DE202010018625U1 - Lasersystem mit spektraler Filterung - Google Patents

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Abstract

Lasersystem mit einem gepulsten Laser (1), gekennzeichnet durch
- ein spektral verbreiterndes Element (2), welches die Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers (1) durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert, und
- ein spektral filterndes Element (3), welches die spektral verbreiterten Laserpulse durch spektrale Filterung zeitlich komprimiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem gepulsten Laser.
  • Lasersysteme auf der Grundlage gepulster Laser werden zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse verwendet. Im Stand der Technik sind bisher nur aufwändige, modengekoppelte Lasersysteme bekannt, die eine Pulsdauer unter 10 ps erreichen können. Eine einfache und kompakte Lösung zur Erzeugung von Laserpulsen im sub-10 ps-Bereich birgt daher erhebliches Marktpotential. Anwendungsgebiet ist unter anderem die hochpräzise Mikromaterialbearbeitung, da der durch eine kurze Pulsdauer reduzierte Wärmeeintrag in das Material Qualitätsvorteile - z.B. präzisere Kanten beim Laserschneiden - bietet. Die im Stand der Technik bekannten modengekoppelten Festkörperlaser werden bisher als typische Quellen für ps-Pulse verwendet. Sie bestehen neben dem aktiven Medium aus einem nichtlinearen Schalter, z.B. einem sättigbaren Halbleiterspiegel und Elementen zur Dispersionskompensation. Diese komplexen und justageempfindlichen Freistrahlaufbauten liefern Pulsfolgefrequenzen im Bereich von 10 MHz bis größer als 100 MHz. Sinnvolle Pulsfolgefrequenzen für die meisten Applikationen sind jedoch solche unter 10 MHz, typischerweise einige 100 kHz. Daher müssen bei den bekannten, modengekoppelten Festkörperlasern zusätzlich Elemente eingesetzt werden, die die Pulsfolgefrequenz reduzieren. Gebräuchliche Elemente sind hierbei sog. resonatorverlängernde Spiegelanordnungen, welche jedoch die Komplexität der Aufbauten noch weiter erhöhen und diese somit justageempfindlich machen. Alternativ wird vor bzw. zwischen den Verstärkerstufen ein Pulspicker (z.B. eine Pockelszelle) eingesetzt, welcher die Pulsfolgefrequenz in den für die Applikation benötigten Bereich reduziert. Insgesamt sind die modengekoppelten Lasersysteme zumeist empfindliche Freistrahlaufbauten, wodurch sie nur bedingt für den kommerziellen Gebrauch geeignet sind.
  • Bekannt sind des Weiteren einfach aufgebaute und kompakte passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser, welche aus einem monolitischen Verbund aus sättigbarem Absorber, Laserkristall und Resonatorspiegel bestehen und mit einer Laserdiode durch eine einfache Optik gepumpt werden. Auf diese Weise können Pulse mit Pulsfolgefrequenzen von mehreren 10 kHz bis einigen MHz bei Pulsdauern zwischen 50 ps und 200 ps erzeugt werden. Eine Pulsdauer kleiner als 10 ps ist mit diesen Lasern bisher nicht möglich.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem zu schaffen, welches Pulsdauern unter 10 ps erzeugt und zugleich einfach und kompakt herzustellen ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass das Lasersystem ein spektral verbreiterndes Element aufweist, welches die Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert, und ein spektral filterndes Element, welches die spektral verbreiterten Laserpulse durch spektrale Filterung zeitlich komprimiert.
  • Durch Selbstphasenmodulation (SPM) innerhalb des spektral verbreiternden Elementes lässt sich die spektrale Breite der Laserpulse so vergrößern, dass sie durch anschließende spektrale Filterung zeitlich verkürzt werden können. Die Bandbreite des spektral filternden Elementes wird dabei so gewählt, dass sie kleiner ist als die spektrale Breite des zu filternden verbreiterten Laserpulses. Der so spektral gefilterte Laserpuls mit reduzierter spektraler Breite weist eine signifikant verkürzte Pulsdauer auf. Der Effekt der zeitlichen Verkürzung ist darauf zurückzuführen, dass die spektral verbreiternde Selbstphasenmodulation nur im Zeitbereich agiert.
  • Das Lasersystem kann als gepulsten Laser einen gütegeschalteten Laser, einen modengekoppelten Laser oder auch einen gewinngeschalteten Laser, z.B. einen Diodenlaser, aufweisen.
  • Ebenso kann der gepulste Laser eine kontinuierlich emittierende Laserquelle sein, deren Strahlung durch externe optische Komponenten moduliert wird.
  • Für den Fall der Pulserzeugung durch Güteschaltung empfiehlt es sich, dass der gepulste Laser ein passiv gütegeschalteter Laser, insbesondere ein passiv gütegeschalteter Mikrochiplaser, ist. Durch ihren monolitischen Aufbau können Mikrochiplaser eine äußert kompakte Bauform erreichen und somit leicht in ein Lasersystem integriert werden.
  • Als Mikrochiplaser eignet sich insbesondere ein Verbund aus einem Neodymdotierten Vanadat-Kristall und einem sättigbaren Halbleiterspiegel.
  • Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass der gepulste Laser longitudinal einmodige Laserpulse aufweist. Diese sog. „einfrequente“ Emission des gütegeschalteten Lasers, d.h. die Emission einer einzelnen, wohl definierten longitudinalen Mode, ist vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig. Würden mehrere longitudinale Moden mit statistischer Phasenbeziehung zur Emission beitragen - was der üblichen Situation bei Güteschaltung entspricht -, wäre ebenso eine zeitliche Kompression der durch Selbstphasenmodulation neu erzeugten spektralen Anteile durch spektrale Filterung möglich. Die zeitlich komprimierten Pulse hätten dabei jedoch eine verschlechterte Qualität.
  • Vorteilhaft weist der gepulste Laser eine Pulsdauer auf, welche kleiner als 1 ns, kleiner als 200 ps oder kleiner als 50 ps ist. Ein gepulster Laser mit dieser Pulsdauer stellt eine bestens geeignete Ausgangsstrahlung zur Verfügung, um anschließend mittels der erfindungsgemäßen spektralen Verbreiterung und spektralen Filterung eine Pulsdauer kleiner als 10 ps zu erreichen.
  • Es wird vorgeschlagen, dass das spektral verbreiternde Element eine optische Faser, insbesondere eine optische Single-Mode-Faser, oder eine Wellenleiterstruktur ist. In einer geeigneten optischen Faser oder Wellenleiterstruktur tritt bei ausreichend geringem Faserdurchmesser bzw. ausreichend geringer Wellenleiterdicke üblicherweise Selbstphasenmodulation auf, die in einer spektralen Verbreiterung der geführten Strahlung resultiert.
  • Vorteilhaft beträgt die spektrale Breite der spektral verbreiterten Laserpulse mindestens das fünffache, das zehnfache oder das zwanzigfache der spektralen Breite der Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers. In der Praxis haben sich diese Mindestverbreiterungsfaktoren als optimal für die anschließende spektrale Filterung bzw. die resultierende Pulsdauer des Lasersystems herausgestellt.
  • Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Lasersystem eine oder mehrere Verstärkerstufen aufweist. Hierbei können ein oder mehrere Verstärkerstufen faseroptische Verstärkerstufen sein. Zusätzlich ist es möglich, dass eine oder mehrere Verstärkerstufen als spektral verbreiterndes Element wirken, wobei diese insbesondere und mit Vorteil durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitern. Eine Verstärkung ist dabei durch einen einzelnen optischen Verstärker oder auch durch mehrere Verstärkerstufen möglich. Denkbar ist in diesem Sinne auch eine optische Verstärkerfaser, welche sowohl die Aufgabe der Verstärkung als auch die der spektralen Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation übernimmt.
  • Es ist vorgesehen, dass das spektral filternde Element ein passives optisches Element aufweist. Dieses Element kann z.B. ein faseroptisches gechirptes Bragg-Gitter, ein volumenoptisches gechirptes Bragg-Gitter, ein konventionelles Gitterpaar in Transmission oder Reflektion oder auch ein Prismenaufbau, ein Lyot-Filter, ein Etalon oder ein Interferenzfilter oder eine Kombination von Interferenzfiltern sein.
  • Des Weiteren kann das spektral filternde Element ein nichtlineares optisches Element aufweisen. In Frage kommen hier insbesondere Elemente mit nichtlinearer Polarisationsdrehung, ein sättigbarer Absorber oder auch ein frequenzkonvertierendes Element, welches eine spektrale Filterung oder spektrale Beschneidung durch Phasenanpassung vornimmt.
  • Weiterhin kann das spektral filternde Element gleichzeitig aktive und passive optische Elemente aufweisen. Ein aktives optisches Element, zum Beispiel ein aktiver durchstimmbarer Filter, kann dabei so eingestellt werden, dass es die Filtereigenschaft des passiven optischen Elementes im Sinne der Erfindung optimal ergänzt.
  • Vorteilhaft beträgt die spektrale Bandbreite des Laserpulses nach dem spektral filternden Element weniger als 75 %, 50 % oder 25 % der spektralen Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses. Die Bandbreite des Laserpulses nach dem spektral filternden Element ist unter diesen Filterbedingungen in der Praxis bestens geeignet, um Laserpulse mit einer Pulsdauer kleiner als 10 ps zu erreichen.
  • Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das spektral filternde Element ein optischer Verstärker ist. Somit kann das spektral filternde Element gleichzeitig eine Verstärkungsfunktion innerhalb des Lasersystems übernehmen, so dass ein Lasersystem mit möglichst wenigen optischen Komponenten hergestellt werden kann.
  • Es ist dabei vorgesehen, dass der optische Verstärker eine effektive Verstärkungsbandbreite aufweist, welche kleiner als die spektrale Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist. In der Praxis hat es sich zur Erreichung der erfindungsgemäßen Aufgabe als vorteilhaft herausgestellt, dass die spektrale Bandbreite des Laserpulses nach dem optischen Verstärker kleiner als 75 %, 50 % oder 25 % der spektralen Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist. Die Bandbreite der aktiven Filterung versteht sich hier als Verstärkungsbandbreite inklusive Gain-Narrowing.
  • Vorteilhaft sind des Weiteren optionale Elemente, welche den Laserpuls in Bezug auf seine Eigenschaften - wie beispielsweise Pulsdauer, Pulsabstand, Frequenz, Kontrast, spektrale Zusammensetzung - so verändern, dass die Kenndaten und/oder die Qualität der Ausgangsstrahlung des erfindungsgemäßen Lasersystems verbessert werden. Zu diesem Zweck kann das Lasersystem einen Pulsstrecker aufweisen, mittels welchem die spektral verbreiterten Laserpulse zeitlich gestreckt werden. Weiterhin kann das Lasersystem ein den Pulskontrast verbesserndes Element aufweisen, welches in Ausbreitungsrichtung des Laserpulses nach dem spektral verbreiternden und spektral filternden Element angeordnet ist. Weiterhin kann das Lasersystem ein Element aufweisen, welches den Laserpuls zeitlich teilt, oder auch ein frequenzkonvertierendes Element.
  • Schließlich kann das erfindungsgemäße Lasersystem auch mehrfach von den Ausgangslaserpulsen des gepulsten Lasers durchlaufen werden. Hierbei werden die spektral verbreiterten und spektral gefilterten Laserpulse mittels des spektral verbreiternden Elementes durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das spektral filternde Element zeitlich komprimiert. Mit einem solchen mehrstufigen Aufbau lassen sich die in einer ersten Stufe auf weniger als 10 ps Pulsdauer komprimierten Pulse mittels einer zweiten Stufe auf eine Pulsdauer von beispielsweise weniger als 1 ps komprimieren.
  • Schließlich ist vorgesehen, dass das Lasersystem zusätzlich ein Kompressionselement aufweist, welches die spektral verbreiterten Laserpulse zeitlich komprimiert. Dieses zusätzliche Kompressionselement kann wahlweise nach dem spektral verbreiternden Element oder auch nach dem spektral filternden Element angeordnet werden.
  • Das zusätzliche Kompressionselement kann ein Bragg-Gitter, ein transmittierendes oder reflektierendes Gitterpaar oder ein Prismenaufbau sein. Das Kompressionselement bewirkt dabei zusammen mit dem spektral filternden Element eine zweistufige und damit verstärkte zeitliche Komprimierung. Durch die zusätzliche Kompensation der Phasenterme innerhalb des zusätzlichen Kompressionselements ergibt sich eine deutlich verkürzte Pulsdauer.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1: eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Lasersystems;
    • 2: ein Spektrum eines spektral verbreiterten Laserpulses;
    • 3: Spektrum des spektral verbreiterten Laserpulses nach der spektralen Filterung;
    • 4: zeitlicher Verlauf des spektral gefilterten Laserpulses;
    • 5: zeitlicher Verlauf des spektral gefilterten Laserpulses mit bereinigten Nebenpulsen;
    • 6: Spektrum des spektral verbreiterten und gefilterten Laserpulses nach der Bereinigung der Nebenpulse;
    • 7: eine weitere Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Lasersystems.
  • In 1 ist schematisch ein Lasersystem dargestellt, welches aus einem Laser 1, einem spektral verbreiternden Element 2, einem spektral filternden Element 3, einem sättigbaren Absorber 4 und einem Verstärker 5 besteht. Der Laser 1 ist hierbei ein gütegeschalteter Laser. Das spektral verbreiternde Element 2 ist eine optische Faser. Das spektral filternde Element 3 ist ein Nd:YAG-Verstärker, welcher die Laserpulse gleichzeitig verstärkt. Der Verstärker 5 ist in diesem Fall ebenfalls ein Nd:YAG-Verstärker.
  • In 7 besteht das Lasersystem aus einem gütegeschalteten Laser 1, einem spektral verbreiternden Element 2 in Form einer optischen Faser, einem Interferenzfilter als spektral filterndes Element 3 und optional zusätzlich einem sättigbaren Absorber 4 und einem Verstärker 5.
  • Das Lasersystem gemäß 1 funktioniert so, dass der passiv gütegeschaltete Laser 1 in Form eines Mikrochiplasers Ausgangslaserpulse einer mittleren Leistung von 100 mW, einer Pulsdauer von ca. 100 ps und einer Pulsfolgefrequenz von ca. 300 kHz bei einer Wellenlänge von ca. 1064 nm emittiert. Unter Annahme einer Gauß-förmigen Pulsform in der Nähe des Transformationslimits besitzt der Laserpuls bei der Pulsdauer von 100 ps eine spektrale Halbwertsbreite von 17 pm. Die Laserpulse propagieren anschließend in einer 3 m langen Single-Mode-Faser mit einem Modenfelddurchmesser von 6 µm. Die Single-Mode-Faser wirkt als spektral verbreiterndes Element 2 und verbreitert das Spektrum auf eine Bandbreite von ca. 1 nm. Das resultierende Spektrum ist in 2 dargestellt.
  • Die Laserpulse mit einer spektralen Bandbreite von nunmehr 1 nm werden anschließend auf das spektral filternde Element 3 gegeben, welches ein Nd:YAG-Verstärker mit einer Verstärkungsbandbreite von 0,4 nm und einem Spitzenverstärkungsfaktor von 400 bei einer Zentralwellenlänge von 1064 nm ist. Die spektrale Filterung mittels der gegenüber dem Eingangspuls geringeren Verstärkungsbandbreite des Verstärkers findet gleichzeitig mit der Verstärkung statt.
  • Der gefilterte Laserpuls weist nach dem spektral filternden Element 3 eine Pulsenergie von 13,5 µJ und eine mittlere Leistung von 4W auf. Die spektrale Bandbreite beträgt nun lediglich ca. 175 pm. Das zugehörige Spektrum ist in 3 dargestellt.
  • Die spektrale Filterung bewirkt gleichzeitig eine zeitliche Kompression des Laserpulses. Die Pulsdauer nach der spektralen Filterung beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 14 ps, sie wurde somit von eingangs 100 ps auf 14 ps verkürzt. Das Zeitsignal ist in 4 dargestellt.
  • Falls der Ausgangslaserpuls des Lasers 1 kein parabolischer Puls ist, entstehen bei der spektralen Verbreiterung in der optischen Faser 2 Modulationen, welche im Zeitbereich - auch nach der spektralen Filterung und Verstärkung - Nebenpulse verursachen. Diese Nebenpulse sind hier etwa 100 ps vom Hauptpuls entfernt und beinhalten etwa 10 % bis 20 % der Gesamtpulsenergie (4).
  • Durch einen sättigbaren Absorber 4 können die Nebenpulse weitgehend entfernt werden. Der sättigbare Absorber 4 reduziert die Energie im Nebenpuls relativ zum Hauptpuls bei einmaliger Anwendung um 1 bis 2 Größenordnungen. 5 veranschaulicht einen in der Art bereinigten Puls. 6 zeigt das zugehörige modulationsfreie Spektrum.
  • Ein alternativer Ansatz zur Vermeidung der Nebenpulse ist eine spektrale Filterung versetzt zur Zentralwellenlänge der spektral verbreiterten Pulse, beispielsweise durch gezielte Auswahl der äußersten Flügel des durch Selbstphasenmodulation verbreiterten Spektrums.
  • Nach dem sättigbaren Absorber 4 treffen die Laserpulse auf einen zusätzlichen Verstärker 5. Der Verstärker 5 ist im vorliegenden Beispiel baugleich mit dem spektral filternden Element 3. Alternativ könnte der Verstärker 5 jedoch auch ein Verstärker 5 mit einer größeren Verstärkungsbandbreite als die des spektral filternden Elementes 3 sein. Beispielsweise könnte der zuerst durchlaufene Verstärker 3 (d.h. das spektral filternde Element) ein Nd:YAG-Verstärker und der danach durchlaufene Verstärker 5 ein Nd:YVO-Verstärker sein. Eine solche zweistufige Verstärkung führt zu keiner signifikanten Veränderung der spektralen sowie zeitlichen Charakteristik.
  • Das Lasersystem gemäß 7 funktioniert ähnlich wie das Lasersystem gemäß 1. Die Ausgangslaserpulse des passiv gütegeschalteten Lasers 1 werden auch hier in einer optischen Faser als spektral verbreiterndes Element 2 durch Selbstphasenmodulation nichtlinear verbreitert. Diese spektral verbreiterten Laserpulse gelangen dann in das spektral filternde Element 3, welches ein passiver Filter, nämlich hier ein Interferenzfilter, ist. Der passive Filter hat eine Filterbandbreite, welche geringer als die spektrale Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist. Durch die spektrale Filterung innerhalb des spektral filternden Elementes 3 wird der Laserpuls zeitlich komprimiert.
  • Anschließend können die zeitlich komprimierten Pulse optional - wie in 1 - durch einen sättigbaren Absorber 4, einen Verstärker 5 und/oder weitere optionale pulsformende Elemente (nicht dargestellt) geführt werden.

Claims (13)

  1. Lasersystem mit einem gepulsten Laser (1), gekennzeichnet durch - ein spektral verbreiterndes Element (2), welches die Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers (1) durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert, und - ein spektral filterndes Element (3), welches die spektral verbreiterten Laserpulse durch spektrale Filterung zeitlich komprimiert.
  2. Lasersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laser (1) longitudinal einmodige Laserpulse aufweist.
  3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral verbreiternde Element (2) eine optische Faser, insbesondere eine optische Single-Mode-Faser ist.
  4. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral verbreiternde Element (2) eine Wellenleiterstruktur ist.
  5. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Breite der spektral verbreiterten Laserpulse mindestens das fünffache der spektralen Breite der Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers (1) beträgt.
  6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Verstärkerstufen (5), insbesondere faseroptische Verstärkerstufen.
  7. Lasersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verstärkerstufen (5) als spektral verbreiterndes Element (2) wirken.
  8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral filternde Element (3) ein passives optisches Element aufweist.
  9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral filternde Element (3) ein nichtlineares optisches Element aufweist.
  10. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Bandbreite des Laserpulses nach dem spektral filternden Element (3) kleiner als 75 % der spektralen Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist.
  11. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral filternde Element (3) ein optischer Verstärker ist, welcher eine effektive Verstärkungsbandbreite kleiner als die spektrale Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses aufweist.
  12. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch ein zusätzliches Kompressionselement, welches die spektral verbreiterten Laserpulse oder die spektral gefilterten Laserpulse zeitlich komprimiert.
  13. Lasersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Kompressionselement ein Bragg-Gitter, ein transmittierendes oder reflektierendes Gitterpaar oder ein Prismenaufbau ist.
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