DE19812203A1

DE19812203A1 - Quasi-phasenangepaßtes parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem

Info

Publication number: DE19812203A1
Application number: DE19812203A
Authority: DE
Inventors: Almantas Dr Galvanauskas; Anand Dr Hariharan; Donald J Dr Harter
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1998-03-19
Publication date: 1998-09-24
Also published as: JPH10268369A; JP3598216B2; US6181463B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konvertieren optischer Impulse, die durch kompakte Pumpquel len für lange Impulse geringer Intensität, wie beispielsweise Dioden oder Faser- oder Festkörper-Laser, erzeugt werden, in ultrakurze optische Impulse hoher Energie durch die Verwen dung von Mitteln zur optischen parametrischen Verstärkung.

Der Ausdruck "Impulse hoher Energie" bezieht sich hierbei auf optische Impulse mit Energiepegeln, die höher sind als dieje nigen Energiepegel, die direkt aus Oszillatoren für ultrakur ze Impulse erhalten werden können. Typisch erzeugen kompakte modenverriegelte Oszillatoren Impulse mit maximalen Energien auf dem 10 nJ-Niveau. Daher werden Impulse mit Energien von mehr als 10 nJ hierin als Impulse hoher Energie definiert.

Laser und Verstärker für ultrakurze Impulse gehören zu einer besonderen Klasse von Lasereinrichtungen, die schließlich kurze optische Impulse (an der Grenze der optischen Wellen länge) mit Dauern im Bereich von Femtosekunden (10^-15 s) bis hin zu Picosekunden (10^-12 s) erzeugen. Die potentielle Ver wendung solcher Impulse wird durch ihre charakteristischen Merkmale, die eine kurze Dauer, hohe Spitzenleistung und hohe räumliche und zeitliche Kohärenz umfassen, bestimmt.

Diodenlaser sind kompakte Quellen einer Laseremission, die zwei einzigartige technologische Vorteile besitzen. Erstens stellen Diodenlaser eine direkte Umwandlung von elektrischer Leistung in optische Leistung mit hohem Wirkungsgrad bereit. Zweitens sind sie monolithische Einrichtungen mit kleinen Ab messungen (typisch kleiner als 1 mm). Demzufolge sind ihre Parameter wie beispielsweise Größe, Robustheit, Zuverlässig keit, Lebensdauer, Herstellbarkeit und Kosten wesentlich bes ser als entsprechende Parameter anderer Laserstrukturen wie beispielsweise Gas-, Farb- oder große Festkörperlaser. Diese Schlüsselmerkmale machen sie ideal geeignet für die Entwick lung kommerziell lebensfähiger bzw. wirtschaftlicher Laser quellen. Jedoch ist die direkte Verwendung von Diodenlasern bei der Erzeugung ultrakurzer Impulse hoher Energie be schränkt. Dies wird im wesentlichen durch die kleine Quer schnittsfläche einer Monomode-Diode bestimmt. Eine katastro phake Beschädigung der Diode und gravierende nichtlineare Verzerrungen der ultrakurzen Impulse beschränken die erziel baren Spitzenintensitäten. Zusätzlich sind aufgrund derselben kleinen Querschnittsfläche auch die gespeicherte Energie und der Sättigungsverlauf beschränkt. Die maximalen Energien, die direkt aus einer Laserdiode erhalten werden können, sind auf etwa 100 pJ beschränkt; dieser Wert liegt an der unteren Grenze praktisch bedeutsamer Energien ultrakurzer Impulse. Während die effektive Querschnittsfläche einer Laserdiode durch Zurückgreifen auf Multitransversalmode-Strukturen oder Mehrfachstreifen-Strukturen erhöht werden kann, erlaubt das Erfordernis der räumlichen und zeitlichen Kohärenz keine di rekte Erzeugung ultrakurzer Impulse mit derartigen Einrich tungen.

Dies erfordert es, Dioden als Pumpquellen für andere Klassen von Lasern und Verstärker für ultrakurze Impulse zu verwen den, um praktisch anwendbare Systeme zu entwickeln. Mit sel tenen Erden dotierte Faser-Laser repräsentieren eine solche Klasse von Einrichtungen und kommen Halbleiterverstärkermedi en in Bezug auf Kompaktheit am nächsten, da diese in der Hauptsache durch die kleinen Abmessungen der Faser in Quer richtung bestimmt wird. Der typische Durchmesser einer Faser struktur ist kleiner als 1 mm. Anders als ein Halbleiterlaser kann ein Faser-Laser zwar eine Länge von einigen Metern ha ben, kann jedoch aufgrund der geringen Abmessungen in Quer richtung bzw. des geringen Querschnitts so aufgewickelt wer den, daß er nur einen kleinen Raum einnimmt. Denn der Faser- Laser ist eine eindimensionale Struktur, bei der die Vertei lung des optischen Felds in Querrichtung an jeder Position in Längsrichtung gleich ist. Mit seltenen Erden dotierte Fasern können mit Diodenlasern gepumpt werden. So wurden beispiels weise bekannte Er-dotierte Faser-Lasersysteme mit existieren den Hochleistungs-Laserdioden, die bei 1480 nm oder 980 nm emittieren, gepumpt.

Wie in dem hierin durch Bezugnahme einbezogenen Artikel "Broad-area Diode-pumped 1 W Femtosecond Fiber System" von A. Galvanauskas, M. E. Fermann, D. Harter, J. D. Minelly, G. G. Vienne, J. E. Caplen in "Conference on Lasers and Electro- Optics", Band 9, 1996, OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, DC, 1996) auf Seiten 495 ff. berichtet, wird Pumplicht aus Hochleistungs-Multimode-Dioden durch Faser-Hüllpumptechniken und Chirpimpulsverstärkung wir kungsvoll in die Ausgabe eines ultrakurzen Impulses hoher Leistung konvertiert. Im allgemeinen ist eine Chirpimpulsver stärkung für jeden Quantenverstärker erforderlich, um die ma ximal erhaltbaren Energien ohne nichtlineare Verzerrung der ultrakurzen Impulse oder eine optische Beschädigung der opti schen Komponenten oder des Verstärkungsmediums extrahieren zu können. Typisch ist die Spitzenintensität eines ultrakurzen Impulses mit einer Energie, die gleich der Sättigungsenergie ist, höher als die Sättigungsfluenz des Mediums.

Um jedoch die räumliche und zeitliche Kohärenz zu erhalten und ultrakurze Impulse zu unterstützen, muß der Ausgang bzw.

das Ausgangssignal der Faser monomodal sein. Dies führt aus Gründen, die hier äquivalent zu dem Fall eines Monomode-Halb leiterlaser sind, zu Beschränkungen der Faserkerngröße und, demzufolge, der maximal erhaltbaren Impulsenergien und Spit zenintensitäten. Die maximal erhaltbaren Energien sind für eine Monomode-Faser jedoch wesentlich höher als für einen Halbleiter. Die maximalen, sättigungsfluenzbegrenzten Energi en wurden experimentell bereits mit einigen diodengepumpten Er-Faser-Chirpimpulsverstärkungssystemen erzeugt, mit erziel ten Impulsenergien von mehr als 10 µJ nach der Verstärkung und Rekompression. Für eine Vielzahl praktischer Anwendungen, wie beispielsweise der Herstellung von Mikromaschinen, der optischen Chirurgie etc., werden viel höhere Energien ultra kurzer Impulse (typisch im Bereich zwischen 1 und 10 mJ) be nötigt. Um diese Impulsenergien zu erzielen, werden herkömm lich großvolumige bzw. sperrige Quantenverstärker verwendet. In einem großvolumigen Medium ist die Strahlgröße bzw. der Strahldurchmesser wesentlich größer als der geführte monomo dale Strahl in einer Faser- oder einer Halbleiterstruktur, wodurch das Problem hoher Spitzenintensitäten umgangen wird. Außerdem haben bestimmte Festkörper-Verstärkungsmedien Eigen schaften, die eine Darstellung kompakter Einrichtungen erlau ben. Eine Anzahl von Beschränkungen, wie sie durch die allge meinen Eigenschaften von Quantenverstärkern bestimmt werden, machen es jedoch praktisch schwierig, kompakte Festkörperkon struktionen zur direkten Verstärkung von ultrakurzen Impulsen mit hoher Energie zu implementieren. Dies wird durch eine Be trachtung der allgemeinen Eigenschaften eines Quantenverstär kers offenbar.

Ein Quantenverstärker speichert Pumpenergie in einem oberen Niveau eines optischen Übergangszustands, die von einem durchlaufenden Signal durch die Wirkung einer optisch stimu lierten Emission geernted bzw. übernommen werden kann. Be kannte Festkörper-Verstärkungsanordnungen für ultrakurze Im pulse beinhalten Verstärker für einfachen oder mehrfachen Durchlauf und regenerierende Verstärker, und stellen Impuls energien in dem Bereich zwischen 1 µJ und 1 J bereit. Für diese Systeme ist eine Chirpimpulsverstärkung eine Notwendig keit.

Großvolumige Laser und Verstärker weisen jedoch beträchtliche Einschränkungen auf. Erstens sind Festkörperlaser und Ver stärker wesentlich größer und teurer als ihre Halbleiter- und Faser-Gegenstücke. Größe und Kosten werden dabei in der Hauptsache durch die erforderlichen sperrigen Pumpquellen, beispielsweise Hochleistungs-Ar-Laser oder Lampen, verur sacht. Ein Pumpen mittels Dioden ist nur für wenige derartige Systeme möglich. Es ist erforderlich, einen Quantenverstärker innerhalb des festen Absorptionsbands des bestimmten Verstär kungsmediums zu pumpen. Für viele Medien beschränkt dies ein Pumpen mittels Diodenlaser oder schließt dieses aus, weil zu verlässige und hoch leistungsfähige Pumpdioden gegenwärtig für bei einigen wenigen Wellenlängen verfügbar sind. Das be kannteste Festkörpermedium für die Erzeugung ultrakurzer Im pulse ist beispielsweise Ti:Saphir, welches nicht direkt durch einen Diodenlaser gepumpt werden kann.

Zweitens besitzen Quantenverstärker eine begrenzte Verstär kungsbandbreite, die durch die Breite des optischen Übergangs in dem bestimmten Verstärkungsmedium festgelegt ist. Die schmale Breite der Verstärkungsbandbreite beschränkt wesent lich die Verwendung bestimmter Werkstoffe zum Verstärken ul trakurzer Impulse.

Drittens beschränken intrinsische Eigenschaften des Verstär kungsmediums, wie beispielsweise die Lebensdauer des angereg ten optischen Übergangs und der stimulierte Emissionsquer schnitt, die aus einem bestimmten Quantenverstärker maximal extrahierbare Leistung und Impulsenergie.

Viertens sind große Verstärker bei hohen Leistungspegeln an fällig für thermische Effekte, die die optischen Eigenschaf ten des Verstärkungsmediums ändern. Dies führt dazu, daß der Betrieb solcher Einrichtungen empfindlich gegenüber Änderun gen in der Umgebung wird.

Ein alternativer Ansatz zum Erreichen einer optischen Ver stärkung besteht darin, eine optische parametrische Verstär kung (OPA) in einem nichtlinearen Material zu verwenden. In Übereinstimmung mit dem Ansatz der optischen parametrischen Verstärkung wird Pumpenergie nicht in dem Material gespei chert, sondern direkt aus der Pumpe in das Signal übertragen; das nichtlineare Material ist nur Mittler dieses Vorgangs. Impulsverzerrungen durch Phasenverzerrung können im allgemei nen vermieden werden, weil die Nichtlinearität zweiter Ord nung viel stärker ist als die der dritten Ordnung (die für Selbst- oder Kreuzphasenmodulation verantwortlich ist). Die maximal erhaltbare Energie wird im wesentlichen durch die Be schädigungsschwelle des bestimmten Materials begrenzt. Die erforderliche Pumpwellenlänge und die erhaltbare Verstär kungsbandbreite werden durch die grundlegenden optischen Ei genschaften des bestimmten Kristalls, wie beispielsweise die Ausrichtung und die Größe der Brechungsindex-Ellipsoiden bei den sich gegenseitig beeinflussenden Wellenlängen in herkömm licher birefringenter Phasenanpassung, festgelegt. Diese grundlegenden optischen Eigenschaften bestimmen auch die nützliche Kristallorientierung und, demzufolge, die Amplitude der Nichtlinearitäten, die genutzt werden können. In der Pra xis beschränkt dies die Pumpwellenlängen und Bandbreiten, die mit den verfügbaren nichtlinearen Werkstoffen zugänglich sind, und führt im allgemeinen zu den hohen Energien, die zum Pumpen solcher Verstärker notwendig sind. Infolge der vorste hend genannten Beschränkungen wird gegenwärtig eine parame trische gegenseitige Beeinflussung vorwiegend als Mittel zum Konvertieren der Wellenlänge eines optischen Signals und nicht als Mittel zur Energieverstärkung eingesetzt.

In dem hierin durch Bezugnahme einbezogenen Artikel "Powerful Femtosecond Pulse Generating Chirped and Stretched Pulse Pa rametric Amplification in BBO Crystals" von A. Dubietis, G. Jonusauskas und A. Piskarskas in Opt. Comm. 88, 437 (1992) wird vorgeschlagen, daß ultrakurze optische Impulse mit hoher Energie durch die Verwendung von optischen parametrischen Verstärkern anstelle von herkömmlichen Quantenverstärkern er halten werden können. Dieser Artikel lehrt, daß ultrakurze optische Impulse gestreckt bzw. gedehnt werden müssen, um für einen wirkungsvollen Energietransfer aus der Pumpe in das Si gnal mit der Dauer des Pumpimpulses übereinzustimmen. Diese Arbeit demonstrierte eine 1 : 30-Umwandlung von einer 3 mJ-Pum pe bei 0,53 µm in ein 100 µJ-Signal bei 1,06 µm mit kurzen (etwa 5 ps langen) gestreckten Pumpimpulsen.

Die Arbeit von Dubetis et. al. lehrt jedoch weder eine Ener gieumwandlung von Strahlen geringer Helligkeit zu Strahlen großer Helligkeit, noch wie eine kompakte Quelle ultrakurzer Impulse mit hoher Energie durch die Verwendung von kompakten Pumpquellen, wie beispielsweise Dioden, Fasern oder Mikro chip-Lasern erzielt werden kann. (Eines der Probleme, die auftreten würden, besteht darin, daß, um denselben Umwand lungswirkungsgrad mit längeren Pumpimpulsen (im Nanosekunden- Bereich) zu demonstrieren, die Impulsenergien proportional um einen Faktor von etwa 100 (in den Joule-Bereich) erhöht wer den müßten. Gegenwärtig ist es schwierig, solche hohen Ener gien aus kompakten Impulsquellen zu erzielen). Ferner besei tigt diese Arbeit nicht die Beschränkungen der Pumpwellenlän ge und der Verstärkungsbandbreite eines Verstärkers für ul trakurze Impulse. Außerdem stammten in dieser Arbeit sowohl die Pumpimpulse als auch die verstärkten Impulse aus dersel ben Laserquelle. Es wird kein Verfahren zum Synchronisieren von langimpulsigen Pumpquellen und kurzimpulsigen Quellen vorgeschlagen. Es ist problematisch, Impulse aus einem her kömmlichen Q-geschalteten Pumplaser mit ultrakurzen Impulsen aus einer modenverriegelten Quelle zu synchronisieren.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, kompakte Ver stärker für ultrakurze optische Impulse hoher Energie bereit zustellen.

Ferner soll die Erfindung Verstärker für ultrakurze Impulse ohne Beschränkungen der Pumpwellenlänge und der Verstärkungs bandbreite bereitstellen.

Weiter soll die Erfindung die Nutzung kompakter cw- oder ge pulster Pumpquellen, wie beispielsweise Dioden-, Faser- oder Festkörper-Laser, ermöglichen, um wirkungsvoll optische para metrische Verstärker für die Verstärkung ultrakurzer Impulse zu pumpen.

Außerdem soll die Erfindung die Nutzung kompakter Quellen räumlicher Multimoden, wie beispielsweise Breitbereich-Dioden oder Diodenfelder, Multimodenkern-Faser-Laser und Verstärker, Mikrochip-Laserfelder oder andere Multimoden-Festkörper-La ser, ermöglichen, um einen beugungsbegrenzten monomodalen Strahl parametrisch zu verstärken.

Darüber hinaus soll die Erfindung Verfahren und Einrichtungen zur korrekten zeitlichen Steuerung der Pumpe und der ge streckten ultrakurzen Impulse bereitstellen, um diese in ei nem parametrischen Verstärkungsmedium vorübergehend zu über lagern.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1, 21, 32, 37 und 48 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.

In Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein quasi-phasenangepaßtes nichtlineares Material als parame trisches Verstärkungsmedium zur parametrischen Chirpimpuls verstärkung (QPM PCPA) ultrakurzer Impulse verwendet. Die Phasenanpassungseigenschaften eines quasi-phasenangepaßten Materials werden während des Herstellungsprozesses zurechtge schneidert, welches im wesentlichen die Aufhebung von Be schränkungen der Pumpwellenlängen und der erzielbaren Ver stärkungsbandbreiten ermöglicht. Ferner erlaubt die Möglich keit, die Phasenanpassungseigenschaften zurechtzuschneidern, die Auswahl von vorteilhaften Kristallgeometrien, welches ei ne Zunahme der Interaktionslänge durch Beseitigen des räumli chen Abwanderns von Strahlen und die Verwendung der höchsten in einem bestimmten optischen Material verfügbaren nichtli nearen Koeffizienten ermöglicht. Infolgedessen können die Pumpenergien, die zum Erzielen eines hohen Umwandlungswir kungsgrads und einer hohen Verstärkung in einem quasi-pha senangepaßten parametrischen Verstärker benötigt werden, im Vergleich zu einem herkömmlichen parametrischen Verstärker wesentlich verringert werden. Es erleichtert auch die Umwand lung eines multimodalen Pumpstrahls in einen beugungsbegrenz ten Signalstrahl. Im allgemeinen erlaubt dies die effiziente Verwendung verhältnismäßig langer und multimodaler Pumpimpul se, die unter Verwendung einer Vielzahl von verhältnismäßig einfachen und kompakten diodengepumpten Quellen erhalten wer den können. Dies ist bei Verwendung konventioneller nichtli nearer Kristalle, wie sie von Dubetis et al. beschrieben wer den, nicht möglich.

In weiterer Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der Er findung wird ein allgemeines Verfahren zum Umwandeln der cw- oder gepulsten Leistung von monomodalen oder multimodalen La serdioden in die verstärkte Energie von ultrakurzen optischen Impulsen beschrieben. Im allgemeinen wird diese Umwandlung in zwei grundlegenden Schritten erreicht. Zunächst wird Dioden laser-Leistung entweder direkt oder durch Verwendung eines anderen Lasermediums derart in einen Hochenergie-Pumpimpuls einer geeigneten Dauer umgewandelt, daß Übereinstimmung mit der Dauer eines gestreckten Signalimpulses vorliegt. Der ge streckte Signalimpuls wird mittels einer Impulsstreckeinrich tung aus einem ultrakurzen Impuls erzeugt. Sodann wird das gestreckte Signal in einem nichtlinearen Kristall, der durch die Pumpsignalimpulse gepumpt wird, parametrisch verstärkt. Unter bestimmten Bedingungen wird der parametrische Verstär ker auch für den räumlich multimodalen Pumpstrahl eine unver zerrte Verstärkung eines beugungsbegrenzten monomodalen Strahls bereitstellen. Das verstärkte Signal wird schließlich unter Verwendung einer Impulskompressoreinrichtung wieder auf die ultrakurze Dauer zurückrekomprimiert.

Die Erfindung umfaßt ferner eine kompakte Anordnung zum Pum pen des parametrischen Verstärkers, Multimodenkern-Fasern und Mikrochip-Festkörperlaser und Mikrochip-Festkörper-Laserfel der eingeschlossen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines Verstärkungssystems in Überein stimmung mit einem allgemeinen Ausführungsbeispiel der Erfin dung;

Fig. 2 ein auf einer Multimoden-Faser basierendes parametri sches Chirpimpulsverstärkungssystem gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel;

Fig. 3(a) ein Beispiel einer Pumpquelle unter Verwendung ei ner kaskadierten linearen Verstärkung;

Fig. 3(b) ein Beispiel einer Pumpquelle unter Verwendung ei ner Verstärkungsanordnung für mehrfachen Durchlauf;

Fig. 4(a) und 4(b) passiv und aktiv Q-geschaltete Festkörper- Laser-basierte Systeme in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4(c) ein Alexandrit-basiertes System in MOPA-Bauart ge mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 4(d) eine regenerative Alexandrit-Verstärkeranordnung in Übereinstimmung mit dem vorgenannten weiteren Ausführungsbei spiel;

Fig. 5(a) ein Streifen- bzw. Fahnenbild des unverstärkten Si gnalstrahls, der durch das System gemäß dem Ausführungsbei spiel nach Fig. 4(c) erzeugt wird;

Fig. 5(b) ein Fahnenbild des durch das System gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugten verstärkten Signalstrahls;

Fig. 5(c) ein Fahnenbild der Leerlaufphase des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel;

Fig. 5(d) ein Fahnenbild des Pumpsignals des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel; und

Fig. 6 ein Diagramm der Einzelimpuls-Autokorrelationen der verstärkten und nicht verstärkten Impulse des Systems gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4(c).

Fig. 1 veranschaulicht die Anordnung eines allgemeinen Aus führungsbeispiels eines Verstärkungssystems in Übereinstim mung mit der Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt das Verstärkungssystem eine Pumpquelle 100 mit Pumpdioden 110 zum Pumpen einer Hochenergie-Impulsquelle 120. Eine Signalquelle 130 umfaßt einen Oszillator 140, der ultrakurze Impulse er zeugt, und eine Impulsstreckeinrichtung bzw. einen Impuls strecker 150. Ein Strahlteiler 160 wird zum Kombinieren der Pumpimpulse hoher Energie und der gestreckten ultrakurzen Im pulse verwendet. Die kombinierten Signale werden an einen pa rametrischen Verstärker 170 angelegt, und das verstärkte Si gnal wird einer Impulskomprimiereinrichtung bzw. einem Im pulskompressor 180 zugeführt. Weitere Komponenten zum Aufbau des Systems umfassen Wellenplatten 105 zum Festlegen der für effiziente nichtlineare gegenseitige Beeinflussungen erfor derlichen Polarisationszustände und geeignete Fokussierungs optiken 106. Eine Triggerelektronik 190 ist zum Synchronisie ren der Pumpimpulse und der ultrakurzen Impulse vorgesehen. Die Pumpsignalimpulse und die gestreckten Signalimpulse über lappen sich zeitlich und räumlich in dem nichtlinearen Kri stall des parametrischen Verstärkers 170.

Die Verwendung der parametrischen Verstärkung stellt einige wichtige Vorteile bereit.

Erstens erlaubt sie die Auswertung bzw. Ausnutzung von multi modalen und langimpulsigen Pumpquellen. Im allgemeinen sind solche Pumpquellen viel weniger kompliziert und stellen we sentlich höhere Energien bereit als kompakte Quellen für die direkte Erzeugung und Verstärkung ultrakurzer Impulse.

Zweitens werden Beschränkungen der Verstärkungsbandbreite und Pumpwellenlänge, die bei Quantenverstärkern inhärent vorhan den sind, durch Verwenden von quasi-phasenangepaßten nichtli nearen Werkstoffen bzw. Materialien vollständig beseitigt. Durch Verwenden von Chirp-Perioden-quasi-phasenangepaßten großvolumigen (Bulk-) Werkstoffen kann die Verstärkungsband breite auf eine beliebige benötigte Breite festgelegt werden. Die Pumpwellenlänge wird durch eine geeignete Quasi-Phasenan paßperiode des parametrischen Verstärkers ausgewählt. Sofern zweckmäßig, kann die Pumpwellenlänge so konvertiert werden, daß sie kürzer ist als das verstärkte Signal, indem eine zweite harmonische Erzeugung verwendet wird.

Drittens sind parametrische Verstärkungssysteme inhärent ein facher und kompakter. Die parametrische Verstärkung in einer einzelnen Stufe kann bis zu 90 dB Gewinn bereitstellen (die Grenze wird nur durch den Schwellenwert für optische parame trische Erzeugung (optical parametric generation, OPG) gebil det). Daher können, ausgehend von etwa 10 pJ als der mit ei ner beliebigen Faser-, Laserdioden- oder Festkörper-Ozilla toreinrichtung erzielbaren minimalen Energie, hohe Impulse nergien im Bereich zwischen 1 mJ und 1 J unter Verwendung von lediglich einer oder zwei Verstärkungsstufen erreicht werden. Demzufolge werden keine regenerativen Systeme oder Systeme für mehrfachen Durchlauf benötigt.

Damit ein solches Verstärkungssystem praktisch anwendbar ist, müssen die parametrische Verstärkung bzw. der parametrische Gewinn und die maximale Energieumwandlung von der Pumpe in das Signal in einem parametrischen Verstärker ausreichend hoch sein (näherungsweise 10 bis 50%). Diese Umwandlung wird durch die Spitzenintensität der Pumpe und die Eigenschaften des nichtlinearen Kristalls bestimmt.

Für birefringente bzw. doppelbrechende phasenangepaßte Kri stalle erfordert eine solche Umwandlung sehr hohe Spitzenin tensitäten, welche wesentlich höher sind als diejenigen, die praktisch mit einem multimodalen oder monomodalen Pumpimpuls von einer Dauer im Nanosekundenbereich aus einer kompakten, diodengepumpten Quelle erzielbar sind (< 100 mJ). In Überein stimmung mit der Erfindung kann unter Verwendung neuer quasi phasenangepaßter Werkstoffe (QPM-Werkstoffe), wie beispiels weise periodisch gepoltem Lithium-Niobat (periodically poled lithium niobate, PPLN), ein Nanosekunden-Ausgangssignal mit niedriger Intensität und niedriger Helligkeit aus einer Di odenlaser-gepumpten kompakten Quelle erfolgreich für die ef fiziente parametrische Verstärkung gestreckter ultrakurzer Impulse verwendet werden. Für eine weitergehende Diskussion periodisch gepolten Lithium-Niobats und verwandter Werkstoffe sowie deren Eigenschaften sei der Leser auf die nachstehenden Quellen verwiesen, welche jeweils gleichzeitig durch Bezug nahme hierin einbezogen werden: die US-Patentanmeldungen Nr. 08/763,381 und 08/789,995, welche die Verwendung von PPLN-Kristallen in Impulsverstärkungssystemen offenbaren; und Myers et al., "Quasi-phase-matched optical parametric oscil lators in bulk periodically poled lithium niobate", J. Opt. Soc. Am. B, 22, 2102 (1995).

Im Gegensatz zu traditionellen Chirpimpulsverstärkungssy stemen, in welchen ultrakurze Impulse gestreckt werden, um nichtlineare Effekte zu eliminieren, erfordert dieser Ansatz die Streckung ultrakurzer Impulse nur für den Zweck der Maxi mierung des Wirkungsgrads der Extraktion aus dem langen Pump impuls. Im allgemeinen wird die Verwendung längerer Pumpim pulse und gestreckter Impulse höhere verstärkte Impulsenergi en für eine gegebene Pumpimpuls-Spitzenintensität bereitstel len. Die maximal nutzbare Pumpimpulsdauer wird durch die Be schädigungsschwelle des nichtlinearen Kristalls und durch die maximal rekomprimierbare Impulsbreite für verstärkte Impfim pulse festgelegt. Beispielsweise sollte, um die Pumpintensi täten unter der Beschädigungsschwelle von periodisch gepoltem Lithium-Niobat zu halten, bevorzugt eine Pumpimpulsdauer un ter 500 ps verwendet werden. Außerdem beschränken die exi stierenden Konstruktionen von Impulsstreckern und Kompresso ren die Dauer gestreckter Impulse auf eine Größenordnung im Nanosekundenbereich. Dies schränkt die potentiell nutzbare Pumpimpulsdauer auf innerhalb den Bereich zwischen 100 ps und einigen wenigen Nanosekunden ein. Derartige Impulse können mit einer Vielzahl von passiv oder aktiv Q-geschalteten Sy stemen oder Hauptoszillator-Leistungsverstärker-Systemen (Ma ster Oszillator Power Amplifier-Systemen bzw. MOPA-Systemen), wie beispielsweise Laserdioden-gepumpten Nd:YAG- oder Alexan drit-Systemen, kompakten Laserdioden-gepumpten Mikrolasern oder verstärkten Fasersystemen, erhalten werden. Bereitstell bare Pumpenergien liegen in dem Bereich zwischen 1 µJ bis hin zu mehr als 1 J und ermöglichen verstärkte Signalimpulse in demselben Bereich.

Der Oszillator 140 kann ein modenverriegelter Laser, ein ver stärkungsgeschalteter bzw. gewinngeschalteter oder ein schnellfrequenzmodulierter Halbleiterlaser sein. Im letztge nannten Fall kann der Oszillator gestreckte Impulse direkt erzeugen und auf diese Art und Weise die Notwendigkeit eines Impulsstreckers beseitigen.

Eine Vielzahl von im Stand der Technik bekannten unterschied lichen Einrichtungen sind für die Verwendung als Impulsstrec ker 150 und Kompressor 180 geeignet. Beispielsweise können Beugungsgitter-basierte Einrichtungen, Fasergitter oder hy bride Kombinationen (z. B. eine Faser oder ein Fasergitter als Strecker und ein Beugungsgitterpaar als Kompressor) verwendet werden. Im allgemeinen sind jedoch die maximalen Dauern ge streckter Impulse aus existierenden praktischen Impulsstrec kern auf einen näherungsweise Nanosekunden-Bereich begrenzt. Um den Wirkungsgrad der parametrischen Verstärkung zu maxi mieren und schädliche Effekte wie beispielsweise eine Kri stallbeschädigung zu minimieren, sollten die Pumpimpulsdauern mit denjenigen des Signalimpulses übereinstimmen. Demzufolge schließen für die hierin beschriebene Erfindung die relevan testen Pumpimpulsdauern den Nanosekunden- und den Subnanose kundenbereich ein.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß die praktischen Vorteile des Verstärkungssystems wesentlich durch die vorteilhaften Eigenschaften der verwendeten Pumpim pulsquellen bestimmt werden. Weil ein quasi-phasenangepaßtes parametrisches Medium eine Reduktion der erforderlichen Pump energien, vergrößerte Impulslängen und die Verwendung von multimodalen Pumpstrahlen erlaubt, werden eine Vielzahl prak tischer Pumpquellen für die Anwendung verfügbar. Die Erfin dung umfaßt infolgedessen besondere Ausführungsbeispiele auf der Grundlage verschiedener Pumpquellen.

In Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird die Erfindung in Form eines Multimoden-Faser-ba sierten Chirpimpulsverstärkungssystems (parametric chirped pulse amplification system, PCPA-System) implementiert.

Die Verwendung eines Faser-Verstärkungsmediums in einem PCPA-System führt zu den nachstehenden Überlegungen. Wie vorste hend beschrieben, legen die kleinen Querabmessungen eines Fa ser-Verstärkungsmediums die Beschränkungen für die maximale Impulsenergie fest. Damit ein Signal monomodal ist (d. h. eine gaußsche räumliche Verteilung am Ausgang der Faser aufweist), beträgt der maximale Querschnittsdurchmesser des Faserkerns etwa 15 µm. Ein monomodaler Kern mit größerem Durchmesser würde einen unrealistisch kleinen Brechungsindex-Unterschied zwischen dem Kern und der Hülle bzw. Umhüllung erfordern und auch zu nicht tolerierbar hohen Biegeverlusten führen. Für ein Er-dotiertes Faser-Verstärkungsmedium legt dies die maxi mal erhaltbare Impulsenergie auf näherungsweise das 100 µJ- Niveau.

Unter Zurückgreifen auf multimodale Faser-Verstärker ist es möglich, wesentlich größere Kerndurchmesser zu verwenden. Mit multimodalen Verstärkern mit 30 µm bis 100 µm Kerndurchmesser ist es möglich, Impulsenergien im Bereich zwischen 100 µJ bis 10 mJ zu erreichen. Jedoch ist die Verwendung von multimoda len Faser-Verstärkern zur konventionellen Chirpimpulsverstär kung von Femtosekunden-Impulsen durch eine hohe Zwischenmo dendispersion (zwischen etwa 1 und 10 ps/m) praktisch ausge schlossen, welches zu gravierenden zeitlichen Verzerrungen von rekomprimierten Impulsen führt. Ein weiterer wesentlicher Nachteil bei der direkten Erzeugung ultrakurzer Impulse mit einer multimodalen Faser ist das nicht gaußförmige Profil des multimodalen Strahls, welches wesentlich die Helligkeit und die räumliche Kohärenz des Strahls verringert.

Diese Beschränkungen von multimodalen Faser-Verstärkern kön nen durch Verwenden einer multimodalen Faser als Pumpe für einen parametrischen Verstärker von gestreckten ultrakurzen Impulsen anstelle für eine direkte Chirpimpulsverstärkung überwunden werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt ein Multimoden-Faser-basiertes PCPA-System eine Signalquelle 200, die gestreckte ultrakurze Impulse bereitstellt, eine Pumpquelle 210, die lange Pumpim pulse hoher Energie bereitstellt, einen parametrischen Ver stärker 220, einen Impulskompressor 230 und eine Triggerelek tronik 240, die die Pumpsignale und die verstärkten Signale synchronisiert.

Die Signalquelle 200 umfaßt einen modenverriegelten Oszilla tor 202 (beispielsweise einen modenverriegelten Faser-Oszil lator) und einen Impulsstrecker 204. Alternativ kann die Si gnalquelle eine (nicht gezeigte) schnell abstimmbare Laserdi ode umfassen, die gestreckte Impulse mit breiter Bandbreite direkt erzeugt. Eine Vielzahl von möglichen Strecker- und Kompressoranordnungen ist verfügbar, wie vorstehend beschrie ben wurde.

Die Pumpquelle 210 umfaßt Mehrstufen- oder Mehrdurchlauf- Faser-Verstärker 212 und 214, die durch eine Laserdiode 216 geimpft und durch Dioden 218 gepumpt werden. Wird die Impfdi ode 216 mit der Triggerelektronik 240, die beispielsweise ein üblicher Generator für elektrische Impulse sein kann, ge pumpt, können die optischen Impfimpulse auf jede beliebige Dauer - beginnend bei etwa 100 ps und länger - zugeschnitten werden. Das Hauptoszillator-Leistungsverstärker-System (MOPA) erlaubt die Erzeugung von Pumpimpulsen jeder beliebi gen Dauer und mit einer benötigten Wiederholrate. Wichtig ist, daß dieses Schema die Synchronisation von Pumpimpulsen mit den gestreckten ultrakurzen Impulsen mit vernachlässigba ren Synchronisationsstörungen erlaubt. Beispielsweise kann ein Generator für elektrische Nanosekunden-Impulse durch eine schnelle Photodiode über die Kette der ultrakurzen Impulse getriggert werden. Zeitsteuer-Synchronisationsstörungen bzw. Timing-Jitter der erzeugten Pumpimpulse in Bezug auf die ge streckten Impulse können weniger als 30 ps betragen, welches nur ein Bruchteil der Dauer der Pumpimpulse ist.

Mehrfachdurchgang- oder Mehrfachstufen-Faser-Verstärker sind in der Pumpquelle erforderlich, um bis zu 90 dB Gewinn be reitzustellen, damit ausgehend von einem typisch näherungs weise 10 pJ-Ausgangssignal einer Laserdiode 216 Millijoule- Impulse erreicht werden. Der typische Gewinn bei einem Durch gang beträgt in einem Er-dotierten Faser-Verstärker 20 bis 30 dB. Demzufolge sind 4 bis 5 Verstärkungsstufen notwendig, um die gewünschten Energiepegel zu erreichen. Ein Entwurfsbei spiel, in welchem kaskadierte lineare Verstärker verwendet werden, ist in Fig. 3(a) gezeigt. Akusto-optische Modulatoren 300 zwischen den Stufen sind notwendig, um eine Kreuzsätti gung zwischen den Stufen aufgrund verstärkter spontaner Emis sion (amplified spontaneous emission, ASE) zu vermeiden. Die gesamte Kette kann aus Multimode-Fasern bestehen. Alternativ können in den ersten Stufen, in welchen die Impulsenergie noch gering ist, Monomode-Fasern und nur in der letzten Stufe bzw. den letzten Stufen Multimode-Fasern verwendet werden. Im Hinblick auf die letzte Stufe ist es vorteilhaft, hoch do tierte Fasern zum Minimieren der Länge und der nichtlinearen Effekte im Kern zu verwenden. Nichtlineare Effekte verringern den Wirkungsgrad der Verstärker und führen zu einer spektra len Verbreiterung des Pumpimpulses, welches zum Pumpen nicht linearer Kristalle unerwünscht ist.

Der "lineare" Ansatz des Kaskadierens von Faserverstärkern, der in Fig. 3(a) gezeigt ist, zeigt gewisse Wirtschaftlich keitsmängel dahingehend, daß die Kosten und die Größe der Pumpquelle proportional zu der Anzahl von Stufen sind. Eine vorteilhafte alternative Lösung besteht darin, eine Anordnung mit mehrfachen Durchläufen bzw. Durchgängen zu verwenden, beispielsweise eine solche, wie sie in Fig. 3(b) gezeigt ist. In diesem Fall sind eine oder maximal zwei Verstärkungsstufen ausreichend. Der akusto-optische Modulator 301 arbeitet als Schalter, der Impfimpulse in den Verstärker injiziert und diese erst dann in den Ausgang leitet, nachdem die ausrei chenden Energien nach einigen Durchläufen erreicht sind. Ty pisch muß die Modulatorgeschwindigkeit (Torbreite) 100 bis 200 ns betragen, um mit der Umlaufzeit eines typischen Faser verstärkers 212c (näherungsweise 10 bis 50 ns) übereinzustim men. Weil akusto-optische Modulatoren im allgemeinen polari sationsunempfindlich sind, können für eine derartige Anord nung für mehrfachen Durchlauf sowohl monomodale als auch mul timodale Fasern eingesetzt werden. Aufgrund der geringen mittleren Leistung eines Impfsignals sind zweistufige Systeme vorteilhaft, in welchen eine der Stufen ein linearer Verstär ker und eine weitere Stufe ein Verstärker für mehrere Durch läufe sind.

Faserverstärker können durch monomodale Dioden wie beispiels weise Hauptoszillator-Leistungsverstärker-Laserdioden gepumpt werden; jedoch sind monomodale Quellen teurer und stellen vergleichsweise geringere Leistung bereit. Es wird daher be vorzugt, Quellen mit mehreren Moden oder Quellen mit mehreren Dioden zu verwenden. Dies kann durch eine Doppelhüllgeome trie von sowohl monomodalen als auch multimodalen Faser-Ver stärkern dargestellt werden. Wichtig ist hierbei, daß der große Kernbereich einer multimodalen Faser die Pumpabsorption beim Hüllpumpen im Vergleich zu einer doppelhülligen Monomo dalkernfaser erleichtert. Außerdem können, was multimodale Fasern mit einem ausreichend großen Kerndurchmesser (typisch < 100 µm) anbelangt, breitstreifige oder multimodale Dioden laser zum direkten Pumpen im Kern verwendet werden. Im allge meinen ist die Verwendung von multimodalen Laserdioden sehr vorteilhaft zum Erzielen sehr kompakter und robuster Anord nungen der Pumpquelle und demzufolge des gesamten Systems.

Die Pumpwellenlänge eines parametrischen Verstärkers muß kür zer sein als die Signalwellenlänge. Falls Faser-Verstärker, die die Pumpquelle bilden, bei einer kürzeren Wellenlänge als die Impulsquelle für ultrakurze Impulse arbeiten, dann be steht das einzige Erfordernis darin, die geeignete Phasenan passung in einem parametrischen Kristall durch Wählen des zweckmäßigen nichtlinearen Materials (beispielsweise Auswäh len eines geeigneten Werts für die Quasi-Phasenanpaßperiode in einem periodisch gepolten Lithium-Niobat-Kristall) zu er zielen. Ein Beispiel besteht in einem Femtosekunden-Oszilla tor, der auf einer Er-dotierten Faser (Betriebswellenlänge bei 1550 nm) und einer Pumpquelle, die eine Nd-dotierte Glas faser (Betriebswellenlänge bei 1060 nm) verwendet, basiert. Falls sowohl die Pumpe als auch die Signalquelle dieselbe Art dotierter Fasern verwenden (d. h. falls beide beispielsweise eine Er-dotierte Faser verwenden), ist es erforderlich, die Frequenz des Pumpstrahls mittels Quasi-Phasenanpaß-Frequenz verdopplern oder anderen bekannten Frequenzverdopplern 260 zu verdoppeln. Außerdem ist es vorteilhaft, die Pumpquelle mit einer geringfügig kürzeren Grundwellenlänge als der des Si gnals zu betreiben (beispielsweise etwa 1530 nm bzw. etwa 1560 nm), um eine phasenempfindliche parametrische Verstär kung bei der Degeneration zu vermeiden.

Der parametrische Verstärker 220 besteht aus einer oder meh reren Verstärkerstufen. Bevorzugt werden zwei Stufen 220A und 220B verwendet (Fig. 2). Die Verwendung einer Doppelstufe an stelle einer einzelnen Stufe vereinfacht es, mehr als 90 dB Verstärkung der gestreckten Impulse (von etwa 10 pJ bis auf etwa 10 mJ) zu erzielen. Der maximale Gewinn in einem parame trischen Verstärker wird durch den Beginn einer parametri schen Verstärkung begrenzt. Dies tritt in einer einzelnen Stufe bei etwa 90 dB Gewinn auf, welches ausreichend ist, um spontane Vakuumfluktuationen auf das makroskopische Niveau zu verstärken. Typisch wird der Ausgang einer multimodalen Faser unpolarisiert sein. In diesem Fall umfaßt die bevorzugte An ordnung zur Implementierung einer zweistufigen parametrischen Verstärkung polarisierende Strahlteiler 250 am Ausgang der Pumpquelle 210 zum Erzeugen zweier Pumpkanäle, d. h. einen für jede parametrische Verstärkungsstufe 220A bzw. 220B. Diese Anordnung gewährleistet die Nutzung der gesamten Pumplei stung.

Weitere Komponenten zur Implementierung des Systems umfassen dichroitische Spiegel 221 zum Kombinieren von Pump- und Si gnalstrahlen, Wellenplatten 222 zum Festlegen der für effizi ente nichtlineare gegenseitige Beeinflussungen benötigten Po larisationszustände, sowie geeignete Fokussierungsoptiken 223. Das Femtosekunden-Signal sollte vor der Verstärkung auf näherungsweise dieselbe Dauer wie die des Pumpimpulses ge streckt werden. Die Pump- und Signalimpulse müssen innerhalb des parametrischen Verstärkerkristalls 224 sowohl zeitlich als auch räumlich überlagert werden. Um eine Kristallbeschä digung zu vermeiden, muß die Spotgröße ausreichend groß sein.

Der parametrische Kristall 224 weist bevorzugt eine hohe Nichtlinearität auf, beispielsweise wie dies in PPLN-, PPLT- oder anderen quasi-phasenangepaßten Werkstoffen der Fall ist, um eine effiziente Verstärkung mit Spitzenintensitäten unter der Beschädigungsschwelle zu erzielen. Eine große Spotgröße ist ferner zum Erreichen einer parametrischen Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung eines räumlich multimoda len Pumpstrahls vorteilhaft. Die Verwendung eines nichtlinea ren Kristalls mit hohem Wirkungsgrad wie beispielsweise PPLN ist für die Verwirklichung eines faserbasierten Systems we sentlich. Mit den gegenwärtig verfügbaren konventionellen Doppelbrechungs-angepaßten Kristallen sind die erforderlichen Spitzenleistungen auch für multimodale Fasern mit großen Ker nen nicht tolerierbar.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, beseitigt die Verwendung eines Faser-Verstärkers als Pumpquelle anstatt zur direkten Verstärkung gestreckter Femtosekunden-Impulse diesen Effekt der Zwischenmodendispersion sowie die geringe Strahlqualität des Multimoden-Ausgangs eines Hochenergie-Fa ser-Verstärkers und stellt einen monomodalen und transforma tionsbegrenzten Ausgang bei hohen Impulsenergien bereit.

Wie vorstehend beschrieben ändern sich die erzielbaren maxi malen Energien größenmäßig mit der Größe des Kerns der Multi mode-Faser. Mit einer Faser mit einem etwa 100 µm großen Kern sind mehr als 10 mJ erzielbar. Unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade der Frequenzverdopplung und der parametrischen Verstärkung sind Impulse von 10 mJ zum Erhalten von verstärk ten Impulsen mit mehr als 1 mJ ausreichend. Darüber hinaus ist unter Verwendung noch größerer Fasern eine Energieskalie rung möglich. Alternativ können Ausgangsimpulsenergien durch Kombinieren der Ausgänge mehrerer Pumpquellen skaliert wer den.

In Übereinstimmung mit einem weiteren beispielhaften Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 4(a) und 4(b) wird die Erfindung un ter Verwendung eines Q-geschalteten Festkörper-Lasersystems implementiert.

Mehrere Festkörpermaterialien können laserdioden-gepumpt wer den wodurch es möglich wird, kompakte und robuste Festkör per-basierte Quellen zum Pumpen eines parametrischen Verstär kers für gestreckte Impulse zu entwerfen.

Die Q-Schaltung ist das gut etablierte Verfahren, welches die Erzeugung von Impulsen mit hoher Spitzenleistung erlaubt. Der Q-Parameter eines optischen Resonators ist als das Verhältnis von in dem Resonator gespeicherter Energie zu derjenigen, die pro Umlauf verloren wird, definiert. Er kann durch Variieren der Verluste in dem Resonator variiert werden. Es gibt zwei Verfahren zum Variieren von Verlusten: die aktive Q-Schaltung und die passive Q-Schaltung. Die aktive Q-Schaltung erfordert einen aktiven Modulator in dem Resonator (beispielsweise eine Pockels-Zelle). Der Vorteil aktiv Q-geschalteter Laser be steht darin, daß diese von außen getriggert werden können. Die passive Q-Schaltung kann unter Verwendung einer passiven Einrichtung wie beispielsweise einem sättigbaren Absorber im plementiert werden. Ein wesentlicher Nachteil von passiv Q-geschalteten Lasern besteht darin, daß deren Triggerung nicht von außen bzw. extern gesteuert wird und die Impuls-zu-Im puls-Synchronisationsstörungen bzw. -Jittererscheinungen ei nen großen Wert annehmen, der die Dauer des Impulses selbst überschreiten kann. Dieses Merkmal führt dazu, daß die Syn chronisation zwischen einem modenverriegelten Laser und einem passiv Q-geschalteten Laser zu einem ernsten Problem wird. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß dieses Problem vermieden werden kann und daß die Energie von passiv Q-ge schalteten Lasern für ein parametrisches Verstärkungssystem genutzt werden kann, vorausgesetzt daß ein von außen synchro nisierbarer Laser, wie beispielsweise eine schnell-abgestimm te Laserdiode, als Quelle gestreckter, breitbandiger Impulse verwendet wird. Eine solche Laserdiode kann auf einfache Art und Weise durch entweder einen passiv oder aktiv Q-geschal teten Laser mit vernachlässigbaren Zeitsynchronisationsstö rungen getriggert werden. Im allgemeinen kann anstelle der schnell-abgestimmten Diode ein beliebiger von außen synchro nisierbarer Laser (beispielsweise eine verstärkungsgeschalte te Laserdiode) verwendet werden.

Ein Beispiel für ein derartiges, einen Q-geschalteten Fest körperlaser verwendendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4(a) gezeigt. Eine Pumpquelle 710 umfaßt eine passiv Q-geschaltete Impulsquelle 715, welche durch Pumpdioden 716 gepumpt wird. Eine Elektronik 700 für abstimmbare Dioden, die eine abstimm bare Laserdiode 740 steuert, wird durch einen kleinen Bruch teil des optischen Ausgangs der passiv Q-geschalteten Impuls quelle 715 (für Impulse mit hoher Energie ist etwa 1% ausrei chend), der mit einer schnellen Photodiode 720 erfaßt wird, getriggert.

In Fällen, in welchen es erforderlich ist, die inakzeptabel große Verzögerung der Dioden-Ansteuerelektronik zu kompensie ren, kann der Pumpimpuls in eine Verzögerungsleitung, die hier in einer Multimode-Faser 730 implementiert ist, ausgege ben werden. Die Größe des Kerns der Faser muß ausreichend groß sein, um nichtlineare Verzerrungen zu vermeiden und ei nen guten Wirkungsgrad für die Einkopplung in die Faser zu erzielen. Die Verwendung dieser Faser erleichtert die Imple mentierung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, ist jedoch nicht wesentlich.

Die Implementierung einer aktiv Q-geschalteten Pumpquelle ist in Fig. 4(b) gezeigt. Eine derartige Pumpquelle 715' kann von außen mit vernachlässigbaren Synchronisationsstörungen ge triggert werden und erlaubt infolgedessen die Verwendung ei ner modenverriegelten Signalquelle 705.

In beiden Fig. 4(a) und 4(b) können, um die Pumpimpuls energie zu erhöhen, Q-geschaltete Impulse in einem (nicht ge zeigten) Festkörperverstärker weiter verstärkt werden.

Ein besonders attraktives Konzept zur Herstellung kompakter Q-geschalteter Festkörperlaser ist der Mikrochip-Laser, der die Verwendung eines Halbleiterpackverfahrens mit sich bringt. Tausende von Halbleiterlasern können aus einem Wafer oder einem Festkörper-Laser-Werkstoff durch Polieren derart, daß die beiden Oberflächen eben und parallel sind, nachfol gendes Beschichten dieser Oberflächen mit dielektrischen Spiegeln und Zerschneiden des Wafers in einzelne Chips unter Verwendung von Standard-Halbleiter-Schneideverfahren fabri ziert werden. Solche "Chip-Laser", welche etwa 1 bis 3 mm³ groß sind, können mit monomodalen oder multimodalen Laserdi oden oder Diodenfeldern gepumpt werden. Typische Werkstoffe für Mikrochip-Laser sind Nd-dotiert, wie beispielsweise YAG, mit Betriebswellenlängen bei 1064 nm und 1319 nm und Pumpung durch Laserdioden bei etwa 809 nm. Die Q-Schaltung wird durch Bonden entweder eines elektro-optischen (aktive Einrichtung) oder eines sättigbaren (passive Einrichtung) Absorbermediums auf Nd:YAG- oder Nd:VO₄-Mikrochips, um einen zusammengesetz ten Resonator, erzielt. Der Q-geschaltete Ausgang eines ein zelnen Mikrochip-Lasers kann bis zu einigen zehn Mikrojoule groß sein, mit Dauern zwischen hunderten von Picosekunden bis hin zu Nanosekunden, beispielsweise zwischen 200 ps und 5 ns. Die Verwendung von Mikrochip-Lasern erlaubt sehr preiswerte und kompakte Mikrojoule-Femtosekunden-Impulsquellen. Ferner kann durch Verwenden von Mikrochip-Laserfeldern eine Lei stungs- und Energieskalierung erreicht werden, so daß Aus gangsenergien von bis zu etwa 100 mJ möglich sind.

Die Verwendung eines quasi-phasenangepaßten parametrischen Kristalls in Übereinstimmung mit der Erfindung erlaubt die Verwendung kompakter Quellen wie beispielsweise Mikrochip- Lasern, welche verhältnismäßig geringe Ausgangsenergien er zeugen, als Pumpen für ein PCPA-System. Demgegenüber kann bei Verwendung konventioneller nichtlinearer Werkstoffe (wie bei spielsweise BBO) auch die scharfe Fokussierung des Pump strahls keine ausreichende Verstärkung für eine effiziente Leistungsumwandlung bereitstellen.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 4(c) und 4(d) wird die Erfindung in Form eines fest körperbasierten PCPA-Systems implementiert.

Wie vorstehend beschrieben, wurde im Stand der Technik unter Verwendung eines konventionellen birefringenten phasenange paßten BBO-Kristalls in einer nichtkollinearen Konfiguration mit 3 mJ-Pumpimpulsen von etwa 5 ps Dauer ein Energieumwand lungswirkungsgrad von 1 : 30 erreicht. Um jedoch Nanosekunden- Pumpimpulse mit denselben erforderlichen Spitzenleistungen nutzen zu können, müßten die Pumpenergien um den Faktor 100 bis 1000 erhöht werden. Dies würde die Verwendung von Impuls quellen mit Ausgangsenergien auf Joule-Niveau erfordern. Ge genwärtig sind, wie dem Fachmann bekannt ist, solche Systeme groß, sperrig und teuer. Außerdem liegen die Pulsenergiedich ten solcher Quellen typisch oberhalb der Beschädigungsschwel le des nichtlinearen Mediums. Die Verwendung von quasi-pha senangepaßten Werkstoffen in Übereinstimmung mit der Erfin dung verringert die Anforderung an die Pumpenergien nach un ten auf die Mikrojoule- und Millijoule-Niveaus, und verrin gert dementsprechend die Leistungsdichten auf Niveaus unter halb der Beschädigungsschwelle des nichtlinearen Kristalls. Auf diesem Energieniveau gibt es eine Vielzahl von praktisch darstellbaren Festkörpersystemen, welche die erforderlichen Pumpimpulse für ein PCPA-System bereitstellen können.

MOPA-Systeme, die grundlegend ähnlich den vorstehend be schriebenen Systemen sind und einen Faser-Verstärker verwen den, können ebenfalls mit großvolumigen (Bulk-)Festkörper- Werkstoffen implementiert werden. Jedoch werden hier aufgrund der geringen Verstärkung eines Festkörper-Mediums bei einma ligem Durchlauf Systeme mit mehreren Durchläufen oder regene rative Systeme bevorzugt.

Eine allgemeine Anordnung eines Alexandrit-basierten Systems in MOPA-Bauart ist in Fig. 4(c) gezeigt. Ein durch eine Lampe gepumpter Multimode-Alexandrit-Laser wird als Pumplaser 420 für einen regenerativen Alexandrit-Verstärker 410, der bei Wellenlängen zwischen 780 nm und 800 nm arbeitet, verwendet (Fig. 4(d)). Der Verstärker wird mit Impulsen variabler Dauer aus einer Standard-Halbleiterlaser-Impfdiode 430 bei 786 nm geimpft. Die Dauer der Diodenimpulse wird durch die Dauer elektrischer Impulse aus einem Standard-Nanosekunden-Impuls generator einer Triggerelektronik 400 bestimmt. Die Wieder holrate des Alexandrit-Systems beträgt 10 Hz. Es wurde fest gestellt, daß der verstärkte Ausgang Impulse mit einer Dauer zwischen 350 ps und 1 ns (wie durch die Impfdauer festgelegt) und Energien von bis zu 8 mJ bereitstellt. Der Resonator wird nach einer festen Anzahl von Umläufen abgeschaltet. In Ver bindung mit der Tatsache, daß die Impfdiode von außen getrig gert wird, erleichtert dies die zeitliche Steuerung des Pump impulses über den Signalimpuls stark.

Eine Signalquelle 440 ist ein verstärktes Er-dotiertes Faser- Laser-System, welches bei einer Wellenlänge von etwa 1550 nm arbeitet. Femtosekunden-Impulse aus einer passiv modenverrie gelten Er-dotiergen Faser-Laser-Quelle 445 werden in einem Beugungsgitter-Strecker mit positiver Streuung 450 gestreckt und in einer Kette von diodengepumpten Er-dotierten Faser- Verstärkern (nicht gezeigt) verstärkt. Nach der Verstärkung werden Impulse mit einer Bandbreite von etwa 7 nm (festgelegt durch die Gewinnverschmälerung) und einer Dauer von 300 bis 350 ps erhalten. Dieses System kann Impfimpulse mit Energien von bis zu 10 µJ bereitstellen. Derart hohe Energien werden zweckmäßig verwendet, um mit einem parametrischen Verstärker mit einer Stufe zu arbeiten. Die Verstärkung des direkten Ausgangs des Oszillators und des Impulsstreckers würde im allgemeinen zwei parametrisch verstärkende Stufen erfordern, um Energien im Millijoule-Bereich zu erreichen. Verglichen mit Quantenverstärkern können parametrische Verstärker mit wesentlich geringeren Energien geimpft werden. Die Ursache hierfür ist, daß im Gegensatz zu der spontanen Emission eines Quantenverstärkers die injizierten Impulse niedriger Energie in einem parametrischen Kristall mit Vakuumfluktuationen zu kämpfen haben.

Die Pump- und Signalimpulse werden in einem IR-Strahlteiler 460 für eine kollineare Fortpflanzung kombiniert. Beide Strahlen werden in eine Probe eines periodisch gepolten Lithium-Niobat (PPLN) -quasi-phasenangepaßten (QPM)-Kristalls 470 fokussiert. Die Dicke des Kristalls beträgt 0,5 mm, und eine Vielzahl von Längen desselben liegen zwischen 3 und 5 mm. Es können auch noch längere Kristalle verwendet werden, welches die erforderlichen Pumpenergien weiter verringern und Probleme hinsichtlich einer Beschädigung des Kristalls umge hen würde. Die Quasi-Phasenanpaßperiode des PPLN-Kristalls in dieser bestimmten Implementation beträgt 19,75 µm. Im allge meinen kann die Quasi-Phasenanpaßperiode bzw. QPM-Periode Λ für eine gegebene gegenseitige Beeinflussung unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:

Hierin sind n_k und λ_k die Brechungsindizes und Wellenlängen bei der Pump-, Signal- bzw. Leerlaufwellenlänge. Aus dieser Gleichung ist offenbar, daß die Pumpwellenlänge durch Wählen der geeigneten Quasi-Phasenanpaßperiode für den parametri schen Verstärker ausgewählt werden kann. Außerdem ist aus dieser Gleichung klar ersichtlich, daß falls die Quasi-Pha senanpaßperiode entlang des optischen Pfads gechirped, d. h. vor der Verstärkung expandiert und dann wieder rekomprimiert wird, dieses effektiv die Phasenanpaßbandbreite für eine ge gebene nichtlineare gegenseitige Beeinflussung verbreitert. Die gewählte Geometrie des Kristalls stellt eine unkritische Phasenanpassung bereit und eliminiert auf diese Art und Weise die räumliche Strahlabwanderung. Ein optimaler Umwandlungs wirkungsgrad von Pumpe zu Signal ist kritisch abhängig von der räumlichen Überlappung und der Kollinearität der Pump- und Impfstrahlen in dem Kristall. Die Pump- und Signal-Spot größendurchmesser können beispielsweise in dem Bereich zwi schen 300 und 400 µm liegen. Große Spotdurchmesser am Kri stall sind wesentlich für sowohl die Verhinderung einer Kri stallbeschädigung als auch für die räumliche Übereinstimmung von multimodalen und monomodalen Profilen von Pump- und Si gnalstrahlen. Keine spezielle Vorsorge braucht getroffen zu werden, um die Wellenfrontkrümmungen der Pump- und Signal strahlen in dem Kristall anzupassen. Die verstärkten Impulse werden mit einem Standard-Beugungsgitter-Kompressor mit nega tiver Dispersion 480 rekomprimiert.

Ein maximal verstärkter Signalausgang von 1 mJ wurde bei 5 mJ Pumpeingang und 100 nJ Signaleingang experimentell beobach tet. Ein Kleinsignalgewinn von 10⁴ wurde für Eingangsimpuls energien von 5 nJ und weniger gemessen. Als Pumpe-zu-Signal- Umwandlungswirkungsgrad wurden bis zu 35% festgestellt. Ob wohl der Pumpstrahl in diesem Ausführungsbeispiel monomodal ist, sind die Pumpbedingungen äquivalent zu dem Pumpen mit einem multimodalen Strahl aufgrund der Fehlanpassung bzw. fehlenden Übereinstimmung zwischen den Wellenfront-Krümmungen und aufgrund von großen Dimensionen beider Strahlen in dem parametrischen Kristall. Für große Spotgrößen und hohe Moden zahlen ist die räumliche Fehlanpassung zwischen monomodalen und multimodalen Strahlprofilen vernachlässigbar.

Die Materialeigenschaften von Lithium-Niobat erlauben eine effiziente parametrische Umwandlung bei Pumpintensitäten un terhalb der Kristallbeschädigungsschwelle. Für Pumpimpulsdau ern zwischen 300 ps und 500 ps, wie sie für die Verstärkung verwendet werden, wurde auch bei den maximalen Pumpenergien von 8 mJ keine Beschädigung beobachtet. Für Pumpimpulsbreiten länger als 1 ns wurde jedoch eine optische Beschädigung der Eingangsfläche des parametrischen Kristalls bei etwa 2 mJ/Im puls, entsprechend einer Intensität von 3,8 GW/cm², beobach tet. Bei längeren Impulsbreiten, beispielsweise 5 ns, wurde bei noch geringeren Spitzenintensitäten von 0,8 GW/cm², die nur vernachlässigbaren parametrischen Gewinn erzeugen konn ten, eine Oberflächenbeschädigung beobachtet. Die beobachtete Abhängigkeit der Schadenschwelle von der Dauer der Pumpimpul se ist mit der Oberflächenbeschädigung von Bulk-LiNbO₃ auf grund der thermischen Wirkungen verträglich. Dies zeigt an, daß ein Pumpen mit Impulsen kürzer als 1 ns für LiNbO₃-Kri stalle vorteilhaft ist zum Erhalten des höchsten parametri schen Verstärkungsfaktors und Umwandlungswirkungsgrads.

Im allgemeinen können für eine gegebene Impulsdauer die nutz baren Pumpenergien (und demzufolge die erhaltbaren Signal energien) durch proportionales Anpassen des Spotbereichs nach oben oder unten skaliert werden. Dies erhält die feste Pump intensität. Die einzige praktische Beschränkung bezüglich der erhaltbaren maximalen Energien wird durch die maximalen Quer abmessungen des parametrischen Kristalls festgelegt. Gegen wärtig ist aufgrund der Festlegung durch Beschränkungen des Polens elektrischer Felder 0,5 mm dickes periodisch gepoltes Lithium-Niobat die Norm. Die Skalierung der Spotgröße über diese Grenze hinaus würde eine asymmetrische Strahlexpansion erfordern, um die unbeschränkte Breite des Kristalls zu nut zen. Jedoch kann die Dicke des quasi-phasenangepaßten Kri stalls auf ein erforderliches oder gewünschtes Maß erhöht werden, beispielsweise durch Verwenden eines diffusionsgebon deten vertikalen Stapels von PPLN-Platten.

Es ist wichtig, zu überprüfen, daß eine parametrische gegen seitige Beeinflussung zwischen der Pumpe und dem Signal keine Phasenverzerrungen in dem verstärkten gestreckten Impuls in duziert. Um den Chirp auf dem verstärkten Ausgang zu charak terisieren, wurde der wieder parallel gerichtete Ausgang in einem Gitter-Monochromator spektral gestreut und dann mit ei ner Fahnenkamera gemessen. Die Fahnenkamerabilder des unver stärkten Signalstrahls zeigten einen linearen Chirp an (Fig. 5(a)); dieser Chirp wurde vollständig auf das verstärkte Si gnal übertragen (Fig. 5(b)), welches in einer Bandbreite von 7 nm resultierte. Der Chirp (nichtlinear) des Pumpimpulses (Fig. 5(d)) induzierte keinerlei zusätzlichen Chirp in dem verstärkten Signalimpuls, sondern wurde in den Leerlaufchirp übertragen (vgl. Fig. 5(c)). Es wird angemerkt, daß während dieser Pumpe-zu-Leerlauf-Übertragung das Vorzeichen der Phase umgekehrt wird, welches mit dem Impulserhaltungsgesetz ver träglich ist. Eine zeitliche Synchronisationsstörung von etwa 100 ps, die zwischen der Pumpe und dem Signal beobachtet wur de, beeinträchtigte die Verstärkung nicht. Rekomprimierte Si gnalimpulse wurden mit einem Einzelabtast-Autokorrelator ge messen. Fig. 6 zeigt die Einzelabtast-Autokorrelationen der verstärkten und der nicht verstärkten Impulse. Die nicht ver stärkten und die verstärkten Impulse wurden beide auf etwa 680 fs komprimiert, woraus sich identische Spuren ergaben, welches anzeigt, daß keine beobachtbaren Phasenverzerrungen aufgrund der parametrischen Verstärkung um 40 dB aufgetreten sind.

Obwohl der beschriebene Alexandrit-Verstärker auch zur direk ten Verstärkung gestreckter ultrakurzer Impulse aus bei spielsweise einem frequenzverdoppelten modenverriegelten Fa ser-Oszillator verwendet werden kann, besteht der grundlegen de Vorteil der Verwendung des parametrischen Verstärkungs schemas in der Beseitigung der den Verstärkungsfaktor schmä lernden Wirkung aufgrund der großen Bandbreite der parametri schen Verstärkung.

Die Verwendung von quasi-phasenangepaßten (QPM-)Werkstoffen zur parametrischen Chirpimpulsverstärkung (PCPA) verringert wesentlich die erforderliche Pumpspitzenleistung und Pumphel ligkeit und erlaubt so die Auswertung von räumlich-multi modalen und langdauernden Pumpimpulsen. Sie beseitigt ferner Beschränkungen der Pumpwellenlänge und der Verstärkungsband breite. Dies ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung der Pumplaseranordnung für ein Hochenergie-PCPA-System und demzu folge die Konstruktion von kompakten diodengepumpten Quellen ultrakurzer optischer Impulse mit hoher Energie. Darüber hin aus erlaubt dies die Beseitigung von die Verstärkung schmä lernden und phasenverzerrenden Beschränkungen der minimalen Impulsdauer, welche typisch in einem Chirpimpulsverstärkungs system auftreten. Ein Beispiel für eine kompakte Quelle ul trakurzer Impulse hoher Energie ist ein Mehrfachkern-Faser basiertes Chirpimpulsverstärkungssystem. Beschränkungen der Impulsenergie aufgrund der beschränkten Kerngröße für Monomo de-Fasern werden durch Verwenden eines großen Multimode-Kerns umgangen. Beschränkungen der Impulsdauer und der Strahlquali tät aufgrund des Multimode-Kerns werden durch Verwenden eines Chirpimpulsverstärkungssystems umgangen. Zusätzlich verein facht der große Kern der Multimode-Faser das Hüllpumpen durch preiswerte Multimode-Laserdioden mit hoher Leistung.

Claims

1. Optisches Impulsverstärkungssystem, gekennzeichnet durch:
eine Pumpquelle (100; 210; 710;), die optische Pumpim pulse einer vorbestimmten Dauer erzeugt;
eine Signalquelle (130; 200; 440; 705; 740), die opti sche Signalimpulse erzeugt;
eine kombinierende Optik (106, 160; 221, 223; 460), die die optischen Pumpimpulse und die optischen Signalimpulse empfängt und kombiniert, um dadurch kombinierte optische Im pulse bereitzustellen; und
einen parametrischen Verstärker (170; 220; 470), der ei nen quasi-phasenangepaßten Kristall umfaßt, welcher die kom binierten optischen Impulse empfängt und die optischen Si gnalimpulse unter Verwendung von Energie der optischen Pump impulse verstärkt.

2. Chirpimpulsverstärkungssystem, gekennzeichnet durch das optische Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1; und eine Kompressoreinrichtung (180), die die durch den pa rametrischen Verstärker verstärkten optischen Signalimpulse empfängt und komprimiert.

3. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle zumindest eine Pumpdiode (110; 218) und zumindest eine Impulsquelle (120; 216, 212, 214, 300) umfaßt.

4. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsquelle einen Faser-Verstärker (214; 212A, 212B, 214) umfaßt.

5. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kompressoreinrichtung (230), die die durch den parametrischen Verstärker verstärkten optischen Signalimpulse empfängt und komprimiert.

6. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle umfaßt:
einen Signalimpulsgenerator (140; 202; 445); und
eine Streckeinrichtung (150; 204; 450), die durch den Signalimpulsgenerator erzeugte Signalimpulse empfängt und streckt.

7. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Verstärker eine mehrstufige Verstärkungsanordnung (220) mit zumindest zwei quasi-phasenangepaßten nichtlinearen Kristallen (224) umfaßt.

8. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle ein regeneratives Alexandrit-Verstärkersystem (410) umfaßt.

9. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle umfaßt:
eine Quelle für verstärkte optische Faser-Impulse (445); und
eine Streckeinrichtung (450), die von der Quelle für verstärkte optische Faser-Impulse bereitgestellte optische Impulse empfängt und streckt.

10. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Kompressoreinrichtung (480), die die durch den parametrischen Verstärker (470) verstärkten op tischen Impulse empfängt und komprimiert.

11. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle eine Q-geschaltete Impulsquelle (715; 715') umfaßt.

12. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle eine abstimmbare Laserdiode (740) umfaßt.

13. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Kompressoreinrichtung (180), die die durch den parametrischen Verstärker verstärkten optischen Impulse empfängt und komprimiert.

14. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite der optischen Pumpimpulse in dem Bereich zwischen 200 Pikosekunden und 5 Nanosekunden liegt.

15. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Triggerelektronik (190; 240), die die Ankunft der optischen Pumpimpulse und der optischen Si gnalimpulse an der kombinierenden Optik (160; 221) synchroni siert.

16. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerelektronik die Q-ge schaltete Impulsquelle mittels aus der Signalquelle erhalte nen Signalen triggert.

17. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Q-geschaltete Impulsquelle eine aktiv Q-geschaltete Impulsquelle (715') ist, und daß die Signalquelle eine modenverriegelte Signalquelle ist.

18. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggerelektronik die Signal quelle mittels aus der Q-geschalteten Impulsquelle empfange ner Signale triggert.

19. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Q-geschaltete Impulsquelle eine passiv Q-geschaltete Impulsquelle (715) ist, und daß die Signalquelle ein von extern synchronisierbarer Laser (740) ist.

20. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der quasi-phasenangepaßte Kri stall ein periodisch gepolter nichtlinearer Kristall ist.

21. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem, ge kennzeichnet durch

a. eine Pumpquelle (210), die verstärkte Pumpimpulse er zeugt, umfassend:
einen Impfimpulsgenerator (216); eine Pumpdiode (218), die Pumpenergie erzeugt;
einen Faser-Verstärker (212), der die Impfimpulse und die Pumpenergie empfängt und die verstärkten Pumpimpulse erzeugt;
b. eine Signalquelle (200), die Signalimpulse erzeugt;
c. eine kombinierende Optik (221, 223), die die ver stärkten Pumpimpulse und die Signalimpulse empfängt und kombiniert, um dadurch kombinierte Impulse zu erzeugen; und
d. einen parametrischen Verstärker (220), der zumin dest einen quasi-phasenangepaßten Kristall (224) umfaßt, welcher die kombinierten Impulse empfängt und die Signalimpulse unter Verwendung von Energie der verstärkten Pumpimpulse verstärkt.

22. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Kompressoreinrichtung (230), die die durch den parametrischen Verstärker verstärk ten Signalimpulse empfängt und komprimiert.

23. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle fer ner umfaßt:
zumindest eine zusätzliche Pumpdiode (218), die zumin dest einen zusätzlichen Faser-Verstärker (214), der in Reihe mit dem Faser-Verstärker (212) geschaltet ist, pumpt; und
einen akusto-optischen Modulator (300), der zwischen den in Reihe geschalteten Faser-Verstärkern angeordnet ist.

24. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Faser-Verstärker (212) ein Monomode-Faser-Verstärker ist und der zusätzliche Faser-Verstärker (214) ein Multimode-Faser-Verstärker ist.

25. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle als Mehrfachdurchlauf-Anordnung konfiguriert ist, bei der Eingän ge und Ausgänge des Faser-Verstärkers (212C) durch einen aku sto-optischen Modulator (301) gesteuert werden.

26. Parametrisches Chirp-Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 25, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Pumpquel le, die als Mehrfachdurchlauf-Anordnung konfiguriert ist und einen zusätzlichen Faser-Verstärker aufweist, der durch einen zusätzlichen akusto-optischen Modulator gesteuert wird.

27. Parametrisches Chirp-Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Faser-Verstärker ein linearer Verstärker und mit einem Mehrfachdurchlauf-Ver stärker verbunden ist, und daß der Mehrfachdurchlauf-Verstär ker,
einen Schleifen-Faser-Verstärker;
eine Pumpe, die mit dem Schleifen-Faser-Verstärker ver bunden ist; und
einen akusto-optischen Modulator, der den Eingang und den Ausgang des Schleifen-Faser-Verstärkers steuert, umfaßt.

28. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle eine Pumpenergie erzeugt, deren Wellenlänge kürzer als die Wellen länge der Signalimpulse ist.

29. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle fer ner eine Frequenzverdopplungseinrichtung (260) umfaßt, welche die Frequenz der verstärkten Pumpimpulse empfängt und verdop pelt.

30. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Verstärker als zweistufiger Verstärker mit einem ersten und einem zweiten quasi-phasenangepaßten Kristall konfiguriert ist, und daß die Pumpquelle ferner einen polarisierten Strahlteiler (250) umfaßt, der das Ausgangssignal der Pumpquelle in einen ersten, den ersten quasi-phasenangepaßten Kristall versorgenden Pumpkanal und einen zweiten, den zwei ten quasi-angepaßten Kristall versorgenden Pumpkanal auf teilt.

31. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der quasi-phasenan gepaßte Kristall ein periodisch gepolter, nichtlinearer Kri stall ist.

32. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem, umfas send:

a. eine Pumpquelle, die verstärkte Pumpimpulse er zeugt, umfassend:
eine Impfdiode (430);
einen Pumplaser (420);
einen regenerativen Verstärker (410), der auf die Impfdiode und den Pumplaser anspricht, um Pumpimpulse zu er zeugen;
b. eine Signalquelle, die Signalimpulse erzeugt;
c. eine kombinierende Optik, die die Pumpimpulse und die Signalimpulse empfängt und kombiniert, um dadurch kombi nierte Impulse zu erzeugen; und
d. einen parametrischen Verstärker, der zumindest ei nen quasi-phasenangepaßten Kristall umfaßt, welcher die kom binierten Impulse empfängt und die Signalimpulse unter Ver wendung von Energie aus den Pumpimpulsen verstärkt.

33. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumplaser einen Alexandrit-Pumplaser umfaßt, und daß der regenerative Ver stärker einen regenerativen Alexandrit-Verstärker umfaßt.

34. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Kompressoreinrichtung, die die durch den parametrischen Verstärker verstärkten Ei gnalimpulse empfängt und komprimiert.

35. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 32, gekennzeichnet durch eine Triggerelektronik, die die Impfdiode von extern triggert.

36. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der quasi-phasen angepaßte Kristall ein periodisch gepolter nichtlinearer Kri stall ist.

37. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem, ge kennzeichnet durch

a. eine Pumpquelle (710), die Pumpimpulse erzeugt, wobei die Pumpquelle Pumpdioden (716) und eine Q-geschaltete Im pulsquelle (715') umfaßt;
b. eine Signalquelle (705), die Signalimpulse erzeugt;
c. eine kombinierende Optik (160), die die Pumpimpulse und die Signalimpulse empfängt und kombiniert, um dadurch kombinierte Impulse zu erzeugen; und
d. einen parametrischen Verstärker (170), der die kombi nierten Impulse empfängt und die Signalimpulse unter Verwen dung von Energie der Pumpimpulse verstärkt.

38. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Triggereinrichtung zum Synchronisieren der Ankunft der Pumpimpulse und der Signalim pulse an der kombinierenden Optik.

39. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrich tung die Q-geschaltete Impulsquelle mittels von der Signal quelle empfangenen Signalen triggert.

40. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß die Q-geschaltete Impulsquelle eine aktiv Q-geschaltete Impulsquelle ist, und daß die Signalquelle eine modenverriegelte Signalquelle ist.

41. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrich tung die Signalquelle mittels von der Q-geschalteten Impuls quelle (715) empfangenen Signalen triggert.

42. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Q-geschaltete Impulsquelle (715) eine passiv Q-geschaltete Impulsquelle ist, und daß die Signalquelle eine abstimmbare Laserdiode (740) ist.

43. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrich tung umfaßt:
eine Photodiode (720), die die Pumpimpulse der passiv Q-geschalteten Impulsquelle erfaßt und ein Triggersignal er zeugt; und
eine Steuereinrichtung (700) für abstimmbare Dioden, die auf das Triggersignal anspricht, um die abstimmbare Laserdi ode zu steuern.

44. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 43, gekennzeichnet durch eine Verzögerungsleitung (730), die zwischen der Pumpquelle und dem parametrischen Verstärker angeordnet ist.

45. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsbreite der optischen Pumpimpulse in dem Bereich zwischen 200 Pikosekun den und 5 Nanosekunden liegt.

46. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch eine Kompressoreinrichtung (180), die die durch den parametrischen Verstärker verstärk ten Signalimpulse empfängt und komprimiert.

47. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß der parametrische Verstärker einen nichtlinearen Kristall umfaßt.

48. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem, ge kennzeichnet durch:
eine faser-basierte Pumpquelle (210), die Pumpimpulse erzeugt;
eine Signalquelle (200), die Signalimpulse erzeugt;
einen polarisierten Strahlteiler (250), der die Pumpim pulse in einen ersten und einen zweiten Pumpkanal aufteilt;
eine erste Kombiniereinrichtung (221), die die Signalim pulse und die Pumpimpulse aus dem ersten Pumpkanal empfängt und kombiniert, um dadurch erste kombinierte Impulse bereit zustellen;
einen ersten parametrischen Verstärker (224), der einen ersten quasi-phasenangepaßten Kristall umfaßt, welcher die ersten kombinierten Impulse empfängt und die Signalimpulse unter Verwendung von Energie der Pumpimpulse aus dem ersten Pumpkanal verstärkt;
eine zweite Kombiniereinrichtung, die die Pumpimpulse aus dem zweiten Pumpkanal und die Signalimpulse nach deren Verstärkung durch den ersten parametrischen Verstärker emp fängt und kombiniert, um dadurch zweite kombinierte Impulse bereit zustellen; und
einen zweiten parametrischen Verstärker, der einen zwei ten quasi-phasenangepaßten Kristall umfaßt, welcher die zwei ten kombinierten Impulse empfängt und die Signalimpulse unter Verwendung von Energie der Pumpimpulse aus dem zweiten Pump kanal weiter verstärkt.

49. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle eine Vielzahl von in Reihe verschalteten Faser-Verstärkern (212, 214) und zumindest einen akusto-optischen Modulator (300) um faßt.

50. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpquelle zu mindest einen Mehrfachdurchlauf-Faser-Verstärker (214) um faßt, der mit einer Pumpdiode (218) verbunden ist und durch einen akusto-optischen Modulator (300) gesteuert wird.

51. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, daß der quasi-phasenan gepaßte Kristall ein periodisch gepolter nichtlinearer Kri stall ist.

52. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Signalimpulse von einer Dauer sind, die näherungsweise gleich der vorbestimmten Dauer oder kürzer als die vorbestimmte Dauer der optischen Pumpimpulse ist.

53. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Q-geschaltete Impulsquelle eine passiv Q-geschaltete Impulsquelle (715) ist, und daß die Signalquelle eine abstimmbare Laserdiode (740) ist.

54. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der quasi-phasenangepaßte Kri stall aus periodisch gepoltem Lithium-Niobat besteht.

55. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch einen Festkörper-Verstärker zum Verstärken der Q-geschalteten Impulse.

56. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrich tung eine Photodiode (720), die entweder Signalimpulse aus der Signalquelle oder Pumpimpulse aus der Pumpquelle erfaßt und ein an den jeweils entsprechenden Gegenpart, Pumpquelle oder Signalquelle, gerichtetes Triggersignal erzeugt, umfaßt.

57. Parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Triggereinrich tung eine Photodiode (720), die Signalimpulse aus der moden verriegelten Quelle erfaßt und ein an die aktiv Q-geschaltete Impulsquelle (715') gerichtetes Triggersignal erzeugt, um faßt.