Experimentelle Techniken und Verfahren


In unseren Experimenten werden verschiedene Techniken eingesetzt, um ultrakurze Laserpulse zu erzeugen und zu charakterisieren. Die Wichtigsten werden hier kurz vorgestellt.

Flexible Pulsformung

Aus Laserpulsen mit mehr oder weniger fest vorgegebener Form lassen sich ganz flexibel Strukturen wie z.B. Mehrfachpulse formen. Die entsprechende Technik wurde in den 1980ern u.a. von A. Weiner entwickelt. Das Lichtsignal wird dabei durch Masken im Spektralraum manipuliert.

Das Kernstück der Anordnung ist ein Lichtmodulator. Dieser enthält Flüssigkristallelemente mit elektronisch angesteuerten Pixeln, die als steuerbare Maske arbeiten. Der Lichtmodulator befindet sich in der Fourierebene einer Gitter-Linsen-Anordnung.

Die Pulsform am Ausgang ergibt sich aus der Faltung der Pulsform am Eingang mit der komplexen Maskenfunktion. Im von uns verwendeten Modulator können sowohl Amplitude als auch Phase mit getrennten Masken gesteuert werden; damit ist voll¬ständige Flexibilität erreicht. Anwendung findet die Pulsformung z.B. bei der Untersuchung von Solitonenmolekülen.

Frequency-Resolved Optical Gating (FROG)

Zur Untersuchung ultrakurzer Laserpulse sind spezielle Messverfahren notwendig, da herkömmliche Detektoren dafür zu langsam sind. Das von R. Trebino entwickelte FROG (engl. frequency-resolved optical gating) ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden. Dabei wird der zu untersuchende Lichtpuls A mit einem zeitverzögerten Gate-Puls G überlagert und in einem nichtlinearen Prozess ein Mischsignal erzeugt.

Eine solche FROG-Messung resultiert in einem Spektrogramm

welches eine Funktion der Frequenz Omega und der Zeitverzögerung tau ist. Aus dem Spektrogramm, auch FROG-Spur genannt, können mit Hilfe verschiedener Algorithmen die Amplitude und Phase des Lichtpulses rekonstruiert werden. Bei der häufig genutzten Variante SHG-FROG (SHG für engl. second harmonic generation) wird das Signal selbst als Gate-Funktion benutzt: G(t)=A(t). Dieser Aufbau besteht daher im Wesentlichen aus einem spektral aufgelösten Autokorrelator. Eine weitere FROG-Variante namens Blind-FROG nutzt einen Referenzimpuls als Gate. Für die Auswertung der Daten kann es dabei von Vorteil sein, einen möglichst einfach strukturierten Referenzimpuls zu verwenden. In unserem Experiment werden SHG-FROG und Blind-FROG dafür genutzt, die zeitliche Struktur von Solitonen und Solitonenmolekülen genauer zu untersuchen.