Optische Kurzpulserzeugung im Subpikosekundenbereich
Aktuelles: „Leistungsstarke Femtosekunden-Diodenlasersysteme“ in der Fachzeitschrift „Photonik“
Die Femtosekunden-Lasertechnologie verspricht viele interessante Anwendungen von der Grundlagenforschung über die Messtechnik bis zur Materialbearbeitung. Während bei den konventionellen fs-Strahlquellen wie z.B. modengekoppelten Titan-Saphir-Lasern der hohe Preis und die enorme Komplexität Massenanwendungen im Wege stehen, stellen unsere im Folgenden vorgestellten fs-Diodenlasersysteme eine kompakte, leistungsstarke und kostengünstige Alternative im Spektralbereich um 850 nm dar. Download
Halbleiterlaser sind für die moderne Kommunikationstechnik eine Schlüsseltechnologie. Die Eigenschaft des direkten elektrischen Pumpens eröffnet die Möglichkeit der direkten Modulation des Lasers sowie eine extrem kompakte Bauform. In anderen Bereichen, wie der Erzeugung von Femtosekundenpulsen, spielen Halbleiterlaser trotz ihrer Vorteile noch keine Rolle. In Tabelle 1 werden die Halbleiterlaser mit Festkörper- und Faserlasern verglichen. Trotz vieler Vorteile des Halbleiterlasers schneidet er bei den relevanten Punkten, der minimalen Pulsdauer und der Ausgangsleistung, schlechter ab als die Konkurrenten. Ziel dieses Forschungsschwerpunktes ist es, diese Lücke zu den etablierten Lasersystemen zu schließen und somit eine Alternative zu schaffen, welche den Markt für Femtosekundenlaser revolutionieren kann.
Tab. 1: Vergleich von Femtosekundenlasersystemen
Festkörperlaser | Faserlaser | Halbleiterlaser | |
| Min. Pulsdauer | ++ | \+ | \- |
| Ausgangsleistung | ++ | \+ | \- |
| Flexibilität Wiederholrate | \+ | 0 | ++ |
| Flexibilität Wellenlänge | \+ | \- | ++ |
| Kompaktheit | -- | \+ | ++ |
| Kosten | -- | 0 | \+ |
An Halbleiterlasern als Quelle für Femtosekundenpulse wird seit Ende der 80er Jahre intensiv geforscht, aber der erhoffte Durchbruch blieb aus. Aufgrund der Ladungsträgerdynamik ist es nicht möglich, Femtosekundenpulse mit hoher optischer Leistung direkt in einem elektrisch gepumpten Halbleiteroszillator zu erzeugen. Unser Konzept ist in Abb. 1 dargestellt: in einem externen Resonator werden Pulse mit einer Dauer von ca. 5 ps erzeugt. Durch die Resonatorgeometrie kann der negative Einfluss der Ladungsträgerdynamik in sofern kompensiert werden, dass die spektrale Bandbreite stark erhöht wird, während die Pulsdauer weiterhin im ps-Bereich bleibt.
Dies erlaubt die direkte Verstärkung der Lichtpulse durch einen optischen Verstärker, welcher ebenfalls ein Halbleiterbauelement ist und elektrisch gepumpt wird. Anschließend wird der Puls durch einen Kompressor auf die Dauer einiger 100 fs komprimiert. Durch die Verwendung von Halbleiterlasern, lässt sich das gesamte System auf einer Grundfläche von 300 * 300 mm² aufbauen. In Abb. 2 ist das kompakte Femtosekunden-Diodenlasersystemn vor einem kommerziellen Ti:Saphir-Laser fotografiert. Sämtliche Komponenten zur Erzeugung hochenergetischer Lichtpulse sind vorhanden.
Durch die resonatorinterne Dispersionskontrolle konnten Pulsdauer von 158 fs erzeugt werden. Dies sind zum derzeitigen Standpunkt die kürzesten Lichtpulse, welche mit einem elektrisch gepumpten Halbleiterlaser erzeugt wurden und sind nun in Regionen von Faser- und Festkörperlasern. Nach der Verstärkung können Pulsenergien im Bereich von 1-2 nJ erreicht werden, was zu Pulsspitzenleistungen von 6.5 kW führt. In Tabelle 2 sind die Spezifikationen des Lasersystems dargestellt, Tabelle 3 stellt die entsprechende Modifikation der Tabelle 1 mit unseren Ergebnissen dar.
Tab. 2: Spezifikation des Prototypen
Pulsenergie | 2 nJ |
Repetitionsrate | 300 kHz bis 1.2 GHz |
Minimale Pulsdauer | 160 fs |
Pulsspitzenleistung | 6.5 kW |
Zentralwellenlänge | 850 nm |
Systemgröße | 300 mm x 300 mm |
Tab. 3: Vergleich unseres fs-Diodenlasers mit anderen Femtosekundenlasersystemen
Festkörperlaser | Faserlaser | fs-Diodenlaser | |
| Min. Pulsdauer | ++ | /+ | /+ |
| Ausgangsleistung | ++ | /+ | /+ |
| Flexibilität Wiederholrate | /+ | 0 | ++ |
| Flexibilität Wellenlänge | /+ | /- | ++ |
| Kompaktheit | -- | /+ | ++ |
| Kosten | -- | 0 | /+ |
Aufbauend auf diesen Ergebnissen untersuchten wir den Einfluss einer resonanten Multi-Pass-Verstärkung anstelle der normalen Single-Pass-Verstärkung. Zu diesem Zweck wird ein Trapezverstärker in einem einstellbaren Ringresonator verwendet, der den ultrakurzen Laserpuls des Master-Oszillator verstärkt. Die Länge des Ringresonators wird angepasst und sobald die Länge der beiden Resonatoren übereinstimmt, wird eine resonante Pulsverstärkung erreicht. Dieses Projekt wird durch die DFG (Deutsche Forschugnsgemeinschaft) gefördert.
Referenz:
- [1] M. A. Alloush, R. H. Pilny, C. Brenner, T. Prziwarka, A. Klehr, A. Knigge, G. Tränkle, M. R. Hofmann, “Mode-locked diode laser with resonant ring amplifier”, SPIE 10682, Semiconductor Lasers and Laser Dynamics VIII, 106820N (2018)
- [2] J. C. Balzer, T. Schlauch, A. Klehr, G. Erbert, G. Tränkle, M. R. Hofmann, “High peak power pulses from dispersion optimised modelocked semiconductor laser”, Electronics Letters, Volume: 49 , Issue: 13 (2013)
- [3] J. C. Balzer, T. Schlauch, A. Klehr, G. Erbert, M. R. Hofmann, “All semiconductor high power fs laser system with variable repetition rate”, SPIE 8277, Novel In-Plane Semiconductor Lasers XI, 827713 (2012)
- [4] J. C. Balzer, T. Schlauch, T. Hoffmann, A. Klehr, G. Erbert, M. R. Hofmann, “Modelocked semiconductor laser system with pulse picking for variable repetition rate”, Electronics Letters, Volume: 47, Issue: 25 (2011)
- [5] T. Schlauch, J. C. Balzer, A. Klehr, G. Erbert, G. Tränkle, and M. R. Hofmann, “Femtosecond passively modelocked diode laser with intracavity dispersion management”, Optics Express Vol. 18, Issue 23, pp. 24316-24324 (2010)
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