DE10240599A1

DE10240599A1 - Anordnung und Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse

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Publication number: DE10240599A1
Application number: DE10240599A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Hollemann; Bernd Dr. Braun; Ulf Krause
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2002-08-30
Publication date: 2004-03-18
Also published as: AU2003293919A1; WO2004021528A2; US20050254533A1; EP1532717A2; WO2004021528A3

Abstract

Bei einer Anordnung und einem Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse besteht die Aufgabe, die in regenerativen Verstärkern durch die Vielzahl der benötigten Umläufe hervorgerufene Verschlechterung der Strahlqualität, damit einhergehende Umlaufverluste und Pulsverbreiterungen durch einen einfacheren und kostengünstigeren Laseraufbau zu vermeiden und ultrakurze Laserimpulse mit Pulswiederholraten in einem erweiterten kHz-Bereich zur Verfügung zu stellen. DOLLAR A Zur Auswahl von Impulsen aus einer primären Impulsfolge eines Festkörperlaser-Oszillators und zu deren Verstärkung wird ein Aufbau verwendet, bei dem zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator und dem Verstärkereingang eines Laserverstärkers mindestens ein Schaltelement zur Auswahl der Impulse angeordnet ist. Der Laserverstärker ist bezüglich des zu verstärkenden Impulses resonatorlos und frei von aktiven Strahlschalterelementen und enthält mindestens eine Verstärkerstufe mit verstärkendem Laserkristall, durch den der zu verstärkende Impuls höchstens im doppelten Durchgang hindurchtritt. DOLLAR A Mit der Anordnung und dem Verfahren können ultrakurze Laserimpulse mit Pulslängen insbesondere unterhalb von 20 ps, Pulswiederholraten im Bereich von 1000 Hz-10 MHz und Pulsenergien im mJ-Bereich erzeugt werden, die bevorzugt im Bereich der Mikromaterialbearbeitung und in medizinischen Bereichen Anwendung finden können.

Description

Die Erfindung betrifft die Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse mit Pulslängen unterhalb von 100 ps, Pulswiederholraten im Bereich von 1000 Hz – 10 MHz und Pulsenergien im mJ-Bereich.
Für derartige Ultrakurzpulslaser, die insbesondere auf der Festkörperlasertechnologie beruhen und diodengepumpt sind, gibt es einen dringenden Bedarf in der Mikromaterialbearbeitung (z.B. Bohren von Düsen und Laser-Honen tribologischer Oberflächen). Ultrakurzpulslaser können ebenso vorteilhaft eingesetzt werden für medizinische Anwendungen im Bereich der Ophthalmologie (z.B. refraktive Hornhautchirurgie) und der Zahnmedizin (z.B. Bearbeitung von Zahnhartmaterial).
Der Vorteil der Ultrakurzpulstechnik gegenüber akustooptisch gütegeschalteten Festkörperlasern mit längerer Pulsdauer von beispielsweise 10 ns und darüber, liegt darin, dass ein quasi „kalter" Abtrag des Materials ohne Beeinträchtigung der lokalen Umgebung durch Schmelzauswürfe und thermische Aufheizung ermöglicht wird. So haben Untersuchungen (F. Dausinger, „Femtosecond technology for precision manufacturing: Fundamental and technical aspecs", Proceedings of the International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP), 27.–31.05.02, Osaka, Japan (2002)) gezeigt, dass Pulsdauern von 5 ps – 10 ps beim Bohren metallischer Werkstoffe zu einem optimalen Ergebnis führen.
Ausschlaggebend für einen „kalten" Materialabtrag und ein damit verbundenes positives Bearbeitungsergebnis sind nach dieser Veröffentlichung beispielsweise folgende Parameter: Pulslängen unterhalb von 10 ps, Pulswiederholraten von 10 kHz – 100 kHz und eine Pulsenergie von 0,1 mJ – 1 mJ. Vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass die üblicherweise bei der Materialbearbeitung von Metallen mit „echten" fs-Impulsen entstehenden Nachteile, wie eine Strukturierung der Bohrlochwände, Feldstärkedurchschläge an Luft, eine komplexe Plasmaerzeugung, etc. vermieden werden.

Aus W. Koechner, „Solid-State Laser Engineering", Fifth Edition, Springer Series in Optical Sciences, Springer, Berlin, 1999 bekannte Anordnungen zur Erzeugung von energiereichen ultrakurzen Laserimpulsen, bestehend aus einem modengekoppelten Ti:Saphir-Laser-Oszillator und einem im Strahl nachgeordneten regenerativen Verstärker, selektieren aus einer Folge von kurzen Oszillatorimpulsen niedrigerer Energie und einer Pulswiederholrate von z. B. typischen 100 MHz Laserimpulse mit einer niedrigeren Pulswiederholrate und verstärken die ausgewählten Impulse mit dem regenerativen Verstärker.

Regenerative Verstärker bestehen beispielsweise aus einem endgepumpten Laserkristall und einem Spiegelsystem, das als stabiler Resonator ausgelegt ist. Sie verwenden innerhalb des Resonators eine Pockelszelle als aktives Schaltelement, das mit geringen Verlusten die Laserimpulse aktiv ein- und auskoppelt und dadurch die Pulsumlaufzahl innerhalb des Resonators bestimmt. Ein systematischer Nachteil von regenerativen Verstärkern ist die mit der Vielzahl der benötigten Umläufe (typisch 5 – 100) verbundene Verschlechterung der Strahlqualität und die damit einhergehenden Umlaufverluste. Häufig tritt auch eine Pulsverbreiterung durch die große Anzahl von Umläufen („Gain narrowing") auf. Darüber hinaus entstehen in regenerativen Verstärkern hohe Pulsenergien und Pulsspitzenleistungen, die sehr hohe Anforderungen an die optische Qualität von Material, Oberflächenpolitur und Beschichtung der optischen Komponenten voraussetzen.

Ferner sind Pockelszellen aufgrund des Hochspannungsbetriebes prinzipiell problematisch, da hierfür bei Pulswiederholraten von 1 kHz und höher eine aufwändige Elektronik erforderlich ist. Für Pulswiederholraten über 50 kHz zeichnet sich mit Pockelszellen bislang kein technisch akzeptabler Lösungsansatz ab. Weitere Nachteile betreffen die starke elektromagnetische Abstrahlung durch die modulierte Hochspannung.

Neuerdings (D.Müller, S.Erhard, A.Giesen, „High power thin disk Yb:YAG regenerative amplifier", OSA TOPS Vol. 50, Advanced Solid-State Lasers, 2001 Optical Society of America) wurden auch regenerative Verstärker auf der Basis von Scheibenlasern untersucht aber trotz vieler technischer Verbesserungen im Einzelnen bleiben die Ultrakurzpuls-Laser anspruchsvoll hinsichtlich der Qualität der optischen Komponenten und die regenerativen Verstärker können bei Verwendung von EOM nur bis 10 kHz betrieben werden. Femtosekundenlasersysteme sind deshalb trotz vielversprechender, umfangreicher Applikationsergebnisse als nicht industrietauglich anzusehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die in regenerativen Verstärkern durch die Vielzahl der benötigten Umläufe hervorgerufene Verschlechterung der Strahlqualität und damit einhergehende Umlaufverluste und Pulsverbreiterungen durch einen einfacheren und kostengünstigeren Laseraufbau zu vermeiden. Dabei sollen ultrakurze Laserimpulse mit Pulswiederholraten in einem erweiterten kHz-Bereich und mit Pulsenergien im mJ-Bereich zur Verfügung gestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse mit einem Festkörperlaser-Oszillator zur Bereitstellung einer Impulsfolge und einem nachgeordneten Laserverstärker zur Erhöhung der Pulsenergie von Impulsen, die durch ein Schaltelement aus der Impulsfolge mit einer verringerten Pulswiederholrate gegenüber der Impulsfolge ausgewählt sind, dadurch gelöst, dass zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator und dem Verstärkereingang des Laserverstärkers mindestens ein Schaltelement zur Auswahl der Impulse angeordnet ist, und dass der Laserverstärker resonatorlos bezüglich des zu verstärkenden Impulses und frei von aktiven Strahlschaltelementen ist und mindestens eine Verstärkerstufe mit verstärkendem Laserkristall enthält, durch den der zu verstärkende Impuls höchstens im doppelten Durchgang hindurchtritt.

Der Laserverstärker sollte vor allem eine sehr hohe Kleinsignalverstärkung von mehr als 100 aufweisen. Vorteilhaft ist es, wenn die Kleinsignalverstärkung ein Erreichen einer Pulsenergie von mehr als 10 μJ gewährleistet.

Durch die sehr hohe Kleinsignalverstärkung kann mit sehr kleinen Leistungen geseedet werden, was die Bildung ultrakurzer Impulse stark vereinfacht. So wird bei einer Kleinsignalverstärkung von beispielsweise 10⁶, einer ausreichenden Speicherfähigkeit des aktiven Verstärkermediums und einer Eingangspulsenergie von 10 nJ – 100 nJ bereits in einem einfachen Strahldurchtritt durch den Laserverstärker eine Anhebung der Pulsenergie in den für die Materialbearbeitung wesentlichen Bereich von 0,1 mJ – 5 mJ möglich.

Mit dem Verzicht auf einen regenerativen Verstärker und dessen Resonatoraufbau ist auch der Vorteil verbunden, das komplexe Schaltregime einer aktiven Impulsein- und – auskopplung nach mehrmaligem Umlauf nicht mehr verwenden zu müssen. Folglich kann auch der in dem regenerativen Verstärker zwingend vorhandene elektro-optische Modulator ersetzt werden durch ein Schaltelement, der die genannten Nachteile nicht aufweist. An das ersetzende Schaltelement sind auch nicht mehr die hohen Anforderungen hinsichtlich geringer Transmissionsverluste zu stellen.

Vor allem ist das von Vorteil für einen vereinfachten Aufbau des zur Auswahl der Laserimpulse dienenden Schaltelementes. Dieses kann nunmehr als einzelner akustooptischer Modulator oder als Paar davon zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator und dem Verstärkereingang des Laserverstärkers angeordnet werden.

Da das Schaltelement außerhalb des Laserverstärkers angeordnet ist, enthält der Laserverstärker, für den bei der vorliegenden Erfindung kein Laserresonator vorgesehen ist, im Unterschied zu einem regenerativen Verstärker auch kein aktives Strahlschaltelement mehr. Der bevorzugt verwendete, einfach aufgebaute und damit kostengünstige akusto-optische Modulator ist ausschließlich als „Pulspicker" eingesetzt.

In vorteilhafter Ausgestaltung kann der akusto-optische Modulator von einer Photodiode getriggert sein, die in Verbindung mit einem elektronischen Zähler die Auswahl der Impulse bestimmt. Hierdurch ist die Pulswiederholrate durch eine Einstellung der in einer Zeiteinheit auszuwählenden Impulse quasi-kontinuierlich variierbar.

Die Erfindung schließt es selbstverständlich nicht aus, dass als Schaltelement ein elektro-optischer Modulator verwendet wird, der zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator und dem Verstärkereingang des Laserverstärkers angeordnet ist. Im Unterschied zu einer Anordnung in einem regenerativen Verstärker ist ein solches Schaltelement jedoch nur einer geringen optischen Leistungsbelastung ausgesetzt.

Zur Vermeidung von Rückwirkungen aus dem Laserverstärker in den Festkörperlaser-Oszillator ist es von Vorteil, zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator und dem Laserverstärker einen Faraday-Isolator anzuordnen oder das Schaltelement zusätzlich als optischen Isolator zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator und dem Laserverstärker vorzusehen. Zur Vermeidung reflektierter Strahlung aus der Anwendung in den Laserverstärker kann auch zusätzlich oder einzeln im Strahlengang nach dem Laserverstärker ein Faraday-Isolator vorgesehen werden. Einer solchen Schutzmaßnahme dient auch die Nachordnung eines Polarisators und einer Lambda-viertel-Platte nach dem Laserverstärker.

Die bevorzugt für diodenlasergepumpte, modengekoppelte Festkörperlaser-Oszillatoren vorgesehene Erfindung ist nicht auf solche beschränkt, sondern auch für gütegeschaltete, hochrepetierende gepulste Laser- Oszillatoren, für passiv gütegeschaltete Laser-Oszillatoren sowie für Microchiplaser und gepulste Diodenlaser geeignet.

Bei einer sehr hohen Verstärkung ist es besonders von Vorteil, einen Hilfsresonator für eine andere Wellenlänge als die des zu verstärkenden Impulses oder die orthogonal polarisierte Komponente des Impulses vorzusehen, der den Laserverstärker als laseraktives Element enthält und der bei steigender Inversion im verstärkenden Laserkristall anschwingt und diese auf einen niedrigen Wert begrenzt. Selbst durch diese Maßnahme bleibt der Laserverstärker quasi resonatorfrei, da er für die Wellenlänge und die Polarisation des zu verstärkenden Impulses nicht wirksam ist.

Die erfindungsgemäße Verstärkeranordnung kann auch sehr vorteilhaft zur Erzeugung von ultrakurzen Laserimpulsen im UV-Bereich verwendet werden, indem ein oder mehrere nichtlinear optische Kristalle zur Wellenlängentransformation nachgeordnet werden.

Die obenstehende Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse gelöst durch Auswahl von Impulsen aus einer primären Impulsfolge und durch Verstärkung der ausgewählten Impulse, die gegenüber der primären Impulsfolge eine verringerte Pulswiederholrate aufweisen, wobei die Verstärkung höchstens mit einem doppelten Durchgang durch mindestens ein verstärkendes Medium eines bezüglich des zu verstärkenden Impulses resonatorlosen Laserverstärkers verbunden ist, aus dem eine Auskopplung der verstärkten Impulse frei von aktiven Schaltvorgängen erfolgt.

Mit der Erfindung wird eine industrietaugliche Laserstrahlquelle mit einfachem Aufbau bereitgestellt, die ultrakurze Laserimpulse im ps-Bereich und mit Pulsenergien im mJ-Bereich liefert und deren Pulswiederholraten im kHz-Bereich genügend Zeit zwischen zwei Impulsen für eine thermische Relaxierung von bearbeitetem Material lassen. Indem dadurch ein Abfließen der Wärme in das Werkstück verhindert wird, kommt es zu keinen unerwünschten thermischen Schädigungen im Nachbarbereich der direkten Wechselwirkung.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 den Gesamtaufbau einer Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse mit schematischer Darstellung der jeweils vorliegenden Impulse
2 den Aufbau eines modengekoppelten Festkörperlaser-Oszillators
3 den Aufbau eines Laserverstärkers, der dem modengekoppelten Festkörperlaser-Oszillator nachgeschaltet ist
4 eine Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse, mit zwei akusto-optischen Modulatoren als Schaltelemente
5 den Aufbau eines Hilfsresonators
6 eine Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse mit Schutzeinrichtungen vor zurücktretender Strahlung
Bei der in 1 dargestellten Anordnung ist zwischen einem modengekoppelten Festkörperlaser-Oszillator 1 und dem Verstärkereingang eines Laserverstärkers 2 ein akustooptischer Modulator 3 als bevorzugtes Schaltelement zur Auswahl von Impulsen aus einer von dem Festkörperlaser-Oszillator 1 bereitgestellten Impulsfolge angeordnet.
Der beim Einschalten des akusto-optischen Modulators in die erste Ordnung gebeugte Strahl 4 wird in den Laserverstärker 2 eingekoppelt. Dabei sind die mit handelsüblichen Modulatoren erreichbaren Anstiegsflanken von beispielsweise 10 ns ausreichend, um einen Einzelimpuls aus einem Impulszug bei Pulswiederholraten bis 100 MHz (Pulsabstand 10 ns) auszuwählen. Wird noch mit einem weiteren akusto-optischen Modulator (Fi. 4) gearbeitet, führt das zu einer Verringerung der Leistung innerhalb des Modulators, zu einer schärferen Fokussierung und zu noch kürzeren Schaltzeiten.
Der als „Pulspicker" eingesetzte akusto-optische Modulator 3 kann von einer schnellen Photodiode getriggert werden, die den Impulszug detektiert und mittels einer schnellen Elektronik beispielsweise jeden 100sten oder jeden 1000sten Puls auszählt und synchronisiert das Zeitfenster für diesen Impuls öffnet. Hierdurch ist auch gleichzeitig eine quasi-kontinuierliche Variation der Pulswiederholrate möglich, da die Anzahl der ausgewählten Impulse pro Zeiteinheit frei wählbar ist.
Außerdem ist der „Pulspicker" dazu geeignet, die Funktion der optischen Isolation zu übernehmen, da er nach der Pulsauswahl wieder schließt.
Die Pulswiederholrate kann bei konstanter Durchschnittsleistung in Grenzen geändert werden. Beispielsweise verringert sich bei Nd:YVO₄ die Durchschnittsleistung nur um 5 %, wenn die Pulswiederholrate von 500 kHz auf 50 kHz verringert wird.
Der in 2 dargestellte Festkörperlaser-Oszillator 1 enthält einen Nd:YVO₄-Laserkristall 5, der mit Hilfe eines Diodenlasers 6 mit dazugehöriger Pumpoptik 7 diodengepumpt ist. Der Festkörperlaser-Oszillator 1 ist durch Umlenkspiegel 8 mehrfach gefaltet und arbeitet mit einem sättigbaren Halbleiterabsorber 9 und einem Endspiegel 10. Bei dem Aufbau gemäß 2 bestehen verschiedene Möglichkeiten der Strahlauskopplung. So kann zwischen dem Laserkristall 5 und der Pumpoptik 7 z. B. ein dichroitischer Spiegel angeordnet werden.
Mit dem im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendeten diodengepumpten Nd:YVO₄-Oszillator mit einer Pulswiederholrate von 30 MHz (Pulsabstand 33 ns), einer Ausgangsleistung von 5 W und einer Pulsdauer von 8 ps resultiert eine Pulsenergie von 170 nJ.
Der akusto-optische Modulator 3, dessen Pulsanstiegszeit 10 ns beträgt, wählt jeden 500sten Impuls mit einer Beugungseffektivität von mehr als 80% aus, so dass eine durchschnittliche Eingangsleistung am Verstärkereingang des Laserverstärkers 2 größer als 5 mW bei 60 kHz Pulswiederholrate beträgt.
Der in 3 dargestellte Laserverstärker, dessen einzelne Verstärkerstufen bereits in der DE 100 43 269 A1 ausführlich beschrieben wurden und auf die hier Bezug genommen wird, besteht aus sechs solcher Verstärkerstufen mit einer seriellen Anordnung von sechs Laserkristallen 12 – 17 als verstärkende Medien, die von ebenso vielen jeweils zugeordneten Hochleistungsdiodenlasern (in 3 verdeckt) diodengepumpt sind. Im Unterschied zu den für die Erzeugung von ultrakurzen Impulsen bisher verwendeten regenerativen Verstärkern weisen die Verstärkerstufen des bei der Erfindung verwendeten Laserverstärkers keinen Resonatoraufbau auf. Die aus den Hochleistungsdiodenlasern austretende Pumpstrahlung wird zunächst kollimiert und anschließend in die Laserkristalle 12 – 17 fokussiert, die zur Erreichung eines hohen stimulierten Emissionswirkungsquerschnittes im vorliegenden Ausführungsbeispiel Nd:YVO₄-Kristalle sind. Aufgrund der hohen Strahlqualität der Pumpstrahlung in der Fast-Axis-Richtung entsteht ein stark elliptischer Pumpfokus mit Abmessungen von etwa 0,1 mm x 2,0 mm, woraus bei einer absorbierten Pumpleistung von 18 W eine sehr hohe Pumpleistungsdichte und damit eine sehr hohe Kleinsignalverstärkung resultiert. Diese beträgt mehr als 10 pro Verstärkerstufe, so dass sich für die sechs vorgesehenen Verstärkerstufen eine Gesamtkleinsignal-Verstärkung von größer 10⁶ ergibt.
Außer Nd:YVO₉-Kristallen sind vorteilhaft auch Nd:Gd:YVO₄-Kristalle oder andere Nd-dotierte Kristalle verwendbar.
Ein aus dem Festkörperlaser-Oszillator 1 austretender runder Laserstrahl 18 durchläuft zur Vermeidung von Rückwirkungen aus dem Laserverstärker in den Festkörperlaser-Oszillator 1 einen Faraday-Isolator 19 mit z. B. 30 – 60 dB Dämpfung und durchstrahlt modenangepasst durch eine Linsenkombination 20 in einem Zick-Zack-Pfad nacheinander alle sechs Laserkristalle 12 – 17. Zusätzlich wird der Laserstrahl 18 zur weiteren Anpassung an den stark elliptischen Pumpfokus mittels Zylinderlinsen 21, 22 in die Laserkristalle 12 – 17 fokussiert, so dass der in der Tangentialebene kollimierte Laserstrahl 18 die Laserkristalle 12 – 17 in der Sagittalebene mit einem stark elliptischen Fokus durchsetzt. Der vorliegende Laserverstärker ist zweigeteilt, wobei die beiden Teile über ein Periskop 23 optisch verbunden sind.
Nach seinem zweiten Durchtritt durch die Zylinderlinsen 21, 22 ist der Laserstrahl 18 auch in der Sagittalebene wieder mit dem gleichen elliptischen Querschnitt kollimiert wie vor dem ersten Durchtritt durch die Zylinderlinsen 21, 22.
Somit sind die Laserkristalle 12 – 17 von modenangepassten Strahlen der Pumpstrahlung und der zu verstärkenden Laserstrahlung 18 durchsetzt, wobei sich infolge der eingestrahlten elliptischen Pumpstrahlung eine thermische Linse mit unterschiedlicher Stärke in zueinander senkrechten Ebenen ausbildet. Die Laserstrahlung 18 ist, in der Ebene mit starker thermischer Linse fokussiert, in jeden der Laserkristalle 12 – 17 gerichtet, wobei eine sich bildende Strahltaille im Bereich der thermischen Linse liegt.
Zur Gewährleistung des Zick-Zack-Pfades dienen Faltspiegel 24 – 29, die auch dazu genutzt werden können, die Strahlabmessungen in der Slow-Axis-Richtung anzupassen. Weitere Umlenkelemente 30 – 34 dienen dem Aufbau einer kompakten Anordnung.
Der Laserstrahl 18 wird nach seinem Austritt aus dem Laserverstärker mittels einer nicht dargestellten Linsenanordnung, bestehend aus z. B. Zylinderlinsen, den gewünschten Strahlparametern für die vorgesehene Anwendung angepasst.
Mit dem sechsstufigen Laserverstärker gemäß 3 lassen sich bei einer Kleinsignalverstärkung von 1.000.000 Durchschnittsleistungen von 40 W – 60 W im gesättigten Betrieb erzielen. Die Lebensdauer des angeregten metastabilen Laserniveaus von Nd:YVO₉ beträgt 90 μsec, was einer Pulsenergie von über 1,3 mJ entspricht. Die Pulslänge bleibt unverändert, da bei relativ langen Impulsen von 8 ps Pulsdauer noch kein „Gain Narrowing" im Laserverstärker auftritt. Die Pulsspitzenleistung beträgt somit 160 MW.
In Bezug auf die Angaben zur erforderlichen gesättigten Verstärkung des Laserverstärkers ist anhand der nachfolgenden Tabelle festzustellen, dass sich aufgrund der Lebensdauer des oberen Laserniveaus und einer verstärkten Spontanemission (ASE) die Verstärkung in Sättigung in Abhängigkeit von der Pulswiederholrate verringert, analog zu gütegeschalteten Lasern und Laserverstärkern von gütegeschalteten Oszillatoren mit Pulslängen im ns-Bereich.
Aus der nachfolgenden Tabelle sind die mit dem in 3 dargestellten Laserverstärker im Vergleich zu einer Pumpanordnung mit fasergekoppeltem Diodenlaser (N. Hodgson, D. Dudley, L. Gruber, W. Jordan, H. Hoffmann, „Diode end-pumped, TEM₀₀ Nd:YVO₄ laser with output power greater than 12 W at 355 nm", CLEO 2001, Optical Society of America, Techn. Digest, 389, (2001)) erreichbaren Pumpstrahlquerschnitte zu entnehmen. Die Pumpstrahlquerschnitte und damit die erreichbare Pumpleistungsdichte sind entscheidende Voraussetzung, um eine hohe Kleinsignalverstärkung zu erreichen (W. Koechner, „Solid-State Laser Engineering", Fifth Edition, Springer Series in Optical Sciences, Springer, Berlin, 1999) .
Als effektiver Querschnitt wird der wirksame gemittelte gewichtete Querschnitt entlang der Absorptionslänge im Laserkristall bezeichnet. Vereinfachend wurde ein Faktor 2 gegenüber der minimalen Querschnittsfläche angenommen.
Bei der in 4 dargestellten Anordnung einer weiteren Ausführung der Erfindung, die als Schaltelemente zwei akusto-optische Modulatoren 35, 36 verwendet, erzeugt der Festkörperlaser-Oszillator 1 einen Impulszug mit einer Pulswiederholrate von beispielsweise 200 MHz. Der erste akusto-optische Modulator 35 zerschneidet den Impulszug in Pulspakete mit einer Pulspaketwiederholrate von beispielsweise 200 kHz, wobei jedes Pulspaket 10 Impulse enthält. Dadurch wird die optische mittlere Leistung für den zweiten akusto-optischen Modulator 36 auf 1% verringert, so dass sehr klein fokussiert werden kann und dadurch schnelle Schaltflanken zum Ausschneiden eines Einzelimpulses ermöglicht werden.
In einer weiteren Ausführung gemäß 5 ist ein Hilfsresonator vorgesehen, der allerdings nicht wirksam ist für die zur weiteren Verwendung vorgesehene Wellenlänge λ₁ des Oszillatorstrahls. Der Hilfsresonator enthält zwei, dem Laserverstärker 2 benachbarte dichroitische Strahlteiler 37, 38, die für die Wellenlänge λ₁ transmittierend sind und für eine mit dem Laserverstärker 2 ebenfalls verstärkbare zweite Wellenlänge λ₂ (oder für eine andere Polarisation) hochreflektierend wirken.
Von zwei den Hilfsresonator bildenden Resonatorspiegeln 39, 40 ist beispielsweise der eine Resonatorspiegel 39 hochreflektierend für die Wellenlänge λ₂ und der andere Resonatorspiegel 40 dient als Auskoppler für die Wellenlänge λ₂.
Der Hilfsresonator, dessen Laserschwelle durch die Wahl des Auskoppelgrades des Resonatorspiegels 40 eingestellt ist, schwingt an, wenn die Verstärkung im verstärkenden Medium des Laserverstärkers 2 einen kritischen Wert erreicht und begrenzt somit die maximale Kleinsignalverstärkung. Dadurch kann ein durch verstärkte Spontanemission (ASE) entstehender störender Dauerstrich-Untergrund zur gepulsten Strahlung wirksam verhindert werden, z. B. wenn der Festkörperlaser-Oszillator 1 eine zu geringe Pulswiederholrate aufweist oder ausgeschaltet wird.
Gleichzeitig wird dadurch nach dem Einschalten des Festkörperlaser-Oszillator 1 im Laserverstärker 2 schneller ein thermisch stationärer Zustand erreicht.
Die aus dem Hilfsresonator austretende Laserstrahlung der Wellenlänge λ₂ ist in der Regel nicht direkt nutzbar und kann beispielsweise in einer Strahlfalle 41 aufgefangen werden.
Der Hilfsresonator kann auch zur Unterdrückung der störenden Überhöhung des Erstimpulses verwendet werden, die ihre Ursache ebenso in der gegenüber dem stationären Betrieb angehobenen Inversion im laseraktiven Medium hat.
Zum Schutz der verstärkenden Elemente in dem Laserverstärker 2 und des Festkörperlaser-Oszillators 1 vor zurücktretender Strahlung aus einer Applikation können Schutzeinrichtungen gemäß 6 vorgesehen sein. Eine geeignete Maßnahme ist z. B. eine hinter dem Verstärkerausgang platzierte Lambda-viertel-Platte 42 mit einem Polarisator 43. Es kann zu diesem Zweck auch möglich sein, dem Festkörperlaser-Oszillators 1, wie schon in 3 enthalten, einen Faraday-Isolator 44 nachzuordnen, der auch einen Schutz vor zurücktretender Strahlung aus dem Laserverstärker 2 bietet.

Claims

Anordnung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse mit einem Festkörperlaser-Oszillator zur Bereitstellung einer Impulsfolge und einem nachgeordneten Laserverstärker zur Erhöhung der Pulsenergie von Impulsen, die durch ein Schaltelement aus der Impulsfolge mit einer verringerten Pulswiederholrate gegenüber der Impulsfolge ausgewählt sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator (1) und dem Verstärkereingang des Laserverstärkers (2) mindestens ein Schaltelement zur Auswahl der Impulse angeordnet ist, und dass der Laserverstärker (2) resonatorlos bezüglich des zu verstärkenden Impulses und frei von aktiven Strahlschaltelementen ist und mindestens eine Verstärkerstufe mit verstärkendem Laserkristall (12 – 17) enthält, durch den der zu verstärkende Impuls höchstens im doppelten Durchgang hindurchtritt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserverstärker (2) eine Kleinsignalverstärkung aufweist, die mehr als 100 beträgt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserverstärker (2) eine solche Kleinsignalverstärkung aufweist, dass die erreichte Pulsenergie mehr als 10 μJ beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement ein akustooptischer Modulator (3) ist, der zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator (1) und dem Verstärkereingang des Laserverstärkers (2) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der akusto-optische Modulator (3) von einer Photodiode getriggert ist, die in Verbindung mit einem elektronischen Zähler die Auswahl der Impulse bestimmt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei akusto-optische Modulatoren (35, 36) als Schaltelemente hintereinander zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator (1) und dem Verstärkereingang des Laserverstärkers (2) angeordnet sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulswiederholrate durch eine Einstellung der in einer Zeiteinheit auszuwählenden Impulse variierbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement ein elektrooptischer Modulator ist, der zwischen dem Festkörperlaser-Oszillator (1) und dem Verstärkereingang des Laserverstärkers (2) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement zusätzlich als optischer Isolator zwischen dem Festkörper-Laser-Oszillator (1) und dem Laserverstärker (2) zur Vermeidung von Rückwirkungen aus dem Laserverstärker (2) in den Festkörperlaser-Oszillator (1) vorgesehen ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Festkörper-Laser-Oszillator (1) und dem Laserverstärker (2) ein Faraday-Isolator (19, 44) zur Vermeidung von Rückwirkungen aus dem Laserverstärker (2) in den Festkörperlaser-Oszillator (1) angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser-Oszillator (1) diodengepumpt und modengekoppelt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser-Oszillator (1) als gütegeschalteter, hochrepetierender gepulster Oszillator ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser-Oszillator (1) als passiv gütegeschalteter Oszillator ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser-Oszillator (1) als Microchiplaser ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörperlaser-Oszillator (1) als gepulster Diodenlaser ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hilfsresonator für eine andere Wellenlänge als die des zu verstärkenden Impulses oder die orthogonal polarisierte Komponente des Impulses vorgesehen ist, der den Laserverstärker (2) als laseraktives Element enthält.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserverstärker (2) zur Vermeidung von Rückwirkungen aus einer Applikation in den Festkörperlaser-Oszillator (1) ein Polarisator (43) und eine Lambda-viertel-Platte (42) oder ein Faraday-Isolator nachgeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laserverstärker (2) zur Erzeugung von ultrakurzen Laserimpulsen im UV-Bereich mindestens ein nichtlinear optischer Kristall zur Wellenlängentransformation nachgeordnet wird.
Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse durch Auswahl von Impulsen aus einer primären Impulsfolge und durch Verstärkung der ausgewählten Impulse, die gegenüber der primären Impulsfolge eine verringerte Pulswiederholrate aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung höchstens mit einem doppelten Durchgang durch mindestens ein verstärkendes Medium eines bezüglich des zu verstärkenden Impulses resonatorlosen Laserverstärkers verbunden ist, aus dem eine Auskopplung der verstärkten Impulse frei von aktiven Schaltvorgängen erfolgt.