a) Ultrashort Laser Pulses in the Pico- and Femtosecond Range

Generation and detection of ultrashort light pulses are generally based on nonlinear inter- actions of laser radiation in optical crystals and glasses. They can favorably be used for stret- ching or compressing the pulses or generating new frequencies.

Nonlinear Effects in Optical Fibers

Nonlinear effects and their mutual interaction together with dispersion are of fundamental importance in broadband optical com- munication systems with glass fibers. They can seriously limit the transmis- sion bandwidth and distance between repeaters; on the other hand their ap- propriate and right consideration can significantly improve the operation conditions of a system. The most important nonlinear effects which affect the propagation of pulses in fibers are • Self-Phase Modulation (SPM) • Stimulated Raman Scattering (SRS) and • Four-Wave-Mixing (FWM) in birefringent fibers Dependent on the peak intensity and shape of the pulses as well as the fiber parameters, in particular the dispersion, these effects are significantly reshaping the pulse form, and there- fore a deeper understanding of these processes is important for an optimum design of a com- munication system.

Pulse Compression

The different nonlinear effects in fibers can also favorably be used via postprocessing to further shorten laser pulses. In a first step these pulses pass a single mode fiber, where they undergo strong SPM with spectral broadening while si- multaneously being stretched due to the fiber dispersion. In a second step these pulses are com- pressed, when they are passing a fre- quency selective delay line in form of an optical grating pair or a prism configura- tion. Under appropriate conditions bandwidth limited pulses reciprocal to their spectral broadening can be generated. In this way pulses from a mode-locked Nd:YAG laser generating pulses of about 70 ps are compressed by a factor of 70 down to 1ps.

Additive-Pulse-Modelocking

An optical fiber can also be used as part of a conventional laser. In this case spectral broad- ening in the fiber due to SPM counteracts spectral narrowing by the active medium. In a ring configuration pulses from the main laser resonator are launched into both propaga- tion directions of a monomode fiber. When the propagation through the fiber matches the cavity length, self-modelocking is ob- served. For lamp- and semiconductor pumped Nd:YAG-lasers additive-pulse-mode- locking with high average power and pulse widths down to 5 ps can re realized.

Fiber-Grating-Raman-Laser

Different to fiber lasers with a doped core like praseodymium-, neodymium- or erbium-fiber lasers the core itself can act as amplifying medium taking advantage of the nonlinear process of Stimulated Raman Scattering (SRS). Generally this effect allows to generate pulses on new wavelengths (Stokes shift) and with ultrashort pulse widths due to the broad Raman gain pro- file. But the walk-off between Stokes and pump pulses considerably limits the Raman conversion and pulse quality. With a birefringent fiber and taking advan- tage of perpendicular SRS as well as cross phase modulation the group velocity mis- match can be overcome and pulses of 0.8 ps duration at a wavelength of 1.1 µm are gene- rated, which can be tuned over 40 nm in their wavelength by cooling the fiber.

Doctoral Theses

M. Kuckartz

Nichtlineare Effekte in optischen Einmoden-Fasern und ihre Anwendungen zur Erzeugung ultrakurzer

Lichtimpulse mit einem Nd:YAG Laser

School of Electrical Engineering, Helmut-Schmidt-Uiversity, Hamburg 1989

R. Schulz Signalausbreitung in Glasfasern unter dem Einfluss nichtlinearer optischer Wechselwirkungen – Erzeugung wellenlängen-abstimmbarer ultrakurzer Lichtimpulse im nahen Infrarotbereich - School of Electrical Engineering, Helmut-Schmidt-Uiversity, Hamburg 1993 H. Groninga Additive Puls Modenkopplung eines Nd:YAG-Lasers – Untersuchungen an einem selbststabilisierenden System - School of Electrical Engineering, Helmut-Schmidt-Uiversity, Hamburg 1999

Refereed Publications in Journals and Conference Digests

H. Harde, H. Burggraf Rapid Scanning Autocorrelator for Measurements of Picosecond Laser Pulses Optics Communications 38, 211 (1981) M. Kuckartz, R. Schulz, H. Harde Combined Action of Stimulated Raman-Scattering and Self-Phase Modulation in Single-Mode Fibers and their Implications on Pulse Compression Technical Digest of Conference on Lasers and Electro-Optics (Optical Society of America, Washington, D.C., p. 290 (1987) M. Kuckartz, R. Schulz, H. Harde Theoretical and Experimental Studies of Combined Self-Phase Modulation and Stimulated Raman-Scattering in Single-Mode Fibers Optical and Quantum Electronics 19, 237 (1987) M. Kuckartz, R. Schulz, H. Harde Operation of a Fiber-Grating Compressor in the Raman Regime Journal of the Optical Society of America B, 1353 (1988) M. Kuckartz, R. Schulz, H. Harde Stable Compression of Nd:YAG Laser Pulses in the Raman Regime Technical Digest of International Quantum Electronics Conference, Japan Society of Applied Physics, Tokio, p. 154 (1988) M. Kuckartz, R. Schulz, H. Harde Self-Stabilization of Fiber-Grating Compressor due to Stimulated Raman Scattering Digest of Technical Papers of the European Conference on Quantum Electronics, University Hannover, Hannover, p. ThBA1 (1988) R. Schulz, M. Kuckartz, H. Harde Subpicosecond Pulse Generation with a Fiber-Grating Raman Laser Digest of Technical Papers of the European Conference on Quantum Electronics, University Hannover, Hannover, p. ThBA2 (1988) M. Kuckartz, R. Schulz, H. Harde Nonlinear Propagation Effects in Birefringent Fibers Proceedings of the International Congress on Optical Science and Engineering, Nonlinear Materials 1017, Society of Photo-Optics Instruments Engineering, Washington, D.C., p. 234 (1988) R. Schulz, M. Kuckartz, H. Harde A Fiber-Grating Raman Laser Generating Subpicosecond Pulses Optics Communications 70, p. 239 (1989) R. Schulz, M. Kuckartz, H. Harde Tunable Ultrashort Pulse Generation with a Fiber Grating Raman Laser Conference on Lasers and Electro-Optics, 1989 Technical Digest Series, Vol.11, Optical Society of America, Washington, D.C., p. FA 5 (1989) R. Schulz, M. Kuckartz, H. Harde Wavelength Tunable Subpicosecond Pulse Generation with a Fiber Grating Raman Laser Applied Physics B 49, p. 263 (1989) R. Schulz, H. Harde A Tunable Ring Laser Based on Perpendicular Raman Scattering International Conference on Quantum Electronics, Technical Digest Series 1990, Vol. 8, Optical Society of America, Washington DC, p. 162 (1990) R. Schulz, H. Harde Four-Wave Mixing and Stimulated Raman Scattering in a Birefringent Fiber International Conference on Quantum Electronics, Technical Digest Series 1992, Vol. 9, Optical Society of America, Washington DC, p. 440 (1992) R. Schulz, H. Harde Pulse Evolution in Birefringent Fibers under the Influence of Four-Wave Mixing and Stimulated Raman Scattering Nonlinear Optics: Materials, Fundamentals and Applications Technical Digest 1992, Optical Society of America, Washington DC, Vol. 18, pp. 395 - 397 (1992) H. Harde, R. Schulz Pulse Generation in Birefringent Fibers by Combined Four-Wave Mixing and Raman Scattering 5th European Quantum Electronics Conference Technical Digest, IEEE Catalog No. 94TH0615-5, ISBN: 0-7803-1791-2, Piscataway, p. 72 (1994) R. Schulz, H. Harde Pulse Generation in Birefringent Optical Fibers by Four-Wave Mixing and Raman Scattering Journal Optical Society America B 12, p. 1279 (1995) H. Groninga, H. Harde Self-Stabilizing Addive Pulse Mode-Locked Nd:YAG Laser Proceedings of the Conference on Lasers and Electro Optics Europe 1996, IEEE Catalog No. 96TH8161, ISBN: 0-7803-3169-9, p. 148 (1996) H. Groninga, H. Harde Lamp- and Diode-Pumped APM-Nd:YAG Laser with Self Stabilizing Behavior Conference on Lasers and Electro-Optics, Vol. 11, 1997 OSA Technical Digest Series (Optical Society of America), Washington DC, p. 89 (1997) H. Harde, H. Groninga Coupled-Cavity Mode-Locking - Experimental and Numerical Results of a Self-Stabilizing System Proceedings of the Conference on Lasers and Electro Optics Europe 1998, IEEE Catalog No. 98TH8326, ISBN: O-7803-4233, p. 172 (1998) H. Harde Simulation der Pulsausbreitung in Glasfasern Symposium „Simulation in Physik, Informatik und Informationstechnik“, 66. Physikertagung, Leipzig 2002, Herausg. H. Hofman, ISSN 0944-7121, pp. 37-42 (2002)

Contributions on National Conferences and Meetings

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Harde Halbleiter gepumpter APM-Nd:YAG Laser mit selbststabilisierendem Verhalten und hoher Repetionsrate Frühjahrstagung der DPG, Arbeitsgemeinschaft Quantenoptik, Mainz, 6. März 1997, Verhandl. DPG (VI) 32, Q 41.3, 351 (1997)

Physics & Climate