Kerr-Linsen-Modenkopplung

Physikalische Grundlagen, Information und Fragen zu Lasern.

Moderator: ekkard

Antworten
moe
Beiträge: 1
Registriert: Do 27 Mär, 2014 10:32 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Jein, nur beruflich...

Kerr-Linsen-Modenkopplung

Beitrag von moe » Do 27 Mär, 2014 10:43 pm

Hallo Leute,

ich habe ein Verständnis-Problem und google hilft mir leider nicht. Vielleicht lacht ihr ja drüber:

Um Pulse im Femtosekundenbereich zu erzeugen muss man die schwingenden Moden koppeln, also phasengleich schwingen lassen. Das ergibt Sinn und lässt sich mathematisch einfach nachvollziehen. Wie funktioniert dieser Phasenangleich aber bei der Kerr-Linsen-Modenkopplung??? In allen Quellen, die ich finden kann, wird immer vom Kerr-Effekt geredet und dass das aktive Medium als Sammellinse für den Strahl wirkt und dann werden fokussierte Strahlteile verstärkt und nicht fokussierte eben nicht. Ich verstehe den Kerr Effekt, ich verstehe, dass hohe Intensitäten zu einer Fokussierung führen können, aber ich verstehe nicht wieso die fokussierten Moden nun phasengleich schwingen sollen! Woher kommt die Phasengleichheit auf einmal?

Kann mir das jemand erklären?

Vielen Dank schon mal und viele Grüße
moe

undineSpektrum
Beiträge: 480
Registriert: Fr 25 Jan, 2013 9:17 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nichts

Re: Kerr-Linsen-Modenkopplung

Beitrag von undineSpektrum » Fr 04 Apr, 2014 12:19 am

Hi moe,

Herzlich willkommen hier ! :)
Vielen Dank für Deine interessante Frage und Deine erfrischende Ehrlichkeit in Deinem Profil .... :D
Aber : Das fällt Dir sicher leichter wenn Du es noch etwas ausfüllst...
Weil Du ja doch nach eigenen Angaben beruflich mit Lasern zu tun hast gehe ich mal davon aus, dass Du auch brauchbare Grundkenntnisse in der Laserphysik hast, was Dein Thread ja auch schon verdeutlicht.
Für die Erklärung Deiner Frage ist es wichtig den Kerr-Effekt allgemein ( auch in seiner Funktion als elektrooptischer Modulator bei z.B. gewöhnlichem Licht durch ein äußeres, elektrisches Feld ) zu kennen und verstanden zu haben... und das hast Du ja auch - nach Deinen Angaben hier.

Zu Deiner Frage / dem Thema:

Also Du möchtest anscheinend verstehen wie ein Femtosekundenlaser funktioniert und wie die Modenkoppelung der Lasermoden des Frequenzkammes erreicht wird, richtig? :wink:

Ich versuche das mal ohne große Rechnungen mit einfachen Worten:

Um eine phasenstarre Koppelung der Lasermoden des Frequenzkammes zu erreichen sind zwei Dinge Voraussetzung :
- Ein Material mit einer bestimmten optischen Dispersion
- Eine ausreichende Energiedichte / Strahlungsleistung in den Lasermoden damit die elektrische Feldstärke des Laserlichtes den Brechungsindex selbst modulieren kann.
Hinzu kommt noch, dass zur Erzeugung eines Frequenzkammes ein aktives Material mit einer möglichst großen Spektralen Bandbreite nötig ist, das denke ich hast Du ja schon verstanden denn das resultiert ja aus der Überlagerung der Moden des Frequenzkammes (-> Fouriersynthese) damit daraus auch im Orts-und Zeitbereich ein "Kamm" mit einer Pulsfolge sehr kurzer, kohärenter Pulse entstehen kann (!).

Diese Voraussetzungen liefern vor allem bestimmte Festkörperlaser (Rubin, Titan-Saphir-Laser...) oder aber auch bestimmte Farbstofflaser.
Dabei besteht das aktive Medium immer aus einer festen oder flüssigen Trägersubstanz und den eigentlichen Ionen / Molekülen innerhalb dieses Trägers welche - bei entsprechendem optischen Pumpen - die anschwingenden Lasermoden mit Energie versorgen. Die Trägersubstanz wirkt dabei nur indirekt mit, z.B. durch den Brechungsindex der auf die sich ausbreitenden Lasermoden wirkt und Ihre Phasengeschwindigkeit innerhalb des aktiven Materials bestimmt.
In der Regel - und unterhalb einer bestimmten Strahlungsleistung der Moden - breiten diese sich zwischen den Spiegeln mit unterschiedlichen Phasengeschwindigkeiten aus, so dass es zu einem phasengleichen Lauf der Wellen innerhalb des Resonators nicht kommen kann, ggf. sogar viele Moden die Resonanzbedingung des optischen Resonators aus diesem Grund nicht erfüllen können. Es bleiben meist nur wenige Moden übrig so dass ein gewöhnlicher Dauerstrichlaser mit ggf. geringen Fluktuationen der Strahlungsleistung entsteht. :) So weit, so gut .... aber noch nix besonderes...

Jetzt kommt der Kerr-Effekt mit ins Spiel : Überschreitet die Strahlungsleistung der Lasermoden eine bestimmte kritische Leistung, so verändern die Lasermoden den Brechungsindex des Trägermaterials durch Ihre elektrische Feldstärke. Der Kerr-Effekt bewirkt dass der durch die Feldstärke E der Lasermode(n) des Frequenzkammes jeweils erzeugte Brechungsindex der Intensität ( also dem Quadrat der elektrischen Feldstärke der Lasermode ) proportional ist, es ist also ein nicht linearer Effekt. Im Fall der geschilderten Trägermaterialien wirkt der von den Lasermoden des Frequenzkammes zusätzlich durch den Kerr-Effekt ausgelöste Brechungsindex des Trägermaterials der gewöhnlichen, wellenlängenabhängigen Dispersion innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereiches exakt entgegen, will heißen: die (Intensitäts- und wellenlängenabhängige) Dispersion durch den Kerr-Effekt eines möglichst großen Wellenlängenbereiches der auftretenden Lasermoden des Frequenzkammes wirkt der ( wellenlängenabhängigen ) natürlichen und linearen Dispersion des Trägermaterials entgegen und kompensiert diese. Der Brechungsindex bildet - mechanisch gesprochen - für die Lasermoden eines bestimmten Ortsbereiches eine "Mulde", d.h. diese können nicht mehr auseinander laufen und bewegen sich mit zunehmender Laufzeit durch das Medium immer exakter phasengleich. -> Longitudinale, selbstinduzierte "Kerr-Linse" ( Vorsicht - dieser Begriff ist eigentlich falsch... er dient nur der Veranschaulichung ! )
Die Lasermoden laufen wie eine Gruppe harmonische Wellen mit sich immer stärker angleichender Phasengeschwindigkeit... die "schnellen" werden durch z.B. durch die Materialdispersion "gebremst"... die "langsamen" z.B. durch die Dispersion des Kerr-Effektes "angeschoben", wenn diese mechanischen Begriffe mal für Felder zur Erklärung geduldet werden... Jedenfalls laufen die Wellen mit zunehmender Ausbreitungszeit immer phasengleicher - > Die Wirkung auf die Wellenausbreitung entspricht einer Phasenreglerschleife in der Elektronik (PLL-Schaltung).
Je größer die Verstärkungsbandbreite des Mediums und die Bandbreite der Schwellenergie für die einzelnen Moden des Frequenzkammes desto schärfer sind die im Orts-Zeit-Bereich nach dieser Methode erzeugten, nutzbaren Laserpulse. -> Femtosekundenimpulsfolge. :freak:
Die Fouriertransformation eines Frequenzkammes in den Orts-Zeit-Bereich (Ja, beim Licht ist das möglich!) ergibt wieder einen Frequenzkamm, das ist ja das was die Artikel zu diesem Thema alle als "Basic" erklären.

Das laserphysikalisch Paradoxe hieran ist, dass die kürzesten, überhaupt erzeugbaren Laserimpulse auf dem Prinzip des Dauerstrichlasers beruhen, da die Moden des Frequenzkammes ja erstmal anschwingen ( Towenssche Schwellbedingung !) und eine bestimmte Mindestleistung erreichen müssen, damit der Kerr-Effekt, der die lineare Dispersion des Trägermaterials ausgleichen kann überhaupt auftritt. ( Dabei ist interessant ob der Schwellwert für den Kerr-Effekt durch die Summe der Moden oder aber die einzelnen Moden bereits erfüllt sein muss ... das ist wichtig ob der Laser überhaupt konstruierbar ist ... -> Abschätzung der nötigen Pumpleistung :freak: )

Die Kerr-Linse (Selbstfokussierung) und die Wirkung der Lochblende im Resonator funktionieren nach demselben Prinzip, allerdings in transversaler ( also quer zur Strahlrichtung ) Betrachtung. Die verschiedenen Gaußstrahlen der unterschiedlichen Moden fokussieren sich nicht nur selbst sondern erzeugen vor allem in Ihrer Summe einen extrem scharfen Brennfleck sehr großer Intensität.

Die Lochblende im Resonator wirkt dabei eigentlich nur unterstützend und bewirkt das alle Moden des Frequenzkammes auch in der TEM-00-Mode anschwingen und ihre Maxima auf der Resonatorachse zusammenfallen. :wink:

Zudem verhält sich das Licht eines Femtosekundenlasers wie das einer partiell kohärenten Lichtquelle, was Interferenz und Holografie angeht. :freak:

Der stärkste Laser dieser Bauart ( er steht in Jena ! ) erzeugt ( mit einer passenden Verstärkung ) eine Spitzenenergiedichte, die mit der Fokussierung des gesamten auf die Erde treffenden Sonnenlichtes in einem Brennfleckes durch ein überdimensionales Brennglas vergleichbar ist...

Rechnerische Details habe ich mal ausgelassen.
Die einzigen Laser(medien) zur Erzeugung kurzer Laserpulse über Dauerstrichemission sind Rubin, Farbstoffe und vor allem Titan-dotiertes monokristallines Bauxit... nur letzteres Material schafft es Femtosekunden-Impulse von einer Dauer von 4-7 Femtosekunden nach diesem Prinzip zu erzeugen.
Mit dem Rubinlaser ( Anstelle von Titan ist hier Chrom im Kristallgitter des Bauxit eingelagert ) können wegen der geringeren Verstärkungsbandbreite "nur" Pikosekunden erreicht werden. Lange Zeit waren Farbstoffe mit Ihren breiten Absorbtions- und Floureszenzbanden gute Kanditaten für kurze Laserimpulse nach diesem Prinzip, seit 1977 wurden diese von dem Titan-Saphir-Festkörperlaser verdrängt.

Zu dem Thema gibt´s auch gute, verständlich abgefasste Veröffentlichungen, z.B. aus dem Jahr 1999: "Uhrenvergleich auf der Femtosekundenskala"....da wird auch das wichtigste zum optischen Frequenzkamm erklärt.

Wenn´s noch Fragen gibt ... ich und viele andere hier beantworten diese sicher gerne... :) Entschuldigt meine Rechtschreibung.. es ist ein graus.... :oops:

Grüße,

Undine

Matthias1
Beiträge: 33
Registriert: Fr 16 Mai, 2014 11:28 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nein.
Wohnort: Jena
Kontaktdaten:

Re: Kerr-Linsen-Modenkopplung

Beitrag von Matthias1 » Sa 17 Mai, 2014 4:28 pm

Hallo,

mein Vorredner hat es bereits ganz gut erklärt. Eines ist mir aber aufgefallen, warum ich hier meinen Senf dazugeben möchte :) .
Die Moden werden nicht im Resonator selber schon gekoppelt, denn es ergeben sich Intensitäten die so hoch sind, dass es keine bekannte Materie gibt, die diese aushalten könnte. Würden die Moden bereits im Resonator gekoppelt werden, würden jeglichen optischen Bauteile dem mit dem Strahl in Berührung kämen sofort zerstört. Die entgültige Modenkopplung erfolgt erst am letzten Bauteil der Strahlführung bevor der Strahl den Laser verlässt. (Leistungen die einem halben Atomkraftwerk entsprechen sind hier möglich :D ). :D

undineSpektrum
Beiträge: 480
Registriert: Fr 25 Jan, 2013 9:17 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nichts

Re: Kerr-Linsen-Modenkopplung

Beitrag von undineSpektrum » So 18 Mai, 2014 12:03 am

Hallo zusammen,
lieber Matthias1,

vielen Dank für Deinen Hinweis hier :) .
Natürlich habe ich den optischen Impulskompressor ( eine besondere Gitteranordnung ) nicht mit erklärt sondern das wesentliche Prinzip im Sinne eine didaktischen Reduktion schnell und mit selbstverständlich ungenauen Worten erklärt.
Und wie das nun mal mit didaktischen Reduktionen ist : Sie bewirken das Vieles viel einfacher und leichter verständlich erscheint als eine ausgefeilte, quantitative Erklärung - auch wenn es dadurch in dem ein oder anderen Punkt mal falsch wird.

Will heißen : Einen optimalen Femtosekundenlaser wird niemand nach dieser Erklärung bauen können - ganz klar!

Das wird den Lehramtsanwärtern in jedem Studienseminar heute eingekloppt: "Erzählt nicht was richtiges sondern was verständliches...!" ... Verzeihung, liebe Seminarleitungen in unterschiedlichen Ländern aber der Tenor ist bei euch so ... wenn Ihr auf die gute Idee kommen solltet hier mitzulesen oder später darauf stoßen solltet.... :wink:

Trotzdem ist es richtig was Du erwähnst.

Dennoch stimmt es das der wesentliche Prozess im aktiven Medium das Lasers stattfindet - der optische Impulskompressor ausserhalb des Gerätes "verbessert" dieses Ergebnis dann noch wesentlich.
Da wir ja gerade über Didaktik sprechen : Ganz richtig ist Deine Argumentation auch nicht - kurze Laserpulse können nach der beschriebenen Methode durchaus auch in Materialien erzeugt werden ohne diese sofort zu zerstören (Rubinlaser und bestimmte andere Festkörperlaser) - das hängt von den erreichten Spitzenleistungen der Impulse und weniger Ihrer Länge ab.
Denke mal an die Laserspiegel eines Rubinlasers oder eines Argonlasers - die werden bei der Benutzung der Geräte meistens durch das Laserlicht (externe Spiegel) schnell zerstört, insbesondere Metallspiegel und müssen ausgewechselt werden.
Auch die Luft oder ein Gas kann bei sehr großen Feldstärken ein solches Material sein - nicht nur die Optiken.
Und außerdem: Um die Form elektromagnetischer Wellen zu verändern bedarf es immer einer Wechselwirkung mit einem Material - denn Licht hat ( laut Albert Abraham Michelson ) in Vakuum und in Materialien die es kaum beeinflusst nur eine einzige Geschwindigkeit... :wink:
Da solche Feldstärken aber wirklich viel beeinflussen und zerstören können ist dieser Zustand des "optischen Frequenzkammes" auch nicht lange stabil und die verschiedenen Frequenzen verändern sich in der Phasenlage bei der Ausbreitung durch die Wechselwirkung mit Ihrer Umgebung wieder...
Ob so ein Frequenzkamm dann im Vakuum stabil läuft ( insbesondere bei noch kürzeren Impulsdauern als 4 fs und noch höheren Spitzenleitungen ) das wird sich in Zukuft ja dann noch zeigen. -> Induzierte Vakuumpolarisation(?) "?" weil meines Wissens noch nie beobachtet...

Freue mich trotzdem über Deinen Kommentar hier... :D

Grüße,

Undine

Matthias1
Beiträge: 33
Registriert: Fr 16 Mai, 2014 11:28 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nein.
Wohnort: Jena
Kontaktdaten:

Re: Kerr-Linsen-Modenkopplung

Beitrag von Matthias1 » So 18 Mai, 2014 1:35 am

Hallo undineSpektrum,

meine Antwort sollte keine Kritik an deinem Post sein, lediglich eine Ergänzung.
Ich rede hier natürlich von sehr hohen Spitzenleistungen. Es geht nur darum, dass bei derart hohen Intensitäten nicht alle Frequenzen direkt überlagert werden, sondern wie beschrieben erst durch das letzte optische Bauelement. Von einem Impulskompressor habe ich aber noch nichts gehört. Meines Wissens wird die finale Überlagerung durch komplizierte Strahlführung mittels diversen Bauteilen in Pyramidengeometrie erreicht (so wurde es zumindest von meinem Laserprof erklärt).


Grüße aus Jena

undineSpektrum
Beiträge: 480
Registriert: Fr 25 Jan, 2013 9:17 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Nichts

Re: Kerr-Linsen-Modenkopplung

Beitrag von undineSpektrum » So 18 Mai, 2014 1:57 am

Hi Matthias,

so habe ich das auch nicht verstanden... :D :
Zitat anfang
Matthias1 hat geschrieben:meine Antwort sollte keine Kritik an deinem Post sein, lediglich eine Ergänzung.
Zitat ende...
Im Gegenteil : Daher meine Ausführungen über Physikdidaktik... entschuldige bitte... :oops:

Weiterhin:
Zitat anfang:
Von einem Impulskompressor habe ich aber noch nichts gehört. Meines Wissens wird die finale Überlagerung durch komplizierte Strahlführung mittels diversen Bauteilen in Pyramidengeometrie erreicht (so wurde es zumindest von meinem Laserprof erklärt).
Zitat ende...

Wahrscheinlich meint er das was ich beschrieb damit... ist eine Anordnung aus mindestens zwei optischen Gittern oder Prismen ... frag´Ihn doch einfach mal...
Wahrscheinlich kennst Du ja dann die Anlage die ich beschrieben habe mit dem kleinen "Kasten" am Anfang ... das ist der eigentliche Femtosekundenlaser ... der Rest in der Halle ist nur Verstärkung uvm.... :mrgreen:
-> Institut für Quantenoptik, Max-Wien-Platz ... da steht das Ding... :wink:

Grüße nach Jena ( die Stadt der Optik mit gemütlichen Kneipen... :mrgreen: ),

Undine

Philipp1
Beiträge: 1
Registriert: Fr 27 Jan, 2017 3:40 pm
Do you already have Laser-Equipment?: Am Lehrstuhl haben wir zwei ns-Laser, einen fs-Laser und eine Laser-Cladding-Anlage

Re: Kerr-Linsen-Modenkopplung

Beitrag von Philipp1 » Fr 10 Feb, 2017 7:15 pm

Hi,

das topic ist zwar schon ein bisschen älter, aber eine Frage hätte ich dazu noch :)

Im sichtbaren Spektralbereich besitzen alle transparenten Materialien doch eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion, d. h. langwelligere Frequenzanteile durchlaufen ein transparentes Medium schneller als kurzwelligere. Die langwelligeren Frequenzanteile werden daher im zeitlichen Pulsprofil vorauseilen und die kurzwelligeren verzögert werden, so daß der Puls zeitlich auseinander läuft (up-Chirp). Soweit so gut.
Jetzt passiert aber doch eigentlich in der Kerr-Linse das Selbe. Also ein weiterer up-Chirp... Wie komme ich dann auf einen ultrakurzen Puls?
Irgendwo scheint da bei mir ein Denkfehler zu sein :D

Wäre cool, wenn jemand für Klarheit sorgen könnte!

Grüße,
Philipp

Antworten

Zurück zu „Laserphysik“

Wer ist online?

Mitglieder in diesem Forum: 0 Mitglieder und 1 Gast