Adaptiver Wellenfrontsensor hoher Dynamik für Ultrakurzpuls-Laser
Final Report Abstract
Im Projekt wurde ein neuartiger adaptiver Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor mit hoher Dynamik, Robustheit und Präzision auf der Basis eines programmierbaren räumlichen Lichtmodulators (SLM) weiterentwickelt und für den kommerziellen Einsatz vorbereitet. Das Gerät verbindet die spezifischen Vorteile einer adaptiven Strahlanpassung und Aberrationskorrektur mit denjenigen einer nichtdiffraktiven und gering-dispersiven Strahlformung und gestattet die gleichzeitige Charakterisierung der Wellenfront und der räumlich aufgelösten zeitlichen Pulsparameter ultrakurzer Laserpulse. Alle geplanten Arbeitspunkte wurden bearbeitet. Untersucht wurde die gesamte Kette der relevanten physikalischen Prozesse von der spektralen Phasenantwort von reflektiven SLMs über die adaptive Erzeugung und Korrektur von Needle beams bis zu den mathematischen Verfahren der Auswertung. Needle beams stellen eine spezielle Form räumlich gefilterter Besselstrahlen dar, die ohne räumliche Oszillationen mit minimalen zeitlichen Störungen propagieren (räumlich und zeitlich nichtdiffraktive Charakteristik). Es wurde überzeugend gezeigt, dass gepulste Needle beams den einzig realistischen Zugang zur Erzeugung von linearen "Light bullets" mit bestmöglicher Lokalisierung von Licht darstellen. Diese Lokalisierung ist für die messtechnischen Anwendungen und darüber hinaus sehr wichtig. Ein weiteres bedeutendes Resultat ist die Verallgemeinerung der Needle beams zur Klasse der sogenannten Highly Localized Wavepackets (HLWs), die vergleichbare Ausbreitungseigenschaften aufweist, jedoch aus bestimmten geometrischen Transformationen hervorgeht, die ihre Rotationssymmetrie brechen. Für die Wellenfrontsensorik bedeutet das die Möglichkeit, mit Hilfe verallgemeinerter Axicons (welche die klassischen Mikrolinsen-Arrays der bekannten Shack-Hartmann-Sensoren ersetzen) komplexere Spot-Arrays formen zu können, die trotzdem neben der Winkelinformation auch die lokale zeitliche Information der Wellenfelder ungestört zum Detektor übertragen können. Ferner erlaubt dies die Codierung einzelner Teilstrahlen, was zu einer verbesserten Wiedererkennung dieser Strahlen führt. Die Erhöhung der Dynamik durch Verwendung ausgedehnter, nadelförmiger Teilstrahlen wurde u.a. am Beispiel der Charakterisierung rotierender (Vortex-) Wellenfronten mit höheren topologischen Ladungen demonstriert, bei denen typischerweise die Auslenkungen in der Messebene sehr klein sind. Winkel-Auflösungen von besser als 10^-5 wurden nachgewiesen. Die Kombination aus Adaptivität, geringer Dispersion und Diffraktionsreduktion zur Wellenfrontanalyse ist bisher ohne Beispiel und erschliesst damit neues Marktpotenzial. Die Arbeitsfähigkeit ensprechender Demonstratoren wurde erfolgreich nachgewiesen. Mit dem Transfer der Grundlagenergebnisse des MBI zum KMU-Partner metrolux war auch ein Transfer von Personal und Schutzrechten verbunden. Wegen noch nicht verfügbarer äquivalenter adaptiver Komponenten für den kurzwelligen Spektralbereich wurde die Arbeitsweise im UV zunächst mit Hilfe statischer Komponenten simuliert. In Vorstudien zu weiterführenden Arbeiten wurden erfolgversprechende Ansätze erarbeitet, die bereits in neue Projekte eingeflossen sind und zu weiteren künftigen Aktivitäten im nationalen / internationalen Rahmen hinführen sollten. Dazu zählen vorzugsweise Arbeiten zur Erzeugung und Detektion von ultrakurzen Wellenpaketen mit orbitalem Drehmoment sowie Wellenfronsensoren mit MEMS-Arrays. Da die Kommerzialisierung von Femtosekundenlasern zu einer wesentlich breiteren Anwendung in Materialbearbeitung, Medizin und anderen Bereichen führen wird und in naher Zukunft auch Prozesse auf der Sub-Femtosekunden-Skala eine wachsende Rolle spielen dürften, ist mit neuen Anforderungen an die Pulsdiagnostik zu rechnen. Ein Teil des dafür notwendigen Know-how konnten wir im Projekt bereits erarbeiten und zur Geräteentwicklung hin transferieren.
Publications
- Verfahren und Vorrichtung zur räumlich-zeitlichen Pulsanalyse mittels statistischer Parameter (granted October 20, 2011) PDE 10 2010 026 701.5
R. Grunwald and M. Bock
- Adaptive generation and diagnostics of linear few-cycle light bullets, in: Applied Sciences (open access), Special issue: R. Kienberger (Ed.), Ultraintense Ultrashort Pulse Lasers, Appl. Sci. 2013, 3, 139-152 (2012)
M. Bock and R. Grunwald
- Few-cycle high-contrast vortex pulses, Opt. Lett. 37, 3804-3806 (2012)
M. Bock, J. Jahns, and R. Grunwald
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.37.003804) - Reconfigurable wavefront sensor for ultrashort pulses, Opt. Lett. 37, 1154-1156 (2012)
M. Bock, S. K. Das, C. Fischer, M. Diehl, P. Börner, and R. Grunwald
(See online at https://doi.org/10.1364/OL.37.001154) - Spatially encoded localized wavepackets for ultrafast optical data transfer, J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public. 7, 12009 (2012)
R. Grunwald and M. Bock
(See online at https://doi.org/10.2971/jeos.2012.12009) - Ultrashort highly localized wavepackets, Opt. Express 20, 12563- 12578 (2012)
M. Bock, S. K. Das, and R. Grunwald
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.20.012563)
