Erzeugung von Femtosekunden Laserpulsen Manuel Queier FB Physik

Erzeugung von Femtosekunden. Laserpulsen Manuel Queißer FB Physik, FU Berlin

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

Einleitung n Seit 1960 Siegeszug des Lasers in Naturwissenschaft und Alltag n Spektrale Reinheit und Kohärenz (CWBetrieb) n Laserpulse eignen sich zum Auflösen zeitabhängiger Prozesse n Extrem schnelle Prozesse z. B. Molekülschwingung durch Pump-Probe mit ultrakurzen Laserpulsen

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

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

Laser-Basics n Verstärkungsprofil eines Lasers: (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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

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

Wie macht man Laser-Pulse? -Aktive Modenkopplung n Höhere Intensitäten durch Kopplung bringt ps-Pulse n Kontinuierliche Pumpe (quasi CW-Betrieb) n Phasenstarre Überlagerung (Δφi=0) der Einzelmoden im Verstärkungsbereich

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

Wie macht man Laser-Pulse? -Aktive Modenkopplung Schalter (Pockel, Ultraschall, …) moduliert G des Resonators mit Frequenz Ω ≈ = ω1 (ist auch Pulsfrequenz) n Seitenbänder (SB) ωn entsprechen den nun gekoppelten Moden, nehmen an der Oszillation teil n (Rulliere, Femtosecond Laserpulses (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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

Wie macht man Laser-Pulse? -Aktive Modenkopplung n n n Seitenbänder konkurrieren mit longitudinalen Moden für Gewinn G Mode wird nur zu bestimmten Zeitpunkt 1/(mΩ) nicht abgeschwächt Also „überleben“ nur die Moden Kampf, die sich an eines der SB ω0 ± , q= -m, m+1, …, m hängen, die also modengekoppelt sind Daraus resultiert ein Puls der den Schalter zum Zeitpunkt maximaler Transmission passiert Phasenrelation im Frequenzraum Intensitätsmaximum im Zeitraum (FT) Opto-akkustischer Modulator (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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

Wie macht man Laser-Pulse? Passive Modenkopplung n Auch hier gilt: Der Stärkere gewinnt n Pulse steuern Modulation selbst mit Hilfe eines sättigbaren Absorbers n Für hohe Intensitätsmaxima – höchste T, sättigen Absorber pro Umlauf => noch höhere Verstärkung n Schwächere Maxima erfahren kleinere Verstärkung u. größte A, werden unterdrückt Absorber (aus Rulliere, Femtosecond Laserpulses)

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

Wie macht man Laser-Pulse? Kerr Mode Lensing n „Self locking of modes“ zufällig in Schottland an CW-Laser entdeckt n Kein extra Absorber nötig n Bestimmte Konfiguration favorisiert Pulsregime über CW (Rütteln am Spiegel) n Wie funktioniert das?

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

Wie macht man Laser-Pulse? Kerr Mode Lensing n Zusätzlich noch Selbstphasenmodulation: Phase der Welle ist φ=ωt-kz=ωt-(ωn(I)/c)z= ωt-(ωzn 0)/c-n 2ωz. I(r, z)/c. Die Frequenz ist dφ/dt d. I/dt, d. h. Vorderflanke des Pulses hat größere F, Hinterflanke kleinere F, also wird das Spektrum breiter und der Puls kürzer

Wie macht man Laser-Pulse? Kerr Mode Lensing Dem entgegen wirkt die Dispersion der Gruppengeschwindikeit: Längerwellige Moden laufen schneller und dehnen den Puls zeitlich (Chirp) n Analog zum Passive Mode Locking: Pulse verschmälert durch Verstärkung der Pulsmaxima und Gleichgewichtszustand wenn Dispersion Selbstphasenmodulation (Quasisoliton) => Dafür ist Dispersionskompensation nötig n

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Zusammenfassung n Pulserzeugung mit der Zeit durch – Blitzlichtanregung – Güteschaltung – Modenkopplung => Self locking Ende 80 er n Nicht alle Medien für ultrakurze Pulse geeignet n Ti: Saphir ist preiswert in guter Qualität verfügbar => heute Standart

Ausblick Mit Ti: Saphir stabile Pulsdauern <10 fs und einigen n. J, die noch verstärkt werden können n Wo liegt die Zeitgrenze? n – – n Bandbreite des Mediums Dispersionskompensation (Chirp) Dispersion an Spiegeln Pulse von 4 fs bei: 1 -2 Perioden/Puls => theoretische Beschreibung problematisch (Träger vs. Einhüllende) Pulse unter 10 fs durch nachträgliche Spektralverbreiterung (Glasfaser, Krypton), höhere Pulsspitzenleistungen nötig

~ THE END ~ Vielen Dank