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Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Manuel Queißer FB Physik, FU Berlin.

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Präsentation zum Thema: "Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Manuel Queißer FB Physik, FU Berlin."—  Präsentation transkript:

1 Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Manuel Queißer FB Physik, FU Berlin

2 Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser – Basics Laser – Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

3 Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser – Basics Laser – Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

4 Einleitung Seit 1960 Siegeszug des Lasers in Naturwissenschaft und Alltag Seit 1960 Siegeszug des Lasers in Naturwissenschaft und Alltag Spektrale Reinheit und Kohärenz (CW- Betrieb) Spektrale Reinheit und Kohärenz (CW- Betrieb) Laserpulse eignen sich zum Auflösen zeitabhängiger Prozesse Laserpulse eignen sich zum Auflösen zeitabhängiger Prozesse Extrem schnelle Prozesse z.B. Molekülschwingung durch Pump-Probe mit ultrakurzen Laserpulsen Extrem schnelle Prozesse z.B. Molekülschwingung durch Pump-Probe mit ultrakurzen Laserpulsen

5 Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser – Basics Laser – Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

6 Laser-Basics Medium, Resonator, Energiepumpe Medium, Resonator, Energiepumpe G initiiert durch spontane Emission und Oszillation im Resonator G initiiert durch spontane Emission und Oszillation im Resonator => Strahlungsfeld, Energiedichte aus mehreren TEM xy Moden => Strahlungsfeld, Energiedichte aus mehreren TEM xy Moden Absorbtion vs. Verstärkung G (stimulierte Emission) Absorbtion vs. Verstärkung G (stimulierte Emission) => Schwellwertbedingung => Schwellwertbedingung (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

7 Laser-Basics Verstärkungsprofil eines Lasers: Verstärkungsprofil eines Lasers: (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

8 Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser – Basics Laser – Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

9 Wie macht man Laser-Pulse? Einfachste Methode: Pumpvorgang modulieren (Blitzanregung) Einfachste Methode: Pumpvorgang modulieren (Blitzanregung) => einige μs => einige μs Güteschaltung (Q-Switching): Strahlungsrückkopplung erst beim Inversionsmaximum durch z.B. optischen Schalter (hohe Verluste - zu, niedrige Verluste - auf) Güteschaltung (Q-Switching): Strahlungsrückkopplung erst beim Inversionsmaximum durch z.B. optischen Schalter (hohe Verluste - zu, niedrige Verluste - auf) - schneller Inversionsabbau - schneller Inversionsabbau - Moden haben statistische Phasenlage zueinander - Moden haben statistische Phasenlage zueinander => ca. 10 ns

10 Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Höhere Intensitäten durch Kopplung bringt ps-Pulse Höhere Intensitäten durch Kopplung bringt ps-Pulse Kontinuierliche Pumpe (quasi CW-Betrieb) Kontinuierliche Pumpe (quasi CW-Betrieb) Phasenstarre Überlagerung (Δφ i =0) der Einzelmoden im Verstärkungsbereich Phasenstarre Überlagerung (Δφ i =0) der Einzelmoden im Verstärkungsbereich

11 Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Modenkoplung (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

12 Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Schalter (Pockel, Ultraschall,…) moduliert G des Resonators mit Frequenz Ω = ω 1 Schalter (Pockel, Ultraschall,…) moduliert G des Resonators mit Frequenz Ω = ω 1 (ist auch Pulsfrequenz) (ist auch Pulsfrequenz) Seitenbänder (SB) ω n entsprechen den nun gekoppelten Moden, nehmen an der Oszillation teil Seitenbänder (SB) ω n entsprechen den nun gekoppelten Moden, nehmen an der Oszillation teil (Rulliere, Femtosecond Laserpulses (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

13 Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Anschaulich: Anschaulich:

14 Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Seitenbänder konkurrieren mit longitudinalen Moden für Gewinn G Seitenbänder konkurrieren mit longitudinalen Moden für Gewinn G Mode wird nur zu bestimmten Zeitpunkt 1/(mΩ) nicht abgeschwächt Mode wird nur zu bestimmten Zeitpunkt 1/(mΩ) nicht abgeschwächt Also überleben nur die Moden den Kampf, die sich an eines der SB ω 0 ±, q= -m,m+1,…,m hängen, die also modengekoppelt sind Also überleben nur die Moden den Kampf, die sich an eines der SB ω 0 ±, q= -m,m+1,…,m hängen, die also modengekoppelt sind Daraus resultiert ein Puls der den Schalter zum Zeitpunkt maximaler Transmission passiert Daraus resultiert ein Puls der den Schalter zum Zeitpunkt maximaler Transmission passiert Phasenrelation im Frequenzraum Intensitätsmaximum im Zeitraum (FT) Phasenrelation im Frequenzraum Intensitätsmaximum im Zeitraum (FT) Opto-akkustischer Modulator (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

15 Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung ABER: Schalter zu langsam für fs-Pulse, ABER: Schalter zu langsam für fs-Pulse, nur ps sind möglich nur ps sind möglich Abhilfe schaff(t)en Absorber (passive Modenkopplung) Abhilfe schaff(t)en Absorber (passive Modenkopplung)

16 Wie macht man Laser-Pulse?- Passive Modenkopplung Auch hier gilt: Der Stärkere gewinnt Auch hier gilt: Der Stärkere gewinnt Pulse steuern Modulation selbst mit Hilfe eines sättigbaren Absorbers Pulse steuern Modulation selbst mit Hilfe eines sättigbaren Absorbers Für hohe Intensitätsmaxima – höchste T, sättigen Absorber pro Umlauf => noch höhere Verstärkung Für hohe Intensitätsmaxima – höchste T, sättigen Absorber pro Umlauf => noch höhere Verstärkung Schwächere Maxima erfahren kleinere Verstärkung u. größte A, werden unterdrückt Schwächere Maxima erfahren kleinere Verstärkung u. größte A, werden unterdrückt Absorber (aus Rulliere, Femtosecond Laserpulses)

17 Wie macht man Laser-Pulse?- Passive Modenkopplung Weitere Aufsteilung des Pulses durch Absorber: Weitere Aufsteilung des Pulses durch Absorber: Verstärkung setzt erst bei best. I(t) ein, Pulsende erfährt keine Absorbtion mehr durch Sättigung und Hinterflanke steilt auf Frequenzfilter, Prismen, usw. verbreitern Puls Frequenzfilter, Prismen, usw. verbreitern Puls Halten sich beide Effekte die Waage, ist der Puls Self-Consistent Halten sich beide Effekte die Waage, ist der Puls Self-Consistent

18 Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Self locking of modes zufällig in Schottland an CW-Laser entdeckt Self locking of modes zufällig in Schottland an CW-Laser entdeckt Kein extra Absorber nötig Kein extra Absorber nötig Bestimmte Konfiguration favorisiert Pulsregime über CW (Rütteln am Spiegel) Bestimmte Konfiguration favorisiert Pulsregime über CW (Rütteln am Spiegel) Wie funktioniert das? Wie funktioniert das?

19 Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Mit Kerreffekt im Ortsraum (Selbstfokussierung): Mit Kerreffekt im Ortsraum (Selbstfokussierung): n(I,r)=n 0 +n 2 I(r,z) V P =c/n=c/(n 0 +n 2 I(t)) => Minimum von V P => Fokussierung nur der starken I-Maxima (stabiler Puls resultiert) (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

20 Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Zusätzlich noch Selbstphasenmodulation: Zusätzlich noch Selbstphasenmodulation: Phase der Welle ist φ=ωt-kz=ωt-(ωn(I)/c)z= ωt-(ωzn 0 )/c-n 2 ωzI(r,z)/c. Die Frequenz ist dφ/dt dI/dt, d.h. Vorderflanke des Pulses hat größere F, Hinterflanke kleinere F, also wird das Spektrum breiter und der Puls kürzer

21 Dem entgegen wirkt die Dispersion der Gruppengeschwindikeit: Dem entgegen wirkt die Dispersion der Gruppengeschwindikeit: Längerwellige Moden laufen schneller und dehnen den Puls zeitlich (Chirp) Analog zum Passive Mode Locking: Analog zum Passive Mode Locking: Pulse verschmälert durch Verstärkung der Pulsmaxima und Gleichgewichtszustand wenn Dispersion Selbstphasenmodulation (Quasisoliton) => Dafür ist Dispersionskompensation nötig Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing

22 Erzeugung von Femtosekunden- Laserpulsen Einleitung Einleitung Laser – Basics Laser – Basics Wie macht man Laser-Pulse? Wie macht man Laser-Pulse? Femtosekunden- Pulse mit Ti:Saphir Femtosekunden- Pulse mit Ti:Saphir Zusammenfassung Zusammenfassung Ausblick Ausblick

23 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Warum Ti:Saphir? Warum Ti:Saphir? Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation

24 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Warum Ti:Saphir? Warum Ti:Saphir? Bandbreite, Pumpleistung, spritzt nicht, RT, … Bandbreite, Pumpleistung, spritzt nicht, RT, …

25 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

26 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Aufbau eines Ti:Saphir Lasers: Aufbau eines Ti:Saphir Lasers: Mit Ti-Ionen dotiertes Al 2 O 3 im Resonator wird mit CW-Argon-Laser gepumpt Mit Ti-Ionen dotiertes Al 2 O 3 im Resonator wird mit CW-Argon-Laser gepumpt

27 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Fabry Perot Interferometer (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

28 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Ringresonator (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

29 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Dispersionskompensation? Dispersionskompensation? Gitterkompensatoren werden verwendet, Aber: Dispersion immer noch zu groß sowie Reflexionsverluste Besser: Prismenpaare oder dispersive Spiegel (frequenzabhängige Eindringtiefe) Besser: Prismenpaare oder dispersive Spiegel (frequenzabhängige Eindringtiefe)

30 Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

31 Zusammenfassung Pulserzeugung mit der Zeit durch Pulserzeugung mit der Zeit durch –Blitzlichtanregung –Güteschaltung –Modenkopplung => Self locking Ende 80er Nicht alle Medien für ultrakurze Pulse geeignet Nicht alle Medien für ultrakurze Pulse geeignet Ti:Saphir ist preiswert in guter Qualität verfügbar => heute Standart Ti:Saphir ist preiswert in guter Qualität verfügbar => heute Standart

32 Ausblick Mit Ti:Saphir stabile Pulsdauern <10 fs und einigen nJ, die noch verstärkt werden können Mit Ti:Saphir stabile Pulsdauern <10 fs und einigen nJ, die noch verstärkt werden können Wo liegt die Zeitgrenze? Wo liegt die Zeitgrenze? –Bandbreite des Mediums –Dispersionskompensation (Chirp) –Dispersion an Spiegeln –Pulse von 4 fs bei: 1-2 Perioden/Puls => theoretische Beschreibung problematisch (Träger vs. Einhüllende) Pulse unter 10 fs durch nachträgliche Spektralverbreiterung (Glasfaser, Krypton), höhere Pulsspitzenleistungen nötig Pulse unter 10 fs durch nachträgliche Spektralverbreiterung (Glasfaser, Krypton), höhere Pulsspitzenleistungen nötig

33 ~ THE END ~ Vielen Dank


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