Verstärker im sichtbaren Spektralbereich

Ein dritter NOPA ergänzt die verfügbaren Wellenlängen auf der kurzwelligen Seite im sichtba-ren Spektralbereich. Der in Abschnitt 2.2.5 vorgestellte Aufbau dient wieder als Vorlage, wobei dessen Komplexität mit einigen zusätzlichen Komponenten erhöht wird. Die Pumpe besteht aus der dritten Harmonischen der Fundamentalwellenlänge bei 343 nm Wellenlänge. Dies ermöglicht es Signalwellenlängen bis etwa 400 nm durch parametrische Prozesse in BBO zu erreichen, bevor die Idler-Welle im BBO-Kristall absorbiert wird. Die Darstellung der Grup-pengeschwindigkeitsfehlanpassung zwischen Signal- und Idler-Impulsen (Abbildung 2.16 a)) zeigt einen positiven Parameterδ_si, weshalb sich die schnellere Idler-Gruppengeschwindigkeit durch einen Nichtkollinearitätswinkel kompensieren lässt. Die absolut gesehen größere Fehlan-passung im Vergleich zum VIS-NIR NOPA (Abbildung 2.10) erfordert einen größeren Winkel, um ultrabreite Spektren erzeugen zu können. Aus der Berechnung des Phasenanpassungs-winkels, gezeigt in Abbildung 2.16 b), ergeben sich optimale Bedingungen für breitbandige Verstärkung mitα= 4.5° und Θ = 37°. Besonders vorteilhaft ist der Wendepunkt im Verlauf des Phasenanpassungsgraphen. Dieser in der Abbildung 2.16 b) blau hinterlegte Bereich ermöglicht eine geringe Wellenvektorfehlanpassung über einen extrem breiten Spektralbe-reich. Für den Betrieb des NOPAs werden Impulse mit 50 µJ Energie vom Laserverstärker abgespalten und mit einem dielektrischen Strahlteiler im Verhältnis 9:1 weiter aufgeteilt. Der

4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0

Group velocity mismatchδsi (fs / mm)

S i g n a l w a v e l e n g t h λ_s ( n m )

7 0 0 6 0 0 5 0 0 4 0 0

S i g n a l f r e q u e n c y ω_s ( T H z )

Abbildung 2.16.:Phasenanpassungsberechnung des VIS NOPAs mit Pumpwellenlänge 342 nm und Typ-I-Phasenanpassung in BBO. a) Gruppengeschwindigkeitsfehlanpassung zwischen Signal- und Idler-Impulsen als Funktion der Signalwellenlänge. b) Phasenanpassungswinkel Θ als Funktion der Signalwellenlänge und Nichtkollinearitätswinkelαzwischen Signal und Pumpe. Blau hinterlegt ist der Bereich extrem breitbandiger Phasenanpassung.

2.2. Optisch-parametrische Verstärker

schwächere Anteil wird für die Erzeugung des Seed-Weißlichts in einem 3 mm dicken YAG-Kristall verwendet. Dazu ist die Impulsenergie auf 2 µJ abgeschwächt und der Strahl mit einer Brennweite von 0.1 m in den Kristall fokussiert. Das erzeugte Weißlicht enthält kurzwellige Komponenten bis 450 nm. Aufgrund der starken Dispersion im sichtbaren Spektralbereich sind die Impulse zeitlich gestreckt und überschreiten die Impulsdauer der Pump-Impulse.

Beim Verstärkungsprozess führt dies zur selektiven Verstärkung einzelner Spektralanteile, je nach Weglängendifferenz zwischen den Weißlicht und Pump-Impulsen. Abhilfe schafft hier ein Paar von dielektrischen gechirpten Spiegeln zur Vorkompression des Weißlichts, welches speziell für die Anwendung in einem NOPA dieser Art entworfen wurde und dadurch die Dispersion der Optiken hervorragend kompensiert. Es werden drei Übergänge über jeden Spiegel benötigt, um später ultrabreitbandige Verstärkung zu erreichen. Ein Nebeneffekt der dielektrischen Spiegel ist ihre hohe Transmissivität für die Fundamentalwellenlänge, wodurch diese automatisch aus dem Weißlichtstrahl gefiltert wird. In Abbildung 2.17 ist der erweiterte Aufbau für die Weißlichterzeugung mit allen verwendeten Komponenten dargestellt.

Als Pumpe für die parametrische Verstärkung wird die dritte Harmonische des Laser in einem zweistufigen Prozess erzeugt. Der Aufbau ist ebenfalls in Abbildung 2.17 gezeigt. Ein erster BBO-Kristall mit 2 mm Dicke und einem Phasenanpassungswinkel von Θ = 23.4°

erzeugt die zweite Harmonische mit einer Effizienz von 50 %. Anschließend trennt ein

dielektri-R = 10%

Abbildung 2.17.:Schematische Darstellung des VIS NOPAs zur Erzeugung extrem breiter Spektren im sichtbaren Spektralbereich. Impulse der Fundamentalwellenlänge (rot) fallen links oben ein.

Die zweite Harmonische ist grün, die dritte blau und das Weißlicht rosa dargestellt. Verwendete Abkürzungen sind: Dielektrischer Strahlteiler (BS), dielektrischer Laserspiegel (HR 1030,514,340), variabler Neutralfilter (VA), dielektrischer gechirpter Spiegel (DCM) undλ/2-Wellenplättchen (WP).

Gekrümmte Spiegel (CM) und Planspiegel (ohne Kennzeichnung) sind versilbert. Polarisation des Strahls: S(⊗) und P(l).

scher Strahlteiler die Harmonischen. Die Polarisation der zweiten Harmonischen wird mithilfe einesλ/2-Wellenplättchens senkrecht zur Tischebene ausgerichtet und die zweite Harmonische in einem weiteren Strahlteiler mit der Fundamentalen räumlich und zeitlich überlagert. Im zweiten BBO-Kristall kann nun die Summenfrequenz der beiden Wellen bei 343 nm mit Typ-I-Phasenanpassung erzeugt werden. Dazu kommt ein Kristall mit Dicke 2 mm und Phasen-anpassungswinkel von 32.5° zum Einsatz. Dielektrische Laserspiegel mit hoher Reflexion der dritten Harmonischen (HR 340) filtern anschließend die verbleibenden Anteile der übrigen Harmonischen. Abschließend steht eine Impulsenergie von 14 µJ für den Verstärker zur Ver-fügung, was einer Konversionseffizienz von 32 % entspricht. Die Mode misst an dieser Stelle 1.30 mm Halbwertsbreite.

Der restliche Aufbau des NOPAs mit Verstärkung und Impulskompression ist in Abbil-dung 2.17 ausgespart, entspricht aber schematisch dem in AbbilAbbil-dung 2.11 dargestellten. Die Pump-Impulse werden wegen ihrer kurzen Wellenlänge mit einer UV-geeigneten Quarzglas-linse der Brennweite 0.2 m fokussiert, wobei die Spitzenintensität an der Position des BBO-Kristalls, 3 cm hinter der Brennebene, 130 GW cm⁻¹beträgt. Im Anschluss an die Verstärkung kollimiert ein gekrümmter Spiegel den Strahl. Für die Kompression kommen gleichartige gechirpte Spiegel zum Einsatz, wie sie für die Kompression des Weißlichts eingesetzt wer-den. Die speziell für diesen Zweck optimierten Spiegel besitzen pro Reflexion gerechnet eine Gruppenverzögerungsdispersion von etwa 50 fs², wobei sich die Oszillationen der Gruppenver-zögerung beider Spiegel ausgleichen, sodass die GruppenverGruppenver-zögerungsdispersion bei Reflexion an beiden Spiegeln nur eine sehr geringe Restwelligkeit besitzt (vgl. Anhang A). Nach fünf Reflexionen an beiden Spiegeln beträgt die Impulsdauer 7 fs, wie die Rekonstruktion des zeitlichen Intensitätsprofils (Abb. 2.18 c)) zeigt. Abbildung 2.18 a) enthält den zugehörigen Datensatz der FROG-Charakterisierung. Das rekonstruierte Spektrum in Teil b) (blau) zeigt gute Übereinstimmung mit dem gemessenen Spektrum (gestrichelt schwarz).

- 5 0 - 2 5 0 2 5 5 0

Abbildung 2.18.:a) Messdaten der SHG-FROG-Charakterisierung des VIS NOPAs. b) Rekonstru-iertes Spektrum (blau) und gemessenes Spektrum (gestrichelt schwarz). c) RekonstruRekonstru-iertes zeitliches Intensitätsprofil (blau) mit Phase (rot).

Mit den bisher beschriebenen optisch-parametrischen Verstärkern und den komprimierten Weißlicht-Impulsen (Abschnitte 2.2.4 - 2.2.7) wird ein äußerst vielfältiger Aufbau für Anrege-Abfrage-Spektroskopie realisiert. Die verfügbaren Wellenlängen decken den Spektralbereich von 450 nm bis 2200 nm beinahe lückenlos ab und bieten gleichzeitig Impulsdauern von unter 10 fs. Damit werden gezielte Untersuchungen von ultraschneller Prozesse zur Klärung vielfältiger Fragestellungen ermöglicht.