DD218499B1

DD218499B1 - METHOD FOR GENERATING SHORT CHIRP-FREE LASER IMPULSE

Info

Publication number: DD218499B1
Application number: DD25182383A
Authority: DD
Inventors: Wieland Dietel
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1983-06-08
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1991-08-14
Also published as: DD218499A1

Description

Characteristic of the known technical solutions

Die Methode der passiven Modensynchronisation (Appl. Phys. Lett. 24 [1974] 373), bei der sich ein sättigbarer Absorber im Laserresonator befindet, gestattet die Erzeugung stabiler untergrundfreier Laserimpulse. Mit Farbstoffringlasern im sogenannten CPM-Regime/1/ werden Laserimpulse kurzer als 100fs erzielt.The method of passive mode synchronization (Appl. Phys. Lett. 24 [1974] 373), in which a saturable absorber is located in the laser resonator, allows the generation of stable background-free laser pulses. With laser ring lasers in the so-called CPM-regime / 1 / laser pulses are achieved shorter than 100fs.

Nachteilig bei den bisher realisierten Varianten der passiven Modensynchronisation ist, daß die generierten Impulse einen mehr oder weniger großen Chirp aufweisen und damit langer sind als es dem theoretisch möglichen Minimalwert des impulsdauer-Bandbreitenprodukts entspricht. Das ist besonders für die Erzeugung kürzester Laserimpulse, also bei passiv modensynchronisierten Farbstoffringlasern von Bedeutung.A disadvantage of the variants of the passive mode synchronization realized so far is that the generated pulses have a more or less large chirp and are thus longer than corresponds to the theoretically possible minimum value of the pulse duration bandwidth product. This is particularly important for the generation of shortest laser pulses, ie for passively mode-locked dye ring lasers.

Nachteilig bei dieser Methode ist weiterhin, daß die Impulsdauer bei Konstanthaltung der anderen Impulsparameter nur wenig verändert werden kann.A disadvantage of this method is further that the pulse duration can be changed only slightly while maintaining the other pulse parameters.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung istein Verfahren zur Erzeugung von kurzen Laserimpulsen, bei den en die Im pul se keinen Chirp mehr besitzen.The aim of the invention is a method for generating short laser pulses in which the pulp no longer has chirp.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das auf der Grundlage der Modensynchronisation die Erzeugung chirpfreier Impulse gestattet, die in ihrer Länge um etwa eine Größenordnung veränderbar sind und bis zur theoretischen Größe des Impulsdauer-Bandbreitenproduktes minimiert werden können. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren zur Erzeugung kurzer, chirpfreier Laserimpulse basierend auf der Methode der Modensynchronisation erfindungsgemäß dadurch, daß der Chirp-Effekt der Laserimpulse innerhalb des Laserresonators durch eine Dispersion der Gruppengeschwindigkeit kompensiert wird. Dabei ist es vorteilhaft, den Downchirp durch im Resonator enthaltene Medien mit normaler Dispersion und nichtlinearem Verlauf der Dispersionskurve und den Upchirp durch im Reasonator enthaltene Medien mit anomaler Dispersion und nichtlinearem Verlauf der Dispersionskurve und/oder beugende Elemente im Resonator zu kompensieren.The invention has for its object to provide a method that allows the generation of chirp-free pulses based on the mode synchronization, which are variable in length by about an order of magnitude and can be minimized to the theoretical size of the pulse width bandwidth product. The solution to this problem is achieved with a method for generating short, chirp-free laser pulses based on the method of mode synchronization according to the invention characterized in that the chirp effect of the laser pulses is compensated within the laser resonator by a dispersion of the group velocity. It is advantageous here to compensate the downchirp by means of media contained in the resonator with normal dispersion and nonlinear course of the dispersion curve and the upchirp by media contained in the reasoner with anomalous dispersion and nonlinear course of the dispersion curve and / or diffractive elements in the resonator.

Für die Kompensation des Downchirp ist es vorteilhaft, eine Anordnung zu verwenden, bei der sich in einem Farbstoffringlaser optische Gläser in Form eines Brewsterprismas oder einer keilförmigen Platte oder zweier Brewsterprismen, die gegeneinander so angeordnet sind, daß sichihre Winkeldispersion kompensieren läßt, befinden. Nach übereinstimmender Meinung der Fachwelt müssen aus dem Resonator eines modensynchronisierten Lasers, speziell des passiv modensynchronisierten Lasers, alle dispersiven Elemente entfernt werden, damit eine Verbreiterung der Impulse bei ihrer Generation vermieden wird. Das kommt in den Arbeiten der führenden Gruppe zum Ausdruck, z. B. in /1 /, 121, IZI, /Al und wurde erst kürzlich erneut betont 151. Es hat sich aber gezeigt, daß diese Meinung keine Allgemeingültigkeit besitzt. Der sich darstellende Sachverhalt soll im folgenden skizziert werden.For the compensation of the downchirp, it is advantageous to use an arrangement in which optical glasses in the form of a Brewster prism or a wedge-shaped plate or two Brewster prisms, which are arranged in such a way that their angular dispersion can be compensated, are located in a dye ring laser. According to the consensus opinion of the art, all the dispersive elements must be removed from the resonator of a mode-locked laser, especially of the passively mode-locked laser, so that broadening of the pulses in their generation is avoided. This is expressed in the work of the leading group, eg. In / 1 /, 121, IZI, / Al and has recently been re-emphasized 151. It has been shown, however, that this opinion is not universally valid. The presenting facts will be outlined below.

Bei der Methode der passiven Modensynchronisation befindet sich neben dem verstärkenden Medium ein sättigbarer Absorber im Laserresonator. Beim Durchgang der Impulse durch den Absorber, den Verstärker und durch dispersive Bauelemente können die Impulse einen Chirp enthalten, d. h. ihre Trägerfrequenz variiert vom Impulsanfang zum Impulsende. Wenn die Impulse einen Chirp besitzen, sind sie nicht mehr bandbreitenbegrenzt und damit langer als es dem Impulsdauer-Bandbreitenprodukt entspricht.In the passive mode synchronization method, in addition to the amplifying medium, there is a saturable absorber in the laser resonator. As pulses pass through the absorber, amplifier and dispersive devices, the pulses may contain a chirp, i. H. its carrier frequency varies from the beginning of the pulse to the end of the pulse. If the pulses have a chirp, they are no longer bandwidth limited and thus longer than the pulse width bandwidth product.

Für die Entstehung des Chirps im Laserresonator kommen zwei Ursachen in Frage. Das ist einmal die Dispersion (Frequenzabhängigkeit) der Gruppengeschwindigkeit, die durch den nichtlinearen Verlauf der Dispersionskurve auftritt. Durchläuft ein chirpfreier Impuls ein Medium normaler Dispersion und mit einem nichtlinearen Verlauf der Dispersionskurve, so wird er verbreitert, es entsteht eine langwellige Impulsvorderfront und ein kurzwelliges Impulsende. Der Impuls hat einen sogenannten Upchirp erhalten. Impulse mit Upchirp entstehen in modensynchronisierten Lasern, die dispersive Materialien von hinreichender Länge aufweisen, z. B. dotierte Gläser bei Festkörperlasern.There are two possible causes for the formation of chirps in the laser resonator. This is the dispersion (frequency dependency) of the group velocity, which occurs due to the nonlinear course of the dispersion curve. If a chirp-free pulse passes through a medium of normal dispersion and with a non-linear course of the dispersion curve, it is broadened, resulting in a long-wave pulse front and a short-wave pulse end. The impulse has received a so-called upchirp. Pulses with upchirp arise in mode-locked lasers that have dispersive materials of sufficient length, e.g. B. doped glasses in solid state lasers.

Die zweite Ursache für die Entstehung des Chirps ist die Intensitätsabhängigkeit des Brechungsindex. Bei hoher Leistungsdichte der Laserstrahlung wird der Brechungsindex zeitlich moduliert, was zu einer Phasenmodulation und zu einem Upchirp der Impulse führt. Dieser Prozeß spielt bei Leistungsdichten größer 10¹⁰W/cm² eine Rolle. Wie die durchgeführten experimentellen Untersuchungen /6/ zeigen, wird bei passiv modensynchronisierten Farbstofflasern jedoch ein Downchirp der Impulse beobachtet. Ein solcher Impuls besitzt eine kurzwellige Impulsvorderfront und ein langwelliges Impulsende. Der Downchirp entsteht durch eine zeitliche Variation des Brechungsindex infolge der unterschiedlichen Sättigung, die die Impulsvorderfront und das Impulsmaximum erzeugen. Da der Absorber bei der passiven Modensynchronisation naturgemäß stärker gesättigt werden muß als der Verstärker, kann der Sättigungseinfluß des Verstärkers vernachlässigt werden.The second cause for the formation of the chirp is the intensity dependence of the refractive index. At high power density of the laser radiation, the refractive index is modulated in time, resulting in a phase modulation and an upchirp of the pulses. This process plays a role at power densities greater than 10 ¹⁰ W / cm ² . However, as the experimental studies / 6 / show, in passively mode-locked dye lasers a downchirp of the pulses is observed. Such a pulse has a short-wave pulse front and a long-wave pulse end. The down-chirp is created by a temporal variation of the refractive index due to the different saturation that the front and the pulse maximum generate. Since the absorber in the passive mode synchronization must naturally be saturated more saturated than the amplifier, the saturation influence of the amplifier can be neglected.

Aus der Darstellung des geschilderten Sachverhaltes geht nun hervor, daß in passiv modensynchronisierten Lasern, die keine dispersiven Elemente (oder nur dispersive Elemente mit einer Länge in der Größenordnung von einigen mm) enthalten und bei denen keine großen Leistungsdichten auftreten, Impulse mit Downchirp generiert werden. Das trifft für den passiv modensynchronisierten Farbstofflaser zu. Andererseits werden in passiv modensynchronisierten Lasern, die entsprechend lange dispersive Strahlwege und/oder hohe Leistungsdichten aufweisen, Impulse mit Upchirp generiert. Das trifft z. B. für den Nd:Glas-Laser mit sättigbarem Absorber zu.From the representation of the described facts it now appears that in passive mode-locked lasers, which contain no dispersive elements (or only dispersive elements with a length of the order of a few mm) and in which no large power densities occur, pulses are generated with down-chirp. This is true for the passively mode-locked dye laser. On the other hand, pulses with upchirp are generated in passively mode-locked lasers, which have correspondingly long dispersive beam paths and / or high power densities. This meets z. For example, for the Nd: glass laser with saturable absorber.

Das Wesen der Erfindung besteht nun darin, den Chirp der Impulse durch geeignete Mittel bereits innerhalb des Laserresonators zu kompensieren, so daß chirpfreie Laserimpulse generiert werden können.The essence of the invention is to compensate for the chirp of the pulses by suitable means already within the laser resonator, so that chirpfreie laser pulses can be generated.

der Dispersionskurve in den Laserresonator.the dispersion curve in the laser resonator.

Vorteilhaft für die Kompensation des Downchirp ist der Einsatz von dispergierenden, verlustarmen Materialien wie z. B. Gläser.Advantageous for the compensation of Downchirp is the use of dispersing, low-loss materials such. Glasses.

Bei Variation der Länge des Glasweges variiert die Impulsdauer, sie zeigt bei einem bestimmten Glasweg ein ausgeprägtes Minimum. Bei diesem Glasweg wird der Downchirp durch den nichtlinearen Verlauf der Dispersion kompensiert. Bei kürzeren Glaswegen ist die Kompensation unvollkommen, die Impulse zeigen noch Downchirp, bei längeren Glaswegen ergibt sich Überkompensation, die Impulse zeigen Upchirp. Durch die Variation des Glasweges kann die Impulsdauer bei konstanter Wellenlänge kontinuierlich verändert werden, im vorliegenden Fall um etwa eine Größenordnung. Bei Gläsern mit stärkerer Krümmung der Dispersionskurve erfolgt der Abfall zum Minimum der Impulsdauer schneller, ebenso erfolgt ein steilerer Anstieg der Impulsdauer bei Überkompensation.When varying the length of the glass path, the pulse duration varies, it shows a pronounced minimum for a given glass path. In this glass path, the downchirp is compensated by the nonlinear course of the dispersion. With shorter glass paths, the compensation is imperfect, the impulses still show downchirp, longer glass paths result in overcompensation, the impulses show Upchirp. By varying the glass path, the pulse duration can be changed continuously at a constant wavelength, in the present case by about one order of magnitude. For glasses with greater curvature of the dispersion curve, the drop to the minimum of the pulse duration is faster, as well as a steeper increase in the pulse duration in case of overcompensation.

Ohne Glasweg im Resonator liegt die Impulsdauer etwa eine Größenordnung über der minimal erreichbaren bei einer bestimmten Wellenlänge. Erst durch Kompensation des Chirps können in diesem Wellenlängenbereich Impulse unter 100fs erzielt werden. Das zeigt auch die Bedeutung des Verfahrens für die Erweiterung des Wellenlängenbereiches bei passiv modensynchronisierten Lasern.Without a glass path in the resonator, the pulse duration is approximately one order of magnitude above the minimum achievable at a certain wavelength. Only by compensation of the chirp pulses below 100 fs can be achieved in this wavelength range. This also shows the importance of the method for the extension of the wavelength range in passive mode-locked lasers.

Die Kompensation des Upchirps erfolgt durch Einbringen beugender Elemente in den Laserresonator. Das erfolgt beispielsweise mittels eines Gitterpaares. Da bei einer Chirpkompensation außerhalb des Resonators der Impuls nur einmal das Gitterpaar passiert, aber bei einer Kompensation innerhalb des Resonators mehrfach, reduzieren sich die Anforderungen an die dispersiven Eigenschaften eines Gitterpaares im Resonator genau in diesem Verhältnis (Photonenlebensdauer im Resonator dividiert durch Resonatorumlaufzeit).The compensation of the upchirps is done by introducing diffractive elements into the laser resonator. This is done for example by means of a grid pair. Since, with a chirp compensation outside the resonator, the pulse passes through the grating pair only once, but with compensation within the resonator several times, the requirements for the dispersive properties of a grating pair in the resonator are reduced precisely in this ratio (photon lifetime in the resonator divided by resonator cycle time).

/1/ R.L. Fork, B.I. Green, CV. Shank Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 671/ 1 / R.L. Fork, B.I. Green, CV. Shank Appl. Phys. Lett. 38 (1981) 671

121 J.-C. Diels, E. van Stryland, G. Benedict Opt. Commun. 25 (1975) 93 121 J.-C. Diels, E. van Stryland, G. Benedict Opt. Commun. 25 (1975) 93

/3/ J.-C. Diels, I. Menders, H.Sallaba Proceedings of the 2nd Int. Conf. on Picosecond Phenomena, Springer-Verlag 1980, p.41 /4/ G. A. Mourou.T.Sizer Il Opt. Commun. 41 (1982)47/ 3 / J.-C. Diels, I. Menders, H. Sala Proceedings of the 2nd Int. Conf. on Picosecond Phenomena, Springer-Verlag 1980, p.41 / 4 / G.A. Mourou.T.Sizer Il Opt. Commun. 41 (1982) 47

/5/ CV. Shank, Xllth Int. Quantum Electronics Conference, paper K 2.1, Juni 22, München 1982 /6/ W. Dietel, E. Döpel, D. Kühlke, B.Wilhelmi Opt. Commun. 43 (1982) 433^166/ 5 / CV. Shank, Xllth Int. Quantum Electronics Conference, paper K 2.1, June 22, Munich 1982/6 / W. Dietel, E. Döpel, D. Kühlke, B. Wilhelmi Opt. Commun. 43 (1982) 433-166

Ausführungsbeispielembodiment

Das Wesen der Erfindung soll für den Fall des passiv modensynchronisierten Farbstoff-Ring laser an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Es wird für den Farbstofflaser eine verlustarme Resonatorkonfiguration zugrundegelegt, die für die Erzeugung von fs-lmpulsen besonders günstig ist.The essence of the invention will be explained in more detail for the case of passive mode-locked dye-ring laser on an embodiment. It is based on a low-loss resonator configuration for the dye laser, which is particularly favorable for the generation of fs pulses.

Der Ringresonator, dargestellt in Fig. 2, wird aus sechs Resonatorspiegeln gebildet, wobei zwei Spiegel 1 und 2 mit einem Krümmungsradius von ca. 5cm um den Rhodamin6G-Jet7 und zwei Spiegel 4 und 5 mit einem Krümmungsradius von ca. 3cm um den DODCI-Jet 8 angeordnet sind. Der Spiegel 3 besitzt einen Krümmungsradius von 1 bis 1,5m und befindet sich in einem Abstand von ca. 30 bis 40cm vom Spiegel 5. Der Spiegel 6 ist eben und dient als Auskoppelspiegel (Reflexionsvermögen ca. 99%). Alle Spiegel tragen übliche dielektrische Beschichtung. Der Umfang des Resonators beträgt ca. 3,60m, der Abstand zwischen Verstärker- und Absorber-Jet ein Viertel des Umfangs. Die Pumpstrahlung 11 wird über den Pumpspiegel 10 in das aktive Medium 7 eingekoppelt.The ring resonator shown in FIG. 2 is formed of six resonator mirrors, two mirrors 1 and 2 having a radius of curvature of approximately 5 cm around the rhodamine 6G jet 7 and two mirrors 4 and 5 having a radius of curvature of approximately 3 cm around the DODCI. Jet 8 are arranged. The mirror 3 has a radius of curvature of 1 to 1.5 m and is located at a distance of about 30 to 40 cm from the mirror 5. The mirror 6 is flat and serves as Auskoppelspiegel (reflectivity about 99%). All mirrors wear conventional dielectric coating. The circumference of the resonator is about 3.60 m, the distance between the amplifier and absorber jet a quarter of the circumference. The pump radiation 11 is coupled via the pumping mirror 10 into the active medium 7.

Im Resonator befindet sich zur Kompensation des Downchirps ein dispersives Element mit nichtlinearem Verlauf der Dispersionskurve, im einfachsten Fall ein Prisma 9, auf das die Laserstrahlung 12 unter dem Brewsterwinkel trifft. Zur Variation des Glasweges wird das Prisma 9 senkrecht zu seiner Basisfläche verschoben. Als Prismenmaterial eignen sich verlustarme Gläser wie SQ1 oder auch Flintgläser. Bei den stärker brechenden Flintgläsern ändert sich die Impulsdauer mit Variation des Glasweges wie in Fig. 1 angegeben, bei SQ1 ist der Verlauf der Kurve flacher, das Minimum der Impulsdauer etwas zu längeren Glaswegen verschoben.In the resonator is located to compensate for the downchirps a dispersive element with nonlinear course of the dispersion curve, in the simplest case, a prism 9, which is incident on the laser radiation 12 at the Brewster angle. To vary the glass path, the prism 9 is moved perpendicular to its base surface. Low-prism glasses such as SQ1 or flint glasses are suitable as prism material. In the case of the more refracting flint glasses, the pulse duration changes with variation of the glass path as indicated in FIG. 1, in SQ1 the course of the curve is flatter, the minimum of the pulse duration slightly shifted to longer glass paths.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren der Chirp-Kompensation innerhalb des Resonators und bei einer extrem niedrigen Pumpleistung von ca. 1W (alle Argonlaserlinien) konnten Laserimpulse von 55fs erzeugt werden. Das sind die bisher kürzesten, von einem Laser generierten Impulse.With the inventive method of chirp compensation within the resonator and at an extremely low pump power of about 1W (all argon laser lines) laser pulses of 55fs could be generated. These are the shortest pulses generated by a laser.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die, bei der die Winkeldispersion des Prismas 9 eingeschränkt oder kompensiert werden kann. Zu diesem Zweck ordnet man, wie in Fig. 3 dargestellt, zwei Prismen 13 und 14 so hintereinander an, daß sich ihre Winkeldispersion kompensieren läßt. Eine resultierende dispersive Wirkung erreicht man, wenn man den Abstand der beiden Prismen 13 und 14 vergrößert. Die Chirpkompensation erfolgt wie angegeben durch Verschiebung eines Prismas oder beider Prismen senkrecht zur Basisfläche.An advantageous variant of the method according to the invention is that in which the angular dispersion of the prism 9 can be restricted or compensated. For this purpose, as shown in FIG. 3, two prisms 13 and 14 are arranged one behind the other so that their angular dispersion can be compensated. A resulting dispersive effect is achieved by increasing the distance between the two prisms 13 and 14. The chirp compensation is performed as indicated by displacement of a prism or both prisms perpendicular to the base surface.

Chirpkompensation bei reduzierter Winkeldispersion kann man auch mit einer keilförmigen Platte aus Glas oder einem anderen Medium mit ähnlich dispersiven Eigenschaften erreichen. Die Platte wird zweckmäßigerweise unter dem Brewsterwinkel im Resonator angeordnet.Chiral compensation at reduced angular dispersion can also be achieved with a wedge-shaped plate of glass or other medium having similar dispersive properties. The plate is expediently arranged below the Brewster angle in the resonator.

Claims

Method for generating short, chirp-free laser pulses, based on the method of mode synchronization, characterized in that the chirp effect of the laser pulses within the laser cavity is compensated by a dispersion of the group velocity by means of an optical path variation.

For this

2 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to a method for generating short laser pulses of variable duration, wherein the pulse duration can be minimized to the theoretical limit of the pulse width bandwidth product.

With the method according to the invention, pulses with variable pulse duration can be generated down to 50 fs. This enables time-resolved spectroscopy in the fs range, in particular the investigation of ultrashort processes in molecular and solid-state physics, optoelectronics, photochemistry and biology. The generated impulses are also of interest for optical information processing and signal transmission, for the investigation of pulse propagation in optical fibers and for optical time-domain reflectometry.