DE102006056334A1 - Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung - Google Patents

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Abstract

Bei einer Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung besteht die Aufgabe, den gerätetechnischen Aufwand für die zeitliche Impulsdehnung zu verringern und diese sowie die regenerative Verstärkung derart zu gestalten, dass nichtlineare Effekte minimiert werden, um deren störenden Einfluss auf die Nutzbarkeit der regenerativ verstärkten Impulse zu vermeiden. Außerdem soll eine möglichst hohe Energie der Oszillatorimpulse erreicht werden. Die Faser-Laser-Anordnung enthält - einen Femtosekunden-Faser-Oszillator als impulserzeugende Einheit, - einen sowohl als Impulsverstärkungs- als auch als Impulsdehnungseinrichtung ausgebildeten Faserverstärker zur Verstärkung und zur Impulsdehnung der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator generierten Femtosekunden-Impulse, - einen regenerativen Verstärker, der als Verstärkungsmedium einen scheibenförmigen Laserkristall aufweist und der für eine weitere Impulsdehnung während der regenerativen Verstärkung ausgebildet ist und - eine Impulskompressionseinrichtung, die eine zeitliche Komprimierung der verstärkten und zeitlich gestreckten Impulse vornimmt.

Description

  • Regenerative Verstärker werden genutzt, um hohe Impulsenergien im Nano-, Pico- und insbesondere im Femtosekunden-Bereich zu erreichen. (M. Leitner; K. Pachomis; D. Nickel; C. Stolzenburg; A. Giesen; "Ultrafast thin disk Yb:KYW regenerative amplifier with 200 kHz repetition rate", OSA Trends in Optics and Photonics Vol. 98, Advanced Solid-State Photonics, edited by Irina Sorokina and Craig Denman, (Optical Society of America, Washington DC, 2005), Beitrag ME 5)
  • Von einem Femtosekunden-Oszillator erzeugte Impulse werden in den mit einem Verstärkungsmedium ausgestatteten regenerativen Verstärker mittels schneller elektrooptischer Elemente eingekoppelt, durch mehrere Umläufe im Verstärkungsmedium verstärkt und nach Erreichen der gewünschten Impulsenergie wieder ausgekoppelt.
  • Insbesondere die Verstärkung von Femtosekunden-Impulsen erfordert eine Berücksichtigung von hohen Impulsspitzenleistungen, die beim Verstärkungsvorgang zu vielfältigen negativen Effekten führen können, die eine Leistungsskalierung des regenerativen Verstärkers limitieren.
  • Zu derartigen Effekten zählen
    • – Selbstphasenmodulation,
    • – parasitäre Grünerzeugung in elektrooptischen Kristallen und
    • – Zerstörung optischer Elemente.
  • Um diese Effekte zu vermeiden, wird im Allgemeinen die sogenannte CPA-Technik (chirped pulse amplification) genutzt, bei welcher der Femtosekunden-Impuls vor der Einkopplung in den regenerativen Verstärker mittels einer Impulsdehnungseinrichtung durch positive Dispersion zeitlich gedehnt und nach dem Verstärkungsprozess in einer Kompressionsmesseinrichtung durch eine entsprechend negative Dispersion wieder kompensiert wird. ( US 2005/0111500 A1 , US 2006/0120418 A1 )
  • Hohe Anforderungen werden an die Impulsdehnungseinrichtung gestellt, da die zeitliche Impulsdehnung nur soweit erfolgen darf, dass nichtlineare Effekte bei letzten Umläufen im regenerativen Verstärker, bei denen maximale Impulsenergien erreicht werden, nicht über einen kritischen Grenzwert ansteigen. Geeignete Impulsdehnungseinrichtungen bestehen bekanntermaßen aus einer aktiven oder passiven optischen Fasern oder einer Anordnung aus Gittern und/oder Prismen.
  • Verlangen die im regenerativen Verstärker eingesetzten Verstärkungsmedien zudem eine sehr hohe zeitliche Streckung der Impulse, erhöhen sich nicht nur die Anforderungen an die Impulsdehnungseinrichtung, sondern auch an die Kompressionsmesseinrichtung. Auftretende dispersive Effekte höherer Ordnung können unter Umständen nicht mehr kompensiert werden, woraus eine nicht mehr vollständige Impulskompression resultiert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den gerätetechnischen Aufwand für die zeitliche Impulsdehnung zu verringern und diese sowie die regenerative Verstärkung derart zu gestalten, dass nichtlineare Effekte minimiert werden, um deren störenden Einfluss auf die Nutzbarkeit der regenerativ verstärkten Impulse zu vermeiden. Außerdem soll eine möglichst hohe Energie der Oszillatorimpulse erreicht werden.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung gelöst, die
    • – einen Femtosekunden-Faser-Oszillator als impulserzeugende Einheit,
    • – einen sowohl als Impulsverstärkungs- als auch als Impulsdehnungseinrichtung ausgebildeten Faserverstärker zur Verstärkung und zur Impulsdehnung der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator generierten Femtosekundenimpulse,
    • – einen regenerativen Verstärker, der als Verstärkungsmedium einen scheibenförmigen Laserkristall aufweist und der für eine weitere Impulsdehnung während der regenerativen Verstärkung ausgebildet ist und
    • – eine Impulskompressionseinrichtung, die eine zeitliche Komprimierung der verstärkten und zeitlich gestreckten Impulse vornimmt
    enthält.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
  • Wesentlich ist, dass die erfindungsgemäße Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung auf eine zusätzliche komplex und aufwendig gestaltete Impulsdehnungseinrichtung verzichtet. Die mit der Anordnung erreichbaren Dehnungsfaktoren (z. B. von 200 fs auf 10 ps) sind weitgehend ausreichend für eine regenerative Verstärkung mit einem scheibenförmigen Verstärkungsmedium.
  • Der bevorzugt für den Einmikrometerbereich vorgesehene Faseroszillator erzeugt stabile Femtosekunden-Impulse in einem Bereich von 100 pJ, die durch den Faserverstärker in den nJ-Bereich verstärkt werden. In diesem Energiebereich treten bei der Verstärkung im Faserverstärker noch keine signifikanten und für den weiteren Ablauf störende nichtlineare Effekte auf.
  • Nichtlineare Effekte werden außerdem durch die geringere Wechselwirkungslänge des scheibenförmigen Laserkristalls signifikant reduziert. Da zudem keine Dispersionskompensation im regenerativen Verstärker vorgenommen wird, führt im Verstärkerresonator enthaltenes Kristallmaterial, wie z. B. BBO, zu einer weiteren zeitlichen Verbreiterung des Impulses aufgrund des vom Impuls durchlaufenen Materialweges.
  • Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auftretenden Dehnungsfaktoren sind für die anschließende Kompression unkritisch, da dispersive Effekte höherer Ordnung entsprechend gering ausfallen, so dass durch eine nahezu perfekte Kompression minimale Impulslängen erreicht werden können.
  • Vorteilhaft weist der Faserverstärker eine Verstärkerfaser mit einer Faserlänge im Bereich von 2 bis 10 m und einer Materialdispersion von 15 bis 30 fs2/mm auf.
  • Eine vorgesehene geringere Verstärkungsbandbreite im regenerativen Verstärker gegenüber der spektralen Bandbreite der fasergenerierten Femtosekundenimpulse führt dazu, dass die spektrale Bandbreite des Impulses während der Verstärkung abnimmt, so dass der regenerative Verstärker im Verstärkungsmaximum betrieben werden kann, ohne dass eine genaue spektrale Abstimmung zwischen dem Faserlaser und dem regenerativen Verstärker erforderlich ist. Während der Faserlaser aus Yb:glass oder Er:glass mit einer Einrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen bestehen kann, kann für den regenerativen Verstärker Yb:KGW oder Yb:KYW vorgesehen sein.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthält der regenerative Verstärker einen als 100–300 μm dicke Yb:KYW-Scheibe mit einer Dotierung in einem Bereich von 5–15% ausgebildeten Laserkristall.
  • Das Bandbreitenverhältnis zwischen der spektralen Bandbreite der fasergenerierten Femtosekundenimpulse und der Verstärkungsbandbreite des scheibenförmigen Verstärkerkristalls beträgt vorteilhaft einen Faktor 1,2–2.
  • Der Femtosekunden-Faser-Oszillator ist bevorzugt für eine Emission einer Zentralwellenlänge ausgebildet, die im Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers liegt.
  • Der Femtosekunden-Faser-Oszillator kann aber auch für die Generierung von Femtosekunden-Impulsen ausgebildet sein, die um maximal 1/5 ihrer spektralen Breite vom Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers entfernt liegen.
  • Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Femtosekunden-Faser-Oszillator unter Umständen für eine Zentralwellenlänge ausgelegt werden kann, bei der sich ein stabileres Laufverhalten zeigt.
  • Bilden Femtosekunden-Faser-Oszillator und der Faserverstärker einen monolithischen Verbund, können Verluste minimiert und die Stabilität erhöht werden.
  • Vorteilhaft ist es, wenn zwischen dem Faserverstärker und dem regenerativen Verstärker ein als Pulspickervorrichtung vorgesehener schneller elektrooptischer Schalter zur Einkopplung der vorverstärkten und gedehnten Impulse in den regenerativen Verstärker angeordnet ist.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Erzeugung von regenerativ verstärkten Femtosekunden-Impulsen, das auf eine separate Impulsdehnungseinrichtung verzichtet und bei dem eine Impulsdehnung der regenerativ zu verstärkenden Femtosekunden-Impulsen durch einen, mit einem Femtosekunden-Faser-Oszillator verbunden Faserverstärker und durch Kristallmaterial im regenerativen Verstärker vorgenommen wird.
  • Insbesondere wird die Impulsdehnung mit einem Gesamtdehnungsfaktor von höchstens 200 durchgeführt.
  • Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
  • 1 einen Femtosekunden-Faser-Oszillator mit angekoppeltem Faserverstärker
  • 2 ein durch einen Femtosekunden-Faser-Oszillator gemäß 1 erzeugtes Wellenlängenspektrum
  • 3 eine Laser-Anordnung bestehend aus einem Femtosekunden-Faser-Oszillator mit angekoppeltem Faserverstärker und einem regenerativen Verstärker mit scheibenförmigem Laserkristall
  • Bei dem in 1 enthaltenen Laser-Oszillator handelt es sich um einen mit parabolischer Impulserzeugung ausgeführten, passiv modensynchronisierten Femtosekunden-Faser-Oszillator 1, der zur Erzeugung von bandbreitenbegrenzten Femtosekunden-Impulsen mit typischen Impulsdauern von 250 fs, Impulsenergien von einigen Nanojoule und einer Repetitionsrate von 50 MHz vorgesehen ist. Der Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 mit einer Zentralwellenlänge, die im Verstärkungsmaximum eines regenerativen Verstärkers 2 (1025 nm für Yb:KYW) liegt, besteht aus einem Ringresonator mit konventionellen aktiven (Yb) und passiven Fasern. Die resonatorinterne Dispersionskompensation im Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 wird mittels Reflexionsgitter realisiert. Basierend auf dem Prinzip der parabolischen Pulsformung werden in dem Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 Femtosekunden-Impulse der Impulsdauer τin erzeugt. Diese werden anschließend über eine Faserweiche teilweise ausgekoppelt und in einem Faserverstärker 3 mit einer Verstärkerfaser 4, die aus einer Yb-dotierten, mit Diodenmodulen gepumpten Glasfaser besteht, verstärkt. Die Verstärkerfaser 4 ist derart ausgebildet, dass durch Materialdispersion β2 eine zeitliche Dehnung der Femtosekunden-Impulse erreicht wird. Näherungsweise ergibt sich die Impulsdauer der gedehnten Impulse in Abhängigkeit von der Impulsdauer τin der Femtosekunden-Impulse, der Materialdispersion β2 sowie der Faserlänge lFaser zu
    Figure 00060001
  • Folglich wird bei einer Faserlänge lFaser von ca. 10 m und einer Materialdispersion β2 von 16,4 fs2/mm ein Femtosekunden-Impuls, der den Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 mit einer Impulsdauer ca. 90 fs verlässt, auf eine Impulsdauer von ca. 5,1 ps gestreckt.
  • Durch die derartige Ausbildung des Faserverstärkers 3 als Impulsdehnungseinrichtung kann somit erreicht werden, dass die von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 generierten Femtosekunden-Impulse ohne zusätzliche dispersive Elemente, wie z. B. passive Fasern, Prismen oder Gitter, um einen Faktor 40–60 zeitlich gestreckt werden.
  • Zu beachten ist, dass die Verstärkerfaser 4 zur Erhöhung der Impulsenergie nur soweit verlängert werden kann, dass es aufgrund der Wechselwirkungslänge nicht zu störenden nichtlinearen Effekten kommt. Außerdem ist der Faserverstärker 3 dergestalt zu dimensionieren, dass dispersive Effekte höherer Ordnung, die bei der Komprimierung nicht kompensiert werden können, minimiert werden.
  • Wie bereits offenbart, wird der Femtosekunden-Faser-Oszillator 1 bevorzugt mit parabolischer Impulsformung betrieben, um relativ hohe Impulsenergien stabil erzeugen zu können. Ein typisches Wellenlängenspektrum, wie es durch einen Laseroszillator gemäß der vorliegenden Ausführung erzeugt wird, ist in 2 dargestellt. Von Bedeutung ist, dass die spektrale Bandbreite mit 22 nm deutlich breiter ist als die Verstärkungsbandbreite des aktiven Lasermaterials (ca. 16 nm, Maximum bei 1025 nm für Yb:KYW) des nachgeschalteten regenerativen Verstärkers 2. Eine exakte Anpassung des Oszillatorspektrums von einigen Nanometern ist somit nicht erforderlich, da die Verstärkungsbandbreite in jedem Fall abgedeckt wird.
  • Das bei 1018,7 nm auftretende Seitenband, das nicht Teil der gepulsten Leistung des Lasers ist, sondern einen cw-Untergrund darstellt, gelangt dadurch nicht in den Verstärkungsprozess des regenerativen Verstärkers 2, wodurch ein parasitärer Verstärkungsabbau im regenerativen Verstärker 2 vermieden wird. Spektral ausgefiltert werden können auch nichtlineare zeitliche Phasenverläufe an den Impulsflanken, so dass die verstärkten Impulse insgesamt einen nahezu perfekten linearen Phasenverlauf aufweisen, der wiederum optimal komprimiert werden kann.
  • Gemäß 3 werden die als Seedimpulse dienenden Femtosekunden-Impulse über einen Faradayisolator 5 einem als RTP-Pockelszelle 6 mit anschließendem Dünnschichtpolarisator 7 ausgebildeten schnellen optischen Schalter zugeführt, der als Pulspickervorrichtung 8 einzelne Impulse selektiert, um einen hochrepetierenden gepulsten Untergrund zu reduzieren und somit zu verhindern, dass Seedimpulse den verstärkten Ausgangsstrahl 9 überlagern und so zu einer thermischen Beeinflussung bei der Applikation führen. Die Seedimpulse werden durch eine geeignete optische Anordnung in ihrem Modenradius an die Pulspickervorrichtung 8 angepasst.
  • Über eine Separationseinheit 10, bestehend aus einem Faradayrotator 11 und einer λ/2-Platte 12 wird der Einzelimpuls über einen Dünnschichtpolarisator 13 in den regenerativen Verstärker 2 eingekoppelt. Durch zeitgenaues Zuschalten einer Pockelszelle 14 wird der Impuls im regenerativen Verstärker 2 eingeschlossen, um durch wiederholten Umlauf sukzessive verstärkt zu werden.
  • Der regenerative Verstärker 2 enthält einen Laserkristall 15, der bevorzugt als 100–300 μm dicke Yb:KYW-Scheibe mit einer Dotierung in einem Bereich von 5–15% ausgebildet ist. Aufgrund der geringen Verstärkung des Scheibenmaterials ist ein doppelter Impulsdurchgang durch den Laserkristall 15 vorgesehen. Eine aus Prismen und Parabolspiegeln aufgebaute Pumpoptik ermöglicht eine hohe Anzahl an Pumplichtdurchgängen (bevorzugt 24), die eine effektive Absorption und das Erreichen einer hohen Pumpleistungsdichte, wie sie für ein quasi Drei-Niveausystem erforderlich ist, gewährleisten. Hochleistungsdiodenlaser stellen Pumpstrahlung von 980 nm zur Verfügung.
  • Infolge des Strahldurchtritts durch die Pockelszelle 14 und hier hauptsächlich durch einen relativ lang gestalteten Materialweg durch den im vorliegenden Ausführungsbeispiel zum Einsatz kommenden BBO-Kristall, kommt es zu einer weiteren kontinuierlichen dispersiven Impulsdehnung, da in dem regenerativen Verstärker 2 keine negativ dispersiven Elemente vorgesehen sind.
  • Die zeitliche Streckung der Impulse im Faserverstärker führt in Kombination mit der weiteren dispersiven Verbreiterung während der Verstärkung im regenerativen Verstärker zu einem Dehnungsfaktor von bis zu 200, der ausreichend ist für eine signifikante Reduktion nichtlinearer Effekte, wie Selbstphasenmodulation (SPM), Ramaneffekt und Selbstfokussierung (SF), die ansonsten negative Auswirkungen auf die Impulsform oder den Strahlverlauf nach sich ziehen können. Außerdem kann eine Zerstörung optischer Elemente durch eine erhebliche Reduzierung der Impulsspitzenleistung, insbesondere bei den hohen Impulsenergien der letzten Umläufe vermieden werden. Die Impulsverbreiterung führt je nach Anzahl der Umläufe zu Impulsdauern von einigen wenigen Pikosekunden, insbesondere 3–20 ps.
  • Nach Erreichen der gewünschten Impulsenergie, die im Bereich von mehreren einigen μJ bis –100 μJ liegt, wird durch Abschalten der Pockelszelle 14 der verstärkte Impuls ausgekoppelt und nach Durchlaufen des Faradayrotators 11 mit einem Dünnschichtpolarisator 16 vom Seedstrahl separiert.
  • Zur Rekompression der verstärkten Impulse ist eine Anordnung mit negativer Dispersion als Impulskompressionseinrichtung 17, bestehend aus einem Gitterpaar 18 mit z. B. 600 l/mm in Littrow-Anordnung vorgesehen. Durch einen geeignet gewählten Strahldurchmesser kann dabei eine thermisch induzierte Verschlechterung der Strahlqualität weitgehend vermieden werden. Zudem bietet die Impulskompressionseinrichtung 17 die Möglichkeit, durch Überkompensation die Dispersion nachfolgender Optiken zu berücksichtigen.
  • Ist es für bestimmte Applikationen von Vorteil, kann auf die Impulskompressionseinrichtung auch verzichtet werden. Die größeren Impulslängen liegen dann in einem Bereich von 5 ps bis 15 ps.

Claims (12)

  1. Faser-Laser-Anordnung mit regenerativer Impulsverstärkung enthaltend: – einen Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) als impulserzeugende Einheit, – einen sowohl als Impulsverstärkungs- als auch als Impulsdehnungseinrichtung ausgebildeten Faserverstärker (3) zur Verstärkung und zur Impulsdehnung der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) generierten Femtosekundenimpulse, – einen regenerativen Verstärker (2), der als Verstärkungsmedium einen scheibenförmigen Laserkristall (15) aufweist und der für eine weitere Impulsdehnung während der regenerativen Verstärkung ausgebildet ist und – eine Impulskompressionseinrichtung (17), die eine zeitliche Komprimierung der verstärkten und zeitlich gestreckten Impulse vornimmt.
  2. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Faserverstärker (3) eine Verstärkerfaser (4) mit einer Faserlänge im Bereich von 2 bis 10 m und einer Materialdispersion von 15 bis 30 fs2/mm aufweist.
  3. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 2, wobei in dem regenerativen Verstärker (2) Kristallmaterial enthalten ist, bei dem ein vom Impuls durchlaufener Materialweg für die weitere Impulsdehnung ausgebildet ist.
  4. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 3, wobei der scheibenförmige Laserkristall (15) aus einem Material besteht, das eine Verstärkungsbandbreite aufweist, die geringer ist als die Bandbreite der von dem Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) generierten Femtosekunden-Impulse.
  5. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 4, wobei das Bandbreitenverhältnis zwischen der spektralen Bandbreite der fasergenerierten Femtosekunden-Impulse und der Verstärkungsbandbreite des scheibenförmigen Laserkristalls (15) einen Faktor 1.2–2 aufweist.
  6. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 5, wobei der regenerative Verstärker (2) einen als 100–300 μm dicke Yb:KYW-Scheibe mit einer Dotierung in einem Bereich von 5–15% ausgebildeten Laserkristall (11) enthält.
  7. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) für eine Emission einer Zentralwellenlänge ausgebildet ist, die im Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers (2) liegt.
  8. Faser-Laser-Anordnung nach Anspruch 6, wobei der Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) für die Generierung von Femtosekunden-Impulsen ausgebildet ist, die um maximal 1/5 ihrer spektralen Breite vom Verstärkungsmaximum des regenerativen Verstärkers (2) entfernt liegen.
  9. Faser-Laser-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Femtosekunden-Faser-Oszillator (1) und der Faserverstärker (3) einen monolithischen Verbund bilden.
  10. Faser-Laser-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen dem Faserverstärker (3) und dem regenerativen Verstärker (2) ein als Pulspickervorrichtung (8) vorgesehener schneller elektrooptischer Schalter zur Einkopplung der vorverstärkten und gedehnten Impulse in den regenerativen Verstärker (2) angeordnet ist.
  11. Verfahren zur Erzeugung von regenerativ verstärkten Femtosekunden-Impulsen mit einer Faser-Laser-Anordnung nach einen der Ansprüche 1 bis 8, bei dem eine Impulsdehnung der regenerativ zu verstärkenden Femtosekunden-Impulse durch den Faserverstärker und durch Kristallmaterial in dem regenerativen Verstärker vorgenommen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Impulsdehnung mit einem Gesamtdehnungsfaktor von höchstens 200 durchgeführt wird.
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