabbau - Moden haben statistische Phasenlage zueinander - Moden haben statistische Phasenlage zueinander => ca. 10 ns

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Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Hhere Intensitten durch Kopplung bringt ps-Pulse Hhere Intensitten durch Kopplung bringt ps-Pulse Kontinuierliche Pumpe (quasi CW-Betrieb) Kontinuierliche Pumpe (quasi CW-Betrieb) Phasenstarre berlagerung ( i =0) der Einzelmoden im Verstrkungsbereich Phasenstarre berlagerung ( i =0) der Einzelmoden im Verstrkungsbereich

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Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Modenkoplung (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

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Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Schalter (Pockel, Ultraschall,) moduliert G des Resonators mit Frequenz = 1 Schalter (Pockel, Ultraschall,) moduliert G des Resonators mit Frequenz = 1 (ist auch Pulsfrequenz) (ist auch Pulsfrequenz) Seitenbnder (SB) n entsprechen den nun gekoppelten Moden, nehmen an der Oszillation teil Seitenbnder (SB) n entsprechen den nun gekoppelten Moden, nehmen an der Oszillation teil (Rulliere, Femtosecond Laserpulses (Demtrder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Anschaulich: Anschaulich:

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Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Seitenbnder konkurrieren mit longitudinalen Moden fr Gewinn G Seitenbnder konkurrieren mit longitudinalen Moden fr Gewinn G Mode wird nur zu bestimmten Zeitpunkt 1/(m) nicht abgeschwcht Mode wird nur zu bestimmten Zeitpunkt 1/(m) nicht abgeschwcht Also berleben nur die Moden den Kampf, die sich an eines der SB 0 , q= -m,m+1,,m hngen, die also modengekoppelt sind Also berleben nur die Moden den Kampf, die sich an eines der SB 0 , q= -m,m+1,,m hngen, die also modengekoppelt sind Daraus resultiert ein Puls der den Schalter zum Zeitpunkt maximaler Transmission passiert Daraus resultiert ein Puls der den Schalter zum Zeitpunkt maximaler Transmission passiert Phasenrelation im Frequenzraum Intensittsmaximum im Zeitraum (FT) Phasenrelation im Frequenzraum Intensittsmaximum im Zeitraum (FT) Opto-akkustischer Modulator (Demtrder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung ABER: Schalter zu langsam fr fs-Pulse, ABER: Schalter zu langsam fr fs-Pulse, nur ps sind mglich nur ps sind mglich Abhilfe schaff(t)en Absorber (passive Modenkopplung) Abhilfe schaff(t)en Absorber (passive Modenkopplung)

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Wie macht man Laser-Pulse?- Passive Modenkopplung Auch hier gilt: Der Strkere gewinnt Auch hier gilt: Der Strkere gewinnt Pulse steuern Modulation selbst mit Hilfe eines sttigbaren Absorbers Pulse steuern Modulation selbst mit Hilfe eines sttigbaren Absorbers Fr hohe Intensittsmaxima hchste T, sttigen Absorber pro Umlauf => noch hhere Verstrkung Fr hohe Intensittsmaxima hchste T, sttigen Absorber pro Umlauf => noch hhere Verstrkung Schwchere Maxima erfahren kleinere Verstrkung u. grte A, werden unterdrckt Schwchere Maxima erfahren kleinere Verstrkung u. grte A, werden unterdrckt Absorber (aus Rulliere, Femtosecond Laserpulses)

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Wie macht man Laser-Pulse?- Passive Modenkopplung Weitere Aufsteilung des Pulses durch Absorber: Weitere Aufsteilung des Pulses durch Absorber: Verstrkung setzt erst bei best. I(t) ein, Pulsende erfhrt keine Absorbtion mehr durch Sttigung und Hinterflanke steilt auf Frequenzfilter, Prismen, usw. verbreitern Puls Frequenzfilter, Prismen, usw. verbreitern Puls Halten sich beide Effekte die Waage, ist der Puls Self-Consistent Halten sich beide Effekte die Waage, ist der Puls Self-Consistent

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Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Self locking of modes zufllig in Schottland an CW-Laser entdeckt Self locking of modes zufllig in Schottland an CW-Laser entdeckt Kein extra Absorber ntig Kein extra Absorber ntig Bestimmte Konfiguration favorisiert Pulsregime ber CW (Rtteln am Spiegel) Bestimmte Konfiguration favorisiert Pulsregime ber CW (Rtteln am Spiegel) Wie funktioniert das? Wie funktioniert das?

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Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Mit Kerreffekt im Ortsraum (Selbstfokussierung): Mit Kerreffekt im Ortsraum (Selbstfokussierung): n(I,r)=n 0 +n 2 I(r,z) V P =c/n=c/(n 0 +n 2 I(t)) => Minimum von V P => Fokussierung nur der starken I-Maxima (stabiler Puls resultiert) (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

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Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Zustzlich noch Selbstphasenmodulation: Zustzlich noch Selbstphasenmodulation: Phase der Welle ist =t-kz=t-(n(I)/c)z= t-(zn 0 )/c-n 2 zI(r,z)/c. Die Frequenz ist d/dt dI/dt, d.h. Vorderflanke des Pulses hat grere F, Hinterflanke kleinere F, also wird das Spektrum breiter und der Puls krzer

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Dem entgegen wirkt die Dispersion der Gruppengeschwindikeit: Dem entgegen wirkt die Dispersion der Gruppengeschwindikeit: Lngerwellige Moden laufen schneller und dehnen den Puls zeitlich (Chirp) Analog zum Passive Mode Locking: Analog zum Passive Mode Locking: Pulse verschmlert durch Verstrkung der Pulsmaxima und Gleichgewichtszustand wenn Dispersion Selbstphasenmodulation (Quasisoliton) => Dafr ist Dispersionskompensation ntig Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing

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Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser Basics Laser Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden- Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden- Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Warum Ti:Saphir? Warum Ti:Saphir? Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Warum Ti:Saphir? Warum Ti:Saphir? Bandbreite, Pumpleistung, spritzt nicht, RT, Bandbreite, Pumpleistung, spritzt nicht, RT,

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Aufbau eines Ti:Saphir Lasers: Aufbau eines Ti:Saphir Lasers: Mit Ti-Ionen dotiertes Al 2 O 3 im Resonator wird mit CW-Argon-Laser gepumpt Mit Ti-Ionen dotiertes Al 2 O 3 im Resonator wird mit CW-Argon-Laser gepumpt

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Fabry Perot Interferometer (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Ringresonator (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Dispersionskompensation? Dispersionskompensation? Gitterkompensatoren werden verwendet, Aber: Dispersion immer noch zu gro sowie Reflexionsverluste Besser: Prismenpaare oder dispersive Spiegel (frequenzabhngige Eindringtiefe) Besser: Prismenpaare oder dispersive Spiegel (frequenzabhngige Eindringtiefe)

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Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

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Zusammenfassung Pulserzeugung mit der Zeit durch Pulserzeugung mit der Zeit durch Blitzlichtanregung Gteschaltung Modenkopplung => Self locking Ende 80er Nicht alle Medien fr ultrakurze Pulse geeignet Nicht alle Medien fr ultrakurze Pulse geeignet Ti:Saphir ist preiswert in guter Qualitt verfgbar => heute Standart Ti:Saphir ist preiswert in guter Qualitt verfgbar => heute Standart

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Ausblick Mit Ti:Saphir stabile Pulsdauern