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WO1997000430A1 - Messvorrichtung für kurze und ultrakurze lichtimpulse - Google Patents

Messvorrichtung für kurze und ultrakurze lichtimpulse Download PDF

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Publication number
WO1997000430A1
WO1997000430A1 PCT/DE1996/001127 DE9601127W WO9700430A1 WO 1997000430 A1 WO1997000430 A1 WO 1997000430A1 DE 9601127 W DE9601127 W DE 9601127W WO 9700430 A1 WO9700430 A1 WO 9700430A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulses
pulse
partial
correlation signal
gekenn
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1996/001127
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Schulz
Ping Zhou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Optikzentrum Nrw (oz) GmbH
Original Assignee
Optikzentrum Nrw (oz) GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19549303A external-priority patent/DE19549303A1/de
Application filed by Optikzentrum Nrw (oz) GmbH filed Critical Optikzentrum Nrw (oz) GmbH
Publication of WO1997000430A1 publication Critical patent/WO1997000430A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J1/46—Electric circuits using a capacitor
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F13/00—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00
    • G04F13/02—Apparatus for measuring unknown time intervals by means not provided for in groups G04F5/00 - G04F10/00 using optical means
    • G04F13/026—Measuring duration of ultra-short light pulses, e.g. in the pico-second range; particular detecting devices therefor

Definitions

  • the invention relates to a measuring device for short and ultrashort light pulses with pulse durations in the femtosecond to picosecond range, with which qualitative and quantitative measurements of the pulse shape, phase, duration and spectrum as well as the chirp of short and ultrashort light pulses are carried out can.
  • Such measuring devices are used in particular in the investigation of the pulse properties of lasers and in the development and adjustment of laser systems with short or ultra-short light pulses.
  • the autocorrelation function of these pulses is usually examined.
  • individual properties of these laser pulses such as their shape, phase, spectrum or intensity, can be determined different procedures are available. These differ in particular with regard to the method in order to produce a defined delay between two partial pulses of the laser to be correlated, and with regard to the information about properties of the examined laser pulse that can be obtained by these methods.
  • Each of these methods is suitable for a specific type of laser radiation, a distinction being made in particular between methods for measuring the radiation pulse properties of highly repetitive pulses and the properties of individual light pulses or those generated with a low repetition rate.
  • the principle of measuring the light pulse properties by correlation is based in general on the fact that the light pulse to be measured is divided into two partial pulses. One of these partial pulses is then delayed by a defined time compared to the other partial pulse. Then these two partial impulses are superimposed. On the basis of the physical phenomena generated by the superimposition, ie the correlation signal, properties of the individual partial pulses can then be determined.
  • the correlation signal consists, for example, of the second or higher harmonic of the laser pulse to be examined or radiation with a mixture of the frequencies of the partial pulses to be correlated.
  • the running distance of the one partial pulse is extended by a few ⁇ m to cm.
  • the idea of the short-term measurements is therefore that a delay time p is generated by a delay path x becomes. Because of this equivalence between the delay time p and the delay path x, time-dependent properties of the light pulse, such as amplitude or phase, can then be displayed as a function of the delay path x to be generated very precisely.
  • the path of the one partial pulse is determined changes a movable element and thereby delays this partial pulse compared to the other partial pulse by a defined time.
  • the autocorrelation between these two partial pulses is determined point by point as a function of the delay path. Since this method for determining the autocorrelation for a specific delay path requires measurement with one light pulse each, the scanning autocorrelator is only suitable for measurement with laser pulses with a high repetition rate. The temporal course of the amplitude and the pulse duration of the laser pulse, but not its phase or the chirp of the laser pulse, can be determined from such measurements.
  • the two partial pulses are focused into a narrow strip by a cylindrical lens and then superimposed on one another at a certain angle.
  • the single pulse autocorrelator does not make it possible to determine the phase or the chirp of the laser pulse.
  • the radiation generated from the superimposition of the partial pulses is then analyzed in a spectrometer.
  • a two-dimensional representation of the correlation signal as a function of the delay time and the wavelength is obtained, so that the time-dependent pulse shape, the pulse phase, the pulse duration and the pulse spectrum are then obtained from this information using known methods can.
  • Such wavelength-resolving single-pulse correlators according to the prior art use a third-order nonlinear optical effect to generate the correlation signal. Therefore, only laser pulses with a high energy greater than 1 ⁇ J can be examined with this method. Since the intensity of laser pulses is inversely related to the repetition rate of the laser pulses, no laser pulses from highly repetitive laser systems can be examined with the usual wavelength-resolving individual pulse correlators.
  • the scanning autocorrelator can also be provided with dispersive imaging optics, as a result of which a wavelength-resolved autocorrelation can be measured.
  • a sampling autocorrelator requires high pulse repetition frequencies with the same permanent pulse properties in order to avoid long data acquisition times.
  • the wavelength-resolved scanning autocorrelator can therefore not be used as a pulse monitor for direct observation of the properties of laser pulses.
  • the aim of the present invention to enable and simplify the measurement of the spectral and / or temporal properties of short and ultrashort light pulses in the femtosecond and picosecond range with both high and low pulse repetition frequencies using as many correlation methods as possible.
  • Another object of the invention is to enable the simultaneous measurement of the spectral and temporal properties of such light pulses.
  • the aim of the present invention is to enable complete characterization of individual and / or low-intensity laser pulses. This object is achieved by the measuring device according to the preamble in conjunction with the characterizing features of claim 1.
  • the measuring device contains an arrangement of beam splitters and / or reflectors, which superimposes two partial pulses in an optical element which generates a cross-correlation signal of the two partial pulses, as well as for spatial or temporal and / or spectral resolution necessary detectors.
  • the two partial pulses are again superimposed in the optical element to generate a cross-correlation signal, and the resulting correlation signal is then analyzed in the detection unit.
  • pulses with different optical properties are superimposed.
  • either a pulse to be analyzed and a well-characterized pulse or also two partial pulses, which were generated from a pulse by beam splitters can be superimposed, both pulses being referred to as partial pulses in both cases.
  • partial pulses generated by beam splitters or the like are superimposed, the symmetry of these partial pulses must additionally be broken, for example, by dispersive elements in the beam path of one of the partial pulses. Since the optical element for generating the correlation signal in the second order is nonlinearly optical, radiation is generated when the two partial pulses are superimposed as a correlation signal, the frequency of which corresponds to the sum and / or difference of the two frequencies of the two partial pulses.
  • the device according to the invention makes it possible to measure the autocorrelation signal of a single partial pulse and thus to determine the spectrum of the laser beam Among other things, this results in great advantages when adjusting lasers, since every intermediate stage of laser pulse generation and amplification can now be analyzed. It is also possible to analyze the effect of these dispersive elements on the pulse shape and phase of the laser pulse by analyzing the laser pulse properties before and after passing through dispersive elements, for example samples to be examined.
  • the presented correlator can therefore be used for the analysis of laser radiation and thus also as a measuring device for analyzing samples.
  • the development and adjustment of lasers is considerably simplified by using a second-order nonlinear optical effect to generate the correlation function, even in the spectrally resolved single-pulse correlator.
  • the measuring device according to the invention is suitable for determining both the auto-correlation and the cross-correlation.
  • the measuring device according to the invention can be used both for the immediate display of the pulse properties as a pulse monitor or for the quantitative evaluation of the pulse properties as a pulse measuring system.
  • phase shift triggered by the optical components is usually regarded as undesirable in the prior art and is therefore reduced or compensated for as far as possible.
  • phase-dependent phase shift of the one partial pulse compared to the other can be deliberately generated in the measuring device according to the invention.
  • Such a wavelength-dependent, defined phase shift leads to an asymmetry between the two partial pulses. Because of this asymmetry, a non-linear optical effect of the second order can then be used to generate the correlation signal for all types of correlator, since the correlation function of the two asymmetrical ones
  • Partial pulses with spatial or temporal and spectral resolution can determine the entire information about the amplitude and phase profile of the laser pulse to be examined.
  • a dispersive element is not required if two pulses are irradiated into the device which have different optical properties than, for example, pulses generated in different oscillators. Such pulses are also to be recorded under the term partial pulses. If one of these pulses is well characterized, the properties of the cross-correlation signal can easily be determined completely with the other unknown pulse on the basis of the sum frequency generation and / or the difference frequency generation.
  • the dispersive phase shift of one partial pulse relative to the other partial pulse can advantageously be generated by a suitably chosen dielectric or metallic coating of an optical component, for example the beam splitter, or by a suitable, additional dispersive element in one of the beam paths become.
  • the radiation with the sum frequency and / or the difference frequency of the two partial pulses as a correlation signal can be generated both in the forward direction, for example in a crystal, and on a reflecting surface, for example a mirror, in the reverse direction.
  • a crystal of lithium betaborate (LBO) is particularly suitable as the crystal and a gallium arsenide surface is suitable as the surface for generating the correlation signal.
  • a reflective element can also be used to deflect the optical beam path.
  • 0.2 nJ of a pulse with a pulse duration of 100 fs is sufficient to analyze a laser pulse.
  • the correlation signal is emitted in the center of the directions of the two partial pulses in the forward or backward direction. Apart from scattered light from the two partial pulses in the direction of the correlation signal, a largely background-free measurement of the correlation can thus be carried out. There is no need to use an aperture or a wavelength filter in front of the detection unit. In addition, the maximum possible dynamic range of the measuring device is achieved in a simple manner.
  • a largely background-free measurement can also be carried out with collinear beam guidance if the exchange plate is equipped with a polarization-rotating element for one of the partial pulses and the detector for detecting the total or differential frequency radiation is provided with a polarization-analyzing element.
  • the beam path can be provided with an additional variable delay path.
  • a retroflector can advantageously be used as a movable deceleration element. If this retroflector is driven by a stepper motor via a micrometer screw, a very high relative resolution of 4 ⁇ IO 4 with delay times between 1 fs and ⁇ 40 ps can be achieved with a correspondingly strong reduction of the stepper motor. With such a movable delay element, pulses with a length between 10 fs and 80 ps can be examined.
  • a dispersive optical component can be used as the movable delay element, which is advantageously mounted in a rotatable self-adjusting holder.
  • this makes the exchange of the dispersive element very easy, and it does not become one after the exchange
  • Glass plates with which delay times between 300 fs and ⁇ 15 ps can be produced depending on the plate thickness, are particularly suitable as dispersive elements. By using glass plates of different thicknesses, the range of the delay times to be set can be changed quickly and easily.
  • Suitable detectors for the various methods for determining the correlation are both time-resolving detectors, such as secondary electron multipliers, photodiodes and the like, as well as spatially resolving detectors, such as, for example, arrangements of the charge-coupled type.
  • time-resolving detectors such as secondary electron multipliers, photodiodes and the like
  • spatially resolving detectors such as, for example, arrangements of the charge-coupled type.
  • the line focus which occurs in the single pulse correlator at the location of the nonlinear optical element, is advantageously imaged dispersively, so that no additional spectrometer gap is required for imaging.
  • the detectors on the measuring system according to the invention are exchanged in a simple manner, for example on standardized, easy-to-use and precisely positioning coupling devices.
  • the measuring device according to the invention can be provided with an exchangeable plate.
  • This interchangeable plate carries optical components which focus the two partial pulses, depending on the correlation principle to be used, on the optical element for generating the correlation signal.
  • the correlation method used can be changed quickly and with very little effort in order to subsequently examine the same laser pulse with another method.
  • an assembled plate can be removed and reinserted at will without the correct, adjusted position of the optical components mounted on it being destroyed. It has thus become possible to characterize laser pulses with any repetition rate and also very low energy in succession with all available correlation methods without great adjustment effort, without using different devices and / or having to re-adjust each time.
  • a further advantage of the measuring device according to the invention is that instead of an exchangeable plate fitted, an empty plate can be used or the exchangeable plate can be omitted.
  • the two partial pulses are then not focused on the crystal, but can be led out of the measuring device and used for excitation / interrogation pulse experiments.
  • the zero time for the two partial pulses remains, as was previously the case through a correlation experiment. ment was obtained. This saves lengthy adjustments, which can take hours or days when using conventional measuring systems.
  • the interchangeable plate in the measuring device according to the invention is advantageously adjusted using adjusting elements attached to the plate, which interact with a corresponding number of sensors of the measuring device.
  • These transducers can be designed to be self-adjusting, for example as conical depressions. A particularly high positioning accuracy can thereby be achieved by appropriate shaping of the adjusting elements attached to the plate.
  • the adjusting elements can furthermore be designed in such a way that they carry the exchangeable plate and additional support elements are therefore unnecessary.
  • exchange plates which either have one-dimensionally focusing optics, such as a mirror and a cylindrical lens, for producing a single-pulse correlator or a wavelength-resolved single-pulse correlator or a two-dimensionally focusing Optics, for example a spherically corrected achromatic and a mirror, for producing a scanning correlator or a spectrally resolved scanning correlator.
  • one-dimensionally focusing optics such as a mirror and a cylindrical lens
  • a single-pulse correlator or a wavelength-resolved single-pulse correlator or a two-dimensionally focusing Optics for example a spherically corrected achromatic and a mirror, for producing a scanning correlator or a spectrally resolved scanning correlator.
  • the dispersive optical elements can be replaced by reflective optical elements, for example mirrors.
  • An additional short-pass filter between the nonlinear optical element and the detector prevents stray light from the fundamental wave of the two partial pulses from reaching the detector.
  • the optical components can be dielectric coated specifically for the properties of the light pulse used. By matching the coating to the wavelength of the light pulse used, undesired reflections and / or dispersive effects, such as phase dispersion, can be reduced or avoided.
  • the reflective optical elements can also be metallically coated instead of dielectric.
  • the reflectivity of the metallic coating and the phase change of the light upon reflection from metallic coatings are only weakly frequency-dependent. There are therefore only small dispersive phase changes in the light field in the case of the metallic coating, which would lead to a change in the light pulse properties in the case of ultrashort light pulses.
  • a particular advantage of the metallic coating is consequently that when the laser pulse wavelength used is changed, no change of the mirror is necessary and ultrashort pulses (up to 10 fs) with a large spectral bank width (up to greater than 200 nm) can be measured.
  • the reflective optical elements can be coated with gold particularly advantageously.
  • a gold coating has a very high reflectivity for these wavelengths.
  • a gold coating has a considerably higher reflectivity in the near infrared range and in the infrared range.
  • a gold coating is chemically stable, so that no additional protective layer is required.
  • the gold coating can be applied using a plasma-assisted process.
  • a gold coating has improved adhesion and, in contrast to conventional gold coatings, for example by evaporation, can be cleaned with a conventional lens cloth without the risk of destruction.
  • the destruction limit of the plasma-supported gold coating applied by intensive laser radiation is also higher than the destruction limit of conventionally applied gold coatings.
  • the beam splitter can also be metallically coated to avoid undesired phase changes of the continuous partial pulse instead of being coated with a dielectric. This results in a lower dispersive phase modulation of the continuous, non-reflected partial pulse and a large spectral bandwidth within which the beam splitter can be used.
  • the measuring device according to the invention can also be provided with an additional pulse compressor, for example a prism compressor, the dispersion of which can be adjusted. Such a compensation of the dispersion is particularly advantageous for ultrashort light pulses with a pulse duration of less than 20 fs.
  • the recording of the data and the control of the measuring device according to the invention and the detectors can be carried out via microcontrollers. Furthermore, the data can be recorded, offset and displayed at the same time. Another possibility is that the laser power is determined and recorded parallel to the measurement of the correlation.
  • the user thus has the complete representation of both Fourier components, frequency and time, as a two-dimensional pattern and no longer needs, as in the prior art, to combine the temporal and spectral course.
  • the individual light pulse to be analyzed enters the scanning correlator through an aperture 10 below the mirror 1.
  • the light pulse is split by a beam splitter 4 into two partial pulses, which are directed by mirrors 2 and 3 to two retroflectors 7 and 8, which shift the beam in height.
  • the beam splitter is coated dielectric and / or metallic in order to generate a defined, frequency-dependent phase shift between the two partial pulses.
  • the two partial impulses pass through a glass plate 5, which is driven by a speed-controlled motor 6 with a step constancy of 10 3 and rotation frequencies is rotated between 0.1 Hz and 25 Hz.
  • the glass plate 5 generates a path difference .DELTA.L between the two partial pulses, which results from the following formula (FIG. 2):
  • ⁇ L —2— [ n -cos ( ⁇ i- ⁇ i)] -— Lr [n-cos ( ⁇ 2 - ⁇ £)] cos ⁇ i cos ⁇ j
  • the thickness and n the refractive index of the glass plate 5, ⁇ - and ⁇ 2 the angle of incidence of the two partial pulses on the glass plate 5 and ⁇ , 'and ⁇ 2 ' the angle between the rays broken into the glass plate len and the surface normal of the glass plate.
  • the reflected partial pulses then pass through the glass plate 5 again and are sent again by the mirrors 2 and 3 through the beam splitter 4.
  • One of the partial pulses is deflected by mirror 1 in such a way that it runs offset but parallel to the other partial pulse in the direction of an exchangeable plate 13.
  • One partial pulse passes through an aperture 11 and then parallel to the other partial pulse through a spherical lens 14 mounted on the interchangeable plate 13.
  • Both pulses are deflected approximately at right angles by a mirror 15 which is also mounted on the interchangeable plate 13 and meet in their focus, which is due to the lens 14 in a crystal 9.
  • An LBO crystal is used as crystal 9.
  • the electromagnetic wave generated in the LBO crystal 9 with the sum frequency of the individual frequencies of the two partial pulses is centered on the direction of the two by the LBO crystal Partial impulses emitted and hit a mirror
  • the mirror 16 directs the radiation at the sum frequency through an aperture 20 to a detector
  • the detector 17 is, for example, a secondary electron multiplier.
  • the exchangeable plate 13 can be removed from the measuring device 12 or inserted into it in the simplest way. It is held in position with a precision of 10 ⁇ m by means of precision pins, so that a plate can be replaced without having to make any new adjustments.
  • a spherical lens 14 and a mirror 15 are mounted on the exchangeable plate 13.
  • the retro reflector 8 is displaceable. It can be used to generate delay times between 1 fs and greater than +/- 40 ps. Delay times between ⁇ 300 fs and ⁇ 15 ps can be generated with the glass pane.
  • the detector 17 records the intensity of the pulse with the sum frequency as a function of the delay time or the delay path.
  • 5 light pulses with a high pulse repetition frequency and, at a rotational frequency of up to 0.1 Hz, also light pulses with a low pulse repetition rate can be characterized.
  • light pulses with low and high pulse repetition frequencies can also be measured using the delay lines generated by the retro-reflector 8.
  • the pulse duration of the light pulse to be analyzed can be determined from the correlation signal recorded by the detector 17.
  • the 3 shows a sampling correlator as shown in FIG. 1.
  • the radiation generated by the crystal 9 with the sum frequency of the individual frequencies of the partial pulses is imaged onto the detector 17 by a lens 18 and a dispersive element 19.
  • the wavelength-resolved signals thus obtained are recorded by a one-dimensional detection unit 17.
  • the dispersive imaging element 19 can be, for example, a grating and a spherically curved mirror.
  • the line detection unit 17 is, for example, of the charge-coupled type.
  • This arrangement realizes a wavelength-resolving scanning correlator which, in addition to measuring the pulse shape, also enables the chirp to be determined. Because of its otherwise identical arrangement to FIG. 1, it is also possible in this case to analyze light pulses with both high and low pulse repetition frequencies. Since the generation of the radiation with a sum frequency is also used here to determine the correlation, low light pulse energies are also sufficient for this measuring method, as in the case of the scanning correlator from FIG.
  • FIG. 4 shows an arrangement in which, compared to the scanning correlator from FIG. 1, the exchangeable plate 13 has been removed or has been replaced by an empty plate. As a result, the two partial light pulses can now be used, for example, outside the measuring device according to the invention for pump probe experiments.
  • the achievable delays of one partial pulse against the other partial pulse are also in the range of ⁇ 40 ps for the generation of the delay by shifting the retro-reflector 8 and in the range of ⁇ 300 fs to ⁇ 15 ps for the generation of the delay through the glass plate 5.
  • the exchange plate 13 is now equipped with a mirror 15 and a cylindrical lens 14.
  • the cylindrical lens 14 focuses the two partial pulses on one another at a predetermined angle in the crystal 9 in line form.
  • the exchange plate 13 can also be equipped with 2 deflecting mirrors and a cylindrical lens in order to vary the angle between the partial beams. Radiation with the total frequency of the individual partial pulses is only generated in the crystal 9 where in the crystal 9 the partial pulses overlap both temporally and spatially.
  • This Overlay line is formed by a mirror 16 and a lens 18 in a one-dimensional detector arrangement, for example of the charge-coupled type.
  • the pulse duration and, approximately, the pulse shape of the light pulse to be examined can also be determined from this representation of the correlation signal.
  • the delay time in the individual pulse correlation can be varied further according to FIG. 5.
  • the displaceable retroflector 8 can be used to produce an additional defined delay between the partial pulses, which results in a shift in the image of the overlap line obtained with the detector, i.e. of the correlation signal, along the pixel of the one-dimensional position-resolving detector.
  • a single pulse correlator which measures time and wavelength resolved.
  • the mirror 16, the lens 18 and the detection unit 17 of FIG. 5 are made up of an achromatic lens 18, the dispersive element 19 from a grating and a spherical mirror and a two-dimensional detection arrangement 17, for example of the charge-coupled type, are replaced.
  • the phase shift between the two partial pulses is not caused by a dielectric Coating the beam splitter, but by an additional dispersive element 21, for example a glass plate, which is located in the beam path of one of the two partial pulses.
  • the one-dimensional image of the superposition of the two partial pulses is now diffracted perpendicularly to this axis by the dispersive imaging element 19.
  • Line focus in the crystal corresponds to an illuminated slit in a spectrometer. Therefore, an additional input slit of the spectrally resolving element 19 can be dispensed with and the line focus can be imaged directly dispersively on the detector 17.
  • the two-dimensional detector 17 thus provides a time-dependent and wavelength-dependent representation of the intensity of this sum frequency radiation along two orthogonal coordinate axes. In this way, the temporal and wavelength-dependent correlation function for a single light pulse can be measured at the same time.
  • FIG. 7 shows a further single pulse correlator which measures time and wavelengths in a resolved manner.
  • the arrangement of this single pulse correlator largely corresponds to the arrangement shown in FIG. 6 and described there.
  • two laser pulses with two different wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 are radiated into the device according to the invention.
  • Both beams pass through the aperture 10.
  • the beam with the frequency ⁇ l is directed by the mirror 2 and the retroflector 7 onto the mirror 1 and is radiated from there in the direction of the exchangeable plate 15.
  • the beam with the frequency ⁇ 2 is radiated back through the semi-transparent mirror 4, the mirror 3 and the retroflector 8 via the mirror 3 and the semi-transparent mirror 4 in the direction of the exchangeable plate 15. It can be seen that in this case the mirrors 1 and 4 are arranged differently in accordance with the geometry caused by the two laser pulses than in the previous examples.
  • the beam ⁇ 2 passes through an aperture 11 and, together with the beam ⁇ l, is focused onto a crystal 9 by a dispersive element 14. The focusing takes place in the same way as described in FIG.
  • this cross-correlation signal is particularly simple if one of the two pulses, for example the laser pulse ⁇ l, is well characterized with regard to its optical properties.
  • the optical properties of the second laser pulse superimposed with it can be determined simply and quickly. This makes it possible, for example, to overlay an amplified laser pulse with a non-amplified pulse from a laser oscillator, which can usually be characterized very well, and thereby to obtain a rapid and precise characterization of the amplified laser pulse.
  • the device described here and the method described here for superimposing two separately irradiated laser pulses can not only be used for the spectrally resolving single pulse described here. correlator but can also be used in the same way for all other correlators described so far.
  • the term partial pulse used up to now therefore refers not only to two partial pulses which were obtained from a laser pulse via beam splitters, but also to two separately irradiated laser pulses, as denoted by ⁇ 1 and ⁇ 2 in FIG. 7.
  • the measuring systems according to the invention given in the exemplary embodiments make it possible to measure the correlation largely free of background due to their non-collinear beam guidance. In this way, the correlation can be measured with very high dynamics (16 bits or more depending on the detector used).

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Abstract

Die Erfindung stellt eine Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtimpulse mit Impulsdauern im Femtosekunden- und Picosekundenbereich zur Verfügung, mit der eine vollständige Charakterisierung bezüglich der Impulsform, -phase, -dauer und -spektrum sowie des Chirps von kurzen und ultrakurzen Lichtimpulsen sowohl für Laser mit hoher Impulsfolgefrequenz als auch für Laser mit geringer Impulsfolgefrequenz und hoher oder geringer Intensität durchgeführt werden können. Der zu untersuchende Laserimpuls wird in zwei Teilimpulse aufgespalten und einer der beiden Teilstrahlen erfährt eine zusätzliche Dispersion bzw. es wird zu dem zu untersuchenden Laserimpuls ein zweiter gut charakterisierter Laserimpuls eingestrahlt. Beide Teilstrahlen werden anschließend in einem in zweiter Ordnung nichtlinear optischen Element, beispielsweise in einem Kristall oder an einer Oberfläche, einander überlagert. Die entstehende Summenfrequenzstrahlung wird als Korrelationssignal zeitlich, räumlich und/oder spektral analysiert.

Description

Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtiirtpulse
Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtimpulse mit Impulsdau¬ ern im Femtosekunden- bis Picosekundenbereich, mit der qualitative und quantitative Messungen der Impulsform, -phase, -dauer und -spektrum sowie des Chirps kurzer und ultrakurzer Lichtimpulse durchge- führt werden können. Derartige Meßvorrichtungen wer¬ den insbesondere bei der Untersuchung der Impulsei¬ genschaften von Lasern sowie bei der Entwicklung und Justierung von LaserSystemen mit kurzen bzw. ultra¬ kurzen Lichtimpulsen verwendet.
Zur Messung der Impulseigenschaften von derartig kur¬ zen Laserimpulsen wird uberlicherweise die Autokorre¬ lationsfunktion dieser Impulse untersucht. Zur Be¬ stimmung einzelner Eigenschaften dieser Laserimpulse, wie beispielsweise deren Form, Phase, Spektrum oder auch Intensität stehen nach dem Stand der Technik verschiedene Verfahren zur Verfügung. Diese unter¬ scheiden sich insbesondere bezüglich des Verfahrens, um zwischen zwei zu korrelierenden Teilimpulsen des Lasers eine definierte Verzögerung herzustellen, so- wie bezüglich der durch diese Verfahren erhältlichen Informationen über Eigenschaften des untersuchten Laserimpulses. Jedes dieser Verfahren eignet sich für einen bestimmten Typus von Laserstrahlung, wobei ins¬ besondere zu unterscheiden ist zwischen Verfahren zur Messung der Strahlungsimpulseigenschaften hochrepe- tierlicher Impulse sowie der Eigenschaften von ein¬ zelnen bzw. mit geringer Wiederholrate erzeugten Lichtimpulsen.
Das Prinzip der Messung der Lichtimpulseigenschaften durch Korrelation beruht ganz allgemein darauf, daß der zu messende Lichtimpuls in zwei Teilimpulse auf¬ geteilt wird. Einer dieser Teilimpulse wird an¬ schließend um eine definierte Zeit gegenüber dem an- deren Teilimpuls verzögert. Anschließend werden diese beiden Teilimpulse überlagert. Aufgrund der durch die Überlagerung erzeugten physikalischen Phänomene, d.h. des Korrelationssignals, können anschließend Eigen¬ schaften der einzelnen Teilimpulse bestimmt werden. Das Korrelationssignal besteht beispielsweise aus der zweiten oder höheren Harmonischen des zu untersuchen¬ den Laserimpulses oder einer Strahlung mit einer Mi¬ schung der Frequenzen der zu korrelierenden Teilim¬ pulse. Um die für die Charakterisierung von kurzen bzw. ultrakurzen Laserimpulsen nötigen kurzen Verzö¬ gerungszeiten im Femto- bis Picosekundenbereich zu erzeugen, wird die Laufstrecke des einen Teilimpulses um einige μm bis cm verlängert. Die Idee der Kurz¬ zeitmessungen besteht also darin, daß eine Verzöge- rungszeit p durch eine Verzögerungsstrecke x erzeugt wird. Aufgrund dieser Äquivalenz zwischen Verzöge¬ rungszeit p und Verzögerungsstrecke x können an¬ schließend zeitabhängige Eigenschaften des Lichtimpulses wie Amplitude oder Phase in Abhängig- keit von der sehr genau zu erzeugenden Verzögerungs¬ strecke x dargestellt werden.
Bei einem Abtast-Autokorrelator, wie er aus der Lite¬ ratur bekannt ist (A. Watanabe und H. Saito, Rev. Sei. Instrum. Bd. 58, s. 1852 (1987)) wird die Lauf¬ strecke des einen Teilimpulses durch ein bewegliches Element verändert und dadurch dieser Teilimpuls ge¬ genüber dem anderen Teilimpuls um eine definierte Zeit verzögert. So wird punktweise die Autokorrela- tion zwischen diesen beiden Teilimpulsen in Abhängig¬ keit von der Verzögerungsstrecke bestimmt. Da dieses Verfahren zur Bestimmung der Autokorrelation für eine bestimmte Verzögerungsstrecke die Messung mit jeweils einem Lichtimpuls benötigt, eignet sich der Abtast- Autokorrelator nur zur Messung mit Laserimpulsen mit hoher Wiederholrate. Aus derartigen Messungen lassen sich der zeitliche Verlauf der Amplitude und die Im¬ pulsdauer des Laserimpulses, nicht jedoch seine Phase oder der Chirp des Laserimpulses bestimmen.
Bei dem Einzelimpulsautokorrelator werden die beiden Teilimpulse durch eine Zylinderlinse zu einem schma¬ len Streifen fokussiert und anschließend unter einem bestimmten Winkel miteinander überlagert. Hierdurch ergibt sich, daß die Autokorrelationsfunktion entlang des Streifens mit der Verzögerungszeit τ variiert. Man erhält folglich bereits aus einem Impuls eine eindimensionale Darstellung der Überlagerung der bei¬ den Teilimpulse, aus der sich die Form des Laserim- pulses näherungsweise rekonstruieren läßt. Damit wird die Analyse von Laserimpulsen mit niedriger Wieder¬ holrate bzw. die Analyse von einzelnen Laserimpulsen möglich. Der Einzelimpulsautokorrelator ermöglicht es jedoch nicht, die Phase bzw. den Chirp des Laserim- pulses zu bestimmen.
Bei dem wellenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrela- tor wird die aus der Überlagerung der Teilimpulse, beispielsweise in einem Material mit nichtlinear op- tischer Polarisation, erzeugte Strahlung anschließend in einem Spektrometer analysiert. Bei diesem Verfah¬ ren wird eine zweidimensionale Darstellung des Korre¬ lationssignals in Abhängigkeit von der Verzögerungs¬ zeit und der Wellenlänge gewonnen, so daß aus diesen Informationen anschließend nach bekannten Verfahren sowohl die zeitabhängige Impulsform, die Impulsphase, die Impulsdauer als auch das Impulsspektrum gewonnen werden kann. Derartige wellenlängenauflösend messende Einzelimpulskorrelatoren verwenden nach dem Stand der Technik einen nichtlinearen optischen Effekt dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals. Daher können mit diesem Verfahren lediglich Laserimpulse mit einer hohen Energie größer als 1 μJ untersucht werden. Da die Intensität von Laserimpulsen in umge- kehrtem Verhältnis zu der Wiederholrate der Laserim¬ pulse steht, können mit den üblichen wellenlängenauf¬ lösenden Einzelimpulskorrelatoren keine Laserimpulse aus hochrepetierenden Lasersystemen untersucht wer¬ den.
Auch der Abtast-Autokorrelator kann mit einer disper¬ siven Abbildungsoptik versehen werden, wodurch eine wellenlängenaufgelöste Autokorrelation gemessen wer¬ den kann. Ein derartiger Abtast-Autokorrelator erfor- dert jedoch hohe Impulsfolgefrequenzen mit gleich- bleibenden Impulseigenschaften, um lange Datenerfas¬ sungszeiten zu vermeiden. Der wellenlängenaufgelöste Abtast-Autokorrelator kann daher nicht als Impulsmo¬ nitor zur unmittelbaren Beobachtung der Eigenschaften von Laserimpulsen verwendet werden.
Um sowohl niederfrequente als auch hochfrequente La¬ serimpulse vollständig zu charakterisieren, benötigt jedes mit der Entwicklung von nieder- bzw. hochrepe- tierlichen Laserstrahlern beschäftigte Labor mehrere der geschilderten Korrelatortypen. Nach dem Stand der Technik ist es jedoch aufgrund der bisher unumgäng¬ lichen Verwendung von nichtlinearen Effekten dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals bisher nicht möglich, Laserimpulse geringer Energie und mit niedriger Pulsfolgefrequenz bezüglich sämtlicher Im¬ pulsparameter mit einem Einzelimpulskorrelator zu charakterisieren.
Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung, die Messung der spektralen und/oder zeitlichen Eigen¬ schaften von kurzen und ultrakurzen Lichtimpulsen im Femtosekunden- und Picosekundenbereich sowohl mit hoher als auch mit niedriger Impulswiederholfrequenz mit möglichst vielen Korrelationsverfahren zu ermög¬ lichen und zu vereinfachen. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es dabei, außerdem die zeitgleiche Mes¬ sung der spektralen und zeitlichen Eigenschaften der¬ artiger Lichtimpulse zu ermöglichen. Insbesondere ist es Ziel der vorliegenden Erfindung die vollständige Charakterisierung auch einzelner und/oder inten¬ sitätsschwacher Laserimpulse zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch die Meßvorrichtung nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung enthält eine An¬ ordnung von Strahlteilern und/oder Reflektoren, die zwei Teilimpulse in einem optischen Element überla¬ gert, das ein Kreuzkorrelationssignal der beiden Tei¬ limpulse erzeugt, sowie die für räumliche bzw. zeit- liehe und/oder spektrale Auflösung notwendigen Detek¬ toren. Die beiden Teilimpulse werden in dem optischen Element zur Erzeugung eines Kreuzkorrelationssignals wieder überlagert und das entstehende Korrelationssi¬ gnal wird anschließend in der Detektionseinheit ana- lysiert. Für eine Kreuzkorrelation werden dabei Im¬ pulse mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften überlagert. Dazu können entweder ein zu analysieren¬ der Impuls und ein gut charakterisierter Impuls oder auch zwei Teilimpulse, die durch Strahlteiler aus einem Impuls erzeugt wurden, überlagert werden, wobei in beiden Fällen diese Impulse als Teilimpulse be¬ zeichnet werden sollen. Im Falle, daß durch Strahl¬ teiler oder dergleichen erzeugte Teilimpulse überla¬ gert werden, muß die Symmetrie dieser Teilimpulse zusätzlich beispielsweise durch dispersive Elemente im Strahlengang eines der Teilimpulse gebrochen wer¬ den. Da das optische Element zur Erzeugung des Korre¬ lationssignals in zweiter Ordnung nichtlinear optisch ist, wird bei der Überlagerung der beiden Teilimpulse als Korrelationssignal Strahlung erzeugt, deren Fre¬ quenz der Summe und/oder Differenz der beiden Fre¬ quenzen der beiden Teilimpulse entspricht.
Die Verwendung eines nichtlinearen optischen Effektes 2. Ordnung war bisher aufgrund der Symmetrieeigen- Schäften der korrelierten Teilimpulse auf die Bestim¬ mung der Impulsdauer beschränkt. Die Untersuchung der Asymmetrie von ansteigender und abfallender Pulsam¬ plitude und die Unterscheidung zwischen Satelliten- impulsen vor und nach dem Hauptimpuls war deshalb bisher nicht möglich. Entsprechendes gilt für die Asymmetrie der zeitabhängigen Impulsphase. Um diese wichtigen Informationen zu erhalten, mußte bisher ein nichtlinearer Effekt dritter Ordnung zur Erzeugung des Korrelationssignals eingesetzt werden mußte. Mit dem wellenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrelator konnten daher bisher lediglich nachverstärkte, d,h, hochenergetische Laserimpulse mit niedriger Wieder¬ holrate untersucht werden.
Bei Verwendung eines nichtlinearen optischen Effektes 2. Ordnung genügen jedoch erheblich (bis zu einem Faktor IO4) geringere Impulsintensitäten bzw. Impuls¬ energien, um das Korrelationsignal, d.h. die zu de- tektierende SummenfrequenzStrahlung und/oder Diffe¬ renzfrequenzstrahlung zu erzeugen. In Verbindung mit der Überlagerung zweier Impulse mit unterschiedlichen Eigenschaften zum Beispiel durch Erzeugung einer A- symmetrie zwischen den beiden Teilimpulsen, durch ein dispersives Element ist es damit erstmals möglich, auch nicht verstärkte energiearme Laserimpulse mit niedriger oder auch hoher Wiederholrate vollständig zu analysieren.
Weiterhin ermöglicht es die erfindungsgemäße Vorrich¬ tung, das Autokorrelationssignals eines einzelnen Teilimpulses zu messen und damit das Spektrum des Laserstrahls zu bestimmen Dadurch ergeben sich unter anderem große Vorteile bei der Justierung von Lasern, da nun jede Zwischenstufe der Laserimpulserzeugung und -Verstärkung analysierbar ist. Ebenso ist es möglich, durch die Analyse der Laserimpulseigenschaften vor und nach Durchtritt durch dispersive Elemente, dies können beispielsweise auch zu untersuchende Proben sein, die Wirkung dieser dispersiven Elemente auf Impulsform und -phase des Laserimpulses zu untersuchen. Deshalb ist der vorgestellte Korrelator zur Analyse von La¬ serstrahlung und damit auch als Meßgerät zur Analyse von Proben verwendbar. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Entwicklung und Justierung von Lasern durch die Verwendung eines nichtlinear opti- sehen Effektes zweiter Ordnung zur Erzeugung der Kor¬ relationsfunktion auch im spektral aufgelösten Ein- zelimpulskorrelator erheblich vereinfacht wird.
Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung eignet sich zur Bestimmung sowohl der Autokorrelation als auch der Kreuzkorrelation. Dabei kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung sowohl zur unmittelbaren Darstellung der Impulseigenschaften als Impulsmonitor oder auch zur quantitativen Auswertung der Impulseigenschaften als Impulsmeßsystem verwendet werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfin¬ dungsgemäßen Meßvorrichtung sind in den Unteransprü¬ chen gegeben.
Die durch die optischen Bauelemente ausgelöste Pha¬ senverschiebung wird nach dem Stand der Technik kmeist als unerwünscht betrachtet und daher möglichst verringert bzw. kompensiert. Eine definierte fre- quenzabhängige Phasenverschiebung des einen gegenüber dem anderen Teilimpuls kann jedoch in der erfindungs¬ gemäßen MeßVorrichtung bewußt erzeugt werden. Eine derartige, wellenlängenabhängige, definierete Phasen- Verschiebung führt zu einer Asymmetrie zwischen den beiden Teilimpulsen. Aufgrund dieser Asymmetrie kann dann zur Erzeugung des Korrelationssignals bei sämt¬ lichen Korrelatortypen ein nichtlinearer optischer Effekt zweiter Ordnung ausgenutzt werden, da sich aus der Korrelationsfunktion der beiden asymmetrischen
Teilimpulse bei räumlicher bzw. zeitlicher und spek¬ traler Auflösung die gesamte Information über den Amplituden- und Phasenverlauf des zu untersuchenden Laserimpulses bestimmen läßt.
Ein dispersives Element wird nicht benötigt, wenn in die Vorrichtung zwei Impulse eingestrahlt werden, die unterschiedliche optische Eigenschaften besitzen, als beispielsweise in verschiedenen Oszillatoren erzeugte Impulse. Auch derartige Impulse sollen unter dem Be¬ griff Teilimpulse erfaßt werden. Ist einer dieser Impulse gut charakterisiert, so lassen sich aus dem Kreuzkorrelationssignal auf der Basis der Summenfre- quenzerzeugung und/oder der Differenzfrequenzerzeu- gung mit dem anderen unbekannten Impuls leicht dessen Eigenschaften vollständig bestimmen.
Die dispersive Phasenverschiebung des einen Teilim¬ pulses gegenüber dem anderen Teilimpuls kann vorteil- hafterweise durch eine geeignet gewählte dielektri¬ sche bzw. metallische Beschichtung eines optischen Bauelementes, beispielsweise des Strahlteilers, oder durch ein geeignetes, zusätzliches dispersives Ele¬ ment in einem der Strahlengänge erzeugt werden. Die Erzeugung der Strahlung mit der Summenfrequenz und/oder der Differenzfrequenz der beiden Teilimpulse als Korrelationssignal kann sowohl in Vorwärtsrich¬ tung, beispielsweise in einem Kristall erfolgen, als auch an einer reflektierenden Oberfläche, beispiels¬ weise einem Spiegel, in Rückwärtsrichtung erfolgen. Als Kristall eignet sich insbesondere ein Kristall aus Lithium-Betaborat (LBO) und als Oberfläche eine Gallium-Arsenid-Oberfläche zur Erzeugung des Korre- lationssignals. Ein reflektierendes Element läßt sich zusätzlich zur Umlenkung des optischen Strahlengangs nutzen.
Bei Verwendung eines Kristalls, beispielsweise eines LBO-Kristalls, genügen 0,2 nJ eines Impulses mit 100 fs Impulsdauer, um einen Laserimpuls zu analysieren.
Werden die beiden Teilstrahlen nicht kollinear auf das optische Element zu Erzeugung des Korrelations- Signals geleitet, so erfolgt die Abgabe des Korrela¬ tionssignals mittig zu den Richtungen der beiden Teilimpulse in Vorwärts- oder in Rückwärtsrichtung. Abgesehen von Streulicht der beiden Teilimpulse in Richtung des Korrelationssignals kann damit eine weitgehend untergrundfreie Messung der Korrelation durchgeführt werden. Es erübrigt sich die Verwendung einer Blende oder eines Wellenlängenfilters vor der Detektionseinheit. Außerdem wird so auf einfache Art die maximal mögliche Dynamik der Meßvorrichtung er- reicht.
Eine weitgehend untergrundfreie Messung kann auch bei kollinearer Strahlführung durchgeführt werden, wenn die Austauschplatte mit einem polarisationsdrehenden Element für einen der Teilimpulse ausgestattet ist und der Detektor zur Erfassung der Summen- bzw. Dif¬ ferenzfrequenzstrahlung mit einem polarisationsanaly¬ sierenden Element versehen ist.
Für die Verwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrich¬ tung als Abtastkorrelator kann der Strahlengang mit einer zusätzlichen variablen Verzögerungsstrecke ver¬ sehen werden. Vorteilhafterweise kann ein Retroflek¬ tors als bewegliches Verzögerungseiement verwendet werden. Wenn dieser Retroflektor über eine Mikrome¬ terschraube von einem Schrittschaltmotor angetrieben wird, so kann bei entsprechend starker Untersetzung des Schrittschaltmotors eine sehr hohe relative Auf¬ lösung von 4 x IO4 bei Verzögerungszeiten zwischen 1 fs bis zu ± 40 ps erreicht werden. Mit einem derarti¬ gen beweglichen Verzögerungselement können Pulse mit einer Länge zwischen 10 fs und 80 ps untersucht wer¬ den.
Weiterhin kann als bewegliches Verzögerungselement ein dispersives optisches Bauelement verwendet wer¬ den, das vorteilhafterweise in einem drehbaren selbstjustierenden Halter gelagert wird. Zum einen wird dadurch der Austausch des dispersiven Elements sehr einfach und es wird nach dem Austausch keine
Neujustage des Meßsystems notwendig. Zum anderen ist es im Gegensatz zu einem über einen Schrittschaltmo¬ tor angetriebenen Retroflektor mit dispersiven Bau¬ elementen möglich, kontinuierliche Änderungen der Verzögerungsstrecke zu erreichen. Ein derartiges dis¬ persives Element eignet sich daher insbesondere, um Laserimpulse mit hoher Pulsfolgefrequenz mit dem Ver¬ fahren des Abtast-Korrelators zu untersuchen. Der selbstjustierende Halter verhindert außerdem, daß der Impuls in unerwünschter Weise versetzt wird, oder daß Unwuchten bzw. dadurch ausgelöst Vibrationen des Me߬ systems auftreten.
Als dispersive Elemente eignen sich insbesondere Glasplatten, mit denen sich abhängig von der Platten¬ dicke Verzögerungszeiten zwischen 300 fs und ± 15 ps herstellen lassen. Durch Verwendung unterschiedlich dicker Glasplatten kann der Bereich der einzu¬ stellenden Verzögerungszeiten rasch und einfach ver- ändert werden.
Als Detektoren eignen sich für die verschiedenen Ver¬ fahren zur Bestimmung der Korrelation sowohl zeitlich auflösende Detektoren wie Sekundärelektronenverviel- fächer, Photodioden und dergleichen als auch räumlich auflösende Detektoren, wie beispielsweise Anordnungen der ladungsgekoppelten Art. Um auch eine spektrale Auflösung zu erreichen, kann zwischen die erfindungs¬ gemäße Meßvorrichtung und dem eigentlich detektieren- den Element beispielsweise eine abbildende Optik und/oder ein dispersives Element, beispielsweise ein Gitter, eingesetzt werden. Vorteilhafter Weise wird der Linienfokus, der bei dem Einzelimpulskorrelator am Ort des nichtlinearen optischen Elementes auftritt, dispersiv abgebildet, so daß kein zusätzli¬ cher Spektrometerspalt zur Abbildung benötigt wird. Der Austausch der Detektoren an dem erfindungsgemäßen Meßsystem erfolgt dabei auf einfache Art und Weise, beispielsweise an standardisierten, leicht zu bedie- nenden und präzise positionierenden Kopplungsvorrichtungen.
Um mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung rasch und mit geringem Justageaufwand sowohl einen Abtast-Kor- relator als auch einen Einzelimpulskorrelator zu rea- lisieren kann die erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit einer austauschbaren Platte versehen sein. Diese aus¬ tauschbare Platte trägt optischen Bauelemente, die die beiden Teilimpulse je nach anzuwendendem Korrela- tionsprinzip auf das optische Element zur Erzeugung des Korrelationssignals fokussieren.
Dadurch, daß die Platte austauschbar ist, kann das verwendete Korrelationsverfahren rasch und mit sehr geringem Aufwand gewechselt werden, um denselben La¬ serimpuls anschließend mit einem anderen Verfahren zu untersuchen. Insbesondere kann durch eine geringe To¬ leranz der Positionierung der austauschbaren Platten in der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung eine bestück- te Platte beliebig entfernt und wieder eingesetzt werden, ohne daß die korrekte, justierte Position der auf ihr montierten optischen Bauelemente dabei zer¬ stört würde. Es ist dadurch möglich geworden, ohne großen Justieraufwand Laserimpulse mit beliebiger Wiederholrate und auch sehr geringer Energie nach- einnder mit allen zur Verfügung stehenden Korrela¬ tionsverfahren zu charakterisieren, ohne dafür ver¬ schiedene Geräte einsetzen und/oder jeweils neu ju¬ stieren zu müssen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßvor¬ richtung besteht darin, daß statt einer bestückten austauschbaren Platte eine unbestückte Platte einge¬ setzt oder die austauschbare Platte weggelassen wer- den kann. Die beiden Teilimpulse werden dann nicht auf den Kristall fokussiert, sondern können aus der Meßvorrichtung herausgeführt und für Anrege-/Abfra- geimpuls-Experimente verwendet werden. Dabei bleibt insbesondere der Nullzeitpunkt für die beiden Teilim- pulse, so wie er zuvor durch ein Korrelationsexperi- ment bestimmt wurde, erhalten. Dies erspart langwie¬ rige Justagen, die bei Verwendung herkömmlicher Me߬ systeme Stunden bis Tage dauern können.
Die Justierung der austauschbaren Platte in der er¬ findungsgemäßen Meßvorrichtung erfolgt vorteilhafter¬ weise mit an der Platte angebrachten Justierelemen¬ ten, die mit einer entsprechenden Anzahl Aufnehmer der Meßvorrichtung zusammenwirken. Diese Aufnehmer können selbstjustierend, beispielsweise als konische Vertiefungen, ausgebildet sein. Durch entsprechende Formgebung der an der Platte angebrachten Justierele¬ mente kann dadurch eine besonders hohe Positionier¬ genauigkeit erreicht werden. Die Justierelemente kön- nen weiterhin so ausgebildet sein, daß sie die aus¬ tauschbare Platte tragen und dadurch weitere Stütz¬ elemente entbehrlich sind.
Um die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung der Korrelation zu verwirklichen, werden Austauschplatten zur Verfügung gestellt, die entweder eine eindimen¬ sional fokussierende Optik, wie beispielsweise einen Spiegel und eine Zylinderlinse, zur Herstellung eines Einzelimpulskorrelators oder eines wellenlängenauf- gelösten Einzelimpulskorrelators oder eine zweidimen¬ sional fokussierende Optik, beispielsweise ein sphä¬ risch korrigierter Achromat und einen Spiegel, zur Herstellung eines Abtastkorrelators bzw. eines spek¬ tral aufgelösten Abtastkorrelators besitzen. Der Aus- tausch der Platten ist sehr einfach und erfolgt, ohne daß anschließend eine Neujustierung des Laserimpulses bzw. der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung nötig wäre.
Um mit verschiedenen Impulswellenlängen arbeiten zu können und um unerwünschte Phasenverschiebungen durch die Dispersion der optischen Bauelemente, wie zum Beispiel Linsen zu vermeiden, können die dispersiven optischen Elemente durch reflektive optische Elemen¬ te, beispielsweise Spiegel, ersetzt werden.
Ein zusätzlicher Kurzpaßfilter zwischen dem nichtli¬ nearen optischen Element und dem Detektor verhindert, daß Streulicht der Grundwelle der beiden Teilimpulse zu dem Detektor gelangt.
Die optischen Bauelemente können spezifisch für die Eigenschaften des verwendeten Lichtimpulses dielek¬ trisch beschichtet werden. Durch Abstimmung der Be¬ schichtung auf die Wellenlänge des verwendeten Licht- impulses lassen sich unerwünschte Reflexionen und/- oder dispersive Effekte, wie Phasendispersion, ver¬ ringern oder vermeiden.
Die reflektiven optischen Elemente können statt die- lektrisch auch metallisch beschichtet werden. Im Ge¬ gensatz zu dielektrischen Beschichtungen ist die Re- flektivität der metallischen Beschichtung und die Phasenänderung des Lichtes bei der Reflexion an me¬ tallischen Beschichtungen nur schwach frequenzabhän- qiq. Es ergeben sich daher bei der metallischen Be¬ schichtung nur geringe dispersive Phasenänderungen des Lichtfeldes, die bei ultrakurzen Lichtimpulsen zur Änderung der Lichtimpulseigenschaften führen wür¬ den. Ein besonderer Vorteil der metallischen Be- Schichtung besteht folglich darin, daß bei Wechsel der verwendeten Laserimpulswellenlänge kein Wechsel des Spiegels notwendig wird und ultrakurze Impulse (bis zu 10 fs) mit großer spektraler Bankbreite (bis größer 200 nm) gemessen werden können. Besonders vorteilhaft können die reflektiven opti¬ schen Elemente mit Gold beschichtet werden. Der grö߬ te Teil der Kurzpulslaser wird mit einer Laserab- strahlung im Wellenlängenbereich größer 500 nm be- trieben. Eine Goldbeschichtung besitzt für diese Wel¬ lenlängen eine sehr hohe Reflektivitat. Im Gegensatz zu der üblichen Beschichtung mit Aluminium besitzt eine Goldbeschichtung eine erheblich höhere Reflekti- vität im nahen Infrarotbereich und im Infrarotbe- reich. Außerdem ist eine Goldbeschichtung chemisch stabil, so daß keine zusätzliche Schutzschicht benö¬ tigt wird.
Die Goldbeschichtung kann mit einem plasmaunter- stützten Verfahren aufgetragen werden. Eine derartige Goldbeschichtung besitzt eine verbesserte Haftung und kann im Gegensatz zu konventionell, beispielsweise durch Verdampfen aufgebrachten Goldbeschichtungen mit einem gewöhnlichen Linsentuch ohne Zerstörungsgefahr gereinigt werden. Auch die Zerstörgrenze der plas¬ maunterstützt aufgetragenen Goldbeschichtung durch intensive Laserstrahlung ist höher als die Zerstör¬ grenze konventionell aufgetragener Goldbeschichtun¬ gen.
Auch der Strahlteiler kann zur Vermeidung unerwünsch¬ ter Phasenänderungen des durchgehenden Teilimpulses statt dielektrisch beschichtet zu werden metallisch beschichtet werden. Dadurch ergibt sich eine geringe- re dispersive Phasenmodulation des durchgehenden, nichtreflektierten Teilimpulses und eine große spek¬ trale Bandbreite, innerhalb der der Strahlteiler ein¬ gesetzt werden kann. Um die unerwünschten dispersiven Wirkungen von optischen Elementen des Korrelators auf den Lichtim¬ puls zu kompensieren, kann die erfindungsgemäße Me߬ vorrichtung weiterhin mit einem zusätzlichen Impuls¬ kompressor, beispielsweise einem Prismenkompressor, versehen werden, dessen Dispersion einstellbar ist. Eine derartige Kompensation der Dispersion ist beson¬ ders für ultrakurze Lichtimpulse mit einer Impulsdau¬ er kleiner 20 fs vorteilhaft.
Die Aufzeichnung der Daten sowie die Steuerung der erfindungsgemäßen MeßVorrichtung und der Detektoren kann über Mikrocontroller erfolgen. Weiterhin können die Daten gleichzeitig aufgezeichnet und verrechnet sowie dargestellt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß parallel zu der Messung der Korre¬ lation die Laserleistung bestimmt und aufgezeichnet wird.
Eine für den Anwender besonders vorteilhafte, da un¬ mittelbar verständliche Darstellung ergibt sich, wenn spektral und bzgl. der Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilimpulsen aufgelöste Daten zweidimensional dargestellt werden, wobei die Koordinatenachsen die Frequenz des Korrelationssignals bzw. die Verzöge¬ rungszeit zwischen den beiden Teilimpulsen darstel¬ len. Der Anwender hat so die vollständige Darstellung beider Fourierkomponenten, Frequenz und Zeit, als zweidimensionales Muster und braucht nicht mehr, wie im Stand der Technik, den zeitlichen und spektralen Verlauf zusammenzufügen.
Im folgenden werden einige beispielhafte Ausführungs¬ formen der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung darge- stellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Abtast-Korrelator;
Fig. 2 den Strahlengang in der verzögernden Glasplatte;
Fig. 3 einen spektral auflösenden Abtast- Korrelator;
Fig. 4 die Verwendung der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung zur Erzeugung von Anre¬ ge-/Abfrageimpulsen;
Fig. 5 einen Einzelimpulskorrelator;
Fig. 6 einen spektral auflösenden Abtast-
Korrelator und
Fig. 7 einen weiteren spektral auflösenden Abtastkorrelator.
Fig. 1 beschreibt eine erfindungsgemäße Meßvorrich¬ tung 12, die als Abtastkorrelator betrieben wird. Der einzelne, zu analysierende Lichtimpuls tritt durch eine Blende 10 unterhalb des Spiegels 1 in den Ab- tast-Korrelator ein. Der Lichtimpuls wird durch einen Strahlteiler 4 in zwei Teilimpulse aufgespalten, die von Spiegeln 2 bzw. 3 auf zwei den Strahl in der Höhe versetzende Retroflektoren 7 bzw. 8 gelenkt werden. Der Strahlteiler ist dielektrisch und/oder metallisch beschichtet, um zwischen den beiden Teilimpulsen eine definierte, frequenzabhängige Phasenverschiebung zu erzeugen. Zwischen dem Spiegel und dem Retroflektor treten die beiden Teilimpulse durch eine Glasplatte 5, die durch einen drehzahlgeregelten Motor 6 mit einer Schrittkonstanz von 103 und Rotationsfrequenzen zwischen 0,1 Hz und 25 Hz gedreht wird. Die Glas¬ platte 5 erzeugt zwischen den beiden Teilimpulse ei¬ nen Gangunterschied ΔL, der sich nach der folgenden Formel ergibt (Fig. 2) :
ΔL=—2— [n-cos(θi-θi) ] -— 'L.r [n-cos(θ2-θ£)] cosθi cosθj
Dabei d die Dicke und n der Brechungsindex der Glas¬ platte 5, θ- und θ2 die Einfallswinkel der beiden Tei- limpulse auf die Glasplatte 5 und θ, ' und θ2' die Win¬ kel zwischen den in die Glasplatte gebrochenen Strah¬ len und der Oberflächennormalen der Glasplatte. Die reflektierten Teilimpulse treten anschließend wieder durch die Glasplatte 5 hindurch und werden von den Spiegeln 2 bzw. 3 wieder durch den Strahlteiler 4 gesandt. Der eine der Teilimpulse wird durch den Spiegel 1 so umgelenkt, daß er versetzt aber parallel zu dem anderen Teilimpuls in Richtung einer aus¬ tauschbaren Platte 13 läuft. Der eine Teilimpuls tritt durch eine Blende 11 und anschließend parallel zu dem anderen Teilimpuls durch eine auf der aus¬ tauschbaren Platte 13 montierte sphärische Linse 14. Beide Impulse werden durch einen Spiegel 15, der ebenfalls auf der austauschbaren Platte 13 montiert ist, etwa rechtwinklig umgelenkt und treffen sich in ihrem Fokus, der aufgrund der Linse 14 sich in einem Kristall 9 befindet. Als Kristall 9 wird ein LBO-Kri- stall verwendet. Die in dem LBO-Kristall 9 entstehen¬ de elektromagnetische Welle mit der Summenfrequenz der Einzelfrequenzen der beiden Teilimpulse wird von dem LBO-Kristall mittig zu der Richtung der beiden Teilimpulse ausgesandt und trifft auf einen Spiegel
16. Der Spiegel 16 lenkt die Strahlung mit der Sum¬ menfrequenz durch eine Blende 20 auf einen Detektor
17. Der Detektor 17 ist beispielsweise ein Sekundär- elektronenvervielfacher.
Die austauschbare Platte 13 kann auf einfachste Art und Weise aus der Meßvorrichtung 12 entfernt bzw. in sie eingesetzt werden. Sie wird durch Präzissions- stifte auf 10 μm genau in ihrer Position gehalten, so daß der Rücktausch einer Platte ohne neue Justierung erfolgen kann.
Da die Strahlung mit Summenfrequenz zur Bestimmung der Korrelation genutzt wird, genügen für dieses Me߬ verfahren niedrige Impulsenergien. Es hat sich gezeigt, daß bei Einzelimpulsenergien größer 2 pJ Messungen mit Laserimpulsen mit einer Impulsdauer im Femtosekundenbereich möglich sind.
Bei dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung sind auf der austauschbaren Platte 13 eine sphärische Linse 14 und ein Spiegel 15 montiert. Der Retroflektor 8 ist verschiebbar. Mit ihm können Verzögerungszeiten zwi- sehen 1 fs und größer +/- 40 ps erzeugt werden. Mit der Glasscheibe können Verzögerungszeiten zwischen ± 300 fs und ± 15 ps erzeugt werden. Der Detektor 17 zeichnet die Intensität des Impulses mit der Summenfrequenz in Abhängigkeit von der Verzögerungs- zeit bzw. der Verzögerungsstrecke auf.
Mit dieser erfindungsgemäßen Meßvorrichtung können bei Einsatz der Glasplatte 5 Lichtimpulse mit hoher Impulsfolgefrequenz sowie bei einer Drehfrequenz von bis zu 0,1 Hz auch Lichtimpulse mit niedriger Impuls- folgefrequenz charakterisiert werden. Nach Entnahme der Glasplatte 5 können mit Hilfe der durch den Re- troflektor 8 erzeugten Verzögerungsstrecken ebenfalls Lichtimpulse mit niedriger und hoher Impulsfolgefre¬ quenz vermessen werden. Aus dem von dem Detektor 17 aufgezeichneten Korrelationssignal läßt sich die Im¬ pulsdauer des zu analysierenden Lichtimpulses bestim¬ men.
In Fig. 3 ist ein Abtast-Korrelator wie in Fig. 1 dargestellt. Die von dem Kristall 9 erzeugte Strah¬ lung mit der Summenfrequenz der Einzelfrequenzen der Teilimpulse wird in diesem Falle jedoch durch eine Linse 18 und ein dispersives Element 19 auf den De- tektor 17 abgebildet. Die so erhaltenen wellenlängen¬ aufgelösten Signale werden von einer eindimensionalen Detektionseinheit 17 aufgenommen. Das dispersive Ab¬ bildungselement 19 kann beispielsweise ein Gitter und ein sphärisch gekrümmter Spiegel sein. Die Zeilende- tektionseinheit 17 ist beispielsweise von der la¬ dungsgekoppelten Art.
Durch diese Anordnung wird ein wellenlängenauflösen¬ der Abtast-Korrelator realisiert, der neben der Mes- sung der Impulsform auch die Bestimmung des Chirps ermöglicht. Aufgrund seiner mit der Fig. 1 ansonsten identischen Anordnung ist es auch in diesem Falle möglich, Lichtimpulse sowohl mit hoher als auch nied¬ riger Impulsfolgefrequenz zu analysieren. Da auch hier die Erzeugung der Strahlung mit Summenfrequenz zur Bestimmung der Korrelation genutzt wird, genügen für dieses Meßverfahren ebenfalls wie bei dem Abtast- Korrelator aus Fig. 1 niedrige Lichtimpulsenergien. In Fig. 4 ist eine Anordnung gezeigt, bei der gegen¬ über dem Abtast-Korrelator aus Fig. 1 die aus¬ tauschbare Platte 13 entfernt oder gegen eine unbe- stückte Platte ersetzt wurde. Dadurch können nun die beiden Lichtteilimpulse beispielsweise außerhalb der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für Pump-Sonden-Ex¬ perimente genutzt werden. Die erzielbaren Verzögerun¬ gen des einen Teilimpulses gegen den anderen Teilim¬ puls liegen auch hier im Bereich von ± 40 ps für die Erzeugung der Verzögerung durch Verschiebung des Re- troflektors 8 und im Bereich ± 300 fs bis ± 15 ps für die Erzeugung der Verzögerung durch die Glasplatte 5.
Fig. 5 zeigt einen Einzelimpulskorrelator. Im Unter- schied zu dem in Fig. 1 gezeigten Abtast-Korrelator wurde die Glasplatte 5 entfernt und die Austauschplatte 13 ist nun mit einem Spiegel 15 und einer Zylinderlinse 14 bestückt. Die Zylinderlinse 14 fokussiert die beiden Teilimpulse unter einem vorge- gebenen Winkel in dem Kristall 9 in Linienform auf¬ einander. Alternativ kann die Austauschplatte 13 auch mit 2 Umlenkspiegeln und einer Zylinderlinse bestückt werden, um den Winkel zwischen den Teilstrahlen zu variieren. Strahlung mit der Summenfrequenz der ein- zelnen Teilimpulse wird nur dort im Kristall 9 erzeugt, wo in dem Kristall 9 die Teilimpulse sowohl zeitlich als auch räumlich überlappen. Da die beiden Teilimpulse sich schräg überlagern, ergibt sich eine Überlagerungslinie (Fokallinie) , längs derer in dem Kristall 9 sich die Intensität des Korrelations¬ signals entsprechend der Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilimpulse ändert. Man erhält folglich eine Darstellung der Intensität der Summenfrequenz- Strahlung in Abhängigkeit von der relativen Verzöge- rungszeit entlang der Fokallinie. Das Bild dieser Überlagerungslinie wird durch einen Spiegel 16 und eine Linse 18 auf eine eindimensionale Detektoranord¬ nung, beispielsweise der ladungsgekoppelten Art, ab¬ gebildet. Aus dieser Darstellung des Korrelationssig- nals kann ebenfalls die Impulsdauer und näherungswei¬ se die Impulsform des zu untersuchenden Lichtimpulses ermittelt werden.
Durch die Veränderung des Kreuzungswinkels der beiden Teilimpulse in dem Kristall 9 kann die Verzögerungs¬ zeit bei der Einzelimpulskorrelation entsprechend Fig. 5 weiter variiert werden.
Um die Zeitachse der Einzelimpulskorrelation zu kali- brieren und ihren Nullpunkt zu bestimmen, kann mit dem verschiebbaren Retroflektor 8 eine zusätzliche definierte Verzögerung zwischen den Teilimpulse her¬ gestellt werden, die sich in einer Verschiebung des mit dem Detektor erhaltenen Bildes der Überlappungs- linie, d.h. des Korrelationssignals, entlang der Pi¬ xel des eindimensionalen ortauflösenden Detektors.
In Fig. 6 ist ein Einzelimpulskorrelator dargestellt, der zeit- und wellenlängenaufgelöst mißt. Bei dieser Anordnung, bei der ebenfalls wie in Fig. 5 die Glas¬ platte entnommen wurde, ist der Spiegel 16, die Linse 18 und die Detektionseinheit 17 der Fig. 5 durch eine achromatische Linse 18, das dispersive Element 19 aus einem Gitter und einem sphärischen Spiegel und eine zweidimensionale Detektionsanordnung 17, beispiels¬ weise der ladungsgekoppelten Art, ersetzt. Im Gegen¬ satz zu den vorhergehend beschriebenen Korrelatoren, die nicht spektral auflösen, wird bei diesem Einzel¬ impulskorrelator die Phasenverschiebung zwischen den beiden Teilimpulsen nicht durch eine dielektrische Beschichtung des Strahlteilers, sondern durch ein zusätzliches dispersives Element 21, beispielsweise eine Glasplatte, erzeugt, die sich im Strahlengang eines der beiden Teilimpulse befindet. Bei dem wel- lenlängenaufgelösten Einzelimpulskorrelator der Fig. 6 wird nun das eindimensionale Abbild der Überlage¬ rung der beiden Teilimpulse, senkrecht zu dieser Ach¬ se durch das dispersiv abbildende Element 19 gebeugt.
Vorteilhaft an dieser Ausführungsform ist, daß der
Linienfokus in dem Kristall einem beleuchteten Spalt in einem Spektrometer entspricht. Deshalb kann auf einen zusätzlichen Eingangsspalt des spektral auflö¬ senden Elementes 19 verzichtet und der Linienfokus direkt dispersiv auf den Detektor 17 abgebildet wer¬ den.
Damit erhält man mit dem zweidimensionalen Detektor 17 eine zeitabhängige und wellenlängenabhängige Dar- Stellung der Intensität dieser Summenfre- quenzstrahlung entlang zweier orthogonaler Koordina¬ tenachsen. Auf diese Weise kann gleichzeitig die zeitliche und wellenlängenabhängige Korrelationsfunk¬ tion für einen einzelnen Lichtimpuls gemessen werden.
Aus der Darstellung der Intensität der Summenfre¬ quenzStrahlung über diesen beiden Koordinaten, der Verzögerungszeit und der Wellenlänge, können durch bekannte numerische Verfahren alle Charakteristika des Lichtimpulses ermittelt werden. So können mit diesem wellenlängenauflösenden Einzelimpulskorrelator die Impulsform, -phase, -amplitude und -dauer sowie der Chirp des Lichtimpulses bestimmt werden. Damit ist der Lichtimpuls vollständig charakterisiert. In Fig. 7 ist ein weiterer Einzelimpulskorrelator dargestellt, der Zeit- und Wellenlängen aufgelöst mißt. Die Anordnung dieses Einzelimpulskorrelators entspricht weitgehend der in Fig. 6 gezeigten und dort beschriebenen Anordnung. Im Gegensatz zu dem bei Fig. 6 beschriebenen Korrelator werden in diesem Fal¬ le jedoch zwei Laserimpulse mit zwei verschiedenen Wellenlängen (im Sonderfall auch mit gleichen Wellen¬ längen) ωl und ω2 in die erfindungsgemäße Vorrichtung eingestrahlt. Beide Strahlen treten durch die Blende 10. Der Strahl mit der Frequenz ωl wird durch den Spiegel 2 und den Retroflektor 7 auf den Spiegel 1 gelenkt und von dort in Richtung der austauschbaren Platte 15 gestrahlt. Der Strahl mit der Frequenz ω2 wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 4, den Spie¬ gel 3 und den Retroflektor 8 zurück über den Spiegel 3 und den halbdurchlässigen Spiegel 4 ebenfalls in Richtung der austauschbaren Platte 15 gestrahlt. Es ist zu sehen, daß in diesem Falle die Spiegel 1 und 4 entsprechend der durch die zwei Laserimpulse beding¬ ten Geometrie anders angeordnet sind als in den bis¬ herigen Beispielen. Der Strahl ω2 tritt durch eine Blende 11 und wird gemeinsam mit dem Strahl ωl durch ein dispersives Element 14 auf einen Kristall 9 fo- kussiert. Die Fokussierung erfolgt in der gleichen Weise wie bei Fig. 6 beschrieben und die Auswertung des durch die Überlagerung der beiden Impulse entste¬ henden Kreuzkorrelationssignals mit Hilfe einer achromatischen Linse 18, eines dispersiven Elementes 19 und eines Detektors 17 erfolgt in gleicher Weise wie dort beschrieben. Folglich wird hier ebenfalls ein spektralauflösender Einzelimpulskorrelator reali¬ siert. Im Gegensatz zu den bisherigen Beispielen befindet sich in keinem der Strahlengänge der beiden Impulse ωl und ω2 ein zusätzliches dispersives Element. Die¬ ses ist bei der Überlagerung zweier getrennt einge- strahlter Laserimpulse ωl und ω2 nicht nötig, da die¬ se beiden Impulse nicht zueinander symmetrisch sind, wie es in den vorigen Beispielen die durch Teilung des einen einzigen eingestrahlten Laserpulses erhal¬ tenen Teilimpulse waren. Eine Symmetriebrechung zur Erzeugung einer Asymmetrie ist folglich nicht nötig. Da die beiden Laserimpulse ωl und ω2 unterschiedliche Wellenlängen haben, wird in den Kristall 9 ein Kreuz¬ korrelationssignal erzeugt, das entweder als Strah¬ lung mit der Summe der Einzelfrequenzen (ωs = ωl + ω2) oder mit einer Frequenz gleich der Differenz der Einzelfrequenzen (ωd = ωl - ω2) beobachtet wird.
Die Auswertung dieses Kreuzkorrelationssignals ist besonders einfach, wenn einer der beiden Impulse, beispielsweise der Laserimpuls ωl, bezüglich seiner optischen Eigenschaften gut charakterisiert ist. In diesem Falle können die optischen Eigenschaften des zweiten mit ihm überlagerten Laserimpulses einfach und rasch ermittelt werden. Dadurch ist es beispiels- weise möglich, einen verstärkten Laserimpuls mit ei¬ nem nichtverstärkten Impuls aus einem Laseroszilla¬ tor, der gewöhnlich sehr gut charakterisiert werden kann, zu überlagern und hierdurch eine rasche und präzise Charakterisierung des verstärkten Laserimpul- ses zu erhalten.
Die hier beschriebene Vorrichtung und das hier be¬ schriebene Verfahren zur Überlagerung zweier getrennt eingestrahlter Laserirapulse kann nicht nur bei dem hier beschriebenen spektralauflösenden Einzelimpuls- korrelator sondern auch in gleicher Weise bei allen anderen bisher beschriebenen Korrelatoren verwendet werden. Dazu genügt es statt der Aufteilung des zu charakterisierenden einzelnen eingestrahlten Laser- impulses zwei getrennte Laserimpulse einzustrahlen und den Strahlengang so wie in Fig. 7 beschrieben zu modifizieren. Der bisher verwendete Begriff Teilim¬ puls bezieht sich daher durchgängig nicht nur auf zwei Teilimpulse, die über Strahlteiler aus einem Laserimpuls gewonnen wurden, sondern auch auf zwei getrennt eingestrahlte Laserimpulse, wie beispiels¬ weise in Fig. 7 mit ωl und ω2 bezeichnet.
Die in den Ausführungsbeispielen gegebenen, erfin- dungsgemäßen Meßsysteme ermöglichen es aufgrund ihrer nichtkollinearen Strahlführung weitgehend untergrund¬ frei die Korrelation zu messen. Auf diese Weise kann die Korrelation mit sehr großer Dynamik (16 Bit oder mehr in Abhängigkeit vom verwendeten Detektor) gemes- sen werden.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die Anwen¬ dung eines nichtlinearen optischen Effekts zweiter Ordnung in Verbindung mit einer definierten Phasen- Verschiebung des einen Teilimpulses gegenüber dem anderen Teilimpuls statt des für Messungen der zeit¬ abhängigen/frequenzabhängigen Amplitude und Phase üblichen optischen Effekts dritter Ordnung es ermög¬ licht, zeitliche Assymetrien zu charakterisieren und weitgehend untergrundfrei sowohl Einzelimpulse oder Impulse mit niedriger Impulsfolgefrequenz mit hoher oder niedriger Intensität als auch Laserimpulse mit hoher Impulsfolgefrequenz mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung vollständig zu analysieren.

Claims

Patentansprüche
1. Meßvorrichtung für kurze und ultrakurze Lichtim¬ pulse bestehend aus einer Anordnung aus Strahl- teilern und/oder Reflektoren, die den zu analy¬ sierenden Strahl aufnimmt und in zwei Teilimpul¬ se aufteilt oder zwei zu überlagernde Impulse als Teilimpulse aufnimmt und die beiden Teilim¬ pulse miteinander überlagert, einem optischen Element (9) zur Erzeugung eines Korrelationssi¬ gnals der beiden Teilimpulse und einer aus¬ tauschbaren Detektionseinheit (17) , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Element (9) zur Erzeugung eines Korrela- tionssignals ein in zweiter Ordnung nichtlinear optisches Element ist, das so ausgebildet ist, daß es bei Überlagerung der Teilimpulse ein Kor¬ relationssignal auf der Basis der Summenfrequenz und/oder der Differenzfrequenz der Teilimpulse erzeugt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Anordnung aus Strahlteilern und/oder Reflektoren so angeordnet ist, daß sie einen zu analysierenden Impuls aufnimmt und in zwei Teilimpulse aufteilt und daß in den Strah¬ lengängen der beiden Teilimpulse bezüglich des Dispersion der Teilimpulse sich unterscheidende optische Bauelemente und/oder in einem der Strahlengänge zusätzlich mindestens ein disper¬ sives Bauelement (21) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Anordnung aus Strahlteilern und/oder Reflektoren so angeordnet ist, daß sie zwei getrennt in die Vorrichtung eingebrachte Impulse als Teilimpulse aufnimmt und in dem op¬ tischen Element (9) zur Erzeugung eines Kreuz¬ korrelationssignals überlagert.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zur Erzeugung des Dispersionsun¬ terschiedes ein optisches Bauelement eines Teil¬ impuls-Strahlenganges eine einen Dispersionsun- terschied erzeugend definierte Beschichtung be¬ sitzt.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element zur Erzeugung eines Korrelationssi¬ gnals eine Strahlung mit der Summen- und/oder Differenzfrequenz der beiden Teilimpulse in Vor¬ wärtsrichtung oder in Rückwärtsrichtung erzeu¬ gend ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (9) zur Erzeugung eines Korrela¬ tionssignals aus einem Kristall besteht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Kristall ein Lithium- Betaborat-Kristall ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Element (9) zur Erzeugung ei¬ nes Korrelationssignals eine reflektierende Oberfläche aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Oberfläche eine Gallium-Arse- nid-Oberfläche ist.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlengänge der beiden Teilimpulse in dem Element (9) zur Erzeugung des
Korrelationssignals nicht kollinear ausgebildet sind.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor¬ richtung mindestens ein die Polarisation minde- stens eines Teilstrahles drehendes Element ent¬ hält und die Strahlengänge der beiden Teilimpul¬ se in dem Element (9) zur Erzeugung des Korrelationssignals kollinear ausgebildet sind.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens ein bewegliches Verzögerungselement (5,8) zur Verzögerung der beiden Teilimpulse gegeneinander.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das bewegliche Verzögerungselement ein Retroflektor (8) ist.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß das be¬ wegliche Verzögerungselement ein über eine Mi¬ krometerschraube von einem Schrittschaltmotor angetriebener Retroflektor (8) ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das bewegliche Verzögerungselement ein drehbares dispersives Element (5) ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das dispersive Element (5) in ei¬ nem drehbar gelagerten, selbstjustierenden Hal¬ ter befestigt ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der selbstjustierende Halter für das dispersive Element durch einen Motor, vor¬ zugsweise einen drehzahlgeregelten Motor beweg¬ bar ist.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das dis¬ persive Element (5) eine Glasplatte ist.
19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinheit optische Bauelemente mit nachgeordneten zeitauflösenden, räumlich auflö¬ senden und/oder spektral auflösenden Detektoren (17) aufweist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An¬ sprüche, gekennzeichnet durch eine mit optischen Bauelementen (14, 15) bestückte, austauschbare Platte (13) .
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die austauschbare Platte (13) min¬ destens zwei auf der Plattenoberfläche angeord- nete Justierelemente besitzt und in der Meßvor- richtung eine entsprechende Anzahl Aufnehmer an¬ geordnet sind.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Aufnehmer selbstjustierend ausgebildet sind.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ju- stierelemente kegelförmig oder kegelstumpförmig und die Aufnehmer als konisch zulaufende Vertie¬ fungen ausgebildet sind.
24. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die aus¬ tauschbare Platte (13) auf den Justiere1ementen aufliegt.
25. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Austauschplatte (13) eine eindimensional bzw. zweidimensional fokussierende Optik ange¬ ordnet ist.
26. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vorrichtung dispersive optisch Elemente und/oder reflektive optische Elemente angeordnet sind.
27. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Bauelemente spezifisch für die Eigenschaften der verwendeten Lichtimpulse, wie z.B. ihre Wellenlänge, beschichtet sind.
28. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektiven optischen Elemente zumindest teilweise metallisch beschichtet sind.
29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die reflektiven optischen Elemente mit Edelmetallen, vorzugsweise Gold, beschichtet sind.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Goldbeschichtung mit einem plasmaunterstützten Verfahren aufgetragen ist.
31. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge¬ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit einem zusätzlichen Impuls¬ kompressor versehen ist.
32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Impulskompressor ein Prismen¬ kompressor ist.
33. Vorrichtung nach mindestens einem der vorherge- henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Meßgerätes, der Detektoren und der Datenaufzeichnung ein Mikrocontroller vor¬ handen ist.
34. Verfahren zur Analyse von kurzen und ultrakurzen Laserimpulsen mit einer Vorrichtung nach minde¬ stens einem der vorhergehenden Ansprüche, da¬ durch gekennzeichnet, daß in die Anordnung aus Strahlteilern und/oder Reflektoren ein Laserim- puls so eingestrahlt wird, daß er in zwei Tei- limpulse aufgeteilt wird oder zwei Impulse als Teilimpulse getrennt eingestrahlt werden und die beiden Teilimpulse auf das optische Element zur Erzeugung eines Kreuzkorrelationssignals geführt werden und daß das von der Vorrichtung erzeugte Korrela¬ tionssignal bezüglich der Lichtfrequenz und/oder bezüglich der Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Teilimpulsen analysiert wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeich¬ net, daß das von der Vorrichtung erzeugte Korre¬ lationssignal auf einem Monitor zweidimensional dargestellt wird, wobei die beiden Koordinaten- achsen die Frequenz des Korrelationssignals bzw. die Verzögerungszeit zwischen den beiden Teilim¬ pulsen darstellen.
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