DE102010018538A1

DE102010018538A1 - Verfahren zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung in einem Medium

Info

Publication number: DE102010018538A1
Application number: DE102010018538A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Strotkamp Michael; Dipl.-Phys. Jungbluth Bernd; Dipl.-Ing. Faidel Heinrich; Dennis Beckmann; Dagmar Esser; Dr. Gottmann Jens
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-04-28
Publication date: 2011-11-03
Also published as: WO2011134605A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modenbeeinflussung von Laserstrahlung, die in einem Medium propagiert. Bei dem Verfahren werden vor dem Einsatz des Mediums mehrere Volumenbereiche innerhalb des Mediums mit Laserpulsen, für die das Medium transparent ist, im Brechungsindex modifiziert, indem die Intensität der Laserpulse lokal in diesen Volumenbereichen auf einen Wert eingestellt wird, bei dem nichtlineare Absorption im Medium auftritt. Die Volumenbereiche werden dabei in Propagationsrichtung und/oder schräg zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung voneinander beabstandet gewählt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich die Moden der im Medium propagierenden optischen Strahlung einfach und kostengünstig beeinflussen, ohne hierfür zusätzliche optische Elemente mit zusätzlichem Justageaufwand einsetzen zu müssen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, die in einem Medium propagiert, beispielsweise im aktiven Medium eines Festkörperlasers.
Die preiswerte Herstellung von Lasersystemen in großer Stückzahl erfordert eine möglichst geringe Anzahl von Komponenten und deren einfache Justage. Für den Resonator eines Festkörperlasers besteht die einfachste Lösung mit einer minimalen Anzahl an Komponenten aus zwei Spiegeln um ein aktives Medium. Zur weiteren Reduzierung der Komponenten können dielektrische Spiegel direkt auf die Facetten des aktiven Mediums aufgebracht werden, um auf diese Weise einen monolithischen Resonator zu erhalten. Werden weitere optische Komponenten in dem Resonator benötigt, so ist es daher vorteilhaft, diese Komponenten ebenfalls direkt in das aktive Medium zu integrieren. Hierdurch werden zusätzliche Grenzflächen und somit Verluste durch Restreflexionen vermieden und ein maximaler Integrationsgrad realisiert.
Die sich im Resonator ausbildenden Lasermoden hängen von unterschiedlichen Parametern, beispielsweise den Krümmungsradien der Resonatorspiegel oder der in das aktive Medium eingebrachten Pumpleistung und -verteilung ab, die anwendungsspezifisch gewählt bzw. eingestellt werden müssen.
Allerdings können in Lasern unerwünschte Effekte auftreten, die eine zusätzliche Beeinflussung der Moden erfordern. So kann es beispielsweise bei Festkörperlasern durch die im aktiven Medium deponierte Pumpleistung zur Ausbildung einer so genannten thermischen Linse kommen. In Lasermedien, in denen sich der Brechungsindex mit zunehmender Temperatur verringert (negatives dn/dT), bildet sich während des Laserbetriebs aufgrund der Erhöhung der Temperatur eine Linse mit negativer Brechkraft. Ein plan-plan Resonator mit einer derartigen resonatorinternen Linse ist instabil und kann daher nicht oder nicht effizient betrieben werden. Bei anderen Lasermedien, mit positiver Brechkraft, limitiert die thermische Linse den dynamisch stabilen Betrieb mit zunehmender Ausgangsleistung.
Neben der Kompensation derartiger unerwünschter Effekte durch zusätzliche Beeinflussung der Moden im Laserresonator ist für zahlreiche Anwendungen auch die Einstellung anwendungsspezifischer Strahlprofile erforderlich. So führt ein angepasstes Strahlprofil, beispielsweise in Form eines Top-Hat-Profils, in einigen Laseranwendungen zu einer Steigerung der Prozesseffizienz. Die Einstellung des gewünschten Strahlprofils erfordert daher ebenfalls eine Beeinflussung der Moden der Laserstrahlung.
Stand der Technik
Für die Kompensation der oben genannten unerwünschten Effekte sowie für die gezielte Einstellung von bestimmten Moden bzw. Strahlprofilen werden heutzutage zusätzliche optische Elemente sowohl im als auch außerhalb des Resonators eingesetzt. Dadurch werden die Komplexität und der Justageaufwand der entsprechenden Systeme erhöht.
So ist es beispielsweise bei aktiven Medien mit einem negativen dn/dT bekannt, einen planen Resonatorspiegel durch einen konkaven Spiegel zu ersetzen, der somit als refraktives Element zur Modenformung dient und der negativen thermischen Linse entgegenwirkt. Hierbei handelt es sich jedoch um ein aufwendig herzustellendes optisches Element. Darüber hinaus muss die Resonatorlänge in etwa dem Krümmungsradius des Spiegels entsprechen, so dass entweder der Resonator verlängert oder sehr starke Krümmungsradien des Spiegels erzeugt werden müssen.
Alternativ kann ein zusätzliches refraktives Element, beispielsweise eine geschliffene Linse oder eine Gradientenindex-Linse (GRIN), im Resonator genutzt werden, um der thermischen Linse entgegenzuwirken. Hier kommt es jedoch zu zusätzlichen Verlusten durch Restreflexionen an den Grenzflächen und Absorption im Volumen. Darüber hinaus stellt ein zusätzliches Element mit den entsprechenden Beschichtungen einen zusätzlichen Kostenfaktor dar und erhöht den Justageaufwand.
Bei aktiven Medien mit positiver thermischer Linse kann bei geringer Pumpleistung auch in einem plan-plan-Resonator ein transversal stabiler Laserbetrieb realisiert werden. Hier müssen dann allerdings mit zunehmender Leistung die Brechkräfte aller weiteren Resonatoroptiken an die thermische Linse angepasst werden. Üblich ist hier etwa die Verwendung von Wölbspiegeln. Im Prinzip sind aber auch alle oben genannten Möglichkeiten anwendbar und möglich, wenn Kompensationsoptiken mit entsprechend umgekehrtem Vorzeichen der Brechkraft verwendet werden.
Auch eine Homogenisierung der Strahlprofile, insbesondere zur Herstellung eines so genannten Top-Hat-Profils, erfolgt derzeit durch zusätzliche optische Elemente. Resonatorintern wird dies entweder durch diffraktive Elemente zur Phasenmanipulation oder durch refraktive Elemente zur Modenvolumenanpassung realisiert. Alternativ kann der Strahl resonatorextern durch Modenmischung in einem Wellenleiter oder durch den Einsatz von Mikrolinsen-Arrays homogenisiert werden.
Aus der US 2005/0141840 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines in ein Medium integrierten Wellenleiters bekannt. Bei diesem Verfahren wird der niedrigbrechende Mantel des Wellenleiters, der sich kontinuierlich durch das gesamte Medium erstreckt, mit Hilfe von kurzen Laserpulsen erzeugt, für die das Medium transparent ist. Die Intensität der Laserpulse wird dabei lokal in den als Mantel zu erzeugenden Bereichen so hoch gewählt, dass durch die hohe Intensität aufgrund nichtlinearer Effekte der Brechungsindex des Mediums herabgesetzt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein optisches Medium zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung anzugeben, die in dem Medium propagiert, die ohne den Einsatz aufwändiger optischer Komponenten auskommen, die den Justieraufwand erhöhen. Unter dem Begriff der Moden werden in der vorliegenden Patentanmeldung die transversalen Moden verstanden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem optischen Medium gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden vor dem Einsatz. des Mediums mehrere Volumenbereiche innerhalb des Mediums durch Abtasten dieser Volumenbereiche mit Laserpulsen im Brechungsindex modifiziert, für die das Medium transparent ist. Die Intensität der Laserpulse wird dabei lokal in diesen Volumenbereichen auf einen Wert eingestellt, bei dem nichtlineare Absorption im Medium auftritt. Durch die nichtlineare Wechselwirkung der intensiven Laserpulse mit dem Medium wird bei geeigneter Wahl der Laser-Parameter, spezifisch für das jeweilige Medium, der Brechungsindex in den bearbeiteten Volumenbereichen erniedrigt oder erhöht. Die Volumenbereiche werden dabei in Propagationsrichtung und/oder schräg zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung, deren Moden beeinflusst werden sollen, voneinander beabstandet gewählt, um durch die damit erzeugte dreidimensionale Berechungsindexverteilung die gewünschte Beeinflussung oder Formung der Moden zu bewirken.
Die Phase der optischen Strahlung, die durch das Medium propagiert, wird durch die dreidimensionale Brechungsindexverteilung modifiziert. Damit kann gezielt eine bestimmte Modenform der optischen Strahlung entsprechend der gewünschten Anforderung an Strahlprofil, Strahldurchmesser oder Strahldivergenz eingestellt werden. Die geeignete Form, Dimension und Verteilung der im Brechungsindex modifizierten Volumenbereiche zur Erzeugung einer bestimmten Modenform kann durch Simulationsrechnungen vorab bestimmt werden. Dies gilt auch für die Kompensation einer unerwünschten thermischen Linse in einem Lasermedium.
Die Aufteilung in mehrere Volumenbereiche, die voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei Abstand und Dimensionen bzw. Formen dieser Volumenbereiche variiert werden können, erhöht die Freiheitsgrade für die Herstellung eines gewünschten Modenprofils (tranversal) sowie einen vorteilhaften Verlauf des Strahlradius entlang der Propagationsrichtung (Kaustik) oder die Kompensation unerwünschter Effekte. Die optische Achse, die durch die Propagationsrichtung und zentrale Propagationsachse der zu beeinflussenden optischen Strahlung festgelegt ist, liegt dabei nicht in diesen Volumenbereichen. Die Volumenbereiche sind vielmehr um diese optische Achse herum angeordnet. Der Begriff optische Achse ist hierbei nicht im Sinne der Kristalloptik sondern geometrisch als zentrale Achse zu verstehen, auf der die optische Strahlung propagiert. Mit dem Verfahren kann bei geeigneter Wahl der Parameter überraschenderweise auch die Funktion eines optischen Linsenleiters durch voneinander in Propagationsrichtung der optischen Strahlung beabstandete und im Brechungsindex modifizierte Volumenbereiche erreicht werden, ohne hierzu einen kontinuierlich verlaufenden Mantel erzeugen zu müssen. Dies spart Zeit und Kosten und ermöglicht bei gleicher Strahlqualität gegebenenfalls andere vorteilhafte Strahlradien im Medium. Ist das Einbringen der Brechungsindexänderung unerwünschter Weise mit Verlusten verbunden, so werden auch diese durch die reduzierte Bearbeitungslänge verkleinert.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ausgenutzt, dass mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung die Mikrostrukturierung im Volumen von Materialien möglich ist, die für die verwendete Wellenlänge der Laserstrahlung transparent sind. Dabei wird durch nichtlineare Prozesse eine nichtlineare Absorption, vorzugsweise im Fokus der Laserstrahlung, verursacht. Mittels hochrepetierender Laserstrahlquellen, beispielsweise bei Pulsfrequenzen von 10 kHz bis über 100 MHz, mit großen mittleren Leistungen (10 bis 1000 W) wird eine produktive Generierung der modifizierten Volumenbereiche im Medium ermöglicht. Das Material des bearbeiteten Mediums kann beispielsweise Glas oder ein kristalliner Festkörper sein, der für die Wellenlänge der zur Bearbeitung bzw. Modifizierung eingesetzten Laserstrahlung transparent ist. Bei Fokussierung dieser Laserstrahlung in die zu modifizierenden Bereiche wird im Fokusvolumen ein Teil der Pulsenergie absorbiert und eine strukturelle Modifikation des Glases oder Kristalls induziert. Die strukturelle Modifikation besteht aus einer Kombination aus elektronisch induzierten Punktdefekten (Farbzentren, gebrochene Bindungen, Oxidation/Reduktion von Ionen), aus thermisch induzierten Strukturänderungen durch große Aufheiz- und Abkühlraten in einem konstanten Volumen – resultierend aus eingefrorenen Verdichtungs- und Spannungswellen – sowie mikroskopischen Poren und Rissen, insbesondere bei größeren Pulsdauern und großen Pulsenergien.
Durch die laserinduzierte Modifikation können je nach Material des Mediums und den Parametern der Laserpulse Bereiche mit vergrößertem und verringertem Brechungsindex hergestellt werden. Das Verfahren erlaubt die Generierung dreidimensionaler Brechungsindexverläufe beliebiger Form, wodurch funktionale Strukturen wie beispielsweise Linsen hergestellt werden können. Die laserinduzierte Modifikation kann auch Spannungen in der weiteren Umgebung des modifizierten Volumenbereichs, also außerhalb der Wärmeeinflusszone, verursachen. Durch die laserinduzierten Spannungen kann ebenfalls eine Änderung des Brechungsindexes in der Umgebung verursacht werden. Unter dem Begriff des modifizierten Volumenbereiches, im Folgenden auch als direkt modifizierter Volumenbereich bezeichnet, wird daher in der vorliegenden Patentanmeldung der Volumenbereich verstanden, der mit Laserpulsen einer für nichtlineare Absorption ausreichenden Intensität abgetastet wurde, um in diesem abgetasteten Bereich durch nichtlineare Wechselwirkung eine Brechungsindexmodifikation zu erzeugen.
In der bevorzugten Ausgestaltung wird die erforderliche hohe Intensität in den zu modifizierenden Volumenbereichen durch Fokussierung des gepulsten Laserstrahls in diese Volumenbereiche erreicht. Zur Fokussierung werden vorzugsweise Mikroskop-Objektive mit einer numerischen Apertur von beispielsweise NA = 1,4 bis 0,1 und Linsensysteme mit einer Brennweite von ≤ f = 160 mm verwendet. Bei der Wellenlänge des eingesetzten Lasers ist die lineare Absorption des Materials des Mediums gering. Bei hinreichend geringer Intensität unterhalb der Modifikationsschwelle propagiert das Licht ungestört im Medium. Der Durchmesser des erzeugten Fokus beträgt vorzugsweise einige Mikrometer bis einige zehn Mikrometer. Während der Bearbeitung des Mediums wird der Laserstrahl in der x-y-Ebene transversal durch einen Scanner, beispielsweise einen Galvanometer-Scanner, einen akusto- oder einen elektrooptischen Ablenker, abgelenkt und der Fokus entlang der z-Achse relativ zum Medium bewegt, so dass eine dreidimensionale Struktur abgetastet wird und entsprechend eine dreidimensionale Struktur mit modifiziertem Brechungsindex entsteht.
Alternativ zur Fokussierung kann auch mittels einer Phasenmaske im Medium über eine ausgedehnte Fläche hinweg die Modifikationsschwelle überschritten werden, wodurch ein gleichzeitiges Strukturieren größerer Bereiche sowohl in einer Ebene als auch dreidimensional möglich ist.
Nach dem Schreiben der Struktur bzw. Volumenbereiche kann zusätzlich eine Ausheizung des Mediums erfolgen, um eventuelle Fehlstellen oder Farbzentren zu minimieren. Mittels eines Mach-Zehnder-Interferometers kann die Wirkung der Modifikation auf das später hindurch propagierende Licht quantifiziert werden. Hierdurch kann ein direkter Zusammenhang zwischen den Laserparametern bei der Modifikation des Mediums und der bewirkten Änderung des Materials gemessen werden.
Vorteilhafte Laserparameter für die Erzeugung der gewünschten Brechungsindexmodifikation sind: Pulsdauer 10 fs–10 ns, Pulsenergie 0,1–100 mJ (für NA < 0,2) oder Pulsenergie 0,01–10 mJ (für NA = 0,2–0,6) oder Pulsenergie < 1 mJ (für NA = 0,6–1,4), Pulswiederholrate 10 kHz–1 GHz, Scangeschwindigkeit 0,001–100 m/s. Die hohen Scangeschwindigkeiten sind für eine hohe Produktivität mit Ultrakurzpuls-Hochleistungslasern von Vorteil. Bei Nutzung einer Phasenmaske kommen hierbei eher die höheren Pulsenergien, bei Nutzung fokussierter Laserpulse eher die niedrigeren Pulsenergien zum Einsatz.
Weiterhin können neben einzelnen Laserpulsen auch Pulsbursts oder Doppelpulse eingesetzt werden. Auch eine temporale Pulsformung, d. h. eine Formung des zeitlichen Pulsverlaufs, kann zur Erzeugung der gewünschten Modifikationen von Vorteil sein. Für die Bearbeitung tieferer Bereiche (z-Achse) im Medium kann auch eine dynamische Korrektur der sphärischen Aberrationen von Vorteil sein. Auch eine temporale Formung der Polarisation oder eine Strukturierung mit unterschiedlichen Wellenlängen können beim vorgeschlagenen Verfahren durchgeführt werden.
Durch die bevorzugte Erzeugung der hohen Intensitäten in den Volumenbereichen durch Fokussierung der Laserstrahlung, erfolgt die Strukturierung nur im Bereich des Fokus. Damit lassen sich auch sehr kleine Strukturen mit hoher Genauigkeit herstellen.
Die einzelnen Volumenbereiche werden beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise in unterschiedlichen Dimensionen bzw. Formen und/oder mit unterschiedlichen Abständen gewählt. Dies ermöglicht eine hohe Zahl von Freiheitsgraden bei der Beeinflussung der Moden. Weiterhin lässt sich durch Variation der Intensität bei der Einschreibung der Strukturen auch ein Brechungsindexverlauf in dem jeweiligen Volumenbereich erzeugen. So kann beispielsweise ein Volumenbereich erzeugt werden, der die optische Achse umschließt und bei dem sich der Brechungsindex in radialer Richtung zur optischen Achse kontinuierlich oder in Stufen verringert oder erhöht. Grundsätzlich sollte bei Änderung des Brechungsindex die optische Achse außerhalb der jeweiligen Volumenbereiche liegen, wobei vorzugsweise auch ein Bereich um die optische Achse noch außerhalb dieser Volumenbereiche liegt, um eine unbeeinflusste Propagation der zu beeinflussenden optischen Strahlung auf der optischen Achse zu ermöglichen.
Das Verfahren lässt sich vorteilhaft zur Beeinflussung der Moden in Medien einsetzen, die innerhalb eines Laserresonators angeordnet sind, insbesondere für Modifikation der Lasermoden im Lasermedium selbst. Damit können die in der Beschreibungseinleitung genannten Anpassungen der Moden bzw. die Kompensation negativer Effekte integriert in das Lasermedium vorgenommen werden, so dass keine zusätzlichen aufwändigen optischen Elemente erforderlich sind, die zusätzlichen Justieraufwand erfordern. Selbstverständlich lässt sich das vorgeschlagene Verfahren jedoch auch bei anderen Medien außerhalb des Laserresonators einsetzen, um die Mode eines durch das Medium propagierenden optischen Strahls, insbesondere Laserstrahls, in der gewünschten Form zu beeinflussen.
Das optische Medium zur Modenbeeinflussung der optischen Strahlung, weist dementsprechend mehrere im Brechungsindex modifizierte Volumenbereiche auf, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren angeordnet sind. Diese Volumenbereiche können gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren, d. h. durch nichtlineare Absorption von Laserpulsen, oder auch mit einer anderen Technik im Brechungsindex modifiziert worden sein. Das optische Medium kann dabei, wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren ausgeführt, als aktives Medium eines Laserresonators ausgebildet sein. Die Resonatorendspiegel sind dabei vorzugsweise als Beschichtung auf die Endflächen des Mediums aufgebracht. Auf diese Weise kann z. B. ein monolithischer plan-plan-Resonator mit kompensierter thermischer Linse realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für einen Aufbau zur Modifikation eines Mediums gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
2 ein Beispiel für eine Form eines modifizierten Volumenbereiches gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einem Querschnitt durch das Medium;
3 ein Beispiel für eine Form und Anordnung der modifizierten Volumenbereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einem Längsschnitt durch das Medium;
4 ein weiteres Beispiel für eine mögliche Form und Anordnung der modifizierten Volumenbereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einem Längsschnitt durch das Medium; und
5 ein weiteres Beispiel für eine mögliche Form und Anordnung der modifizierten Volumenbereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einem Querschnitt durch das Medium.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird zunächst ein möglicher Aufbau zur Modifizierung des Brechungsindex mit Laserstrahlen in Volumenbereichen eines transparenten Mediums anhand der 1 dargestellt. Die Modifizierung bzw. Strukturierung wird mit dem gepulsten Lasersystem 1 durchgeführt, beispielsweise einem fs-Faserlaser, einem Ti:Sa- oder einem Yb:YAG-Laser. Der gepulste Laserstrahl 6 wird mit einem oder mehreren optischen Elementen 4 in das Volumen des Mediums 9 auf einen bestimmten Fokusdurchmesser fokussiert. Mit Hilfe eines Modulators 2 wird die Einstrahlung der Laserstrahlung in das Medium 9 sowie eventuell auch die Leistung der Laserstrahlung – und damit die Strukturierung in dem Medium 9 – zeitlich moduliert. Außerdem wird der gepulste Laserstrahl 6 bzw. der Laserfokus 7 in diesem Beispiel durch ein Scannersystem 3 in zwei vorzugsweise zueinander orthogonalen Raumrichtungen (x-Richtung 10, y-Richtung 11) abgelenkt. Zusammen mit dem Modulator 2 werden auf diese Weise direkt modifizierte Volumenbereiche 8 in beliebiger Größe und Form im Volumen des transparenten Mediums 9 hergestellt, zwischen denen unmodifizierte oder nicht direkt modifizierte Bereiche liegen.
Bei geeigneter Wahl der optischen Elemente 4 als Phasenmaske kann auch auf die Fokussierung des Laserstrahls und das Scannersystem 3 verzichtet werden.
Die modifizierten und unmodifizierten Bereiche unterscheiden sich in ihrer Morphologie und ihrem Brechungsindex. Das optische Element 4, beispielsweise eine Linse, wird parallel zur z-Achse (z-Richtung 5 in 1) oder das Medium 9 in Relation zum optischen Element 4 entlang der z-Achse bewegt, die orthogonal zur x- und y-Achse liegt. In Verbindung mit der x-y-Ablenkung durch das Scannersystem 3 werden auf diese Weise dreidimensionale Strukturen mit Brechungsindexmodifikation in dem Medium 9 erzeugt. Anstelle der Strahlablenkung durch das Scannersystem 3 kann Abtastung in x- und y-Richtung auch durch entsprechende Verschiebung des Mediums relativ zum Laserstrahl 6 realisiert werden. Weiterhin kann die Modifikation, wie bereits weiter oben angeführt, auch mit Hilfe einer Phasenmaske erfolgen.
In der 1 sind hierbei sehr gut mehrere voneinander beabstandete (direkt modifizierte) Volumenbereiche 8 zu erkennen, die in diesem Fall entlang der z-Achse hintereinander angeordnet sind, wobei die Abstände und Dimensionen der direkt modifizierten Volumenbereiche 8 variieren.
2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus dem Medium 9 im Querschnitt senkrecht zur z-Achse, d. h. in einer x-y-Ebene. 2 deutet an, dass beliebige Formen des direkt modifizierten Volumenbereichs 15 mit der vorgeschlagenen Technik erzeugt werden können. Im Beispiel der 2 umschließt der direkt modifizierte Volumenbereich 15 in der x-y-Ebene die optische Achse (= zentrale Propagationsachse) vollständig, wobei weder die optische Achse noch ein Bereich um die optische Achse Teil des direkt modifizierten Bereiches 15 sind. Der innere nicht direkt modifizierte Bereich kann hierbei als Kern 14, der diesen umschließende direkt modifizierte Bereich 15, der hier im Querschnitt eine polygonale Form aufweist, als fünfeckiger Mantel eines Wellenleiters angesehen werden.
Der gepulste Laserstrahl wird in das Volumen des Mediums mit einem Durchmesser des Fokus 12 von beispielsweise 2ω₀ = 1–10 μm fokussiert. Oberhalb der Modifikationsschwelle wird der Brechungsindex des Materials durch das Laserlicht verkleinert. Bei bestimmten Materialien kann auch eine positive Brechungsindexänderung unter Bestrahlung mit Laserlicht auftreten. Die Richtung der Brechungsindexänderung kann in Abhängigkeit der Prozessparameter durch Vorversuchen experimentell bestimmt werden. Es werden Pulsenergien von vorzugsweise 0,1 μJ–30 μJ zur Modifikation des Materials benutzt. Der modifizierte Bereich 15 umgibt den unbeleuchteten Kern 14, der spannungsinduziert eine gegenläufige Brechzahländerung aufweisen kann. Fokusdurchmesser 12, Energie und Repetitionsrate des für die Modifikation eingesetzten Lasers verändern die Spurbreite des direkt modifizierten Bereichs 15 im Querschnitt, der bei einer Überfahrt des fokussierten Lichts entsteht. Mehrere Spuren nebeneinander in der x-y-Ebene oder eine Modulation der Intensität mit einem akustooptischen Modulator verändern die Größe des direkt modifizierten Bereichs und somit die Manteldicke. Durch ein spiralförmiges Strukturieren in longitudinaler Richtung, d. h. in z-Richtung, kann die Länge des jeweils direkt modifizierten Bereiches in dem Medium eingestellt werden. Die Struktur ist umgeben von unmodifiziertem Material (unmodifizierter Bereich 16).
Eine derartige Modifikation kann beispielsweise im aktiven Medium eines endgepumpten Laserresonators eingesetzt werden. Das Pumplicht propagiert dann im Kernbereich 14, kann aber auch im modifizierten Bereich 15 und im unmodifizierten Bereich 16 laufen.
Als Medium kann beispielsweise ein Pr:YLF oder ein Nd:YLF eingesetzt werden, das mit Laserpulsen mit einer Pulsenergie von 0,1–3 μJ, einer Pulswiederholrate von 100 bis 200 kHz und einer Pulsdauer von ca. 100 fs bearbeitet wird, um im Brechungsindex erniedrigte Volumenbereiche zu erzeugen.
3 zeigt eine mit dem Verfahren herstellbare Brechungsindexmodifikation mit Strahlformungselementen im Volumen eines transparenten Mediums 9 im Längsschnitt der Struktur. In diesem Fall sind direkt modifizierte Bereiche 21 dargestellt, die entlang der optischen Achse 23 (z-Richtung) hintereinander angeordnet sind. Diese Bereiche können beispielsweise ringförmig um die optische Achse 23 verlaufen. Die Bereiche können jede beliebige Form und Größe, beispielsweise beliebige Innendurchmesser 17 und Außendurchmesser 18, annehmen. Durch Scannen mehrerer Bahnen nebeneinander in der x-y-Ebene werden Strukturen mit einer Breite größer als der Fokusdurchmesser 2ω₀ erzeugt. In z-Richtung ist ebenfalls keine Einschränkung auf die Morphologie der Struktur gegeben. Die unterschiedlichen Bereiche 21 können dabei auch unterschiedliche Brechungsindizes oder unterschiedliche Brechungsindexverläufe aufweisen.
Bei Propagation von Laserstrahlung auf der optischen Achse 23 in einem derart modifizierten Medium wird durch die unterschiedlichen optischen Weglängen der Teilstrahlen in Abhängigkeit vom Abstand von der optischen Achse 23 deren Phase verändert.
Selbstverständlich lässt sich die hier vorgeschlagene Anordnung und Verteilung der direkt modifizierten Volumenbereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex auch mit anderen optischen Komponenten, beispielsweise integrierten Bragg-Gittern, kombinieren, um bestimmte Wellenlängen der Strahlung gezielt abzulenken und solcher Maßen zu selektieren. Die zusätzlichen optischen Elemente werden dabei in das Innere der in diesem Beispiel zylinderartigen Struktur geschrieben, in dem die Laserstrahlung propagiert. Dadurch wird nicht nur eine räumliche Begrenzung der ausbreitenden Mode gewährleistet, sondern gleichzeitig eine zeitliche und spektrale Anpassung ermöglicht.
Aus 3 ist weiterhin ersichtlich, dass sich die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren direkt modifizierten Bereiche 21 hier nicht bis an den Rand des Mediums 9 erstrecken, sondern in einem Abstand 24 zur Ober- und Unterseite des Mediums 9 (bezüglich der Propagationsrichtung) befinden. Die Länge 19 der Struktur in z-Richtung ist variabel einstellbar.
4 zeigt ein weiteres Beispiel für Formen und Anordnung der gemäß dem vorliegenden Verfahren direkt im Brechungsindex veränderten Volumenbereiche 27, 31. Durch dieses Beispiel wird veranschaulicht, dass diese Bereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren beliebig geformt und angeordnet sein können, jeweils in Abhängigkeit der gewünschten Beeinflussung der Moden des sich in Propagationsrichtung 28 ausbreitenden Laserstrahls. Es können Modifikationen beliebigen Quer- und Längsschnitts mit dem vorliegenden Verfahren erzeugt werden. Die Form der einzelnen direkt strukturierten Bereiche 27, 31 kann sich dabei komplett voneinander unterscheiden. Die Länge jedes Volumenbereichs bzw. Segments sowie ihr Abstand zueinander (Abstand 26 in Propagationsrichtung, Abstand 29 quer zur Propagationsrichtung) können in jeder Achse und an jedem Ort variieren. Das Gleiche gilt für die Gesamtlänge 25 der Struktur sowie ihren Abstand 30 von der Unter- und Oberseite des Mediums 9.
5 zeigt ein Beispiel einer Anordnung und Form der im Brechungsindex direkt modifizierten Volumenbereiche 37 im Querschnitt (x-y-Ebene), d. h. senkrecht zur Propagationsrichtung der zu beeinflussenden Laserstrahlung. Im Gegensatz zum Beispiel der 2 sind in diesem Beispiel die einzelnen Volumenbereiche in der Querschnittsebene voneinander beabstandet. Diese Bereiche können auch hier durch entsprechende Programmierung des Scannersystems und eines Modulators in das Medium eingeschrieben werden. Die Bereiche sind wiederum um die optische Achse herum angeordnet und weisen unterschiedliche Dimensionen auf. Die optische Achse selbst und ein Bereich um die optische Achse werden nicht mit den Laserpulsen beschrieben (Kernbereich 39). Allerdings können in diesem Kernbereich 39, in dem die Laserstrahlung propagiert wird, spannungsindizierte Brechungsindexänderungen auftreten. Dadurch ergeben sich Bereiche mit positiver Brechungsindexänderung, die eine Lichtführung möglich machen.
Bei der Strukturierung wird die Einstrahlung der Laserpulse mit dem Modulator während des Strukturierungsprozesses unterbrochen und gleichzeitig die Position des Fokus 36 in dem Medium 9 verändert. Dies ist in der 5 mit dem Bezugszeichen 40 angedeutet. Die Spurbreite der direkt modifizierten Bereiche 37 wird mit der Intensität der Strahlung, der Fokussierung und der Verfahrensstrategie angepasst. So können beispielsweise mehrere Linien nebeneinander geschrieben werden, die zu einer zusammenhängenden Fläche 37 führen. Die Anzahl, Größe und Form der strukturierten Bereiche ist ebenso wie die Länge der gesamten Struktur in z-Richtung beliebig (vgl. 4).
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich die thermische Linse in einem aktiven Medium mit negativem dn/dT kompensieren. Hierbei werden entlang der Resonatorachse die Modifikationen im aktiven Medium, d. h. die im Brechungsindex modifizierten Volumenbereiche, erzeugt. Die Resonatorachse (optische Achse) selbst und ein Bereich um die Resonatorachse, die der Führung der Laserstrahlung dienen, werden nicht mit den Laserpulsen bearbeitet. Durch die Modifikation kommt es bei vielen Materialien mit den geeignet gewählten Laserparametern zur Herabsetzung des Brechungsindex in den bearbeiteten Volumenbereichen. Hierbei wird eine umgebende Struktur, z. B. elliptisch, geschrieben, die dann einen geringeren Brechungsindex als der Bereich auf und um die optische Achse aufweist.
Die umgebende Struktur ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren nicht kontinuierlich, sondern besteht aus einzelnen voneinander beabstandeten Bereichen. Der Bereich in der Mitte der umgebenden Struktur (im Querschnitt senkrecht zur Propagationsrichtung der Strahlung) ist dabei unverändert oder evtl. lediglich durch auftretende Spannungen im Brechungsindex leicht erhöht. Somit nimmt der Brechungsindex von der Mitte, d. h. der optischen Achse, nach außen ab. Diese Struktur besitzt für senkrecht auftreffendes Licht den fokussierenden Effekt einer konvexen Linse. Durch geeignete Wahl der Radien der Struktur und der Parameter des eingesetzten gepulsten Lasers kann eine unterschiedlich starke Brechkraft erzielt werden.
Hierbei können auch mehrere konzentrische Strukturen mit von außen nach innen, d. h. zur optischen Achse hin, abnehmender Pulsenergie geschrieben werden, wodurch eine Änderung des Brechungsindexverlaufs erreicht wird. Hierbei propagiert das Licht jeweils in dem inneren, nicht mit den Laserpulsen bearbeiteten Bereich, wodurch Streuungen oder Verluste an den Strukturen vermieden werden.
Bei einer Ausbildung der direkt modifizierten Bereiche als Ellipse im Querschnitt senkrecht zur optischen Achse kann durch das Verhältnis der beiden Hauptachsen der Ellipse eine Anpassung der Brechkraft in zwei zueinander senkrechte Richtungen erfolgen. Dies kann beispielsweise nötig sein, wenn sich in dem Medium eine nicht stigmatische thermische Linse aufgrund der Pumpstrahlung oder spezifischer Kristalleigenschaften bildet. Darüber hinaus sind auch Vielecke statt Ellipsen als umgebende Strukturen möglich, wobei dann Brechungsindexverläufe entsprechend der Symmetrien der Vielecke resultieren. Die Tiefe der Strukturen ergibt sich durch den Bereich, in dem die Intensität des zur Bearbeitung eingesetzten gepulsten Laserstrahls ausreichend hoch ist, um eine Veränderung in dem Medium zu erzeugen. Die Tiefe (Dimension in z-Richtung) kann jedoch vergrößert werden, indem eine zweite Struktur in geringem Abstand zur Ersten geschrieben wird, wodurch die beiden Strukturen überlappen und als Gesamtstruktur eine größere Tiefe aufweisen. Entlang dieser Tiefe können zusätzliche Parameter der Strukturierung, also vorzugsweise Durchmesser und Pulsenergie, variiert werden, um entlang der Propagationsrichtung der zu beeinflussenden Laserstrahlung einen effektiven Brechungsindexverlauf zu erzielen. Die um die optische Achse angeordneten bzw. diese umschließenden modifizierten Volumenbereiche wirken als effektive Linsen und können an jede Stelle im Medium geschrieben werden. Sie eignen sich damit optimal zur Kompensation der thermischen Linse in aktiven Medien mit negativen dn/dT.
In einem endgepumpten aktiven Medium wird die Pumpstrahlung gemäß dem Lambert-Beerschen-Gesetz absorbiert. Dies bedeutet, dass am gepumpten Ende die meiste Energie deponiert wird. Somit ist hier auch die Wirkung der thermischen Brechungsindexänderung am größten. Durch einen angepassten Abstand zwischen zwei modifizierten Volumenbereichen entlang der Propagationsrichtung der Pumpstrahlung oder andere Parameteranpassungen kann die Wirkung der thermischen Linse ortsabhängig kompensiert werden. Damit ist es auch bei aktiven Medien mit negativem dn/dT möglich, einen monolithischen plan-plan Resonator aufzubauen.
Durch die beabstandeten, direkt modifizierten Volumenbereiche und die damit einhergehenden kürzeren Interaktionslängen im Vergleich zu einer entlang des gesamten Mediums kontinuierlichen Struktur sind die Verluste an den Strukturen geringer. Weiterhin lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein derartiges Medium schneller und somit kostengünstiger modifizieren. Durch die weiteren Freiheitsgrade der unterschiedlichen Form und Abstände der einzelnen Volumenbereiche ergeben sich zudem sehr viele Einflussmöglichkeiten auf die Moden.
Bezugszeichenliste

1: Gepulstes Lasersystem
2: Modulator
3: Scannersystem
4: Optisches Element
5: z-Richtung
6: Gepulster Laserstrahl
7: Fokus des gepulsten Laserstrahls
8: Modifizierte Volumenbereiche
9: Medium
10: x-Richtung
11: y-Richtung
12: Fokus des gepulsten Laserstrahls
13: Scan-Pfad
14: Kern
15: Modifizierter Bereich
16: Unmodifizierter Bereich
17: Innendurchmesser
18: Außendurchmesser
19: Länge der Struktur
20
21: Modifizierte Volumenbereiche
22
23: Optische Achse
24: Abstand zur Oberfläche
25: Länge der Struktur
26: Abstand der Volumenbereiche
27: Modifizierter Volumenbereich
28: Propagationsrichtung
29: Abstand der Volumenbereiche
30: Abstand zur Oberfläche
31: Modifizierter Volumenbereich
32
33
34
35
36: Laserfokus
37: Modifizierter Volumenbereich
38: Unmodifizierter Bereich
39: Kernbereich
40: Veränderung der Position des Fokus

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2005/0141840 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung, die in einem Medium (9) propagiert, bei dem vor dem Einsatz des Mediums (9) mehrere Volumenbereiche (21) innerhalb des Mediums (9) mit Laserpulsen, für die das Medium (9) transparent ist, im Brechungsindex modifiziert werden, indem die Intensität der Laserpulse lokal in den Volumenbereichen (8) auf einen Wert eingestellt wird, bei dem nichtlineare Absorption im Medium (9) auftritt, wobei die Volumenbereiche (21) in Propagationsrichtung und/oder schräg zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung voneinander beabstandet gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der Intensität der Laserpulse, bei dem nichtlineare Absorption im Medium (9) auftritt, durch Fokussierung der Laserpulse erreicht wird und die Volumenbereiche (21) mit den fokussierten Laserpulsen abgetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Volumenbereiche (21) unterschiedliche Dimensionen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Volumenbereiche (21) in Propagationsrichtung hintereinander angeordnet sind und zumindest zum Teil unterschiedliche Abstände (26) voneinander aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehr als zwei Volumenbereiche (21) in Propagationsrichtung so hintereinander angeordnet und ausgebildet sind, dass eine nicht periodische Variation des Brechungsindex in Propagationsrichtung resultiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Volumenbereiche (21) jeweils eine durch die Propagation der optischen Strahlung festgelegte optische Achse (23) umschließen, wobei die optische Achse (23) und ein Bereich um die optische Achse außerhalb der zumindest einigen Volumenbereiche (21) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zumindest einige der Volumenbereiche (21) in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung um eine durch die Propagation der optischen Strahlung festgelegte optische Achse (23) herum angeordnet sind, wobei die optische Achse (23) und ein Bereich um die optische Achse (23) außerhalb der zumindest einigen Volumenbereiche (21) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch Variation der Intensität der Laserpulse in einem oder mehreren der Volumenbereiche (21) ein Brechungsindexverlauf innerhalb des jeweiligen Volumenbereiches (21) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Modenbeeinflussung von Laserstrahlung im aktiven Medium eines Festkörperlasers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Modenbeeinflussung eines über ein Ende optisch gepumpten Lasermediums, wobei die Volumenbereiche (21) mit zunehmendem Abstand von dem Ende einen größeren gegenseitigen Abstand (26) in Propagationsrichtung aufweisen.
Optisches Medium zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung, die in dem Medium (9) propagiert, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Medium (9) mehrere im Brechungsindex modifizierte Volumenbereiche (21) ausgebildet sind, die gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 10 angeordnet sind.