DE102012005492B4 - Passiv gütegeschalteter Mikrochip-Laser mit einer Pulssteuerung - Google Patents

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Abstract

Passiv gütegeschalteter Mikrochiplaser (1) mit einer Pulssteuerung, bestehend aus einem Resonator mit einem optischen Verstärkermedium (2) und einem sättigbaren Absorber (3) zur Erzeugung kurzer optischer Laserpulse (7) mittels passiver Güteschaltung, mit einer optischen Pumpeinrichtung (8) zum Pumpen des Verstärkungsmediums (2) und mit einem fotoleitenden Schalter (10) zum Empfang der optischen Laserpulse (7) und zur Steuerung der optischen Pumpeinrichtung (8), wobei
a) zur Erzeugung einer gewünschten Repetitionsfrequenz der durch die Güteschaltung bewirkten kurzen optischen Laserpulse (7) das Verstärkermedium (2) mit optischen Pump-Pulsen (P) der gewünschten Repetitionsfrequenz gepumpt wird,
b) und die Dauer jedes Pump-Pulses (P) dadurch beschränkt wird, dass der Pump-Puls (P) unmittelbar nach dem mittels eines fotoleitenden Schalters (10) detektierten einzelnen optischen Laserpulses (7) von einer Elektronik abgeschaltet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen passiv gütegeschalteten Mikrochiplaser mit einer Pulssteuerung.
  • Passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser bestehen aus einem optisch gepumpten Laserkristall und einem sättigbaren Absorber (siehe beispielsweise US 5 394 413 A und US 2009 / 0 290 605 A1 ). Solche Laser werden vorwiegend mittels Laserdioden gepumpt und erzeugen infolge des Zusammenwirkens von gepumptem Lasermedium und sättigbarem Absorber gepulste Laserstrahlung. Seit langem bekannt sind Mikrochiplaser, die aus einem Nd:YVO4 Laserkristall und einem sättigbaren Absorber aus Cr4+:YVO4 bestehen (siehe Optics Letters, Band 18, Seiten 511-512, 1993 oder US 6 373 864 B1 ). Typische Pulsdauern solcher Mikrochiplaser liegen im Bereich von 1 ns. Die Pulsdauer wird wesentlich durch die Resonatorlänge des Mikrochiplasers bestimmt, die hauptsächlich durch die Dicke des Laserkristalls und des sättigbaren Absorbers gebildet wird.
  • Für viele Anwendungen in der Materialbearbeitung oder der Messtechnik werden Laserpulse kurzer Dauer von 100 ps oder weniger bei einstellbaren Repetitionsfrequenzen im Bereich von etwa 10 kHz bis 300 kHz benötigt.
  • Um zu kürzeren Resonatorlängen und damit zu kürzeren Pulsdauern zu kommen, wurden Mikrochiplaser mit sättigbarem Absorberspiegel (SAM - saturable absorber mirror) aus Halbleitermaterial entwickelt (siehe Optics Letters, Band 22, Seiten 381-383, 1997, Optics Letters Band 32, Seiten 2115-2117, 2007 und Applied Physics B, Band 97, Seiten 317-320, 2009). Infolge der starken Absorption direkter Halbleiter kann eine sehr dünne Absorberschicht der Dicke von etwa 1 µm verwendet werden. Wegen der Verwendung eines sättigbaren Absorberspiegels arbeitet ein solcher Mikrochiplaser in Reflexion. Dabei wird das Ausgangssignal entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Pumplichts abgestrahlt. In Anlehnung an die bekannten Mikrochiplaser in Transmission kann aber auch ein halbleitender sättigbarer Auskoppelspiegel (SOC - saturable output coupler) zur passiven Güteschaltung eines Mikrochiplasers verwendet werden. Mikrochiplaser mit halbleitendem sättigbaren Absorber und einem Laserkristall von 100 µm Dicke liefern passiv gütegeschaltete Pulse mit kurzen Pulsdauern von etwa 50 ps.
  • Mit passiv gütegeschalteten Mikrochiplasern, die mit einem dünnen Laserkristall und einem halbleitenden sättigbaren Absorber arbeiten, können demzufolge die für viele Anwendungen erforderlichen Pulse mit Pulsdauern unter 100 ps erreicht werden.
  • Um mit einstellbaren Repetitionsraten Laserpulse erzeugen zu können, wurden auch aktiv gütegeschaltete Mikrochiplaser entwickelt. Bei solchen Lasern wird die Resonatorgüte mittels geeigneter Methoden für die Pulserzeugung kurzzeitig erhöht. Solche Laser sind beispielsweise in den Patentschriften EP 0 806 065 B1 , US 5 132 977 A und US 4 982 405 A beschrieben. Mit diesen Lasern können jedoch keine kurzen Pulse im Bereich von 100 ps erzeugt werden, weil keine entsprechend schnelle Ansteuerelektronik für die aktive Güteschaltung realisiert werden kann.
  • Ein wesentliches Problem bei passiv gütegeschalteten Lasern stellt jedoch die für die Anwendung erforderliche einstellbare und stabile Repetitionsrate der kurzen Laserpulse dar. Um eine präzise Materialbearbeitung mit Kurzpulslasern zu ermöglichen, muss die Repetitionsrate wenigstens mit einer relativen Genauigkeit von 3 % eingestellt werden können. Die Repetitionsrate der Pulse steigt bei einem passiv gütegeschalteten Laser mit der optischen Pumpleistung und kann demzufolge in einem weiten Bereich durch die Wahl der Pumpleistung eingestellt werden. So lässt sich beispielsweise die Repetitionsrate eines Mikrochiplasers mit einer Laserkristalldicke von 100 µm und einem halbleitenden sättigbaren Absorber durch Variation der optischen Pumpleistung im Bereich von 10 kHz bis 3 MHz einstellen. Jedoch steigt der Jitter der Repetitionsfrequenz umgekehrt proportional zur Repetitionsfrequenz an und erreicht bei 10 kHz eine Frequenzschwankung von 100 %. Die Ursache dieses Frequenzjitters liegt in der Schwankung der Laserschwelle, welche sich insbesondere bei sehr geringen Pumpleistungen stark auf den Beginn des nächsten Laserpulses auswirkt. Aus dem gleichen Grund ist es nicht möglich, sehr geringe Repetitionsraten mit dem Mikrochiplaser zu realisieren.
  • Es wurden auch Versuche unternommen, die Repetitionsrate der Laserpulse dadurch stabil vorzugeben, dass der Mikrochiplaser mit kurzen Pulsen einer vorgegebenen Repetitionsrate gepumpt wird. Es zeigte sich aber dabei, dass infolge der hohen Pulsfolgefrequenz des passiv gütegeschalteten Mikrochiplasers die Dauer der Pump-Pulse nicht präzise genug vorgegeben werden kann, um eine definierte Repetitionsrate der Laserpulse zu ermöglichen.
  • In der Patentschrift JP 2001- 185 794 A wird eine technische Lösung zur Temperaturstabilisierung der Pulsfolgefrequenz eines passiv gütegeschalteten Mikrochiplasers beschrieben, die auf einem Regelkreis basiert, welcher aus einer Fotodiode und einer Regelung der Laserleistung der Pumpdiode besteht.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen passiv gütegeschalteten Mikrochiplaser mit einer Pulssteuerung anzugeben, die eine einstellbare Repetitionsrate der durch die Güteschaltung bewirkten kurzen optischen Laserpulse mit einem geringen Frequenzjitter ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Kombination aus einem Mikrochiplaser, einer optischen Pumpeinrichtung zum Pumpen des Verstärkungsmediums und mit einem fotoleitenden Schalter zum Empfang der optischen Pulse und zur Steuerung der optischen Pumpeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 besteht der Mikrochiplaser aus einem Resonator mit einem optischen Verstärkermedium und einem sättigbaren Absorber zur Erzeugung kurzer optischer Pulse mittels passiver Güteschaltung, einer optischen Pumpeinrichtung zum Pumpen des Verstärkungsmediums und einem fotoleitenden Schalter zum Empfang der optischen Pulse und zur Steuerung der optischen Pumpeinrichtung. Zur Erzeugung einer vorgegebenen Repetitionsfrequenz fR der durch die Güteschaltung bewirkten kurzen optischen Pulse wird das Verstärkermedium mit optischen Pump-Pulsen der Soll-Repetitionsfrequenz fR gepumpt. Die Dauer jedes Pump-Pulses wird dadurch beschränkt, dass der Pump-Puls unmittelbar nach dem Empfang einer bestimmten Anzahl kurzer optischer Laserpulse mittels des vom fotoleitenden Schalter empfangenen Signals von einer Elektronik abgeschaltet wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird zunächst erreicht, dass die durch die passive Güteschaltung bewirkten Pulse sehr kurz sind. Weiterhin wird durch das gepulste optische Pumpen mit der Soll-Repetitionsfrequenz erreicht, dass auch bei geringen Frequenzen der Jitter der Laserpulse klein bleibt. Durch das Abschalten des Pump-Pulses unmittelbar nach dem Empfang einer bestimmten Anzahl kurzer optischer Pulse wird gewährleistet, dass die Anzahl der passiv gütegeschalteten Pulse während eines Pump-Pulses konstant ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung des Problems besteht darin, dass einerseits die durch die passive Güteschaltung erzeugten kurzen Laserpulse genutzt werden und andererseits die durch eine Standardelektronik realisierbare stabile Repetitionsrate der Pulse vorgegeben werden kann. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Repetitionsrate des Mikrochiplasers mit der Pulssteuerung auf beliebig niedrige Werte gemäß der Anforderung der jeweiligen Anwendung eingestellt werden kann.
  • Eine zweckmäßige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht gemäß Patentanspruch 1 darin, dass der Pump-Puls jeweils nach dem ersten Laserpuls abgeschaltet wird. Dadurch wird erreicht, dass die Repetitionsfrequenz der Laserpulse gleich der Repetitionsfrequenz der Pump-Pulse ist.
  • Eine Entlastung der Pumplichtsteuerung kann gemäß Unteranspruch 2 erreicht werden, indem die optische Pumpeinrichtung zusätzlich zu den Pump-Pulsen mit der Soll-Repetitionsfrequenz fR ein kontinuierliches Pumplicht liefert. Zu diesem Zweck wird die Stromquelle, welche die Laserdiode speist, nicht ein und aus geschaltet, sondern zwischen zwei Stromstärken einer niedrigen, zwischen den Pump-Pulsen, und einer hohen während der Pump-Pulse umgeschaltet. Durch das konstante optische Pumpen kann die Amplitude der optischen Pump-Pulse zur Erzeugung der Laserpulse verringert werden. Dadurch werden die Anforderungen an die elektronische Pulserzeugung reduziert.
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • In den zugehörigen Zeichnungen zeigen die
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Mikrochiplasers mit dem fotoleitenden Schalter und der optischen Pumpeinrichtung,
    • 2 den zeitlichen Verlauf der vorgegebenen Repetitionsfrequenz, der Laserpulse und der Pump-Pulse für den Fall, dass jeweils drei Laserpulse pro Pump-Puls erzeugt werden und
    • 3 den zeitlichen Verlauf der vorgegebenen Repetitionsfrequenz, der Laserpulse und der Pump-Pulse für den Fall, dass jeweils ein Laserpuls pro Pump-Puls erzeugt wird.
  • Der Mikrochiplaser 1 besteht aus einem 100 µm dicken Nd:YVO4 Laserkristall als Verstärkermedium 2 und der sättigbare Absorber 3 besteht aus einem InGaAs Halbleiter mit einem Auskoppelspiegel 4, der einen Auskoppelgrad von 10 % besitzt. Die dem Pumplicht 5 zugewandte Seite des Verstärkermediums 2 ist für das Pumplicht 5 entspiegelt und für die Laserpulse 7 verspiegelt. Die optische Pumpeinrichtung 8 besteht aus einem Diodenlaser mit der Emissionswellenlänge von 808 nm und einer elektronischen Ansteuerung des Diodenlasers. Die Pulsdauer der Laserpulse 7 beträgt etwa 50 ps.
  • Erfindungsgemäß wird die optische Pumpeinrichtung 8 von einem externen Referenzsignal R der Repetitionsfrequenz fR angesteuert, so dass der Mikrochiplaser 1 von der optischen Pumpeinrichtung 8 mit Pump-Pulsen P dieser Repetitionsfrequenz fR gepumpt wird. Die Laserpulse 7 verlassen den Mikrochiplaser durch den Auskoppelspiegel 4. Mit einem Strahlteiler 9 werden etwa 5 % des Laserlichts abgetrennt und auf einen optischen Sensor 10 gelenkt, der durch einen fotoleitenden Schalter gebildet wird. Das von dem fotoleitenden Schalter erzeugten elektrischen Signal 11 wird der optischen Pumpeinrichtung 8 zugeführt, dort ausgewertet und nach einer vorgegebenen Pulszahl wird der jeweilige Pump-Puls P abgeschaltet.
  • Durch die kontrollierte Abschaltung der Pump-Pulse P wird zuverlässig erreicht, dass die Repetitionsrate der Laserpulse 7 mit der extern vorgegebenen Repetitionsrate übereinstimmt. Da die Repetitionsrate der Pump-Pulse P keiner technischen Beschränkung in Richtung geringer Repetitionsraten unterliegt, können mit dem erfindungsgemäßen Mikrochiplaser auch extern getriggerte Einzelpulse mit der Pulsdauer von 50 ps erzeugt werden.
  • In 2 ist der zeitliche Signalverlauf des externen Referenzsignals R mit der vorgegebenen Soll-Repetitionsfrequenz, die zeitliche Abfolge der Laserpulse L sowie der Pump-Pulse P für den Fall dargestellt, dass jeweils drei Laserpulse pro Pump-Puls erzeugt werden.
  • Der erste Pumpzyklus beginnt, wenn das externe Referenzsignal R von low of high geschaltet und damit der Pump-Puls P gestartet wird. Nach einer gewissen Pumpdauer beginnt der Mikrochiplaser mit einer hohen Repetitionsrate kurze Pulse L von 50 ps Dauer zu emittieren. Der zeitliche Verlauf der Laserpulse L wird vom optischen Sensor 10 registriert, als elektrische Pulse 11 der optischen Pumpeinrichtung 8 zugeführt und gezählt. Nach dem dritten Laserpuls L wird der Pump-Puls P abgeschaltet. Der nächste Pumpzyklus beginnt, wenn das externe Referenzsignal R wieder von low of high schaltet.
  • In 3 ist der zeitliche Signalverlauf des externen Referenzsignals R mit der vorgegebenen Soll-Repetitionsfrequenz, die zeitliche Abfolge der Laserpulse L sowie der Pump-Pulse P für den Fall dargestellt, dass jeweils nur ein Laserpuls pro Pump-Puls erzeugt wird.
  • Der erste Pumpzyklus beginnt, wenn das externe Referenzsignal R von low of high geschaltet und damit der Pump-Puls P gestartet wird. Nach einer gewissen Pumpdauer beginnt der Mikrochiplaser einen kurzen Puls L von 50 ps Dauer zu emittieren. Der zeitliche Verlauf des Laserpulses L wird vom fotoleitenden Schalter 10 registriert, als elektrischer Puls 11 der optischen Pumpeinrichtung 8 zugeführt und der Pump-Puls P abgeschaltet. Der nächste Pumpzyklus beginnt dann, wenn das externe Referenzsignal R wieder von low of high schaltet.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus des passiv gütegeschalteten Mikrochiplasers mit einer Pulssteuerung besteht darin, dass auch geringe Repetitionsraten der durch die passive Güteschaltung bewirkten kurzen optischen Laserpulse mit einem geringen Frequenzjitter durch ein externes Signal erzeugt werden können.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung kann als Pulslichtquelle mit variabler Repetitionsrate beispielsweise in der Materialbearbeitung, in der nichtlinearen Optik, zur Erzeugung eines Superkontinuums, für zeitaufgelöste Fluoreszenzmessungen und für Laser-Abstandsmessungen eingesetzt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mikrochiplaser
    2
    Verstärkermedium
    3
    sättigbarer Absorber
    4
    Auskoppelspiegel
    5
    Pumplicht
    6
    dichroitischer Spiegel
    7
    Laserpulse
    8
    optische Pumpeinrichtung
    9
    Strahlteiler
    10
    optischer Sensor
    11
    elektrische Pulse
    R
    zeitlicher Verlauf des externes Referenzsignals
    L
    zeitlicher Verlauf der Laserpulse
    P
    zeitlicher Verlauf der Pump-Pulse

Claims (2)

  1. Passiv gütegeschalteter Mikrochiplaser (1) mit einer Pulssteuerung, bestehend aus einem Resonator mit einem optischen Verstärkermedium (2) und einem sättigbaren Absorber (3) zur Erzeugung kurzer optischer Laserpulse (7) mittels passiver Güteschaltung, mit einer optischen Pumpeinrichtung (8) zum Pumpen des Verstärkungsmediums (2) und mit einem fotoleitenden Schalter (10) zum Empfang der optischen Laserpulse (7) und zur Steuerung der optischen Pumpeinrichtung (8), wobei a) zur Erzeugung einer gewünschten Repetitionsfrequenz der durch die Güteschaltung bewirkten kurzen optischen Laserpulse (7) das Verstärkermedium (2) mit optischen Pump-Pulsen (P) der gewünschten Repetitionsfrequenz gepumpt wird, b) und die Dauer jedes Pump-Pulses (P) dadurch beschränkt wird, dass der Pump-Puls (P) unmittelbar nach dem mittels eines fotoleitenden Schalters (10) detektierten einzelnen optischen Laserpulses (7) von einer Elektronik abgeschaltet wird.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Pumpeinrichtung (8) zusätzlich zu den Pump-Pulsen (P) mit der gewünschten Repetitionsfrequenz ein kontinuierliches Pumplicht (5) liefert.
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