DE19933231A1

DE19933231A1 - Quasi-Phasenangepaßte Parametrische Chirpimpulsverstärkungssysteme

Info

Publication number: DE19933231A1
Application number: DE19933231A
Authority: DE
Inventors: Almantas Galvanauskas; Donald J Harter; Gregg D Sucha
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2000-01-20
Also published as: US6208458B1; JP2000089266A; USRE45177E1

Abstract

Die Verwendung von quasi-phasenangepaßten (QPM-) Werkstoffen zur parametrischen Chirp-Impulsverstärkung (PCPA) verringert wesentlich die erforderliche Pumpspitzenleistung und Pumphelligkeit und erlaubt so die Auswertung von räumlichen Multimode-Pumpimpulsen mit langer Dauer. Sie beseitigt ferner Beschränkungen der Pumpwellenlänge und der Verstärkungsbandbreite. Dies ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung der Pumplaseranordnung für ein Hochenergie-PCPA-System und, demzufolge, die Konstruktion von kompakten diodengepumpten Quellen ultrakurzer optischer Impulse hoher Energie. Darüber hinaus erlaubt dies die Beseitigung von Beschränkungen der minimalen Impulsdauer hinsichtlich Gewinnverschmälerung und Phasenverzerrung, welche typisch in einem Chirpimpulsverstärkungssystem auftreten. Ein Beispiel für eine kompakte Quelle ultrakurzer Impulse hoher Energie ist ein multimodekernfaserbasiertes Chirpimpulsverstärkungssystem. Beschränkungen der Impulsenergie aufgrund der beschränkten Kerngröße für Monomode-Fasern werden durch Verwenden eines großen Multimode-Kerns umgangen. Beschränkungen der Impulsdauer und der Strahlqualität aufgrund des Multimode-Kerns werden durch Verwenden eines Chirp-Impulsverstärkungssystems umgangen. Zusätzlich vereinfacht der große Kern der Multimode-Faser das Mantelpumpen durch preiswerte Multimode-Laserdioden mit hoher Leistung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Konvertieren optischer Impulse, die durch kompakte Pumpquel len für lange Impulse geringer Intensität, wie beispielsweise Dioden oder Faser- oder Festkörper-Laser, erzeugt werden, in ultrakurze optische Impulse hoher Energie durch die Verwen dung von optischen parametrischen Verstärkungsmedien, und auf spezielle Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung.

Der Ausdruck "Impulse hoher Energie" bezieht sich hierbei auf optische Impulse mit Energiepegeln, die höher sind als dieje nigen Energiepegel, die direkt aus Oszillatoren für ultrakur ze Impulse erhalten werden können. Typisch erzeugen kompakte modenverkoppelte Oszillatoren Impulse mit maximalen Energien auf dem 10 nJ-Niveau. Daher werden Impulse mit Energien von mehr als 10 nJ hierin als Impulse hoher Energie definiert.

Laser und Verstärker für ultrakurze Impulse gehören zu einer besonderen Klasse von Lasereinrichtungen, die schließlich kurze optische Impulse (an der Grenze der optischen Wellen länge) mit Dauern im Bereich von Femtosekunden (10-15 s) bis hin zu Picosekunden (10-12 s) erzeugen. Die Anwendungsgebiete solcher Impulse sind durch ihre charakteristischen Merkmale bestimmt, die eine kurze Dauer, hohe Spitzenleistung und hohe räumliche und zeitliche Kohärenz umfassen. Wie nachstehend detaillierter beschrieben werden wird, können diese Impulse in Gebieten wie Materialbearbeitung, Medizin (chirurgische Anwendungsgebiete wie beispielsweise Gewebeabtragung, Gewebe entfernung, präzise Schnitte, Bindehaut- und Hautchirurgie, Intraokular- und Molekularchirurgie), LIDAR, wissenschaftli che Messungen und Bildgebung vorteilhaft angewendet werden.

Diodenlaser sind kompakte Quellen einer Laseremission, die zwei einzigartige technologische Vorteile besitzen. Erstens stellen Diodenlaser eine direkte Umwandlung von elektrischer Leistung in optische Leistung mit hohem Wirkungsgrad bereit. Zweitens sind sie monolithische Einrichtungen mit kleinen Ab messungen (typisch kleiner als 1 mm). Demzufolge sind ihre Parameter wie beispielsweise Größe, Robustheit, Zuverlässig keit, Lebensdauer, Herstellbarkeit und Kosten wesentlich bes ser als entsprechende Parameter anderer Laserstrukturen wie beispielsweise Gas-, Farb- oder Volumen- bzw. Bulk-Fest körperlaser. Diese Schlüsselmerkmale machen sie ideal ge eignet für die Entwicklung kommerziell lebensfähiger bzw. wirtschaftlicher Laserquellen. Jedoch ist die direkte Verwen dung von Diodenlasern bei der Erzeugung ultrakurzer Impulse hoher Energie beschränkt. Dies wird im wesentlichen durch die kleine Querschnittsfläche einer Monomode-Diode bestimmt. Eine katastrophale Beschädigung der Diode und gravierende nichtli neare Verzerrungen der ultrakurzen Impulse beschränken die erzielbaren Spitzenintensitäten. Zusätzlich sind aufgrund derselben kleinen Querschnittsfläche auch die gespeicherte Energie und der Sättigungsverlauf beschränkt. Die maximalen Energien, die direkt aus einer Laserdiode erhalten werden können, sind auf etwa 100 pJ beschränkt; dieser Wert liegt an der unteren Grenze praktisch bedeutsamer Energien ultrakurzer Impulse. Während die effektive Querschnittsfläche einer La serdiode durch Zurückgreifen auf Multitransversal mode-Strukturen oder Mehrfachstreifen-Strukturen erhöht werden kann, erlaubt das Erfordernis der räumlichen und zeitlichen Kohärenz keine direkte Erzeugung ultrakurzer Impulse mit der artigen Einrichtungen.

Dies erfordert es, Dioden als Pumpquellen für andere Klassen von Lasern und Verstärker für ultrakurze Impulse zu verwen den, um praktisch anwendbare Systeme zu entwickeln. Mit Sel tenen Erden dotierte Faser-Laser repräsentieren eine solche Klasse von Einrichtungen und kommen Halbleiterverstärkermedi en in Bezug auf Kompaktheit am nächsten, da diese in der Hauptsache durch die kleinen Abmessungen der Faser in Quer richtung bestimmt wird. Der typische Durchmesser einer Faser struktur ist kleiner als 1 mm. Anders als ein Halbleiterlaser kann ein Faser-Laser zwar eine Länge von einigen Metern ha ben, kann jedoch aufgrund der geringen Abmessungen in Quer richtung bzw. des geringen Querschnitts so aufgewickelt wer den, daß er nur einen kleinen Raum einnimmt. Denn der Faser-Laser ist eine eindimensionale Struktur, bei der die Vertei lung des optischen Felds in Querrichtung an jeder Position in Längsrichtung gleich ist. Mit Seltenen Erden dotierte Fasern können mit Diodenlasern gepumpt werden. So wurden beispiels weise bekannte Er-dotierte Faser-Lasersysteme mit existieren den Hochleistungs-Laserdioden, die bei 1480 nm oder 980 nm emittieren, gepumpt.

Wie in dem hierin durch Bezugnahme einbezogenen Artikel "Broad-area Diode-pumped 1 W Femtosecond Fiber System" von A. Galvanauskas, M. E. Fermann, D. Harter, J. D. Minelly, G. G. Vienne, J. E. Caplen in "Conference on Lasers and Elec tro-Optics", Band 9, 1996, OSA Technical Digest Series (Optical Society of America, Washington, DC, 1996) auf Seiten 495 ff. berichtet, wird Pumplicht aus Hochleistungs-Multimode-Dioden durch Faser-Mantelpumptechniken und Chirpimpulsverstärkung wirkungsvoll in, einen ultrakurzen Ausgangsimpuls hoher Lei stung umgewandelt. Im allgemeinen ist eine Chirpimpulsver stärkung für jeden Quantenverstärker erforderlich, um die ma ximal erhaltbaren Energien ohne nichtlineare Verzerrung der ultrakurzen Impulse oder eine optische Beschädigung der opti schen Komponenten oder des Verstärkungsmediums extrahieren zu können. Typisch ist die Spitzenintensität eines ultrakurzen Impulses mit einer Energie, die gleich der Sättigungsenergie ist, höher als der Sättigungsfluß des Mediums.

Um jedoch die räumliche und zeitliche Kohärenz zu erhalten und ultrakurze Impulse zu unterstützen, muß das Ausgangs signal der Faser monomodal sein. Dies führt aus Gründen, die hier äquivalent zu dem Fall eines Monomode-Halbleiterlaser sind, zu Beschränkungen der Faserkerngröße und, demzufolge, der maximal erhaltbaren Impulsenergien und Spitzenintensitä ten. Die maximal erhaltbaren Energien sind für eine Mono mode-Faser jedoch wesentlich höher als für einen Halbleiter. Die maximalen, sättigungsflußbegrenzten Energien wurden experi mentell bereits mit einigen diodengepumpten Er-Faser-Chirp impulsverstärkungssystemen erzeugt, mit erzielten Impul senergien von mehr als 10 µJ nach der Verstärkung und Rekom pression. Für eine Vielzahl praktischer Anwendungen, wie bei spielsweise der Herstellung von Mikromaschinen, der optischen Chirurgie etc., werden viel höhere Energien ultrakurzer Im pulse (typisch im Bereich zwischen 1 und 10 mJ) benötigt. Um diese Impulsenergien zu erzielen, werden herkömmlich Volumen- bzw. Bulk-Quantenverstärker verwendet. In einem Volumen bzw. Bulk-Medium ist die Strahlgröße bzw. der Strahldurchmesser wesentlich größer als der geführte monomodale Strahl in einer Faser- oder einer Halbleiterstruktur, wodurch das Problem ho her Spitzenintensitäten umgangen wird. Außerdem haben be stimmte Festkörper-Verstärkungsmedien Eigenschaften, die eine Darstellung kompakter Einrichtungen erlauben. Eine Anzahl von Beschränkungen, wie sie durch die allgemeinen Eigenschaften von Quantenverstärkern bestimmt werden, machen es jedoch praktisch schwierig, kompakte Festkörperkonstruktionen zur direkten Verstärkung von ultrakurzen Impulsen mit hoher Ener gie zu implementieren. Dies wird durch eine Betrachtung der allgemeinen Eigenschaften eines Quantenverstärkers offenbar.

Ein Quantenverstärker speichert Pumpenergie in einem oberen Niveau eines optischen Übergangszustands, die von einem durchlaufenden Signal durch die Wirkung einer optisch stimu lierten Emission entnommen werden kann. Bekannte Festkörper-Ver stärkungsanordnungen für ultrakurze Impulse beinhalten Energien für den einfachen oder mehrfachen Durchlauf im Be reich von 1 µJ bis 1 J. Für diese Systeme ist eine Chirpim pulsverstärkung eine Notwendigkeit.

Volumen- bzw. Bulk-Laser und -Verstärker weisen jedoch be trächtliche Einschränkungen auf. Erstens sind Festkörperlaser und Verstärker wesentlich größer und teurer als ihre Halblei ter- und Faser-Gegenstücke. Größe und Kosten werden dabei in der Hauptsache durch die erforderlichen sperrigen Pumpquel len, beispielsweise Hochleistungs-Ar-Laser oder -Lampen, ver ursacht. Ein Pumpen mittels Dioden ist nur für wenige derar tige Systeme möglich. Es ist erforderlich, einen Quantenver stärker innerhalb des festen Absorptionsbands des speziellen Verstärkungsmediums zu pumpen. Für viele Medien schränkt dies ein Pumpen mittels Diodenlaser ein oder schließt dieses aus, weil zuverlässige und hoch leistungsfähige Pumpdioden gegen wärtig für nur wenige Wellenlängen verfügbar sind. Das be kannteste Festkörpermedium für die Erzeugung ultrakurzer Im pulse ist beispielsweise Ti : Saphir, welches nicht direkt durch einen Diodenlaser gepumpt werden kann.

Zweitens besitzen Quantenverstärker eine begrenzte Verstär kungsbandbreite, die durch die Breite des optischen Übergangs in dem speziellen Verstärkungsmedium festgelegt ist. Die schmale Breite der Verstärkungsbandbreite beschränkt wesent lich die Verwendung bestimmter Werkstoffe zum Verstärken ul trakurzer Impulse.

Drittens beschränken intrinsische Eigenschaften des Verstär kungsmediums, wie beispielsweise die Lebensdauer des angereg ten optischen Übergangs und der Querschnitt der stimulierten Emission, die aus einem bestimmten Quantenverstärker maximal extrahierbare Leistung und Impulsenergie.

Viertens sind Volumen- bzw. Bulk-Verstärker bei hohen Lei stungspegeln anfällig für thermische Effekte, die die opti schen Eigenschaften des Verstärkungsmediums ändern. Dies führt dazu, daß der Betrieb solcher Einrichtungen empfindlich gegenüber Änderungen in der Umgebung wird.

Ein alternativer Ansatz zum Erreichen einer optischen Ver stärkung besteht darin, eine optische parametrische Verstär kung (OPA) in einem nichtlinearen Material zu verwenden. Bei dem Ansatz der optischen parametrischen Verstärkung wird Pum penergie nicht in dem Material gespeichert, sondern direkt aus der Pumpe in das Signal übertragen; das nichtlineare Ma terial ist nur Mittler dieses Vorgangs. Impulsverzerrungen durch Phasenverzerrung können im allgemeinen vermieden wer den, weil die Nichtlinearität zweiter Ordnung viel stärker ist als die der dritten Ordnung (die für Selbst- oder Kreuzphasenmodulation verantwortlich ist). Die maximal er haltbare Energie wird im wesentlichen durch die Beschädi gungsschwelle des speziellen Materials begrenzt. Die erfor derliche Pumpwellenlänge und die erhaltbare Verstärkungsband breite werden durch die grundlegenden optischen Eigenschaften des speziellen Kristalls, wie beispielsweise die Ausrichtung und die Größe der Brechungsindex-Ellipsoiden bei den wechsel wirkenden Wellenlängen bei herkömmlicher doppelbrechender Phasenanpassung, festgelegt. Diese grundlegenden optischen Eigenschaften bestimmen auch die nützliche Kristallorientie rung und, demzufolge, die Größe der Nichtlinearitäten, die genutzt werden können. In der Praxis beschränkt dies die Pumpwellenlängen und Bandbreiten, die mit den verfügbaren nichtlinearen Werkstoffen zugänglich sind, und führt im all gemeinen zu den hohen Energien, die zum Pumpen solcher Ver stärker notwendig sind. Infolge der vorstehend genannten Be schränkungen wird gegenwärtig die parametrische Wechselwir kung vorwiegend als Mittel zum Konvertieren der Wellenlänge eines optischen Signal s und nicht als Mittel zur Energiever stärkung eingesetzt.

In dem hierin durch Bezugnahme einbezogenen Artikel "Powerful Femtosecond Pulse Generating Chirped and Stretched Pulse Pa rametric Amplification in BBO Crystals" von A. Dubietis, G. Jonusauskas und A. Piskarskas in Opt. Comm. 88, 437 (1992) wird vorgeschlagen, daß ultrakurze optische Impulse mit hoher Energie durch die Verwendung von optischen parametrischen Verstärkern anstelle von herkömmlichen Quantenverstärkern er halten werden können. Dieser Artikel lehrt, daß ultrakurze optische Impulse gestreckt bzw. gedehnt werden müssen, um für einen wirkungsvollen Energietransfer aus der Pumpe in das Si gnal mit der Dauer des Pumpimpulses übereinzustimmen. Diese Arbeit demonstrierte eine 1 : 30-Umwandlung von einer 3 mJ-Pum pe bei 0,53 µm in ein 100 µJ-Signal bei 1,06 µm mit kurzen (etwa 5 ps langen) gestreckten Pumpimpulsen.

Die Arbeit von Dubietis et. al. lehrt jedoch weder eine Ener gieumwandlung von Strahlen geringer Helligkeit zu Strahlen großer Helligkeit, noch, wie eine kompakte Quelle ultrakurzer Impulse mit hoher Energie durch die Verwendung von kompakten Pumpquellen, wie beispielsweise Dioden-, Faser- oder Mikro chip-Lasern erzielt werden kann. (Eines der Probleme, die auftreten würden, besteht darin, daß, um denselben Umwand lungswirkungsgrad mit längeren Pumpimpulsen (im Nanosekunden-Be reich) zu demonstrieren, die Impulsenergien proportional um einen Faktor von etwa 100 (in den Joule-Bereich) erhöht wer den müßten. Gegenwärtig ist es schwierig, solche hohen Ener gien aus kompakten Impulsquellen zu erzielen). Ferner besei tigt diese Arbeit nicht die Beschränkungen der Pumpwellenlän ge und der Verstärkungsbandbreite eines Verstärkers für ul trakurze Impulse. Außerdem stammten in dieser Arbeit sowohl die Pumpimpulse als auch die verstärkten Impulse aus dersel ben Laserquelle. Es wird kein Verfahren zum Synchronisieren von langimpulsigen Pumpquellen und kurzimpulsigen Quellen vorgeschlagen. Es ist problematisch, Impulse aus einem her kömmlichen Q-geschalteten Pumplaser mit ultrakurzen Impulsen aus einer modenverkoppelten Quelle zu synchronisieren.

Obwohl im vorstehenden vorwiegend die Verwendung von Dioden lasern als Pumpquellen betont wurde, ist es unumstößlich, daß die Pumpquelle aus einer Kombination eines Diodenlasers und einer oder mehreren seriell angeordneten Laserquellen, von denen zumindest die erste Stufe von einem Diodenlaser gepumpt werden kann, gebildet werden kann. Beispielsweise kann die Pumpquelle aus einem Diodenlaser aufgebaut sein, der einen Seltenerd-Faserlaser oder eine Q-geschaltete Impulsquelle pumpt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, kompakte Ver stärker für ultrakurze optische Impulse hoher Energie bereit zustellen.

Ferner soll die Erfindung Verstärker für ultrakurze Impulse ohne Beschränkungen der Pumpwellenlänge und der Verstärkungs bandbreite bereitstellen.

Weiter soll die Erfindung die Nutzung kompakter cw- oder ge pulster Pumpquellen, wie beispielsweise Dioden-, Faser- oder Festkörper-Laser und Kombinationen aus diesen Lasern, ermög lichen, um wirkungsvoll optische parametrische Verstärker für die Verstärkung ultrakurzer Impulse zu pumpen.

Außerdem soll die Erfindung die Nutzung kompakter Quellen räumlicher Multimoden, wie beispielsweise Breitbereich-Dioden oder -Diodenanordnungen, Multimodenkern-Faser-Laser und -Ver stärker, Mikrochip-Laseranordnungen oder andere Multimo den-Festkörper-Laser, ermöglichen, um einen beugungsbegrenz ten monomodalen Strahl parametrisch zu verstärken.

Darüber hinaus soll die Erfindung Verfahren und Einrichtungen zur korrekten zeitlichen Steuerung der Pumpe und der ge streckten ultrakurzen Impulse bereitstellen, um diese in ei nem parametrischen Verstärkungsmedium zeitlich zu überlagern.

Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, die beschriebenen La servorrichtungen in Kombination mit anwendungsspezifischen Systemen, die gestaltet sind, um die durch die vorstehend be schriebenen Laservorrichtungen erzeugten Laserimpulse optimal auszunutzen, in einer Vielzahl von wissenschaftlichen, medi zinischen und industriellen Anwendungen zu verwenden.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der beigefügten Unteransprüche.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein quasi-phasen angepaßtes nichtlineares Material als parametrisches Verstärkungsmedium zur parametrischen Chirpimpuls-Verstärkung (QPM PCPA) ultrakurzer Impulse verwendet. Die Phasenanpas sungseigenschaften eines quasi-phasenangepaßten Materials werden während des Herstellungsprozesses zurechtgeschneidert, welches im wesentlichen die Aufhebung von Beschränkungen der Pumpwellenlängen und der erzielbaren Verstärkungsbandbreiten ermöglicht. Ferner erlaubt die Möglichkeit, die Phasenanpas sungseigenschaften zurechtzuschneidern, die Auswahl von vor teilhaften Kristallgeometrien, welches eine Zunahme der Wech selwirkungslänge durch Beseitigen des räumlichen Abwanderns von Strahlen und die Ausnutzung der höchsten in einem be stimmten optischen Material verfügbaren nichtlinearen Koeffi zienten ermöglicht. Infolgedessen können die Pumpenergien, die zum Erzielen eines hohen Umwandlungswirkungsgrads und ei ner hohen Verstärkung in einem quasi-phasenangepaßten parame trischen Verstärker benötigt werden, im Vergleich zu einem herkömmlichen parametrischen Verstärker wesentlich verringert werden. Es erleichtert auch die Umwandlung eines Multimode-Pump strahls in einen beugungsbegrenzten Signalstrahl. Im all gemeinen erlaubt dies die effiziente Verwendung verhältnismä ßig langer Multimode-Pumpimpulse, die unter Verwendung einer Vielzahl von verhältnismäßig einfachen und kompakten dioden gepumpten Quellen erhalten werden können. Dies ist bei Ver wendung konventioneller nichtlinearer Kristalle, wie sie von Dubetis et al. beschrieben werden, nicht möglich.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein allgemeines Verfahren zum Umwandeln der cw- oder gepulsten Leistung von monomodalen oder multimodalen Laserdioden in die verstärkte Energie von ultrakurzen optischen Impulsen be schrieben. Im allgemeinen wird diese Umwandlung in zwei grundlegenden Schritten erreicht. Zunächst wird Dioden laser-Leistung entweder direkt oder durch Verwendung eines oder mehrerer weiterer Lasermedien derart in einen Hochenergie-Pump impuls einer geeigneten Dauer umgewandelt, daß dieser an die Dauer eines gestreckten Signalimpulses angepaßt ist. Der gestreckte Signalimpuls wird mittels einer Impulsstreckein richtung aus einem ultrakurzen Impuls erzeugt. Sodann wird das gestreckte Signal in einem nichtlinearen Kristall, der durch die Pumpsignalimpulse gepumpt wird, parametrisch ver stärkt. Unter bestimmten Bedingungen wird der parametrische Verstärker auch für den räumlich multimodalen Pumpstrahl eine unverzerrte Verstärkung eines beugungsbegrenzten monomodalen Strahls bereitstellen. Das verstärkte Signal wird schließlich unter Verwendung einer Impulskompressoreinrichtung wieder auf die ultrakurze Dauer zurückrekomprimiert.

Die parameterische Chirp-Impulsverstärkungstechnik (PCPA) er möglicht somit auf einfache und effiziente Weise die Ener gieumwandlung von langen Nanosekunden-Impulsen in kurze Fem tosekunden-Impulse. Es ist immer viel einfacher, lange Impul se mit hoher Energie zum Pumpen von parametrischen Chirpim pulsverstärkungs(PCPA)-Systemen als Femtosekunden-Impulse mit vergleichbarer Energie zu erzeugen. Die Anforderungen hin sichtlich der Bandbreite, nichtlineare Verzerrungsschwelle, Strahlqualität usw. sind sehr entspannt.

Obwohl im Prinzip jeder Q-geschaltete Standardlaser zum Pum pen des Femtosekunden-PCPA-Systems verwendet werden könnte, ist es notwendig, spezielle Nanosekunden-Pumplasersysteme zu gestalten, um ein optimales Leistungsvermögen des PCPA-Systems (hinsichtlich Leistungseffizienz, Werte der optischen Schädigung usw.) zu erhalten.

Die Erfindung umfaßt daher ferner Gestaltungen kompakter An ordnung zum Pumpen des parametrischen Verstärkers, ein schließlich Multimodenkern-Fasern und Mikrochip-Fest körperlaser und Mikrochip-Festkörper-Laseranordnungen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Anordnung eines Verstärkungssystems in Überein stimmung mit einem allgemeinen Ausführungsbeispiel der Erfin dung;

Fig. 2 ein auf einer Multimode-Faser basierendes parametri sches Chirpimpulsverstärkungssystem gemäß einem ersten Aus führungsbeispiel;

Fig. 3(a) ein Beispiel einer Pumpquelle unter Verwendung ei ner kaskadierten bzw. mehrstufigen linearen Verstärkung;

Fig. 3(b) ein Beispiel einer Pumpquelle unter Verwendung ei ner Verstärkungsanordnung für mehrfachen Durchlauf;

Fig. 4(a) und 4(b) passiv und aktiv Q-geschaltete Festkör per-Laser-basierte Systeme in Übereinstimmung mit einem zweiten Ausführungsbeispiel;

Fig. 4(c) ein Alexandrit-basiertes System in MOPA-Bauart ge mäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 4(d) eine regenerative Alexandrit-Verstärkeranordnung in Übereinstimmung mit dem vorgenannten weiteren Ausführungsbei spiel;

Fig. 5(a) ein Schlierenspektogramm bzw. Streakbild des unver stärkten Signalstrahls, der durch das System gemäß dem Aus führungsbeispiel nach Fig. 4(c) erzeugt wird;

Fig. 5(b) ein Streakbild des durch das System gemäß diesem Ausführungsbeispiel erzeugten verstärkten Signalstrahls;

Fig. 5(c) ein Streakbild der Leerlaufphase des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel;

Fig. 5(d) ein Fahnenbild des Pumpsignals des Systems gemäß diesem Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 ein Diagramm der Einzelimpuls-Autokorrelationen der verstärkten und nicht verstärkten Impulse des Systems gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4(c);

Fig. 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer neuartigen Pumpquelle; und

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einer diodenba sierten Quelle.

Fig. 1 veranschaulicht die Anordnung eines allgemeinen Aus führungsbeispiels eines Verstärkungssystems in Übereinstim mung mit der Erfindung. Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt das Verstärkungssystem eine Pumpquelle 100 mit Pumpdioden 110 zum Pumpen einer Hochenergie-Impulsquelle 120. Eine Signalquelle 130 umfaßt einen Oszillator 140, der ultrakurze Impulse er zeugt, und eine Impulsstreckvorrichtung bzw. einen Impuls strecker 150. Ein Strahlteiler 160 wird zum Kombinieren der Pumpimpulse hoher Energie und der gestreckten ultrakurzen Im pulse verwendet. Die kombinierten Signale werden an einen pa rametrischen Verstärker 170 angelegt, und das verstärkte Si gnal wird einer Impulskomprimiereinrichtung bzw. einem Im pulskompressor 180 zugeführt. Weitere Komponenten zum Aufbau des Systems umfassen Wellenplatten 105 zum Einstellen der für effiziente nichtlineare Wechselwirkungen erforderlichen Pola risationszustände und geeignete Fokussierungsoptiken 106. Ei ne Triggerelektronik 190 ist zum Pumpen von Signalimpulsen vorgesehen, und Pumpsignalimpulse und gestreckte Signalimpul se werden miteinander zeitlich und räumlich in dem nichtli nearen Kristall des parametrischen Verstärkers 170 überlappt.

Die Verwendung der parametrischen Verstärkung stellt einige wichtige Vorteile bereit.

Erstens erlaubt sie die Auswertung bzw. Ausnutzung von multi modalen und langimpulsigen Pumpquellen. Im allgemeinen sind solche Pumpquellen viel weniger kompliziert und stellen we sentlich höhere Energien bereit als kompakte Quellen für die direkte Erzeugung und Verstärkung ultrakurzer Impulse.

Zweitens werden Beschränkungen der Verstärkungsbandbreite und Pumpwellenlänge, die bei Quantenverstärkern inhärent vorhan den sind, durch die Verwendung von quasi-phasenangepaßten nichtlinearen Werkstoffen bzw. Materialien vollständig besei tigt. Durch Verwenden von Chirpperioden-quasi-phasen angepaßten Volumen- bzw. Bulk-Materialien kann die Ver stärkungsbandbreite auf eine beliebige benötigte Breite fest gelegt werden. Die Pumpwellenlänge wird durch eine geeignete Quasi-Phasenanpaßperiode des parametrischen Verstärkers aus gewählt. Sofern zweckmäßig, kann die Pumpwellenlänge so kon vertiert werden, daß sie kürzer ist als das verstärkte Si gnal, indem die Erzeugung der zweiten Harmonischen verwendet wird.

Drittens sind parametrische Verstärkungssysteme inhärent ein facher und kompakter. Die parametrische Verstärkung in einer einzelnen Stufe kann bis zu 90 dB Gewinn bereitstellen (die Grenze wird nur durch den Schwellenwert für optische parame trische Erzeugung (optical parametric generation, OPG) gebil det). Daher können, ausgehend von etwa 10 pJ als der mit ei ner beliebigen Faser-, Laserdioden- oder Festkörper-Ozilla toreinrichtung erzielbaren minimalen Energie, hohe Impuls energien im Bereich von 1 mJ bis 1 J unter Verwendung von le diglich einer oder zwei Verstärkungsstufen erreicht werden. Demzufolge werden keine regenerativen Systeme oder Systeme für mehrfachen Durchlauf benötigt.

Damit ein solches Verstärkungssystem praktisch anwendbar ist, müssen die parametrische Verstärkung bzw. der parametrische Gewinn und die maximale Energieumwandlung von der Pumpe in das Signal in einem parametrischen Verstärker ausreichend hoch sein (näherungsweise 10 bis 50%). Diese Umwandlung wird durch die Spitzenintensität der Pumpe und die Eigenschaften des nichtlinearen Kristalls bestimmt.

Für doppelbrechende phasenangepaßte Kristalle erfordert eine solche Umwandlung sehr hohe Spitzenintensitäten, welche we sentlich höher sind als diejenigen, die praktisch mit einem Multimode- oder Monomode-Pumpimpuls von einer Dauer im Nano sekundenbereich aus einer kompakten, diodengepumpten Quelle erzielbar sind (<100 mJ). In Übereinstimmung mit der Erfin dung kann unter Verwendung neuer quasi-phasenangepaßter Werk stoffe (QPM-Werkstoffe), wie beispielsweise periodisch gepol tem Lithium-Niobat (PPLN), ein Nanosekunden-Ausgangssignal mit niedriger Intensität und niedriger Helligkeit aus einer Diodenlaser-gepumpten kompakten Quelle erfolgreich für die effiziente parametrische Verstärkung gestreckter ultrakurzer Impulse verwendet werden. Für eine weitergehende Diskussion periodisch gepolten Lithium-Niobats und verwandter Werkstoffe sowie deren Eigenschaften sei der Leser auf die nachstehenden Quellen verwiesen, welche jeweils gleichzeitig durch Bezug nahme hierin einbezogen werden: US-Patentanmeldung Nr. . . ., eingereicht am 21. März 1997 (Arbore et al., Stanford Univer sity Docket Nr. S. 96-208); die US-Patentanmeldungen Nr. 08/763,381 und 08/789,995, welche die Verwendung von PPLN-Kristallen in Impulsverstärkungssystemen offenbaren; und Myers et al., "Quasi-phase-matched optical parametric oscil lators in bulk periodically poled lithium niobate", J. Opt. Soc. Am. B, 22, 2102 (1995).

Im Gegensatz zu traditionellen Chirpimpulsverstärkungssyste men, in welchen ultrakurze Impulse gestreckt werden, um nichtlineare Effekte zu eliminieren, erfordert dieser Ansatz die Streckung ultrakurzer Impulse nur für den Zweck der Maxi mierung des Wirkungsgrads der Extraktion aus dem langen Pump impuls. Im allgemeinen wird die Verwendung längerer Pumpim pulse und gestreckter Impulse höhere verstärkte Impulsenergi en für eine gegebene Pumpimpuls-Spitzenintensität bereit stellen. Die maximal nutzbare Pumpimpulsdauer wird durch die Beschädigungsschwelle des nichtlinearen Kristalls und durch die maximal rekomprimierbare Impulsbreite für verstärkte Impf impulse festgelegt. Beispielsweise sollte, um die Pumpin tensitäten unter der Beschädigungsschwelle von periodisch ge poltem Lithium-Niobat zu halten, bevorzugt eine Pumpimpuls dauer unter 500 ps verwendet werden. Außerdem beschränken die existierenden Konstruktionen von Impulsstreckvorrichtungen und Kompressoren die Dauer gestreckter Impulse auf eine Grö ßenordnung im Nanosekundenbereich. Dies schränkt die potenti ell nutzbare Pumpimpulsdauer auf den Bereich von 100 ps bis einige wenige Nanosekunden ein. Derartige Impulse können mit einer Vielzahl von passiv oder aktiv Q-geschalteten Systemen oder Hauptoszillator-Leistungsverstärker-Systemen (Master Oscillator Power Amplifier-Systemen bzw. MOPA-Systemen), wie beispielsweise mit Laserdioden gepumpten Nd : YAG- oder Alexan drit-Systemen, mit kompakten Laserdioden gepumpten Mi krolasern oder verstärkten Fasersystemen, erhalten werden. Bereitstellbare Pumpenergien liegen in dem Bereich von 1 µJ bis hin zu mehr als 1 J und ermöglichen verstärkte Signalim pulse in demselben Bereich.

Der Oszillator 140 kann ein modenverkoppelter Laser, ein ver stärkungsgeschalteter bzw. gewinngeschalteter oder ein schnellfrequenzmodulierter Halbleiterlaser sein. Im letztge nannten Fall kann der Oszillator gestreckte Impulse direkt erzeugen und auf diese Art und Weise die Notwendigkeit einer Impulsstreckvorrichtung beseitigen.

Eine Vielzahl von im Stand der Technik bekannten unterschied lichen Einrichtungen sind für die Verwendung als Impuls streckvorrichtung 150 und Kompressor 180 geeignet. Beispiels weise können Beugungsgitter-basierte Einrichtungen, Fasergit ter oder hybride Kombinationen (z. B. eine Faser oder ein Fa sergitter als Streckvorrichtung und ein Beugungsgitterpaar als Kompressor) verwendet werden. Im allgemeinen sind jedoch die maximalen Dauern gestreckter Impulse aus existierenden praktischen Impulsstreckvorrichtungen auf einen näherungswei se Nanosekunden-Bereich begrenzt. Um den Wirkungsgrad der pa rametrischen Verstärkung zu maximieren und schädliche Effekte wie beispielsweise eine Kristallbeschädigung zu minimieren, sollten die Pumpimpulsdauern an diejenigen des Signalimpulses angepaßt sein. Demzufolge schließen für die hierin beschrie bene Erfindung die relevantesten Pumpimpulsdauern den Nanose kunden- und den Subnanosekundenbereich ein.

Ein wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß die praktischen Vorteile des Verstärkungssystems wesentlich durch die vorteilhaften Eigenschaften der verwendeten Pumpim pulsquellen bestimmt werden. Weil ein quasi-phasenangepaßtes parametrisches Medium eine Reduktion der erforderlichen Pump energien, vergrößerte Impulslängen und die Verwendung von Multimode-Pumpstrahlen erlaubt, werden eine Vielzahl prakti scher Pumpquellen für die Anwendung verfügbar. Die Erfindung umfaßt infolgedessen besondere Ausführungsbeispiele auf der Grundlage verschiedener Pumpquellen.

Die Ausgabevorrichtung 181 ist in Fig. 1 als Rezipient des Laser-Ausgangsstrahls gezeigt. Wie nachstehend beschrieben werden wird, kann diese eine von vielen Strahl-Verwendungs vorrichtungen sein, beispielsweise ein laserchirurgisches In strument, ein Werkstück-Materialbearbeitungssystem usw. Ob wohl sie aus Zwecken der Bequemlichkeit nur in Fig. 1 darge stellt ist, ist offensichtlich, daß die Strahl-Verwendungs vorrichtung mit dem Ausgang von jedem der anderen Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung verbunden sein könnte, und sie ist nur in Fig. 1 einfach beispielhaft dargestellt.

In Übereinstimmung mit einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird die Erfindung in Form eines Multimoden-faserba sierten Chirpimpulsverstärkungssystems (parametric chirped pulse amplification system, PCPA-System) implementiert.

Die Verwendung eines Faser-Verstärkungsmediums in einem PCPA-System führt zu den nachstehenden Überlegungen. Wie vorste hend beschrieben, legen die kleinen Querabmessungen eines Fa ser-Verstärkungsmediums die Beschränkungen für die maximale Impulsenergie fest. Damit ein Signal monomodal ist (d. h. eine räumliche Gauß-Verteilung am Ausgang der Faser aufweist), be trägt der maximale Querschnittsdurchmesser des Faserkerns et wa 15 µm. Ein Monomode-Kern mit größerem Durchmesser würde einen unrealistisch kleinen Brechungsindex-Unterschied zwi schen dem Kern und dem Mantel erfordern und auch zu nicht to lerierbar hohen Biegeverlusten führen. Für ein Er-dotiertes Faser-Verstärkungsmedium legt dies die maximal erhaltbare Im pulsenergie auf näherungsweise das 100 µJ-Niveau.

Unter Zurückgreifen auf Multimode-Faserverstärker ist es mög lich, wesentlich größere Kerndurchmesser zu verwenden. Mit Multimode-Verstärkern mit 30 µm bis 100 µm Kerndurchmesser ist es möglich, Impulsenergien im Bereich von 100 µJ bis 10 mJ zu erreichen. Jedoch ist die Verwendung von Multimode- Fa serverstärkern zur konventionellen Chirpimpulsverstärkung von Femtosekunden-Impulsen durch eine hohe Intermodendispersion (von etwa 1 bis 10 ps/m) praktisch ausgeschlossen, welches zu gravierenden zeitlichen Verzerrungen von rekomprimierten Im pulsen führt. Ein weiterer wesentlicher Nachteil bei der di rekten Erzeugung ultrakurzer Impulse mit einer Multimode- Fa ser ist das nicht gaußförmige Profil des Multimode-Strahls, welches wesentlich die Helligkeit und die räumliche Kohärenz des Strahls verringert.

Diese Beschränkungen von Multimode-Faserverstärkern können durch Verwenden einer Multimode-Faser als Pumpe für einen pa rametrischen Verstärker von gestreckten ultrakurzen Impulsen anstelle für eine direkte Chirpimpulsverstärkung überwunden werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, umfaßt ein Multimode-faserbasiertes PCPA-System eine Signalquelle 200, die gestreckte ultrakurze Impulse bereitstellt, eine Pumpquelle 210, die lange Pumpim pulse hoher Energie bereitstellt, einen parametrischen Ver stärker 220, einen Impulskompressor 230 und eine Triggerelek tronik 240, die die Pumpsignale und die verstärkten Signale synchronisiert.

Die Signalquelle 200 umfaßt einen modenverkoppelten Oszilla tor 202 (beispielsweise einen modenverkoppelten Faser-Oszil lator) und eine Impulsstreckvorrichtung 204. Alternativ kann die Signalquelle eine (nicht gezeigte) schnell abstimmbare Laserdiode umfassen, die gestreckte Impulse mit breiter Band breite direkt erzeugt. Eine Vielzahl von möglichen Strecker- und Kompressoranordnungen ist verfügbar, wie vorstehend be schrieben wurde.

Die Pumpquelle 210 umfaßt Mehrfachstufen- oder Mehrfachdurch lauf-Faser-Verstärker 212 und 214, die durch eine Laserdiode 216 geimpft und durch Dioden 218 gepumpt werden. Wird die Impfdiode 216 mit der Triggerelektronik 240, die beispiels weise ein üblicher Generator für elektrische Impulse sein kann, gepumpt, können die optischen Impfimpulse auf jede be liebige Dauer - beginnend bei etwa 100 ps und länger - zuge schnitten werden. Das Hauptoszillator-Leistungsverstärker-Sy stem (MOPA) erlaubt die Erzeugung von Pumpimpulsen jeder be liebigen Dauer und mit einer benötigten Wiederholrate. Wich tig ist, daß dieses System die Synchronisation von Pumpimpul sen mit den gestreckten ultrakurzen Impulsen mit vernachläs sigbaren Synchronisationsstörungen erlaubt. Beispielsweise kann ein Generator für elektrische Nanosekunden-Impulse durch eine schnelle Photodiode über die Kette der ultrakurzen Im pulse getriggert werden. Zeitsteuer-Synchronisationsstörungen bzw. Timing-Jitter der erzeugten Pumpimpulse in Bezug auf die gestreckten Impulse können weniger als 30 ps betragen, wel ches nur ein Bruchteil der Dauer der Pumpimpulse ist.

Mehrfachdurchgang- oder Mehrfachstufen-Faser-Verstärker sind in der Pumpquelle erforderlich, um bis zu 90 dB Gewinn be reitzustellen, damit Millijoule-Impulse ausgehend von einem typisch näherungsweise 10 pJ-Ausgangssignal einer Laserdiode 216 erreicht werden. Der typische Gewinn bei einfachem Durch gang beträgt in einem Er-dotierten Faser-Verstärker 20 bis 30 dB. Demzufolge sind 4 bis 5 Verstärkungsstufen notwendig, um die gewünschten Energiepegel zu erreichen. Ein Entwurfsbei spiel, in welchem kaskadierte lineare Verstärker verwendet werden, ist in Fig. 3(a) gezeigt. Akusto-optische Modulatoren 300 zwischen den Stufen sind notwendig, um eine Quer- bzw. Überkreuzsättigung zwischen den Stufen aufgrund verstärkter spontaner Emission (ASE) zu vermeiden. Die gesamte Kette kann Multimode-Fasern umfassen. Alternativ können in den ersten Stufen, in welchen die Impulsenergie noch gering ist, Monomo de-Fasern und nur in der letzten Stufe bzw. den letzten Stu fen Multimode-Fasern verwendet werden. Im Hinblick auf die letzte Stufe ist es vorteilhaft, hoch dotierte Fasern zu ver wenden, um die Länge und die nichtlinearen Effekte im Kern zu minimieren. Nichtlineare Effekte verringern den Wirkungsgrad der Verstärker und führen zu einer spektralen Verbreiterung des Pumpimpulses, welches zum Pumpen nichtlinearer Kristalle unerwünscht ist.

Der "lineare" Ansatz des Kaskadierens von Faserverstärkern, der in Fig. 3(a) gezeigt ist, zeigt gewisse Wirtschaftlich keitsmängel dahingehend, daß die Kosten und die Größe der Pumpquelle proportional zu der Anzahl von Stufen sind. Eine vorteilhafte alternative Lösung besteht darin, eine Anordnung mit mehrfachen Durchläufen bzw. Durchgängen zu verwenden, beispielsweise eine solche, wie sie in Fig. 3(b) gezeigt ist. In diesem Fall sind eine oder maximal zwei Verstärkungsstufen ausreichend. Der akusto-optische Modulator 301 arbeitet als Schalter, der Impfimpulse in den Verstärker injiziert und diese erst dann in den Ausgang leitet, nachdem die ausrei chenden Energien nach einigen Durchläufen erreicht sind. Ty pisch muß die Modulatorgeschwindigkeit (Torbreite) 100 bis 200 ns betragen, um an die Umlaufzeit eines typischen Faser verstärkers 212c (näherungsweise 10 bis 50 ns) angepaßt zu sein. Weil akusto-optische Modulatoren im allgemeinen polari sationsunempfindlich sind, können für eine derartige Anord nung für mehrfachen Durchlauf sowohl Monomode- als auch Mul timode-Fasern eingesetzt werden. Aufgrund der geringen mitt leren Leistung eines Impfsignals sind zweistufige Systeme vorteilhaft, in welchen eine der Stufen ein linearer Verstär ker und eine weitere Stufe ein Mehrfachdurchgangs-Verstärker sind.

Faserverstärker können durch Monomode-Dioden wie beispiels weise Hauptoszillator-Leistungsverstärker-Laserdioden (MOPA) gepumpt werden; jedoch sind Monomode-Quellen teurer und stel len vergleichsweise geringere Leistung bereit. Es wird daher bevorzugt, Multimode-Quellen oder Quellen mit mehreren Dioden zu verwenden. Dies kann durch eine Doppelmantelgeometrie von sowohl Monomode- als auch Multimode-Faserverstärkern darge stellt werden. Wichtig ist hierbei, daß der große Kernbereich einer Faser mit Multimode-Kern die Pumpabsorption beim Man telpumpen im Vergleich zu einer Doppelmantel-Faser mit Mono mode-Kern erleichtert. Außerdem können, was Multimode-Fasern mit einem ausreichend großen Kerndurchmesser (ty pisch <100 µm) anbelangt, breitstreifige oder Multi mode-Diodenlaser zum direkten Pumpen im Kern verwendet werden. Im allgemeinen ist die Verwendung von Multimode-Laserdioden sehr vorteilhaft zum Erzielen sehr kompakter und robuster Anord nungen der Pumpquelle und demzufolge des gesamten Systems.

Die Pumpwellenlänge eines parametrischen Verstärkers muß kür zer sein als die Signalwellenlänge. Falls Faser-Verstärker, die die Pumpquelle bilden, bei einer kürzeren Wellenlänge als die Impulsquelle für ultrakurze Impulse arbeiten, dann be steht das einzige Erfordernis darin, die geeignete Phasenan passung in einem parametrischen Kristall durch Wählen des zweckmäßigen nichtlinearen Materials (beispielsweise Auswäh len eines geeigneten Werts für die Quasi-Phasenanpaßperiode in einem periodisch gepolten Lithium-Niobat-Kristall) zu er zielen. Ein Beispiel besteht in einem Femtosekunden-Oszilla tor, der auf einer Er-dotierten Faser (Betriebswellenlänge bei 1550 nm) und einer Pumpquelle, die eine Nd-dotierte Glas faser (Betriebswellenlänge bei 1060 nm) verwendet, basiert. Falls sowohl die Pump- als auch die Signalquelle dieselbe Art dotierter Fasern verwenden (d. h. falls beide beispielsweise eine Er-dotierte Faser verwenden), ist es erforderlich, die Frequenz des Pumpstrahls mittels Quasi-Phasenanpaß-Frequenz verdopplern oder anderen bekannten Frequenzverdopplern 260 zu verdoppeln. Außerdem ist es vorteilhaft, die Pumpquelle mit einer geringfügig kürzeren Grundwellenlänge als der des Si gnals zu betreiben (beispielsweise etwa 1530 nm bzw. etwa 1560 nm), um eine phasenempfindliche parametrische Verstär kung bei Entartung zu vermeiden.

Der parametrische Verstärker 220 besteht aus einer oder meh reren Verstärkerstufen. Bevorzugt werden zwei Stufen 220A und 220B verwendet (Fig. 2). Die Verwendung einer Doppelstufe an stelle einer einzelnen Stufe vereinfacht es, mehr als 90 dB Verstärkung der gestreckten Impulse (von etwa 10 pJ bis auf etwa 10 mJ) zu erzielen. Der maximale Gewinn in einem parame trischen Verstärker wird durch das Einsetzen einer parametri schen Erzeugung begrenzt. Dies tritt in einer einzelnen Stufe bei etwa 90 dB Gewinn auf, welches ausreichend ist, um spon tane Vakuumfluktuationen auf das makroskopische Niveau zu verstärken. Typisch wird das Ausgangssignal einer Multi mode-Faser unpolarisiert sein. In diesem Fall umfaßt die bevorzug te Anordnung zur Implementierung einer zweistufigen parame trischen Verstärkung polarisierende Strahlteiler 250 am Aus gang der Pumpquelle 210 zum Erzeugen zweier Pumpkanäle, d. h. einen für jede parametrische Verstärkungsstufe 220A bzw. 220B. Diese Anordnung gewährleistet die Nutzung der gesamten Pumpleistung.

Weitere Komponenten zur Implementierung des Systems umfassen dichroitische Spiegel 221 zum Kombinieren von Pump- und Si gnalstrahlen, Wellenplatten 222 zum Festlegen der für effizi ente nichtlineare Wechselwirkungen benötigten Polarisations zustände, sowie geeignete Fokussierungsoptiken 223. Das Fem tosekunden-Signal sollte vor der Verstärkung auf näherungs weise dieselbe Dauer wie die des Pumpimpulses gestreckt wer den. Die Pump- und Signalimpulse müssen innerhalb des parame trischen Verstärkerkristalls 224 sowohl zeitlich als auch räumlich überlagert werden. Um eine Kristallbeschädigung zu vermeiden, muß die Spotgröße ausreichend groß sein.

Der parametrische Kristall 224 weist bevorzugt eine hohe Nichtlinearität auf, beispielsweise wie dies in PPLN-, PPLT- oder anderen quasi-phasenangepaßten Werkstoffen der Fall ist, um eine effiziente Verstärkung mit Spitzenintensitäten unter der Beschädigungsschwelle zu erzielen. Eine große Spotgröße ist ferner zum Erreichen einer parametrischen Verstärkung mit hohem Wirkungsgrad unter Verwendung eines räumlichen Multi mode-Pumpstrahls vorteilhaft. Die Verwendung eines nichtlinea ren Kristalls mit hohem Wirkungsgrad wie beispielsweise PPLN ist für die Verwirklichung eines faserbasierten Systems we sentlich. Mit den gegenwärtig verfügbaren konventionellen Doppelbrechungs-angepaßten Kristallen sind die erforderlichen Spitzenleistungen auch für Multimode-Fasern mit großen Kernen nicht tolerierbar.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, beseitigt die Verwendung eines Faser-Verstärkers als Pumpquelle anstatt zur direkten Verstärkung gestreckter Femtosekunden-Impulse diesen Effekt der Intermodendispersion sowie die geringe Strahlqualität des Multimode-Ausgangssignals eines Hochener gie-Faserverstärkers und stellt ein Monomode- und transforma tionsbegrenztes Ausgangssignal bei hohen Impulsenergien be reit.

Wie vorstehend beschrieben ändern sich die erzielbaren maxi malen Energien größenmäßig mit der Größe des Kerns der Multi mode-Faser. Mit einer Faser mit einem etwa 100 µm großen Kern sind mehr als 10 mJ erzielbar. Unter Berücksichtigung der Wirkungsgrade der Frequenzverdopplung und der parametrischen Verstärkung sind Impulse von 10 mJ zum Erhalten von verstärk ten Impulsen mit mehr als 1 mJ ausreichend. Darüber hinaus ist unter Verwendung noch größerer Fasern eine Energieskalie rung möglich. Alternativ können Ausgangsimpulsenergien durch Kombinieren der Ausgangssignale mehrerer Pumpquellen skaliert werden.

In Übereinstimmung mit einem weiteren beispielhaften Ausfüh rungsbeispiel gemäß Fig. 4(a) und 4(b) wird die Erfindung un ter Verwendung eines Q-geschalteten Festkörper-Lasersystems implementiert.

Mehrere Festkörpermaterialien können laserdioden-gepumpt wer den, wodurch es möglich wird, kompakte und robuste Festkör per-basierte Quellen zum Pumpen eines parametrischen Verstär kers für gestreckte Impulse zu entwerfen.

Die Q-Schaltung ist das gut etablierte Verfahren, welches die Erzeugung von Impulsen mit hoher Spitzenleistung erlaubt. Der Q-Parameter eines optischen Resonators ist als das Verhältnis von in dem Resonator gespeicherter Energie zu derjenigen, die pro Umlauf verloren wird, definiert. Er kann durch Variieren der Verluste in dem Resonator variiert werden. Es gibt zwei Verfahren zum Variieren von Verlusten: die aktive Q-Schaltung und die passive Q-Schaltung. Die aktive Q-Schaltung erfordert einen aktiven Modulator in dem Resonator (beispielsweise eine Pockels-Zelle). Der Vorteil aktiv Q-geschalteter Laser be steht darin, daß diese von außen getriggert werden können. Die passive Q-Schaltung kann unter Verwendung einer passiven Einrichtung wie beispielsweise einem sättigbaren Absorber im plementiert werden. Ein wesentlicher Nachteil von passiv Q-geschalteten Lasern besteht darin, daß deren Triggerung nicht von außen bzw. extern gesteuert wird und die Impuls-zu-Im puls-Synchronisationsstörungen bzw. -Jittererscheinungen ei nen großen Wert annehmen, der die Dauer des Impulses selbst überschreiten kann. Dieses Merkmal führt dazu, daß die Syn chronisation zwischen einem modenverkoppelten Laser und einem passiv Q-geschalteten Laser zu einem ernsten Problem wird. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, daß dieses Problem vermieden werden kann und daß die Energie von passiv Q-ge schalteten Lasern für ein parametrisches Verstärkungssystem genutzt werden kann, vorausgesetzt, daß ein extern synchroni sierbarer Laser, wie beispielsweise eine schnell-abgestimmte Laserdiode, als Quelle gestreckter, breitbandiger Impulse verwendet wird. Eine solche Laserdiode kann auf einfache Art und Weise durch entweder einen passiv oder aktiv Q-geschal teten Laser mit vernachlässigbaren Zeitsynchronisationsstö rungen getriggert werden. Im allgemeinen kann anstelle der schnell-abgestimmten Diode ein beliebiger von außen synchro nisierbarer Laser (beispielsweise eine gewinngeschaltete La serdiode) verwendet werden.

Ein Beispiel für ein derartiges, einen Q-geschalteten Fest körperlaser verwendendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4(a) gezeigt. Eine Pumpquelle 710 umfaßt eine passiv Q-geschaltete Impulsquelle 715, welche durch Pumpdioden 716 gepumpt wird. Eine Elektronik 700 für abstimmbare Dioden, die eine abstimm bare Laserdiode 740 steuert, wird durch einen kleinen Bruch teil des optischen Ausgangssignals der passiv Q-geschalteten Impulsquelle 715 (für Impulse mit hoher Energie ist etwa 1% ausreichend), der mit einer schnellen Photodiode 720 erfaßt wird, getriggert.

In Fällen, in welchen es erforderlich ist, die inakzeptabel große Verzögerung der Dioden-Ansteuerelektronik zu kompensie ren, kann der Pumpimpuls in eine Verzögerungsleitung, die hier in einer Multimode-Faser 730 implementiert ist, einge bracht werden. Die Größe des Kerns der Faser muß ausreichend groß sein, um nichtlineare Verzerrungen zu vermeiden und ei nen guten Wirkungsgrad für die Einkopplung in die Faser zu erzielen. Die Verwendung dieser Faser erleichtert die Imple mentierung des vorliegenden Ausführungsbeispiels, ist jedoch nicht wesentlich.

Die Implementierung einer aktiv Q-geschalteten Pumpquelle ist in Fig. 4(b) gezeigt. Eine derartige Pumpquelle 715' kann von außen mit vernachlässigbaren Synchronisationsstörungen ge triggert werden und erlaubt infolgedessen die Verwendung ei ner modenverkoppelten Signalquelle 705.

In beiden Fig. 4(a) und 4(b) können, um die Pumpimpuls energie zu erhöhen, Q-geschaltete Impulse in einem (nicht ge zeigten) Festkörperverstärker weiter verstärkt werden.

Ein besonders attraktives Konzept zur Herstellung kompakter Q-geschalteter Festkörperlaser ist der Mikrochip-Laser, der die Verwendung einer Halbleiterverpackungstechnologie mit sich bringt. Tausende von Mikrochiplasern können aus einem Wafer aus einem Festkörper-Laserwerkstoff durch Polieren der art, daß die beiden Oberflächen eben und parallel sind, nach folgendes Beschichten dieser Oberflächen mit dielektrischen Spiegeln und Zerschneiden des Wafers in einzelne Chips unter Verwendung von Standard-Halbleiter-Schneideverfahren fabri ziert werden. Solche "Chip-Laser", welche etwa 1 bis 3 mm³ groß sind, können mit Monomode- oder Multimode-Laserdioden oder -Diodenanordnungen gepumpt werden. Typische Werkstoffe für Mikrochip-Laser sind Nd-dotiert, wie beispielsweise YAG, mit Betriebswellenlängen bei 1064 nm und 1319 nm und Pumpen durch Laserdioden bei etwa 808 nm. Die Q-Schaltung wird durch Bonden entweder eines elektro-optischen (aktive Einrichtung) oder eines sättigbaren Absorbermediums (passive Einrichtung) auf Nd : YAG- oder Nd : VO₄-Mikrochips erzielt, wobei ein zusam mengesetzter Resonator gebildet wird. Das Q-geschaltete Aus gangssignal eines einzelnen Mikrochip-Lasers kann bis zu ei nigen zehn Mikrojoule groß sein, mit Dauern von Hunderten von Picosekunden bis hin zu Nanosekunden, beispielsweise von 200 ps bis 5 ns. Die Verwendung von Mikrochip-Lasern erlaubt sehr preiswerte und kompakte Mikrojoule-Femtosekunden-Impuls quellen. Ferner kann durch Verwenden von Mikrochip-Laser anordnungen eine Leistungs- und Energieskalierung er reicht werden, so daß Ausgangsenergien von bis zu etwa 100 mJ möglich sind.

Die Verwendung eines quasi-phasenangepaßten parametrischen Kristalls in Übereinstimmung mit der Erfindung erlaubt die Verwendung kompakter Quellen wie beispielsweise Mikrochip-La sern, welche verhältnismäßig geringe Ausgangsenergien erzeu gen, als Pumpen für ein PCPA-System. Demgegenüber kann bei Verwendung konventioneller nichtlinearer Werkstoffe (wie bei spielsweise BBO) auch die scharfe Fokussierung des Pumpstrahls keine ausreichende parametrische Verstärkung für eine effiziente Leistungsumwandlung bereitstellen.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel ge mäß Fig. 4(c) und 4(d) wird die Erfindung in Form eines fest körperbasierten PCPA-Systems implementiert.

Wie vorstehend beschrieben, wurde im Stand der Technik unter Verwendung eines herkömmlichen doppelbrechenden phasenange paßten BBO-Kristalls in einer nichtkollinearen Konfiguration mit 3 mJ-Pumpimpulsen von etwa 5 ps Dauer ein Energieumwand lungswirkungsgrad von 1 : 30 erreicht. Um jedoch Nanosekunden-Pump impulse mit denselben erforderlichen Spitzenleistungen nutzen zu können, müßten die Pumpenergien um den Faktor 100 bis 1000 erhöht werden. Dies würde die Verwendung von Impuls quellen mit Ausgangsenergien auf Joule-Niveau erfordern. Ge genwärtig sind, wie dem Fachmann bekannt ist, solche Systeme groß, sperrig und teuer. Außerdem liegen die Impulsenergie dichten solcher Quellen typisch oberhalb der Beschädigungs schwelle der nichtlinearen Medien. Die Verwendung von quasi-phasen angepaßten Werkstoffen in Übereinstimmung mit der Er findung verringert die Anforderung an die Pumpenergien nach unten auf die Mikrojoule- und Millijoule-Niveaus, und verrin gert dementsprechend die Leistungsdichten auf Niveaus unter halb der Beschädigungsschwelle des nichtlinearen Kristalls.

Auf diesem Energieniveau gibt es eine Vielzahl von praktisch darstellbaren Festkörpersystemen, welche die erforderlichen Pumpimpulse für ein PCPA-System bereitstellen können.

MOPA-Systeme, die grundlegend ähnlich den vorstehend be schriebenen Systemen unter Verwendung eines Volumen-Faser verstärkers sind, können ebenfalls mit Volumen bzw. Bulk-Festkörper-Werkstoffen implementiert werden. Jedoch wer den hier aufgrund der geringen Verstärkung eines Festkörper-Mediums bei einfachem Durchlauf Systeme mit mehrfachem Durch lauf oder regenerative Systeme bevorzugt.

Eine allgemeine Anordnung eines Alexandrit-basierten Systems in MOPA-Bauart ist in Fig. 4(c) gezeigt. Ein durch eine Lampe gepumpter Multimode-Alexandrit-Laser wird als Pumplaser 420 für einen regenerativen Alexandrit-Verstärker 410, der bei Wellenlängen zwischen 780 nm und 800 nm arbeitet, verwendet (Fig. 4(d)). Der Verstärker wird mit Impulsen variabler Dauer aus einer Standard-Halbleiterlaser-Impfdiode 430 bei 786 nm geimpft. Die Dauer der Diodenimpulse wird durch die Dauer elektrischer Impulse aus einem Standard-Nanosekunden-Impuls generator einer Triggerelektronik 400 bestimmt. Die Wieder holrate des Alexandrit-Systems beträgt 10 Hz. Es wurde fest gestellt, daß der verstärkte Ausgang Impulse mit einer Dauer von 350 ps bis 1 ns (wie durch die Impfdauer festgelegt) und Energien von 8 mJ bereitstellt. Der Resonator wird nach einer festen Anzahl von Umläufen abgeschaltet. In Verbindung mit der Tatsache, daß die Impfdiode von außen getriggert wird, erleichtert dies stark die zeitliche Abstimmung des Pumpimpul ses mit dem Signalimpuls.

Eine Signalquelle 440 ist ein verstärktes Er-dotiertes Faser-Laser-System, welches bei einer Wellenlänge von etwa 1550 nm arbeitet. Femtosekunden-Impulse aus einer passiv modenverkop pelten Er-dotierten Faser-Laserquelle 445 werden in einer Beugungsgitter-Streckvorrichtung mit positiver Dispersion 450 gestreckt und in einer Kette von diodengepumpten Er-dotierten Faser-Verstärkern (nicht gezeigt) verstärkt. Nach der Ver stärkung werden Impulse mit einer Bandbreite von etwa 7 nm (festgelegt durch die Gewinnverschmälerung) und einer Dauer von 300 bis 350 ps erhalten. Dieses System kann Impfimpulse mit Energien von bis zu 10 µJ bereitstellen. Derart hohe Energien werden zweckmäßig verwendet, um mit einem parametri schen Verstärker mit einer einfachen Stufe zu arbeiten. Die Verstärkung des direkten Ausgangssignals des Oszillators und der Impulsstreckvorrichtung würde im allgemeinen zwei parame trisch verstärkende Stufen erfordern, um Energien im Milli joule-Bereich zu erreichen. Verglichen mit Quantenverstärkern können parametrische Verstärker mit wesentlich geringeren Energien geimpft werden. Die Ursache hierfür ist, daß im Ge gensatz zu der spontanen Emission eines Quantenverstärkers die injizierten Impulse niedriger Energie in einem parametri schen Kristall mit Vakuumfluktuationen konkurrieren müssen.

Die Pump- und Signalimpulse werden in einem IR-Strahlteiler 460 für eine kollineare Fortpflanzung kombiniert. Beide Strahlen werden in eine Probe eines periodisch gepolten Lithium-Niobat(PPLN) -quasi-phasenangepaßten (QPM)-Kristalls 470 fokussiert. Die Dicke des Kristalls beträgt 0,5 mm, und eine Vielzahl von Längen von 3 bis 5 mm wurde verwendet. Es können auch noch längere Kristalle verwendet werden, welches die erforderlichen Pumpenergien weiter verringern und Proble me hinsichtlich einer Beschädigung des Kristalls umgehen wür de. Die Quasi-Phasenanpaßperiode des PPLN-Kristalls in dieser bestimmten Implementation beträgt 19,75 µm. Im allgemeinen kann die Quasi-Phasenanpaßperiode bzw. QPM-Periode A für ei ne gegebene Wechselwirkung unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet werden:

Hierin sind n_k und λ_k die Brechungsindizes bzw. Wellenlängen bei der Pump-, Signal- bzw. Leerlaufwellenlänge. Aus dieser Gleichung ist offenbar, daß die Pumpwellenlänge durch Wählen der geeigneten Quasi-Phasenanpaßperiode für den parametri schen Verstärker ausgewählt werden kann. Außerdem ist aus dieser Gleichung klar ersichtlich, daß falls die Quasi-Pha senanpaßperiode entlang des optischen Pfads gechirped, d. h. vor der Verstärkung expandiert und dann wieder rekomprimiert wird, dieses effektiv die Phasenanpaßbandbreite für eine ge gebene nichtlineare Wechselwirkung verbreitert. Die gewählte Geometrie des Kristalls stellt eine unkritische Phasenanpas sung bereit und eliminiert auf diese Art und Weise die räum liche Strahlabwanderung. Ein optimaler Umwandlungswirkungs grad von Pumpe zu Signal ist kritisch abhängig von der räum lichen Überlappung und der Kollinearität der Pump- und Impfstrahlen in dem Kristall. Die Pump- und Signal-Spot größendurchmesser können beispielsweise in dem Bereich von 300 bis 400 µm liegen. Große Spotdurchmesser am Kristall sind wesentlich für sowohl die Verhinderung einer Kristallbeschä digung als auch für die räumliche Anpassung von Multimode- und Monomode-Profilen von Pump- und Signalstrahlen. Keine spezielle Vorsorge braucht getroffen zu werden, um die Wel lenfrontkrümmungen der Pump- und Signal strahlen in dem Kri stall anzupassen. Die verstärkten Impulse werden mit einem Standard-Beugungsgitter-Kompressor mit negativer Dispersion 480 rekomprimiert.

Ein maximal verstärktes Ausgangssignal von 1 mJ wurde bei mJ Pumpeingang und 100 nJ Eingangssignal experimentell beobach tet. Ein Kleinsignalgewinn von 10⁴ wurde für Eingangsimpuls energien von 5 nJ und weniger gemessen. Als Pumpe-zu-Signal-Umwand lungswirkungsgrad wurden 35% festgestellt. Obwohl der Pumpstrahl in diesem Ausführungsbeispiel monomodal ist, sind die Pumpbedingungen äquivalent zu dem Pumpen mit einem multi modalen Strahl aufgrund der Fehlanpassung bzw. fehlenden Übereinstimmung zwischen den Wellenfront-Krümmungen und auf grund von großen Dimensionen beider Strahlen in dem parame trischen Kristall. Für große Spotgrößen und hohe Modenzahlen ist die räumliche Fehlanpassung zwischen monomodalen und mul timodalen Strahlprofilen vernachlässigbar.

Die Materialeigenschaften von Lithiumniobat erlauben eine ef fiziente parametrische Umwandlung bei Pumpintensitäten unter halb der Kristallschädigungsschwelle. Für Pumpimpulsdauern von 300 ps bis 500 ps, wie sie für die Verstärkung verwendet werden, wurde auch bei den maximalen Pumpenergien von 8 mJ keine Schädigung beobachtet. Für Pumpimpulsbreiten länger als 1 ns wurde jedoch eine optische Schädigung der Eingangsfläche des parametrischen Kristalls bei etwa 2 mJ/Impuls, entspre chend einer Intensität von 3,8 GW/cm², beobachtet. Bei länge ren Impulsbreiten, beispielsweise 5 ns, wurde bei noch gerin geren Spitzenintensitäten von 0,8 GW/cm², die nur vernachläs sigbaren parametrischen Gewinn erzeugen konnten, eine Ober flächenbeschädigung beobachtet. Die beobachtete Abhängigkeit der Schädigungsschwelle von der Dauer der Pumpimpulse ist mit der Oberflächenschädigung von Volumen-LiNbO₃ aufgrund der thermischen Wirkungen konsistent. Dies zeigt, daß ein Pumpen mit Impulsen kürzer als 1 ns für LiNbO₃-Kristalle vorteilhaft ist, um den höchsten parametrischen Gewinn und Umwandlungs wirkungsgrad zu erhalten.

Im allgemeinen können für eine gegebene Impulsdauer die nutz baren Pumpenergien (und demzufolge die erhaltbaren Signal energien) durch Einstellen des Spotbereichs bzw. der Fleck größe nach oben oder unten proportional skaliert werden. Dies erhält die feste Pumpintensität. Die einzige praktische Be schränkung bezüglich der erhaltbaren maximalen Energien wird durch die maximalen Querabmessungen des parametrischen Kri stalls festgelegt. Gegenwärtig ist 0,5 mm dickes periodisch gepoltes Lithiumniobat die Norm, was durch Beschränkungen bei der Polung elektrischer Felder festgelegt ist. Die Skalierung der Spotgröße über diese Grenze hinaus würde eine asymmetri sche Strahlexpansion erfordern, um die unbeschränkte Breite des Kristalls zu nutzen. Jedoch kann die Dicke des quasi phasenangepaßten Kristalls auf ein erforderliches oder ge wünschtes Maß erhöht werden, beispielsweise durch Verwenden eines diffusionsgebondeten vertikalen Stapels von PPLN-Platten.

Es ist wichtig, zu überprüfen, daß eine parametrische Wech selwirkung zwischen der Pumpe und dem Signal keine Phasenver zerrungen in dem verstärkten gestreckten Impuls induziert. Um den Chirp auf dem verstärkten Ausgangssignal zu charakteri sieren, wurde das wieder parallel gerichtete Ausgangssignal in einem Gitter-Monochromator spektral gebeugt und dann mit einer Streakkamera bzw. Schlierenspektogramm-Kamera gemessen. Die Streakbilder bzw. Schlierenspektogramme des unverstärkten Signalstrahls zeigten einen linearen Chirp an (Fig. 5(a)); dieser Chirp wurde vollständig auf das verstärkte Signal übertragen (Fig. 5(b)), welches in einer Bandbreite von 7 nm resultierte. Der Chirp (nichtlinear) des Pumpimpulses (Fig. 5(d)) induzierte keinerlei zusätzlichen Chirp in dem ver stärkten Signalimpuls, sondern wurde in den Leerlaufchirp übertragen (vgl. Fig. 5(c)). Es wird angemerkt, daß während dieser Pumpe-zu-Leerlauf-Übertragung das Vorzeichen der Phase umgekehrt wird, welches mit dem Impulserhaltungsgesetz ver träglich ist. Eine zeitliche Synchronisationsstörung von etwa 100 ps, die zwischen der Pumpe und dem Signal beobachtet wur de, beeinträchtigte die Verstärkung nicht. Rekomprimierte Si gnalimpulse wurden mit einem Einzelabtast-Autokorrelator ge messen. Fig. 6 zeigt die Einzelabtast-Autokorrelationen der verstärkten und der nicht verstärkten Impulse. Die nicht ver stärkten und die verstärkten Impulse wurden beide auf etwa 680 fs komprimiert, woraus sich identische Spuren ergaben, welches anzeigt, daß keine beobachtbaren Phasenverzerrungen aufgrund der parametrischen Verstärkung um 40 dB aufgetreten sind.

Obwohl der beschriebene Alexandrit-Verstärker auch zur direk ten Verstärkung gestreckter ultrakurzer Impulse aus bei spielsweise einem frequenzverdoppelten modenverkoppelten Fa ser-Oszillator verwendet werden kann, besteht der grundlegen de Vorteil der Verwendung des parametrischen Verstärkungssy stems aufgrund der großen Bandbreite der parametrischen Ver stärkung in der Beseitigung der den Gewinn schmälernden Wir kung.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 gezeigt, wel ches eine Abänderung des zuvor in Verbindung mit Fig. 2 be schriebenen Systems ist. In dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 werden ein Diodenlaser als eine Impfdiode und Multimode-Faser verstärker mit großem Kern verwendet, um Millijoule- und höhere Impulsenergien zu erhalten. Dieser Faserverstärker konnte vorzugsweise mit einem Er-dotierten Faserverstärker, der in einem Wellenlängenbereich von 1530 bis 1560 nm arbei tet, verwirklicht werden. Mehrere Verstärkungsstufen mit op tischen Toren dazwischen und darauffolgenden Erzeugungsvor richtungen für die zweite Harmonische waren erforderlich.

Fig. 7 zeigt eine ähnliche Anordnung, welche wesentlich ein facher und deutlich wirkungsvoller ist. Ein Dioden-gepumpter Mikrochip-Laser 72 wird als eine Impfquelle verwendet, die bei ungefähr 1064 nm arbeitet und ungefähr 1 ns-Impulse mit Energien von 1 bis 10 µJ und bei Wiederholungsraten von 1 bis 10 kHz erzeugt. Diese Impulse werden in den Yb-dotierten man telgepumpten Faserverstärker 74 mit großem Kern (10 bis 100 µm Durchmesser) injiziert, so daß Millijoule-Impulse mit we nigen Watt Durchschnittsleistung erzeugt werden können. Auf grund der hohen Energie der Impfimpulse (Mikrojoule im Ver gleich zu Picojoule von einem Diodenlaser) und dem hohen Ge winn einer Yb-dotierten Faser sind keine mehrfachen Stufen oder optischen Tore erforderlich, um Millijoule-Impulse und wenige Watt Durchschnittsleistung zu erhalten. Ferner ist keine zweite Harmonische erforderlich, um Femtosekunden-Impulse von einem modenverkoppelten Er-Faserlaser bei einer Wellenlänge von ungefähr 1550 nm parametrisch zu verstärken. Die Frequenzverdopplung von Impulsen mit 1064 nm läßt die Er zeugung von Impulsen mit 532 nm zu, welche geeignet sind, wenn erwünscht ein Ausgangssignal mit ungefähr 800 nm von mo denverkoppelten Ti : Saphir-Femtosekundenoszillatoren parame trisch zu pumpen. Der Yb-Faserverstärker hat einen beträcht lich höheren Quantenwirkungsgrad im Vergleich mit der Er-Faser (60 bis 80% für Yb im Vergleich zu 20 bis 45% für Er) und jedem anderen Festkörperverstärker. Der Wirkungsgrad des Dioden-gepumpten Yb-Fasersystems kann viel höher als der von jedem anderen Dioden-gepumpten Nanosekundenlasers sein, wo durch die Gesamtkosten und Komplexität des PCPA-Systems ver ringert werden.

Die aktive Ionenkonzentration in der Yb-Faser kann viel höher als in der Er-Faser sein. Dies führt zu deutlich kürzeren Verstärkerlängen und, folglich, zu einer deutlich niedrigeren Anfälligkeit für nichtlineare Streueffekte in dem Faserkern. Eine Yb-Faser hat einen deutlich höheren Sättigungsfluß im Vergleich mit der Er-Faser, wodurch die Entnahme von hohen Impulsenergien erleichtert wird. Aufgrund dieses hohen Sätti gungsflusses sind Yb-dotierte Festkörperverstärker auch im Vergleich mit anderen Festkörper-Verstärkungsmaterialien vor teilhaft bei der Entnahme sehr hoher Impulsenergien (bis zu mehreren Joules).

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 8 veranschau licht, welches eine Abänderung des Ausführungsbeispiels von Fig. 4(a) ist. In Fig. 4(a) erzeugt ein abstimmbarer Halblei terlaser ultrakurze Impulse, die extern getriggert werden. Dies läßt die Verwendung von passiv Q-geschalteten Lasern zu. Ein Vorteil von dieser Anordnung ist, daß man von einem Dioden-gepumpten und passiv Q-geschalteten Mikrochip-Laser zum Pumpen von PCPA um eine Größenordnung höhere Impulsener gien und Leistungen direkt erhält. Ein weiterer Vorteil er gibt sich aus der Einfachheit von passiv Q-geschalteten La sern im Vergleich mit aktiv Q-geschalteten Lasern.

Fig. 8 veranschaulicht eine ähnliche Anordnung, bei der das Ausgangssignal von einem abstimmbaren Laser oder einem ge winngeschalteten Diodenlaser 800 in einem Fasergitter 802 auf eine Dauer von wenigen Pikosekunden (typischerweise 1 bis 3 ps) komprimiert wird und darauffolgend in einen Standard-Mono mode-Seltenerdfaserverstärker (beispielsweise einen Er dotierten Faserverstärker) eingebracht wird. Nichtlineare Ef fekte (Solitonenbildung) können hier vorteilhaft verwendet werden, um nichtlinear komprimierte Femtosekunden-Impulse zu erzeugen. Gleichermaßen können gestreckte Impulse erst ver stärkt und dann in einem Fasergitter komprimiert und dann in eine zusätzliche Faser für eine nichtlineare Impulsverkürzung eingebracht werden. Standardmäßige gewinngeschaltete Dioden können verwendet werden, um 10 bis 300 Pikosekunden-Impulse direkt zu erzeugen, die darauffolgend in einem nichtlinearen Faserverstärker komprimiert werden können.

PCPA-Systeme vom vorstehend beschriebenen Typ werden es er möglichen, daß in einer Vielzahl von Anwendungen viele der konkurrierenden ultraschnellen Lasersysteme durch Milli joule-Systeme in Schuhkartongröße ersetzt werden. Im folgenden wer den zahlreiche Anwendungssysteme 181 in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Lasersystem beschrieben. Während nur diese mehreren Anwendungen im Detail beschrieben werden, ist für Fachleute selbstverständlich, daß das erfindungsgemäße PCPA-System allgemein anstelle von verstärkten ultraschnellen Ti : Saphir-Lasersystemen und auch in vielen Fällen anstelle von anderen geläufigen Lasersystemen verwendet werden kann.

Materialbearbeitung mit niedriger Leistung und Mikromaterial bearbeitung

Das Anwendungssystem 181 kann typischerweise ein industriel les Lasersystem mit bekanntem Aufbau sein. Solche Systeme werden zum Schneiden und Bohren von Material verwendet und verwenden gegenwärtig vorwiegend CO₂- und Nd : YAG-Laser. Die meiste Mikromaterialbearbeitung mit Laser wird typischerweise mit Nd-YAG-, Excimer oder Kupferdampflasern durchgeführt. Ul traschnelle PCPA-Laser haben wichtige Vorteile gegenüber die sen anderen hinsichtlich der Arbeit mit höherer Genauigkeit. Wenn Femtosekunden-Impulse verwendet werden, um Material zu bohren oder wegzusprengen, werden die Oberflächenschichten des Materials instantan verdampft, ohne Wärme an das Material abzugeben. Wenn ns- und ps-Laserimpulse verwendet werden, wird viel von dem Material, das den Zielpunkt umgibt, ge schmolzen und wieder verfestigt. Der Umgebungsbereich, - der Wärmeeinflußzone ("heat affected zone", HAZ) genannt wird - kann sehr schartig und rauh sein. Bei der erfindungsgemäßen Kombination wird jedoch, wenn ultrakurze Laserimpulse (USLP) verwendet werden, keine Schmelze erzeugt, wodurch die Schnit te viel sauberer und besser gesteuert gemacht werden. Durch die Verwendung von USLP wird auch die Größe der Stoßeinfluß zone ("shock affected zone", SAZ) minimiert, welche der Umge bungsbereich von Material ist, das durch die kräftige Ultra schall-Stoßwelle, welche durch den schnellen Heizeffekt von ns- und ps-Laserimpulsen erzeugt wird, gebrochen bzw. abge brochen wird. Die Minimierung der SAZ führt zu sauberen Schnitten und weniger seitlichem Schaden in dem Bereich rund um und unterhalb des Schnitts, wenn fs-Impulse verwendet wer den.

Femtosekunden-Laser haben auch zusätzliche Vorteile bei der Materialbearbeitung. Der physikalische Vorgang bei der Abla tion mit fs-Impulse ist deterministischer und steuerbarer als für ns-Impulse. Daher ist es möglich, Merkmale bearbeiten, die kleiner als die Laser-Spotgröße sind. Beispielsweise ist es bei Verwendung eines ultraschnellen Lasers möglich, zum Beispiel Löcher mit 0,3 um Durchmesser in einem Silberfilm unter Verwendung einer Strahl-Spotgröße von 3,0 um zu bohren. Diese Fähigkeit zeigt, daß ultraschnelle Laser in einigen Mi kromaterialbearbeitungs-Anwendungen Excimer-Laser ersetzen können. Gegenwärtig werden Excimer-Laser aufgrund ihrer kur zen Wellenlänge (ungefähr 200 bis 300 nm) für Hochpräzisions-Material bearbeitung verwendet. Aber Excimer-Laser sind teuer und beschwerlich und erfordern Ausstattung zur Handhabung von korrosiven und toxischen Gasen. Die Festkörper-Alternative zu Excimer-Lasern, die durch die Erfindung bereitgestellt wird, ist daher von großem Nutzen für diese Industrie.

Die Femtosekunden-Lasermaterialbearbeitung ist mit vielen Ma terialien gezeigt worden, beispielsweise rostfreiem Stahl und anderen Legierungen, Kunststoff, Zahnschmelz, Glas, Diamant und vielen anderen. Die zum Schneiden erforderliche Laserim pulsenergie hängt gewöhnlich stark von den Materialeigen schaften, insbesondere seiner optischen Absorption ab. Bei spielsweise ist es schwieriger, transparente Materialien zu schneiden, da sie nicht viel Licht absorbieren. Bei Femtose kunden-Laserimpulsen zeigt jedoch die Ablationsschwelle weni ger Empfindlichkeit von der Materialabsorption, so daß sogar transparente Materialien sehr leicht geschnitten oder gebohrt werden können.

Als ein spezielles Beispiel führt die Verwendung von ultra schnellen Lasern zum Bohren zu einer besseren Reproduzierbar keit bei der Mikromaterialbearbeitung von Biosensoren (zur Glukose-Überwachung).

Laserchirurgie, -bohren und -schneiden

Die Anwendungseinheit 181 kann alternativ ein chirurgisches Messer oder anderes Werkzeug sein. Ultrakurze Laserimpulse stellen große Vorteile beim Schneiden und Bohren von biologi schen Materialien und Gewebe dar. Wie bei nichtbiologischen Materialien können ultrakurze Laserimpulse Gewebe (hart oder weich) mit sehr wenig lokaler Erwärmung oder seitlichem Scha den an angrenzenden Bereichen im Vergleich mit Mikrosekunden- oder Nanosekundenlasern abtragen. Die Schnitte sind präziser, und es gibt weniger Schädigung des umgebenden Gewebes. Dies verspricht ein neues Niveau der hohen Präzision bei medizini scher Laserbehandlung. Ein Beispiel liegt in der Augenchirur gie. Herkömmliche gepulste Laser können bei einer Anzahl von Verfahren aufgrund des ernsten seitlichen Schadens, der in der Stoßeinflußzone erzeugt wird, nicht verwendet werden. Im Gegensatz dazu sind Femtosekunden-Laser verwendet worden, um die optische Hochpräzisions-Chirurgie zu demonstrieren. Der Laser wird verwendet, um eine kleine Klappe in die Hornhaut zu schneiden, um Platz für darauffolgende Verfahren zu schaf fen. Die mit dem Femtosekunden-Laser geschnittene Klappe ist sehr glatt im Vergleich mit der Klappe, die mit dem Messer in einer Vorrichtung, die Mikrokeratom genannt wird und gegen wärtig klinisch verwendet wird, geschnitten wird.

Wenn die Anwendungseinheit 181 ein medizinisches Instrument oder chirurgisches Werkzeug ist, das zum Bohren oder Entfer nen von hartem Gewebe verwendet wird (wie beispielsweise ein Zahnbohrer), hat die Verwendung des PCPA-basierten USLP gemäß der Erfindung die folgenden Vorteile gegenüber Nanosekunden-Laser impulsen:
Niedrigere Schwellwertsenergien für eine effiziente Ma terialentfernung (3 J/cm² unter Verwendung von USLP gegenüber 20 bis 35 J/cm² unter Verwendung von ns-Impulsen);
der Ablationsschwellwert ist wesentlich weniger empfind lich hinsichtlich des Gewebetyps;
saubere Löcher mit weniger seitlichem Schaden;
kleinere Temperaturerhöhung im Gewebe (beispielsweise in Zähnen 2°C bei USLP gegenüber <50°C Erhöhung bei Verwendung von ns-Impulsen);
niedrigere Geräuschniveaus (wesentlich weniger als ein Zahnbohrer).

Industrielle Laseranwendungen

In vielen industriellen Abläufen haben Laser eine Anzahl von Vorteilen gegenüber traditionelleren mechanischen Verfahren wie beispielsweise Bohren, Materialbearbeitung, Schneiden, Oberflächenbearbeitung, Farbenabbeizen usw. Einer der besser bekannten Vorteile bezieht sich auf die sehr hohe Genauig keit, die mit Lasern erzielt werden kann.

Einer der weniger bekannten Vorteile bei der Verwendung von Lasern ist die Verringerung von festem und flüssigem Abfall bei vielen Anwendungen. In einem Beispiel, in dem die Anwen dungseinheit 181 ein Farbenentfernungs-Anwendungssystem bzw. Farbenentfernungs-Auftragssystem ist, kann die Menge an Abfall um mehr als das 50fache im Vergleich zu herkömmlichen chemi schen Verfahren verringert werden.

Materialbearbeitung, einschließlich Schneiden, Markieren bzw. Kennzeichnen, Bohren, Anzeichnen, Schweißen, Löten, Sintern, Oberflächenbehandlung (einschließlich Härten bzw. Verfestigen und Legieren) und Lithographie kann unter Verwendung der er findungsgemäßen Laser durchgeführt werden, wenn die Anwen dungseinheit 181 eine geeignete Werkzeugmaschine ist. Bei ei ner Anzahl von Techniken werden diese Verfahren verwendet, beispielsweise bei der Halbleiter- und Mikroelektronik-Bear beitung ebenso wie bei der schnellen Erstellung von Pro totypen ("rapid prototyping"), der Herstellung am Desktop ("desktop manufacturing") und der Mikromaterialbearbeitung.

Kommerzielle Anwendungseinheiten für die Elektronik gemäß der Erfindung umfassen Präzisions-Mikromaterialbearbeitungs- und Dünnschicht-Trimmsysteme. Die Trimmanwendungen umfassen die wohlbekannte Speicherreparatur ebenso wie das Trimmen bzw. das Abstimmen des Sensors für Airbags und Goldbeschichtungen auf Quarzuhren. Neuere Anwendungen, denen viel Interesse zu gekommen ist, umfassen die schnelle Erstellung von Prototypen für den Modellbau.

In einigen Materialien scheint es einen großen Vorteil bei der Verwendung von fs-Lasern für hochpräzise Arbeiten zu ge ben. Unter den Materialien, die eine tatsächliche Verbesse rung zeigen, wenn sie mit Femtosekunden-Lasern gebohrt oder bearbeitet werden, sind Silizium, Stahl, Kupfer, Gold, einige Polymere, hartes Zahngewebe und weiches Augengewebe (von der Hornhaut).

Dies kann zu einem gewissen Grad durch Experimente erklärt werden, die zeigen, daß die Impulsbreiten-Abhängigkeit von LIB zeigt, daß der Schädigungsfluß-Schwellwert mit der Im pulsbreite (mit 1/2) bis herab zu einer Impulsbreite von 10 ps abnimmt. Dann nimmt er geringfügig zu, wenn die Impulse noch kürzer werden. Dies gilt insbesondere für SiO₂ und für MgF₂.

In dem Niedrigfluß-Bereich ergeben Femtosekunden-Impulse we sentlich bessere Oberflächen als Nanosekunden-Impulse. Bei spielsweise sind, wenn die Anwendungseinheit 181 ein Femto-Material bearbeitungssystem ist, mit einigen Materialien sehr glatte Oberflächen zu erhalten. Zum Beispiel zeigt ein AFM-Bild nach Ablation einer Silizium-Oberfläche mit Schwellwert-Impulsen von 0,13 J/cm², 80 fs eine Oberflächenrauhheit von ungefähr 30 nm.

Integration von fs-Lasern in große industrielle Systeme

Das Konzept besteht hier darin, 10 µm Impulse von einem PCPA-System in einen großen CO₂-Hochleistungslaseroszillator zu injizieren, entweder, um den CO₂-Laser einer Injektions-Moden verkopplung zu unterziehen (bei hohen Durchschnittslei stungen von ungefähr 1 kW) oder um hohe Impulsenergien (von ungefähr 20 J) regenerativ zu verstärken. Experimente haben das Potential bei der Verwendung von CO₂-Lasern bei der Er zeugung von kurzen Impulsen mit hoher Durchschnittsleistung gezeigt, aber die Systeme waren nicht praktisch anwendbar. Das liegt daran, daß die injizierten Impulse durch plasmage steuertes Verschließen eines kontinuierlichen CO₂-Lasers er halten wurde, wobei Impulse von einem verstärkten Pikosekun den-Farbstofflasersystem als aktivierender Impuls für das plasmagesteuerte Verschließen verwendet wurde. Die Verwendung eines PCPA-Systems als Injektionsvorrichtung für einen CO₂-Laser macht solch ein System praktisch anwendbar. Ein System unter Verwendung eines CO₂-Lasers als Endstufe ist sehr at traktiv hinsichtlich seiner Leistungseffizienz, da CO₂-Laser eine hohe Leistungseffizienz haben.

Die Verwendung von quasi-phasenangepaßten (QPM-)Werkstoffen zur parametrischen Chirp-Impulsverstärkung (PCPA) verringert wesentlich die erforderliche Pumpspitzenleistung und Pumphel ligkeit und erlaubt so die Auswertung von räumlichen Multi mode-Pumpimpulsen mit langer Dauer. Sie beseitigt ferner Be schränkungen der Pumpwellenlänge und der Verstärkungsband breite. Dies ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung der Pumplaseranordnung für ein Hochenergie-PCPA-System und, dem zufolge, die Konstruktion von kompakten diodengepumpten Quel len ultrakurzer optischer Impulse hoher Energie. Darüber hin aus erlaubt dies die Beseitigung von Beschränkungen der mini malen Impulsdauer hinsichtlich Gewinnverschmälerung und Pha senverzerrung, welche typisch in einem Chirpimpulsverstär kungssystem auftreten. Ein Beispiel für eine kompakte Quelle ultrakurzer Impulse hoher Energie ist ein Multimodekern-faser basiertes Chirpimpulsverstärkungssystem. Beschränkungen der Impulsenergie aufgrund der beschränkten Kerngröße für Mo nomode-Fasern werden durch Verwenden eines großen Multi mode-Kerns umgangen. Beschränkungen der Impulsdauer und der Strahlqualität aufgrund des Multimode-Kerns werden durch Ver wenden eines Chirp-Impulsverstärkungssystems umgangen. Zu sätzlich vereinfacht der große Kern der Multimode-Faser das Mantelpumpen durch preiswerte Multimode-Laserdioden mit hoher Leistung.

Claims

1. Optisches Impulsverstärkungs- und Zuführsystem, um fassend:
eine Pumpquelle (100; 210; 710;), die optische Pum pimpulse einer vorbestimmten Dauer erzeugt;
eine Signalquelle (130; 200; 440; 705; 740), die optische Signalimpulse erzeugt;
eine kombinierende Optik (106, 160; 221, 223; 460), die die optischen Pumpimpulse und die optischen Si gnalimpulse empfängt und kombiniert, um dadurch kom binierte optische Impulse bereitzustellen;
einen parametrischen Verstärker (170; 220; 470), der einen quasi-phasenangepaßten Kristall umfaßt, welcher die kombinierten optischen Impulse empfängt und die optischen Signalimpulse unter Verwendung von Energie der optischen Pumpimpulse verstärkt; und
eine Anwendungseinheit (181), die das verstärkte Ausgangssignal von dem Verstärker empfängt und das Ausgangssignal an eine bestimmte Stelle anlegt.

2. Chirpimpulsverstärkungs- und Zuführsystem, umfassend:
das optische Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1;
und eine Kompressoreinrichtung (180), die die durch den para metrischen Verstärker verstärkten optischen Signalimpulse empfängt und komprimiert.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Zuführ system eine Werkzeugmaschine umfaßt.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Zuführ system ein chirurgisches Instrument umfaßt.

5. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die kombi nierten optischen Impulse, die dem Zuführsystem zugeführt werden, Impulse mit Femtosekundendauer sind.

6. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Pumpquelle (100; 210; 710) ein Diodenlasersystem oder ein kaskadenartig mit einem Yb-Faserverstärkersystem kombiniertes Diodenlasersystem umfaßt.

7. Optisches Impulsverstärkungssystem nach Anspruch 1,
bei dem die Signalquelle
einen Signalimpulsgenerator (140; 202; 445); und
eine Streckvorrichtung (150; 204; 450), die durch den Signalimpulsgenerator erzeugte Signalimpulse empfängt und streckt, umfaßt.