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Die Erfindung betrifft einen gütegeschalteten Laser mit einer Pumplichtquelle, einem optischen Resonator, in dem sich ein Lasermedium befindet, und einem passiven Güteschalter.
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Das Güteschalten (englisch „Q-switching”) ist eine häufig verwendete Technik zum Erzeugen intensiver kurzer Lichtpulse mit Lasern. Gütegeschaltete Laser sind vielseitig anwendbar. Bei einigen Anwendungen steht die kurze Pulsdauer im Vordergrund, bei anderen Anwendungen eher die hohe Pulsenergie und die Spitzenleistung, bei wieder anderen Anwendungen eine hohe Pulswiederholrate. Die durch Güteschalten erzeugten Pulse dauern typischerweise einige Zehn Pikosekunden bis einige Hundert Nanosekunden. Die Pulsenergie variiert zwischen einigen Nanojoule und vielen Millijoule.
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Das Prinzip des Güteschaltens beruht darauf, dass in einer ersten Phase eine gewisse Energiemenge mittels der Pumplichtquelle in dem Lasermedium gespeichert wird und diese Energie in einer zweiten Phase dann in Form eines kurzen Pulses abgerufen wird. In der ersten Phase ist die Lasertätigkeit durch den Güteschalter im optischen Resonator des Lasers unterbunden. Nach dem Umschalten des Güteschalters sind diese Verluste schlagartig reduziert. Das von dem Lasermedium emittierte Fluoreszenzlicht wird nun bei jedem Resonatorumlauf deutlich verstärkt. Die Verstärkung ist dabei um Größenordnungen höher als im Falle des kontinuierlichen Betriebes. Hierbei steigt die optische Leistung im Resonator und dementsprechend die aus dem Resonator ausgekoppelte Leistung über mehrere Resonatorumläufe an, bis der Lichtpuls dem Lasermedium einen erheblichen Teil der dort gespeicherten Energie entnommen hat. Danach fällt die Laserleistung wieder steil ab, und ein neuer Zyklus kann beginnen.
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Die Pumplichtquelle eines gütegeschalteten Lasers kann gepulst betrieben werden oder auch kontinuierlich, was bei Diodenlasern häufig der Fall ist. Das Lasermedium muss bei gütegeschalteten Lasern die Fähigkeit besitzen, eine nennenswerte Energiemenge über eine gewisse Zeit zu speichern.
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Beim passiven Güteschalten ist der Güteschalter ein sättigbarer Absorber. Dieser erzeugt zunächst hohe Verluste, die allerdings durch die Laserverstärkung überkompensiert werden, sobald ausreichend Energie im Lasermedium gespeichert ist. Sobald die Laserleistung einen gewissen Wert erreicht, wird die Absorption stark gesättigt, so dass nun plötzlich die Verstärkung zunimmt und die Leistung sehr schnell ansteigt, bis dem Lasermedium wiederum ein Großteil der gespeicherten Energie entzogen ist und die Leistung wieder abnimmt. Der sättigbare Absorber funktioniert gleichsam als automatisch betätigter Schalter. Die Pulswiederholrate eines gütegeschalteten Lasers wird bestimmt durch die Pumpleistung, die sättigbare Absorption, die effektive Anzahl der beteiligten Laserionen und andere Parameter. Durch geeignete Auswahl des Lasermediums und die Einstellung diverser Laserparameter können die Pulsparameter von gütegeschalteten Lasern, insbesondere Pulsdauer, Pulsenergie und Pulswiederholrate, in sehr großen Bereichen variiert werden.
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Besonders kurze Pulsdauern lassen sich mit Mikrochip-Lasern erzielen, die sich durch sehr kurze Resonatoren ohne Luftstrecken auszeichnen. Diese zeichnen sich durch einen sandwichartigen Aufbau aus, der aus einem Auskoppelspiegel und einem sättigbaren Absorberspiegel (SESAM) besteht, die den Resonator des Lasers definieren, wobei sich zwischen dem Laserspiegel und dem sättigbaren Absorberspiegel das Lasermedium (z. B. ein Nd:YVO-Kristall) befindet. Ein derartiger Aufbau ist kostengünstig herstellbar und außerdem sehr kompakt. Als Pumplichtquelle dient eine Laserdiode, deren Licht durch eine einfache Optik in den zuvor beschriebenen Resonatoraufbau eingekoppelt wird.
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Die in dem Resonator erzeugten Pulse werden mittels eines dichroitischen Spiegels vom Pumplicht separiert.
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Wie oben erläutert, wird bei einem passiv gütegeschalteten Laser die Emission des Laserpulses durch spontane Emission initiiert, sobald ausreichend Energie im Lasermedium gespeichert ist. Da die spontane Emission ein statistischer Vorgang ist, schwankt die Zeit zwischen ausreichender Energiespeicherung im Lasermedium und Initiierung des Laserpulses. Diese Schwankung wird als zeitlicher Jitter bei passiv gütegeschalteten Lasern bezeichnet. Der Jitter stellt die mittlere Schwankung des Kehrwertes der Pulswiederholrate des Lasers dar. Der Jitter liegt bei passiv gütegeschalteten Lasern üblicherweise um mehrere Größenordnungen über der Pulsdauer. Diese Problematik schließt nachteiligerweise passiv gütegeschaltete Laser für alle Anwendungen aus, bei denen es auf eine zeitliche Synchronisation mit anderen Prozessen ankommt.
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Aus dem Stand der Technik sind Ansätze bekannt, die den Jitter eines passiv gütegeschalteten Lasers reduzieren.
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Zum einen kann eine gepulste Laserdiode als Pumplichtquelle verwendet werden. Durch die hohe Pumprate steigt die Rate der spontanen Emission an. Dadurch steigt auch die Wahrscheinlichkeit für die Initiierung des Laserpulses. Dadurch kann der Jitter etwa um eine Größenordnung reduziert werden, ist aber immer noch deutlich größer als die Pulsdauer.
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Zum anderen kann ein externer, gepulster Laser verwendet werden, der den sättigbaren Absorber zumindest teilweise sättigt oder schlagartig Photonen in den Laser injiziert, kurz bevor der passiv gütegeschaltete Laser die Schwelle ausreichender Energiespeicherung erreicht. Da die Sättigung des Absorbers bzw. Einspeisen von Photonen in den Resonator mittels des externen Lasers zu einem definierten Zeitpunkt geschieht, wird auch der Laserpuls zu einem definierten Zeitpunkt ausgelöst. Auf diese Weise kann der Jitter kleiner werden als die Pulsdauer. Allerdings muss der externe Laser selbst kurze Pulse mit ausreichender Leistung liefern, was hohe Anforderungen an den externen Laser stellt.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, einen einfachen und kompakten passiv gütegeschalteten Laser bereitzustellen, der Laserpulse mit geringem zeitlichen Jitter emittiert.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem passiven gütegeschalteten Laser der eingangs angegebenen Art dadurch, dass mittels eines Strahlteilers ein Teil des aus dem optischen Resonator ausgekoppelten Lichtes einer optischen Verzögerungsstrecke zugeführt wird und nach Durchlaufen der optischen Verzögerungsstrecke in den optischen Resonator zurückgekoppelt wird.
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Wie oben erläutert, initiieren bei herkömmlichen passiv gütegeschalteten Lasern durch spontane Emission erzeugte Photonen den Laserpuls. Dieser statistische Prozess wird gemäß der Erfindung durch einen determinierten Prozess ersetzt, um die Schwankungen in der Pulswiederholrate, d. h. den zeitlichen Jitter, zu minimieren. Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung ein Teil des erzeugten Laserpulses nach Auskopplung aus dem Resonator mittels eines Strahlteilers über eine Verzögerungsstrecke geführt und dann in den Laser zurückgekoppelt. Dabei sollte die durch die Verzögerungsstrecke erzeugte zeitliche Verzögerung etwas kleiner sein als der Kehrwert der Pulswiederholrate des Lasers, damit ausreichend Energie zur Erzeugung des nächsten Pulses durch optisches Pumpen in dem Lasermedium gespeichert werden kann. Gleichzeitig darf der Laserpuls zum Zeitpunkt des Eintreffens des zurückgekoppelten Lichtes noch nicht durch spontane Emission ausgelöst worden sein. Der zurückgekoppelte Laserpuls injiziert Photonen zur Initiierung des darauf folgenden Lichtpulses und bewirkt zusätzlich eine (teilweise) Sättigung des Absorbers, was ebenfalls zur Initiierung des nächsten Lichtpulses beiträgt. Beides geschieht zu einem definierten Zeitpunkt, der durch die optische Verzögerungsstrecke bestimmt ist, so dass insgesamt der zeitliche Jitter auf die Größenordnung der Pulsdauer selbst reduziert werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasers ist die Verzögerungsstrecke reflektierend ausgebildet. Dadurch ergibt sich ein besonders einfacher und kompakter Aufbau. Der mittels des Strahlteilers der Verzögerungsstrecke zugeführte Lichtpuls durchläuft diese zweimal, nämlich in Hin- und Rückrichtung.
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Als Verzögerungsstrecke wird bei dem erfindungsgemäßen Laser bevorzugt eine Glasfaser verwendet, in die ein Teil der Pulsenergie eingekoppelt und über ein Faser-Bragg-Gitter am Ende der Faser in dem Laserresonator zurückreflektiert wird. Die benötigte Faserlänge l beträgt damit l ≤ c/2nfrep. Dabei ist n der Brechungsindex des Fasermaterials und frep die Pulswiederholrate des Lasers. Bei einer Pulswiederholrate von z. B. 200 kHz muss die Faserlänge demnach 500 Meter betragen, was technisch einfach zu realisieren ist. Wird durch Erhöhen der Pumpleistung die Pulswiederholrate erhöht, so wird der Laser bei ganzzahligen Vielfachen der Pulswiederholrate frep ebenfalls in einen Jitter-reduzierten Betrieb übergehen, da dann ebenfalls immer zum richtigen Zeitpunkt Photonen zur Initiierung des nächsten Laserpulses zur Verfügung gestellt werden. Auf diese Weise kann der Laser mit einer 500 Meter langen Verzögerungsstrecke Pulswiederholraten von 200, 400, ..., 1000 kHz erzeugen bei einem reduzierten Jitter. Die Verzögerungsstrecke lässt sich prinzipiell auch durch eine konventionelle Multipass-Zelle aus Spiegeln realisieren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, zwei oder mehr Faser-Bragg-Gitter entlang der Längserstreckung der lichtleitenden Faser vorzusehen. Dadurch werden jeweils unterschiedlich lange Verzögerungsstrecken gebildet. Durch geeignetes Einstellen der Pumpleistung der Pumplichtquelle kann dann die Pulswiederholrate des Lasers so eingestellt werden, dass die oben erwähnte Bedienung l ≤ c/2nfrep erfüllt wird, der Kehrwert der Pulswiederholrate des freilaufenden Lasers also etwas größer ist als durch die Verzögerungsstrecke vorgegeben. Bei Einkopplung eines Teils des aus dem optischen Resonator ausgekoppelten Lichtes in die optische Verzögerungsstrecke mittels des Strahlteilers stellt sich der Laser dann auf die Pulswiederholrate der Verzögerungsstrecke ein, für die die oben genannte Bedingung am besten erfüllt ist. Auf diese Weise lassen sich mit einer vorgefertigten Verzögerungsstrecke mehrere verschiedene Pulswiederholraten realisieren, bei denen der zeitliche Jitter, wie oben erläutert, reduziert ist.
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Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Lasers, bei der die Verzögerungsstrecke verstellbar ist. Dies ermöglicht es, die Pulswiederholrate des Lasers kontinuierlich durchzustimmen.
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Eine sinnvolle Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasers besteht darin, dass der mittels des Strahlteilers der Verzögerungsstrecke zugeführte Teil des Lichtes vor der Rückkopplung in den optischen Resonator einen Frequenzkonverter durchläuft. Bei dieser Ausgestaltung hat ein Teil des zur Initiierung des jeweils nächsten Laserpulses zurückgekoppelten Lichtes eine andere Wellenlänge als das Licht des erzeugten Lichtpulses und kann für andere Anwendungen herangezogen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, ist dem optischen Resonator ein optischer Verstärker nachgeschaltet. Dabei kann es sich z. B. um einen Faserverstärker an sich bekannter Art handeln. Durch den nachgeschalteten optischen Verstärker kann die Leistung des Lasers entsprechend der Anwendung angepasst werden.
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Der erfindungsgemäße Laser eignet sich zur Verwendung in der Entfernungsmessung (LIDAR). Ebenso ist der Laser für die hochpräzise Materialbearbeitung gut geeignet. Weitere Anwendungsfelder ergeben sich im Bereich der nichtlinearen Frequenzkonversion und der zeitaufgelösten Spektroskopie.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden Anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: schematische Darstellung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Lasers;
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2: zeitlicher Verlauf von Leistung, gespeicherter Energie und Verlusten in dem erfindungsgemäßen Laser;
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3: Darstellung des zeitlichen Jitters der Pulswiederholrate eines passiv gütegeschalteten Lasers ohne erfindungsgemäße Rückkopplung;
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4: erfindungsgemäße Reduktion des zeitlichen Jitters mit Rückkopplung;
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5: Darstellung des erfindungsgemäßen Lasers als Blockdiagramm.
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Die 1 zeigt schematisch den Aufbau des erfindungsgemäßen Lasers. Das Licht einer Pumplichtquelle 1, bei der es sich z. B. um eine Laserdiode handelt, wird über eine aus zwei Sammellinsen 2, 3 bestehende einfache Optik einem optischen Resonator zugeführt, der aus einem Auskoppelspiegel 4 und einem sättigbaren Absorberspiegel 5 besteht. Zwischen dem Auskoppelspiegel 4 und dem sättigbaren Absorberspiegel 5 befindet sich ein Lasermedium 6, das mittels der Pumplichtquelle 1 optisch gepumpt wird. Das Lasermedium 6 wird solange mittels der Pumplichtquelle 1 gepumpt, bis die Inversion, d. h. die gespeicherte Energie im Lasermedium 6 ausreichend optische Verstärkung liefert, um die Verluste des sättigbaren Absorberspiegels 5 und die durch das aus dem Resonator ausgekoppelte Licht entstehenden Verluste zu kompensieren. Der Laser erreicht dann seine Schwelle. Das im Resonator 4, 5, 6 entstehende Laserlicht bleicht den sättigbaren Absorber 5, die Güte des Resonators steigt an und ein Laserpuls wird erzeugt. Der Laserpuls wird aus dem Resonator ausgekoppelt und über einen Dichroiten 7 vom Pumplicht separiert. Danach beginnt der Prozess von neuem. Ein Teil des ausgekoppelten Laserpulses wird mit Hilfe eines Strahlteilers 8 über eine reflektierende Verzögerungsstrecke 9 in den Laser zurückgekoppelt. Dabei ist die Verzögerungszeit etwas kleiner als der Kehrwert der Pulswiederholrate des passiv gütegeschalteten Lasers. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht die Verzögerungsstrecke 9 aus einer lichtleitenden Faser, die endseitig ein reflektierendes Faser-Bragg-Gitter aufweist.
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Die 2 zeigt den zeitlichen Verlauf von Leistung 10, im Lasermedium gespeicherter Energie, d. h. Inversion 11 und Verlusten 12 in dem in 1 dargestellten Laser. Der auf der Zeitachse eingezeichnete Pfeil 13 markiert den Zeitpunkt des Eintreffens des mittels der Verzögerungsstrecke 9 zeitlich verzögert zurückgekoppelten Laserpulses. Zu dem Zeitpunkt 13 ist bereits ausreichend Inversion 11 zur Erzeugung des nächsten Pulses durch optisches Pumpen des Lasermediums 6 gespeichert worden. Der Laserpuls ist aber noch nicht durch Spontanemission ausgelöst worden. Der zurückgekoppelte Laserpuls injiziert Photonen zur Initiierung des darauf folgenden Laserpulses 10 durch stimulierte Emission. Zusätzlich bewirkt der zurückgekoppelte Laserpuls zu dem Zeitpunkt 13 eine (teilweise) plötzliche Sättigung des sättigbaren Absorbers 5, was ebenfalls zur Initiierung des darauf folgenden Laserpulses 10 beiträgt. Wie in dem Diagramm in der 2 zu erkennen ist, nimmt die Inversion 11 während der Erzeugung des Laserpulses 10 bis auf ein Minimum ab. Nach Erzeugung des Laserpulses 10 steigen die Verluste 12 in dem Laserresonator wieder an. Danach beginnt der Prozess von neuem. Durch die erfindungsgemäße Rückkopplung Wird der zeitliche Jitter der Pulswiederholung auf die Größenordnung der Pulsdauer selbst reduziert.
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Die 3 illustriert den zeitlichen Jitter der Pulswiederholrate des in der 1 dargestellten passiv gütegeschalteten Lasers ohne erfindungsgemäße Rückkopplung anhand eines Oszillogramms. Der in dem Diagramm in der Mitte angezeigte Laserpuls 14 dient als Bezugspuls. Die Pfeile 15 verdeutlichen die zeitliche Schwankung, d. h. den Jitter, bei der Erzeugung des darauf folgenden Laserpulses 16.
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Das Oszillogramm in 4 zeigt in entsprechender Weise die Reduktion des zeitlichen Jitters bei dem erfindungsgemäßen passiv gütegeschalteten Lasers mit Rückkopplung. In dem in der 4 dargestellten Oszillogramm ist der zeitliche Jitter nicht mehr sichtbar. Der Jitter ist auf die Größenordnung der Pulsdauer selbst reduziert.
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Gemäß dem Blockdiagramm in 5, umfasst der erfindungsgemäße Laser eine optische Pumpe (mit zugehöriger Optik) 17. Diese pumpt einen passiv gütegeschalteten Laser 18 an sich bekannter Art. Dieser weist eine Repetitionsrate frep auf. Eine ein Teil des aus dem Resonator des Lasers 18 ausgekoppelten Lichtes Wird einer optischen Verzögerungsstrecke 19 zugeführt und nach Durchlaufen der Verzögerungsstrecke 19 zurückgekoppelt. Die durch die Verzögerungsstrecke 19 erzeugt zeitliche Verzögerung beträgt Δt ≤ n/frep.
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Dabei ist n eine natürliche Zahl. Dabei steht „≤” für etwas kleiner in dem oben erläuterten Sinne. Zum Zeitpunkt des Eintreffens des zurückgekoppelten Laserpulses muss ausreichend Energie zur Erzeugung des nächsten Pulses durch optisches Pumpen mittels der Pumpe 17 in dem Lasermedium des Lasers 18 gespeichert sein. Gleichzeitig darf zum Zeitpunkt des Eintreffens des zurückgekoppelten Lichtes noch kein neuer Laserpuls durch spontane Emission ausgelöst worden sein. Das dargestellte System emittiert im Ergebnis einen Jitter-reduzierten Pulszug 20.
