DE102004032463B4

DE102004032463B4 - Verfahren und optische Anordnung zur Erzeugung eines Breitbandspektrums mittels modengekoppelter Picosekunden-Laserimpulse

Info

Publication number: DE102004032463B4
Application number: DE102004032463A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Braun; Andreas Zintl
Original assignee: Jenoptik Laser GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: DE102004032463A1; US20060002437A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung eines Breitbandspektrums durch
– Bereitstellung von modengekoppelten Picosekunden-Laserimpulsen mit einer infraroten Ausgangswellenlänge von 1064 nm,
– Transformation der infraroten Ausgangswellenlänge zur Erzeugung einer Sekundärwellenlänge von 532 nm,
– Einkopplung der Picosekunden-Laserimpulse mit der Sekundärwellenlänge in eine nichtlineare optische Faser, die an die Sekundärwellenlänge in der Dispersion und in nichtlinearen Eigenschaften optisch angepasst ist, wodurch selektiv ein Strahlungsleistungsintervall erzeugt wird, das einen sichtbaren Wellenlängenbereich von 450 nm–650 nm umfasst.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Breitbandspektrums, das aufgrund seiner hohen Brillanz u. a. in der Spektroskopie, Mikroskopie, Zytometrie oder für sogenannte ”array reader” eingesetzt werden kann.
Treten intensive kurze Laserimpulse durch eine nichtlineare optische Faser hindurch, kommt es durch nichtlineare optische Prozesse zu einer erheblichen Spektrenverbreiterung und es wird ein sogenanntes Superkontinuum erzeugt.
In zunehmendem Maße sind in letzter Zeit sogenannte photonische Fasern (PCF – photonic crystal fiber), ”photonic bandgap fibers” oder getaperte Fasern als Medium für derartige Spektrenverbreiterungen zum Interesse für die Fachwelt geworden.
Solche Fasern bestehen aus einem Quarzkern, der von einer Reihe mikroskopisch kleiner luft- bzw. gasgefüllter Hohlräume umschlossen ist, die entlang der Faserlänge verlaufen, so dass eine im Faserquerschnitt wabenförmige Faserstruktur entsteht. Durch Größe und Anordnung der Lochstruktur kann die Strahlung zum einen mit einem definierten Querschnitt in der Faser geführt werden, und zum anderen können die dispersiven Eigenschaften gezielt beeinflusst werden, was zu den gewünschten nichtlinearen optischen Prozessen führen kann. Befindet sich alternativ auch im Faserzentrum ein gasgefüllter Hohlraum und wird in dem Hohlraum ein wesentlicher Anteil der Strahlungsintensität geführt, spricht man von ”photonic bandgap fibers”.
Zu den für die Erzeugung eines Superkontinuums wesentlichen nichtlinearen Effekten gehören vor allem Solitoneneffekte höherer Ordnung, Dispersion, stimulierte Raman-Streuung, Selbst- und Kreuzphasenmodulation und die parametrische Vierwellenmischung.
Von besonderem Interesse war zunächst die Kontinuumerzeugung aus Femtosekunden-Laserimpulsen, die ausreichend hohe Feldintensitäten für die Aktivierung der nichtlinearen optischen Prozesse in den verwendeten Fasern besitzen. Untersuchungen wurden z. B. durchgeführt von:
Ranka, Windeler, Stentz, „Visible continuum generation in air-silica microstruture optical fibers with anomalous dispersion at 800 nm”, Opt. Lett. 25, 25 (2000);
Hartl, Li, Chudoba, Ghanta, Ko, Fujimoto et al., „Ultrahighresolution optical coherence tomography using continuum generation in an air-silica microstructure optical fiber”, Opt. Lett. 26, 608 (2001) und
Holzwarth, Zimmermann, Udem, Hänsch et al., „White-light frequency comb generation with a diode-pumped Cr:LiSAF laser”, Opt. Lett. 26, 1376 (2001).
Mit einer experimentellen Versuchsanordnung gelang es Champert, Popov und Taylor ein Kontinuum in Hohlleitern bei 770 nm und mit ns-Impulsen zu erzeugen („Generation of multiwatt, broadband continua in holey fibers”, Opt. Lett. 27, 122 (2002).
Ein weiteres Verfahren zur Erzeugung eines Kontinuums mit einer Anregungswellenlänge von 800 nm wurde in der DE 101 15 590 A1 offenbart, wobei es zu drastischen Leistungsüberhöhungen in dem Bereich um 800 nm kommt. Erzeugte, jedoch nicht benötigte Wellenlängen werden durch geeignete optische Elemente unterdrückt. Es steht somit ein Teil der Ausgangsleistung für Anwendungen nicht zur Verfügung.
Aus der DE 101 54 007 A1 ist eine Anordnung zum Pumpen eines anisotropen Laserkristalls bekannt, mittels der eine hohe Pumpstrahldichte erreicht werden kann.
In S. Coen, A. H. L. Chan, R. Leonhardt, J. D. Harvey, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, P. St. J. Russell, ”White-light supercontinuum generation with 60-ps pump Pulses in a photonic crystal fiber”, Optics Letters 26, 1356 (2001) wurde gezeigt, dass ein beidseitig zur Wellenlänge der Pumpstrahlungsquelle (647 nm) aufgeweitetes Spektrum auch mit ps-Impulsen erzeugt werden kann.
Alle diese bekannten Lösungen zur Erzeugung eines Superkontinuums sind kompliziert im Aufbau und damit groß, wartungs- und kostenintensiv.
Das ist besonders von Nachteil, wenn, wie z. B. für Anwendungen in der Medizin oder Biologie (oder allgemeiner ”life science” – Bereiche) eine kompakte breitbandige Strahlungsquelle mit hoher Brillanz gefordert wird.
Deshalb wird bei einer bekannten optischen Anordnung zur Bereitstellung eines Breitbandspektrums gemäß der WO 03/096490 A2 ein zur Erzeugung von Picosekunden-Impulsen dienender passiv modengekoppelter Festkörperlaser mit einer Photonischen Faser gekoppelt. Aus der im Infrarotbereich liegenden Ausgangswellenlänge wird ein Breitbandspektrum erzeugt, dessen Wellenlängenbereich von 700 nm–1000 nm unterhalb der Ausgangswellenlänge reicht.
Erfordert eine Anwendung jedoch nur einen Teilbereich des generierten Spektrums, bleibt ein Teil der erzeugten Leistung ungenutzt.
Es besteht deshalb die Aufgabe, die Wellenlängenbereiche anwendungsorientiert bereits bei der Spektrengenerierung zu selektieren, um dadurch eine erhöhte Laserleistung zur Verfügung stellen zu können.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Erzeugung eines Breitbandspektrums gelöst durch

– Bereitstellung von modengekoppelten Picosekunden-Laserimpulsen mit einer infraroten Ausgangswellenlänge von 1064 nm,
– Transformation der infraroten Ausgangswellenlänge zur Erzeugung einer Sekundärwellenlänge von 532 nm,
– Einkopplung der Picosekunden-Laserimpulse mit der Sekundärwellenlänge in eine nichtlineare optische Faser, die an die Sekundärwellenlänge in der Dispersion und in nichtlinearen Eigenschaften optisch angepasst ist, wodurch selektiv ein Strahlungsleistungsintervall erzeugt wird, das einen sichtbaren Wellenlängenbereich von 450 nm–650 nm umfasst.

Bevorzugt wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Strahlungsleistungsintervall im sichtbaren Wellenlängenbereich von 45 nm–650 nm erzeugt.
Die obenstehende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch eine optische Anordnung zur Erzeugung eines Breitbandspektrums gelöst, die nacheinander angeordnet, einen passiv modengekoppelten Festkörperlaser zur Bereitstellung von Picosekunden-Laserimpulsen mit einer im Infrarotbereich liegenden Ausgangswellenlänge von 1064 nm, einen nichtlinearen optischen Kristall zur Transformation der infraroten Ausgangswellenlänge, um eine im sichtbaren Spektralbereich bei 532 nm liegende Sekundärwellenlänge zu erzeugen und eine nichtlineare optische Faser aufweist, die durch ihre optische Anpassung an die Sekundärwellenlänge zur Erzeugung eines Strahlungsleistungsintervalls im sichtbaren Wellenlängenbereich, bevorzugt von 450 nm–650 nm dient.
Als nichtlineare optische Fasern können z. B. photonische Fasern dienen, deren Kerndurchmesser unterhalb von 2 μm liegt.
Bei einer bevorzugten Ausgangswellenlänge von 1064 nm beträgt die Sekundärwellenlänge 532 nm.
Im Vergleich zu bisher bekannten Anordnungen, insbesondere der WO 03/096490 A2 wird das Breitbandspektrum bei der vorliegenden Erfindung selektiv nur in einem Bereich generiert, der für ein betreffendes Anwendungsgebiet von Interesse ist, so dass keine Leistung durch nachträgliches Herausfiltern spektraler Abschnitte verschenkt wird.
Mit der Erfindung wird eine kostengünstige, kompakte und zweckorientiert anwendbare Breitbandstrahlungsquelle bereitgestellt, die sich durch einen einfach aufgebauten und effizient arbeitenden Laser auszeichnet. Durch die Verwendung der speziell an die Sekundärwellenlänge optisch angepassten nichtlinearen optischen Faser kann selektiv eine signifikante Verbreiterung der Laserbandbreite mit einem im Wesentlichen mit gleichmäßiger Intensität verlaufenden Hauptanteil im Bereich zwischen 450 nm und 650 nm erzielt werden. Die Erfindung zeigt somit, dass die Pulsspitzenleistungen zur Erzeugung eines Breitbandspektrums bei geeigneter Anpassung der Nulldispersionswellenlänge wesentlich niedriger sein können als bisher bekannt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine optische Anordnung für eine kompakte Picosekunden-Breitbandstrahlungsquelle mit nachfolgender Frequenzverdopplung (”second harmonic generation”)
2 ein Supercontinuum-Spektrum der Picosekunden-Breitbandstrahlungsquelle gemäß 1
3 eine Pumpanordnung für einen modengekoppelten Festkörperlaser
Die Breitbandstrahlungsquelle gemäß 1 besteht aus einem passiv modengekoppelten Festkörperlaser 1, der einen, mit sättigbaren Halbleiterabsorbern arbeitenden modengekoppelten Resonator mit mehreren Umlenkspiegeln und einem Endspiegel umfasst und von einem optischen Isolator 2 vor Rückkopplungen geschützt ist. Dem Festkörperlaser 1 entlang des Strahlenganges nachgeordnet ist ein nichtlinearer optischer Kristall 3 zur Wellenlängentransformation in den sichtbaren Spektralbereich vorgesehen. Ober eine Einkoppeloptik 4 wird die Strahlung mit einem Frequenzkonversionselement in Form einer nichtlinearen optischen Faser 5, insbesondere einer photonischen Faser gekoppelt.
Der Festkörperlaser 1, der eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 6 W aufweist, liefert Laserimpulse bei einer Ausgangswellenlänge im Infrarotbereich von λ = 1064 nm und Pulsdauern von ca. 9 ps, deren spektrale Bandbreite 0,3 nm beträgt. Das vorliegende Ausführungsbeispiel arbeitet weiterhin mit einer Pulswiederholrate von 120 MHz, einer mittleren Pulsenergie von 50 nJ und einer mittleren Pulsspitzenleistung von 5,8 kW. Die Ausgangsstrahlung ist horizontal linear polarisiert und die Strahlqualität beträgt M² = 1.
Der für die Ausgangswellenlänge spezifizierte optische Isolator 2 verhindert als optische Diode, dass rückreflektierte oder gestreute Strahlung aus dem nichtlinearen optischen Kristall 3, der Einkoppeloptik 4 und der nichtlinearen optischen Faser 5 in den Resonator des Festkörperlaser 1 rückgekoppelt wird, was zu einer empfindlichen Störung des Modenkopplungsbetriebes führen würde.
Der zur Wellenlängentransformation in den sichtbaren Spektralbereich vorgesehene nichtlineare optische Kristall 3 halbiert die im Infrarotbereich bei λ_A = 1064 nm liegende Ausgangswellenlänge, so dass eine grüne Sekundärwellenlänge von λ_S = 532 nm resultiert.
Mit der Einkoppeloptik 4, für die eine aspherische Glas-Linse mit einer Brennweite von f = 4,5 mm, einer numerischen Apertur von NA = 0,55 und einer Antireflexbeschichtung verwendet wird, wird durch eine Strahlfokussierung eine bestmögliche Anpassung der Freistrahlparameter (Strahlradius und Öffnungswinkel des Gaußschen Strahls, TEM₀₀ des Festkörperlasers 1) an die Parameter der Fasermoden und somit eine maximale Leistungseinkopplung in die nichtlineare optische Faser 5 erzielt (maximale Einkoppeleffizienz 50%). Auf diese Weise lässt sich die Anregung bestimmter Fasermoden mit niedriger Ordnung erreichen.
Die drei Meter lange, hier als photonische Faser ausgebildete nichtlineare optische Faser 5, mit einem an die grüne Sekundärwellenlänge zur Sicherstellung der Nulldispersion angepassten Kerndurchmesser von 1,7 μm und einer numerischen Apertur von NA = 0,41, dient der Verbreiterung der spektralen Bandbreite der Laserimpulse. Hierfür sind unterschiedlich stark ausgeprägte optisch nichtlineare Eigenschaften, wie stimulierte Ramanstreuung, Selbst- und Kreuzphasenmodulation, parametrische Vierwellenmischung, Solitoneneffekte und Dispersion sowie nichtlineare Effekte höherer Ordnung verantwortlich. Die nichtlineare optische Faser 5 ist in den optisch nichtlinearen Eigenschaften derart an die Sekundärwellenlänge angepasst, dass die monochromatische, im vorliegenden Ausführungsbeispiel grüne Laserstrahlung von 532 nm in eine spektral breitbandige Strahlung im sichtbaren Spektralbereich von 450 nm–650 nm umgewandelt wird, also einem Bereich, der von besonderem Interesse im Bereich Life Science ist.
Wie aus 2 zu entnehmen ist, wird mit der erfindungsgemäßen Anordnung ein Breitbandspektrum generiert, bei dem der größte Teil des Strahlungsleistungsintervalls in einen Bereich von 450 nm–650 nm gelegt ist.
Selbstverständlich beschränkt sich die Erfindung nicht auf den im vorliegenden Ausführungsbeispiel generierten Spektralbereich, da bei einer anderen Ausgangswellenlänge und einer resultierenden Sekundärwellenlänge durch die optische Anpassung der nichtlinearen optischen Faser an diese Sekundärwellenlänge ein anderer Spektralbereich erzeugt werden kann.
Die zur Bereitstellung des Spektrums dienende Strahlungsquelle weist einen besonders einfachen und belastungsfähigen Aufbau auf, insbesondere was den Festköperlaser 1 anbetrifft. Dieser wird direkt von einem Diodenlaser gepumpt, wobei eine Pumpanordnung vorgesehen ist, die eine besonders hohe Pumpleistungsdichte zulässt, ohne den Laserkristall zu zerstören.
Die in 3 dargestellte Pumpanordnung enthält zum Endpumpen eines Laserkristalls 6 eine Pumpstrahlungsquelle 7 in Form eines Laserdiodenbarrens oder einer Anordnung davon, wobei der Pumpstrahl 8 mittels zweier Zylinderlinsen 9 und 10 fokussiert auf eine Strahleintrittsfläche 11 des Laserkristalls 6 gerichtet ist. Der Pumpstrahl 7 weist beim Eintritt in den Laserkristall 6 eine Asymmetrie seines Querschnittes mit senkrecht zueinander unterschiedlichen Ausdehnungen auf. Eine Mikrooptik 12, deren Aufbau die Strahlparameter des Diodenbarrens in x- und in y-Richtung formt, ist der Pumpstrahlungsquelle 2 nachgeordnet.

Claims

Verfahren zur Erzeugung eines Breitbandspektrums durch – Bereitstellung von modengekoppelten Picosekunden-Laserimpulsen mit einer infraroten Ausgangswellenlänge von 1064 nm, – Transformation der infraroten Ausgangswellenlänge zur Erzeugung einer Sekundärwellenlänge von 532 nm, – Einkopplung der Picosekunden-Laserimpulse mit der Sekundärwellenlänge in eine nichtlineare optische Faser, die an die Sekundärwellenlänge in der Dispersion und in nichtlinearen Eigenschaften optisch angepasst ist, wodurch selektiv ein Strahlungsleistungsintervall erzeugt wird, das einen sichtbaren Wellenlängenbereich von 450 nm–650 nm umfasst.
Optische Anordnung zur Erzeugung eines Breitbandspektrums, die, nacheinander angeordnet, einen passiv modengekoppelten Festkörperlaser zur Bereitstellung von Picosekunden-Laserimpulsen mit einer im Infrarotbereich liegenden Ausgangswellenlänge von 1064 nm, einen nichtlinearen optischen Kristall zur Transformation der infraroten Ausgangswellenlänge, um eine im sichtbaren Spektralbereich bei 532 nm liegende Sekundärwellenlänge zu erzeugen, und eine nichtlineare optische Faser aufweist, die durch ihre optische Anpassung an die Sekundärwellenlänge zur Erzeugung eines Strahlungsleistungsintervalls im sichtbaren Wellenlängenbereich von 450 nm–650 nm dient.
Optische Anordnung nach Anspruch 2, bei der als nichtlineare optische Faser eine photonische Faser vorgesehen ist, deren Kerndurchmesser unterhalb von 2 μm liegt.