WO2002011252A2 - Laser für anwendungen in der nichtlinearen optik - Google Patents

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    • H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
    • H01S3/1118—Semiconductor saturable absorbers, e.g. semiconductor saturable absorber mirrors [SESAMs]; Solid-state saturable absorbers, e.g. carbon nanotube [CNT] based

Definitions

  • the invention relates to a laser with high output power and high repetition rate for applications in nonlinear optics according to the preamble of claim 1, a method for generating laser pulses according to the preamble of claim 15, a use of a laser for generating UV emissions according to claim 18 and a frequency conversion light source according to claim 19.
  • Solid-state lasers with high peak peak powers are used in many fields of application.
  • the high output power is particularly suitable for utilizing non-linear optical effects.
  • generation of UV light can be effected by the emission of an Nd: YAG or Nd: Vanadat laser with circular quality modulation, which is to be referred to below as the Q switch in the following, by two nonlinear optical ones Crystals with a narrow focus is carried within these crystals.
  • the third harmonic is generated, which leads to a strong emission with frequency tripling and a wavelength of 355nm.
  • 266nm or even shorter wavelengths can be generated.
  • Such Q-switch lasers can be pumped using flash lamps or laser diodes.
  • R-FPSA Fabry-Perot absorber
  • TPA two-photon absorber
  • An object of the invention is to provide a laser source with simultaneously high pulse repetition rates greater than 100 kHz and high output power or peak power, which are particularly suitable for utilizing nonlinear optical effects, such as UV generation or two- or multi-photon absorption is.
  • Another object of the invention is to provide a laser source which is at least comparable in terms of its performance to previous mode-locked lasers, but nevertheless enables a more compact design.
  • the invention is based on the idea of using a combination of Q-switch and mode coupling to achieve a compact laser structure which combines high pulse repetition rates of more than 100 kHz with simultaneous, high output powers.
  • the laser emission can be used particularly advantageously for utilizing non-linear optical effects.
  • One embodiment consists in a diode-pumped solid-state laser with a particularly compact resonator (length ⁇ 0.75 m), which contains a saturable absorber, and which is operated in a mode which represents a combination of Q-switch and mode coupling, the time between the mode-locked pulses lies in the nanosecond range and corresponds to the resonator round trip time, while the repetition rate of the Q-switch pulses is of the order of a few hundred kilohertz and leads to a modulation of the mode-locked pulses, in which the Q-switch pulses the envelope of the mode-locked ones Display pulses.
  • This combination of Q-switch and mode coupling leads to a series of ultra-short pulses.
  • the emittable power approximately corresponds to the integral over the pulse duration, there is a connection between the pulse height and the pulse duration. With this construction, peak peak power in the range of a few kW can be achieved. With this power and the possible compact design, the laser is particularly suitable for applications of non-linear optics or for applications with special requirements for the size of the laser used.
  • the pulse repetition rate is determined by the resonator round trip time, which in turn depends on the resonator length.
  • the repetition rate of the pulses from Q-Switch lasers is determined by the following points:
  • the circulation losses result from the sum of the proportions of the losses due to decoupling, modulation depth of the saturable semiconductor absorber and further losses. It follows that lower circulation losses lead to a higher repetition rate of the Q-Switch pulses.
  • Fig.l shows the schematic structure of a mode-locked Q-Switch (MLQSW) laser and the possible structure of an arrangement for utilizing nonlinear optical effects using the MLQSW laser according to the invention, e.g. for frequency multiplication in a frequency conversion light source according to the invention.
  • MLQSW mode-locked Q-Switch
  • the laser essentially consists of a pump laser source 1, for example a laser diode, which pumps a laser medium 5 via transmission optics 2 and a dichroic mirror 3, which is a component of the laser resonator, wherein the laser medium 5 can also represent an end of the resonator ,
  • the resonator has the laser mirrors 4 and 7 and, if appropriate, further beam- or mode-shaping ones optical elements 6, and at least one saturable absorber element, for example a saturable semiconductor (SESAM), which generates a mode-locked Q-switch operation of the laser.
  • the saturable semiconductor is part of the mirror 7, while the mirror 4 is used for coupling out of the resonator.
  • the light from the pump laser source 1 is imaged into the laser medium 5 by an optical transmission system 2.
  • the volume excited in the laser medium 5 is essentially positioned within the laser mode, which is defined by the mirrors 4 and 7 of the laser resonator.
  • the mirror 4 is partially reflective in the region of the laser wavelength and thus serves as a decoupler.
  • the mode-locked Q-Switch laser EF 1 " 1 Ssion S is subsequently guided after a deflection by a mirror 8 through a structure with non-linear optics 9 for frequency conversion of the laser emission, again using further beam-shaping optical elements 6.
  • laser emission can also be used to focus in a medium in which two- or multi-photon effects locally change the properties of this medium.
  • Subsequent frequency conversion of a laser beam from a compact MLQSW laser The efficiency of a frequency conversion is determined by the peak peak power of the incident laser beam. This is why an MLQSW laser has the advantage of achieving greater efficiency than a comparable mode-locked (i.e. with the same resonator length) or Q-switch laser.
  • a mode-locked Q- Switch laser which is operated with a wavelength in the range of 750 nm .. 980 nm __ (such as with a diode-pumped MLQSW Cr: LiSAF, Cr: LiCAF, Cr: LiSGAF, Nd: YAG, Nd: Vanadat - or alexandrite laser, which emits with the corresponding line), generate a frequency conversion into the blue area by a single pass through a nonlinear optical medium.
  • Such media are, for example, lithium triborate, potassium niobate, etc.
  • the conversion efficiency of the generation of the third harmonic is even more dependent on the peak peak power. Therefore, an efficient UV laser can be obtained by using a mode-locked Q-switch Nd: vanadate laser, which is frequency-converted in a sequence of two ⁇ i lithium triborate crystals.
  • the first crystal generates 532 nm laser light from the incident 1064 nm laser light
  • the second crystal mixes the 532 nm and 1064 nm light to effect efficient frequency conversion to a wavelength of 355 nm.
  • the UV beam (355 nm) can then be used, for example, in an embodiment in which means for scanning pass a focused laser beam through a synthetic resin that hardens when exposed to 355 nm light.
  • This laser is therefore suitable for stereolithographic applications in which a three-dimensional pattern is produced from hardened synthetic resin within liquid synthetic resin. Due to the high achievable repetition rate of> 100 kHz, there are only a few restrictions compared to the Q-Switch lasers with their repetition rates of a few tens of kHz, in terms of the speeds at which the beam is guided through the synthetic resin.
  • An optical switch in the laser beam path can be used to control the writing process of the structure in the medium.
  • a tunable diode-pumped MLQSW laser e.g. with Cr: LiSAF, can be used to obtain tunable UV light with a high degree of compactness and high-frequency frequency conversion efficiency.
  • the MLQSW laser can also be used to generate fourth, fifth or higher harmonics, whereby light with high intensity and wavelengths in the ultraviolet or deep ultraviolet range is generated.
  • the fourth harmonic of an MLQSW Nd vanadate laser generates light with a wavelength of 266 nm, the fifth harmonic of 213 nm if suitable nonlinear optical materials, such as the borates BaB 2 0 4 (BBO), LiB 3 0 5 (LBO) or CsLiBgOio (CLBO) can be used for frequency conversion.
  • MLQSW optical parametric generation The nonlinear optical process of optical parametric generation (OPG), optical parametric oscillation (OPO) or optical parametric amplification (OPA) can be used in conjunction with an MLQSW laser to generate frequency shifts to reach.
  • OPG optical parametric generation
  • OPO optical parametric oscillation
  • OPA optical parametric amplification
  • these processes can be used to obtain visible light, such as the colors red, green and blue, for laser displays or consumer electronics applications can be used.
  • "colors" can be generated in the infrared, which can be used for applications in molecular or gas sensors.
  • the achievable compactness of the MLQSW laser is in turn the basis for a high compactness of the overall system.
  • the subsequent optical parametric oscillation has an optical length which is identical to the MLQSW laser length and is therefore as short as the length of the MLQSW laser resonator, which results in a compact system.
  • the MLQSW laser can also be used in combination with two- or multi-photon absorption effects in a variety of materials. This can e.g. Multi-photon stereolithography, in which the curing of the synthetic resin is effected by two- or multi-photon absorption.
  • optical two-photon storage media using MLQSW lasers can be written.
  • the high repetition rate of the Q-switch envelopes of the mode-locked pulses leads to increased achievable write rates compared to Q-switch lasers.
  • the higher peak peak power results in more efficient and faster writing and / or low power consumption.
  • the MLQSW lasers in particular can be used well in conjunction with any nonlinear optical process or application
  • Pulse duration, f rep denotes the repetition rate of the pulses and where n> 2 applies. Due to the increased pulse energy and short pulse duration of MLQSW lasers, the coefficient of performance achieved is significantly higher than that achievable with comparable continuous-wave mode-locked or Q-Switch lasers. In addition, the MLQSW laser can be kept more compact and simple than the other lasers.
  • FIG. 1 schematically illustrates an alternative embodiment using the following components:
  • the embodiment described here uses a laser diode array 1a, which is focused into the laser medium 5 via a transfer lens 2 and a dichroic mirror 3 and which achieves a pumping intensity of approximately -20 "kW / cm 2 .
  • This can be accomplished in a compact manner, for example, by using a pump assembly as described in PCT Application No. PCT / EP00 / 05336 dated June 9, 2000, US Application No. 60 / 146,472 dated July 30, 1999 and US Application No. 09 / 489,964 dated January 24, 2000 and is hereby considered to be disclosed within the scope of the present invention.
  • the structure described there is compact and uses a small number of optical elements for imaging the pump light which is emitted by the laser diode array 1 a.
  • Alternative realizations use fiber optic means for coupling the pump light of the Lc "'".
  • Earth diodes into the laser medium 5.
  • the structure shown in FIG. 2 generates a mode-locked Q-switch laser emission S with laser pulses lasting approx. 5-10 ps and one Repetition rate close to 1 MHz. This high repetition rate is sufficiently high for many applications and meets the need for the high repetition rates that are required for many laser applications and for which the repetition rates of a few ten kHz of the typical Q-switch laser are not sufficient.
  • Laser medium Nd: vanadate is used as laser medium 5. This medium has a relatively high gain cross section and also a relatively high small signal gain, which is proportional to the product of the lifetime of the upper laser level and the cross section of the emission. The small signal amplification determines how quickly the pulse build-up takes place within the envelope generated by the Q-Switch. "If Nd: Vanadat is used, pulse durations of the order of a few picoseconds can be achieved due to the emission bandwidth.
  • the neodymium doping of the Nd: vanadate is chosen to be low enough (eg Nd doping ⁇ 1% for absorbed pump powers of> 5W) so that the absorption length is long enough to destroy the crystal at full pump power
  • the doping is chosen to be high enough (eg Nd doping> 0.1%) so that a sufficient proportion of the pumping light is absorbed in the laser medium.
  • Alternative laser media are Nd: YLF, Nd: YAG, Nd: glasses , Cr: LiSAF, Cr: LiCAF, Cr: LiSGAF, Yb: YAG, Yb: glasses, Nd: vanadate operated for the 917 nm line, Nd: vanadate operated for the 1340 nm line, Nd: YAG operated for the 946 nm line, or any other laser material that has sufficient absorption in a range for which laser diodes are available.
  • a laser cavity is formed with a set of highly reflective laser mirrors la-lc, which are positioned around the laser medium 5 in such a way that the total length of the cavity is approximately 20 cm, which means a resonator cycle time of 1.33 ns or corresponds to a repetition frequency of the pulses of approximately 750 MHz.
  • the side of the laser medium 5 which is on the outside with respect to the resonator is designed as a mirror with a reflectivity with respect to the resonator of 98% (for 1064 nm) and a transmittance for the pump light of> 90%.
  • the distance between this surface of the laser medium 5 and the mirror 7a is 41 mm, the respective distance between the mirrors 7a and 7b or 7b and 7c is 61 mm, and the distance between the mirror 7c and SESAM 7d is again 41 mm.
  • the mirrors 7a to 7c are highly reflective and have the following radii of curvature (ROC):
  • a guideline for the implementation is the adjustment of the laser medium and the light spot of the pump beam as accurate as possible to achieve maximum gain. This can be achieved, for example, by an arrangement as described in D. Kopf, KJ Weinberger, G. Zhang, M. Moser, A. Prasad, MA Emanuel, RJ Beach, JA Skidmore, U. Keller, Invited Paper, " High-average-power diode-pumped femtosecond Cr: LiSAF lasers, "Applied Physics B, vol. 65, pp. 235-243, 1997 and is hereby considered to be disclosed within the scope of the present invention.
  • This laser resonator is extremely compact compared to many typical mode-locked laser resonators, which have a repetition rate of approximately 80 MHz, for example.
  • peak outputs can still be achieved with a correspondingly greater compactness, which are of the same order of magnitude as in a continuous-wave mode-locked laser resonator that is approximately ten times longer.
  • Q-Switch mode coupling can also be used in a long laser resonator, which means that higher peak peak powers are achieved than with the corresponding operation in continuous-wave mode coupling.
  • Saturable absorber The cavity contains a saturable absorber.
  • a saturable absorber For a laser wavelength of 1064 nm, as represented here by SESAM 7d, this can be a saturable semiconductor absorber that uses indium gallium arsenide as the saturable material, which is embedded in a structure made of gallium arsenide and aluminum arsenide, which in its entirety as saturable absorber.
  • Mirror acts (See “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 dielectric Coatings are applied to the surface of this structure, which can influence the saturation parameters and the modulation depth.
  • the saturable absorption effect in units of the modulation depth, can range from fractions of a percent to a few percent of the incident laser light.
  • the modulation depth can be designed - Parameters are used to design the final laser parameters, such as the frequency of the Q-switch pulses, the pulse duration, etc.
  • saturable absorbers offer the advantage of particularly short switching times.
  • other optical switches such as mechanical switches, electro-optical switches or acousto-optical switches, can also be used to generate a Q switch.
  • the switching times of the mechanical systems are in the microsecond range, so that use for a laser according to the invention does not currently appear to be possible.
  • electro-optical switches for example using the Pockels or Kerr effect, definitely approach the switching times that can be achieved with saturable absorbers.
  • the mode coupling can be omitted saturable absorbers can also be achieved by active coupling or by synchronous pumping.
  • loss modulation is generated by an externally controlled modulator near a Ronator mirror.
  • Suitable components are available in the form of electro-optical and acousto-optical modulators.
  • the synchronous pumping takes place, quasi as a counterpart to the modulation of the losses, by periodically modulating the gain, which can be done, for example, by synchronously pumping the laser with the mode-locked pulse train of another laser.
  • Mode-locked Q-Switch operation of the laser:
  • SESAM InGaAs / GaAs-based saturable semiconductor absorbers
  • the mode-locked Q-Switch pulse train is a mode-locked pulse train, the envelope of which is strongly modulated in the form of a Q-Switch pulse.
  • This normally undesirable effect has the advantage that peak peak powers are achieved which are much higher than those achieved by comparable laser resonators with a pure Q switch or pure mode coupling. Since the mode-locked pulse train is "chopped" and the emission in Rise pulses (the term “giant pulse” is used to refer to the term “giant pulse laser” for Q-switch lasers, see, for example, FK Kneubühl, MW Sigrist, "Laser", p.
  • MLQSW peak peak power in MLQSW operation is much higher, that is often up to an order of magnitude than even the power that can be achieved with operation with continous-wave mode coupling. Therefore, MLQSW can be used in comparison to mode coupling or the Q-Switch for a comparable laser (such as with the same resonator length) to obtain exceptionally high peak peak powers, which are particularly suitable for efficient frequency conversion, such as for UV generation, especially the generation of harmonics the third or higher order is supported by the high power.
  • MLQSW laser resonator with high repetition rates of the Q-switch envelopes of the mode-locked pulses results in a typical Q-switch pulse frequency that is in the order of magnitude of a few tens kHz up to the range of 100-200 kHz. Many applications require higher ones
  • the laser cavity can be designed so that the losses during the resonator revolution are low, e.g. on the order of a few percent or even less.
  • short cavities can be designed so that the losses during the resonator revolution are low, e.g. on the order of a few percent or even less.
  • FIG. 3 shows the pulse train of an Nd: YLF-MLQSW laser according to the invention with a structure described in FIG.
  • a pump power of 16 W an output power of the laser of 4.02 W is achieved, with the Q-switch repetition rates at 350 kHz and the repetition rates of the loop coupling at about 700 MHz.
  • the saturable semiconductor absorber (SESAM) used has a modulation depth of approx. 0.15% and a saturation fluence of approx. 1 mJ / cm 2 .
  • the curve was recorded by measuring the photodiode signal, which measures the laser beam or the pulse train, using a Spectrum Analyzer HP E4401 B from Firam Hewlett-Packard as a measuring device.
  • the frequency spectrum of the photodiode signal is plotted against the frequency in order to illustrate the noise-free MLQSW operation.
  • the middle frequency component of approx. 705 MHz illustrates the modelocking repetition frequency corresponding to the resonator circulation frequency. While no sidebands occur with pure mode coupling, in this case strong sidebands indicate the Q-Switch and the associated strong modulation of the mode-locked pulse train.
  • the Q-switch repetition rate of 350 kHz can be read from the frequency spacing of the sidebands.
  • the fact that the Frequency components are clearly modulated through, corresponds to noise-free MLQSW operation.
  • FIG. 4 shows schematically the use of light which is generated by means of a frequency conversion light source according to the invention based on the basic principle of FIG.
  • a frequency conversion light source 10 from an MLQSW laser source with subsequent frequency conversion into the ultraviolet range produces a laser emission S into a scanning device 13 via a deflection mirror 11 and an optical switch 12, which can be implemented, for example, electro-optically or electro-acoustically is coupled.
  • a scanning device structures are placed in an absorbent medium, e.g. a UV-sensitive synthetic resin. In interaction with the UV light, the exposed zones change their physical or chemical properties, for example by curing.

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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 unterworfen 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 Tqs und Tres 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
Figure imgf000012_0001
besitzen, wobei Ep die Energie pro Puls, tp die
Figure imgf000012_0002
Pulsdauer, frep 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.
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