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Rein optische und hochfrequente Modulation von Laserpulszügen

Kurzfassung

Das neuartige Modulationsverfahren ermöglicht die Amplitudenmodulation von hochfrequenten Pulszügen und erlaubt im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren die maximale Modulationsfrequenz auch auf Pulszüge eines Ultrakurz-Pulslasers mit Pulsdauern im Femto- oder Pikosekundenbereich aufzubringen.

Hintergrund

Laserpulse werden häufig mit modengekoppelten Oszillatoren bereitgestellt. Die Modulation erfolgt dann z. B. durch mechanische Chopper, elektrooptische Modulatoren oder eine direkte Modulation der Diodenstromstärke. Die gängigen Modulationsmethoden sind, insbesondere für die Modulation gepulster Laser mit hoher Durchschnittsleistung und kurzer Pulsdauer, limitiert bezüglich der Modulationsfrequenz und Pulslänge.

Problemstellung

Alle bekannten Methoden zur Modulation von Laserpulszügen sind aktiv gesteuert, d. h. die Modulation erfolgt mit Hilfe einer teuren Steuerelektronik.

Lösung

Wissenschaftler der Universität Stuttgart haben nun eine rein optische, passive Methode zur Amplitudenmodulation von hochfrequenten Pulszügen entwickelt, mit der die maximale Modulationsfrequenz auch auf einen Pulszug von ultrakurzen Pulsen aufgebracht werden kann. Dabei erfolgt die Modulation durch ein passives Element.
Als modulierendes Element wird ein synchron gepumpter optisch-parametrischer Oszillator (OPO) verwendet, der im Resonatorarm ein Verstärkungsmedium und im Feedbackarm ein nichtlineares Medium aufweist. Im OPO werden die ankommenden Laserpulse in drei Pulse umgewandelt: den Signalpuls, den Idlerpuls und einen unveränderten Restpumppuls. Am Auskoppelelement des OPO werden Idlerpuls und Restpumppuls komplett ausgekoppelt, ein Teil des Signalpulses wird zurück in den Feedbackarm gelenkt. Das Wechselspiel aus Verstärkung und Verluste im nichtlinearen Medium erzeugt die Modulation. Die Modulationstiefe und Modulationsfrequenz können gewählt werden.

Schematische Darstellung der Methode zur Amplitudenmodulation eines gepulsten Pumplasers durch Einsatz eines passiven, optischen Elements. Modulationstiefe- und Frequenz sind frei wählbar [Bild: Universität Stuttgart].
Schematische Darstellung der Methode zur Amplitudenmodulation eines gepulsten Pumplasers durch Einsatz eines passiven, optischen Elements. Modulationstiefe- und Frequenz sind frei wählbar [Bild: Universität Stuttgart].

Vorteile

  • Modulation von Lichtpulsen mit sehr hohen Modulationsfrequenzen
  • Modulation gepulster Laser mit hoher Durchschnittsleistung (>500 mW) und kurzer Pulsdauer (<2 ps)
  • Stabiles System, vollautomatisierter Einsatz
  • Kostengünstig, da keine Steuerelektronik nötig
  • Extreme Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei modulationsbasierten Messungen
  • Keine elektronischen Rauschartefakte
  • Vereinfachter Aufbau von Raman-Mikroskopen

Anwendungsbereiche

Dieses neuartige Verfahren ermöglicht es, bei einem unmodulierten Laserpulszug durch ein rein optisches Modulationsverfahren die Pulsamplituden hochfrequent, selbst im MHz-Bereich zu modulieren. Dabei kann im Gegensatz zu herkömmlichen Verfahren die maximale Modulationsfrequenz (nämlich die halbe Repetitionsrate) sogar auf Pulszüge eines Ultrakurz-Pulslasers mit Pulsdauern im Femto- oder Pikosekundenbereich aufgebracht werden. Pump-Probe-Messungen sowie Mikroskopieverfahren wie die stimulierte Raman-Mikroskopie oder die CARS-Mikroskopie können somit einen intrinsisch extrem rauscharmen Frequenzbereich nutzen.
Neben dem modulierten Pulszug kann das optische System zwei weitere synchronisierte Pulszüge mit durchstimmbaren Wellenlängen zur Verfügung stellen. Dies ist vor allem für Anwendungen in der Spektroskopie interessant, bei denen zwei synchronisierte Pulszüge mit unterschiedlichen Wellenlängen benötigt werden, um Lock-In-Techniken einsetzen zu können.

Exposé
Kontakt
Dr.-Ing. Michael Ott
TLB GmbH
Ettlinger Straße 25
76137 Karlsruhe | Germany
Telefon +49 721-79004-0
ott(at)tlb.de | www.tlb.de
Entwicklungsstand
Validierung / TRL4
Patentsituation
EP 3 064 992 A1 anhängig
US 9,735,536 B2 erteilt
Referenznummer
14/065TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.