Verbesserung der Kompression ultrakurzer optischer Pulse
Die meisten Femtosekundenlaser emittieren Pulse mit Nah-IR-Wellenlängen, und aufgrund der begrenzten Verstärkungsbandbreite des Laserverstärker, haben dauern diese Pulse mehrere optischen Zyklen, wenn sie verstärkt werden. Es ist daher wünschenswert, diese effizient auf die Dauer weniger Zyklen zu komprimieren. Weiterhin sind die derzeit erhältlichen Lasertechnologien nicht in der Lage, Femtosekundenpulse im mittleren IR-Bereich zu erzeugen. Anstelle des nahen IR können gepumpte optische parametrischen Verstärker die Frequenz naher-IR-Pulse in den mittleren IR-Bereich umwandeln. Um Pulse im mittleren IR-Bereich mit wenigen Zyklen zu erreichen, müssen dabei jedoch die Einschränkungen der Bandbreite der Frequenzkonversion überwunden werden. Das EU-finanzierte Projekt "Cascaded optical pulse compressor" (COPULCO) untersuchte ein Verfahren, bei dem längerer, Multi-Zyklus-Pulse im nahen Infrarotbereich effizient auf eine geringe Zyklusdauer komprimiert werden könnten. Dies kann in einem sorgfältig entworfen zweistufigen linearen Kristall passieren. Gleichzeitig können energetische Pulse mit wenigen Zyklen im mittleren IR-Breich durch optische Cherenkov-Strahlung erzeugt werden. Dieser Pulskompressor basiert auf kaskadierten quadratische Nichtlinearitäten und verwendet Solitonen, um die Pulse zu komprimieren. Die mittlere Infrarotstrahlung stammt von einem Soliton im nahen IR-Bereich, der im Kristall gebildet wird. Bei Ausbreitung wird dieser durch höherwertige Dispersion gestört. Die Strahlung stammt aus einem mit der Resonanzphase übereinstimmenden Zustand mit dem Soliton. Die Neuheit dieses besonderen Soliton-Cherenkov Wellenphasenanpassungszustands ist, dass er bei mittleren IR-Wellenlängen auftritt und daher eine sehr wichtige Alternative für eine effiziente Breitband -Frequenzumsetzung im mittleren IR-Bereich ist. Im Zuge des Projekts wurden ferner die nötigen Bedingungen für eine disperse Wellenerzeugung sowie die Pulskompression mit wenigen Zyklen untersucht. Die Ergebnisse versprechen eine neue Route für hocheffiziente Breitbandwellenlängen-Umwandlung zum mittleren IR-Bereich. Die Wissenschaftler verwendeten gechirpte Kristalle mit einer Quasi-Phasenanpassung, um Solitonenselbstkompression auf eine geringe Zyklusdauer mit erhöhter Effizienz und Qualität zu erreichen. Durch eine unterteilte Struktur der nichtlinearen Kristalle konnten kaskadierte quadratische Nichtlinearitäten erzeugt werden, welche die Qualität der Pulse erheblich verbessern konnten. Ein Teil der Arbeit konzentrierte sich darauf, die ultraschnellen und ultrabreitbandigen Wechselwirkungen in kaskadierten quadratischen nichtlinearen Medien zu verstehen und genau zu modellieren. Das Team verwendete eine neue, nichtlineare Wellengleichung im Frequenzraum als eine Plattform für die Untersuchung der Soliton-Kompression für die Dauer der wenigen Zyklen. COPULCO untersuchte auch die anisotrope Natur des nichtlinearen Kerr-Effekts in einem speziellen nichtlinearen Kristall, um so die ultraschnelle Interaktion, die durch den anisotropen nichtlinearen Koeffizienten des Kristalls verursacht wird, besser zu modellieren. Dabei fokussierte man auf der Bestimmung der kubischen Tensorkomponenten, die die Wechselwirkungen der kaskadierten Frequenzverdopplung beeinflussen. Die nichtlineare Kerr-Tensorkomponente, die für die Selbstphasenmodulation beim Kaskadieren zuständig ist, stellte sich als bedeutend größer heraus als jene, die bislang verwendet wurden. Doch sobald die historischen Messungen auf deterministische Fehler hin korrigiert war, war die Übereinstimmung wieder hergerichtet. Ferner wurde die Auswirkung eines solchen kubischen, anisotropen Effekts in ultraschnellen Kaskadierungsexperimenten untersucht. Die Projekterkenntnisse sollten dabei helfen, die führende Position Europas im Bereich der ultraschnellen Femtosekundenprozesse zu festigen.
