Entwicklung von Echtzeitverfahren zur Phasencharakterisierung von ultrakurzen elektromagnetischen Pulsen verschiedener Wellenlänge

• Applicant: Professor Dr. Heinrich Stolz
• Subject Area: Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
• Term: from 2010 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 170603676

• Final Report Year: 2016

Final Report Abstract

Im Rahmen des Projektes konnte ein Einzelschuss-VAMPIRE gebaut und getestet werden. Der Aufbau kann Pulse im Bereich von 700 nm bis knapp über 1000 nm mit Pulslängen >50 fs rekonstruieren. In der Sensitivität ist dieser VAMPIRE um Größenordnungen besser, als nach der Literatur zu erwarten wäre. Aufgrund des konsequent durchgezogenen spiegelbasierenden Designs des einen Arms, sind nun unverfälschte Pulsmessungen mit eindeutigen Rekonstruktionen möglich. Insbesondere wurde dabei Wert auf hochwertige Spektrometer gelegt, die über den gesamten Spektralbereich nahezu keinen Astigmatismus aufweisen und deren spektrale Sensitivität kalibriert wurde. Dabei konnten kostengünstige, neuartige variable Festspalte entwickelt und umgesetzt werden. Auf dem Weg zu diesem empfindlichen Messaufbau waren allerdings intensive Untersuchungen zur Quanteneffizienz von Kameras notwendig, die den Ablauf des Projektes entscheidend beeinflusst haben. Dabei gab es nicht nur für uns, sondern auch für die Distributoren und Hersteller der Kameras große Überraschungen. Hier sind insbesondere die Oszillationen in der Quanteneffizienz der pco sensicam UV und der Andor DU885K sowie die gewaltige Diskrepanz der rückseitig belichteten Kameras mit Lumogen-Konversionsschicht (wie z.B. Andor DU897UVB) zu nennen. Aus den Ergebnissen hat sich eine umfangreiche und für einen großen Bereich der Optik interessante Veröffentlichung ergeben. Der darin vorgestellte Messplatz ließe sich leicht automatisieren und könnte von Kameraherstellern, die an eigenen Messwerten interessiert sind, günstig umgesetzt werden. Erfolgreiche Rekonstruktionen von fs-Laserpulsen mittels des Einzelschuss-VAMPIREs wurden veröffentlicht. Laserpulse mit spektraler Lücke konnten an dem schwachen Ti:Sa-Oszillator mangels Intensität nicht gemessen werden. Das verwendete verstärkte Ti:Sa-System wies einen räumlichen Chirp auf, der aufgrund des Funktionsprinzips von Einzelschuss-Aufbauten sich direkt in der Zeitachse niederschlägt und eine gute Rekonstruktion verhindert. Die Eignung von photonischen Kristallfasern zur Schließung spektraler Lücken konnte daher nicht erfolgen. Die Nutzung von Grafikkarten zur Beschleunigung der Rekonstruktion hat sich nicht als zweckmäßig ergeben, da das Kopieren der Daten aus dem Arbeitsspeicher in den Grafikspeicher mehr Zeit gekostet hat, als die dazugehörige Fouriertransformation auf der CPU. Die Fouriertransformation auf der Grafikkarte spielt Ihre Vorteile erst mit deutlich größeren Arrays aus, die hier aber nicht vorhanden ist. Daher ist eine Parallelisierung auf einem Rechner mit z.B. 16 Kernen und mehr vielversprechender. In Kooperation mit Prof. Seifert wurde der dem VAMPIRE-Verfahren zugrunde liegende Rekonstruktionsalgorithmus separat veröffentlich und weiterentwickelt.

Publications

• „Unique single shot phase retrieval of ultrafast optical fields”, CERF, Rostock, September 2011
  K. Sperlich, B. Seifert und H. Stolz
  
• „Comprehensive study on Virtually Imaged Phased Arrays - experiment, theory and optical simulation”, DPG Frühjahrstagung, Stuttgart, März 2012
  K. Sperlich, S. Reiß und H. Stolz
  
• „Phase and intensity retrieval of ultrashort laser pulses with single-shot VAMPIRE“, Advanced Photonics, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2014), paper JM5A.37
  K. Sperlich, B. Seifert und H. Stolz
  
• „Quantum efficiency measurements of (EM)CCD cameras: high spectral resolution and temperature dependence“, IEEE Measurement Science & Technology 25, No. 1, 015502 (10pp) (2014)
  K. Sperlich und H. Stolz
  
• „Spectrographic phase-retrieval algorithm for femtosecond and attosecond pulses with frequency gaps“, Optics Communications 329, 69-75 (2014)
  B. Seifert, S. Wallentowitz, U. Volkmann, A. Hause, K. Sperlich und H. Stolz
  
• „Ultrashort laser pulse retrieval using single-shot VAMPIRE“, 2014 IEEE Photonics Conference, San Diego, CA, pp. 400-401 (2014)
  K. Sperlich, B. Seifert und H. Stolz
  
• Veröffentlichungsnummer DE102013211854 A1, "Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer spektralen Änderung von gestreutem Licht", 2016
  S. Reiß, H. Stolz, K. Sperlich, O. Stachs, R.F. Guthoff
  
• “Unambiguous ultrashort pulse reconstruction from double spectrograms alone“, Journal of Optics, 18, No. 10 (2016)
  B. Seifert, R. Wheatley, R. Rojas-Aedo, S. Wallentowitz, U. Volkmann, K. Sperlich, H. Stolz