DE102010021262A1

DE102010021262A1 - Lasersystem mit nichtlinearer Kompression

Info

Publication number: DE102010021262A1
Application number: DE102010021262A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Nodop Dirk; Dipl.-Ing. Steinmetz Alexander; Dr. Limpert Jens; Prof. Dr. Tünnermann Andreas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-10-20
Also published as: WO2011128087A2; US8948219B2; US20130083814A1; DE202010017367U1; EP2559117A2; WO2011128087A3

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem passiv gütegeschalteten Laser, einem spektral verbreiternden Element und einem Kompressionselement.
Lasersysteme dieser Art sollen zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse verwendet werden. Im Stand der Technik sind bisher nur aufwendige, modengekoppelte Lasersysteme bekannt, die eine Pulsdauer unter 10 ps erreichen können. Eine einfache und kompakte Lösung zur Erzeugung von Laserpulsen im sub-10 ps-Bereich birgt daher erhebliches Marktpotential. Anwendungsgebiet ist unter anderem die hochpräzise Mikromaterialbearbeitung, da der durch eine kurze Pulsdauer reduzierte Wärmeeintrag in das Material Qualitätsvorteile – z. B. präzisere Kanten beim Laserschneiden – bietet. Die im Stand der Technik bekannten modengekoppelten Festkörperlaser werden bisher als typische Quellen für ps-Pulse verwendet. Sie bestehen neben dem aktiven Medium aus einem nichtlinearen Schalter, z. B. einem sättigbaren Halbleiterspiegel, und Elementen zur Dispersionskompensation. Diese komplexen und justageempfindlichen Freistrahlaufbauten liefern Pulsfolgefrequenzen im Bereich von 10 MHz bis größer als 100 MHz. Sinnvolle Pulsfolgefrequenzen für die meisten Applikationen sind jedoch solche unter 10 MHz, typischerweise einige 100 kHz. Daher müssen bei den bekannten, modengekoppelten Festkörperlasern zusätzlich Elemente eingesetzt werden, die die Pulsfolgefrequenz reduzieren. Gebräuchliche Elemente sind hierbei sog. resonatorverlängernde Spiegelanordnungen, welche jedoch die Komplexität der Aufbauten noch weiter erhöhen und diese somit justageempfindlich machen. Alternativ wird vor den Verstärkerstufen ein Pulspicker (z. B. eine Pockelszelle) eingesetzt, welcher die Pulsfolgefrequenz in den für die Applikation benötigten Bereich reduziert. Insgesamt sind die modengekoppelten Lasersysteme stets empfindliche Freistrahlaufbauten, wodurch sie nur bedingt für den kommerziellen Gebrauch geeignet sind.
Die passiv gütegeschalteten Laser gemäß dem Oberbegriff der Erfindung sind einfach aufgebaute, kompakte Mikrochiplaser, welche aus einem monolithischen Verbund aus sättigbarem Absorber, Laserkristall und Resonatorspiegel bestehen und mit einer Laserdiode durch eine einfache Optik gepumpt werden. Auf diese Weise können Pulse mit Pulsfolgefrequenzen von mehreren 10 kHz bis einigen MHz bei Pulsdauern zwischen 50 ps und 200 ps erzeugt werden. Eine Pulsdauer kleiner als 10 ps ist mit diesen passiv gütegeschalteten Lasern bisher nicht möglich.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem zu schaffen, welches Pulsdauern unter 10 ps erzeugt und zugleich einfach und kompakt zu fertigen ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass der passiv gütegeschaltete Laser eine longitudinal einmodige Ausgangsstrahlung aufweist, welche mittels des spektral verbreiternden Elementes durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das Kompressionselement zeitlich komprimiert wird. Durch Selbstphasenmodulation (SPM) lässt sich die spektrale Breite kurzer Laserpulse so vergrößern, dass sich durch anschließende Kompensation der Phasenterme eine deutlich verkürzte Pulsdauer ergibt. Wichtig ist hierbei die longitudinal einmodige Emission des gütegeschalteten Lasers, d. h. die Emission einer einzelnen, wohl definierten, longitudinalen Mode. Würden mehrere longitudinale Moden mit statistischer Phasenbeziehung zur Emission beitragen, wäre eine anschließende Kompression der durch die Selbstphasenmodulation neu erzeugten spektralen Anteile nicht möglich bzw. stark untergrundbehaftet. Die anschließende Kompression der Pulse erfolgt mittels eines dispersiven Elementes, welches die Pulsverkürzung bewirkt.
Eine vorteilhafte Ausführung eines passiv gütegeschalteten Lasers ist ein passiv gütegeschalteter Mikrochiplaser. Durch ihren monolithischen Aufbau können die Mikrochiplaser äußerst kompakt gefertigt werden und sind somit unkompliziert in ein Lasersystem zu integrieren.
Als Mikrochiplaser eignet sich insbesondere ein Verbund aus einem Neodym dotierten Vanadat-Kristall und einem sättigbaren Halbleiterspiegel. Diese Laser bieten eine longitudinal einmodige Strahlung hoher Güte.
Vorteilhaft weist der passiv gütegeschaltete Laser eine Pulsdauer auf, welche kleiner als 1 ns, kleiner als 200 ps oder kleiner als 50 ps ist. Ein passiv gütegeschalteter Laser dieser Pulsdauer stellt eine bestens geeignete Ausgangsstrahlung zur Verfügung, um anschließend mittels der erfindungsgemäßen spektralen Verbreiterung und zeitlichen Komprimierung eine Pulsdauer kleiner als 10 ps zu erreichen.
Es wird vorgeschlagen, dass das spektral verbreiternde Element eine optische Single-mode-Faser ist. In einer Single-mode-Faser tritt während der Propagation der Pulse aufgrund ihres geringen Faserdurchmessers üblicherweise Selbstphasenmodulation auf, welche in einer – für die meisten Anwendungen – ungewünschten spektralen Verbreiterung der geführten Strahlung resultiert. Dieser nichtlineare Effekt der Single-mode-Faser lässt sich aber auch im Sinne der Erfindung gezielt für die spektrale Verbreiterung nutzen. Ein ebensolcher Effekt lässt sich alternativ auch mit einer geeigneten Wellenleiterstruktur erreichen.
Vorteilhaft weist das Lasersystem mindestens einen optischen Verstärker auf. Die Verstärkung des Laserpulses kann vor oder auch nach dem spektral verbreiternden Element vorgesehen sein. Eine Verstärkung ist dabei durch einen einzelnen optischen Verstärker oder auch durch mehrere Verstärkerstufen möglich. Ebenso kann mindestens ein optischer Verstärker gleichzeitig als spektral verbreiterndes Element wirken. Denkbar ist in diesem Sinne eine optische Verstärkerfaser, welche sowohl die Aufgabe der Verstärkung als auch die der spektralen Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation übernimmt.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Kompressionselement ein Bragg-Gitter ist. Das Bragg-Gitter kann beispielsweise ein gechirptes faseroptisches Bragg-Gitter (FBG) oder auch ein gechirptes volumenoptisches Bragg-Gitter (VBG) sein. Ebenso kann das Kompressionselement auch ein transmittierendes oder reflektierendes Gitterpaar oder ein Prismenaufbau sein. Somit sind auch konventionelle Kompressionselemente verwendbar.
Vorteilhaft sind des Weiteren optionale Elemente, welche den Laserpuls in Bezug auf seine Eigenschaften – wie beispielsweise Pulsdauer, Pulsabstand, Frequenz, Kontrast, spektrale Zusammensetzung – so verändern, dass die Kenndaten und/oder die Qualität der Ausgangsstrahlung des erfindungsgemäßen Lasersystems verbessert werden. Zu diesem Zweck kann das Lasersystem einen Pulsstrecker aufweisen, mittels welchem die spektral verbreiterte Strahlung zeitlich gestreckt wird. Weiterhin kann das Lasersystem ein Element aufweisen, welches den Laserpuls zeitlich teilt, oder auch ein frequenzkonvertierendes, ein den Pulskontrast verbesserndes oder ein spektral filterndes Element. Alle Elemente können einzeln oder auch in Kombination miteinander im Lasersystem verbaut werden.
Schließlich kann das erfindungsgemäße Lasersystem auch mehrfach von der Ausgangsstrahlung des passiv gütegeschalteten Lasers durchlaufen werden. Hierbei wird die spektral verbreiterte und zeitlich komprimierte Strahlung wiederum mittels des spektral verbreiternden Elementes durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das Kompressionselement zeitlich komprimiert. Mit einem solchen mehrstufigen Aufbau lassen sich die in einer ersten Stufe auf < 10 ps Pulsdauer komprimierten Pulse mittels einer zweiten Stufe auf eine Pulsdauer von beispielsweise < 1 ps komprimieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Skizze des Aufbaus des erfindungsgemäßen Lasersystems;
2: zeitlicher Verlauf eines Pulses des Mikrochiplasers;
3: Wellenlängenspektrum des Pulses des Mikrochiplasers;
4: Wellenlängenspektrum des Pulses nach der spektralen Verbreiterung;
5: zeitlicher Verlauf des Pulses nach der zeitlichen Kompression;
6/7: weitere Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Lasersysteme.
In 1 ist schematisch ein Lasersystem dargestellt, welches aus einem Laser 1, einem Verstärker 2, einem spektral verbreiternden Element 3 und einem Kompressionselement 4 besteht. Der Laser 1 ist hierbei ein Mikrochiplaser. Der Verstärker 2 ist ein optischer Verstärker in Form eines nichtlinearen Faserverstärkers. Eine Single-mode-Faser bildet das spektral verbreiternde Element 3. Das Kompressionselement 4 ist ein Gitterkompressor aus einem Gitterpaar.
In 6 besteht das Lasersystem aus einem Laser 1, einem Verstärker 2, welcher gleichzeitig das spektral verbreiternde Element 3 ist, und einem Kompressionselement 4. Hierbei kann der spektral verbreiternde Verstärker 2, 3 eine optische Faser sein, welche den Laserpuls des Lasers 1 verstärkt und ihn gleichzeitig durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert. Das Kompressionselement 4 ist ein Volumen-Bragg-Gitter (VBG), ein Gitterpaar oder eine Prismenanordnung.
7 zeigt einen Aufbau aus einem Laser 1, einem spektral verbreiternden Element 3 in Form eines Wellenleiters oder einer optischen Faser, einem zeitlichen Pulsstrecker 5 – dieser kann ebenfalls ein VBG oder Gitterpaar sein –, einem Verstärker 2 (z. B. Faser mit oder ohne Selbstphasenmodulation) und einem Kompressionselement 4.
Die Erfindung gemäß 1 funktioniert im Einzelnen so, dass der passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser 1 als Signalquelle für den anschließenden Faserverstärker 2 dient. Der Mikrochiplaser 1 emittiert eine mittlere Leistung von 50 mW bei einer Pulsdauer von 150 ps und einer Pulsfolgefrequenz von 332 kHz. Der Faserverstärker 2 besteht aus einer 2,2 m langen Ytterbiumdotierten Doppelkernfaser mit einem aktiven Kerndurchmesser von 40 μm. Er erhöht die mittlere Leistung auf ca. 1 Watt. Das spektral verbreiternde Element 3 ist eine 3 m lange passive Faser mit einem Kerndurchmesser von 10 μm. Durch die Selbstphasenmodulation innerhalb der Faser wird die spektrale Breite von ursprünglich weniger als 0,02 nm auf 0,53 nm erhöht. Als Kompressionselement 4 dient ein konventioneller Gitterkompressor bestehend aus einem parallelen Gitterpaar mit einer Gitterstrichzahl von 1.740 1/mm und einem Gitterabstand von 0,11 m. Im Experiment konnte das Lasersystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel den 150 ps langen Ausgangspuls auf eine Autokorrelationsbreite von 8,8 ps komprimieren. Dies entspricht einer Pulsdauer von ca. 6 ps.
2 zeigt den 150 ps langen Ausgangspuls des Mikrochiplasers 1. Dieser besitzt vor der Verbreiterung durch das spektral verbreiternde Element 3 eine spektrale Halbwertsbreite von 50 pm, dargestellt in 3. In 4 weist die Emission anschließend eine spektrale Breite von 0,53 nm auf. Die Autokorrelationsmessung ergibt eine Pulsdauer des komprimierten Pulses von ca. 6 ps (siehe 5).
Die Erfindung gemäß 6 funktioniert ähnlich wie in 1. Der passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser 1 dient auch hier als Signalquelle für das Lasersystem. Der emittierte Laserpuls wird in eine optische Faser 2, 3 eingekoppelt, welche ihn zum einen als optische Verstärkerfaser verstärkt und zum anderen aufgrund ihrer nichtlinearen Eigenschaften durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert. Der nun verstärkte und spektral verbreiterte Laserpuls trifft anschließend auf ein Volumen-Bragg-Gitter 4, wo er zeitlich auf unter 10 ps Pulsdauer komprimiert wird.
In dem Lasersystem gemäß 7 wird der vom gütegeschalteten Mikrochiplaser 1 emittierte Laserpuls in eine optische Faser 3 eingekoppelt, wo er aufgrund von Selbstphasenmodulation eine spektrale Verbreiterung erfährt. Anschließend sorgt ein Bragg-Gitter als Pulsstrecker 5 für eine zeitliche Streckung des Pulses. Der zeitlich gestreckte Puls wird sodann mittels der Verstärkerfaser 2 verstärkt und in dem Faser-Bragg-Gitter 4 komprimiert.

Claims

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