CH711206B1 - Kerr-Linsen-modengekoppelter Laser im Mittel-IR aus unter normalem Einfall montierten polykristallinen TM:II-VI Materialien und Verfahren zu einer Femtosekundenlaseremission. - Google Patents

Kerr-Linsen-modengekoppelter Laser im Mittel-IR aus unter normalem Einfall montierten polykristallinen TM:II-VI Materialien und Verfahren zu einer Femtosekundenlaseremission. Download PDF

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Abstract

Ein Kerr-modengekoppelter («KLM») Laser (50) umfasst eine Resonanzkavität. Das Gain-Medium (4), das aus polykristallinen übergangsmetalldotierten II-VI-Materialien («TM:II-VI») ausgewählt ist, ist in einem normalen Einfallswinkel zu einem Pumpstrahl montiert und so in der Resonanzkavität montiert, dass veranlasst wird, dass der KLM-Laser einen gepulsten Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge emittiert. Die Pulse des emittierten Laserstrahls mit der Grundwellenlänge variieren jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1,8–8 Mikrometer («µm»), weisen eine Pulsdauer in einem Zeitbereich gleich oder länger als 30–35 Femtosekunden («fs») und eine mittlere Ausgabeleistung in einem Leistungsbereich innerhalb von einem mW bis etwa 20 Watt («W») auf. Die offenbarte Resonanzkavität ist mit mehreren beabstandeten Reflektoren konfiguriert, von denen zwei das Gain-Medium, das gepumpt wird, um einen Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge und Wellenlängen ihrer höheren Harmonischen auszugeben, flankieren und von diesem beabstandet sind. Das Gain-Medium ist auf einen Verschiebungsmechanismus montiert, der betriebsfähig ist, das Gain-Medium entlang einer Taille des Laserstrahls steuerbar zu versetzen. Die Versetzung des Gain-Mediums verursacht eine Umverteilung einer Laserleistung zwischen einer primären Ausgabe mit der Grundwellenlänge und wenigstens einer sekundären Ausgabe mit einer Wellenlänge einer höheren Harmonischen.

Description

Beschreibung
Gebiet der Offenbarung [0001] Diese Offenbarung betrifft selbststartende Kerr-Linsen-modengekoppelte Festkörperlaser im Mittel-IR.
[0002] Insbesondere betrifft die Offenbarung einen Kerr-Linsen-modengekoppelten Laser, der betriebsfähig ist, Pikosekunden- und Femtosekundenpulse über einen Spektralbereich von 1,8-8 μm zu emittieren und der mit einem normal geschnittenen Gain-Medium konfiguriert ist, das aus polykristallinen Materialien aus Gruppe ll-VI, die mit Übergangsmetallionen dotiert sind, ausgewählt ist.
Stand der Technik [0003] Gepulste Laser werden für Anwendungen in verschiedenen Gebieten verwendet, wie etwa optische Signalverarbeitung, Laserchirurgie, Biomedizin, optische Diagnostik, Zwei-Photon-Mikroskopie, optisches Abtasten, optische Reflektometrie, Materialverarbeitung usw. Es gibt drei Hauptklassen von gepulsten Lasern, namentlich gütegeschaltete Laser, Gain-geschaltete Laser und modengekoppelte Laser, wobei die Letzteren von besonderem Interesse für diese Offenbarung sind.
[0004] Der modengekoppelte Laser weist mehrere Longitudinalmoden auf, die mit ihren jeweiligen Phasen miteinander gekoppelt gleichzeitig oszillieren, was das Erzeugen von gleichmässig beabstandeten kurzen und ultrakurzen Pulsen ermöglicht. Die feste Phasenbeziehung wird durch einen Modenkopplungsmechanismus hergestellt, der in der Lage ist, die Phasen der Lasermoden zu synchronisieren, so dass die Phasendifferenzen zwischen allen Lasermoden konstant verbleiben. Diese optisch phasengekoppelten Moden interferieren miteinander, so dass sie kurze optische Pulse bilden.
[0005] Ein Kerr-Linsen-Verfahren (Kerr-Fokussierung, Selbstfokussierung), ferner als Kerr-Linsen-Modenkopplung (KLM - Kerr-Lens Mode-Iocking) bezeichnet, ist einer der ultraschnellen Modenkopplungsmechanismen, die auf Phänomenen basieren, die für Materialien der Gruppen ll-VI und andere optische Materialien (z.B. Ti-S), die mit Übergangsmetallionen dotiert sind, intrinsisch sind. Die KLM ist ein Mechanismus, in dem ein Puls, der in einer Laserkavität, die ein Gain-Medium und ein Kerr-Medium enthält, aufgebaut wird, nicht nur Selbstphasenmodulation, sondern auch Selbstfokussierung erfährt. Während die KLM ein nicht sättigbarer Absorber ist, geben die nichtlinearen optischen Eigenschaften, wie etwa der Kerr-Effekt, einen künstlichen «sättigbarer-Absorber»-Effekt, der eine Reaktionszeit aufweist, die viel schneller ist als ein beliebiger intrinsischer sättigbarer Absorber.
[0006] Typischerweise beinhaltet das in den KLM-basierten Lasern verwendete Gain-Medium TitamSaphir Ti:S, das ausserordentlich gute thermisch-optische Eigenschaften aufweist. Bekannterweise überwiegen die Einfachheit und die Vorteile des Resonators mit Brewster-montiertem Gain-Medium, wie etwa meistens für Ti:S, die Nachteile, die mit seiner Montierung einhergehen.
[0007] Im Gegensatz zu dem standardmässigen Ti:S-Einkristallmedium bieten übergangsmetalldotierte (Übergangsmetall: TM - Transition Metal) Il-Vl-Materialien in der Form von Einkristallen und insbesondere Polykristallen einzigartige Möglichkeiten zur Erzeugung von ultrakurzen Laserpulsen im Mittel-IR-Bereich (2-8 μm), was zu dem Umfang von Ti:S (0,7-1,1 μm) ergänzend ist. Nichtbeschränkende Beispiele von geeigneten kristallinen Materialien, die in einem MittelIR-Wellenlängenbereich arbeiten, können Zinkselenid («ZnSe»), Zinksulfid («ZnS»), CdZnSe, CdZnTe und viele andere beinhalten, die eine Bandbreite aufzeigen, die den Spektralbereich von 1,8-8 Mikrometer selektiv abdeckt.
[0008] Aus verschiedenen Gründen haben jene Materialien schlechte thermisch-optische Eigenschaften und zeigen eine starke Ungleichmässigkeit der thermisch-optischen Effekte, wenn sie in einer Brewster-Konfiguration platziert sind. Als Ergebnis überschreitet die Ausgabeleistung der TM:II-Vl-Laser mit Brewster-Montierung nicht einige Watt. Weiterhin ist die Effizienz eines solchen Lasers aufgrund der Notwendigkeit, ein relativ dünnes Gain-Medium mit relativ geringer Pumpabsorption zu verwenden, begrenzt.
[0009] Fig. 1 zeigt ein funktionierendes Beispiel für eines von möglichen Schaubildern eines polykristallinen Cr2+:ZnSe/ ZnS-KLM-Lasers. Die Ausgabe eines linear polarisierten Er-dotierten Faserverstärkers (EDFA - Er-Doped Fiber Amplifier), der von einem schmalbandigen 1550-nm-Halbleiterlaser mit geringem Rauschen «geseedet» wird, wird in einen standardmässigen astigmatismuskorrigierten asymmetrischen Z-förmigen Resonator eingekoppelt, der aus zwei gekrümmten hochreflektierenden (HR) Spiegeln, einem ebenen HR-Spiegel und einem ebenen Ausgabeauskoppler (OC - Output Coupler, R = 99%) besteht. Astigmatismus bedeutet, dass sich der Strahlfokus für sagittale (die Ebene senkrecht zu der Hauptebene der Kavität) und tangentiale (d.h. parallel zur Hauptebene) Ebenen nicht bei der gleichen Position befinden. Ausserdem sind die Stabilitätsbereiche der Kavität für verschiedene Ebenen unterschiedlich und die Ausgabe ist elliptisch. Diese Phänomene erfordern eine Kompensation.
[0010] In der Vorrichtung aus Fig. 1 beträgt die Länge der Laserkavität etwa 94 cm. Das KLM-Regime wird unter Verwendung von zwei Arten des Laser(Gain)-Mediums erhalten: polykristallines Cr2+:ZnS (2,0 mm dick, 43% Niedersignaltransmission bei 1550 nm) und polykristallines Cr2+:ZnSe (2,4 mm dick, 15% Transmission). Gain-Elemente sind planparallel poliert, nichtbeschichtet und auf einen Kupferkühlkörper ohne erzwungene Kühlung Brewster-montiert. Damit eine optische Kavität einen Puls aufrechterhalten kann, müssen die zeitliche Form und die Pulsdauer stabil verbleiben, während er durch die Kavität zirkuliert. Als Ergebnis wird der Puls aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex de
CH 711 206 B1 formiert, während er sie durchläuft, und benötigt Kompensation. Während die in der gezeigten Konfiguration verwendeten Kavitätsspiegel nichtdispersiv sind, sind das Gain-Medium und andere wahlweise Komponenten dispersiv. Die Dispersionskompensation ist unter Verwendung einer Kombination von einer Brewster-montierten Quarzplatte (2 mm dick) und einer YAG-Platte (4 mm dick) implementiert. Die Gruppenlaufzeitdispersion des Resonators beträgt bei 2400 nm, nahe der zentralen Laserwellenlänge, etwa -1000 fs2.
[0011] Der Laser wird für eine maximale CW-Ausgabeleistung optimiert und dann wird der Abstand zwischen den gekrümmten Spiegeln feinjustiert, so dass ein KLM-Regime erhalten wird. Die modengekoppelte Laseroszillation wird durch die OC-Translation initiiert.
[0012] Mehrstündige ununterbrochene Ein-Puls-Oszillationen werden in Cr2+:ZnSe bei 1 W Pumpleistung und 60 mW Laserausgabeleistung beobachtet. Weitere Erhöhung der Pumpleistung führt zu Mehrfachpulsen und häufigen Unterbrechungen der Modenkopplung. Maximale Stabilität des Cr2+:ZnS-KLM-Lasers wird bei 1,25 W Pumpleistung und 30 mW Ausgabeleistung erreicht (1-2 Stunden von ununterbrochenen Ein-Puls-Oszillationen).
[0013] Fig. 2 vergleicht die Emissionsspektren und Autokorrelationsspuren, die für Cr2+:ZnS- und Cr2+:ZnSe-Laser in dem KLM-Regime erhalten wurden. Die Messungen wurden für Ein-Puls-Oszillationen mit einer Pulswiederholrate von 160 MHz ausgeführt. Die Ausgabe des Cr2+:ZnS-Lasers ist durch eine sech2-Transformation beschränkt: eine Pulsdauer von 125 fs wurde von einer Autokorrelationsspur unter Annahme eines sech2-Profils abgeleitet und eine Pulsdauer von 126 fs wurde aus dem Emissionsspektrum unter einer Annahme für das Zeit-Bandbreiten-Produkt von ΔτΔν = 0,315 berechnet. Andererseits enthüllt die Form der Autokorrelationsspur für einen Cr2+:ZnSe-Laser Pulse mit Chirp. Ein Emissionsspektrum des Lasers ist verzerrt und daher ist das Zeit-Bandbreite-Produkt erhöht. Die Pulsdauer eines Cr2+:ZnSe-Lasers wird grob auf innerhalb eines Bereichs von 100-130 fs liegend geschätzt.
[0014] Fig. 3 veranschaulicht eine eher vereinfachte Kavitätsgestaltung des bekannten KLM-Lasers. Speziell emittiert eine optische Pumpquelle 1, die von einem Seed-Laser 10 gepumpt wird, den (in Grün gezeigten) Pumpstrahl, der während der Propagation durch ein System von pumpstrahlfokussierenden und -formenden optischen Elementen 2, das Linsen und Spiegel beinhalten kann, fokussiert wird. Der fokussierte und geformte Strahl wird dann durch einen konkaven dielektrisch beschichten Umlenkspiegel 3 mit hohem Reflexionsgrad bei einer Laserwellenlänge und hoher Transmission bei einer Pumpwellenlänge in die optische Kavität eingekoppelt. Nachdem er weiter durch ein Gain-Medium 4 propagierte, trifft ein (in Rot gezeigter) Laserstrahl mit einer gewünschten Wellenlänge auf einen konkaven dielektrisch beschichteten Umlenkspiegel 5 mit hohem Reflexionsgrad bei einer Laserwellenlänge und optional hoher Transmission bei einer Pumpwellenlänge auf. Von Spiegel 5 reflektiert, fällt der Laserstrahl auf einen ebenen Spiegel 6 mit hohem Reflexionsgrad bei der Laserwellenlänge, der dielektrisch oder metallbeschichtet ist, ein. Optional befindet sich eine Dispersionskompensationskomponente 7, wie etwa eine planparallele Platte, die in dem Laserresonator im Brewster-Winkel montiert ist, in dem Kavitätsarm zwischen Spiegel 5 und 6. Nach einer Rückreflexion von Spiegel 6 fällt der Laserstrahl auf Spiegel 5 ein und propagiert durch Gain-Medium 4, um auf Spiegel 3 aufzutreffen. Schliesslich wird der Laserstrahl aus der Kavität durch einen Ausgabeauskoppler «OC» (Output Coupler) 8 als ein Ausgabestrahl 9 ausgekoppelt. Der Pfad des Laserstrahls ist in Rot gezeigt, während der Pumpstrahl grün ist.
[0015] Die Brewster-Montierung des Gain-Mediums, wie in Fig. 1 und 3 gezeigt, wird in den KLM-Lasern überwiegend aufgrund ihrer mehreren Vorteile verwendet. Erstens wird Licht mit einer bestimmten p-Polarisation bei einem BrewsterEinfallswinkel durch eine Oberfläche perfekt ohne Reflexion transmittiert, was dementsprechend spezielle und teure Antireflexionsbeschichtungen unnötig macht. Zweitens fungiert das Gain-Medium als ein Polarisator, was die Verwendung von zusätzlichen Polarisatoren unnötig macht. Drittens ermöglicht die Brewster-Montierung des Gain-Elements und eine spezielle Wahl der Resonatorparameter eine Kompensation des Astigmatismus des Laserstrahls, der innerhalb des Resonators propagiert, und des Ausgabelaserstrahls (Astigmatismus wird durch nichtnormalen Einfall von Licht auf gekrümmte Spiegeloberflächen verursacht). Der Astigmatismus des Resonators kann die Leistungsfähigkeit des Lasers reduzieren (z.B. die Qualität des Ausgabelaserstrahls). In manchen störungsanfälligen Situationen, wie etwa Kerr-LinsenModenkopplung, kann der Astigmatismus sogar den korrekten Laserbetrieb behindern.
[0016] Die Brewster-Montierung des Gain-Mediums ist jedoch nicht ohne Nachteile. Wie in Fig. 3A veranschaulicht, beinhaltet die Brewster-Montierungsanordnung eine starke Ungleichmässigkeit des Laser- und Pumpstrahls innerhalb des Gain-Elements. Der optische Strahl wird in einer Richtung ausgedehnt und behält seine ursprüngliche Grösse in einer dazu senkrechten Richtung. Der Strahlausdehnungsfaktor innerhalb des Brewster-montierten optischen Materials gleicht dem Brechungsindex des Materials n. Dementsprechend führt die Brewster-Montierung (i) zu einer Verringerung der optischen Intensität innerhalb des Gain-Elements um einen Faktor von n und (ii) zu der Asymmetrie des Pump- und Laserstrahls, die zu einer nichtgleichmässigen Wärmefreisetzung innerhalb des gepumpten Kanals führt, und daher zu einer Ungleichmässigkeit verschiedener thermisch-optischer Effekte in dem Material.
[0017] Die Nachteile der Brewster-Montierung beschränken die Ausgabeleistung von etwa 1 W in den einkristallinen TM:IIVl-Materialien. Der KLM-Laserbetrieb mit der Ausgabeleistung von 30-60 mW wurde kürzlich in einem polykristallinen Material demonstriert, aber sie muss eindeutig erhöht werden, um die Notwendigkeiten zu erfüllen, die von vielen industriellen und wissenschaftlichen Anwendungen erfordert werden. Weitere Leistungsskalierung von KLM-TM:II-Vl-Lasern mit einer herkömmlichen Resonatoranordnung stellt jedoch ein herausforderndes Problem dar. Ausserdem verhindern die oben offenbarten Nachteile eine Verkürzung der Pulsdauer. Wiederum benötigen viele Anwendungen Pulse, die kürzer
CH 711 206 B1 sind als die, die in dem gewünschten Frequenzbereich mit dem momentan kürzesten gemeldeten Rekordpuls von etwa 40 Femtosekunden momentan verfügbar sind.
[0018] Im Prinzip begrenzt die optische Dichte eines Brewster-montierten Gain-Mediums eine Pumpleistung und daher die Ausgabeleistung. So, wie die Dicke des Gain-Mediums zunimmt, was die Verwendung von höheren Pumpleistungen ermöglicht, nimmt der Grad des Astigmatismus zu, der notwendigerweise kompensiert werden sollte. Ansonsten sind, wie oben erwähnt, die KLM-basierten Laser hochempfindlich gegenüber Astigmatismusphänomenen und können im schlimmstmöglichen Fall aufhören, ordnungsgemäss zu arbeiten. Jedoch ist eine solche Kompensation weder einfach noch besonders effektiv.
[0019] Es besteht daher ein Bedarf für selbststartende Kerr-Linsen-modengekoppelte Hochleistungsfestkörperlaser im Mittel-IR mit einer optischen Kavität, die ein polykristallines nichtlineares Material beinhaltet, das aus Übergangsmetall(TM)-dotierten II-Vl-Materialien ausgewählt ist und das in einem normalen Winkel in der Resonatorkavität montiert ist, so dass die Laserausgabeleistung, -effizienz und -pulsdauer in dem KLM-Regime signifikant erhöht werden.
[0020] Ein weiterer Bedarf besteht dementsprechend für die oben offenbarten KLM-Laser im Mittel-IR, die eine Konfiguration aufweisen, die in der Lage ist, bei hohen Pumpleistungen zu arbeiten, so dass ultrakurze Pulse mit hoher Leistung von bis zu mehreren Zehn Watt ausgegeben werden.
Zusammenfassung der Erfindung [0021] Die der Erfindung für eine Vorrichtung zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1. Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der von diesem Patentanspruch 1 abhängigen

Claims (1)

  1. Patentansprüche 2 bis 11. Die der Erfindung für ein Verfahren zugrundeliegende Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 12. Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der von diesem Patentanspruch 12 abhängigen Patentansprüche 13 bis 15.
    [0022] Der Kern der vorliegenden Erfindung ist in einem Kerr-Linsen-modengekoppelten Laser zu sehen, der mit einem Gain-Medium, wie etwa TM-dotierten II-Vl-Materialien, konfiguriert ist, das in der optischen Kavität unter normalem Einfall zu einem Pumpstrahl montiert ist. Die Montierung unter normalem Einfall weist die folgenden wichtigen Merkmale und Vorteile auf:
    - der Laser- und der Pumpstrahl verbleiben durch das Gain-Medium hindurch kreisförmig;
    - die innerhalb des gepumpten Kanals freigesetzte Wärme und daher die verschiedenen thermisch-optischen Effekte in dem Material sind gleichförmig und axial symmetrisch;
    - die optische Intensität innerhalb des Gain-Elements ist (im Vergleich zu einer herkömmlichen Brewster-Montierungsanordnung) um einen Faktor n erhöht, wobei dieser Faktor n dem Brechungsindex des Gain-Elements entspricht;
    -verschiedene nichtlineare optische Effekte innerhalb des Gain-Elements sind aufgrund der höheren optischen Intensität erhöht;
    - stärker ausgeprägte nichtlineare Effekte sind im KLM-Laserregime von Bedeutung, da der Kerr-Effekt einen nichtlinearen Ursprung aufweist;
    - ein stärker ausgeprägter Kerr-Effekt in einem TM:II-Vl-Medium kann die Kompensation des Astigmatismus des Resonators (zumindest teilweise) ermöglichen. Dementsprechend ermöglicht die Verwendung von TM:II-Vl-Gain-Elementen unter normalem Einfall, die Anforderungen für die Kompensation eines Astigmatismus in dem Resonator eines KLM-Lasers (zu einem gewissen Grad) abzuschwächen.
    - Montierung unter normalem Einfall erleichtert die Verwendung von Gain-Elementen mit grosser Länge und daher hoher Pumpabsorption ausserordentlich;
    - hohe Pumpabsorption und hohe optische Intensität führen zu effizienterer Laserinteraktion und ermöglichen daher eine Flexibilität in der Auswahl der Ausgabeauskoppelparameter, so dass erhöhte Laserausgabeleistungen (bei einer gegebenen Pumpleistung) ermöglicht werden;
    - gleichförmige thermisch-optische Effekte in dem Material ermöglichen die Erhöhung der Pumpleistung (im Vergleich zu einer herkömmlichen Brewster-Montierungsanordnung) und ermöglichen daher einen weiteren Anstieg der Laserausgabeleistung.
    [0023] Alles Obige ist von besonderer Bedeutung für ein TM:II-Vl-Lasermedium aufgrund von relativ schlechten thermisch-optischen Eigenschaften dieser Materialien und für TM:ll-VI-basierte Laser, die im KLM-Regime arbeiten.
    [0024] Gemäss der Erfindung ist der Kerr-Linsen-modengekoppelte («KLM») Laser der Erfindung mit einer Resonanzkavität und einem Gain-Medium konfiguriert, das aus polykristallinen übergangsmetalldotierten II-Vl-Materialien («TM:IIVI») ausgewählt ist. Das Gain-Medium befindet sich unter einem normalen Einfallswinkel zu einem Pumpstrahl und ist in der Resonanzkavität montiert, so dass Kerr-Linsen-Modenkopplung eingeführt wird, die ausreicht, so dass die Resonanzkavität einen gepulsten Laserstrahl mit einer Grundwellenlänge emittiert. Die Pulse des emittierten Laserstrahls mit der Grundwellenlänge variieren jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1,8-8 Mikrometer («μm»), weisen eine Pulsdauer in einem Zeitbereich gleich oder länger als 30-35 Femtosekunden («fs») und eine mittlere Ausgabeleistung in einem Leistungsbereich innerhalb von einem mW bis etwa 20 Watt («W») auf. Erfindungsgemäss schliesst der KLM eine linear polarisierte Faserlaserpumpquelle ein. Diese wird aus einer Erbium- oder Thulium-dotierten Monomodenfaser ausgewählt und ist betriebsfähig, einen Pumpstrahl zu emittieren, der mit einer Pumpwellenlänge unterschiedlich von der
    CH 711 206 B1
    Grundwellenlänge in das Gain-Medium eingekoppelt wird. Der Laser- und der Pumpstrahl verbleiben während einer Propagation durch das Gain-Medium kreisförmig.
    [0025] Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der KLM-Laser mit dem Gain-Medium konfiguriert, das eine Phasenanpassungsbandbreite aufweist, die breit genug ist, um Emittieren des Ausgabelaserstrahls mit der halben Grundwellenlänge (SHG) innerhalb des gesamten Grundwellenlängenbereichs bereitzustellen.
    [0026] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der KLM-Laser das Gain-Medium auf, das mit der Phasenanpassungsbandbreite konfiguriert ist, die ausreichend breit ist, um gleichzeitig, während der Pumpstrahl durch das Gain-Medium propagiert, Wellen der zweiten, dritten und vierten Harmonischen der Grundwellenlänge zu erzeugen.
    [0027] Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, welche eine beliebige Kombination der vorstehenden Ausführungsformen oder jede von diesen einzeln umfasst, weist der KLM-Laser ferner eine ebene Resonanzkavität auf.
    [0028] Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, welche eine beliebige Kombination der vorstehenden Ausführungsformen oder jede von diesen einzeln umfasst, beinhaltet das Gain-Medium TM-dotierte binäre und ternäre Il-Vl-Materialien.
    [0029] Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, welche eine beliebige Kombination der vorstehenden Ausführungsformen oder jede von diesen einzeln umfasst, ist das Gain-Medium aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Cr2+:ZnSe, Cr2+:ZnS, Cr2+:CdSe, Cr2+:CdS, Cr2+:ZnTe, Cr2+:CdMnTe, Cr2+:CdZnTe, Cr2+:ZnSSe, Fe2+:ZnSe, Fe2+:ZnS, Fe2+:CdSe, Fe2+:CdS, Fe2+:ZnTe, Fe2+:CdMnTe, Fe2+:CdZnTe und Fe2+:ZnSSe und eine Kombination von diesen.
    [0030] Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, welche eine beliebige Kombination der vorstehenden Ausführungsformen oder jede von diesen einzeln umfasst, setzt das Gain-Medium Wärme als Reaktion auf den eingekoppelten Pumpstrahl gleichmässig frei. Letztere erzeugt gleichförmige, axial symmetrische thermisch-optische Effekte innerhalb des gepumpten Gain-Mediums.
    [0031] Bei einerweiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, welche eine beliebige Kombination der vorstehenden Ausführungsformen oder jede von diesen einzeln umfasst, weist das Gain-Medium eine Bandbreite auf, die ausreichend breit ist, so dass der Ausgabelaserstrahl mit einer Summe der Pump- und Grundwellenlänge und/oder einer Differenz zwischen diesen erzeugt wird, und/oder einer Summe der Grundwellenlänge und einer zweiten, dritten und/oder vierten optischen Harmonischen der Grundfrequenz.
    [0032] Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, welche eine beliebige Kombination der vorstehenden Ausführungsformen oder jede von diesen einzeln umfasst, ist das Gain-Medium so konfiguriert, dass die optische Intensität innerhalb von diesem im Vergleich zu einer herkömmlichen Brewster-Montierungsanordnung um einen Faktor n des Brechungsindizes des Gain-Mediums erhöht ist.
    [0033] Bei einer weiteren erfindungsgemässen Ausführungsform, welche eine beliebige Kombination der vorstehenden Ausführungsformen oder jede von diesen einzeln umfasst, ist das Gain-Medium so konfiguriert, dass es einen Astigmatismus der Resonanzkavität im Wesentlichen kompensiert.
    [0034] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der KLM mit einer Resonanzkavität versehen, die durch wenigstens zwei angrenzende vorgelagerte und nachgelagerte dielektrisch beschichtete Umlenkspiegel definiert wird, die entlang eines Pfads des Pumpstrahls voneinander beabstandet sind und die das Gain-Medium flankieren. Jeder Spiegel ist mit einem hohen Reflexionsgrad bei der Grundwellenlänge und einer hohen Transmission bei der Pumpwellenlänge konfiguriert, wobei der nachgelagerte Umlenkspiegel konfiguriert ist, die Welle einer hohen Harmonischen wenigstens teilweise zu transmittieren.
    [0035] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der KLM-Laser, wie in jeder der vorhergehenden Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination dieser Ausführungsformen offenbart, die Resonanzkavität auf, die einen bei der Grundwellenlänge teilweise transmittierenden Ausgabeauskoppler und wenigstens einen dem Ausgabeauskoppler vorgelagerten ebenen dichroitischen Spiegel beinhaltet. Die Kavität weist ferner wenigstens eine Zwischenplatte mit hoher Transmission bei der Grundwelle und Wellen hoher Harmonischen auf.
    [0036] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der KLM-Laser, wie in jeder der vorhergehenden Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination dieser Ausführungsformen offenbart, die Resonanzkavität auf, die ein Dispersionskompensationselement beinhaltet, das als eine planparallele Platte oder ein planparalleles Prisma konfiguriert ist und das betriebsfähig ist, eine Dispersion zu beschränken. Dieses Kompensationselement ist in einem Brewster-Winkel montiert.
    [0037] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der KLM-Laser, wie in jeder der vorhergehenden Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination dieser Ausführungsformen offenbart, die Resonanzkavität auf, die einen Brewster-montierten doppelbrechenden Auswahlfilter beinhaltet.
    [0038] Gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der KLM-Laser, wie in jeder der vorhergehenden Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination dieser Ausführungsformen offenbart, die Resonanzkavität auf, und ferner einen Linearversteller, der das Gain-Medium innerhalb der Resonanzkavität entlang einer Taille des Laserstrahls versetzt. Die Verschiebung des Gain-Mediums wird gesteuert, um die mittlere Leistung des Laserstrahls zwischen einer
    CH 711 206 B1 primären Ausgabe des emittierten Laserstrahls mit der Grundwellenlänge und sekundären Ausgaben mit jeweiligen Wellen der zweiten, dritten und vierten Harmonischen umzuverteilen.
    [0039] Bei einem erfindungsgemässen Verfahren zu einer Femtosekundenlaseremission in einem Kerr-Linsen-modengekoppelten («KLM») Laser stellt dieses Verfahren eine Resonanzkavität mit Mehrfachdurchgang bereit und beinhaltet ein Gain-Medium, das aus übergangsmetalldotierten Il-VI(«TM:ll-VI»)-Materialien ausgewählt wird. Die Letzteren sind in einem normalen Einfallswinkel zu einem Pumpstrahl innerhalb der Resonanzkavität montiert. Die Kerr-Linse verursacht eine Modenkopplung der Resonanzkavität, so dass sie eine primäre Ausgabe der Laseremission einschliesslich eines Zuges von Ausgabepulsen mit einer Grundwellenlänge emittiert. Die Pulse variieren jeweils innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 1,8-8 Mikrometer («μm»), weisen eine Pulsdauer in einem Zeitbereich gleich oder länger als 30-35 Femtosekunden («fs») und eine mittlere Ausgabeleistung in einem Leistungsbereich innerhalb von einem mW bis etwa 20 Watt («W») auf.
    [0040] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung für das Verfahren wird die Resonanzkavität ferner mit einer sekundären Ausgabe gleichzeitig zu der primären Ausgabe bereitgestellt. Die sekundäre Ausgabe liegt bei halber Wellenlänge der Grundwellenlänge vor.
    [0041] Bei einer weiteren Ausführungsform stellt das Verfahren gemäss einer vorstehenden Ausführungsform und/oder einer Kombination der vorstehenden Ausführungsformen zusätzliche Ausgaben des Laserstrahls bei einer dritten und vierten Harmonischen der Grundwellenlänge gleichzeitig zu der primären und sekundären Ausgabe bereit.
    [0042] Bei einerweiteren erfindungsgemässen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren einer beliebigen der vorhergehenden Ausführungsformen oder einer beliebigen Kombination von diesen das Erzeugen eines Pumpstrahls mit einer Pumpwellenlänge unterschiedlich von der Grundwellenlänge und Einkoppeln des Pumpstrahls in das Gain-Medium.
    [0043] Gemäss einer weiteren Ausführungsform stellt das Verfahren von jeder der vorhergehenden Ausführungsform oder einer beliebigen Kombination davon zusätzliche Ausgaben des Laserstrahls mit einer Summe der Pump- und Grundwellenlänge und einer Differenz zwischen diesen bereit, und einer Summe der Grundwellenlänge und Wellenlängen der zweiten, dritten und vierten optischen Harmonischen und einer Differenz von diesen.
    Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0044] Die obigen und andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Offenbarung werden aus den folgenden Zeichnungen leichter ersichtlich, in denen:
CH13932016A 2014-04-01 2015-03-30 Kerr-Linsen-modengekoppelter Laser im Mittel-IR aus unter normalem Einfall montierten polykristallinen TM:II-VI Materialien und Verfahren zu einer Femtosekundenlaseremission. CH711206B1 (de)

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