OPSL-Whitepaper-Reihe Nr. 3:
Kein „Grünlichtrauschen“

Aufhebung des Kompromisses zwischen Leistung und Kosten

Anwendungen im sichtbaren und ultravioletten Lichtbereich, die hohe Anforderungen an kontinuierliche Laser stellen (z. B. CEP-stabilisierte Lasersysteme mit Pumpe, Brillouin-Streuung und Halbleiterwafer-Prüfung), erfordern einen stabilen Ausgangsstrahl von hoher Qualität bei gleichzeitig geringem Amplitudenrauschen. Halbleiter-gepumpte Festkörperlaser (DPSS) können die erforderliche Strahlqualität erzeugen (wenn auch nur bei konstanter^{Ausgangsleistung¹}), doch ihre Rauschleistung wird häufig durch das sogenannte Modenrauschen oder „Grünlichtrauschen“ eingeschränkt. Die Beseitigung dieses Rauschens würde den Laser komplexer machen. Daher besteht bei DPSS-Lasern im sichtbaren Bereich ein Kompromiss zwischen Leistung (Rauschen) und Kosten (Komplexität). Dieser Rauschmechanismus ist bei sichtbaren OPSL-Lasern völlig inexistent, sodass sie bei geringeren Kosten ein geringeres Rauschen bieten. Dies ermöglicht es OPSL-Lasern zudem, auf einfache Weise rauschfreie UV-Lichtleistung zu erzeugen (z. B. bei einer Wellenlänge von 355 nm). Dies ist ein Hauptgrund dafür, dass OPSL-Laser bei der Verwendung von UV-Wellenlängen in der Durchflusszytometrie dominieren.

¹ Siehedas Whitepaper Nr. 2dieser Reihe.

Verhalten im Chaos-Modus

Die Leistung von Dauerstrichlasern mit makroskopischem Resonator hängt in hohem Maße von der Konfiguration des Resonators ab. Dies gilt für OPSL, herkömmliche DPSS-Laser und die meisten Dauerstrich-Gas- (bzw. Ionen-)Laser. Da die Resonatorlänge in der Regel mehrere Dutzend Millimeter oder sogar Zentimeter beträgt, können die Resonatoren dieser Dauerstrichlaser mehrere longitudinale Moden unterstützen. In der Regel wird die Lichtintensität im Resonator bei solchen Lasern auf mehrere longitudinale Moden aufgeteilt, wobei sich die Frequenz jeder Mode geringfügig unterscheidet (siehe Abbildung 1).

Bei herkömmlichen Technologien (wie Ionen- und DPSS-Lasern) ist die Verteilung der Gesamtleistung im Resonator zwischen diesen einzelnen Moden jedoch recht zufällig und dynamisch, wobei verschiedene Kombinationen dieser Moden im Laufe der Zeit Laserlicht erzeugen und um die verfügbaren Verstärkungsreserven konkurrieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. Da die Gesamtintensität jedoch konstant bleibt, eignet sich der Multimodenbetrieb von Ionenlasern hervorragend für die meisten Anwendungen, bei denen ein geringes Amplitudenrauschen erforderlich ist.

Bei Ionenlasern und DPSS-Lasern ist dieser dynamische Wettbewerb zwischen den verschiedenen Moden auf die gespeicherte Energie im aktiven Lasermedium zurückzuführen. Einfach ausgedrückt ist die Lebensdauer des angeregten Zustands des Verstärkungsmediums wesentlich länger als die Zeit, die ein Photon im kontinuierlichen Resonator benötigt. Konkret beträgt die Lebensdauer des angeregten Zustands bei neodymbasierten DPSS-Lasern im Mikrosekundenbereich, während die Umlaufzeit im Resonator nur im Nanosekundenbereich liegt. Für bestimmte Anwendungen von gepulsten Lasern ist diese gespeicherte Energie tatsächlich ein Vorteil, da sie einen Mechanismus ermöglicht, der als Q-Schaltung bezeichnet wird und sehr kurze, aber extrem intensive Impulse erzeugen kann. Allerdings schränkt sie die Modulationsgeschwindigkeit (Ein- und Ausschalten) des Lasers ein. Ebenso wichtig ist, dass sie zu Rauschproblemen führt, wenn Frequenzkonversion zur Erzeugung von Harmonischen der Grundwelle eingesetzt wird, beispielsweise bei der Verdopplung der Grundwellenfrequenz von 1064 nm zur Erzeugung einer kontinuierlichen grünen Lichtleistung mit einer Wellenlänge von 532 nm.

Eine Frequenzverdopplung führt zu Rauschen im grünen (und ultravioletten) Bereich

Sowohl DPSS-Laser als auch OPSL erzeugen eine Grundwelle im nahen Infrarotbereich, deren Frequenz anschließend verdoppelt wird, um sichtbares Licht zu erzeugen, oder sie nutzen sogenannte nichtlineare Kristalle, um die Frequenz zu verdoppeln und so ultraviolettes Licht zu erzeugen. Diese Prozesse der zweiten (SHG) und dritten (THG) Harmonischen sind in hohem Maße von der Intensität abhängig, d. h. von der Leistung pro Flächeneinheit im SHG- oder THG-Kristall. Bei der Verwendung von gepulsten Lasern kann die Spitzenleistung um viele Größenordnungen höher sein als die Durchschnittsleistung, sodass eine effektive Frequenzverdopplung (und -verdreifachung) leicht stromabwärts des Laserresonators (d. h. außerhalb des Resonators) erfolgen kann. Bei der Verwendung von Dauerstrichlasern besteht die einzige Möglichkeit, eine hohe Intensität zu erzielen, darin, die SHG- und THG-Kristalle im Resonator zu platzieren, wo die zirkulierende Leistung um zwei Größenordnungen höher sein kann als die Ausgangsleistung. Dadurch wird das zuvor harmlose Modenrauschen nun zu einem realen Problem.

Wird ein Frequenzverdopplungskristall in den Strahl des Grundresonators eines DPSS-Lasers mit mehreren longitudinalen Moden eingebracht,entsteht sowohl im Grund- als auch im verdoppelten Ausgangsstrahl ein chaotisches Intensitätsrauschen(siehe Abb. 2). Der Grund dafür ist, dass sowohl zweite Harmonische (Verdopplung der Frequenz einer longitudinalen Mode) als auch Summenfrequenzen (Addition der Frequenzen zweier unterschiedlicher longitudinaler Moden) entstehen können. Die Summenfrequenzerzeugung koppelt die einzelnen longitudinalen Moden miteinander und ermöglicht so eine direkte dynamische Wechselwirkung zwischen den longitudinalen Moden. Die zeitliche Dynamik der paarweisen Wechselwirkungen aller longitudinalen Moden (in diesem Fall hängt die Intensität einer Mode vom Verstärkungsfaktor einer anderen Mode ab) erzeugt ein signifikantes Intensitätsrauschen. Dieses Phänomen ist seit langem bekannt und wird als „Grünlichtproblem“ bezeichnet [Referenz 1], da der erste kontinuierlich arbeitende Laser, bei dem die Frequenzverdopplung im Resonator weit verbreitet war, ein grüner DPSS-Laser war, bei dem die Grundwelle des Lasers mit 1064 nm verdoppelt wurde, um eine grüne Ausgangsleistung mit einer Wellenlänge von 532 nm zu erzeugen.

DPSS-Dauerstrichlaser: Kompromiss zwischen Leistung und Kosten

Bei CW-DPSS-Lasern wurden bereits verschiedene Methoden zur Lösung des Problems des Modenrauschens eingesetzt. Ein früherer Ansatz bestand darin, einen verlängerten Resonator zu verwenden, um die Leistung auf mehr longitudinale Moden zu verteilen. Der Gedanke dahinter war, den Rauschpegel durch Mittelung der Rauscheffekte über eine größere Anzahl von Moden zu senken. Diese „Verteilungsmethode“ ist für bestimmte Anwendungen ausreichend, hat sich jedoch für besonders rauschempfindliche Anwendungen, wie beispielsweise die Stabilisierung der Trägerhüllkurvenphase (CEP), als unzureichend erwiesen. Natürlich wirkt sie sich auch negativ auf Anwendungen aus, die auf Monochromatizität (d. h. eine schmale spektrale Bandbreite) angewiesen sind.

Ein strengerer Ansatz besteht darin, das Grünlichtrauschen direkt an der Quelle zu beseitigen. Der direkteste Weg, dies bei DPSS-Lasern zu erreichen, ist der Einsatz eines optischen Elements (z. B. eines Kalibrators), um den Laser im Einzelmodenbetrieb zu betreiben. Dies erfordert eine aktive thermische Stabilisierung des Resonators sowie die Verwendung von piezoelektrischen Spiegelhaltern und Rückkopplungselektronik, um die Resonatorlänge und die Leistung des Kalibrators aufeinander abzustimmen. All dies führt zu höheren Kosten und einer größeren Komplexität.

Einige kommerzielle rauscharme DPSS-Laser basieren auf anderen Strategien zur Rauschunterdrückung durch aktive Rückkopplung. In jedem Fall ist jedoch ein Kompromiss zwischen Rauschen, Kosten und Komplexität unvermeidlich.

OPSL – bietet rauscharmes sichtbares Licht

Bei der Verwendung eines OPSL sind die Verstärkungsdynamiken völlig anders. Das Verstärkungsmedium ist ein Halbleiter, in dem das Pumplicht in der Quantensenke Löcher und Elektronen erzeugt. Die radiativen und nicht-radiativen Rekombinationsprozesse dieser Ladungsträger verlaufen sehr schnell. Daher beträgt die effektive Lebensdauer des oberen Niveaus (d. h. die Zeitskala der Laufzeit im Resonator) bei einem OPSL einige Nanosekunden oder weniger. Dies hat zwei Vorteile. Erstens kann ein OPSL direkt mit Frequenzen von bis zu 100 kHz moduliert werden. Noch wichtiger ist, dass die kurze Lebensdauer des oberen Niveaus bedeutet, dass auf der Zeitskala der Lasermoden keine gespeicherte Energie vorhanden ist, sondern nur ein momentaner Verstärkungsfaktor. Wenn ein OPSL mit mehreren longitudinalen Moden arbeitet, wird das Verhalten dieser Resonatormoden daher vollständig vom Resonator bestimmt, während der Verstärkungsfaktor lediglich dessen Schwankungen folgt. Daher ist die Leistungsverteilung zwischen diesen Moden zeitlich stabil.

Da die Leistungsverteilung vollkommen stabil ist, entsteht bei der Erzeugung von sichtbarem Licht mithilfe eines in der Resonanzkammer integrierten Frequenzverdopplungskristalls kein Rauschen aufgrund nichtlinearer Kopplungen zwischen den longitudinalen Moden. Aufgrund der kurzen Lebensdauer des oberen Energiezustands tritt das Problem des grünen Lichts bei OPSL gar nicht erst auf. Da keine Mechanismen zur Rauschunterdrückung erforderlich sind, entfallen die damit verbundenen Kosten und der damit verbundene Aufwand, sodass kein Kompromiss zwischen Leistung und Komplexität (Kosten, potenzielle Fehlerquellen) eingegangen werden muss. Natürlich kann OPSL auch für den Single-Mode-Betrieb ausgelegt werden, und Coherent bietet solche Produkte für Anwendungen wie die Interferometrie an. Für OPSL ist der Single-Mode-Betrieb jedoch lediglich eine Option für diese Anwendungen mit hoher Kohärenz und keine Voraussetzung für Rauscharmut.

OPSL bietet eine echte kontinuierliche UV-Lichtleistung

Die Dreifachfrequenzerzeugung kann bei DPSS- und OPSL-Lasern zur Erzeugung von UV-Licht genutzt werden. Wie bei Lasern im sichtbaren Bereich können auch bei Q-geschalteten DPSS-Lasern hocheffiziente extrakavitäre Harmonische erzeugt werden. Dies bildet die Grundlage für mehrere industrielle Nanosekundenlaser, die Coherent für präzise Materialbearbeitungsanwendungen herstellt. Im Dauerbetrieb manifestiert sich das Problem des grünen Rauschens jedoch als UV-Rauschen, das zudem noch gravierender ist, da der Wirkungsgrad der Dreifachfrequenzerzeugung von der dritten Potenz der Fokussierungsintensität abhängt. Für Anwendungen, bei denen eine quasi-kontinuierliche Leistung akzeptabel ist, wie beispielsweise die direkte Laserbelichtung von Leiterplatten, können DPSS-Laser mit einer Wiederholfrequenz von mehreren zehn Megahertz modengekoppelt werden. Ein Beispiel hierfür ist Paladin Pikosekundenimpulse eine hohe Spitzenleistung aufweisen, was bedeutet, dass die Effizienz der extrakavitären Tripling-Funktion sehr hoch ist. Für Anwendungen wie Datenspeicherung und die Sortierung lebender Zellen können jedoch sowohl die Impulsleistung als auch die hohe Spitzenleistung im quasi-kontinuierlichen CW-Betrieb Probleme verursachen. Die OPSL-Technologie bietet hier erneut eine optimierte Lösung, ohne dass Rauschunterdrückungsmechanismen (wie stabiler Single-Mode-Betrieb) erforderlich sind. So gilt beispielsweiseGenesis mittlerweile als anerkannter Standard, um den wachsenden Anforderungen der Durchflusszytometrie an UV-Lichtleistung gerecht zu werden, etwa zur Anregung der Autofluoreszenz von DNA.