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WO2003012941A2 - Vorrichtung zur kontrolle der dynamik von lasersystemen - Google Patents

Vorrichtung zur kontrolle der dynamik von lasersystemen Download PDF

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WO2003012941A2
WO2003012941A2 PCT/EP2002/008104 EP0208104W WO03012941A2 WO 2003012941 A2 WO2003012941 A2 WO 2003012941A2 EP 0208104 W EP0208104 W EP 0208104W WO 03012941 A2 WO03012941 A2 WO 03012941A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
laser
control
controlled
dynamic
resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2002/008104
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English (en)
French (fr)
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WO2003012941A3 (de
Inventor
Franz Xaver KÄRTNER
Uwe Morgner
Thomas Schibli
Wolfgang Seitz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Universitaet Karlsruhe
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Universitaet Karlsruhe filed Critical Universitaet Karlsruhe
Priority to AU2002327889A priority Critical patent/AU2002327889A1/en
Publication of WO2003012941A2 publication Critical patent/WO2003012941A2/de
Publication of WO2003012941A3 publication Critical patent/WO2003012941A3/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1106—Mode locking
    • H01S3/1109—Active mode locking
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/106—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity
    • H01S3/1061—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using a variable absorption device

Definitions

  • the present invention relates to what is claimed in the preamble. It deals with the control of laser dynamics, especially the control against rapid instabilities.
  • a certain behavior will be optimal for an application; A suitable design of the laser system can be used to try to obtain this optimal behavior at least approximately; this also applies to a desired dynamic behavior.
  • the freely selectable parameters are often not sufficient with regard to their finite variation possibilities and number, so that the dynamic properties of the laser system achieve the desired requirements.
  • the instabilities and power fluctuations can be controlled through active feedback.
  • the start-up behavior of passively mode-locked lasers can be improved by suitable modulation of the losses and / or the net gain within the resonator, or the mode locking can be implemented entirely by loss modulation and / or a modulation of the net gain, which is then referred to as active mode locking.
  • TR Schibli, U. Morgner and FX Kärtner have also published "Control of Q-switched mode locking by active feedback," Optics Letters (OSA), Vol. 26, No. 3, Feb. 1 / 2,001, presented a method that dynamically changes one or more parameters of the laser system through active feedback. In this way, the feedback loop can modulate the pumping power of the laser system.
  • An optically controlled interactive Q-switch is also known from US Pat. No. 5,408,480, which responds to a short light pulse, for example from external light emitting devices. diodes or diode lasers to generate an output laser pulse from electronic energy stored in a laser. The switching frequency is intended to provide independent regulation of the output laser pulse width with a fast rise time for each output laser pulse.
  • a laser system is also known in which the laser pulse energy is controlled by feedback from the laser Q-switch.
  • a feedback signal is used to control the duration of the high loss state of the Q switch to automatically adjust the output pulse energy.
  • a microlaser cavity is known and an externally controlled, passive switching microlaser for pulses with a saturable absorber and a device for introducing a beam into the microlaser cavity, which triggers the saturation of the saturable absorber.
  • Also known from DE 199 62 047 AI is a device for fast active stabilization of the output laser power, a fraction of the output signal of the laser, regulated by active feedback, being fed to the input of the laser in such a way that the laser output power mediated via the resonator cycle time remains constant.
  • DE 196 07 689 AI shows a quality-controlled solid-state laser that has a narrow-band laser diode that delivers a narrow-band output radiation as seed radiation to excite a solid, so that only a single wavelength-stable longi- tudinal mode swings and corresponding radiation is emitted.
  • Loss modulators are known, for example, which are based on the electro-optical or acousto-optical effect. However, these often require voltages in the range of a few kilovolts, which is a limiting factor with regard to high bandwidths. Furthermore, known loss modulators based, for example, on the electro-optical or acousto-optical effect, are not suitable for use in a laser resonator with a high repetition rate, because the optical path length of these modulators is generally a few centimeters. This makes their use in laser resonators of 1.5 cm optical length, corresponding to a pulse repetition rate of 10 GHz, impossible.
  • Known loss modulators which are based, for example, on the electro-optical, electro-absorptive or acousto-optical effect, also generally influence the properties of a laser in such a negative manner due to their optical properties, in particular their insertion losses, optical dispersion, thermally induced lens or limited bandwidth. that their use is further restricted.
  • passive mode-locked laser systems which use so-called saturable semiconductor absorbers for passive mode locking.
  • SBR so-called “Saturable Bragg Reflector”
  • SAM ie” Saturable Absorber Mirror
  • SESAM SESAM
  • ie SEmiconductor Saturable Absorber Mirror
  • the aim of the present invention is to provide something new for commercial use.
  • a dynamic-controlled laser with a resonator and a laser power detection is thus proposed, which is characterized in that a light source controlling an optical modulator in response to the detected laser power is provided for dynamic control and the laser power detection is designed to detect the laser power averaged by the resonator.
  • Various optical modulators can now be used. In principle, it is possible to influence the emission of the dynamically controlled laser by modulating a control light source.
  • the modulation of a control light source is often very fast, that is possible with high frequencies; since the influencing of an optical modulator by control light is a process that can take place very quickly, for example because fast solid-state processes such as band transitions in semiconductors or the like. a particularly high-frequency dynamic control is possible.
  • the present invention thus allows the construction of a fast and inexpensive loss or gain modulator that can be used within a laser resonator without negatively affecting its optical properties - apart from the modulable losses or gains.
  • the optical modulator is a loss modulator, which provides for a loss, in particular in the resonator, due to the light source control.
  • the optical modulator can then consist of a semiconductor material which has a predetermined minimum absorption at the wavelength of the controlling light source, which is sufficient to generate such a quantity and / or density of charge carriers that the laser light of the laser to be controlled with regard to its dynamics is desired is absorbed and / or amplified, while the semiconductor material not acted on by control light source is at least largely transparent to the laser light of the laser to be checked with regard to its dynamics.
  • a device for laser dynamics control can be used both inside and outside a laser resonator and it is possible and preferred if the dynamics-controlled laser has an absorber mirror which comprises and / or represents a saturable Bragg reflector, a semiconducting saturable absorber mirror and / or a Fabry-Perot resonator is assigned, the transmission behavior and / or reflection behavior of which can be changed by the control light source.
  • the saturable absorber mirror can typically consist of a layer stack of two materials which differ in the optical refractive index. The layer thicknesses of this stack are chosen so that their optical thicknesses correspond to a quarter wavelength of the laser light.
  • Bragg reflectors By this structure, which is referred to as "Bragg reflectors", produces a highly reflective mirror at the wavelength of the laser '.
  • a saturable absorber is typically applied to this structure, which has the property that its losses are low with high-intensity lighting and high with low-intensity lighting. These saturable absorbers can be achieved by a variety of arrangements.
  • a particularly advantageous feature of the devices according to the invention is the preferably implemented possibility of using the externally controllable free charge carrier absorption in a targeted manner with a loss modulator.
  • the optical modulator uses the principle of free charge carrier absorption, which is also referred to as "FCA” for “free carrier absorption”, or the principle of the optical refractive index change caused by the free charge carriers within a semiconductor layer or within a potential well, which is also called “QW" for "quantum well”.
  • a saturable absorber according to the invention is therefore preferably realized with a “quantum well” structure (QW).
  • QW quantum well structure
  • a material that is transparent to the wavelength of the laser can typically be placed on the so-called “Bragg- Mirror "in which the QW structure is embedded at a suitable distance from the Bragg mirror.
  • This transparent layer can now be selected so that it absorbs light from the auxiliary or control light source, which generates free charge carriers and lead the free charge carriers in this layer for the laser light to additional losses.
  • additional layers are applied, finally, leading for example to a field increase or a field reduction within the optically mo 'dulierbaren layer and the embedded QW structure.
  • an additional layer which minimizes the Fresnel reflection on the optically modulatable layer for wavelengths in the range of 1530 nm, ie serves as an anti-reflective coating if it is used with a laser emitting at or at this wavelength.
  • a loss modulator means which has thin semiconductor layers, for example in the range from a few hundred nm to a few ⁇ m in thickness.
  • the powers required to control the losses within the thin, preferably a few hundred nanometers to a few micrometers thin layer are only in the range of a few tens of milliwatts.
  • the light of an inexpensive laser diode of low power can be used, which permits direct modulation in the range of up to several GHz.
  • the semiconductor layers themselves are preferably selected so that the lifetime of the free charge carriers is only short. Due to the short lifespan of the free charge carriers in thin semiconductor layers of typically 10 ps to 1 ns, such devices according to the invention can be controlled much faster than, for example, in the case of direct modulation of the gain of the laser medium, i.e. a modulation of the pumping power, because the relevant characteristic time is the lifetime of the inversion of the winning medium, which is between I ⁇ s and 10ms in the usual solid materials.
  • the devices according to the invention can be used both for suppressing the power fluctuations and dynamic instabilities, such as Q-switch instabilities, of a laser system, as well as for starting the passive mode coupling and / or for active mode coupling, and for controlling and / or suppressing low-frequency and / or suppressing low-frequency and / or high-frequency fluctuations and / or for external noise suppression and / or for external intensity modulation can be used.
  • Loss modulators of the invention can preferably be used, for example, for active mode coupling, for active stabilization and for starting laser systems. In many cases, the use of such a loss modulator does not or only insignificantly affects the properties of the laser system - apart from the newly obtained possibility of controllable absorption.
  • the principles of the invention can also and especially be used in laser systems with high repetition rates.
  • a laser is preferably assigned a laser power detection for detecting the instantaneous laser output power and a linear or non-linear controlled system which is designed and provided to control the Control light source for optical control of the optically controlled loss or low modulator in the laser resonator.
  • the laser power detection is designed to detect the laser power averaged over a resonator circulation; the modulator controller can be designed for linear and / or non-linear response to the detected laser power, so as to form a linear or non-linear controlled system.
  • control light source and / or its control can and is now preferably designed so that it is possible to start the mode coupling process of the laser system and / or to effect and / or support a regenerative laser system mode coupling. Protection is also claimed for a device for controlling the dynamics of a laser in a dynamics-controlled laser according to one of the preceding claims.
  • a control and / or control path for linear and / or non-linear optical and / or electronic regulation and / or control of an optically controlled loss and / or gain modulator and a second laser is provided, the dynamics of which are controlled as a function of the loss and / or gain modulator, the loss and / or gain modulator in particular being arranged in the laser resonator of the second laser.
  • This device is preferred for starting the mode coupling process and / or for checking instabilities, used in particular by Q-switching and / or to control and / or suppress low-frequency fluctuations and / or high-frequency fluctuations and / or temporal fluctuations in the pulse-to-pulse interval and / or to synchronize at least two laser systems.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention, which uses a so-called micro-chip laser, which has pulse repetition rates in the range of 10 GHz;
  • FIG. 1 shows a microchip laser with controlled dynamics as a laser according to the invention, which is designed to provide pulse repetition rates in the range of around 10 GHz.
  • the laser includes a continuously operated Nd: YV04 pump laser 1, which radiates pump light onto a Cr4 +: YAG laser crystal 8 via an intermediate optical system.
  • This laser system 1 supplies the energy required for the laser process with max. 16 W at a wavelength of 1064 nm and M2 ⁇ 1.1.
  • the interposed optics via which pump light from the continuously operated pump laser 1 is irradiated onto the Cr4 +: YAG laser crystal 8, initially comprises, in the beam path of the pump beam 4, a so-called optical diode or an optical isolator 2, the light only into the one shown Let the direction of the arrow pass, i.e. away from the pump laser.
  • a ⁇ / 2 plate 3 for polarization rotation of the pump beam in a desired direction and then a dichroic plate 5 are further provided behind the optical isolator 2.
  • the dichroic plate 5 is designed in such a way that pump light is transmitted further at 1064 nm in the direction of the laser crystal, but the laser light generated in the laser crystal 8 is reflected by 1500 nm.
  • a focusing optics which is represented by lenses 6, is then arranged in the beam path of the pump beam 4, the focused pump laser beam being directed onto the Cr4 +: YAG laser crystal 8.
  • the Cr4 +: YAG laser crystal 8 is arranged between two mirrors 7, 10 in a cooled crystal holder 9 and has a length of 8.2 mm here.
  • a particularly compact solid-state laser is thus formed. This type of laser is called a "microchip laser”.
  • the laser light coupled out of the laser crystal 8 via the coupling-out mirror 7 is irradiated onto a partially transparent mirror 12, which irradiates part of the light onto an intensity-sensitive photodetector 14.
  • An output signal from the intensity-sensitive photodetector 14 is applied to an electronic control with a control L Electronics 15 performed, which is designed to generate a suitable current signal, which is suitable for driving a further laser diode 11.
  • the further laser diode 11 emits low-intensity laser light, for example a few tens of milliwatts, via suitable focusing optics onto the controllable absorber mirror 10 of the laser resonator, in which the laser crystal 8 is located.
  • This low power of the laser diode 11 allows the electronic driver stage to be considerably simplified, both in comparison to the direct modulation of the currents of the pump diodes, which emit in the range from a few watts to a few tens of watts, and also in comparison to the electrical and acousto-optical modulators, which require voltages in the range of kilovolts.
  • the laser diode 11 is inexpensive thanks to its small power, and it is designed for direct modulation in the range of up to several GHz.
  • the absorber mirror 10 is designed as a controllable absorber mirror 10 and is implemented as an element according to the invention as in FIG. 2.
  • FIG. 2 shows that a saturable absorber according to the invention for a dynamically controlled laser or a device for dynamically controlling a laser with a quantum well structure can be implemented.
  • a material transparent to the wavelength of the laser is applied as a layer to a so-called Bragg mirror, in which a QW structure is embedded at a suitable distance from the Bragg mirror.
  • the transparency of the layer results here from the fact that the layer is formed as a semiconductor layer and the semiconductor is selected and designed such that the band gap of the Semiconductor material is energetically greater than the energy of the individual photons of the laser mode.
  • the semiconductor layer is at the same time formed in such a way that it absorbs light from the further laser diode 11 serving as auxiliary light source and the free charge carriers thereby generated in it
  • Layer for the laser light lead to additional losses. Finally, further layers are applied to this layer, which here lead, for example, to an increase or decrease in field within the optically modulatable layer and the QW structure embedded therein.
  • Fig. 2 an additional layer is shown, for example, which minimizes the Fresnel reflection on the optically modulatable layer for wavelengths in the range of 1530 nm, i.e. serves as an anti-reflective coating.
  • the arrangement according to the invention is now used in that light from the pump laser 1 is radiated into the laser crystal 8.
  • the light generated in the "microchip laser” is partially decoupled from the resonator by the decoupling mirror 7 and separated from the pump light 4 with the aid of a dichroic mirror 5, which has a transmitting effect for a wavelength of 1064 nm and is reflective for the generated laser light around 1500 nm.
  • a small part of this light acts on a photodetector 14 with the aid of a partially transparent mirror 12, while the other part of this light is available for use as an output beam 13 of the “microchip laser”.
  • the signal of the photodetector 14 is thereby via the linear and / or non-linear control electronics 15 to generate the auxiliary or.
  • a thin semiconductor layer is placed in a laser resonator in which the band gap of the semiconductor material is greater in energy than the energy of the individual photons of the laser mode, the internal losses of the laser system initially remain almost unchanged compared to the case without a semiconductor layer.
  • the fresnel reflections on the surfaces of the layer are avoided, for example by the position of the layer within the resonator or by suitable anti-reflective coatings. All of this is the case here, where the semiconductor layer is provided as a layer on the absorber mirror 10 in the resonator of the microcavity laser and the anti-reflective coatings are also implemented.
  • this layer is additionally illuminated with a light source whose photon energy is at least as large as the energy difference between the valence and conduction band of the layer, free charge carriers are generated within this layer.
  • the control light source which is implemented by the laser 11, serves for the illumination or modulation.
  • the so-called free charge carriers within the layer are in turn further excited by absorption of photons of the laser mode. This results in additional losses which can be influenced by the radiated power of the additional modulating light source mentioned. This results in controlled absorption, ie loss modulation.
  • Optical isolator lets light through only in the direction of the arrow
  • controllable absorber mirror e.g. according to FIG. 2
  • 11 laser diode for modulating the absorption of 10

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Abstract

Beschrieben wird ein dynamikkontrollierter Laser (8) mit einem Resonator und einer Laserleistungserfassung (14). Es wird vorgeschlgen, dass zur Dynamikkontrolle eine einen optischen Modulator (10) im Ansprechen auf die erfasste Laserleistung steuernde Lichtquelle (11) vorgesehen ist und die Laserleistungserfassung zur Erfassung der resonatorumlaufmittelten Laserleistung ausgebildet ist. Dabei kann der optische Modulator so ausgebildet sein, dass er eine optischen Brechzahländerung durch Lichteinstrahlung, insbesondere durch Steuerlichteinstrahlung erfährt, insbesondere basierend auf dem Prinzip der freien Ladungsträgerabsorption innerhalb einer Halbleiterschicht oder eines Potentialtopfes.

Description

Titel: Vorrichtung zur Kontrolle der Dynamik von Lasersystemen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft das oberbegrifflich Beanspruchte. Damit befaßt sie sich mit der Kontrolle der Laser- dynamik, insbesondere die Kontrolle gegen schnelle Instabilitäten.
Es ist bei Lasersystemen oft erforderlich, das Verhalten des emittierten Laserlichtes genau kontrollieren zu können, und zwar u.a. sowohl hinsichtlich der Intensität der emittierten Leistung als auch bezüglich des zeitlichen Verlaufs.
Für eine Anwendung wird jeweils ein bestimmtes Verhalten optimal sein; über eine geeignete Auslegung des Lasersystems kann versucht werden, dieses optimale Verhalten wenigstens annäherungsweise zu erhalten; dies gilt auch für ein gewünschtes dynamisches Verhalten. Nun sind aber bei der Auslegung eines Lasersystems die frei wählbaren Parameter hinsichtlich ihrer endlichen Variationsmöglichkeiten und Anzahl oftmals nicht ausreichend, damit die dynamischen Eigenschaften des Lasersystems die gewünschten Anforderungen erreichen.
Insbesondere bei gepulsten Systemen müssen nämlich eine Vielzahl von Problemen gelöst werden, welche zu Fluktuationen oder Instabilitäten der mittleren Ausgangsleistung führen können. Gerade diese Probleme lassen sich nicht, jedenfalls nicht immer vollständig und/oder ausreichend durch Wahl eines geeigneten Satzes der Laserparameter beheben. Häufig lassen sich daher Instabilitäten insbesondere bei gepulsten Systemen mit hohen Puls-Wiederholraten und/oder hohen Ausgangsleistungen durch passive Maßnahmen nicht beheben.
Ein weiteres Problem tritt insbesondere bei passiv modengekoppelten Systemen auf, und zwar dahingehend, dass diese Systeme nicht immer selbständig anschwingen und/oder sich die gewünschten Pulse nicht selbstständig formen.
Die Instabilitäten und Leistungsfluktuationen lassen sich zwar durch eine aktive Rückkopplung kontrollieren. So läßt sich das Anschwingverhalten von passiv modengekoppelten Lasern durch geeignete Modulation der Verluste und/oder der Nettoverstärkung innerhalb des Resonators verbessern oder es läßt sich die Modenkopplung ganz durch eine Verlustmodulation und/oder eine Modulation der Nettoverstärkung realisieren, was dann als aktive Modenkopplung bezeichnet wird.
Zur Unterdrückung von Fluktuationen der Ausgangsleistung und zur Unterdrückung von Instabilitäten der Laserdynamik wurde auch schon von T. R. Schibli, U. Morgner und F. X. Kärtner in "Control of Q-switched mode locking by active feedback, " Op- tics Letters (OSA) , Vol. 26, No. 3, Feb. 1/2.001, eine Metho- de vorgestellt, welche durch aktive Rückkopplung einen oder mehrere Parameter des Läsersystems dynamisch verändert. So kann die Rückkoppelschleife die Pumpleistung des Lasersystems modulieren.
Aus der US-PS 5,408,480 ist auch schon ein optisch gesteuerter interaktiver Q-switch bekannt, der auf einen kurzen Lichtpuls anspricht, zum Beispiel von externen lichtemittie- renden Dioden oder Diodenlasern, um einen Ausgangslaserpuls aus in einem Laser gespeicherte elektronische Energie zu erzeugen. Die Zuschaltungsfrequenz soll eine unabhängige Regelung der Ausgangslaserpulsbreite mit einer schnellen An- stiegszeit für jeden Ausgangslaserpuls vorsehen.
Laut der US-PS 5,339,323 ist weiter ein Lasersystem bekannt, in dem die Laserpulsenergie durch Rückkopplung des Laser-Q- switches kontrolliert wird. Ein Rückkopplungssignal wird ver- wendet, um' die Zeitdauer des Zustandes mit hohem Verlust des Q-Schalters zu kontrollieren, um automatisch die Ausgangspulsenergie einzustellen.
Aus der US-PS 5,844,932 ist eine Microlaser cavity bekannt und ein extern gesteuerter, passiv schaltender Microlaser für Pulse mit einem sättigbaren Absorber und einer Vorrichtung zum Einführen eines Strahles in die Microlasercavity, die die Sättigung des sättigbaren Absorbers auslöst.
Auch ist aus der DE 199 62 047 AI eine Vorrichtung zur schnellen aktiven Stabilisierung der Ausgangslaserleistung bekannt, wobei ein Bruchteil des Ausgangssignals des Lasers, geregelt durch aktive Rückkopplung, derart dem Eingang des Lasers zugeführt wird, daß die über die Resonatorumlaufzeit ge ittelte Laser-Ausgansleistung konstant bleibt.
Die DE 196 07 689 AI zeigt einen gütegesteuerter Festkörperlaser, der eine- schmalbandige Laserdiode aufweist, die eine schmalbandige Ausgangsstrahlung als Seed-Strahlung zur Anre- gung eines Festkörpers liefert, so daß in dem Resonator des Festkörperlasers nur eine einzige wellenlängenstabile Longi- tudinalmode anschwingt und entsprechende Strahlung emittiert wird.
Bekannte Ansätze zur Fluktuationsunterdrückung der Ausgangs- leistung und Instabilitätsunterdrückung der Laserdynamik sind jedoch oftmals unzureichend.
Wenn etwa Verlustmodulatoren eingesetzt werden, ergeben sich eine Reihe von Problemen. Es sind etwa Verlustmodulatoren be- kannt, die auf dem elektrooptischen oder akustooptischen Effekt basieren. Diese erfordern jedoch häufig Spannungen im Bereich von einigen Kilovolt, was in Hinblick auf hohe Bandbreiten einen limitierenden Faktor darstellt. Weiter sind auch bekannte Verlustmodulatoren, die zum Beispiel auf dem elektrooptischen oder dem akustooptischen Effekt basieren, nicht geeignet, um in einen Laserresonator mit hoher Repeti- tionsrate eingesetzt zu werden, denn die optische Weglänge dieser Modulatoren beträgt in der Regel einige Zentimeter. Dies macht deren Einsatz in Laserresonatoren von 1,5 cm opti- scher Länge, entsprechend einer Pulswiederholrate von 10 GHz, unmöglich. Auch beeinflussen bekannte Verlustmodulatoren, die zum Beispiel auf dem elektrooptischen, elektroabsorptiven oder dem akustooptischen Effekt basieren, aufgrund ihrer optischen Eigenschaften, insbesondere ihrer Einfügeverluste, optischen Dispersion, thermisch induzierter Linse oder beschränkter Bandbreite die Eigenschaften eines Lasers in der Regel auf eine solche negative Weise, daß deren Einsatz weiter eingeschränkt ist.
Auch wenn, wie prinzipiell möglich, elektrooptische und/oder akustooptische Modulatoren für den Einsatz in Laserresonatoren vorgesehen werden, ergeben sich Probleme, denn aufgrund der Konstruktionsweise und insbesondere im Hinblick auf die typisch komplizierte elektrische Ansteuerung sind derartige Konstruktionen typisch kompliziert und/oder teuer.
Soll hingegen die Pumpleistung des Lasersystems moduliert werden, besteht ein Hauptproblem darin, dass aufgrund der endlichen Lebensdauer der Inversion des Lasermediums die Regelbandbreite des Systems stark limitiert ist. Im Falle von Festkörperlasern beträgt diese Lebensdauer Mikro- bis Mllli- Sekunden, was eine effiziente Modulation auf einige wenige Megahertz beschränkt. Darüber hinaus müssen bei diesem Modulationsverfahren häufig große Stromstärken geregelt werden, wodurch die Bandbreite des Systems weiter eingeschränkt wird.
Es bestehen also insgesamt gerade dann Probleme, wenn hohe Leistungen und/oder kurze und/oder schnell folgende Pulse gewünscht werden.
Es sind zur Erzielung von kurzen Pulsen bereits passiv moden- gekoppelte Lasersysteme bekannt, die sog. sättigbare Halbleiterabsorber zur passiven Modenkopplung verwenden. Dazu gehören insbesondere sogenannte "SBR", d.h. "Saturable Bragg Re- flector" (siehe S. Tsuda, W. H. Knox, S. T. Cundiff, W'. Y. Jan und J. E. Cunningham in " Mode-Locking Ultrafast Solid- State Lasers with Saturable Bragg Reflectors," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No. 3, pp. 454-464, 1996), "SAM", d.h. "Saturable Absorber Mirror" oder "SESAM", d.h. "SEmiconductor Saturable Absorber Mirror" (siehe U. Keller, . K. J. Weingarten, F. X. Kärtner, D. Kopf, B. Braun, I. D. Jung, R. Fluck, C. Hänninger, N. Matuscheck und J. Aus der Au in "Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM' s) for Femtosecond to Nanosecond Pulse Generation in Solid-State Lasers," IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 2, No. 3, pp. 435-453, 1996). Die Dynamikkontrolle solcher Systeme ist jedoch noch verbesserungswürdig.
Das Ziel vorliegenden Erfindung besteht darin, Neues für die gewerbliche Anwendung bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe wird unabhängiger Form beansprucht. Bevorzugte Ausgangsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Vorgeschlagen wird somit ein dynamikkontrollierter Laser mit einem Resonator und einer Laserleistungserfassung, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß zur Dynamikkontrolle eine einen optischen Modulator im Ansprechen auf die erfaßte Laserleistung steuernde Lichtquelle vorgesehen ist und die Laserleistungserfassung zur Erfassung der resonatorumlaufgemittel- ten Laserleistung ausgebildet ist.
Es sind nun verschiedene optische- Modulatoren einsetzbar. Prinzipiell ist es so möglich, über die Modulation einer Steuerlichtquelle die Emission des dynamikkontrollierten Lasers zu beeinflußen. Die Modulation einer Steuerlichtquelle ist oft sehr schnell, also mit hohen Frequenzen möglich; da auch die Beeinflußung eines optischen Modulators durch Steuerlicht ein Vorgang ist, der sehr schnell ablaufen kann, etwa weil schnelle festkörperphysikalische Vorgänge wie Band- Übergänge in Halbleitern oä. ausgenutzt werden, ist insgesamt eine besonders hochfrequente Dynamikkontrolle möglich. Die vorliegende Erfindung erlaubt somit den Aufbau eines schnellen und kostengünstigen Verlust- oder Gewinnmodulators, der innerhalb eines Laserresonators eingesetzt werden kann, ohne dessen optische Eigenschaften - abgesehen von den modu- lierbaren Verlusten oder Gewinnen - negativ zu beeinflussen.
Es ist möglich, daß der optische Modulator ein Verlustmodulator ist, der durch die Lichtquellensteuerung einen Verlust insbesondere im Resonator vorsieht.
Es kann dann der optische Modulator aus einem Halbleitermaterial bestehen, das bei der Wellenlänge der steuernden Lichtquelle eine vorgegebene Mindestabsorbtion aufweist, die ausreicht, eine solche Ladungsträgermenge und/oder -dichte zu erzeugen, daß das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers in gewünschtem Maße absorbiert und/oder verstärkt wird, während das nicht steuerlichtquel- lenlichtbeaufschlagte Halbleitermaterial für das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers zu- mindest weitgehend transparent ist.
Es kann eine Vorrichtung zur Laserdynamikkontrolle sowohl innerhalb als auch ausserhalb eines Laserresonators eingesetzt werden und es ist möglich und bevorzugt, wenn dem dynamikkon- trollierte Laser ein Absorberspiegel, der einen sättigbaren Bragg-Reflektor umfaßt und/oder darstellt, ein halbleitender sättigbarer Absorberspiegel und/oder ein Fabry-Perot- Resonator zugeordnet ist, dessen Transmissionsverhalten und/oder Reflexionsverhalten durch die Steuerlichtquelle ver- änderbar ist. Wenn wie .in einer bevorzugten Variante möglich, der Einsatz eines sättigbaren -Absorberspiegels vorgesehen ist, kann der sättigbare Absorberspiegel typischerweise aus einem Schichtstapel von zwei Materialien besteht, die sich im optischen Brechungsindex unterscheiden. Die Schichtdicken dieses Stapels sind jeweils so gewählt, dass deren optische Dicken einer viertel Wellenlänge des Laserlichts entsprechen. Durch diese Struktur, welche als "Bragg-Spiegel" bezeichnet wird, entsteht ein hochreflektierender Spiegel bei der Wellenlänge des Lasers'. Auf diese ' Struktur wird typischerweise ein sättigbarer Absorber aufgebracht, der die Eigenschaft besitzt, dass dessen Verluste bei Beleuchtung mit hoher Intensität gering und bei Beleuchtung mit niedriger Intensität hoch sind. Diese sättigbaren Absorber können durch eine Vielzahl von An- Ordnungen erreicht werden.
Besonders vorteilhaft an den erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist die bevorzugt implementierte Möglichkeit, die extern steuerbare freie Ladungsträger-Absorption gezielt mit einem Verlustmodulator auszunutzen. In einer besonders bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung nutzt der optische Modulator das Prinzip der freien Ladungsträgerabsorption, die auch als "FCA" für "Free Carrier Absorption" bezeichnet wird, bzw. das Prinzip der durch die freien Ladungsträger verur- sachten optischen Brechzahländerung innerhalb einer Halbleiterschicht oder innerhalb eines Potentialtopfes, der auch "QW" für "Quantum-Well" genannt wird.
Vorzugsweise wird also ein erfindungsgemäßer sättigbare Ab- sorber mit einer "Quantum Well"-Struktur (QW) realisiert. Zu diesem Zweck kann typischerweise ein für die Wellenlänge des Lasers transparentes Material auf den sogenannten "Bragg- Spiegel" aufgebracht sein, in dem die QW-Struktur in geeignetem Abstand zum Bragg-Spiegel eingebettet ist. Diese transparente Schicht kann nun so gewählt werden, dass diese Licht der Hilfs- bzw. Steuerlichtlichtquelle absorbiert, durch die- ses freie Ladungsträger erzeugt werden und die freien Ladungsträger in dieser Schicht für das Laserlicht zu zusätzlichen Verlusten führen. Auf die Schicht können schliesslich weitere Schichten aufgebracht werden, welche zum Beispiel zu einer Felderhöhung bzw. einer Felderniedrigung innerhalb der optisch mo'dulierbaren Schicht und der darin eingebetteten QW- Struktur führen. Es ist beispielsweise möglich, eine zusätzliche Schicht vorzusehen, die den Fresnel-Reflex an der optisch modulierbaren Schicht für Wellenlängen im Bereich von 1530 nm minimiert, d.h. als Antireflex-Beschichtung dient, wenn sie mit einem auf oder bei dieser Wellenlänge emittierenden Laser verwendet wird.
In einer besonders bevorzugten Variante ist dabei ein Verlustmodulatormittel vorgesehen, das dünne Halbleiterschichten aufweist, etwa im Bereich von einigen Hundert nm bis einigen μ Dicke. Die zur Steuerung der Verluste innerhalb der dünnen, vorzugsweise einige hundert Nanometer bis einige Mikrometer dünnen Schicht erforderlichen Leistungen liegen nur im Bereich von einigen zehn Milliwatt. Dadurch kann zum Beispiel das Licht einer kostengünstigen Laserdiode kleiner Leistung eingesetzt werden, welche eine direkte Modulation im Bereich von bis zu mehreren GHz zulässt. Dies bedeutet wiederum eine erhebliche Vereinfachung der elektronischen Treiberstufe, und zwar insbesondere sowohl im Vergleich zur direkten Modulation der Ströme der Pumpdioden, die im Bereich von einigen Watt bis einigen zehn Watt emittieren, als auch im Vergleich zu den elektro- und akustooptischen Modulatoren, welche Spannungen im Bereich von Kilovolt benötigen.
Die Halbleiterschichten selbst sind dabei bevorzugt so ge- wählt, daß die Lebensdauer der freien Ladungsträger darin nur kurz ist. Aufgrund der kurzen Lebensdauer der freien Ladungsträger in dünnen Halbleiterschichten von typischerweise 10 ps bis 1 ns lassen sich solche erfindungsgemäße Vorrichtungen wesentlich schneller ansteuern, als dies zum Beispiel im Fal- le einer direkten Modulation des Gewinns des Lasermediums, d.h. einer Modulation der Pumpleistung, der Fall ist, da hier die relevante charakteristische Zeit die Lebensdauer der Inversion des Gewinnmediums ist, die bei den gebräuchlichen Festkörpermaterialien zwischen Iμs und 10ms liegt.
Es wurde auch erkannt, daß es möglich und bevorzugt ist, die vorerwähnten Absorber aus der passiven Modenkopplung als steuerbare Verlustmodulatoren einzusetzen. Um den Effekt der steuerbaren Modulation effizienter zu gestalten, ist in der Regel, insbesondere im Falle der SBR oder SESAM, das Design dieser Absorber zwar anzupassen, aber typisch nur geringfügig. Da sich die SBR oder SESAM dadurch aber weder verteuern noch in ihren Eigenschaften verschlechtern, können diese Änderungen bei einem Neudesign besonders einfach itberücksich- tigt werden.
Durch die mögliche Integration von erfindungsgemäßen Vorrichtungen zum Beispiel in einen SBR bzw. die erfindungsgemäße Herrichtung eines solchen wird weder der Verlust des SBR noch dessen optische Dispersion merklich beeinflusst. Aufgrund der möglichen geringen Dicke, die vorzugsweise im Bereich einiger hundert Nanometer bis einiger Mikrometer liegt, sind im Vergleich zu bestehenden Anordnungen auch die thermischen Effekte, wie etwa thermisch induzierte Linsen, bedeutend kleiner oder in vielen Fällen völlig vernachlässigbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtungen können sowohl zur Unterdrückung der Leistungsfluktuationen und dynamischen Instabilitäten, wie etwa Güteschaltungsinstabilitäten, eines Lasersystems eingesetzt werden können, als auch zum Starten der passiven Modenkopplung und/oder zur aktiven Modenkopplung sowie zur Kontrolle und/oder Unterdrückung von niederfrequenten und/oder Unterdrückung von niederfrequenten und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zur externen Rauschunterdrückung und/oder zur externen Intensitätsmodulation verwendet werden. Bevorzugt lassen lassen sich Verlustmodulato- ren der Erfindung beispielsweise zur aktiven Modenkopplung, zur aktiven Stabilisierung und zum Starten von Lasersystemen einsetzen. In vielen Fällen werden durch den Einsatz eines solchen Verlustmodulators die Eigenschaften des Lasersystems - außer der neu erhaltenen Möglichkeit der steuerbaren Ab- sorption - nicht bzw. nur unwesentlich beeinflusst.
Aufgrund der möglichen äußerst geringen Dicke der offenbarten Verlustmodulatoren, die vorzugsweise nur einige hundert Nano- meter bis einige Mikrometer Dicke aufweisen und erfordern, sind die Prinzipien der Erfindung auch und gerade bei Lasersystemen mit hohen Repetitionsraten anwendbar.
Um eine besonders schnelle Regelung bzw. Dynamikkontrolle zu reealisieren, wird also einem Laser bevorzugt eine Laserlei- stungserfassung zur Erfassung der instantanen Laserausgangsleistung und eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke zugeordnet, die dazu ausgebildet und vorgesehen ist, die Steu- erlichtquelle zur optischen Steuerung des optisch gesteuerten Verlust- oder Geringmodulators im Laserresonator zu steuern.
Es ist bevorzugt, wenn die Laserleistungserfassung zur Erfassung der über einen resonatorumlaufgemittelten Laserleistung ausgebildet ist; die Modulatorsteuerung kann zum linearen und/oder nichtlinearen Ansprechen auf die erfaßte Laserleistung ausgebildet sein, um so eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke zu bilden.
Die Steuerlichtquelle und/oder deren Ansteuerung kann und wird nun bevorzugt so ausgebildet, daß es möglich ist, damit den Modenkopplungsprozeß des Lasersystems zu starten und/oder eine regenerative Lasersystemmodenkopplung zu bewirken und/oder unterstützen. Gleichfalls wird Schutz beansprucht für eine Vorrichtung zur Kontrolle der Dynamik eines Lasers in einem dynamikkontrollierten Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Es wird auch vorgeschlagen, daß bei einer Laserleistungserfassung zur Erfassung der instantanen Ausgangsleistung des ersten Lasers eine Regel- und/oder Steuerstrecke zur linearen und/oder nichtlinearen optischen und/oder elektronischen Regelung und/oder Steuerung eines optisch gesteuerten Verlust- und/oder Gewinnmodulators und ein zweiter Laser vorgesehen wird, dessen Dynamik .abhängig vom Verlust- und/oder Gewinnmodulator gesteuert wird, wobei insbesondere der Verlust- und/oder Gewinnmodulator im Laserresonator des zweiten Lasers angeordnet ist.
Diese Vorrichtung wird bevorzugt zum Starten des Modenkopplungsprozesses und/oder zur Kontrolle von Instabilitäten, insbesondere von Q-switching und/oder zur Kontrolle und/oder Unterdrückung von niederfrequenten Fluktuationen und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zeitlichen Fluktuationen im Puls-zu-Pulsabstand und/oder zur Synchronisation von wenigstens zwei Lasersystemen verwendet.
Die Erfindung wird im folgenden nur beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert. In dieser ist gezeigt durch
Fig. 1. eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die einen sogenannten Micro-Chip Laser verwendet, der Pulswiederholraten im Bereich von 10GHz aufweist;
Fig. 2 ein Bragg-Spiegel, auf dem eine "Quantum Well"- Struktur aufgebracht ist.
In Figur 1 ist als erfindungsgemäßer Laser ein Micro-Chip- Laser mit kontrollierter Dynamik gezeigt, der dazu ausgebildet ist, Pulswiederholraten im Bereich von um 10 GHz vorzuse- hen.
Zum Laser gehört ein kontinuierlich betriebener Nd:YV04 Pumplaser 1, der Pumplicht über eine zwischengeschaltete Optik auf einen Cr4+:YAG-Laserkristall 8 einstrahlt. Dieses Laser- system 1 liefert die für den Laserprozess benötigte Energie mit max. 16 W bei einer Wellenlänge von 1064 nm und M2 < 1.1.
Die zwischengeschaltete Optik, über welche Pumplicht aus dem kontinuierlich betriebenen Pumplaser 1 auf den Cr4+:YAG- Laserkristall 8 eingestrahlt wird, umfaßt im Strahlengang des Pumpstrahls 4 zunächst, eine sogenannte optische Diode bzw. einen optischen Isolator 2, der Licht nur in die dargestellte Pfeilrichtung durchlässt, also weg vom Pumplaser. Es ist nachfolgend hinter dem optischen Isolator 2 weiter eine λ/2 Platte 3 zur Polarisationsdrehung des Pumpstrahls in eine gewünschte Richtung und danach eine dichroitische Platte 5 vor- gesehen.
Die dichroitische Platte 5 ist so ausgebildet, daß Pumplicht bei 1064 nm in Richtung auf den Laserkristall weiter trans- mittiert wird, aber das im Laserkristall 8 erzeugte Laser- licht um 1500 nm reflektiert wird.
Im Strahlengang des Pumpstrahls 4 ist dann eine fokusierende Optik angeordnet, die durch Linsen 6 dargestellt ist, wobei der fokussierte Pumplaserstrahl auf den Cr4+:YAG- Laserkristall 8 gerichtet ist.
Der Cr4+: YAG-Laserkristall 8 ist zwischen zwei Spiegeln 7, 10 in einem gekühlten Kristallhalter 9 angeordnet und besitzt hier eine Länge von 8,2 mm. Es ist somit ein besonders kom- pakter Festkörper-Laser gebildet. Diese Art von Lasern wird als "Mikrochip-Laser" bezeichnet.
Bei dem Spiegel 7 handelt es sich um einen Auskoppelspiegel mit TP > 80 % bei 1064 nm und TL = 0,25 % bei 1500 nm.
Das über den Auskoppel-Spiegel 7 ausgekoppelte Laserlicht aus dem Laserkristall 8 wird auf einen teildurchlässigen Spiegel 12 eingestrahlt, der einen Teil des Lichtes auf einen intensitätsempfindlichen Photodetektor 14 einstrahlt.
Aus dem intensitätsempfindlichen Photodetektor 14 ist ein Ausgangsignal auf eine elektronische Regelung mit einer Rege- lelektronik 15 geführt, die dazu ausgebildet ist, ein geeignetes Stromsignal zu erzeugen, das zur Ansteuerung einer weiteren Laserdiode 11 geeignet ist. Die weitere Laserdiode 11 strahlt Laserlicht geringer Intensität, etwa einige zehn Mil- liwatt, über eine geeignete Fokussierungsoptik auf den steuerbaren Absorber-Spiegel 10 des Laserresonators, in dem sich der Laserkristall 8 befindet. Diese geringe Leistung der Laserdiode 11 erlaubt eine erhebliche Vereinfachung der elektronischen Treiberstufe, und zwar sowohl im Vergleich zur di- rekten Modulation der Ströme der Pumpdioden, die im Bereich von einigen Watt bis einigen zehn Watt emittieren, als auch im Vergleich zu den elektro- und akustooptischen Modulatoren, welche Spannungen im Bereich von Kilovolt benötigen. Zugleich ist die Laserdiode 11 dank ihrer kleinen Leistung kostengün- stig, und sie ist für eine direkte Modulation im Bereich von bis zu mehreren GHz ausgebildet.
Der Absorberspiegel 10 ist in dem in Fig. 1 skizzierten Ausführungsbeispiel als steuerbarer Absorber-Spiegel 10 ausge- bildet und als ein erfindungsgemäßes Element wie nach Fig. 2 realisiert. Fig. 2 zeigt, daß ein erfindungsgemäßer sättigbarer Absorber für einen dynamikkontrollierten Laser bzw. eine Vorrichtung zur Dynamikkontrolle eines Lasers mit einer Quan- tum-Well-Struktur realisierbar ist.
Dazu ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich, ein für die Wellenlänge des Lasers transparentes Material als Schicht auf einen sogenannten Bragg-Spiegel aufgebracht, in dem eine QW-Struktur in geeignetem Abstand zum Bragg-Spiegel eingebettet ist. Die Transparenz der Schicht ergibt sich dabei vorliegend daraus, daß die Schicht als Halbleiterschicht gebildet und der Halbleiter so gewählt und entworfen ist, daß die Bandlücke des Halbleitermaterials energetisch größer ist als die Energie der einzelnen Photonen des Laserermodes . Die Halbleiterschicht ist zugleich so gebildet, daß sie Licht aus der als Hilfslichtquelle dienenden weiteren Laserdiode 11 absorbiert und die dadurch erzeugten freien Ladungsträger in dieser
Schicht für das Laserlicht zu zusätzlichen Verlusten führen. Auf diese Schicht sind schliesslich weitere Schichten aufgebracht, welche hier zum Beispiel zu einer Felderhöhung bzw. einer Felderniedrigung innerhalb der optisch modulierbaren Schicht und der darin eingebetteten QW-Struktur führen.
In Fig. 2 ist nur beispielsweise eine zusätzliche Schicht gezeigt, die den Fresnel-Reflex an der optisch modulierbaren Schicht für Wellenlängen im Bereich von 1530 nm minimiert, d.h. als Antireflex-Beschichtung dient.
Die erfindungsgemäße Anordnung wird nun verwendet, indem Licht aus dem Pumplaser 1 in den Laserkristall 8 eingestrahlt wird. Das im "Mikrochip-Laser" erzeugte Licht wird teilweise durch den Auskoppelspiegel 7 aus dessen Resonator ausgekoppelt und mit Hilfe eines dichroitischen Spiegels 5, der transmittierend für eine Wellenlänge von 1064nm und reflektierend für das erzeugte Laserlicht um 1500nm wirkt, vom Pumplicht 4 getrennt. Ein kleiner Teil dieses Lichtes be- aufschlagt mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels 12 einen Photodetektor 14, während der andere Teil dieses Lichts als Ausgangsstrahl 13 des "Mikrochip-Lasers" für eine Anwendung zur Verfügung steht.
Das Signal des Photodetektors 14 wird dabei über die lineare und/oder nichtlineare Regelelektronik 15 zur Erzeugung des beschriebenen Hilfs-bzw. Steuerlicht der beispielhaft als Steuerlichtquelle offenbarten Laserdiode 11 zugeführt, wobei die' Parameter der elektronischen Regelung 15, die zur An- steuerung der Laserdiode 11 dienen, so eingestellt und/oder gewählt sind, daß über das mit der Laserdiode 11 erzeugte Hilfs- bzw. Steuerlicht, das schliesslich über eine geeignete Optik 6 auf den optisch steuerbaren Modulator 10 fokussiert wird eine wie erkennbare entstehende Modulation' der Verluste innerhalb des Resonators des "Mikrochip-Lasers" so bewirkt, daß dieser modenkoppelt und/oder seine Güteschal- tungsinstabilität unterdrückt wird.
Wie hierbei eine Dynamikkontrolle im Detail bewirkt wird, wird ersichtlich bei Betrachtung der Funktionsweise am Beispiel einer Halbleiterschicht, in welcher der Effekt der FCA zur Veränderung der optischen Verluste ausgenutzt wird. Eine entsprechende Funktionsweise findet sich auch im Potentialtopf oder analogen Strukturen.
Wird eine dünne Halbleiterschicht in einen Laserresonator ge- bracht, bei der die Bandlücke des Halbleitermaterials energetisch größer ist als die Energie der einzelnen Photonen des Laserermodes, so bleiben die internen Verluste des Lasersystems zunächst nahezu unverändert gegenüber dem Fall ohne Halbleiterschicht. Dies gilt vor allem dann, wenn die Fres- nel-Reflexionen an den Oberflächen der Schicht vermieden werden, zum Beispiel durch die Position der Schicht innerhalb des Resonators oder durch geeignete Antireflex- Beschichtungen. All dies ist vorliegend der Fall, wo die Halbleiterschicht als Schicht am Absorberspiegel 10 in dem Resonator des Microcavity-Lasers vorgesehen wird und die An- tireflex-Beschichtungen ebenfalls realisiert sind. Wird jedoch nun diese Schicht zusätzlich mit einer Lichtquelle, beleuchtet, deren Photonenenergie mindestens so groß ist wie die Energiedifferenz zwischen Valenz- und Leitungsband der Schicht, so werden hierdurch freie Ladungsträger inner- halb dieser Schicht erzeugt. Vorliegend dient die Steuerlichtquelle, die durch den Laser 11 realisiert ist, der Beleuchtung bzw. Modulation. Die sog. freien Ladungsträger innerhalb der Schicht werden nun ihrerseits durch Absorption von Photonen des Lasermodes weiter angeregt. Dadurch entste- hen zusätzliche Verluste, welche durch die eingestrahlte Leistung der erwähnten zusätzlichen modulierenden Lichtquelle beeinflusst werden können. Es ergibt sich damit eine gesteuerte Absorption, d.h. eine Verlustmodulation.
Wird die Steuerlichtquelle ausgeschaltet, so endet auch die Erzeugung von weiteren freien Ladungsträgern. Damit nimmt die Absorption der Halbleiterschich.t wieder ab, bis diese schließlich wieder für die Strahlung der Lasermoden transparent ist. Dies geschieht aufgrund der kurzen Lebensdauer der freien Ladungsträger in dünnen Halbleiterschichten von typischerweise 10 ps bis 1 ns extrem schnell. Aufgrund der äußerst geringen Dicke, vorzugsweise einige hundert Nanometer bis einige Mikrometer, finden erfindungsmäße Vorrichtungen so auch und vor allem in Lasersystemen mit hohen Repeti- tionsraten Anwendung.
Es sei erwähnt, daß einleuchtenderweise kein vollständiges Ausschalten der Steuerlichtquelle erforderlich ist, sondern eine gezielte Veränderung der Erzeugung von weiteren freien Ladungsträgern möglich ist. Anstelle der Modulation einer Hilfslichtquelle über eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke bei geeigneter Wellenlänge über ein Signal, das zur über die Resonatorumlaufszeit gemittelten Ausgangsleistung des Lasers 1 proportional ist, wird in einer weiteren Ausführungsform über ein Signal, das zur instantanen Ausgangsleistung des Lasers 1 proportional ist, moduliert. Die Bedingung für "instantan" wird dann erfüllt, wenn die Bandbreite des Photodetektors 14 größer ist als die Puls-zu-Puls Wiederholrate des Lasers 1.
Bezugszeichenliste
1 Kontinuierlich betriebener Nd:YV04 Pumplaser (max. 16W @1064nm Wellenlänge, M2 < 1.1)
2 Optischer Isolator: lässt Licht nur in Pfeilrichtung durch
3 λ/2-Platte: dreht die Polarisation des Pump-Strahls in die gewünschte Richtung 4 Pump-Strahl
5 Dichroitische Platte: transmittierend für 1064nm; reflektierend für das erzeugte Laserlicht um 1500nm
6 Linsen zur Fokussierung des Pump-Strahls und des Hilfslasers 7 Auskoppel-Spiegel: TP > 80% @1064nm; TL = 0.25% @1500nm
8 Laserkristall: Cr4+:YAG, 8.2mm lang
9 Gekühlter Kristall-Halter
10 Steuerbarer Absorber-Spiegel (z. B. gemäß Fig. 2) 11 Laserdiode zur Modulation der Absorption von 10
12 Teildurchlässiger Spiegel
13 Laser-Ausgang
14 Photodetektor
15 Elektronische Regelung zur Ansteuerung der Laserdiode 11

Claims

Patentansprüche
1. Dynamikkontrollierter Laser mit einem Resonator und einer Laserleistungserfassung, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Dynamikkontrolle eine einen optischen Modulator im ansprechen auf die erfaßte Laserleistung steuernde Lichtquelle vorgesehen ist und die Laserleistungserfassung zur Erfassung der resonatorumlaufgemittelten Laserleistung ausgebildet ist.
2. Dynamikkontrollierter Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Halbleitermaterial umfaßt, das bei der Wellenlän- ge der steuernden Lichtquelle eine vorgegebene Mindestab- sorbtion aufweist, die ausreicht, eine solche Ladungsträgermenge und/oder -dichte zu erzeugen, daß das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers in gewünschtem Maße absorbiert und/oder verstärkt wird, während das nicht Steuerlichtquellenlicht beaufschlagte Halbleitermaterial für das Laserlicht des bezüglich seiner Dynamik zu kontrollierenden Lasers zumindest weitgehend transparent ist.
3. Dynamikkontrollierter Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine Dicke von unter lOOμm, insbesondere unter lOμm, insbesondere zwischen einigen lOOnm und wenigen μm und/oder freie Ladungsträger mit Lebensdauern von unter allenfalls wenigen 10ns, typischerweise 10 ps bis 1 ns aufweist.
4. ■ Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator so ausgebildet ist, daß er eine optischen Brechzahländerung durch Lichteinstrahlung, insbesondere durch Steuerlichteinstrahlung erfährt, insbesondere basierend auf dem Prinzip der freien Ladungsträgerabsorption innerhalb einer Halbleiterschicht oder eines Potentialtopfes.
5. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistungserfassung zur Erfassung der über einen resonatorumlaufgemittelten Laserleistung ausgebildet ist.
6. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulatorsteuerung zum linearen und/oder nichtlinearen Ansprechen auf die erfaßte Laserleistung ausgebildet ist, um so eine lineare oder nichtlineare Pegelstrecke zu bilden.
7. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator resonatorintern vorgesehen ist.
8. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator ein Verlustmodulator ist, der durch die Lichtquellensteuerung einen Verlust im Resonator vorsieht.
9. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator eine optisch steuerbare Verstärkung vorsieht.
10. Dynamikkontrollierter Laser, worin der optische Modulator mit einem auf einen Absorberspiegel integrierten Medium, insbesondere im Halbleitermedium des vorhergehenden An- Spruches, integriert ist.
11. Dynamikkontrollierter Laser nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorberspiegel einen sättigbaren Bragg-Reflektor umfaßt und/oder dar- stellt.
12. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator einen halbleitenden sättigbaren Absorberspiegel um- faßt.
13. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Modulator einen Fabry-Perot-Resonator umfaßt, dessen Trans- missionsverhalten und/oder Reflexionsverhalten durch die Steuerlichtquelle veränderbar ist.
14. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlei- stungserfassung zur Erfassung der instantanen Laserausgangsleistung ausgebildet ist und eine lineare oder nichtlineare Regelstrecke vorgesehen ist, um die Steuerlichtquelle zur optischen Steuerung" des optisch gesteuerten Verlust- oder Gewinnmodulators im Laserresonator zu steuern.
15.- Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerlichtquelle und/oder deren Ansteuerung so ausgebildet ist, den Modenkopplungsprozeß des Lasersystems zu starten.
16. Dynamikkontrollierter Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellensteuerungsmodulation dazu ausgebildet, eine regenerative Lasersystemmodenkopplung zu bewirken und/oder unterstüt- zen.
17. Vorrichtung zur Kontrolle der Dynamik eines Lasers in einem dynamikkontrollierten Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
18. Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie zur Kontrolle und/oder Unterdrük- kung von niederfrequenten und/oder Unterdrückung von niederfrequenten und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zur externen Rauschunterdrückung und/oder zur externen Intensitätsmodulation verwendet wird.
19. Vorrichtung zur Laserdynamikkontrolle, worin ein erster Laser vorgesehen wird, um eine Laserleistungserfassung zur Erfassung der instantanen Ausgangsleistung des ersten Lasers, eine Regel- und/oder Steuerstrecke zur linearen und/oder nichtlinearen optischen und/oder elektronischen Regelung und/oder Steuerung eines optisch gesteuerten Verlust- und/oder Gewinnmodulators und ein zweiter Laser, dessen Dynamik abhängig vom Verlust- und/oder Gewinnmodulator gesteuert wird, wobei insbesondere der Verlust- • und/oder Gewinnmodulator im Laserresonator des zweiten Lasers angeordnet ist.
20. Verwendung einer Vorrichtung nach dem vorhergehenden An- spruch zum Starten des Modenkopplungsprozesses und/oder zur Kontrolle von Instabilitäten, insbesondere von Q- switching und/oder zur Kontrolle und/oder Unterdrückung von niederfrequenten Fluktuationen und/oder hochfrequenten Fluktuationen und/oder zeitlichen Fluktuationen im Puls-zü-Pulsabstand verwendet wird und/oder zur Synchronisation von wenigstens zwei Lasersystemen.
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