WO2011128087A2 - Lasersystem mit nichtlinearer kompression - Google Patents

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WO2011128087A2 PCT/EP2011/001859 EP2011001859W WO2011128087A2 WO 2011128087 A2 WO2011128087 A2 WO 2011128087A2 EP 2011001859 W EP2011001859 W EP 2011001859W WO 2011128087 A2 WO2011128087 A2 WO 2011128087A2
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pulse
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Alexander Steinmetz
Jens Limpert
Andreas TÜNNERMANN
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Fraunhofer-Gesellschaft Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.V. .
Friedrich-Schiller-Universität Jena
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    • H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium

Definitions

  • the invention relates to a laser system with a passively Q-switched laser, a spectrally broadening element and a compression element.
  • Laser systems of this type are intended to be used for generating ultrashort laser pulses.
  • only complex, mode-locked laser systems have been known to date that can achieve a pulse duration of less than 10 ps.
  • a simple and compact solution for generating laser pulses in the sub-10 ps range therefore holds considerable market potential.
  • Areas of application include high-precision micro-material processing, as the heat input into the material, which is reduced by a short pulse duration, has quality advantages - e.g. more precise edges when laser cutting - offers.
  • the mode-locked solid-state lasers known in the art are heretofore used as typical sources of ps pulses. They consist of a non-linear switch, e.g. a saturable semiconductor mirror, and dispersion compensation elements.
  • the passively Q-switched lasers according to the preamble of the invention are simply constructed, compact microchip lasers, which consist of a monolithic composite of saturable absorber, laser crystal and resonator mirror and are pumped by a simple optical system with a laser diode. In this way, pulses with pulse repetition frequencies of several 10 kHz to a few MHz can be generated at pulse durations between 50 ps and 200 ps. A pulse duration of less than 10 ps is not possible with these passively Q-switched lasers.
  • the passively Q-switched laser has a longitudinally single-mode output radiation which is spectrally broadened by means of the spectrally broadening element by self-phase modulation and is compressed in time by the compression element.
  • Self-phase modulation allows the spectral width of short laser pulses to be increased in such a way that a significantly shorter pulse duration is obtained by subsequent compensation of the phase terms.
  • Important here is the longitudinal single-mode emission of the Q-switched laser, ie the emission of a single, well-defined, longitudinal mode.
  • a subsequent compression of the spectral components newly generated by the self-phase modulation would not be possible or strongly affected by the background.
  • the subsequent compression of the pulses takes place by means of a dispersive element, which causes the pulse shortening.
  • An advantageous embodiment of a passively Q-switched laser is a passively Q-switched microchip laser. Due to their monolithic structure, the Microchip lasers are made extremely compact and are thus easy to integrate into a laser system.
  • a composite of a neodymium-doped vanadate crystal and a saturable semiconductor mirror is suitable. These lasers provide high-quality longitudinal single-mode radiation.
  • the passively Q-switched laser has a pulse duration which is less than 1 ns, less than 200 ps or less than 50 ps.
  • a passively Q-switched laser of this pulse duration provides a highly suitable output radiation in order subsequently to achieve a pulse duration of less than 10 ps by means of the spectral broadening and temporal compression according to the invention.
  • the spectral broadening element is a single-mode optical fiber.
  • self-phase modulation typically occurs during propagation of the pulses due to their small fiber diameter, resulting in undesirable spectral broadening of the guided radiation for most applications.
  • this non-linear effect of the single-mode fiber can also be used purposefully for the spectral broadening in the sense of the invention.
  • a similar effect can alternatively be achieved with a suitable waveguide structure.
  • the laser system has at least one optical amplifier.
  • the amplification of the laser pulse may be provided before or after the spectrally broadening element.
  • a gain is possible by a single optical amplifier or by several amplifier stages.
  • at least one optical amplifier can simultaneously act as a spectrally broadening element. It is conceivable in this sense, an optical amplifier fiber, which takes on both the task of gain and the spectral broadening by self-phase modulation.
  • the compression element is a Bragg grating.
  • the Bragg grating may be a chirped fiber optic Bragg Grid (FBG) or a chirped volume optical Bragg grating (VBG) be.
  • the compression element may also be a transmitting or reflecting grating pair or a prism structure.
  • conventional compression elements are used.
  • additional advantageous are optional elements which change the laser pulse with respect to its properties - such as pulse duration, pulse spacing, frequency, contrast, spectral composition - so that the characteristics and / or the quality of the output radiation of the laser system according to the invention are improved.
  • the laser system may comprise a pulse stretcher, by means of which the spectrally broadened radiation is stretched in time.
  • the laser system may comprise an element which divides the laser pulse in time, or else a frequency-converting element which improves the pulse contrast or a spectrally filtering element. All elements can be installed individually or in combination with each other in the laser system.
  • the laser system according to the invention can also be traversed several times by the output radiation of the passively Q-switched laser.
  • the spectrally broadened and temporally compressed radiation is in turn spectrally broadened by means of the spectrally broadening element by self-phase modulation and compressed in time by the compression element.
  • the pulses compressed in a first stage to ⁇ 10 ps pulse duration can be compressed by means of a second stage to a pulse duration of, for example, ⁇ 1 ps.
  • Figure 1 is a sketch of the structure of the laser system according to the invention.
  • FIG. 3 Wavelength spectrum of the pulse
  • Figure 4 wavelength spectrum of the pulse after the spectral broadening
  • FIG. 5 shows the time course of the pulse after the temporal compression
  • Figure 6/7 further embodiments of inventive laser systems.
  • FIG. 1 schematically shows a laser system which consists of a laser 1, an amplifier 2, a spectrally broadening element 3 and a compression element 4.
  • the laser 1 is a microchip laser.
  • the amplifier 2 is an optical amplifier in the form of a nonlinear fiber amplifier.
  • a single-mode fiber forms the spectrally broadening element 3.
  • the compression element 4 is a grid compressor of a grid pair.
  • the laser system consists of a laser 1, an amplifier 2, which is simultaneously the spectrally broadening element 3, and a compression element 4.
  • the spectrally broadening amplifier 2, 3 can be an optical fiber which amplifies the laser pulse of the laser 1 and simultaneously spectrally broadened it by self-phase modulation.
  • the compression element 4 is a volume Bragg grating (VBG), a grating pair or a prism arrangement.
  • FIG. 7 shows a construction of a laser 1, a spectrally broadening element 3 in the form of a waveguide or an optical fiber, a temporal pulse stretcher 5 - this may likewise be a VBG or grating pair -, an amplifier 2 (eg fiber with or without self-phase modulation) and a compression element 4.
  • the invention according to FIG. 1 functions so that the passively Q-switched microchip laser 1 serves as a signal source for the subsequent one Fiber amplifier 2 is used.
  • the microchip laser 1 emits an average power of 50 mW with a pulse duration of 150 ps and a pulse repetition frequency of 332 kHz.
  • the fiber amplifier 2 consists of a 2.2 m long ytterbium-doped double-core fiber with an active core diameter of 40 ⁇ m. He increases the average power to about 1 watt.
  • the spectral broadening element 3 is a 3 m long passive fiber with a core diameter of 10 pm. Self-phase modulation within the fiber increases the spectral width from originally less than 0.02 nm to 0.53 nm.
  • a compression element 4 is a conventional grid compressor consisting of a parallel grid pair with a grating line number of 1.740 / mm and a grid spacing of 0.11 m.
  • the laser system according to this embodiment could compress the 150 ps long output pulse to an auto-correlation width of 8.8 ps. This corresponds to a pulse duration of approx. 6 ps.
  • FIG. 2 shows the 150 ps long output pulse of the microchip laser 1. It has a spectral half-value width of 50 ⁇ m, shown in FIG. 3, before broadening by the spectrally broadening element 3. In FIG. 4, the emission then has a spectral width of 0.53 nm on.
  • the autocorrelation measurement gives a pulse duration of the compressed pulse of about 6 ps (see FIG. 5).
  • the invention according to FIG. 6 functions similarly to FIG. 1.
  • the passively Q-switched microchip laser 1 also serves as the signal source for the laser system.
  • the emitted laser pulse is coupled into an optical fiber 2, 3, which amplifies it on the one hand as an optical amplifier fiber and on the other spectrally broadened by self-phase modulation due to their non-linear properties.
  • the now amplified and spectrally broadened laser pulse then strikes a volume Bragg grating 4, where it is compressed in time to less than 10 ps pulse duration.
  • the laser pulse emitted by the Q-switched microchip laser 1 is coupled into an optical fiber 3, where it undergoes spectral broadening due to self-phase modulation.
  • a Bragg grating provides as a pulse stretcher 5 for a temporal Extension of the pulse.
  • the time-stretched pulse is then amplified by the amplifier fiber 2 and compressed in the fiber Bragg grating 4.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem passiv gütegeschalteten Laser (1), einem spektral verbreiternden Element (3) und einem Kompressionselement (4). Lasersysteme dieser Art werden zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse verwendet. Die im Stand der Technik bekannten Systeme, modengekoppelte Festkörperlaser, ermöglichen die Erzeugung von Laserpulsen im sub-10 ps-Bereich nur mit komplizierten und justageempfindlichen Freistrahlbauten. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem zu schaffen, welches Pulsdauern unter 10 ps erzeugt und zugleich einfach und kompakt zu fertigen ist. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass der passiv gütegeschaltete Laser (1) eine longitudinal einmodige Ausgangsstrahlung aufweist, welche mittels des spektral verbreiternden Elementes (3) durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das Kompressionselement (4) zeitlich komprimiert wird.

Description

Lasersvstem mit nichtlinearer Kompression Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem passiv gütegeschalteten Laser, einem spektral verbreiternden Element und einem Kompressionselement.
Lasersysteme dieser Art sollen zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse verwendet werden. Im Stand der Technik sind bisher nur aufwendige, 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 den Verstärkerstufen ein Pulspicker (z.B. eine Pockelszelle) eingesetzt, welcher die Pulsfolgefrequenz in den für die Applikation benötigten
BESTÄTIGUNGSKOPIE Bereich reduziert. Insgesamt sind die modengekoppelten Lasersysteme stets empfindliche Freistrahlaufbauten, wodurch sie nur bedingt für den kommerziellen Gebrauch geeignet sind.
Die passiv gütegeschalteten Laser gemäß dem Oberbegriff der Erfindung sind einfach aufgebaute, kompakte Mikrochiplaser, welche aus einem monolithischen 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 passiv gütegeschalteten 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 zu fertigen ist. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass der passiv gütegeschaltete Laser eine longitudinal einmodige Ausgangsstrahlung aufweist, welche mittels des spektral verbreiternden Elementes durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das Kompressionselement zeitlich komprimiert wird. Durch Selbstphasenmodulation (SPM) lässt sich die spektrale Breite kurzer Laserpulse so vergrößern, dass sich durch anschließende Kompensation der Phasenterme eine deutlich verkürzte Pulsdauer ergibt. Wichtig ist hierbei die longitudinal einmodige Emission des gütegeschalteten Lasers, d.h. die Emission einer einzelnen, wohl definierten, longitudinalen Mode. Würden mehrere longitudinale Moden mit statistischer Phasenbeziehung zur Emission beitragen, wäre eine anschließende Kompression der durch die Selbstphasenmodulation neu erzeugten spektralen Anteile nicht möglich bzw. stark untergrundbehaftet. Die anschließende Kompression der Pulse erfolgt mittels eines dispersiven Elementes, welches die Pulsverkürzung bewirkt. Eine vorteilhafte Ausführung eines passiv gütegeschalteten Lasers ist ein passiv gütegeschalteter Mikrochiplaser. Durch ihren monolithischen Aufbau können die Mikrochiplaser äußerst kompakt gefertigt werden und sind somit unkompliziert in ein Lasersystem zu integrieren.
Als Mikrochiplaser eignet sich insbesondere ein Verbund aus einem Neodym dotierten Vanadat-Kristall und einem sättigbaren Halbleiterspiegel. Diese Laser bieten eine longitudinal einmodige Strahlung hoher Güte.
Vorteilhaft weist der passiv gütegeschaltete Laser eine Pulsdauer auf, welche kleiner als 1 ns, kleiner als 200 ps oder kleiner als 50 ps ist. Ein passiv gütegeschalteter Laser dieser Pulsdauer stellt eine bestens geeignete Ausgangsstrahlung zur Verfügung, um anschließend mittels der erfindungsgemäßen spektralen Verbreiterung und zeitlichen Komprimierung eine Pulsdauer kleiner als 10 ps zu erreichen.
Es wird vorgeschlagen, dass das spektral verbreiternde Element eine optische Single-mode-Faser ist. In einer Single-mode-Faser tritt während der Propagation der Pulse aufgrund ihres geringen Faserdurchmessers üblicherweise Selbstphasenmodulation auf, welche in einer - für die meisten Anwendungen - ungewünschten spektralen Verbreiterung der geführten Strahlung resultiert. Dieser nichtlineare Effekt der Single-mode-Faser lässt sich aber auch im Sinne der Erfindung gezielt für die spektrale Verbreiterung nutzen. Ein ebensolcher Effekt lässt sich alternativ auch mit einer geeigneten Wellenleiterstruktur erreichen.
Vorteilhaft weist das Lasersystem mindestens einen optischen Verstärker auf. Die Verstärkung des Laserpulses kann vor oder auch nach dem spektral verbreiternden Element vorgesehen sein. Eine Verstärkung ist dabei durch einen einzelnen optischen Verstärker oder auch durch mehrere Verstärkerstufen möglich. Ebenso kann mindestens ein optischer Verstärker gleichzeitig als spektral verbreiterndes Element wirken. Denkbar ist in diesem Sinne eine optische Verstärkerfaser, welche sowohl die Aufgabe der Verstärkung als auch die der spektralen Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation übernimmt.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Kompressionselement ein Bragg-Gitter ist. Das Bragg-Gitter kann beispielsweise ein gechirptes faseroptisches Bragg- Gitter (FBG) oder auch ein gechirptes volumenoptisches Bragg-Gitter (VBG) sein. Ebenso kann das Kompressionselement auch ein transmittierendes oder reflektierendes Gitterpaar oder ein Prismenaufbau sein. Somit sind auch konventionelle Kompressionselemente verwendbar. 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 verbreiterte Strahlung zeitlich gestreckt wird. Weiterhin kann das Lasersystem ein Element aufweisen, welches den Laserpuls zeitlich teilt, oder auch ein frequenzkonvertierendes, ein den Pulskontrast verbesserndes oder ein spektral filterndes Element. Alle Elemente können einzeln oder auch in Kombination miteinander im Lasersystem verbaut werden.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Lasersystem auch mehrfach von der Ausgangsstrahlung des passiv gütegeschalteten Lasers durchlaufen werden. Hierbei wird die spektral verbreiterte und zeitlich komprimierte Strahlung wiederum mittels des spektral verbreiternden Elementes durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das Kompressionselement zeitlich komprimiert. Mit einem solchen mehrstufigen Aufbau lassen sich die in einer ersten Stufe auf <10 ps Pulsdauer komprimierten Pulse mittels einer zweiten Stufe auf eine Pulsdauer von beispielsweise <1 ps komprimieren. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Skizze des Aufbaus des erfindungsgemäßen Lasersystems;
Figur 2 zeitlicher Verlauf eines Pulses
Mikrochiplasers; Figur 3: Wellenlängenspektrum des Pulses
Mikrochiplasers;
Figur 4: Wellenlängenspektrum des Pulses nach der spektralen Verbreiterung;
Figur 5: zeitlicher Verlauf des Pulses nach der zeitlichen Kompression;
Figur 6/7: weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lasersysteme.
In Figur 1 ist schematisch ein Lasersystem dargestellt, welches aus einem Laser 1 , einem Verstärker 2, einem spektral verbreiternden Element 3 und einem Kompressionselement 4 besteht. Der Laser 1 ist hierbei ein Mikrochiplaser. Der Verstärker 2 ist ein optischer Verstärker in Form eines nichtlinearen Faserverstärkers. Eine Single-mode-Faser bildet das spektral verbreiternde Element 3. Das Kompressionselement 4 ist ein Gitterkompressor aus einem Gitterpaar.
In Figur 6 besteht das Lasersystem aus einem Laser 1 , einem Verstärker 2, welcher gleichzeitig das spektral verbreiternde Element 3 ist, und einem Kompressionselement 4. Hierbei kann der spektral verbreiternde Verstärker 2, 3 eine optische Faser sein, welche den Laserpuls des Lasers 1 verstärkt und ihn gleichzeitig durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert. Das Kompressionselement 4 ist ein Volumen-Bragg-Gitter (VBG), ein Gitterpaar oder eine Prismenanordnung.
Figur 7 zeigt einen Aufbau aus einem Laser 1 , einem spektral verbreiternden Element 3 in Form eines Wellenleiters oder einer optischen Faser, einem zeitlichen Pulsstrecker 5 - dieser kann ebenfalls ein VBG oder Gitterpaar sein -, einem Verstärker 2 (z.B. Faser mit oder ohne Selbstphasenmodulation) und einem Kompressionselement 4.
Die Erfindung gemäß Figur 1 funktioniert im Einzelnen so, dass der passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser 1 als Signalquelle für den anschließenden Faserverstärker 2 dient. Der Mikrochiplaser 1 emittiert eine mittlere Leistung von 50 mW bei einer Pulsdauer von 150 ps und einer Pulsfolgefrequenz von 332 kHz. Der Faserverstärker 2 besteht aus einer 2,2 m langen Ytterbiumdotierten Doppelkernfaser mit einem aktiven Kerndurchmesser von 40 μιη. Er erhöht die mittlere Leistung auf ca. 1 Watt. Das spektral verbreiternde Element 3 ist eine 3 m lange passive Faser mit einem Kerndurchmesser von 10 pm. Durch die Selbstphasenmodulation innerhalb der Faser wird die spektrale Breite von ursprünglich weniger als 0,02 nm auf 0,53 nm erhöht. Als Kompressionselement 4 dient ein konventioneller Gitterkompressor bestehend aus einem parallelen Gitterpaar mit einer Gitterstrichzahl von 1.740 /mm und einem Gitterabstand von 0,11 m. Im Experiment konnte das Lasersystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel den 150 ps langen Ausgangspuls auf eine Autokorrelationsbreite von 8,8 ps komprimieren. Dies entspricht einer Pulsdauer von ca. 6 ps. Figur 2 zeigt den 150 ps langen Ausgangspuls des Mikrochiplasers 1. Dieser besitzt vor der Verbreiterung durch das spektral verbreiternde Element 3 eine spektrale Halbwertsbreite von 50 pm, dargestellt in Figur 3. In Figur 4 weist die Emission anschließend eine spektrale Breite von 0,53 nm auf. Die Autokorrelationsmessung ergibt eine Pulsdauer des komprimierten Pulses von ca. 6 ps (siehe Figur 5).
Die Erfindung gemäß Figur 6 funktioniert ähnlich wie in Figur 1. Der passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser 1 dient auch hier als Signalquelle für das Lasersystem. Der emittierte Laserpuls wird in eine optische Faser 2, 3 eingekoppelt, welche ihn zum einen als optische Verstärkerfaser verstärkt und zum anderen aufgrund ihrer nichtlinearen Eigenschaften durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert. Der nun verstärkte und spektral verbreiterte Laserpuls trifft anschließend auf ein Volumen-Bragg-Gitter 4, wo er zeitlich auf unter 10 ps Pulsdauer komprimiert wird.
In dem Lasersystem gemäß Figur 7 wird der vom gütegeschalteten Mikrochiplaser 1 emittierte Laserpuls in eine optische Faser 3 eingekoppelt, wo er aufgrund von Selbstphasenmodulation eine spektrale Verbreiterung erfährt. Anschließend sorgt ein Bragg-Gitter als Pulsstrecker 5 für eine zeitliche Streckung des Pulses. Der zeitlich gestreckte Puls wird sodann mittels der Verstärkerfaser 2 verstärkt und in dem Faser-Bragg-Gitter 4 komprimiert.

Claims

Patentansprüche
1. Lasersystem mit einem passiv gütegeschalteten Laser (1), einem spektral verbreiternden Element (3) und einem Kompressionselement (4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der passiv gütegeschaltete Laser (1) eine longitudinal einmodige Ausgangsstrahlung aufweist, welche mittels des spektral verbreiternden Elementes (3) durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das Kompressionselement (4) zeitlich komprimiert wird. 2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der passiv gütegeschaltete Laser (1) ein Mikrochiplaser ist.
3. Lasersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrochiplaser (1) einen Neodym dotierten Vanadat-Kristall und einen sättigbaren Halbleiterspiegel aufweist. 4. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der passiv gütegeschaltete Laser (1) eine Pulsdauer kleiner als 1 ns aufweist.
5. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der passiv gütegeschaltete Laser (1) eine Pulsdauer kleiner als 200 ps aufweist.
6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der passiv gütegeschaltete Laser (1) eine Pulsdauer kleiner als 50 ps aufweist.
7. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral verbreiternde Element (3) eine optische Single-Mode-Faser ist.
8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral verbreiternde Element (3) eine
Wellenleiterstruktur ist.
9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens einen optischen Verstärker (2).
10. Lasersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein optischer Verstärker (2) als spektral verbreiterndes Element (3) wirkt.
11. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionselement (4) ein Bragg-Gitter ist.
12. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompressionselement (4) ein transmittierendes oder reflektierendes Gitterpaar oder ein Prismenaufbau ist. 3. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch einen Pulsstrecker, mittels welchem die spektral verbreiterte Strahlung zeitlich gestreckt wird. 14. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch ein den Laserpuls zeitlich teilendes Element.
15. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein frequenzkonvertierendes Element.
16. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch ein den Pulskontrast verbesserndes Element.
17. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch ein spektral filterndes Element.
18. Verwendung eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 17 für die Erzeugung ultrakurzer Laserpulse.
19. Verwendung eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die spektral verbreiterte und zeitlich komprimierte Strahlung mittels des spektral verbreiternden Elementes (3) durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das Kompressionselement (4) zeitlich komprimiert wird.
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Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2989475B1 (fr) * 2012-04-12 2014-12-05 Amplitude Systemes Systeme et procede d'amplification optique d'impulsions lumineuses ultra-breves au-dela de la limite de la bande spectrale de gain
US10985519B2 (en) 2017-06-21 2021-04-20 Institut National D'optique Active LMA optical fiber and laser system using the same
AT521942B1 (de) 2018-12-14 2022-09-15 Daniel Kopf Dr Gütegeschalteter Festkörperlaser
AT522108B1 (de) * 2019-01-31 2022-09-15 Montfort Laser Gmbh Passiv gütegeschalteter Festkörperlaser
FR3118331B1 (fr) 2020-12-23 2022-11-25 Ilasis Laser Système laser à fibre optique à impulsion picoseconde de forte énergie accordable en durée et utilisation d’un tel système laser

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7330301B2 (en) * 2003-05-14 2008-02-12 Imra America, Inc. Inexpensive variable rep-rate source for high-energy, ultrafast lasers
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
JP5469861B2 (ja) 2005-04-14 2014-04-16 コーネル リサーチ ファウンデーション，インコーポレーティッド チャープパルスファイバ増幅器
FR2917544A1 (fr) 2007-06-15 2008-12-19 Amplitude Systemes Sa Source d'impulsions lumineuses ultrabreves de forte energie
FR2926406B1 (fr) 2008-01-16 2010-01-15 Amplitude Systemes Amplificateur a fibre a derive de frequence a compensation non lineaire
GB0802562D0 (en) * 2008-02-12 2008-03-19 Fianium Ltd A source of femtosecond laser pulses

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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