DD233249A1

DD233249A1 - ARRANGEMENT FOR GENERATING ULTRA-CURRENT LIGHT IMPULSES

Info

Publication number: DD233249A1
Application number: DD27181984A
Authority: DD
Inventors: Karl-Ernst Suesse; Hartmut Lucht; Heinz Drommert
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-12-27
Filing date: 1984-12-27
Publication date: 1986-02-19
Also published as: GB2169744A; DE3540595A1; GB8529608D0

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse einstellbarer Wellenlaenge fuer die Anwendung in der Optik und Spektroskopie. Ziel ist die Erhoehung der Energie der Impulse mit geringerem technischen Aufwand. Die Aufgabe der Erfindung, auch bei Erhoehung der Pumpenergie weit ueber die Laserschwelle des aktiven Mediums hinaus, Laserimpulse unstrukturierter Impulsform zu erzeugen, die keine Impulsverbreiterung aufweisen, wird dadurch geloest, dass bei einem nach dem Prinzip der verteilten Rueckkopplung arbeitenden Laser die Lasertaetigkeit in einer bestimmten Richtung dadurch unterbrochen wird, dass ein Laserstrahlenbuendel zu dieser Richtung geneigt und zeitverzoegert zu einem ersten in dieser Richtung erzeugten Impuls in das aktive Lasermedium gerichtet wird. Fig. 1The invention relates to an arrangement for generating ultrashort light pulses of adjustable wavelength for use in optics and spectroscopy. The goal is to increase the energy of the impulses with less technical effort. The object of the invention, even with increase in the pump energy far beyond the laser threshold of the active medium addition to produce laser pulses unstructured pulse shape, which have no pulse broadening, is achieved by the fact that in a working according to the principle of distributed feedback laser Lasertaetigkeit in a certain Direction is interrupted by a laser beam is directed to this direction inclined and time-delayed to a first pulse generated in this direction in the active laser medium. Fig. 1

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtimpulse, deren Wellenlänge einstellbar ist. Sie ist insbesondere anwendbar in der Optik und in der Spektroskopie.The invention relates to an arrangement for generating ultrashort light pulses whose wavelength is adjustable. It is particularly applicable in optics and in spectroscopy.

Characteristic of the known technical solutions

Neben konventionellen Lasern mit Spiegel resonatoren gewinnen Laser mit verteilter Rückkopplung (DFB-Laser) zunehmend an Bedeutung. Zur Erzeugung der Rückkopplung in solchen Lasern ist eine Modulation des Brechungsindex oder des Verstärkungsfaktors nötig. Letzteres wird üblicherweise durch die interferenz zweier Teilstrahlen eines Pumplasers erreicht. Als aktives Medium dient oft ein in einem Lösungsmittel gelöster Farbstoff, der sich in einer Küvette befindet. Bei ausreichender Absorptionsfähigkeit des Farbstoffes entsteht an der Oberfläche der Farbstofflösung ein Interferenzbild. Die Absorption intensiver Strahlung verändert die Verstärkungsfähigkeit und den Berechnungsindex. Folglich entsteht in der Farbstoff lösung eine dem Interferenzbild entsprechende räumliche Modulation vor allem der Verstärkung. Diese räumliche Modulation führt zu einer frequenzseiektiven Kopplung zwischen den zwei entgegenlaufenden Superstrahlen. Der Rückkopplungseffekt ist am größten, wenn die Wellenlänge λ der Superstrahlen die Braggsche Bedingung λ = 2 η · D(D = Abstand der Interferenzmaxima, η = Brechungsindex) erfüllt und führt zur Selektion einer schmalbandigen Laserlinie aus dem breiten Fluoreszenzprofil des Farbstoffes.In addition to conventional lasers with mirror resonators, distributed feedback (DFB) lasers are becoming increasingly important. To generate the feedback in such lasers, a modulation of the refractive index or the gain factor is necessary. The latter is usually achieved by the interference of two partial beams of a pump laser. As an active medium is often used dissolved in a solvent dye, which is located in a cuvette. With sufficient absorption capacity of the dye, an interference pattern is formed on the surface of the dye solution. The absorption of intense radiation changes the amplification ability and the calculation index. Consequently, in the dye solution, a spatial modulation corresponding to the interference pattern, especially of the amplification, is produced. This spatial modulation leads to a frequency-selective coupling between the two counter-rotating super-beams. The feedback effect is greatest when the wavelength λ of the super-beams satisfies the Bragg condition λ = 2 η · D (D = distance of the interference maxima, η = refractive index) and leads to the selection of a narrow-band laser line from the broad fluorescence profile of the dye.

Laser mit verteilter Rückkopplung besitzen auch bei Pumpimpulsen von einigen ns einen hohen Wirkungsgrad und können ohne komplizierte optische Elemente Impulse von wenigen ps Dauer erzeugen.Distributed feedback lasers have high efficiency even with pump pulses of a few ns and can generate pulses of a few ps duration without complex optical elements.

Bei normaler Betriebsweise dieser Laser, d.h. bei Lasertätigkeit nicht im schwellennahen Bereich, werden allerdings Impulse erzeugt, die mit einer zeitlichen Aneinanderreihung von einzelnen glockenförmigen Einzelimpulsen vergleichbar sind (Bor, IEEE J. QE,QE16[1980]517).In normal operation of these lasers, i. However, when laser action is not in the vicinity of the threshold, pulses are generated which are comparable to a time sequence of individual bell-shaped individual pulses (Bor, IEEE J. QE, QE16 [1980] 517).

Die gesamte Impulsform ist dabei starken statistischen Schwankungen unterlegen. Auf Grund dieser Strukturierung sind die Impulse für viele Anwendungszwecke, so z. B. zur Untersuchung molekularer Relaxationszeiten, nur bedingt geeignet. Wird andererseits ein DFB-Laser in Schwellnähe gepumpt, d. h. überschreitet die Energie des Pumplasers die Schwelle des stimulierbaren Lasermediums um nicht mehr als 20%, so können ohne besonderen Aufwand und unstrukturierte Einzelimpulse mit einer gegenüber dem normalen Betrieb dieser Laser wesentlich verkürzten Dauer von ca. 1CT¹¹S erzeugt werden. (DE-OS 2900728)The entire pulse shape is inferior to strong statistical fluctuations. Due to this structuring, the impulses for many applications, such. As for the investigation of molecular relaxation times, only partially suitable. If, on the other hand, a DFB laser is pumped near the threshold, ie the energy of the pump laser does not exceed the threshold of the stimulable laser medium by more than 20%, then without any special effort and unstructured individual pulses with a duration of approx. 1CT ¹¹ S are generated. (DE-OS 2900728)

Die Bedingung der Schwellnähe ist jedoch eine wesentliche Einschränkung für den Einsatz dieser Laser, da sich die Laserschwelle mit dem jeweils verwendeten Lasermedium stark ändert und folglich die Pumpenergie für jedes Medium eingestellt werden muß. Durch die Begrenzung der Pumpenergie ist die erzeugte Laserenergie auf kleine Werte beschränkt. Um letzteren Mangel zu beheben, werden häufig sich anschließende Verstärker benutzt, was jedoch erheblichen technischen Aufwand erfordert.However, the threshold proximity condition is a significant limitation to the use of these lasers because the lasing threshold varies greatly with the particular laser medium used, and consequently, the pumping energy must be adjusted for each medium. By limiting the pump energy, the laser energy generated is limited to small values. To remedy the latter deficiency, subsequent amplifiers are often used, but this requires considerable technical effort.

Object of the invention

Es ist das Ziel der Erfindung, die Energie ultrakurzer Laserimpulse unstrukturierter Impulsform mit geringem technischen Aufwand zu erhöhen.It is the object of the invention to increase the energy of ultrashort laser pulses of unstructured pulse shape with little technical effort.

arlegung des Wesens der Erfindungsetting forth the nature of the invention

ufgabe der Erfindung ist es, ultrakurze Laserimpulse im gesamten Spektralbereich verfügbarer aktiver Lasermedien zu zeugen, die auch bei Erhöhung der Pumpenergie weit über die Laserschwelle des aktiven Mediums hinaus eine unstrukturierte ipulsform besitzen und keine Impulsverbreiterung aufweisen. Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Erzeugung trakurzer Lichtimpulse, bei der Mittel zur Erzeugung zweier Teilbündel aus einem von einer zumindest annähernd kohärenten jmpstrahlung ausgehenden Strahlungsbündel und Mittel zum Zusammenführen dieser Teilbündel in einem Lasermedium im Pumpen eines nach dem Prinzip der verteilten Rückkopplung arbeitenden Lasers vorgesehen sind, wobei die Zufuhr eine terferenzmusterbildung und die Erzeugung von Laserimpulsen, die an zwei sich gegenüberliegenden Flächen aus dem äsermedium austreten, zur Folge hat, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß einer der beiden Austrittsflächen ein sflexionselement mit dem Lasermedium zugewandter reflektierender Fläche benachbart ist, dessen Flächennormale zur ichtung des ersten eingeschwungenen Laserimpulses geneigt ist, so daß der reflektierte Laserimpuls das Lasermedium Dchmals durchläuft und zum ersten Laserimpuls versetzt auf die andere Austrittsfläche trifft. Der Abstand des eflexionselementes vom Lasermedium entspricht im wesentlichen der Größenordnung der optischen Weglänge im aktiven asermedium. Die dem Reflexionselement abgewandte Austrittsfläche ist zum ersten Laserimpuls im wesentlichen senkrecht igeordnet. Vorteilhaft ist es, das Reflexionselement als verspiegelte Fläche eines das Lasermedium einschließenden nicht ctiven, optisch durchlässigen, festen Mediums auszubilden oder einen separat angeordneten Spiegel zu verwenden.It is an object of the invention to produce ultrashort laser pulses in the entire spectral range of available active laser media which, even when the pumping energy is increased far beyond the laser threshold of the active medium, have an unstructured ipuls shape and have no pulse broadening. The object is provided by an arrangement for generating short light pulses, in which means are provided for generating two sub-beams from a radiation beam emanating from an at least approximately coherent jmp radiation and means for merging these sub-beams in a laser medium in pumping a laser operating on the principle of distributed feedback in that the supply results in a pattern of interference patterns and the generation of laser pulses which emerge from the medium at two opposite surfaces, according to the invention, in that one of the two exit surfaces is adjacent to a reflection element with a reflective surface facing the laser medium, the surface normal to direction of the first settled laser pulse is inclined, so that the reflected laser pulse passes through the laser medium Dchmals and offset from the first laser pulse hits the other exit surface. The distance of the eflexionselementes from the laser medium corresponds substantially to the magnitude of the optical path length in the active asermedium. The exit surface facing away from the reflection element is arranged substantially perpendicular to the first laser pulse. It is advantageous to form the reflective element as a mirrored surface of a non-ctive, optically transparent, solid medium enclosing the laser medium or to use a mirror arranged separately.

ei Verwendung eines separat angeordneten Spiegels als Reflexionselement ist das aktive Lasermedium entweder in einem icht aktiven, optisch durchlässigen, festen Medium eingeschlossen oder ist selbst ein festes Medium.When using a separately arranged mirror as a reflection element, the active laser medium is either enclosed in a non-active, optically transparent, solid medium or is itself a solid medium.

ei Verwendung eines festen aktiven Mediums kann auch eine mit einem reflektierenden Belag versehene Austrittsfläche mit "itsprechender Neigung vorgesehen sein.When using a solid active medium, it is also possible to provide an exit surface with an inclined inclination provided with a reflective coating.

urch die erfindungsgemäße Anordnung wird eine Impulsverkürzung bei einem nach dem Prinzip der verteilten Rückkopplung beitenden Laser auch bei Erhöhung der Pumpenergie in folgender Weise erreicht:By means of the arrangement according to the invention, pulse shortening in a laser based on the principle of distributed feedback is also achieved when the pump energy is increased in the following way:

er am Reflexionselement reflektierte Laserimpuls gelangt erneut in das aktive Medium, wird dort verstärkt und erzeugt einen iitverzögerten Laserimpuls in Richtung der Flächennormalen des Reflexionselementes. Die Lasertätigkeit in der ursprünglichen ichtung aber wird durch Abbau der Inversion unterbunden.he reflected on the reflection element laser pulse passes again into the active medium, where it is amplified and generates a iitverzögerten laser pulse in the direction of the surface normal of the reflection element. The laser action in the original direction but is prevented by reducing the inversion.

fahrend die Strahlung des ersten eingeschwungenen, auf diese Weise verkürzten Laserimpulses über eine Blende zur erfügung gestellt wird, wird der versetzt auf die andere Austrittsfläche gelangende reflektierte Laserimpuls durch die Blende jrückgehalten.when the radiation of the first steady-state, thus shortened, laser pulse is made available via a diaphragm, the reflected laser pulse which has been displaced to the other exit surface is retained by the diaphragm.

usführungsbeispielusführungsbeispiel

ie Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to the schematic drawing. Show it:

ig.1 eine erfindungsgemäße Anordnung mit separat vorgesehenem Reflexionselement ig. 2 eine Farbstoff küvette mit integriertem Reflexionselementig.1 an inventive arrangement with separately provided reflection element ig. 2 a dye cuvette with integrated reflection element

ι Fig. 1 sind in einem Laserstrahlenbündel 1, das von einem als Pumplaser eingesetzten Stickstofflaser 2 ausgeht, nacheinander ine Zylinderlinse 3 und ein Strahlenteilerwürfel 4 angeordnet, der Teilbündel 5,6 erzeugt. Die beiden Teilbündel 5,6 werden, ein leichschenkliges Quarzprisma 7 durchlaufend, durch Umlenkspiegel 8,9 in einem als Farbstofflösung 10 ausgebildeten aktiven asermedium, das sich in einer Quarzküvette 11 befindet, zusammengeführt. Die Üuarzküvette 11 weist Austrittsflächen 12,131 are arranged one after the other in a cylindrical lens 3 and a beam splitter cube 4, which generates sub-beams 5, 6 in a laser beam 1 emanating from a nitrogen laser 2 used as a pump laser. The two sub-beams 5, 6, passing through a light-weight quartz prism 7, are brought together by deflecting mirrors 8, 9 in an active as medium formed as a dye solution 10, which is located in a quartz cuvette 11. The Üuarzküvette 11 has exit surfaces 12,13

ie sich in der Farbstofflösung 10 an der Basisfläche des Prismas 7 überlagernden Teilbündel 5,6 erzeugen ein Interferenzmuster.The sub-beams 5, 6 superimposed on the base surface of the prism 7 in the dye solution 10 generate an interference pattern.

enkrechtzu den Ebenen dieses Musters wird nach dem Prinzip der verteilten Rückkopplung ein Laserstrahlen bündel mit in zwei ntgegengesetzten Richtungen verlaufenden Anteilen 14,15 erzeugt, wobei der Anteil 14 die Küvette 11 über die Austrittsfläche 2 verläßt.perpendicular to the planes of this pattern, according to the distributed feedback principle, a laser beam is generated with portions 14, 15 extending in two opposite directions, the portion 14 leaving the cuvette 11 via the exit surface 2.

er Anteil 14 und die Austrittsfläche 12 schließen einen rechten Winkel ein, festgelegt durch die Lage der Basisfläche des Prismas . Dadurch wird eine konstante Laserstrahlrichtung unabhängig von der Wellenlänge der Laserstrahlung erzeugt. Der Anteil 15 es erzeugten Laserstrahlenbündels verläßt über die brechende Austrittsfläche 13 die Küvette 11 und gelangt auf ein benachbart ngeordnetes, als Spiegel 16 ausgebildetes Reflexionselement, dessen Flächennormale gegenüber der Richtung des uftreffenden Anteils 15 geneigt ist, so daß das reflektierte Bündel 17 dem Anteil 14 des Strahlenbündels benachbart auf die ustrittsfläche 12 trifft. Zuvor wird das Bündel 17 nach Wiedereintritt in die Küvette 11 verstärkt, wobei gleichzeitig die asertätigkeit in Richtung des Anteils 14 unterbrochen wird.he portion 14 and the exit surface 12 include a right angle, determined by the position of the base surface of the prism. As a result, a constant laser beam direction is generated independently of the wavelength of the laser radiation. The fraction 15 laser beam generated it leaves the cuvette 11 via the refracting exit surface 13 and arrives at a neighboring, designed as a mirror 16 reflection element whose surface normal with respect to the direction of the averaging portion 15 is inclined, so that the reflected beam 17 to the portion 14 of Radiation beam adjacent to the output surface 12 meets. Previously, the bundle 17 is reinforced after re-entry into the cuvette 11, at the same time the azerätigkeit in the direction of the share 14 is interrupted.

ie Impulslänge des Anteils 14 des Laserstrahlenbündels hängt vom Abstand des Spiegel 16 vom aktiven Lasermedium ab.The pulse length of the fraction 14 of the laser beam depends on the distance of the mirror 16 from the active laser medium.

urch Unterbrechen der Lasertätigkeit in einer bestimmten Richtung findet somit eine Impulslängenreduzierung statt. Während er Anteil 14 über den Umlenkspiegel 18 durch eine Lochblende 19 zur weiteren Verwendung zur Verfügung gestellt wird, wird as Bündel 17 ausgeblendet.By interrupting the laser action in a certain direction, a pulse length reduction thus takes place. While he portion 14 is provided via the deflecting mirror 18 through a pinhole 19 for further use, the bundle 17 is hidden.

ie Einstellung der Wellenlänge der erzeugten Laserimpulse erfolgt in bekannter Weise, wie z. B. in der DE-OS 3309043 eschrieben.he setting of the wavelength of the generated laser pulses in a known manner, such. B. in DE-OS 3309043 eschrieben.

ig.2 79igt eine andere Ausführungsform bei der das Refloxionselement als verspießerte Seitenfläche 20 de· Küvette 11 usgebildet ist, wobei die Flächennormale wiederum zur Richtung des auftreffenden Laserstrahlenbündelanteils 15 geneigt ist.79 another embodiment in which the Refloxionselement is formed as spießerte side surface 20 of the cuvette 11, wherein the surface normal in turn is inclined to the direction of the incident laser beam portion 15.

ι beiden Ausführungsformen entspricht der Abstand des Reflexionselementes vom aktiven Lasermedium der optischen i/eglänge in diesem Medium bzw. ist von deren Größenordnung. Die erfindungsgemäße Lehre ist natürlich auch auf aktive ledien festen Zustandes anzuwenden, indem ein separat angeordneter Spiegel vorgesehen wird oder eine Austrittsfläche edampftist.In both embodiments, the distance of the reflection element from the active laser medium corresponds to the optical length in this medium or is of the same order of magnitude. Of course, the teaching of the invention is also applicable to solid active solid state by providing a separately arranged mirror or by evaporating an exit surface.

Claims

claims:

An arrangement for generating ultrashort light pulses in which means are provided for generating two sub-beams from a radiation beam emanating from an at least approximately coherent pump radiation source and means for feeding these sub-beams to an active laser medium operating according to the principle of distributed feedback, the feed forming an interference pattern and the generation of laser pulses, which emerge on two opposite surfaces of the laser medium, has, characterized in that one of the two exit surfaces adjacent a planar reflection element with the laser medium facing reflective surface, the surface normal to the direction of the first settled laser pulse inclined is, so that the reflected laser pulse passes through the laser medium again and offset from the first laser pulse hits the other exit surface.

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the distance of the reflection element from the laser medium substantially corresponds to the magnitude of the optical path length in the active laser medium, and that the reflection element facing away from the exit surface is arranged substantially perpendicular to the first laser pulse.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the reflection element is designed as a mirrored surface of a laser medium enclosing, non-active, optically transparent, solid medium.

4. Arrangement according to claim 2, characterized in that the reflection element is a separately arranged mirror.

5. Arrangement according to claim 4, characterized in that the active laser medium is enclosed in a non-active, optically transparent, solid medium or is itself a solid medium.

6. Arrangement according to claim 2, characterized in that the laser medium is a solid medium, and that is provided as a reflection element provided with a reflective coating exit surface.

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