Einführung in Optiken für Ultrakurzpulslaser

Einführung

Ultrakurzpulslaser werden in zahlreichen Anwendungen wie zeitaufgelöster Spektroskopie, Präzisionsmaterialbearbeitung und nicht-linearer Optik eingesetzt. Angetrieben durch diese Anwendungen zielen die jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet auf Laser ab, die eine höhere Ausgangsleistung und kürzere Pulse erzeugen. Derzeit wird die Kurzpulsphysik größtenteils mit Titan-Saphir-Lasern durchgeführt. Zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse werden, z. B. Titan-Saphir-Laser im Wellenlängenbereich um 800 nm aber auch Festkörperlaser auf der Basis anderer mit Übergangsmetallen oder Seltenerdmetallen dotierter Kristalle (Nd:YAG, Yb:YAG, Nd:YVO₄, Yb:KGW) im 1 µm-Bereich eingesetzt. Die reproduzierbare Erzeugung von Hochleistungspulsen im fs- und ps-Bereich ist eng mit der Entwicklung breitbandiger, verlustarmer dispersiver Strecker- und Kompressoreinheiten bestehend aus Prismen- oder Gitterpaaren oder dispersiven Mehrschichtreflektoren verbunden.

Die spektrale Bandbreite eines Laserpulses hängt mit der Pulsdauer zusammen, was mittels Fourier-Analyse beschrieben wird. Beispielsweise beträgt die Bandbreite (FWHM) eines 100-fs-Gauß-Pulses 11 nm bei 800 nm. Bei kürzeren Pulsen wird das Wellenlängenspektrum deutlich breiter. Ein 10 fs-Puls hat eine Bandbreite von 107 nm.

Wenn solch ein breiter Laserpuls ein optisches Medium durchläuft, breiten sich die Spektralkomponenten dieses Pulses mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Dispergierende Medien wie Glas erzwingen einen sogenannten „positiven Chirp“ des Pulses, was bedeutet, dass die kurzwelligen („blauen“) Komponenten gegenüber den langwelligen („roten“) Komponenten verzögert sind (siehe schematische Zeichnung in Abb. 1).

Eine ähnliche Verbreiterung kann beobachtet werden, wenn ein Laserpuls von einem dielektrischen Spiegel reflektiert wird und die Bandbreite des Pulses größer oder gleich der Breite des Reflexionsbandes des Spiegels ist. Insbesondere kommt es bei Breitbandspiegeln, die aus einem Doppelstapelsystem bestehen, zu einer Pulsverbreiterung, da die Weglängen der spektralen Komponenten des Pulses in diesen Beschichtungen extrem unterschiedlich sind.

Im Sub-100-fs-Bereich ist es wichtig, die Phaseneigenschaften jedes optischen Elements über die extrem große Bandbreite des fs-Lasers zu steuern. Dies gilt nicht nur für die Strecker- und Kompressoreinheiten, sondern auch für die Resonatorspiegel, Auskoppelspiegel und das Strahlausbreitungssystem. Zusätzlich zum Leistungsspektrum, d. h. Reflexionsgrad oder Transmissionsgrad, muss die Phasenbeziehung zwischen den Fourier-Komponenten des Pulses erhalten bleiben, um eine Verbreiterung oder Verzerrung des Laserpulses zu vermeiden.

Die mathematische Analyse des Phasenverlaufs eines breitbandigen Laserpulses, der ein Medium durchquert oder von einem Spiegel reflektiert wird (siehe Teil GDD und TOD), zeigt, dass die wichtigsten physikalischen Eigenschaften, die dieses Phänomen beschreiben, die Gruppenverzögerungsdispersion (GDD) und die Dispersion dritter Ordnung (TOD) sind. Diese werden als zweite und dritte Ableitung der Phase nach der Frequenz definiert.

Speziell entwickelte dielektrische Spiegel bieten die Möglichkeit, einem Puls einen „negativen Chirp“ aufzuprägen. Dadurch kann der positive Chirp, der durch Kristalle, Fenster etc. entsteht, kompensiert werden. Die schematische Zeichnung in Abb. 2 erklärt diesen Effekt anhand der unterschiedlichen optischen Weglängen von blauem, grünem und rotem Licht in einem Spiegel mit negativer Dispersion.

LAYERTEC bietet Ultrakurzpulsoptiken mit unterschiedlichen Bandbreiten an. Für den Wellenlängenbereich des Titan-Saphir-Lasers sind nachfolgend Optiken für unterschiedliche Bandbreitenbereiche dargestellt: Standardkomponenten mit einer Bandbreite von ca. 120 nm, Breitbandkomponenten (Bandbreite ca. 300 nm) und oktavübergreifende Komponenten.

Darüber hinaus werden Optiken im 1 µm-Bereich und Silberspiegel für fs-Anwendungen vorgestellt, die die größte verfügbare Bandbreite mit sehr geringer GDD bieten.

Bitte beachten Sie, dass das GDD-Spektrum eines dielektrischen Spiegels mit negativer Dispersion weisen Oszillationen im GDD-Spektrum auf. Bei Standardbandbreiten sind diese gering. Breitband- und Ultrabreitbandspiegel mit negativer Dispersion weisen jedoch starke GDD-Oszillationen auf. Durch den Einsatz von Spiegelpaaren, bestehend aus Spiegeln mit exakt verschobenen GDD-Oszillationen, kann eine erhebliche Glättung des Spektrums erreicht werden. Abb. 3 zeigt eine schematische Darstellung dieses Spiegelpaares und die entsprechenden GDD-Spektren.

Es ist weiterhin möglich, dispersive Spiegel mit hohen negativen GDD-Werten für die Pulskomprimierung zu verwenden. Diese sogenannten Gires-Tournois-Interferometer (GTI)-Spiegel (siehe Seite Gires-Tournois-Interferometer (GTI) Spiegel (600 – 1600 nm)) werden erfolgreich in Titan-Saphir-Lasern, Yb:YAG-, Yb:KGW-Oszillatoren und Er:Faser-Lasern eingesetzt. Die Pulskompression in Yb:YAG- und Yb:KGW-Oszillatoren liefert Pulse mit einer Pulslänge von einigen hundert Femtosekunden. Für jede Wellenlänge werden auf den folgenden Seiten Komponenten mit unterschiedlicher negativer GDD vorgestellt. Neben Komponenten für die Grundwellenlänge von Titan-Saphir-, Yb:YAG- und Yb:KGW-Lasern bietet LAYERTEC auch Optiken für die Harmonischen dieser Strahlung bis zum VUV-Wellenlängenbereich, Bauteile für Ultrakurzpulslaser im 1500 nm-Bereich und speziell entwickelte Optiken für Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser an. LAYERTEC verfügt über eigene Möglichkeiten zur Designberechnung sowie für GDD-Messungen im Wellenlängenbereich von 250 bis 1700 nm.

GDD und TOD

Wenn ein Laserpuls von einem dielektrischen Spiegel, also einem Stapel abwechselnd hoch- und niedrigbrechender Schichten, reflektiert wird, kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen dem ursprünglichen und dem reflektierten Laserpuls. Diese ergibt sich aus der Zeit, die die verschiedenen Fourier-Komponenten des Laserpulses benötigen, um das Schichtsystem des Spiegels zu durchlaufen. Im Allgemeinen kann die Phasenverschiebung Φ(ω) in der Nähe der Mittenfrequenz ω₀ in einer Taylor-Reihe für Frequenzen in der Nähe von ω₀ entwickelt werden:

Φ (ω) = Φ (ω₀) + Φ´ (ω₀) (ω –ω₀) + Φ´´(ω₀) (ω – ω₀)²/2 + Φ´´´(ω₀) (ω – ω₀)³/6 + …

Die Ableitungen stellen die Gruppenverzögerung (GD) Φ´(ω₀), die Gruppenverzögerungsdispersion (GDD) Φ´´(ω₀) und die Dispersion dritter Ordnung (TOD) Φ´´´( ω₀) dar. Diese Reihenentwicklung gilt streng genommen nur in einem exakt lösbaren Modell, für die Ausbreitung eines transformationsbegrenzten Gaußschen Laserpulses und für reine Phasendispersion. Für extrem kurze Pulse und Kombinationen von Amplituden- und Phasendispersion sind numerische Berechnungen erforderlich. Dennoch zeigt diese Reihenentwicklung deutlich die physikalische Bedeutung der einzelnen Begriffe.

Unter der Annahme, dass die Phasenverschiebung frequenzlinear ist (d. h. GD ≠ 0, GDD = 0 und TOD = 0 über die Pulsbandbreite), wird der reflektierte Puls durch die konstante Gruppenverzögerung zeitlich verschoben und natürlich durch die Amplitude des Reflexionsgrads skaliert. Das Pulsspektrum bleibt unverzerrt.

Für GDD ≠ 0 werden zwei wichtige Effekte beobachtet:

• Der reflektierte Laserpuls wird zeitlich verbreitert. Dieser Verbreiterungseffekt hängt nur vom absoluten Wert der GDD ab. LAYERTEC bietet „Low-GDD-Spiegel“ an, also Spiegel mit |GDD| <20fs² über einen bestimmten Wellenlängenbereich, was die Beibehaltung der Pulsform gewährleistet, wenn der Puls an diesen Spiegeln reflektiert wird.
• Darüber hinaus wird der Puls „gechirpt“, d. h. er ändert während der Pulsdauer seine momentane Frequenz. Dieser Effekt hängt vom Vorzeichen der GDD ab, sodass die momentane Frequenz höher (Up-Chirp, GDD > 0) oder niedriger (Down-Chirp, GDD < 0) werden kann. Dadurch können positive GDD-Effekte nicht-linearer optischer Elemente durch den Einsatz von Spiegeln mit negativer GDD kompensiert werden.

Die TOD bestimmt ebenfalls die Pulslänge und die Pulsform (Verzerrung des Pulses) und wird bei Pulslängen von 20 fs und weniger zu einem sehr wichtigen Faktor.

Referenzen

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