Pulskompression und Dispersionskompensation für Ultrakurzpulslaser

Hochdispersive Ultrakurzpulsspiegel sind entscheidend für die Pulskompression und Dispersionskompensation in ultraschnellen Laseranwendungen. Ultrakurzpulslaser emittieren extrem kurze Pulse mit einer Dauer von Pikosekunden, Femtosekunden oder Attosekunden, und aufgrund der Heisenbergschen Unschärferelation haben Fourier-limitierte Pulse, die ihre untere Grenze für die Pulsdauer erreichen, eine große Bandbreite, die einen beträchtlichen Wellenlängenbereich abdeckt (Abbildung 1). Die Dispersion dieser großen Bandbreite, die durch optische Medien wie Objektive, Fenster oder Linsen übertragen wird, verlängert die Pulsdauer von Ultrakurzpulsen und macht die Dispersionskompensation zu einem wichtigen Bestandteil von ultraschnellen Laseranwendungen.

Abbildung 1: Je kürzer der Puls eines Ultrakurzpulslasers, desto größer ist seine Wellenlängenbandbreite

Ultrakurzpulslaser: Die Geschwindigkeit zählt

Die kurzen Pulsdauern und hohen Spitzenleistungen von ultraschnellen Lasern sind für eine Reihe von Anwendungen wie Materialbearbeitung, Mikrobearbeitung, biomedizinische Anwendungen, nichtlineare Bildgebung und Mikroskopie, militärische Anwendungen und Kommunikation von großem Vorteil. In der Materialbearbeitung und Mikrobearbeitung ermöglichen Ultrakurzpulslaser engere Maßtoleranzen, reduzieren Schäden an der Umgebung und ersparen Nachbearbeitungsschritte.1 Die kurzen Pulsdauern von Ultrakurzpulslasern führen außerdem bei medizinischen Laseranwendungen wie der LASIK-Augenoperation zu weniger Traumata und reduzieren gleichzeitig den Bedarf an Sterilisation und Anästhesie (Abbildung 2).²

Abbildung 2: Ultrakurzpulslaser werden in der klingenfreien LASIK-Augenchirurgie eingesetzt, um die Patientensicherheit zu erhöhen, das Infektionsrisiko zu verringern und die Präzision zu verbessern

Dispersion: Was ist das und warum spielt sie eine Rolle?

Die chromatische Dispersion beschreibt die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit des Lichts in einem optischen Medium von seiner optischen Frequenz oder Wellenlänge. Die meisten Materialien, die für optische Komponenten verwendet werden, weisen eine positive Dispersion auf, was bedeutet, dass längere Wellenlängen eine höhere Phasengeschwindigkeit besitzen als kurze Wellenlängen (Abbildung 3). Dadurch wird die Pulsdauer von Ultrakurzpulsen in einem Prozess, der als positiver Chirp bezeichnet wird, verlängert, was sich bei ultraschnellen Anwendungen nachteilig auswirkt.

Abbildung 3: Die Dispersion führt zur Verbreiterung der Ultrakurzpulse. AOM steht für „akustooptischer Modulator“, eine Komponente, mit der Laser einen gepulsten Strahl emittieren können

Dies kann jedoch durch optische Komponenten, wie beispielsweise mehrschichtige dielektrische Spiegel, kompensiert werden, die eine negative Dispersion aufweisen, bei der kürzere Wellenlängen eine höhere Phasengeschwindigkeit aufweisen als lange Wellenlängen. Dies gleicht die positive Dispersion aus, die zuvor im System aufgetreten ist, was zu einer Pulskompression für eine optimale Leistung führt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Pulskompression mit negativer Dispersion kann die positive Dispersion aufheben, die Ultrakurzpulse bei der Übertragung durch optische Medien erfahren

Bei der Betrachtung, wie sich die Dispersion auf ultraschnelle Lasersysteme auswirkt, ist es notwendig, die Gruppenverzögerung und Gruppenverzögerungsdispersion (GDD) zu verstehen. Die Gruppenverzögerung einer optischen Komponente ist die Verzögerung der Phase des elektrischen Feldes in Abhängigkeit von der Frequenz. GDD ist definiert als die Ableitung der Gruppenverzögerung, oder die zweite Ableitung der spektralen Phase in Bezug auf die Frequenz. Die GDD pro Längeneinheit wird als Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) bezeichnet. Die GDD wird üblicherweise in Einheiten von fs² angegeben, während die GVD in Einheiten von fs²/mm angegeben wird. Pulskompressionsoptiken weisen typischerweise eine große negative GDD auf, um positiv gechirpte Pulse zu komprimieren. Weitere Informationen zu Dispersion und GVD finden Sie in unseren Anwendungshinweisen zur Dispersion.

Die Lösung: Hochdispersive Ultrakurzpulsspiegel

TEs gibt mehrere verschiedene Arten von Optiken zur Pulskompression für die Dispersionskompensation von Ultrakurzpulsen, darunter Gitter und Prismen. Vorteilhaft für die Pulskompression sind jedoch hochdispersive Spiegel aufgrund ihrer Kompaktheit, ihres geringen Verlustes und der hochnegativen Dispersion über eine große Bandbreite, die für justierungsunempfindliche Pulskompressoren zur Kompensation der GDD sowie von Dispersionen dritter und höherer Ordnung genutzt werden könnte.³

Um zu verstehen, wie hochdispersive Ultrakurzpulsspiegel funktionieren, ist es wichtig, zwei weitere Arten von Spiegeln zu verstehen: Gires-Tournois-Interferometer-Spiegel (GTI-Spiegel) und gechirpte Spiegel. GTI-Spiegel nutzen die Resonanz, um eine winkelabhängige negative GDD für die Dispersionskontrolle in dem Resonator bei Ultrakurzpulslasern zu erzeugen. Allerdings erzeugen GTI-Spiegel eine negative GDD über eine sehr begrenzte Bandbreite und verursachen eine Dispersion höherer Ordnung.

Auf der anderen Seite bewirken gechirpte Spiegel eine kontrollierte negative GDD durch die wellenlängenabhängige Eindringtiefe des Laserpulses. Die Schichtdicken in der dielektrischen Beschichtung nehmen mit der Eindringtiefe von Licht in die Beschichtung zu. Dies führt dazu, dass kürzere Wellenlängen eine geringere Eindringtiefe in die Beschichtung haben als lange Wellenlängen, was im Wesentlichen dazu führt, dass lange Wellenlängen zu den kurzen Wellenlängen „aufholen“ können und eine größere Gruppenverzögerung erleben (Abbildung 5). In diesen einfachen mehrschichtigen dielektrischen Strukturen führt das diskrete Umschalten zwischen verschiedenen Schichtdicken jedoch zu Schwingungen in der GDD in Abhängigkeit von der Wellenlänge, ähnlich den Schwingungen in einem Fabry-Pérot-Resonator.

Abbildung 5: Gechirpte Spiegel haben eine variable Schichtdicke, die eine negative Dispersion bewirkt, da längere Wellenlängen weiter in die Beschichtung eindringen können als kurze Wellenlängen.

Hochdispersive Ultrakurzpulsspiegel wirken diesem Problem durch die Kombination von wellenlängenabhängigem Penetrationseffekt, ähnlich dem von herkömmlichen gechirpten Spiegeln, und einem Multi-Resonanz-Effekt entgegen.³ Diese optimierte Kombination von Penetrations- und Resonanzeffekten ermöglicht höhere GDD-Werte und geringe Verluste über große Bandbreiten, ohne die Dicke der mehrschichtigen Beschichtungsstruktur zu erhöhen.

Traditionelle Pulskompressionsoptiken wie Gitter oder Dispersionsprismen könnten auch für die Kompression von Ultrakurzpulsen und Dispersionskompensation eingesetzt werden. Hochdispersive Spiegel sind jedoch aufgrund ihrer Kompaktheit, ihres geringen Verlustes und der hochnegativen GDD über eine große Bandbreite vorteilhafter (Abbildungen 6 und 7). Sie werden als nur aus Spiegeln bestehende, justierungsunempfindliche Impulskompressoren eingesetzt, die die GDD sowie Dispersionen dritter und höherer Ordnung kompensieren.

Abbildung 6: Reflexionskurve der hochdispersiven Ultrakurzpulsspiegel für 1030 nm

Abbildung 7: Kurve der Gruppenverzögerungsdispersion (GDD) der hochdispersiven Ultrakurzpulsspiegel für 1030 nm

Typische Laser auf Basis der Verstärkung gechirpter Pulse (CPA), die Ultrakurzpulse zu hohen optischen Spitzenintensitäten verstärken und gleichzeitig übermäßige nichtlineare Impulsverzerrungen oder Schäden am Verstärkungsmedium verhindern, sind darauf angewiesen, Pulse vor und nach der Verstärkung zu dehnen bzw. zu komprimieren. Daher sind Kompressionsoptiken wie hoch dispersive Ultrakurzpulsspiegel von entscheidender Bedeutung für CPA-Laser.