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Umwandlung gepulster Laser-Strahlung in cw-Strahlung

02.12.2011

In weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungsquelle von großem Nutzen, die sich spektral vom UV-C bis ins mittlere IR durchstimmen lässt. Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfüllen diesen Wunsch bei ausreichend großem Ausgangssignal bisher lückenlos. Femtosekunden-Lasersysteme wären aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle für z.B. radiometrische Anwendungen – wenn ihre Strahlung nicht gepulst wäre. Durch das extreme Puls-Pausen-Verhältnis von 10-5 entstehen hohe Spitzenleistungen, die wiederum zu Sättigungseffekten bei Detektoren und in der Folge zu nichtlinearem Verhalten führen können. In der PTB wurde eine universelle, sehr einfache Methode erstmalig für radiometrische Zwecke kultiviert, die bereits früher als „pulse stretcher“ publiziert wurde [1]. Bei dieser Methode werden Pulse gepulster Strahlungsquellen ausreichend hoher Repetitionsrate in cw-Strahlung umgewandelt. Dabei wird jeder Puls in viele kleine Teilpulse aufgeteilt, die auf unterschiedlich langen Wegstrecken unterschiedliche Laufzeiten erfahren. Am Ausgang des Systems erscheinen sie dann zeitlich gleichmäßig verteilt. Realisiert wird dieser Puls-zu-cw-Konverter über ein Glasfaserbündel, bei dem jede Einzelglasfaser eine individuell festgelegte Länge besitzt.
Mit der Entwicklung eines Puls-zu-cw-Konverters wurde das entscheidende Manko beim Einsatz leistungsstarker Femtosekunden(fs)-Lasersysteme im Bereich der Metrologie beseitigt und erstmalig gepulste Laserstrahlung in cw-Strahlung umgewandelt. Diese Neuentwicklung ermöglicht es nun, herkömmliche Monochromatorsysteme durch fs-Lasersysteme zu ersetzen, die eine bis zu 1000-mal höhere spektrale Ausgangsleistung besitzen. Dadurch können in wirtschaftlich bedeutenden Bereichen wie z.B. der Photovoltaik, der Photometrie, der UV-Strahlungsmesstechnik und der Reflektometrie die Referenz- und Transfernormale mit einer deutlich reduzierten Messunsicherheit kalibriert werden. Hier werden bislang wesentliche Messunsicherheitsanteile durch zu geringe Strahlungsleistungen aus herkömmlichen Monochromatorsystemen verursacht.

[1] David Hanna, Joseph W. Mitchell: A laser pulse strecher made from optical fibres, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A324 14-18 (1993)




Glasfaserbündel mit 100 Multimodefasern, jede mit einer individuellen Länge




Prinzipskizze des Lasersignals vor und nach der Verarbeitung durch den Puls-zu-cw-Konverter