OPSL-Whitepaper-Reihe #2:
Konstante Strahleigenschaften

Vorteile einer unabhängigen Leistungsregelung

In der Regel ist es von großer Bedeutung, die Laserausgangsleistung verändern zu können oder den Laser mit einer Leistung unterhalb seiner maximalen Leistung betreiben zu können. In vielen Fällen ist die Verwendung eines „Leistungsreglers“ für die Optimierung von Prozessen oder Experimenten von entscheidender Bedeutung, beispielsweise um eine Sättigung des Detektors oder eine Beschädigung der Probe zu verhindern. Auch Systemkalibrierungen und -tests sollten in der Regel mit einer geringeren Leistung durchgeführt werden – um das Beschädigungsrisiko zu minimieren und die Sicherheit der Augen des Bedienpersonals zu gewährleisten. Darüber hinaus erfordern Superauflösungsmikroskopietechniken wie STED eine feine Leistungsanpassung, um die Auflösung im Nanobereich zu optimieren. Aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit und der einfachen Einrichtung ist daher eine Option zur stufenlosen Reduzierung der Ausgangsleistung einer Dämpfungseinrichtung vorzuziehen.

Leider verschlechtern sich bei den meisten anderen Festkörperlasern die Strahleigenschaften, wenn die Leistung unter den vom Hersteller angegebenen Optimalwert gesenkt wird: Dies betrifft insbesondere die Strahldivergenz sowie den Strahldurchmesser, die Modenqualität und die Strahlausrichtung. Ursache für diese Probleme ist ein Phänomen, das als „thermische Linsenwirkung“ bezeichnet wird und bei Festkörperlasern auf Basis von losen Materialien wie Nd:YVO_{häufig auftritt4}.

Das Problem der thermischen Linsen

Bei der optischen Anregung von Laserverstärkerkristallen oder -glas wird ein Teil der Anregungsleistung unvermeidlich in Wärme umgewandelt. Zudem erwärmt die Selbstabsorption des Laserstrahls das effektive Volumen des Kristalls. Um die Leistung zu stabilisieren und Schäden zu vermeiden, muss der Verstärkerkristall auf irgendeine Weise gekühlt werden. Mögliche Kühlmethoden sind passive Kühlkörper, Wasserkühlung, thermoelektrische (TE) Kühlung oder sogar Kryokühlung. Unabhängig von der Art der Kühlung wird die Wärme über eine oder mehrere Kristalloberflächen abgeführt. Im stationären Betrieb entsteht dadurch ein Temperaturgradient im Verstärkerkristall.

Dieser Temperaturgradient hat zwei Folgen. Erstens ändert sich der Brechungsindex entsprechend der Temperaturverteilung im Lasermedium. Außerdem dehnt sich der Kristall beim Erwärmen aus, was zu einer Veränderung der Krümmung seiner optischen Oberflächen führt. Im einfachsten Fall, bei dem ein zylindrischer Laserstab stirnseitig gepumpt wird, führen diese Effekte zur Bildung einer sphärischen Linse, deren Leistung proportional zur Länge des Kristalls und zur Pumpleistung ist. Darüber hinaus kann die Leistung der Linse durch etwaige longitudinale Temperaturgradienten beeinflusst werden, insbesondere wenn der Verstärkerkristall nur von einer Seite gepumpt wird.

Um die Ausgangsleistung bei einem hochwertigen Gaußschen Strahlprofil (_TEM00) zu optimieren, ist eine sorgfältige Auslegung des Resonators erforderlich, einschließlich einer möglichst optimalen räumlichen Anpassung des Lasermodus an das Pumpvolumen. Aufgrund dieser „thermischen Linseneffekte“ führt jede Änderung der Krümmung der optischen Oberflächen oder des (äquivalenten) räumlichen Brechungsindexgradienten während des Betriebs dazu, dass die Modenqualität oder der Wirkungsgrad nicht optimal erreicht werden. Natürlich hängt die Stärke dieser thermischen Linsen von der auf das Lasermedium ausgeübten Pumpleistung ab.

Bei Festkörperlasern verändern thermische Linsen die Divergenz und den Durchmesser des Ausgangsstrahls. Einige Hochleistungslaser, wie beispielsweise^die industriellen DPSS^{-Laser der AVIA™-Serie} von Coherent, verfügen über eine Rückkopplungsfunktion namens^{ThermaTrak™.} Diese Funktion verschiebt bei einer Leistungsanpassung eine motorisch angetriebene interne Linse und behebt so dieses Problem. Im Gegensatz dazu sind die thermischen Linsen bei DPSS-Lasern mit geringerer Leistung nicht geregelt, sodass es bei Änderungen der Pumpleistung zu Schwankungen kommt, die zu veränderten Strahlparametern, einem Effizienzverlust und einem eingeschränkten nutzbaren Leistungsbereich führen. Da die meisten handelsüblichen DPSS-Laser keine variable Kompensationsfunktion enthalten, können ihre Ausgangsstrahlparameter nur bei einer bestimmten Ausgangsleistung garantiert werden.

OPSL – Chip mit geringem Verstärkungsfaktor – ohne thermische Linse

在 OPSL 中，增益介质是一个非常薄 (< 10 μm) 的半导体量子阱盘，覆盖在作为后表面全反射镜的电介质层上。 后表面又与一个主动冷却的散热器结合在一起，有效地冷却半导体结构。 尽管激光操作仍会产生径向热梯度，但由于整个结构非常薄，因此热透镜可以忽略不计；事实上，增益材料中的路径长度大约只是典型 DPSS 的千分之一。

Um die Annahme zu bestätigen, dass der thermische Linseneffekt vernachlässigbar ist,Coherent , um die optischen Eigenschaften des OPSL-Verstärkerchips zu überwachen. Im Rahmen dieser Tests erzeugten sie absichtlich einen Temperaturgradienten und maßen diesen mittels Interferenzverfahren. Darüber hinaus war der Testgradient deutlich größer ausgelegt als jeder Gradient, der unter normalen Laserbetriebsbedingungen auftreten könnte; selbst bei voller Ausgangsleistung des OPSL konnte der Gradient den Testgradienten nicht überschreiten.

Abbildung 2 zeigt die bei diesen Tests verwendete Anordnung. Dabei wurde der Resonator eines OPSL-Lasers so modifiziert, dass ein Keilspalter hinzugefügt wurde, sodass der Teststrahl den OPSL-Chip erfassen kann, während dieser gleichzeitig mit unterschiedlichen Pumpleistungen bestrahlt wird. Konkret wird der kohärente 980-nm-Einmodenlaserstrahl durch den ersten Beamsplitter aufgeteilt, sodass ein Teil der Intensität vom OPSL-Chip und ein Teil von einem ultraplanen Spiegel reflektiert wird. Der zweite Beamsplitter führt diese reflektierten Strahlen in einer als Mach-Zehnder-Interferometer bezeichneten Anordnung wieder zusammen. Anschließend wird der rekombinierte Strahl aufgeweitet und mit einer CCD-Kamera beobachtet.

Wenn der OPSL-Chip flach bleibt und keine thermische Linsenverzerrung auftritt, ist das Bild auf der Kamera innerhalb seines Abbildungsbereichs gleichmäßig. Umgekehrt zeigt sich jede thermische Linsenverzerrung als abwechselnd helle und dunkle Interferenzstreifen, deren Abstand den Grad der Linsenverzerrung oder anderer Strahlverzerrungen quantitativ misst. Eine sorgfältige Bewertung dieser Testvorrichtung durch den Austausch des OPSL-Verstärkungs-Chips gegen einen Heizspiegel hat gezeigt, dass bei einer Testwellenlänge von 980 nm eine Wellenlängenverzerrung von mindestens λ/50 aufgelöst werden kann.

Im Rahmen der Tests wurde der Pumplaser im OPSL auf einen Lichtfleck mit einem Durchmesser von nur 420 μm fokussiert. Die Leistung des Pumplasers variierte zwischen null und 9 Watt. Selbst unter dieser extremen thermischen Belastung war die gesamte Wellenfrontverzerrung mit etwa λ/40 kaum nachweisbar.

Tatsächliche Leistungsdaten des Lasers

Natürlich ist in der Praxis die tatsächliche Laserleistung das Wichtigste. Um diesen Vorteil der fehlenden thermischen Linsenwirkung voll auszuschöpfen, ist eine robuste, monolithische Resonatorkonstruktion erforderlich, bei der alle anderen optischen oder optomechanischen Komponenten unempfindlich gegenüber Schwankungen der Pumpleistung sind. Wenn das Phänomen der thermischen Linsenbildung auftritt, sind die Veränderungen des Ausgangsstrahls hinsichtlich der Strahldivergenz und des Strahldurchmessers am deutlichsten. Dies sind auch die entscheidenden Parameter für anspruchsvolle Anwendungen wie die laserbasierte Bildgebung und das Pumpen von Titan-Saphir-Lasern.

Coherent haben eine Reihe umfassender Experimente durchgeführt, um diese Parameterveränderungen direkt zu untersuchen und sie als Funktion der Ausgangsleistung zu erfassen. Konkret wurde die 532-nm-Ausgangsleistung eines Verdi schrittweise um eine Größenordnung von einigen hundert Milliwatt bis zu 8 Watt variiert. Selbst bei dieser enormen Veränderung der Ausgangsleistung blieben der Strahldurchmesser und die Strahldivergenz sehr konstant und lagen innerhalb der Spezifikationen, wie die typischen Datensätze in Abbildung 3 und Abbildung 4 zeigen.