Whitepaper OPSL-Vorteile Serie #2:
Unveränderliche Strahleigenschaften

Die Vorteile der unabhängigen Stromanpassung

Die Möglichkeit, die Ausgangsleistung des Lasers zu variieren oder einen Laser mit weniger als seiner maximalen Leistung zu betreiben, ist oft eine wichtige Fähigkeit. In vielen Fällen ist die Verwendung des „Leistungsreglers” unerlässlich, um Prozesse oder Experimente zu optimieren, z. B. um eine Sättigung des Detektors oder eine Beschädigung der Probe zu verhindern. Oft ist es auch besser, die Systemausrichtung und -prüfung mit reduzierter Leistung durchzuführen, um das Risiko von Schäden zu minimieren und die Sicherheit der Augen zu maximieren. Auch superauflösende Mikroskopietechniken wie STED erfordern eine feine Leistungseinstellung, um die Auflösung im Nanometerbereich zu optimieren. Daher ist die Möglichkeit, die Ausgangsleistung stufenlos zu reduzieren, sowohl aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit als auch der Einfachheit der Einrichtung wünschenswerter als ein Dämpfungselement.

Leider werden bei den meisten anderen Festkörperlasern die Strahleigenschaften durch eine Verringerung der Leistung gegenüber dem vom Hersteller angegebenen optimalen Wert ebenfalls beeinträchtigt: insbesondere die Strahldivergenz, aber auch der Strahldurchmesser, die Modenqualität und die Strahlausrichtung. Der Grund dafür ist ein Phänomen, das als thermische Linsenbildung bezeichnet wird und bei Festkörperlasern auf der Basis von Massenmaterialien wie Nd:YVO₄ auftritt.

Das Problem der thermischen Linsenbildung

Wenn ein Laserkristall oder Glas optisch gepumpt wird, wird ein Teil der Pumpleistung unvermeidlich in Wärme umgewandelt. Darüber hinaus erwärmt die Selbstabsorption des Laserstrahls das aktive Volumen des Kristalls. Um die Leistung zu stabilisieren und Schäden zu vermeiden, wird der Verstärkungskristall auf irgendeine Weise gekühlt. Dies kann in Form eines passiven Kühlkörpers, einer Wasserkühlung, einer thermoelektrischen (TE) Kühlung und sogar einer kryogenen Kühlung erfolgen. Unabhängig von der Art der Kühlung erfolgt die Wärmeabfuhr durch eine oder mehrere der Kristalloberflächen. Im stationären Betrieb entsteht dadurch ein Wärmegradient im Verstärkungskristall.

Dieser thermische Gradient hat zwei Konsequenzen. Erstens ändert sich der Brechungsindex in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung im Lasermedium. Außerdem dehnt sich der Kristall bei seiner Erhitzung aus, was zu einer Veränderung der Krümmung seiner optischen Oberflächen führt. Im einfachsten Fall eines endgepumpten zylindrischen Laserstabs erzeugen diese Effekte eine sphärische Linse, deren Leistung proportional zur Länge des Kristalls und der Pumpleistung ist. Darüber hinaus kann die Linsenleistung auch durch einen Längsgradienten beeinflusst werden, insbesondere wenn der Verstärkungskristall nur von einem Ende aus gepumpt wird.

Die Optimierung der Ausgangsleistung in einem hochwertigen Gaußschen Strahlprofil (TEM₀₀) erfordert ein sorgfältiges Design des Resonators, einschließlich der bestmöglichen räumlichen Anpassung der Lasermode an das gepumpte Volumen. Jede Änderung der Krümmung optischer Oberflächen oder – äquivalent dazu – räumliche Gradienten der Brechungsindizes während des Betriebs führt aufgrund dieser „thermischen Linseneffekte” zu einer suboptimalen Modenqualität oder Effizienz. Natürlich hängt der Grad dieser thermischen Linse von der Pumpleistung ab, die dem Lasermedium zugeführt wird.

Bei Festkörperlasern verändert die thermische Linsenbildung die Divergenz und den Durchmesser des Ausgangsstrahls. Bei Hochleistungslasern wie den industriellen DPSS-Lasern der AVIA^™-Familie von Coherent löst eine Rückkopplungsfunktion namens ThermaTrak^™ dieses Problem, indem sie eine motorisierte Linse in der Kavität bewegt, während die Leistung angepasst wird. Im Gegensatz dazu wird bei DPSS-Lasern mit geringerer Leistung die thermische Linse nicht kontrolliert und ihre Schwankungen bei Änderung der Pumpleistung führen zu Änderungen der Strahlparameter, einer Verringerung der Effizienz und einem begrenzten nutzbaren Leistungsbereich. Da die meisten kommerziellen DPSS-Laser nicht über eine variable Kompensation verfügen, sind ihre Ausgangsstrahlparameter nur bei der angegebenen Ausgangsleistung garantiert.

OPSL – Dünner Verstärkungschip – Keine thermische Linse

In einem OPSL ist das Verstärkungsmedium eine sehr dünne (< 10 μm) Scheibe aus Halbleiter-Quantentöpfen, die dielektrische Schichten überlagert, die als rückseitiger Totalreflektor wirken. Die Rückseite wiederum ist mit einem aktiv gekühlten Kühlkörper verbunden, der die Halbleiterstruktur effizient kühlt. Obwohl der Laserbetrieb immer noch einen radialen Wärmegradienten erzeugt, ist die gesamte Struktur so dünn, dass die thermische Linsenbildung vernachlässigbar ist. Tatsächlich ist die Weglänge im Verstärkungsmaterial etwa 1000 Mal geringer als bei einem typischen DPSS.

Um die Annahme einer vernachlässigbaren thermischen Linsenbildung zu bestätigen, führten die Ingenieure von Coherent eine Reihe von Tests durch, um die optischen Eigenschaften eines OPSL-Verstärkerchips zu überwachen, in dem absichtlich ein thermischer Gradient erzeugt und interferometrisch gemessen wurde. Außerdem wurde der Testgradient so konzipiert, dass er deutlich größer ist als jeder, der im normalen Laserbetrieb entstehen könnte, selbst bei voller OPSL-Ausgangsleistung.

Abbildung 2 zeigt den für diese Tests verwendeten Aufbau. Hier wurde ein OPSL-Laserresonator mit keilförmigen Strahlteilern modifiziert, die es einem Teststrahl ermöglichen, den OPSL-Chip zu untersuchen, während er gleichzeitig mit unterschiedlichen Mengen an Pumpleistung bestrahlt wird. Konkret wird ein kohärenter Single-mode-Laserstrahl bei 980 nm durch den ersten Strahlteiler so aufgeteilt, dass ein Teil seiner Intensität vom OPSL-Chip und ein Teil von einem superflachen Referenzspiegel reflektiert wird. Ein zweiter Strahlenteiler rekombiniert diese reflektierten Strahlen in einer Konfiguration, die Mach-Zehnder-Interferometer genannt wird. Der rekombinierte Strahl wird dann erweitert und mit einer CCD-Kamera betrachtet.

Wenn der OPSL-Chip flach bleibt und keine thermische Linsenbildung aufweist, wäre das Bild auf der Kamera über sein gesamtes Profil hinweg einheitlich. Umgekehrt zeigt sich jede thermische Linsenbildung als dunkle und helle Interferenzstreifen, deren Abstand das Ausmaß der Linsenbildung oder einer anderen Strahlenverzerrung quantitativ misst. Eine sorgfältige Evaluierung dieses Prüfstands mit einem beheizten Spiegel anstelle des OPSL-Verstärkerchips zeigte, dass er Wellenlängenverzerrungen von nur λ/50 bei der Testwellenlänge von 980 nm erkennen konnte.

Bei den Tests wurde der Pumplaser im OPSL auf einen Punkt mit einem Durchmesser von nur 420 μm fokussiert. Die Leistung dieses Pumplasers wurde zwischen null und 9 Watt variiert. Selbst unter dieser extremen thermischen Belastung war die gesamte Wellenfrontverzerrung mit ~ λ/40 kaum nachweisbar.

Tatsächliche Laser-Leistungsdaten

Natürlich kommt es auf die tatsächliche Leistung des Lasers im tatsächlichen Betrieb an. Um dieses Fehlen von thermischer Linsenbildung voll auszunutzen, ist ein robustes monolithisches Hohlraumdesign erforderlich, bei dem alle anderen Optiken oder Optomechaniken unempfindlich gegenüber Änderungen der Pumpleistung sind. Wenn thermische Linsenbildung auftritt, sind die deutlichsten Veränderungen des Ausgangsstrahls bei der Strahldivergenz und dem Strahldurchmesser zu beobachten. Dies sind auch die kritischsten Parameter für anspruchsvolle Anwendungen wie die laserbasierte Bildgebung und das Pumpen von Titan-Saphir-Lasern.

Die Ingenieure von Coherent führten eine umfassende Reihe von Experimenten durch, um direkt nach Veränderungen dieser Parameter in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung zu suchen. Konkret wurde die 532-nm-Leistung eines 8-Watt-Verdi-G-Lasers schrittweise über eine Größenordnung variiert, von einigen hundert Milliwatt bis 8 Watt. Selbst bei dieser enormen Schwankung der Ausgangsleistung sind der Strahldurchmesser und die Strahldivergenz bemerkenswert konstant und bleiben weit innerhalb der Spezifikationen, wie die typischen Datensätze in den Abbildungen 3 und 4 zeigen.