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Ultrakurze Lichtimpulse - Fakultät 06 - Hochschule München

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Puls vom

Puls vom Auskoppelspiegel zum Endspiegel und wieder zurück laufen muss. Der resultierende Pulszug ist also eine Superposition eines breiten Frequenzbereiches. Damit es jedoch zu einzelnen Pulsen kommt, müssen diese Moden in ihrer relativen Phase zueinander stabil in einer bestimmten Beziehung zueinander stehen. Solch eine phasenstarre Superposition wird in Abbildung A7 verdeutlicht. Mit dem Prinzip der Modenkopplung gelang es so erstmals Subpicosekundenpulse zu verwirklichen. Abbildung 2: Bei der Modenkopplung werden viele Moden in einem benachbarten Frequenzbereich phasenstabil überlagert. Besitzen all diese Moden eine gleiche relative Phase zueinander, so interferieren sie zu einem bestimmten Zeitpunkt konstruktiv, an allen anderen destruktiv, bis sich das ganze periodisch wiederholt. Je mehr Moden überlagern, desto weniger Oszillationen vollführt das E-Feld – und wird damit kürzer. Zugleich nimmt jedoch die Amplitude zu, was aufgrund des normalisierten E-Feldes in dem Graphen nicht ersichtlich ist. Die rote Kurve ist ein einzelner Cosinusverlauf. In der schwarzen Kurve überlagern sich bereits 20 frequenznahe, phasengleiche Schwingungen, es kommt zu Interferenzerscheinungen. Auf nur wenige Oszillationszyklen beschränkt und damit ideal für einen Femtosekundenpuls ist die blaue Kurve, welche die Superposition von 80 benachbarten Frequenzmoden darstellt. Es sei hier darauf hingewiesen, dass es eine Vielzahl von Mechanismen für eine mögliche Modenkopplung gibt, unterteilt in aktive und passive Kopplungen, wobei letztere wiederum in langsame und schnelle sättigbare Absorber zu unterteilen sind. Auf diese wird nicht weiter eingegangen, sondern lediglich auf die speziell in dem für diesen Versuch verwendeten Laser. Zuvor soll jedoch noch auf ein paar allgemeine Eigenschaften der Modenkopplung eingegangen werden, da die Dispersion bei der Auslegung einer solchen Modenkopplung eine Rolle spielt. Hierfür sei noch kurz das Phänomen der Selbst-Phasen Modulation (SPM) erläutert. In einem Medium ruft ein Puls hoher Intensität I nichtlineare Effekte hervor, wie der nichtlinearen Änderung des Brechungsindexes nn2Imit n2 als nichtlinearen Brechungsindex. Als Folge dieser Beeinflussung, laufen (bei positivem n2, sowie einer räumlichen Gaußverteilung der Intensität) zentral, hochintensive Anteile aufgrund des höheren Brechungsindexes langsamer, es Seite | 23

kommt zu einem zeitlichen Phasenversatz. Die SPM verändert das Spektrum, nicht aber die zeitliche Form des Pulses. Puls-Verkürzungsrate Aufgrund von endlichen Ansprechzeiten und Sättigungen des Absorbers werden in den meisten Modenkopplungsmechanismen die Flanken des Pulses jeweils abgeschwächt, während die Hauptintensität unverändert oder sogar verstärkt wird. Je nach Art der Absorption, aufgeteilt in langsame und schnelle, nimmt dieser Effekt mit sinkender Pulsdauer zu oder ab. Letzteres ist im Fall der langsamen Sättigung. Erreicht die Pulsdauer einen Wert gleich der Reaktionszeit des Absorbers, oder ist dieser völlig gesättigt, ist keine weitere Verkürzung mehr möglich. Selbst-Starten Theoretisch sollte ein schwacher kurzer Puls, welcher durch die nichtlinearen Effekte der Modenkopplung sich gegen den CW Untergrund durchsetzt, aus statistischen Fluktuationen herauswachsen. Dies ist jedoch gerade bei den schnellen Absorbern nicht immer der Fall, da die Puls-Verkürzungsrate für kleine, lange Pulse äußerst gering ist. Wird dieser Puls innerhalb eines Umlaufes jedoch nicht signifikant verkürzt, so läuft er aufgrund der Dispersion wieder auseinander. Um solch eine Fluktuation hervorzurufen reicht es häufig aus, an das Gerät zu klopfen, erstrebenswerter sind jedoch Methoden wie z. B. ein beweglicher Spiegel im Resonator. Der stabile Zustand In einem stabilen Zustand erreicht man bei nicht vorhandener SPM die kürzesten Pulse, wenn auch die GVD null ist. Interessanterweise kann jedoch durch Erzeugung von GVD mit einem bestimmten Vorzeichen im Resonator noch kürzere Pulse erzeugt werden. Dies ist der Fall, wenn sich SPM und GVD genau kompensieren. Durch das so verbreiterte Spektrum ist eine Pulsdauer mit einem Faktor von 2,75 kleiner zu erreichen, als im Falle des ungechirpten Pulses. Solch ein Soliton ähnlicher Zustand wurde von Martinez et. al. beschrieben. Durch ein Ausbalancieren dieser Effekte lässt sich so das Resonatordesigne optimieren. Jedoch führt das auch schnell zu Instabilitäten, wie Abbildung A8 zeigt. Abbildung A8: links) Für den ungechirpten, rein Selbst-Amplituden Modulierten (SAM) Puls erreicht man den bandbreitebegrenzten Puls. Durch geschicktes Ausloten der SPM und GVD kann dieser Wert jedoch noch unterschritten werden. Rechts) Allerdings gibt es bei reiner SPM Stabilitätsproblem. Seite | 24

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