DE19960765A1 - Hochrepetierlicher Femtosekundenlaser - Google Patents
Hochrepetierlicher FemtosekundenlaserInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf einen passiv modengekoppelten hochrepetierlichen Femtosekundenlaser, dessen Ringresonator die folgenden Elemente aufweist: DOLLAR A a) ein laseraktives Element (1), DOLLAR A b) mindestens einen dielektrischen Spiegel (2), der eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD aufweist, dergestalt, dass für einen zusammenhängenden Teil des durch das laseraktive Element (1) verstärkungsfähigen optischen Spektralbereichs die Summe der Gruppengeschwindigkeitsdispersionen der Spiegel (2) und der postiven Gruppengeschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements (1) negativ ist, d. h. DOLLAR F1 DOLLAR A c) zwei Konkavspiegel (21) und (22), die dem laseraktiven Element (1) räumlich zunächst benachbart sind und mit ihren konkaven Flächen zu diesem orientiert sind und DOLLAR A d) einen optischen Auskoppler (3). DOLLAR A Die optische Weglänge im Resonator ist kleiner als 60 cm, vorzugsweise kleiner als 30 cm, insbesondere kleiner als 15 cm, die Brennweiten f21 und f22 der Konkavspiegel (21) und (22) sind kleiner als 3 cm, vorzugsweise kleiner als 2 cm, insbesondere kleiner oder gleich 1,5 cm.
Description
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein hochrepetierlicher Femtosekun
denlaser gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Passiv modengekoppelte Femtosekundenlasersysteme zeigen hohe Pulswieder
holraten im Bereich von mehreren 100 Megahertz. Bedingt durch die extrem
niedrige Pulsdauer zeigen die Pulse eine hohe maximale Intensität. Femtose
kundenlaser werden bereits erfolgreich im Bereich der zeitaufgelösten Spektro
skopie sowie der Mehrphotonmikroskopie eingesetzt. In Zukunft werden derar
tige Laser auch im Bereich der optischen Datenkommunikation eine wesentli
che Rolle spielen.
Gängige passiv modengekoppelte Femtosekundenlasersysteme beruhen auf der
Verwendung von titandotierten Saphirkristallen als laseraktive Elementen.
Diese zeigen bei optischer Anregung ein breites Fluoreszenzspektrum im Be
reich zwischen 700 und 1000 nm. Aus diesem resultiert ein Verstärkungsprofil
vergleichbarer Breite, das bedeutet, das Ti:Saphir-Lasersysteme zur Erzeugung
von Laserlicht im genannten Wellenlängenbereich geeignet sind.
Bei der Erzeugung ultrakurzer Laserpulse muß beachtet werden, dass ein zeit
lich kurzer Laserpuls mit einer breiten Frequenzverteilung korreliert ist. Aus
diesem Grunde sind ausschließlich Laserelemente mit sehr breitem Verstär
kungsprofil zur Erzeugung ultrakurzer Pulse geeignet.
Alle bislang bekannten passiv modengekoppelten Femtosekundenlasersysteme
mit einem Festkörper als laseraktiven Element (CPM-Farbstofflaser ist auch
passiv modengekoppelt) beruhen auf dem Konzept des "Kerr lens mode-
locking". Dieser nichtlineare optische Effekt führt zur Verstärkung eines ein
zelnen im Resonator umlaufenden Pulses im laseraktiven Element.
Die Repetitionsrate eines solchen Femtosekundenlasersystems ist bestimmt
durch die Umlaufdauer des im Resonator umlaufenden Pulses.
Die Dauer des resonatorumlaufenden Pulses erreicht jedoch nicht das theoreti
sche Limit, welches durch die Breite des Verstärkungsprofils des laseraktiven
Elements bestimmt ist. Dies wird verursacht durch das Phänomen der Puls
verbreiterung, welches der im Resonator umlaufende Laserpuls insbesondere
im laseraktiven Element erfährt. Dieser Effekt wird verursacht durch die soge
nannte positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements.
Sie hat zur Folge, dass die unterschiedlichen Wellenlängenbestandteile des
umlaufenden Pulses das laseraktive Element innerhalb unterschiedlicher Zei
ten durchlaufen, wodurch der durch das laseraktive Element hindurchlaufende
Laserpuls zeitlich verbreitert wird.
Der klassische Ansatz, die Pulsverbreiterung zu kompensieren, welche durch
die positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements
verursacht wird, ist die Verwendung einer Anordnung innerhalb des Laserre
sonators, die eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion aufweist, die
die durch das laseraktive Element verursachte Pulsverbreiterung mindestens
gerade kompensiert.
Vorbekannt ist beispielsweise eine Anordnung aus zwei dispersiven Elementen,
beispielsweise Prismen im Laserresonator, ein sogenannter Prismenkompres
sor.
Grundlagen zu Femtosekundenlasersystemen, die auf "Kerr lens mode-locked"
Ti:Saphir-Lasern mit Prismenkompressoren beruhen, können beispielsweise
der Veröffentlichung von D. E. Spence, P. N. Kean, W. Sibbet in Optics Letters 16,
Seite 42 ff (1991) entnommen werden.
Alternativ zu den erwähnten Prismen oder Gitterkompressoren wurden in
jüngster Zeit dielektrische Spiegel entwickelt, die eine negative Gruppenge
schwindigkeitsdispersion GVD aufweisen. Diese wird erzielt durch eine geeig
nete Abfolge dielektrischer Schichten auf einem Substrat. Das Grundkonzept
kann der Veröffentlichung von R. Szipöcs, K. Ferencz, CH. Spielmann, F.
Krausz, in Optics Letters 19, Seite 201 ff (1994) entnommen werden.
Die Verwendung solcher Spiegel mit negativer Gruppengeschwindigkeitsdisper
sion GVD im Laserresonator bietet den wesentlichen Vorteil, dass im Gegensatz
zu den bereits erwähnten Prismen- bzw. Gitterkompressoren nur eine unwe
sentliche Verlängerung des optischen Wegs im Resonator auftritt. Ein Femto
sekundenlasersystem, welches auf den genannten Spiegeln basiert, ist bei
spielsweise aus der Veröffentlichung von H. Stingl, Ch. Spielmann, R. Szipöcs,
F. Krausz in Conference on Lasers and Electro-Optics 9, 1996 OSA Technical
Digest Series (O. S. A., Washington D. C., 1996) S. 66 ff entnommen werden.
Eine Mehrzahl der auf dem Phänomen des "Kerr lens mode-locking" beruhen
den Ti:Saphir-Femtosekundenlasersystemen beruht auf Fabry-Perot-
Resonatoren, welche sich durch plane Endspiegel auszeichnen, vorzugsweise in
gefalteter Konfiguration. Bei dieser Konfiguration können die zur Pulskompres
sion nötigen Elemente wie Prismen einfach in einem Arm des Resonators un
tergebracht werden. Die Gesamtlänge eines solchen Resonators beträgt typi
scherweise in der Größenordnung von 2 Metern. Hieraus ergeben sich typische
Pulsrepetitionsraten im Bereich von wenigen 100 MHz.
Aus der bereits erwähnten Veröffentlichung von A. Stingl et. al. ist beispiels
weise ein passiv modengekoppeltes Ti:Saphir-Femtosekundenlasersystem be
kannt, welches auf einem Fabry-Perot-Resonator beruht, und mehrere Spiegel
mit negativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD verwendet.
Weiterhin ist aus der US 5,383,198 ein selbststartendes passiv modengekop
peltes Femtosekundenlasersystem mit zwei Prismenkompressoren und Ringre
sonator sowie aus der US 5,799,025 ein selbststartendes passiv modengekop
peltes Femtosekundenlasersystem mit einem Prismenkompressor und Fabry-
Perot-Resonator bekannt.
Bedingt durch die jeweiligen Resonatorgeometrien ist es aber mit keinem der
genannten Lasersysteme möglich, Pulsrepetitionsraten größer als 500 MHz zu
erzielen.
Ein alternativer Zugang kann der Veröffentlichung von M. Ramaswamy und
J. G. Fujimoto in Optics Letters 19, S. 1756 ff (1994) entnommen werden (siehe
auch US). Er beruht auf einer vereinfachten Resonatorkonfiguration unter
Verwendung eines speziellen Prismenkompressors. Statt des üblichen resona
torinternen Prismenpaars wird ein prismenförmiger Laserkristall und ein pris
menförmiger Auskoppler benutzt. Eine spezielle Geometrie des als Fabry-Perot-
Resonator ausgebildeten Laserresonators sowie der vereinfachte Prismenkom
pressor ermöglicht eine Verkürzung der Resonatorlänge auf etwa 30 cm, so
dass eine Repetitionsrate von 1 GHz erreicht werden kann.
Nachteilig an diesem Konzept ist, dass im Ausgangsstrahl die in einem Laser
puls überlagerten verschiedenen spektralen Komponenten senkrecht zur
Strahlrichtung räumlich auseinanderlaufen ("räumlicher chirp"), was einen
praktischen Einsatz dieses Laserkonzepts zumindest erschwert.
Weiterhin erzwingt der im Resonator befindliche Prismenkompressor eine Min
destlänge des Resonators, die es unwahrscheinlich bis unmöglich erscheinen
läßt, höhere Repetitionsraten als etwa 1 GHz zu erreichen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen passiv modengekoppelten
Femtosekundenlaser anzugeben, der Laserpulse mit einer Dauer unterhalb von
einer Picosekunde erzeugt, und dessen Repetitionsrate ohne weiteres oberhalb
von 1 GHz liegen kann.
Weiterhin soll der aus dem Laserresonator ausgekoppelte Laserstrahl kein
räumliches Auseinanderlaufen der spektralen Komponenten senkrecht zur
Strahlrichtung mehr aufweisen.
Ziel ist es weiterhin, den Flächenbedarf eines derartigen Lasersystems gegen
über den vorbekannten Lasersystemen, insbesondere gegenüber den kommer
ziell erhältlichen Lasersystemen, deutlich zu verringern.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen passiv modengekoppelten hochrepetier
lichen Femtosekundenlaser gemäß den Merkmalen des Anspruch 1.
Ein solcher Femtosekundenlaser weist ein laseraktives Element auf, welches
zwischen den konkaven Flächen zweier Konkavspiegel angeordnet ist. Der zu
gehörige Ringresonator wird durch eine Mehrzahl von Spiegeln gebildet, von
denen mindestens einer als dielektrischer Spiegel ausgebildet ist, der eine ne
gative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD aufweist, dergestalt dass für
einen zusammenhängenden Teil des durch das laseraktive Element verstär
kungsfähigen optischen Spektralbereichs die Summe der negativen Gruppen
geschwindigkeitsdispersionen GVD des Spiegels bzw. der Spiegel und der posi
tiven Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD des laseraktiven Elements ne
gativ ist. Dies stellt die Grundvoraussetzung für die Erzeugung von Femtose
kundenpulsen dar. Weiterhin ist im Resonator ein optischer Auskoppler ange
ordnet.
Der Resonator ist dergestalt ausgebildet, dass die optische Weglänge im Reso
nator kleiner als 60 cm, vorzugsweise kleiner als 30 cm, insbesondere kleiner
als 15 cm ist. Aus diesen optischen Weglängen ergeben sich Pulswiederhol
raten, die größer sind als 500 MHz, vorzugsweise größer als 1 GHz, insbeson
dere größer als 2 GHz.
Die Brennweiten der Konkavspiegel, welche dem laseraktiven Element räum
lich zunächst benachbart sind, sind kleiner als 3 cm, vorzugsweise kleiner als
2 cm, insbesondere kleiner oder gleich 1,5 cm gewählt.
Ein passiv modengekoppelter Femtosekundenlaser mit diesen Merkmalen weist
eine Reihe wesentlicher Vorzüge auf. Die Verwendung eines Ringresonators an
stelle eines linearen Fabry-Perot-Resonators ermöglicht eine deutliche Reduzie
rung der Resonatorlänge, was eine Grundvoraussetzung für die Erzielung ho
her Pulswiederholraten ist.
Die Verwendung dielektrischer Spiegel mit negativer Gruppengeschwindig
keitsdispersion GVD anstelle von aus dem Stand der Technik bekannten Pris
men- oder Gitterkompressoren ermöglicht es zusätzlich, die Länge des Ringre
sonators zu reduzieren. Hierdurch ist es möglich, die geometrische Länge des
Resonators um über 10 cm zu reduzieren, was wiederum mit einer Erhöhung
der Pulswiederholrate einhergeht.
Die Verwendung von Konkavspiegeln, die dem laseraktiven Element räumlich
zunächst benachbart sind, und deren Brennweiten im vorgegebenen Bereich
liegen, ermöglicht es, einen Strahldurchmesser der Resonatormode im laserak
tiven Element zu erzielen, die dem Verlauf einer Resonatormode eines konven
tionellen linearen Fabry-Perot- oder auch eines Ringresonators jeweils mit
deutlich größerer geometrischer Länge vergleichbar ist. Ein solcher kleiner
Durchmesser der Resonatormode im laseraktiven Element, insbesondere einer
Strahltaille im laseraktiven Element, ist unabdingbar für die effiziente Erzeu
gung von Laserpulsen, insbesondere für die beiden fundamentalen Effekte, die
für die Erzeugung ultrakurzer Pulse in einem passiv modengekoppelten Laser
system verantwortlich sind. Dies sind die sogenannte Selbstphasenmodulation
SPM sowie die sogenannte Selbstamplitudenmodulation SAM in einem nichtli
nearen Medium, insbesondere also einem laseraktiven Medium wie dem laser
aktiven Element im Resonator. Beide beruhen wiederum auf dem sogenannten
Kerr-Effekt. Als Kerr-Effekt wird die Abhängigkeit des Brechungsindexes von
der lokalen Lichtintensität bezeichnet.
Die Selbstphasenmodulation SPM, die durch die Größe 4 charakterisiert wird,
die im Laserkristall auftritt, ist wesentlich für die minimal erreichbare Pulslän
ge τ. Es gilt:
Hierin ist D die über alle optischen Elemente im Resonator summierte Grup
pengeschwindigkeitsdispersion GVD:
EP ist die Pulsenergie.
Die Größe der Selbstphasenmodulation Φ ist im wesentlichen invers proportio
nal zum Quadrat des Strahlradius w im Laserkristall. Um eine möglichst hohe
Intensität im Laserkristall zu erzielen, ist es daher unumgänglich, einen mög
lichst kleinen Strahldurchmesser der Resonatormode im laseraktiven Element
zu erreichen, insbesondere eine Strahltaille mit möglichst kleinem Durchmes
ser im laseraktiven Element zu erzielen. Genau dieser Effekt wird durch die
Verwendung der erfindungsgemäßen konvexen Spiegel mit den angegebenen
Brennweiten bei der angegebenen maximalen Resonatorlänge erzielt.
Insbesondere sollte bei der Wahl der weiteren Resonatorparameter darauf ge
achtet werden, dass sich ein optisch stabiler Resonator ergibt.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass sich ein besonders vorteilhaftes Lasersystem
ergibt, wenn die Brennweiten der Konkavspiegel, die dem laseraktiven Element
räumlich zunächst benachbart sind, im wesentlichen gleich gewählt sind. Dies
ermöglicht vor allen Dingen ein im wesentlichen spiegelsymmetrischen Aufbau
des Laserresonators.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser
systems ist der geometrische Abstand der Konkavspiegel voneinander kleiner
als die Summe der Brennweiten der Konkavspiegel gewählt. Wird nur der Ab
stand d der Konkavspiegel voneinander variiert, während die gesamte restliche
Resonatorgeometrie konstant gehalten wird, so läßt sich ein Intervall dieses
Abstandes ermitteln, innerhalb dessen ein stabiler Betrieb des Laserresonators
möglich ist. Dieses Intervall ist im wesentlichen symmetrisch um einen solchen
Abstand der Konkavspiegel voneinander angeordnet, der genau der Summe der
Brennweiten der Konkavspiegel entspricht.
Es hat sich herausgestellt, dass ein besonders stabiler Betrieb im passiv mo
dengekoppelten Zustand möglich ist, wenn der Abstand d der Konkavspiegel
voneinander kleiner als die Summe der Brennweiten der Konkavspiegel gewählt
wird. Es ergibt sich ein positiver Einfluß auf die Bildung des für die passive
Modenkopplung essentiellen Kerr-Effekts.
Dieser Effekt kann auch verstärkt werden, wenn das laseraktive Element nicht
symmetrisch zwischen den angrenzenden Konkavspiegeln angeordnet wird,
sondern gemäß den Vorschriften des Anspruchs 4. Wird eine solche Anord
nung des laseraktiven Elements realisiert, so ergibt sich eine Abnahme des
Strahldurchmessers im Laserkristall mit steigender momentaner Leistung im
Puls. Dieser ebenfalls auf dem Kerr-Effekt beruhende Effekt wird in Kombination
mit einem stärker als die Resonatormode fokussierten Pumpstrahl auch als
Bildung einer "weichen Apertur" bezeichnet und fördert ebenfalls einen stabilen
passiv modengekoppelten Pulsbetrieb.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser
systems wird der Abstand d zwischen den Konkavspiegeln größer gewählt als
die Summe der Brennweiten der Konkavspiegel. In diesem Fall kann kein Auf
treten einer "weichen Apertur" im laseraktiven Element beobachtet werden.
Anstelle dieser kann jedoch eine sogenannte harte Apertur, die beispielsweise
durch eine Ringblende gebildet sein kann, im Ringresonator angeordnet sein.
Insbesondere ist eine solche harte Apertur an einer solchen Stelle im Resonator
vorzusehen, an der die Resonatormode bei größerer Momentanleistung einen
kleineren Durchmesser hat.
Es hat sich gezeigt, dass ein erfindungsgemäßes Lasersystem vorteilhaft einen
titandotierten Saphirkristall als laseraktives Element verwenden kann. Weiter
hin ist aber auch die Verwendung anderer laseraktiver Elemente möglich, die
ein so breites Verstärkungsspektrum aufweisen, dass theoretisch die Erzeu
gung von Femtosekundenpulsen möglich ist. Insbesondere sind an dieser Stelle
die in Anspruch 6 genannten laseraktiven Elementen zu nennen.
Zum optischen Pumpen des laseraktiven Elements kann beispielsweise ein Ar
gon-Ionenlaser verwendet werden, der insbesondere auf die maximale Absorp
tion des laseraktiven Elements abgestimmt wird.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser
systems wird als Pumplaser ein Festkörperlasersystem eingesetzt, dessen Wel
lenlängenspektrum an das Absorptionsspektrum des laseraktiven Elements
angepaßt gewählt ist. Insbesondere eignen sich hier die in Anspruch 7 ge
nannten frequenzverdoppelten Festkörperlasersysteme. Die Verwendung von
naturgemäß rauscharmen Festkörperlasersystemen als Pumplaser wirkt sich
vorteilhaft auf die Intensitätsschwankungen der vom erfindungsgemäßen La
sersystem generierten gepulsten Laserstrahlung aus.
Weiterhin hat sich gezeigt, dass für einen stabilen passiv modengekoppelten
Pulsbetrieb bei einem vergleichsweise guten Wirkungsgrad des erfindungsge
mäßen Lasersystems der Auskoppelgrad T des optischen Auskopplers kleiner
als 5% sein sollte, vorzugsweise kleiner als 3%, insbesondere kleiner oder
gleich 2% sein sollte. Höhere Auskoppelgrade T erhöhten die Quanteneffizienz
des Lasersystems, kleinere Auskoppelgrade T stabilisieren das erfindungsge
mäße Lasersystem im passiv modengekoppelten Pulsbetrieb. Der Auskoppler
wird vorteilhaft als teilreflektierender, insbesondere dielektrischer Spiegel aus
gebildet.
Alternativ können auch andere Möglichkeiten zur Auskopplung realisiert wer
den, beispielsweise mittels Auskopplung einer evanszenten Welle, die von einer
inneren Totalreflektion der Resonatormode an einer Grenzfläche herrührt. In
einer solchen Ausführung kann der Auskoppelgrad in bestimmten Grenzen frei
variiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser
systems weisen alle Spiegel des Ringresonators eine negative Gruppenge
schwindigkeitsdispersion GVD auf. Je nach Stärke der positiven Gruppenge
schwindigkeitsdispersion GVD, welche vom laseraktiven Element verursacht
wird, kann auch nur ein einziger Spiegel mit negativer Gruppengeschwindig
keitsdispersion GVD im Laserresonator eingesetzt werden. Insbesondere kann
auch der Auskoppelspiegel eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion
GVD aufweisen.
In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Laser
systems ist der Ringresonator so ausgeführt, dass er astigmatismuskompen
siert ist. Dies kann durch geeignete Wahl der Resonatorgeometrie, insbesonde
re der Reflexionswinkel auf den Konkavspiegeln realisiert werden. Insbesonde
re kann auf diese Weise eine Strahltaille mit rundem Querschnitt im laserakti
ven Element und/oder ein aus dem Laserresonator ausgekoppelter Strahl mit
rundem Querschnitt realisiert werden. Besonders vorteilhaft zur Kompensation
des Astigmatismus ist es, wenn die optische Weglänge im Ringresonator größer
als 1 cm, vorzugsweise größer als 2 cm und insbesondere größer als 3,5 cm
gewählt ist, da bei kleineren Weglängen extrem hohe Reflexionswinkel auf den
Konkavspiegeln zur Kompensation des Astigmatismus des laseraktiven Ele
ments realisiert werden müssen.
Besondere praktische Vorteile bei der Verwendung des erfindungsgemäßen La
sersystems ergeben sich, wenn alle Elemente des Ringresonators mechanisch
auf einer gemeinsamen Montageplattform angeordnet sind. Insbesondere ist
auch die Montage der optischen Komponenten in einem monolithischen Block
möglich.
Besondere Vorteile des erfindungsgemäßen Lasersystems liegen in seiner ho
hen Pulsrepetitionsrate, die zwischen 500 MHz und etwa 10 GHz liegen kann.
Weiterhin vorteilhaft ist sein gegenüber vorbekannten Lasersystem deutlich
verringerter Flächenbedarf, der es ermöglicht, kostbare Stellfläche auf opti
schen Tischen einzusparen. Schließlich ergibt sich ein um den Faktor 10 ver
bessertes Signal zu Rauschverhältnis bezüglich Intensitätsschwankungen ge
genüber vorbekannten, insbesondere Gaslaser-gepumpten Lasersystemen.
Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Lasersystems ergeben
sich aus den nun folgenden Ausführungsbeispielen, die nicht einschränkend
zu verstehen sind, und die anhand der Zeichnung erläutert werden. In dieser
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lasersystems in
Aufsicht, dessen Ringresonator aus zwei konkaven Spiegeln und vier
Planspiegeln gebildet wird,
Fig. 2 den Verlauf des Strahlradius w in einem konventionellen langen Reso
nator im Vergleich zu einem konventionellen verkürzten Resonator,
der für eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz ausgelegt ist,
Fig. 3 den Verlauf des Strahltaillendurchmessers w im laseraktiven Element
als Funktion der Resonatorlänge für einen Ringresonator, dessen Ge
ometrie auf eine Resonatorlänge von zwei Metern optimiert ist.
Fig. 4 eine schematische Darstellung der relativen Position X1, X2,d von
Konkavspiegeln und laseraktiven Element,
Fig. 5 den Stabilitätsverlauf eines erfindungsgemäßen Lasers, dessen Reso
nator auf eine Pulsrepetitionsrate auf 1 GHz ausgelegt ist, als Funkti
on des Spiegelabstands d,
Fig. 6 einen gemessenen Strahlquerschnitt des aus dem erfindungsgemäßen
Lasersystem ausgekoppelten gepulsten Laserstrahls einschließlich ei
ner daran angepaßten Gaußfunktion, sowie im Inset den Intensitäts
verlauf senkrecht zur Strahlrichtung gemessen mittels einer CCD-
Kamera,
Fig. 7 den Verlauf des Strahlradius w hinter dem Auskoppelspiegel in der
Ebene des Laserresonators als Funktion des Abstands vom Auskop
pelspiegel,
Fig. 8 den Verlauf der Ausgangsleistung als Funktion der Pumpleistung für
ein erfindungsgemäßes Lasersystem mit einem Resonator im Pulsbe
trieb mit einer Repetitionsrate von 1 GHz für zwei verschiedene Aus
koppelgrade T,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Lasersys
tems, dessen Ringresonator von zwei Konkavspiegeln und zwei Plan
spiegeln gebildet wird, in Aufsicht und
Fig. 10 eine Weitereinwicklung des in Fig. 1 gezeigten Lasersystems zum Er
zielen einer Selbststartfunktion in einer vorgegebenen Umlaufrichtung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lasersys
tems in Aufsicht. Der Laserresonator wird gebildet durch die Konkavspiegel 21
und 22 sowie die Planspiegel 2 und den planen Auskoppler 3. Das laseraktive
Element 1 besteht aus einem titandotierten Saphirkristall mit einem Absorpti
onskoeffizient bei der Pumpwellenlänge von 532 nm von 5 pro cm. Die im
Strahlengang befindlichen Oberflächen des Kristalls sind planparallel und op
tisch poliert, ihr Abstand beträgt 2,2 mm. Die Brennweite der verwendeten
Konkavspiegel 21 und 22 beträgt 15 mm. Der Abstand d zwischen den Kon
kavspiegeln beträgt kleiner oder gleich 30 mm. Der Titansaphirkristall ist etwa
mittig zwischen den Konkavspiegeln angeordnet, insbesondere entsprechend
den Angaben in Anspruch 4. Als Pumplaser wird ein frequenzverdoppelter
Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm verwendet. Dieser wird mit
tels der Linse L durch den Konkavspiegel 21 in das laseraktive Element 1 fo
kussiert. Dabei werden Resonatormode und Pumplaserstrahl im laseraktiven
Element 1 möglichst genau überlagert. Der von den auf den Konkavspiegeln 21
und 22 reflektierten Strahlen eingeschlossene Winkel trägt zwischen 15 und 25 Grad,
insbesondere 18 Grad. Die Gesamtlänge des Resonators ist so gewählt,
dass sich eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz ergibt. Die Planspiegel CM tragen
eine hochreflektierende dielektrische Beschichtung mit negativer Gruppenge
schwindigkeitsdispersion. Der ebenfalls plane Auskoppler OC ist als teilreflek
tierender dielektrischer Spiegel ausgeführt. Seine Reflektivität beträgt zwischen
95 und 99%, insbesondere 98%. Hinter dem Auskoppler OC ist eine Photodio
de PD angeordnet, die mittels Intensitätsmessung erlaubt, auf einfachste Weise
einen Pulsbetrieb des gezeigten Lasersystems im Uhrzeigersinn nachzuweisen,
nämlich durch Ausbleiben von Lichtintensität auf der Photodiode.
Fig. 2 zeigt den Verlauf der Resonatormode in einem konventionellen langen
Resonator mit einer Resonatorlänge von 2 m als Funktion der Position auf der
Strahlachse im Resonator im Bereich des Laserkristalls. Zum Vergleich ist der
Verlauf der Resonatormode in einem konventionellen Resonator gezeigt, dessen
Länge auf eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz optimiert wurde, ohne dass die
Geometrie des Resonators abgepasst wurde. Der Inset verdeutlicht, dass eine
einfache Verkürzung der Resonatorlänge eines konventionellen langen Reso
nators zwar prinzipiell zu einer Erhöhung der Pulsrepetitionsrate führt, sich
jedoch gleichzeitig (und unvermeidlich) eine Zunahme des Strahltaillendurch
messers der Resonatormode im laseraktiven Element ergibt. Dies wirkt sich
negativ auf den für die Pulsbildung elementaren Kerr-Effekt, insbesondere auf
die Ausbildung einer Kerr-Linse im laseraktiven Element, aus. Eine einfache
Verkürzung der Resonatorlänge eines konventionellen langen Resonators auf
die für hohe Pulsrepetitionsraten erforderliche Länge wird daher im allgemei
nen dazu führen, dass überhaupt kein oder kein stabiler Pulsbetrieb des La
sers mehr erreicht werden kann. Daher sind Änderungen der Resonatorgeo
metrie beim Übergang zu höheren Pulsrepetitionsraten unabdingbar.
Derselbe Sachverhalt wird nochmals anhand von Fig. 3 verdeutlicht. Es ist
nicht möglich, zur Erhöhung der Pulsrepetitionsrate die Resonatorlänge eines
bereits vorbekannten langen Ringresonators mit geringer Pulsrepetitionsrate
auf die entsprechend kürzere Länge zu verkürzen. Gezeigt wird der Radius der
Strahltaille in einem solchen konventionellen langen Ringresonator im laserak
tiven Element als Funktion der Gesamtlänge des Ringresonators. Man erkennt
eine starke Zunahme des Strahltaillenradius, wenn die Gesamtlänge des Reso
nators auf die für eine Pulsrepetitionsrate von 1 GHz erforderliche Länge von
etwa 30 cm verkürzt wird. Eine solche Zunahme des Strahltaillenradius wirkt
sich außerordentlich nachteilig aus auf das Auftreten des Kerr-Effekts im la
seraktiven Element und somit auf einen stabilen passiv modengekoppelten
Betrieb des erfindungsgemäßen Lasersystems.
Fig. 4 dient zur Definition des Abstands d zwischen den Konkavspiegeln 21,
22 sowie der Abstände X1 und X2 des laseraktiven Elements 1 von den Kon
kavspiegeln 21, 22.
Fig. 5 stellt den Stabilitätsbereich eines erfindungsgemäßen Lasersystems mit
1 GHz-Resonator und Konkavspiegeln 21 und 22 mit einer Brennweite von
15 mm dar. Aufgetragen ist die Variation des Strahltaillenradius w im laserak
tiven Element als Funktion der mittleren Leistung P der Resonatormode. Dabei
ist w der Strahltaillenradius im laseraktiven Element 1 und P die mittlere
Leistung der Resonatormode im Resonator. Die Auftragung erfolgt zweidimen
sional über einerseits dem Spiegelabstand d sowie andererseits der Kristallpo
sition X1. Vorteilhaft für das Auftreten einer weichen Apertur aufgrund des
Kerr-Effekts im laseraktiven Element ist ein negativer Wert der Größe w-1
∂w/∂P. Man erkennt, dass solche Bedingungen vorliegen, wenn der Spiegelab
stand d kleiner gewählt wird als die Summe der Brennweiten f21 und f22 der
Konkavspiegel 21 und 22. Man erkennt weiterhin, dass dieser Effekt verstärkt
wird, wenn der Abstand 1 kleiner gewählt wird als die halbe Summe der
Brennweiten.
Die überragende Strahlqualität des erfindungsgemäßen Lasersystems wird aus
Fig. 6 deutlich. Diese zeigt die Intensitätsverteilung senkrecht zur Resonator
ebene, aufgenommen mittels einer CCD-Kamera. Die durchgezogene Linie stellt
eine Anpassung einer Gaußfunktion an die gemessenen Werte dar. Man er
kennt die hervorragende Übereinstimmung. Der Inset zeigt die Intensitätsver
teilung über den gesamten Strahlquerschnitt ermittelt mit einer CCD-Kamera.
Die gemessene Intensität ist mit Helligkeitswerten korreliert. Man erkennt das
weitgehend kreisrunde Strahlprofil einer TEM00-Mode.
Die hervorragende Strahlqualität zeigt sich auch im Verlauf des Strahlradius w
als Funktion des Abstands vom Auskoppelspiegel. Die Punkte stellen die expe
rimentell ermittelten Werte dar, die durchgezogene Linie einer Anpassung an
den von der Theorie vorhergesagten Verlauf, wobei der Formalismus der realen
Strahlausbreitung unter Einbeziehung des sogenannten M2-Faktors verwendet
wurde. Man erkennt eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Theorie
und Experiment für einen M2-Faktor von 1,07, was sehr dicht am theoreti
schen Optimum von M2 = 1,0 liegt.
Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit der erzeugten gepulsten Laserleistung in Abhän
gigkeit von der Leistung des Pumplasers für verschiedene Transmissionsgrade
T des Auskopplers 3. Im Falle eines Transmissionsgrades T von 1% ergibt sich
eine Quanteneffizienz η von 6,6%. Diese steigt einem Auskoppelgrad T = 2%
auf einen Wert η = 20%. Der Auskoppelgrad T = 1% stellt den kleinsten prak
tisch nutzbaren Auskoppelgrad des Auskopplers 3 dar. Der Auskoppelgrad T =
2% stellt im Falle des hier realisierten erfindungsgemäßen Lasersystems mit
Ringresonator optimiert auf eine Pulswiederholfrequenz von 1 GHz das experi
mentell ermittelte Optimum des Auskoppelgrads T dar. Es können jedoch auch
höhere Auskoppelgrade T sinnvoll sein.
Ein erfindungsgemäßes Lasersystem kann auch mit einer geringeren Zahl von
Spiegeln als das in Fig. 1 gezeigte System realisiert werden. Ein solches Sys
tem, welches nur auf der Verwendung von zwei Konkavspiegeln und zwei Plan
spiegeln beruht, ist in Fig. 9 gezeigt. Es entspricht in weiten Teilen dem in Fig. 1
gezeigten System. Jedoch ist nur der mit M1 bezeichnete Planspiegel als
dielektrischer Spiegel 2 mit negativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion GVD
ausgeführt. Alle weiteren Spiegel tragen konventionelle dielektrische Be
schichtungen, die auf den Konkavspiegeln hochreflektierend ausgeführt sind,
sowie auf dem mit OC bezeichneten Auskoppler mit einer Transmission T von
etwa 2%. Aufgrund der Tatsache, dass nur ein Spiegel mit negativer Gruppen
geschwindigkeitsdispersion GVD zur Kompensation der positiven Gruppenge
schwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements zur Verfügung steht, ist es
vorteilhaft, die positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion des laseraktiven
Elements so klein wie möglich zu halten. Dies kann beispielsweise realisiert
werden durch eine verringerte Länge des laseraktiven Elements. Dies ist bei
dem in Fig. 9 gezeigten erfindungsgemäßen Lasersystem realisiert, der Ab
stand zwischen den planparallelen Flächen des Titansaphirkristalls, die unter
dem Brewsterwinkel gegen die optische Achse angeordnet sind, beträgt nur
1,3 mm im Gegensatz zu dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel. Um eine vergleich
bar effektive Absorption des Pumplichts auf der verringerten Länge des laser
aktiven Elements 1 zu erzielen, ist es vorteilhaft, das laseraktive Element 1 mit
einer höheren Konzentration an laseraktiven Ionen oder Atomen zu dotieren.
Im hier gezeigten Fall wurde die Titandotierung dergestalt erhöht, dass der Ab
sorptionskoeffizient des laseraktiven Elements 1 bei der Pumpwellenlänge auf
einen Wert von A = 6 pro cm anstieg. Auf diese Weise kann eine vergleichbare
Absorption des Pumplichts im laseraktiven Element erreicht werden, wie in Fig. 1
gezeigten Lasersystem.
Fig. 10 zeigt das aus Fig. 1 bekannte erfindungsgemäße Lasersystem in ei
ner vorteilhaften Weiterbildung, die aus dem zusätzlichen zugefügten Planspie
gel M6 besteht. Solange das erfindungsgemäße Lasersystem im kontinuierli
chen Betrieb arbeitet, laufen zwei gegenläufige Teilstrahlen im Ringresonator
um. Demzufolge werden aus dem Auskoppelspiegel 3 zwei Teilstrahlen ausge
koppelt. Der Planspiegel M6 dient dazu, einen dieser beiden Teilstrahlen in den
Resonator zurückzureflektieren. Dies hat den Effekt, dass die Intensität des im
Uhrzeigersinn im Resonator umlaufenden Teilstrahls im laseraktiven Element 1
erhöht wird. Daher wird dieser Teilstrahl bei der Laseranregung bevorzugt und
erfährt eine stärkere Kerr-Linsenbildung im laseraktiven Element 1, so dass
ein Pulsbetrieb des erfindungsgemäßen Lasersystems in der Form eines im
Uhrzeigersinn im Ringresonator umlaufenden Pulses bevorzugt wird. Der Spie
gel M6 dient daher zur Vorgabe einer Laufrichtung des Laserpulses im Ringre
sonator.
Zusätzlich führt die Existenz des Planspiegels M6 dazu, dass das erfindungs
gemäße Lasersystem spontan aus dem anfänglichen kontinuierlichen Laserbe
trieb in den gepulsten Betrieb übergeht. Dieser Effekt kann auch verstärkt
werden, indem an den Spiegel M6 eine periodische Störung angelegt wird, bei
spielsweise eine periodische Vibration.
Mittels eines erfindungsgemäßen Lasersystems, dessen Ringresonator auf eine
Pulsrepetitionsrate von 1 GHz optimiert war, war es möglich, bei einer Pump
leistung von 1,7 Watt eine mittlere Laserleistung von 100 Milliwatt (mW) zu er
zielen, wobei die erzeugten Pulse eine Dauer von etwa 50 Femtosekunden auf
wiesen. Für ein erfindungsgemäßes Lasersystem, dessen Ringresonator auf ei
ner Pulsrepetitionsrate von 2 GHz optimiert war, konnten Pulse mit einer Dau
er von etwa 25 Femtosekunden erzielt werden. Es zeigte sich eine schwache
Abhängigkeit der Pulsdauer τ von der Intensität des Pumplasers. Bei einer
mittleren Pumpleistung von 2,5 Watt betrug die mittlere Pulsdauer τ 29 Femto
sekunden, bei einer mittleren Pumpleistung von 5,5 Watt nahm die mittlere
Pulsdauer τ auf 25 Femtosekunden ab. Eine Vermessung des Wellenlängen
spektrums des im Pulsbetrieb laufenden Lasers ergab, dass die Breite der ge
messenen Wellenlängenverteilung mit guter Genauigkeit der ermittelten Puls
dauer entsprach. Dies bedeutet, dass die Pulsdauer in erster Linie durch
dispersive Effekte dritter, Ordnung begrenzt war.
Bei der Transmission des ausgekoppelten Strahls durch das Substrat des Aus
koppelspiegels 3, was typischerweise eine Dicke von 5 mm aufweist, tritt wie
derum eine positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion auf, die zu einer Ver
längerung der Pulsdauer führt. Diese Verlängerung der Pulsdauer kann kom
pensiert werden durch mehrfache Reflektion an dielektrischen Spiegeln mit ne
gativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion. Dies ist in Fig. 10 anhand der
Spiegel M4 und M5 realisiert.
Vorteilhaft für die Verwendung eines erfindungsgemäßen Lasersystems, insbe
sondere für seine kommerzielle Anwendung, ist eine Montage der Elemente des
Lasersystems, insbesondere der den Ringresonator bildenden Spiegel 2, 3 so
wie des laseraktiven Elements 1 und aller zugehörigen Justageeinrichtungen
auf einer gemeinsamen Montageplattform. Insbesondere können die Elemente
des Lasersystems auch vorteilhaft in einem monolithischen Metallblock integ
riert werden, der beispielsweise aus Aluminium oder auch aus Invar bestehen
kann.
Claims (14)
1. Passiv modengekoppelter hochrepetierlicher Femtosekundenlaser, dessen
Ringresonator die folgenden Elemente aufweist:
- - ein laseraktives Element (1),
- - mindestens einen dielektrischen Spiegel (2), der eine negative Gruppen
geschwindigkeitsdispersion GVD aufweist, dergestalt dass für einen zu
sammenhängenden Teil des durch das laseraktive Element (1) verstär
kungsfähigen optischen Spektralbereichs die Summe der Gruppenge
schwindigkeitsdispersionen der Spiegel (2) und der positiven Gruppen
geschwindigkeitsdispersion des laseraktiven Elements (1) negativ ist,
d. h.
- - zwei Konkavspiegel (21) und (22), die dem laseraktiven Element (1) räumlich zunächst benachbart sind und mit ihren konkaven Flächen zu diesem orientiert sind,
- - einen optischen Auskoppler (3),
- - die optische Weglänge im Resonator kleiner ist als 60 cm, vorzugsweise kleiner als 30 cm, insbesondere kleiner als 15 cm,
- - die Brennweiten f21 und f22 der Konkavspiegel (21) und (22) kleiner sind als 3 cm, vorzugsweise kleiner als 2 cm, insbesondere kleiner oder gleich 1,5 cm.
2. Laser gemäß Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennweiten
f21 und f22 der Konkavspiegel (21) und (22) im wesentlichen gleich sind.
3. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d
der Konkavspiegel (21, 22) voneinander kleiner ist als die Summe der
Brennweiten f21 + f22.
4. Laser gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand x1
des laseraktiven Elements (1) vom Spiegel (21) um mehr als 2%, vorzugs
weise um mehr als 5%, insbesondere um mehr als 10% vom Abstand x2
des laseraktiven Elements (1) vom Spiegel (22) abweicht.
5. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand d
der Konkavspiegel (21, 22) voneinander größer ist als die Summe der
Brennweiten f21 + f22 und eine harte Apertur (4), insbesondere eine Ring
blende, im Ringresonator angeordnet ist.
6. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das laseraktive
Element (1) aus Ti:Saphir, Cr:LiSAF, Cr:Forsterit, Cr:LiSGaF, Cr:LiCAF
oder Yb:YAG besteht.
7. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Pumplaser ein
frequenzverdoppelter Nd:YVO4-, Yb:YVO4-, Nd:YAG- oder Yb:YAG-Laser
verwendet wird.
8. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppel
grad T des optischen Auskopplers (3) kleiner ist als 5%, vorzugsweise klei
ner ist als 3%, insbesondere kleiner oder gleich 2% ist.
9. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auskoppler
(3) als teilreflektierender Spiegel ausgebildet ist.
10. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Spiegel (2)
eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GDD aufweisen.
11. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Spiegel
(2) eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion GDD aufweist.
12. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringresona
tor astigmatismuskompensiert ist.
13. Laser gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische
Weglänge im Ringresonator größer ist als 1 cm, vorzugsweise größer als
2 cm, insbesondere größer als 3,5 cm.
14. Laser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elemente
des Ringresonators mechanisch auf einer gemeinsamen Montageplattform
zusammengefasst sind.
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