DE10049275A1 - Einrichtung und Verfahren zur Verstärkung kurzer, insbesondere ultrakurzer Laserpulse - Google Patents

Abstract

Eine Einrichtung (2) zur Verstärkung kurzer, insbesondere ultrakurzer Laserpulse weist einen ersten Laseroszillator (4) und einen zweiten Laseroszillator (6) auf, wobei der erste Laseroszillator (4) und der zweite Laseroszillator (6) injektionsgekoppelt sind und wobei der erste Laseroszillator (4) ultrakurze Laserpulse in den zweiten Laseroszillator (6) einstrahlt. Die erfindungsgemäße Einrichtung (2) ist einfach und damit kostengünstig im Aufbau und ermöglicht eine hohe Verstärkung ultrakurzer Laserpulse. Der erste Laseroszillator (4), der vorzugsweise modengekoppelt arbeitet, kann hierbei eine geringe Ausgangsleistung im Milliwattbereich aufweisen, wobei die erfindungsgemäße Einrichtung (2) insgesamt eine Leistung von bis zu mehreren 10 Watt aufweisen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Verstärkung kurzer, insbesondere ultra­ kurzer Laserpulse.

Als ultrakurze Laserpulse werden im allgemeinen Laserpulse mit einer Dauer im ps- oder fs-Bereich be­ zeichnet.

Es ist eine Einrichtung zur Verstärkung ultrakur­ zer Laserpulse bekannt, die für den Einsatz in einem Großbildprojektions-Laserdisplaysystem vorgesehen ist und eine modengekoppelte Startlichtquelle mit minde­ stens 35 Watt Ausgangsleistung, 7 ps Pulsdauer und 80 MHz Pulswiederholrate erfordert. Bei der bekannten Ein­ richtung wird diese Leistung mit einem modengekoppelten Laseroszillator erzeugt, dessen Laserpulse in einem Multi-Paßverstärker mit bis zu 3 Hochleistungsverstär­ kerstufen verstärkt werden. Ein Nachteil der bekannten Einrichtung besteht darin, daß sie äußerst aufwendig im Aufbau und damit teuer in der Herstellung ist.

Es ist ferner bekannt, zur Verstärkung ultrakurzer Laserpulse Doppelkern-Faserverstärker einzusetzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Verstärkung ultrakurzer Laserpulse an­ zugeben, deren Aufbau vereinfacht ist und die damit kostengünstiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Einrichtung durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch 16 angegebene Lehre gelöst.

Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lehre be­ steht darin, das zur Verstärkung der Laserstrahlung von kontinuierlich emittierenden Lasern seit langem bekann­ te Prinzip der Injektionskopplung (injection locking) zur Verstärkung ultrakurzer Laserpulse heranzuziehen. Durch die Anwendung dieses Prinzips auf die Verstärkung ultrakurzer Laserpulse ist eine überraschend einfache Möglichkeit gegeben, ultrakurze Laserpulse mit geringem apparativem Aufwand hoch zu verstärken.

Das Prinzip der Injektionskopplung (injection locking) besteht darin, in einem Master-Laser ein La­ serlichtfeld mit kontrollierten Kohärenz-Eigenschaften zu erzeugen und das Licht des Master-Lasers in einen Slave-Laser zu injizieren, so daß das Laserlicht des Master-Lasers die Puls- und Strahleigenschaften des Slave-Lasers bestimmt. Der Master-Laser oder Master- Oszillator kann hierbei eine verhältnismäßig geringe Ausgangsleistung aufweisen, schafft aber hinsichtlich der Strahl-, Frequenz- und Stabilitätseigenschaften die benötigten Vorgaben. Durch Injektion der Strahlung des Master-Oszillators in einen als Hochleistungsoszillator ausgebildeten Slave-Laser oder Slave-Oszillator wird dieser in einen Modus gezwungen, in dem er nahezu zum Master-Oszillator identische Strahl-, Frequenz- und Stabilitätseigenschaften übernimmt, allerdings mit ei­ ner um bis zu mehrere Größenordnungen höheren Leistung.

Somit sind zur Verstärkung ultrakurzer Laserpulse im wesentlichen lediglich nur noch zwei Laseroszillato­ ren erforderlich, so daß die erfindungsgemäße Einrich­ tung einfach im Aufbau und damit kostengünstig her­ stellbar ist. Gegenüber bekannten Multipass-Verstärkern ist der Aufbau wesentlich vereinfacht und damit kosten­ günstiger gestaltet.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ein­ richtung besteht darin, daß der als Master-Oszillator arbeitende erste Oszillator eine geringe Ausgangslei­ stung aufweisen kann, um gleichwohl als Ausgangslei­ stung der Einrichtung eine Leistung von mehreren 10 Watt zu erreichen. Im Vergleich zu bekannten Einrich­ tungen, bei denen die Startlichtquelle eine weitaus höhere Leistung aufweist, ist auf diese Weise die Zu­ verlässigkeit der Einrichtung erhöht. Wenn die ultra­ kurzen Laserpulse in dem ersten Oszillator durch Moden­ kopplung erzeugt werden, kann eine Vielzahl von Moden­ kopplungsverfahren eingesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ein­ richtung besteht darin, daß im Vergleich zu dem bekann­ ten mehrstufigen Verstärkern die Strahlqualität der Ausgangsstrahlung verbessert ist. Dies beruht darauf, daß der Resonator des zweiten Laseroszillators die Strahlqualität der von dem ersten Laseroszillator er­ zeugten Laserstrahlung in der Regel verbessert.

Gegenüber Doppelkern-Faserverstärkern bestehen weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung dar­ in, daß die Ausgangsstrahlung einen hohen Polarisa­ tionsgrad aufweist und die Polarisation zeitlich nahezu temperatur- und leistungsunabhängig stabil ist.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist vielfältig einsetzbar. Besonders gut ist sie in der Laserdisplay- Technologie anwendbar, beispielsweise zum Aufbau von Großbildprojektion-Laserdisplaysystemen.

Die Erzeugung der kurzen, insbesondere ultrakurzen Laserpulse in dem ersten Laseroszillator kann auf be­ liebige geeignete Weise erfolgen, beispielsweise durch "gain switching" einer Laserdiode. Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß der erste Laseroszillator modengekoppelt ar­ beitet. Eine Modenkopplung des ersten Laseroszillators ermöglicht auf einfache Weise eine Erzeugung kurzer, insbesondere ultrakurzer Laserpulse. Die Modenkopplung kann durch "self-mode-locking" oder durch aktive Moden­ kopplungsverfahren, beispielsweise unter Verwendung eines elektrooptischen oder elektroakustischen Modula­ tors, oder durch passive Modenkopplungsverfahren, bei­ spielsweise unter Verwendung eines sättigbaren Absor­ bers, erzielt werden.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß der zweite La­ seroszillator an den ersten Laseroszillator injek­ tionskgekoppelt ist, derart, daß der erste Laseroszil­ lator einen Master-Oszillator und der zweite Laseros­ zillator einen Slave-Oszillator bildet. Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher und gegen Betriebsstörungen unanfälliger Aufbau bei gleichzeitig hoher Strahlquali­ tät in der aus der Einrichtung ausgekoppelten Ausgangs­ strahlung.

Es ist jedoch auch möglich, daß der erste Laser­ oszillator und der zweite Laseroszillator gegenseitig injektionsgekoppelt sind, wie dies eine andere Weiter­ bildung vorsieht.

Um eine gleiche Umlaufzeit der Laserpulse in dem Resonator des ersten Laseroszillators und dem Resonator des zweiten Laseroszillators zu erzielen und so die Injektionskopplung aufrechtzuerhalten, ist es grund­ sätzlich ausreichend, die optischen Längen der Resona­ toren aneinander angepaßt zu wählen und während des Betriebs der Einrichtung unverändert zu lassen. Wenn optische oder mechanische Einflüsse auf die Resonatoren während des Betriebs der Einrichtung zu einer Veränderung der optischen Längen der Resonatoren führen, so ist es zweckmäßig, die Resonatorlängen zu stabilisie­ ren. Hierzu sieht eine vorteilhafte Weiterbildung vor, daß wenigstens ein Resonator der Laseroszillatoren län­ genveränderbar ist, daß Anpassungsmittel zur Anpassung der Längen des Resonators des ersten Laseroszillators und des Resonators des zweiten Laseroszillators anein­ ander vorgesehen sind und daß Steuermittel zur Ansteue­ rung der Anpassungsmittel vorgesehen sind. Bei dieser Ausführungsform werden die optischen Längen der Resona­ toren während des Betriebs der Einrichtung aneinander angepaßt, so daß auch bei zu einer Veränderung der op­ tischen Längen der Resonatoren führenden thermischen, mechanischen bzw. optischen Einflüssen stets die Um­ laufzeiten der Laserpulse in dem Resonator des ersten Laseroszillators und dem Resonator des zweiten Lase­ roszillators gleich sind und die Injektionskopplung damit aufrechterhalten bleibt. Hierbei können die An­ passungsmittel auf den Resonator des zweiten Laseros­ zillators einwirken und dessen optische Länge an eine sich durch thermische oder mechanische Einflüsse ver­ ändernde optische Länge des Resonators des ersten Lase­ roszillators anpassen. Die Anpassungsmittel können je­ doch auch auf den Resonator des ersten Laseroszillators oder auf die Resonatoren beider Laseroszillatoren ein­ wirken. Die Anpassung der optischen Längen der Resona­ toren kann auch dadurch erfolgen, daß die Anpassungs­ mittel die Länge jedes Resonators unabhängig von der Länge des anderen Resonators stabilisieren. Durch die Anpassungsmittel ist ein gegen thermische und mecha­ nische Störungen unempfindlicher Betrieb der Einrich­ tung gewährleistet. Die Steuermittel können hierbei in beliebiger geeigneter Weise ausgebildet sein, bei­ spielsweise unter Verwendung einer analog oder digital arbeitenden elektrischen oder elektronischen Schaltung. Es ist jedoch auch möglich, mechanisch arbeitende Steu­ ermittel vorzusehen, beispielsweise nach Art eines Dehnungselementes zum Ausgleich von Längenveränderungen aufgrund thermischer Einflüsse.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Aus­ führungsform mit den Anpassungsmitteln sieht vor, daß die Anpassungsmittel wenigstens ein durch die Steuer­ mittel ansteuerbares Piezoelement aufweisen, an dem ein erster Spiegel des längenveränderbaren Resonators an­ geordnet ist, derart, daß sich durch Ansteuerung des Piezoelementes der Abstand in Strahlrichtung der Laser­ pulse des ersten Spiegels von einem zweiten Spiegel des Resonators verändert. Da Piezoelemente als einfache und kostengünstige Standardbauteile zur Verfügung stehen, ergibt sich auf diese Weise ein einfacher und kosten­ günstiger Aufbau. Außerdem ermöglichen Piezoelemente eine besonders schnelle Veränderung der Länge der Reso­ natoren. Der an dem Piezoelement angeordnete Spiegel kann ein Endreflektor des Resonators oder ein im Inne­ ren des Resonators angeordneter Spiegel sein.

Insbesondere dann, wenn der an dem Piezoelement angeordnete Spiegel ein teildurchlässiger Endreflektor ist, ist es zweckmäßig, daß das Piezoelement im wesent­ lichen ringförmig mit einer Öffnung ausgebildet ist, in der der erste Spiegel gehalten ist. Auf diese Weise ist ein Durchtritt des Laserstrahles durch den in der Öff­ nung des Piezoelementes angeordneten Spiegel er­ möglicht.

Eine besonders einfache Möglichkeit zum Gewähr­ leisten einer gleichen Umlaufzeit der Laserpulse in den Resonatoren der Laseroszillatoren zu gewährleisten, besteht darin, die Pulswiederholraten der Laserpulse in den beiden Laseroszillatoren festzustellen und bei Abweichungen aneinander anzugleichen. Hierzu sieht eine vorteilhafte Ausführungsform vor, daß die Steuermittel eine erste Pulswiederholrate des von dem ersten Lase­ roszillator erzeugten und in den zweiten Laseroszilla­ tor eingestrahlten Laserpulse mit einer zweiten Puls­ wiederholrate der in dem zweiten Laseroszillator er­ zeugten Laserpulse vergleichen und die Anpassungsmittel derart ansteuern, daß diese die Länge des längenver­ änderbaren Resonators derart anpassen, daß die erste Pulswiederholrate im wesentlichen der zweiten Pulswie­ derholrate entspricht. Auf diese Weise kann auf eine aufwendige Pound-Drever-Resonatorlängenstabilisierung, wie sie bei einem kontinuierlichen Betrieb injektions­ gekoppelter Laser verwendet wird, verzichtet werden.

Eine besonders einfache und damit kostengünstige Anordnung zum Vergleich der Pulswiederholraten besteht darin, daß ein Teilstrahl der von dem ersten Laseros­ zillator erzeugten Laserstrahlung einer ersten Fotodio­ de und ein Teilstrahl der von dem zweiten Laseroszilla­ tor erzeugten Laserstrahlung einer zweiten Fotodiode zugeleitet wird und daß die Ausgänge der Fotodioden mit den Steuermitteln verbunden sind, derart, daß die Steu­ ermittel die Pulswiederholraten aus den Ausgangssigna­ len der Fotodioden ermitteln.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfin­ dungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß wenigstens ei­ ner der Laseroszillatoren Kompensationsmittel zur Kom­ pensation der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) aufweist. Auf diese Weise ist eine zeitliche Verbreite­ rung der Laserpulse verhindert. Außerdem ist eine ge­ zielte Einstellung der Modenabstände ermöglicht.

Eine besonders einfache und damit kostengünstige Ausgestaltung der Kompensationsmittel besteht darin, daß diese wenigstens ein Prisma und/oder wenigstens einen gechirpten Spiegel aufweisen, wie dies eine Wei­ terbildung vorsieht.

Zur Erzielung eines einfachen und kompakten Auf­ baus kann die Einkopplung der von dem ersten Laseros­ zillator erzeugten Laserstrahlung in den zweiten Laser­ oszillator und die Auskopplung der von dem zweiten La­ seroszillator erzeugten Laserstrahlung über denselben Spiegel erfolgen, da dann in dem zweiten Laseroszilla­ tor zusätzliche Auskoppelmittel, beispielsweise in Form einer Kombination eines Polarisators mit einer Pockels­ zelle, nicht erforderlich sind. Um bei dieser Ausfüh­ rungsform die Laserstrahlung des ersten Laseroszilla­ tors von der Laserstrahlung des zweiten Laseroszilla­ tors zu trennen, sieht eine Weiterbildung vor, daß zwi­ schen dem ersten Laseroszillator und dem zweiten Laser­ oszillator ein optischer Isolator angeordnet ist, der in Strahlrichtung der aus dem ersten Laseroszillator austretenden Laserstrahlung durchlässig ist und in Strahlrichtung der aus dem zweiten Laseroszillator aus­ tretenden Laserstrahlung sperrt.

Zweckmäßigerweise weist bei der vorgenannten Aus­ führungsform der optische Isolator einen Polarisator und einen Faraday-Dreher auf. Auf diese Weise ergibt sich ein einfacher und damit kostengünstiger Aufbau.

Um ohne Drehung des optischen Isolators eine Dre­ hung der Polarisationsebene zu ermöglichen, sieht eine andere Weiterbildung vor, daß in Strahlrichtung zwi­ schen dem ersten Laseroszillator und dem optischen Iso­ lator eine Halbwellenplatte angeordnet ist.

Zur Erzeugung und Verstärkung der Laserpulse in den beiden Laseroszillatoren kann ein beliebiges ge­ eignetes Verstärkungsmedium verwendet werden. Zweck­ mäßigerweise weist der erste Laseroszillator und/oder der zweite Laseroszillator einen Ti:Saphir-, einen ND:YVO₄-, einen Nd:YLF-, einen Nd:YAG-, einen Cr:LiSAF-, einen Cr:LiCAF-, einen Cr:LiSGAF-Laser oder ein laser­ lichtverstärkendes Halbleitermedium auf. Derartige Ver­ stärkungsmedien eignen sich besonders gut zur Erzeugung und Verstärkung kurzer oder ultrakurzer Laserpulse.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprü­ chen 17 bis 28 angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungs­ beispiele dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 ein stark schematisiertes Blockschalt­ bild eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 2 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung,

Fig. 3 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 4 in gleicher Darstellung wie Fig. 1 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung.

In den Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. sich entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugs­ zeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 2 zur Verstärkung ultra­ kurzer Laserpulse dargestellt, die einen ersten Laser­ oszillator 4 und einen zweiten Laseroszillator 6 auf­ weist. Erfindungsgemäß sind der erste Laseroszillator 4 und der zweite Laseroszillator 6 injektionsgekoppelt, wobei der erste Laseroszillator 4 den Master-Oszillator und der zweite Laseroszillator 6 den Slave-Oszillator bildet.

Der erste Laseroszillator 4 ist in Fig. 1 nicht näher dargestellt. Er kann beispielsweise einen dioden­ gepumpten Laser aufweisen, der ultrakurze Laserpulse mit einer Pulswiederholrate von ungefähr 100 MHz bei einer Ausgangsleistung von 20 Milliwatt bei 350 Milli­ watt absorbierter Pumpleistung erzeugen kann. Zur Er­ zeugung der ultrakurzen Laserpulse arbeitet der erste Laseroszillator 4 modengekoppelt; sein Resonator kann beispielsweise eine X-Anordnung sein und zum Beginnen und Stabilisieren der Modenkopplung einen breitbandigen sättigbaren Halbleiter-Absorberspiegel (SESAM = semi­ conductor saturable absorber mirror) aufweisen. Zur Dispersionskompensation kann der erste Laseroszillator beispielsweise ein Prismenpaar aufweisen. Bei diesem Aufbau kann der erste Laseroszillator 4 beispielsweise Pulse mit einer Dauer von 180 fs bei 862 nm erzeugen.

Der zweite Laseroszillator 6 weist bei diesem Aus­ führungsbeispiel einen endgepumpten Laserkristall 8 auf, der mittels eines Diodenlasers 10 pumpbar ist. Zur Modenanpassung des Pumpstrahles sind zwischen dem Dio­ denlaser 10 und dem Laserkristall 8 zwei Linsen 12, 14 angeordnet. Der zweite Laseroszillator 6 weist ferner einen ersten Spiegel 16 auf, der die in Richtung eines Pfeiles 18 in den Laserkristall 8 eingestrahlte Pump­ strahlung durchläßt, für in zu dem Pfeil 18 entgegen­ setzter Richtung einfallende Laserstrahlung jedoch hochreflektierend ist. Der Laserkristall 8 emittiert bei Betrieb Laserstrahlung in Form kurzer oder ultra­ kurzer Laserpulse, die aus dem Laserkristall 8 in Rich­ tung eines Pfeiles 20 austritt und auf einen hochreflektierenden Spiegel 22 mit negativem Krümmungsradius auftritt, der die Laserstrahlung auf einen hochreflek­ tierenden Spiegel 24 mit positivem Krümmungsradius lenkt. Der Spiegel 24 lenkt die Laserstrahlung auf ei­ nen hochreflektierenden Spiegel 26 mit negativem Krüm­ mungsradius, der die Laserstrahlung auf einen teil­ durchlässigen Auskoppelspiegel 28 mit negativem Krüm­ mungsradius lenkt. Der Spiegel 16, der Laserkristall 8 und die Spiegel 22, 24, 26, 28 bilden einen Resonator 30 des zweiten Laseroszillators 6. Die Spiegel 16, 22, 24, 26, 28 bilden hierbei ein resonatorinternes Teles­ kop ohne Zwischenfokus.

Um eine Injektionskopplung des zweiten Laseroszil­ lators 6 als Slave-Oszillator an den ersten Laseroszil­ lator 4 als Master-Oszillator zu erzielen und aufrecht­ zuerhalten, ist es zweckmäßig, die optischen Längen des Resonators 30 und des in der Zeichnung nicht dar­ gestellten Resonators des ersten Laseroszillators 4 aneinander anzupassen. Hierzu ist der Resonator 30, dessen geometrische Länge der Abstand in Strahlrichtung der Laserstrahlung des Spiegels 28 von dem Spiegel 16 ist, längenveränderbar, wobei Anpassungsmittel zur An­ passung der Länge des Resonators 30 des zweiten Laser­ oszillators 6 an die Länge des nicht dargestellten Re­ sonators des ersten Laseroszillators 4 vorgesehen sind. Die optischen Längen der Resonatoren berechnen sich gemäß der Formel

wobei L_opt die optische Länge, L die geometrische Länge und n der Brechungsindex der optischen Komponenten bzw. Freistrahlteilstrecken ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel sind die Anpassungs­ mittel dadurch gebildet, daß ein durch Steuermittel 32 ansteuerbares ringförmiges Piezoelement 34 vorgesehen ist, mit dem der Auskoppelspiegel 28 derart verbunden ist, daß dieser bei Ansteuerung des Piezoelementes 34 in Richtung eines Doppelpfeiles 36 hin- und herbeweg­ lich ist, so daß auf diese Weise der Abstand des Aus­ koppelspiegels 28 von dem Spiegel 16 und damit die op­ tische Länge des Resonators 30 einstellbar und an die optische Länge des Resonators des ersten Laseroszilla­ tors 4 anpaßbar ist.

Die Einkoppelung der von dem ersten Laseroszilla­ tor 4 erzeugten ultrakurzen Laserpulse und die Auskop­ pelung der verstärkten Laserpulse aus dem zweiten La­ seroszillator 6 erfolgt über einen optischen Isolator (optische Diode 36), der in an sich bekannter Weise aus einem Polarisator und einem Faraday-Dreher, der die Polarisationsebene um 45° dreht, besteht. Zur Kompensa­ tion der Drehung der Polarisationsebene um 45° durch den Faraday-Dreher ist dem Isolator 36 eine Halbwellen­ platte 38 vorgeschaltet.

Bei Betrieb der Einrichtung 2 emittiert der erste Laseroszillator 4 ultrakurze Laserpulse, die von einem hochreflektierenden Spiegel 40 auf die Halbwellenplatte 38 gelenkt werden und nach einer Drehung der Polarisa­ tionsebene um 45° in den optischen Isolator 36 eintre­ ten. Dem Isolator 36 ist ein hochreflektierender Spie­ gel 42 nachgeordnet, der die aus dem Isolator 36 aus­ tretenden Laserpulse 42 in den Resonator 30 des zweiten Laseroszillators 6 einkoppelt.

In dem Resonator 30 werden die Laserpulse ver­ stärkt und dann über den Auskoppelspiegel 28 aus dem Resonator 30 ausgekoppelt und von dem Spiegel 42 in den Isolator 36 eingekoppelt, aus dem sie an einem Ausgang 44 austreten und das Ausgangssignal der Einrichtung 2 bilden. Hierbei trennt der optische Isolator 36 das Ausgangssignal des zweiten Laseroszillators 6 von dem Ausgangssignal des ersten Laseroszillators 4, so daß eine Rückkopplung des Ausgangssignales des zweiten La­ seroszillators 6 in den ersten Laseroszillator 4 ver­ mieden ist. Der Auskoppelspiegel 28 ist bei diesem Aus­ führungsbeispiel in der Regel ein lineares Element, so daß bei jedem Resonatorumlauf prozentual ein Teil des internen Feldes des Resonators 30 ausgekoppelt wird.

Ein Teilstrahl der Ausgangsstrahlung des ersten Laseroszillators 4 wird einer Fotodiode 46 zugeleitet, während ein Teilstrahl der Ausgangsstrahlung des zwei­ ten Laseroszillators 6 einer Fotodiode 48 zugeleitet wird. Die Ausgänge der Fotodioden 46, 48 sind mit den Steuermitteln 32 verbunden, die anhand der Ausgangs­ signale der Fotodioden 46, 48 bei Betrieb der Einrich­ tung 2 fortlaufend die Pulswiederholrate des Ausgangs­ signales des ersten Laseroszillators 4 mit der Puls­ wiederholrate des Ausgangssignales des ersten Laseros­ zillators 6 ermitteln und miteinander vergleichen.

Zur Modenanpassung zwischen dem ersten Laseroszil­ lator 4 und dem zweiten Laseroszillator 6 sind bei die­ sem Ausführungsbeispiel zwei Linsen 50, 52 vorgesehen, die zwischen dem ersten Laseroszillator 4 und dem Spie­ gel 40 angeordnet sind.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrich­ tung 2 ist wie folgt: Bei Betrieb arbeitet der erste Laseroszillator 4 bei diesem Ausführungsbeispiel moden­ gekoppelt und erzeugt ultrakurze Laserpulse, beispiels­ weise mit einer Dauer von 180 fs bei 862 nm bei einer Ausgangsleistung von 20 Milliwatt und einer Wiederhol­ rate von etwa 100 MHz. Die von dem ersten Laseroszillator 4 erzeugten Laserpulse werden über den Spiegel 40, den optischen Isolator 36 und den Spiegel 42 in den Resonator 30 des zweiten Laseroszillators 6 eingekop­ pelt und während ihrer Umläufe in dem Resonator 30 ver­ stärkt. Hierbei pumpt der Diodenlaser 10 den Laserkri­ stall 8. Anstatt durch den Diodenlaser 10 kann der La­ serkristall 8 auch auf andere Weise gepumpt werden. In entsprechender Weise kann ein Laserkristall des ersten Laseroszillators 4 durch einen Diodenlaser oder auf andere Weise gepumpt werden.

Der erste Laseroszillator 4 und der zweite Lase­ roszillator 6 sind injektionsgekoppelt, so daß der er­ ste Laseroszillator 4 als Master-Oszillator und der zweite Laseroszillator 6 als Slave-Oszillator arbeitet. Um die Injektionskopplung zu erzielen, ist die optische Länge des Resonators 30 des zweiten Laseroszillators 6 an die optische Länge des nicht dargestellten Resona­ tors des ersten Laseroszillators 4 angepaßt, so daß die Umlaufzeiten der Laserpulse in den Resonatoren der La­ seroszillatoren 4, 6 übereinstimmen und damit ein von dem ersten Laseroszillator 4 in den zweiten Laseroszil­ lator 6 injizierter Laserpuls mit einem in dem zweiten Laseroszillator 6 vorhandenen Puls koinzident ist und die Pulswiederholraten der Laseroszillatoren 4, 6 über­ einstimmen.

Um die Pulswiederholrate des zweiten Laseroszilla­ tors 6 zu stabilisieren und ggf. fortlaufend an die Pulswiederholrate des ersten Laseroszillators 4 anzu­ passen, vergleichen die Steuermittel 32 während des Betriebs anhand der Ausgangssignale der Fotodioden 46, 48 fortlaufend die Pulswiederholraten. Falls die Puls­ wiederholrate des zweiten Laseroszillators 6 von der Pulswiederholrate des ersten Laseroszillators 4 ab­ weicht, so steuern die Steuermittel 32 das Piezoelement 34 an, so daß dieses den Spiegel 28 zur Veränderung der Länge des Resonators 30 verstellt. Die Ansteuerung er­ folgt derart, daß die Länge des Resonators 30 so ver­ ändert wird, daß sich die Pulswiederholrate des zweiten Oszillators 6 aufgrund der Veränderung der Länge seines Resonators 30 an die Pulswiederholrate des ersten La­ seroszillators 4 annähert, bis beide Pulswiederholraten in der gewünschten Weise übereinstimmen. Wird bei­ spielsweise festgestellt, daß die Pulswiederholrate des zweiten Laseroszillators 6 niedriger ist als die Puls­ wiederholrate des ersten Laseroszillators 4, so wird die Länge des Resonators 30 so verändert, daß die Puls­ wiederholrate des zweiten Laseroszillators 6 ansteigt, bis sie mit der Pulswiederholrate des ersten Laseros­ zillators 1 übereinstimmt.

Die von dem ersten Laseroszillator 4 erzeugten ultrakurzen Laserpulse erfahren in dem zweiten Laser­ oszillator 6 eine hohe Verstärkung und werden über den Auskoppelspiegel 28 aus dem zweiten Laseroszillator 6 und über den Spiegel 42 und den Ausgang 44 des opti­ schen Isolators 36 aus der Einrichtung 2 ausgekoppelt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung 2 ermöglicht mit einem einfachen und damit kostengünstigen Aufbau eine hohe Verstärkung ultrakurzer Laserpulse, wobei der er­ ste Laseroszillator 4 eine geringe Ausgangsleistung im Milliwattbereich aufweisen kann und gleichwohl eine Ausgangsleistung am Ausgang 44 der Einrichtung 2 von bis zu mehreren 10 Watt erreichbar ist. Auf diese Weise ist die Zuverlässigkeit der Einrichtung 2 gegenüber bekannten Einrichtungen verbessert, da beispielsweise im Slave-Oszillator grundsätzlich keine Elemente zur Modenkopplung erforderlich sind. Ggf. kann der Slave- Oszillator jedoch Elemente zur Modenkopplung, bei­ spielsweise zur weiteren Pulsverkürzung, aufweisen. Zur Erzielung einer Modenkopplung in dem ersten Laseroszil­ lator 4 ist eine Vielzahl von Modenkopplungsverfahren einsetzbar.

Zur Kompensation der Gruppengeschwindigkeitsdis­ persion (GVD), die zu einer zeitlichen Verbreiterung der Laserpulse führt, kann der zweite Laseroszillator 6 in der Zeichnung nicht dargestellte Kompensationsmittel aufweisen. Die Kompensation der Gruppengeschwindig­ keitsdispersion wirkt nicht nur einer zeitlichen Ver­ breiterung der Pulse entgegen, sondern ermöglicht auch eine gezielte Einstellung der Modenabstände.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Einrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß der Laserkristall 8 seitengepumpt ist und daß zum Pumpen des Laserkristalls 8 zwei Dio­ denlaser 50, 52 vorgesehen sind. Der Resonator 30 be­ steht bei diesem Ausführungsbeispiel aus dem Auskoppel­ spiegel 28, dem Laserkristall 8 sowie einem auf der dem Auskoppelspiegel 28 abgewandten Seite des Laser­ kristalls 8 angeordneten Spiegel 54. Im übrigen arbei­ tet das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, wie dies für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 beschrieben worden ist.

In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Einrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 vor allem dadurch unterscheidet, daß der Laserkristall 8 an sei­ nem dem Spiegel 16 abgewandten Ende 56 unter dem für den Übergang Luft-Laserkristall geltenden Brewster-Win­ kel abgeschrägt ist. Der Resonator 30 ist bei diesem Ausführungsbeispiel durch den Spiegel 16, den Laser­ kristall 8, den Auskoppelspiegel 28 sowie einen zwi­ schen dem Laserkristall 8 und dem Auskoppelspiegel 28 angeordeten Spiegel 58 gebildet. Der Spiegel 58 weist einen negativen Krümmungsradius auf und reflektiert die Laserstrahlung unter einem Winkel auf das abgeschrägte Ende 56 des Laserkristalls 8, der so gewählt ist, daß die Strahlachse der Laserstrahlung nach Brechung an dem abgeschrägten Ende 56 des Laserkristalls 8 in Längs­ richtung des Laserkristalls 8 verläuft. Auf diese Weise ist ein besonders kompakter Aufbau erzielt.

In Fig. 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäßen Einrichtung 2 dargestellt, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 dadurch unterscheidet, daß der zweite Laseroszillator 6 in Strahlrichtung der Laserstrahlung zwischen dem Spiegel 58 und dem Auskoppelspiegel 28 angeordnete Kompensa­ tionsmittel 60 zur Kompensation der Gruppengeschwindig­ keitsdispersion (GVD) aufweist, die in dem Fachmann bekannter, beliebiger geeigneter Weise aufgebaut sein können. Durch die Kompensationsmittel 60 ist verhin­ dert, daß sich die in dem zweiten Laseroszillator 6 verstärkten Laserpulse aufgrund der Gruppengeschwindig­ keitsdispersion zeitlich verbreitern. Außerdem ist auf diese Weise eine gezielte Einstellung der Modenabstände ermöglicht.

Claims (28)

1. Einrichtung zur Verstärkung kurzer, insbesondere ultrakurzer Laserpulse,
mit einem ersten Laseroszillator (4) und
mit einem zweiten Laseroszillator (6), wobei der erste Laseroszillator (4) und der zweite Laseroszillator (6) injektionsgekoppelt sind und
wobei der erste Laseroszillator (4) kurze, insbesondere ultrakurze Laserpulse in den zweiten Laseroszillator (6) einstrahlt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Laseroszillator (4) modengekoppelt arbeitet.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Laseroszillator (6) an den ersten Laseroszillator (4) injektionsgekoppelt ist, derart, daß der erste Laseroszillator (4) einen Master-Oszilla­ tor und der zweite Laseroszillator (6) einen Slave-Os­ zillator bildet.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Laseroszillator (4) und der zweite Laseroszillator (6) gegenseitig injektionsgekoppelt sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens ein Resonator (30) der Laseroszil­ latoren (4, 6) längenveränderbar ist, daß Anpassungs­ mittel zur Anpassung der Längen des Resonators des er­ sten Laseroszillators (4) und des Resonators (30) des zweiten Oszillators (6) aneinander vorgesehen sind und daß Steuermittel (32) zur Ansteuerung der Anpassungs­ mittel vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anpassungsmittel wenigstens ein durch die Steuermittel (32) ansteuerbares Piezoelement (36) auf­ weisen, an dem ein erster Spiegel (28) des längenver­ änderbaren Resonators (30) angeordnet ist, derart, daß sich durch Ansteuerung des Piezoelementes (36) der Ab­ stand in Strahlrichtung der Laserpulse des ersten Spie­ gels (28) von einem zweiten Spiegel (16) des Resonators (30) verändert.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das Piezoelement (36) im wesentlichen ringför­ mig mit einer Öffnung ausgebildet ist, in der der erste Spiegel (28) gehalten ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuermittel (32) eine erste Pulswieder­ holrate des von dem ersten Laseroszillators (4) erzeug­ ten und in den zweiten Laseroszillator (6) eingestrahl­ ten Laserpulses mit einer zweiten Pulswiederholrate des in dem zweiten Laseroszillators (6) erzeugten Laser­ pulses vergleichen und die Anpassungsmittel derart ansteuern, daß diese die Länge des längenveränderbaren Resonators (30) derart anpassen, daß die erste Puls­ wiederholrate im wesentlichen der zweiten Pulswieder­ holrate entspricht.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teilstrahl der von dem ersten Laseroszil­ lator (4) erzeugten Laserstrahlung einer ersten Foto­ diode (46) und ein Teilstrahl der von dem zweiten La­ seroszillator (6) erzeugten Laserstrahlung einer zwei­ ten Fotodiode (48) zugeleitet wird und daß die Ausgänge der Fotodioden (46, 48) mit den Steuermitteln (32) ver­ bunden sind, derart, daß die Steuermittel (32) die Pulswiederholraten aus den Ausgangssignalen der Foto­ dioden (46, 48) ermitteln.

10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens einer der Laseroszillatoren (6) Kompensationsmittel (60) zur Kompensation der Gruppen­ geschwindigkeitsdispersion (GVD) aufweist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Kompensationsmittel (60) wenigstens ein Prisma und/oder wenigstens einen gechirpten Spiegel aufweisen.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem ersten Laseroszillator (4) und dem zweiten Laseroszillator (6) ein optischer Isolator (36) angeordnet ist, der in Strahlrichtung der aus dem ersten Laseroszillator (4) austretenden Laserstrahlung durchlässig ist und in Strahlrichtung der aus dem zwei­ ten Laseroszillator (6) austretenden Laserstrahlung sperrt.

13. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß der optische Isolator (36) einen Polarisator und einen Faraday-Dreher aufweist.

14. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß in Strahlrichtung zwischen dem ersten Laser­ oszillator (4) und dem optischen Isolator (36) eine Halbwellenplatte (38) angeordnet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Laseroszillator (4) und/oder der zweite Laseroszillator (6) einen Ti:Saphir-, Nd:YVO₄-, Nd:YLF-, Nd:YAG-, Cr:LiSAF-, Cr:LiCAF-, Cr:LiSGAF-Laser oder ein laserlichtverstärkendes Halbleitermedium auf­ weist.

16. Verfahren zur Verstärkung kurzer, insbesondere ultrakurzer Laserpulse, bei dem ein erster Laseroszil­ lator und ein zweiter Laseroszillator verwendet werden,
wobei der erste Laseroszillator und der zweite Laser­ oszillator injektionsgekoppelt sind und
wobei von dem ersten Laseroszillator kurze, insbesonde­ re ultrakurze Laserpulse in den zweiten Laseroszillator eingestrahlt werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Laseroszillator modengekoppelt be­ trieben wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Laseroszillator an den ersten La­ seroszillator injektionsgekoppelt ist, derart, daß der erste Laseroszillator als Master-Oszillator und der zweite Laseroszillator als Slave-Oszillator betrieben wird.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß der erste Laseroszillator und der zweite La­ seroszillator gegenseitig injektiongekoppelt sind.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß wenigstens ein Resonator der Laseroszillatoren längenveränderbar ist, daß durch Anpassungsmittel die Längen des Resonators des ersten Laseroszillators und des Resonators des zweiten Laseroszillators aneinander angepaßt werden und daß die Anpassungsmittel durch Steuermittel gesteuert werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß die Anpassungsmittel wenigstens ein durch die Steuermittel ansteuerbares Piezoelement aufweisen, an dem ein erster Spiegel des längenveränderbaren Resona­ tors angeordnet ist, derart, daß durch Ansteuerung des Piezoelementes der Abstand in Strahlrichtung der Laser­ pulse des ersten Spiegels von einem zweiten Spiegel des Resonators verändert wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Piezoelement mit einer im wesentlichen ringförmigen Öffnung verwendet wird, in der der erste Spiegel gehalten ist.

23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich­ net, daß durch die Steuermittel eine erste Pulswieder­ holrate des von dem ersten Laseroszillators erzeugten und in den zweiten Laseroszillator eingestrahlten Laserpulses mit einer Pulswiederholrate des in dem zwei­ ten Laseroszillator erzeugten Laserpulses verglichen wird und daß die Anpassungsmittel durch die Steuermit­ tel derart angesteuert werden, daß diese die Länge des längenveränderbaren Resonators derart anpassen, daß die erste Pulswiederholrate im wesentlichen der zweiten Pulswiederholrate entspricht.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeich­ net, daß ein Teilstrahl der von dem ersten Laseroszil­ lator erzeugten Laserstrahlung einer ersten Fotodiode und ein Teilstrahl der von dem zweiten Laseroszillator erzeugten Laserstrahlung einer zweiten Fotodiode zu­ geleitet wird, wobei die Ausgänge der Fotodioden mit den Steuermitteln verbunden sind, derart, daß von den Steuermitteln die Pulswiederholraten aus den Ausgangs­ signalen der Fotodioden ermittelt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß in wenigstens einem der Laseroszillatoren die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) der Laserpulse durch Kompensationsmittel kompensiert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeich­ net, daß als Kompensationsmittel wenigstens ein Prisma und/oder wenigstens ein gechirpter Spiegel verwendet wird.

27. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß ein zwischen dem ersten Laseroszillator und dem zweiten Laseroszillator angeordneter optischer Iso­ lator verwendet wird, der in Strahlrichtung der aus dem ersten Laseroszillator austretenden Laserstrahlung durchlässig ist und in Strahlrichtung der aus dem zweiten Laseroszillator austretenden Laserstrahlung sperrt.

28. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich­ net, daß als Lasermedium in dem ersten Laseroszillator und/oder in dem zweiten Laseroszillator ein Ti:Saphir-, ein Nd:YVO₄-, ein Nd:YLF-, ein Nd:YAG-, ein Cr:LiSAF-, ein Cr:LiCAF-, ein Cr:LiSGAF-Laser oder ein laserlicht­ verstärkendes Halbleitermedium verwendet wird.