erzeugung von femtosekunden- laserpulsen manuel queißer fb physik, fu berlin

Erzeugung von Erzeugung von Femtosekunden-Femtosekunden-

LaserpulsenLaserpulsenManuel QueißerManuel Queißer

FB Physik, FU BerlinFB Physik, FU Berlin

Erzeugung von Erzeugung von Femtosekunden-LaserpulsenFemtosekunden-Laserpulsen

EinleitungEinleitung Laser – BasicsLaser – Basics Wie macht man Wie macht man

Laser-Pulse?Laser-Pulse? Femtosekunden-Femtosekunden-

Pulse mit Ti:SaphirPulse mit Ti:Saphir ZusammenfassungZusammenfassung AusblickAusblick


LaserpulsenLaserpulsen EinleitungEinleitung Laser – BasicsLaser – Basics Wie macht man Wie macht man



EinleitungEinleitung

Seit 1960 Siegeszug des Lasers in Seit 1960 Siegeszug des Lasers in Naturwissenschaft und AlltagNaturwissenschaft und Alltag

Spektrale Reinheit und Kohärenz Spektrale Reinheit und Kohärenz (CW-Betrieb)(CW-Betrieb)

Laserpulse eignen sich zum Auflösen Laserpulse eignen sich zum Auflösen zeitabhängiger Prozessezeitabhängiger Prozesse

Extrem schnelle Prozesse z.B. Extrem schnelle Prozesse z.B. Molekülschwingung durch Pump-Molekülschwingung durch Pump-Probe mit ultrakurzen LaserpulsenProbe mit ultrakurzen Laserpulsen

Laser-BasicsLaser-Basics Medium, Resonator, Medium, Resonator,

EnergiepumpeEnergiepumpe G initiiert durch G initiiert durch

spontane Emission und spontane Emission und Oszillation im ResonatorOszillation im Resonator

=> Strahlungsfeld, => Strahlungsfeld, Energiedichte aus Energiedichte aus mehreren TEMmehreren TEMxy xy ModenModen

Absorbtion vs. Absorbtion vs. Verstärkung G Verstärkung G (stimulierte Emission)(stimulierte Emission)

=> => SchwellwertbedingungSchwellwertbedingung

(Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

Laser-BasicsLaser-Basics

Verstärkungsprofil eines Lasers:Verstärkungsprofil eines Lasers:

(Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

Wie macht man Laser-Wie macht man Laser-Pulse?Pulse?

Einfachste Methode: Pumpvorgang modulieren Einfachste Methode: Pumpvorgang modulieren (Blitzanregung)(Blitzanregung)

=> einige => einige μμss Güteschaltung (Q-Switching): Güteschaltung (Q-Switching):

Strahlungsrückkopplung erst beim Strahlungsrückkopplung erst beim Inversionsmaximum durch z.B. optischen Schalter Inversionsmaximum durch z.B. optischen Schalter (hohe Verluste - zu, niedrige Verluste - auf)(hohe Verluste - zu, niedrige Verluste - auf)

- schneller Inversionsabbau- schneller Inversionsabbau - Moden haben statistische Phasenlage - Moden haben statistische Phasenlage

zueinanderzueinander=> ca. 10 ns=> ca. 10 ns

Wie macht man Laser-Pulse?-Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive ModenkopplungAktive Modenkopplung

Höhere Intensitäten durch Kopplung Höhere Intensitäten durch Kopplung bringt ps-Pulsebringt ps-Pulse

Kontinuierliche Pumpe (quasi CW-Kontinuierliche Pumpe (quasi CW-Betrieb)Betrieb)

Phasenstarre Überlagerung (Phasenstarre Überlagerung (ΔφΔφii=0)=0) der Einzelmoden im der Einzelmoden im VerstärkungsbereichVerstärkungsbereich


Modenkoplung (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)


Schalter (Pockel, Schalter (Pockel, Ultraschall,…) Ultraschall,…) moduliert G des moduliert G des Resonators mit Resonators mit Frequenz Frequenz ΩΩ ≈≈ = = ωω11

(ist auch Pulsfrequenz)(ist auch Pulsfrequenz)

Seitenbänder (SB) Seitenbänder (SB) ωωn n

entsprechen den nun entsprechen den nun gekoppelten Moden, gekoppelten Moden, nehmen an der nehmen an der Oszillation teilOszillation teil

d

c

2

(Rulliere, Femtosecond Laserpulses

(Demtröder, Experimentalphysik 3,

Springer Verlag)


Anschaulich:Anschaulich:


Seitenbänder konkurrieren Seitenbänder konkurrieren mit longitudinalen Moden für mit longitudinalen Moden für Gewinn GGewinn G

Mode wird nur zu bestimmten Mode wird nur zu bestimmten Zeitpunkt 1/(mZeitpunkt 1/(mΩΩ) ) nicht nicht abgeschwächtabgeschwächt

Also „überleben“ nur die Also „überleben“ nur die Moden den Kampf, die sich an Moden den Kampf, die sich an eines der SB eines der SB ωω0 0 ±± , q= - , q= -m,m+1,…,m hängen, die also m,m+1,…,m hängen, die also modengekoppelt sindmodengekoppelt sind

Daraus resultiert ein Puls der Daraus resultiert ein Puls der den Schalter zum Zeitpunkt den Schalter zum Zeitpunkt maximaler Transmission maximaler Transmission passiertpassiert

Phasenrelation im Phasenrelation im Frequenzraum Frequenzraum Intensitätsmaximum im Intensitätsmaximum im Zeitraum (FT)Zeitraum (FT)

d

qc

2

Opto-akkustischer Modulator (Demtröder,

Experimentalphysik 3, Springer Verlag)


ABER: Schalter zu langsam für fs-ABER: Schalter zu langsam für fs-Pulse,Pulse,

nur ps sind möglichnur ps sind möglich Abhilfe schaff(t)en Absorber (passive Abhilfe schaff(t)en Absorber (passive

Modenkopplung)Modenkopplung)

Wie macht man Laser-Pulse?-Wie macht man Laser-Pulse?-Passive ModenkopplungPassive Modenkopplung

Auch hier gilt: Der Auch hier gilt: Der Stärkere gewinntStärkere gewinnt

Pulse steuern Pulse steuern Modulation selbst mit Modulation selbst mit Hilfe eines sättigbaren Hilfe eines sättigbaren AbsorbersAbsorbers

Für hohe Für hohe Intensitätsmaxima – Intensitätsmaxima – höchste T, sättigen höchste T, sättigen Absorber pro Umlauf => Absorber pro Umlauf => noch höhere noch höhere VerstärkungVerstärkung

Schwächere Maxima Schwächere Maxima erfahren kleinere erfahren kleinere Verstärkung u. größte A, Verstärkung u. größte A, werden unterdrücktwerden unterdrückt

Absorber (aus Rulliere, Femtosecond Laserpulses)

Wie macht man Laser-Pulse?-Wie macht man Laser-Pulse?-Passive ModenkopplungPassive Modenkopplung

Weitere Aufsteilung des Pulses durch Weitere Aufsteilung des Pulses durch Absorber:Absorber:

Verstärkung setzt erst bei best. I(t) ein, Verstärkung setzt erst bei best. I(t) ein, Pulsende erfährt keine Absorbtion mehr Pulsende erfährt keine Absorbtion mehr durch Sättigung und Hinterflanke steilt durch Sättigung und Hinterflanke steilt aufauf

Frequenzfilter, Prismen, usw. Frequenzfilter, Prismen, usw. verbreitern Pulsverbreitern Puls

Halten sich beide Effekte die Waage, ist Halten sich beide Effekte die Waage, ist der Puls „Self-Consistent“der Puls „Self-Consistent“

Wie macht man Laser-Pulse?-Wie macht man Laser-Pulse?-Kerr Mode LensingKerr Mode Lensing

„„Self locking of modes“ zufällig in Self locking of modes“ zufällig in Schottland an CW-Laser entdecktSchottland an CW-Laser entdeckt

Kein extra Absorber nötigKein extra Absorber nötig Bestimmte Konfiguration favorisiert Bestimmte Konfiguration favorisiert

Pulsregime über CW (Rütteln am Pulsregime über CW (Rütteln am Spiegel)Spiegel)

Wie funktioniert das?Wie funktioniert das?


Mit Kerreffekt im Ortsraum (Selbstfokussierung):Mit Kerreffekt im Ortsraum (Selbstfokussierung):

n(I,r)=nn(I,r)=n00+n+n22I(r,z)I(r,z)

VVPP=c/n=c/(n=c/n=c/(n00+n+n22I(t)) => Minimum von VI(t)) => Minimum von VP P => => Fokussierung Fokussierung nur der starken I-Maxima nur der starken I-Maxima (stabiler Puls resultiert)(stabiler Puls resultiert)

(Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung

ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)


Zusätzlich noch Zusätzlich noch Selbstphasenmodulation:Selbstphasenmodulation:

Phase der Welle ist Phase der Welle ist

φφ==ωωt-kz=t-kz=ωωt-(t-(ωωn(I)/c)z=n(I)/c)z=

ωωt-(t-(ωωznzn00)/c-n)/c-n22ωωzzI(r,z)I(r,z)/c./c.

Die Frequenz ist dDie Frequenz ist dφφ/dt dI/dt, d.h. /dt dI/dt, d.h. Vorderflanke des Pulses hat größere F, Vorderflanke des Pulses hat größere F, Hinterflanke kleinere F, also wird das Hinterflanke kleinere F, also wird das Spektrum breiter und der Puls kürzerSpektrum breiter und der Puls kürzer

Dem entgegen wirkt die Dispersion der Dem entgegen wirkt die Dispersion der Gruppengeschwindikeit:Gruppengeschwindikeit:Längerwellige Moden laufen schneller und Längerwellige Moden laufen schneller und dehnen den Puls zeitlich (Chirp)dehnen den Puls zeitlich (Chirp)

Analog zum Passive Mode Locking:Analog zum Passive Mode Locking:Pulse verschmälert durch Verstärkung der Pulse verschmälert durch Verstärkung der Pulsmaxima und Gleichgewichtszustand Pulsmaxima und Gleichgewichtszustand wenn Dispersion wenn Dispersion Selbstphasenmodulation (Quasisoliton)Selbstphasenmodulation (Quasisoliton)=> Dafür ist Dispersionskompensation => Dafür ist Dispersionskompensation nötig nötig


Erzeugung von Erzeugung von Femtosekunden-LaserpulsenFemtosekunden-Laserpulsen

EinleitungEinleitung Laser – BasicsLaser – Basics Wie macht man Wie macht man


Pulse mit Pulse mit Ti:SaphirTi:Saphir

ZusammenfassungZusammenfassung AusblickAusblick

Femtosekunden-Pulse mit Femtosekunden-Pulse mit Ti:SaphirTi:Saphir

Warum Ti:Saphir?Warum Ti:Saphir?

Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation


Warum Ti:Saphir?Warum Ti:Saphir?

Bandbreite, Pumpleistung, spritzt nicht, Bandbreite, Pumpleistung, spritzt nicht, RT, …RT, …


(Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)


Aufbau eines Ti:Saphir Lasers:Aufbau eines Ti:Saphir Lasers:

Mit Ti-Ionen dotiertes AlMit Ti-Ionen dotiertes Al22OO3 3 im im Resonator wird mitResonator wird mit CW-Argon-Laser CW-Argon-Laser gepumptgepumpt


Fabry Perot Interferometer (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer

Lichtpulse, Dissertation)


Ringresonator (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)


Dispersionskompensation?Dispersionskompensation?

Gitterkompensatoren werden Gitterkompensatoren werden verwendet, Aber: Dispersion immer verwendet, Aber: Dispersion immer noch zu groß sowie noch zu groß sowie ReflexionsverlusteReflexionsverluste

Besser: Prismenpaare oder Besser: Prismenpaare oder dispersive Spiegel dispersive Spiegel (frequenzabhängige Eindringtiefe) (frequenzabhängige Eindringtiefe)


(Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer

Lichtpulse, Dissertation)

ZusammenfassungZusammenfassung

Pulserzeugung mit der Zeit durch Pulserzeugung mit der Zeit durch – BlitzlichtanregungBlitzlichtanregung– GüteschaltungGüteschaltung– Modenkopplung => Self locking Ende Modenkopplung => Self locking Ende

80er80er Nicht alle Medien für ultrakurze Pulse Nicht alle Medien für ultrakurze Pulse

geeignetgeeignet Ti:Saphir ist preiswert in guter Ti:Saphir ist preiswert in guter

Qualität verfügbar => heute StandartQualität verfügbar => heute Standart

AusblickAusblick Mit Ti:Saphir stabile Pulsdauern <10 fs und Mit Ti:Saphir stabile Pulsdauern <10 fs und

einigen nJ, die noch verstärkt werden einigen nJ, die noch verstärkt werden könnenkönnen

Wo liegt die Zeitgrenze?Wo liegt die Zeitgrenze?– Bandbreite des MediumsBandbreite des Mediums– Dispersionskompensation (Chirp)Dispersionskompensation (Chirp)– Dispersion an SpiegelnDispersion an Spiegeln– Pulse von 4 fs bei: 1-2 Perioden/Puls => Pulse von 4 fs bei: 1-2 Perioden/Puls =>

theoretische Beschreibung problematisch theoretische Beschreibung problematisch (Träger vs. Einhüllende)(Träger vs. Einhüllende)

Pulse unter 10 fs durch nachträgliche Pulse unter 10 fs durch nachträgliche Spektralverbreiterung (Glasfaser, Krypton), Spektralverbreiterung (Glasfaser, Krypton), höhere Pulsspitzenleistungen nötighöhere Pulsspitzenleistungen nötig

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Vielen DankVielen Dank

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