WO2003012941A2 - Device for controlling the dynamics of laser systems - Google Patents

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WO2003012941A2
WO2003012941A2 PCT/EP2002/008104 EP0208104W WO03012941A2 WO 2003012941 A2 WO2003012941 A2 WO 2003012941A2 EP 0208104 W EP0208104 W EP 0208104W WO 03012941 A2 WO03012941 A2 WO 03012941A2
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controlled
dynamic
resonator
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Franz Xaver KÄRTNER
Uwe Morgner
Thomas Schibli
Wolfgang Seitz
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Universität Karlsruhe
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1109—Active mode locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/1061—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using a variable absorption device

Definitions

  • the present invention relates to what is claimed in the preamble. It deals with the control of laser dynamics, especially the control against rapid instabilities.
  • a certain behavior will be optimal for an application; A suitable design of the laser system can be used to try to obtain this optimal behavior at least approximately; this also applies to a desired dynamic behavior.
  • the freely selectable parameters are often not sufficient with regard to their finite variation possibilities and number, so that the dynamic properties of the laser system achieve the desired requirements.
  • the instabilities and power fluctuations can be controlled through active feedback.
  • the start-up behavior of passively mode-locked lasers can be improved by suitable modulation of the losses and / or the net gain within the resonator, or the mode locking can be implemented entirely by loss modulation and / or a modulation of the net gain, which is then referred to as active mode locking.
  • TR Schibli, U. Morgner and FX Kärtner have also published "Control of Q-switched mode locking by active feedback," Optics Letters (OSA), Vol. 26, No. 3, Feb. 1 / 2,001, presented a method that dynamically changes one or more parameters of the laser system through active feedback. In this way, the feedback loop can modulate the pumping power of the laser system.
  • An optically controlled interactive Q-switch is also known from US Pat. No. 5,408,480, which responds to a short light pulse, for example from external light emitting devices. diodes or diode lasers to generate an output laser pulse from electronic energy stored in a laser. The switching frequency is intended to provide independent regulation of the output laser pulse width with a fast rise time for each output laser pulse.
  • a laser system is also known in which the laser pulse energy is controlled by feedback from the laser Q-switch.
  • a feedback signal is used to control the duration of the high loss state of the Q switch to automatically adjust the output pulse energy.
  • a microlaser cavity is known and an externally controlled, passive switching microlaser for pulses with a saturable absorber and a device for introducing a beam into the microlaser cavity, which triggers the saturation of the saturable absorber.
  • Also known from DE 199 62 047 AI is a device for fast active stabilization of the output laser power, a fraction of the output signal of the laser, regulated by active feedback, being fed to the input of the laser in such a way that the laser output power mediated via the resonator cycle time remains constant.
  • DE 196 07 689 AI shows a quality-controlled solid-state laser that has a narrow-band laser diode that delivers a narrow-band output radiation as seed radiation to excite a solid, so that only a single wavelength-stable longi- tudinal mode swings and corresponding radiation is emitted.
  • Loss modulators are known, for example, which are based on the electro-optical or acousto-optical effect. However, these often require voltages in the range of a few kilovolts, which is a limiting factor with regard to high bandwidths. Furthermore, known loss modulators based, for example, on the electro-optical or acousto-optical effect, are not suitable for use in a laser resonator with a high repetition rate, because the optical path length of these modulators is generally a few centimeters. This makes their use in laser resonators of 1.5 cm optical length, corresponding to a pulse repetition rate of 10 GHz, impossible.
  • Known loss modulators which are based, for example, on the electro-optical, electro-absorptive or acousto-optical effect, also generally influence the properties of a laser in such a negative manner due to their optical properties, in particular their insertion losses, optical dispersion, thermally induced lens or limited bandwidth. that their use is further restricted.
  • passive mode-locked laser systems which use so-called saturable semiconductor absorbers for passive mode locking.
  • SBR so-called “Saturable Bragg Reflector”
  • SAM ie” Saturable Absorber Mirror
  • SESAM SESAM
  • ie SEmiconductor Saturable Absorber Mirror
  • the aim of the present invention is to provide something new for commercial use.
  • a dynamic-controlled laser with a resonator and a laser power detection is thus proposed, which is characterized in that a light source controlling an optical modulator in response to the detected laser power is provided for dynamic control and the laser power detection is designed to detect the laser power averaged by the resonator.
  • Various optical modulators can now be used. In principle, it is possible to influence the emission of the dynamically controlled laser by modulating a control light source.
  • the modulation of a control light source is often very fast, that is possible with high frequencies; since the influencing of an optical modulator by control light is a process that can take place very quickly, for example because fast solid-state processes such as band transitions in semiconductors or the like. a particularly high-frequency dynamic control is possible.
  • the present invention thus allows the construction of a fast and inexpensive loss or gain modulator that can be used within a laser resonator without negatively affecting its optical properties - apart from the modulable losses or gains.
  • the optical modulator is a loss modulator, which provides for a loss, in particular in the resonator, due to the light source control.
  • the optical modulator can then consist of a semiconductor material which has a predetermined minimum absorption at the wavelength of the controlling light source, which is sufficient to generate such a quantity and / or density of charge carriers that the laser light of the laser to be controlled with regard to its dynamics is desired is absorbed and / or amplified, while the semiconductor material not acted on by control light source is at least largely transparent to the laser light of the laser to be checked with regard to its dynamics.
  • a device for laser dynamics control can be used both inside and outside a laser resonator and it is possible and preferred if the dynamics-controlled laser has an absorber mirror which comprises and / or represents a saturable Bragg reflector, a semiconducting saturable absorber mirror and / or a Fabry-Perot resonator is assigned, the transmission behavior and / or reflection behavior of which can be changed by the control light source.
  • the saturable absorber mirror can typically consist of a layer stack of two materials which differ in the optical refractive index. The layer thicknesses of this stack are chosen so that their optical thicknesses correspond to a quarter wavelength of the laser light.
  • Bragg reflectors By this structure, which is referred to as "Bragg reflectors", produces a highly reflective mirror at the wavelength of the laser '.
  • a saturable absorber is typically applied to this structure, which has the property that its losses are low with high-intensity lighting and high with low-intensity lighting. These saturable absorbers can be achieved by a variety of arrangements.
  • a particularly advantageous feature of the devices according to the invention is the preferably implemented possibility of using the externally controllable free charge carrier absorption in a targeted manner with a loss modulator.
  • the optical modulator uses the principle of free charge carrier absorption, which is also referred to as "FCA” for “free carrier absorption”, or the principle of the optical refractive index change caused by the free charge carriers within a semiconductor layer or within a potential well, which is also called “QW" for "quantum well”.
  • a saturable absorber according to the invention is therefore preferably realized with a “quantum well” structure (QW).
  • QW quantum well structure
  • a material that is transparent to the wavelength of the laser can typically be placed on the so-called “Bragg- Mirror "in which the QW structure is embedded at a suitable distance from the Bragg mirror.
  • This transparent layer can now be selected so that it absorbs light from the auxiliary or control light source, which generates free charge carriers and lead the free charge carriers in this layer for the laser light to additional losses.
  • additional layers are applied, finally, leading for example to a field increase or a field reduction within the optically mo 'dulierbaren layer and the embedded QW structure.
  • an additional layer which minimizes the Fresnel reflection on the optically modulatable layer for wavelengths in the range of 1530 nm, ie serves as an anti-reflective coating if it is used with a laser emitting at or at this wavelength.
  • a loss modulator means which has thin semiconductor layers, for example in the range from a few hundred nm to a few ⁇ m in thickness.
  • the powers required to control the losses within the thin, preferably a few hundred nanometers to a few micrometers thin layer are only in the range of a few tens of milliwatts.
  • the light of an inexpensive laser diode of low power can be used, which permits direct modulation in the range of up to several GHz.
  • the semiconductor layers themselves are preferably selected so that the lifetime of the free charge carriers is only short. Due to the short lifespan of the free charge carriers in thin semiconductor layers of typically 10 ps to 1 ns, such devices according to the invention can be controlled much faster than, for example, in the case of direct modulation of the gain of the laser medium, i.e. a modulation of the pumping power, because the relevant characteristic time is the lifetime of the inversion of the winning medium, which is between I ⁇ s and 10ms in the usual solid materials.
  • the devices according to the invention can be used both for suppressing the power fluctuations and dynamic instabilities, such as Q-switch instabilities, of a laser system, as well as for starting the passive mode coupling and / or for active mode coupling, and for controlling and / or suppressing low-frequency and / or suppressing low-frequency and / or high-frequency fluctuations and / or for external noise suppression and / or for external intensity modulation can be used.
  • Loss modulators of the invention can preferably be used, for example, for active mode coupling, for active stabilization and for starting laser systems. In many cases, the use of such a loss modulator does not or only insignificantly affects the properties of the laser system - apart from the newly obtained possibility of controllable absorption.
  • the principles of the invention can also and especially be used in laser systems with high repetition rates.
  • a laser is preferably assigned a laser power detection for detecting the instantaneous laser output power and a linear or non-linear controlled system which is designed and provided to control the Control light source for optical control of the optically controlled loss or low modulator in the laser resonator.
  • the laser power detection is designed to detect the laser power averaged over a resonator circulation; the modulator controller can be designed for linear and / or non-linear response to the detected laser power, so as to form a linear or non-linear controlled system.
  • control light source and / or its control can and is now preferably designed so that it is possible to start the mode coupling process of the laser system and / or to effect and / or support a regenerative laser system mode coupling. Protection is also claimed for a device for controlling the dynamics of a laser in a dynamics-controlled laser according to one of the preceding claims.
  • a control and / or control path for linear and / or non-linear optical and / or electronic regulation and / or control of an optically controlled loss and / or gain modulator and a second laser is provided, the dynamics of which are controlled as a function of the loss and / or gain modulator, the loss and / or gain modulator in particular being arranged in the laser resonator of the second laser.
  • This device is preferred for starting the mode coupling process and / or for checking instabilities, used in particular by Q-switching and / or to control and / or suppress low-frequency fluctuations and / or high-frequency fluctuations and / or temporal fluctuations in the pulse-to-pulse interval and / or to synchronize at least two laser systems.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention, which uses a so-called micro-chip laser, which has pulse repetition rates in the range of 10 GHz;
  • FIG. 1 shows a microchip laser with controlled dynamics as a laser according to the invention, which is designed to provide pulse repetition rates in the range of around 10 GHz.
  • the laser includes a continuously operated Nd: YV04 pump laser 1, which radiates pump light onto a Cr4 +: YAG laser crystal 8 via an intermediate optical system.
  • This laser system 1 supplies the energy required for the laser process with max. 16 W at a wavelength of 1064 nm and M2 ⁇ 1.1.
  • the interposed optics via which pump light from the continuously operated pump laser 1 is irradiated onto the Cr4 +: YAG laser crystal 8, initially comprises, in the beam path of the pump beam 4, a so-called optical diode or an optical isolator 2, the light only into the one shown Let the direction of the arrow pass, i.e. away from the pump laser.
  • a ⁇ / 2 plate 3 for polarization rotation of the pump beam in a desired direction and then a dichroic plate 5 are further provided behind the optical isolator 2.
  • the dichroic plate 5 is designed in such a way that pump light is transmitted further at 1064 nm in the direction of the laser crystal, but the laser light generated in the laser crystal 8 is reflected by 1500 nm.
  • a focusing optics which is represented by lenses 6, is then arranged in the beam path of the pump beam 4, the focused pump laser beam being directed onto the Cr4 +: YAG laser crystal 8.
  • the Cr4 +: YAG laser crystal 8 is arranged between two mirrors 7, 10 in a cooled crystal holder 9 and has a length of 8.2 mm here.
  • a particularly compact solid-state laser is thus formed. This type of laser is called a "microchip laser”.
  • the laser light coupled out of the laser crystal 8 via the coupling-out mirror 7 is irradiated onto a partially transparent mirror 12, which irradiates part of the light onto an intensity-sensitive photodetector 14.
  • An output signal from the intensity-sensitive photodetector 14 is applied to an electronic control with a control L Electronics 15 performed, which is designed to generate a suitable current signal, which is suitable for driving a further laser diode 11.
  • the further laser diode 11 emits low-intensity laser light, for example a few tens of milliwatts, via suitable focusing optics onto the controllable absorber mirror 10 of the laser resonator, in which the laser crystal 8 is located.
  • This low power of the laser diode 11 allows the electronic driver stage to be considerably simplified, both in comparison to the direct modulation of the currents of the pump diodes, which emit in the range from a few watts to a few tens of watts, and also in comparison to the electrical and acousto-optical modulators, which require voltages in the range of kilovolts.
  • the laser diode 11 is inexpensive thanks to its small power, and it is designed for direct modulation in the range of up to several GHz.
  • the absorber mirror 10 is designed as a controllable absorber mirror 10 and is implemented as an element according to the invention as in FIG. 2.
  • FIG. 2 shows that a saturable absorber according to the invention for a dynamically controlled laser or a device for dynamically controlling a laser with a quantum well structure can be implemented.
  • a material transparent to the wavelength of the laser is applied as a layer to a so-called Bragg mirror, in which a QW structure is embedded at a suitable distance from the Bragg mirror.
  • the transparency of the layer results here from the fact that the layer is formed as a semiconductor layer and the semiconductor is selected and designed such that the band gap of the Semiconductor material is energetically greater than the energy of the individual photons of the laser mode.
  • the semiconductor layer is at the same time formed in such a way that it absorbs light from the further laser diode 11 serving as auxiliary light source and the free charge carriers thereby generated in it
  • Layer for the laser light lead to additional losses. Finally, further layers are applied to this layer, which here lead, for example, to an increase or decrease in field within the optically modulatable layer and the QW structure embedded therein.
  • Fig. 2 an additional layer is shown, for example, which minimizes the Fresnel reflection on the optically modulatable layer for wavelengths in the range of 1530 nm, i.e. serves as an anti-reflective coating.
  • the arrangement according to the invention is now used in that light from the pump laser 1 is radiated into the laser crystal 8.
  • the light generated in the "microchip laser” is partially decoupled from the resonator by the decoupling mirror 7 and separated from the pump light 4 with the aid of a dichroic mirror 5, which has a transmitting effect for a wavelength of 1064 nm and is reflective for the generated laser light around 1500 nm.
  • a small part of this light acts on a photodetector 14 with the aid of a partially transparent mirror 12, while the other part of this light is available for use as an output beam 13 of the “microchip laser”.
  • the signal of the photodetector 14 is thereby via the linear and / or non-linear control electronics 15 to generate the auxiliary or.
  • a thin semiconductor layer is placed in a laser resonator in which the band gap of the semiconductor material is greater in energy than the energy of the individual photons of the laser mode, the internal losses of the laser system initially remain almost unchanged compared to the case without a semiconductor layer.
  • the fresnel reflections on the surfaces of the layer are avoided, for example by the position of the layer within the resonator or by suitable anti-reflective coatings. All of this is the case here, where the semiconductor layer is provided as a layer on the absorber mirror 10 in the resonator of the microcavity laser and the anti-reflective coatings are also implemented.
  • this layer is additionally illuminated with a light source whose photon energy is at least as large as the energy difference between the valence and conduction band of the layer, free charge carriers are generated within this layer.
  • the control light source which is implemented by the laser 11, serves for the illumination or modulation.
  • the so-called free charge carriers within the layer are in turn further excited by absorption of photons of the laser mode. This results in additional losses which can be influenced by the radiated power of the additional modulating light source mentioned. This results in controlled absorption, ie loss modulation.
  • Optical isolator lets light through only in the direction of the arrow
  • controllable absorber mirror e.g. according to FIG. 2
  • 11 laser diode for modulating the absorption of 10

Abstract

The invention relates to a dynamically controlled laser (8) comprising a resonator and a laser power detector (14). The invention is characterised in that to control the dynamics, a light source (11) that controls an optical modulator (10) in response to the detected laser power is provided and that the laser power detector is configured to detect the mean laser power over a resonator cycle. The optical modulator can thus be configured in such a way that it undergoes a modification to the optical refractive index by light irradiation, specifically by control light irradiation, in particular based on the principle of the free absorption of charge carriers within a semiconductor layer or a quantum well.

Description

Titel: Vorrichtung zur Kontrolle der Dynamik von LasersystemenTitle: Device for controlling the dynamics of laser systems
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte. Damit befaßt sie sich mit der Kontrolle der Laser- dynamik, insbesondere die Kontrolle gegen schnelle Instabilitäten.The present invention relates to what is claimed in the preamble. It deals with the control of laser dynamics, especially the control against rapid instabilities.
Es ist bei Lasersystemen oft erforderlich, das Verhalten des emittierten Laserlichtes genau kontrollieren zu können, und zwar u.a. sowohl hinsichtlich der Intensität der emittierten Leistung als auch bezüglich des zeitlichen Verlaufs.With laser systems, it is often necessary to be able to precisely control the behavior of the emitted laser light, i.a. both in terms of the intensity of the power emitted and in terms of the time course.
Für eine Anwendung wird jeweils ein bestimmtes Verhalten optimal sein; über eine geeignete Auslegung des Lasersystems kann versucht werden, dieses optimale Verhalten wenigstens annäherungsweise zu erhalten; dies gilt auch für ein gewünschtes dynamisches Verhalten. Nun sind aber bei der Auslegung eines Lasersystems die frei wählbaren Parameter hinsichtlich ihrer endlichen Variationsmöglichkeiten und Anzahl oftmals nicht ausreichend, damit die dynamischen Eigenschaften des Lasersystems die gewünschten Anforderungen erreichen.A certain behavior will be optimal for an application; A suitable design of the laser system can be used to try to obtain this optimal behavior at least approximately; this also applies to a desired dynamic behavior. However, when designing a laser system, the freely selectable parameters are often not sufficient with regard to their finite variation possibilities and number, so that the dynamic properties of the laser system achieve the desired requirements.
Insbesondere bei gepulsten Systemen müssen nämlich eine Vielzahl von Problemen gelöst werden, welche zu Fluktuationen oder Instabilitäten der mittleren Ausgangsleistung führen können. Gerade diese Probleme lassen sich nicht, jedenfalls nicht immer vollständig und/oder ausreichend durch Wahl eines geeigneten Satzes der Laserparameter beheben. Häufig lassen sich daher Instabilitäten insbesondere bei gepulsten Systemen mit hohen Puls-Wiederholraten und/oder hohen Ausgangsleistungen durch passive Maßnahmen nicht beheben.In the case of pulsed systems in particular, a large number of problems have to be solved, which can lead to fluctuations or instabilities in the mean output power. It is precisely these problems that cannot be resolved, at least not always completely and / or adequately, by choosing one correct the appropriate set of laser parameters. Often, instabilities, particularly in the case of pulsed systems with high pulse repetition rates and / or high output powers, cannot be eliminated by passive measures.
Ein weiteres Problem tritt insbesondere bei passiv modengekoppelten Systemen auf, und zwar dahingehend, dass diese Systeme nicht immer selbständig anschwingen und/oder sich die gewünschten Pulse nicht selbstständig formen.A further problem arises in particular in the case of passively mode-locked systems, to the extent that these systems do not always oscillate independently and / or the desired pulses do not form independently.
Die Instabilitäten und Leistungsfluktuationen lassen sich zwar durch eine aktive Rückkopplung kontrollieren. So läßt sich das Anschwingverhalten von passiv modengekoppelten Lasern durch geeignete Modulation der Verluste und/oder der Nettoverstärkung innerhalb des Resonators verbessern oder es läßt sich die Modenkopplung ganz durch eine Verlustmodulation und/oder eine Modulation der Nettoverstärkung realisieren, was dann als aktive Modenkopplung bezeichnet wird.The instabilities and power fluctuations can be controlled through active feedback. Thus, the start-up behavior of passively mode-locked lasers can be improved by suitable modulation of the losses and / or the net gain within the resonator, or the mode locking can be implemented entirely by loss modulation and / or a modulation of the net gain, which is then referred to as active mode locking.
Zur Unterdrückung von Fluktuationen der Ausgangsleistung und zur Unterdrückung von Instabilitäten der Laserdynamik wurde auch schon von T. R. Schibli, U. Morgner und F. X. Kärtner in "Control of Q-switched mode locking by active feedback, " Op- tics Letters (OSA) , Vol. 26, No. 3, Feb. 1/2.001, eine Metho- de vorgestellt, welche durch aktive Rückkopplung einen oder mehrere Parameter des Läsersystems dynamisch verändert. So kann die Rückkoppelschleife die Pumpleistung des Lasersystems modulieren.To suppress fluctuations in the output power and to suppress instabilities in laser dynamics, TR Schibli, U. Morgner and FX Kärtner have also published "Control of Q-switched mode locking by active feedback," Optics Letters (OSA), Vol. 26, No. 3, Feb. 1 / 2,001, presented a method that dynamically changes one or more parameters of the laser system through active feedback. In this way, the feedback loop can modulate the pumping power of the laser system.
Aus der US-PS 5,408,480 ist auch schon ein optisch gesteuerter interaktiver Q-switch bekannt, der auf einen kurzen Lichtpuls anspricht, zum Beispiel von externen lichtemittie- renden Dioden oder Diodenlasern, um einen Ausgangslaserpuls aus in einem Laser gespeicherte elektronische Energie zu erzeugen. Die Zuschaltungsfrequenz soll eine unabhängige Regelung der Ausgangslaserpulsbreite mit einer schnellen An- stiegszeit für jeden Ausgangslaserpuls vorsehen.An optically controlled interactive Q-switch is also known from US Pat. No. 5,408,480, which responds to a short light pulse, for example from external light emitting devices. diodes or diode lasers to generate an output laser pulse from electronic energy stored in a laser. The switching frequency is intended to provide independent regulation of the output laser pulse width with a fast rise time for each output laser pulse.
Laut der US-PS 5,339,323 ist weiter ein Lasersystem bekannt, in dem die Laserpulsenergie durch Rückkopplung des Laser-Q- switches kontrolliert wird. Ein Rückkopplungssignal wird ver- wendet, um' die Zeitdauer des Zustandes mit hohem Verlust des Q-Schalters zu kontrollieren, um automatisch die Ausgangspulsenergie einzustellen.According to US Pat. No. 5,339,323, a laser system is also known in which the laser pulse energy is controlled by feedback from the laser Q-switch. A feedback signal is used to control the duration of the high loss state of the Q switch to automatically adjust the output pulse energy.
Aus der US-PS 5,844,932 ist eine Microlaser cavity bekannt und ein extern gesteuerter, passiv schaltender Microlaser für Pulse mit einem sättigbaren Absorber und einer Vorrichtung zum Einführen eines Strahles in die Microlasercavity, die die Sättigung des sättigbaren Absorbers auslöst.From US Pat. No. 5,844,932 a microlaser cavity is known and an externally controlled, passive switching microlaser for pulses with a saturable absorber and a device for introducing a beam into the microlaser cavity, which triggers the saturation of the saturable absorber.
Auch ist aus der DE 199 62 047 AI eine Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangslaserleistung bekannt, wobei ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit ge ittelte Laser-Ausgansleistung konstant bleibt.Also known from DE 199 62 047 AI is a device for fast active stabilization of the output laser power, a fraction of the output signal of the laser, regulated by active feedback, being fed to the input of the laser in such a way that the laser output power mediated via the resonator cycle time remains constant.
Die DE 196 07 689 AI zeigt einen gütegesteuerter Festkörperlaser, der eine- schmalbandige Laserdiode aufweist, die eine schmalbandige Ausgangsstrahlung als Seed-Strahlung zur Anre- gung eines Festkörpers liefert, so daß in dem Resonator des Festkörperlasers nur eine einzige wellenlängenstabile Longi- tudinalmode anschwingt und entsprechende Strahlung emittiert wird.DE 196 07 689 AI shows a quality-controlled solid-state laser that has a narrow-band laser diode that delivers a narrow-band output radiation as seed radiation to excite a solid, so that only a single wavelength-stable longi- tudinal mode swings and corresponding radiation is emitted.
Bekannte Ansätze zur Fluktuationsunterdrückung der Ausgangs- leistung und Instabilitätsunterdrückung der Laserdynamik sind jedoch oftmals unzureichend.Known approaches to suppress fluctuation in output power and to suppress instability in laser dynamics are often inadequate.
Wenn etwa Verlustmodulatoren eingesetzt werden, ergeben sich eine Reihe von Problemen. Es sind etwa Verlustmodulatoren be- kannt, die auf dem elektrooptischen oder akustooptischen Effekt basieren. Diese erfordern jedoch häufig Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt, was in Hinblick auf hohe Bandbreiten einen limitierenden Faktor darstellt. Weiter sind auch bekannte Verlustmodulatoren, die zum Beispiel auf dem elektrooptischen oder dem akustooptischen Effekt basieren, nicht geeignet, um in einen Laserresonator mit hoher Repeti- tionsrate eingesetzt zu werden, denn die optische Weglänge dieser Modulatoren beträgt in der Regel einige Zentimeter. Dies macht deren Einsatz in Laserresonatoren von 1,5 cm opti- scher Länge, entsprechend einer Pulswiederholrate von 10 GHz, unmöglich. Auch beeinflussen bekannte Verlustmodulatoren, die zum Beispiel auf dem elektrooptischen, elektroabsorptiven oder dem akustooptischen Effekt basieren, aufgrund ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Einfügeverluste, optischen Dispersion, thermisch induzierter Linse oder beschränkter Bandbreite die Eigenschaften eines Lasers in der Regel auf eine solche negative Weise, daß deren Einsatz weiter eingeschränkt ist.When using loss modulators, for example, a number of problems arise. Loss modulators are known, for example, which are based on the electro-optical or acousto-optical effect. However, these often require voltages in the range of a few kilovolts, which is a limiting factor with regard to high bandwidths. Furthermore, known loss modulators based, for example, on the electro-optical or acousto-optical effect, are not suitable for use in a laser resonator with a high repetition rate, because the optical path length of these modulators is generally a few centimeters. This makes their use in laser resonators of 1.5 cm optical length, corresponding to a pulse repetition rate of 10 GHz, impossible. Known loss modulators, which are based, for example, on the electro-optical, electro-absorptive or acousto-optical effect, also generally influence the properties of a laser in such a negative manner due to their optical properties, in particular their insertion losses, optical dispersion, thermally induced lens or limited bandwidth. that their use is further restricted.
Auch wenn, wie prinzipiell möglich, elektrooptische und/oder akustooptische Modulatoren für den Einsatz in Laserresonatoren vorgesehen werden, ergeben sich Probleme, denn aufgrund der Konstruktionsweise und insbesondere im Hinblick auf die typisch komplizierte elektrische Ansteuerung sind derartige Konstruktionen typisch kompliziert und/oder teuer.Even if, as is possible in principle, electro-optical and / or acousto-optical modulators are provided for use in laser resonators, problems arise because: In terms of construction and in particular with regard to the typically complicated electrical control, such constructions are typically complicated and / or expensive.
Soll hingegen die Pumpleistung des Lasersystems moduliert werden, besteht ein Hauptproblem darin, dass aufgrund der endlichen Lebensdauer der Inversion des Lasermediums die Regelbandbreite des Systems stark limitiert ist. Im Falle von Festkörperlasern beträgt diese Lebensdauer Mikro- bis Mllli- Sekunden, was eine effiziente Modulation auf einige wenige Megahertz beschränkt. Darüber hinaus müssen bei diesem Modulationsverfahren häufig große Stromstärken geregelt werden, wodurch die Bandbreite des Systems weiter eingeschränkt wird.On the other hand, if the pumping power of the laser system is to be modulated, a main problem is that the control bandwidth of the system is severely limited due to the finite lifespan of the inversion of the laser medium. In the case of solid-state lasers, this lifespan is microseconds to milliseconds, which limits efficient modulation to a few megahertz. In addition, large currents often have to be regulated with this modulation method, which further limits the bandwidth of the system.
Es bestehen also insgesamt gerade dann Probleme, wenn hohe Leistungen und/oder kurze und/oder schnell folgende Pulse gewünscht werden.There are problems overall when high outputs and / or short and / or fast following pulses are desired.
Es sind zur Erzielung von kurzen Pulsen bereits passiv moden- gekoppelte Lasersysteme bekannt, die sog. sättigbare Halbleiterabsorber zur passiven Modenkopplung verwenden. Dazu gehören insbesondere sogenannte "SBR", d.h. "Saturable Bragg Re- flector" (siehe S. Tsuda, W. H. Knox, S. T. Cundiff, W'. Y. Jan und J. E. Cunningham in " Mode-Locking Ultrafast Solid- State Lasers with Saturable Bragg Reflectors," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No. 3, pp. 454-464, 1996), "SAM", d.h. "Saturable Absorber Mirror" oder "SESAM", d.h. "SEmiconductor Saturable Absorber Mirror" (siehe U. Keller, . K. J. Weingarten, F. X. Kärtner, D. Kopf, B. Braun, I. D. Jung, R. Fluck, C. Hänninger, N. Matuscheck und J. Aus der Au in "Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM' s) for Femtosecond to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No. 3, pp. 435-453, 1996). Die Dynamikkontrolle solcher Systeme ist jedoch noch verbesserungswürdig.To achieve short pulses, passive mode-locked laser systems are already known which use so-called saturable semiconductor absorbers for passive mode locking. These include in particular so-called "SBR", ie "Saturable Bragg Reflector" (see S. Tsuda, WH Knox, ST Cundiff, W ' . Y. Jan and JE Cunningham in "Mode-Locking Ultrafast Solid-State Lasers with Saturable Bragg Reflectors, "IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No. 3, pp. 454-464, 1996)," SAM ", ie" Saturable Absorber Mirror "or" SESAM ", ie" SEmiconductor Saturable Absorber Mirror "(see U. Keller,. KJ Weingarten, FX Kärtner, D. Kopf, B. Braun, ID Jung, R. Fluck, C. Hänninger, N. Matuscheck and J. Aus der Au in" Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM 's) for Femtosecond to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers, "IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No. 3, pp. 435-453, 1996). However, the dynamic control of such systems is still in need of improvement.
Das Ziel vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.The aim of the present invention is to provide something new for commercial use.
Die Lösung dieser Aufgabe wird unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausgangsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.The solution to this task is claimed independently. Preferred starting forms are contained in the subclaims.
Vorgeschlagen wird somit ein dynamikkontrollierter Laser mit einem Resonator und einer Laserleistungserfassung, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Dynamikkontrolle eine einen optischen Modulator im Ansprechen auf die erfaßte Laserleistung steuernde Lichtquelle vorgesehen ist und die Laserleistungserfassung zur Erfassung der resonatorumlaufgemittel- ten Laserleistung ausgebildet ist.A dynamic-controlled laser with a resonator and a laser power detection is thus proposed, which is characterized in that a light source controlling an optical modulator in response to the detected laser power is provided for dynamic control and the laser power detection is designed to detect the laser power averaged by the resonator.
Es sind nun verschiedene optische- Modulatoren einsetzbar. Prinzipiell ist es so möglich, über die Modulation einer Steuerlichtquelle die Emission des dynamikkontrollierten Lasers zu beeinflußen. Die Modulation einer Steuerlichtquelle ist oft sehr schnell, also mit hohen Frequenzen möglich; da auch die Beeinflußung eines optischen Modulators durch Steuerlicht ein Vorgang ist, der sehr schnell ablaufen kann, etwa weil schnelle festkörperphysikalische Vorgänge wie Band- Übergänge in Halbleitern oä. ausgenutzt werden, ist insgesamt eine besonders hochfrequente Dynamikkontrolle möglich. Die vorliegende Erfindung erlaubt somit den Aufbau eines schnellen und kostengünstigen Verlust- oder Gewinnmodulators, der innerhalb eines Laserresonators eingesetzt werden kann, ohne dessen optische Eigenschaften - abgesehen von den modu- lierbaren Verlusten oder Gewinnen - negativ zu beeinflussen.Various optical modulators can now be used. In principle, it is possible to influence the emission of the dynamically controlled laser by modulating a control light source. The modulation of a control light source is often very fast, that is possible with high frequencies; since the influencing of an optical modulator by control light is a process that can take place very quickly, for example because fast solid-state processes such as band transitions in semiconductors or the like. a particularly high-frequency dynamic control is possible. The present invention thus allows the construction of a fast and inexpensive loss or gain modulator that can be used within a laser resonator without negatively affecting its optical properties - apart from the modulable losses or gains.
Es ist möglich, daß der optische Modulator ein Verlustmodulator ist, der durch die Lichtquellensteuerung einen Verlust insbesondere im Resonator vorsieht.It is possible that the optical modulator is a loss modulator, which provides for a loss, in particular in the resonator, due to the light source control.
Es kann dann der optische Modulator aus einem Halbleitermaterial bestehen, das bei der Wellenlänge der steuernden Lichtquelle eine vorgegebene Mindestabsorbtion aufweist, die ausreicht, eine solche Ladungsträgermenge und/oder -dichte zu erzeugen, daß das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers in gewünschtem Maße absorbiert und/oder verstärkt wird, während das nicht steuerlichtquel- lenlichtbeaufschlagte Halbleitermaterial für das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers zu- mindest weitgehend transparent ist.The optical modulator can then consist of a semiconductor material which has a predetermined minimum absorption at the wavelength of the controlling light source, which is sufficient to generate such a quantity and / or density of charge carriers that the laser light of the laser to be controlled with regard to its dynamics is desired is absorbed and / or amplified, while the semiconductor material not acted on by control light source is at least largely transparent to the laser light of the laser to be checked with regard to its dynamics.
Es kann eine Vorrichtung zur Laserdynamikkontrolle sowohl innerhalb als auch ausserhalb eines Laserresonators eingesetzt werden und es ist möglich und bevorzugt, wenn dem dynamikkon- trollierte Laser ein Absorberspiegel, der einen sättigbaren Bragg-Reflektor umfaßt und/oder darstellt, ein halbleitender sättigbarer Absorberspiegel und/oder ein Fabry-Perot- Resonator zugeordnet ist, dessen Transmissionsverhalten und/oder Reflexionsverhalten durch die Steuerlichtquelle ver- änderbar ist. Wenn wie .in einer bevorzugten Variante möglich, der Einsatz eines sättigbaren -Absorberspiegels vorgesehen ist, kann der sättigbare Absorberspiegel typischerweise aus einem Schichtstapel von zwei Materialien besteht, die sich im optischen Brechungsindex unterscheiden. Die Schichtdicken dieses Stapels sind jeweils so gewählt, dass deren optische Dicken einer viertel Wellenlänge des Laserlichts entsprechen. Durch diese Struktur, welche als "Bragg-Spiegel" bezeichnet wird, entsteht ein hochreflektierender Spiegel bei der Wellenlänge des Lasers'. Auf diese ' Struktur wird typischerweise ein sättigbarer Absorber aufgebracht, der die Eigenschaft besitzt, dass dessen Verluste bei Beleuchtung mit hoher Intensität gering und bei Beleuchtung mit niedriger Intensität hoch sind. Diese sättigbaren Absorber können durch eine Vielzahl von An- Ordnungen erreicht werden.A device for laser dynamics control can be used both inside and outside a laser resonator and it is possible and preferred if the dynamics-controlled laser has an absorber mirror which comprises and / or represents a saturable Bragg reflector, a semiconducting saturable absorber mirror and / or a Fabry-Perot resonator is assigned, the transmission behavior and / or reflection behavior of which can be changed by the control light source. If, as is possible in a preferred variant, the use of a saturable absorber mirror is provided, the saturable absorber mirror can typically consist of a layer stack of two materials which differ in the optical refractive index. The layer thicknesses of this stack are chosen so that their optical thicknesses correspond to a quarter wavelength of the laser light. By this structure, which is referred to as "Bragg reflectors", produces a highly reflective mirror at the wavelength of the laser '. A saturable absorber is typically applied to this structure, which has the property that its losses are low with high-intensity lighting and high with low-intensity lighting. These saturable absorbers can be achieved by a variety of arrangements.
Besonders vorteilhaft an den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist die bevorzugt implementierte Möglichkeit, die extern steuerbare freie Ladungsträger-Absorption gezielt mit einem Verlustmodulator auszunutzen. In einer besonders bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung nutzt der optische Modulator das Prinzip der freien Ladungsträgerabsorption, die auch als "FCA" für "Free Carrier Absorption" bezeichnet wird, bzw. das Prinzip der durch die freien Ladungsträger verur- sachten optischen Brechzahländerung innerhalb einer Halbleiterschicht oder innerhalb eines Potentialtopfes, der auch "QW" für "Quantum-Well" genannt wird.A particularly advantageous feature of the devices according to the invention is the preferably implemented possibility of using the externally controllable free charge carrier absorption in a targeted manner with a loss modulator. In a particularly preferred variant of the present invention, the optical modulator uses the principle of free charge carrier absorption, which is also referred to as "FCA" for "free carrier absorption", or the principle of the optical refractive index change caused by the free charge carriers within a semiconductor layer or within a potential well, which is also called "QW" for "quantum well".
Vorzugsweise wird also ein erfindungsgemäßer sättigbare Ab- sorber mit einer "Quantum Well"-Struktur (QW) realisiert. Zu diesem Zweck kann typischerweise ein für die Wellenlänge des Lasers transparentes Material auf den sogenannten "Bragg- Spiegel" aufgebracht sein, in dem die QW-Struktur in geeignetem Abstand zum Bragg-Spiegel eingebettet ist. Diese transparente Schicht kann nun so gewählt werden, dass diese Licht der Hilfs- bzw. Steuerlichtlichtquelle absorbiert, durch die- ses freie Ladungsträger erzeugt werden und die freien Ladungsträger in dieser Schicht für das Laserlicht zu zusätzlichen Verlusten führen. Auf die Schicht können schliesslich weitere Schichten aufgebracht werden, welche zum Beispiel zu einer Felderhöhung bzw. einer Felderniedrigung innerhalb der optisch mo'dulierbaren Schicht und der darin eingebetteten QW- Struktur führen. Es ist beispielsweise möglich, eine zusätzliche Schicht vorzusehen, die den Fresnel-Reflex an der optisch modulierbaren Schicht für Wellenlängen im Bereich von 1530 nm minimiert, d.h. als Antireflex-Beschichtung dient, wenn sie mit einem auf oder bei dieser Wellenlänge emittierenden Laser verwendet wird.A saturable absorber according to the invention is therefore preferably realized with a “quantum well” structure (QW). For this purpose, a material that is transparent to the wavelength of the laser can typically be placed on the so-called "Bragg- Mirror "in which the QW structure is embedded at a suitable distance from the Bragg mirror. This transparent layer can now be selected so that it absorbs light from the auxiliary or control light source, which generates free charge carriers and lead the free charge carriers in this layer for the laser light to additional losses. on the layer, additional layers are applied, finally, leading for example to a field increase or a field reduction within the optically mo 'dulierbaren layer and the embedded QW structure. For example, it is possible to provide an additional layer which minimizes the Fresnel reflection on the optically modulatable layer for wavelengths in the range of 1530 nm, ie serves as an anti-reflective coating if it is used with a laser emitting at or at this wavelength.
In einer besonders bevorzugten Variante ist dabei ein Verlustmodulatormittel vorgesehen, das dünne Halbleiterschichten aufweist, etwa im Bereich von einigen Hundert nm bis einigen μ Dicke. Die zur Steuerung der Verluste innerhalb der dünnen, vorzugsweise einige hundert Nanometer bis einige Mikrometer dünnen Schicht erforderlichen Leistungen liegen nur im Bereich von einigen zehn Milliwatt. Dadurch kann zum Beispiel das Licht einer kostengünstigen Laserdiode kleiner Leistung eingesetzt werden, welche eine direkte Modulation im Bereich von bis zu mehreren GHz zulässt. Dies bedeutet wiederum eine erhebliche Vereinfachung der elektronischen Treiberstufe, und zwar insbesondere sowohl im Vergleich zur direkten Modulation der Ströme der Pumpdioden, die im Bereich von einigen Watt bis einigen zehn Watt emittieren, als auch im Vergleich zu den elektro- und akustooptischen Modulatoren, welche Spannungen im Bereich von Kilovolt benötigen.In a particularly preferred variant, a loss modulator means is provided which has thin semiconductor layers, for example in the range from a few hundred nm to a few μm in thickness. The powers required to control the losses within the thin, preferably a few hundred nanometers to a few micrometers thin layer are only in the range of a few tens of milliwatts. As a result, for example, the light of an inexpensive laser diode of low power can be used, which permits direct modulation in the range of up to several GHz. This in turn means a considerable simplification of the electronic driver stage, in particular both in comparison to the direct modulation of the currents of the pump diodes, which emit in the range from a few watts to a few tens of watts, and in comparison to the electro- and acousto-optic modulators, which require voltages in the range of kilovolts.
Die Halbleiterschichten selbst sind dabei bevorzugt so ge- wählt, daß die Lebensdauer der freien Ladungsträger darin nur kurz ist. Aufgrund der kurzen Lebensdauer der freien Ladungsträger in dünnen Halbleiterschichten von typischerweise 10 ps bis 1 ns lassen sich solche erfindungsgemäße Vorrichtungen wesentlich schneller ansteuern, als dies zum Beispiel im Fal- le einer direkten Modulation des Gewinns des Lasermediums, d.h. einer Modulation der Pumpleistung, der Fall ist, da hier die relevante charakteristische Zeit die Lebensdauer der Inversion des Gewinnmediums ist, die bei den gebräuchlichen Festkörpermaterialien zwischen Iμs und 10ms liegt.The semiconductor layers themselves are preferably selected so that the lifetime of the free charge carriers is only short. Due to the short lifespan of the free charge carriers in thin semiconductor layers of typically 10 ps to 1 ns, such devices according to the invention can be controlled much faster than, for example, in the case of direct modulation of the gain of the laser medium, i.e. a modulation of the pumping power, because the relevant characteristic time is the lifetime of the inversion of the winning medium, which is between Iμs and 10ms in the usual solid materials.
Es wurde auch erkannt, daß es möglich und bevorzugt ist, die vorerwähnten Absorber aus der passiven Modenkopplung als steuerbare Verlustmodulatoren einzusetzen. Um den Effekt der steuerbaren Modulation effizienter zu gestalten, ist in der Regel, insbesondere im Falle der SBR oder SESAM, das Design dieser Absorber zwar anzupassen, aber typisch nur geringfügig. Da sich die SBR oder SESAM dadurch aber weder verteuern noch in ihren Eigenschaften verschlechtern, können diese Änderungen bei einem Neudesign besonders einfach itberücksich- tigt werden.It was also recognized that it is possible and preferred to use the aforementioned absorbers from the passive mode coupling as controllable loss modulators. In order to make the effect of controllable modulation more efficient, the design of these absorbers generally needs to be adapted, especially in the case of the SBR or SESAM, but typically only slightly. However, since the SBR or SESAM neither become more expensive nor deteriorate in their properties, these changes can be taken into account particularly easily when redesigning.
Durch die mögliche Integration von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Beispiel in einen SBR bzw. die erfindungsgemäße Herrichtung eines solchen wird weder der Verlust des SBR noch dessen optische Dispersion merklich beeinflusst. Aufgrund der möglichen geringen Dicke, die vorzugsweise im Bereich einiger hundert Nanometer bis einiger Mikrometer liegt, sind im Vergleich zu bestehenden Anordnungen auch die thermischen Effekte, wie etwa thermisch induzierte Linsen, bedeutend kleiner oder in vielen Fällen völlig vernachlässigbar.The possible integration of devices according to the invention, for example into an SBR, or the preparation of such a device according to the invention does not significantly affect the loss of the SBR or its optical dispersion. Because of the possible small thickness, which is preferably in the range of a few hundred nanometers to a few micrometers, compared to existing arrangements, the thermal effects, such as thermally induced lenses, are significantly smaller or in many cases completely negligible.
Die erfindungsgemäße Vorrichtungen können sowohl zur Unterdrückung der Leistungsfluktuationen und dynamischen Instabilitäten, wie etwa Güteschaltungsinstabilitäten, eines Lasersystems eingesetzt werden können, als auch zum Starten der passiven Modenkopplung und/oder zur aktiven Modenkopplung sowie zur Kontrolle und/oder Unterdrückung von niederfrequenten und/oder Unterdrückung von niederfrequenten und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zur externen Rauschunterdrückung und/oder zur externen Intensitätsmodulation verwendet werden. Bevorzugt lassen lassen sich Verlustmodulato- ren der Erfindung beispielsweise zur aktiven Modenkopplung, zur aktiven Stabilisierung und zum Starten von Lasersystemen einsetzen. In vielen Fällen werden durch den Einsatz eines solchen Verlustmodulators die Eigenschaften des Lasersystems - außer der neu erhaltenen Möglichkeit der steuerbaren Ab- sorption - nicht bzw. nur unwesentlich beeinflusst.The devices according to the invention can be used both for suppressing the power fluctuations and dynamic instabilities, such as Q-switch instabilities, of a laser system, as well as for starting the passive mode coupling and / or for active mode coupling, and for controlling and / or suppressing low-frequency and / or suppressing low-frequency and / or high-frequency fluctuations and / or for external noise suppression and / or for external intensity modulation can be used. Loss modulators of the invention can preferably be used, for example, for active mode coupling, for active stabilization and for starting laser systems. In many cases, the use of such a loss modulator does not or only insignificantly affects the properties of the laser system - apart from the newly obtained possibility of controllable absorption.
Aufgrund der möglichen äußerst geringen Dicke der offenbarten Verlustmodulatoren, die vorzugsweise nur einige hundert Nano- meter bis einige Mikrometer Dicke aufweisen und erfordern, sind die Prinzipien der Erfindung auch und gerade bei Lasersystemen mit hohen Repetitionsraten anwendbar.Due to the possible extremely small thickness of the disclosed loss modulators, which preferably have and require only a few hundred nanometers to a few micrometers in thickness, the principles of the invention can also and especially be used in laser systems with high repetition rates.
Um eine besonders schnelle Regelung bzw. Dynamikkontrolle zu reealisieren, wird also einem Laser bevorzugt eine Laserlei- stungserfassung zur Erfassung der instantanen Laserausgangsleistung und eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke zugeordnet, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, die Steu- erlichtquelle zur optischen Steuerung des optisch gesteuerten Verlust- oder Geringmodulators im Laserresonator zu steuern.In order to implement a particularly fast control or dynamic control, a laser is preferably assigned a laser power detection for detecting the instantaneous laser output power and a linear or non-linear controlled system which is designed and provided to control the Control light source for optical control of the optically controlled loss or low modulator in the laser resonator.
Es ist bevorzugt, wenn die Laserleistungserfassung zur Erfassung der über einen resonatorumlaufgemittelten Laserleistung ausgebildet ist; die Modulatorsteuerung kann zum linearen und/oder nichtlinearen Ansprechen auf die erfaßte Laserleistung ausgebildet sein, um so eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke zu bilden.It is preferred if the laser power detection is designed to detect the laser power averaged over a resonator circulation; the modulator controller can be designed for linear and / or non-linear response to the detected laser power, so as to form a linear or non-linear controlled system.
Die Steuerlichtquelle und/oder deren Ansteuerung kann und wird nun bevorzugt so ausgebildet, daß es möglich ist, damit den Modenkopplungsprozeß des Lasersystems zu starten und/oder eine regenerative Lasersystemmodenkopplung zu bewirken und/oder unterstützen. Gleichfalls wird Schutz beansprucht für eine Vorrichtung zur Kontrolle der Dynamik eines Lasers in einem dynamikkontrollierten Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.The control light source and / or its control can and is now preferably designed so that it is possible to start the mode coupling process of the laser system and / or to effect and / or support a regenerative laser system mode coupling. Protection is also claimed for a device for controlling the dynamics of a laser in a dynamics-controlled laser according to one of the preceding claims.
Es wird auch vorgeschlagen, daß bei einer Laserleistungserfassung zur Erfassung der instantanen Ausgangsleistung des ersten Lasers eine Regel- und/oder Steuerstrecke zur linearen und/oder nichtlinearen optischen und/oder elektronischen Regelung und/oder Steuerung eines optisch gesteuerten Verlust- und/oder Gewinnmodulators und ein zweiter Laser vorgesehen wird, dessen Dynamik .abhängig vom Verlust- und/oder Gewinnmodulator gesteuert wird, wobei insbesondere der Verlust- und/oder Gewinnmodulator im Laserresonator des zweiten Lasers angeordnet ist.It is also proposed that, in the case of laser power detection to detect the instantaneous output power of the first laser, a control and / or control path for linear and / or non-linear optical and / or electronic regulation and / or control of an optically controlled loss and / or gain modulator and a second laser is provided, the dynamics of which are controlled as a function of the loss and / or gain modulator, the loss and / or gain modulator in particular being arranged in the laser resonator of the second laser.
Diese Vorrichtung wird bevorzugt zum Starten des Modenkopplungsprozesses und/oder zur Kontrolle von Instabilitäten, insbesondere von Q-switching und/oder zur Kontrolle und/oder Unterdrückung von niederfrequenten Fluktuationen und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zeitlichen Fluktuationen im Puls-zu-Pulsabstand und/oder zur Synchronisation von wenigstens zwei Lasersystemen verwendet.This device is preferred for starting the mode coupling process and / or for checking instabilities, used in particular by Q-switching and / or to control and / or suppress low-frequency fluctuations and / or high-frequency fluctuations and / or temporal fluctuations in the pulse-to-pulse interval and / or to synchronize at least two laser systems.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert. In dieser ist gezeigt durchThe invention is explained below only by way of example with reference to the drawing. This is shown by
Fig. 1. eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen sogenannten Micro-Chip Laser verwendet, der Pulswiederholraten im Bereich von 10GHz aufweist;1 shows a device according to the invention, which uses a so-called micro-chip laser, which has pulse repetition rates in the range of 10 GHz;
Fig. 2 ein Bragg-Spiegel, auf dem eine "Quantum Well"- Struktur aufgebracht ist.2 shows a Bragg mirror on which a “quantum well” structure is applied.
In Figur 1 ist als erfindungsgemäßer Laser ein Micro-Chip- Laser mit kontrollierter Dynamik gezeigt, der dazu ausgebildet ist, Pulswiederholraten im Bereich von um 10 GHz vorzuse- hen.1 shows a microchip laser with controlled dynamics as a laser according to the invention, which is designed to provide pulse repetition rates in the range of around 10 GHz.
Zum Laser gehört ein kontinuierlich betriebener Nd:YV04 Pumplaser 1, der Pumplicht über eine zwischengeschaltete Optik auf einen Cr4+:YAG-Laserkristall 8 einstrahlt. Dieses Laser- system 1 liefert die für den Laserprozess benötigte Energie mit max. 16 W bei einer Wellenlänge von 1064 nm und M2 < 1.1.The laser includes a continuously operated Nd: YV04 pump laser 1, which radiates pump light onto a Cr4 +: YAG laser crystal 8 via an intermediate optical system. This laser system 1 supplies the energy required for the laser process with max. 16 W at a wavelength of 1064 nm and M2 <1.1.
Die zwischengeschaltete Optik, über welche Pumplicht aus dem kontinuierlich betriebenen Pumplaser 1 auf den Cr4+:YAG- Laserkristall 8 eingestrahlt wird, umfaßt im Strahlengang des Pumpstrahls 4 zunächst, eine sogenannte optische Diode bzw. einen optischen Isolator 2, der Licht nur in die dargestellte Pfeilrichtung durchlässt, also weg vom Pumplaser. Es ist nachfolgend hinter dem optischen Isolator 2 weiter eine λ/2 Platte 3 zur Polarisationsdrehung des Pumpstrahls in eine gewünschte Richtung und danach eine dichroitische Platte 5 vor- gesehen.The interposed optics, via which pump light from the continuously operated pump laser 1 is irradiated onto the Cr4 +: YAG laser crystal 8, initially comprises, in the beam path of the pump beam 4, a so-called optical diode or an optical isolator 2, the light only into the one shown Let the direction of the arrow pass, i.e. away from the pump laser. A λ / 2 plate 3 for polarization rotation of the pump beam in a desired direction and then a dichroic plate 5 are further provided behind the optical isolator 2.
Die dichroitische Platte 5 ist so ausgebildet, daß Pumplicht bei 1064 nm in Richtung auf den Laserkristall weiter trans- mittiert wird, aber das im Laserkristall 8 erzeugte Laser- licht um 1500 nm reflektiert wird.The dichroic plate 5 is designed in such a way that pump light is transmitted further at 1064 nm in the direction of the laser crystal, but the laser light generated in the laser crystal 8 is reflected by 1500 nm.
Im Strahlengang des Pumpstrahls 4 ist dann eine fokusierende Optik angeordnet, die durch Linsen 6 dargestellt ist, wobei der fokussierte Pumplaserstrahl auf den Cr4+:YAG- Laserkristall 8 gerichtet ist.A focusing optics, which is represented by lenses 6, is then arranged in the beam path of the pump beam 4, the focused pump laser beam being directed onto the Cr4 +: YAG laser crystal 8.
Der Cr4+: YAG-Laserkristall 8 ist zwischen zwei Spiegeln 7, 10 in einem gekühlten Kristallhalter 9 angeordnet und besitzt hier eine Länge von 8,2 mm. Es ist somit ein besonders kom- pakter Festkörper-Laser gebildet. Diese Art von Lasern wird als "Mikrochip-Laser" bezeichnet.The Cr4 +: YAG laser crystal 8 is arranged between two mirrors 7, 10 in a cooled crystal holder 9 and has a length of 8.2 mm here. A particularly compact solid-state laser is thus formed. This type of laser is called a "microchip laser".
Bei dem Spiegel 7 handelt es sich um einen Auskoppelspiegel mit TP > 80 % bei 1064 nm und TL = 0,25 % bei 1500 nm.The mirror 7 is a coupling-out mirror with TP> 80% at 1064 nm and TL = 0.25% at 1500 nm.
Das über den Auskoppel-Spiegel 7 ausgekoppelte Laserlicht aus dem Laserkristall 8 wird auf einen teildurchlässigen Spiegel 12 eingestrahlt, der einen Teil des Lichtes auf einen intensitätsempfindlichen Photodetektor 14 einstrahlt.The laser light coupled out of the laser crystal 8 via the coupling-out mirror 7 is irradiated onto a partially transparent mirror 12, which irradiates part of the light onto an intensity-sensitive photodetector 14.
Aus dem intensitätsempfindlichen Photodetektor 14 ist ein Ausgangsignal auf eine elektronische Regelung mit einer Rege- lelektronik 15 geführt, die dazu ausgebildet ist, ein geeignetes Stromsignal zu erzeugen, das zur Ansteuerung einer weiteren Laserdiode 11 geeignet ist. Die weitere Laserdiode 11 strahlt Laserlicht geringer Intensität, etwa einige zehn Mil- liwatt, über eine geeignete Fokussierungsoptik auf den steuerbaren Absorber-Spiegel 10 des Laserresonators, in dem sich der Laserkristall 8 befindet. Diese geringe Leistung der Laserdiode 11 erlaubt eine erhebliche Vereinfachung der elektronischen Treiberstufe, und zwar sowohl im Vergleich zur di- rekten Modulation der Ströme der Pumpdioden, die im Bereich von einigen Watt bis einigen zehn Watt emittieren, als auch im Vergleich zu den elektro- und akustooptischen Modulatoren, welche Spannungen im Bereich von Kilovolt benötigen. Zugleich ist die Laserdiode 11 dank ihrer kleinen Leistung kostengün- stig, und sie ist für eine direkte Modulation im Bereich von bis zu mehreren GHz ausgebildet.An output signal from the intensity-sensitive photodetector 14 is applied to an electronic control with a control L Electronics 15 performed, which is designed to generate a suitable current signal, which is suitable for driving a further laser diode 11. The further laser diode 11 emits low-intensity laser light, for example a few tens of milliwatts, via suitable focusing optics onto the controllable absorber mirror 10 of the laser resonator, in which the laser crystal 8 is located. This low power of the laser diode 11 allows the electronic driver stage to be considerably simplified, both in comparison to the direct modulation of the currents of the pump diodes, which emit in the range from a few watts to a few tens of watts, and also in comparison to the electrical and acousto-optical modulators, which require voltages in the range of kilovolts. At the same time, the laser diode 11 is inexpensive thanks to its small power, and it is designed for direct modulation in the range of up to several GHz.
Der Absorberspiegel 10 ist in dem in Fig. 1 skizzierten Ausführungsbeispiel als steuerbarer Absorber-Spiegel 10 ausge- bildet und als ein erfindungsgemäßes Element wie nach Fig. 2 realisiert. Fig. 2 zeigt, daß ein erfindungsgemäßer sättigbarer Absorber für einen dynamikkontrollierten Laser bzw. eine Vorrichtung zur Dynamikkontrolle eines Lasers mit einer Quan- tum-Well-Struktur realisierbar ist.In the exemplary embodiment outlined in FIG. 1, the absorber mirror 10 is designed as a controllable absorber mirror 10 and is implemented as an element according to the invention as in FIG. 2. FIG. 2 shows that a saturable absorber according to the invention for a dynamically controlled laser or a device for dynamically controlling a laser with a quantum well structure can be implemented.
Dazu ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ein für die Wellenlänge des Lasers transparentes Material als Schicht auf einen sogenannten Bragg-Spiegel aufgebracht, in dem eine QW-Struktur in geeignetem Abstand zum Bragg-Spiegel eingebettet ist. Die Transparenz der Schicht ergibt sich dabei vorliegend daraus, daß die Schicht als Halbleiterschicht gebildet und der Halbleiter so gewählt und entworfen ist, daß die Bandlücke des Halbleitermaterials energetisch größer ist als die Energie der einzelnen Photonen des Laserermodes . Die Halbleiterschicht ist zugleich so gebildet, daß sie Licht aus der als Hilfslichtquelle dienenden weiteren Laserdiode 11 absorbiert und die dadurch erzeugten freien Ladungsträger in dieserFor this purpose, as can be seen from FIG. 2, a material transparent to the wavelength of the laser is applied as a layer to a so-called Bragg mirror, in which a QW structure is embedded at a suitable distance from the Bragg mirror. The transparency of the layer results here from the fact that the layer is formed as a semiconductor layer and the semiconductor is selected and designed such that the band gap of the Semiconductor material is energetically greater than the energy of the individual photons of the laser mode. The semiconductor layer is at the same time formed in such a way that it absorbs light from the further laser diode 11 serving as auxiliary light source and the free charge carriers thereby generated in it
Schicht für das Laserlicht zu zusätzlichen Verlusten führen. Auf diese Schicht sind schliesslich weitere Schichten aufgebracht, welche hier zum Beispiel zu einer Felderhöhung bzw. einer Felderniedrigung innerhalb der optisch modulierbaren Schicht und der darin eingebetteten QW-Struktur führen.Layer for the laser light lead to additional losses. Finally, further layers are applied to this layer, which here lead, for example, to an increase or decrease in field within the optically modulatable layer and the QW structure embedded therein.
In Fig. 2 ist nur beispielsweise eine zusätzliche Schicht gezeigt, die den Fresnel-Reflex an der optisch modulierbaren Schicht für Wellenlängen im Bereich von 1530 nm minimiert, d.h. als Antireflex-Beschichtung dient.In Fig. 2 an additional layer is shown, for example, which minimizes the Fresnel reflection on the optically modulatable layer for wavelengths in the range of 1530 nm, i.e. serves as an anti-reflective coating.
Die erfindungsgemäße Anordnung wird nun verwendet, indem Licht aus dem Pumplaser 1 in den Laserkristall 8 eingestrahlt wird. Das im "Mikrochip-Laser" erzeugte Licht wird teilweise durch den Auskoppelspiegel 7 aus dessen Resonator ausgekoppelt und mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels 5, der transmittierend für eine Wellenlänge von 1064nm und reflektierend für das erzeugte Laserlicht um 1500nm wirkt, vom Pumplicht 4 getrennt. Ein kleiner Teil dieses Lichtes be- aufschlagt mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels 12 einen Photodetektor 14, während der andere Teil dieses Lichts als Ausgangsstrahl 13 des "Mikrochip-Lasers" für eine Anwendung zur Verfügung steht.The arrangement according to the invention is now used in that light from the pump laser 1 is radiated into the laser crystal 8. The light generated in the "microchip laser" is partially decoupled from the resonator by the decoupling mirror 7 and separated from the pump light 4 with the aid of a dichroic mirror 5, which has a transmitting effect for a wavelength of 1064 nm and is reflective for the generated laser light around 1500 nm. A small part of this light acts on a photodetector 14 with the aid of a partially transparent mirror 12, while the other part of this light is available for use as an output beam 13 of the “microchip laser”.
Das Signal des Photodetektors 14 wird dabei über die lineare und/oder nichtlineare Regelelektronik 15 zur Erzeugung des beschriebenen Hilfs-bzw. Steuerlicht der beispielhaft als Steuerlichtquelle offenbarten Laserdiode 11 zugeführt, wobei die' Parameter der elektronischen Regelung 15, die zur An- steuerung der Laserdiode 11 dienen, so eingestellt und/oder gewählt sind, daß über das mit der Laserdiode 11 erzeugte Hilfs- bzw. Steuerlicht, das schliesslich über eine geeignete Optik 6 auf den optisch steuerbaren Modulator 10 fokussiert wird eine wie erkennbare entstehende Modulation' der Verluste innerhalb des Resonators des "Mikrochip-Lasers" so bewirkt, daß dieser modenkoppelt und/oder seine Güteschal- tungsinstabilität unterdrückt wird.The signal of the photodetector 14 is thereby via the linear and / or non-linear control electronics 15 to generate the auxiliary or. Control light of the example as Control light source disclosed laser diode 11 supplied, wherein the ' parameters of the electronic control 15, which are used to control the laser diode 11, are set and / or selected so that the auxiliary or control light generated with the laser diode 11, which finally via a suitable optic 6 is focused on the optically controllable modulator 10 and a recognizable resulting modulation of the losses within the resonator of the "microchip laser" is such that the latter is mode-locked and / or its Q-switch instability is suppressed.
Wie hierbei eine Dynamikkontrolle im Detail bewirkt wird, wird ersichtlich bei Betrachtung der Funktionsweise am Beispiel einer Halbleiterschicht, in welcher der Effekt der FCA zur Veränderung der optischen Verluste ausgenutzt wird. Eine entsprechende Funktionsweise findet sich auch im Potentialtopf oder analogen Strukturen.How a dynamic control is effected in detail can be seen when considering the mode of operation using the example of a semiconductor layer in which the effect of the FCA is used to change the optical losses. A corresponding function can also be found in the potential well or analog structures.
Wird eine dünne Halbleiterschicht in einen Laserresonator ge- bracht, bei der die Bandlücke des Halbleitermaterials energetisch größer ist als die Energie der einzelnen Photonen des Laserermodes, so bleiben die internen Verluste des Lasersystems zunächst nahezu unverändert gegenüber dem Fall ohne Halbleiterschicht. Dies gilt vor allem dann, wenn die Fres- nel-Reflexionen an den Oberflächen der Schicht vermieden werden, zum Beispiel durch die Position der Schicht innerhalb des Resonators oder durch geeignete Antireflex- Beschichtungen. All dies ist vorliegend der Fall, wo die Halbleiterschicht als Schicht am Absorberspiegel 10 in dem Resonator des Microcavity-Lasers vorgesehen wird und die An- tireflex-Beschichtungen ebenfalls realisiert sind. Wird jedoch nun diese Schicht zusätzlich mit einer Lichtquelle, beleuchtet, deren Photonenenergie mindestens so groß ist wie die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband der Schicht, so werden hierdurch freie Ladungsträger inner- halb dieser Schicht erzeugt. Vorliegend dient die Steuerlichtquelle, die durch den Laser 11 realisiert ist, der Beleuchtung bzw. Modulation. Die sog. freien Ladungsträger innerhalb der Schicht werden nun ihrerseits durch Absorption von Photonen des Lasermodes weiter angeregt. Dadurch entste- hen zusätzliche Verluste, welche durch die eingestrahlte Leistung der erwähnten zusätzlichen modulierenden Lichtquelle beeinflusst werden können. Es ergibt sich damit eine gesteuerte Absorption, d.h. eine Verlustmodulation.If a thin semiconductor layer is placed in a laser resonator in which the band gap of the semiconductor material is greater in energy than the energy of the individual photons of the laser mode, the internal losses of the laser system initially remain almost unchanged compared to the case without a semiconductor layer. This applies above all if the fresnel reflections on the surfaces of the layer are avoided, for example by the position of the layer within the resonator or by suitable anti-reflective coatings. All of this is the case here, where the semiconductor layer is provided as a layer on the absorber mirror 10 in the resonator of the microcavity laser and the anti-reflective coatings are also implemented. However, if this layer is additionally illuminated with a light source whose photon energy is at least as large as the energy difference between the valence and conduction band of the layer, free charge carriers are generated within this layer. In the present case, the control light source, which is implemented by the laser 11, serves for the illumination or modulation. The so-called free charge carriers within the layer are in turn further excited by absorption of photons of the laser mode. This results in additional losses which can be influenced by the radiated power of the additional modulating light source mentioned. This results in controlled absorption, ie loss modulation.
Wird die Steuerlichtquelle ausgeschaltet, so endet auch die Erzeugung von weiteren freien Ladungsträgern. Damit nimmt die Absorption der Halbleiterschich.t wieder ab, bis diese schließlich wieder für die Strahlung der Lasermoden transparent ist. Dies geschieht aufgrund der kurzen Lebensdauer der freien Ladungsträger in dünnen Halbleiterschichten von typischerweise 10 ps bis 1 ns extrem schnell. Aufgrund der äußerst geringen Dicke, vorzugsweise einige hundert Nanometer bis einige Mikrometer, finden erfindungsmäße Vorrichtungen so auch und vor allem in Lasersystemen mit hohen Repeti- tionsraten Anwendung.If the control light source is switched off, the generation of further free charge carriers also ends. The absorption of the semiconductor layer thus decreases again until it is finally transparent again to the radiation from the laser modes. This happens extremely quickly due to the short lifespan of the free charge carriers in thin semiconductor layers of typically 10 ps to 1 ns. Because of the extremely small thickness, preferably a few hundred nanometers to a few micrometers, devices according to the invention are also used, and especially, in laser systems with high repetition rates.
Es sei erwähnt, daß einleuchtenderweise kein vollständiges Ausschalten der Steuerlichtquelle erforderlich ist, sondern eine gezielte Veränderung der Erzeugung von weiteren freien Ladungsträgern möglich ist. Anstelle der Modulation einer Hilfslichtquelle über eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke bei geeigneter Wellenlänge über ein Signal, das zur über die Resonatorumlaufszeit gemittelten Ausgangsleistung des Lasers 1 proportional ist, wird in einer weiteren Ausführungsform über ein Signal, das zur instantanen Ausgangsleistung des Lasers 1 proportional ist, moduliert. Die Bedingung für "instantan" wird dann erfüllt, wenn die Bandbreite des Photodetektors 14 größer ist als die Puls-zu-Puls Wiederholrate des Lasers 1. It should be mentioned that, of course, no complete switching off of the control light source is required, but a targeted change in the generation of further free charge carriers is possible. Instead of modulating an auxiliary light source over a linear or non-linear controlled system at a suitable wavelength using a signal that is proportional to the output power of laser 1 averaged over the resonator round trip time, in a further embodiment a signal that is proportional to the instantaneous output power of laser 1 is used. modulated. The condition for "instantaneous" is met if the bandwidth of the photodetector 14 is greater than the pulse-to-pulse repetition rate of the laser 1.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Kontinuierlich betriebener Nd:YV04 Pumplaser (max. 16W @1064nm Wellenlänge, M2 < 1.1)1 Continuously operated Nd: YV04 pump laser (max.16W @ 1064nm wavelength, M2 <1.1)
2 Optischer Isolator: lässt Licht nur in Pfeilrichtung durch2 Optical isolator: lets light through only in the direction of the arrow
3 λ/2-Platte: dreht die Polarisation des Pump-Strahls in die gewünschte Richtung 4 Pump-Strahl3 λ / 2 plate: turns the polarization of the pump beam in the desired direction 4 pump beam
5 Dichroitische Platte: transmittierend für 1064nm; reflektierend für das erzeugte Laserlicht um 1500nm5 dichroic plate: transmissive for 1064nm; reflective for the generated laser light around 1500nm
6 Linsen zur Fokussierung des Pump-Strahls und des Hilfslasers 7 Auskoppel-Spiegel: TP > 80% @1064nm; TL = 0.25% @1500nm6 lenses for focusing the pump beam and the auxiliary laser 7 decoupling mirror: TP> 80% @ 1064nm; TL = 0.25% @ 1500nm
8 Laserkristall: Cr4+:YAG, 8.2mm lang8 Laser crystal: Cr4 +: YAG, 8.2mm long
9 Gekühlter Kristall-Halter9 Cooled crystal holder
10 Steuerbarer Absorber-Spiegel (z. B. gemäß Fig. 2) 11 Laserdiode zur Modulation der Absorption von 1010 controllable absorber mirror (e.g. according to FIG. 2) 11 laser diode for modulating the absorption of 10
12 Teildurchlässiger Spiegel12 semi-transparent mirror
13 Laser-Ausgang13 laser output
14 Photodetektor14 photodetector
15 Elektronische Regelung zur Ansteuerung der Laserdiode 11 15 Electronic control for controlling the laser diode 11

Claims

Patentansprüche claims
1. Dynamikkontrollierter Laser mit einem Resonator und einer Laserleistungserfassung, dadurch gekennzeichnet, daß zur1. Dynamic-controlled laser with a resonator and laser power detection, characterized in that for
Dynamikkontrolle eine einen optischen Modulator im ansprechen auf die erfaßte Laserleistung steuernde Lichtquelle vorgesehen ist und die Laserleistungserfassung zur Erfassung der resonatorumlaufgemittelten Laserleistung ausgebildet ist.Dynamic control is provided an optical modulator in response to the detected laser power controlling light source and the laser power detection is designed to detect the laser power averaged around the resonator.
2. Dynamikkontrollierter Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Halbleitermaterial umfaßt, das bei der Wellenlän- ge der steuernden Lichtquelle eine vorgegebene Mindestab- sorbtion aufweist, die ausreicht, eine solche Ladungsträgermenge und/oder -dichte zu erzeugen, daß das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers in gewünschtem Maße absorbiert und/oder verstärkt wird, während das nicht Steuerlichtquellenlicht beaufschlagte Halbleitermaterial für das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers zumindest weitgehend transparent ist.2. Dynamics-controlled laser according to the preceding claim, characterized in that the optical modulator comprises a semiconductor material which has a predetermined minimum absorption at the wavelength of the controlling light source, which is sufficient to generate such a quantity and / or density of charge carriers, that the laser light of the laser to be controlled with respect to its dynamics is absorbed and / or amplified to the desired extent, while the semiconductor material not acted upon by control light source light is at least largely transparent to the laser light of the laser to be checked with regard to its dynamics.
3. Dynamikkontrollierter Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine Dicke von unter lOOμm, insbesondere unter lOμm, insbesondere zwischen einigen lOOnm und wenigen μm und/oder freie Ladungsträger mit Lebensdauern von unter allenfalls wenigen 10ns, typischerweise 10 ps bis 1 ns aufweist. 3. Dynamic-controlled laser according to the preceding claim, characterized in that the semiconductor material has a thickness of less than 100 μm, in particular less than 100 μm, in particular between a few 100 μm and a few μm and / or free charge carriers with lifetimes of less than a few 10 ns, typically 10 ps to 1 ns.
4. ■ Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden4. ■ Dynamic controlled laser according to one of the previous ones
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator so ausgebildet ist, daß er eine optischen Brechzahländerung durch Lichteinstrahlung, insbesondere durch Steuerlichteinstrahlung erfährt, insbesondere basierend auf dem Prinzip der freien Ladungsträgerabsorption innerhalb einer Halbleiterschicht oder eines Potentialtopfes.Claims, characterized in that the optical modulator is designed so that it experiences an optical refractive index change due to light irradiation, in particular control light irradiation, in particular based on the principle of free charge carrier absorption within a semiconductor layer or a potential well.
5. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistungserfassung zur Erfassung der über einen resonatorumlaufgemittelten Laserleistung ausgebildet ist.5. Dynamic-controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the laser power detection is designed to detect the laser power averaged over a resonator.
6. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatorsteuerung zum linearen und/oder nichtlinearen Ansprechen auf die erfaßte Laserleistung ausgebildet ist, um so eine lineare oder nichtlineare Pegelstrecke zu bilden.6. Dynamic-controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the modulator control is designed for linear and / or non-linear response to the detected laser power, so as to form a linear or non-linear level path.
7. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator resonatorintern vorgesehen ist.7. Dynamic controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the optical modulator is provided within the resonator.
8. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Verlustmodulator ist, der durch die Lichtquellensteuerung einen Verlust im Resonator vorsieht.8. Dynamic-controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the optical modulator is a loss modulator which provides for a loss in the resonator by the light source control.
9. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator eine optisch steuerbare Verstärkung vorsieht. 9. Dynamic controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the optical modulator provides an optically controllable amplification.
10. Dynamikkontrollierter Laser, worin der optische Modulator mit einem auf einen Absorberspiegel integrierten Medium, insbesondere im Halbleitermedium des vorhergehenden An- Spruches, integriert ist.10. Dynamics-controlled laser, in which the optical modulator is integrated with a medium integrated on an absorber mirror, in particular in the semiconductor medium of the preceding claim.
11. Dynamikkontrollierter Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberspiegel einen sättigbaren Bragg-Reflektor umfaßt und/oder dar- stellt.11. Dynamic-controlled laser according to the preceding claim, characterized in that the absorber mirror comprises and / or represents a saturable Bragg reflector.
12. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator einen halbleitenden sättigbaren Absorberspiegel um- faßt.12. Dynamic-controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the optical modulator comprises a semiconducting saturable absorber mirror.
13. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator einen Fabry-Perot-Resonator umfaßt, dessen Trans- missionsverhalten und/oder Reflexionsverhalten durch die Steuerlichtquelle veränderbar ist.13. Dynamic-controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the optical modulator comprises a Fabry-Perot resonator whose transmission behavior and / or reflection behavior can be changed by the control light source.
14. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlei- stungserfassung zur Erfassung der instantanen Laserausgangsleistung ausgebildet ist und eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke vorgesehen ist, um die Steuerlichtquelle zur optischen Steuerung" des optisch gesteuerten Verlust- oder Gewinnmodulators im Laserresonator zu steuern. 14. Dynamic-controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the laser power detection is designed to detect the instantaneous laser output power and a linear or non-linear controlled system is provided in order to control the control light source for optical control "of the optically controlled loss or gain modulator in the laser resonator to control.
15.- Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlichtquelle und/oder deren Ansteuerung so ausgebildet ist, den Modenkopplungsprozeß des Lasersystems zu starten.15. Dynamic controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the control light source and / or its control is designed to start the mode coupling process of the laser system.
16. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellensteuerungsmodulation dazu ausgebildet, eine regenerative Lasersystemmodenkopplung zu bewirken und/oder unterstüt- zen.16. Dynamic-controlled laser according to one of the preceding claims, characterized in that the light source control modulation is designed to effect and / or support a regenerative laser system mode coupling.
17. Vorrichtung zur Kontrolle der Dynamik eines Lasers in einem dynamikkontrollierten Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.17. Device for controlling the dynamics of a laser in a dynamics-controlled laser according to one of the preceding claims.
18. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Kontrolle und/oder Unterdrük- kung von niederfrequenten und/oder Unterdrückung von niederfrequenten und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zur externen Rauschunterdrückung und/oder zur externen Intensitätsmodulation verwendet wird.18. Use of a device according to claim 16, characterized in that it is used for control and / or suppression of low-frequency and / or suppression of low-frequency and / or high-frequency fluctuations and / or for external noise suppression and / or for external intensity modulation.
19. Vorrichtung zur Laserdynamikkontrolle, worin ein erster Laser vorgesehen wird, um eine Laserleistungserfassung zur Erfassung der instantanen Ausgangsleistung des ersten Lasers, eine Regel- und/oder Steuerstrecke zur linearen und/oder nichtlinearen optischen und/oder elektronischen Regelung und/oder Steuerung eines optisch gesteuerten Verlust- und/oder Gewinnmodulators und ein zweiter Laser, dessen Dynamik abhängig vom Verlust- und/oder Gewinnmodulator gesteuert wird, wobei insbesondere der Verlust- • und/oder Gewinnmodulator im Laserresonator des zweiten Lasers angeordnet ist.19. Device for laser dynamics control, in which a first laser is provided for a laser power detection for detecting the instantaneous output power of the first laser, a regulating and / or control system for linear and / or non-linear optical and / or electronic regulation and / or control of an optical controlled loss and / or profit modulator and a second laser, the dynamics of which are controlled as a function of the loss and / or profit modulator, in particular the loss • and / or gain modulator is arranged in the laser resonator of the second laser.
20. Verwendung einer Vorrichtung nach dem vorhergehenden An- spruch zum Starten des Modenkopplungsprozesses und/oder zur Kontrolle von Instabilitäten, insbesondere von Q- switching und/oder zur Kontrolle und/oder Unterdrückung von niederfrequenten Fluktuationen und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zeitlichen Fluktuationen im Puls-zü-Pulsabstand verwendet wird und/oder zur Synchronisation von wenigstens zwei Lasersystemen. 20. Use of a device according to the preceding claim to start the mode coupling process and / or to control instabilities, in particular Q-switching and / or to control and / or suppress low-frequency fluctuations and / or high-frequency fluctuations and / or temporal fluctuations is used in the pulse-to-pulse interval and / or for the synchronization of at least two laser systems.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103050870A (en) * 2012-10-17 2013-04-17 北京工业大学 Novel microchip laser supporting optical fiber output

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7324568B2 (en) * 2004-04-08 2008-01-29 Raytheon Company Modulated saturable absorber controlled laser
AT503819B1 (en) * 2006-08-24 2008-01-15 Ctr Carinthian Tech Res Ag Impulse energy controlling method for impulse laser, involves assigning Q-switch in form of saturable absorber to laser resonator, where saturable absorber is partially pre-saturated by variable control light source in intensity
EP3053226B1 (en) 2013-10-01 2017-05-24 Université de Neuchâtel Opto-optical modulation of a saturable absorber for high bandwidth ceo stabilization of a femtosecond laser frequency comb

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5339323A (en) * 1993-04-30 1994-08-16 Lumonics Corporation Laser system for controlling emitted pulse energy
US5408480A (en) * 1993-07-15 1995-04-18 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Laser with optically driven Q-switch
FR2734096B1 (en) * 1995-05-12 1997-06-06 Commissariat Energie Atomique CAVITE MICROLASER AND SOLID IMPULSE MICROLASER WITH PASSIVE TRIGGER AND EXTERNAL CONTROL
DE19607689A1 (en) * 1996-02-29 1997-09-04 Lambda Physik Gmbh Q=switched injection-seeded solid state laser
DE19962047A1 (en) * 1999-12-22 2001-06-28 Univ Karlsruhe Device for stabilizing the dynamic response of laser systems, regulates fraction of the laser output signal by active feedback and feeding it to the laser input and keeping the laser output power constant

Non-Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BONADEO N H ET AL: "PASSIVE HARMONIC MODE-LOCKED SOLITON FIBER LASER STABILIZED BY AN OPTICALLY PUMPED SATURABLE BRAGG REFLECTOR" OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, US, Bd. 25, Nr. 19, 1. Oktober 2000 (2000-10-01), Seiten 1421-1423, XP000981161 ISSN: 0146-9592 *
COLLINGS B C ET AL: "SHORT CAVITY ERBIUM/YTTERBIUM FIBER LASERS MODE-LOCKED WITH A SATURABLE BRAGG REFLECTOR" IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, US, Bd. 3, Nr. 4, 1. August 1997 (1997-08-01), Seiten 1065-1075, XP000734634 ISSN: 1077-260X *
KELLER U ET AL: "SEMICONDUCTOR SATURABLE ABSORBER MIRRORS(SESAM'S) FOR FEMTOSECOND TO NANOSECOND PULSE GENERATION IN SOLID-STATE LASERS" IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, US, Bd. 2, Nr. 3, 1. September 1996 (1996-09-01), Seiten 435-451, XP000689812 ISSN: 1077-260X *
LONGHI S ET AL: "AMPLITUDE NOISE SUPPRESSION IN HIGH-REPETITION-RATE PULSE TRAIN GENERATION FROM A FREQUENCY-MODULATED ER-YB LASER" APPLIED PHYSICS B: LASERS AND OPTICS, SPRINGER INTERNATIONAL, BERLIN, DE, Bd. B69, Nr. 5/6, November 1999 (1999-11), Seiten 487-490, XP000996831 ISSN: 0946-2171 *
NAKAZAWA M ET AL: "Ultrastable harmonically and regeneratively modelocked polarisation-maintaining erbium fibre ring laser" ELECTRONICS LETTERS, IEE STEVENAGE, GB, Bd. 30, Nr. 19, 15. September 1994 (1994-09-15), Seiten 1603-1605, XP006001064 ISSN: 0013-5194 *
PATRICK D M: "Modelocked ring laser using nonlinearity in a semiconductor laser amplifier" ELECTRONICS LETTERS, IEE STEVENAGE, GB, Bd. 30, Nr. 1, 6. Januar 1994 (1994-01-06), Seiten 43-44, XP006000025 ISSN: 0013-5194 *
PAYE J ET AL: "MONOCHROMATIC ALL-OPTICAL GATE WITH 1 PS RESPONSE TIME" APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, Bd. 62, Nr. 12, 22. M{rz 1993 (1993-03-22), Seiten 1326-1328, XP000354534 ISSN: 0003-6951 *
SCHIBLI T R ET AL: "CONTROL OF Q-SWITCHED MODE LOCKING BY ACTIVE FEEDBACK" OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, US, Bd. 26, Nr. 3, 1. Februar 2001 (2001-02-01), Seiten 148-150, XP000997443 ISSN: 0146-9592 *
SEITZ W ET AL: "PASSIVE SYNCHRONIZATION OF TWO INDEPENDENT LASER OSCILLATORS WITH A FABRY-PEROT MODULATOR" OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, US, Bd. 27, Nr. 6, 15. M{rz 2002 (2002-03-15), Seiten 454-456, XP001117243 ISSN: 0146-9592 *
THOEN ET AL: "TWO-PHOTON ABSORPTION IN SEMICONDUCTOR SATURABLE ABSORBER MIRRORS" APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS. NEW YORK, US, Bd. 74, Nr. 26, 28. Juni 1999 (1999-06-28), Seiten 3927-3929, XP000850628 ISSN: 0003-6951 *
TSUDA S ET AL: "LOW-LOSS INTRACAVITY ALAS/ALGAAS SATURABLE BRAGG REFLECTOR FOR FEMTOSECOND MODE LOCKING IN SOLID-STATE LASERS" OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, US, Bd. 20, Nr. 12, 15. Juni 1995 (1995-06-15), Seiten 1406-1408, XP000509283 ISSN: 0146-9592 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103050870A (en) * 2012-10-17 2013-04-17 北京工业大学 Novel microchip laser supporting optical fiber output

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WO2003012941A3 (en) 2003-10-02
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