Verstärker vom sichtbaren bis zum nahinfraroten Spektralbereich

Die folgenden Abschnitte widmen sich der technischen Beschreibung der optisch-parametrischen Verstärker, die im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut wurden. Zuerst wird der Verstärker VIS-NIR vorgestellt. Sein Spektrum deckt den Spektralbereich im Übergang vom sichtbaren zum nahen Infrarot ab. Für die Konzeption des NOPAs erfolgt die Berechnung der Phasenanpassung in einem BBO-Kristall nach Abschnitt 2.2.3, um eine möglichst große Verstärkungsbandbreite erreichen zu können. Als Pumpwellenlänge wird die zweite Harmonische der Fundamentalwellenlänge bei 514 nm verwendet. Diese ist notwendig, um gemäß der Energieerhaltung (Gleichung 2.1) Signalfrequenzen im sichtbaren Spektralbereich erzeugen zu können. Die Grundvoraussetzung für ultrabreitbandige Phasenanpassung ist durch die Anpassung der Gruppengeschwindigkeiten gegeben. Dazu ist in 2.10 a) die Gruppengeschwindigkeitsfehlanpassung δ_si = 1/v_gs − 1/v_gi zwischen den Signal- und Idler-Impulsen in BBO bei Typ-I-Phasenanpassung dargestellt. Im Wellenlängenbereich von 600 nm bis 1 µm ist die Gruppengeschwidigkeit der Idler-Impulse größer als die der Signal-Impulse, sodass es möglich ist die Gruppengeschindigkeiten mittels eines Nichtkollinearitätswinkels α zwischen Signal und Pumpe anzupassen.

7 0 0 8 0 0 9 0 0

Group velocity mismatchδsi (fs / mm)

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

4 5 0 4 0 0 3 5 0

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

Abbildung 2.10.:Ergebnisse der Phasenanpassungsberechnung des VIS-NIR NOPAs mit Pumpwel-lenlänge 514 nm, BBO als nichtlinearem Kristall und Typ I Phasenanpassung. a) Gruppengeschwin-digkeitsfehlanpassung zwischen Signal und Idler als Funktion der Signalwellenlänge. Positive Werte ermöglichen die Angleichung der Gruppengeschwindigkeiten durch einen Nichtkollinearitätswinkel.

b) Phasenanpassungswinkel Θ als Funktion der Signalwellenlänge für verschiedene Nichtkollinea-ritätswinkel α zwischen Signal und Pumpe. Blau hinterlegt ist der Bereich extrem breitbandiger Phasenanpassung.

Zur Ermittlung des optimalen Nichtkollinearitätswinkels α sind in Abbildung 2.10 b) die Ergebnisse der Phasenanpassungsberechnungen für verschiedene Winkel als Funktion der Signalwellenlänge gezeigt. Interessant ist der blau hinterlegte Bereich. Bei einem Winkel α ≈ 2.5° verläuft die Phasenanpassungskurve beinahe konstant über den gesamten darge-stellten Wellenlängenbereich. Dadurch kann mit einem Kristallwinkel von Θ≈24.3° extrem

2.2. Optisch-parametrische Verstärker

Abbildung 2.11.:Schematische Darstellung des VIS-NIR NOPAs zur Erzeugung extrem breiter Spektren vom sichtbaren bis zum nahinfraroten Spektralbreich. Impulse der Fundamentalwellenlänge (rot) fallen links oben ein. Die zweite Harmonische ist grün, Weißlicht und Signal sind rosa dargestellt. Verwendete Abkürzungen sind: Dielektrischer Strahlteiler (BS), dielektrischer Laserspiegel für 514 nm (HR 514),β-Bariumborat-Kristall (BBO), variabler Neutralfilter (VA), Kurzpassfilter (SP), dielektrischer gechirpter Spiegel (DCM) und Strahlfalle (DUMP). Gekrümmte Spiegel (CM) und Planspiegel (ohne Kennzeichnung) sind versilbert. Polarisation des Strahls: S(⊗) und P(l).

breitbandige Verstärkung erreicht werden. Eine schematische Darstellung des NOPAs ist in Abbildung 2.11 gegeben. Die Impulse des Laserverstärkers mit der Fundamentalwellenlänge fallen von links oben mit einer Impulsenergie von 50 µJ ein. Ein dielektrischer Strahlteiler (BS) spaltet einen Anteil von 10 % davon ab, um ein Weißlicht zu erzeugen. Dieser wird zunächst mit einem Neutralfilter (VA) abgeschwächt und von einer Linse (L1) mit 75 mm Brennweite in einen YAG-Kristall von 2 mm Dicke fokussiert. Optimale Stabilität und spektrale Form des Weißlichts für diesen NOPA werden bei 0.5 µJ Impulsenergie erreicht. Anschließend folgt ein gekrümmter Silberspiegel (CM1) mit 50 mm Brennweite, welcher den Weißlichtstrahl in eine zweite Brennebene fokussiert. Die Irisblende im Strahlengang ermöglicht ein weiteres Zuschneiden der Mode, um nur den inneren, homogensten Teil der Mode weiterzuverwenden.

Vor dem Verstärkungsprozess blockiert ein Kurzpassfilter (SP) mit Abschneidewellenlänge 900 nm¹ die langwelligen Komponenten des Weißlichts. Dies ist für eine gleichmäßige Ver-stärkung unerlässlich, da das Weißlicht in der Nähe der Pumpwellenlänge besonders intensiv ist und damit dieser Spektralbereich im Spektrum überbetont wäre. Zudem fluktuiert die spektrale Phase in diesem Bereich sehr stark, sodass diese Anteile nicht zu einem ultrakurzen Impuls komprimiert werden können.

Der Großteil der am Eingang einfallenden Impulsenergie wird als Pumpe für den NOPA verwendet. Dazu wird der Strahldurchmesser zunächst in einem Linsenteleskop halbiert. An-schließend erfolgt die Erzeugung der zweiten Harmonischen mit kollimiertem Strahl in einem

1XIS0900 Shortpass Filter der Firma Asahi Spectra Co., Ltd

BBO-Kristall (BBO 1) mit Phasenanpassungswinkel Θ = 23.4°. Die Dicke von d= 2 mm ist etwas kürzer gewählt als die Wechselwirkungslänge in Gleichung 2.16 und die Konversions-effizienz beträgt hier 50 %. Das nicht konvertierte Licht der Fundamentalwellenlänge wird im Anschluss mittels schmalbandiger dielektrischer Laserspiegel für die zweite Harmonische (HR 514) herausgefiltert. Mehrere dieser Spiegel stellen einen ausreichend hohen Filtergrad sicher.

Verbleibendes Licht der Fundamentalwellenlänge würde den Verstärkungsprozess negativ be-einflussen und zu unerwünschten Mischprozessen führen. Der Modendurchmesser der zweiten Harmonischen beträgt an dieser Stelle 0.94 mm FWHM. Eine Linse (L2,f = 0.2 m) fokussiert das Pumplicht für die Verstärkung. Durch Verschiebung des Kristalls entlang der Strahlachse wird die Spitzenintensität so gewählt, dass diese die Schwelle zu spontanen parametrischen Prozessen gerade überschreitet. Bei zu hohen Intensitäten droht einerseits eine Beschädigung des Kristalls und andererseits stören die spontanen Prozesse den eigentlichen OPA-Prozess.

Der BBO-Kristall befindet sich hier 5 cm hinter der Brennebene, wo die Spitzenintensität 130 GW cm⁻² beträgt. In der Abbildung von unten kommend überlagert sich der Weißlicht-Strahl mit dem Pump-Weißlicht-Strahl im BBO unter einem Winkel von etwa α= 2.6°. Die Dicke des BBOs ist wiederum entsprechend der Wechselwirkungslänge gewählt und ermöglicht daher eine hohe Effizienz bei gleichzeitig ultrabreitbandiger Verstärkung. Zur präzisen Justage des Weglängenunterschiedes zwischen Pumpe und Weißlicht befindet sich ein Spiegelpaar der Laserspiegel (HR 514) auf einem Verschiebetisch mit Mikrometerantrieb. Hinter dem Kristall nimmt eine Strahlfalle (DUMP) das verbleibende Pumplicht und den erzeugten Idler-Strahl auf. Der Signal-Strahl wird mit einem weiteren gekrümmten Spiegel (CM 2) kollimiert.

Die Impulskompression erfolgt durch Reflexion an speziellen dielektrischen Spiegeln (DCM 1, DCM 2). Es handelt sich dabei um Braggspiegel mit variierender Braggwellenlänge entlang der Ausbreitungsrichtung [Szi94]. Licht verschiedener Wellenlängen dringt unterschiedlich tief in den Spiegel ein und erfährt eine unterschiedliche Gruppenverzögerung.

Ein einfaches Design mit einem Spiegel führt jedoch zu starken Oszillationen der Gruppenverzögerung, welche erst durch Zuhilfenahme eines zweiten Spiegels mit 180°

Phasenversatz behoben werden [Kär97]. Die Dispersion des Spiegels ist entsprechend ausgelegt, um die Dispersion der übrigen optischen Komponenten auszugleichen. Hier liegt der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber eines Prismenkompressors. Während das Prismenpaar Dispersion zweiter Ordnung ausgleicht, fügt dieses zusätzlich Dispersion höherer Ordnung hinzu [Kra92]. Dagegen sind gechirpte Spiegel bei gutem Design in der Lage, ebenfalls Dispersionsanteile von höher Ordnung auszugleichen. In Abbildung 2.12 ist die Gruppenverzögerungsdispersion der verwendeten Spiegel (Layertec #110086) eingezeichnet. Im Spektralbereich von 700 nm bis 950 nm liegt die Korrektur zwischen

−150 fs² und 50 fs² pro Reflexion an beiden Spiegeln. Damit sind fünf Übergänge über jeden Spiegel notwendig, um die Phasen des NOPAs auszugleichen.

Mithilfe der SHG-FROG-Technik (engl. Frequency Resolved Optical Gating) wird das zeitliche Intensitätsprofil der Impulse ermittelt [Kan93]. Dabei werden die Impulse vergleich-bar zu einem Mach-Zehnder-Interferometer aufgeteilt und mit einer variablen Verzögerung zueinander in einem BBO-Kristall (Dicke 10 µm, Phasenanpassungswinkel 28°) überlagert.

Im Kristall entsteht die Summenfrequenz aus beiden Strahlen, welche in einem Spektrometer als Funktion der zeitlichen Verzögerung aufgezeichnet wird. Abbildung 2.13 a) zeigt den aufgenommenen FROG-Datensatz als Funktion der Verschiebezeit und der Detektionsfre-quenz im Spektrometer. Aus diesen Messdaten rekonstruiert ein aufwändiger Algorithmus das spektrale und zeitliche Intensitätsprofil mit dazugehöriger Phasen. Ein Impuls kann durch

2.2. Optisch-parametrische Verstärker

dieses Verfahren vollständig charakterisiert werden. Das zeitliche Intensitätsprofil des NOPAs ist in 2.13 c) gezeigt. Die Impulse besitzt nach den gechirpten Spiegeln eine Halbwertsbreite von gerade einmal 7 fs. Das zugehörige rekonstruierte Spektrum ist in Abbildung 2.13 b) blau zu sehen. Im Vergleich zum gemessenen Spektrum (gestrichelt schwarz) liegt eine gute Übereinstimmung vor. Charakteristisch für ultrabreitbandige NOPAs ist der beobachtete Intensitätsverlauf mit Maxima in den Randbereichen und einem Minimum im zentralen Bereich des Spektrums. Dies ist eine Folge der Phasenanpassung (vgl. Abbildung 2.10), bei der zugunsten der Bandbreite eine größere Wellenvektorfehlanpassung der zentralen Wellenlängen akzeptiert wird. Falls gewünscht, kann der Phasenanpassungswinkel etwas verkleinert werden, wodurch die Bandbreite weiter ansteigt. Als Konsequenz verringert sich dabei die Intensität der zentralen Wellenlänge oder verschwindet vollständig.

7 0 0 8 0 0 9 0 0

Abbildung 2.12.:Gruppenverzögerungsdispersion der im VIS-NIR NOPA verwendeten dielektrischen Spiegel (Layertec #110086). a) Berechneter Verlauf, deutlich zu erkennen sind die Oszillationen der Einzelspiegel. b) Gemessener Verlauf, nach Reflexion an beiden Spiegeln bleibt nur eine geringe Restwelligkeit erhalten. Bild nach [Hey11].

- 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

T i m e ( f s )

Frequency (THz) 01( a )

6 0 0 8 0 0 1 0 0 0

Abbildung 2.13.:a) Messdaten der SHG-FROG-Charakterisierung des VIS-NIR NOPAs. b) Rekonstruiertes Spektrum (blau) und gemessenes Spektrum (gestrichelt schwarz). c) Rekonstruiertes zeitliches Intensitätsprofil (blau) mit Phase (rot).