Erzeugung passiv phasenstarrer Impulse

Grundlage für die Erzeugung passiv phasenstarrer Impulse bei einer Wellenlänge von 1,55 µm ist das in Abschnitt 1.2 beschriebene System. Die Impulsdauer beträgt nach Kompression etwa 130 fs bei einer Durchschnittsleistung von 340 mW, was einer Impulsenergie von 8,5 nJ entspricht. Um durch die Erzeugung der Differenzfrequenz ein Spektrum zu erhalten, das bei einer Wellenlänge von 1,55 µm liegt, also mit Hilfe von Er:Faser-Technologie verstärkt werden kann, müssen die verwendeten Zentralfrequenzen einen Abstand von 193 THz zueinander aufweisen. Mit einer Kombination aus 14,5 cm Standardfaser und 13 mm hoch nichtlinearer Faser, deren Dispersionsnulldurchgang bei einer Wellenlänge von 1,35 µm liegt, ist eine maximale Verschiebung der Zentralwellenlänge der dispersiven Welle zu 817 nm möglich [Kra11b]. Die Zentralwellenlänge des entsprechenden Solitons liegt bei 2 µm, sodass Zentralfrequenzen bis 225 THz durch Differenzfrequenzerzeugung realisierbar sind. Die resultierenden Spektren der dispersiven Welle um 860 nm und des Solitons um 1,95 µm für

den Fall eines optimierten Ausgangsspektrums nach DFG zur Bereitstellung von Signallicht für folgende Er:Faser-Verstärker sind in Abbildung 1.12 gezeigt. Das resultierende Spektrum ist um eine Wellenlänge von 1,56 µm zentriert mit einer vollen Halbwertsbreite von 111 nm.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8

1,0 380 360 340 320 200 180 160 140

Wellenlänge (µm)

Norm.Intensität

Frequenz (THz)

dispersive Welle

Soliton DFG

DFG verstärkt

0,80 0,85 0,90 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

Abbildung 1.12: Ausgangsspektren einer hoch nichtlinearen Glasfaser, die bei ei-ner Wellenlänge von 1,55 µm gepumpt wird. Der Frequenzabstand zwischen der dispersiven Welle (blau) und dem Soliton (rot) entspricht 193 THz. Die erzeugte Differenzfrequenz (DFG, grün) ist ebenfalls aufgetragen. Die Zentralwellenlänge liegt bei 1,55 µm mit einer vollen Halbwertsbreite des Spektrums von 111 nm. Es kann mit Hilfe einer Er:Faser verstärkt werden (schwarz).

Der experimentelle Aufbau zur Erzeugung passiv phasenstarrer Impulse ist in Abbil-dung 1.13 schematisch dargestellt. Die Kollimation nach der HNF erfolgt durch einen Parabolspiegel der Brennweite 5 mm. Ein speziell angefertigter, dichroitischer Strahlteiler trennt die spektralen Anteile der dispersiven Welle und des Solitons. Die Auftrennung der Strahlen ist nötig, da die Impulse des kurzwelligen Anteils in der HNF unter norma-ler Dispersion propagieren und zeitlich auseinander laufen während das Soliton nahezu bandbreitebegrenzt die Faser verlässt. Zudem sind die Ausbreitungsgeschwindigkeiten für beide spektralen Anteile unterschiedlich, sodass Soliton und dispersive Welle die HNF zeitlich versetzt verlassen. Der Strahlteiler zur Trennung der spektralen Anteil weist laut Hersteller im Wellenlängenbereich von 1,42 µm bis 2,10 µm eine Reflexion über 99,9 % auf, bei optimierter Gruppenlaufzeitdispersion (GDD,engl.: group delay dispersion) von etwa 100 fs² im Spektralbereich des Solitons. Die Transmission ist hingegen für den Wel-lenlängenbereich von 810 nm bis 945 nm optimiert. Die positive Frequenzmodulation des dispersiven Anteils der HNF und des Materials der zu durchlaufenden Strahlteiler wird für eine effiziente Erzeugung der Differenzfrequenz über zwei gechirpte⁶ Spiegel ausgeglichen [Szi94]. Insgesamt liegen 8 Reflexionen vor, die jeweils eine Dispersion in Höhe von −130 fs² verursachen. Die Impulse werden so auf eine Dauer von etwa 30 fs komprimiert.

6:to chirp (engl. für: zwitschern, zirpen) - Diese Spiegel bestehen aus unterschiedlichen dielektrischen Schichten, die so angeordnet sind, dass sie unterschiedliche Wellenlängen in verschiedenen Tiefen der Beschichtung reflektieren und somit eine Frequenzmodulation ausgleichen können.

Isolator Silizium-Prismen

VerstärkerEr:Faser- Soliton

dispersive Welle HNF

PPLN Filter

CM DBS

DBS

fCEO= 0 λ= 1,55 µm VDL

Abbildung 1.13: Schematischer Aufbau zur Erzeugung passiv phasenstarrer Lichtim-pulse. Die im Oszillator generierten und verstärkten Impulse bei einer Wellenlänge von 1,55 µm werden in einer Silizium-Prismensequenz zeitlich komprimiert und in eine hoch nichtlineare Glasfaser (HNF) geleitet. Das so erzeugte Frequenzspektrum wird durch einen dichroitischen Strahlteiler (DBS) aufgeteilt. Der dispersive Anteil wird über ein Paar gechirpter Spiegel (CM) zeitlich komprimiert und anschließend über einen weiteren Strahlteiler mit der solitonischen Komponente überlagert. Das Soliton passiert zuvor einen Filter, um restliches fundamentales Licht herauszufiltern, sowie eine zeitliche Verzögerungsstrecke (VDL), um die zeitliche Überlappung bei-der Strahlen sicherzustellen. In einem periodisch gepolten LiNbO₃-Kristall (PPLN) werden über Differenzfrequenzerzeugung Impulse bei einer Wellenlänge von 1,55 µm generiert, deren Leistung wiederum in einem Er:Faser-Verstärker erhöht wird.

Im Strahlengang des solitonischen Anteils befindet sich ein Filter, der restliches fun-damentales Licht im Wellenlängenbereich von 1,55 µm entfernt. Dies ist notwendig, um nach der DFG einen Untergrund nicht phasenstabiler Impulse zu vermeiden, welche eben-falls wieder verstärkt würden. Nachdem das fundamentale Licht nahezu vollständig am Strahlteiler reflektiert wird, nimmt der Filter an zwei dielektrischen Beschichtungen zu 99,996 % heraus. Insbesondere um die Impulslänge des Solitons von etwa 40 fs nicht zu verlängern, sind die Strahlteiler auf geringe positive GDD optimiert und die Substratdicke des Filters mit insgesamt 1 mm gering gehalten. Beide Strahlen werden über einen zweiten Strahlteiler wieder räumlich überlagert. Eine variable Verzögerungsstrecke (VDL, engl.: variable delay line) stellt dabei die zeitliche Überlagerung der Impulse sicher. Schließlich werden die Strahlen durch einen sphärischen Spiegel der Brennweite 25 mm in einen 2 mm dicken PPLN fokussiert. Dort findet die Differenzfrequenzerzeugung der beiden spektralen Anteile statt. Dabei wird der Reflexionswinkel am sphärischen Spiegel minimal gehalten, um Abbildungsfehler zu vermeiden.

Der PPLN weist eine gefächerte, periodische Struktur auf, wie in Abbildung 1.11(b) schematisch dargestellt, sodass die Phasenanpassung stufenlos eingestellt und optimiert werden kann. Auf einer Länge von 5 mm variiert die Polungsperiode zwischen 21 µm und

34 µm. Die Variation der Position des Strahldurchgangs durch den Kristall ermöglicht den Zugang von Zentralwellenlängen zwischen 1,44 µm und 1,70 µm. Das optimale Spektrum für den Betrieb der darauf folgenden Er:Faser-Verstärker ist in Abbildung 1.12 gezeigt.