DE19935631C1

DE19935631C1 - Verfahren und Anordnung zur zeitlich aufgelösten Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen

Info

Publication number: DE19935631C1
Application number: DE1999135631
Authority: DE
Inventors: Ruediger Grunwald; Uwe Griebner; Thomas Elsaesser; Volker Kebbel; W Jueptner; H-J Hartmann
Original assignee: Bremer Institut fuer Angewandte Strahltechnik BIAS GmbH; Max Born Institut MBI
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 1999-07-29
Filing date: 1999-07-29
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2019-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft korrelatorische Verfahren und Anordnungen zur zeitlich aufgelösten Charakterisierung von einzelnen ultrakurzen Laserimpulsen in Mehrkanaltechnik. Die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren und eine Anordnung zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und eine räumlich und zeitlich aufgelöste Detektion des zeitlichen Intensitätsverlaufs einzelner Impulse bei einer höheren als bisher erreichten Zeitauflösung und Kompaktheit erzielt wird, wird dadurch gelöst, daß eine Matrix aus partiell reflektierenden, geeigneten Phasenelementen 3a mit voneinander verschiedenen Phasenprofilen als Mehrkanalinterferometer wirksam wird und die Interferenzmuster bzw. die bei Überlagerung mit Referenzstrahlen linear- oder nichtlinear-optisch erzeugten Interferogramme bzw. Hologramme mit oder ohne optische Bildvorverarbeitung auf einen Detektor 7 abgebildet oder direkt auf diesem erzeugt werden und nach Weiterverarbeitung mit geeigneten elektronischen und/oder mathematischen Prozeduren Informationen über die räumliche und zeitliche Verteilung von Phase und/oder Intensität einzelner Laserimpulse 1 liefern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anord nung zur zeitlichen Charakterisierung von ultrakurzen Laserimpulsen.

Für vielfältige Anwendungsbereiche von Lasern mit ultrakurzen Impulsen wie Materialbearbeitung, Prozeß kontrolle, Laserspektroskopie, Medizin, Umweltsensorik und Kommunikation besteht zunehmender Bedarf an zuverlässigen und kompakten Single-Shot-Meßgeräten für die simultane Erfassung der relevanten Parameter der Strahlung. Echtzeit-Diagnostik ist essentiell für die Optimierung von Hochleistungslasersystemen, speziell in Oszillator-Verstärker-Anordnungen mit adaptiver Resona toroptik, und die Kontrolle der nichtlinearen Strahl propagation in solchen Systemen. Wachsendes Interesse an Ultrakurzzeit-Meßtechnik ist auch in neuen Feldern wie Quantenkontrolle mit lernendem Feedback zu verzeichnen.

Phasen- und polarisationsempfindliche Detektion tran sienter Prozesse auf der fs-Zeitskala sind in der Halbleitertechnologie wichtig bei der Untersuchung von Quantum Wells für die kohärente Destruktion photoinduzierter Excitonen, den Nachweis von Exciton- Exciton-Wechselwirkungen oder die kohärente Kontrolle von Elektron-LO-Phonon Streuung in Bulk-Halbleitern.

Die Abbildung von Objekten in streuenden oder turbu lenten Medien mit kurzen Zeittoren ist für Biomedizin und andere Anwendungen essentiell.

Nach dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren und Anordnungen zur räumlich-zeitlichen Charakterisierung ultrakurzer Laserimpulse bekannt, mit denen Informationen über Phasenkohärenz, Intensitäts verlauf und/oder Spektraleigenschaften gewonnen werden können. Nachteilig ist, daß diese Verfahren aufwendig und von begrenzter Zeitauflösung sind und bei manchen Verfahren Folgen gut reproduzierbarer Impulse benötigt werden. Für die Charakterisierung nichtreproduzier barer Impulse sowie die Erfassung von Parameterstreu ungen sind Single-Shot-Messungen jedoch unerläßlich.

Die bekannten Meßanordnungen lassen sich in zwei Grundvarianten einteilen, bei denen entweder jeweils zwei Teilstrahlen miteinander kollinear überlagert werden und der optische Weg in einem Arm verändert werden muß (typischerweise nicht für Einzelimpulse geeignet) oder nicht-kollinear (gekreuzt) überlagert werden (für Einzelimpulse geeignet).

Die lineare Überlagerung der Teilstrahlen erbringt eine interferometrische Korrelationsmessung (z. B. der Auto korrelationsfunktion erster Ordnung), die eine Aussage über die zeitliche Kohärenz des Laserimpulses liefert.

Bei Autokorrelationsmessungen mit nichtlinearer Über lagerung, d. h. für Mehrphotonenprozesse ausreichender Intensität, werden die Anteile des Laserstrahls sequentiell bzw. simultan in geeigneten Medien über lagert und über optisch wirksame nichtlineare Wechsel wirkungen wie die Erzeugung der zweiten Harmonischen (SHG), Zweiphotonen-Fluoreszenz (TPF) oder Zweiphotonen-Absorption (TPA) detektiert.

Die Information über die Pulslänge wird sowohl bei der kollinearen als auch bei der nicht-kollinearen Über lagerung der Strahlen in eine räumliche Information (Länge einer Wechselwirkungszone oder Weglänge einer Verschiebung) transformiert und optisch oder elektrisch ausgelesen. Bei Kenntnis des kristallspezifischen Parameters χ⁽²⁾ kann eine auf der SHG basierende Single shot- und Ein-Strahl-Methode angewandt werden, die jedoch mit relativ großen Fehlern behaftet ist (30% im ps-Bereich).

Eine komplette Impulscharakterisierung ist mittels aufeinanderfolgender Messungen des Spektrums, der Intensitäts- und Phasenautokorrelation möglich. Bei letzterer wird die Phase sequentiell interferometrisch gemessen, wobei der Bereich der zeitlichen Kohärenz durch Phasenverschiebung zwischen den Impulsen abgetastet wird.

Aus der DE 39 26 945 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen der Dauer einzelner kurzer optischer Strahlungsimpulse mittels Autokorrelation und Zweiphotonenionisation, mit einem als Strahlteilereinrichtung ausgebildeten Mach- Zehnder-Interferometer, bekannt.

Die DE 31 08 177 C2 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zum Messen der Dauer von, einzelnen kohärenten Strahlungsimpulsen, die jeweils ein kohärentes Strahlungsbündel mit senkrecht zu seiner Fortpflanzungsrichtung verlaufender Wellenfront bilden unter Verwendung eines Beugungsgitters zur Verzögerung der Strahlen des Strahlungsbündels.

Bei einer weiterentwickelten Technik werden reversible optische Transformationen zur Impulsverlängerung ausgenutzt, wobei aus Signal und transformiertem Signal Kreuzkorrelationen ermittelt werden müssen, was analytisch und numerisch erheblichen Aufwand verursacht.

Beim sogenannten SPIDER-Verfahren (Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-Field Reconstruction of ultrashort optical pulses. - Opt. Lett. 23 (1998), 792-794) wird ein gechirpter Impuls (mit durchlaufender Frequenz) mit einem Paar von nicht-gechirpten Anteilen in einem nichtlinearen Kristall überlagert, wobei Mehrphotonenprozesse ausgenutzt werden (z. B. Upcon version oder SHG). Auf diese Weise wird (ähnlich wie bei einem spektralen Shearing Interferometer) ein spektrales Interferogramm erzeugt, wobei keine iterativen Verfahren zur Auswertung gebraucht werden.

SPIDER, FROG und Interferometrische Autokorrelation (IAC) erreichen im Bereich derzeit kürzester Impulse (um 5 fs) ihre Auflösungsgrenzen.

Die Einführung einer transversalen Zeitverzögerung in einen Referenzimpuls durch ein Gitter wird in einer weiteren bekannten technischen Lösung zur Impulskorre lation verwendet [K. Oba, P.-Ch. Sun, Y. T. Mazurenko, Y. Fainman: Femtosecond Single-Shot Correlation System: A Time-Domain Approach. - Appl. Opt. 38 (1999), 3810- 3817]. Dabei werden Signal und Referenzimpuls in einem nichtlinearen Kristall gemischt, so daß die SHG das Zeitprofil als räumliche Information aufgeprägt bekommt. Dabei ist das Zeitfenster durch Größe der Gitterapertur begrenzt.

Aufgabe der Erfindung, ist es, ein Ver fahren und eine Anordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden und mit denen bei einem kompakten Aufbau auf der Basis einer Korrelatortechnik eine Messung des Zeitverlaufs der Intensität mit sehr hoher Zeitauflösung bei Einzelschußbetrieb erzielt wird und auch Informationen über die räumliche oder zeitliche Phasenverteilung des Laserfeldes gewonnen werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Anordnung gemäß Anspruch 13 gelöst.

Verfahren und Anordnung nach der Erfindung sind dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlich aufgelösten Charakte risierung von ultrakurzen Laserimpulsen mit einer Mehrkanal-Korrelatortechnik, bei dem eine inter ferometrische Überlagerung von Teilen des Strahls mit sich selbst in einer Matrix aus Phasenelementen auf einem transmittierenden Substrat, die einen vom Brechungsindex des Substrats unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, durch Ausnutzung der internen Reflexion in den Phasenelementen und der damit erzielbaren Fabry-Perot-Wirkung in einer Weise vorgenommen wird, daß charakteristische Inter ferenzmuster wie Ringe erzeugt werden, die Phasenelemente oder unterschiedliche Gruppen von Phasenelementen jeweils voneinander verschiedene Phasenprofile aufweisen und damit der Impuls in entsprechend vielen Kanälen gleichzeitig auf Interferenzfähigkeit getestet wird, nach Abbildung der Interferenzmuster auf einen als Matrixkamera ausgebildeten Detektor eine elektronische und/oder mathematische Verarbeitung der Interferenzmuster erfolgt und auf diesem Weg Informationen über die Kohärenzlänge oder über den zeitlichen und räumlichen Intensitätsverlauf gewonnen werden.

Eine spezielle Variante des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß eine holografische Überlagerung von Anteilen, die die Phasenelemente und das Substrat durchlaufen haben, mit mittels Strahlteiler abgetrenn ten oder neben den Phasenelementen hindurchlaufenden Teilen des Strahls, die jeweils als Referenzanteile dienen, auf einem Detektor oder in einem geeigneten Medium, welches sich direkt vor dem Detektor befindet oder auf diesen abgebildet wird, erfolgt, wobei ein Meßhologramm entsteht, und über geeignete mathematische Prozeduren aus der detektierten Intensitätsverteilung Informationen über die räumliche Verteilung des Wellenfeldes, vorzugsweise über die Phasenverteilung dieses Wellenfeldes, gewonnen werden. Hierbei ist die vorhergehende Eichung mit einer wohldefinierten Referenzwelle, z. B. einer mit einem cw- Laser erzeugten näherungsweise ebenen Welle, erforder lich. Das damit generierte Referenzhologramm wird gespeichert und die anschließend im Einzelschußbetrieb bei Verwendung der jeweils zu vermessenden Laserwelle aufgenommenen Meßhologramme mit diesem gespeicherten Referenzhologramm verglichen.

Die Funktionsweise der aus Phasenelementen gebildeten Matrix (Matrix-Korrelator) kann jeweils linear oder nichtlinear gewählt werden, wobei das Schema im ersten Fall einem interferometrischen Autokorrelator mit spektraler Auflösung entspricht und Daten über die Phasenautokorrelation bzw. die zeitliche Kohärenz liefert, im zweiten Fall dagegen den Zeitverlauf der Intensität. In beiden Fällen erhält man auch eine räumliche Auflösung der gemessenene Parameter oder eines Teils der gemessenen Parameter über den Querschnitt des Impulses.

Voraussetzung für das Entstehen von Interferenzmustern ist, daß interne Mehrfachreflexionen stattfinden und die Phasenelemente (je nach Oberflächenprofil) wie ortsabhängige Fabry-Pérot-Etalons bzw. Newton- Interferometer wirken. Die Winkelverhältnisse der Strahlverläufe in den Phasenelementen müssen so gewählt werden, daß keine störende Totalreflexion auftritt.

Bei Beleuchtung von auf einem Substrat der Brechzahl n₁ aufgebrachten Phasenelementen der Brechzahl n₂ mit einer ebenen Welle entstehen auch ohne reflektierende Beschichtungen im Nahfeld hinter den Phasenelementen Interferenzstreifen oder -ringe, wenn sich die Brechzahlen meßbar unterscheiden (z. B. Lack mit einer Brechzahl von 1,7 auf einer Glasplatte mit einer Brechzahl von 1,5) und der optische Weg in den Phasenelementen ortsabhängig variiert, z. B. bei einem Keil, einer prismatischen, sphärischen, parabolischen oder Pyramidenform.

Vorteil gerader Deckflächen (Keil, Prisma, Pyramide) ist die Möglichkeit, äquidistante Interferenzstreifen generieren zu können. Ist das Substrat hinreichend dick bzw. der Impuls hinreichend kurz, können keine störenden Interferenzen durch das Substrat selbst verursacht werden (dies gilt auch für Abbildungsoptik und Detektorfenster).

Als Phasenelemente des Matrix-Korrelators können Dünnschicht-Mikrolinsen verwendet werden, die mit vorhandenen, in Mikroelektronik und Optik gut etablierten Technologien (Vakuumbedampfung mit Masken [R. Grunwald, S. Woggon, R. Ehlert: Fabrication of thin-film microlens arrays by mask-shaded vacuum deposition. - in: S. Martellucci, A. N. Chester (Eds.): Diffractive Optics and Optical Microsystems. - Plenum Press, New York/London 1997, 169-177.], Ätztechniken, Photolithographie) herstellbar sind. Vorteile sind die geringere Dispersion sowie die Vermeidung der durch Welligkeit des Substrats oder Formabweichungen makroskopischer Komponenten verursachten Fehler, da sich auf der fs-Zeitskala auch kleine ortsabhängige Laufzeitunterschiede, wie sie bei flächiger Detektion über die Strahlquerschnittsfläche unvermeidlich sind, stark bemerkbar machen. Für eine Wellenlänge von 1 µm und eine Brechzahl von 1,5 entspricht eine Toleranz von λ/5 etwa einem Fehler der Zeitauflösung von 1 fs. Bei großen Flächen können weitaus größere Fehler auftreten. Komponenten mit minimal welliger Oberfläche sind kostenaufwendig und müssen aus Gründen der Bearbeitung entsprechende Minimaldicken aufweisen, was wiederum zu Dispersionseffekten führt. Die Aufteilung in kleine Einzel-Phasenelemente bei der Mehrkanal-Verarbeitung (Matrix-Geometrie) legt für jedes Phasenelement separat eine Null-Dicke am Rand fest, die als Bezugsgröße ver wendbar ist, so daß die Toleranzen nur über sehr kleine Flächen einzuhalten sind. Durch örtliche Separierung der Phasenelemente können zudem aus den Zwischenräumen bzw. den nicht durch Phasenelemente belegten Zonen des Matrix-Korrelators Referenzsignale für eine digital holografische Verarbeitung gewonnen werden.

Die Phasendifferenz zwischen benachbarten Ringen in einem Interferometer vom Newton-Typ beträgt λ/2. Um Interferenz in einer Struktur der geometrischen Dicke h zu erzielen, muß der optische Weg Δx im Medium der Einzel-Phasenelemente (Brechzahl n₂) die Interferenz bedingung

Δx ≧ 2n₂h (1)

erfüllen (d. h. es ist mindestens ein Umlauf erforderlich), wobei Δx zugleich mit der Laufzeit Δt über die Lichtgeschwindigkeit c verknüpft ist:

Δx = cΔt (2)

Mit Gl. (1) und Gl. (2) erhält man für eine Impulsdauer von τ die modifizierte Interferenzbedingung

h ≦ h_int = cτ/(2n₂) (3)

Die Dicke des mikrooptischen Phasenelements darf somit einen Maximalwert h_int nicht überschreiten, der durch die kleinste zu messende Impulsdauer τ gegeben ist [vgl. auch: S. A. Akhmanov, V. A. Vysloukh, A. S. Chirkin: Optics of Fentosecond Laser Pulses. - American Institute of Physics, New York 1992, p. 51-53].

Der Phasenhub muß andererseits genügend groß sein, um bei der Wellenlänge λ hinreichend viele, mindestens jedoch zwei Ringe erscheinen zu lassen.

Um Impulsverfälschungen durch das Substrat zu vermeiden (Dispersion, Phasenfehler), muß sich das Substrat auf der dem Detektor zugewandten Seite befinden und eine Abbildung auf den Detektor durch das Substrat hindurch erfolgen.

Bei einer Impulsdauer von 10 fs (für einen chirp-freien bzw. chirp-kompensierten Impuls) und einer Brechzahl von n₂ = 1,7 muß demzufolge die Dicke der Mikrooptik näherungsweise < 1 µm betragen. Bei 1 fs reduziert sich die zulässige Dicke auf 100 nm, was technologisch durchaus noch gut beherrscht wird. Bei sehr kurzen Impulsen kommt es allerdings zu einer Beeinträchtigung des Kontrastes durch die spektrale Verbreiterung der Impulse (Quasi-Weißlicht-Ringe), so daß zur Verbesse rung der Auflösung spektral selektive Komponenten und/oder nichtlineare Wechselwirkungen ausgenutzt werden müssen. Eine zusätzliche Filterung kann auch durch Ausnutzung spektraler Eigenschaften des Detektors sowie durch geeignete Bildverarbeitungsalgorithmen erfolgen. Die durch Rückwirkung spektral selektiver Meßkomponenten auf den Impuls auftretenden Fehler müssen kompensiert werden.

Interferenzringe auf der gesamten Fläche der Einzel- Phasenelemente werden für Dicken h beobachtet, die kleiner als die Kohärenzlänge des Impulses sind. Bei Dicken h < h_int treten Interferenzen in denjenigen Teilbereichen auf, die dünner als h_int sind, z. B. am Rand einer Mikrolinse. Um die daraus resultierende Meßunsicherheit zu vermeiden, kann man einen Matrix- Korrelator verwenden, der aus Phasenelementen derart aufgebaut ist, daß auf unterschiedlich hohen, zylindri schen Rumpfteilen jeweils Oberteile mit gleichen Dickenprofilen bzw. gleichen Krümmungen aufgebracht sind.

Damit ist der Phasenhub über die Fläche eines Phasenelements jeweils gleich, die maximale bzw. minimale Dicke variiert jedoch von Phasenelement zu Phasenelement und kann genau auf den zu vermessenden Zeitbereich abgestimmt werden.

Beim Design der Phasenelemente und des Abbildungs systems ist zu berücksichtigen, daß die Kamera die Interferenzringe auflösen muß. Deshalb dürfen die Einzel-Phasenelemente nicht zu klein sein. Vorteil hafterweise wird eine hochauflösende Kamera (kleine Pitches der Pixel) mit und hohem Dynamikbereich (z. B. eine CMOS-Kamera mit logarithmischer Empfindlichkeits skala) verwendet.

An die Skalierung ist die Forderung zu stellen, daß pro Phasenelement hinreichend viele Kamerapixel wirksam werden, um die erforderliche Orts- und Zeitauflösung zu realisieren. Unterstellt man für den Detektor eine Pixelgröße von 5 µm und eine Periode von 10 µm, und nimmt man an, daß zur Auflösung der Ringstrukturen 20 × 20 Pixel pro mikrooptischem Einzel-Phasenelement er forderlich sind, so erhält man bei dichter Packung der Phasenelemente und bei einem Strahldurchmesser von 2 mm ohne Strahlaufweitung eine Zahl von 10 × 10 = 100 Phasenelementen bzw. Stufen bei insgesamt 200 × 200 = 40000 Pixeln. Aufgeweitet auf eine Detektorfläche von 10 × 10 mm² könnten entsprechend 1000 × 1000 = 1 Mio Pixel genutzt werden, wobei dann auf jedes Phasen element 100 × 100 Pixel entfallen. Die Abbildungsoptik muß so gewählt sein, daß einerseits die Interferenz strukturen gut aufgelöst werden und keine Moiré-Effekte auftreten, andererseits die Schärfentiefe den gesamten wirksamen Dicken- bzw. Phasenhub überstreicht.

Bei hinreichend geringer Welligkeit des Substrats und einer guten Kontrolle der Schichtdicke könnte der diskrete Aufbau eines Mehrkanal-Korrelators theoretisch auch durch ein einziges zusammenhängendes makroskopisch dimensioniertes Phasenelement mit ortsvariabler Phase ersetzt werden, dessen Ausdehnung den gesamten Strahl überdeckt, allerdings ist eine derartige Qualität in der Praxis schwer zu erreichen, und die räumliche Auflösung würde verlorengehen.

Mit dem hohen Dynamikbereich lassen sich Übersteue rungen durch Interferenz-Peaks vermeiden, die sonst optisch oder elektronisch kompensiert werden müßten. Die Kamera sollte einen hohen Füllfaktor aufweisen, allerdings keine integrierten Mikrolinsen und kein dünnes Fenster (bezogen auf die Impulslänge bzw. Kohärenzlänge).

Zur Vermeidung von Impulsverfälschungen ist es zweck mäßig, zur Strahlaufweitung ein Spiegelteleskop zu verwenden. Zur nichtlinearen Überlagerung werden entweder nichtlinear-optische Phasenelemente in den Strahlengang eingebracht, die mikrooptischen Elemente des Matrixkorrelators selbst oder das Substrat aus geeigneten nichtlinear-optischen Materialien herge stellt oder ein Detektorarray aus einem geeigneten nichtlinear-optischen Material eingesetzt.

Durch geeignete Strahlteiler abgetrennte Strahlanteile oder solche Strahlanteile, die Zwischenräume oder Randbereiche des Matrix-Korrelators passieren oder daran vorbeilaufen, können als Referenzsignal für eine holografische Überlagerung verwendet werden, bei der die Auswertung digital (per Computer) erfolgt. Hierbei können über eine Fresnel-Transformation die komplexe Amplitudenverteilung in der Ebene des reellen Bildes bestimmt und über weitere mathematische Prozeduren zusätzliche Informationen, z. B. über die zeitlich integrierte Phasenverteilung, gewonnen werden.

Eine eindimensionale zeitaufgelöste Phasenmessung ist möglich, wenn mittels einer schnellen Auslenkung (z. B. über Kerr-Effekt) ähnlich der Wirkungsweise spezieller Streak-Kameras das Interferenzmuster auf der Kamera in einer Richtung ausgelenkt wird.

Bei polarisierter Strahlung oder polarisations sensitiven Komponenten im optischen System (die dann als Analysator wirken) ist zu beachten, daß parasitäre Ringe entstehen können, wenn die durchstrahlten Flächen zu steile Winkel aufweisen, da dann Mikrooptiken in Abhängigkeit von Winkel und Schichtdicke ortsvariable Polarisationseigenschaften aufweisen.

Störende Einflüsse von Selbstabbildungseffekten (Talbot-Effekt), speziell bei der holografischen Über lagerung mit als Referenzstrahl genutzten Strahlan teilen aus Zwischenräumen oder Randbereichen, müssen durch geeigneten Aufbau (z. B. Abbildung schräg zur optischen Achse) ausgeschlossen oder herausgefiltert werden.

Bei Verwendung von abbildenden Mikrooptiken (z. B. Mikrolinsen) können aus der transversalen Auslenkung von deren Foki auch zeitintegrierte (oder, mit einem 1D-Array von Phasenelementen bei Verwendung einer schnellen zusätzlichen Ablenkvorrichtung, in einer Raumrichtung auch zeitlich aufgelöste) Informationen über die Wellenfront gewonnen werden, da der Matrix- Korrelator zugleich als Shack-Hartmann-Sensor arbeitet.

Werden transmittierende oder reflektierende Objekte in den Strahl eingebracht, die bei Wechselwirkung mit dem Laserimpuls während des Impulses Änderungen der Phasenverteilung bewirken, können solche Änderungen entweder nach dem besagten Shack-Hartmann-Meßprinzip detektiert oder holografisch unter Verwendung eines Referenzstrahls aufgenomen werden. Wenn bei der holo grafischen Messung die Phasenfront durch das Substrat beeinflußt wird, müssen entsprechende Anteile bei der Auswertung abgezogen werden.

Um statistisch relevante Aussagen über Kohärenz, Impulsdauer bzw. Phase oder (als 1D-Schnitte) über deren örtliche Verteilung zu erhalten, können ganze Zeilen und/oder Spalten aus identischen Phasenelementen verwendet werden.

Verfahren und Anordnung zeichnen sich im Vergleich zum Stand der Technik durch eine hohe erreichbare Zeit auflösung sowie einen hohen Grad an Kompaktheit aus.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher dargestellt. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Mehrkanal-Korrelator-Anordnung nach der Erfindung mit einem Matrix-Korre lator mit individuellen Krümmungs profilen der Phasenelemente,

Fig. 2 die schematische Darstellung nach Fig. 1 mit Phasenelementen, die alle einen gleichen Krümmungsradius aufweisen,

Fig. 3a die schematische Darstellung gemäß Fig. 2 mit einem Strahlteiler und

Fig. 3b die schematische Darstellung gemäß Fig. 3a mit einem Wellenpaket als einfallender Strahl.

Ausführungsbeispiel 1

Im Ausführungsbeispiel 1 ist gemäß der Darstellung in Fig. 1 eine erfindungsgemäße Mehrkanal-Korrelator-Anord nung, bei der eine optische Interferenz an einem vorzugsweise senkrecht zur optischen Achse in einen einfallenden Strahl 1 eingebrachten Matrix-Korrelator 2, bestehend aus matrixförmig angeordneten, im folgenden auch als Phasenelemente 3 bezeichneten mikrooptischen Einzel-Phasenelementen mit vorzugsweise individuell verschiedenen örtlichen Dicken- bzw. Phasenprofilen, zur zeitlich aufgelösten Charakte risierung von ultrakurzen Laserimpulsen mittels interferometrischer Autokorrelation ausgenutzt wird.

Die räumliche Ausdehnung des Strahls 1 in Achsen richtung wird in der Fig. 1 mit einem Wellenpaket 1a angedeutet, welches schematisiert eine Schnappschuß- Aufnahme zu einem bestimmten Zeitpunkt darstellen soll.

In dieser Anordnung nach Fig. 1 wird als Matrix- Korrelator 2 ein inhomogenes Array aus Dünnschicht- Mikrolinsen 3a verwendet, welche auf einem vorzugsweise planparallelen Substrat 4 durch fotolithografische Strukturierung von Lackschichten oder durch Aufdampfen von dielektrischen Schichten aufgebracht sind. Vorzugs weise werden hochbrechende dielektrische Schichten mit guter Haftung und hoher Laserfestigkeit eingesetzt. Die vorzugsweise sphärischen oder parabolischen Mikrolinsen 3a sind separiert aufgedampft, d. h. der Füllfaktor ist deutlich kleiner als 1. Die individuellen Dicken- bzw. Phasenverläufe der als Phasenelemente eingesetzten Mikrolinsen 3a erreichen jeweils am Rand den Wert Null, wobei sich die Krümmungsprofile der Phasenelemente 3a voneinander unterscheiden.

Die Substratdicke ist so gewählt, daß im betreffenden Zeitbereich keine störende Interferenz durch das Substrat 4 erzeugt wird. Das Substrat 4 ist zu einem Detektor 7 hin orientiert, weist einen von den Phasenelementen 3a, hier den Mikrolinsen, verschiede nen, vorzugsweise geringeren Brechungsindex auf und kann auf der Rückseite breitbandig entspiegelt sein. Die durch lineare Interferenz in den Phasenelementen 3a erzeugten Interferenzringe 5 werden mittels einer Abbildungsoptik (vorzugsweise Mikroskopobjektiv) 6 auf den Detektor 7, vorzugsweise eine CMOS-Matrixkamera hoher Pixeldichte mit hohem Dynamikbereich, abgebildet und auf einem Computer hinsichtlich ihrer Kontrast verteilung ausgewertet und liefern Aussagen über die Kohärenzlänge (Phasenkohärenz) der Laserimpulse, im Falle chirpfreier Impulse auch die Impulsdauer. Die Ringabstände der Interferenzringe 5 sind wegen der Linsenform nicht äquidistant.

Dem Detektor 7 kann ein Spektralfilter 11 vorgeschaltet werden, das genügend hohe Dicke aufweisen muß, um keine parasitären Interferenzen zu erzeugen.

Ausführungsbeispiel 2

Im Ausführungsbeispiel 2 gemäß der Fig. 2 ist eine Mehrkanal-Korrelator-Anordnung ähnlich wie im Aus führungsbeispiel 1 beschrieben, wobei anstelle der am Rand auf Null abfallenden Dicken- bzw. Phasenverläufe der einzelnen Phasenelemente 3b des Matrix-Korrelators 2 bei den hier verwendeten Phasenelementen 3b am Rand ein von Null verschiedener und von Phasenelement 3b zu Phasenelement 3b unterschiedlicher Wert erreicht wird. Die Krümmungsprofile aller Phasenelemente 3b unterein ander sind gleich. Die Dicken- bzw. Phasenstufen der Phasenelemente 3b sind hier durch unterschiedlich dicke tragende Unterteile 14 realisiert, auf denen unterein ander gleich dicke und gleich gekrümmte Linsenoberteile 15 aufsitzen.

Ausführungsbeispiel 3

Im Ausführungsbeispiel 3 entsprechend der Darstellung in den Fig. 3a und 3b sind ähnliche Mehrkanal-Korrela tor-Anordnungen aufgebaut wie im Ausführungsbeispiel 2. Das optische System wird zunächst mit einer wohldefi nierten Phasenverteilung, vorzugsweise einer mit einem cw-Laser erzeugten, in guter Näherung ebenen Welle 1e geeicht (Fig. 3a). Diese Welle 1e wird aufgespalten in einen Referenzanteil, die ebene Referenzwelle 1re, welche mit einem geeigneten Strahlteiler 12 oder aus nicht durchstrahlten Bezirken des Matrix-Korrelators 2 abgetrennt wird, und den durch den Matrix-Korrelator 2 hindurchgelaufenen und auf den Detektor 7 abgebildeten Anteil, die transmittierte ebene Welle 1te, die die Phaseninformation der Phasenelemente 3b und des Substrats 4 trägt. Beide Anteile 1re und 1te werden auf dem Detektor 7 überlagert, wozu im Ausführungsbeispiel ein Umlenkspiegel 13 verwendet wird, und erzeugen ein Referenzhologramm, welches aufgenommen und gespeichert wird. Bei den eigentlichen Messungen mit ultrakurzen Impulsen (Fig. 3b) im Einzelimpulsbetrieb werden dann Teile der Strahlung, die nicht durch den Matrix- Korrelator 2 propagiert werden, als Referenzanteil der Laserwelle 1rl verwendet und mit der transmittierten Laserwelle 1tl, die sowohl die Phaseninformation des Matrix-Korrelators 2 inklusive Substrat 4 als auch die der einfallenden Laserwelle 1 trägt, auf dem Detektor 7 überlagert, wodurch ein Meßhologramm erzeugt wird. Durch vergleichende Auswertung von Meßhologramm und Referenzhologramm werden dann Informationen über die zeitgemittelte räumliche Phasenverteilung gewonnen. Wird zusätzlich ein Phasenobjekt (nicht dargestellt) in den Strahlengang vor dem Matrix-Korrelator 2 gebracht, dessen Phasenverteilung sich während des Laserimpulses ändert, kann dessen zeitgemittelte Phasenänderung mit der gleichen Eichprozedur ebenfalls bestimmt werden.

Ausführungsbeispiel 4

Ausführungsbeispiel 4 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 2, nur daß nichtlinear-optische Phasenelemente verwendet werden, welche aus einem geeigneten Material mit nichtlinear- optischen Eigenschaften bestehen. Es erfolgt eine nichtlineare Überlagerung, bei der anhand von örtlicher Verteilung und Kontrast der Interferenz-Ringe 5 (Fig. 1) auf den zeitlichen Intensitätsverlauf direkt für einzelne Laserimpulse geschlossen werden kann.

Ausführungsbeispiel 5

Ausführungsbeispiel 5 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 2, wobei die mikrooptischen Phasenelemente aus unterschiedlich hohen Quadern oder Zylindern mit aufgesetzten jeweils gleichen Pyramiden oder Kegeln bestehen. Es entstehen anstelle der nicht-äquidistanten Ringe 5 (Fig. 1) entsprechende konzentrische, quadratische oder kreisförmige, äquidistante Streifenmuster. Die Neigungswinkel der Deckflächen der Phasenelemente gegenüber dem Substrat sind so gewählt, daß keine Totalreflexion in den Phasenelementen auftritt.

Ausführungsbeispiel 6

Ausführungsbeispiel 6 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 2, wobei dem Detektor 7 (Fig. 1) ein linearer optischer Prozessor, vorzugs weise ein 4-f-System aus Mikrolinsen-Arrays mit einer integrierten Filterebene, vorgeschaltet ist. Indem wesentliche Merkmale der Interferenzmuster in Echtzeit herausgefiltert werden, wird eine Verbesserung und Beschleunigung der Bildverarbeitung bewirkt.

Ausführungsbeispiel 7

Ausführungsbeispiel 7 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 2, wobei dem Detektor 7 (Fig. 1) ein dispersives Gitter vorgeschaltet ist.

Ausführungsbeispiel 8

Ausführungsbeispiel 8 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 2, wobei die Phasenelemente 3 und damit der Matrix-Korrelator 2 (Fig. 1) ohne Abbildungssystem direkt vor den Pixeln der Kamera aufgebracht sind.

Ausführungsbeispiel 9

Ausführungsbeispiel 9 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie die Ausführungsbeispiele 3 und 4, wobei eine holografische Überlagerung mit einem Referenz strahl nicht (wie bei Ausführungsbeispiel 3) auf dem Detektor, sondern in den aus einem geeigneten nicht linear-optischen Material bestehenden Phasenelementen erfolgt, die somit als nichtlineares holografisches Aufzeichnungsmedium dienen.

Ausführungsbeispiel 10

Ausführungsbeispiel 10 (nicht dargestellt) ist ähnlich aufgebaut wie Ausführungsbeispiel 1, wobei als Matrix- Korrelator 2 (Fig. 1) ein elektrisch adressierbarer räumlicher Lichtmodulator (Spatial Light Modulator, SLM) mit steuerbarer Phase der Einzelelemente dient.

Bezugszeichenliste

1

einfallender Strahl

1

a Wellenpaket

1

re ebene Referenzwelle

1

te transmittierte Referenzwelle

1

rl Referenzanteil der Laserwelle

1

t1 transmittierte Laserwelle

2

Matrix-Korrelator

3

Phasenelemente

3

a Phasenelemente mit unterschiedlicher Krümmung

3

b Phasenelemente mit gleicher Krümmung

4

Substrat

5

Interferenzringe

6

Abbildungsoptik

7

Detektor

8

Unterteil

9

Linsenoberteil

10

11

Spektralfilter

12

Strahlteiler

13

Umlenkspiegel

Claims

1. Verfahren zur zeitlich aufgelösten Charakte risierung von ultrakurzen Laserimpulsen mit einer Mehrkanal-Korrelatortechnik, bei dem eine inter ferometrische Überlagerung von Teilen des Strahls (1) mit sich selbst in einer Matrix (2) aus Phasenelementen (3a, 3b) auf einem transmittierenden Substrat (4), die einen vom Brechungsindex des Substrats (4) unterschiedlichen Brechungsindex aufweisen, durch Ausnutzung der internen Reflexion in den Phasenelementen (3a, 3b) und der damit erzielbaren Fabry-Perot-Wirkung in einer Weise vorgenommen wird, daß charakteristische Inter ferenzmuster wie Ringe (5) erzeugt werden, die Phasenelemente (3a, 3b) oder unterschiedliche Gruppen von Phasenelementen (3a, 3b) jeweils voneinander verschiedene Phasenprofile aufweisen und damit der Impuls in entsprechend vielen Kanälen gleichzeitig auf Interferenzfähigkeit getestet wird, nach Abbildung der Interferenzmuster auf einen als Matrixkamera ausgebildeten Detektor (7) eine elektronische und/oder mathematische Verarbeitung der Interferenzmuster erfolgt und auf diesem Weg Informationen über die Kohärenzlänge oder über den zeitlichen und räumlichen Intensitätsverlauf gewonnen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Detektor (7) oder in einem geeigneten Medium eine holografische Überlagerung eines mittels eines Strahlteilers (12) abgetrennten und die Phasenelemente (3a, 3b) nicht durchlaufenden Teils des Laserstrahls (1), der als Referenzstrahl (1re) dient, mit dem in den Phasenelementen (3a, 3b) auftretenden Interferenzmuster erfolgt und durch Vergleich mit Referenzhologrammen über geeignete mathematische Prozeduren aus der detektierten Intensitätsverteilung Informationen über die räumliche Verteilung des Wellenfeldes, gewonnen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenelemente (3a, 3b) zum einfallenden Strahl (1) hin orientiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Phasenelemente (3b) gleicher Krümmung verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Phasenelemente mit ebenen durchstrahlten Teilflächen und vorzugsweise prismatischer oder Pyramidenform eingesetzt werden, wobei die Neigungswinkel der Teilflächen gegenüber der Substratoberfläche derart gewählt werden, daß keine Totalreflexion auftritt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (7) zusätzlich spektral selektive Komponenten wie Gitter vorgeschaltet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (7) ein linearer optischer Prozessor vorgeschaltet wird, so daß eine Echtzeit- Bildfilterung durchgeführt und damit eine Verbesserung der Erkennung wesentlicher Merkmale der interferometrisch bzw. holografisch erzeugten Intensitätsmuster erreicht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenelemente (3) oder das sie tragende Substrat (4) oder eine separate optische Komponente vor dem Detektor (7) oder der Detektor (7) selbst derart ausgewählt werden, daß sie nichtlinear optische Eigenschaften aufweisen und aus den Interferenzmustern der zeitliche Intensitätsverlauf optisch oder elektrisch über Mehrphotonenprozesse detektiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Überlagerung in einem geeigneten nichtlinearen Medium derart durchgeführt wird, daß als auswertbares Signal eine Zwei- Photonen-Fluoreszenz angeregt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Überlagerung in einem geeigneten nichtlinearen Medium derart durchgeführt wird, daß als auswertbares Signal die zweite Harmonische (SHG) der Laserstrahlung angeregt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur transienten Aufzeichnung des Interferenzmusters ein photorefraktives Medium eingesetzt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix (2) ein Spatial Light Modulator eingesetzt wird, dessen Einzelelemente eine steuerbare Phase aufweisen.

13. Anordnung zur zeitlich aufgelösten Charakte risierung von ultrakurzen Laserimpulsen mit einer Mehrkanal-Korrelatortechnik, bei der in den Laserstrahlengang (1) eine Matrix aus Phasenelementen (3) auf einem transmittierenden Substrat (4) mit einem von dem Brechungsindex der Phasenelemente (3) verschiedenem Brechungsindex eingebracht ist, die Teile des Strahls (1) durch Ausnutzung der internen Reflexion in den Phasenelementen (3) und der damit erzielbaren Fabry-Perot-Wirkung zur interferometrischen Überlagerung mit sich selbst bringt, so daß charakteristische Interferenzmuster wie Ringe (5) erzeugt werden, wobei die Phasenelemente (3) oder unterschiedliche Gruppen von Phasenelementen (3) jeweils voneinander verschiedene Phasenprofile aufweisen, ein geeignetes optisches System (6, 11) zwischen der Matrix aus Phasenelementen (3) und einem als Matrixkamera ausgebildeten Detektor(7) so angeordnet ist, daß die Interferenzmuster auf dem Detektor (7) abgebildet sind und anschließend über eine mit dem Detektor (7) verbundene Verarbeitungs einrichtung elektronisch und/oder mathematisch zu Informationen über die Kohärenzlänge oder über den zeitlichen und räumlichen Intensitätsverlauf verarbeitet werden.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler (12) angeordnet ist, der einen Teil des einfallenden Strahls (1) als Referenz strahl (1re) abtrennt, der außerhalb der Phasenelemente (3) als Referenzstrahl (1re) geführt ist und mit dem in den Phasenelementen (3) erzeugten Interferenzmuster zur Überlagerung auf den Detektor (7) geführt ist, wobei ein Vergleich mit Referenzhologrammen erfolgt und über geeignete mathematische Prozeduren aus der detektierten Intensitätsverteilung Informationen über die räumliche Verteilung des Wellenfeldes wie über die Phasenverteilung des Lasers gewonnen werden.

15. Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenelemente (3) zum einfallenden Strahl (1) hin orientiert sind.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenelemente (3b) gleiche Krümmung aufweisen.

17. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenelemente (3) ebene durchstrahlte Teilflächen und eine prismatische oder eine Pyramidenform aufweisen, wobei die Neigungswinkel der Teilflächen gegenüber der Substratoberfläche gewährleisten, daß keine Totalreflexion auftritt.

18. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektor (7) zusätzlich spektral selektive Komponenten wie optische Gitter angeordnet sind.

19. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Abbildungsoptik (6) ein geeignetes Mikrolinsen-Array angeordnet ist.

20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Phasenelement eine Mikrolinse zugeordnet ist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Matrix (2) und dem Detektor (7) ein linearer optischer Prozessor angeordnet ist, so daß eine Echtzeit-Bildfilterung durchgeführt und damit eine Verbesserung der Erkennung wesentlicher Merkmale der interferometrisch bzw. holografisch erzeugten Intensitätsmuster erreicht wird.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenelemente (3) oder ein sie tragendes Substrat (4) oder eine separate optische Komponente vor dem Detektor (7) oder der Detektor (7) selbst nichtlinear-optische Eigenschaften aufweisen und aus den Interferenzmustern der zeitliche Inten sitätsverlauf optisch oder elektrisch über Mehr photonenprozesse detektiert wird.

23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Überlagerung in einem geeigneten nichtlinearen Medium derart stattfindet, daß als auswertbares Signal eine Zwei-Photonen- Fluoreszenz entsteht.

24. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die interferometrische Überlagerung in einem geeigneten nichtlinearen Medium derart stattfindet, daß als auswertbares Signal die zweite Harmonische (SHG) der Laserstrahlung entsteht.

25. Anordnung nach einem der Ansprüchen 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur transienten Aufzeichnung des Interferenzmusters ein photorefraktives Medium dient.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Matrix (2) ein Spatial Light Modulator dient, dessen Einzelelemente eine steuerbare Phase aufweisen.