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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Schalter (Pockel, Ultraschall,…) moduliert G des Resonators mit Frequenz Ω ≈ = ω1 (ist auch Pulsfrequenz) Seitenbänder (SB) ωn entsprechen den nun gekoppelten Moden, nehmen an der Oszillation teil (Rulliere, Femtosecond Laserpulses (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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

Wie macht man Laser-Pulse?-Aktive Modenkopplung Seitenbänder konkurrieren mit longitudinalen Moden für Gewinn G Mode wird nur zu bestimmten Zeitpunkt 1/(mΩ) nicht abgeschwächt Also „überleben“ nur die Moden den Kampf, die sich an eines der SB ω0 ± , q= -m,m+1,…,m hängen, die also modengekoppelt sind Daraus resultiert ein Puls der den Schalter zum Zeitpunkt maximaler Transmission passiert Phasenrelation im Frequenzraum  Intensitätsmaximum im Zeitraum (FT) Opto-akkustischer Modulator (Demtröder, Experimentalphysik 3, Springer Verlag)

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

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

Wie macht man Laser-Pulse?- Passive Modenkopplung 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 Halten sich beide Effekte die Waage, ist der Puls „Self-Consistent“

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

Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Mit Kerreffekt im Ortsraum (Selbstfokussierung): n(I,r)=n0+n2I(r,z) VP=c/n=c/(n0+n2I(t)) => Minimum von VP => Fokussierung nur der starken I-Maxima (stabiler Puls resultiert) (Axel Kaspar, Erzeugung und Charakterisierung ultrakurzer Lichtpulse, Dissertation)

Wie macht man Laser-Pulse?- Kerr Mode Lensing Zusätzlich noch Selbstphasenmodulation: Phase der Welle ist φ=ωt-kz=ωt-(ωn(I)/c)z= ωt-(ωzn0)/c-n2ωzI(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

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

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

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

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

Femtosekunden-Pulse mit Ti:Saphir Aufbau eines Ti:Saphir Lasers: Mit Ti-Ionen dotiertes Al2O3 im Resonator wird mit CW-Argon-Laser gepumpt

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

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

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

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

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

Ausblick Mit Ti:Saphir stabile Pulsdauern <10 fs und einigen nJ, die noch verstärkt werden können 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

~ THE END ~ Vielen Dank