DE102019134164A1

DE102019134164A1 - Erzeugung ultrakurzer Laserpulse mit Wellenlängen von 860 bis 1000 nm

Info

Publication number: DE102019134164A1
Application number: DE102019134164.7A
Authority: DE
Inventors: Robert Herda; Axel FRIEDENAUER
Original assignee: Toptica Photonics AG
Current assignee: Toptica Photonics AG
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US20210296845A1; GB2581023A; US20200194959A1; GB201918740D0

Abstract

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung mit 860 - 1000 nm mit einer Pulsdauer im Bereich von 100 fs und einer durchschnittlichen Leistung von 1 W oder mehr bereitzustellen. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:- Erzeugen von gepulster Laserstrahlung im Spektralbereich von 1500 nm bis 1600 nm, bevorzugt mit einer Wellenlänge von 1560 nm;- Verschieben der Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung auf eine längere Wellenlänge von zumindest 1780 nm, bevorzugt auf eine Wellenlänge von 1840 nm, durch den Raman-Effekt,- Verstärkung der wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung in einem Thulium-dotierten Gain-Medium, wobei das Thulium-dotierte Gain-Medium in einem bandinternen Pumpschema optisch gepumpt wird; und- Frequenzdopplung der verstärkten, wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung. Die Erfindung betrifft ferner ein Lasersystem zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung mit 860 - 1000 nm.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen ultrakurzer Laserpulsstrahlung im Spektralbereich von 860 nm bis 1000 nm. Die Erfindung betrifft ferner ein Lasersystem zum Erzeugen gepulster Laserstrahlung in dem angegebenen Spektralbereich.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Interesse an zuverlässigen Laserquellen für gepulste Laserstrahlung mit Wellenlängen von etwa 900 nm nimmt stetig zu. Beispielsweise auf dem Gebiet der biomedizinischen Forschung eröffnet die Bildgebung von lebenden Zellen und Gewebe mithilfe von Laserrastermikroskopie Einblicke in die räumliche und zeitliche Steuerung biologischer Prozesse. Die Verfügbarkeit genetisch codierter Marker, wie etwa grünfluoreszierendes Protein (GFP), eröffnen die Möglichkeit, Zellbewegungen, Zellsignale oder Genexpression dynamisch nachzuverfolgen. Die Zwei-Photonen-Laser-Raster-Mikroskopie (TPSLM) eignet sich aufgrund ihrer Tiefengewebedurchdringung ideal zur Bildgebung von Zellen in vivo. Die optimalen Erregungswellenlängen bei dieser Art von Versuchen liegen im Bereich von 890 nm bis 950 nm. Aus der Technik ist es bekannt, die erforderliche Laserstrahlung in einem modengekoppelten Titan-Saphir-Lasersystem zu erzeugen. Derartige Lasersysteme sind in der Lage, eine Laserstrahlung mit beispielsweise 900 nm mit einer Pulsdauer von 200 fs und einer Wiederholungsrate von etwa 80 MHz zu erzeugen. Diese herkömmlich verwendeten Lasersysteme besitzen Nachteile; aufgrund ihrer Kompaktheit und Zuverlässigkeit werden im Allgemeinen Faserlasersysteme bevorzugt. Bisher schien es jedoch schwierig zu sein, eine Laserquelle für Laserpulse im genannten Wellenlängenbereich mit einer Pulsdauer in der Größenordnung von 100 fs und einer durchschnittlichen Leistung von mehr als 1 W, wie gegenwärtig insbesondere in der Photonik gefragt, bereitzustellen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Wie bereits in den obigen Ausführungen angemerkt, besteht Bedarf an einem Verfahren zur Erzeugung von gepulster Laserstrahlung mit 860 - 1000 nm mit einer Pulsdauer in der Größenordnung von 100 fs und einer durchschnittlichen Leistung von 1 W oder mehr.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung im Spektralbereich von 860 nm bis 1000 nm offenbart. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Erzeugen von gepulster Laserstrahlung im Spektralbereich von 1500 nm bis 1600 nm, bevorzugt mit einer Wellenlänge von 1560 nm;
- Verschieben der Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung auf eine längere Wellenlänge von mindestens 1720 nm, bevorzugt auf eine Wellenlänge von 1840 nm, beispielsweise durch den Raman-Effekt;
- Verstärkung der wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung in einem Thulium-dotierten Gain-Medium, wobei das Thulium-dotierte Gain-Medium in einem bandinternen Pumpschema optisch gepumpt wird; und
- Frequenzdopplung der verstärkten, wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung.

Erfindungsgemäß kann die anfängliche gepulste Laserstrahlung mit 1500 bis 1600 nm, bevorzugt 1560 nm, mittels eines herkömmlichen und handelsüblichen diodengepumpten, modengekoppelten Erbium-Faserlasers mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ps, bevorzugt 400 fs bis 800 fs, und einer Wiederholungsrate von 10-100 MHz erzeugt werden.
Diese anfängliche Laserstrahlung wird üblicherweise eine Verstärkung auf eine durchschnittliche Leistung von 25 mW oder mehr erfordern, beispielsweise mittels eines herkömmlichen Erbium-dotierten Faserverstärkers.
Die verstärkte Laserstrahlung wird dann in den Bereich von 1720 - 2000 nm, bevorzugt auf 1840 nm, wellenlängenverschoben (mittels Soliton-Raman-Verschiebung oder Soliton-Eigenfrequenz-Verschiebung). Dies kann beispielsweise durch ein Leiten der verstärkten Laserpulse durch einen Abschnitt von etwa 10 m einer passiven PM1550-Faser erreicht werden. Die zentrale Wellenlänge der wellenlängenverschobenen Laserpulse kann durch Variieren der mittleren Leistung der Laserstrahlung abgestimmt werden, beispielsweise durch Abstimmen der Pumpleistung des Erbium-dotierten Faserverstärkers.
Optional kann die Spektralbandbreite der Laserstrahlung bei Bedarf in einem weiteren Schritt erhöht werden, beispielsweise mittels Selbstphasenmodulation durch das Leiten der Laserstrahlung durch einen Abschnitt einer nichtlinearen optischen Faser. Insbesondere kann die gepulste Laserstrahlung spektral durch Selbstphasenmodulation nach dem Schritt des Verschiebens der Wellenlänge derart aufgeweitet werden, dass die Spektralbandbreite der wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung mehr als 60 nm, bevorzugt mehr als 100 nm beträgt. Auf diese Weise kann die gewünschte gepulste Laserstrahlung in der Größenordnung von 100 fs erreicht werden.
Die wellenlängenverschobene (und optional spektralgeweitete) Laserstrahlung wird dann verstärkt, um eine ausreichende Leistung für das schließliche Frequenzdoppeln der Strahlung in den gewünschten Spektralbereich von 860 bis 1000 nm zu erreichen. Dabei werden die Mängel aus dem Stand der Technik erfindungsgemäß überwunden, indem ein Gain-Medium gewählt wird, das für die Wellenlängen atypisch ist und indem ein bandinternes Pumpschema des Gain-Mediums mit anschließender Frequenzdopplung eingerichtet wird. Bei dem verwendeten Gain-Medium handelt es sich um Thulium (Tm), das allgemein bekannt ist und zur Verstärkung im Wellenlängenbereich von 1950 nm bis 2050 nm verwendet wird. Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass das Emissionsmaximum des Tm-Gain-Mediums durch ein bandinternes Pumpschema in den 1840 nm Bereich verschoben werden kann. Bei dem bandinternen Pumpschema werden die Tm-Atome in der Grundzustands-Mannigfaltigkeit von Elektronenenergieniveaus direkt auf jene Energieniveau-Mannigfaltigkeit gepumpt, die das zur Verstärkung verwendete Laserniveau beinhaltet, anstatt auf ein Zwischenenergieniveau zu pumpen (wie im Falle der Standard-Pumpschemata). Aufgrund der enormen erreichbaren Gain-Bandbreite von mehr als 100 nm ermöglicht Tm auch die Erzeugung ultrakurzer Laserpulse von weniger als 100 fs.
Das Tm-Gain-Medium kann direkt durch einen Erbium-Ytterbium-Laser gepumpt werden, der mit handelsüblichen Bauteilen verwirklicht werden kann, und kann mittels handelsüblicher Multimode-Pumpdioden gepumpt werden kann.
Die Frequenzdopplung der wellenlängenverschobenen und verstärkten kurzen Pulse mit beispielsweise 1840 nm findet bevorzugt in einem geeigneten, periodisch gepolten Bulk-Kristall statt, abhängig vom Leistungsniveau.
Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung ultrakurzer Laserpulse mit einer Pulsdauer von weniger als 100 fs mit einer durchschnittlichen Leistung von 1 W oder mehr mit einer zentralen Wellenlänge von beispielsweise 920 nm.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kommt ein Schema zur Verstärkung gechirpter Pulse (chirped pulse amplification, CPA) zum Einsatz. Die optischen Peak-Intensitäten, die im Tm-Gain-Medium auftreten, können sehr hoch werden, so dass eine schädliche, nichtlineare Pulsverzerrung oder gar Zerstörung des Gain-Mediums oder von manchen der optischen Elemente auftreten kann. Dies kann durch CPA wirksam verhindert werden. Bevor die Laserstrahlung durch das Tm-dotierte Gain-Medium geleitet wird, werden die Pulse gechirpt und dadurch zeitweise auf eine sehr viel längere Pulsdauer von 10 ps oder mehr, bevorzugt zumindest 100 ps, mittels eines stark dispersiven Elements (einem Strecker, beispielsweise einem Fasergitter) gestreckt. Dies verringert die Peak-Leistung in dem Gain-Medium auf ein Niveau, bei dem die oben beschriebenen, nachteiligen Wirkungen vermieden werden. Nach dem Tm-dotierten Gain-Medium wird ein dispersiver Kompressor verwendet, beispielsweise ein Element mit entgegengerichteter Dispersion (beispielsweise ein Gitterpaar oder eine Prisma-Anordnung), welche den Chirp beseitigt und die Pulse zeitweise auf einer Dauer von weniger als 1 ps, bevorzugt weniger als 100 fs, komprimiert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Tm-dotierten Gain-Medium um eine optische Einmantelfaser, die mit Tm-Ionen dotiert ist. Die dotierte Faser wird durch den Pumplaser kerngepumpt. Wie zuvor erwähnt, kann es sich bei dem Pumplaser um einen Erbium/Ytterbium-Faserlaser handeln, der mit 1550 - 1610 nm emittiert, mit einer durchschnittlichen Pumpleistung von zumindest 500 mW. Es ist eine weitere Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass die Kombination von Kernpumpen mit dem bandinternen Pumpschema dazu führt, dass das Emissionsmaximum des Tm-Gain-Mediums effektiv in den erforderlichen Wellenlängenbereich verschoben wird und eine ausreichende Gain-Bandbreite erzielt wird.
Die Erfindung betrifft nicht nur ein Verfahren, sondern auch ein Lasersystem zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung im Spektralbereich von 860 bis 1000 nm. Erfindungsgemäß weist das Lasersystem auf:

- einen Seed-Laser, der gepulste Laserstrahlung im Spektralbereich von 1500 bis 1600 nm, bevorzugt mit einer Wellenlänge von 1560 nm, erzeugt;
- einen optischen Faserabschnitt, der die Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung auf eine längere Wellenlänge von zumindest 1720 nm, bevorzugt auf eine Wellenlänge von 1840 nm, beispielsweise durch den Raman-Effekt, verschiebt;
- einen optischen Verstärker, aufweisend ein Thulium-dotiertes Gain-Medium, das die wellenlängenverschobene gepulste Laserstrahlung verstärkt;
- einen Pumplaser, der das Thulium-dotierte Gain-Medium in einem bandinternen Pumpschema optisch pumpt; und
- einen Frequenz-Vervielfacher, der die Wellenlänge der verstärkten, wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung in den Spektralbereich von 900 nm bis 950 nm konvertiert.

Figurenliste
Die beigefügte Zeichnung offenbart eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich jedoch, dass die Zeichnung lediglich zum Zweck der Veranschaulichung dient und nicht als Definition der Grenzen der Erfindung. In der Zeichnung zeigt

1 ein Lasersystem gemäß der Erfindung als Blockdiagramm.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Lasersystems gemäß der Erfindung als Blockdiagram.
Das Lasersystem weist einen Erbium-dotieren Faserlaseroszillator 1 als Seed-Laser auf, der eine stabile Ausgangspulsfolge mit einer festen Wiederholungsrate von beispielsweise 80 MHz emittiert. Der Seed-Laser 1 erzeugt Solitonpulse einer Dauer von 500 fs, zentriert bei einer Wellenlänge von 1560 nm. Durch einen gesättigten Absorberspiegel aus Halbleitermaterial (nicht dargestellt) wird eine Modenkopplung erreicht.
Ein nachfolgender Erbium-dotierter Faserverstärker 2 nimmt die Laserpulse aus dem Seed-Laser 1 auf und verstärkt deren Energie derart, dass die durchschnittliche Leistung der verstärkten Pulsfolge in der Größenordnung von 100 mW liegt.
Die verstärkten Pulse werden durch den Raman-Effekt in einer Raman-Einheit 3 auf ein Wellenlänge von 1840 nm in mehreren Metern einer PM1550-Faser wellenlängenverschoben. Die zentrale Wellenlänge der wellenlängenverschobenen Seed-Pulse ist durch die Pumpleistung des Nachverstärkers 2 einstellbar.
Die wellenlängenverschobenen Laserpulse werden dann in einer SPM-Einheit 4 spektral aufgeweitet, so dass die Spektralbandbreite der wellenlängenverschobenen, gepulsten Laserstrahlung mehr als 60 nm, bevorzugt mehr als 100 nm, beträgt. Die Spektralweitung erfolgt durch eine Selbstphasenmodulation (SPM) in einem Abschnitt einer optischen Faser mit einer normalen Dispersion. Die SPM-Einheit 4 weist ferner ein Dispersions-Fasergitter als Strecker auf, um die Laserpulse auf eine Pulsdauer von etwa 100 ps zu strecken.
Die gestreckten Laserpulse werden dann in einem Thulium-dotierten Faserverstärker 5 verstärkt. Die Einmantel-Aktivfaser des Thulium-dotierten Faserverstärkers 4 wird von einem 5W-Pumplaser 6 (Erbium/Ytterbium-Faserlaser) mit 1570 nm in einem bandinternen Pumpschema kerngepumpt. Die durchschnittliche Leistung der verstärkten Laserpulse bei 1840 nm am Ausgang des Thulium-dotierten Faserverstärkers beträgt 2 - 5 W.
Die Laserpulse werden dann in einem Pulskompressor 7, der ein Dispersionsgitter und ein Prisma aufweist, auf eine Pulsdauer von weniger als 100 - 110 fs rekomprimiert.
Schließlich werden die komprimierten Laserpulse in einem periodisch gepolten Lithium-Niobat-Kristall 8 frequenzgedoppelt. Die Laserpulse an dem Ausgang 9 des abgebildeten Lasersystems haben eine durchschnittliche Leistung von mehr als 1 W bei einer Wellenlänge von 920 nm mit einer Pulsdauer von 80-100 fs.

Claims

Verfahren zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung im Spektralbereich von 860 nm bis 1000 nm, umfassend die Schritte: - Erzeugen von gepulster Laserstrahlung im Spektralbereich von 1500 nm bis 1600 nm, bevorzugt mit einer Wellenlänge von 1560 nm; - Verschieben der Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung auf eine längere Wellenlänge von mindestens 1720 nm, bevorzugt auf eine Wellenlänge von 1840 nm, - Verstärkung der wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung in einem Thulium-dotierten Gain-Medium, wobei das Thulium-dotierte Gain-Medium in einem bandinternen Pumpschema optisch gepumpt wird; und - Frequenzdoppeln der verstärkten, wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gepulste Laserstrahlung im Spektralbereich von 1500 nm bis 1600 nm durch einen modengekoppelten Erbium-Faserlaser mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ps, bevorzugt 400 fs bis 800 fs, erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die gepulste Laserstrahlung vor dem Verschieben der Wellenlänge verstärkt und/oder spektral aufgeweitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die gepulste Laserstrahlung nach dem Schritt des Verschiebens der Wellenlänge vermittels Selbstphasenmodulation derart spektral aufgeweitet wird, dass die Spektralbandbreite der wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung mehr als 60 nm, bevorzugt mehr als 100 nm, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die wellenlängenverschobenen Laserpulse vor der Verstärkung in dem Thulium-dotierten Gain-Medium auf eine Pulsdauer von mindestens 10 ps, bevorzugt zumindest 100 ps, gestreckt werden.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die wellenlängenverschobenen Laserpulse nach der Verstärkung in dem Thulium-dotierten Gain-Medium auf eine Pulsdauer von weniger als 1 ps, bevorzugt weniger als 200 fs, besonders bevorzugt auf weniger als 100 fs komprimiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Thulium-dotierte Gain-Medium eine optische Einmantelfaser ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die optische Einmantelfaser durch einen Pumplaser kerngepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Pumplaser ein Erbium/Ytterbium-Faserlaser ist, der bei einer mittleren Pumpleistung von mindestens 500 mW emittiert.
Lasersystem zur Erzeugung gepulster Laserstrahlung im Spektralbereich von 860 nm bis 1000 nm, aufweisend: - einen Seed-Laser (1), der gepulste Laserstrahlung im Spektralbereich von 1500 bis 1600 nm, bevorzugt mit einer Wellenlänge von 1560 nm, erzeugt; - einen optischen Faserabschnitt, der die Wellenlänge der gepulsten Laserstrahlung auf eine längere Wellenlänge von zumindest 1720 nm, bevorzugt auf eine Wellenlänge von 1840 nm, verschiebt; - einen optischen Verstärker (4), aufweisend ein Thulium-dotiertes Gain-Medium, das die wellenlängenverschobene gepulste Laserstrahlung verstärkt; - einen Pumplaser (5), der das Thulium-dotierte Gain-Medium in einem bandinternen Pumpschema optisch pumpt; und - einen Frequenz-Vervielfacher (7), der die Wellenlänge der verstärkten, wellenlängenverschobenen gepulsten Laserstrahlung in den Spektralbereich von 900 nm bis 950 nm konvertiert.
Lasersystem nach Anspruch 10, wobei der Seed-Laser (1) ein modengekoppelter Erbium-Faselaser ist, der die gepulste Laserstrahlung im Spektralbereich von 1500 nm bis 1600 nm durch einen modengekoppelten Erbium-Faselaser mit einer Pulsdauer von weniger als 1 ps, bevorzugt 400 fs bis 800 fs, erzeugt.
Lasersystem nach Anspruch 10 oder 11, ferner aufweisend einen optischen Nachverstärker (2), der die gepulste Laserstrahlung von dem Seed-Laser (1) aufnimmt und die durchschnittliche Leistung der gepulsten Laserstrahlung auf mehr als 25 mW verstärkt.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, ferner aufweisend einen Pulsstrecker, der die wellenlängenverschobenen Laserpulse vor der Verstärkung in dem Thulium-dotierten Gain-Medium auf eine Pulsdauer von zumindest 20 ps, bevorzugt zumindest 100 ps streckt.
Lasersystem nach Anspruch 13, ferner aufweisend einen Pulskompressor (6), der die wellenlängenverschobenen Laserpulse nach der Verstärkung in dem Thulium-dotierten Gain-Medium auf eine Pulsdauer von weniger als 1 ps, bevorzugt weniger als 200 fs, besonders bevorzugt weniger als 100 fs, komprimiert.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, aufweisend einen weiteren optischen Faserabschnitt, der die wellenlängenverschobene gepulste Laserstrahlung vermittels Selbstphasenmodulation auf eine Spektralbandbreite von zumindest 60 nm, bevorzugt zumindest 100 nm spektral aufweitet.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei das Thulium-dotierte Gain-Medium eine optische Einmantelfaser ist.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 16, ferner aufweisend einen Erbium/Ytterbium-Laser als Pumplaser (5), der die optische Einmantelfaser mit einer mittleren Pumpleistung von mindestens 500 mW kernpumpt.
Lasersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei der Frequenzvervielfältiger (7) ein periodisch gepolter Lithium-Niobat-Kristall ist.