EP1305854A2

EP1305854A2 - Laser für anwendungen in der nichtlinearen optik

Info

Publication number: EP1305854A2
Application number: EP01958031A
Authority: EP
Inventors: Daniel Kopf
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-28
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-05-02
Also published as: US20030179786A1; WO2002011252A3; WO2002011252A2; US7088744B2; JP2004505472A

Abstract

Durch die Kombination von Modenkopplung und Q-Switch werden amplitudenmodulierte Laserpulse erzeugt, die hohe Ausgangsleistungen bei hohen Wiederholraten besitzen. Dabei werden die Einhüllende der Pulse der Modenkopplung in Form eines Q-Switch-Pulses in ihrer Intensität variiert. Diese Kombination wird vorzugsweise durch die Verwendung eines sättigbaren Halbleiterabsorbers (SESAM) erreicht, dessen Parameter zusammen mit den anderen verwendeten Elemente speziell abgestimmt werden müssen, um der Bedingung für hohe Wiederholraten der Q-Switch-Pulse zu genügen.

Description

Laser für Anwendungen in der Nichtlinearen Optik

Die Erfindung betrifft einen Laser mit hoher Ausgangsleistung und hoher Wiederholrate für Anwendungen in der Nichtlinearen Optik nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Erzeugen von Laserpulsen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15, eine Verwendung eines Lasers zur Erzeugung von UV-Emissionen nach Anspruch 18 und eine Frequenzkonversions-Lichtquelle nach Anspruch 19.

Festkörperlaser mit hohen Peak-Spitzenleistungen kommen in vielen Anwendungsfeldern zum Einsatz. Dabei bietet sich die hohe Ausgangsleistung insbesondere für eine Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte an. Beispielsweise kann eine Erzeugung von UV-Licht bewirkt werden, indem die Emission eines Nd:YAG- oder Nd: Vanadat-Lasers mit Kreisgüte-Modulation, die hier im folgenden dem englischen Terminus entsprechend als Q-Switch bezeichnet werden soll, durch zwei nichtlineare optische Kristalle mit einem engen Fokus innerhalb dieser Kristalle geführt wird. Dabei wird die dritte Harmonische generiert, was zu einer starken Emission mit Frequenzverdreifachung und einer Wellenlänge von 355nm führt. Auf ähnliche Weise können auch 266nm oder noch kürzere Wellenlängen erzeugt werden. Solche Q-Switch- Laser können mittels Blitzlampen oder Laser-Dioden gepumpt werden .

A.l ⁿ erdings besitzen diese Laser den Nachteil, dass die Wiederholrate der Pulse auf einen Bereich bis zu einigen wenigen zehn Kilohertz beschränkt bleibt, sofern keine wesentliche Reduktion in der Spitzenleistung in Kauf genommen werden soll. Um höhere Wiederholraten bei hohen Ausgangsleistungen zu erzielen, werden Nd:YAG- oder Nd: Vanadat-basierte Laser mittels Modenkopplung betrieben. Diese Laser besitzen jedoch normalerweise deutlich längere Resonatoren in der Grössenordnung von 1,5 m oder länger und sind daher für Anwendungen mit dem Erfordernis besonderer Kompaktheit nicht geeignet. Auf der anderen Seite sinkt die erzielbare Spitzen-Ausgangsleistung, wenn Resonatoren für Continuous-Wave- (cw) -Modenkopplung kürzer ausgelegt werden.

Das gleichzeitige und akzidentelle Auftreten von Modenkopplung und Q-Switch ist aus dem Stand der Technik bekannt und wird als problematisch empfunden, da die jeweils gewünschten speziellen Eigenschaften der Modenkopplung oder des Q-Switch negativ beeinflusst werden. Konsequenterweise werden Anstrengungen unternommen, um das Auftreten eines gemischten Modus aus Modenkopplung und Q- Switch zu vermeiden (vgl. C. Hönninger et al., „Q-switching stability limits of continuous-wave passive mode-locking", J.Opt.Soc.A . B/Vol. 16, No . 1/January 1999).

Aus dem Patent US 6,252,892 ist beispielsweise ein sättigbarer, resonanter Fabry-Perot-Absorber (R-FPSA) bekannt, der eine Modenkopplung in einem Laser bewirkt. Ein Zweiphoton-Absorber (TPA) wird speziell verwendet, um das parallele Auftreten eines Q-Switch zu verhindern.

Auf der einen Seite unterliegen Modengekoppelte oder Q- Switch-Laser des Stands der Technik, insbesondere für Anwendungen im Bereich der nichtlinearen Optik, einem Kompromiss zwischen hoher Pulsrate und hoher Pulsleistung, der zusätzlich noch Einschränkungen baulicher Art un^terworfen ist. Auf der anderen Seite versucht man bei Lasern des Stands der Technik eine auftretende Kombination von Modenkopplung und Q-Switch unbedingt zu vermeiden. Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Laserquelle mit gleichzeitig hohen Puls-Wiederholraten grösser als 100 kHz sowie hoher Ausgangsleistung bzw. Spitzenleistung bereitzustellen, die insbesondere zur Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte, wie z.B. UV-Erzeugung oder Zwei- bzw. Mehrphoton-Absorption, geeignet ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Laserquelle zu schaffen, die hinsichtlich ihrer Leistung mit bisherigen modengekoppelten Lasern mindestens vergleichbar ist, aber dennoch eine kompaktere Bauweise ermöglicht .

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 15 gelöst. Vorteilhafte und alternative Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung bzw. des Verfahrens ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

-Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, durch eine Kombination von Q-Switch und Modenkopplung einen kompakten Laseraufbau zu erreichen, der hohe Puls-Wiederholraten von mehr als 100 kHz mit gleichzeitigen, hohen Ausgangsleistungen verbindet. Dabei kann die Laseremission besonders vorteilhaft zur Ausnutzung von nichtlinearen optischen Effekten Anwendung finden.

Eine Ausführungsform besteht in einem diodengepumpten Festkörperlaser mit einem besonders kompakten Resonator (Länge <0.75 m) , der einen sättigbaren Absorber beinhaltet, und der in einem Modus betrieben wird, der eine Kombination aus Q-Switch und Modenkopplung darstellt, wobei die Zeit zwischen den modengekoppelten Pulsen im Nanosekundenbereich liegt und der Resonatorumlaufzeit entspricht, während die Wiederholrate der Q-Switch-Pulse in der Grössenordnung von einigen hundert Kilohertz liegt und zu einer Modulation der modengekoppelten Pulse führt, bei der die Q-Switch-Pulse die Einhüllende der modengekoppelten Pulse darstellen. Diese Kombination von Q-Switch und Modenkopplung führt zu einer Folge von ultra-kurzen Pulsen. Da die emittierbare Leistung näherungsweise dem Integral über die Pulsdauer entspricht, besteht zwischen Pulshöhe und Pulsdauer ein Zusammenhang. Damit können mit diesem Aufbau Peak- Spitzenleistungen im Bereich einiger kW erreicht werden. Mit dieser Leistung und der möglichen, kompakten Bauweise ist der Laser insbesondere für Anwendungen der nichtlinearen Optik oder für Anwendungen mit besonderen Anforderungen an die Grosse des verwendeten Lasers geeignet .

In modengekoppelten Lasern wird die Puls-Wiederholrate durch die Resonatorumlaufzeit festgelegt, die wiederum von der Resonatorlänge abhängt. Dagegen wird die Wiederholrate der Pulse von Q-Switch-Lasern über den Pulsaufbau vor allem durch folgende Punkte bestimmt:

• Ein Pulsaufbau beginnt erst, wenn die Inversion so weit hochgepumpt ist, dass die hiermit verbundene Verstärkung die UmlaufVerluste kompensiert. Die Umlaufverluste ergeben sich in der bevorzugten Ausführungsform als Summe aus den Anteilen der Verluste durch Auskopplung, Modulationstiefe des sättigbaren Halbleiterabsorbers und weiteren Verlusten. Daraus folgt, dass geringere Umlaufverluste zu einer höheren Wiederholrate der Q-Switch-Pulse führen.

• Auf der anderen Seite steht die in das Lasermedium gepumpte Leistung. Mit steigender Leistung, d.h.

Pumpintensität, nimmt auch die Wiederholrate der Pulse zu.

• Das Auftreten eines rauschfreien Betrieb eines Lasers mit Modenkopplung und Q-Switch kann nicht immer erwartet werden, sondern kann dadurch erreicht werden, dass von einem vorhergehenden Puls als grobe Schätzung mindestens noch ein Photon im Resonator verbleibt und den Pulsaufbau einleitet.

Aus der mathematischen Beziehung zwischen den einzelnen Grossen folgt als Bedingung

p Photon (1 - loss) > 1 h - v

wobei der Bruch auf der linken Seite die Zahl der Photonen angibt, „loss" die Umlaufverluste bezeichnet und T_qs und T_res die Periode eines Q-Switch-Pulses bzw. die Resonatorumlaufzeit bedeuten. Um die beabsichtigte rauschfreie hohe Wiederholrate der Q-Switch-Einhüllenden der Modenkopplung zu erhalten, muss diese Bedingung erfüllt sein.

Der erfindungsgemässe Laser wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben. Im einzelnen zeigen Fig.l die schematische Darstellung des Aufbaus eines erfindungsgemässen Lasers mit einer nachfolgenden Verwendung zur Frequenzvervielfachung des emittierten Lichtes in den UV-Bereich;

Fig.2 die schematische Darstellung eines Beispiels für eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsge- mässen Lasers;

Fig.3 die Darstellung der Messung eines MLQSW-Pulszuges eines erfindungsgemässen Lasers und

Fig.4 die schematische Darstellung einer möglichen Anwendung eines erfindungsgemässen Lasers zur

Aushärtung von UV-sensitivem Kunstharz bzw. zur optischen Datenspeicherung in drei Dimensionen o.a.

Fig.l zeigt den schematischen Aufbau eines modengekoppelten Q-Switch- (MLQSW) -Lasers und den möglichen Aufbau einer Anordnung zur Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte unter Verwendung des erfindungsgemässen MLQSW-Lasers, z.B. zur Frequenz-vervielfachung in einer erfindungsgemässen Frequenzkonversions-Lichtquelle .

Der Laser besteht im wesentlichen aus einer Pump- Laserquelle 1, z.B. einer Laserdiode, die über eine Übertragungsoptik 2 und einen dichroitischen Spiegel 3 ein Lasermedium 5 pumpt, das Bestandteil des Laser-Resonators ist, wobei das Lasermedium 5 auch ein Ende des Resonators darstellen kann. Der Resonator weist die Laserspiegel 4 und 7, sowie gegebenenfalls weitere strahl- bzw. modenformende optische Elemente 6, und mindestens ein sättigbares Absorberelement auf,- z.B. einen sättigbaren Halbleiter (SESAM) , der einen modengekoppelten Q-Switch-Betrieb des Lasers erzeugt. In diesem Beispiel ist der sättigbare Halbleiter Bestandteil des Spiegels 7, während der Spiegel 4 zur Auskopplung aus dem Resonator dient. Das Licht der Pump-Laserquelle 1 wird durch eine Übertragungsoptik 2 in das Lasermedium 5 abgebildet. Das im Lasermedium 5 angeregte Volumen wird im wesentlichen innerhalb der Lasermode positioniert, die durch die Spiegel 4 und 7 des Laser-Resonators definiert wird. Der Spiegel 4 ist im Bereich der Laserwellenlänge teilreflektierend und dient damit als Auskoppler. Die modengekoppelte Q-Switch Laser- EF¹"¹ ssion S wird im weiteren Verlauf nach einer Umlenkung durch einen Spiegel 8 durch einen Aufbau mit nichtlinearer Optik 9 zur Frequenzkonversion der Laseremission geführt, wobei wiederum weitere strahlformende optische Elemente 6 verwendet werden können. Als Alternative kann die Laseremission auch verwendet werden, um in ein Medium fokussiert zu werden, in dem Zwei- oder Mehrphoton-Effekte die Eigenschaften dieses Mediums lokal ändern.

Nachfolgende Frequenzkonversion eines Laserstrahls aus einem kompakten MLQSW-Laser: Die Effizienz einer Frequenzkonversion wird bestimmt durch die Peak- Spitzenleistung des einfallenden Laserstrahls. Deshalb besitzt ein MLQSW-Laser den Vorteil, eine höhere Effizienz als ein vergleichbarer modengekoppelter (d.h. mit gleicher Resonatorlänge) oder Q-Switch-Laser zu erreichen.

Erzeugung der zweiten Harmonischen: Dieser Vorteil wird z.B. im Fall der Erzeugung der zweiten Harmonischen ausgenutzt. Beispielsweise kann ein modengekoppleter Q- Switch-Laser, der mit einer Wellenlänge im Bereich von 750 nm .. 980 nm betxieben __ wird (wie z.B. mit einem diodengepumpten MLQSW Cr:LiSAF-, Cr:LiCAF-, Cr:LiSGAF-, Nd:YAG-, Nd:Vanadat- oder Alexandrit-Laser, der mit der entsprechenden Linie emittiert) , eine Frequenzkonversion in den blauen Bereich durch einen einzigen Durchgang durch ein nichtlineares optisches Medium erzeugen. Solche Medien sind z.B. Lithiumtriborat, Kaliumniobat etc.

Erzeugung der dritten Harmonischen: Im Vergleich zur Erzeugung der zweiten Harmonischen weist die Konversionseffizienz der Erzeugung der dritten Harmonischen eine noch grössere Abhängigkeit von der Peak- Spitzenleistung auf. Deshalb kann ein effizienter UV-Laser durch die Verwendung eines modengekoppelten Q-Switch- Nd: Vanadat-Lasers erhalten werden, der in einer Folge von zw_^-i Lithiumtriborat-Kristallen frequenzkonvertiert wird. Der erste Kristall erzeugt 532 nm-Laser-Licht aus dem einfallenden 1064 nm-Laser-Licht, der zweite Kristall mischt das 532 nm- und das 1064 nm-Licht, um eine effiziente Frequenzkonversion in eine Wellenlänge von 355 nm zu bewirken. Der UV-Strahl (355 nm) kann dann beispielsweise in einer Ausführungsform verwendet werden, in der Mittel zum Scannen einen fokussierten Laser-Strahl durch ein Kunstharz führen, das bei Belichtung mit 355 nm- Licht aushärtet. Auf diese Weise können im Kunstharz dreidimensionale Strukturen erzeugt werden. Damit ist dieser Laser geeignet für stereolithographische Anwendungen, bei denen ein dreidimensionales Muster aus gehärtetem Kunstharz innerhalb von flüssigem Kunstharz erzeugt wird. Aufgrund der hohen erzielbaren Wiederholrate von > 100 kHz existieren nur wenige Beschränkungen, verglichen mit den Q-Switch-Lasern mit ihren Wiederholraten von einigen zehn kHz, hinsichtlich der Geschwindigkeiten, mit denen der Strahl durch das Kunstharz geführt wird. Um den Schreibvorgang der Struktur in dem Medium zu steuern, kann ein optischer Schalter im Laser-Strahlgang verwendet werden.

In einer alternativen Realisierungsform kann ein durchstimmbarer diodengepumpter MLQSW-Laser, wie z.B. mit Cr:LiSAF, verwendet werden, um durchstimmbares UV-Licht bei einem hohen Grad an Kompaktheit und hochfrequenter Frequenzkonversionseffizienz zu erhalten.

Erzeugung vierter und höherer Harmonischer durch nichtlineare Optik: Der MLQSW-Laser kann ebenfalls Verwendung finden, um vierte, fünfte oder höhere Harmonische zu generieren, wodurch Licht mit hoher Intensität und Wellenlängen im ultravioletten oder tiefultravioletten Bereich erzeugt wird. Die vierte Harmonische eines MLQSW Nd: Vanadat-Lasers erzeugt Licht einer Wellenlänge von 266 nm, die fünfte Harmonische von 213 nm, wenn geeignete nichtlineare optische Materialien, wie z.B. die Borate BaB₂0₄ (BBO) , LiB₃0₅ (LBO) oder CsLiBgOio (CLBO) , zur Frequenzkonversion verwendet werden.

MLQSW optische-parametrische Erzeugung: Der nichtlineare optische Prozess der optischen-parametrischen Erzeugung (OPG) , der optischen-parametrischen Oszillation (OPO) oder der optischen-parametrischen Verstärkung (OPA) kann in Verbindung mit einem MLQSW-Laser verwendet werden, um Frequenzverschiebungen zu erreichen. Beispielsweise können diese Prozesse eingesetzt werden, um sichtbares Licht zu erhalten, z.B. die Farben Rot, Grün und Blau, das für Laser-Displays oder Anwendungen der Unterhaltungselektronik eingesetzt werden kann. Ähnlich können "Farben" im Infraroten erzeugt werden, die für Anwendungen der Moleküloder Gassensorik nutzbar sind. Die erreichbare Kompaktheit des MLQSW-Lasrs ist wiederum die Basis für eine hohe Kompaktheit des Gesamtsystems. Die nachfolgende optische- parametrische Oszillation besitzt eine optische Länge, welche identisch mit der MLQSW-Laserlänge ist und deshalb so kurz wie die Länge des MLQSW-Laser-Resonators ist, woraus ein kompaktes System resultiert.

Zwei- oder Mehrphoton-Absorptlons-Effekte : Der MLQSW-Laser kann ebenso in Kombination mit Zwei- oder Mehrphoton- Absorptions-Effekten in einer Vielzahl von Materialien genutzt werden. Dies kann z.B. Mehrphoton- Stereolithographie ein, bei der das Aushärten des Kunstharzes durch Zwei- oder Mehrphoton-Absorptions bewirkt wird. Ähnlich können optische Zweiphoton-Speichermedien mittels MLQSW-Laser beschrieben werden. Hier führt die hohe Wiederholrate der Q-Switch-Einhüllenden der modengekoppelten Pulse zu erhöhten erzielbaren Schreibraten verglichen mit Q-Switch-Laser . Zusätzlich resultiert die höhere Peak-Spitzenleistung in in einem effizienteren und schnelleren Schreiben und/oder einem geringen Strombedarf. Insbesondere die MLQSW-Laser können gut in Verbindung mit jedem nichtlinearen optischen Prozess oder jeder nichtlinearen optischen Anwendung eingesetzt werden, die

eine Leistungszahl proportional zu f„ oder zu

besitzen, wobei E_p die Energie pro Puls, t_p die

Pulsdauer, f_rep die Wiederholrate der Pulse bezeichnen und wobei n>2 gilt. Aufgrund der erhöhten Pulsenergie und der kurzen Pulsdauer von MLQSW-Lasern, ist die erreichte Leistungszahl deutlich höher als die mit vergleichbaren continuous-wave modengekoppelten oder Q-Switch Lasern erreichbare. Zusätzlich kann der MLQSW-Laser kompakter und einfacher als die anderen Laser gehalten werden.

Fig.2 stellt schematisch eine alternative Ausführungsform dar, die folgende Komponenten verwendet:

Pumpeinrichtung: Die hier beschriebene Ausführungsform verwendet ein Laserdioden-Array la, das über eine Transferoptik 2 und einen dichroitischen Spiegel 3 in das Lasermedium 5 fokussiert wird und das eine Pumpintensität von ungefähr -20 ''kW/cm² erreicht. Dieses kann in kompakter Weise beispielsweise erreicht werden durch die Verwendung eines Pumpaufbaus, wie er in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/EP00/05336 vom 9. Juni 2000, der US-Anmeldung Nr. 60/146.472 vom 30. Juli 1999 und der US-Anmeldung Nr. 09/489.964 vom 24. Januar 2000 beschrieben und als hiermit im Rahmen der vorliegenden Erfindung geoffenbart betrachtet wird. Der dort beschriebene Aufbau ist kompakt und verwendet eine kleine Anzahl von optischen Elementen zur Abbildung des Pumplichts, das von dem Laserdioden-Array la emittiert wird. Alternative Realisierungen verwenden faseroptische Mittel zur Einkopplung des Pumplichts der Lc"'".erdioden in das Lasermedium 5. Der in Fig.2 dargestellte Aufbau erzeugt eine modengekoppelte Q-Switch-Laser-Emission S mit ca. 5-10 ps dauernden Laserpulsen und einer Wiederholrate in der Nähe von 1 MHz. Diese hohe Wiederholrate ist hinreichend hoch genug für viele Anwendungen und erfüllt das Bedürfnis nach den hohen Wiederholraten, wie sie für viele Laser-Anwendungen benötigt werden und für welche die Wiederholraten von einigen zehn kHz der typischen Q-Switch-Laser nicht ausreichen.

Lasermedium: Als Lasermedium 5 kommt Nd:Vanadat zum Einsatz. Dieses Medium besitzt einen relativ hohen Verstärkungsquerschnitt und ebenso eine relativ hohe Kleinsignalverstärkung, welche proportional zum Produkt von Lebensdauer des oberen Laserniveaus und Wirkungsquerschnitt der Emission ist. Die Kleinsignalverstärkung bestimmt, wie schnell innerhalb der durch den Q-Switch generierten Einhüllenden der Pulsaufbau erfolgt." Wird Nd:Vanadat verwendet, können aufgrund der Emissionsbandbreite Pulsdauern in der Grössenordnung von einigen wenigen Picosekunden erzielt werden. Jedoch können in Abhängigkeit von der jeweiligen Laseranwendung auch andere Lasermedien geeignet sein. Die Neodym-Dotierung des Nd:Vanadat wird niedrig genug gewählt (z.B. Nd-Dotierung <1% für absorbierte Pumpleistungen von >5W) , so dass die Absorptionslänge lang genug ist, um eine Zerstörung des Kristalls bei voller Pumpleistung zu vermeiden. Auf der anderen Seite wird die Dotierung hoch genug gewählt (z.B. Nd-Dotierung >0,1%), so dass ein hinreichender Anteil des Pumplichts im Lasermedium absorbiert wird. Alternative Lasermedien sind Nd:YLF, Nd:YAG, Nd:Gläser, Cr:LiSAF, Cr:LiCAF, Cr:LiSGAF, Yb:YAG, Yb: Gläser, Nd:Vanadat betrieben für die 917 nm-Linie, Nd:Vanadat betrieben für die 1340 nm-Linie, Nd:YAG betrieben für die 946 nm-Linie, oder jedes andere Laser-Material, das eine hinreichende Absorption in einem Bereich aufweist, für den Laserdioden erhältlich sind. Einige dieser Materialien haben den Vorteil, dass sie eine Laseremission bei Wellenlängen aufweisen, die deutlich kürzer sind als die 1064 nm-Linie des Nd:YAG oder des Nd:Vanadat, was für manche Anwendungen besonders nützlich is.t.

Laser-Resonator: Es wird eine Laser-Kavität mit einem Satz hoch-reflektierender Laser-Spiegel la-lc gebildet, die so um das Lasermedium 5 positioniert sind, dass die Gesamtlänge der Kavität ca. 20 cm beträgt, was einer Resonatorumlaufzeit von 1.33 ns oder einer Wiederholungsfrequenz der Pulse von ca. 750 MHz entspricht. Die hinsichtlich des Resonators aussen liegende Seite des Lasermediums 5 ist als Spiegel ausgebildet mit einer Reflektivität bzgl. des Resonators von 98% (für 1064 nm) und einer Transmittivität für das Pumpenlicht von >90%. Der Abstand zwischen dieser Fläche des Lasermediums 5 und dem Spiegel 7a beträgt 41 mm, der jeweilige Abstand zwischen den Spiegeln 7a und 7b bzw. 7b und 7c beträgt 61 mm, und der Abstand zwischen Spiegel 7c und SESAM 7d beträgt wiederum 41 mm. Die Spiegel 7a bis 7c sind hochreflektierend und besitzen folgende Krümmungsradien (ROC) :

• 7a 65mm hinsichtlich- y-Achse, ∞ hinsichtlich x-Achse,

• 7b co hinsichtlich beider Achsen und

• 7c 100 mm hinsichtlich beider Achsen.

Die angegebenen Werte für die Spiegel verstehen sich als spezifisch für den exemplarisch dargestellten Aufbau und die verwendeten Komponenten, insbesondere das verwendete Lasermedium. Andere Realisierungen bedürfen anderer Auslegungen.

Eine Richtlinie für die Realisierung besteht darin, die Justierung von Lasermedium und Lichtfleck des Pumpstrahls so genau wie möglich vorzunehmen, um eine maximale Verstärkung zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch eir.e Anordnung erreicht werden, wie sie in D. Kopf, K. J. Weingarten, G. Zhang, M. Moser, A. Prasad, M. A. Emanuel, R. J. Beach, J. A. Skidmore, U. Keller, Invited Paper, "High-average-power diode-pumped femtosecond Cr:LiSAF lasers," Applied Physics B, vol. 65, pp . 235-243, 1997 beschrieben und als hiermit im Rahmen der vorliegenden Erfindung geoffenbart betrachtet wird. Dieser Laser- Resonantor ist extrem kompakt im Vergleich zu vielen typischen modengekoppelten Laser-Resonatoren, welche beispielsweise eine Wiederholrate von ungefähr 80 MHz besitzen. Wird der 20 cm lange Resonator dieser in Fig.2 gezeigten Anordnung im MLQSW-Modus statt mit der herkömmlichen continuous-wave-Modenkopplung betrieben, so können bei entsprechend grösserer Kompaktheit immer noch Peak-Leistungen erreicht werden, • die in der gleichen Grössenordnung liegen wie bei einem continuous-wave modengekoppelten Laser-Resonator, der ungefähr zehnmal länger ist. Q-Switch-Modenkopplung kann als Alternative genauso gut in einem langen Laser-Resonator verwendet werden, wodurch höhere Peak-Spitzenleistungen erreicht werden als bei dem entsprechenden Betrieb in der continuous-wave Modenkopplung.

Sättigbarer Absorber: In der Kavität ist ein sättigbarer Absorber beinhaltet. Für eine Laserwellenlänge von 1064 nm kann dies, wie hier durch den SESAM 7d dargestellt, ein sättigbarer Halbleiterabsorber sein, der Indiumgalliumarsenid als das sättigbare Material verwendet, das in eine Struktur aus Galliumarsenid und Aluminu arsenid eingebettet ist, welches in seiner Gesamtheit als sättigbarer Absorber-Spiegel fungiert (Vgl. "Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAMs) for Femtosecond to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers", Ursula Keller, et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No . 3, September 1996). Optional können dielektrische Beschichtungen auf die Oberfläche dieser Struktur aufgebracht werden, wodurch die Sättigungsparameter und die Modulationstiefe beeinflusst werden können. Der sättigbare Absorptionseffekt kann, in Einheiten der Modulationstiefe angegeben, von Bruchteilen eines Prozentes bis zu einigen Prozent des einfallenden Laser-Lichts reichen. Die Modulationstiefe kann als Design- Parameter zur Auslegung der endgültigen Laser-Parameter, wie z.B. der Frequenz der Q-Switch-Pulse, der Pulsdauer etc., genutzt werden. In der bevorzugten Ausführungsform der Fig.2 werden eine Modulationstiefe von ca. 0.5% und ein Sättigungsfluss von ca. 100 Mikrojoules/cm² (+/-50%) verwendet, die bei der Nd: Vanadat-Ausführungsform in einer Wiederholungsrate der Q-Switch-Einhüllenden der modengekoppelten Pulse von ungefähr 1 MHz resultieren ().

Alternative optische Schalter: Sättigbare Absorber bieten nach dem Stand der Technik den Vorteil besonders kurzer SchaltZeiten. Grundsätzlich können zur Erzeugung eines Q- Switch jedoch auch andere optische Schalter, wie z.B. mechanische Schalter, elektrooptische Schalter oder akustooptische Schalter, verwendet werden. Allerdings liegen die Schaltzeiten der mechanischen Systeme im Mikrosekunden-Bereich, so dass die Verwendung für einen erfindungsgemässen Laser gegenwärtig als nicht möglich erscheint. Dagegen nähern sich elektrooptische Schalter, z.B. unter Ausnutzung des Pockels- oder Kerr-Effektes, durchaus den mit sättigbaren Absorbern erreichbaren Schaltzeiten. Die Modenkopplung kann bei Verzicht auf einen sättigbaren Absorber auch durch eine aktive Kopplung oder durch synchrones Pumpen erreicht werden. Bei der aktiven Kopplung wird durch einen extern gesteuerten Modulator in der Nähe eines Ronatorspiegels eine Verlustmodulation erzeugt. Geeignete Bauelemente stehen in Form von elektrooptischen und akustooptischen Modulatoren zur Verfügung. Das synchrone Pumpen erfolgt, quasi als Gegenstück zur Modulation der Verluste, durch eine periodische Modulation der Verstärkung, was beispielsweise durch ein synchrones Pumpen des Lasers mit dem modengekoppelten Pulszug eines anderen Lasers erfolgen kann.

Modengekoppelter-Q-Switch- (MLQSW) -Betrieb des Lasers: Ein sättigbarer Absorber mit einer kurzen Relaxationszeit in der Grössenordnung gleich oder kleiner der Resonatorumlaufzeit , wie sie die meisten InGaAs/GaAs- basierten sättigbaren Halbleiterabsorbern (SESAM) aufweisen, führt oft zu einem Betriebsmodus, der modengekoppelter Q-Switch genannt wird. Dieser ist eine Kombination von reiner Modenkopplung, bei der ein stabiler Pulszug mit einer der Resonatorumlaufzeit entsprechenden Pulswiederholungsrate den Laser verlässt, und einem reinen Q-Switch, bei dem Riesenpulse entstehen, die wesentlich länger sind als die Resonatorumlaufzeit . Der modengekoppelte Q-Switch-Pulszug ist ein modengekoppelter Pulszug, dessen Einhüllende in Form eines Q-Switch-Pulses stark moduliert wird. Dieser normalerweise unerwünschte Effekt besitzt den Vorteil, dass Peak-Spitzenleistungen erreicht werden, die viel höher sind als jene, die von vergleichbaren Laser-Resonatoren mit reinem Q-Switch oder reiner Modenkopplung erzielt werden. Da der modengekoppelte Pulszug "zerhackt" wird und die Emission in R.i senpulsen (der Begriff "Riesenpuls" wird in Anlehnung an die Bezeichnung "Riesenpuls-Laser" für Q-Switch-Laser verwendet, vgl. beispielsweise F.K. Kneubühl, M.W. Sigrist, „Laser", S. 203, Teubner Studienbücher, Stuttgart, 1991) erfolgt, sind die Peak-Spitzenleistungen im MLQSW-Betrieb sehr viel höher, d.h. oft bis zu einer Grössenordnung, als selbst die bei einem Betrieb mit continous-wave- Modenkopplung erzielbaren Leistungen. Deshalb kann MLQSW genutzt werden, um im Vergleich zur Modenkopplung oder dem Q-Switch für einen vergleichbaren Laser (wie z.B. mit gleicher Resonatorlänge) ausserordentlich hohe Peak- Spxtzenleistungen zu erhalten. Diese hohen Peak- Spitzenleistungen sind dann insbesondere für eine effiziente Frequenzkonversion, wie z.B. zur UV-Erzeugung, geeignet. Insbesondere die Erzeugung von Harmonischen der dritten oder einer höheren Ordnung wird durch die hohe Leistung unterstützt.

MLQSW-Laser-Resonator mit hohen Wiederholraten der Q- Switch-Einhüllenden der modengekoppelten Pulse: MLQSW resultiert in einer typischen Q-Switch-Pulsfrequenz, die in der Grössenordnung von einigen zehn kHz bis in den Bereich von 100-200 kHz liegt. Viele Anwendungen erfordern höhere

Raten. Um eine hohe Pulswiederholrate des MLQSW-Laser- Resonators zu erhalten, kann die Laser-Kavität so ausgelegt werden, dass die Verluste beim Resonatorumlauf niedrig sind, z.B. in der Grössenordnung von wenigen Prozent oder noch darunter. Zusätzlich können kurze Kavitäten die

Wiederholrate der Q-Switch-Einhüllenden der modengekoppelten Pulse deutlich rhöhen.

Besonders kompakte MLQSW-Laser-Resonatoren : Viele

Anwendungen erfordern oder bevorzugen besonders kompakte Laser-Aufbauten, in denen kompakte und damit kurze Laser- Resonatoren bevorzugt, werden. Wird solch ein kurzer Laser- Resonator ausschliesslich modengekoppelt, ist die erzielbare Peak-Spitzenleistung jedoch geringer als in einem längeren Resonator. Deshalb kann ein MLQSW-Betrieb das Problem unzureichender Peak-Spitzenleistung aus kurzen Laser-Resonatoren für folgende nichtlineare Anwendungen lösen.

Fig.3 zeigt den Pulszug eines erfindungsgemässen Nd:YLF- MLQSW- Lasers mit einem in Fig.2 beschriebenen Aufbau. Bei einer Pumpleistung von 16 W wird eine Ausgangsleistung des Lasers von 4,02 W erzielt, wobei die Q-Switch- Wiederholraten bei 350 kHz und die Wiederholraten der Moάenkopplung bei ca. 700 MHz liegen. Der verwendete sättigbare Halbleiterabsorber (SESAM) besitzt eine Modulationstiefe von ca. 0,15 % und eine Sättigungsfluenz von ca. 1 mJ/cm². Die Kurve wurde durch Messung des Photodiodensignals, das den Laserstrahl bzw. den Pulszug misst, mit einem Spectrum Analyzer HP E4401 B der Firam Hewlett-Packard als Messgerät aufgenommen.

In dem Diagramm ist das Frequenzspektrum des Photodiodensignals gegen die Frequenz aufgetragen, um den rauschfreien MLQSW-Betrieb zu veranschaulichen. Die mittlere Frequenzkomponente von ca. 705 MHz verdeutlicht die Modelocking-Wiederholfrequenz entsprechend der Resonatorumlauffrequenz . Während bei reiner Modenkopplung keine Seitenbanden auftreten, zeigen in diesem Falle starke Seitenbanden den Q-Switch und die damit verbundene starke Modulation des modengekoppelten Pulszuges an. Aus dem Frequenzabstand der Seitenbanden lässt sich die Q-Switch- Wiederholrate von 350 kHz ablesen. Die Tatsache, dass die Frequenzko ponenten klar durchmoduliert sind, entspricht rauschfreiem MLQSW-Betrieb.

Fig.4 zeigt schematisch die Anwendung von Licht, das mittels einer erfindungsgemässen Frequenzkonversions- Lichtquelle nach dem Grundprinzip der Fig.l erzeugt wird.

Eine Frequenzkonversions-Lichtquelle 10 aus einer MLQSW- Laserquelle mit nachfolgender Frequenzkonversion in den ultravioletten Bereich produziert eine Laser-Emission S, die über einen Umlenkspiegel 11 und einen optischen Schalter 12, der beispielsweise elektrooptisch oder elektroakustisch realisiert werden kann, in eine Scan- Vorrichtung 13 eingekoppelt wird. Mit dieser Scan- Vorrichtung werden Strukturen in ein absorbierendes Medium, z.B. ein UV-sensitives Kunstharz, gezeichnet. In Wechselwirkung mit dem UV-Licht verändern die belichteten Zonen ihre physikalischen oder chemischen Eigenschaften, beispielsweise durch Aushärten.

Es versteht sich, dass die dargestellten Figuren eine von vielen Ausführungsformen darstellen und der Fachmann alternative Realisierungsformen des Laseraufbaus, z.B. unter Verwendung anderer Lasermedien oder Resonatorkomponenten, ableiten kann. Insbesondere ist es möglich, das Pumpen des Lasers über die angegebenen Beispiele hinaus anders zu gestalten oder die notwendigen Komponenten abweichend anzuordnen.

Claims

Patentansprüche

1. Laser zur Abgabe von Laserpulsen mit hohen Pulsleistungen und hohen Pulsraten mit einem verstärkenden Lasermedium, einem Laser-Resonator mit mindestens einem Resonatorspiegel und mindestens einem Ausgangskoppler, einer Pumpquelle zum Pumpen des Lasermediums und

Mitteln zur Erzeugung einer Modenkopplung, dadurch gekennzeichnet, dass

Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch, insbesondere mit einer Pulsrate über 100 kHz, vorhanden sind und die Pumpquelle eine Leistung von wenigstens 5 W zum Pumpen des Lasermediums besitzt.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Modenkopplung so ausgelegt sind, dass die Pulsrate der Modenkopplung in der Grössenordnung von 2,5 MHz bis zu mehreren GHz liegt .

3. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lange des Laser-Resonators kleiner als 0,75 m ist.

4. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch mindesten einen elektrooptischen oder akustooptischen Schalter aufweisen .

5. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Modenkopplung mindesten einen aktiven, extern gesteuerten Modulator aufweisen oder in Kombination mit der Pumpquelle zu einem synchronen Pumpen ausgelegt sind.

6. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch und/oder die Mittel zur Erzeugung der Modenkopplung mindestens einen sättigbaren Absorber aufweisen.

7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber aus Halbleitermaterial besteht, das mindestens eines der folgenden Materialien aufweist

Indiumgalliumarsenid

Galliumarsenid

Aluminiumarsenid - Indiu galliumarsenphosphid.

8. Laser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber dielektrische Beschichtungen auf mindestens einer seiner Oberflächen besitzt.

9. Laser nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber eine Relaxationszeit kleiner oder gleich der Resonatorumlaufzeit besitzt.

10. Laser nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber eine Modulationstiefe von 0,1% bis 10% und einen Sättigungsenergiefluss von 20-2000 Mikrojoule/cm², vorzugsweise von 100 Mikrojoule/c ², besitzt.

11. Laser nach Anspruch 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Resonatorspiegel als sättigbarer Absorber ausgebildet ist.

12. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch und die Mittel zur Erzeugung einer Modenkopplung in einem Bauelement zusammengefasst sind.

13. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermedium eines der folgenden Materialien aufweist

Nd:Vanadat, - Nd:YLF,

- Nd:YAG,

- Nd:Glas,

- Cr:LiSAF,

- Cr:LiCAF, - Cr:LiSGAF,

- Yb:YAG,

- Yb:KGW,

- Yb:KYW oder

- Yb:Glas.

14. Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle aus mindestens einer Laserdiode oder einem Laserdioden-Array besteht.

15. Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen mit hohen Pulsleistungen und Pulsraten über 100 kHz mit einem Lasersystem bestehend aus einem verstärkenden Lasermedium, einem Laser-Resonator mit mindestens einem Resonatorspiegel und mindestens einem Ausgangs- koppler, einer Pumpquelle zum Pumpen des Lasermediums und Mitteln zur Erzeugung einer Modenkopplung, bei dem das Lasersystem Laserpulse erzeugt, wobei durch die Mittel zur Erzeugung einer Modenkopplung eine Laseremission durch das Lasersystem so beeinflusst wird, dass modengekop- pelte Laserpulse erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass

Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch vorhanden sind und durch die Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch die modengekoppelten Laserpulse entsprechend der Pulsrate des Q-Switch amplitudenmoduliert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beeinflussung der Laseremission durch das Lasersystem so erfolgt, dass modengekoppelte Laserpulse mit einer Pulsrate in der Grössenordnung von mehreren 2,5 MHz bis zu mehreren GHz erzeugt werden .

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die modengekoppelten Laserpulse mit einer Pulsrate des Q-Switch in der Grössenordnung von 10 kHz bis zu 1 MHz amplitudenmoduliert werden.

18. Verwendung eines Lasers, nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Laserquelle zur Ausnutzung von nichtlinearen optischen Effekten, insbesondere

• zur Frequenzvervielfachung,

• für Zwei- oder Mehrphoton-Absorptionseffekte oder

• zur optischen-parametrischen Erzeugung, Oszillation oder Verstärkung.

19. Frequenzkonversions-Lichtquelle mit

• einem Laser zur Abgabe von gepulstem Laserlicht mit hohen Pulsleistungen und hohen Pulsraten mit einem verstärkenden Lasermedium, einem Laser-Resonator mit mindestens einem Resonatorspiegel und mindestens einem Aus- gangskoppler, einer Pumpquelle zum Pumpen des Lasermediums und Mitteln zur Erzeugung einer Modenkopplung;

• Mitteln zur Frequenzkonversion des Laserlichtes, dadurch gekennzeichnet, dass

Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch, insbesondere mit einer Pulsrate über 100 kHz, vorhanden sind.

20. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle eine Leistung von wenigstens 5 W zum Pumpen des Lasermediums besitzt.

21. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung einer Modenkopplung so ausgelegt sind, dass die Pulsrate der Modenkopplung in der Grössenordnung von 2,5 MHz bis zu mehreren GHz liegt .

22. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 19 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Laser-Resonators kleiner als 0,75 ist.

23. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch mindesten einen elektrooptischen oder akustooptischen Schalter aufweisen.

24. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Modenkopplung mindesten einen aktiven, extern gesteuerten Modulator aufweisen oder in Kombination mit der Pumpquelle zu einem synchronen Pumpen ausgelegt sind.

25. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch und/oder die Mittel zur Erzeugung der Modenkopplung mindestens einen sättigbaren Absorber aufweisen.

26. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber aus Halbleitermaterial besteht, das mindestens eines der folgenden Materialien aufweist o Indiumgalliumarsenid o Galliumarsenid o Aluminiumarsenid o Indiumgalliumarsenphosphid.

27. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber dielektrische Beschichtungen auf mindestens einer seiner Oberflächen besitzt.

28. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber eine Relaxationszeit kleiner oder gleich der Resonatorumlaufzeit besitzt.

29. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass der sättigbare Absorber eine Modulationstiefe von 0,1% bis 2% und einen Sättigungsenergiefluss von etwa 100 Mikrojoule/cm² besitzt.

30. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Resonatorspiegel als sättigbarer Absorber ausgebildet ist.

31. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines Q-Switch und die Mittel zur Erzeugung einer Modenkopplung in einem Bauelement zusammengefasst sind.

32. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 31, dadurch gekennzeichnet, _dass das Lasermedium eines der folgenden Materialien aufweist o Nd:Vanadat, o Nd:YLF, o Nd:YAG, o Nd:Glas, o Cr:LiSAF, o Cr:LiCAF, o Cr:LiSGAF, o Yb : YAG, o Yb:KGW, o Yb:KYW oder o Yb:Glas.

33. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpquelle aus mindestens einer Laserdiode oder einem Laserdioden-Array besteht.

34. Frequenzkonversions-Lichtquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche 19 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Frequenzkonversion Elemente mit nichtlinearen optischen Effekten, insbesondere aus Knb0₃, BaB₂0₄ (BBO), LiB₃0₅ ^' (LBO) oder CsLiBgOio (CLBO), aufweisen.