WO2011134605A1 - Verfahren zur modenbeeinflussung von optischer strahlung in einem medium - Google Patents

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WO2011134605A1
WO2011134605A1 PCT/EP2011/001875 EP2011001875W WO2011134605A1 WO 2011134605 A1 WO2011134605 A1 WO 2011134605A1 EP 2011001875 W EP2011001875 W EP 2011001875W WO 2011134605 A1 WO2011134605 A1 WO 2011134605A1
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medium
volume
laser
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optical
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PCT/EP2011/001875
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Michael Strotkamp
Bernd Jungbluth
Heinrich Faidel
Dennis Beckmann
Dagmar Esser
Jens Gottmann
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen
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Publication date
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    • H01S3/1645—Solid materials characterised by a crystal matrix halide
    • H01S3/1653—YLiF4(YLF, LYF)

Definitions

  • the present invention relates to a method for modal influencing of optical radiation
  • laser radiation propagating in a medium for example in the active medium of a solid-state laser.
  • dielectric mirrors are applied directly to the facets of the active medium to obtain in this way a monolithic resonator. If further optical components are required in the resonator, it is therefore advantageous to also integrate these components directly into the active medium.
  • the laser modes forming in the resonator are dependent on different parameters, for example the radii of curvature of the resonator mirrors or the resonator mirrors the active medium introduced pump power and distribution from which must be selected or set application specific.
  • unwanted effects can occur in lasers, which require additional influencing of the modes.
  • the formation of a so-called thermal lens can occur due to the pumping power deposited in the active medium.
  • a plan-plane resonator with such a resonator-internal lens is unstable and therefore can not be operated or not efficiently.
  • the thermal lens limits the dynamically stable operation with increasing output power.
  • an adapted beam profile for example in the form of a top-hat profile, leads in some laser applications to an increase in the
  • the resonator length must correspond approximately to the radius of curvature of the mirror, so that either the resonator is extended or very high radii of curvature of the mirror
  • Element for example, a ground lens or a gradient index lens (GRIN), are used in the resonator to counteract the thermal lens.
  • GRIN gradient index lens
  • a homogenization of the beam profiles is currently carried out by additional optical elements.
  • Resonator internally, this is realized either by diffractive elements for phase manipulation or by refractive elements for modal volume adaptation.
  • the beam may be homogenized out-of-resonant by mode mixing in a waveguide or by the use of microlens arrays.
  • US 2005/0141840 A1 discloses a method for producing a waveguide integrated in a medium. In this method, the
  • waveguide low-refractive mantle which extends continuously through the entire medium, generated by means of short laser pulses, for which the
  • Medium is transparent.
  • the intensity of the laser pulses is locally in the coat to be generated
  • the object of the present invention is to provide a method and an optical medium for
  • the task is with the method and the
  • Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.
  • a plurality of volume regions within the medium are modified by scanning these volume regions with refractive index laser pulses for which the medium is transparent.
  • the intensity of the laser pulses is set locally in these volume ranges to a value in which nonlinear absorption in the
  • the refractive index in the processed volume ranges is lowered or increased with a suitable choice of the laser parameters, specifically for the respective medium.
  • Volume regions are thereby propagated in the direction of propagation and / or obliquely to the direction of propagation of the optical radiation whose modes are to be influenced. selected from one another to effect the desired influencing or shaping of the modes by the three-dimensional calculation index distribution thus produced.
  • the phase of optical radiation propagating through the medium is modified by the three-dimensional refractive index distribution. This can be targeted to a specific mode shape of the optical Strahlt) ment according to the desired requirement
  • Beam profile, beam diameter or beam divergence can be adjusted.
  • the appropriate shape, dimension and distribution of the refractive index-modified volume regions to produce a particular mode shape can be determined in advance by simulation calculations. This also applies to the compensation of an undesired thermal lens in a laser medium.
  • the division into a plurality of volume regions, which are spaced apart from one another, wherein the spacing and dimensions or shapes of these volume regions can be varied, increases the degrees of freedom for producing a desired mode profile
  • the optical axis which is defined by the propagation direction and central propagation axis of the optical radiation to be influenced, is not 30 in these volume regions.
  • the volume regions are rather arranged around this optical axis.
  • the term optical axis is not in the sense of crystal optics but geometrically as the central axis understand, propagates on the optical radiation.
  • the method can also be used to achieve the function of an optical lens conductor by volume regions which are spaced apart from one another in the propagation direction of the optical radiation and modified in the refractive index, without having to produce a continuously running jacket for this purpose.
  • the proposed method makes use of the fact that ultra-short pulsed laser radiation makes possible the microstructuring in the volume of materials that are transparent to the wavelength of the laser radiation used. It is characterized by nonlinear
  • Medium may be, for example, glass or a crystalline solid which is suitable for the wavelength of the
  • Processing or modification used laser radiation is transparent. When focusing this
  • the structural modification consists of a combination of electronic
  • laser-induced modification can result in areas with increased and reduced
  • Refractive index are produced.
  • the method allows the generation of three-dimensional refractive index curves of any shape, whereby functional structures such as lenses can be produced.
  • the laser-induced modification can also cause stresses in the wider environment of the modified volume range, ie outside the heat affected zone.
  • the laser-induced voltages can also cause a change in the refractive index in the environment.
  • modified volume range hereinafter also referred to as directly modified volume range, is therefore understood in the present patent application to be the volume range which has been scanned with laser pulses of an intensity sufficient for non-linear absorption in order to generate a refractive index modification in this scanned region by non-linear interaction ,
  • the required high intensity in the volume regions to be modified is achieved by focusing the pulsed one
  • Laser beam reaches into these volume ranges.
  • NA 1.4 to 0.1
  • the linear absorption of the material of the medium is low.
  • the diameter of the generated focus is preferably several micrometers to several tens of micrometers.
  • Galvanometer scanner a akusto- or an electro-optical deflector deflected and moved the focus along the z-axis relative to the medium, so that a three-dimensional structure is scanned and, accordingly, a three-dimensional structure with modified
  • a heating of the medium can additionally take place in order to prevent any defects or color centers minimize.
  • a Mach-Zehnder interferometer By means of a Mach-Zehnder interferometer, the effect of the modification on the later propagating light can be quantified.
  • the high scan speeds are beneficial for high productivity with ultra-short pulse high power lasers.
  • the higher pulse energies are more likely to occur, while the use of focused laser pulses tends to result in the lower pulse energies
  • pulse bursts or double pulses can be used in addition to individual laser pulses.
  • a temporal pulse shaping i. a shaping of the temporal pulse progression, can be used to generate the
  • Machining deeper areas (z-axis) in the medium can also be a dynamic correction of the spherical
  • a temporal shaping of the polarization or structuring with different wavelengths can also be carried out in the proposed method. Due to the preferred generation of the high intensities in the volume ranges by focusing the laser radiation, the structuring takes place only in the
  • the individual volume ranges are preferably selected in the proposed method in different dimensions or shapes and / or with different distances. This allows a high number of degrees of freedom in influencing the modes.
  • a volume region can be generated which encloses the optical axis and in which the refractive index decreases or increases continuously or in stages in the radial direction to the optical axis.
  • the optical axis should be outside the respective volume ranges, wherein preferably also an area around the optical axis is still outside these volume ranges in order to allow an uninfluenced propagation of the optical radiation to be influenced on the optical axis.
  • the method can advantageously be used for influencing the modes in media which are arranged within a laser resonator, in particular for modifying the laser modes in the laser medium itself.
  • the proposed method can also be used with other media outside the laser resonator in order to influence the mode of an optical beam propagating through the medium, in particular a laser beam, in the desired form.
  • the optical medium for influencing the mode of the optical radiation accordingly has a plurality of refractive index-modified volume regions, which are arranged according to the proposed method. These volume ranges can according to the proposed method, ie by non-linear absorption of
  • the optical medium can, as described above in connection with the method, be designed as an active medium of a laser resonator.
  • the resonator end mirrors are preferably applied as a coating on the end surfaces of the medium. In this way, e.g. a monolithic plan-plan resonator with compensated thermal lens can be realized.
  • Fig. 2 shows an example of a form of a modified
  • FIG. 3 shows an example of a shape and arrangement of the modified volume regions according to the proposed method in a longitudinal section through the medium
  • Fig. 5 shows another example of a possible shape and arrangement of the modified volume areas according to the proposed method in a cross section through the medium.
  • the modification or structuring is carried out with the pulsed laser system 1, for example an fs-fiber laser, a Ti: Sa- or a Yb: YAG-laser.
  • the pulsed laser beam 6 is with one or more optical elements 4 in the volume of the medium 9 to a specific
  • a modulator 2 the irradiation of the laser radiation in the Medium 9 and possibly also the performance of
  • the pulsed laser beam 6 or the laser focus 7 is deflected by a scanner system 3 in two spatial directions (x-direction 10, y-direction 11) that are preferably orthogonal to one another.
  • directly modified volume regions 8 of arbitrary size and shape in the volume of the transparent medium 9 are produced in this way, between which lie unmodified or not directly modified regions.
  • optical elements 4 as a phase mask can also be dispensed with the focusing of the laser beam and the scanner system 3.
  • the modified and unmodified areas differ in their morphology and their
  • the optical element 4 for example a lens
  • the optical element 4 is moved parallel to the z-axis (z-direction 5 in FIG. 1) or the medium 9 in relation to the optical element 4 along the z-axis, which is orthogonal to the x and y axes lies.
  • three-dimensional structures with refractive index modification are produced in the medium 9 in this way.
  • Scanning in x and y direction can also be realized by appropriate displacement of the medium relative to the laser beam 6. Furthermore, the modification, as already stated above, can also take place with the aid of a phase mask. In FIG. 1, a plurality of spaced apart (directly modified) are very good here.
  • Modified volume ranges 8 vary.
  • Fig. 2 shows by way of example a section of the medium 9 in cross-section perpendicular to the z-axis, i. in an x-y plane. Fig. 2 indicates that any
  • Forms of the directly modified volume range 15 can be generated by the proposed technique.
  • the directly modified volume region 15 in the x-y plane encloses the optical axis
  • the inner non-directly modified region can hereby be regarded as the core 14, which encloses this directly modified region 15, which here has a polygonal shape in cross-section, as a pentagonal jacket of a waveguide.
  • the pulsed laser beam is in the volume of
  • a positive refractive index change may also occur under laser light irradiation.
  • the direction of the refractive index change can be determined by preliminary experiments depending on the process parameters be determined experimentally.
  • Pulse energies of preferably 0.1-30 are used to modify the material.
  • the modified region 15 surrounds the unlit core 14, which may have a reverse induced refractive index change induced by stress. Focus diameter 12, energy and repetition rate of the laser used for the modification change the track width of the directly modified region 15 in cross-section, which in a crossing of the focused
  • Length of each directly modified area are set in the medium.
  • the structure is surrounded by unmodified material (unmodified area 16).
  • unmodified area 16 Such a modification can be used, for example, in the active medium of an end-pumped laser resonator.
  • the pump light then propagates in the core region 14, but can also run in the modified region 15 and in the unmodified region 16.
  • a Pr: YLF or Nd: YLF can be used, which is processed with laser pulses with a pulse energy of 0.1 - 3 j, a pulse repetition rate of 100 to 200 kHz and a pulse duration of about 100 fs to Refractive index decreased
  • FIG. 3 shows a refractive index modification which can be produced by the method with beam shaping elements in the volume of a transparent medium 9 in the longitudinal section of the structure.
  • directly modified regions 21 are shown, which are arranged one behind the other along the optical axis 23 (z-direction). These regions can, for example, extend in a ring around the optical axis 23.
  • the regions can take on any desired shape and size, for example arbitrary inner diameter 17 and outer diameter 18.
  • the different regions 21 can also have different refractive indices or different refractive index profiles.
  • Upon propagation of laser radiation on the optical axis 23 in such a modified medium is changed by the different optical path lengths of the partial beams in dependence on the distance from the optical axis 23 whose phase.
  • Refractive index also with other optical components, such as integrated Bragg gratings combine, to selectively deflect certain wavelengths of radiation and select such dimensions.
  • the additional optical elements are thereby in the interior the cylinder-like structure in this example
  • modified regions 21 do not extend to the edge of the medium 9, but at a distance 24 to the top and bottom of the medium 9 (with respect to the direction of propagation) are.
  • FIG. 4 shows another example of molds
  • FIG. 5 shows an example of an arrangement and shape of the volume regions 37, which are directly modified in the refractive index, in cross-section (xy plane), ie perpendicular to the propagation direction of the regions to be influenced
  • the individual volume areas in the cross-sectional plane are spaced from each other in this example. These areas can also be written into the medium by appropriate programming of the scanner system and a modulator. The areas are
  • optical axis itself and a region around the optical axis are not described with the laser pulses (core region 39). However, in this core region 39, in which the laser radiation is propagated,
  • the irradiation of the laser pulses with the modulator is interrupted during the structuring process and at the same time the position of the focus 36 in the medium 9 is changed. This is indicated in FIG. 5 by the reference numeral 40.
  • the track width of the directly modified regions 37 is adjusted with the intensity of the radiation, the focusing and the process strategy. For example, several lines can be written side by side, resulting in a contiguous area 37.
  • the number, size and shape of the structured Areas as well as the length of the entire structure in the z-direction are arbitrary (see Fig. 4).
  • the thermal lens in an active medium with negative dn / dT can be compensated.
  • the modifications in the active medium i. the refractive index modified volume ranges generated.
  • the resonator axis (optical axis) itself and a region around the resonator axis which guide the laser radiation are not processed by the laser pulses. Due to the modification, many materials with suitably chosen laser parameters reduce the refractive index in the processed volume ranges.
  • a surrounding structure e.g. elliptical, which then has a lower refractive index than the area on and around the optical axis. The surrounding structure is at the proposed
  • Parameters of the pulsed laser used a different power can be achieved.
  • the light propagates in each case in the inner region, which is not processed by the laser pulses, as a result of which scattering or losses on the structures are avoided.
  • Areas as an ellipse in cross section perpendicular to the optical axis can be done by the ratio of the two major axes of the ellipse, an adjustment of the refractive power in two mutually perpendicular directions. This may be necessary, for example, if a non-stigmatic thermal lens forms in the medium due to the pump radiation or specific crystal properties. In addition, polygons are also held
  • the depth of the structures is determined by the range in which the intensity of the pulsed laser beam used for processing is sufficiently high to produce a change in the medium.
  • the depth (dimension in the z direction) can be increased by writing a second structure a short distance from the first, which overlaps the two structures and has a greater depth as a whole.
  • additional parameters of the structuring that is, preferably the diameter and the pulse energy, can be varied in order to achieve an effective wavelength along the propagation direction of the laser radiation to be influenced Achieve refractive index profile.
  • the modified volume areas around or around the optical axis act as effective lenses and can be written to any location in the medium. They are thus ideal for compensating the thermal lens in active media with negative dn / dT.
  • the pump radiation is absorbed according to Lambert-Beer's law. This means that most of the energy is deposited at the pumped end. Thus, the effect of the thermal refractive index change is greatest here as well.
  • the effect of the thermal lens can be compensated depending on the location. This makes it possible for active media with negative dn / dT to build a monolithic plan-plan resonator.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modenbeeinflussung von Laserstrahlung, die in einem Medium (9) propagiert. Bei dem Verfahren werden vor dem Einsatz des Mediums (9) mehrere Völumenbereiche (21) innerhalb des Mediums (9) mit Laserpulsen, für die das Medium (9) transparent ist, im Brechungsindex modifiziert, indem die Intensität der Laserpulse lokal in diesen Volumenbereichen (8) auf einen Wert eingestellt wird, bei dem nichtlineare Absorption im Medium (9) auftritt. Die Volumenbereiche (21) werden dabei in Propagationsrichtung und/oder schräg zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung voneinander beabstandet gewählt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich die Moden der im Medium propagierenden optischen Strahlung einfach und kostengünstig beeinflussen, ohne hierfür zusätzliche optische Elemente mit zusätzlichem Justageaufwand einsetzen zu müssen.

Description

Verfahren zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung in einem Medium
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung,
insbesondere Laserstrahlung, die in einem Medium propagiert, beispielsweise im aktiven Medium eines Festkörperlasers .
Die preiswerte Herstellung von Lasersystemen in großer Stückzahl erfordert eine möglichst geringe
Anzahl von Komponenten und deren einfache Justage . Für den Resonator eines Festkörperlasers besteht die einfachste Lösung mit einer minimalen Anzahl an
Komponenten aus zwei Spiegeln um ein aktives Medium. Zur weiteren Reduzierung der Komponenten können
dielektrische Spiegel direkt auf die Facetten des aktiven Mediums aufgebracht werden, um auf diese Weise einen monolithischen Resonator zu erhalten. Werden weitere optische Komponenten in dem Resonator benötigt, so ist es daher vorteilhaft, diese Komponenten ebenfalls direkt in das aktive Medium zu integrieren.
Hierdurch werden zusätzliche Grenzflächen und somit Verluste durch Restreflexionen vermieden und ein maximaler Integrationsgrad realisiert.
Die sich im Resonator ausbildenden Lasermoden hängen von unterschiedlichen Parametern, beispielsweise den Krümmungsradien der Resonatorspiegel oder der in das aktive Medium eingebrachten Pumpleistung und -Verteilung ab, die anwendungsspezifisch gewählt bzw. eingestellt werden müssen. Allerdings können in Lasern unerwünschte Effekte auftreten, die eine zusätzliche Beeinflussung der Moden erfordern. So kann es beispielsweise bei Festkörperlasern durch die im aktiven Medium deponierte Pump- leistung zur Ausbildung einer so genannten thermischen Linse kommen. In Lasermedien, in denen sich der
Brechungsindex mit zunehmender Temperatur verringert (negatives dn/dT) , bildet sich während des Laserbetriebs aufgrund der Erhöhung der Temperatur eine Linse mit negativer Brechkraft . Ein plan-plan Resonator mit einer derartigen resonatorinternen Linse ist instabil und kann daher nicht oder nicht effizient betrieben werden. Bei anderen Lasermedien, mit positiver Brechkraft, limitiert die thermische Linse den dynamisch stabilen Betrieb mit zunehmender Ausgangs- leistung.
Neben der Kompensation derartiger unerwünschter Effekte durch zusätzliche Beeinflussung der Moden im Laserresonator ist für zahlreiche Anwendungen auch die Einstellung anwendungsspezifischer Strahlprofile erforderlich. So führt ein angepasstes Strahlprofil, beispielsweise in Form eines Top-Hat-Profils, in einigen Laseranwendungen zu einer Steigerung der
Prozesseffizienz. Die Einstellung des gewünschten
Strahlprofils erfordert daher ebenfalls eine Beeinflussung der Moden der Laserstrahlung. Stand der Technik
Für die Kompensation der oben genannten unerwünschten Effekte sowie für die gezielte Einstellung von bestimmten Moden bzw. Strahlprofilen werden
heutzutage zusätzliche optische Elemente sowohl im als auch außerhalb des Resonators eingesetzt. Dadurch werden die Komplexität und der Justageaufwand der entsprechenden Systeme erhöht. So ist es beispielsweise bei aktiven Medien mit einem negativen dn/dT bekannt, einen planen Resonatorspiegel durch einen konkaven Spiegel zu ersetzen, der somit als refraktives Element zur Modenformung dient und der negativen thermischen Linse entgegenwirkt.
Hierbei handelt es sich jedoch um ein aufwendig
herzustellendes optisches Element. Darüber hinaus muss die Resonatorlänge in etwa dem Krümmungsradius des Spiegels entsprechen, so dass entweder der Resonator verlängert oder sehr starke Krümmungsradien des
Spiegels erzeugt werden müssen.
Alternativ kann ein zusätzliches refraktives
Element, beispielsweise eine geschliffene Linse oder eine Gradientenindex-Linse (GRIN) , im Resonator genutzt werden, um der thermischen Linse entgegenzuwirken. Hier kommt es jedoch zu zusätzlichen Verlusten durch Rest- reflexionen an den Grenzflächen und Absorption im
Volumen. Darüber hinaus stellt ein zusätzliches Element mit den entsprechenden Beschichtungen einen zusätz- liehen Kostenfaktor dar und erhöht den Justageaufwand.
Bei aktiven Medien mit positiver thermischer Linse kann bei geringer Pumpleistung auch in einem plan-plan- Resonator ein transversal stabiler Laserbetrieb
realisiert werden. Hier müssen dann allerdings mit zunehmender Leistung die Brechkräfte aller weiteren Resonatoroptiken an die thermische Linse angepasst werden. Üblich ist hier etwa die Verwendung von
Wölbspiegeln. Im Prinzip sind aber auch alle oben genannten Möglichkeiten anwendbar und möglich, wenn Kompensationsoptiken mit entsprechend umgekehrtem
Vorzeichen der Brechkraft verwendet werden.
Auch eine Homogenisierung der Strahlprofile, insbesondere zur Herstellung eines so genannten Top- Hat-Profils, erfolgt derzeit durch zusätzliche optische Elemente . Resonatorintern wird dies entweder durch diffraktive Elemente zur Phasenmanipulation oder durch refraktive Elemente zur Modenvolumenanpassung realisiert. Alternativ kann der Strahl resonatorextern durch Modenmischung in einem Wellenleiter oder durch den Einsatz von Mikrolinsen-Arrays homogenisiert werden.
Aus der US 2005/0141840 AI ist ein Verfahren zur Herstellung eines in ein Medium integrierten Wellenleiters bekannt . Bei diesem Verfahren wird der
niedrigbrechende Mantel des Wellenleiters, der sich kontinuierlich durch das gesamte Medium erstreckt, mit Hilfe von kurzen Laserpulsen erzeugt, für die das
Medium transparent ist. Die Intensität der Laserpulse wird dabei lokal in den als Mantel zu erzeugenden
Bereichen so hoch gewählt, dass durch die hohe Inten- sität aufgrund nichtlinearer Effekte der Brechungsindex des Mediums herabgesetzt wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und ein optisches Medium zur
Modenbeeinflussung von optischer Strahlung anzugeben, die in dem Medium propagiert, die ohne den Einsatz aufwändiger optischer Komponenten auskommen, die den Justieraufwand erhöhen. Unter dem Begriff der Moden werden in der vorliegenden Patentanmeldung die
transversalen Moden verstanden.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem
optischen Medium gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren werden vor dem Einsatz des Mediums mehrere Volumenbereiche innerhalb des Mediums durch Abtasten dieser Volumenbereiche mit Laserpulsen im Brechungsindex modifiziert, für die das Medium transparent ist. Die Intensität der Laserpulse wird dabei lokal in diesen Volumenbereichen auf einen Wert eingestellt, bei dem nichtlineare Absorption im
Medium auftritt. Durch die nichtlineare Wechselwirkung der intensiven Laserpulse mit dem Medium wird bei geeigneter Wahl der Laser-Parameter , spezifisch für das jeweilige Medium, der Brechungsindex in den bearbeite- ten Volumenbereichen erniedrigt oder erhöht. Die
Volumenbereiche werden dabei in Propagationsrichtung und/oder schräg zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung, deren Moden beeinflusst werden sollen, voneinander beabstandet gewählt, um durch die damit erzeugte dreidimensionale Berechungsindexverteilung die gewünschte Beeinflussung oder Formung der Moden zu bewirken .
5
Die Phase der optischen Strahlung, die durch das Medium propagiert, wird durch die dreidimensionale Brechungsindexverteilung modifiziert. Damit kann gezielt eine bestimmte Modenform der optischen Strahlt) lung entsprechend der gewünschten Anforderung an
Strahlprofil, Strahldurchmesser oder Strahldivergenz eingestellt werden. Die geeignete Form, Dimension und Verteilung der im Brechungsindex modifizierten Volumenbereiche zur Erzeugung einer bestimmten Modenform kann 15 durch Simulationsrechnungen vorab bestimmt werden. Dies gilt auch für die Kompensation einer unerwünschten thermischen Linse in einem Lasermedium.
Die Aufteilung in mehrere Volumenbereiche, die 20 voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei Abstand und Dimensionen bzw. Formen dieser Volumenbereiche variiert werden können, erhöht die Freiheitsgrade für die Herstellung eines gewünschten Modenprofils
(tranversal) sowie einen vorteilhaften Verlauf des 25 Strahlradius entlang der Propagationsrichtung (Kaustik) oder die Kompensation unerwünschter Effekte. Die optische Achse, die durch die Propagationsrichtung und zentrale Propagationsachse der zu beeinflussenden optischen Strahlung festgelegt ist, liegt dabei nicht 30 in diesen Volumenbereichen. Die Volumenbereiche sind vielmehr um diese optische Achse herum angeordnet . Der Begriff optische Achse ist hierbei nicht im Sinne der Kristalloptik sondern geometrisch als zentrale Achse zu verstehen, auf der die optische Strahlung propagiert. Mit dem Verfahren kann bei geeigneter Wahl der Parameter überraschenderweise auch die Funktion eines optischen Linsenleiters durch voneinander in Propaga- tionsrichtung der optischen Strahlung beabstandete und im Brechungsindex modifizierte Volumenbereiche erreicht werden, ohne hierzu einen kontinuierlich verlaufenden Mantel erzeugen zu müssen. Dies spart Zeit und Kosten und ermöglicht bei gleicher Strahlqualität gegebenen- falls andere vorteilhafte Strahlradien im Medium. Ist das Einbringen der Brechungsindexänderung unerwünschter Weise mit Verlusten verbunden, so werden auch diese durch die reduzierte Bearbeitungslänge verkleinert. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ausgenutzt, dass mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung die Mikro- strukturierung im Volumen von Materialien möglich ist, die für die verwendete Wellenlänge der Laserstrahlung transparent sind. Dabei wird durch nichtlineare
Prozesse eine nichtlineare Absorption, vorzugsweise im Fokus der Laserstrahlung, verursacht. Mittels hochrepetierender Laserstrahlquellen, beispielsweise bei Pulsfrequenzen von 10 kHz bis über 100 MHz, mit großen mittleren Leistungen (10 bis 1000 W) wird eine produk- tive Generierung der modifizierten Volumenbereiche im Medium ermöglicht. Das Material des bearbeiteten
Mediums kann beispielsweise Glas oder ein kristalliner Festkörper sein, der für die Wellenlänge der zur
Bearbeitung bzw. Modifizierung eingesetzten Laser- Strahlung transparent ist. Bei Fokussierung dieser
Laserstrahlung in die zu modifizierenden Bereiche wird im Fokusvolumen ein Teil der Pulsenergie absorbiert und eine strukturelle Modifikation des Glases oder Kristalls induziert. Die strukturelle Modifikation besteht aus einer Kombination aus elektronisch
induzierten Punktdefekten (Farbzentren, gebrochene Bindungen, Oxidation/Reduktion von Ionen) , aus
thermisch induzierten Strukturänderungen durch große Aufheiz- und Abkühlraten in einem konstanten Volumen - resultierend aus eingefrorenen Verdichtungs- und
Spannungswellen - sowie mikroskopischen Poren und
Rissen, insbesondere bei größeren Pulsdauern und großen Pulsenergien.
Durch die laserinduzierte Modifikation können je nach Material des Mediums und den Parametern der Laserpulse Bereiche mit vergrößertem und verringertem
Brechungsindex hergestellt werden. Das Verfahren erlaubt die Generierung dreidimensionaler Brechungs- indexverläufe beliebiger Form, wodurch funktionale Strukturen wie beispielsweise Linsen hergestellt werden können. Die laserinduzierte Modifikation kann auch Spannungen in der weiteren Umgebung des modifizierten Volumenbereichs, also außerhalb der Wärmeeinflusszone, verursachen. Durch die laserinduzierten Spannungen kann ebenfalls eine Änderung des Brechungsindexes in der Umgebung verursacht werden. Unter dem Begriff des modifizierten Volumenbereiches, im Folgenden auch als direkt modifizierter Volumenbereich bezeichnet, wird daher in der vorliegenden Patentanmeldung der Volumenbereich verstanden, der mit Laserpulsen einer für nichtlineare Absorption ausreichenden Intensität abgetastet wurde, um in diesem abgetasteten Bereich durch nichtlineare Wechselwirkung eine Brechungsindexmodifikation zu erzeugen. In der bevorzugten Ausgestaltung wird die erforderliche hohe Intensität in den zu modifizierenden Volumenbereichen durch Fokussierung des gepulsten
Laserstrahls in diese Volumenbereiche erreicht. Zur Fokussierung werden vorzugsweise Mikroskop-Objektive mit einer numerischen Apertur von beispielsweise NA = 1,4 bis 0,1 und Linsensysteme mit einer Brennweite von < f = 160 mm verwendet. Bei der Wellenlänge des eingesetzten Lasers ist die lineare Absorption des Materials des Mediums gering. Bei hinreichend geringer Intensität unterhalb der Modifikationsschwelle propagiert das Licht ungestört im Medium. Der Durchmesser des erzeugten Fokus beträgt vorzugsweise einige Mikrometer bis einige zehn Mikrometer. Während der Bearbeitung des Mediums wird der Laserstrahl in der x-y-Ebene transversal durch einen Scanner, beispielsweise einen
Galvanometer-Scanner, einen akusto- oder einen elektro- optischen Ablenker, abgelenkt und der Fokus entlang der z-Achse relativ zum Medium bewegt, so dass eine drei- dimensionale Struktur abgetastet wird und entsprechend eine dreidimensionale Struktur mit modifiziertem
Brechungsindex entsteht .
Alternativ zur Fokussierung kann auch mittels einer Phasenmaske im Medium über eine ausgedehnte
Fläche hinweg die Modifikationsschwelle überschritten werden, wodurch ein gleichzeitiges Strukturieren größerer Bereiche sowohl in einer Ebene als auch dreidimensional möglich ist .
Nach dem Schreiben der Struktur bzw. Volumenbereiche kann zusätzlich eine Ausheizung des Mediums erfolgen, um eventuelle Fehlstellen oder Farbzentren zu minimieren. Mittels eines Mach-Zehnder-Interferometers kann die Wirkung der Modifikation auf das später hindurch propagierende Licht quantifiziert werden.
Hierdurch kann ein direkter Zusammenhang zwischen den Laserparametern bei der Modifikation des Mediums und der bewirkten Änderung des Materials gemessen werden.
Vorteilhafte Laserparameter für die Erzeugung der gewünschten Brechungsindexmodifikation sind: Pulsdauer 10 fs - 10 ns, Pulsenergie 0,1 - 100 mJ (für NA<0,2) oder Pulsenergie 0,01 - 10 mJ (für NA=0,2-0,6) oder Pulsenergie < 1 mJ (für NA=0,6-1,4), Pulswiederholrate 10 kHz - 1 GHz, Scangeschwindigkeit 0,001 - 100 m/s. Die hohen Scangeschwindigkeiten sind für eine hohe Produktivität mit Ultrakurzpuls-Hochleistungslasern von Vorteil. Bei Nutzung einer Phasenmaske kommen hierbei eher die höheren Pulsenergien, bei Nutzung fokussierter Laserpulse eher die niedrigeren Pulsenergien zum
Einsatz .
Weiterhin können neben einzelnen Laserpulsen auch Pulsbursts oder Doppelpulse eingesetzt werden. Auch eine temporale Pulsformung, d.h. eine Formung des zeitlichen Pulsverlaufs, kann zur Erzeugung der
gewünschten Modifikationen von Vorteil sein. Für die
Bearbeitung tieferer Bereiche (z-Achse) im Medium kann auch eine dynamische Korrektur der sphärischen
Aberrationen von Vorteil sein. Auch eine temporale Formung der Polarisation oder eine Strukturierung mit unterschiedlichen Wellenlängen können beim vorgeschlagenen Verfahren durchgeführt werden. Durch die bevorzugte Erzeugung der hohen Intensitäten in den Volumenbereichen durch Fokussierung der LaserStrahlung, erfolgt die Strukturierung nur im
Bereich des Fokus. Damit lassen sich auch sehr kleine Strukturen mit hoher Genauigkeit herstellen.
Die einzelnen Volumenbereiche werden beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise in unterschiedlichen Dimensionen bzw. Formen und/oder mit unterschiedlichen Abständen gewählt. Dies ermöglicht eine hohe Zahl von Freiheitsgraden bei der Beeinflussung der Moden.
Weiterhin lässt sich durch Variation der Intensität bei der Einschreibung der Strukturen auch ein Brechungs- indexverlauf in dem jeweiligen Volumenbereich erzeugen. So kann beispielsweise ein Volumenbereich erzeugt werden, der die optische Achse umschließt und bei dem sich der Brechungsindex in radialer Richtung zur optischen Achse kontinuierlich oder in Stufen verringert oder erhöht. Grundsätzlich sollte bei Änderung des Brechungsindex die optische Achse außerhalb der jeweiligen Volumenbereiche liegen, wobei vorzugsweise auch ein Bereich um die optische Achse noch außerhalb dieser Volumenbereiche liegt, um eine unbeeinflusste Propagation der zu beeinflussenden optischen Strahlung auf der optischen Achse zu ermöglichen.
Das Verfahren lässt sich vorteilhaft zur Beeinflussung der Moden in Medien einsetzen, die innerhalb eines Laserresonators angeordnet sind, insbesondere für Modifikation der Lasermoden im Lasermedium selbst.
Damit können die in der Beschreibungseinleitung
genannten Anpassungen der Moden bzw. die Kompensation negativer Effekte integriert in das Lasermedium vorge- nommen werden, so dass keine zusätzlichen aufwändigen optischen Elemente erforderlich sind, die zusätzlichen Justieraufwand erfordern. Selbstverständlich lässt sich das vorgeschlagene Verfahren jedoch auch bei anderen Medien außerhalb des Laserresonators einsetzen, um die Mode eines durch das Medium propagierenden optischen Strahls, insbesondere Laserstrahls, in der gewünschten Form zu beeinflussen. Das optische Medium zur Modenbeeinflussung der optischen Strahlung, weist dementsprechend mehrere im Brechungsindex modifizierte Volumenbereiche auf, die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren angeordnet sind. Diese Volumenbereiche können gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren, d.h. durch nichtlineare Absorption von
Laserpulsen, oder auch mit einer anderen Technik im Brechungsindex modifiziert worden sein. Das optische Medium kann dabei, wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Verfahren ausgeführt, als aktives Medium eines Laserresonators ausgebildet sein. Die Resonatorendspiegel sind dabei vorzugsweise als Beschichtung auf die Endflächen des Mediums aufgebracht. Auf diese Weise kann z.B. ein monolithischer plan-plan-Resonator mit kompensierter thermischer Linse realisiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig. 1 ein Beispiel für einen Aufbau zur Modifikation eines Mediums gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
Fig. 2 ein Beispiel für eine Form eines modifizierten
Volumenbereiches gemäß dem vorgeschlagenen
Verfahren in einem Querschnitt durch das
Medium;
Fig. 3 ein Beispiel für eine Form und Anordnung der modifizierten Volumenbereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einem Längsschnitt durch das Medium;
Fig. 4 ein weiteres Beispiel für eine mögliche Form und Anordnung der modifizierten Volumenbereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einem Längsschnitt durch das Medium; und
Fig. 5 ein weiteres Beispiel für eine mögliche Form und Anordnung der modifizierten Volumenbereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in einem Querschnitt durch das Medium.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden wird zunächst ein möglicher Aufbau zur Modifizierung des Brechungsindex mit Laserstrahlen in Volumenbereichen eines transparenten Mediums anhand der Fig. 1 dargestellt. Die Modifizierung bzw. Strukturierung wird mit dem gepulsten Lasersystem 1 durchgeführt, beispielsweise einem fs-Faserlaser, einem Ti:Sa- oder einem Yb : YAG-Laser . Der gepulste Laserstrahl 6 wird mit einem oder mehreren optischen Elementen 4 in das Volumen des Mediums 9 auf einen bestimmten
Fokusdurchmesser fokussiert. Mit Hilfe eines Modulators 2 wird die Einstrahlung der Laserstrahlung in das Medium 9 sowie eventuell auch die Leistung der
Laserstrahlung - und damit die Strukturierung in dem Medium 9 - zeitlich moduliert. Außerdem wird der gepulste Laserstrahl 6 bzw. der Laserfokus 7 in diesem Beispiel durch ein Scannersystem 3 in zwei vorzugsweise zueinander orthogonalen Raumrichtungen (x-Richtung 10, y-Richtung 11) abgelenkt. Zusammen mit dem Modulator 2 werden auf diese Weise direkt modifizierte Volumenbereiche 8 in beliebiger Größe und Form im Volumen des transparenten Mediums 9 hergestellt, zwischen denen unmodifizierte oder nicht direkt modifizierte Bereiche liegen.
Bei geeigneter Wahl der optischen Elemente 4 als Phasenmaske kann auch auf die Fokussierung des Laserstrahls und das Scannersystem 3 verzichtet werden.
Die modifizierten und unmodifizierten Bereiche unterscheiden sich in ihrer Morphologie und ihrem
Brechungsindex. Das optische Element 4, beispielsweise eine Linse, wird parallel zur z-Achse (z-Richtung 5 in Figur 1) oder das Medium 9 in Relation zum optischen Element 4 entlang der z-Achse bewegt, die orthogonal zur x- und y-Achse liegt. In Verbindung mit der x-y- Ablenkung durch das ScannerSystem 3 werden auf diese Weise dreidimensionale Strukturen mit Brechungsindex- modifikation in dem Medium 9 erzeugt. Anstelle der Strahlablenkung durch das Scannersystem 3 kann
Abtastung in x- und y-Richtung auch durch entsprechende Verschiebung des Mediums relativ zum Laserstrahl 6 realisiert werden. Weiterhin kann die Modifikation, wie bereits weiter oben angeführt, auch mit Hilfe einer Phasenmaske erfolgen. In der Fig. 1 sind hierbei sehr gut mehrere voneinander beabstandete (direkt modifizierte)
Volumenbereiche 8 zu erkennen, die in diesem Fall entlang der z-Achse hintereinander angeordnet sind, wobei die Abstände und Dimensionen der direkt
modifizierten Volumenbereiche 8 variieren.
Fig. 2 zeigt beispielhaft einen Ausschnitt aus dem Medium 9 im Querschnitt senkrecht zur z-Achse, d.h. in einer x-y-Ebene. Fig. 2 deutet an, dass beliebige
Formen des direkt modifizierten Volumenbereichs 15 mit der vorgeschlagenen Technik erzeugt werden können. Im Beispiel der Fig. 2 umschließt der direkt modifizierte Volumenbereich 15 in der x-y-Ebene die optische Achse
(= zentrale Propagationsachse) vollständig, wobei weder die optische Achse noch ein Bereich um die optische Achse Teil des direkt modifizierten Bereiches 15 sind. Der innere nicht direkt modifizierte Bereich kann hierbei als Kern 14, der diesen umschließende direkt modifizierte Bereich 15, der hier im Querschnitt eine polygonale Form aufweist, als fünfeckiger Mantel eines Wellenleiters angesehen werden. Der gepulste Laserstrahl wird in das Volumen des
Mediums mit einem Durchmesser des Fokus 12 von beispielsweise 2ω0 = 1-10 μπι fokussiert. Oberhalb der Modifikationsschwelle wird der Brechungsindex des
Materials durch das Laserlicht verkleinert. Bei bestim- mten Materialien kann auch eine positive Brechungsindexänderung unter Bestrahlung mit Laserlicht auftreten. Die Richtung der Brechungsindexänderung kann in Abhängigkeit der Prozessparameter durch Vorversuchen experimentell bestimmt werden. Es werden Pulsenergien von vorzugsweise 0,1 - 30 zur Modifikation des Materials benutzt. Der modifizierte Bereich 15 umgibt den unbeleuchteten Kern 14, der spannungsinduziert eine gegenläufige Brechzahländerung aufweisen kann. Fokus- durchmesser 12, Energie und Repetitionsrate des für die Modifikation eingesetzten Lasers verändern die Spurbreite des direkt modifizierten Bereichs 15 im Querschnitt, der bei einer Überfahrt des fokussierten
Lichts entsteht. Mehrere Spuren nebeneinander in der x- y-Ebene oder eine Modulation der Intensität mit einem akustooptisehen Modulator verändern die Größe des direkt modifizierten Bereichs und somit die Manteldicke. Durch ein spiralförmiges Strukturieren in longitudinaler Richtung, d.h. in z-Richtung, kann die
Länge des jeweils direkt modifizierten Bereiches in dem Medium eingestellt werden. Die Struktur ist umgeben von unmodifiziertem Material (unmodifizierter Bereich 16) . Eine derartige Modifikation kann beispielsweise im aktiven Medium eines endgepumpten Laserresonators eingesetzt werden. Das Pumplicht propagiert dann im Kernbereich 14, kann aber auch im modifizierten Bereich 15 und im unmodifizierten Bereich 16 laufen.
Als Medium kann beispielsweise ein Pr:YLF oder ein Nd:YLF eingesetzt werden, das mit Laserpulsen mit einer Pulsenergie von 0,1 - 3 j, einer Pulswiederholrate von 100 bis 200 kHz und einer Pulsdauer von ca. 100 fs bearbeitet wird, um im Brechungsindex erniedrigte
Volumenbereiche zu erzeugen. Fig. 3 zeigt eine mit dem Verfahren herstellbare Brechungsindexmodifikation mit Strahlformungselementen im Volumen eines transparenten Mediums 9 im Längsschnitt der Struktur. In diesem Fall sind direkt modi- fizierte Bereiche 21 dargestellt, die entlang der optischen Achse 23 (z-Richtung) hintereinander angeordnet sind. Diese Bereiche können beispielsweise ringförmig um die optische Achse 23 verlaufen. Die Bereiche können jede beliebige Form und Größe, bei- spielsweise beliebige Innendurchmesser 17 und Außendurchmesser 18, annehmen. Durch Scannen mehrerer Bahnen nebeneinander in der x-y-Ebene werden Strukturen mit einer Breite größer als der Fokusdurchmesser 2ω0 erzeugt. In z-Richtung ist ebenfalls keine Einschrän- kung auf die Morphologie der Struktur gegeben. Die unterschiedlichen Bereiche 21 können dabei auch unterschiedliche Brechungsindizes oder unterschiedliche Brechungsindexverläufe aufweisen . Bei Propagation von Laserstrahlung auf der optischen Achse 23 in einem derart modifizierten Medium wird durch die unterschiedlichen optischen Weglängen der Teilstrahlen in Abhängigkeit vom Abstand von der optischen Achse 23 deren Phase verändert.
Selbstverständlich lässt sich die hier vorgeschlagene Anordnung und Verteilung der direkt modifizierten Volumenbereiche mit unterschiedlichem
Brechungsindex auch mit anderen optischen Komponenten, beispielsweise integrierten Bragg-Gittern, kombinieren, um bestimmte Wellenlängen der Strahlung gezielt abzulenken und solcher Maßen zu selektieren. Die zusätzlichen optischen Elemente werden dabei in das Innere der in diesem Beispiel zylinderartigen Struktur
geschrieben, in dem die LaserStrahlung propagiert.
Dadurch wird nicht nur eine räumliche Begrenzung der ausbreitenden Mode gewährleistet, sondern gleichzeitig eine zeitliche und spektrale Anpassung ermöglicht.
Aus Fig. 3 ist weiterhin ersichtlich, dass sich die gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren direkt
modifizierten Bereiche 21 hier nicht bis an den Rand des Mediums 9 erstrecken, sondern in einem Abstand 24 zur Ober- und Unterseite des Mediums 9 (bezüglich der Propagationsrichtung) befinden. Die Länge 19 der
Struktur in z-Richtung ist variabel einstellbar. Fig. 4 zeigt ein weiteres Beispiel für Formen und
Anordnung der gemäß dem vorliegenden Verfahren direkt im Brechungsindex veränderten Volumenbereiche 27, 31. Durch dieses Beispiel wird veranschaulicht, dass diese Bereiche gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren beliebig geformt und angeordnet sein können, jeweils in
Abhängigkeit der gewünschten Beeinflussung der Moden des sich in Propagationsrichtung 28 ausbreitenden
Laserstrahls. Es können Modifikationen beliebigen Quer- und Längsschnitts mit dem vorliegenden Verfahren erzeugt werden. Die Form der einzelnen direkt strukturierten Bereiche 27, 31 kann sich dabei komplett voneinander unterscheiden. Die Länge jedes Volumenbereichs bzw. Segments sowie ihr Abstand zueinander (Abstand 26 in Propagationsrichtung, Abstand 29 quer zur Propaga- tionsrichtung) können in jeder Achse und an jedem Ort variieren. Das Gleiche gilt für die Gesamtlänge 25 der Struktur sowie ihren Abstand 30 von der Unter- und Oberseite des Mediums 9. Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Anordnung und Form der im Brechungsindex direkt modifizierten Volumenbereiche 37 im Querschnitt (x-y-Ebene) , d.h. senkrecht zur Propagationsrichtung der zu beeinflussenden
Laserstrahlung. Im Gegensatz zum Beispiel der Fig. 2 sind in diesem Beispiel die einzelnen Volumenbereiche in der Querschnittsebene voneinander beabstandet. Diese Bereiche können auch hier durch entsprechende Program- mierung des ScannerSystems und eines Modulators in das Medium eingeschrieben werden. Die Bereiche sind
wiederum um die optische Achse herum angeordnet und weisen unterschiedliche Dimensionen auf. Die optische Achse selbst und ein Bereich um die optische Achse werden nicht mit den Laserpulsen beschrieben (Kernbereich 39) . Allerdings können in diesem Kernbereich 39, in dem die Laserstrahlung propagiert wird,
spannungsindizierte Brechungsindexänderungen auftreten. Dadurch ergeben sich Bereiche mit positiver Brechungs- indexänderung, die eine Lichtführung möglich machen.
Bei der Strukturierung wird die Einstrahlung der Laserpulse mit dem Modulator während des Struktu- rierungsprozesses unterbrochen und gleichzeitig die Position des Fokus 36 in dem Medium 9 verändert. Dies ist in der Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 40 angedeutet. Die Spurbreite der direkt modifizierten Bereiche 37 wird mit der Intensität der Strahlung, der Fokussierung und der Verfahrensstrategie angepasst . So können beispielsweise mehrere Linien nebeneinander geschrieben werden, die zu einer zusammenhängenden Fläche 37 führen. Die Anzahl, Größe und Form der strukturierten Bereiche ist ebenso wie die Länge der gesamten Struktur in z-Richtung beliebig (vgl. Fig. 4).
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich die thermische Linse in einem aktiven Medium mit negativem dn/dT kompensieren. Hierbei werden entlang der Resonatorachse die Modifikationen im aktiven Medium, d.h. die im Brechungsindex modifizierten Volumenbereiche, erzeugt. Die Resonatorachse (optische Achse) selbst und ein Bereich um die Resonatorachse, die der Führung der LaserStrahlung dienen, werden nicht mit den Laserpulsen bearbeitet. Durch die Modifikation kommt es bei vielen Materialien mit den geeignet gewählten Laserparametern zur Herabsetzung des Brechungsindex in den bearbeiteten Volumenbereichen. Hierbei wird eine umgebende Struktur, z.B. elliptisch, geschrieben, die dann einen geringeren Brechungsindex als der Bereich auf und um die optische Achse aufweist . Die umgebende Struktur ist bei dem vorgeschlagenen
Verfahren nicht kontinuierlich, sondern besteht aus einzelnen voneinander beabstandeten Bereichen. Der Bereich in der Mitte der umgebenden Struktur (im
Querschnitt senkrecht zur Propagationsrichtung der Strahlung) ist dabei unverändert oder evtl. lediglich durch auftretende Spannungen im Brechungsindex leicht erhöht. Somit nimmt der Brechungsindex von der Mitte, d.h. der optischen Achse, nach außen ab. Diese Struktur besitzt für senkrecht auftreffendes Licht den
fokussierenden Effekt einer konvexen Linse. Durch geeignete Wahl der Radien der Struktur und der
Parameter des eingesetzten gepulsten Lasers kann eine unterschiedlich starke Brechkraft erzielt werden. Hierbei können auch mehrere konzentrische Strukturen mit von außen nach innen, d.h. zur optischen Achse hin, abnehmender Pulsenergie geschrieben werden, wodurch eine Änderung des Brechungsindexverlaufs erreicht wird. Hierbei propagiert das Licht jeweils in dem inneren, nicht mit den Laserpulsen bearbeiteten Bereich, wodurch Streuungen oder Verluste an den Strukturen vermieden werden . Bei einer Ausbildung der direkt modifizierten
Bereiche als Ellipse im Querschnitt senkrecht zur optischen Achse kann durch das Verhältnis der beiden Hauptachsen der Ellipse eine Anpassung der Brechkraft in zwei zueinander senkrechte Richtungen erfolgen. Dies kann beispielsweise nötig sein, wenn sich in dem Medium eine nicht stigmatische thermische Linse aufgrund der Pumpstrahlung oder spezifischer Kristalleigenschaften bildet . Darüber hinaus sind auch Vielecke statt
Ellipsen als umgebende Strukturen möglich, wobei dann Brechungsindexverläufe entsprechend der Symmetrien der
Vielecke resultieren. Die Tiefe der Strukturen ergibt sich durch den Bereich, in dem die Intensität des zur Bearbeitung eingesetzten gepulsten Laserstrahls ausreichend hoch ist, um eine Veränderung in dem Medium zu erzeugen. Die Tiefe (Dimension in z-Richtung) kann jedoch vergrößert werden, indem eine zweite Struktur in geringem Abstand zur Ersten geschrieben wird, wodurch die beiden Strukturen überlappen und als Gesamtstruktur eine größere Tiefe aufweisen. Entlang dieser Tiefe können zusätzliche Parameter der Strukturierung, also vorzugsweise Durchmesser und Pulsenergie, variiert werden, um entlang der Propagationsrichtung der zu beeinflussenden Laserstrahlung einen effektiven Brechungsindexverlauf zu erzielen. Die um die optische Achse angeordneten bzw. diese umschließenden modifizierten Volumenbereiche wirken als effektive Linsen und können an jede Stelle im Medium geschrieben werden. Sie eignen sich damit optimal zur Kompensation der thermischen Linse in aktiven Medien mit negativen dn/dT.
In einem endgepumpten aktiven Medium wird die Pumpstrahlung gemäß dem Lambert-Beerschen-Gesetz absorbiert. Dies bedeutet, dass am gepumpten Ende die meiste Energie deponiert wird. Somit ist hier auch die Wirkung der thermischen Brechungsindexänderung am größten. Durch einen angepassten Abstand zwischen zwei modifizierten Volumenbereichen entlang der Propaga- tionsrichtung der Pumpstrahlung oder andere Parameteranpassungen kann die Wirkung der thermischen Linse ortsabhängig kompensiert werden. Damit ist es auch bei aktiven Medien mit negativem dn/dT möglich, einen monolithischen plan-plan Resonator aufzubauen.
Durch die beabstandeten, direkt modifizierten Volumenbereiche und die damit einhergehenden kürzeren Interaktionslängen im Vergleich zu einer entlang des gesamten Mediums kontinuierlichen Struktur sind die Verluste an den Strukturen geringer. Weiterhin lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein derartiges Medium schneller und somit kostengünstiger modifizieren. Durch die weiteren Freiheitsgrade der
unterschiedlichen Form und Abstände der einzelnen
Volumenbereiche ergeben sich zudem sehr viele Einflussmöglichkeiten auf die Moden. Bezugszeichenliste
I Gepulstes Lasersystem
2 Modulator
3 Scannersystem
4 Optisches Element
5 z-Richtung
6 Gepulster Laserstrahl
7 Fokus des gepulsten Laserstrahls
8 Modifizierte Volumenbereiche
9 Medium
10 x-Richtung
II y-Richtung
12 Fokus des gepulsten Laserstrahls
13 Scan-Pfad
14 Kern
15 Modifizierter Bereich
16 Unmodifizierter Bereich
17 Innendurchmesser
18 Außendurchmesser
19 Länge der Struktur
20
21 Modifizierte Volumenbereiche 22
23 Optische Achse
24 Abstand zur Oberfläche
25 Länge der Struktur
26 Abstand der Volumenbereiche 27 Modifizierter Volumenbereich
28 Propagationsrichtung
29 Abstand der Volumenbereiche 30 Abstand zur Oberfläche Modifizierter Volumenbereich
Laserfokus
Modifizierter Volumenbereich
Unmodifizierter Bereich
Kernbereich
Veränderung der Position des Fokus

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung, die in einem Medium (9) propagiert, bei dem vor dem Einsatz des Mediums (9) mehrere Volumenbereiche (21) innerhalb des Mediums (9) mit Laserpulsen, für die das Medium (9) transparent ist, im Brechungsindex modifiziert werden, indem die Intensität der Laserpulse lokal in den
Volumenbereichen (8) auf einen Wert eingestellt wird, bei dem nichtlineare Absorption im Medium (9) auftritt,
wobei die Volumenbereiche (21) in Propagationsrichtung und/oder schräg zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung voneinander beabstandet gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Wert der Intensität der Laserpulse, bei dem nichtlineare Absorption im Medium (9)
auftritt, durch Fokussierung der Laserpulse erreicht wird und die Volumenbereiche (21) mit den fokussierten Laserpulsen abgetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet ,
dass wenigstens zwei der Volumenbereiche (21) unterschiedliche Dimensionen aufweisen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mehr als zwei Volumenbereiche (21) in Propa- gationsrichtung hintereinander angeordnet sind und zumindest zum Teil unterschiedliche Abstände (26) voneinander aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mehr als zwei Volumenbereiche (21) in
Propagationsrichtung so hintereinander angeordnet und ausgebildet sind, dass eine nicht periodische Variation des Brechungsindex in Propagationsrichtung resultiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass zumindest einige der Volumenbereiche (21) jeweils eine durch die Propagation der optischen Strahlung festgelegte optische Achse (23)
umschließen, wobei die optische Achse (23) und ein Bereich um die optische Achse außerhalb der zumindest einigen Volumenbereiche (21) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils zumindest einige der Volumenbereiche (21) in einer Ebene senkrecht zur Propagationsrichtung der optischen Strahlung um eine durch die Propagation der optischen Strahlung festgelegte optische Achse (23) herum angeordnet sind, wobei die optische Achse (23) und ein Bereich um die optische Achse (23) außerhalb der zumindest einigen Volumenbereiche (21) liegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
dass durch Variation der Intensität der Laserpulse in einem oder mehreren der Volumenbereiche (21) ein Brechungsindexverlauf innerhalb des jeweiligen Volumenbereiches (21) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8
zur Modenbeeinflussung von Laserstrahlung im aktiven Medium eines Festkörperlasers.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8
zur Modenbeeinflussung eines über ein Ende optisch gepumpten Lasermediums, wobei die Volumenbereiche (21) mit zunehmendem Abstand von dem Ende einen größeren gegenseitigen Abstand (26) in
Propagationsrichtung aufweisen.
Optisches Medium zur Modenbeeinflussung von optischer Strahlung, die in dem Medium (9)
propagiert ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in dem Medium (9) mehrere im Brechungsindex modifizierte Volumenbereiche (21) ausgebildet sind, die gemäß dem Verfahren nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 10 angeordnet sind.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017213070A1 (de) 2017-07-28 2019-01-31 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Herstellung einer MEMS Spiegelanordnung und MEMS Spiegelanordnung
WO2020038770A1 (en) * 2018-08-20 2020-02-27 Fisens Gmbh Optical waveguide arrangement, light coupling system and method for manufacturing an optical waveguide arrangement

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020162360A1 (en) * 2001-05-04 2002-11-07 Chris Schaffer Method and apparatus for micromachining bulk transparent materials using localized heating by nonlinearly absorbed laser radiation, and devices fabricated thereby
US20050141840A1 (en) 2002-05-16 2005-06-30 Corning Incorporated Laser-written cladding for waveguide formations in glass
US20060215976A1 (en) * 2005-03-22 2006-09-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Multicore optical fiber with integral diffractive elements machined by ultrafast laser direct writing
WO2008025076A1 (en) * 2006-08-29 2008-03-06 Macquarie University An optical amplifier, a laser and methods of manufacture thereof

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10232815B4 (de) * 2002-07-19 2006-11-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Modifizierung von dielektrischen Materialeigenschaften
WO2008113165A1 (en) * 2007-03-16 2008-09-25 Herman Peter R Multipulse system for writing waveguides. gratings, and integrated optical circuits

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020162360A1 (en) * 2001-05-04 2002-11-07 Chris Schaffer Method and apparatus for micromachining bulk transparent materials using localized heating by nonlinearly absorbed laser radiation, and devices fabricated thereby
US20050141840A1 (en) 2002-05-16 2005-06-30 Corning Incorporated Laser-written cladding for waveguide formations in glass
US20060215976A1 (en) * 2005-03-22 2006-09-28 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Multicore optical fiber with integral diffractive elements machined by ultrafast laser direct writing
WO2008025076A1 (en) * 2006-08-29 2008-03-06 Macquarie University An optical amplifier, a laser and methods of manufacture thereof

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