Interne spektrale Formung mit Kompressorspalt

Im verwendeten Lasersystem wird ein Prismenkompressor (Abb. 3.3) eingesetzt, dessen Prinzip von Fork et al. [60] beschrieben wird. Ausgangspunkt für die komprimierende Wirkung der Anordnung ist die durch die erste Prismensequenz (Quarzglas) induzierte Winkeldispersion. Das zweite Prismenpaar (Quarzglas) parallelisiert das räumlich auf-gefächerte Spektrum. Ein Umkehrspiegel sorgt nun dafür, dass das parallelisierte Licht in sich zurückreflektiert wird und die räumliche Auffächerung rückgängig macht. Durch den geometrischen Aufbau des Kompressors haben nun höherfrequente Anteile einen kürzeren optischen Weg als niederfrequente Anteile und laufen zu diesen auf, wodurch der Impuls komprimiert wird. Das Impulsspektrum ist am Umkehrspiegel etwa 30 mm

Abbildung 3.3: Kompressoreinheit des eingesetzten CPA-Verstärkersystems. Durch Einbrin-gen von variablen Spaltblenden an der Position des Umkehrspiegels können spektrale Anteile separiert werden.

breit aufgefächert. Diese spektrale Aufweitung soll für die Entwicklung einer hologra-phischen Lichtquelle genutzt werden. Vor dem Umkehrspiegel werden zwei variable Fil-terblenden platziert (Abb. 3.3). Diese haben eine feste Spaltbreite von etwa 1 mm und können in ihrer Position und ihrem Abstand mit Translationstischen auf 0,1 mm genau eingestellt werden. So können Anteile mit verschiedenen spektralen Abständen an ver-schiedenen spektralen Positionen separiert werden. Mit diesen Blenden können spektrale Abstände zwischen 8 nm und 40 nm eingestellt werden. Dabei ist die spektrale Breite zwi-schen 15 nm und 20 nm nahezu konstant. Abbildung 3.4 zeigt die eingestellten spektralen und zeitlichen Parameter, welche für die erste holographische Formerfassung realisiert wurden (Kap. 5.1.1). Der spektrale Abstand beträgt D_Λ = 10 nm mit den spektralen Schwerpunkten λ₁ = 774 nm und λ₂ = 784 nm. Dabei lagen die spektralen Breiten bei

∆λ1 = 16 nm bzw. ∆λ2= 19 nm (volle Halbwertbreite). Durch den spektralen Überlapp (Abb. 3.4a) können die Anteile nicht simultan, sondern nur nacheinander detektiert wer-den. Beide Anteile zusammen formen eine zusammenhängende zeitliche Struktur mit der Dauer vonτp= 920 fs (Abb. 3.4b), d. h., beide Anteile liegen innerhalb dieser Impulsdau-er gleichzeitig vor. Die Autokorrelationsspuren zu jedem einzelnen Anteil untImpulsdau-erscheiden sich nur unwesentlich von der gemeinsamen Spur.

3 Mehr-Wellenlängen-Ultrakurzpuls-Quelle

Abbildung 3.4: Realisierte Parameter für eine erste digital-holographisch interferometrische Anwendung. (a) Aus dem Verstärkerspektrum werden zwei spektrale Anteile mit einer Breite größer als 15 nm separiert. (b) Sie formen zusammen eine zeitliche Struktur mit einer Dauer von etwa 1 ps.

Die ImpulsenergieE_p jedes einzelnen Anteils nach der spektralen Formung kann mit der Spaltbreite variiert werden. Dabei nimmt die Impulsenergie mit der Spaltbreite zu. Für Spaltbreiten zwischen 1 mm und 3 mm wurden eine Impulsenergie zwischen 3µJ < E_p < 22µJ. erreicht. Sie ist damit bis zu 20 mal größer als die in Abschnitt 2.3.1 abgeschätzte Mindestenergie für eine digital-holographische Aufnahme.

Grenzen der internen spektralen Formung

Obwohl eine räumlich-spektrale Auffächerung von über 30 mm erreicht wird, ist es mit dieser Methode dennoch nicht möglich, durch Variieren der Filterbreite die spektrale Breite wesentlich zu beeinflussen. Mit den zur Verfügung stehenden minimalen Spalt-breiten um 1 mm konnte eine minimale spektrale Breite von>13 nm nicht unterschritten werden. Abbildung 3.5 veranschaulicht graphisch die spektrale Auffächerung des einfal-lenden Strahls und die Filterwirkung. Um die Grenzen der internen spektralen Formung hinsichtlich spektraler Breite und Kontrast zu quantifizieren, wurden die Kompresso-reigenschaften numerisch abgeschätzt. Für diese Abschätzung wird ein gaussförmiges Strahlprofil des Eingangsstrahls angenommen. Es wird eine Winkeldispersion induziert, so dass das Spektrum nach 3 m Propagation die gemessene räumliche Auffächerung von etwas mehr als 30 mm zu einen Strahldurchmesser von 10 mm besitzt. An dieser Stelle wird ein schmaler Bereich mit jeweils 1 mm, 2 mm und 3 mm Breite herausgeschnitten.

Dann wird die räumliche Auffächerung rückgängig gemacht. Die so berechneten gefilter-ten spektralen Anteile stimmen mit den gemessenen überein (Abb. 3.6).

Die Berechnungen zeigen, dass die unzureichende Trennung der einzelnen spektralen Komponenten von deren großen räumlichen Überlapp verursacht wird. Deshalb bleibt die spektrale Breite der mit Spaltblenden für eine digital-holographischen Formerfassung separierten Anteile auf etwa 13 nm einschränkt. Die Verkleinerung des

Strahldurchmes-3.2 Spektrale Formung eines Ultrakurzpuls-Verstärkersystems

Abbildung 3.5: Das Prinzip der internen spektrale Formung mit Kompressorspalt. Die spektra-len Anteile werden in der Kompressoreinheit (Abb. 3.3) räumlich aufgefächert und parallelisiert. Zwei vertikale Spaltblenden separieren schmale Anteile des Parallelbündels am Ort der Strahlwegumkehr. Beim Rücklauf wird die räum-liche Auffächerung aufgehoben. Das führt zu einem wellenlängenabhängigen Strahlprofil entlang der horizontalen Strahlquerschnittsachse. Unterschiedliche Positionen der Filterblenden verursachen einen räumlichen Lageversatz des Strahlprofils. Dieses Ergebnis konnte simuliert werden.

sers durch Nutzung einer Irisblende wird spektral erst wirksam, wenn Beugungsringe im Strahlprofil entstehen. Eine Verkleinerung des Strahldurchmessers durch Abbildung mit einem Teleskopaufbau würde die Leistungsdichte im Kompressor unzulässig erhöhen.

Eine zweite Besonderheit für eine holographische Anwendung kann aus den Berech-nungen abgeleitet werden, ohne sie im Rahmen dieser Untersuchungen ausführlicher diskutieren zu müssen. Durch das Filterprinzip (Abbildung 3.5) wird ein lateraler In-tensitätsversatz und eine räumliche Wellenlängenabhängigkeit (spatial chirp) des Aus-gangsstrahlprofils theoretisch abgeleitet. Mit einer ortsaufgelösten Spektralmessung kann dieses Ergebnis geprüft werden. Der Einfluss des potentiellen räumlichen Chirps auf die monochromatische Phasenrekonstruktion müsste wahrscheinlich korrigiert werden.

Im Ergebnis ist es möglich, durch Modifikation der Kompressoreinheit zwei spektrale Anteile mit unterschiedlichen Schwerpunktswellenlängen zu separieren. Die Strahlauf-weitung beim Kompressordurchlauf führt zu einer unteren Grenze für die erreichbare spektrale Breite der einzelnen Anteile um 15 nm. Damit ist eine Kohärenzlänge, d. h.

eine erfassbare räumliche Objekttiefe, um 25µm möglich. Für eine Trennung zur un-abhängigen simultanen holographischen Detektion dürfen die spektralen Anteile nicht überlappen. Dafür sind spektrale Abstände größer als 30 nm zu realisieren. Diese untere Grenze legt eine obere Grenze für die realisierbare synthetische Wellenlänge von 20µm fest. Diese Quelle zeichnet sich durch kleine Kohärenzlängen und hohe Impulsenergien aus. Mit ihr konnte erstmalig gezeigt werden, dass eine holographische Objektphasen-Rekonstruktion mit zwei Spektralanteilen eines ultrakurzen Impulses möglich ist, auch wenn die Bereiche sich überlappen (Hansel et al. [61] [62]).

Aufgrund der Beschränkungen dieser Methode wurde versucht, durch eine intern ver-änderte Prismenanordnung die Parameter der variablen spektralen Signatur der Laser-quelle zu verbessern.

3 Mehr-Wellenlängen-Ultrakurzpuls-Quelle

Abbildung 3.6: Interne spektrale Formung mit Kompressorspalt. Vergleich der berechneten und gemessenen spektralen Breiten zu verschiedenen Spaltbreiten um eine Schwerpunktswellenlänge von 810 nm.