DE102006056334B4 - Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung und Verfahren - Google Patents

Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung und Verfahren Download PDF

Info

Publication number
DE102006056334B4
DE102006056334B4 DE102006056334A DE102006056334A DE102006056334B4 DE 102006056334 B4 DE102006056334 B4 DE 102006056334B4 DE 102006056334 A DE102006056334 A DE 102006056334A DE 102006056334 A DE102006056334 A DE 102006056334A DE 102006056334 B4 DE102006056334 B4 DE 102006056334B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fiber
pulse
femtosecond
amplifier
regenerative
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102006056334A
Other languages
English (en)
Other versions
DE102006056334A1 (de
Inventor
Dr. rer. nat. Leitner Martin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik Optical Systems GmbH
Original Assignee
Jenoptik Laser GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Jenoptik Laser GmbH filed Critical Jenoptik Laser GmbH
Priority to DE102006056334A priority Critical patent/DE102006056334B4/de
Priority to US11/986,761 priority patent/US20080225386A1/en
Publication of DE102006056334A1 publication Critical patent/DE102006056334A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE102006056334B4 publication Critical patent/DE102006056334B4/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2316Cascaded amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/0604Crystal lasers or glass lasers in the form of a plate or disc
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/23Arrangements of two or more lasers not provided for in groups H01S3/02 - H01S3/22, e.g. tandem arrangements of separate active media
    • H01S3/2308Amplifier arrangements, e.g. MOPA
    • H01S3/2325Multi-pass amplifiers, e.g. regenerative amplifiers
    • H01S3/235Regenerative amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0057Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06Construction or shape of active medium
    • H01S3/063Waveguide lasers, i.e. whereby the dimensions of the waveguide are of the order of the light wavelength
    • H01S3/067Fibre lasers
    • H01S3/06754Fibre amplifiers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/094084Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light with pump light recycling, i.e. with reinjection of the unused pump light, e.g. by reflectors or circulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/1601Solid materials characterised by an active (lasing) ion
    • H01S3/1603Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
    • H01S3/1618Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/14Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
    • H01S3/16Solid materials
    • H01S3/163Solid materials characterised by a crystal matrix
    • H01S3/1675Solid materials characterised by a crystal matrix titanate, germanate, molybdate, tungstate

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung enthaltend: – einen Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) als impulserzeugende Einheit, – einen sowohl als Impulsverstärkungs- als auch als Impulsdehnungseinrichtung ausgebildeten Faserverstärker (3) zur Verstärkung und zur Impulsdehnung der vom Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) generierten Femtosekundenimpulse, – einen regenerativen Verstärker (2), der als Verstärkungsmedium einen scheibenförmigen Laserkristall (15) mit einer Verstärkungsbandbreite, die geringer ist als die Bandbreite der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) generierten Femtosekunden-Impulse, aufweist und der für eine weitere Impulsdehnung während der regenerativen Verstärkung ausgebildet ist und – eine Impulskompressionseinrichtung (17), die eine zeitliche Komprimierung der verstärkten und zeitlich gestreckten Impulse vornimmt.

Description

  • Regenerative Verstärker werden genutzt, um hohe Impulsenergien im Nano-, Pico- und insbesondere im Femtosekunden-Bereich zu erreichen. (M. Leitner; K. Pachomis; D. Nickel; C. Stolzenburg; A. Giesen; ”Ultrafast thin disk Yb:KYW regenerative amplifier with 200 kHz repetition rate”, OSA Trends in Optics and Photonics Vol. 98, Advanced Solid-State Photonics, edited by Irina Sorokina and Craig Denman, (Optical Society of America, Washington DC, 2005, Beitrag ME 5).
  • Von einem Femtosekunden-Oszillator erzeugte Impulse werden in den mit einem Verstärkungsmedium ausgestatteten regenerativen Verstärker mittels schneller elektrooptischer Elemente eingekoppelt, durch mehrere Umläufe im Verstärkungsmedium verstärkt und nach Erreichen der gewünschten Impulsenergie wieder ausgekoppelt.
  • Insbesondere die Verstärkung von Femtosekunden-Impulsen erfordert eine Berücksichtigung von hohen Impulsspitzenleistungen, die beim Verstärkungsvorgang zu vielfältigen negativen Effekten führen können, die eine Leistungsskalierung des regenerativen Verstärkers limitieren. Zu derartigen Effekten zählen
    • – Selbstphasenmodulation,
    • – parasitäre Grünerzeugung in elektrooptischen Kristallen und
    • – Zerstörung optischer Elemente.
  • Um diese Effekte zu vermeiden, wird im Allgemeinen die sogenannte CPA-Technik (chirped pulse amplification) genutzt, bei welcher der Femtosekunden-Impuls vor der Einkopplung in den regenerativen Verstärker mittels einer Impulsdehnungseinrichtung durch positive Dispersion zeitlich gedehnt und nach dem Verstärkungsprozess in einer Kompressionsmesseinrichtung durch eine entsprechend negative Dispersion wieder kompensiert wird ( US 2005/0111500 A1 , US 2006/0120418 A1 ). Hohe Anforderungen werden an die Impulsdehnungseinrichtung gestellt, da die zeitliche Impulsdehnung nur soweit erfolgen darf, dass nichtlineare Effekte bei letzten Umläufen im regenerativen Verstärker, bei denen maximale Impulsenergien erreicht werden, nicht über einen kritischen Grenzwert ansteigen. Geeignete Impulsdehnungseinrichtungen bestehen bekanntermaßen aus aktiven oder passiven optischen Fasern oder einer Anordnung aus Gittern und/oder Prismen. Verlangen die im regenerativen Verstärker eingesetzten Verstärkungsmedien zudem eine sehr hohe zeitliche Streckung der Impulse, erhöhen sich nicht nur die Anforderungen an die Impulsdehnungseinrichtung, sondern auch an die Kompressionsmesseinrichtung. Auftretende dispersive Effekte höherer Ordnung können unter Umständen nicht mehr kompensiert werden, woraus eine nicht mehr vollständige Impulskompression resultiert.
  • In der WO 2006/042312 A2 ist eine Verwendung von Oszillatoren mit festgelegten Phasenbeziehungen der beteiligten Moden (mode-locked) in Lasersystemen mit kurzen Impulsen im Bereich von Piko- und Femtosekunden beschrieben. Dabei werden in einem Faserlaser generierte Impulse mittels eines Impulsformers (Pulse conditioner) verändert, anschließend verstärkt, gedehnt und einem regenerativen Verstärker zugeführt, bevor sie nach Durchlaufen eines Pulskompressors an einem Ausgang bereitgestellt werden. Die Impulsdehnung erfolgt in einer undotierten Faser, während der Impuls in einer dotierten Faser verstärkt wird. Durch diese Anordnung sind mögliche und unerwünschte nicht-linearer Effekte von dem Faserverstärker getrennt.
  • In einem Artikel von Müller et al. (Müller et al., 2003: Picosecond thin disk regenerative amplifier, Proceedings of SPIE, 5120: 281–286) ist offenbart, einen Scheibenlaser als regenerativen Verstärker einzusetzen, um die Ausbeute an Laserenergie zu erhöhen und das Risiko einer Komponentenzerstörung bei der Verstärkung zu minimieren. Dabei wird zwar eine Bandbreiteneinengung während der Verstärkung, als Effekt beschrieben, die allerdings nur die Eingangs- und die Ausgangsbandbreite des Scheibenlasers bezüglich der fs-Impulse betrifft. Die Bandbreiteneinengung ist bedingt durch die größere spektrale Bandbreite bei fs-Impulsen (Bandbreite ist proportional zur 1/Impulsdauer). Da nicht-lineare Effekte bei fs-Impulsen aufgrund ihrer größeren spektralen Bandbreite schwieriger zu handhaben sind als bei ps-Impulsen, wird in der im Artikel gegebenen Lehre auf eine zeitliche Dehnung des Impulses vor der Verstärkung als auch auf eine Kompression des Impulses nach der Verstärkung verzichtet.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den gerätetechnischen Aufwand für die zeitliche Impulsdehnung zu verringern und diese sowie die regenerative Verstärkung derart zu gestalten, dass nichtlineare Effekte minimiert werden, um deren störenden Einfluss auf die Nutzbarkeit der regenerativ verstärkten Impulse zu vermeiden. Außerdem soll eine möglichst hohe Energie der Oszillatorimpulse erreicht werden.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung gelöst, die
    • – einen Femtosekunden-Faser-Oszillator als impulserzeugende Einheit,
    • – einen sowohl als Impulsverstärkungs- als auch als Impulsdehnungseinrichtung ausgebildeten Faserverstärker zur Verstärkung und zur Impulsdehnung der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator generierten Femtosekundenimpulse,
    • – einen regenerativen Verstärker, der als Verstärkungsmedium einen scheibenförmigen Laserkristall mit einer Verstärkungsbandbreite, die geringer ist als die Bandbreite der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator generierten Femtosekunden-Impulse, aufweist und der für eine weitere Impulsdehnung während der regenerativen Verstärkung ausgebildet ist und
    • – eine Impulskompressionseinrichtung, die eine zeitliche Komprimierung der verstärkten und zeitlich gestreckten Impulse vornimmt,
    enthält.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
  • Wesentlich ist, dass die erfindungsgemäße Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung auf eine zusätzliche komplex und aufwendig gestaltete Impulsdehnungseinrichtung verzichtet. Die mit der Anordnung erreichbaren Dehnungsfaktoren (z. B. von 200 fs auf 10 ps) sind weitgehend ausreichend für eine regenerative Verstärkung mit einem scheibenförmigen Verstärkungsmedium.
  • Der bevorzugt für den Einmikrometerbereich vorgesehene Faseroszillator erzeugt stabile Femtosekunden-Impulse in einem Bereich von 100 pJ, die durch den Faserverstärker in den nJ-Bereich verstärkt werden. In diesem Energiebereich treten bei der Verstärkung im Faserverstärker noch keine signifikanten und für den weiteren Ablauf störende nichtlineare Effekte auf.
  • Nichtlineare Effekte werden außerdem durch die geringere Wechselwirkungslänge des scheibenförmigen Laserkristalls signifikant reduziert. Da zudem keine Dispersionskompensation im regenerativen Verstärker vorgenommen wird, führt im Verstärkerresonator enthaltenes Kristallmaterial, wie z. B. BBO, zu einer weiteren zeitlichen Verbreiterung des Impulses aufgrund des vom Impuls durchlaufenen Materialweges. Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftretenden Dehnungsfaktoren sind für die anschließende Kompression unkritisch, da dispersive Effekte höherer Ordnung entsprechend gering ausfallen, so dass durch eine nahezu perfekte Kompression minimale Impulslängen erreicht werden können.
  • Vorteilhaft weist der Faserverstärker eine Verstärkerfaser mit einer Faserlänge im Bereich von 2 bis 10 m und einer Materialdispersion von 15 bis 30 fs2/mm auf.
  • Eine vorgesehene geringere Verstärkungsbandbreite im regenerativen Verstärker gegenüber der spektralen Bandbreite der fasergenerierten Femtosekundenimpulse führt dazu, dass die spektrale Bandbreite des Impulses während der Verstärkung abnimmt, so dass der regenerative Verstärker im Verstärkungsmaximum betrieben werden kann, ohne dass eine genaue spektrale Abstimmung zwischen dem Faserlaser und dem regenerativen Verstärker erforderlich ist. Während der Faserlaser aus Yb:glass oder Er:glass mit einer Einrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen bestehen kann, kann für den regenerativen Verstärker Yb:KGW oder Yb:KYW vorgesehen sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der regenerative Verstärker einen als 100–300 μm dicke Yb:KYW-Scheibe mit einer Dotierung in einem Bereich von 5–15% ausgebildeten Laserkristall.
  • Das Bandbreitenverhältnis zwischen der spektralen Bandbreite der fasergenerierten Femtosekundenimpulse und der Verstärkungsbandbreite des scheibenförmigen Verstärkerkristalls beträgt vorteilhaft einen Faktor 1,2–2.
  • Der Femtosekunden-Faser-Oszillator ist bevorzugt für eine Emission einer Zentralwellenlänge ausgebildet, die im Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers liegt.
  • Der Femtosekunden-Faser-Oszillator kann aber auch für die Generierung von Femtosekunden-Impulsen ausgebildet sein, die um maximal 1/5 ihrer spektralen Breite vom Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers entfernt liegen.
  • Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Femtosekunden-Faser-Oszillator unter Umständen für eine Zentralwellenlänge ausgelegt werden kann, bei der sich ein stabileres Laufverhalten zeigt.
  • Bilden Femtosekunden-Faser-Oszillator und der Faserverstärker einen monolithischen Verbund, können Verluste minimiert und die Stabilität erhöht werden.
  • Vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Faserverstärker und dem regenerativen Verstärker ein als Pulspickervorrichtung vorgesehener schneller elektrooptischer Schalter zur Einkopplung der vorverstärkten und gedehnten Impulse in den regenerativen Verstärker angeordnet ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung von regenerativ verstärkten Femtosekunden-Impulsen, das auf eine separate Impulsdehnungseinrichtung verzichtet und bei dem eine Impulsdehnung der regenerativ zu verstärkenden Femtosekunden-Impulsen durch einen, mit einem Femtosekunden-Faser-Oszillator verbunden Faserverstärker und durch Kristallmaterial im regenerativen Verstärker vorgenommen wird. Insbesondere wird die Impulsdehnung mit einem Gesamtdehnungsfaktor von höchstens 200 durchgeführt.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1 einen Femtosekunden-Faser-Oszillator mit angekoppeltem Faserverstärker
  • 2 ein durch einen Femtosekunden-Faser-Oszillator gemäß 1 erzeugtes Wellenlängenspektrum
  • 3 eine Laser-Anordnung bestehend aus einem Femtosekunden-Faser-Oszillator mit angekoppeltem Faserverstärker und einem regenerativen Verstärker mit scheibenförmigem Laserkristall
  • Bei dem in 1 enthaltenen Laser-Oszillator handelt es sich um einen mit parabolischer Impulserzeugung ausgeführten, passiv modensynchronisierten Femtosekunden-Faser-Oszillator 1, der zur Erzeugung von bandbreitenbegrenzten Femtosekunden-Impulsen mit typischen Impulsdauern von 250 fs, Impulsenergien von einigen Nanojoule und einer Repetitionsrate von 50 MHz vorgesehen ist. Der Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 mit einer Zentralwellenlänge, die im Verstärkungsmaximum eines regenerativen Verstärkers 2 (1025 nm für Yb:KYW) liegt, besteht aus einem Ringresonator mit konventionellen aktiven (Yb) und passiven Fasern. Die resonatorinterne Dispersionskompensation im Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 wird mittels Reflexionsgitter realisiert. Basierend auf dem Prinzip der parabolischen Pulsformung werden in dem Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 Femtosekunden-Impulse der Impulsdauer τin erzeugt. Diese werden anschließend über eine Faserweiche teilweise ausgekoppelt und in einem Faserverstärker 3 mit einer Verstärkerfaser 4, die aus einer Yb-dotierten, mit Diodenmodulen gepumpten Glasfaser besteht, verstärkt. Die Verstärkerfaser 4 ist derart ausgebildet, dass durch Materialdispersion β2 eine zeitliche Dehnung der Femtosekunden-Impulse erreicht wird. Näherungsweise ergibt sich die Impulsdauer der gedehnten Impulse in Abhängigkeit von der Impulsdauer τin der Femtosekunden-Impulse, der Materialdispersion β2 sowie der Faserlänge lFaser zu
    Figure 00070001
  • Folglich wird bei einer Faserlänge lFaser von ca. 10 m und einer Materialdispersion β2 von 16,4 fs2/mm ein Femtosekunden-Impuls, der den Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 mit einer Impulsdauer ca. 90 fs verlässt, auf eine Impulsdauer von ca. 5,1 ps gestreckt.
  • Durch die derartige Ausbildung des Faserverstärkers 3 als Impulsdehnungseinrichtung kann somit erreicht werden, dass die von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 generierten Femtosekunden-Impulse ohne zusätzliche dispersive Elemente, wie z. B. passive Fasern, Prismen oder Gitter, um einen Faktor 40–60 zeitlich gestreckt werden.
  • Zu beachten ist, dass die Verstärkerfaser 4 zur Erhöhung der Impulsenergie nur soweit verlängert werden kann, dass es aufgrund der Wechselwirkungslänge nicht zu störenden nichtlinearen Effekten kommt. Außerdem ist der Faserverstärker 3 dergestalt zu dimensionieren, dass dispersive Effekte höherer Ordnung, die bei der Komprimierung nicht kompensiert werden können, minimiert werden.
  • Wie bereits offenbart, wird der Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 bevorzugt mit parabolischer Impulsformung betrieben, um relativ hohe Impulsenergien stabil erzeugen zu können. Ein typisches Wellenlängenspektrum, wie es durch einen Laseroszillator gemäß der vorliegenden Ausführung erzeugt wird, ist in 2 dargestellt. Von Bedeutung ist, dass die spektrale Bandbreite mit 22 nm deutlich breiter ist als die Verstärkungsbandbreite des aktiven Lasermaterials (ca. 16 nm, Maximum bei 1025 nm für Yb:KYW) des nachgeschalteten regenerativen Verstärkers 2. Eine exakte Anpassung des Oszillatorspektrums von einigen Nanometern ist somit nicht erforderlich, da die Verstärkungsbandbreite in jedem Fall abgedeckt wird.
  • Das bei 1018,7 nm auftretende Seitenband, das nicht Teil der gepulsten Leistung des Lasers ist, sondern einen cw-Untergrund darstellt, gelangt dadurch nicht in den Verstärkungsprozess des regenerativen Verstärkers 2, wodurch ein parasitärer Verstärkungsabbau im regenerativen Verstärker 2 vermieden wird. Spektral ausgefiltert werden können auch nichtlineare zeitliche Phasenverläufe an den Impulsflanken, so dass die verstärkten Impulse insgesamt einen nahezu perfekten linearen Phasenverlauf aufweisen, der wiederum optimal komprimiert werden kann.
  • Gemäß 3 werden die als Seedimpulse dienenden Femtosekunden-Impulse über einen Faradayisolator 5 einem als RTP-Pockelszelle 6 mit anschließendem Dünnschichtpolarisator 7 ausgebildeten schnellen optischen Schalter zugeführt, der als Pulspickervorrichtung 8 einzelne Impulse selektiert, um einen hochrepetierenden gepulsten Untergrund zu reduzieren und somit zu verhindern, dass Seedimpulse den verstärkten Ausgangsstrahl 9 überlagern und so zu einer thermischen Beeinflussung bei der Applikation führen. Die Seedimpulse werden durch eine geeignete optische Anordnung in ihrem Modenradius an die Pulspickervorrichtung 8 angepasst.
  • Über eine Separationseinheit 10, bestehend aus einem Faradayrotator 11 und einer λ/2-Platte 12 wird der Einzelimpuls über einen Dünnschichtpolarisator 13 in den regenerativen Verstärker 2 eingekoppelt. Durch zeitgenaues Zuschalten einer Pockelszelle 14 wird der Impuls im regenerativen Verstärker 2 eingeschlossen, um durch wiederholten Umlauf sukzessive verstärkt zu werden.
  • Der regenerative Verstärker 2 enthält einen Laserkristall 15, der bevorzugt als 100–300 μm dicke Yb:KYW-Scheibe mit einer Dotierung in einem Bereich von 5–15% ausgebildet ist. Aufgrund der geringen Verstärkung des Scheibenmaterials ist ein doppelter Impulsdurchgang durch den Laserkristall 15 vorgesehen. Eine aus Prismen und Parabolspiegeln aufgebaute Pumpoptik ermöglicht eine hohe Anzahl an Pumplichtdurchgängen (bevorzugt 24), die eine effektive Absorption und das Erreichen einer hohen Pumpleistungsdichte, wie sie für ein quasi Drei-Niveausystem erforderlich ist, gewährleisten. Hochleistungsdiodenlaser stellen Pumpstrahlung von 980 nm zur Verfügung.
  • Infolge des Strahldurchtritts durch die Pockelszelle 14 und hier hauptsächlich durch einen relativ lang gestalteten Materialweg durch den im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommenden BBO-Kristall, kommt es zu einer weiteren kontinuierlichen dispersiven Impulsdehnung, da in dem regenerativen Verstärker 2 keine negativ dispersiven Elemente vorgesehen sind.
  • Die zeitliche Streckung der Impulse im Faserverstärker führt in Kombination mit der weiteren dispersiven Verbreiterung während der Verstärkung im regenerativen Verstärker zu einem Dehnungsfaktor von bis zu 200, der ausreichend ist für eine signifikante Reduktion nichtlinearer Effekte, wie Selbstphasenmodulation (SPM), Ramaneffekt und Selbstfokussierung (SF), die ansonsten negative Auswirkungen auf die Impulsform oder den Strahlverlauf nach sich ziehen können. Außerdem kann eine Zerstörung optischer Elemente durch eine erhebliche Reduzierung der Impulsspitzenleistung, insbesondere bei den hohen Impulsenergien der letzten Umläufe vermieden werden. Die Impulsverbreiterung führt je nach Anzahl der Umläufe zu Impulsdauern von einigen wenigen Pikosekunden, insbesondere 3–20 ps.
  • Nach Erreichen der gewünschten Impulsenergie, die im Bereich von mehreren einigen μJ bis –100 μJ liegt, wird durch Abschalten der Pockelszelle 14 der verstärkte Impuls ausgekoppelt und nach Durchlaufen des Faradayrotators 11 mit einem Dünnschichtpolarisator 16 vom Seedstrahl separiert.
  • Zur Rekompression der verstärkten Impulse ist eine Anordnung mit negativer Dispersion als Impulskompressionseinrichtung 17, bestehend aus einem Gitterpaar 18 mit z. B. 600 l/mm in Littrow-Anordnung vorgesehen. Durch einen geeignet gewählten Strahldurchmesser kann dabei eine thermisch induzierte Verschlechterung der Strahlqualität weitgehend vermieden werden. Zudem bietet die Impulskompressionseinrichtung 17 die Möglichkeit, durch Überkompensation die Dispersion nachfolgender Optiken zu berücksichtigen.
  • Ist es für bestimmte Applikationen von Vorteil, kann auf die Impulskompressionseinrichtung auch verzichtet werden. Die größeren Impulslängen liegen dann in einem Bereich von 5 ps bis 15 ps.

Claims (11)

  1. Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung enthaltend: – einen Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) als impulserzeugende Einheit, – einen sowohl als Impulsverstärkungs- als auch als Impulsdehnungseinrichtung ausgebildeten Faserverstärker (3) zur Verstärkung und zur Impulsdehnung der vom Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) generierten Femtosekundenimpulse, – einen regenerativen Verstärker (2), der als Verstärkungsmedium einen scheibenförmigen Laserkristall (15) mit einer Verstärkungsbandbreite, die geringer ist als die Bandbreite der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) generierten Femtosekunden-Impulse, aufweist und der für eine weitere Impulsdehnung während der regenerativen Verstärkung ausgebildet ist und – eine Impulskompressionseinrichtung (17), die eine zeitliche Komprimierung der verstärkten und zeitlich gestreckten Impulse vornimmt.
  2. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Faserverstärker (3) eine Verstärkerfaser (4) mit einer Faserlänge im Bereich von 2 bis 10 m und einer Materialdispersion von 15 bis 30 fs2/mm aufweist.
  3. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Bandbreitenverhältnis zwischen der spektralen Bandbreite der fasergenerierten Femtosekunden-Impulse und der Verstärkungsbandbreite des scheibenförmigen Laserkristalls (15) einen Faktor 1,2 bis 2 aufweist.
  4. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 1, wobei in dem regenerativen Verstärker (2) Kristallmaterial enthalten ist, bei dem ein vom Impuls durchlaufener Materialweg für die weitere Impulsdehnung ausgebildet ist.
  5. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 4, wobei der regenerative Verstärker (2) einen als 100 bis 300 μm dicke Yb:KYW-Scheibe mit einer Dotierung in einem Bereich von 5–15% ausgebildeten Laserkristall (11) enthält.
  6. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) für eine Emission einer Zentralwellenlänge ausgebildet ist, die im Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers (2) liegt.
  7. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) für die Generierung von Femtosekunden-Impulsen ausgebildet ist, die um maximal 1/5 ihrer spektralen Breite vom Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers (2) entfernt liegen.
  8. Faser-Laser-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) und der Faserverstärker (3) einen monolithischen Verbund bilden.
  9. Faser-Laser-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zwischen dem Faserverstärker (3) und dem regenerativen Verstärker (2) ein als Pulspickervorrichtung (8) vorgesehener schneller elektrooptischer Schalter zur Einkopplung der vorverstärkten und gedehnten Impulse in den regenerativen Verstärker (2) angeordnet ist.
  10. Verfahren zur Erzeugung von regenerativ verstärkten Femtosekunden-Impulsen mit einer Faser-Laser-Anordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine Impulsdehnung der regenerativ zu verstärkenden Femtosekunden-Impulse durch den Faserverstärker und durch Kristallmaterial in dem regenerativen Verstärker vorgenommen wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Impulsdehnung mit einem Gesamtdehnungsfaktor von höchstens 200 durchgeführt wird.
DE102006056334A 2006-11-27 2006-11-27 Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung und Verfahren Active DE102006056334B4 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006056334A DE102006056334B4 (de) 2006-11-27 2006-11-27 Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung und Verfahren
US11/986,761 US20080225386A1 (en) 2006-11-27 2007-11-26 Fiber laser arrangement with regenerative pulse amplification

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102006056334A DE102006056334B4 (de) 2006-11-27 2006-11-27 Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung und Verfahren

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102006056334A1 DE102006056334A1 (de) 2008-05-29
DE102006056334B4 true DE102006056334B4 (de) 2012-12-27

Family

ID=39326452

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102006056334A Active DE102006056334B4 (de) 2006-11-27 2006-11-27 Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung und Verfahren

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20080225386A1 (de)
DE (1) DE102006056334B4 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009032916A (ja) * 2007-07-27 2009-02-12 Fujifilm Corp 分散補償器およびそれを用いた固体レーザ装置並びに分散補償方法
DE102015003370B4 (de) * 2015-03-16 2017-09-14 Universität Stuttgart Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers
CN115241726A (zh) 2016-03-21 2022-10-25 鲁美斯Be有限公司 激光系统中的脉冲削波器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10393190T5 (de) * 2002-08-30 2005-09-15 Spectra-Physics, Inc., Mountain View Dünner Scheibenlaser mit einer Pumpquelle mit großer numerischer Apertur
WO2006042312A2 (en) * 2004-10-12 2006-04-20 Imra America, Inc. Utilization of yb: and nd: mode-locked oscillators in solid-state short pulse laser systems
DE102004056902A1 (de) * 2004-11-25 2006-06-08 FEE Forschungsinstitut für Mineralische und Metallische Werkstoffe Edelsteine/Edelmetalle GmbH Scheibenlaserkristall

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005022705A2 (en) * 1997-03-21 2005-03-10 Imra America, Inc. High energy optical fiber amplifier for picosecond-nanosecond pulses for advanced material processing applications
US6885683B1 (en) * 2000-05-23 2005-04-26 Imra America, Inc. Modular, high energy, widely-tunable ultrafast fiber source
US7407556B2 (en) * 2004-04-21 2008-08-05 Ingersoll Machine Tools, Inc. Automated fiber placement using multiple placement heads, replaceable creels, and replaceable placement heads
US7508853B2 (en) * 2004-12-07 2009-03-24 Imra, America, Inc. Yb: and Nd: mode-locked oscillators and fiber systems incorporated in solid-state short pulse laser systems

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10393190T5 (de) * 2002-08-30 2005-09-15 Spectra-Physics, Inc., Mountain View Dünner Scheibenlaser mit einer Pumpquelle mit großer numerischer Apertur
WO2006042312A2 (en) * 2004-10-12 2006-04-20 Imra America, Inc. Utilization of yb: and nd: mode-locked oscillators in solid-state short pulse laser systems
DE102004056902A1 (de) * 2004-11-25 2006-06-08 FEE Forschungsinstitut für Mineralische und Metallische Werkstoffe Edelsteine/Edelmetalle GmbH Scheibenlaserkristall

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
D. Müller et al.: "Picosecond thin disk regenerative amplifier". In: Proceedings of SPIE, Vol. 5120, 2003, S. 281-286 *

Also Published As

Publication number Publication date
US20080225386A1 (en) 2008-09-18
DE102006056334A1 (de) 2008-05-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19717367B4 (de) Hybridverstärker für kurze Pulse mit phasenfehldeckungskompensierten Pulsdehnern und -kompressoren
DE19619983B4 (de) Hochleistungs-Lichtwellenleiter-Verstärkersystem mit zeitproportionaler Frequenzmodulation auf Grundlage von mit seltenen Erden dotierten Mantel-Pumplicht-Lichtwellenleitern
DE10124983B4 (de) Modulare hochenergetische breit abstimmbare ultraschnelle Faserquelle
DE102012219977B4 (de) Mit nichtlinear erzeugtem Licht gepumpte oder angeregte optische Verstärkungseinrichtung
DE19812203A1 (de) Quasi-phasenangepaßtes parametrisches Chirpimpulsverstärkungssystem
DE112005000710T5 (de) Modulares faserbasiertes Chirped-Puls-Verstärkersystem
EP0314171A2 (de) Modengekoppelter Laser
DE102009042003A1 (de) Gütegeschalteter Laser
DE102004009068A1 (de) Faseroptische Verstärkung von Lichtimpulsen
DE2144201B2 (de) Ram anlaser
DE102006056334B4 (de) Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung und Verfahren
DE202020101494U1 (de) Passiv gütegeschalteter Festkörperlaser
DE102017107358A1 (de) Laserverstärkersystem
EP1692749B1 (de) Hochrepetierendes lasersystem zur erzeugung von ultrakurzen pulsen nach dem prinzip der puls-auskopplung
DE102006031183B4 (de) Laserquelle für verschiedene Wellenlängen im IR-Bereich
DE102008025824A1 (de) Miniaturisierter Laseroszillator-Verstärker
DE10240599A1 (de) Anordnung und Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse
DE3813482A1 (de) Vorrichtung zur erzeugung von laserimpulsen einstellbarer dauer
WO2004068657A1 (de) Regenerativer verstärker mit resonatorinterner dispersionskompensation ind seed-impuls ohne positiver dispersion
Omenetto et al. High-brightness terawatt KrF [sup*](248 nm) system.
DE10304399A1 (de) Lasersystem
DE2308531A1 (de) Q-schalter
EP2807710B1 (de) Vorrichtung zur erzeugung von lichtpulsen
DE60004199T2 (de) Vorrichtung und verfahren zur modenkopplung eines lasers
EP1775806A1 (de) Verfahren und Ultrakurzpuls-Laser Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich rechteckiger Ultrakurzpulse

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8127 New person/name/address of the applicant

Owner name: JENOPTIK LASER GMBH, 07745 JENA, DE

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: JENOPTIK LASER GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: JENOPTIK LASER, OPTIK, SYSTEME GMBH, 07745 JENA, DE

Effective date: 20110223

R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final

Effective date: 20130328

R081 Change of applicant/patentee

Owner name: JENOPTIK OPTICAL SYSTEMS GMBH, DE

Free format text: FORMER OWNER: JENOPTIK LASER GMBH, 07745 JENA, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: PATENTANWAELTE OEHMKE UND KOLLEGEN, DE

Representative=s name: GLEIM PETRI OEHMKE PATENT- UND RECHTSANWALTSPA, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: GLEIM PETRI PATENT- UND RECHTSANWALTSPARTNERSC, DE

Representative=s name: GLEIM PETRI OEHMKE PATENT- UND RECHTSANWALTSPA, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: GLEIM PETRI PATENT- UND RECHTSANWALTSPARTNERSC, DE