DE19802845A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung mittels eines Lichtwellenleiter-Verstärkers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen mit hoher Leistung und insbesondere ein System, das einen Oszillator, einen Verstär­ ker, einen Kompressor und einen Frequenzwandler zur Erzeugung von Femtosekundenimpulsen verwendet.

Techniken zur Erzeugung von kurzen und ultrakurzen optischen Impulsen bei Lichtwellenleitern sind bereits seit einigen Jahren bekannt und sind vor kurzem auf vielen Gebieten ange­ wandt worden. Beispielsweise sind wie in der Clark erteilten US-5 530 582 offenbart und wie durch A. Hariharan u. a. in "Alexandrite-pumped alexandrite regenerative amplifier for femtosecond pulse amplification", "Optics Letters", Bd. 21, S. 128 (1996) berichtet ultrakurze optische Impulse als In­ jektionsquellen verwendet worden. Die Injektionseinkopplung ("injection seeding") von Hochleistungsverstärkern zieht wie durch Clark und Hariharan beschrieben wesentlich aus Impuls­ wellenlängen Nutzen, die in dem Bereich unter 1,2 µm liegen. Ähnliche Einschränkungen gelten für viele andere derzeit ver­ folgte Anwendungen von ultrakurzen Impulsen, beispielsweise bei der THz-Erzeugung (wie durch W. Denk in "Two-photon exci­ tation in functional biological imaging", "Journal of Biome­ dical Optics", Bd. 1, S. 296 (1996) berichtet) oder in der konfokalen Mikroskopie (wie durch van Exter u. a. in "Tera­ hertz time-domain spectroscopy of water vapor", "Optics Let­ ters", Bd. 14, S. 1128 (1989) berichtet). Derartige Wellen­ längen können durch Frequenzverdopplung der Impulse aus einem ultraschnellen Erbium-Lichtwellenleiteroszillator (wie durch Clark und L.E. Nelson u. a. in "Efficient frequency-doubling of a femtosecond fiber laser", "Optics Letters", Bd. 21, S. 1759 (1996) vorgeschlagen) erzeugt werden, d. h. einen Oszil­ lator, der Impulse in der Größenordnung von 100 fs erzeugt, oder wahlweise von Lichtwellenleiter-Verstärkersystemen (wie durch Hariharan vorgeschlagen). Jedoch lehrt keine dieser Veröffentlichungen, daß der Wirkungsgrad der Frequenzverdopp­ lung durch eine Einschränkung der spektralen Akzeptanz- bzw. Toleranzbandbreite des Verdopplungskristalls optimiert werden kann.

Außerdem lehrt keine dieser Veröffentlichungen, daß eine her­ vorragende Leistungsfähigkeit auch durch Implementierung von Oszillator- bzw. Verstärkerentwürfen mit nichtlinearen Ver­ stärkern oder durch Implementierung von Oszillator- bzw. Ver­ stärkerentwürfen mit nichtlinearen Kompressoren erhalten wer­ den kann.

Vor dem Impulsverstärker oder -kompressor verwendete Impulse müssen nicht von einem Lichtwellenleiteroszillator hergelei­ tet werden, wie in den vorstehend erwähnten Veröffentlichun­ gen von Clark und Hariharan beschrieben wurde. Wahlweise kön­ nen Impulse aus optischen Großeinrichtungen (siehe Islam u. a.: "Broad-bandwidths from frequency-shifting solitons in fibers", "Optics Letters", Bd. 14, S. 379 (1989)) oder Di­ odenlasern (siehe Galvanauskas u. a.: "Generation of femtose­ cond optical pulses with nanojoule energy from a diode laser and fiber based system", "Applied Physics Letters", Bd. 63, S. 1742 (1993) und Ong u. a.: "Subpicosecond soliton compres­ sion of gain-switched diode laser pulses using an erbium­ doped fiber amplifier", "IEEE Journal of Quantum Electro­ nics", Bd. 29, S. 1701 (1993)) verwendet werden. Es sei be­ merkt, daß die durch Clark und Hariharan offenbarten Systeme lineare Verstärker verwenden, und nicht vorgeschlagen wird, daß Impulse von einem nichtlinearen Verstärker hergeleitet werden. Außerdem verwenden die durch Islam, Galvanauskas und Ong offenbarten Systeme keine Frequenzverdopplung.

Darüber hinaus erfordert die Erzeugung der kürzestmöglichen Impulse mit Systemen nur mit Oszillatoren, wie die durch Clark, Nelson u. a. offenbarten, typischerweise komplizierte Hohlraum-Entwürfe mit relativ hohen optischen Verlusten, die deswegen nicht sehr effektiv bei der Erzeugung einer maxima­ len Ausgangsleistung für eine bestimmte Pumpleistung sind.

Hinsichtlich der Kompressionstechniken bei Systemen zur Er­ zeugung von ultrakurzen optischen Impulsen gibt es zwei Mög­ lichkeiten: die Verwendung eines Lichtwellenleiters mit posi­ tiver Dispersion (der keine Solitonwelle gestattet), wie in der Kafka erteilten US-4 913 520 sowie durch Tamura u. a.: "Pulse compression using nonlinear pulse evolution with redu­ ced optical wave breaking in erbium-doped fiber amplifiers with normal group-velocity dispersion", "Optics Letters", (1996) offenbart; oder die Verwendung von Lichtwellenleitern mit negativer Dispersion (die eine Solitonwelle gestattet), wie durch Islam u. a. offenbart. Es wird auch auf "Peak Power Fluctuations in Optical Pulse Compression" von Kafka u. a., "IEEE Journal of Quantum Electronics", Bd. 24, S. 341 (1988) verwiesen. Obwohl Lichtwellenleiter mit positiver Dispersion im Prinzip für die Erzeugung von Impulsen von weniger als 10 fs verwendet werden können, erfordern derartige Lichtwellen­ leiter zusätzliche lineare Impulskompressoren, die einen Ent­ wurf mit niedrigen Kosten verhindern. Auf gleiche Weise kann bei Kompressionstechniken mit einem Lichtwellenleiter mit po­ sitiver Dispersion der Ramaneffekt im allgemeinen nicht ver­ wendet werden, da die Wirkungen der Ramanumwandlung nachtei­ lig eingeschätzt werden (siehe Kafka).

Deswegen werden Impulskompressoren auf Grundlage von Licht­ wellenleitern mit negativer Dispersion trotz der Tatsache be­ vorzugt, daß die erzeugte Impulsbreite typischerweise länger als 10 fs ist, da derartige Lichtwellenleiterkompressoren derart entworfen werden können, daß sie nicht auf externen linearen Impulskompressoren beruhen. Darüber hinaus können derartige Kompressoren derart entwickelt werden, daß sie aus der Raman-Eigenfrequenzverschiebung bei Lichtwellenleitern einen Vorteil ziehen, die dazu neigt, das Spektrum des kom­ primierten Impulses weiter zu verbreitern (siehe Islam u. a.).

Dies kann jedoch zu der Erzeugung eines Austastimpulses mit niedrigem Pegel in dem erwünschten komprimierten Impuls füh­ ren, was bei vielen Anwendungen von ultraschneller Optik ab­ träglich ist. Demgegenüber ist die Spektralentwicklung des Ramanimpulses nützlich, da sie ein bestimmtes Ausmaß an Ab­ stimmbarkeit gestattet (siehe Islam u. a.). Derartige Impuls­ kompressoren sind nachstehend als Soliton-Raman-Kompressoren (SRC) beschrieben.

Eine frühe Systemimplementierung eines Soliton-Paman-Kom­ pressors bei einem Erbium-Lichtwellenleiter-Verstärker wurde durch K. Kurokawa u. a. in "Wavelength-dependent amplification characteristics of femtosecond erbium-doped optical fiber amplifiers", "Applied Physics Letters", Bd. 58, S. 2871 (1991) beschrieben. Jedoch erzeugte in dem darin offenbarten System ein Diodenlaser die "Einkopplungs"-Impulse für den So­ liton-Paman-Verstärker.

Eine weitere Systemimplementierung eines Soliton-Raman-Kom­ pressors bei einem Erbium-Lichtwellenleiter-Verstärker, die auf einem unpraktischen starken Lasersignal und Pumpquellen beruht, wurde durch I. Y. Kruschev u. a. in "Amplification of Femtosecond Pulses in Er³⁺-doped single-mode optical fibers", "Electronics Letters", Bd. 26, S. 456 (1990) berichtet.

Die erste Implementierung eines Soliton-Raman-Kompressors bei einem Erbiumverstärker unter Verwendung eines Lichtwellenlei­ ter-Lasers als Einkopplung wurde durch Richardson u. a. in "Passive all-fiber source of 30 fs pulses", "Electronics Let­ ters", Bd. 28, S. 778 (1992) und in "Amplificatin of femtose­ cond pulses in a passive all-fiber soliton source", "Optics Letters", Bd. 17, S. 1596 (1992) beschrieben. Jedoch imple­ mentieren die in den Veröffentlichungen durch Islam u. a., Galvanauskas u. a., Ong u. a., Kafka, Tamura u. a., Kurokawa u. a., Khrushchev u. a. und Richardson u. a. offenbarte Systeme keine Frequenzumwandlung unter Verwendung eines nichtlinearen Verstärkersystems zur Erzeugung einer frequenzverdoppelten Wellenlänge.

Außerdem sehen die in den Veröffentlichungen von Islam u. a., Galvanauskas u. a., Ong u. a., Tamura u. a., Kurokawa u. a., Khrushchev u. a. sowie Richardson u. a. keine Steuerung des Po­ larisationszustands des Soliton-Raman-Kompressors vor. Der­ zeit ziehen Soliton-Raman-Kompressoren einen Nutzen aus dem Ramaneffekt in Lichtwellenleitern, der wiederum von dem Pola­ risationszustand des Lichts in dem Lichtwellenleiter und der Lichtwellenleiter-Doppelbrechung abhängt, wie durch Menyak u. a. in "Raman effect in birefringent optical fibers", "Optics Letters", Bd. 16, S. 566 (1991) offenbart ist. Dar­ über hinaus kann eine nichtlineare Polarisationsentwicklung in hochgradig nichtlinearen Soliton-Raman-Kompressoren statt­ finden, wie durch Fermann u. a. in "Optics Letters", Bd. 19, S. 45 (1994) berichtet wurde. Daher kann ein reproduzierbarer und stabiler Soliton-Raman-Kompressor ohne Polarisations­ steuerung nicht aufgebaut werden.

Die in dem vorangehenden Abschnitt aufgeführten Veröffentli­ chungen lehren auch nicht, wie der Wirkungsgrad von Soliton- Raman-Kompressoren allgemein zu maximieren ist und wie die Impulsenergie der mit den Soliton-Raman-Kompressoren erzeug­ ten - komprimierten Impulse zu maximieren ist. Da die mit un­ kritisch phasenangepaßten Verdopplungskristallen erhaltbare Verdopplungseffektivität wie periodisch gepolte LiNbO₃ (PPLN) hauptsächlich von der Impulsenergie abhängt und nicht kri­ tisch von der Impulsbreite abhängt, bei Verwendung von konfo­ kaler Fokussierung, ist die Maximierung der Impulsenergie eindeutig ein kritischer Punkt.

In der vorstehenden Veröffentlichung von Richardson u. a. wur­ de vorgeschlagen, daß eine unbestimmte Steuerung der Moden­ größe eines Lichtwellenleiter-Oszillators und eines Lichtwel­ lenleiter-Verstärkers zu der Erzeugung der kürzestmöglichen Impulse führen kann. Jedoch kann eine Maximierung der Impul­ senergie von einem derartigen System tatsächlich eine höhere Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge erzeugen.

Als Alternative zu Soliton-Raman-Kompressoren ist eine adia­ batische Soliton-Verstärkung zur Impulskompression diskutiert worden (siehe E. M. Dianov u. a., "Optics Letters", Bd. 14, S. 1008 (1989)). Im allgemeinen erfordert der adiabatische Zu­ stand, daß der Verstärkungskoeffizient α pro Solitonperiode wesentlich kleiner als 1 ist. In diesem Fall ist die Soliton­ periode des Solitons mit L_d ≈ 0,5|β₂|/τ² definiert, wobei τ die FWHM- (volle Breite, halbes Maximum) Impulsbreite des Soli­ tons und β₂ die Gruppengeschwindigkeitsdispersion des Licht­ wellenleiters ist. Alternativ muß bei einer adiabatischen So­ liton-Verstärkung das Aufbrechen der grundlegenden Soliton­ welle mit N = 1 in eine Solitonwelle mit N = 2 verhindert werden. Da die Energie einer Solitonwelle mit N = 2 für die­ selbe Impulsbreite viermal höher als das für eine Solitonwel­ le mit N = 1 ist, sollte die Verstärkung g pro Solitonperiode kleiner als ungefähr 2 sein. Infolgedessen müssen typischer­ weise Verstärkerlängen von einigen 10 m bis zu mehreren km Länge verwendet werden, was nicht praktisch ist. Auf gleiche Weise kann wegen nichtlinearer Effekte höherer Ordnung in dem Lichtwellenleiter die Impulsenergie nach derart langen Licht­ wellenleiterlängen verglichen mit dem, was mit kurzen Ver­ stärkern möglich ist, geringer sein.

Als weitere Alternative zu Soliton-Raman-Kompressoren können Femtosekunden-Impulse durch Chirpimpuls-Verstärkung (CPA) bei Lichtwellenleitern verstärkt werden, wie durch Minelly u. a. in "Optics Letters", Bd. 20, S. 1797 (1995) und in der Galva­ nauskas u. a. erteilten US-5 499 134 offenbart ist. Jedoch wird typischerweise so keine Impulsverkürzung, sondern eher eine Impulsverbreiterung wegen der begrenzten Bandbreite des Verstärkungsmediums und der zur Impulskomprimierung und Im­ pulsdehnung verwendeten Gitter erhalten. Daher sind derartige Systeme weniger nützlich, solange die Impulsenergie ungefähr wenige nJ erreicht.

In dem durch Minelly u. a. beschriebenen System wurde ein Dop­ pelmantel-Lichtwellenleiter, d. h. ein Lichtwellenleiter mit einem Doppel stufen-Beugungsindexprofil als Lichtwellenleiter implementiert. Daher wurde ein Mantelpumpen (wie in der Kafka erteilten US-4 829 529 offenbart) zur Abgabe des Pumplichts in den Lichtwellenleiter-Verstärker implementiert. Wie in der Veröffentlichung durch Minelly u. a. gelehrt kann die Moden­ größe der einzelne Grundmode in derartigen Lichtwellenleitern erhöht werden, während gleichzeitig eine hohe Konzentration des Dotierstoff-Lösungsmittels (Al₂O₃ bei Minelly u. a.) bei­ behalten wird, das den Index erhöht. Wiederum kann eine hohe Konzentration eines Dotierstoff-Lösungsmittels die Lösbarkeit eines Dotierstoffs (Er³⁺ bei Minelly u. a.) erhöhen, was zu einem hohen Quantenwirkungsgrad für einen derartigen Verstär­ ker führen kann.

Jedoch lehren Minelly u. a. nicht, daß das Leistungsvermögen derartiger Lichtwellenleiter zur Femtosekundenimpuls-Ver­ stärkung durch Richten des Pumplichts direkt in den Kern op­ timiert werden kann, anstelle ein Mantelpumpen zu implemen­ tieren.

Als Alternative zur Chirpimpuls-Verstärkung kann auch eine lineare Verstärkung kurzer optischer Impulse in Betracht ge­ zogen werden. Ob ein Verstärker als linear oder nichtlinear betrachtet werden kann, hängt von der durch den Verstärker verursachten nichtlinearen Phasenverzögerung Φ_n1 ab. Nimmt man einen linearen Anstieg der Impulsenergie mit der Lichtwellen­ leiterlänge bei einem gesättigten Verstärker und eine Ver­ stärkungsrate von wesentlich mehr als dem adiabatischen Zu­ stand an, ist die nichtlineare Phasenverzögerung Φ_n1 eines Impulses bei einem Verstärker der Länge L ungefähr gegeben durch

wobei n₂ der nichtlineare Brechungsindex, n₂ = 3,2 × 10^-20W^-1 für Siliziumglas, A die Kernfläche, λ die Signalwellenlänge und τ die Impulsbreite ist. In diesem Wall wurde eine disper­ sionsfreie Verstärkung mit einer Stufe angenommen; für eine Verstärkung mit zwei Stufen wird L/2 durch L ersetzt. Her­ kömmliche Laserverstärker sind typischerweise derart entwic­ kelt, daß sie eine gute Impulsqualität bei einer Signalwel­ lenlänge erzeugen, was eine Entwicklung für einen Verstärker mit Φ_n1 < 5 impliziert.

Es sei bemerkt, daß das Problem der Polarisationssteuerung bei einem Nichtpolarisation erhaltenden Lichtwellenleiter durch Implementation von Faraday-Rotationsspiegeln (FRMs) mi­ nimiert werden kann. Vorangegangene Verwendungen von Faraday- Rotationsspiegeln waren tatsächlich jedoch auf lineare Licht­ wellenlaserverstärker beschränkt, wie in der Duling u. a. er­ teilten US-5 303 314 offenbart, oder nur auf ultraschnelle Femtosekunden-Lichtwellenleiterlaser, wie in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung durch Fermann u. a. offenbart.

Auf sämtliche der vorstehend erwähnten Artikel und Patent­ schriften sei hiermit zur Bezugnahme verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kurze optische Im­ pulse mit einer Signalwellenlänge (SW) in kurze optische Im­ pulse mit einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW) umzu­ wandeln. Erfindungsgemäß weist ein System einen Kurzimpuls- Oszillator, einen Verstärker, einen Kompressor und einen Fre­ quenzwandler auf, wobei der Verstärker und der Kompressor hochgradig nichtlinear sein und der Vorgang der Verstärkung und Kompression in einer optischen Einheit kombiniert werden können. Die Implementation eines Frequenzwandlungsvorgangs gestattet die Verwendung von sehr hochgradig nichtlinearen Verstärkern oder Kompressoren mit einer Signalwellenlänge (SW) ohne Eingehen von Kompromissen hinsichtlich der Impuls­ qualität bei einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW).

Die Entwicklung des Oszillators, des Verstärkers sowie des Kompressors kann hinsichtlich der Energie effektiver als Ent­ wicklungen nur mit grundlegenden Oszillatoren sein, da die Erzeugung der kürzestmöglichen Impulse aus Oszillatoren typi­ scherweise komplizierte Hohlraum-Entwürfe mit relativ hohen optischen Verlusten beinhaltet, die daher nicht sehr effektiv bei der Erzeugung einer maximal möglichen Ausgangsleistung für eine bestimmte Pumpleistung sind. Darüber hinaus gestat­ tet die Implementation eines nichtlinearen Verstärker-/Im­ pulskompressors die Verwendung von Oszillator-Einkopplungs­ impulsen mit bedeutend längeren Impulsbreiten als bei Tech­ niken nur mit Oszillatoren zum Erhalt einer schließlich be­ stimmten ultrakurzen Impulsbreite. Dies gestattet wiederum eine Vereinfachung des Oszillatorentwurfs und führt zu einer wesentlichen Kostensenkung für das System.

Eine besondere Systemimplementierung weist einen Kurzimpuls- Lichtwellenleiter-Laseroszillator, einen Lichtwellenleiter- Verstärker, einen Soliton-Raman-Kompressor (SRC) und einen nichtlinearen Kristall (NC) auf, wobei eine nichtlineare Fre­ quenzumwandlung hauptsächlich bei dem nichtlinearen Kristall auftritt. Durch einen umsichtigen Entwurf des Soliton-Raman- Kompressors und eine geeignete Wahl des nichtlinearen Kri­ stalls wird der Wirkungsgrad des Umwandlungsvorgangs maxi­ miert, und die fast bandbreitenbegrenzten Impulse bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge werden selbst mit Impulsen niedriger Qualität bei der Signalwellenlänge erzeugt.

Der Soliton-Raman-Kompressor wird durch Steuerung dessen Po­ larisationszustand und dessen Dispersionseigenschaften durch Verwendung von Lichtwellenleitern mit großen Modenwerten und durch Steuerung des Werts der Raman-Verschiebung bei dem Ver­ stärker optimiert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Licht­ wellenleiter-Verstärker mit dem Soliton-Raman-Kompressor kom­ biniert, wobei der Wirkungsgrad des Verstärkers durch Imple­ mentierung von Lichtwellenleitern mit Doppelstufenprofilen des Brechungsindexes optimiert werden kann. Langzeitverschie­ bungen des Polarisationszustands werden durch Verwendung ei­ nes Faraday-Rotationsspiegels (FRM) in Verbindung mit einem Verstärker und einem Soliton-Raman-Kompressor vermieden. Al­ ternativ kann die Verwendung eines polarisationserhaltenden, erbiumdotierten Lichtwellenleiters für den Verstärker und den Soliton-Raman-Kompressor verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird demonstriert, daß eine Frequenzumwand­ lung hauptsächlich nicht nur für den komprimierten Teil der aus dem Soliton-Raman-Kompressor austretenden Impulse imple­ mentiert werden kann, wohingegen der unkomprimierte Impuls­ teil in dem nichtlinearen Frequenzumwandlungsvorgang unter­ drückt werden kann. Außerdem kann durch Auswahl eines nicht­ linearen Vorgangs mit einer Akzeptanzbandbreite, die kleiner als die Bandbreite der aus dem Soliton-Raman-Kompressor aus­ tretenden Impulse ist, der Wirkungsgrad der nichtlinearen Frequenzumwandlung optimiert werden.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung gestattet die Raman-Verschiebung bei dem Soliton-Raman-Kompressor und der Implementierung eines nichtlinearen Frequenzumwandlungsvor­ gangs eine beschränkte Abstimmbarkeit der frequenzverdoppel­ ten Wellenlänge.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird Pump­ licht direkt in den Lichtwellenleiterkern eines Doppelmantel- Lichtwellenleiters gepumpt, damit ein Vorteil aus der Tatsa­ che gezogen werden kann, daß die Pumpabsorption in dem Licht­ wellenleiterkern höher als die Absorption in dem Mantel um einen Faktor ist, der proportional zu dem Verhältnis (Fläche des Innenmantels)/(Kernfläche) ist. Diese Anordnung gestattet die Verwendung von kürzeren Verstärker-Lichtwellenleitern als dies mit Mantelpumpen möglich ist, was wiederum die Nichtli­ nearität des Verstärkers zur Verstärkung von Femtosekundenim­ pulsen minimiert.

Schließlich kann bei Anpassung an konfokale Mikroskopieanwen­ dungen das Leistungsvermögen einer erfindungsgemäßen Impuls­ quellen-/Lichtwellenleiter-Verstärker-/Frequenzwandleran­ ordnung durch Auswahl von fast bandbreitenbegrenzten Impuls­ quellen optimiert werden, die relativ lange Impulse erzeugen, damit eine fast lineare Verstärkung bei dem Lichtwellenlei­ ter-Verstärker gestattet wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Doppelstufenkonfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 das Beugungsindexprofil des Verstärkers gemäß dem er­ sten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 eine interferometrische Autokorrelation der frequenz­ verdoppelten, optischen Impulse gemäß dem ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung,

Fig. 4 die Spektra der aus dem Soliton-Raman-Kompressor bei unterschiedlichen Temperaturen des PPLN austretenden Impulse gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 5 die abgesenkte Spektralbreite bei dem Oszillator und bei dem Verstärker wegen der Eigenphasenmodulation bei dem Verstärker, wenn die Pumpleistung verringert ist,

Fig. 6 eine Einzelstufenkonfiguration der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 7 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem Ge­ genrichtungspumpen verwendet wird,

Fig. 8 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Lichtwellenleiter-Verstärker zwei Dotierpegel und einen undo­ tierten Lichtwellenleiterabschnitt aufweist,

Fig. 9 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Doppelmantel-Verstärker-Lichtwellenleiter verwendet wird,

Fig. 10 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Multimoden-Lichtwellenleiter-Verstärker verwendet wird,

Fig. 11 ein Blockschaltbild der Erfindung,

Fig. 12 ein Blockschaltbild der Erfindung, bei dem ein linea­ rer Verstärker und ein nichtlinearer Kompressor verwendet werden, und

Fig. 13 ein anderes Blockschaltbild der Erfindung.

Lediglich beispielhaft werden nachstehend drei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Das Ziel des Systems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, die durchschnittliche Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW) ohne Eingehen von Kompromissen hinsichtlich der Impulsbreite zu maximieren. Das Ziel des Systems gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel besteht darin, die durch­ schnittliche Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlän­ ge insbesondere zur Optimierung des Wirkungsgrades zur Ver­ wendung der frequenzverdoppelten Wellenlänge bei konfokaler Mikroskopie zu maximieren. Das Ziel des Systems gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel besteht darin, die erforderliche Pumpleistung für den Lichtwellenleiter-Verstärker des Systems zu minimieren.

Fig. 1 stellt die Konfiguration eines Hochleistungs-Femto­ sekunden-Impulserzeugungssystems gemäß einem ersten erfin­ dungsgemäßen Ausführungsbeispiel dar. Gemäß Fig. 1 erzeugt ein Lichtwellenleiteroszillator 10 Einkopplungsimpulse. Der Lichtwellenleiteroszillator 10 kann beispielsweise ein in der Umgebung stabiler Erbium-Lichtwellenleiter sein, der bei ei­ ner Wellenlänge von 1,5 µm arbeitet. Ein derartiger Lichtwel­ lenleiteroszillator wurde in der vorstehend erwähnten Veröf­ fentlichung von Wermann u. a. offenbart. Der Lichtwellenleite­ roszillator 10 kann bandbreitenbegrenzte Impulse von 300 fs mit einer Wiederholungsrate von 50 MHz mit einer einstellba­ ren durchschnittlichen Ausgangsleistung von 1 bis 5 mW erzeu­ gen. Vorzugsweise sind die Impulse linear polarisiert.

Es sei bemerkt, daß die Einkopplungsimpulse nicht von einem Lichtwellenleiteroszillator erzeugt werden müssen; alternativ können Impulse aus optischen Großeinrichtungen oder Diodenla­ sern verwendet werden. Aus der Perspektive der Kosten sind Impulse entweder aus einem Diodenlaser oder aus einem Licht­ wellenleiterlaser-Oszillator vorzuziehen. Im allgemeinen wird erwartet, daß ein Lichtwellenleiteroszillator sauberere und kürzere Impulse erzeugt, was dafür vorteilhaft ist, damit ei­ ne effektivere nichtlineare Impulskompression stattfindet. Da die Anwendung von ultraschnellen Impulsen soviel Impulslei­ stung wie möglich hinsichtlich eines optischen Entwurfs er­ fordert, der leicht herzustellen ist, kann die Verwendung von Verstärkern auch sehr effektiv sein, die den Vorgang der Im­ pulsverstärkung und der Impulskomprimierung kombinieren.

Bei dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel werden Impulse mit einer durchschnittlichen Leistung von 2 mW in ei­ nen Soliton-Raman-Kompressor (SRC)-Erbium-Lichtwellenleiter- Verstärker 11 über einen Isolator 12 für das Signallicht bei 1,5 µm, einen darauffolgenden Polarisations-Strahlenteiler 13 sowie zwei Wellenplatten 14 und 15 eingekoppelt, die hinter dem Polarisations-Strahlenteiler 13 zur Einstellung des Pola­ risationszustands des in den Verstärker-Lichtwellenleiter 11 eingegebenen Signallichts eingesetzt werden. Die (links des Polarisations-Strahlenteilers 13 in Fig. 1 gezeigte) Wellen­ platte 21 optimiert den Durchsatz zu dem Polarisations- Strahlenteilers 13, die Wellenplatte 22 optimiert den Polari­ sationszustand in den (nachstehend beschriebenen) PPLN 20, und ein Linsensystem 23 koppelt das Signallicht in den Ver­ stärker-Lichtwellenleiter 11. Der gesamte Einkopplungs-Wir­ kungsgrad von dem Oszillator 10 zu dem Verstärker-Licht­ wellenleiter 11 wird durch den geeigneten Einsatz von moden­ angepaßten Linsen gesteuert, und ein Wirkungsgrad von 70% oder mehr (bis zu 100 -%) kann erreicht werden.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel behält der Verstärker- Lichtwellenleiter 11 die Nichtpolarisation bei und weist ei­ nen Er³⁺-Dotierpegel von 0,1 Molekülprozent und ein Doppel­ stufenprofil des Beugungsindexes auf. Das Beugungsindexprofil des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 ist in Fig. 2 abgebil­ det. Der innere Kern weist eine numerische Apertur (NA) ≈ 0,12 und einen Durchmesser von ungefähr 8 µm auf. Der äußere Kern weist einen Durchmesser von ungefähr 25 µm und eine nu­ merische Apertur von 0,18 auf. Es sei bemerkt, daß das Pump­ licht direkt in den inneren Kern des Verstärker-Lichtwellen­ leiters 11 gerichtet werden kann. Der Verstärker-Lichtwellen­ leiter 11 wird durch eine Pumpe 16 bei 1,48 µm über einen Wellenlängenmultiplex-(WDM-)Koppler 17 gepumpt, wobei das Pumplicht über einen Breitbandisolator geleitet wird, damit ein Verlust des Hochleistungs-Signallichts bei 1,5 µm verhin­ dert wird. Nach dem WDM-Koppler 17 wird eine Pumpleistung von 100 mW in den Verstärker-Lichtwellenleiter 11 gekoppelt. Ge­ mäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt die Länge des Ver­ stärker-Lichtwellenleiters 11 ungefähr 2,5 m; die gesamte Länge des zur Signallichtausbreitung verwendeten WDM-Licht­ wellenleiters ist auf 0,50 m begrenzt. Obwohl Fig. 1 einen dispersionskompensierenden Lichtwellenleiter 18 darstellt, der nachstehend näher beschrieben wird, muß das System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel keinen dispersionskompensie­ renden Lichtwellenleiter verwenden.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Verstärker-Lichtwellenleiter 11 um einen Er³⁺-dotierten Lichtwellenleiter. Der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 kann jedoch irgendein mit ErYb⁺, Pr, Tm, Ho dotierter Lichtwellen­ leiter oder ein mit seltenen Erden dotierter Lichtwellenlei­ ter sein, der mit einem geeigneten Oszillator kombiniert ist. Außerdem dient der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel auch als der Soliton-Raman-Kom­ pressor; jedoch können der Verstärker und der Soliton-Raman- Kompressor getrennte Komponenten sein.

Gemäß Fig. 1 kann ein Doppelstufenaufbau zur Signallichtver­ stärkung verwendet werden. Bei dem Doppelstufenaufbau ist es vorteilhaft, einen Faraday-Rotationsspiegel (FRM) 19 an einem Ende des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 zu implementieren. Der Polarisationszustand des Lichts an dem Ausgang des Ver­ stärker-Lichtwellenleiters 11 ist dann senkrecht zu dem Pola­ risationszustand bei dem Eingang, weshalb der vorstehend er­ wähnte Polarisations-Strahlenteiler 13 für nahezu 100% Wir­ kungsgrad der Ausgangskopplung des verstärkten Lichts aus dem System verwendet werden kann. Obwohl ein Faraday-Rotations­ spiegel in Fig. 1 abgebildet ist, kann jede Lichtwellenlei­ ter-Polarisations-Steuereinrichtung oder eine λ/4-Wellen­ platte verwendet werden.

Es sei bemerkt, daß selbst bei dem Vorhandensein der er­ wünschten nichtlinearen Frequenzverschiebung bei dem Verstär­ ker-Lichtwellenleiter 11 die Einstellungen der beiden Wellen­ platten 14 und 15 bei dem Eingang des Verstärker- Lichtwellenleiters 11 eine sehr effektive Ausgangskopplung des verstärkten Lichts gestatten. Außerdem gestattet eine Einstellung der Wellenplatten 14 und 15 eine Optimierung des Soliton-Raman-Kompressors durch Steuerung des Polarisations­ zustands in dem Lichtwellenleiter und durch Steuerung einer nichtlinearen Polarisationsentwicklung in dem Verstärker- Lichtwellenleiter 11.

In mit dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel durch­ geführten Untersuchungen wurde hinter der doppelten Stufe des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 eine durchschnittliche Aus­ gangsleistung von 30 mW (Impulsenergie von 600 pJ) gemessen. Bei Ersetzen der Einkopplungs-Signalimpulse mit einem CW-(Continuous Wave-)Signal mit demselben durchschnittlichen Signalpegel wurde eine durchschnittliche Leistung von bis zu 37 mW aus dem Verstärker-Lichtwellenleiter 11 entnommen. Der Energieverlust von 20% bei gepulster Verstärkung entsteht aus der Raman-Verschiebung der verstärkten Impulse bei der Signalwellenlänge (SW). Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beträgt die Raman-Verschiebung 20 nm, was die Signalimpulse außerhalb der Verstärkungsbandbreite von Erbium verschiebt. Darüber hinaus können optische Verluste wegen der begrenzten Bandbreite der optische Elemente (WDM-Koppler usw.) verur­ sacht werden, was durch die verstärkten Impulse begegnet wird.

Gemäß Fig. 1 werden die verstärkten und komprimierten Impulse auf einer Länge von 0,8 mm von periodisch gepolten LiNbO₃ (PPLN) 20 frequenzverdoppelt, wobei eine konfokale Fokussie­ rung verwendet wird. Gemäß diesem Beispiel ist der PPLN 20 nicht mit AR beschichtet. Die Polungsperiode des PPLN wird auf 19,25 µm eingestellt, was mit dem Maximum des Spektrums des komprimierten Impulses aus dem Soliton-Raman-Kompressor ungefähr übereinstimmend gewählt wird. Die Erwärmung des PPLN 20 auf Temperaturen zwischen 50°C bis 150°C kann zur Feinab­ stimmung der optimalen Frequenzverdopplungswellenlängen sowie zur Verhinderung eines photorefraktiven Schadens bei dem PPLN 20 verwendet werden. Die Länge des PPLN wird zur Erzeugung einer Frequenzverdopplungsbandbreite einer Größe gewählt, die vergleichbar mit oder kleiner als die Bandbreite der kompri­ mierten Impulse aus dem Soliton-Raman-Kompressor ist. Es sei jedoch bemerkt, daß die spektrale Akzeptanzbandbreite des PPLN bei der Signalwellenlänge viel kleiner als der Wert des Spektrums bei der Signalwellenlänge ohne eine Strafe hin­ sichtlich des gesamten Verdopplungswirkungsgrades sein kann. Der PPLN wandelt die Frequenz selbst eines Signalwellenlän­ gen-Spektrums außerhalb dessen Nenn-Akzeptanzbandbreite ef­ fektiv um. Dies ist auf einen nichtlinearen Vorgang zurückzu­ führen, der ähnlich zu einer Summenfrequenzerzeugung ist, die wie nachstehend beschrieben bei dem PPLN auftritt. Dies steht im Widerspruch zu einem Frequenzwandlerentwurf, wie er in der vorstehend erwähnten Veröffentlichung von Nelson u. a. be­ schrieben ist, der keine Punkte erwähnt, die auf die endliche Akzeptanzbandbreite eines Frequenzwandlerkristalls bezogen sind.

Die frequenzverdoppelten Impulse weisen eine Wellenlänge von 790 nm, eine durchschnittliche Leistung von 6,3 mW, eine Im­ pulsbreite von 120 fs und ein Zeit-Bandbreite-Produkt von 0,66 auf, wenn man eine Gaußförmige Impulsform annimmt. Daher liegen die sich ergebenden Impulse innerhalb eines Faktors von 50% der Bandbreitengrenze. Eine interferometrische Auto­ korrelation der Impulse ist in Fig. 3 abgebildet, die die gu­ te Qualität der Impulse veranschaulicht. Es sei bemerkt, daß durch Veränderung des Polarisationszustands vor dem Verstär­ ker-Lichtwellenleiter 11 des Soliton-Raman-Kompressors eine Veränderung der gemessenen, frequenzverdoppelten Leistung zwischen 0,1 und 6,3 mW beobachtet wird, was das Erfordernis der Polarisationssteuerung bei diesem hochgradig nichtlinea­ ren Verstärker veranschaulicht.

Der sich ergebende Umwandlungs-Wirkungsgrad von Pumplicht zu Femtosekundenimpulsen bei der frequenzverdoppelten Wellenlän­ ge beträgt daher 6,3%. Demgegenüber beträgt der Umwandlungs- Wirkungsgrad von Signallicht zu frequenzverdoppeltem Licht 21%. Daher weist der Soliton-Raman-Kompressor einen Kompressi­ ons-Wirkungsgrad von ungefähr 60% auf, was sehr vorteilhaft mit Ergebnissen verglichen werden kann, die mit Lichtwellen­ leiter-Kompressoren mit positiver Dispersion erreichbar sind, wie diejenigen, die in der vorstehend erwähnten US-4 913 520 offenbart sind.

Diese Untersuchungsergebnisse wurden durch Implementierung eines Verstärkers mit einem großen Kerndurchmesser zur Maxi­ mierung der Energie der aus dem Soliton-Raman-Kompressor aus­ tretenden, komprimierten Impulse erhalten. Für einen Impuls mit einer festgelegten Breite τ steigt die Solitonenergie W proportional zu der Lichtwellenleiter-Kernfläche A und der Lichtwellenleiterdispersion β₂. Da der Soliton-Raman-Kom­ pressor einen solitonähnlichen Impuls erzeugt, gestattet eine Maximierung der Kernfläche eine Maximierung der erzeugten So­ liton-Impulsenergie aus dem Soliton-Raman-Kompressor. Außer­ dem minimiert ein großer Kerndurchmesser auch die Lichtwel­ lenleiter-Wellenleiter-Dispersion, was wiederum die totale Lichtwellenleiterdispersion β₂ maximiert. Obwohl das letztere lediglich ein Sekundäreffekt ist, erhöht es weiter die Impuls­ energie.

Es sei bemerkt, daß das Signal hinter der Doppelstufe des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 tatsächlich kleiner als nach einer einzelnen Stufe ist. Abgesehen von durch den großen Wert der Raman-Verschiebung verursachten Energieverluste, die in dem Verstärker-Lichtwellenleiter 11 auftreten, hat der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 auch eine Überlänge, d. h. das meiste des Pumplichts wird zu der Zeit absorbiert, zu der es das Einkopplungsende des Verstärker-Lichtwellenleiters 11 er­ reicht. Daher ist der Verstärker an diesem Ende nicht voll­ ständig invertiert, und es tritt ein Signalverlust bei der Signalwellenlänge auf.

Nachstehend wird das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Entwicklungskriterien für das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel werden hauptsächlich zum Er­ füllen der Erfordernisse eines konfokalen Zweiphoton-Ab­ bildungssystems ausgewählt. Es sei angenommen, daß die fre­ quenzverdoppelte Wellenlänge (ungefähr 800 nm gemäß diesen Beispielen) als Quelle für die Zweiphoton-Erregung verwendet wird. Es kann gezeigt werden, daß die Anzahl von durch die Zweiphoton-Erregung für einen festgelegten Strahldurchmesser erzeugten Photonen M proportional ist zu:

wobei const eine Konstante, P, f, τ die durchschnittliche Leistung, die Wiederholungsrate und die FWHM-Impulsbreite der Erregerquelle sind. Gemäß Gleichung 2 ist es eindeutig wich­ tiger, die durchschnittliche Leistung zu erhöhen, als die Im­ pulsbreite für eine effektive, konfokale Zweiphoton-Abbildung zu verringern. Es sei jedoch bemerkt, daß bei tatsächlichen biologischen Systemen sowohl Schadens-Schwellwerte als auch Photobleichbetrachtungen der auf Impulsleistung, -energie und -breite bezogenen biologischen Proben bestehen können, die durch Gleichung (2) nicht berücksichtigt sind. Bei der Be­ schreibung des zweiten Ausführungsbeispiels wird die Maximie­ rung der durchschnittlichen Leistung bei der frequenzverdop­ pelten Wellenlänge jedoch ohne Berücksichtigung des Schadens oder von Photobleichpunkten beschrieben.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung kann auch auf das zweite Ausführungsbeispiel angewandt werden. Das zweite Ausführungs­ beispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbei­ spiel darin, daß eine Oszillatorleistung von 4 mW verwendet wird. Der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 ist ähnlich wie der gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; jedoch ist die numeri­ sche Apertur des inneren Kerns auf ungefähr NA = 0,10 abge­ senkt und die Größe des inneren Kerns auf ungefähr 10 µm er­ höht. Außerdem ist der Er-Dotierpegel um ungefähr 25% auf ungefähr 750 ppm verringert. Die Länge des Verstärker- Lichtwellenleiters 11 beträgt 2,6 m und wird derart ausge­ wählt, daß sie die höchste Durchschnittsleistung für einen linearen Betrieb des Verstärkers erzeugt (d. h. durch Verwen­ dung eines CW-Signals von 4 mW als Einkopplung). Die Länge des PPLN 20 wird auf 1,2 mm erhöht, damit die Länge der Im­ pulse bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge erhöht wird; die Periode des PPLN 20 wird auf 18,75 µm verringert, damit eine effektive Frequenzverdopplung bei 1,56 µm gestattet wird. In mit dem System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel durchgeführten Untersuchungen erzeugte eine Doppelstufe der Einkopplungsimpulse über den Verstärker-Lichtwellenleiter 11 54 mW bei der Signalwellenlänge, wohingegen eine Doppelstufe eines CW-Signals eine Leistung von 57 mW bei der Signalwel­ lenlänge erzeugte, d. h. ein Signalverlust von lediglich 5% wurde durch den nichtlinearen Betrieb des Verstärkers verur­ sacht. Es wurde herausgefunden, daß das Spektrum der aus den Soliton-Raman-Kompressor austretenden Impulse in der Mitte bei 1,56 µm (wie in Fig. 4 dargestellt) lag. Es wurde heraus­ gefunden, daß die Impulse bei der frequenzverdoppelten Wel­ lenlänge eine Wellenlänge von ungefähr 780 nm, eine durch­ schnittliche Leistung von 12 mW, eine Impulsbreite von 190 fs mit einer Spektralbreite innerhalb von 50% der Bandbreiten­ grenze aufweisen. Eine Veränderung der Polarisation vor dem Soliton-Raman-Kompressor-Verstärker-Lichtwellenleiter 11 er­ zeugte eine Veränderung der Leistung bei der frequenzverdop­ pelten Wellenlänge zwischen 7 bis 12 mW. Der sich ergebende Umwandlungs-Wirkungsgrad bei der frequenzverdoppelten Wellen­ länge beträgt 22%, was Reflexionsverluste berücksichtigt, und der Umwandlungs-Wirkungsgrad steigt auf 29%. Verglichen mit dem System gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Anzahl von Photonen M um einen Faktor von 2,2 erhöht.

Die hohe Leistung bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein Ergebnis der Optimierung des linearen Verstärker-Wirkungsgrads und der Be­ schränkung der Raman-Verschiebung der Impulse auf Wellenlän­ gen in der Nähe der Wellenlänge der Oszillatorimpulse (inner­ halb ungefähr 10 nm gemäß diesem Beispiel). Dies steht im Ge­ gensatz zu dem durch Richardson u. a. in "Amplification of femtosecond pulses in a passive all-fiber soliton source" (vorstehend diskutierten) berichteten System, in dem eine Ra­ man-Verschiebung von 30 nm verwendet wurde. Die Impulsbreite des Raman-Solitons gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist eindeutig länger als diejenige gemäß dem ersten Ausführungs­ beispiel. Tatsächlich kann wegen der verringerten Nichtlinea­ rität des Verstärkers das Raman-Soliton nicht vollständig entwickelt werden, und eine Impulskompression kann wegen ei­ nes großen Umfangs einer Soliton-Kompression von höherer Ord­ nung entstehen. Wegen der relativen Unempfindlichkeit von M auf die Impulsbreite erzeugt jedoch das System gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein höheres M als für das erste Ausführungsbeispiel.

Der gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen erhal­ tene hohe Frequenzumwandlungs-Wirkungsgrad ist auch auf die Ausbeutung eines allgemeineren Frequenzumwandlungsvorgangs als nur Frequenzverdopplung zurückzuführen. Zur Verifikation des Vorhandenseins eines derartigen nichtlinearen Frequenzum­ wandlungsvorgangs wurde die Temperatur des PPLN 20 verändert, während die Spektra bei der Signalwellenlänge und bei der frequenzverdoppelten Wellenlänge gemessen wurden. Die Ergeb­ nisse sind in Fig. 4 abgebildet. Es sei bemerkt, daß wegen des Vorhandenseins einer Soliton-Kompression mit höherer Ord­ nung das Spektrum bei der Signalwellenlänge in zwei Teile mit einer Verarmung in der Mitte des Spektrums aufgeteilt wird, was dem Ort des Spektrums des injizierten Oszillatorimpulses entspricht. Bei T = 162°C wird eine Frequenzumwandlung haupt­ sächlich bei der ramanverschobenen Wellenlänge erhalten; bei T = 100°C wird eine Frequenzumwandlung bei dem Verarmungs­ punkt erhalten, wohingegen bei T = 25°C eine Frequenzumwand­ lung hauptsächlich an dem blauen Ende des Signalwellenlängen- Spektrums erhalten wird. Es wurde beobachtet, daß der Umwand­ lungs-Wirkungsgrad bei einer frequenzverdoppelten Wellenlänge an dem Verarmungspunkt am höchsten ist, was eindeutig nicht allein mit einer einfachen Erzeugung einer zweiten Harmoni­ schen erklärt werden kann. Eher erzeugt ein Vorgang wie eine Summenfrequenzerzeugung die frequenzverdoppelte Wellenlänge. Jedoch ist derzeit der genaue physikalische Ursprung dieses Phänomens nicht bekannt. Einige mögliche Erklärungen sind: die Resonanznatur des Frequenzverdopplungsvorgangs bei der PPLN, Effekte wegen des Impulschirps, Effekte wegen der kas­ kadierten Nichtlinearitäten zweiter Ordnung in dem Kristall oder gerade Effekte wegen des Imaginärteils der Nichtlineari­ tät zweiter oder dritter Ordnung des PPLN 20 oder eine Wech­ selwirkung zwischen Nichtlinearitäten höherer Ordnung in dem PPLN 20. Nachstehend wird auf diesen nichtlinearen Vorgang einfach als summenfrequenzerzeugungsähnliche Frequenzumwand­ lung (SLF) bezug genommen.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wurde experimentell be­ obachtet, daß die summenfrequenzerzeugungsähnliche Frequen­ zumwandlung die Verwendung eines nichtlinearen Kristalls (NC) mit einer Verdopplungsbandbreite gestattet, die wesentlich kleiner als die Bandbreite des Soliton-Raman-Kompressors ohne einen Kompromiß hinsichtlich des Umwandlungs-Wirkungsgrades bei einer Frequenzverdopplungswellenlänge ist. Dies ist nütz­ lich, da es die Steuerung der Impulsbreite der Impulse der Frequenzverdopplungswellenlänge ohne einen Kompromiß hin­ sichtlich der Leistung bei der Frequenzverdopplungswellenlän­ ge gestattet. Mit anderen Worten kann der nichtlineare Kri­ stall die Leistung bei der Signalwellenlänge effektiv in eine Frequenzverdopplungswellenlänge durch Entnahme von Energie aus dem größten Teil des Spektrums bei den Impulsen bei der Signalwellenlänge (d. h. aus einem Spektrum, das größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite des nichtlinearen Kristalls ist); daher können Impulse bei der Signalwellenlänge von re­ lativ schlechter Qualität zur effektiven Frequenzumwandlung verwendet werden. Dies ist ein wertvolles Merkmal für die Entwicklung jeder Verstärker-/Frequenzwandleranordnung, da dieses Merkmal eine effektive Frequenzumwandlung nicht nur bei einer einzelnen Signalwellenlänge, sondern in einem in­ nerhalb des gesamten Spektralbereichs der Signalwellenlänge gemäß Fig. 4 abstimmbaren Wellenlängenbereich ermöglicht.

Es ist aufschlußreich, die Nichtlinearität des vorstehend be­ schriebenen Verstärkers unter Verwendung von Gleichung (1) zu berechnen. Für eine eingegebene Impulsbreite τ von 300 fs und eine Impulsenergie von E = 1,2 nJ wird Φ_n1 = 16,6 erhalten. Daher können selbst hochgradig nichtlineare Verstärker (Kom­ pressoren) Impulse mit sehr hoher Qualität erzeugen, sobald eine frequenzverdoppelte Wellenlänge verwendet wird. Dieses Prinzip wurde durch die vorstehend erwähnten Veröffentlichun­ gen von Clark und Nelson u. a. nicht vorgeschlagen.

Außerdem ist es aufschlußreich, das Leistungsvermögen mit ei­ nem linearen Verstärker zu vergleichen. Verglichen mit einem linearen Verstärker wird die Pumpleistung zum Erhalt einer verstärkten Impulsenergie von 400 pJ verringert, was zu Φ_n1 ≈ 5 führt. Wegen der Eigenphasenmodulation bei dem Verstärker nimmt die Spektralbreite von ungefähr 8,2 nm (Spitze) bei dem Oszillator auf 5,7 nm bei dem Verstärker (unten) ab, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Gemäß Fig. 5 wird wie erwartet eine höhere Spektralqualität von verstärkten Impulsen bei "li­ nearen" Verstärkern erhalten.

Nachstehend wird das System gemäß dem dritten Ausführungsbei­ spiel beschrieben. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung wird auch auf das dritte Ausführungsbeispiel angewandt. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird ein in der Umgebung bestän­ diger Oszillator verwendet, der Impulse von 50 pJ mit einer Wiederholungsrate von 5 MHz erzeugt. Die Impulse haben eine Bandbreite von 20 nm und sind positiv gechirped, d. h. der Chirp kann mit einer Länge von ungefähr 8 Metern eines eine Solitonwelle erlaubenden Lichtwellenleiters (Corning SMF28) kompensiert werden. Nach der Implementierung einer Chirp-Kom­ pensation wurde beobachtet, daß die gemessene Impulsbreite bei der Signalwellenlänge 190 fs beträgt (wenn man eine Gauß­ sche Form annimmt), d. h. fast bandbreitenbegrenzte Impulse können auf diese Weise nach einer Chirp-Kompensierung erhal­ ten werden.

Die Entwicklung des Verstärkersystems gemäß dem dritten Aus­ führungsbeispiel ist ähnlich zu denen gemäß den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen beschriebenen abgesehen von den folgenden Ausnahmen. Der Verstärker-Lichtwellenleiter 11 weist eine numerische Apertur von ungefähr 0,16 und einen Kerndurchmesser von ungefähr 6 µm auf. Die Verstärkerlänge beträgt 1,1 m. In den Verstärker wird 90 mW Pumplicht bei 980 nm gepumpt. Ein dispersionskompensierender Lichtwellenleiter 19, der ein Teil von mehreren Metern eines genormten Fernmel­ de-Lichtwellenleiters (Corning SMF28) ist, wird zwischen dem Wellenmultiplex-Koppler 17 und dem Faraday-Rotationsspiegel 19 zur Dispersionskompensation eingefügt. Die gesamte Länge des Lichtwellenleiters zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkersystems, über das das übertragene Signallicht eingestellt wird, wird zum Erhalt einer optimalen Dispersi­ onskompensation der Oszillatorimpulse eingestellt. Diese Op­ timierung kann durch Messen der Impulsbreite der aus dem Ver­ stärker austretenden Impulse mit einem Autokorrelator und Einstellung der Länge des eingefügten, genormten Fernmelde- Lichtwellenleiters verifiziert werden, bis eine aus dem Sy­ stem austretende, minimale Impulslänge erhalten wird. Während der Dispersions-Einstellphase wird die Pumpleistung bei dem Verstärker auf einen Pegel verringert, bei dem jegliche nichtlinearen Vorgänge in dem Verstärker minimiert werden, so daß keine Raman-Verschiebung des Signals beobachtet wird.

Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist die Entwicklung des Frequenzverdopplersystems identisch mit den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, aber das PPLN 20 mit einer Länge von nur 600 µm wird verwendet. Das System gemäß dem dritten Aus­ führungsbeispiel hat den Vorteil, daß die Dispersion des Ver­ stärkersystems auf Null eingestellt und leicht gesteuert wer­ den kann, was nützlich beim Erhalt der kürzestmöglichen Im­ pulse aus dem Soliton-Raman-Kompressor ist. Da die Impulse über die gesamte Länge des Verstärkers stark gechirped sind, treten jegliche Nichtlinearitäten nur in dem letzten Teil des Verstärkers auf, was beim Erhalt der höchstmöglichen Aus­ gangsimpulsenergie aus dem Soliton-Raman-Kompressor vorteil­ haft ist.

Bei dem System gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden die Signalimpulse auf eine Leistung von 4 mW verstärkt (eine Impulsenergie von 800 pJ/Impuls). Nach der Frequenzverdopp­ lung werden Impulse von 100 fs mit einer durchschnittlichen Leistung von 1 mW experimentell bei 790 nm erhalten. Es wurde ermittelt, daß das Zeit-Bandbreite-Produkt ungefähr 0,50 be­ trägt, wenn man Gaußsche Impulse annimmt; daher betrugen die Impulse innerhalb von 10 bis 20% der Bandbreitengrenze. Dies demonstrierte die vorteilhafte Wirkung der bei diesem System implementierten Dispersionseinstellung. Es wurde herausgefun­ den, daß der Wirkungsgrad der Frequenzverdopplung 25% be­ trägt und niedriger als der ist, der für einen bandbreitenbe­ schränkten Signalimpuls von 800 pJ erwartet wird.

Bei sämtlichen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spiele werden relativ hohe Erbium-Dotierpegel zwischen 700 bis 1500 ppm trotz der Abnahme des Quanten-Wirkungsgrades dieser Arten von Verstärkern verglichen mit niedrigeren Do­ tierpegeln implementiert. Diese hohen Dotierpegel gestatten eine Minimierung der verwendeten Verstärkerlängen. Da Impulse von 1 nJ mit einer Breite von 100 fs eine Spitzenleistung von 10 kW haben, weisen sie wesentliche Nichtlinearitäten bei nur 20 bis 30 cm Lichtwellenleiter selbst für Verstärker mit gro­ ßem Kern auf. Außerdem werden Impulse von 100 fs durch Dis­ persion dritter Ordnung in dem Lichtwellenleiter 11 beein­ trächtigt. Deswegen ist es vorteilhaft, die Länge des Ver­ stärkersystems zur Maximierung der Impulsqualität und zur Mi­ nimierung der erhaltbaren Impulsbreite zu minimieren. Allge­ mein sollte die Länge des Verstärkersystems jedoch nicht zu kurz sein, da zumindest der Einsatz der Soliton-Kompression höherer Ordnung sichergestellt werden muß, damit eine wesent­ liche Impulsverkürzung ermöglicht wird. Falls die Nichtlinea­ rität des Verstärkers tatsächlich zu klein ist, führt eine Eigenphasenmodulation bei Lichtwellenleitern mit negativer Dispersion gemäß Fig. 5 zu einer Impulsverbreiterung.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbei­ spielen sind einige andere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich. Insbesondere kann eine Dispersionsoptimierung oder ein Nulldispersionssystem bei den Systemen gemäß dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel oder irgendein Verstärkersy­ stem verwendet werden. Eine Kombination eines positiven oder negativen Dispersions-Lichtwellenleiters kann zum Erreichen einer Dispersionsoptimierung verwendet werden. Gemäß den er­ sten und zweiten Ausführungsbeispielen kann ein positivdis­ persions-kompensierender Lichtwellenleiter 18 mit einer ge­ eigneten Länge zwischen dem Wellenlängenmultiplex-Koppler 17 und dem Faraday-Rotationsspiegel 19 gemäß Fig. 1 eingesetzt werden.

Außerdem kann ein Einzelstufenaufbau in dem Soliton-Raman- Kompressor implementiert werden. Eine Systemimplementierung ist in Fig. 6 abgebildet. Zur Ermöglichung einer vollständi­ gen Polarisationsstabilität kann ein polarisationserhaltender Verstärker (PMA) verwendet werden. Die Polarisation des Lichts aus dem Oszillator 10 wird dann mit einer der Polari­ sationsachsen des polarisationserhaltenden Verstärkers ausge­ richtet. Der Polarisationszustand an dem Ausgang wird derart eingestellt, daß er den höchsten Verdopplungsumwandlungs-Wir­ kungsgrad erzielt. Ein polarisationserhaltender Lichtwellen­ leiter ist jedoch kein Erfordernis bei einem Einzelstufenauf­ bau, da eine Kombination von Wellenplatten an dem Eingang 14, 15 und an dem Ausgang 60 des Soliton-Raman-Kompressors zur Maximierung des Wirkungsgrades des Frequenzverdopplungsvor­ gangs wie in Fig. 6 dargestellt verwendet werden kann. Jedoch wird eine bessere langfristige und Umgebungs-Stabilität mit einem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter erwartet. Außerdem kann auch ein unterschiedlicher Wellenlängenmulti­ plex-Koppler 61 (und 62) implementiert werden. Bei den in Fig. 6 dargestellten Wellenlängenmultiplex-Kopplern 61 und 62 wird das Pumplicht in den Verstärker 11 über eine mikroopti­ sche Anordnung gekoppelt, die dichroitische Spiegel beinhal­ tet. Derartige Wellenlängenmultiplex-Koppler können tatsäch­ lich Freiraum-Ausgänge aufweisen, was bei der Minimierung jeglicher Kopplerleitungen und optischer Verluste in Verstär­ kersystemen nützlich ist. Ein vollständig polarisationsstabi­ les System erfordert eindeutig einen polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter über das Verstärkersystem. Die Spleiße zwi­ schen unterschiedlichen Abschnitten des polarisationserhal­ tenden Lichtwellenleiters sollten sicherstellen, daß die Po­ larisationsachsen der Lichtwellenleiter ausgerichtet sind.

Da es vorteilhaft ist, soviel Pumpleistung wie möglich für den Soliton-Raman-Kompressor erhältlich zu haben, kann mehr als eine Pumpdiode verwendet werden. Eine Anordnung mit zwei Pumpdioden 63 und 64 ist ebenso in Fig. 6 dargestellt. Eine ähnliche Anordnung könnte mit einer Doppelstufe für das (nicht dargestellte) Signallicht verwendet werden. Außerdem können Polarisations-Strahlenteiler für das Pumplicht bei den Wellenlängenmultiplex-Kopplern enthalten sein, damit die Ver­ wendung von bis zu vier (nicht dargestellten) Pumpdioden ge­ stattet wird.

Zusätzlich zu der Soliton-Kompression höherer Ordnung oder der Erzeugung von Raman-Solitons können adiabatische Impuls­ verstärker auch zur Verkürzung der Impulsbreite aus dem Os­ zillator verwendet werden. Zur Sicherstellung der Verstärkung in der Nähe der Adiabazität wird ein gegengerichtetes, ge­ pumptes Verstärkersystem wie in Fig. 7 dargestellt bevorzugt. Gegengerichtetes Pumpen gestattet eine Zunahme der Verstär­ ker-Verstärkung pro Längeneinheit mit einer Abnahme der Im­ pulsbreite bei der Abwesenheit einer Verstärkersättigung, was mit der Adiabazität kompatibel ist. Die Verwendung von pola­ risationserhaltenden Lichtwellenleitern ist bei derartigen Systemen eindeutig vorteilhaft.

Für Anwendungen bei konfokaler Zweiphoton-Mikroskopie ist es in der Abwesenheit von Beschränkungen hinsichtlich des Scha­ dens und des Photobleichens auch nützlich, auf nahezu lineare Verstärkersysteme zum Erhalt eines hohen Werts M zurückzu­ greifen. Wiederum ist in diesem Fall ein gegengerichteter, gepumpter Verstärker am nützlichsten, da er die Nichtlineari­ tät des Verstärkers minimiert, obwohl ein Doppelstufensystem ebenfalls möglich ist. Das erwartete Leistungsvermögen eines derartigen Systems kann durch dessen Vergleichen mit dem Sy­ stem gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel geschätzt werden. Angenommen, daß ein optimal entwickelter Einzelstufenverstär­ ker ungefähr 30% länger als ein Zweistufenverstärker sein muß, beträgt die optimale Länge des Verstärkers ungefähr L = 3,4 m für einen Einzelstufenverstärker mit einem Er- Dotierpegel von ungefähr 750 ppm. Unter Verwendung eines PPLN-Kristalls mit einer Länge von ungefähr 3 mm kann eine Impulsbreite von ungefähr 500 fs bei der Frequenzverdopp­ lungswellenlänge erhalten werden. Da der erwartete Kleinsi­ gnal-Verdopplungswirkungsgrad von PPLN ungefähr 95%/ nJ für einen bandbreitenbegrenzten, sech²-geformten Impuls ist, kann ein gesamter Verdopplungs-Wirkungsgrad von ungefähr 40% für derartige Impulse erhalten werden. Daher kann die lineare Konfiguration gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen Leistungspegel von 23 mW bei der Frequenzverdopplungswellen länge erzeugen, einen Wert von M von 30% höher als denjeni­ gen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Jedoch berücksich­ tigt diese Zahl nicht Impulsverbreiterungseffekte bei "fast linearen" Verstärkern und eine Verringerung des Frequenzum­ wandlungswirkungsgrads wegen der restlichen, kleinen Nichtli­ nearität derartiger Systeme. Falls die Verwendung von länge­ ren Impulsen bei praktischen, konfokalen Zweiphoton- Meßsystemen nichtsdestotrotz kompatibel mit Beschränkungen hinsichtlich des Schadens und des Photobleichens ist, können längere Impulse bevorzugt werden, da sie das Meßsystem wegen der verringerten Dispersionsprobleme innerhalb des konfokalen Mikroskops vereinfachen. Es sei bemerkt, daß das kritische Element bei einem derartigen System ein sehr wirksamer Ver­ stärker mit großem Kern und ein Oszillator ist, der keine ul­ trakurzen Impulse erzeugt, sondern eher Impulse mit Breiten von einigen 100 fs. Natürlich kann eine willkürlich lange Im­ pulsbreite aus einem Breitband-Oszillator durch Verwendung von Spektralfilterung ausgewählt werden. Dies führt jedoch zu einem Leistungsverlust. Als bessere Alternative kann eine Einkopplungs-Impulsquelle verwendet werden, die eine Impuls­ breite von mehr als 500 fs erzeugt. Die Verwendung von pola­ risationserhaltenden Lichtwellenleitern ist bei derartigen Systemen eindeutig vorteilhaft.

Wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben können Überlängenverstärker bei einem Soliton-Raman-Kompressor zum Erhalt eines maximalen Verdopplungs-Umwandlungs-Wirkungs­ grades verwendet werden. Da dort eine sehr geringe Verstär­ kung in dem letzten Abschnitt eines Überlängenverstärkers vorliegt, kann ein undotierter Lichtwellenleiter 80 in dem letzten Abschnitt des Soliton-Raman-Kompressors verwendet werden. Dann kann die Länge des Verstärkers zum Erhalt einer optimalen Signalverstärkung und daraufhin ein undotierter Lichtwellenleiter mit großem Kern in den Verstärker-Licht­ wellenleiter zum Erhalt eines Soliton-Raman-Kompressorvor­ gangs aufgespleißt werden. Eine derartige Anordnung für einen Einzelstufenverstärker ist in Fig. 8 abgebildet. Ein (nicht dargestellter) Doppelstufenaufbau kann ebenfalls implemen­ tiert werden.

Zur Maximierung des gesamten Wirkungsgrades des gesamten Sy­ stems können Verstärker 81 und 82 mit unterschiedlichen Do­ tierpegeln (wie auch in Fig. 8 dargestellt) implementiert werden. Da der Wirkungsgrad von typischen Lichtwellenleiter- Verstärkern mit einer Abnahme des Dotierpegels bei den vorde­ ren Stufen der Verstärkung zunimmt, können niedrige Dotierpe­ gel für die Verstärker implementiert werden; da der Signalpe­ gel bei den ersten Stufen der Verstärkung gering ist, kann eine größere Länge des Verstärkers mit einem niedrigen Do­ tierpegel toleriert werden.

Zur Erhöhung der erhaltbaren Pumpleistung für den Soliton- Raman-Kompressor und zur Minimierung der Kosten der Pumpquel­ le kann wie in Fig. 9 dargestellt ein Doppelmantel-Licht­ wellenleiter 90 implementiert werden. Doppelmantel-Licht­ wellenleiter gestatten ein Pumpen des Systems mit Breit­ streifen-Diodenanordnungs-Lasern. Der Einfachheit halber ist nur eine einzelne Stufe in Fig. 9 abgebildet. Zum Ermöglichen von Mantelpumpen können Er-dotierte oder Er-/Yb-dotierte Lichtwellenleiter verwendet werden. Die Erweiterung auf eine Doppelstufe ist aus der vorangehenden Diskussion ersichtlich. Gemäß Fig. 9 wird die Pumpleistung über eine Endkopplung auf eine Diodenanordnung 91 über einen dichroitischen Spiegel 92 erzeugt. Jedoch können Multimoden-Lichtwellenleiterkoppler zur Ausführung dieser Funktion verwendet werden. Alternativ kann das Seitenkoppeln der Pumpleistung in den Doppelmantel-Lichtwellenleiter auch implementiert werden.

Da der Soliton-Raman-Kompressor ein hochgradig nichtlineares System ist, ist auch die Verwendung von Verstärkern oder un­ dotierten Lichtwellenleitern mit großem Kern akzeptabel, die leicht mehrmodig arbeiten. Bei Multimoden-Lichtwellenleitern werden die Einkoppelbedingungen für den Verstärker-Lichtwel­ lenleiter derart ausgewählt, daß vorzugsweise die Grundmode eingekoppelt wird, obwohl allgemein dann auch Moden höherer Ordnung erregt werden. Solange die Leistung in der Grundmode höher als oder vergleichbar mit der Leistung in all den ande­ ren Moden ist, beeinflußt der Soliton-Raman-Kompressor die Grundmode zuerst. Die Raman-Verschiebung der Grundmode kann dann in Verbindung mit dem Frequenzverdoppler zum Erhalt ei­ nes nahezu beugungsbegrenzten Ausgangssignals bei der fre­ quenzverdoppelten Wellenlänge implementiert werden. Wiederum kann auch ein Doppelmantel-Lichtwellenleiter in einem derar­ tigen System implementiert werden. Eine einen Multimoden- Lichtwellenleiter 100 verwendende mögliche Systemimplementie­ rung ist in Fig. 10 abgebildet. Fig. 10 zeigt einen Einzel­ stufenaufbau, aber ein Doppelstufenaufbau ist auch möglich. Ein dichroitischer Großspiegel 92 kann zur Kopplung des Pump­ lichts aus einer Laserdiode 91 verwendet werden. Es sei je­ doch bemerkt, daß Multimoden-Koppler vollständig aus Licht­ wellenleitern auch zur Durchführung dieser Funktion verwendet werden können. Auf gleiche Weise kann auch eine Seitenkopp­ lung des Pumplichts implementiert werden.

Außerdem ist wie vorstehend beschrieben die Anwendung eines Frequenzumwandlungsvorgangs nicht auf Lichtwellenleiter-Ver­ stärker oder nichtlineare Lichtwellenleiter-Kompressoren be­ schränkt. Im Prinzip kann jede Art eines nichtlinearen Ver­ stärkers bei einer Signalwellenlänge mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung Φ_n1 < 5 (wie vorstehend berechnet) verwen­ det werden, und eine Frequenzumwandlung kann dann einen Im­ puls mit hoher Qualität bei einer frequenzumgewandelten Wel­ lenlänge erzeugen. Eine derartige Systemimplementierung ist allgemein in Fig. 11 abgebildet. Eine Systemimplementierung mit einem Verstärker, einem nichtlinearen Kompressor und ei­ nem PPLN-Frequenzverdoppler ist in Fig. 12 abgebildet. Natür­ lich können der Lichtwellenleiter-Verstärker und der Kompres­ sor in ein einzelnes optisches Element kombiniert werden. Auf gleiche Weise könnten ein nichtlinearer Verstärker und ein linearer oder nichtlinearer Kompressor verwendet werden.

Wie vorstehend beschrieben ist die Verwendung eines PPLN für derartige Systeme besonders vorteilhaft, da der PPLN nicht kritisch phasenangepaßt ist und eine sehr effektive Frequen­ zumwandlung gestattet. Die Auswahl eines PPLN-Kristalls oder eines Frequenzwandlers mit einer Akzeptanzbandbreite bei der Signalwellenlänge von weniger als der Bandbreite der Quelle bei der Signalwellenlänge ist dann zur Erzeugung der Impulse mit der höchstmöglichen Qualität mit dem höchstmöglichen Um­ wandlungs-Wirkungsgrad vorteilhaft.

Darüber hinaus kann das Prinzip der Verwendung eines Frequen­ zwandlers mit einer Akzeptanzbandbreite bei der Signalwellen­ länge von weniger als der Bandbreite bei der Signalwellenlän­ ge zur Frequenzumwandlung bei jeder Quelle von kurzen Impul­ sen angewandt werden. Eine derartige Systemimplementierung ist in Fig. 13 abgebildet. Wie vorstehend beschrieben ist die Verwendung eines PPLN für derartige Systeme besonders vor­ teilhaft, da der PPLN nicht kritisch phasenangepaßt ist und eine Steuerung der Akzeptanzbandbreite einfach durch Steue­ rung der Länge des Kristalls gestattet. Ein derartiger Ab­ stimmbereich ist dann durch Auswahl des PPLN mit unterschied­ lichen Polperioden oder durch Veränderung der Temperatur des PPLN erreichbar. Alternativ könnte jeder Typ eines periodisch gepolten nichtlinearen Kristalls zur Ausführung der Funktion der Frequenzumwandlung verwendet werden.

Eine Vorrichtung erzeugt Femtosekunden-Impulse aus Laserver­ stärkern durch nichtlineare Frequenzumwandlung. Die Implemen­ tierung einer nichtlinearen Frequenzumwandlung gestattet die Entwicklung von hochgradig nichtlinearen Verstärkern bei ei­ ner Signalwellenlänge (SW), während ein Impuls mit hoher Qua­ lität bei ungefähr einer frequenzverdoppelten Wellenlänge (FDW) noch beibehalten wird. Eine nichtlineare Frequenzum­ wandlung wird auch für eine begrenzte Wellenlängenabstimmung der frequenzverdoppelten Wellenlänge gestattet. Beispielswei­ se wird das Ausgangssignal aus einem nichtlinearen Lichtwel­ lenleiter-Verstärker frequenzgewandelt. Durch Steuerung des Polarisationszustands des nichtlinearen Lichtwellenleiter- Verstärkers und durch Betrieb des die Solitonwelle gestatten­ den Dispersionsbereichs des Grundglases wird eine effektive nichtlineare Impulskompression für die Signalwellenlänge er­ halten. Die erzeugte Impulsbreite wird durch Verwendung von Soliton-Kompression bei dem Vorhandensein der Raman-Eigenfre­ quenzverschiebung in dem nichtlinearen Lichtwellenleiter-Ver­ stärker bei der Signalwellenlänge optimiert. Hochleistungs- Impulse werden durch Einsatz von Lichtwellenleiter-Ver­ stärkern mit großen Kerndurchmessern erhalten. Der Wirkungs­ grad des nichtlinearen Lichtwellenleiter-Verstärkers wird durch Verwendung eines Doppelmantel-Lichtwellenleiters (d. h. eines Lichtwellenleiters mit einem Doppelstufenprofil des Brechungsindexes) und durch Pumpen von Licht direkt in den Innenkern dieses Lichtwellenleiters optimiert. Periodisch ge­ poltes LiNbO₃ (PPLN) wird zur effektiven Umwandlung der Signalwellenlänge auf eine Frequenzverdopplungswellenlänge verwendet. Die Qualität der Impulse bei der Frequenzverdopp­ lungswellenlänge kann durch nichtlineare Frequenzumwandlung der komprimierten und ramanverschobenen Signalimpulse bei der Signalwellenlänge weiter verbessert werden. Die Verwendung der Raman-Verschiebung verbessert den Abstimmbereich bei der Frequenzverdopplungswellenlänge weiter. Für Anwendungen bei konfokaler Mikroskopie wird ein besonderer linearer Lichtwel­ lenleiter-Verstärker verwendet.

Claims (48)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Im­ pulsen, gekennzeichnet durch
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von Signallicht,
einen nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) mit einer nichtlinearen Phasenverzögerung, der das durch die opti­ sche Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt, und
einen Frequenzwandler (20), der aus dem nichtlinearen Ver­ stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebene optische Impulse empfängt, wobei der Frequenzwandler (20) die optischen Hochlei­ stungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwi­ schen der optischen Quelle (10) und dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordnete Polarisations-Steuerein­ richtung (14, 15), wobei die Polarisations-Steuereinrichtung (14, 15) den Polarisationszustand des durch den nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) empfangenen Signallichts einstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisations-Steuereinrichtung Wellenplatten (14, 15) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Quelle (10) einen Lichtwellenleiter-Oszillator auf­ weist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen Verstär­ ker-Lichtwellenleiter (11; 81; 82; 100) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker-Lichtwellenleiter (11) mit seltenen Erden dotiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker-Lichtwellenleiter (11) mit Er³⁺, ErYb⁺, PrTm oder Ho dotiert ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) eine nu­ merische Apertur (NA) von weniger als 0,15 aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) eine Kernfläche von mehr als 50 µm² aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) eine Im­ pulskompression ausführt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen So­ liton-Raman-Kompressor (SRC) aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Im­ pulskompressor zur Komprimierung der aus dem nichtlinearen Ver­ stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebenen optischen Impul­ se.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulskompressor ein Soliton-Raman-Kompressor (SRC) ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler (20) einen periodisch gepolten Kristall auf­ weist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der periodisch gepolte Kristall (20) einen periodisch gepolten Lithium-Niobat-Kristall (PPLN) aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) in einem Dop­ pelstufenaufbau angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen Fa­ raday-Rotationsspiegel (19), eine Lichtwellenleiter-Polari­ sations-Steuereinrichtung oder eine λ/4-Wellenplatte, die an ei­ nem Ende des nichtlinearen Verstärkers (11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordnet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwi­ schen der optischen Quelle (10) und dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordneten Isolator (12).

19. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen an einem Ausgang des nichtlinearen Verstärkers (11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordneten Polarisations-Strahlenteiler (13).

20. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) in einem Ein­ zelstufenaufbau angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mit dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) über ei­ nen ersten Wellenlängenmultiplex-Koppler (17; 61) gekoppelte er­ ste Pumpe (16; 63), wobei die erste Pumpe (16; 63) Pumplicht für den nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugt.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine über einen zweiten Wellenlängenmultiplex-Koppler (62) an den nichtli­ nearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) gekoppelte zweite Pumpe (64), wobei die zweite Pumpe (64) Pumplicht für den nicht­ linearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugt.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker-Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100) ein pola­ risationserhaltender Lichtwellenleiter ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwi­ schen der optischen Quelle (10) und dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) angeordnete erste Polarisations- Steuereinrichtung (14, 15) und eine zweite Polarisations-Steuer­ einrichtung (60) an einem Ausgang des nichtlinearen Verstärkers (11, 18; 81, 82; 90; 100).

25. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen gegenge­ richteten, gepumpten Verstärker aufweist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ein Überlän­ genverstärker ist und einen undotierten Lichtwellenleiter (80) an dessen Ausgangsende aufweist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (81, 82) einen ersten Verstärker-Licht­ wellenleiter (81) mit einer ersten Dotierung und einen zweiten Verstärker-Lichtwellenleiter (82) mit einer zweiten Dotierung aufweist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen mit ei­ nem Diodenanordnungs-Laser (91) gepumpten Doppelmantel-Lichtwel­ lenleiter (90) aufweist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pumplicht und das Signallicht direkt in einen Innenkern des Dop­ pelmantel-Lichtwellenleiters (90) eingekoppelt werden.

30. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen Multimo­ den-Verstärker-Lichtwellenleiter (100) aufweist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nichtlineare Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) einen disper­ sionskompensierenden Lichtwellenleiter (18) aufweist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dis­ persionskompensierenden Lichtwellenleiter (18).

33. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne spektrale Akzeptanzbandbreite des Frequenzwandlers (20) klei­ ner als ein Wert des Spektrums der aus dem nichtlinearen Ver­ stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebenen optischen Impulse ist, wobei der Frequenzwandler (20) Energie aus einem Abschnitt des Spektrums der aus dem nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) ausgegebenen optischen Impulse, der größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite ist, in die spektrale Akzeptanz­ bandbreite umwandelt.

34. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Im­ pulsen, gekennzeichnet durch
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impulsen und
einen Frequenzwandler (20), der durch den nichtlinearen Ver­ stärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugte optische Impulse emp­ fängt und optische Hochleistungs-Impulse mit einer frequenzumge­ wandelten Wellenlänge erzeugt, wobei eine spektrale Akzeptanz­ bandbreite des Frequenzwandlers (20) geringer als ein Wert des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10) ist, und wobei der Frequenzwandler (20) Energie aus einem Ab­ schnitt des Spektrums der optischen Impulse aus der optischen Quelle (10), der größer als die spektrale Akzeptanzbandbreite ist, in die spektrale Akzeptanzbandbreite umwandelt.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler (20) periodisch gepolt ist.

36. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Impu­ lsen, gekennzeichnet durch
eine optische Quelle (10) zur Erzeugung eines Signallichts,
einen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100), der das durch die optische Quelle (10) erzeugte Signallicht empfängt,
einen nichtlinearen Kompressor, der durch den nichtlinearen Verstärker (11, 18; 81, 82; 90; 100) erzeugte optische Impulse empfängt, und
einen periodisch gepolten Frequenzwandler (20), der durch den nichtlinearen Kompressor komprimierte optische Impulse emp­ fängt und die optischen Hochleistungs-Impulse mit einer frequen­ zumgewandelten Wellenlänge erzeugt.

37. Vorrichtung zur Erzeugung von optischen Hochleistungs-Im­ pulsen, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (10) zur Erzeugung von Signallicht,
eine Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung des Signallichts und
eine Einrichtung (20) zur Frequenzumwandlung von durch die Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstär­ kung erzeugten optischen Impulsen, wobei die Einrichtung (20) zur Frequenzumwandlung die optischen Hochleistungs-Impulse an dessen Ausgang erzeugt.

38. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung (60) zur Steuerung des Polarisationszustands des Si­ gnallichts.

39. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung zur Komprimierung der durch die Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung erzeugten opti­ schen Impulse.

40. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung zur Reflexion von optischen Impulsen durch die Einrich­ tung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung, wodurch ein Doppelstufenaufbau erzeugt wird.

41. Vorrichtung nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Ein­ richtung (16; 63) zum Pumpen von Pumplicht in die Einrichtung (11, 18; 81, 82; 90; 100) zur nichtlinearen Verstärkung.

42. Verfahren zur Erzeugung von optischen Hochleistungs- Impulsen, gekennzeichnet durch die Schritte
Erzeugen eines Signallichts,
nichtlineares Verstärken des Signallichts zur Erzeugung von verstärkten optischen Impulsen und
Umwandeln der Frequenz der verstärkten optischen Impulse zur Erzeugung der optischen Hochleistungs-Impulse.

43. Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt des Steuerns des Polarisationszustands des Signallichts.

44. Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt des Komprimierens der optischen Impulse.

45. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Impulse während des Schritts des nichtlinearen Ver­ stärkens komprimiert werden.

46. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelmantel-Lichtwellenleiter (90) eine nichtlineare Verstär­ kung ausführt.

47. Verfahren nach Anspruch 46, gekennzeichnet durch den Schritt des Einkoppelns von Pumplicht und des Signallichts direkt in ei­ nen inneren Kern des Doppelmantel-Lichtwellenleiters (90)

48. Verfahren nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch den Schritt des Reflektierens der optischen Impulse durch einen Verstärker- Lichtwellenleiter (11, 18; 81, 82; 90; 100), wodurch eine Dop­ pelstufenkonfiguration erzeugt wird.