Pulse shortening of passively Q-switched microchip lasers
Seiten
2016
|
1. Aufl.
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-86387-719-4 (ISBN)
Mensch & Buch (Verlag)
978-3-86387-719-4 (ISBN)
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The world-famous picture sequence The Horse in Motion of a galloping horse by Eadweard Muybridge from the year 1878 had shown, for the first time, that all four feet of a horse are off the ground for a short moment while trotting, i.e. it flies through the air during this phase. Inspired by this impressive insight into the secrets of nature new techniques were developed to further minimize the exposure time for resolving increasingly shorter physical events with the help of high-speed photography. Nowadays, the generation of short and ultrashort laser pulses do not only play an important role in modern forms of high-speed photography, but also in other fields of research such as time-resolved spectroscopy and Lidar.
Moreover, for advanced industrial applications, e.g. high-precision micromachining, ultrashort laser pulses become more and more important as well. The achievable quality of laser micromachining depends strongly on the duration of the applied pulses and on the thermal diffusion time of the material to be structured. Herein, metals are particularly problematic due to their high thermal conductivity and relatively low melting temperatures. With laser systems delivering pulses in the nanosecond region the ablation of metals is therefore accompanied by the formation of a large heat-affected zone and a throw-out of molten material. Using ultrashort pulses with durations near or below 1 ps this heat-affected zone can be significantly reduced which allows a cost-effective fabrication of high-precision microstructures.
Such pulse durations are routinely obtained from mode-locked laser sources which are, for the most part, complex and sensitive to external perturbations. In contrast to these mode-locked oscillators, Q-switched lasers are more robust and simple, but they emit longer pulses (usually in the nanosecond range) with significantly higher energies and lower repetition rates. In recent years, the further development of miniaturized passively Q-switched seed sources, the so-called microchip lasers (MCLs), has even enabled pulses in the subnanosecond region. For many industrial applications that are satisfied with such pulse durations Q-switched lasers can often compete with mode-locked seed sources owing to their simplicity and cost efficiency. Hence, in the context of economic micromachining a further temporal reduction of Q-switched laser pulses toward or even below 1 ps is of immense interest from the industrial point of view.
The objectives of this dissertation are: First, the research and further development of extra-cavity pulse-shortening methods suitable for Q-switched laser sources, e.g. passively Q-switched MCLs, able to reach the 10 ps range with a high temporal quality starting from 100 ps long pulses; Second, the investigation and realization of the amplification of the shortened laser pulses to an energy level that is, for example, already sufficient for applications in the field of micromachining; Third, the development of a novel pulse-shortening concept which utilizes an optimal combination of different nonlinear pulse-shortening methods to reach the subpicosecond pulse-duration region starting from a MCL seed source; Last but not least, the integration of this concept into an all-fiber setup that leads to a very compact, environmentally stable, and costeffective pulse-shortening system delivering sub-200 fs pulses which are far below the shortest Q-switched laser pulses reported at the beginning of this work.
Thus, the thesis is structured as follows: After a brief summary of the theoretical background in chapter 2, the first nonlinear pulse-shortening method, the so-called dispersion-free pulse shortening, is discussed in chapter 3. In this context, the principle and characteristics of the dispersion-free pulse-shortening method are derived with the aid of a graphical model followed by numerical simulations and experimental investigations. Moreover, an enhanced technique of this method employing smoothed spectra is presented and, subsequently, the dispersion-free pulse shortening is compared to other pulse-shortening concepts which have been already applied to MCLs in the past. Chapter 4 examines the high-power amplification of the dispersion-free shortened pulses employing an active fiber stage followed by a nonlinear pulse compression which simultaneously represents the second pulse-shortening method investigated in the framework of this dissertation. The optimal combination of these two nonlinear pulse-shortening methods results in a novel concept reaching the subpicosecond pulseduration region starting from MCL pulses in the 100 ps range. In chapter 5 this novel concept is described and experimentally realized as free-space and as all-fiber setup.
Finally, the thesis ends with a conclusion and an outlook in chapter 6. Kurze und ultrakurze Laserpulse im Pikosekundenbereich sind in vielen wissenschaftlichen und kommerziellen Einsatzfeldern, z.B. in der zeitaufgelösten Spektroskopie oder für die hochpräzise Mikromaterialbearbeitung, kaum mehr wegzudenken. Derzeit werden solche Pulsdauern meist mit modengekoppelten Lasern erzeugt, welche, zumindest aus industrieller Sicht, den Ruf genießen, platzaufwendig, kostenintensiv sowie sehr empfindlich gegenüber äußeren Störungen zu sein.
In den vergangenen Jahren konnte für passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser gezeigt werden, dass sie eine vielversprechende Quelle für Laserpulse im Bereich von 100 ps mit Pulsenergien von etwa 100 nJ und variablen Pulswiederholraten von mehreren zehn Kilohertz bis zu wenigen Megahertz darstellen. Solche optisch gepumpten Mikrochiplaser, die auf einer quasi-monolithischen Verbindung von Nd:YVO4 als aktives Medium und einem sättigbaren Halbleiterspiegel basieren, besitzen viele attraktive Eigenschaften, z.B. kompakter und stabiler Aufbau, Kosteneffizienz sowie nahezu transformlimitierte Pulse mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität. Motiviert durch diese herausragenden Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Dissertation zwei unterschiedliche externe Pulsverkürzungsmethoden wissenschaftlich untersucht und weiterentwickelt, um mit Hilfe dieser gütegeschalteten Laserquellen in den Pulsdauerbereich von wenigen hundert Femtosekunden bis zu einigen zehn Pikosekunden vorzudringen.
Das erste untersuchte Pulsverkürzungsverfahren, die sog. dispersionsfreie Pulsverkürzung, ermöglicht dabei eine Reduzierung der Pulsdauer bis zu einer Größenordnung, d.h. 100 ps lange Pulse können in den 10 ps Bereich verkürzt werden. Diese Methode, die speziell für Pulsquellen von Faser- oder Festkörperlasersystemen gedacht ist, stellt dabei einen sehr einfachen und preisgünstigen Ansatz dar, da die benötigte spektrale Pulsverbreiterung mittels Selbstphasenmodulation (SPM) in einer Standardmonomodefaser durchgeführt werden kann und die nachfolgende spektrale Pulsfilterung mit einem handelsüblichen optischen Bandpass zu bewerkstelligen ist. In der vorliegenden Arbeit konnten anhand eines solchen experimentellen Aufbaus 138 ps lange Laserpulse auf eine Dauer von 24 ps verkürzt werden, wobei gleichzeitig eine hohe Pulsqualität gewährleistet wurde. Im Rahmen dieser Dissertation wurden hierbei erstmalig auch geglättete SPM Spektren für die Erzielung eines hohen zeitlichen Pulskontrastes erforscht bzw. angewandt.
Darüber hinaus konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die dispersionsfrei verkürzten Pulse im Bereich von 20 ps mit Hilfe eines einstufigen Faserverstärkers auf etwas 20 μJ mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität verstärkt werden können, welche damit bereits ausreichend hohe Pulsenergien für industrielle Anwendungen, z.B. in der Mikromaterialbearbeitung, aufweisen. Die gleichzeitige Nutzung der zusätzlichen SPM Verbreiterung in der aktiven Faser kann dazu verwendet werden, die bereits verkürzten und verstärkten Laserpulse mittels einer nachfolgenden Pulskompression noch weiter, d.h. deutlich unterhalb von 10 ps, zu verkürzen. Anhand dieser nichtlinearen Pulskompression, welche die zweite untersuchte Pulsverkürzungsmethode im Rahmen dieser Arbeit darstellt, konnten die Laserpulse von 116 ps auf insgesamt 4,1 ps verkürzt werden. Hierbei wurden Pulsenergien von 8 μJ und Pulsspitzenleistungen über einem Megawatt erreicht, was viele Anwendungsbereiche wie die nichtlineare Frequenzkonversion eröffnet.
Schließlich wurde mit Hilfe dieser beiden Pulsverkürzungsverfahren ein neuartiges Konzept entwickelt, welches es erlaubt in den Pulsdauerbereich deutlich unterhalb von 1 ps vorzustoßen bei gleichzeitig hoher Pulsqualität sowie einer einstellbaren Wellenlängenverschiebung bis zu einigen zehn Nanometern von der ursprünglichen Laseremission. Durch die optimale Kombination von dispersiven und dispersionsfreien Pulsverkürzungsverfahren wurde anhand dieses Konzeptes ein komplett faserbasiertes Pulsverkürzungssystem entwickelt, mit dem 100 ps lange Pulse auf 174 fs verkürzt werden konnten bei gleichzeitig hoher Pulsqualität und einer Verschiebung der Zentralwellenlänge von 1064nm auf 1034 nm. Solche ultrakurzen Pulsdauern unterhalb von 200 fs mit Hilfe einer gütegeschalteten Laserquelle waren zu Beginn dieser Dissertation noch nie gezeigt worden. Durch die einstellbare Wellenlängenverschiebung kann die Laseremission für eine nachfolgende Pulsverstärkung auf verschiedene Lasermedien angepasst werden. Zudem ermöglicht der komplett faserbasierte Ansatz den Aufbau von sehr kompakten, störungsunempfindlichen sowie kostengünstigen Pulsverkürzungssystemen. Die in dieser Arbeit gezeigten Methoden und Konzepte zur Pulsverkürzung bei Mikrochiplasern können auch für andere Lasertypen angewendet werden, wenn diese nahezu transformlimitierte Pulse von wenigen Pikosekunden bis in den Bereich von 100 ps emittieren.
Moreover, for advanced industrial applications, e.g. high-precision micromachining, ultrashort laser pulses become more and more important as well. The achievable quality of laser micromachining depends strongly on the duration of the applied pulses and on the thermal diffusion time of the material to be structured. Herein, metals are particularly problematic due to their high thermal conductivity and relatively low melting temperatures. With laser systems delivering pulses in the nanosecond region the ablation of metals is therefore accompanied by the formation of a large heat-affected zone and a throw-out of molten material. Using ultrashort pulses with durations near or below 1 ps this heat-affected zone can be significantly reduced which allows a cost-effective fabrication of high-precision microstructures.
Such pulse durations are routinely obtained from mode-locked laser sources which are, for the most part, complex and sensitive to external perturbations. In contrast to these mode-locked oscillators, Q-switched lasers are more robust and simple, but they emit longer pulses (usually in the nanosecond range) with significantly higher energies and lower repetition rates. In recent years, the further development of miniaturized passively Q-switched seed sources, the so-called microchip lasers (MCLs), has even enabled pulses in the subnanosecond region. For many industrial applications that are satisfied with such pulse durations Q-switched lasers can often compete with mode-locked seed sources owing to their simplicity and cost efficiency. Hence, in the context of economic micromachining a further temporal reduction of Q-switched laser pulses toward or even below 1 ps is of immense interest from the industrial point of view.
The objectives of this dissertation are: First, the research and further development of extra-cavity pulse-shortening methods suitable for Q-switched laser sources, e.g. passively Q-switched MCLs, able to reach the 10 ps range with a high temporal quality starting from 100 ps long pulses; Second, the investigation and realization of the amplification of the shortened laser pulses to an energy level that is, for example, already sufficient for applications in the field of micromachining; Third, the development of a novel pulse-shortening concept which utilizes an optimal combination of different nonlinear pulse-shortening methods to reach the subpicosecond pulse-duration region starting from a MCL seed source; Last but not least, the integration of this concept into an all-fiber setup that leads to a very compact, environmentally stable, and costeffective pulse-shortening system delivering sub-200 fs pulses which are far below the shortest Q-switched laser pulses reported at the beginning of this work.
Thus, the thesis is structured as follows: After a brief summary of the theoretical background in chapter 2, the first nonlinear pulse-shortening method, the so-called dispersion-free pulse shortening, is discussed in chapter 3. In this context, the principle and characteristics of the dispersion-free pulse-shortening method are derived with the aid of a graphical model followed by numerical simulations and experimental investigations. Moreover, an enhanced technique of this method employing smoothed spectra is presented and, subsequently, the dispersion-free pulse shortening is compared to other pulse-shortening concepts which have been already applied to MCLs in the past. Chapter 4 examines the high-power amplification of the dispersion-free shortened pulses employing an active fiber stage followed by a nonlinear pulse compression which simultaneously represents the second pulse-shortening method investigated in the framework of this dissertation. The optimal combination of these two nonlinear pulse-shortening methods results in a novel concept reaching the subpicosecond pulseduration region starting from MCL pulses in the 100 ps range. In chapter 5 this novel concept is described and experimentally realized as free-space and as all-fiber setup.
Finally, the thesis ends with a conclusion and an outlook in chapter 6. Kurze und ultrakurze Laserpulse im Pikosekundenbereich sind in vielen wissenschaftlichen und kommerziellen Einsatzfeldern, z.B. in der zeitaufgelösten Spektroskopie oder für die hochpräzise Mikromaterialbearbeitung, kaum mehr wegzudenken. Derzeit werden solche Pulsdauern meist mit modengekoppelten Lasern erzeugt, welche, zumindest aus industrieller Sicht, den Ruf genießen, platzaufwendig, kostenintensiv sowie sehr empfindlich gegenüber äußeren Störungen zu sein.
In den vergangenen Jahren konnte für passiv gütegeschaltete Mikrochiplaser gezeigt werden, dass sie eine vielversprechende Quelle für Laserpulse im Bereich von 100 ps mit Pulsenergien von etwa 100 nJ und variablen Pulswiederholraten von mehreren zehn Kilohertz bis zu wenigen Megahertz darstellen. Solche optisch gepumpten Mikrochiplaser, die auf einer quasi-monolithischen Verbindung von Nd:YVO4 als aktives Medium und einem sättigbaren Halbleiterspiegel basieren, besitzen viele attraktive Eigenschaften, z.B. kompakter und stabiler Aufbau, Kosteneffizienz sowie nahezu transformlimitierte Pulse mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität. Motiviert durch diese herausragenden Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Dissertation zwei unterschiedliche externe Pulsverkürzungsmethoden wissenschaftlich untersucht und weiterentwickelt, um mit Hilfe dieser gütegeschalteten Laserquellen in den Pulsdauerbereich von wenigen hundert Femtosekunden bis zu einigen zehn Pikosekunden vorzudringen.
Das erste untersuchte Pulsverkürzungsverfahren, die sog. dispersionsfreie Pulsverkürzung, ermöglicht dabei eine Reduzierung der Pulsdauer bis zu einer Größenordnung, d.h. 100 ps lange Pulse können in den 10 ps Bereich verkürzt werden. Diese Methode, die speziell für Pulsquellen von Faser- oder Festkörperlasersystemen gedacht ist, stellt dabei einen sehr einfachen und preisgünstigen Ansatz dar, da die benötigte spektrale Pulsverbreiterung mittels Selbstphasenmodulation (SPM) in einer Standardmonomodefaser durchgeführt werden kann und die nachfolgende spektrale Pulsfilterung mit einem handelsüblichen optischen Bandpass zu bewerkstelligen ist. In der vorliegenden Arbeit konnten anhand eines solchen experimentellen Aufbaus 138 ps lange Laserpulse auf eine Dauer von 24 ps verkürzt werden, wobei gleichzeitig eine hohe Pulsqualität gewährleistet wurde. Im Rahmen dieser Dissertation wurden hierbei erstmalig auch geglättete SPM Spektren für die Erzielung eines hohen zeitlichen Pulskontrastes erforscht bzw. angewandt.
Darüber hinaus konnte in der vorliegenden Arbeit gezeigt werden, dass die dispersionsfrei verkürzten Pulse im Bereich von 20 ps mit Hilfe eines einstufigen Faserverstärkers auf etwas 20 μJ mit nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität verstärkt werden können, welche damit bereits ausreichend hohe Pulsenergien für industrielle Anwendungen, z.B. in der Mikromaterialbearbeitung, aufweisen. Die gleichzeitige Nutzung der zusätzlichen SPM Verbreiterung in der aktiven Faser kann dazu verwendet werden, die bereits verkürzten und verstärkten Laserpulse mittels einer nachfolgenden Pulskompression noch weiter, d.h. deutlich unterhalb von 10 ps, zu verkürzen. Anhand dieser nichtlinearen Pulskompression, welche die zweite untersuchte Pulsverkürzungsmethode im Rahmen dieser Arbeit darstellt, konnten die Laserpulse von 116 ps auf insgesamt 4,1 ps verkürzt werden. Hierbei wurden Pulsenergien von 8 μJ und Pulsspitzenleistungen über einem Megawatt erreicht, was viele Anwendungsbereiche wie die nichtlineare Frequenzkonversion eröffnet.
Schließlich wurde mit Hilfe dieser beiden Pulsverkürzungsverfahren ein neuartiges Konzept entwickelt, welches es erlaubt in den Pulsdauerbereich deutlich unterhalb von 1 ps vorzustoßen bei gleichzeitig hoher Pulsqualität sowie einer einstellbaren Wellenlängenverschiebung bis zu einigen zehn Nanometern von der ursprünglichen Laseremission. Durch die optimale Kombination von dispersiven und dispersionsfreien Pulsverkürzungsverfahren wurde anhand dieses Konzeptes ein komplett faserbasiertes Pulsverkürzungssystem entwickelt, mit dem 100 ps lange Pulse auf 174 fs verkürzt werden konnten bei gleichzeitig hoher Pulsqualität und einer Verschiebung der Zentralwellenlänge von 1064nm auf 1034 nm. Solche ultrakurzen Pulsdauern unterhalb von 200 fs mit Hilfe einer gütegeschalteten Laserquelle waren zu Beginn dieser Dissertation noch nie gezeigt worden. Durch die einstellbare Wellenlängenverschiebung kann die Laseremission für eine nachfolgende Pulsverstärkung auf verschiedene Lasermedien angepasst werden. Zudem ermöglicht der komplett faserbasierte Ansatz den Aufbau von sehr kompakten, störungsunempfindlichen sowie kostengünstigen Pulsverkürzungssystemen. Die in dieser Arbeit gezeigten Methoden und Konzepte zur Pulsverkürzung bei Mikrochiplasern können auch für andere Lasertypen angewendet werden, wenn diese nahezu transformlimitierte Pulse von wenigen Pikosekunden bis in den Bereich von 100 ps emittieren.
| Erscheinungsdatum | 07.11.2016 |
|---|---|
| Verlagsort | Berlin |
| Sprache | englisch |
| Einbandart | gebunden |
| Themenwelt | Naturwissenschaften ► Physik / Astronomie ► Optik |
| Schlagworte | laser pulses • microchip lasers • Optical Fibers • Q-switched microchip lasers |
| ISBN-10 | 3-86387-719-5 / 3863877195 |
| ISBN-13 | 978-3-86387-719-4 / 9783863877194 |
| Zustand | Neuware |
| Informationen gemäß Produktsicherheitsverordnung (GPSR) | |
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