EP2583363A1 - Lasersystem mit spektraler filterung - Google Patents

Lasersystem mit spektraler filterung

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EP2583363A1
EP2583363A1 EP11729553.5A EP11729553A EP2583363A1 EP 2583363 A1 EP2583363 A1 EP 2583363A1 EP 11729553 A EP11729553 A EP 11729553A EP 2583363 A1 EP2583363 A1 EP 2583363A1
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EP
European Patent Office
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laser
spectrally
laser system
pulses
pulse
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11729553.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jens Limpert
Alexander Steinmetz
Dirk Nodop
Andreas TÜNNERMANN
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV, Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP2583363A1 publication Critical patent/EP2583363A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S3/1673—YVO4 [YVO]

Definitions

  • Laser system with spectral filtering The invention relates to a laser system with a pulsed laser.
  • Pulsed laser-based laser systems are used to generate ultra-short laser pulses.
  • only complex, mode-locked laser systems have been known to date that can achieve a pulse duration of less than 10 ps.
  • a simple and compact solution for generating laser pulses in the sub-10 ps range therefore holds considerable market potential.
  • Areas of application include high-precision micromachining, as the heat input into the material, which is reduced by a short pulse duration, has quality advantages - e.g. more precise edges when laser cutting - offers.
  • the mode-locked solid-state lasers known in the art are heretofore used as typical sources of ps pulses. They consist of a non-linear switch, e.g. a saturable semiconductor mirror and dispersion compensation elements.
  • CONFIRMATION COPY Laser systems mostly sensitive free jet structures, whereby they are only partially suitable for commercial use.
  • the invention proposes that the laser system has a spectrally broadening element which widens spectrally the output laser pulses of the pulsed laser by self-phase modulation, and a spectrally filtering element which temporally compresses the spectrally broadened laser pulses by spectral filtering.
  • the spectral width of the laser pulses can be increased so that they can be shortened in time by subsequent spectral filtering.
  • the bandwidth of the spectrally filtering element is chosen so that it is smaller than the spectral width of the widened laser pulse to be filtered.
  • the thus spectrally filtered laser pulse with reduced spectral width has a significantly shortened pulse duration.
  • the effect of the temporal shortening is due to the fact that the spectrally broadening self-phase modulation acts only in the time domain.
  • the laser system may have a Q-switched laser, a mode-locked laser or a gain-switched laser, for example a diode laser, as a pulsed laser.
  • the pulsed laser may be a continuously emitting laser source whose radiation is modulated by external optical components.
  • the pulsed laser is a passively Q-switched laser, in particular a passively Q-switched microchip laser. Due to their monolithic structure, microchip lasers can reach an extremely compact design and thus be easily integrated into a laser system.
  • a composite of a neodymium-doped vanadate crystal and a saturable semiconductor mirror is suitable as a microchip laser.
  • the pulsed laser has longitudinal single-mode laser pulses. This so-called “single-frequency" emission of the Q-switched laser, ie the emission of a single, well-defined longitudinal mode, is advantageous, but not mandatory If several longitudinal modes with statistical phase relationship contribute to the emission - which corresponds to the usual situation with Q-switching -, Equally temporal compression of the spectral components newly generated by self-phase modulation would be possible by spectral filtering, but the compressed pulses would have a degraded quality.
  • the pulsed laser has a pulse duration which is less than 1 ns, less than 200 ps or less than 50 ps.
  • a pulsed laser with this pulse duration provides a highly suitable output radiation in order subsequently to achieve a pulse duration of less than 10 ps by means of the spectral broadening and spectral filtering according to the invention.
  • the spectrally broadening element is an optical fiber, in particular a single-mode optical fiber, or a waveguide structure.
  • a suitable optical fiber or waveguide structure occurs with sufficiently low fiber diameter or sufficiently low waveguide thickness usually self-phase modulation, resulting in a spectral broadening of the guided radiation.
  • the spectral width of the spectrally broadened laser pulses is at least five times, ten times or twenty times the spectral width of the output laser pulses of the pulsed laser. In practice, these minimum broadening factors have proven to be optimal for the subsequent spectral filtering or the resulting pulse duration of the laser system.
  • the laser system has one or more amplifier stages.
  • one or more amplifier stages may be fiber-optic amplifier stages.
  • one or more amplifier stages it is possible for one or more amplifier stages to act as a spectrally broadening element, whereby these broaden spectrally in particular and advantageously by means of self-phase modulation.
  • a gain is possible by a single optical amplifier or by several amplifier stages. It is also conceivable in this sense, an optical amplifier fiber, which takes on both the task of gain and the spectral broadening by self-phase modulation.
  • the spectrally filtering element has a passive optical element.
  • This element can e.g. a fiber optic chirped Bragg grating, a volume optical chirped Bragg grating, a conventional grating pair in transmission or reflection, or even a prism structure, a Lyot filter, an etalon or an interference filter or a combination of interference filters.
  • the spectrally filtering element may comprise a nonlinear optical element.
  • a nonlinear optical element in particular elements with non-linear polarization rotation, a saturable absorber or a frequency-converting element which performs a spectral filtering or spectral trimming by phase matching.
  • the spectrally filtering element may simultaneously comprise active and passive optical elements.
  • An active optical element for example an active tunable filter, can be adjusted so that it optimally complements the filter characteristic of the passive optical element in the sense of the invention.
  • the spectral bandwidth of the laser pulse after the spectrally filtering element is less than 75%, 50% or 25% of the spectral bandwidth of the spectrally broadened laser pulse.
  • the bandwidth of the laser pulse after the spectrally filtering element under these filter conditions in practice best suited to achieve laser pulses with a pulse duration less than 10 ps.
  • the spectrally filtering element is an optical amplifier.
  • the spectrally filtering element can simultaneously perform an amplification function within the laser system, so that a laser system can be produced with as few optical components as possible.
  • the optical amplifier has an effective amplification bandwidth which is smaller than the spectral bandwidth of the spectrally broadened laser pulse.
  • the spectral bandwidth of the laser pulse after the optical amplifier is less than 75%, 50% or 25% of the spectral bandwidth of the spectrally broadened laser pulse.
  • the bandwidth of the active filtering is understood here as gain bandwidth including gain narrowing.
  • Further advantageous are optional elements which change the laser pulse with respect to its properties - such as pulse duration, pulse spacing, frequency, contrast, spectral composition - so that the characteristics and / or the quality of the output radiation of the laser system according to the invention are improved.
  • the laser system may comprise a pulse stretcher, by means of which the spectrally broadened laser pulses are stretched in time.
  • the laser system may have a pulse contrast enhancing element, which is arranged in the propagation direction of the laser pulse after the spectrally broadening and spectrally filtering element.
  • the laser system may comprise an element which divides the laser pulse in time, or else a frequency-converting element.
  • the laser system according to the invention can also be traversed several times by the output laser pulses of the pulsed laser.
  • the spectrally broadened and spectrally filtered laser pulses are spectrally broadened by means of the spectrally broadening element by self-phase modulation and compressed in time by the spectrally filtering element.
  • the pulses compressed in a first stage to less than 10 ps pulse duration can be compressed by means of a second stage to a pulse duration of, for example, less than 1 ps.
  • the laser system additionally has a compression element which temporally compresses the spectrally broadened laser pulses.
  • This additional compression element can be arranged either after the spectrally broadening element or after the spectrally filtering element.
  • the additional compression element may be a Bragg grating, a transmissive or reflective grating pair or a prism structure.
  • the compression element causes together with the spectral filtering element a two-stage and thus increased temporal compression.
  • the additional compensation of the phase terms within the additional compression element results in a significantly shorter pulse duration.
  • FIG. 1 shows an embodiment variant of the laser system according to the invention
  • Figure 2 a spectrum of a spectrally broadened
  • FIG. 3 Spectrum of the spectrally broadened
  • FIG. 5 temporal course of the spectrally filtered
  • FIG. 6 Spectrum of the spectrally broadened and filtered laser pulse after the adjustment of the secondary pulses
  • the laser 1 schematically shows a laser system which consists of a laser 1, a spectrally broadening element 2, a spectrally filtering element 3, a saturable absorber 4 and an amplifier 5.
  • the laser 1 is in this case a Q-switched laser.
  • the spectral broadening element 2 is an optical fiber.
  • the spectral filtering element 3 is an Nd: YAG amplifier which simultaneously amplifies the laser pulses.
  • the amplifier 5 in this case is also an Nd: YAG amplifier.
  • the laser system consists of a Q-switched laser 1, a spectrally broadening element 2 in the form of an optical fiber, an interference filter as a spectrally filtering element 3 and optionally additionally a saturable absorber 4 and an amplifier 5.
  • the laser system according to FIG. 1 functions so that the passively Q-switched laser 1 in the form of a microchip laser emits output laser pulses with an average power of 100 mW, a pulse duration of approximately 100 ps and a pulse repetition frequency of approximately 300 kHz at a wavelength of approximately 1064 nm , Assuming a Gaussian pulse shape in the vicinity of the transformation limit, the laser pulse has a spectral half width of 17 pm at the pulse duration of 100 ps.
  • the laser pulses then propagate in a 3 m long single-mode fiber with a mode field diameter of 6 pm.
  • the single-mode fiber acts as a spectrally broadening element 2 and broadens the spectrum to a bandwidth of about 1 nm.
  • the resulting spectrum is shown in FIG.
  • the laser pulses with a spectral bandwidth of now 1 nm are then applied to the spectral filtering element 3, which is a Nd.YAG amplifier with a gain bandwidth of 0.4 nm and a Peak gain of 400 at a center wavelength of 1064 nm.
  • the spectral filtering by means of the opposite to the input pulse lower gain bandwidth of the amplifier takes place simultaneously with the gain.
  • the filtered laser pulse has, after the spectrally filtering element 3, a pulse energy of 13.5 ⁇ and an average power of 4 W.
  • the spectral bandwidth is now only about 175 pm.
  • the associated spectrum is shown in FIG.
  • the spectral filtering simultaneously causes a temporal compression of the laser pulse.
  • the pulse duration after the spectral filtering in the present embodiment is 14 ps, it was thus shortened from the input 100 ps to 14 ps.
  • the time signal is shown in FIG.
  • the spectral broadening in the optical fiber 2 produces modulations which cause secondary pulses in the time domain, even after the spectral filtering and amplification.
  • These sub-pulses are here about 100 ps away from the main pulse and contain about 10% to 20% of the total pulse energy (FIG. 4).
  • the secondary pulses can be largely removed.
  • the saturable absorber 4 reduces the energy in the secondary pulse relative to the main pulse by one to two orders of magnitude when used once.
  • Figure 5 illustrates an artificially adjusted pulse.
  • FIG. 6 shows the associated modulation-free spectrum.
  • An alternative approach to avoiding the side pulses is a spectral filtering offset from the central wavelength of the spectrally broadened pulses, for example by targeted selection of the outermost wing of the self-phase modulation broadened spectrum.
  • the laser pulses hit an additional amplifier 5.
  • the amplifier 5 is identical in construction with the spectrally filtering element 3 in the present example.
  • the amplifier 5 could also be a Amplifier 5 with a larger gain bandwidth than that of the spectrally filtering element 3 be.
  • the first-pass amplifier 3 ie, the spectrally-filtering element
  • the amplifier 5 passed thereafter could be an Nd: YVO amplifier.
  • the laser system according to FIG. 7 functions similarly to the laser system according to FIG. 1.
  • the output laser pulses of the passively Q-switched laser 1 are also non-linearly broadened here in an optical fiber as a spectrally broadening element 2 by self-phase modulation.
  • These spectrally broadened laser pulses then pass into the spectrally filtering element 3, which is a passive filter, namely an interference filter here.
  • the passive filter has a filter bandwidth which is less than the spectral bandwidth of the spectrally broadened laser pulse. Due to the spectral filtering within the spectrally filtering element 3, the laser pulse is compressed in time.
  • the time-compressed pulses can optionally - as in FIG. 1 - be guided by a saturable absorber 4, an amplifier 5 and / or further optional pulse-shaping elements (not shown).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem gepulsten Laser 1. Lasersysteme auf der Grundlage gepulster Laser werden zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse verwendet. Im Stand der Technik sind bisher nur aufwändige, modengekoppelte Lasersysteme bekannt, die eine Pulsdauer unter 10 ps erreichen können. Diese sind jedoch stets komplexe und empfindliche Freistrahlaufbauten. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem zu schaffen, welches Pulsdauern unter 10 ps erzeugt und zugleich einfach und kompakt herzustellen ist. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass das Lasersystem ein spektral verbreiterndes Element (2) aufweist, welches die Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers 1 durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert, und ein spektral filterndes Element (3), welches die spektral verbreiterten Laserpulse durch spektrale Filterung zeitlich komprimiert, die spektrale Filterung kann über ein Interferenzfilter oder über Verstärkung mit z.B. einem schmalbandigen Nd: YAG-Verstärker erfolgen. Eine weitere Pulsformung erfolgt mit einem sättigbaren Absorber (4) und einem weiteren Verstärker (5).

Description

Lasersvstem mit spektraler Filterung Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem gepulsten Laser.
Lasersysteme auf der Grundlage gepulster Laser werden zur Erzeugung ultrakurzer Laserpulse verwendet. Im Stand der Technik sind bisher nur aufwändige, modengekoppelte Lasersysteme bekannt, die eine Pulsdauer unter 10 ps erreichen können. Eine einfache und kompakte Lösung zur Erzeugung von Laserpulsen im sub-10 ps-Bereich birgt daher erhebliches Marktpotential. Anwendungsgebiet ist unter anderem die hochpräzise Mikromaterial- bearbeitung, da der durch eine kurze Pulsdauer reduzierte Wärmeeintrag in das Material Qualitätsvorteile - z.B. präzisere Kanten beim Laserschneiden - bietet. Die im Stand der Technik bekannten modengekoppelten Festkörperlaser werden bisher als typische Quellen für ps-Pulse verwendet. Sie bestehen neben dem aktiven Medium aus einem nichtlinearen Schalter, z.B. einem sättigbaren Halbleiterspiegel und Elementen zur Dispersionskompensation. Diese komplexen und justageempfindlichen Freistrahlaufbauten liefern Pulsfolgefrequenzen im Bereich von 10 MHz bis größer als 100 MHz. Sinnvolle Pulsfolge- frequenzen für die meisten Applikationen sind jedoch solche unter 10 MHz, typischerweise einige 100 kHz. Daher müssen bei den bekannten, modengekoppelten Festkörperlasern zusätzlich Elemente eingesetzt werden, die die Pulsfolgefrequenz reduzieren. Gebräuchliche Elemente sind hierbei sog. resonatorverlängernde Spiegelanordnungen, welche jedoch die Komplexität der Aufbauten noch weiter erhöhen und diese somit justageempfindlich machen. Alternativ wird vor bzw. zwischen den Verstärkerstufen ein Pulspicker (z.B. eine Pockelszelle) eingesetzt, welcher die Pulsfolgefrequenz in den für die Applikation benötigten Bereich reduziert. Insgesamt sind die modengekoppelten
BESTÄTIGUNGSKOPIE Lasersysteme zumeist empfindliche Freistrahlaufbauten, wodurch sie nur bedingt für den kommerziellen Gebrauch geeignet sind.
Bekannt sind des Weiteren einfach aufgebaute und kompakte passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser, welche aus einem monolitischen Verbund aus sättigbarem Absorber, Laserkristall und Resonatorspiegel bestehen und mit einer Laserdiode durch eine einfache Optik gepumpt werden. Auf diese Weise können Pulse mit Pulsfolgefrequenzen von mehreren 10 kHz bis einigen MHz bei Pulsdauern zwischen 50 ps und 200 ps erzeugt werden. Eine Pulsdauer kleiner als 10 ps ist mit diesen Lasern bisher nicht möglich. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem zu schaffen, welches Pulsdauern unter 10 ps erzeugt und zugleich einfach und kompakt herzustellen ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass das Lasersystem ein spektral verbreiterndes Element aufweist, welches die Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert, und ein spektral filterndes Element, welches die spektral verbreiterten Laserpulse durch spektrale Filterung zeitlich komprimiert.
Durch Selbstphasenmodulation (SPM) innerhalb des spektral verbreiternden Elementes lässt sich die spektrale Breite der Laserpulse so vergrößern, dass sie durch anschließende spektrale Filterung zeitlich verkürzt werden können. Die Bandbreite des spektral filternden Elementes wird dabei so gewählt, dass sie kleiner ist als die spektrale Breite des zu filternden verbreiterten Laserpulses. Der so spektral gefilterte Laserpuls mit reduzierter spektraler Breite weist eine signifikant verkürzte Pulsdauer auf. Der Effekt der zeitlichen Verkürzung ist darauf zurückzuführen, dass die spektral verbreiternde Selbstphasenmodulation nur im Zeitbereich agiert.
Das Lasersystem kann als gepulsten Laser einen gütegeschalteten Laser, einen modengekoppelten Laser oder auch einen gewinngeschalteten Laser, z.B. einen Diodenlaser, aufweisen. Ebenso kann der gepulste Laser eine kontinuierlich emittierende Laserquelle sein, deren Strahlung durch externe optische Komponenten moduliert wird.
Für den Fall der Pulserzeugung durch Güteschaltung empfiehlt es sich, dass der gepulste Laser ein passiv gütegeschalteter Laser, insbesondere ein passiv gütegeschalteter Mikrochiplaser, ist. Durch ihren monolitischen Aufbau können Mikrochiplaser eine äußert kompakte Bauform erreichen und somit leicht in ein Lasersystem integriert werden.
Als Mikrochiplaser eignet sich insbesondere ein Verbund aus einem Neodymdotierten Vanadat-Kristall und einem sättigbaren Halbleiterspiegel. Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass der gepulste Laser longitudinal einmodige Laserpulse aufweist. Diese sog. „einfrequente" Emission des gütegeschalteten Lasers, d.h. die Emission einer einzelnen, wohl definierten longitudinalen Mode, ist vorteilhaft, aber nicht zwingend notwendig. Würden mehrere longitudinale Moden mit statistischer Phasenbeziehung zur Emission beitragen - was der üblichen Situation bei Güteschaltung entspricht -, wäre ebenso eine zeitliche Kompression der durch Selbstphasenmodulation neu erzeugten spektralen Anteile durch spektrale Filterung möglich. Die zeitlich komprimierten Pulse hätten dabei jedoch eine verschlechterte Qualität.
Vorteilhaft weist der gepulste Laser eine Pulsdauer auf, welche kleiner als 1 ns, kleiner als 200 ps oder kleiner als 50 ps ist. Ein gepulster Laser mit dieser Pulsdauer stellt eine bestens geeignete Ausgangsstrahlung zur Verfügung, um anschließend mittels der erfindungsgemäßen spektralen Verbreiterung und spektralen Filterung eine Pulsdauer kleiner als 10 ps zu erreichen.
Es wird vorgeschlagen, dass das spektral verbreiternde Element eine optische Faser, insbesondere eine optische Single-Mode-Faser, oder eine Wellenleiterstruktur ist. In einer geeigneten optischen Faser oder Wellenleiterstruktur tritt bei ausreichend geringem Faserdurchmesser bzw. ausreichend geringer Wellenleiterdicke üblicherweise Selbstphasenmodulation auf, die in einer spektralen Verbreiterung der geführten Strahlung resultiert. Vorteilhaft beträgt die spektrale Breite der spektral verbreiterten Laserpulse mindestens das fünffache, das zehnfache oder das zwanzigfache der spektralen Breite der Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers. In der Praxis haben sich diese Mindestverbreiterungsfaktoren als optimal für die anschließende spektrale Filterung bzw. die resultierende Pulsdauer des Lasersystems herausgestellt.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass das Lasersystem eine oder mehrere Verstärkerstufen aufweist. Hierbei können ein oder mehrere Verstärkerstufen faseroptische Verstärkerstufen sein. Zusätzlich ist es möglich, dass eine oder mehrere Verstärkerstufen als spektral verbreiterndes Element wirken, wobei diese insbesondere und mit Vorteil durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitern. Eine Verstärkung ist dabei durch einen einzelnen optischen Verstärker oder auch durch mehrere Verstärkerstufen möglich. Denkbar ist in diesem Sinne auch eine optische Verstärkerfaser, welche sowohl die Aufgabe der Verstärkung als auch die der spektralen Verbreiterung durch Selbstphasenmodulation übernimmt.
Es ist vorgesehen, dass das spektral filternde Element ein passives optisches Element aufweist. Dieses Element kann z.B. ein faseroptisches gechirptes Bragg-Gitter, ein volumenoptisches gechirptes Bragg-Gitter, ein konventionelles Gitterpaar in Transmission oder Reflektion oder auch ein Prismenaufbau, ein Lyot-Filter, ein Etalon oder ein Interferenzfilter oder eine Kombination von Interferenzfiltern sein.
Des Weiteren kann das spektral filternde Element ein nichtlineares optisches Element aufweisen. In Frage kommen hier insbesondere Elemente mit nichtlinearer Polarisationsdrehung, ein sättigbarer Absorber oder auch ein frequenzkonvertierendes Element, welches eine spektrale Filterung oder spektrale Beschneidung durch Phasenanpassung vornimmt.
Weiterhin kann das spektral filternde Element gleichzeitig aktive und passive optische Elemente aufweisen. Ein aktives optisches Element, zum Beispiel ein aktiver durchstimmbarer Filter, kann dabei so eingestellt werden, dass es die Filtereigenschaft des passiven optischen Elementes im Sinne der Erfindung optimal ergänzt. Vorteilhaft beträgt die spektrale Bandbreite des Laserpulses nach dem spektral filternden Element weniger als 75 %, 50 % oder 25 % der spektralen Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses. Die Bandbreite des Laserpulses nach dem spektral filternden Element ist unter diesen Filterbedingungen in der Praxis bestens geeignet, um Laserpulse mit einer Pulsdauer kleiner als 10 ps zu erreichen.
Eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung sieht vor, dass das spektral filternde Element ein optischer Verstärker ist. Somit kann das spektral filternde Element gleichzeitig eine Verstärkungsfunktion innerhalb des Lasersystems übernehmen, so dass ein Lasersystem mit möglichst wenigen optischen Komponenten hergestellt werden kann.
Es ist dabei vorgesehen, dass der optische Verstärker eine effektive Verstärkungsbandbreite aufweist, welche kleiner als die spektrale Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist. In der Praxis hat es sich zur Erreichung der erfindungsgemäßen Aufgabe als vorteilhaft herausgestellt, dass die spektrale Bandbreite des Laserpulses nach dem optischen Verstärker kleiner als 75 %, 50 % oder 25 % der spektralen Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist. Die Bandbreite der aktiven Filterung versteht sich hier als Verstärkungsbandbreite inklusive Gain-Narrowing. Vorteilhaft sind des Weiteren optionale Elemente, welche den Laserpuls in Bezug auf seine Eigenschaften - wie beispielsweise Pulsdauer, Pulsabstand, Frequenz, Kontrast, spektrale Zusammensetzung - so verändern, dass die Kenndaten und/oder die Qualität der Ausgangsstrahlung des erfindungsgemäßen Lasersystems verbessert werden. Zu diesem Zweck kann das Lasersystem einen Pulsstrecker aufweisen, mittels welchem die spektral verbreiterten Laserpulse zeitlich gestreckt werden. Weiterhin kann das Lasersystem ein den Pulskontrast verbesserndes Element aufweisen, welches in Ausbreitungsrichtung des Laserpulses nach dem spektral verbreiternden und spektral filternden Element angeordnet ist. Weiterhin kann das Lasersystem ein Element aufweisen, welches den Laserpuls zeitlich teilt, oder auch ein frequenzkonvertierendes Element. Schließlich kann das erfindungsgemäße Lasersystem auch mehrfach von den Ausgangslaserpulsen des gepulsten Lasers durchlaufen werden. Hierbei werden die spektral verbreiterten und spektral gefilterten Laserpulse mittels des spektral verbreiternden Elementes durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das spektral filternde Element zeitlich komprimiert. Mit einem solchen mehrstufigen Aufbau lassen sich die in einer ersten Stufe auf weniger als 10 ps Pulsdauer komprimierten Pulse mittels einer zweiten Stufe auf eine Pulsdauer von beispielsweise weniger als 1 ps komprimieren.
Schließlich ist vorgesehen, dass das Lasersystem zusätzlich ein Kompressionselement aufweist, welches die spektral verbreiterten Laserpulse zeitlich komprimiert. Dieses zusätzliche Kompressionselement kann wahlweise nach dem spektral verbreiternden Element oder auch nach dem spektral filternden Element angeordnet werden.
Das zusätzliche Kompressionselement kann ein Bragg-Gitter, ein transmittierendes oder reflektierendes Gitterpaar oder ein Prismenaufbau sein. Das Kompressionselement bewirkt dabei zusammen mit dem spektral filternden Element eine zweistufige und damit verstärkte zeitliche Komprimierung. Durch die zusätzliche Kompensation der Phasenterme innerhalb des zusätzlichen Kompressionselements ergibt sich eine deutlich verkürzte Pulsdauer. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur : eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Lasersystems;
Figur 2: ein Spektrum eines spektral verbreiterten
Laserpulses;
Figur 3: Spektrum des spektral verbreiterten
Laserpulses nach der spektralen Filterung;
Figur 4: zeitlicher Verlauf des spektral gefilterten
Laserpulses; Figur 5: zeitlicher Verlauf des spektral gefilterten
Laserpulses mit bereinigten Nebenpulsen;
Figur 6: Spektrum des spektral verbreiterten und gefilterten Laserpulses nach der Bereinigung der Nebenpulse;
Figur 7: eine weitere Ausführungsvariante
erfindungsgemäßen Lasersystems.
In Figur 1 ist schematisch ein Lasersystem dargestellt, welches aus einem Laser 1 , einem spektral verbreiternden Element 2, einem spektral filternden Element 3, einem sättigbaren Absorber 4 und einem Verstärker 5 besteht. Der Laser 1 ist hierbei ein gütegeschalteter Laser. Das spektral verbreiternde Element 2 ist eine optische Faser. Das spektral filternde Element 3 ist ein Nd:YAG-Verstärker, welcher die Laserpulse gleichzeitig verstärkt. Der Verstärker 5 ist in diesem Fall ebenfalls ein Nd:YAG-Verstärker.
In Figur 7 besteht das Lasersystem aus einem gütegeschalteten Laser 1 , einem spektral verbreiternden Element 2 in Form einer optischen Faser, einem Interferenzfilter als spektral filterndes Element 3 und optional zusätzlich einem sättigbaren Absorber 4 und einem Verstärker 5.
Das Lasersystem gemäß Figur 1 funktioniert so, dass der passiv gütegeschaltete Laser 1 in Form eines Mikrochiplasers Ausgangslaserpulse einer mittleren Leistung von 100 mW, einer Pulsdauer von ca. 100 ps und einer Pulsfolgefrequenz von ca. 300 kHz bei einer Wellenlänge von ca. 1064 nm emittiert. Unter Annahme einer Gauß-förmigen Pulsform in der Nähe des Transformationslimits besitzt der Laserpuls bei der Pulsdauer von 100 ps eine spektrale Halbwertsbreite von 17 pm. Die Laserpulse propagieren anschließend in einer 3 m langen Single-Mode-Faser mit einem Modenfelddurchmesser von 6 pm. Die Single-Mode-Faser wirkt als spektral verbreiterndes Element 2 und verbreitert das Spektrum auf eine Bandbreite von ca. 1 nm. Das resultierende Spektrum ist in Figur 2 dargestellt.
Die Laserpulse mit einer spektralen Bandbreite von nunmehr 1 nm werden anschließend auf das spektral filternde Element 3 gegeben, welches ein Nd.YAG-Verstärker mit einer Verstärkungsbandbreite von 0,4 nm und einem Spitzenverstärkungsfaktor von 400 bei einer Zentralwellenlänge von 1064 nm ist. Die spektrale Filterung mittels der gegenüber dem Eingangspuls geringeren Verstärkungsbandbreite des Verstärkers findet gleichzeitig mit der Verstärkung statt.
Der gefilterte Laserpuls weist nach dem spektral filternden Element 3 eine Pulsenergie von 13,5 μϋ und eine mittlere Leistung von 4 W auf. Die spektrale Bandbreite beträgt nun lediglich ca. 175 pm. Das zugehörige Spektrum ist in Figur 3 dargestellt.
Die spektrale Filterung bewirkt gleichzeitig eine zeitliche Kompression des Laserpulses. Die Pulsdauer nach der spektralen Filterung beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 14 ps, sie wurde somit von eingangs 100 ps auf 14 ps verkürzt. Das Zeitsignal ist in Figur 4 dargestellt.
Falls der Ausgangslaserpuls des Lasers 1 kein parabolischer Puls ist, entstehen bei der spektralen Verbreiterung in der optischen Faser 2 Modulationen, welche im Zeitbereich - auch nach der spektralen Filterung und Verstärkung - Nebenpulse verursachen. Diese Nebenpulse sind hier etwa 100 ps vom Hauptpuls entfernt und beinhalten etwa 10 % bis 20 % der Gesamtpulsenergie (Figur 4).
Durch einen sättigbaren Absorber 4 können die Nebenpulse weitgehend entfernt werden. Der sättigbare Absorber 4 reduziert die Energie im Nebenpuls relativ zum Hauptpuls bei einmaliger Anwendung um 1 bis 2 Größenordnungen. Figur 5 veranschaulicht einen in der Art bereinigten Puls. Figur 6 zeigt das zugehörige modulationsfreie Spektrum.
Ein alternativer Ansatz zur Vermeidung der Nebenpulse ist eine spektrale Filterung versetzt zur Zentralwellenlänge der spektral verbreiterten Pulse, beispielsweise durch gezielte Auswahl der äußersten Flügel des durch Selbstphasenmodulation verbreiterten Spektrums.
Nach dem sättigbaren Absorber 4 treffen die Laserpulse auf einen zusätzlichen Verstärker 5. Der Verstärker 5 ist im vorliegenden Beispiel baugleich mit dem spektral filternden Element 3. Alternativ könnte der Verstärker 5 jedoch auch ein Verstärker 5 mit einer größeren Verstärkungsbandbreite als die des spektral filternden Elementes 3 sein. Beispielsweise könnte der zuerst durchlaufene Verstärker 3 (d.h. das spektral filternde Element) ein Nd:YAG-Verstärker und der danach durchlaufene Verstärker 5 ein Nd:YVO-Verstärker sein. Eine solche zweistufige Verstärkung führt zu keiner signifikanten Veränderung der spektralen sowie zeitlichen Charakteristik.
Das Lasersystem gemäß Figur 7 funktioniert ähnlich wie das Lasersystem gemäß Figur 1. Die Ausgangslaserpulse des passiv gütegeschalteten Lasers 1 werden auch hier in einer optischen Faser als spektral verbreiterndes Element 2 durch Selbstphasenmodulation nichtlinear verbreitert. Diese spektral verbreiterten Laserpulse gelangen dann in das spektral filternde Element 3, welches ein passiver Filter, nämlich hier ein Interferenzfilter, ist. Der passive Filter hat eine Filterbandbreite, welche geringer als die spektrale Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist. Durch die spektrale Filterung innerhalb des spektral filternden Elementes 3 wird der Laserpuls zeitlich komprimiert.
Anschließend können die zeitlich komprimierten Pulse optional - wie in Figur 1 - durch einen sättigbaren Absorber 4, einen Verstärker 5 und/oder weitere optionale pulsformende Elemente (nicht dargestellt) geführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Lasersystem mit einem gepulsten Laser (1 ), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h ein spektral verbreiterndes Element (2), welches die Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers (1 ) durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert, und ein spektral filterndes Element (3), welches die spektral verbreiterten Laserpulse durch spektrale Filterung zeitlich komprimiert.
2. Lasersystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der gepulste Laser (1 ) longitudinal einmodige Laserpulse aufweist.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral verbreiternde Element (2) eine optische Faser, insbesondere eine optische Single-Mode-Faser ist.
4. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral verbreiternde Element (2) eine Wellenleiterstruktur ist.
5. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Breite der spektral verbreiterten Laserpulse mindestens das fünffache der spektralen Breite der Ausgangslaserpulse des gepulsten Lasers (1 ) beträgt.
6. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Verstärkerstufen (5), insbesondere faseroptische Verstärkerstufen.
7. Lasersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Verstärkerstufen (5) als spektral verbreiterndes Element (2) wirken.
8. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral filternde Element (3) ein passives optisches Element aufweist.
9. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral filternde Element (3) ein nichtlineares optisches Element aufweist.
10. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die spektrale Bandbreite des Laserpulses nach dem spektral filternden Element (3) kleiner als 75 % der spektralen Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses ist.
11. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das spektral filternde Element (3) ein optischer Verstärker ist, welcher eine effektive Verstärkungsbandbreite kleiner als die spektrale Bandbreite des spektral verbreiterten Laserpulses aufweist.
12. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch ein zusätzliches Kompressionselement, welches die spektral verbreiterten Laserpulse oder die spektral gefilterten Laserpulse zeitlich komprimiert.
13. Lasersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Kompressionselement ein Bragg-Gitter, ein transmittierendes oder reflektierendes Gitterpaar oder ein Prismenaufbau ist.
14. Verwendung eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für die Erzeugung ultrakurzer Laserpulse.
15. Verwendung eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die spektral verbreiterten und spektral gefilterten Laserpulse mittels des spektral verbreiternden Elementes (2) durch Selbstphasenmodulation spektral verbreitert und durch das spektral filternde Element (3) zeitlich komprimiert werden.
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