Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG)

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E-Verhandlungen 2000
Programm und Abstracts der Sitzung Q 27

Optimierte Frequenzverdopplung auf 425.6 nm

•J. Werner, P. O. Schmidt, J. Stuhler, S. Hensler und T. Pfau
Universität Konstanz

Wir präsentieren unsere Ergebnisse zur effizienten Frequenzverdopplung eines Titan-Saphir-Lasers bei 851.2 nm. Die Frequenzverdopplung auf 425.6 nm erfolgt durch einen antireflexbeschichteten LBO-Kristall in einem Ringresonator in der Bow-Tie Konfiguration. Im Experiment wurden mit dieser Konfiguration eine Konversionseffizienz (optisch zu optisch) von > 30 % bei 2.3 W Pumpleistung erreicht. Aufgrund der hohen zirkulierenden Leistung im Resonator führt die deponierte Energie in der Antireflexschicht des Kristalls nach einigen Betriebsstunden zur lokalen Zerstörung derselbigen. Um dieses Problem zu beheben wurde ein neuer Resonator für einen brewstergeschnittenen LBO-Kristall entwickelt. Der astigmatisch kompensierte Resonator ist zur Erhöhung der Stabilität aus einem monolithisch gefertigten Gehäuse aufgebaut. Die Leistungsfähigkeit dieses Designs wurde ebenfalls untersucht und soll vorgestellt werden.

Effiziente Erzeugung von Licht bei 397nm zur Laserkühlung von ⁴⁰Ca⁺ Ionen durch Frequenzverdopplung in periodisch gepoltem LiTaO₃

•Madeleine Lederbauer¹, Liv Hornekaer², J.-P. Meyn³, Ferdinand Schmidt-Kaler¹ und Rainer Blatt^1
1Institut für Experimentalphysik, Universität Innsbruck, Österreich
²Aarhus Universitet, Danmark
³Experimentalphysik, Universität Kaiserslautern, Deutschland

Für die Laserkühlung einzelner gespeicherter ⁴⁰Ca⁺ Ionen wird Licht bei 397nm benötigt. Besonders hohe Effizienz erreicht man bei der Verdopplung eines Ti:Saphir Lasers bei 794nm mittels eines periodisch gepolten LiTaO₃ Kristalls. Für Quasiphasenanpassung in erster Ordnung war die erzeugte UV-Leistung über 10mW bei 1W Pumpleistung im einfachen Durchgang und bei einer Temperatur des Kristalls von 200^°C. Berücksichtigt man Reflektionsverluste und die Absorption von Licht bei 397nm, ensprach unsere gemessene Konversionseffizienz dem zu erwarteten Wert [1,2] innerhalb der experimentellen Unsicherheiten. Zur Vermeidung von Reflektionsverlusten wurde der Kristall im Brewster Winkel poliert. Damit sollte es möglich sein, den periodischen Kristall in einem Überhöhungsresonator einzusetzen. Bedingt durch die hohe Nichtlinearität sollte dann selbst mit einer Laserdiode effiziente Verdopplung möglich sein. Ein dazu optimierter Verdopplungsresonator wird vorgestellt.

[1] J.-P. Meyn and M. M. Fejer, Optics Lett. 22, 1214 (1997)

[2] I. Shoji et al., J.Opt.Soc.Am.B 14, 2268 (1997)

Optische Spiralen und Targetmuster

•B. Schäpers, T. Ackemann und W. Lange
Institut für Angewandte Physik, Corrensstr. 2-4, 48149 Münster

In einem Experiment zur Musterbildung in der nichtlinearen Optik beobachten wir die Entstehung von Spiralen und Targetmustern auf dem transversalen Strahlprofil. Als Nichtlinearität nutzen wir optisches Pumpen in Natriumdampf durch zirkular polarisiertes Licht; die genaue Form dieser Nichtlinearität läß t sich über ein externes Magnetfeld einstellen. Hinter der Natriumdampfzelle befindet sich ein ebener Spiegel, der das Licht nach einer Ausbreitungsstrecke in den Natriumdampf reflektiert. Wir beobachten das durch den Spiegel transmittierte Licht mit einer Kamera, die Verschlusszeiten bis hinab zu 5 ns ermöglicht. Oberhalb einer gewissen Eingangsleistung treten spontan Spiralen und Targetmuster in der Intensitätsverteilung des Gauß schen Laserstrahls auf. Die Rotationsfrequenz der Spiralen liegt im Bereich von etwa 10 kHz bis mehr als 100 kHz und variiert linear mit dem externen Magnetfeld. Der Rotationssinn der Spiralen bzw. die Ausbreitungsrichtung der Ringe des Targetmusters ist dabei nach innen gerichtet, also entgegengesetzt zu dem Verhalten, das in anderen physikalischen und chemischen Musterbildungssystemen wie z. B. in erregbaren Systemen beobachtet wird.

Die Entstehung dieser Strukturen lässt sich in numerischen Simulationen reproduzieren. Eine analytische Untersuchung zeigt, dass das System durch eine Hopf-Bifurkation instabil wird, die auf die Präzession der Magnetisierung der Natriumatome in dem externen Magnetfeld zurückgeführt werden kann.

Quasiperiodische und komplexe periodische Strukturen in einer Einspiegelanordnung

•E. Große Westhoff¹, R. Herrero², A. Aumann¹, T. Ackemann¹ und W. Lange^1
1Institut für Angewandte Physik, Universität Münster, Corrensstr. 2/4, 48149 Münster
²Department de Fisica, Campus Edifici Cc, Universitat Autonoma de Barcelona, Es-08193 Bellaterra (Barelona), Spain

Wir untersuchen optische Strukturbilding in einer Einspiegelanordnung bestehend aus Natriumdampf, einem l/4-Plättchen und einem Rückkoppelspiegel, in das ein zirkular polarisierter Laserstrahl eingestrahlt wird. Hexagone, die an der Schwelle zur Musterbildung bevorzugt werden, gehen bei Leistungserhöhung in Quasimuster mit sechs- oder zwölfzähliger Drehsymmetrie über. Diese sind aus zwölf Wellenvektoren gleicher Wellenzahl aufgebaut, die gegenseitig einen Winkel von 30^° einschließen. Weit oberhalb der Schwelle ändern sich sowohl die Wellenzahlen als auch die Winkel zwischen den Wellenvektoren derart, dass die zwölf Fourierkomponenten auf ein hexagonales oder ein quadratisches Gitter passen. Die zugehörigen komplex periodischen Muster werden als Überstrukturen der Typen SiH+SiH und AS₂₁+SiS [1] klassifiziert. Für sehr hohe Leistungen werden Quadrate und Streifen beobachtet, deren höhere Fourierkomponenten stark angeregt sind. Durch Fourierfilterungsexperimente wird nachgewiesen, dass abgesehen von den Hexagonen alle beobachteten Muster über die Wechselwirkung mit höheren Harmonischen stabilisiert werden.

[1] B. Dionne et al., Nonlinearity 10, 321 (1997)

Optisches Schalten mit kollidierenden Solitonen

•T. Rechtenwald, F. König, R. Steidl, M. Zielonka, Gerd Leuchs und Andreas Sizmann
Lehrstuhl für Optik, Physikalisches Institut, Universität Erlangen-Nürnberg, Staudtstr. 7/B2, 91058 Erlangen

Die Kollision optischer Solitonen kann für optisches Schalten verwendet werden [1]. Wir stellen die Kollision zweier fundamentaler optischer Solitonen in einer Glasfaser vor. Die spektrale und zeitliche Entwicklung der Pulse wird gezeigt.
Basierend auf der transienten Wellenlängenverschiebung der Solitonen in der Kollision präsentieren wir ein einfaches Schema optischen Schaltens, das nur einen inkohärenten Nachweiss erfordert.
Während der Kollision vergrößert sich der spektrale Abstand zwischen den Pulsen. Diese Wellenlängenverschiebung hängt von der Intensität des jeweiligen Kollisonspartners ab. So übertragen sich Intensitätsmodulationen des einen Pulses als Wellenlängenänderungen des anderen Pulses. Durch spektrales Filtern lassen sich diese Änderungen wieder als Intensitätsmodulationen sichtbar machen.
Mit einem schmalen spektralen Bandpassfilter erreichen wir eine Visibilität der Photostrommodulation von 53%.
Verwendet werden zwei 170fs Pulse mit einem Wellenlängenunterschied von 15nm bei 1.5mm, die in einer polarisationserhaltenden Faser der Länge 14m kollidieren.

[1] Friberg et al Appl. Phys. Lett. 63 , 429 (1993)

Nichtlineare Pulspropagation in schwach doppelbrechenden Glasfasern

•Matthias Ruckdäschel, F. König, Andreas Sizmann und Gerd Leuchs
Physikalisches Institut, Lehrstuhl für Optik, Universität Erlangen-Nürnberg, Staudtstr. 7/B2, 91058 Erlangen

Auf einer schwach doppelbrechenden Telekommunikationsglasfaser wird die nichtlineare Ausbreitung ultrakurzer Pulse untersucht. Die Pulsdauer beträgt t_FWHM = 130 fs bei einer Wellenlänge von l = 1,5 mm. Die Pulsausbreitung erfolgt unter Einfluss der Polarisationsmodendispersion (PMD) und der nichtlinearen Kopplung orthogonaler Polarisationszustände. Die PMD des im Gebäude und im Boden kommerziell verlegten Faserrings beträgt ca. 0,1  \fracpsÖ{km}. Schwerpunkte der Untersuchung liegen bei der Bestimmung der Polarisationsentwicklung und Solitonendynamik, sowie der Ramanverschiebung bei Faserlängen zwischen 0,3 und 10,3  km.

Optische Solitonen in Systemen mit stark variierender Dispersion

Tobias Schäfer
Institut für Theor. Physik I, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf

Die Übertragung optischer Pulse in Lichtwellenleitern wird durch die kubisch nichtlineare Schrödingergleichung mit variablen Koeffizienten beschrieben. Für spezielle Dispersionsprofile existieren solitonartige Lösungen dieser Gleichung mit periodischer Amplitude. Sie sind vielversprechende Kandidaten für die Informationsübertragung in zukünftigen Telekommunikationsnetzen. In der vorliegenden Arbeit werden ihre Eigenschaften mit numerischen und analytischen Methoden untersucht.

Entwicklung von phasenkonjugierenden Spiegeln auf Basis der SBS für quasi-cw Laser

•Axel Heuer, Christoph Hänisch und Ralf Menzel
Institut für Physik, Universität Potsdam, Am Neuen Palais 10, 14469 Potsdam

Phasenkonjugierende Spiegel auf Basis der stimulierten Brillouin-Streuung (SBS) werden schon seit längeren erfolgreich in Hochleistungsfestkörperlasern eingesetzt, um Phasenstörungen zu kompensieren. Bislang war jedoch der Einsatz von SBS-Spiegeln auf gepulste Lasersysteme beschränkt, da diese Spiegel in der Regel eine Schwelleistung von deutlich mehr als 1 kW aufweisen. Die Verwendung von besonderen Wellenleitern, wie z.B. mit CS2 gefüllte Kapillaren, ermöglichen es, diese Schwelle bis in den Bereich von 20 W zu reduzieren.

Es werden experimentelle Ergebnisse, wie z.B. der Reflexionsgrad, die Leistungsschwelle und die Fidelity dieser Wellenleiter präsentiert. Zusätzlich werden noch die Möglichleit des Seedings sowie der SBS in aktiven Materialien diskutiert, die ebenfalls zu einer weiteren Herabsetzung der Leistungsschwelle führen.

(Gefördert vom BMBF und dem VDI)

Composition dependent nonlinear refractive index of fluoride phosphate glasses for laser applications

•Thomas Töpfer¹, Joachim Hein¹, Jens Philipps¹, Doris Ehrt² und Roland Sauerbrey^1
1Institut für Optik und Quantenelektronik, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Max-Wien-Platz 1, D-07743 Jena, Germany
²Otto-Schott-Institut für Glaschemie, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Frauenhoferstr. 6, D-07743 Jena, Germany

Interest of nonlinear behavior of optical materials arises from their application in high power laser systems since the refractive index becomes intensity dependent when exposed to high electric fields. Hence, employing materials with low nonlinear refractive index will minimize associated phenomena such as self-focusing and self phase modulation. We report on measurements of the nonlinear refractive index n₂ at 1047 nm of various fluoride phosphate laser glasses relative to fused silica utilizing degenerate four-wave mixing and find good agreement to empirical estimates obtained from the d-line linear refractive index and the Abbe number for pure fluoride-phosphate glasses. Significant increase of n₂ is observed when adding sulfate and niobium oxide to the glass composition offering tailorable nonlinear properties for glasses employed in short pulse laser oscillators.

VUV und XUV Erzeugung mit einem KrF-Femtosekundenlasersystem

•Sascha Skorupka, C. Reinhardt, M. D. Timu, B. N. Chichkov und B. Wellegehausen
Universität Hannover,Institut für Quantenoptik, Welfengarten 1, 30167 Hannover

Vorgestellt wird die Erzeugung von durchstimmbarer VUV und XUV Laserstrahlung mit Hilfe eines Kurzpuls-KrF-Lasersystems (10mJ, 400fs). Wir berichten über Untersuchungen zur Vier- und Sechswellendifferenzfrequenzmischung in Xenon und zur Frequenzverdreifachung in Argon. Die erforderliche durchstimmbare Pumpstrahlung wird mit Hilfe eines OPO/OPA erzeugt und in einem TiSa-Multipass nachverstärkt. Ziel der Experimente ist die Erzeugung von mJ-Strahlung im VUV und von mJ-Strahlung im XUV. Es werden Eigenschaften und mögliche Anwendungen der Quellen diskutiert.

Eigenschaften kontinuierlicher Ramanlaser und stabiler bichromatischer Strahlungsfelder am Beispiel des I₂ - Moleküls

•M. Klug, K. Schulze, Eberhard Tiemann und B. Wellegehausen
Institut für Quantenoptik - SFB 407, Universität Hannover, Welfengarten 1, D - 30167 Hannover

Mit Hilfe eines monolithischen diodengepumpten frequenzverdoppelten Nd:YAG Lasers werden im I₂ - Molekül Einfrequenz TEM₀₀ Ramanlaser in Ringresonatoren realisiert. Die diskret durchstimmbare Ramanstrahlung kann im Bereich von 544 bis 1500 nm erzeugt werden. Dabei werden Leistungen bis zu 5 mW auf einzelnen Ramanübergängen bei Pumpleistungen von ca. 200 mW erreicht. Die spektralen Eigenschaften des Pumplasers, sowie die der Ramanlaser wurden durch Aufbau zweier identischer Systeme untersucht. Dabei wurden für die erhaltene Ramanstrahlung Linienbreiten von 8 kHz (100ms) bei bei einer Pumplinienbreite von 10 kHz erreicht. Neben dem Aufbau des Systems werden weitere Messungen zur Frequenzstabilität des bichromatischen Strahlungsfeldes und zur Kopplung zwischen Pump - und Ramanstahlung vorgestellt, sowie Grenzen der erreichbaren Stabilität und mögliche Anwendungen stabiler bichromatischer Strahlungsfelder diskutiert.

Modenbistabilität aufgrund kohärenter Effekte in Gaslasern

Gabriela Wsik und Gerd Leuchs
Physikalisches Institut V, Universität Erlangen-Nürnberg, Staudtstr. 7/B2, 91058 Erlangen

Wir untersuchen Effekte, die zur Bistabilität eines mehrmodigen He-Ne Laser führen. Im Fall eines schwach anisotropen Resonators weisen zwei orthogonale Moden leicht unterschiedliche Frequenzen auf, aufgrund einer Doppelbrechung der Resonatorspiegel. Man sollte erwarten, dass die jenige Mode anschwingt, welche die kleineren Verluste erfährt. Ein Modensprung sollte genau dann auftreten, wenn der Laser durch die Mitte der Verstärkungslinie gestimmt wird. Die Konkurenz zwischen den beiden Moden kann jedoch sehr stark sein und diesen Sprung verhindern, was zu Bistablität und Hystereseeffekten führt.

Auf mikroskopischer Ebene untersuchen wir Effekte, die den Atomen nicht erlauben, die theoretisch günstigere Mode auszustrahlen. Wir betrachten die Polarisationsaufspaltung einer longitudinalen Mode im dopplerverbreiteten Medium, wobei keine weitere longitudinale Mode innerhalb des Verstärkungsprofils liegt. Unsere Analyse zeigt, dass für die Bistabilität kohärente Effekte verantwortlich sind, welche die beiden induzierten atomaren Dipolmomente mit einander koppeln. In Zweiniveau-Atomen zeigen sich diese Effekte in Form von pulsierenden Besetzungszahlen, ähnlich wie im Fall axialer Modenbistabilität [1]. Wir zeigen auch, dass spektrales `hole burning' die Modenkopplung verstärkt, aber alleine nicht zur Bistabilität führt.

[1] M. Harris, R. Loudon, T.J. Shepherd, and J.M. Vaughan, Opt. Commun. 101 (1993) 432.

Diodenlaser-gepumpte elektro-optisch parametrische Oszillatoren mit Linienbreiten im sub-Hz-Bereich

•Andreas Wolf
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB); 38023 Braunschweig

Ein elektro-optisch parametrischer Oszillator (EOPO) kann effizient das Amplituden- und Frequenzrauschen seiner Pumpe reduzieren [1]. Er beruht auf der Rückkopplung der Schwebung zwischen dem Pumpfeld und einem, in einem optischen Resonator gespeicherten Referenzfeld, auf einen Phasenmodulator, der dem Pumplicht Seitenbänder aufprägt. Die Frequenz eines dieser Seitenbänder koinzidiert mit der des Referenzfeldes. Deshalb kann dieses Seitenband in den Resonator eingekoppelt werden und dessen Anregung aufrecht erhalten. Wir verwenden zusätzlich noch einen Regelkreis, der die Frequenz des Pumplichtes fest an die des (schmalbandigen) EOPO-Ausgangssignals koppelt. Dadurch werden restliche Zieheffekte durch Fluktuationen der Pumpfrequenz eliminiert und die erreichbare Rauschunterdrückung ist nur noch durch das Schrotrauschen im Heterodynsignal begrenzt, analog zum Schawlow-Townes-Limit beim Laser. Wir demonstrieren Schwebungssignale im sub-Hertz-Bereich zwischen den Signalen zweier diodenlaser-gepumpten EOPO's, die auf der Frequenz benachbarter Longitudinalmoden des selben optischen Resonators oszillieren. Dies entspricht einer Rauschunterdrückung bezogen auf die Pumpsignale von mehr als fünf Größenordnungen. Damit wird gezeigt, daß bei ausreichender Kompensation der Längenfluktuationen des Resonators die Stabilität optischer Signale mit Linienbreiten im sub-Hertz-Bereich auf andere Spektralbereiche übertragen werden kann.

[1] A. Wolf, H. R. Telle: Opt. Lett. 23, 1775 (1998)

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Zuletzt geändert am 15.01.2001

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