Lehrstuhl für Ultrakurzzeitphysik

und Photonik

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Ultrabreitbandige Femtosekunden-Faserlaser: Phasenstarre Impulse und einzelne Lichtschwingungen

Ansprechpartner: David Fehrenbacher, Sören KumkarClaudius RiekMarcel WunramDaniele Brida, Alfred Leitenstorfer

Einleitung

Abbildung 1: Foto der mit Erbium dotierten Faser eines Verstärkers. Das charakteristische grüne Fluoreszenzlicht ist das Ergebnis eines resonanten Aufkonversionsprozesses der Pumpphotonen.

Glasfaserbasierte Laser- und Verstärkersysteme haben sich mittlerweile ein vielseitiges Spektrum von Anwendungen erschlossen. Die bekanntesten Vertreter sind dabei Systeme, deren Fasern mit der seltenen Erde Erbium (Er) dotiert sind. Die große Verstärkungsbandbreite dieser Fasern, zentriert um eine Wellenlänge von 1550 nm, ermöglicht die Erzeugung von Impulsen mit einer Dauer von unter 100 fs (1 fs = 10-15 s). Durch die gezielte Ausnutzung nichtlinearer Effekte können sogar Impulsdauern von nur noch wenigen Femtosekunden (fs) erreicht werden. Erbium-Verstärker werden vorrangig in der Telekommunikation verwendet, sodass beim Bau eines solchen Lasersystems kompakte und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung stehen.

Mittels Frequenzkonversion in hoch nichtlinearen Germanosilikat-Glasfasern (HNF) ist es möglich, maßgeschneiderte, abstimmbare Spektren im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 2400 nm für die unterschiedlichsten Anwendungen zu erzeugen. Diese Fasern weisen, abhängig von Dotierung und Design, unterschiedliche Dispersionseigenschaften auf. Mit deren Kenntnis lassen sich optimierte Faserkombinationen berechnen [1]. So gelingt es beispielsweise durch Überlagerung zweier Spektren, kurze Impulse mit einer Dauer von nur noch 4,3 fs aus einem faserbasierten System zu synthetisieren [2]. Dies entspricht exakt einer einzelnen Schwingung des zugrundeliegenden elektrischen Feldes der Zentralwellenlänge von 1,3 µm und stellt damit den kürzest möglichen Impuls in diesem Frequenzbereich dar.

Durch den nichtlinearen Effekt der Differenzfrequenzgeneration steht zudem einen eleganter Weg offen, die relative Phasenlage zwischen elektrischem Feld und der Einhüllenden des Impulses passiv zu stabilisieren, sodass jeder Impuls eine exakte Kopie des vorangegangenen ist [3].

Aufbau eines typischen Systems

Abbildung 2: Schematischer Aufbau des Systems zur Erzeugung phasenstarrer Impulse bei einer Wellenlänge von 1550 nm mit a) Er:Faser-Oszillator, b) faserbasiertem Verstärker, c) hoch nichtlinearer Glasfaser zur Frequenzkonversion und d) dem Aufbau zur Differenzfrequenzgeneration. SAM: Sättigbarer Absorber-Spiegel, EDF: Erbium dotierte Faser, SiP: Prismenkompressor mit Silizium-Prismen, HNF: hoch nichtlineare Glasfaser, DBS: dichroitischer Strahlteiler, CM: gechirpter Spiegel, DBC: dichroitischer Strahlkombinierer, VDL: variable Verzögerungsstrecke, PPLN: periodisch gepolter Lithiumniobat-Kristall.

Der Aufbau eines Erbium-Systems zur Frequenzkonversion und Erzeugung phasenstarrer Impulse ist in Abbildung 2 dargestellt. Er besteht aus einem modengekoppelten Er:Faser-Oszillator in einem Hybrid-Design aus linearem und ringförmigen Teil (Abbildung 2a). Zum Modenkoppeln wird ein sättigbarer Absorberspiegel (SAM) im linearen Teil verwendet [4]. Der Oszillator wird über eine fasergekoppelten Laserdiode bei einer Wellenlänge von 974 nm gepumpt, wobei das Licht über einen ebenfalls fasergekoppelten Strahlteiler (WDM) eingekoppelt wird. Die Verwendung von polarisationserhaltenden Komponenten ermöglicht eine weitest gehende Entkopplung der Strahlführung und Polarisation von äußeren Einflüssen, was in einer außerordentlich hohen Stabilität resultiert.

Die Impulsenergie von etwa 60 pJ, die der Oszillator bereitstellt, reicht nicht aus um signifikante Prozesse in einer hoch nichtlinearen Glasfaser zu treiben. Über einen Verstärker, basierend auf Erbium dotierter Faser, kann die Impulsenergie jedoch effizient um über 3 Größenordnungen erhöht werden. Dazu wird dieser beidseitig mit fasergekoppelten Laserdioden gepumpt (Abbildung 2b).

Im nachfolgenden Silizium-Prismenkompressor (Abbildung 2c) werden die Impulse auf eine Dauer von etwa 120 fs komprimiert. Bei Impulsenergien um 10 nJ liegen Feldstärken vor, die eine gezielte Frequenzkonversion in einer HNF ermöglichen. Ein typisches Spektrum und der zeitliche Verlauf der Ausgangsimpulse aus dem Verstärker sind in Abbildung 3 gezeigt.

Abbildung 3: (a) typisches Spektrum und (b) zeitlicher Verlauf (schwarze Linie) mit Phase (grüne Linie) der Ausgangsimpulse eines Er:Faser-Verstärkers. Die Impulsenergie beträgt 8,5 nJ bei einer Impulsdauer von 122 fs.

Maßgeschneiderte Spektren durch Frequenzkonversion

Abbildung 4: Simulierte Ausgangsspektren aus der hoch nichtlinearen Glasfaser. Zwischen den experimentellen (Abbildung 5) und den numerisch gewonnen Daten ist eine exzellente Übereinstimmung gegeben.

Mit Hilfe eines Simulationsprogrammes basierend auf der nichtlinearen Schrödinger-Gleichung ist die Berechnung der Impulspropagation in einer hoch nichtlinearen Glasfaser möglich [5]. Dazu ist die Kenntnis über die Dispersionsparameter der verwendeten Faser in einem breitbandigen Wellenlängenbereich erforderlich. Diese werden mit einem faserbasierten Weißlichtinterferometer ermittelt. Außerdem sind die Eingangsparameter der Impulse durch eine so genannte FROG1-Messung bekannt, sodass eine parameterfreie Simulation möglich ist (Abbildung 4). Die berechneten Daten können in exzellenter Übereinstimmung experimentell verifiziert werden (Abbildung 5).

Typischerweise wird zur gezielten Frequenzkonversion eine Kombination aus verschiedenen Fasern verwendet. Die Länge der ersten Faser ist so gewählt, dass durch eine solitonische Kompression kurze Impulse mit einer Dauer von unter 20 fs bereitgestellt werden, was in einer Spitzenleistung von 200 kW resultiert. Diese führt in der direkt angespleißten HNF zum Aufbrechen der Impulse in einen kurzwelligen, dispersiv propagierenden Anteil, einen langwelligen solitonischen Impuls und dem restlichen Pumplicht bei einer Wellenlänge von 1550 nm [6]. Der vorgeschaltete Prismenkompressor ermöglicht es, durch seine variable Frequenzmodulation die Spektren über einen Wellenlängenbereich von 817 nm bis 2200 nm abzustimmen.

Ist die Faserkombination auf eine möglichst breitbandige dispersive Welle optimiert, so können nach einer Kompression Impulse mit einer Dauer von 7,8 fs erreicht werden [1]. Die zugehörige Autokorrelation ist in Abbildung 6 gezeigt. Durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen des dispersiven Anteils in einem gefächerten Lithiumniobat-Kristall wird der gesamte sichtbare Spektralbereich von 450 nm bis 700 nm zugänglich (Abbildung 7).

Abbildung 5: Experimentelle Ausgangsspektren aus der hoch nichtlinearen Glasfaser für verschiedene Prismeneinstellungen. Die Zentralwellenlänge des dispersiven Impulses lässt sich von 915 nm bis 1450 nm abstimmen, das Soliton liegt im Bereich zwischen 1700 nm und 2200 nm. Der Wellenlängenbereich um 1550 nm wurde in einem Prismenkompressor geblockt.
Abbildung 6: Die Autokorrelation dispersiver Impulse aus einer hoch nichtlinearen Glasfaser, deren Spektrum sich über einen Wellenlängenbereich von 580 nm erstreckt, ergibt eine Impulsdauer von 7,8 fs.
Abbildung 7: Durch die Erzeugung der zweiten Harmonischen des dispersiven Impulses in periodisch gepolten Lithiumniobat-Kristallen lässt sich der Frequenzbereich über das gesamte sichtbare Spektrum der Wellenlängen von 450 nm bis 700 nm erweitern.

Erzeugung passiv phasenstarrer Impulse

Je kürzer die Impulse werden, desto mehr gewinnt die Phasenlage des elektrischen Feldes relativ zur Einhüllenden eines Impulses, die so genannte Träger-Einhüllenden-Phase, an Bedeutung [7]. Um identische Impulse zu erzeugen muss diese fest sein. Die passive Stabilisierung der Träger-Einhüllenden-Phase wird mittels Differenzfrequenzgeneration innerhalb eines Frequenzkamms mit einer resultierenden Wellenlänge von 1550 nm realisiert. Möglich wird dies durch die gleichzeitige Nutzung des dispersiven und des solitonischen Anteils des Spektrums aus derselben hoch nichtlinearen Glasfaser (Abbildung 8). Die Verwendung von nur einer HNF hat den Vorteil, dass sich die Phasenlage beider Anteile nicht ändert, was zu einem extrem stabilen System führt.

In Abbildung 2d) ist der Aufbau zur Generation dieser phasenstarren Impulse gezeigt. Mittels eines Strahlteilers werden solitonischer und dispersiver Anteil getrennt. Für eine effiziente Differenzfrequenzgeneration ist es notwendig, den kurzwelligen Anteil zu komprimieren. Dies geschieht mit zwei gechirpten Spiegeln2. Die Anpassung der Laufzeiten beider Spektralanteile ist über eine variable Verzögerungsstrecke realisiert.

Abbildung 8: Ausgangsspektren aus einer bei einer Wellenlänge von 1550 nm gepumpten hoch nichtlinearen Glasfaser. Die unterschiedlichen Farben entsprechen verschiedenen Frequenzmodulationen der Eingangsimpulse. Der Frequenzabstand der rot dargestellten Spektren beträgt 193 THz, was einer Wellenlänge von 1550 nm entspricht.

Die Differenzfrequenzgeneration wird in einem periodisch gepolten Lithiumniobat-Kristall vorgenommen. Dabei ist die Zentralwellenlänge in einem Bereich von 1440 nm bis 1700 nm durchstimmbar. Die phasenstarren Impulse nach dem Kristall haben einen Impulsenergie von etwa 50 pJ und werden anschließend in einem Er:Faser-Verstärker auf Impulsenergien um 10 nJ verstärkt. Die nachfolgende Kompression führt zu Impulsen mit einer Dauer von 120 fs. Damit liegen vergleichbare Werte wie vor der hoch nichtlinearen Faser vor. Das eröffnet die Möglichkeit auch mit den so gewonnenen phasenstarren Impulsen nichtlineare Prozesse in weiteren hoch nichtlinearen Fasern zu treiben [3].

Abbildung 9: (a), (b) Überlagerung des fundermentalen und frequenzverdoppelten Spektrums um 900 nm. Die Oszillationsperiode wird durch die verschiedenen Glasdicken und damit unterschiedlichen Verzögerungszeiten variiert. (c) ist eine Serie von 1000 Spektren, aufgenommen über einen Zeitraum von 8 s. (d) Über Fouriertransformation ermittelte Phase der in (c) dargestellten Oszillationen. Durch Vergleich der Werte ergibt sich eine RMS-Abweichung von 0,219 rad.

In einem f-2f-Interferometer kann nachgewiesen werden, dass die Änderung der Phasenlage jeder einzelnen Lichtschwingung über einen Zeitraum von 8 s kleiner als 3,5% ist. Dies entspricht einer RMS-Abweichung von nur 0.219 rad (Abbildung 9 (c) und (d)). Dazu werden in einer HNF Frequenzanteile über mehr als eine Oktave aus den phasenstarren Impulsen erzeugt. Alle Anteile teilen sich dabei den gleichen Frequenzkamm. Der kurzwellige Anteil kann durch das Einfügen von Dispersion mittels eines SF66-Glasblocks verzögert werden. Erzeugt man die zweite Harmonische des langwelligen Anteils, so befinden sich beide Spektren wiederum bei der gleichen Frequenz. Sind die Impulse phasenstarr, ist  in einem Frequenzspektrometer eine zeitlich stabile Modulation zu erkennen. Abbildung 9 (a) und (b) zeigt eine über 160000 Impulse gemittelte Messung. Die deutlichen Modulationen sind der Beweis, dass die Impulse auf der Millisekunden-Zeitskala exzellent stabil sind.

Generation von Impulsen einer einzelnen Lichtschwingung

Abbildung 10: (a) Gemessene Autokorrelation (rote Linie) im Vergleich mit einer berechneten. Zur Anpassung werden die Werte der relativen Phase, des zeitlichen Abstandes und der relativen Intensität variiert. (b) Über Fourier-Transformation erhaltener zeitlicher Verlauf der Intensität des synthetisierten Impulses (blau) und Phase (grün).

Um Impulse zu generieren, die an das physikalische Limit einer einzelnen Schwingung des elektrischen Feldes gelangen, ist die Kompression einer sehr großen Bandbreite kohärenter Strahlung notwendig. Die Verstärkungsbandbreite von herkömmlichen Lasern reicht dafür nicht aus, weshalb eine externe Verbreiterung beispielsweise durch Selbstphasenmodulation notwendig wird. Die größte Herausforderung dabei ist es, die Kohärenz der spektralen Anteile zu erhalten und gleichzeitig eine geeignete Methode zu finden, die Impulse zu komprimieren.

Die hoch flexible Er:Faser-Technologie eröffnet dabei eine völlig neue Herangehensweise: In zwei verschiedenen Verstärkerarmen, vom selben Oszillator gespeist, wird jeweils eine HNF eingesetzt. Dadurch können zwei spektral dicht beieinander liegende, breitbandige Spektren erzeugt werden. Aus dem ersten Arm wird der solitonische Anteil, aus dem zweiten Arm der dispersive Anteil verwendet. Beide spektralen Anteile werden in einem separaten Glasprismen-Kompressor komprimiert und über eine variable Verzögerungsstrecke kohärent überlagert. In Abbildung 10 ist eine Autokorrleation und das Ergebnis einer FROG-Messung eines solchen überlagerten Impulses gezeigt. Die resultierende Dauer von nur 4,3 fs entspricht bei der zugrundeliegenden Wellenlänge von 1300 nm exakt einer Oszillationsperiode des elektrischen Feldes [2]. Damit ist es erstmalig gelungen, optische Impulse mit nur einer einzelnen Lichtschwingung zu generieren. Diese eignen sich beispielsweise zur hochaufgelösten Anrege-Abfrage-Spektroskopie. In Kombination mit der passiven Phasenstabilisierung könnte außerdem die Generation von Attosekunden-Impulsen bei der vollen Repetitionsrate des Oszillators im MHz-Bereich ermöglicht werden. Dafür wird eine höhere Impulsenergie benötigt um die notwendigen elektrischen Feldstärken zu erreichen (s. nächster Abschnitt).

Anwendungsgebiete ultrabreitbandiger Faserlaser

Um Experimente in der extrem nichtlinearen Optik durchzuführen sind Impulsenergien im Bereich von einigen µJ notwendig. Bei solch hohen Impulsenergien und Durchschnittsleistungen greift man typischerweise auf mit Ytterbium (Yb) dotierte Fasern zurück [8]. Auch die Technologie der passiv phasenstarren Impulse lässt sich auf diesen Anwendungsbereich ausweiten. Mit Hilfe einer HNF ist man in der Lage, das Spektrum der Impulse gezielt in den Wellenlängenbereich um 1030 nm zu verschieben, der in der Verstärkungsbandbreite von Yb-dotierten Fasern liegt.

Aber auch in anderen Bereichen spielen die stabilen und extrem flexiblen Faserlaser eine große Rolle: Erst mithilfe der beschriebene Technologie der gezielten Frequenzkonversion ist die nichtlineare Spektroskopie an optischen Nanoantennen [9] sowie ultrabreitbandige THz-Detektion höchster Empfindlichkeit möglich. Die vorhandene Technologie der phasenstarren Impulse ist für die Erzeugung von Frequenzkämmen für Weltraumanwendungen von höchstem Interesse.

Im Bereich der Biologie erweitert die Technologie der gezielten Frequenzkonversion das Feld der nichtlinearen konfokalen Mikroskopie, wie zum Beispiel lokale Photomanipulation Mehrphotonenprozesse oder die kohärente anti-Stokes Ramanstreuung [10,11]. Hier existieren enge Kooperationen mit dem Fachbereich Biologie und dem Bioimaging-Center der Universität Konstanz.

Aktuelle Projekte

  • Ausbau der Technologie phasenstarrer Impulse für andere Frequenzbereiche und hohe Impulsenergien bis hin in den µJ-Bereich
     
  • Aufbau eines Systems mit phasenstarren Impulsen bei hohen Repetitionsraten zur Erzeugung eines Frequenzkammes zur Anwendung im Weltraum
     
  • Detektion von THz-Impulsen mit höchster Empfindlichkeit am Quantenlimit.

Referenzen

[1] A. Sell, G. Krauss, R. Scheu, R. Huber und A. Leitenstorfer
"8-fs pulses from a compact Er:fiber system: quantitative modeling and experimental implementation"
Opt. Express 17, 1070 (2009)

[2] G. Krauss, S. Lohss, T. Hanke, A. Sell, S. Eggert, R. Huber und A. Leitenstorfer
"Synthesis of a single cycle of light with compact erbium-doped fibre technology"
Nature Photon. 4, 33 (2010)

[3] G. Krauss, D. Fehrenbacher, D. Brida, C. Riek, A. Sell, R. Huber und A. Leitenstorfer
"All-passive phase locking of a compact Er:fiber laser system"
Opt. Lett. 36, 540 (2011)

[4] F. Adler
"Erbium-dotierte Femtosekunden-Faserlaser und Anwendungen"
Doktorarbeit an der Universität Konstanz (2007)

[5] G. P. Agrawal
"Nonlinear Fiber Optics"
4th ed., Academic Press, San Diego (2007)

[6] F. Tauser, F. Adler und A. Leitenstorfer
"Widely tunable sub-30-fs pulses from a compact erbium-doped fiber source"
Opt. Lett. 29, 516 (2004)

[7] D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall und S. T. Cundiff
"Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis"
Science 288, 635 (2000)

[8] Y. Jeong, J. Sahu, D. Payne und J. Nilsson
"Ytterbium-doped large-core fiber laser with 1.36 kW continuous-wave output power"
Opt. Express 12, 6088 (2004)

[9] T. Hanke, G. Krauss, D. Träutlein, B. Wild, R. Bratschitsch und A. Leitenstorfer
"Efficient Nonlinear Light Emission of Single Gold Optical Antennas Driven by Few-Cycle Near-Infrared Pulses"
Phys. Rev. Lett. 103, 257404 (2009)

[10] G. Krauss, T. Hanke, A. Sell, D. Träutlein, A. Leitenstorfer, R. Selm, M. Winterhalder und Andreas Zumbusch
"Compact coherent anti-Stokes Raman scattering microscope based on a picosecond two-color Er:fiber laser system"
Opt. Lett. 34, 2847 (2009)


[11] R. Selm, M. Winterhalder, A. Zumbusch, G. Krauss, T. Hanke, A. Sell und A. Leitenstorfer
"Ultrabroadband background-free coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy based on a compact Er:fiber laser system"
Opt. Lett. 35, 3282 (2010)

Forschungsförderung Femtosekunden-Faserlaser

Centrum für angewandte Photonik (CAP), Projekt CAP 06

TOPTICA Photonics AG

EADS Astrium GmbH

ERC Advanced Grant


1FROG (engl.: Frequency resolved optical gating): Das frequenzaufgelöste optische Abtasten ist eine Möglichkeit, kurze Laser-Impulse in der Zeitdomäne zu vermessen.

2Gechirpte Spiegel reflektieren verschiedene Wellenlängen in unterschiedlichen Tiefen einer dielektrischen Schichtstruktur und können so eine vorhandene Frequenzmodulation ausgleichen.