Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Weißlicht-Spektralkomponenten als Eingangssignale für optisch-parametrische Verstärker

31.12.2007

In der PTB wird ein Vielkanal-Heterodyn-CARS (coherent anti-Stokes Raman scattering) Mikroskop aufgebaut, das es ermöglicht, biologisch/medizinische und technische Proben kontrastreich und mit hoher chemischer Selektivität darzustellen. Dazu wird in Kooperation mit der Arbeitsgruppe von Prof. U. Morgner, LU Hannover, ein neuartiges Femtosekunden-OPA (optical parametric amplifier) System entwickelt, das spezielle Eigenschaften aufweist. Es soll ein extrem breites Spektrum erzeugen und eine gute Schuss-zu-Schuss Stabilität einzelner Spektralkomponenten besitzen. Die beiden gebräuchlichen Verfahren zur Weißlichterzeugung wurden in orientierenden Experimenten darauf hin untersucht, in wie weit der spektrale Verbreiterungsprozess deterministisch abläuft, d.h. wie groß die Fluktuationen spektraler Komponenten sind.

Bei der Filamentation in Saphir, dem ersten Verfahren, nutzt man die optische Selbstfokussierung als Mechanismus zur Lichtführung während, alternativ, bei einer mikrostrukturierten Faser (MS-Faser) die Führung in einem Quarzglas-Kern erfolgt, der von einer Struktur dünner, luftgefüllter Kanäle umgeben ist. Dadurch erhält man einerseits kleine effektive Kerndurchmesser und die Gruppenlaufzeitdispersion der Faser lässt sich bei der Pumpwellenlänge minimieren. Beide Effekte vergrößern hier die Nichtlinearität, so dass für eine effektive spektrale Verbreiterungen bei MS-Fasern deutlich kleinere Pumpenergien als bei Saphirplatten benötigt werden.

Abb. 1: Wahrscheinlichkeit für Fluktuationen bei aufeinander folgenden Weißlichtimpulsen

Abb. 1 zeigt gemessene Wahrscheinlichkeitsverteilungen der spektralen Leistungsfluktuationen für eine 3 mm dicke Saphirplatte (blaue Kurve) und für eine 30 mm lange MS-Faser (Crystal Fibre SC-5.0-1040, grüne Kurve). Beide Weißlichtgeneratoren wurden mit einem Yb-Femtosekundenlaser gepumpt (α ≈1040 nm, Impulsdauer ≈200 fs, Repetitionsfrequenz = 200 kHz). Die Leistungsfluktuationen wurden in einem 10 nm breiten Spektralfenster bei 700 nm gemessen. Die Impulsenergie betrug bei der Saphirplatte 4,5 μJ und 20 nJ bei der MS-Faser. Man erkennt, dass die Schuss-zu-Schuss Fluktuationen bei der MS-Faser geringfügig kleiner sind als bei der Saphirplatte. Die volle Breite bei halben Maximum der Wahrscheinlichkeitsverteilung beträgt jedoch in beiden Fällen etwa 6 % der mittleren Impulsenergie. Dieser Wert ist mindestens 4 mal größer als bei den Pumplaserimpulsen.

Zur Verringerung der Fluktuationen soll, eine Leistungsstabilisierung durch Pumpsättigung bereits bei der Weißlichterzeugung eingeführt werden. Dazu soll eine erst seit kurzem verfügbare Faser verwendet werden, die bei der Pumpwellenlänge eine besonders geringe Dispersion mit einem besonders flachen Verlauf zeigt. Damit erwarten wir eine nahezu vollständige Konversion des Pumplichts mit einer entsprechenden Stabilisierungswirkung durch die Verstärkungssättigung.