DE102009028819B4

DE102009028819B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Verstärkung oder Frequenzwandlung von Laserstrahlung mithilfe der Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung

Info

Publication number: DE102009028819B4
Application number: DE102009028819A
Authority: DE
Inventors: Dr. habil. Herrmann Joachim
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2012-07-19
Anticipated expiration: 2029-08-22
Also published as: DE102009028819A1

Abstract

Vorrichtung zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung, umfassend:
ein Lasersystem (301, 401) zur Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ω_p;
ein Mittel zur Erzeugung von Idlerimpulsen mit einer Frequenz ω_i < 2ω_p zur Frequenzerhöhung oder von Signalimpulsen mit einer Frequenz ω_s > 2ω_p zur Frequenzerniedrigung (304, 404);
ein Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen, eingangsseitig mit dem Lasersystem (301, 401) zur Erzeugung von Pumpimpulsen und dem Mittel zur Erzeugung von Idler- oder Signalimpulsen (304, 404) verbunden, wobei der optische Weg von Pump- und Idler- oder Signalimpulsen so eingestellt wird, dass sie sich synchronisiert im Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung überlagern, ausgangsseitig verbunden mit
einem Mittel zur Abtrennung von Signal- oder Idlerimpulsen von Pumpimpulsen (308, 408);
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen (307, 407) einen Hohlzylinder (101) umfasst, gefüllt mit einem nichtlinearen...

Description

Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung für die Frequenzwandlung und Verstärkung kohärenter Strahlung, insbesondere im ultravioletten, optischen und nah- und mittleren infraroten Spektralbereich, aber auch im vakuum-ultravioletten Bereich (VUV).
Beschreibung des Standes der Technik
Dem Stand der Technik nach bekannt ist die Frequenzwandlung durch Vierwellenmischung.
Bei der entarteten Vierwellenmischung in isotropen Medien, wie insbesondere in Edelgasen, mittels einer Nichtlinearität dritter Ordnung wechselwirken zwei Photonen des Pumpimpulses mit der Frequenz ω_p mit je einem des sogenannten Idler mit der Frequenz ω_i < 2ω_p und des Signalimpulses mit der Frequenz ω_s > 2ω_p wobei die Frequenzen die Bedingung 2ω_p = ω_s + ω_i erfüllen. Eine effiziente spektrale Umwandlung von einem Pump- und einen Idlerimpuls in einen Signalimpuls erfordert Phasenanpassung der Wellenvektoren Δk = 2k_p – k_i – k_s = 0.
In Festkörpern und Flüssigkeiten kann diese Bedingung wegen der Dispersion des Mediums nur unter der Bedingung nicht paralleler Ausbreitung der drei Wellen realisiert werden und deshalb nur über wesentlich reduzierter Wechselwirkungslängen. In Gasen lässt sich Phasenanpassung unter der Bedingung der nahen Resonanz eines Bindungszustands in atomaren Systemen erfüllen. Beispiele für Frequenzwandler im VUV Bereich auf dieser Basis sind in EP 1 245 997 A1 und EP 1 248 336 A2 beschrieben. Die Bedingung der nahen Resonanz schränkt aber die mögliche Bandbreite stark ein, wodurch dieses Vorgehen nicht für ultrakurze Impulse geeignet ist. Eine alternative Methode unter nichtresonanter Bedingung lässt sich in Hohlwellenleitern mit einer Edelgasfüllung realisieren. Der Hohlwellenleiter liefert einen Druck abhängigen anomalen Beitrag zur Dispersion, wodurch bei einem bestimmten Druck die Bedingung Δk = 0 erfüllt werden kann. Außerdem werden die Wechselwirkungslängen durch die Wellenleiterführung vergrößert. Die Effizienz der Umwandlung wird jedoch in interessanten Fällen, wie z. B. bei der VUV Impulserzeugung, dadurch begrenzt, dass der Druck, bei dem Phasenanpassung realisiert ist, relativ klein ist.
In anisotropen Kristallen basiert die parametrische Wechselwirkung eines Pumpimpulses oder -signals mit der Frequenz ω_p und eines Idlerimpulses oder -signals mit der Frequenz ω_i < ω_p bzw. eines Signalimpuls mit der Frequenz ω_s > ω_p auf einem nichtlinearen Prozess zweiter Ordnung, der zur Frequenzwandlung sowie auch zur Verstärkung eines Signalimpulses bzw. alternativ eines Idlerimpulses durch den Pumpimpuls ausgenutzt werden kann. Die Kreisfrequenzen erfüllen hierbei die Beziehung 2ω_p = ω_s + ω_i. Die Wellenvektoren müssen dabei die Bedingung der Phasenanpassung Δk = k_p – k_i – k_s = 0 erfüllen. Wegen der Dispersion des Mediums lässt sich dies dadurch realisieren, dass Pump- und Signalimpuls sich in nichtparalleler Richtung im optisch anisotropen Kristall ausbreiten.
Eine spezifische Variante für die Verstärkung ultrakurzer Impulse ist die Optische Parametrische Gestreckte Impulsverstärkung (OPCPA, „optical parametric chirped pulse amplification”) mittels nichtlinearer Kristalle mit einer Nichtlinearität zweiter Ordnung. Dabei wird zur Vermeidung ungünstiger nichtlinearer Effekte bei der Verstärkung ein zu verstärkender breitbandiger Startimpuls, der sogenannte „seed pulse”, vor der Verstärkung durch ein dispersives Element bis auf die Dauer des Pumpimpulses gestreckt, die im Pikosekunden- bis Nanosekunden-Bereich liegen kann, im Verstärker dann um viele Größenordnungen durch die parametrische Wechselwirkung verstärkt und schließlich mittels Phasenkompensation („chirp compensation”) durch Gitter, gechirpte Spiegel oder räumliche Lichtmodulatoren wieder nahezu auf seine Ausgangsdauer gekürzt. Dieses Konzept ermöglicht die Herstellung relativ einfacher Laserverstärker, wobei ultrakurze breitbandige, aber auf eine große Dauer gestreckte Impulse durch schmalbandige, lange Pumpimpulse hoher Energie zu extrem hohen Intensitäten verstärkt werden und Spitzenleistungen bis in den Bereich von PW möglich sind. Spezielle Ausführungsformen zur Nutzung der OPCPA sind in KR 100784837 B , WO 2007/139272 A1 und CN 1560964 beschrieben.
Alternativ zur Phasenanpassung in nichtlinearen Kristallen durch Ausnutzung der Doppelbrechung ist eine effiziente Umwandlung unter der Bedingung der Quasi-Phasenanpassung („quasi-phase-matching”, QPM) mittels periodisch gepolter Kristalle möglich, bei der Startsignalimpuls und Pumpimpuls sich in paralleler Richtung ausbreiten können. Dabei wird die nichtlineare Suszeptibilität des Materials längs der Ausbreitungsrichtung periodisch moduliert, mittels periodischer Strukturierung des Kristalls („periodically poled nonlinear crystal”, PPNC). Bei geeigneten Parametern kann in solchen Kristallen die Wellenzahldifferenz der wechselwirkenden Wellen Δk durch die Modulation der Nichtlinearität unter der Bedingung Δk = 2π/L_P kompensiert werden, wobei L_P die Modulationslänge ist. In solchen Kristallen werden periodische Strukturen im μm-Bereich im Kristall erzeugt, so dass die Suszeptibilität zweiter Ordnung räumlich periodisch ihr Vorzeichen ändert. Nichtlineare Kristalle sind jedoch nicht für die Erzeugung bzw. Verstärkung von ultrakurzen Impulsen im UV/VUV Spektralbereich geeignet. Aber auch für den optischen Bereich existieren Nachteile, wie z. B. die relativ kleine Zerstörungsschwelle nichtlinearer Kristalle und ihre Begrenzungen hinsichtlich geometrischer, spektraler und dispersiver sowie anderer Parameter. Verschiedene Methoden und Ausführungsformen zur Nutzung der Quasi-Phasenanpassung bei der Frequenzwandlung sind in US 2008/080044 A1 , JP 2006059964 A , US 2005/211155 A1 , US 2005/008297 A1 , US 2004/227986 A1 , US 6,710,912 B1 , US 2003/0084837 A1 , US 2002/114059 A1 , GB 2353397 A , JP 2001133820 , JP 9054657 A , EP 0 454 071 A2 , US 5,475,526 A beschrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives Verfahren und Vorrichtungen für die Erzeugung und Frequenzwandlung von ultrakurzen Impulsen durch Vierwellenmischung anzugeben, welches breite Einsatzmöglichkeiten in verschiedensten Frequenzbereichen zulässt. Die Erfindung lässt vorteilhafte Realisierungen im optischen sowie nah- und mittleren infraroten Bereich zu, und schließt auch den Vakuum ultravioletten Bereich ein.
In der Erfindung wird zur Verstärkung und Frequenzwandlung von Laserstrahlung eine Realisierung der Quasi-Phasenanpassung in isotropen nichtlinearen Medien bei der Vierwellenmischung durch eine räumliche periodische Modulation des Druckes bzw. der Teilchenzahldichte durch Ultraschallwellen realisiert.
Dabei wird ein mit einem isotropen nichtlinearen Medium gefüllter Hohlzylinder, der an einem Ende durch einen Ultraschallgenerator abgeschlossen ist, zur Vierwellenmischung von Pumpimpulsen mit Signal bzw. Idler Impulsen genutzt. Durch den Ultraschallgenerator werden Ultraschallwellen erzeugt, die infolge der axialen periodischen Modulation der Teilchenzahldichte auch eine axiale periodische Modulation der Suszeptibilität dritter Ordnung bewirken, wobei die Modulationsperiode durch die Wellenlänge des Ultraschalls bestimmt ist. Bei geeigneter Wahl der Ultraschallwellenlänge kann somit durch die Ultraschallwelle die Quasi-Phasenanpassungsbedingung bei der Vierwellenmischung in isotropen Medien erfüllt werden. Da die Schallgeschwindigkeit viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist, können sowohl laufende als auch stehende Ultraschallwellen verwendet werden.
Daher wird zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche umfasst: einen Laser zur Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ω_p; ein Mittel zur Erzeugung eines Idlerimpulses mit einer Frequenz ω_i < 2ω_p zur Frequenzerhöhung oder eines Signalimpulses mit einer Frequenz ω_s > 2ω_p zur Frequenzerniedrigung; ein Mittel zur Synchronisation von Pumpimpuls und Idler- bzw. Signalimpuls. Die Vorrichtung umfasst ein Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen unter Erzeugung einer axialen Modulation einer Nichtlinearität, die eingangsseitig mit dem Mittel zur Erzeugung von Pumpimpulsen und dem Mittel zur Erzeugung von Idler- bzw. Signalimpulsen verbunden ist. Ausgangsseitig ist das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung verbunden mit einem Mittel zur Auskopplung bzw. Abtrennung der Impulse voneinander. Das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung umfasst dabei einen Hohlzylinder, gefüllt mit einem nichtlinearen Medium, welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist. Der Hohlzylinder umfasst: ein erstes optisch transparentes Fenster, angeordnet an einem Ende des Hohlzylinders, wobei das Fenster derart ausgebildet ist, dass es für Lichtwellen durchlässig ist; einen Ultraschallgenerator, angeordnet an dem dem transparenten Fenster gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders zur Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder; und eine hochreflektierende Schicht, angeordnet auf der dem Inneren des Hohlzylinders zugewandten Seite des Ultraschallgenerators, oder aber statt der hochreflektierend Schicht ein zweites optisch transparentes Fenster am Ende des Hohlzylinders und mit dem Ultraschallgenerator, welches geeignet ist, Lichtwellen aus dem Hohlzylinder auszukoppeln. Dabei ist die Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators so eingestellt, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Zur Verstärkung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, umfassend: einen Laser zur Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ω_p; ein Mittel zur Erzeugung eines Startsignals mit einer Frequenz ω_s bzw. ω_i, und ein Mittel zur Synchronisation von Pumpimpuls und Startsignal. Die Vorrichtung umfasst ein Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen, das eingangsseitig mit dem Mittel zur Erzeugung von Pumpimpulsen und Startsignal verbunden ist. Ausgangsseitig ist das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung verbunden mit einem Mittel zur Auskopplung eines verstärkten Impulses mit der Frequenz des Startsignals. Das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung umfasst einen Hohlzylinder, gefüllt mit einem nichtlinearen Medium, welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist, wobei der Hohlzylinder: ein erstes optisch transparentes Fenster umfasst, angeordnet an einem Ende des Hohlzylinders, wobei das Fenster derart ausgebildet ist, dass es für Lichtwellen durchlässig ist; einen Ultraschallgenerator, angeordnet an dem dem transparenten Fenster gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders zur Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder; und entweder eine hochreflektierende Schicht, angeordnet auf der dem Inneren des Hohlzylinders zugewandten Seite des Ultraschallgenerators, oder ein zweites optisch transparentes Fenster an dem Ende des Hohlzylinders mit dem Ultraschallgenerator, welches geeignet ist, Lichtwellen aus dem Hohlzylinder auszukoppeln. Die Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators ist dabei so eingestellt, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Die Synchronisation von Pumpimpuls und Idler-/Signalimpuls bzw. Startsignal kann durch eine Verzögerungsstrecke des Pumpimpulses realisiert werden.
Für die gestreckte Vierwellenmischung wird ein Pumpimpulse mit einer längeren Dauer als die der Idler-/Signalimpulse bzw. Startsignale genutzt und die Idler-/Signalimpulse bzw. Startsignale können durch ein dispersives Element mittels der Erzeugung eines „Chirps” auf die Dauer der Pumpimpulse gestreckt und nach erfolgter Frequenzwandlung bzw. Verstärkung durch einen Impulskompressor mittels Chirp-Kompensation wieder auf ihre ursprüngliche Dauer verkürzt werden.
In spezifischen wichtigen Ausführungsformen lässt sich die Erfindung für die Frequenzwandlung und Verstärkung von Femtosekunden Impulsen durch Realisierung der Quasi-Phasenanpassung bei der sogenannten „gestreckten” Vierwellenmischung anwenden, wobei breitbandige gestreckte bzw. phasenmodulierte („chirped”) Impulse mit einer Spektralbreite größer als Δω = 10¹²s^–1 (aber nicht beschränkend) durch schmalbandige Pumpimpulse mit einer Dauer im Bereich von 500 fs bis 100 ps (bzw. mit einer Spektralbreite kleiner als Δω = 2 × 10¹³s^–1) verstärkt bzw. frequenzgewandelt werden. Die Signal bzw. Idlerimpulse werden dabei zunächst durch das dispersive Element mittels der Erzeugung eines „Chirps” auf die Dauer der Pumpimpulse gestreckt, wobei ihr breites Spektrum erhalten bleibt. Nach erfolgter Wechselwirkung im nichtlinearen Medium wird danach die spektrale Phase (Chirp) im Impulskompressor durch einen „Chirp” mit entgegengesetztem Vorzeichen auf Null kompensiert, wodurch die verstärkten bzw. frequenzgewandelten Idler bzw. Signalimpulse wieder auf ihre Ausgangsdauer komprimiert werden und ihre Intensität um den entsprechenden Faktor anwächst.
Die Frequenzwandlung unterscheidet sich von der Verstärkung zum einen dadurch, dass bei der Frequenzerhöhnung entweder ein Idlerimpuls zusammen mit dem Pumpimpuls oder bei der Frequenzerniedrigung ein Signalimpuls zusammen mit dem Pumpimpuls in das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung unter Erzeugung der axialen Modulation einer Nichtlinearität eingespeist wird, und der jeweilig andere Impuls, also bei der Frequenzerhöhung der gegenüber dem Iderimpuls frequenzerhöhte Signalimpuls bzw. bei der Frequenzerniedrigung der gegenüber dem Signalimpuls erniedrigte Idlerimpuls erzeugt wird. Bei der Verstärkung wird in Gegensatz dazu der Impuls, der mit dem Pumpimpuls als Startimpuls eingespeist wurde, durch die Wechselwirkung verstärkt. Gleichzeitig entsteht auch der entsprechende frequenzgewandelte Impuls, der jedoch eine viel kleinere Intensität besitzt und in der Regel nicht genutzt wird.
Ferner unterscheiden sich Frequenzwandlung und Verstärkung dadurch, dass bei der Verstärkung lediglich ein schwaches, dem Fachmann bekanntes, sogenanntes „seed signal” oder „Startsignal” eingespeist werden muss, da die Verstärkung in der Vorrichtung entsprechend stark ist. Die Intensität der Startsignale kann also um drei bis 8 Größenordnungen kleiner sein als die der Pumpimpulse und sie kann maximal bis in den Bereich der Intensität der Pumpimpulse verstärkt werden. Bei der Frequenzwandlung hingegen muss bereits das eingespeiste Signal eine gewünschte Stärke des ausgekoppelten, gewandelten Signals haben.
Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung mittels Erzeugung einer axialen Modulation einer Nichtlinearität ohne weitere Anpassung sowohl zur Frequenzwandlung als auch zur Verstärkung eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise kann ferner für die Verstärkung von Laserstrahlung zur Erzeugung des eingangseitigen Startsignalimpulses (seed signal pulse) dieser durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzwandlung aus dem Pumpimpuls und einem Idlerimpulses erzeugt werden. Analog kann auch ein eingangseitiger Startidlerimpulse (seed idler pulse) durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzwandlung aus dem Pumpimpuls und einem Signalimpulse erzeugt werden. Hier werden also die beiden erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit jeweils einem Hohlzylinder mit einem Ultraschallgenerator kombiniert, wozu Impulse mit unterschiedlichsten Frequenzen zunächst erzeugt und danach verstärkt werden können. Bei der „gestreckten” Vierwellenmischung wird ein dispersives Element zur zeitlichen Streckung des breitbandigen Signal bzw. Idlerimpuses genutzt, für das z. B. ein optisches Gitter verwendet werden kann. Im Kompressor wird ebenfalls ein dispersives Element verwendet, das die spektrale Phase des verstärkten bzw. frequenzgewandelten Signal bzw. Idlerimpulses kompensiert. In Falle der Verstärkung kann die Streckung durch anomale Dispersion erfolgen, die Kompression erfordert dann ein dispersives Element mit normaler Dispersion. Bei der Frequenzwandlung geht im Prozess der Vierwellenmischung die Phase des Idlers bzw. des Signals mit entgegengesetztem Vorzeichen ein, deshalb erfolgt die Streckung und die Kompression mit dispersiven Elementen des gleichen Typs (z. B. mit normaler Dispersion).
Die Entfernung zwischen dem ersten optisch transparenten Fenster und dem Ulraschallgenerator kann dabei so gewählt werden, dass stehende Ultraschallwellen im Hohlzylinder zur periodischen Modulation des Drucks im Hohlzylinder gebildet werden. Jedoch sind auch fortschreitende Wellen möglich.
Das nichtlineare Medium kann bevorzugt ein Edelgas sein, wie Argon, Xenon, Krypton oder Helium.
Zur Frequenzwandlung im ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten, oder mittleren infraroten Spektralbereich, kann der Laser einen Pumpimpuls in nah-infraroten Bereich generieren und das Mittel zur Erzeugung eines breitbandigen Impulses kann ein nichtlineares Element sein, welches eine breitbandige Strahlung für die Frequenzwandlung durch Vierwellenmischung generiert.
Zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung in den Vakuum ultravioletten Spektralbereich bildet der Laser bevorzugt einen UV-Pumpimpuls mittels der dritten Harmonischen Generation, wobei der Idlerimpuls aus dem Laser gebildet wird.
Für die Verstärkung im ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten oder mittleren infraroten Spektralbereich kann der Pumpimpuls durch Festkörperlaser oder Faserlaser erzeugt werden und die Startsignalstrahlung kann durch Frequenzwandlung eines Festkörperlasers oder Faserlasers mittels parametrischer Verstärkung in einem Festkörperkristall oder durch Generation eines Superkontinuums aus einer Photonischen-Kristallfaser mit einem Glaskern oder mit einem Edelgas-gefüllten Hohlkern oder durch Bildung der zweiten oder dritten Harmonischen in einem Festkörperkristall erzeugt werden.
Zur Verstärkung von Laserstrahlung im Vakuum ultravioletten Spektralbereich kann der Laser einen UV-Pumpimpuls mittels der dritten Harmonischen Generation generieren und die VUV Startsignalstrahlung kann mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Frequenzwandlung, oder eines SrB₄O₂ Kristalls, oder einer Photonischen Kristallfaser mit einem Hohlkern, oder laser-induzierter Plasmen gebildet werden.
Das Mittel zur Auskopplung kann ein dichromatischer Spiegel zur Abtrennung des verstärkten bzw. frequenzgewandelten Signals bzw. Idlerimpulses von den übrigen Impulsen sein.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung vorgeschlagen, umfassend:
Erzeugung eines Pumpimpulses mit einer Frequenz ω_p;
Erzeugung eines Idlerimpulses mit einer Frequenz ω_i < 2ω_p zur Frequenzerhöhung oder eines Signalimpulses mit einer Frequenz ω_s > 2ω_p zur Frequenzerniedrigung;
Einspeisen von Pumpimpuls und Idler- bzw. Signalimpuls in das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen;
Frequenzwandlung in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung; und
Auskopplung eines Signalimpuls bei der Frequenzerhöhung mit einer Frequenz ω_s= 2ω_p – ω_i oder eines Idlerimpulses bei der Frequenzerniedrigung mit einer Frequenz ω_i = 2ω_p – ω_s aus dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung. Der Schritt der Frequenzwandlung in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung umfasst dabei:
Einspeisen von Pumpimpuls und Idler bzw. Signalimpuls in einen Hohlzylinder gefüllt mit einem nichtlinearen Medium, welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist;
Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder;
Modulieren der Nichtlinearität des Mediums in axialer Richtung mittels der erzeugten Ultraschallwellen; und
Einstellen der Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators derart, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur Verstärkung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung vorgeschlagen, umfassend:
Erzeugung eines Pumpimpulses mit einer Frequenz ω_p;
Erzeugung eines Startsignals mit einer Frequenz ω_s bzw ω_p Einspeisen von Pumpimpuls und Startsignal in das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen;
Verstärkung des eingespeisten Startsignals in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung; und
Auskopplung des verstärkten Signals mit der Frequenz des Startsignals. Der Schritt der Verstärkung im dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung umfasst dabei:
Einspeisen von Pumpimpuls und Startsignal in einen Hohlzylinder (101) gefüllt mit einem nichtlinearen Medium (102), welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist;
Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder (101);
Modulieren der Nichtlinearität des Mediums (102) in axialer Richtung mittels der erzeugten Ultraschallwellen; und
Einstellen der Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators (103, 203) derart, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Bei dem Verfahren zur Frequenzwandlung oder Verstärkung von Laserstrahlung Vierwellenmischung können sowohl fortschreitende als auch stehende Ultraschallwellen im Hohlzylinder durch den Ultraschallgenerator zur Modulation des Drucks und der Nichtlinearität im Hohlzylinder erzeugt werden.
Zur Erzeugung des Startsignals bei der Verstärkung kann erfindungsgemäß eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Frequenzwandlung verwendet werden, wobei aus dem Pumpimpuls und einem Idlerimpulse ein Startsignalimpuls erzeugt wird, der danach in einem zweiten Hohlzylinder mit einem Ultraschallgenerator verstärkt wird.
Zur Spezifizierung sollen nicht beschränkend einige bevorzugte Parameterbereiche der Erfindung genannt werden. Der Hohlzylinder hat bevorzugt eine Länge zwischen 0,1 m und 1,5 m sowie je nach verfügbarer Pumpimpulsleistung einen-Durchmesser zwischen 300 μm und 1 mm. Der Druck im Hohlzylinder variiert je nach Frequenzbereich zwischen 1 atm und 30 atm. Der Ultraschallwellengenerator erzeugt bevorzugt Ultraschallwellen mit einer Frequenz im Bereich von 0.05 bis 1 MHz. Im Vakuum Ultraviolett sind Ultraschallfrequenzen im Bereich größer als 1 MHz erforderlich. Bei der Verwendung von Edelgasen wachsen jedoch im MHz Bereich die Verluste der Ultraschallwellen in einem Gas stark an.
Zur Reduzierung der notwendigen Pumpleistung bei den genannten Methoden kann ein Gemisch aus Edelgasen mit metallischen Nanoteilchen verwendet werden, wobei die Nanoteilchen eine starke Feldüberhöhung durch Plasmonresonanzen sowie durch einen sehr hohen nichtlinearen Koeffizienten bewirken. Die Nanoteilchen können aus Silber sein und zur Erzeugung einer Plasmonen-Resonanz bei einer gewünschten Frequenz eine geeignete Gestalt aufweisen, bevorzugt eine kugelförmige, eine zylinderförmige, eine elipsoidförmige oder pyramidenförmige Gestalt.
Weiterhin kann das nichtlineare Medium) eine Flüssigkeit (wie z. B. destilliertes Wasser) oder ein verflüssigtes Edelgas bei tiefen Temperaturen wie flüssiges Xenon, Krypton oder Argon sein.
Die Erfindung wird im Folgenden exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen nebst Zeichnungen beschrieben. Diese dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung und beschränken diese nicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Prinzipskizze eines Hohlzylinders für die Vierwellenmischung mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen, erzeugt durch einen Ultraschallgenerator, der mit einer reflektierenden Schicht versehen ist;
2 zeigt eine Prinzipskizze eines Frequenzwandlers oder eines Laserverstärkers unter Verwendung der Vierwellenmischung mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen erzeugt durch einen Ultraschallgenerator, der mit einem transparenten Fenster versehen ist;
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Frequenzwandlers oder eines Laserverstärkers unter Verwendung der Vierwellenmischung mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen erzeugt durch einen Ultraschallgenerator, der mit einem transparenten Fenster versehen ist;
4 zeigt ein Blockdiagramm eines Frequenzwandlers oder eines Laserverstärkers unter Verwendung der Vierwellenmischung mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen erzeugt durch einen Ultraschallgenerator, der mit einer reflektierenden Schicht versehen ist;
5 zeigt den Verstärkungskoeffizienten und die optimale Ultraschallfrequenz in Abhängigkeit vom Druck der Argonfüllung bei einem Laserverstärker mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen bei der Vierwellenmischung für eine Verstärkung von Laserstrahlung im sichtbaren Bereich;
6 zeigt den Verstärkungskoeffizienten und die optimale Ultraschallfrequenz in Abhängigkeit vom Druck der Argonfüllung bei einem Laserverstärker mit einer Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen bei der Vierwellenmischung für eine Verstärkung von Laserstrahlung im mittleren Infrarot.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bei einer Überlagerung von gegenläufigen Ultraschallwellen in einem nichtlinearen Medium bilden sich stehende Ultraschallwellen aus, die zu einer periodischen Modulation des Druckes bzw. der Teilchenzahldichte längs der axialen Richtung der Wellen führt. Regt man mittels eines piezoelektrischen Ultraschallgenerators in einem Hohlzylinder eine Ultraschallwelle an, so wird durch den Hohlzylinder ein akustischer Wellenleiter gebildet.
1 und 2 zeigen bevorzugte Ausführungsformen des Mittels zur Quasiphasenanpassung bei der Vierwellenmischung mithilfe einer axialen Modulation einer Nichtlinearität, das in 3 und 4. den Elementen Nummer 307 und 407 entspricht. Ein Hohlzylinder, bevorzugt bestehend aus einer Glasröhre 101, der mit einem nichtlinearen Medium 102, bevorzugt einem Edelgas, gefüllt ist, wird an einem Ende durch einen piezoelektrischen Ultraschallgenerator 103 abgeschlossen. Der Ultraschallgenerator 103 ist bevorzugt ein piezoelektrischer Ultraschallgenerator, in dem durch einen Wechselstrom 107a und 107b geeigneter Frequenz mechanische Schwingungen angeregt werden, die Ultraschallwellen 106 im Hohlzylinder anregen. Die piezoelektrische Platte ist in der Variante von 1 von innen mit einer hochreflektierenden Schicht 104 verbunden, an der alle Wellen reflektiert werden. Das andere Ende des Hohlzylinders wird durch ein erstes optisch transparentes Fenster 105 gebildet, an dem jedoch die Ultraschallwelle reflektiert werden. Im Hohlzylinder bilden sich dadurch stehende Ultraschallwellen aus. Gleichzeitig werden Pump- sowie Idler- bzw. Signal-Impulse in den Hohlzylinder eingekoppelt, die an der hochreflektierenden Schicht 104 reflektiert werden und den Hohlzylinder im gegenläufiger Richtung noch einmal durchlaufen. Da die Nichtlinearität dritter Ordnung proportional der Teilchendichte bzw. dem Druck ist, führt die stehende Ultraschallwelle zu einer räumlichen periodischen Modulation des nichtlinearen Koeffizienten mit einer ähnlichen Wirkung wie bei der Quasi-Phasenanpassung in periodisch gepolten nichtlinearen Kristallen (PPNC).
Bei einer geeignet gewählten Wellenlänge des Ultraschalls λ_us kann die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung Δk = 2π/λ_us bei der Vierwellenmischung in isotropen Medien realisiert werden, wobei Δk die Differenz der Wellenvektoren Δk = 2k_p – k_i – k_s zwischen dem doppelten Pumpimpulswellenvektor k_p und dem des Idlers und des Signals bedeutet. Bei der (entarteten) Vierwellenmischung sind also zwei Photonen des Pumpimpulses und je eins des Idler- und der Signalimpulses beteiligt. Der Idlerimpuls besitzt hierbei eine Frequenz ω_i < 2ω_p und der Signalimpuls eine Frequenz ω_s > 2ω_p, wobei die Bedingung 2ω_p = ω_s + ω_i erfüllt ist. Diese Bedingungen gelten sowohl für die Verstärkung als auch die Frequenzwandlung.
In der Variante von 2 ist die piezoelektrische Platte 203 innen mit einem zweiten optisch transparenten Fenster 204 versehen, durch das der Pumpimpuls und der verstärkte Signalimpuls bzw. Idlerimpuls den Hohlzylinder in der gleichen Richtung wie die einfallenden Impulse am Eingang verlassen.
Das eingangs beschriebene Konzept zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung lässt sich sowohl zur Verstärkung als auch zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung in einem sehr breiten Spektralbereich verwenden, der vom mittleren Infraroten bis zum UV/VUV Bereich reicht. Insbesondere kann diese Methode für die Frequenzwandlung und Verstärkung von Femtosekundenimpulsen mittels der gestreckten Vierwellenmischung realisiert werden.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verstärkung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung in einem ersten Ausführungsbeispiel.
Ein Vierwellen-Verstärker, der beispielsweise – aber nicht beschränkend – im ultravioletten, optischen sowie im nah- und mittleren Infrarot verwandt werden kann, enthält die Vorrichtung entsprechend 3 ein Lasersystem 301 (z. B. ein Ti:Sapphire Laser) mit einem Laserverstärker. Durch einen Strahlteiler 303 wird ein Teil über eine Verzögerungsstrecke 306 in das Mittel Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung unter Erzeugung der Modulation einer Nichtlinearität 307 und den entsprechenden Hohlzylinder eingekoppelt, während ein zweiter Teil in einem nichtlinearen Element 304 eine frequenzverschobene schwache Startsignalstrahlung (seed signal) erzeugt. Das nichtlineare Element kann ein nichtlinearer Kristall zur Bildung der zweiten oder dritten Harmonischen oder ein optischer parametrischer Oszillator sein. Durch eine optische Verzögerungsstrecke 306 werden die Startsignalimpulse synchronisiert mit den Pumpimpulsen in den Hohlzylinder bzw. das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung 307 eingekoppelt und durch Vierwellenmischung verstärkt. Im Hohlzylinder wird mittels stehender Ultraschallwellen eine Quasi-Phasenanpassung für den Pumpimpuls und die Startsignalstrahlung bei der Vierwellenmischung realisiert.
Die verstärkte Strahlung verlässt bei einem Hohlzylinder des Typs von 2 in der gleichen Richtung den Hohlzylinder. Danach wird der verstärkte Signalimpuls in einem dichromatischen Spiegel 308 vom Pumpimpuls separiert und der Pumpimpuls durch ein Bandpassfilter unterdrückt.
Die Verstärkung der Startsignalstrahlung mit einer Intensität I_S0 lässt sich bei Vernachlässigung der Dispersion des Mediums mittels folgender Formel berechnen: I_S = I_S0 exp(g·L), mit g = Δp·n₂·I_p·ω_p/c (1) wobei der Gain „g” von der Amplitude der Druckmodulation „Δp”, der Intensität der Pumpstrahlung „I_p” und ihrer Frequenz „ω_p” sowie vom nichtlinearen Koeffizienten „n₂” abhängt; „c” ist hier die Lichtgeschwindigkeit und „L” die Länge des Hohlzylinders. Bei ausreichend großen Werten von „g·L” wird der Signalimpuls um mehrere Größenordnungen verstärkt.
Für die Verstärkung der Startidlerstrahlung mit einer Intensität I_I0 gilt: I_I = I_I0·exp(g·L), mit g = Δp·n₂·I_p·ω_p/c. (2)
Die Startsignalimpulse lassen sich durch die weiter unten beschriebene Methode der Frequenzwandlung durch Vierwellenmischung erzeugen durch die analoge hier beschriebene Methode der Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen.
Bei der Verwendung eines Hohlzylinders entsprechend 1 mit einer verspiegelten Fläche des Ultraschallgenerators ist ein etwas modifiziertes Blockdiagramm zu verwenden, wie es in 4 dargestellt ist. In diesem Fall werden Pumpimpuls 402 und Signal- oder Idlerimpuls am Ultraschallgenerator reflektiert. Der Pumpimpuls 402 wird dabei nach Aufteilung im Strahlteiler 403 zur Synchronisation in der Verzögerungsstrecke 406 verzögert, während der andere Teil des Strahls im nichtlinearen Element 404 die Startsignalstrahlung erzeugt. Damit Pumpimpuls und Signalimpuls nicht in den Vierwellen Verstärker 401 zurücklaufen können wird in diesem Fall eine Polarisationsweiche 412 verwendet, wodurch der Strahlteiler 410 und 411 nur in der direkt durchlaufenden Strahlrichtung transparent ist, jedoch keine Reflexion in der dazu senkrechten Richtung besitzt. Der Signalimpuls wird danach wieder im dichromatischen Spiegel 408 vom Pumpimpuls separiert.
Die analoge Methode lässt sich auch mittels der gestreckten Vierwellenmischung (chirped four-wave mixing) zur Verstärkung von breitbandigen Femtosekunden Impulsen im optischen und nah-infraroten Bereich durch schmalbandige Pikosekunden Impulse anwenden. Im Blockdiagramm in 3 ist der Spiegel 303 dabei total reflektierend und das Element 304 bezeichnet einen Femtosekunden-Laser, dessen Impulse im dispersiven Element 305 durch Erzeugung eines „Chirps” auf die Dauer der Pumpimpulse 302 gestreckt werden. Analog lassen sich auch Impulse im mittleren Infrarot verstärken. Startimpulse für Verstärker im mittleren Infrarot können durch bekannte Methoden durch einen OPA und Differenzfrequenzbildung in einem Kristall mit einer Nichtlinearität zweiter Ordnung gewonnen werden. Alternativ kann das nichtlineare Element 304, 404 auch eine Mikrostrukturfaser sein, in der eine Superkontinuumstrahlung erzeugt wird. Nach Frequenzselektion eines geeigneten Spektralbereichs aus diesem Superkontinuum und seiner zeitlichen Streckung im dispersiven Element 305 (Impulsstrecker) auf die Dauer der Pumpimpulse 302 werden die Startsignalimpulse synchronisiert mit den Pumpimpulsen in den Hohlzylinder bzw. das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung 307 eingekoppelt und durch Vierwellenmischung unter der Bedingung der Quasi-Phasenanpassung verstärkt. Nach Trennung der Signalimpulse von den Pumpimpulsen im dichromatischen Spiegel 308 werden schließlich die verstärkten Signalimpulse im Impulskompressor 309 durch Chirp Kompensation wieder auf eine Dauer verkürzt, die ihrer spektralen Breite entspricht. Durch die Verzögerungsstrecke 306 wird gewährleistet, dass beide Impulse synchronisiert in den mit einem nichtlinearen Medium, wie beispielsweise einem Edelgas, gefüllten Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung unter Erzeugung der Modulation einer Nichtlinearität 307 und dessen Hohlzylinder eingekoppelt werden.
Zur Realisierung noch höherer Verstärkungsfaktoren kann auch ein auf den gleichen Prinzipien beruhender mehrstufiger Verstärker verwendet werden. Weiterhin kann diese Methode zur Impulsverstärkung in analoger Weise auch zur Verstärkung von Idler Impulsen verwendet werden.
Ein Frequenzwandler durch Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung mittels Ultraschallwellen basiert auf den gleichen Prinzipien, wie es in 1 und 2 sowie in den Blockdiagrammen in 3 und 4 dargestellt ist.
So lässt sich beispielsweise ein Frequenzwandler am Blockdiagramm in 3 erläutern. Dabei werden die Pumpimpulse 302 bei der Grundfrequenz des Lasersystems 301 nach Strahlteilung in 303 in den Hohlzylinder geleitet, während der andere Teil der Pumpimpulse in einem optisch parametrischen Verstärker (OPA) 304 Idlerimpulse erzeugt, die nach ihrer Verzögerung in 305 synchronisiert mit den Pumpimpulsen in den Hohlzylinder 307 eingekoppelt werden. Mittels der Vierwellenmischung unter der Bedingung der Quasi-Phasenanpassung werden aus den Pump und Idler-Impulsen Signalimpulse mit einer höheren Frequenz erzeugt. Analog werden aus Pump und Signalimpulsen Idlerimpulse mit einer niedrigeren Frequenz erzeugt.
Die Intensität des Signalimpulses I_S kann bei Vernachlässigung der Dispersion durch folgende Formel berechnet werden: I_S = n₂·p·I_p ²·I_i·L²·ω_p/c (3) wobei „I_i” die Intensität des Idlerimpulses am Eingang und „p” der nicht modulierte Anteil des Drucks (oder sein gemittelter Wert) sind; die anderen Symbole sind wie in Gleichung (1) definiert.
Für den Idlerimpuls gilt analog I_I = n₂·p·I_p ²·I_S·L²·ω_p/c (4)
Die Erfindung wird nun werter anhand einiger exemplarischer Ausführungsbeispiele beschrieben.
Ausführungsbeispiel 1
Ausführungsbeispiel 1 bezieht sich auf einen Impulsverstärker im nah Infraroten, sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich durch Verwendung von Ultraschallwellen zur Quasi-Phasenanpassung. Für diesen Bereich existieren eine Reihe von Lasertypen, die je nach gewünschten Parametern als Pumpquellen sowie Startsignalquelle für den Vierwellen Verstärker nutzbar sind (wie Festkörperlaser, Faserlaser, Halbleiterlaser u. a.).
Im Ultravioletten kann als Strartsignalimpuls z. B. die aus dem Pumpimpuls in einem Festkörperkristall gebildete dritte Harmonische dienen. Als Beispiel ist in 5 entsprechend der Formel (1) der maximale Verstärkungskoeffizient (Gain) für den Signalimpuls und die optimale Ultraschallfrequenz in Abhängigkeit vom mittleren Druck der Argon dargestellt. Als Pumpquelle wurde hier ein Nd:YAG Laserverstärkersystem bei einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer Intensität von 120 TW/cm² gewählt. Der zu verstärkende Startsignalimpuls wird durch einen Titan:Saphir Laser mit einer Wellenlänge bei 900 nm erzeugt. Bei einem Druck der Argonfüllung von 1003 Torr und einer optimalen Ultraschallfrequenz von 173 kHz besitzt z. B. der Verstärkungskoeffizient einen Betrag von 0,2 cm^–1. Bei einer Länge des Hohlzylinders von 1 m entspricht dies einer Verstärkung des Signalimpulses um einen Faktor von 5 × 10⁸.
Diese Beispiel ist spezifisch für die Verstärkung von nah-infraroten Femtosekunden Impulsen mittels gestreckter Vierwellenmischung interessant. Hierbei werden Femtosekundenimpulse als Idlerimpulse verwendet und im dispersiven Element 305, 405, das z. B. ein optisches Gitter umfassen kann, durch Erzeugen eines „Chirps” auf die zeitliche Dauer der Pumpimpulse gestreckt, die im Pikosekundenbereich liegen kann. Die zeitlich gestreckten Idler mit einem breiten Spektrum werden mit den schmalbandigen Pikosekunden Pumpimpulsen synchronisiert in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt. Dabei wird eine Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen realisiert, wodurch die gestreckten Idlerimpulse um mehrere Größenordnungen verstärkt werden. Nach Trennung der verstärkten Idlerimpulse von den Pumpimpulsen im dichromatischen Spiegel 308 werden diese im Impulskompressor 309 durch Chirp Kompensation wieder auf eine Dauer verkürzt, die ihrer spektralen Breite entspricht, wobei ihre Intensität um mehrere Größenordnungen anwächst.
Die Startidlerimpulse können auch durch ein frequenzselektives Element aus einem Superkontinuum gewonnen werden, wie es z. B. effektiv in einer Mikrostrukturfaser erzeugt wird. Der so ausgewählte Spektralbereich wird dann durch ein dispersives Element auf die Dauer des Pumpimpulses gestreckt, im Hohlzylinder mittels Vierwellenmischung verstärkt und danach komprimiert. Dadurch lassen sich über einen weiten Spektralbereich abstimmbare Signalimpulse zu hohen Intensitäten verstärken, deren Frequenz mittels eines frequenzselektiven Elements aus dem genannten Spektralbereich frei wählbar ist.
Ausführungsbeispiel 2
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Laserverstärker und Frequenzwandler für den mittleren infraroten Spektralbereich mittels Quasi-Phasenanpassung durch Ultraschallwellen beschrieben.
Da Edelgase auch im mittleren Infraroten transparent sind lässt sich ein Verstärker mittels Quasiphasenanpassung bei der Vierwellenmischung entsprechend dem Schema in 1 oder 2 auch für die Verstärkung von Strahlung in diesem Spektralbereich verwenden. Als Pumplaser 301 wird für diesen Fall eine Quelle im nahen Infrarot verwendet, der im Verstärker einen Idler verstärkt. Für die Erzeugung der Startidlerstrahlung im mittleren Infrarot können die auf diesem Gebiet bekannten Methoden, wie ein OPA, verwendet werden. Dadurch wird ein möglicher Wellenlängenbereich bis zu etwa 10 μm zur Verstärkung von Strahlung erschlossen. Als Beispiel ist in 6 nach Formel (1) der maximale Verstärkungskoeffizient (Gain) für den Signalimpuls im mittleren Infrarot bei 4 μm und die optimale Ultraschallfrequenz in Abhängigkeit vom Druck der Argonfüllung dargestellt. Als Pumpquelle wurde hier ein Nd:YAG Laserverstärkersystem bei einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer Intensität von 120 TW/cm² gewählt. Wie der 6 zu entnehmen ist, besitzt bei einem Druck der Argonfüllung von 1003 Torr und einer entsprechenden optimalen Ultraschallfrequenz von 173 kHz der Verstärkungskoeffizient einen Betrag von 0,2 cm^–1. Bei einer Länge des Hohlzylinders von 1 m entspricht dies einer Verstärkung des Signalimpulses um einen Faktor von 5 × 10⁸.
Vierwellenmischung mittels Quasi-Phasenanpassung durch Ultraschallwellen lässt sich auch zur Frequenzwandlung von Strahlung in das mittlere Infrarot verwenden. Ähnlich wie im Anwendungsbeispiel 2 wird dabei neben dem Pumpimpuls ein Signalimpuls eingestrahlt, dessen Frequenz für eine Wandlung in das mittlere Infrarot entsprechend der Beziehung ω_i = 2ω_p – ω_s etwas kleiner als die doppelte Pumpfrequenz sein muss.
Ausführungsbeispiel 3
Ausführungsbeispiel 3 betrifft einen Frequenzwandler für den UV/VUV Spektralbereich durch gestreckte Vierwellenmischung in einen mittels Ultraschallwellen Quasi-Phasenangepaßten Hohlzylinder.
Ein VUV Frequenzwandler soll hier entsprechend 1 sowie dem Blockdiagramm 4 erläutert werden. Bei einem VUV Frequenzwandler erzeugt das Lasersystem 401 Impulse 402 bei der Grundfrequenz; z. B. bei 800 nm für ein Titan:Saphir Lasersystem. Nach Strahlteilung 403 findet in einem Teilstrahl in einem nichtlinearen Kristall (nicht gezeigt) eine Frequenzverdreifachung statt, während der andere Teil der Pumpimpulse bei 800 nm als Idlerimpulse in 305 synchronisiert und mit den Frequenzverdreifachten Pumpimpulsen in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt werden. Mittels der Vierwellenmischung unter der Bedingung der Quasi-Phasenanpassung werden aus den Pump- und Idler-Impulsen Signalimpulse mit einer höheren Frequenz ω_s = 2ω_p – ω_i erzeugt.
Im Falle eines gestreckten Frequenzwandlers wird ein Femtosekunden Idlerimpuls spektral verbreiterter und durch Erzeugung eine „Chirps” zeitlich gestreckt und mit dem Pumpimpuls synchronisiert in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt. Der Pumpimpuls besitzt eine Dauer, die im Pikosekundenbereich liegen kann und groß gegenüber der ursprünglichen Dauer des Idlers ist und er ist bandbreitebegrenzt (d. h. er besitzt keinen „Chirp).
Quasi-Phasenanpassung durch die Ultraschallwelle ist für einen 800 nm Idler und einen 270 nm Pumpimpuls bei einem mittleren Druck der Argonfüllung von 0,1 atm bei einer optimalen Ultraschallfrequenz von 0,63 MHz erfüllt. Für die experimentelle Umsetzung vereinfachend ist, dass bei der gestreckten Frequenzwandlung die Verkürzung des erzeugten VUV Signalimpulses ebenfalls durch normale Dispersion erfolgen kann, da im parametrischen Prozess ω_s = 2ω_p – ω_i die Phase des VUV Impulses durch die Phase des Idlers mit entgegengesetztem Vorzeichen bestimmt wird.
Durch diese Methode lassen sich Impulse hoher Energie in den VUV Bereich transformieren, wobei die Dauer des VUV Impulses nach Kompression durch eine Glasschicht (z. B. aus MgF₂) bis unterhalb von 10 fs verkürzt werden kann.
Für die Erzeugung abstimmbarer kurzer VUV Impulse kann in dem oben beschriebenen Beispiel der Idlerimpuls bei 800 nm durch einen frequenzabstimmbaren infraroten oder optischen Impuls ersetzt werden. Dieser kann z. B. in einem nichtlinearen Kristall zweiter Ordnung durch nichtparallele parametrische Verstärkung (NOPA) erzeugt werden, der im Element 406 einen Idlerimpuls mit variabler Wellenlänge erzeugen kann. Neben der NOPA ist eine günstige Variante auch die Nutzung von abstimmbaren IR Impulsen im Bereich von 1,1 bis 2,9 μm durch eine OPA in einem BiB₂O₆ Kristalls mit paralleler Ausbreitungsrichtung, wobei Impulsenergien im Bereich von mJ und Impulsdauern von 20–40 fs möglich sind. Dadurch sind kontinuierlich abstimmbare Impulse mit Wellenlängen bis unterhalb von 100 nm erzeugbar.
Ausführungsbeispiel 4
Auf den analogen Prinzipien beruhend kann auch ein VUV Impulsverstärker mittels Quasi-Phasenanpassung durch Ultraschallwellen bei der Vierwellenmischung realisiert werden.
Ein VUV Verstärker wird entsprechend dem Schema in 1 und dem Blockdiagramm in 4 erläutert. Mit kleinen Abweichungen ist die Situation jedoch analog bei der Nutzung eines Hohlzylinders nach dem Schema in 2 und dem Blockdiagramm in 3.
Als Pumpimpulse 402 bei einem VUV Verstärker kann die dritte Harmonische eines Titan:Saphir Lasers mit einer Wellenlänge von 270 nm verwendet werden. Nach Strahlteilung 403 wird die VUV Startsignalstrahlung im nichtlinearen Element 404 erzeugt. Die Länge der schmalbandigen Pumpimpulse und der breitbandigen Signalstartimpulse werden durch Streckung mittels eines dispersiven optischen Elements 405 aneinander angepasst, wobei Impulslängen im Bereich von Pikosekunden möglich sind. Mittels Synchronisation von Pumpimpulsen bei 270 nm und Startsignalimpulsen bei 160 nm in der Verzögerungsstrecke 406 werden beide Impulse in den Hohlzylinder 407 eingekoppelt, wobei eine Quasi-Phasenanpassung mittels Ultraschallwellen realisiert ist und die VUV Signalimpulse durch Vierwellenmischung verstärkt werden.
Eine Schwierigkeit bei der Realisierung eines solchen Verstärkers liegt darin, dass bei der Verwendung von Edelgasen für die Realisierung einer Quasi-Phasenanpassung im VUV eine relativ hohe Ultraschallfrequenz im Bereich einiger MHz bei einem Druck von 1 atm notwendig sind. Bei diesen Frequenzen besitzen Ultraschallwellen in Edelgasen aber einen nicht-vernachlässigbaren Verlust, wodurch die Länge des Hohlzylinders begrenzt wird und damit auch der maximal realisierbare Verstärkungskoeffizient. Auch bei höheren oder tieferen Drücken ist die Situation nicht wesentlich günstiger. Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht in der Verwendung von verflüssigten Edelgasen bei tiefen Temperaturen, wobei insbesondere flüssiges Xenon, aber auch Krypton oder Argon verwendet werden können.
Ein geeigneter Startsignalimpuls kann durch die im Ausführungsbeispiel 3 dargestellte Frequenzwandlung in den VUV Bereich erzeugt werden.
Eine einfache Methode für die Erzeugung von VUV Startsignalimpulse im nichtlinearen Element 404 besteht in der Verwendung des nichtlinearen Kristalls SrB₄O₂ (SBO), wobei durch Bildung der zweiten Harmonischen aus dem UV Pumpimpuls sowie der Erzeugung eines spektralen Kontinuums abstimmbare Startsignalimpulse im Bereich von 125–160 nm erzeugt werden können. Durch ein Frequenzfilter kann aus diesem Superkontinuum ein geeigneter Frequenzbereich selektiert, durch ein dispersives Element 405 zeitlich gestreckt und dann im Hohlzylinder 407 verstärkt werden. Die spezifische Ultraschallwellenlänge, für die die Bedingung der Quasi-Phasenanpassung erfüllt ist, hängt dabei von der Wellenlänge des zu verstärkenden Signalimpulses ab.
Anwendungsbeispiel 5
Anwendungsbeispiel 5 betrifft einen Frequenzwandler und Verstärker mittels Vierwellenmischung unter der Verwendung von Medien mit einer hohen Nichtlinearität.
Für die Verwendung preiswerter Laser wie Faserlaser, Diodenlaser, Halbleiterlaser und anderer bei den in den Anwendungsbeispielen 1 bis 6 beschriebenen Aufgabenstellungen zur Frequenzwandlung, Verstärkung oder Erzeugung von ultrakurzen Impulsen in den oben charakterisierten Spektralbereichen ist eine Reduzierung der notwendigen Laserleistung durch Verwendung von Materialien mit wesentlich höheren nichtlinearen Koeffizienten eine wichtige Zielstellung. Die Anforderungen an die Pumpimpulsleistung können durch Verwendung nichtlinearer Medien mit einem hohen nichtlinearen Koeffizienten reduziert werden. Eine Möglichkeit dazu besteht in der Ausnutzung der sehr hohen nichtlinearen Koeffizienten von metallischen Nanoteilchen und ihrer ultraschnellen Response. Die nichtlinearen Eigenschaften von Gemischen aus Gläsern, Flüssigkeiten und Gasen mit metallischen Nanoteilchen wurden in den letzten Jahren intensiv untersucht wobei eine starke Erhöhung der Suszeptibilität dritter Ordnung infolge von Plasmon Resonanzen beobachtet wurde. Eine Verwendung von Pumplasern mit geringerer Leistung kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Verwendung eines strömenden Edelgases als nichtlineares Medium realisiert werden, das mit metallischen Nanoteilchen (wie z. B. Silber-Nanoteilchen) gemischt wird. Der nichtlineare Koeffizient von Silber-Nanoteilchen ist z. B. sieben Größenordnungen höher als der von Quarzglas, so dass selbst geringe Füllfaktoren eine wesentliche Erhöhung der Nichtlinearität bewirken können. Zusätzlich wird durch Anregung von Plasmon-Resonanzen eine Resonanzüberhöhung von mehreren Größenordnungen bewirkt. Bei kugelförmigen Silber-Nanoteilchen liegt die Plasmon Resonanz bei etwa 400 nm, diese Resonanz wird jedoch bei zylinder-, ellipsoid oder pyramidenförmigen Nanoteilchen zu größeren Wellenlängen bis in den 800 nm Bereich verschoben. In Abhängig vom Füllfaktor der Nanoteilchen kann dadurch die Suszeptibilität dritter Ordnung dramatisch um viele Größenordnungen erhöht werden, wodurch die Anforderungen an die Laserleistung um den gleichen Faktor reduziert wird.
Quasi-Phasenanpassung durch Ultraschallwellen lässt sich auch in Flüssigkeiten und in isotropen transparenten Festkörpern, wie z. B. in Gläsern, realisieren, deren nichtlineare Koeffizienten um bis zu vier Größenordnungen höher sind als in Edelgasen. Eine weitere Erhöhung ist dadurch realisierbar, indem man diese Materialien mit Nanoteilchen mischt.
Bezugszeichenliste

101: Hohlzylinder/Glasröhre
102: Nichtlineares Medium
103: Ultraschallgenerator
104: hochreflektierende Schicht
105: erstes optisch transparentes Fenster
106: Ultraschallwelle
107a: Wechselstromanschluss
107b: Wechselstromanschluss
201: Hohlzylinder/Glasröhre
202: Nichtlineares Medium
203: Ultraschallgenerator
204: hochreflektierende Schicht
205: erstes optisch transparentes Fenster
206: Ultraschallwelle
207a: Wechselstromanschluss
207b: Wechselstromanschluss
301: Pumplaser
302: Pumpimpuls
303: Strahlteiler
304: nichtlineares Element
305: dispersives Element
306: Verzögerungsstrecke
307: Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
308: dichromatischer Spiegel
309: Impulskompressor
310: ausgekoppelter Impuls
401: Pumplaser
402: Pumpimpuls
403: Strahlteiler
404: nichtlineares Element
405: dispersives Element
406: Verzögerungsstrecke
407: Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung
408: dichromatischer Spiegel
409: Impulskompressor
410: Strahlteiler
411: Strahlteiler
412: Polarisationsweiche
413: ausgekoppelter Impuls

Claims

Vorrichtung zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung, umfassend: ein Lasersystem (301, 401) zur Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ω_p; ein Mittel zur Erzeugung von Idlerimpulsen mit einer Frequenz ω_i < 2ω_p zur Frequenzerhöhung oder von Signalimpulsen mit einer Frequenz ω_s > 2ω_p zur Frequenzerniedrigung (304, 404); ein Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen, eingangsseitig mit dem Lasersystem (301, 401) zur Erzeugung von Pumpimpulsen und dem Mittel zur Erzeugung von Idler- oder Signalimpulsen (304, 404) verbunden, wobei der optische Weg von Pump- und Idler- oder Signalimpulsen so eingestellt wird, dass sie sich synchronisiert im Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung überlagern, ausgangsseitig verbunden mit einem Mittel zur Abtrennung von Signal- oder Idlerimpulsen von Pumpimpulsen (308, 408); dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen (307, 407) einen Hohlzylinder (101) umfasst, gefüllt mit einem nichtlinearen Medium (102), welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist, wobei der Hohlzylinder (101) umfasst: ein erstes optisch transparentes Fenster (105), angeordnet an einem Ende des Hohlzylinders (101), wobei das Fenster (105) derart ausgebildet ist, dass es für Lichtwellen durchlässig ist; einen Ultraschallgenerator (103), angeordnet an dem dem transparenten Fenster (105) gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders (101) zur Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder (101); und eine hochreflektierende Schicht (104), angeordnet auf der dem Inneren des Hohlzylinders (101) zugewandten Seite des Ultraschallgenerators (103), oder ein zweites optisch transparentes Fenster (204) am Ende des Hohlzylinders mit dem Ultraschallgenerator (203), welches geeignet ist, Lichtwellen aus dem Hohlzylinder (201) auszukoppeln; wobei die Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators (103, 203) so eingestellt ist, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Vorrichtung zur Verstärkung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung, umfassend: ein Lasersystem (301, 401) zur Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ω_p; ein Mittel zur Erzeugung eines Startsignals (304, 404) mit einer Frequenz ω_s bzw. ω_i; ein Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen, eingangsseitig mit dem Lasersystem (301, 401) zur Erzeugung von Pumpimpulsen und dem Mittel zur Erzeugung eines Startsignals (304, 404) verbunden, wobei der optische Weg von Pump und Startsignal so eingestellt wird, dass sie sich synchronisiert im Mittel zur Quasi-Phasenanpassung (307, 407) bei der Vierwellenmischung überlagern, ausgangsseitig verbunden mit einem Mittel zur Abtrennung von verstärkten Impulsen mit der Frequenz des Startsignals (308, 408) von den Ausgangsimpulsen des Mittels zur Quasi-Phasenanpassung (304, 404); dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen (307, 407) einen Hohlzylinder (101) umfasst, gefüllt mit einem nichtlinearen Medium (102), welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist, wobei der Hohlzylinder (101) umfasst: ein erstes optisch transparentes Fenster (105), angeordnet an einem Ende des Hohlzylinders (101), wobei das Fenster (105) derart ausgebildet ist, dass es für Lichtwellen durchlässig ist; einen Ultraschallgenerator (103), angeordnet an dem dem transparenten Fenster (105) gegenüberliegenden Ende des Hohlzylinders (101) zur Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder (101); und eine hochreflektierende Schicht (104), angeordnet auf der dem Inneren des Hohlzylinders (101) zugewandten Seite des Ultraschallgenerators (103), oder ein zweites optisch transparentes Fenster (204) am Ende des Hohlzylinders mit dem Ultraschallgenerator (203), welches geeignet ist, Lichtwellen aus dem Hohlzylinder (201) auszukoppeln; wobei die Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators (103, 203) so eingestellt ist, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei für die gestreckte Vierwellenmischung Pumpimpulse mit einer längeren Dauer als die der Idler-/Signalimpulse bzw. Startsignale genutzt werden und die Idler-/Signalimpulse bzw. Startsignale durch ein dispersives Element (305, 405), bevorzugt mittels der Erzeugung eines „Chirps”, auf die Dauer der Pumpimpulse gestreckt und nach erfolgter Frequenzwandlung bzw. Verstärkung durch einen Impulskompressor (309, 409), bevorzugt mittels Chirp-Kompensation, wieder auf ihre ursprüngliche Dauer verkürzt werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Entfernung zwischen dem ersten optisch transparenten Fenster (105, 205) und dem Ulraschallgenerator (103, 203) so gewählt wird, dass stehende Ultraschallwellen im Hohlzylinder (101, 201) zur periodischen Modulation des Drucks im Hohlzylinder (101, 201) gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das nichtlineare Medium (102, 202): ein Edelgas ist, bspw. Argon, Krypton, Xenon oder Helium.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei Nanoteilchen aus Silber verwendet werden und die Nanoteilchen zur Erzeugung einer Plasmonen-Resonanz bei einer gewünschten Frequenz eine geeignete Gestalt aufweisen, bevorzugt eine kugelförmige, eine zylinderförmige, eine ellipsoidförmige oder pyramidenförmige Gestalt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3–6, wobei zur Frequenzwandlung im ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten, oder mittleren infraroten Spektralbereich, wobei der Laser (301, 401) einen Pumpimpuls im nah-infraroten Bereich generiert und das Mittel zur Erzeugung eines Idler- oder Signal-Impulses (304, 404) ein nichtlineares Element ist, welches eine Strahlung für die Frequenzwandlung durch Vierwellenmischung im ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten oder mittleren infraroten Bereich generiert; oder zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung in den vakuum-ultravioletten Spektralbereich der Laser (301, 401) einen UV-Pumpimpuls mittels der dritten Harmonischen Generation generiert und der Idlerimpuls aus dem Laser (301, 401) gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei für die Verstärkung im ultravioletten, sichtbaren, nah-infraroten oder mittleren infraroten Spektralbereich der Pumpimpuls (302, 402) durch Festkörperlaser oder Faserlaser erzeugt wird; und die Startsignalstrahlung durch Frequenzwandlung eines Festkörperlasers oder Faserlasers mittels parametrischer Verstärkung oder durch Generation eines Superkontinuums aus einer photonischen Kristallfaser mit einem Glaskern oder mit einem Edelgas-gefüllten Hohlkern oder durch Bildung der zweiten oder dritten Harmonischen in einem Festkörperkristall erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei zur Verstärkung von Laserstrahlung im vakuum-ultravioletten Spektralbereich der Laser (301, 401) einen UV-Pumpimpuls mittels der Bildung der dritten Harmonischen generiert; und die VUV-Startsignalstrahlung gebildet wird mittels einer Vorrichtung zur Frequenzwandlung nach Anspruch 1 oder 2, oder eines SrB₄O₂ Kristalls, oder einer photonischen Kristallfaser mit einem Hohlkern, oder laser-induzierter Plasmen.
Verfahren zur Frequenzwandlung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung, umfassend: Erzeugung von Pumpimpulsen mit einer Frequenz ω_p; Erzeugung von Idlerimpulsen mit einer Frequenz ω_i < 2ω_p zur Frequenzerhöhung oder von Signalimpulsen mit einer Frequenz ω_s > 2ω_p zur Frequenzerniedrigung (304, 404); Einspeisen von miteinander synchronisierten Pumpimpulsen und Idler- bzw. Signalimpulsen in ein Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen (307, 407); Frequenzwandlung durch Vierwellenmischung in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen (307, 407); Auskopplung von Signalimpulsen bei der Frequenzerhöhung oder Idlerimpulsen bei der Frequenzerniedrigung aus dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen (307, 407); gekennzeichnet dadurch, dass der Schritt der Frequenzwandlung in dem Mittel zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen (307, 407) umfasst: Einspeisen von Pumpimpulsen und Idler- bzw. Signalimpulsen in einen Hohlzylinder (101) gefüllt mit einem nichtlinearen Medium (102), welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist; Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder (101); Modulieren der Nichtlinearität des Mediums in axialer räumlicher Richtung (102) mittels der erzeugten Ultraschallwellen; und Einstellen der Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators (103, 203) derart, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Verfahren zur Verstärkung von Laserstrahlung mittels Vierwellenmischung, umfassend: Erzeugung von Pumpimpulsen (302, 402) mit einer Frequenz ω_p; Erzeugung eines Startsignals (304, 404) mit einer Frequenz ω_s bzw. ω_i; Einspeisen von Pumpimpulsen und Startsignal in ein Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen; Verstärkung des eingespeisten Startsignals in das Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen; Auskopplung des verstärkten Signals mit der Frequenz des Startsignals; gekennzeichnet dadurch, dass der Schritt der Verstärkung im Mittel (307, 407) zur Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung von Lichtwellen umfasst: Einspeisen von miteinander synchronisierten Pumpimpulsen und Startsignal in einen Hohlzylinder (101) gefüllt mit einem nichtlinearen Medium (102), welches eine Nichtlinearität dritter Ordnung aufweist; Erzeugung von Ultraschallwellen in dem Hohlzylinder (101); Modulieren der Nichtlinearität des Mediums (102) mittels der erzeugten Ultraschallwellen; und Einstellen der Ultraschallfrequenz des Ultraschallgenerators (103, 203) derart, dass die Bedingung für Quasi-Phasenanpassung bei der Vierwellenmischung erfüllt ist.
Verfahren zur Frequenzwandlung oder Verstärkung von Laserstrahlung Vierwellenmischung mit einer Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei: fortschreitende oder stehende Ultraschallwellen im Hohlzylinder (101, 201) durch den Ultraschallgenerator (103, 203) zur Modulation des Drucks und der Nichtlinearität im Hohlzylinder (101, 201) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei Pumpimpulse mit einer Dauer im Pikosekunden-Bereich und ultrakurze Idler- bzw. Signalimpulse mit einer Dauer im Femtosekunden-Bereich genutzt werden und die Signal- bzw. Idlerimpulse durch ein dispersives Element (305, 405) durch Erzeugen eines „Chirps” auf die Dauer der Pumpimpulse gestreckt werden und nach erfolgter Frequenzwandlung bzw. Verstärkung durch den Impulskompressor (309, 409) wieder auf ihre ursprüngliche Dauer im Femtosekunden-Bereich verkürzt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zur Erzeugung des Startsignals eine Vorrichtung nach Anspruch 1 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das nichtlineare Medium (102, 202) flüssiges Xenon, Argon oder Krypton, oder ein strömendes Edelgas gemischt mit metallischen Nanoteilchen umfasst, und die metallischen Nanoteilchen bevorzugt Silber-Nanoteilchen sind, die zur Erzeugung einer Plasmonen-Resonanz bei einer gewünschten Frequenz eine geeignete Gestalt aufweisen, bevorzugt eine kugelförmige, eine zylinderförmige, eine ellipsoidförmige oder pyramidenförmige Gestalt.