Minimierung des thermischen Linseneffekts in Ultrakurzpuls-Systemen

Wie wir Ultrakurzpuls-Systemen helfen können, „einen kühlen Kopf“ zu bewahren

Die kurze Pulsdauer und die hohen Spitzenleistungen bei Ultrakurzpulslasern machen sie ideal für eine Vielzahl von Einsatzgebieten von der Materialbearbeitung über medizinische Laser bis zu nicht-linearer Bildgebung und Mikroskopie. Ultrakurzpulslaser sind allerdings sehr anfällig für den thermischen Linseneffekt, bei dem sich entweder das Verstärkungsmedium oder Optiken im Resonator verformen oder einen veränderten Brechungsindex aufweisen. Dies kann bei Ultrakurzpuls-Systemen sehr schädlich sein und sogar die Modenkopplung zur Erzeugung eines gepulsten Strahls verhindern. Fortschritte bei der Herstellung von hochdispersiven Resonatorspiegeln durch UltraFast Innovations (UFI), einem Partner von Edmund Optics, ermöglichen aber glücklicherweise die Entwicklung von Optiken, bei denen nur geringe thermische Effekte auftreten.

 Warum sind thermische Linseneffekte ein „brenzliges“ Thema?

Der thermische Linseneffekt tritt auf, wenn ein aktives Verstärkungsmedium entlang der Strahlachse im Vergleich zum Rest des Mediums wärmer ist und so eine transversale Brechungsindexänderung erzeugt wird. Dies kann zu einer Fehlausrichtung des Laserresonators und somit zu abweichenden Lasermodenprofilen und einer Verschiebung der Strahlausrichtung führen. Resonatorspiegel sind ein wichtiger Teil von Ultrakurzpuls-Oszillatoren, die ebenfalls durch thermische Effekte beeinflusst werden können. Wenn ein Strahl in einem Laserkristall fokussiert wird, kann eine Veränderung des Krümmungsradius des Spiegels die Fokusposition verändern und sogar die Modenkopplung in einem Ultrakurzpulslaser verhindern, sodass dieser wirkungslos wird. Während die thermischen Eigenschaften des Verstärkungsmediums nicht verändert werden können, kann durch die Wahl des richtigen Resonatorspiegels der thermische Linseneffekt verhindert werden.

 Die Lösung: Hochdispersive Ultrakurzpulsspiegel

Jüngste Entwicklungen im Bereich der Beschichtungen ermöglichen die Herstellung von hochdispersiven Spiegeln mit geringem Verlust und vernachlässigbaren thermischen Effekten. Dies wird durch die sorgfältige Veränderung von verschiedenen Parametern der optischen Beschichtung erreicht. Zusätzlich zu der thermischen Stabilität müssen die Spiegel auch eine hohe Reflexion und eine negative Gruppenverzögerungsdispersion (GDD) bieten, um die positive GDD der meisten optischen Medien zu kompensieren. Abbildung 1 zeigt die Reflektivität und GDD von #17-070 (oder UFI-Artikelnummer HD64), einem hochdispersiven Spiegel mit reduziertem thermischem Effekt, der für Ultrakurzpulslaser mit 1030 nm entwickelt wurde. Die Spiegel sind unglaublich wertvoll für Festkörperlaser mit hoher Leistung wie Yb:YAG-, Nd:YAG-, Holmium- und Thulium-Laser.

Abbildung 1: Spektrale Leistung und GDD von #17-070 oder Artikelnummer HD64 bei UltraFast Innovations, einem hochdispersiven Spiegel für 1030 nm mit reduziertem thermischem Linseneffekt.

Test der thermischen Effekte

Die neuen hochdispersiven Spiegel wurden getestet, um die Stärke des thermischen Linseneffekts zu bestimmen. Zur Überwachung der Temperatur der Resonatorspiegel in einem Yb:YAG-Scheibenlaser bei kontinuierlichem Betrieb (CW) wurde eine Infrarot-Kamera (FLIR SC305) eingesetzt. Bei einem typischen hochreflektierenden Spiegel mit einer GDD von -3000 fs² ohne die neue Technologie zur Reduzierung des thermischen Linseneffekts entsteht ein Temperaturanstieg von >50 K (Abbildung 2). Dies erzeugte eine Verschlechterung der Lasermode und der Schwingungsstabilität. Dagegen wurden hochdispersive Spiegel mit GDDs von -1000 fs² und -3000 fs² im gleichen Aufbau getestet und es entstand nur eine Temperaturänderung von 10 K bzw. 20 K (Abbildung 3 und 4). Die Spiegel zeigten keinen wahrnehmbaren thermisch-induzierten Effekt auf die Mode oder Schwingungsstabilität und der Laser funktionierte einwandfrei.

Abbildung 2: Der hochreflektierende Spiegel ohne die neue Technologie zur Reduzierung des thermischen Linseneffekts erzeugt eine Temperaturänderung von 57 K und führt zu einer Verschlechterung der Systemleistung.

Abbildung 3: Der Spiegel mit geringem thermischem Linseneffekt und einer GDD von -1000 fs² erzeugt eine Temperaturänderung von 10 K und keine detektierbare thermisch-induzierte Verschlechterung der Leistung.

Abbildung 4: Der Spiegel mit geringem thermischem Linseneffekt und einer GDD von -3000 fs² erzeugt eine Temperaturänderung von 20 K und keine detektierbare thermisch-induzierte Verschlechterung der Leistung.