Introduction to Femtosecond Laser Optics

Kurzpuls-Laser finden in zahlreichen Anwendungen Verwendung, wie beispielsweise in der zeitaufgelösten Spektroskopie, der präzisen Materialbearbeitung und der breitbandigen Telekommunikation. Getrieben von diesen Anwendungen zielen aktuelle Entwicklungen auf Laser ab, die eine höhere Ausgangsleistung und kürzere Pulse erzeugen können. Heutzutage wird die meiste Arbeit in der Kurzpuls-Physik mit Ti:Saphir-Lasern durchgeführt, aber auch Farbstofflaser und Festkörperlaser auf Basis anderer Übergangsmetalle oder seltenen Erden dotierter Kristalle wie Yb:KGW werden zur Erzeugung von Femtosekundenpulsen verwendet. Die reproduzierbare Erzeugung von Sub-100-fs-Pulsen hängt eng mit der Entwicklung von breitbandigen, verlustarmen dispersiven Verzögerungsleitungen zusammen, die aus Prismen- oder Gitterpaaren oder dispersiven Mehrschichtreflektoren bestehen. Die spektrale Bandbreite eines Pulses steht in Beziehung zur Pulsdauer nach einem bekannten Theorem der Fourier-Analyse. Zum Beispiel beträgt die Bandbreite (FWHM) eines 100-fs-Gauß-Pulses bei 800 nm 11 nm. Bei kürzeren Pulsen wird das Wellenspektrum signifikant breiter. Ein 10-fs-Puls hat eine Bandbreite von 107 nm. Wenn ein solcher breiter Puls durch ein optisches Medium propagiert, breiten sich die spektralen Komponenten dieses Pulses mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Dispersive Medien wie Glas verursachen eine sogenannte "positive Chirp" auf den Puls, was bedeutet, dass die kurzwelligeren ("blauen") Komponenten im Vergleich zu den langwelligeren ("roten") Komponenten verzögert werden (siehe schematische Zeichnung in Abbildung 1). Eine ähnliche Verbreiterung kann beobachtet werden, wenn ein Puls von einem dielektrischen Spiegel reflektiert wird und die Bandbreite des Pulses größer oder gleich der Breite des Reflexionsbands des Spiegels ist. Auch breitbandige Spiegel, die aus einem Doppelschichtsystem bestehen, verursachen eine Pulsausbreitung, da die Laufzeiten der spektralen Komponenten des Pulses in diesen Beschichtungen extrem unterschiedlich sind. Im Sub-100-fs-Bereich ist es entscheidend, die Phaseneigenschaften jedes optischen Elements über die extrem breite Bandbreite des fs-Lasers zu kontrollieren. Dies gilt nicht nur für die Stretcher- und Compressor-Einheiten, sondern auch für die Hohlspiegel, Auskoppelspiegel und das Strahlpropagationssystem. Neben dem Leistungsspektrum, d.h. der Reflexion oder Transmission, müssen auch die Phasenbeziehungen zwischen den Fourier-Komponenten des Pulses erhalten bleiben, um eine Verbreiterung oder Verzerrung des Pulses zu vermeiden. Eine mathematische Analyse der Phasenverschiebung, die einem Puls beim Durchgang durch ein Medium oder bei der Reflektion an einem Spiegel zugefügt wird, zeigt, dass die Hauptphysikalischen Eigenschaften, die dieses Phänomen beschreiben, die Gruppendispersionsverzerrung (GDD) und die Verzerrungen dritter Ordnung (TOD) sind. Diese Eigenschaften werden als zweite bzw. dritte Ableitung der reflektierten Phase in Bezug auf die Frequenz definiert. Speziell entwickelte dielektrische Spiegel bieten die Möglichkeit, einem Puls eine "negative Chirp" aufzuerlegen. Auf diese Weise kann der positive Chirp, der sich aus Kristallen, Fenstern usw. ergibt, kompensiert werden. Die schematische Zeichnung in Abbildung 2 erklärt diesen Effekt anhand verschiedener optischer Pfadlängen von blauem, grünem und rotem Licht in einem solchen Spiegel mit negativer Dispersion. LAYERTEC bietet Femtosekunden-Laseroptiken mit unterschiedlichen Bandbreiten an. Dieser Katalog zeigt z.B. Optiken für den Well