Kurze Strahlungspulse sind in vielen Anwendungen notwendig. So werden beispielsweise für die nichtlineare Raman-Spektroskopie oder Raman- Mikroskopie mindestens zwei synchronisierte Pulszüge intensiver Strahlung mit einem bestimmten Frequenzabstand verwendet. Die Synchronisierung der Pulse beispielsweise zweier Strahlungsquellen oder Laserquellen kann dabei aktiv oder passiv realisiert werden. So erfolgt eine aktive Synchronisierung zum Beispiel, indem zwei Strahlungsquellen unterschiedlicher Zentralfrequenz durch eine elektronische Regelung aufeinander abgestimmt werden. Eine passive Synchronisierung erfolgt zum Beispiel, indem durch nichtlineare Prozesse eine erste Strahlungsquelle einen Strahlungsverstärker speist.

Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Synchronisierung ist passiv, und zwar die direkte Erzeugung von Strahlung einer zweiten Wellenlänge mittels nichtlinearer Wellenlängenkonvertierung, beispielsweise ohne anschließende Nachverstärkung. Ohne Nachverstärkung muss der Prozess der Wellenlängenkonvertierung besonders effektiv sein. Eine mögliche Umsetzung hierfür ist der optische parametrische Oszillator (OPO). Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Ausführungsformen der nichtlinearen (faserbasierten) Frequenzkonversion bekannt. So werden beispielsweise neue Wellenlängen oder Frequenzen mittels des sogenannten „Soliton Self-Frequency Shift" erzeugt. Dabei wird die Strahlung einer gepulsten Laserquelle in eine hochgradig nichtlineare Faser eingekoppelt. Die Wellenlänge der Strahlung der ersten Strahlungsquelle muss sich hierzu nahe oder innerhalb des anomalen dispersiven Frequenzbereichs der nichtlinearen Faser befinden. In einer weiteren Variante wird mittels Ramanstreuung entlang der Faser in Richtung längerer Wellenlängen konvertiert. Eine weitere Ausführungsform aus dem Stand der Technik ist die faserbasierte schmalbandige, also nur einen geringen Wellenlängenbereich aufweisende Erzeugung von Strahlung mittels spektraler Kompression und Frequenzverdoppelung. Bei nicht-linearer Raman-Mikroskopie ist es besonders vorteilhaft, schmalbandige, also nur einen geringen Wellenlängenbereich abdeckende Strahlungsquellen zu verwenden. Mittels spektraler Kompression eines Superkontinuums oder von Solitonen, welche in einer hochgradig nichtlinearen Faser entstanden sind, können die breitbandigen Spektren mittels Summenfrequenzmischung schmalbandig konvertiert werden.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von synchronen, kurzen Strahlungspulsen bereitzustellen, wobei eine Anpassung der Wellenlänge möglich ist bei gleichzeitig schmalbandiger Erzeugung der Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge.

Die Erfindung löst die Aufgabe gemäß Anspruch 1 dadurch, dass die Vorrichtung einen Resonator mit deutlicher Wellenlängenabhängigkeit der effektiven Resonatorlänge aufweist, wobei der Resonator einen nichtlinearen Wellenlängenkonverter zur Erzeugung von Strahlung bei einer ersten (Signal) und zweiten Wellenlänge (Idler), ein stark dispersives Element mit einer signifikant wellenlängenabhängigen Verzögerungscharakteristik, und ein Auskoppelelement zur zumindest teilweisen Auskopplung der Strahlung aus dem Resonator aufweist. Die Dispersion im dispersiven Element sollte dabei so bemessen sein, dass die Konversion gleichzeitig schmalbandig und mit einer hohen Effizienz ablaufen kann. Ebenso sollte die Pumpstrahlunsquelle den Resonator mit kurzen Strahlungspulsen speisen, die möglichst wenig durch nichtlineare Effekte an Schmalbandigkeit eingebüßt haben.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen kristall- oder einen faserbasierten OPO, dessen Resonator ein Element mit signifikanter Dispersion aufweist. Die Dispersion bewirkt unterschiedliche effektive Resonatorlängen für Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen oder Frequenzen.

Die Erfindung weist insbesondere gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass ein Ändern der Resonatorlänge des OPOs oder der Wiederholrate der Pumpstrahlungspulse eine Änderung der Wellenlängen der erzeugten Strahlung bewirkt, was gemäß dem Stand der Technik nur durch die Änderung der Wellenlänge der Strahlung der Pumpstrahlungsquelle oder durch Veränderung eines spektralen Filters im Resonator möglich war. Weiterhin wird durch die signifikante Dispersion im Rückkopplungszweig des Resonators die erzeugte Strahlung wesentlich schmalbandiger als in konventionellen OPOs.

Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung erzeugen spektrale Bandbreiten der Wellenlänge der Strahlung, die nahezu dem Transformlimit der Pulsdauer der erzeugten Strahlung entsprechen. Diese Eigenschaften basieren auf der Tatsache, dass eine effiziente Konversion von Pump- in Strahlungsleistung nur erfolgen kann, wenn die im Resonator rückgekoppelten Pulse einen guten zeitlichen Überlapp mit Pumppulsen der Pumpstrahlungsquelle aufweisen.

Durch das dispersive Element im Resonator ist der zeitliche Überlapp der Pumpstrahlung und der Signalstrahlung nur für bestimmte Wellenlängenbereiche erfüllt. Diese Wellenlängenbereiche können über eine Verzögerungsscharakteristik, oder auch Dispersionscharakeristik genannt, des dispersiven Elements eingestellt werden.

Bei OPOs werden vorzugsweise Faserlaser als Strahlungsquellen verwendet, da Faserlaser die besondere Eigenschaft haben, Strahlung und insbesondere Laserstrahlung effizient zu erzeugen und zu verstärken. Faserlaser sind dabei besonderes wartungsarm und stabil gegen äu ßere Störungen. Allerdings erfordert die faserbasierte Erzeugung synchronisierter Pulse unterschiedlicher Wellenlängen Prozesse zur Frequenzkonvertierung mit Hilfe von Fasern.

In einer weiteren Ausführungsform wird eine Konvertierung der Wellenlänge durch eine sogenannte Vier-Wellenmischung („Four-Wave-Mixing" = FWM) durchgeführt. Ähnlich der klassischen optisch parametrischen Frequenzerzeugung in nichtlinearen Kristallen kann in mikrostrukturierten Fasern Licht konvertiert werden. Bei der klassischen optisch parametrischen Frequenzerzeugung handelt es sich um einen Dreiwellenmischprozess der durch Kristall-Nichtlinearitäten ermöglicht wird. Da diese in Glasfasern nicht vorhanden sind, treten hier zuerst Nichtlinearitäten auf, die in der Form von Vier- Wellenmischung Strahlung konvertieren können. So kann unter Beachtung der Phasenanpassungsbedingung die Signalstrahlung, die beispielsweise für nichtlineare Raman-Spektroskopie notwendig ist, in Fasern erzeugt werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das dispersive Element eine Einmodenfaser, oder auch Monomodefaser oder Singlemodefaser genannt. Dabei wird eine bestimmte Wellenlänge verzögert übertragen. Dadurch ergibt sich in einfacher Weise eine wellenlängenabhängige effektive Resonatorlänge.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das dispersive Element eine einstellbare Verzögerungscharakteristik auf. Damit kann das dispersive Element derart eingestellt werden, dass eine (oder mehrere) bestimmte Wellenlänge(n) für die Rückkopplung selektiert wird (/werden).

Um die Wellenlänge gemäß der Erfindung einzustellen, stehen weitere Möglichkeiten zur Verfügung. So kann die Resonatorlänge, die Repetitionsrate der Pumpstrahlung, die Pumppulsdauer der Pumpstrahlung oder die Pumppulsform der Pumpstrahlung verändert werden. Diese Veränderungen können wechselweise oder gleichzeitig erfolgen, um beispielsweise durch eine Veränderung der Resonatorlänge und gleichzeitig durch eine Veränderung der Repetitionsrate der Pumpstrahlung eine Signalstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge mit einem möglichst kleinen Wellenlängenband oder Wellenlängenbereich zu erhalten. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Resonator eine variable Verzögerungsstrecke auf. Durch diese kann beispielsweise mechanisch mittels entsprechender Ablenkung der Strahlung die Resonatorlänge verändert werden und zwar unabhängig von der Wellenlänge der Strahlung im Resonator. In einer weiteren Ausführungsform wird zur räumlichen Überlagerung der Strahlung im Resonator mit der Pumpstrahlung ein dichroitischer Spiegel (auch dielektrischer Spiegel genannt) verwendet.

In einer Ausführungsform mit einem faserintegrierten OPO kann zusätzlich oder anstatt des dichroitischen Spiegels ein Wellenlängenmultiplexer (auch wellenlängenselektiver Koppler genannt) verwendet werden. Dabei wird die Strahlung in einem Wavelength-Divison-Multiplexing Verfahren räumlich überlagert.

Die Erfindung bezieht sich im Weiteren noch auf ein Verfahren zur Erzeugung von kurzen Strahlungspulsen gemäß Anspruch 10. Die Erfindung erlaubt damit die Erzeugung von kurzen Strahlungspulsen, wobei eine Anpassung der Wellenlänge möglich ist bei gleichzeitig schmalbandiger Erzeugung von Strahlung bei einer bestimmten Wellenlänge.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Abbildungen.

Die Erfindung wird in weiteren Einzelheiten anhand des nachfolgenden Textes mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen näher erläutert.

Es zeigen: Fig. 1 einen optisch parametrischen Oszillator mit einer Pumpstrahlungsquelle und einem Resonator; Fig. 2 einen optisch parametrischen Oszillator mit einer eine variable Verzögerungsstrecke aufweisenden Pumpstrahlungsquelle;

Fig. 3 einen optisch parametrischen Oszillator mit einem eine variable Verzögerungsstrecke aufweisenden Resonator;

Fig. 4 einen optisch parametrischer Oszillator mit einer Vielzahl von eine variable Verzögerungsstrecke aufweisenden Pumpstrahlungsquellen; und

Fig. 5 einen optisch parametrischer Oszillator mit einer Vielzahl von Pumpstrahlungsquellen und einem eine variable Verzögerungsstrecke aufweisenden Resonator.

Die Bezugszeichen und deren Bedeutung sind zusammengefasst in der Bezugszeichenliste. Im Allgemeinen bezeichnen dieselben Bezugszeichen dieselben Teile.

Fig. 1 zeigt eine schematische Anordnung einer Vorrichtung 1 zur Erzeugung von ultrakurzen Strahlungspulsen. Die Vorrichtung 1 kann insbesondere ein optisch parametrischer Oszillator OPO sein. Die Vorrichtung umfasst dabei zumindest eine Pumpstrahlungsquelle 2 zur Abgabe von Strahlung einer Pumpwellenlänge in kurzen Pumppulsen (z.B. Pulsdauer 10-200 ps, Pulsrepetitionsrate 100 kHz bis 100 MHz, Zentralwellenlänge 1000-1 100 nm, mittlere Leistung 100 mW bis 10 W) und einen Resonator 3 mit einer wellenlängenabhängigen Resonatorlänge. Die Pumpstrahlungsquelle 2 ist dabei vorzugsweise ein Pumplaser beispielsweise ein faserbasierter Master Oszillator Power Amplifier FMOPA. Zwischen dem Resonator 3 und der Pumpstrahlungsquelle 2 ist zusätzlich in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ein spektrales Filter vorgesehen zum Filtern der in den Resonator einzukoppelnden Strahlung. Der Resonator 3 weist einen nichtlinearen Wellenlängenkonverter 4 (z.B. mikrostrukturierte Faser mit Nulldispersionswellenlänge für transversale Fundamentalmode im Bereich von 1025-1350 nm) zur Erzeugung von Strahlung bei einer ersten (Signal) und zweiten (Idler) Wellenlänge, ein dispersives Element 5 mit einer wellenlängenabhängigen Verzögerungscharakteristik und ein Auskoppelelement 6 zur zumindest teilweisen Auskopplung der Strahlung aus dem Resonator 3 auf. Der Resonator 3 weist darüber hinaus in der gezeigten Ausführungsform eine variable Verzögerungsstrecke 7 auf, welche ein Verändern der absoluten Resonatorlänge unabhängig von der Wellenlänge ermöglicht.

Durch Verändern der effektiven und absoluten Resonatorlänge kann eine Wellenlängencharakteristik der von dem OPO abgegebenen Strahlung variiert werden. Dies kann beispielsweise zusammen mit einer Repetitionsrate der Pumpstrahlungsquelle 2, der Pumppulsdauer der Pumpstrahlungsquelle 2 und/oder der Pumppulsform der Pumpstrahlungsquelle 2 erfolgen. Damit kann eine schmalbandige Strahlung erzeugt werden.

Das dispersive Element 5 (z.B. optische Faser mit einer Dispersion im Bereich von 10-100 ps/nm, vorzugsweise ca. 30 ps/nm und einer Länge von 10-1000 m, vorzugsweise ca. 250 m) bewirkt eine zeitliche Verzögerung der im Resonator rückgekoppelten Pulse im Bereich von 95-100% des reziproken Wertes der Repetitionsrate der Pumppulse oder eines Vielfachen davon. Gleichzeitig kann das dispersive Element 5 eine zeitliche Verlängerung der Pulse im Bereich von 1 -500 ps je nm spektraler Bandbreite bewirken.

Durch das dispersive Element 5 kann beispielsweise die spektrale Bandbreite der Strahlung stark verringert werden. Nur im zeitlichen Überlappungsbereich des Pumppulses mit den im Zeitbereich spektral hintereinander gestaffelten Frequenzkomponenten der rückgekoppelten Strahlung erfolgt eine Verstärkung. Im eingeschwungenen Zustand ist die erzeugte Strahlung derart schmalbandig, dass eine möglicherweise entstehende dispersive Pulsverlängerung kaum einen Einfluss hat. Damit können je nach Stärke der Dispersion nahe transformlimitierte spektrale Bandbreiten erreicht werden. Die variable Verzögerungsstrecke 7 bewirkt in Kombination mit dem dispersiven Element 5 gemäß der Erfindung z.B. eine Wellenlängenänderung des Signals von 1 nm pro 10 mm veränderter Resonatorlänge.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 , wobei hier nicht der Resonator eine variable Verzögerungsstrecke 7 aufweist, sondern die Pumpstrahlungsquelle 2 mit einer variablen Verzögerungsstrecke versehen ist. In Fig. 3 ist eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dargestellt. Ein Wellenlängenmultiplexer 9 vorgesehen. Der Wellenlängenmultiplexer 9 ermöglicht die Überlagerung der im Resonator 3 umlaufenden Strahlung mit der Strahlung der Pumpstrahlungsquelle 2. Insbesondere wird der Wellenlängenmultiplexer 9 bei einem faserbasierten OPO verwendet.

Die dargestellten unterschiedlichen Ausführungsformen der Vorrichtung 1 können dabei insbesondere als faserbasierter optisch parametrischer Oszillator FOPO ausgebildet sein. Dabei wird beispielsweise ein faserbasierter Master Oszillator Power Amplifier FMOPA verwendet, um Strahlung bereitzustellen, welche in den nichtlinearen Wellenlängenkonverter übertragen wird, beispielsweise im Bereich des Ytterbium Emissionsbereiches von 1030 nm bei Verwendung eines Ytterbium basierten FMOPA. Der Wellenlängenkonverter erzeugt durch Vierwellenmischung FWM Strahlung einer Signal- und Idler-Strahlung. Durch die Wahl beispielsweise einer Nulldispersionswellenlänge im Bereich von 1035 bis 1070 nm kann eine Signalstrahlung mit einer Wellenlänge von 750 bis 1 000nm und, entsprechend der Energieerhaltung, eine Idler-Strahlung mit einer Wellenlänge von 1 100nm bis 1700nm erzeugt werden. Dabei hängt die Bandbreite der Verstärkung der FWM von der Phasenanpassung für den parametrischen Prozess ab.

Durch eine Kombination einer breitbandigen Halbwellenplatte mit einem Polarisationswürfel kann der Grad der Auskopplung des Auskoppelelements 6 bestimmt werden. Ein kleiner Teil der Strahlung im Resonator 3, vorzugsweise weniger als 10%, bleibt im Resonator 3 und wird in das dispersive Element 5 eingekoppelt. Der Rest der Strahlung wir ausgekoppelt und steht der Anwendung, beispielsweise der Raman-Spektroskopie oder Raman- Mikroskopie, zur Verfügung.

In dem dispersiven Element 5 wird in Abhängigkeit der Stärke der Dispersion die rückgekoppelte Strahlung zeitlich verbreitert. Gleichzeitig wird die Strahlung in Verbindung mit der variablen Verzögerungsstrecke 7 derart verzögert, dass die rückgekoppelte Strahlung mit einem der nächsten Pumppulse zeitlich in dem Wellenlängenkonverter 4 überlappt.

Für das räumliche Überlagern der Strahlung mit den Pumppulsen kann ein entsprechender dichroitischer Spiegel 8 verwendet werden. In einer faserintegrierten Lösung wird statt des dichroitischen Spiegels 8 ein WDM 9 verwendet, der die rückgekoppelte Strahlung mit einem der nächsten Pumppulse überlagert.

Ebenfalls ist es möglich, einen spektralen Filter 1 0 in dem Resonator vorzusehen, um dadurch innerhalb der Verstärkungsbandbreite der FWM eine veränderbare Strahlung zu erzeugen. In manchen Fällen ist es notwendig, entsprechend der Dispersion, die Resonatorlänge der Umlaufzeit der jeweiligen gefilterten Strahlung anzupassen. Alternativ dazu kann beispielsweise mittels der dispersiven Rückkopplung die Wellenlänge der Strahlung innerhalb der Verstärkungsbandbreite des parametrischen Verstärkers ausgewählt werden, ohne zusätzlichen spektralen Filter.

Mit dem ersten Pumppuls in dem Wellenlängenkonverter 4 werden spontan erzeugte Photonen beispielsweise des FWM Prozesses über den Bereich des phasenangepassten Verstärkungsbereiches erzeugt. Die Pulsdauer der entstandenen Strahlung bewegt sich im Bereich der Pulsdauer des Pumppulses. Die Dispersion des dispersiven Elements 5 bewirkt, dass die Pulsdauer der Strahlung nach der Rückkopplung, vorzugsweise durch eine Monomodefaser, die der Pumppulse übersteigt. Je nach Verzögerung der Strahlung relativ zum nächsten zeitlich überlagerten Pumppuls kann damit, innerhalb der Verstärkungsbandbreite der FWM, Strahlung erzeugt und angepasst werden. Der Pumppuls wirkt dabei sozusagen als Gate innerhalb der dispersiv gestreckten Strahlung und selektiert so bestimmte Frequenzen im Resonator 3.

Die Dispersion bewirkt beispielsweise beim Verlängern der effektiven Resonatorlänge eine spektrale Verschiebung der Signalstrahlung in Richtung kürzerer Wellenlängen. Insbesondere erzeugt die Verzögerung aus der variablen Verzögerungsstrecke 7 und dem dispersiven Element 5 eine zeitliche Verzögerung der rückgekoppelten Strahlung im Bereich von bis zu 10 ns.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform aus Fig. 2, wobei eine Vielzahl von Pumpstrahlungsquellen 2 vorgesehen ist, welche jeweils eine variable Verzögerungsstrecke aufweisen, um unterschiedliche Pulsrepetitionsraten für verschiedene Pumpwellenlängen zu erreichen. Damit kann beispielsweise eine Vielzahl von Pumppulsquellen zur Konvertierung ein und denselben Resonator verwenden.

Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform aus Fig. 1 , wobei eine Vielzahl von Pumpstrahlungsquellen 2 vorgesehen ist, wobei allerdings im Unterschied zu Fig. 4 der Resonator 3 eine variable Verzögerungsstrecke aufweist.

- Bezugszeichenliste -

Vorrichtung

Pumpstrahlungsquelle

Resonator

Wellenlängenkonverter

dispersives Element

Auskoppelelement

variable Verzögerungsstrecke

dichroitischer Spiegel

Wellenlängenmultiplexer

spektrales Filter

- Patentansprüche -