Diodengepumpte Ultrakurzpuls-Strahlquellen zur Erzeugung von Pikosekunden-Impulszügen hoher mittlerer Leistung und Energie durch gütegeschaltete Modenkopplung

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Beschreibung

Neuere Untersuchungen zur Präzisionsbearbeitung von Metallen haben gezeigt, dass durch die Verwendung von Lasersystemen mit Impulsdauern im Bereich von 10 ps hinsichtlich der Bearbeitungsqualität sehr gute Ergebnisse erzielt werden können. Gegenüber den bisher eingesetzten fs-Systemen haben die ps-Laser den Vorteil, dass sie deutlich höhere mittlere Ausgangsleistungen liefern. Daneben können sie erheblich einfacher, robuster und kostengünstiger aufgebaut werden. Um die für bestimmte Anwendungen sehr hohen Anforderungen an die Qualität der bearbeiteten Oberflächen und Kanten zu erfüllen, sollte die Energie der Laserimpulse nur knapp oberhalb der Abtragsschwelle der Metalle liegen. Aufgrund der guten Fokussierbarkeit der Strahlung reichen dazu Impulsenergien von wenigen μJ aus. Dadurch ist die pro Impuls erreichbare Abtragstiefe und damit die Bearbeitungsgeschwindigkeit stark herabgesetzt. Durch die Erhöhung der Repetitionsrate der ultrakurzen Impulse in den Bereich von einigen hundert kHz kann eine wirtschaftlich akzeptable Prozeßgeschwindigkeit erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit zu einer deutlichen Steigerung der Abtragsraten ist der Einsatz von Lasersystemen die Gruppen von modengekoppelten Impulsen sogenannte Bursts emittieren. Erste Untersuchungen zur Mikrobearbeitung mit Bursts zeigen zusätzlich eine Verbesserung der Bearbeitungsqualität im Vergleich zum Einsatz von Einzelimpulsen.
Eine vielversprechende Methode zur Erzeugung von Bursts aus ultrakurzen Impulsen ist der
Aufbau eines Oszillators mit stabiler gütegeschalteter Modenkopplung (Q-switch mode locking, QML). Ein solcher Laser liefert zudem aufgrund der Amplitudenmodulation der ultrakurzen Impulse höhere Impulsenergien im Vergleich zu kontinuierlich modengekoppelten Lasern und höhere mittlere Ausgangsleistungen als ps-Oszillator-Verstärkersysteme. Die QML wurde bisher als unerwünschte Störung des kontinuierlichen Modenkopplungsbetriebs betrachtet, da die hohen Spitzenintensitäten in der Regel zur Zerstörung von resonatorinternen optischen Komponenten führten. Die Realisierung eines Lasers mit definierter stabiler QML erfordert die exakte Identifizierung und Beherrschung der Parameter, die einen gezielten Übergang von der kontinuierlichen zur gütegeschalteten Modenkopplung ermöglichen.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Pikosekunden-Strahlquelle mit stabiler gütegeschalteter Modenkopplung, die eine hohe mittlere Leistung, Energie und Repetitionsrate liefert. Um einen QML-Laser realisieren zu können, musste zuerst ein geeignetes passives Modenkopplungsverfahren ausgewählt werden. Dazu wurden die Modenkopplung mit sättigbarem Halbleiterabsorber und das Verfahren des Phase-Self-Adjusting Mode-locking (PSM) untersucht. Für jedes der beiden Verfahren wurde als Basis für die QML ein kontinuierlich modengekoppelter Oszillator aufgebaut und charakterisiert. Durch die Anpassung der Laserparameter erfolgte der Übergang in den gütegeschalteten Betrieb. Der Oszillator mit PSM konnte durch Verstimmung des angekoppelten Resonators in den QML-Betrieb überführt werden. Der Stabilitätsbereich der Verstimmung war sehr klein, so dass kleine Fluktuationen der Resonatorlängen aufgrund des interferometrischen Prinzips des PSM-Verfahrens bereits zu starken Störungen des QML-Betriebs führten. Die gütegeschaltete Modenkopplung konnte für den Oszillator mit sättigbarem Halbleiterabsorber durch die Reduzierung der Impulsenergiedichte auf dem Absorber erreicht werden. Im Experiment wurde dies durch Anpassung der Transmission des Auskoppelspiegels, der Pumpleistung und des Strahldurchmessers auf dem Absorber umgesetzt. Ein definierter QML-Betrieb konnte für einen sehr kleinen Parameterbereich realisiert werden. Die mittlere Ausgangsleistung des Lasers betrug 17,2 W mit einer sehr guten Strahlqualität (M2<1,1). Die Wiederholrate der Q-switch Impulse lag mit 290 kHz im Bereich der Relaxationsfrequenz des Lasers. Die maximale Energie der ultrakurzen Impulse konnte etwa um einen Faktor sechs auf 0,74 μJ im Vergleich zur Energie im kontinuierlichen Betrieb erhöht werden. Die Dauer der modengekoppelten Impulse wurde auf einen Wert von 22 ps bestimmt. Die Langzeitstabilität wurde in dieser ersten Realisierung noch durch Beschädigungen des Absorbers infolge hoher nichtsättigbarer Verluste begrenzt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten jedoch, dass insgesamt die Modenkopplung mit sättigbaren Halbleiterabsorbern besser für den Aufbau eines Lasers mit gütegeschalteter Modenkopplung geeignet ist.
Auf der Grundlage der gesammelten experimentellen Erfahrungen wurde ein neuer Oszillator mit sättigbarem Halbleiterabsorber zur Realisierung eines langzeitstabilen QML-Lasers konzipiert. Zur Vermeidung von Beschädigungen des Absorbers und somit zur Erhöhung der Langzeitstabilität wurde die resonatorinterne Leistung durch Reduzierung der Pumpleistung verringert. Zusätzlich standen für die weiteren Arbeiten Absorber mit geringeren nichtsättigbaren Verlusten und damit einer höheren Zerstörschwelle zur Verfügung. Um kürzere Impulsdauern zu erzielen, wird eine Gain-at-the-End Konfiguration verwendet. Die Erzeugung der gütegeschalteten Modenkopplung wurde hier durch den Einsatz eines zusätzlichen Verlustmodulators erreicht. Ausgehend vom kontinuierlichen Modenkopplungs-betrieb wird durch einen akustooptischen Modulator (AOM) die Güte des Resonators variiert. Die Anpassung der Verluste und der Modulationsfrequenz des AOM erlaubte die Realisierung eines stabilen QML-Betriebs ohne Beschädigung des Absorbers. Die mittlere Ausgangsleistung betrug 7,2 W mit einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl (M2 <1,1). Der Wert für die maximale Impulsenergie lag bei 0,5 μJ. Dies entspricht einer Überhöhung im Vergleich zur kontinuierlichen Modenkopplung von 5,5. Die Wiederholrate der Q-switch Einhüllenden konnte durch die Modulationsfrequenz des AOM zwischen 180 und 200 kHz variiert werden. Die Dauer der ultrakurzen Impulse mit einer Wiederholrate von etwa 80 MHz wurde zu 12,8 ps bestimmt.
Die theoretische Beschreibung der Q-switch Modenkopplung war nur durch numerische Simulation möglich. Dazu wurde die Mastergleichung für einen Laser mit langsamem sättigbaren Absorber mit Hilfe der Split-Step-Fourier-Methode gelöst. Die Ergebnisse der Simulationen stimmen gut mit denen aus dem Experiment überein. Darüberhinaus bestätigt das numerische Modell, dass eine deutliche Steigerung der Überhöhung durch die Anpassung der Eigenschaften des Absorbers in Verbindung mit den Laserparametern nicht möglich ist.
Mit dem realisierten Laser mit gütegeschalteter Modenkopplung wurden abschließend Demonstrationsexperimente zur Mikrobearbeitung von Metallen durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass der QML-Laser für die Mikrobearbeitung geeignet ist. Für den industriellen Einsatz des Konzeptes der gütegeschalteten Modenkopplung ist eine weitere Optimierung der Prozessparameter notwendig.
Die durchgeführten Arbeiten belegen, dass die Realisierung einer Strahlquelle mit stabiler gütegeschalteter Modenkopplung möglich ist. Die durch die Güteschaltung maximal erreichbare Erhöhung der Impulsenergie wird jedoch durch Störung der Modenkopplung begrenzt.