DE19960765C2 - Hochrepetierlicher Femtosekundenlaser - Google Patents

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein hochrepetierlicher Femtosekun­ denlaser.

Aus US 5 383 198 ist ein modengekoppelter Femtosekundenlaser mit Ringreso­ nator bekannt. Er weist ein laseraktives Element auf. Es sind diverse Spiegel und Prismen mit bestimmten Werten für die Gruppengeschwindigkeitsdisper­ sion vorgesehen. Er hat weiterhin zwei Konkavspiegel, die dem laseraktiven E­ lement räumlich zunächst benachbart sind und mit ihren konkaven Flächen zu diesem orientiert sind. Schließlich hat er einen optischen Auskoppler.

Weitere modengekoppelte, hochrepetierliche Kurzzeitlaser sind aus US 5 590 143 und DE 196 35 919 A1 bekannt.

Passiv modengekoppelte Femtosekundenlasersysteme zeigen hohe Pulswieder­ holraten im Bereich von mehreren 100 Megahertz. Bedingt durch die extrem niedrige Pulsdauer zeigen die Pulse eine hohe maximale Intensität. Femtose­ kundenlaser werden bereits erfolgreich im Bereich der zeitaufgelösten Spektro­ skopie sowie der Mehrphotonmikroskopie eingesetzt. In Zukunft werden derar­ tige Laser auch im Bereich der optischen Datenkommunikation eine wesentli­ che Rolle spielen.

Gängige passiv modengekoppelte Femtosekundenlasersysteme beruhen auf der Verwendung von titandotierten Saphirkristallen als laseraktive Elemente. Diese zeigen bei optischer Anregung ein breites Fluoreszenzspektrum im Be­ reich zwischen 700 und 1000 nm. Aus diesem resultiert ein Verstärkungsprofil vergleichbarer Breite, das bedeutet, das Ti:Saphir-Lasersysteme zur Erzeugung von Laserlicht im genannten Wellenlängenbereich geeignet sind.

Bei der Erzeugung ultrakurzer Laserpulse muss beachtet werden, dass ein zeitlich kurzer Laserpuls mit einer breiten Frequenzverteilung korreliert ist. Aus diesem Grunde sind ausschließlich Laserelemente mit sehr breitem Ver­ stärkungsprofil zur Erzeugung ultrakurzer Pulse geeignet.

Alle bislang bekannten passiv modengekoppelten Femtosekundenlasersysteme mit einem Festkörper als laseraktivem Element (CPM-Farbstofflaser ist auch passiv modengekoppelt) beruhen auf dem Konzept des "Kerr lens mode- locking". Dieser nichtlineare optische Effekt führt zur Verstärkung eines ein­ zelnen im Resonator umlaufenden Pulses im laseraktiven Element.

Die Repetitionsrate eines solchen Femtosekundenlasersystems ist bestimmt durch die Umlaufdauer des im Resonator umlaufenden Pulses.

Die Dauer des resonatorumlaufenden Pulses erreicht jedoch nicht das theoreti­ sche Limit, welches durch die Breite des Verstärkungsprofils des laseraktiven Elements bestimmt ist. Dies wird verursacht durch das Phänomen der Puls­ verbreiterung, welches der im Resonator umlaufende Laserpuls insbesondere im laseraktiven Element erfährt. Dieser Effekt wird verursacht durch die soge­ nannte positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements. Sie hat zur Folge, dass die unterschiedlichen Wellenlängenbestandteile des umlaufenden Pulses das laseraktive Element innerhalb unterschiedlicher Zei­ ten durchlaufen, wodurch der durch das laseraktive Element hindurchlaufende Laserpuls zeitlich verbreitert wird.

Der klassische Ansatz, die Pulsverbreiterung zu kompensieren, welche durch die positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements verursacht wird, ist die Verwendung einer Anordnung innerhalb des Laserre­ sonators, die eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion aufweist, die die durch das laseraktive Element verursachte Pulsverbreiterung mindestens gerade kompensiert.

Vorbekannt ist beispielsweise eine Anordnung aus zwei dispersiven Elementen, beispielsweise Prismen im Laserresonator, ein sogenannter Prismenkompres­ sor.

Grundlagen zu Femtosekundenlasersystemen, die auf "Kerr lens mode-locked" Ti:Saphir-Lasern mit Prismenkompressoren beruhen, können beispielsweise der Veröffentlichung von D. E. Spence, P. N. Kean, W. Sibbet in Optics Letters 16, Seite 42 ff (1991) entnommen werden.

Alternativ zu den erwähnten Prismen oder Gitterkompressoren wurden in jüngster Zeit dielektrische Spiegel entwickelt, die eine negative Gruppenge­ schwindigkeitsdispersion GVD aufweisen. Diese wird erzielt durch eine geeig­ nete Abfolge dielektrischer Schichten auf einem Substrat. Das Grundkonzept kann der Veröffentlichung von R. Szipöcs, K. Ferencz, Ch. Spielmann, F. Krausz, in Optics Letters 19, Seite 201 ff (1994) entnommen werden.

Die Verwendung solcher Spiegel mit negativer Gruppengeschwindigkeitsdisper­ sion GVD im Laserresonator bietet den wesentlichen Vorteil, dass im Gegensatz zu den bereits erwähnten Prismen- bzw. Gitterkompressoren nur eine unwe­ sentliche Verlängerung des optischen Wegs im Resonator auftritt. Ein Femto­ sekundenlasersystem, welches auf den genannten Spiegeln basiert, ist bei­ spielsweise aus der Veröffentlichung von H. Stingl, Ch. Spielmann, R. Szipöcs, F. Krausz in Conference on Lasers and Electro-Optics 9, 1996 OSA Technical Digest Series (O. S. A., Washington D. C., 1996) S. 66 ff entnommen worden.

Eine Mehrzahl der auf dem Phänomen des "Kerr lens mode-locking" beruhen­ den Ti:Saphir-Femtosekundenlasersystemen beruht auf Fabry-Perot- Resonatoren, welche sich durch plane Endspiegel auszeichnen, vorzugsweise in gefalteter Konfiguration. Bei dieser Konfiguration können die zur Pulskompres­ sion nötigen Elemente wie Prismen einfach in einem Arm des Resonators un­ tergebracht werden. Die Gesamtlänge eines solchen Resonators beträgt typi­ scherweise in der Größenordnung von 2 Metern. Hieraus ergeben sich typische Pulsrepetitionsraten im Bereich von wenigen 100 MHz.

Aus der bereits erwähnten Veröffentlichung von A. Stingl et. al. ist beispiels­ weise ein passiv modengekoppeltes Ti:Saphir-Femtosekundenlasersystem be­ kannt, welches auf einem Fabry-Perot-Resonator beruht, und mehrere Spiegel mit negativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD verwendet.

Weiterhin ist aus der US 5,383,198 ein selbststartendes passiv modengekoppeltes Femtosekundenlasersystem mit zwei Prismenkompressoren und Ringre­ sonator sowie aus der US 5,799,025 ein selbststartendes passiv modengekop­ peltes Femtosekundenlasersystem mit einem Prismenkompressor und Fabry- Perot-Resonator bekannt.

Bedingt durch die jeweiligen Resonatorgeometrien ist es aber mit keinem der genannten Lasersysteme möglich, Pulsrepetitionsraten größer als 500 MHz zu erzielen.

Ein alternativer Zugang kann der Veröffentlichung von M. Ramaswamy und J. G. Fujimoto in Optics Letters 19, S. 1756 ff (1994) entnommen werden (siehe auch US). Er beruht auf einer vereinfachten Resonatorkonfiguration unter Verwendung eines speziellen Prismenkompressors. Statt des üblichen resona­ torinternen Prismenpaars wird ein prismenförmiger Laserkristall und ein pris­ menförmiger Auskoppler benutzt. Eine spezielle Geometrie des als Fabry-Perot- Resonator ausgebildeten Laserresonators sowie der vereinfachte Prismenkom­ pressor ermöglicht eine Verkürzung der Resonatorlänge auf etwa 30 cm, so dass eine Repetitionsrate von 1 GHz erreicht werden kann.

Nachteilig an diesem Konzept ist, dass im Ausgangsstrahl die in einem Laser­ puls überlagerten verschiedenen spektralen Komponenten senkrecht zur Strahlrichtung räumlich auseinanderlaufen ("räumlicher chirp"), was einen praktischen Einsatz dieses Laserkonzepts zumindest erschwert.

Weiterhin erzwingt der im Resonator befindliche Prismenkompressor eine Min­ destlänge des Resonators, die es unwahrscheinlich bis unmöglich erscheinen läßt, höhere Repetitionsraten als etwa 1 GHz zu erreichen.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen passiv modengekoppelten Femtosekundenlaser anzugeben, der Laserpulse mit einer Dauer unterhalb von einer Picosekunde erzeugt, und dessen Repetitionsrate ohne weiteres oberhalb von 1 GHz liegen kann.

Weiterhin soll der aus dem Laserresonator ausgekoppelte Laserstrahl kein räumliches Auseinanderlaufen der spektralen Komponenten senkrecht zur Strahlrichtung mehr aufweisen.

Ziel ist es weiterhin, den Flächenbedarf eines derartigen Lasersystems gegen­ über den vorbekannten Lasersystemen, insbesondere gegenüber den kommer­ ziell erhältlichen Lasersystemen, deutlich zu verringern.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen passiv modengekoppelten hochrepetier­ lichen Femtosekundenlaser gemäß den Merkmalen des Anspruch 1.

Ein solcher Femtosekundenlaser weist ein laseraktives Element auf, welches zwischen den konkaven Flächen zweier Konkavspiegel angeordnet ist. Der zu­ gehörige Ringresonator wird durch eine Mehrzahl von Spiegeln gebildet, von denen mindestens einer als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist, der eine ne­ gative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD aufweist, dergestalt dass für einen zusammenhängenden Teil des durch das laseraktive Element verstär­ kungsfähigen optischen Spektralbereichs die Summe der negativen Gruppen­ geschwindigkeitsdispersionen GVD des Spiegels bzw. der Spiegel und der posi­ tiven Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD des laseraktiven Elements ne­ gativ ist. Dies stellt die Grundvoraussetzung für die Erzeugung von Femtose­ kundenpulsen dar. Weiterhin ist im Resonator ein optischer Auskoppler ange­ ordnet.

Der Resonator ist dergestalt ausgebildet, dass die optische Weglänge im Reso­ nator kleiner als 60 cm, vorzugsweise kleiner als 30 cm, insbesondere kleiner als 15 cm ist. Aus diesen optischen Weglängen ergeben sich Pulswiederhol­ raten, die größer sind als 500 MHz, vorzugsweise größer als 1 GHz, insbeson­ dere größer als 2 GHz.

Die Brennweiten der Konkavspiegel, welche dem laseraktiven Element räum­ lich zunächst benachbart sind, sind kleiner als 3 cm, vorzugsweise kleiner als 2 cm, insbesondere kleiner oder gleich 1,5 cm gewählt.

Ein passiv modengekoppelter Femtosekundenlaser mit diesen Merkmalen weist eine Reihe wesentlicher Vorzüge auf. Die Verwendung eines Ringresonators an­ stelle eines linearen Fabry-Perot-Resonators ermöglicht eine deutliche Reduzie­ rung der Resonatorlänge, was eine Grundvoraussetzung für die Erzielung ho­ her Pulswiederholraten ist.

Die Verwendung dielektrischer Spiegel mit negativer Gruppengeschwindig­ keitsdispersion GVD anstelle von aus dem Stand der Technik bekannten Pris­ men- oder Gitterkompressoren ermöglicht es zusätzlich, die Länge des Ringre­ sonators zu reduzieren. Hierdurch ist es möglich, die geometrische Länge des Resonators um über 10 cm zu reduzieren, was wiederum mit einer Erhöhung der Pulswiederholrate einhergeht.

Die Verwendung von Konkavspiegeln, die dem laseraktiven Element räumlich zunächst benachbart sind, und deren Brennweiten im vorgegebenen Bereich liegen, ermöglicht es, einen Strahldurchmesser der Resonatormode im laserak­ tiven Element zu erzielen, die dem Verlauf einer Resonatormode eines konven­ tionellen linearen Fabry-Perot- oder auch eines Ringresonators jeweils mit deutlich größerer geometrischer Länge vergleichbar ist. Ein solcher kleiner Durchmesser der Resonatormode im laseraktiven Element, insbesondere einer Strahltaille im laseraktiven Element, ist unabdingbar für die effiziente Erzeu­ gung von Laserpulsen, insbesondere für die beiden fundamentalen Effekte, die für die Erzeugung ultrakurzer Pulse in einem passiv modengekoppelten Laser­ system verantwortlich sind. Dies sind die sogenannte Selbstphasenmodulation SPM sowie die sogenannte Selbstamplitudenmodulation SAM in einem nichtli­ nearen Medium, insbesondere also einem laseraktiven Medium wie dem laser­ aktiven Element im Resonator. Beide beruhen wiederum auf dem sogenannten Kerr-Effekt. Als Kerr-Effekt wird die Abhängigkeit des Brechungsindexes von der lokalen Lichtintensität bezeichnet.

Die Selbstphasenmodulation SPM, die durch die Größe Φ charakterisiert wird, die im Laserkristall auftritt, ist wesentlich für die minimal erreichbare Pulslänge τ. Es gilt:

Hierin ist D die über alle optischen Elemente im Resonator summierte Grup­ pengeschwindigkeitsdispersion GVD:

E_P ist die Pulsenergie.

Die Größe der Selbstphasenmodulation Φ ist im wesentlichen invers proportio­ nal zum Quadrat des Strahlradius w im Laserkristall. Um eine möglichst hohe Intensität im Laserkristall zu erzielen, ist es daher unumgänglich, einen mög­ lichst kleinen Strahldurchmesser der Resonatormode im laseraktiven Element zu erreichen, insbesondere eine Strahltaille mit möglichst kleinem Durchmes­ ser im laseraktiven Element zu erzielen. Genau dieser Effekt wird durch die Verwendung der erfindungsgemäßen konvexen Spiegel mit den angegebenen Brennweiten bei der angegebenen maximalen Resonatorlänge erzielt.

Insbesondere sollte bei der Wahl der weiteren Resonatorparameter darauf ge­ achtet werden, dass sich ein optisch stabiler Resonator ergibt.

Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich ein besonders vorteilhaftes Lasersystem ergibt, wenn die Brennweiten der Konkavspiegel, die dem laseraktiven Element räumlich zunächst benachbart sind, im wesentlichen gleich gewählt sind. Dies ermöglicht vor allen Dingen ein im wesentlichen spiegelsymmetrischen Aufbau des Laserresonators.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser­ systems ist der geometrische Abstand der Konkavspiegel voneinander kleiner als die Summe der Brennweiten der Konkavspiegel gewählt. Wird nur der Ab­ stand d der Konkavspiegel voneinander variiert, während die gesamte restliche Resonatorgeometrie konstant gehalten wird, so läßt sich ein Intervall dieses Abstandes ermitteln, innerhalb dessen ein stabiler Betrieb des Laserresonators möglich ist. Dieses Intervall ist im wesentlichen symmetrisch um einen solchen Abstand der Konkavspiegel voneinander angeordnet, der genau der Summe der Brennweiten der Konkavspiegel entspricht.

Es hat sich herausgestellt, dass ein besonders stabiler Betrieb im passiv mo­ dengekoppelten Zustand möglich ist, wenn der Abstand d der Konkavspiegel voneinander kleiner als die Summe der Brennweiten der Konkavspiegel gewählt wird. Es ergibt sich ein positiver Einfluß auf die Bildung des für die passive Modenkopplung essentiellen Kerr-Effekts.

Dieser Effekt kann auch verstärkt werden, wenn das laseraktive Element nicht symmetrisch zwischen den angrenzenden Konkavspiegeln angeordnet wird, sondern gemäß den Vorschriften des Anspruchs 4. Wird eine solche Anord­ nung des laseraktiven Elements realisiert, so ergibt sich eine Abnahme des Strahldurchmessers im Laserkristall mit steigender momentaner Leistung im Puls. Dieser ebenfalls auf dem Kerr-Effekt beruhende Effekt wird in Kombinati­ on mit einem stärker als die Resonatormode fokussierten Pumpstrahl auch als Bildung einer "weichen Apertur" bezeichnet und fördert ebenfalls einen stabilen passiv modengekoppelten Pulsbetrieb.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser­ systems wird der Abstand d zwischen den Konkavspiegeln größer gewählt als die Summe der Brennweiten der Konkavspiegel. In diesem Fall kann kein Auf­ treten einer "weichen Apertur" im laseraktiven Element beobachtet werden. Anstelle dieser kann jedoch eine sogenannte harte Apertur, die beispielsweise durch eine Ringblende gebildet sein kann, im Ringresonator angeordnet sein. Insbesondere ist eine solche harte Apertur an einer solchen Stelle im Resonator vorzusehen, an der die Resonatormode bei größerer Momentanleistung einen kleineren Durchmesser hat.

Es hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäßes Lasersystem vorteilhaft einen titandotierten Saphirkristall als laseraktives Element verwenden kann. Weiter­ hin ist aber auch die Verwendung anderer laseraktiver Elemente möglich, die ein so breites Verstärkungsspektrum aufweisen, dass theoretisch die Erzeu­ gung von Femtosekundenpulsen möglich ist. Insbesondere sind an dieser Stelle die in Anspruch 6 genannten laseraktiven Elementen zu nennen.

Zum optischen Pumpen des laseraktiven Elements kann beispielsweise ein Ar­ gon-Ionenlaser verwendet werden, der insbesondere auf die maximale Absorp­ tion des laseraktiven Elements abgestimmt wird.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser­ systems wird als Pumplaser ein Festkörperlasersystem eingesetzt, dessen Wel­ lenlängenspektrum an das Absorptionsspektrum des laseraktiven Elements angepaßt gewählt ist. Insbesondere eignen sich hier die in Anspruch 7 ge­ nannten frequenzverdoppelten Festkörperlasersysteme. Die Verwendung von naturgemäß rauscharmen Festkörperlasersystemen als Pumplaser wirkt sich vorteilhaft auf die Intensitätsschwankungen der vom erfindungsgemäßen La­ sersystem generierten gepulsten Laserstrahlung aus.

Weiterhin hat sich gezeigt, dass für einen stabilen passiv modengekoppelten Pulsbetrieb bei einem vergleichsweise guten Wirkungsgrad des erfindungsge­ mäßen Lasersystems der Auskoppelgrad T des optischen Auskopplers kleiner als 5% sein sollte, vorzugsweise kleiner als 3%, insbesondere kleiner oder gleich 2% sein sollte. Höhere Auskoppelgrade T erhöhten die Quanteneffizienz des Lasersystems, kleinere Auskoppelgrade T stabilisieren das erfindungsge­ mäße Lasersystem im passiv modengekoppelten Pulsbetrieb. Der Auskoppler wird vorteilhaft als teilreflektierender, insbesondere dielektrischer Spiegel aus­ gebildet.

Alternativ können auch andere Möglichkeiten zur Auskopplung realisiert wer­ den, beispielsweise mittels Auskopplung einer evanszenten Welle, die von einer inneren Totalreflektion der Resonatormode an einer Grenzfläche herrührt. In einer solchen Ausführung kann der Auskoppelgrad in bestimmten Grenzen frei variiert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser­ systems weisen alle Spiegel des Ringresonators eine negative Gruppenge­ schwindigkeitsdispersion GVD auf. Je nach Stärke der positiven Gruppenge­ schwindigkeitsdispersion GVD, welche vom laseraktiven Element verursacht wird, kann auch nur ein einziger Spiegel mit negativer Gruppengeschwindig­ keitsdispersion GVD im Laserresonator eingesetzt werden. Insbesondere kann auch der Auskoppelspiegel eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD aufweisen.

In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser­ systems ist der Ringresonator so ausgeführt, dass er astigmatismuskompen­ siert ist. Dies kann durch geeignete Wahl der Resonatorgeometrie, insbesonde­ re der Reflektionswinkel auf den Konkavspiegeln realisiert werden. Insbesonde­ re kann auf diese Weise eine Strahltaille mit rundem Querschnitt im laserakti­ ven Element und/oder ein aus dem Laserresonator ausgekoppelter Strahl mit rundem Querschnitt realisiert werden. Besonders vorteilhaft zur Kompensation des Astigmatismus ist es, wenn die optische Weglänge im Ringresonator größer als 1 cm, vorzugsweise größer als 2 cm und insbesondere größer als 3,5 cm gewählt ist, da bei kleineren Weglängen extrem hohe Reflexionswinkel auf den Konkavspiegeln zur Kompensation des Astigmatismus des laseraktiven Ele­ ments realisiert werden müssen.

Besondere praktische Vorteile bei der Verwendung des erfindungsgemäßen La­ sersystems ergeben sich, wenn alle Elemente des Ringresonators mechanisch auf einer gemeinsamen Montageplattform angeordnet sind. Insbesondere ist auch die Montage der optischen Komponenten in einem monolithischen Block möglich.

Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Lasersystems liegen in seiner ho­ hen Pulsrepetitionsrate, die zwischen 500 MHz und etwa 10 GHz liegen kann. Weiterhin vorteilhaft ist sein gegenüber vorbekannten Lasersystem deutlich verringerter Flächenbedarf, der es ermöglicht, kostbare Stellfläche auf opti­ schen Tischen einzusparen. Schließlich ergibt sich ein um den Faktor 10 verbessertes Signal zu Rauschverhältnis bezüglich Intensitätsschwankungen ge­ genüber vorbekannten, insbesondere Gaslaser-gepumpten Lasersystemen.

Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Lasersystems ergeben sich aus den nun folgenden Ausführungsbeispielen, die nicht einschränkend zu verstehen sind, und die anhand der Zeichnung erläutert werden. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lasersystems in Aufsicht, dessen Ringresonator aus zwei konkaven Spiegeln und vier Planspiegeln gebildet wird,

Fig. 2 den Verlauf des Strahlradius w in einem konventionellen langen Reso­ nator im Vergleich zu einem konventionellen verkürzten Resonator, der für eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz ausgelegt ist,

Fig. 3 den Verlauf des Strahltaillendurchmessers w im laseraktiven Element als Funktion der Resonatorlänge für einen Ringresonator, dessen Ge­ ometrie auf eine Resonatorlänge von zwei Metern optimiert ist.

Fig. 4 eine schematische Darstellung der relativen Position X1, X2, d von Konkavspiegeln und laseraktiven Element,

Fig. 5 den Stabilitätsverlauf eines erfindungsgemäßen Lasers, dessen Reso­ nator auf eine Pulsrepetitionsrate auf 1 GHz ausgelegt ist, als Funkti­ on des Spiegelabstands d,

Fig. 6 einen gemessenen Strahlquerschnitt des aus dem erfindungsgemäßen Lasersystem ausgekoppelten gepulsten Laserstrahls einschließlich ei­ ner daran angepaßten Gaußfunktion, sowie im Inset den Intensitäts­ verlauf senkrecht zur Strahlrichtung gemessen mittels einer CCD- Kamera,

Fig. 7 den Verlauf des Strahlradius w hinter dem Auskoppelspiegel in der Ebene des Laserresonators als Funktion des Abstands vom Auskop­ pelspiegel,

Fig. 8 den Verlauf der Ausgangsleistung als Funktion der Pumpleistung für ein erfindungsgemäßes Lasersystem mit einem Resonator im Pulsbe­ trieb mit einer Repetitionsrate von 1 GHz für zwei verschiedene Auskoppelgrade T,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lasersys­ tems, dessen Ringresonator von zwei Konkavspiegeln und zwei Plan­ spiegeln gebildet wird, in Aufsicht und

Fig. 10 eine Weitereinwicklung des in Fig. 1 gezeigten Lasersystems zum Er­ zielen einer Selbststartfunktion in einer vorgegebenen Umlaufrichtung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lasersys­ tems in Aufsicht. Der Laserresonator wird gebildet durch die Konkavspiegel 21 und 22 sowie die Planspiegel 2 und den planen Auskoppler 3. Das laseraktive Element 1 besteht aus einem titandotierten Saphirkristall mit einem Absorpti­ onskoeffizient bei der Pumpwellenlänge von 532 nm von 5 pro cm. Die im Strahlengang befindlichen Oberflächen des Kristalls sind planparallel und op­ tisch poliert, ihr Abstand beträgt 2,2 mm. Die Brennweite der verwendeten Konkavspiegel 21 und 22 beträgt 15 mm. Der Abstand d zwischen den Kon­ kavspiegeln beträgt kleiner oder gleich 30 mm. Der Titansaphirkristall ist etwa mittig zwischen den Konkavspiegeln angeordnet, insbesondere entsprechend den Angaben in Anspruch 4. Als Pumplaser wird ein frequenzverdoppelter Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet. Dieser wird mit­ tels der Linse L durch den Konkavspiegel 21 in das laseraktive Element 1 fo­ kussiert. Dabei werden Resonatormode und Pumplaserstrahl im laseraktiven Element 1 möglichst genau überlagert. Der von den auf den Konkavspiegeln 21 und 22 reflektierten Strahlen eingeschlossene Winkel trägt zwischen 15 und 25 Grad, insbesondere 18 Grad. Die Gesamtlänge des Resonators ist so gewählt, dass sich eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz ergibt. Die Planspiegel cm tragen eine hochreflektierende dielektrische Beschichtung mit negativer Gruppenge­ schwindigkeitsdispersion. Der ebenfalls plane Auskoppler OC ist als teilreflek­ tierender dielektrischer Spiegel ausgeführt. Seine Reflektivität beträgt zwischen 95 und 99%, insbesondere 98%. Hinter dem Auskoppler OC ist eine Photodio­ de PD angeordnet, die mittels Intensitätsmessung erlaubt, auf einfachste Weise einen Pulsbetrieb des gezeigten Lasersystems im Uhrzeigersinn nachzuweisen, nämlich durch Ausbleiben von Lichtintensität auf der Photodiode.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Resonatormode in einem konventionellen langen Resonator mit einer Resonatorlänge von 2 m als Funktion der Position auf der Strahlachse im Resonator im Bereich des Laserkristalls. Zum Vergleich ist der Verlauf der Resonatormode in einem konventionellen Resonator gezeigt, dessen Länge auf eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz optimiert wurde, ohne dass die Geometrie des Resonators abgepasst wurde. Der Inset verdeutlicht, dass eine einfache Verkürzung der Resonatorlänge eines konventionellen langen Reso­ nators zwar prinzipiell zu einer Erhöhung der Pulsrepetitionsrate führt, sich jedoch gleichzeitig (und unvermeidlich) eine Zunahme des Strahltaillendurch­ messers der Resonatormode im laseraktiven Element ergibt. Dies wirkt sich negativ auf den für die Pulsbildung elementaren Kerr-Effekt, insbesondere auf die Ausbildung einer Kerr-Linse im laseraktiven Element, aus. Eine einfache Verkürzung der Resonatorlänge eines konventionellen langen Resonators auf die für hohe Pulsrepetitionsraten erforderliche Länge wird daher im allgemei­ nen dazu führen, dass überhaupt kein oder kein stabiler Pulsbetrieb des La­ sers mehr erreicht werden kann. Daher sind Änderungen der Resonatorgeo­ metrie beim Übergang zu höheren Pulsrepetitionsraten unabdingbar.

Derselbe Sachverhalt wird nochmals anhand von Fig. 3 verdeutlicht. Es ist nicht möglich, zur Erhöhung der Pulsrepetitionsrate die Resonatorlänge eines bereits vorbekannten langen Ringresonators mit geringer Pulsrepetitionsrate auf die entsprechend kürzere Länge zu verkürzen. Gezeigt wird der Radius der Strahltaille in einem solchen konventionellen langen Ringresonator im laserak­ tiven Element als Funktion der Gesamtlänge des Ringresonators. Man erkennt eine starke Zunahme des Strahltaillenradius, wenn die Gesamtlänge des Reso­ nators auf die für eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz erforderliche Länge von etwa 30 cm verkürzt wird. Eine solche Zunahme des Strahltaillenradius wirkt sich außerordentlich nachteilig aus auf das Auftreten des Kerr-Effekts im la­ seraktiven Element und somit auf einen stabilen passiv modengekoppelten Betrieb des erfindungsgemäßen Lasersystems.

Fig. 4 dient zur Definition des Abstands d zwischen den Konkavspiegeln 21, 22 sowie der Abstände X1 und X2 des laseraktiven Elements 1 von den Konkavspiegeln 21, 22.

Fig. 5 stellt den Stabilitätsbereich eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit 1 GHz-Resonator und Konkavspiegeln 21 und 22 mit einer Brennweite von 15 mm dar. Aufgetragen ist die Variation des Strahltaillenradius w im laserak­ tiven Element als Funktion der mittleren Leistung P der Resonatormode. Dabei ist w der Strahltaillenradius im laseraktiven Element 1 und P die mittlere Leistung der Resonatormode im Resonator. Die Auftragung erfolgt zweidimen­ sional über einerseits dem Spiegelabstand d sowie andererseits der Kristallpo­ sition X1. Vorteilhaft für das Auftreten einer weichen Apertur aufgrund des Kerr-Effekts im laseraktiven Element ist ein negativer Wert der Größe w^-1 ∂w/∂P. Man erkennt, dass solche Bedingungen vorliegen, wenn der Spiegelab­ stand d kleiner gewählt wird als die Summe der Brennweiten f21 und f22 der Konkavspiegel 21 und 22. Man erkennt weiterhin, dass dieser Effekt verstärkt wird, wenn der Abstand X1 kleiner gewählt wird als die halbe Summe der Brennweiten.

Die überragende Strahlqualität des erfindungsgemäßen Lasersystems wird aus Fig. 6 deutlich. Diese zeigt die Intensitätsverteilung senkrecht zur Resonator­ ebene, aufgenommen mittels einer CCD-Kamera. Die durchgezogene Linie stellt eine Anpassung einer Gaußfunktion an die gemessenen Werte dar. Man er­ kennt die hervorragende Übereinstimmung. Der Inset zeigt die Intensitätsver­ teilung über den gesamten Strahlquerschnitt ermittelt mit einer CCD-Kamera. Die gemessene Intensität ist mit Helligkeitswerten korreliert. Man erkennt das weitgehend kreisrunde Strahlprofil einer TEM₀₀-Mode.

Die hervorragende Strahlqualität zeigt sich auch im Verlauf des Strahlradius w als Funktion des Abstands vom Auskoppelspiegel. Die Punkte stellen die expe­ rimentell ermittelten Werte dar, die durchgezogene Linie einer Anpassung an den von der Theorie vorhergesagten Verlauf, wobei der Formalismus der realen Strahlausbreitung unter Einbeziehung des sogenannten M²-Faktors verwendet wurde. Man erkennt eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment für einen M²-Faktor von 1,07, was sehr dicht am theoretischen Optimum von M² = 1,0 liegt.

Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit der erzeugten gepulsten Laserleistung in Abhän­ gigkeit von der Leistung des Pumplasers für verschiedene Transmissionsgrade T des Auskopplers 3. Im Falle eines Transmissionsgrades T von 1% ergibt sich eine Quanteneffizienz η von 6,6%. Diese steigt einem Auskoppelgrad T = 2% auf einen Wert η = 20%. Der Auskoppelgrad T = 1% stellt den kleinsten prak­ tisch nutzbaren Auskoppelgrad des Auskopplers 3 dar. Der Auskoppelgrad T = 2% stellt im Falle des hier realisierten erfindungsgemäßen Lasersystems mit Ringresonator optimiert auf eine Pulswiederholfrequenz von 1 GHz das experi­ mentell ermittelte Optimum des Auskoppelgrads T dar. Es können jedoch auch höhere Auskoppelgrade T sinnvoll sein.

Ein erfindungsgemäßes Lasersystem kann auch mit einer geringeren Zahl von Spiegeln als das in Fig. 1 gezeigte System realisiert werden. Ein solches Sys­ tem, welches nur auf der Verwendung von zwei Konkavspiegeln und zwei Plan­ spiegeln beruht, ist in Fig. 9 gezeigt. Es entspricht in weiten Teilen dem in Fig. 1 gezeigten System. Jedoch ist nur der mit M1 bezeichnete Planspiegel als dielektrischer Spiegel 2 mit negativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD ausgeführt. Alle weiteren Spiegel tragen konventionelle dielektrische Be­ schichtungen, die auf den Konkavspiegeln hochreflektierend ausgeführt sind, sowie auf dem mit OC bezeichneten Auskoppler mit einer Transmission T von etwa 2%. Aufgrund der Tatsache, dass nur ein Spiegel mit negativer Gruppen­ geschwindigkeitsdispersion GVD zur Kompensation der positiven Gruppenge­ schwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, die positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements so klein wie möglich zu halten. Dies kann beispielsweise realisiert werden durch eine verringerte Länge des laseraktiven Elements. Dies ist bei dem in Fig. 9 gezeigten erfindungsgemäßen Lasersystem realisiert, der Ab­ stand zwischen den planparallelen Flächen des Titansaphirkristalls, die unter dem Brewsterwinkel gegen die optische Achse angeordnet sind, beträgt nur 1,3 mm im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel. Um eine vergleich­ bar effektive Absorption des Pumplichts auf der verringerten Länge des laseraktiven Elements 1 zu erzielen, ist es vorteilhaft, das laseraktive Element 1 mit einer höheren Konzentration an laseraktiven Ionen oder Atomen zu dotieren. Im hier gezeigten Fall wurde die Titandotierung dergestalt erhöht, dass der Ab­ sorptionskoeffizient des laseraktiven Elements 1 bei der Pumpwellenlänge auf einen Wert von A = 6 pro cm anstieg. Auf diese Weise kann eine vergleichbare Absorption des Pumplichts im laseraktiven Element erreicht werden, wie in Fig. 1 gezeigtem Lasersystem.

Fig. 10 zeigt das aus Fig. 1 bekannte erfindungsgemäße Lasersystem in ei­ ner vorteilhaften Weiterbildung, die aus dem zusätzlichen zugefügten Planspie­ gel M6 besteht. Solange das erfindungsgemäße Lasersystem im kontinuierli­ chen Betrieb arbeitet, laufen zwei gegenläufige Teilstrahlen im Ringresonator um. Demzufolge werden aus dem Auskoppelspiegel 3 zwei Teilstrahlen ausge­ koppelt. Der Planspiegel M6 dient dazu, einen dieser beiden Teilstrahlen in den Resonator zurückzureflektieren. Dies hat den Effekt, dass die Intensität des im Uhrzeigersinn im Resonator umlaufenden Teilstrahls im laseraktiven Element 1 erhöht wird. Daher wird dieser Teilstrahl bei der Laseranregung bevorzugt und erfährt eine stärkere Kerr-Linsenbildung im laseraktiven Element 1, so dass ein Pulsbetrieb des erfindungsgemäßen Lasersystems in der Form eines im Uhrzeigersinn im Ringresonator umlaufenden Pulses bevorzugt wird. Der Spie­ gel M6 dient daher zur Vorgabe einer Laufrichtung des Laserpulses im Ringre­ sonator.

Zusätzlich führt die Existenz des Planspiegels M6 dazu, dass das erfindungs­ gemäße Lasersystem spontan aus dem anfänglichen kontinuierlichen Laserbe­ trieb in den gepulsten Betrieb übergeht. Dieser Effekt kann auch verstärkt werden, indem an den Spiegel M6 eine periodische Störung angelegt wird, bei­ spielsweise eine periodische Vibration.

Mittels eines erfindungsgemäßen Lasersystems, dessen Ringresonator auf eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz optimiert war, war es möglich, bei einer Pump­ leistung von 1,7 Watt eine mittlere Laserleistung von 100 Milliwatt (mW) zu er­ zielen, wobei die erzeugten Pulse eine Dauer von etwa 50 Femtosekunden aufwiesen. Für ein erfindungsgemäßes Lasersystem, dessen Ringresonator auf ei­ ner Pulsrepetitionsrate von 2 GHz optimiert war, konnten Pulse mit einer Dau­ er von etwa 25 Femtosekunden erzielt werden. Es zeigte sich eine schwache Abhängigkeit der Pulsdauer τ von der Intensität des Pumplasers. Bei einer mittleren Pumpleistung von 2,5 Watt betrug die mittlere Pulsdauer τ 29 Femto­ sekunden, bei einer mittleren Pumpleistung von 5,5 Watt nahm die mittlere Pulsdauer τ auf 25 Femtosekunden ab. Eine Vermessung des Wellenlängen­ spektrums des im Pulsbetrieb laufenden Lasers ergab, dass die Breite der ge­ messenen Wellenlängenverteilung mit guter Genauigkeit der ermittelten Puls­ dauer entsprach. Dies bedeutet, dass die Pulsdauer in erster Linie durch dispersive Effekte dritter Ordnung begrenzt war.

Bei der Transmission des ausgekoppelten Strahls durch das Substrat des Aus­ koppelspiegels 3, was typischerweise eine Dicke von 5 mm aufweist, tritt wie­ derum eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion auf, die zu einer Ver­ längerung der Pulsdauer führt. Diese Verlängerung der Pulsdauer kann kom­ pensiert werden durch mehrfache Reflexion an dielektrischen Spiegeln mit ne­ gativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion. Dies ist in Fig. 10 anhand der Spiegel M4 und M5 realisiert.

Vorteilhaft für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Lasersystems, insbe­ sondere für seine kommerzielle Anwendung, ist eine Montage der Elemente des Lasersystems, insbesondere der den Ringresonator bildenden Spiegel 2, 3 so­ wie des laseraktiven Elements 1 und aller zugehörigen Justageeinrichtungen auf einer gemeinsamen Montageplattform. Insbesondere können die Elemente des Lasersystems auch vorteilhaft in einem monolithischen Metallblock integ­ riert werden, der beispielsweise aus Aluminium oder auch aus Invar bestehen kann.

Claims (14)

1. Passiv modengekoppelter hochrepetierlicher Femtosekundenlaser, dessen Ringresonator die folgenden Elemente aufweist:

• - ein laseraktives Element (1),
• - mindestens einen dielektrischen Spiegel (2), der eine negative Gruppen­ geschwindigkeitsdispersion GVD aufweist, dergestalt dass für einen zu­ sammenhängenden Teil des durch das laseraktive Element (1) verstär­ kungsfähigen optischen Spektralbereichs die Summe der Gruppenge­ schwindigkeitsdispersionen der Spiegel (2) und der positiven Gruppen­ geschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements (1) negativ ist, d. h.
  
• - zwei Konkavspiegel (21) und (22), die dem laseraktiven Element (1) räumlich zunächst benachbart sind und mit ihren konkaven Flächen zu diesem orientiert sind,
• - einen optischen Auskoppler (3),
• - die optische Weglänge im Resonator ist kleiner als 60 cm, vorzugsweise kleiner als 30 cm, insbesondere kleiner als 15 cm, und
• - die Brennweiten f21 und f22 der Konkavspiegel (21) und (22) sind klei­ ner als 3 cm, vorzugsweise kleiner als 2 cm, insbesondere kleiner oder gleich 1,5 cm.

2. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweiten f21 und f22 der Konkavspiegel (21) und (22) im wesentlichen gleich sind.

3. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d der Konkavspiegel (21, 22) voneinander kleiner ist als die Summe der Brennweiten f21 + f22.

4. Laser gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand x1 des laseraktiven Elements (1) vom Spiegel (21) um mehr als 2%, vorzugs­ weise um mehr als 5%, insbesondere um mehr als 10% vom Abstand x2 des laseraktiven Elements (1) vom Spiegel (22) abweicht.

5. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d der Konkavspiegel (21, 22) voneinander größer ist als die Summe der Brennweiten f21 + f22 und eine harte Apertur (4), insbesondere eine Ring­ blende, im Ringresonator angeordnet ist.

6. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive Element (1) aus Ti:Saphir, Cr:LiSAF, Cr:Forsterit, Cr:LiSGaF, Cr:LiCAF oder Yb:YAG besteht.

7. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumplaser ein frequenzverdoppelter Nd:YVO₄-, Yb:YVO₄-, Nd:YAG- oder Yb:YAG-Laser verwendet wird.

8. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppel­ grad T des optischen Auskopplers (3) kleiner ist als 5%, vorzugsweise klei­ ner ist als 3%, insbesondere kleiner oder gleich 2% ist.

9. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppler (3) als teilreflektierender Spiegel ausgebildet ist.

10. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spiegel (2) eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD aufweisen.

11. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Spiegel (2) eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD aufweist.

12. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringresona­ tor astigmatismuskompensiert ist.

13. Laser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Weglänge im Ringresonator größer ist als 1 cm, vorzugsweise größer als 2 cm, insbesondere größer als 3,5 cm.

14. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elemente des Ringresonators mechanisch auf einer gemeinsamen Montageplattform zusammengefasst sind.