5.3 Charakterisierung der komprimierten Impulse mit 6 µJ Impulsenergie Der in Abschnitt 5.1 beschriebene Aufbau des Gitter-Kompressors zur Reduktion der Impulsdauern in den Femtosekunden-Bereich wird mit Hilfe eines hochreflektierenden,
-500 0 500
Zeit (fs) Zeit (fs) Zeit (fs)
Norm.Intensität Phase(rad)
Abbildung 5.4: Zeitlicher Intensitätsverlauf und Phase der komprimierten Impulse abhängig vom Einfallswinkel des Strahls bezüglich der Gitternormalen. Der Ein-fallswinkel wurde von (a) bis (c) um weniger als 1° variiert und der Retroreflektor entsprechend nachgeführt bis zum kürzesten Impuls. Je größer der Einfallswin-kel, desto länger sind die Impulse. Jedoch wird der Anteil an zeitlichen Vor- und Nachläufern bei kleinen Einfallswinkeln größer.
dielektrisch beschichteten Gitters, wie in Abschnitt 5.2 dargestellt, realisiert. Um dabei möglichst kurze Impulse zu erhalten, muss der Einfallswinkel des Strahls auf das Gitter optimal eingestellt sein. Dabei lässt sich durch die Variation dieses Winkels Dispersion dritter Ordnung zum Teil ausgleichen. Da im Wesentlichen die Frequenzmodulation, welche durch den Gitter-Strecker in das System eingebracht wurde, ausgeglichen wird, muss der Einfallswinkel im Gitter-Kompressor ähnlich zu dem im Strecker sein. Aus diesem Grund ist das Gitter im Kompressor auf einem präzisen Drehtisch montiert, sodass eine Feineinstellung vorgenommen werden kann. In Abbildung 5.4 sind die zeitlichen Intensitätsverläufe und die dazugehörigen Phasen exemplarisch für drei unterschiedliche Einfallswinkel aufgetragen.
Die Verläufe wurden dafür mit Hilfe einer FROG-Messung bei voller Leistung gemessen und rekonstruiert. Bei jedem Rotationsschritt des Gitters, welcher gleichbedeutend mit einem geänderten Einfallswinkel ist, wurde der horizontale Retroreflektor soweit nachgeführt, bis die kürzesten Impulse bei der jeweiligen Gitterstellung erreicht wurden. Obwohl der Unterschied im Einfallswinkel zwischen den einzelnen Teilabbildungen weniger als 1° beträgt, sind deutliche Änderungen im zeitlichen Verlauf zu erkennen. Für den gezeigten Bereich der Gitterstellung gilt, dass je größer der Einfallswinkel ist, desto längere Impulse liegen vor. Werden die Impulse jedoch durch kleinere Einfallswinkel verkürzt, verschiebt sich die Intensitätsverteilung mehr und mehr in zeitliche Vor- und Nachläufer. Dieser Effekt ist in Abbildung 5.4 durch gelbe Flächen markiert. Bei den kürzesten Impulsen mit einer Dauer von 140 fs liegen 15,2 % der Fläche unterhalb der zeitlichen Einhüllenden nicht mehr im Bereich des Hauptimpulses, wohingegen bei den Impulsen mit einer Dauer von
164 fs keinerlei Anteile mehr in Vor- und Nachläufer des Impulses festgestellt werden können. Dieses Verhalten kommt dadurch zu Stande, dass die Dispersion zweiter und dritter Ordnung nicht bei demselben Einfallswinkel des Strahl optimal ausgeglichen wird.
Für den bestmöglichen Betrieb ist also ein Kompromiss aus kurzen Impulsen und glatter Impulsform nötig.
Abbildung 5.5: SHG-FROG Messung der komprimierten Impulse, gemessen bei ei-ner Impulseei-nergie von 6 µJ. (a) Gemessene Amplitude des FROG-Spektrogramms (128×128 Pixel). (b) Rekonstruktion des FROG-Spektrogramms mit einem Fehler kleiner als 0,95 %. (c) Rekonstruierte zeitliche Intensitätseinhüllende (blau) und Pha-se (grün). Die Impulsdauer beträgt 145 fs (FWHM). (d) Rekonstruiertes Spektrum (rot) und spektrale Phase (grün).
In Abbildung 5.5 ist das vollständige Ergebnis einer FROG-Messung bei voller Leistung für die optimierte Impulskompression dargestellt. Dabei ist in Teilabbildung 5.5(a) das gemessene FROG-Spektrogramm aufgetragen. Im Vergleich dazu ist die Rekonstruktion des Spektrogramms mit 128×128 Pixel in Teilabbildung 5.5(b) gezeigt. Diese liefert einen Fehler von weniger als 0,95 %, was eine hervorragende Übereinstimmung mit den Messdaten zeigt. In Teilabbildung 5.5(c) ist die rekonstruierte zeitliche Intensitätseinhüllende und deren Phase dargestellt. Die Impulsdauer beträgt 145 fs (FWHM). Die Phase verläuft über die gesamte Zeitdauer des Impulses annähernd linear. Dies ist ein Maß dafür, dass die im System vorhandene Dispersion sehr gut ausgeglichen wird. Die Teilabbildung 5.5(d) zeigt das rekonstruierte Spektrum und Phase der Impulse. Auch die gute Übereinstimmung des rekonstruierten Spektrums mit dem gemessenen nach der PCF aus Abbildung 4.8(c) bestätigt die hohe Qualität der Rekonstruktion. Dieses Spektrum hat ein Fourier-Limit von
125 fs. Durch die Verwendung eines hochreflektierenden dielektrischen Gitters beläuft sich die Gesamteffizienz des Gitter-Kompressors auf mehr als 83 %. In dem hier vorgestellten Aufbau ist es damit gelungen Impulse mit einer Energie von 6 µJ zu erzeugen, die lediglich einen Faktor von 1,16 oberhalb der physikalischen Grenze des Fourier-Limits liegen.
Da 97 % der Intensität im Hauptanteil des Impulses liegt, erreichen die Impulse damit eine maximale Spitzenleistung von 36,8 MW bei einer Repetitionsrate von 10 MHz. Das ist nach bestem Wissen des Autors die bis dato höchste berichtete Impulsenergie für ein Ytterbium basiertes Faserlaser-System mit einer Repetitionsrate größer als 1 MHz. Ein Vergleich mit anderen veröffentlichten Verstärkern befindet sich in der Übersichtsgrafik auf Seite 3 in der Einleitung dieser Arbeit.
-40 -20 0 20 40
0 200 400 600 800
Strahlradius(µm)
Distanz zum Fokus (mm) horizontal vertikal
Abbildung 5.6:Ergebnis der Messung der Beugungs-maßzahl nach dem Gitter-Kompressor. Aufgetragen sind die Strahlradien in horizontaler und vertikaler Achse in Abhängigkeit der Distanz zum Fokuspunkt entlang der Strahlrichtung. Die resultierenden Maß-zahlen sind 1,36 für die horizontale und 1,07 für die vertikale Achse.
Neben den Impulsparametern wie Impulsenergie und -dauer spielt auch die Strahlqualität eine entscheidende Rolle. Um diese Spitzenleistung für physikalische Experimente zu nutzen, ist das Fokussieren des Strahls auf einen kleinen Raumbereich essenziell. Eine Messung der Beugungsmaßzahl M2 zur Überprüfung der Strahlqualität nach dem Kompressor wurde durchgeführt. Die sich daraus ergebenden Strahlradien in Abhängigkeit der Distanz zum Fokus sind in Abbildung 5.6 gezeigt. Die resultierenden Maßzahlen sind 1,36 für die horizontale und 1,07 für die vertikale Achse. Der Wert der Beugungsmaßzahl ist dicht an der Grenze eines Strahlprofils mit Gauß-Verteilung der Intensität mit M2= 1, sodass es möglich ist, einen nahezu beugungsbegrenzten Fokus zu generieren. Damit sind Intensitäten in der Größenordnung 1015W/cm2 erreichbar, um effizient nichtlineare Effekte wie die Erzeugung höherer Harmonischer treiben zu können [Cin12].
Grundlage hochpräziser Messungen in der Ultrakurzzeitphysik
In der vorliegenden Arbeit wird die Erzeugung von Impulsen mit einer Energie von 6 µJ bei einer Dauer von 145 fs und einer Repetitionsrate von 10 MHz gezeigt. Damit sind die erreichten Impulsparameter ideal für wissenschaftliche Einsatzgebiete im Bereich der extrem nichtlinearen Optik, wie etwa die Erzeugung höherer Harmonischer, Feldionisation oder Mehrphotonenabsorption. Die hohe Repetitionsrate stellt zudem eine gute Messsta-tistik sicher. Um zusätzlich Untersuchungen mit hoher Sensitivität zu ermöglichen, ist ein System mit geringen Schwankungen der Amplitude notwendig. An der Universität Konstanz konnten bei einer vergleichbaren Seed-Quelle basierend auf Er:Glasfasern bereits gute Rauscheigenschaften gezeigt werden [Sel09]. Für sensitive Messungen, beispielsweise bei der Bereitstellung von Frequenzkämmen für Metrologie-Anwendungen, findet typi-scherweise eine aktive Stabilisierung dieser Schwankungen statt [Cin11; Ben12]. Auch bei Hochleistungs-Verstärkern basierend auf Yb:Fasern gibt es erste Untersuchungen dieser Eigenschaften [Muk09]. Außerdem ist die Langzeitstabilität relevant für die Vergleichbarkeit unterschiedlicher Experimente sowie die Sicherstellung gleichbleibender Bedingungen einer lang andauernden Datenerhebung.
In diesem Kapitel werden zunächst die Maßnahmen zusammengefasst, die nötig sind, um ein rauscharmes, langzeitstabiles System sicherzustellen. Anschließend wird das Rausch-und Stabilitätsverhalten des Yb:Faser-Hochleistungs-Verstärkers charakterisiert. Im darauf folgenden Abschnitt 6.2 wird eine erste Anwendung des Aufbaus, das Erhöhen der Leistung passiv phasenstarrer Impulse mit einer spektralen Bandbreite von mehr als 500 nm in einem optisch-parametrischen Verstärker, vorgestellt. Abschnitt 6.3 schließt das Kapitel mit einem Ausblick auf weitere geplante Experimente und der Erzeugung eines kohärenten Weißlicht-Kontinuums ab.
6.1 Relatives Amplitudenrauschen und Langzeitstabilität des Gesamtsystems Das hier beschriebene System wurde speziell für hoch präzise Messungen entwickelt und optimiert. Zu diesem Zweck ist es essenziell, dass Schwankungen in der Amplitude der Ausgangsimpulse nach dem Yb:Faser-Hochleistungs-Verstärker sowohl auf kurzen, als auch auf langen Zeitskalen gering sind. Auf kurzen Zeitskalen bis in den Megahertz-Bereich werden die Fluktuationen der Amplitude Rauschen bezeichnet. Eine detaillierte Beschreibung der vorherrschenden Rauschbeiträge in einem modengekoppelten Laser findet
sich in [Pas04a; Pas04b]. Insbesondere für Laser basierend auf Yb:Fasern findet sich eine Übersicht über Effekte der Stabilität auf kurzen und langen Zeitskalen in [Ye14].
In den vorhergehenden Kapiteln sind bereits einige Maßnahmen genannt worden, die zum Aufbau eines langzeitstabilen und rauscharmen Femtosekunden-Faserlasers hoher mittlerer Leistung berücksichtigt wurden. Im folgenden Abschnitt werden sowohl diese Maßnahmen zusammengefasst, als auch Fluktuationen der Amplitude des beschriebenen Systems bei Betrieb unter voller Leistung und normalen Laborbedingungen ermittelt.
6.1.1 Maßnahmen zum Aufbau eines hoch stabilen Faserlaser-Systems
Alle faseroptischen Komponenten in dem hier vorgestellten Aufbau führen Licht monomodig und polarisationserhaltend. Damit ist eine hohe Stabilität in der Strahlführung bei geringen Einflüssen der Umgebung wie Temperaturänderungen, Staub oder mechanische Einwirkun-gen auf die Fasern für den faseroptischen Teil gewährleistet. In den Freistrahlbereichen des Systems werden hochwertige Optomechaniken verwendet, die eine geringe Drift bei Temperaturschwankungen aufweisen. Zudem wird die Temperatur der Raumluft stabili-siert, sodass Temperaturänderungen von lediglich±0,5◦C vorliegen und damit nur sehr geringen Einfluss auf das System haben. Um zusätzlichen Rauschbeiträgen vorzubeugen, werden insbesondere im Bereich der Yb:Fasern, in dem die Impulsenergie signifikant erhöht wird, alle Verstärkerstufen in Sättigung und ohne Einfluss von nichtlinearen optischen Effekten, wie etwa Selbstphasenmodulation, betrieben. Zudem wird besonderes Augen-merk auf die gezielte Abfuhr von Wärmelasten gelegt, sodass thermisch bedingte Drifts vermieden werden, die sich aufgrund der Lichteinkopplung in Glasfasern als Änderung der Amplitude äußern. Die Konnektoren der PCF werden aktiv auf eine Temperatur von 21◦C gehalten und die Faser mit einem Aluminiumträger in thermischen Kontakt gebracht, der ebenfalls temperaturstabilisiert ist. Die Kontrolle erfolgt über eine Wasserkühlung, unter Verwendung einer vibrationsarmen Pumpe. Zudem wird nicht absorbierte Pumpleistung nach der PCF in einer ebenfalls wassergekühlten Strahlfalle abgeführt. Übriges Signallicht in der falschen Polarisationsrichtung sowie in Rückwärtsrichtung propagierende Strahlung, wie in Abschnitt 4.2.3 beschrieben, wird ebenfalls in dieser Strahlfalle geblockt. Diese Maßnahmen verringern durch Temperaturunterschiede in der Umgebungsluft verursachte Konvektionsströmungen, welche die Stabilität auf der Zeitskala von Sekunden negativ beeinflussen.
6.1.2 Charakterisierung des relativen Amplitudenrauschens
Die Rauschcharakteristik eines Laser in der Amplitude wird typischerweise als Funktion über die Frequenz als relatives Amplitudenrauschen, also Fluktuationen der Leistung normiert auf das Niveau der Durchschnittsleistung, charakterisiert. Dabei werden in modengekoppelten Faserlaser-Systemen Rauschbeiträge vorrangig durch Verluste im Oszillator und durch die
Pumpdiode generiert [Bud09]. Ändert sich die Leistung im Signallicht eines nichtlinearen Verstärkers, hat dies größere Einflüsse auf die Ausgangsleistung als bei einem Verstärker, der im linearen Regime arbeitet. Wird ein Verstärker mit ausreichend Leistung im Signallicht versorgt und damit im Bereich der Sättigung betrieben, spielen Schwankungen in der Seed-Amplitude nur noch eine untergeordnete Rolle.
RelativesAmplituden- rauschen(1/√ Hz)
Frequenz (Hz)
Hintergrund-Rauschniveau Gesamte Rauschbeiträge 10−5
10−6
10−7 10−4
101 102 103 104 105 106
Abbildung 6.1: Relatives Amplitudenrauschen im Frequenzbereich von 10 Hz bis zur Nyquist-Frequenz von 5 MHz gemessen mit einem FFT- und ei-nem Radiofrequenz-Spektrumanalysator. Aufgetragen ist das technisch bedingte Hintergrund-Rauschniveau, sowie die gesamten Rauschbeiträge bei voller Leistung des Systems. Alle Rauschbeiträge liegen unterhalb von 2·10−5Hz−1/2 im betrach-teten Frequenzbereich.
Das relative Amplitudenrauschen des in Kapitel 4 vorgestellten Yb:Faser-Verstärkers basierend auf einer PCF wurde im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 100 kHz mit Hilfe eines FFT10-Spektrumanalysators und im Bereich von 100 kHz bis zur Nyquist-Frequenz von 5 MHz mit Hilfe eines Radiofrequenz-Spektrumanalysators vermessen. Das Ergebnis ist in Abbildung 6.1 gezeigt. Aufgetragen ist dabei einerseits das technisch bedingte Hintergrund-Rauschniveau des Messsystems (Dunkelrauschen) und andererseits die gesamten Rauschbeiträge bei voller Ausgangsleistung des Hochleistungs-Verstärkers.
Dabei wurde das Signal mit Hilfe einer vorgespannten InGaAs-Photodiode mit einer Bandbreite von 600 MHz aufgenommen und auf die an einem Messwiderstand von 50 W abgegriffene Gleichspannung normiert. Das relative Amplitudenrauschen liegt im gesamten Frequenzbereich unterhalb von 2·10−5Hz−1/2. Im Bereich zwischen 1 kHz und 100 kHz, in welchem akustische Ankopplungen an das System stattfinden können, sinkt dieses auf einen Wert unterhalb von 3·10−6Hz−1/2und bei einer Frequenz von 1 MHz erreicht es sogar einen
10:FFT (engl.: fast fourier transformation) – Schnelle Fourier-Transformation: Algorithmus zur effizienten Berechnung der Werte einer diskreten Fourier-Transformation.
Wert von lediglich 1,45·10−6Hz−1/2. Einzelne scharfe Spitzen in den Rauschbeiträgen haben ihre Ursache in elektronischer Ankopplung beispielsweise bei der Frequenz der Netzspannung von 50 Hz und Harmonischen davon. Zudem ist eine Spitze bei 87 kHz im Signal vorhanden, die im typischen Frequenzbereich von Schaltnetzteilen liegt. Da diese nicht im Hintergrundrauschen erkennbar ist, wird sie wahrscheinlich in der Stromversorgung der Pumpdioden verursacht. Durch die geringe Höhe und Anzahl der Spitzen spielen sie jedoch für die Gesamtstabilität des Systems keine Rolle.
Das Niveau der gesamten Rauschbeiträge liegt damit in der selbe Größenordnung einer vergleichbaren Seed-Quelle [Sel09], welche ebenfalls auf einem modengekoppelten Er:Faser-Oszillator basiert. In der Literatur vorgestellte Femtosekunden-Faserlaser basierend auf Yb:Fasern können Rauschcharakteristika in der gleichen Größenordnung aufweisen. Dafür müssen sie jedoch aktiv stabilisiert werden [Cin11; Ben12] und liefern mit bis zu 0,25 µJ bei weitem nicht die hier vorgestellte mittlere Leistung und Impulsenergie [Muk09].
6.1.3 Untersuchung der Langzeitstabilität
Wird für eine Lock-in-Detektion von Signalen die Modulation der Intensität durch eine schnell rotierende Sektorblende im Strahlengang realisiert, liegen die Modulationsfrequenzen typischerweise zwischen einigen zehn Hertz bis mehreren Kilohertz. Die im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Rauschmessung wurde in diesem Frequenzbereich durchgeführt.
Für länger andauernde Datenerhebungen, wie bei Anrege-Abfrage-Experimenten, sollte die Amplitude auch auf längeren Zeitskalen geringe Schwankungen aufweisen, um mög-lichst gleichbleibende Bedingungen für deren gesamten Zeitraum sicherzustellen. Daher wurde die Stabilität des Systems über eine Zeitspanne von zwei Stunden mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers ermittelt. Als Modulationsfrequenz wurde ein Signal vom Impulszug mit einer Repetitionsrate von 10 MHz verwendet. In Abbildung 6.2 ist die resultierende relative Amplitude gezeigt. Die Daten wurden mit einer Zeitkonstante von 30 ms bei einer Erfassungszeit von 100 ms mit Hilfe einer InGaAs-Photodiode detektiert. Die
rela-0,996 1,000 1,004
Zeit (s)
0 1200 2400 3600 4800 6000 7200
rms = 2,78·10−4 Relative Amplitude
Abbildung 6.2: Messung der Langzeitstabilität des Systems. Relative Amplitude gemessen über einen Zeitraum von zwei Stunden mit einem Lock-in-Verstärker bei einer Zeitkonstanten von 30 ms und einer Erfassungszeit von 100 ms. Die mittlere relative Abweichung der Amplitude beträgt 2,78·10−4.
tive mittlere Abweichung beträgt lediglich 2,78·10−4 über dem gesamten Zeitraum von zwei Stunden. Damit ist eine hervorragende Stabilität über eine typische Zeitspanne einer Messung demonstriert.
Für viele Einsatzgebiete eines Lasersystems spielt zudem die Langzeitstabilität über die Dauer einer Messung hinaus eine entscheidende Rolle. Bei länger andauernden Experimenten muss der Verstärker gleichbleibende Ausgangsparameter gewährleisten. Eine hohe Stabilität über einen möglichst langen Zeitraum vergrößert zusätzlich die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und stellt sicher, dass unterschiedliche Messungen unter gleichen Bedingungen durchgeführt werden. Da das in dieser Arbeit beschriebene System für solche Anwendungen konzipiert ist, wurde die Langzeitstabilität gezielt untersucht. Dazu wurde die relative Amplitude unter normalen Laborbedingungen mit Hilfe einer kalibrierten Photodiode über einen Zeitraum von drei Tagen in einem Intervall von etwa 5 s vermessen. Das Ergebnis ist in Abbildung 6.3(a) gezeigt. Die hohe Anzahl von 51 269 aufgenommenen Datenpunkten stellt sicher, dass auch kurzzeitig keine größeren Abweichungen auftreten. In Abbildung 6.3(b) sind Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit der Raumluft im Labor für den identischen Zeitraum der Messung der relativen Amplitude über drei Tage gezeigt. Dabei sind keine Korrelationen der Temperatur mit der relativen Amplitude des Verstärkers zu erkennen.
Trotz einer Temperaturschwankung von±0,5◦C und eine Luftfeuchtigkeitsänderung von 28 % liegt die relative Amplitude des Verstärkers für den gesamten Zeitraum unterhalb von
0 8 16 24 32 40 48 56 64 72
19,5 20,0 20,5 21,0 0,996 1,000 1,004
Temperatur(◦ C)Rel.Leistung Rel.Luftfeuchte(%)
(a)
(b) 70
60 50 Zeit (h)
Abbildung 6.3: Langzeitstabilität und Klimabedingungen über einen Zeitraum von 72 Stunden. (a) Messung der relativen mittleren Ausgangsleistung mit Hilfe einer kalibrierten Photodiode. Die Abweichungen über den gesamten Zeitraum liegen im Bereich von lediglich±0,3 %. (b) Temperatur (rot) und relative Luftfeuchtigkeit (blau) im Labor über den identischen Zeitraum der Messung in (a). Die Tempe-ratur zeigt dabei eine Abweichung von ±0,5◦C während sich die Änderung der Luftfeuchtigkeit auf 28 % beläuft.
±0,3 %. Damit konnte eine herausragende Stabilität in der Ausgangsleistung über einen Zeitraum gezeigt werden, der typischerweise mehrere Messzyklen ermöglicht. Außerdem ist zu erkennen, dass keine signifikante Drift der Optomechaniken vorliegt, die sich aufgrund von Einkopplungen des Lichts in Fasern als Verringerung der Ausgangsleistung bemerkbar machen würde. Die aktive Regelung der Temperatur auf±0,5◦C spielt insbesondere bei der Überlagerung von Strahlen aus unterschiedlichen Zweigen des Systems eine große Rolle und verringert zudem eine thermisch bedingte Drift der Optomechaniken.