Neue Konzepte und Technologien für diodengepumpte, hochrepetierende Nanosekundenlaser im Wellenlängenbereich von 213 nm bis 4,6 μm (PDF)

Als Grundlage dienen diodengepumpte Festkörperlaser, deren Emissionswellenlängen von 1064 und 1342 nm mit verschiedensten Techniken der nichtlinearen Optik in andere Spektralbereiche konvertiert werden. Die Motivation hierfür geht von Anwendungen aus, deren spezielle Anforderungen von bislang verfügbaren Lasern nicht erfüllt werden können. Eine Vielzahl technologischer Aspekte, die in Anwendung eine entscheidende Rolle spielen, wie z.B. ein kompakter Aufbau oder eine hohe Langzeitstabilität werden bei der Entwicklung der Systeme von vorneherein berücksichtig.
Das Konzept der Laser basiert auf der Verwendung fasergekoppelter Diodenlasermodule hoher Brillanz, die in einer longitudinalen Pumpgeometrie sehr effizient zur optischen Anregung von Neodym dotiertem Yttrium-Vanadat (Nd:YVO4) eingesetzt werden. Basierend auf dem Standard-Laserübergang bei 1064 nm wird ein aktiv gütegeschalteter Laser mit einer mittleren Ausgangsleistung von 4,6 W mit Impulsdauern von 8,9 ns bei einer Pulsrepetitionsrate von 15 kHz realisiert. Die emittierte Strahlung ist beugungsbegrenzt mit einem M2 kleiner 1,1. Zur optionalen Leistungsskalierung wird dieser Laser in einer Verstärkerstufe im Einfachdurchgang auf eine mittlere Ausgangsleistung von 13 W nachverstärkt.
Die Verwendung des Laserübergangs von 1342 nm in Nd:YVO4 eröffnet völlig neue Möglichkeiten spezielle Spektralbereiche mit den Mitteln der nichtlinearen Optik zu erreichen. Ein hierfür optimierter Laser erreicht unter Verwendung einer Pumpdiode eine mittlere Ausgangsleistung von 2,1 W mit Impulsdauern von 9,2 ns bei einer Pulsrepetitionsrate von 10 kHz. Zur Leistungssteigerung wird das Resonatorkonzept modifiziert und ein Laseroszillator mit zwei Pumpdioden realisiert. Dieser erreicht bei 15 kHz eine mittlere Leistung von 4,9 W bei einer Impulsdauer von 11 ns. Die entwickelten Laser zeichnen sich aus durch ihren hohen Wirkungsgrad, eine kompakte Bauform und sehr kurze Impulsdauern. Aufgrund der damit verbundenen hohen Spitzenleistungen wird in Verbindung mit einer hervorragenden Strahlqualität die Eignung für optisch nichtlineare Prozesse sichergestellt.
Aufbauend auf diesen Lasern werden verschiedene Konzepte untersucht, um die Laserstrahlung mit den Mitteln der nichtlinearen Optik in andere Spektralbereiche zu konvertieren.
Die Erzeugung der fünften Harmonischen von 1064 nm liefert Laserstrahlung im tiefen Ultraviolett bei 213 nm. Erstmals wurde über die Summenfrequenzmischung der zweiten und dritten Harmonischen ein kompaktes, langzeitstabiles Lasersystem mit einer mittleren Ausgangsleistung von bis zu 154 mW realisiert. Die Impulsdauer verkürzt sich bei der Frequenzkonversion auf 5,3 ns bei einer Pulsrepetitionsrate von 15 kHz. Herausragend ist hierbei auch die nahezu erhaltene Strahlqualität der emittierten Strahlung mit einem M2 von 1,4.
Zur effizienten Erzeugung von Laserstrahlung im roten und blauen Spektralbereich werden die Harmonischen von 1342 nm genutzt. Die erreichte mittlere Ausgangsleistung bei 671 nm beträgt 1,8 W bei einer Impulsdauer von 8 ns. Im blauen Spektralbereich, bei 447 nm, beträgt die erreichte Ausgangsleistung 1,4 W bei einer Impulsdauer von 12 ns. Die Kombination der hohen Ausgangsleistung, der exzellenten Strahlqualität und kurzen Impulsdauer ist bisher einzigartig.
Insbesondere medizinische Anwendungen in den Bereichen Dermatologie und Ophtalmologie benötigen neuartige Lasern im gelben Spektralbereich. Hierfür werden zwei völlig unterschiedliche Konzepte untersucht. Der erste Ansatz zur Erzeugung von Laserstrahlung im gelben Spektralbereich stellt ein frequenzverdoppelter Selbstramanlaser dar. Unter Ausnutzung der stimulierten Raman Streuung in YVO4 wird eine mittlere Ausgangsleistung von 1,5 W bei einer Wellenlänge im nahen Infrarot von 1176 nm erzeugt.
Der zweite Ansatz verspricht höhere mögliche Ausgangsleistungen im gelben Spektralbereich. Er nutzt die Summenfrequenzmischung (SFG) zweier synchronisierter Laseroszillatoren bei 1064 nm und 1342 nm. Durch die phasenstarre Kopplung des AOM Triggers an die RF-Welle wird der zeitliche Jitter der jeweiligen Nanosekundenimpulse zueinander auf etwa 500 ps reduziert. Vergleichende SFG-Experimente werden in den optisch nichtlinearen Materialien LBO und BiBO durchgeführt. Die höchste mittlere Leistung bei 593 nm wird mit 1,6 W in LBO erreicht und erfüllt damit bereits die Anforderungen vieler Applikationen. Darüberhinaus demonstrieren diese Untersuchungen das Potential dieses Konzepts und können als Grundlage für eine Vielzahl anderer Experimente angesehen werden.
Zur Erzeugung von leistungsstarker Laserstrahlung im mittleren Infrarot wird mit dem Oszillator-Verstärkersystem bei 1064 nm ein optisch parametrischer Generator basierend auf periodisch gepoltem MgO:LiNbO3 gepumpt. Das System ist über den kompletten Frequenzbereich von 3,5 bis 4,6 μm stufenlos abstimmbar und erreicht mittlere Ausgangsleistungen von bis zu 700 mW bei 3,7 μm und sogar noch 170 mW bei 4,6 μm. Die absolute Wellenlängengenauigkeit der entwickelten automatisierten Abstimmung ist ohne die Verwendung eines Spektrometers besser als 0,05 % der Wellenlänge.
Im letzten Kapitel wird gezeigt, dass sich auch der Laser bei 1342 nm bestens zum effizienten Pumpen eines optisch parametrischen Generators (OPG) eignet. Mit diesem Konzept lässt sich der Bereich der Entartung von 1064 nm gepumpten Systemen um 2 μm erschließen. Analog dazu wird ein bei 671 nm gepumpter OPG realisiert, der abstimmbare Strahlung im Bereich von 1100 nm erzeugt. Beide Konzepte sind bislang einzigartig und nicht in der Literatur veröffentlicht.