WHITEPAPER

Whitepaper OPSL-Vorteile Serie #2:

Unveränderliche Strahleigenschaften

Overview

The optically pumped semiconductor laser (OPSL) is a unique patented technology that combines the most desirable attributes of laser diodes, DPSS (Diode Pumped Solid State) and Ion lasers, while eliminating a number of their compromising limitations. One of their key advantages is the freedom to adjust the output power over a large range (10-100%) with no effect on important output beam parameters, including beam divergence, beam shape and beam pointing.

OPSL Advantages White Papers in this series:

#1. Wavelength flexibility
#2. Invariant beam properties
#3. No mode noise ("green noise")
#4. Superior reliability - huge installed base

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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.

Figure 1

Abbildung 1: In einem Laser, der auf optischem Pumpen eines Massenkristalls basiert, verursacht das Pumplicht einen unerwünschten radialen Wärmegradienten und oft auch einen longitudinalen Gradienten, was zu einer starken thermischen Linsenbildung mit einer Linsenleistung führt, die mit Änderungen der Pumpleistung variiert.

 

There are two consequences of this thermal gradient. Firstly, the refractive index changes according to the temperature distribution in the laser medium. In addition, the crystal expands as it heats up, producing a change in the curvature of its optical surfaces. In the simplest case of an end-pumped cylindrical laser rod, these effects create a spherical lens whose power is proportional to the length of the crystal and the pump power. Moreover, the lens power may also be affected by any longitudinal gradient, particularly if the gain crystal is only pumped from one end.

Optimizing the output power in a high quality Gaussian beam profile (TEM00) requires a careful design of the resonator, inclusive of the best possible spatial match of the laser mode with the pumped volume. Any change of the curvature of optical surfaces or – equivalently – spatial gradients of the refractive indices during operations will result in suboptimal mode quality or efficiency because of these “thermal lensing” effects. Of course the degree of this thermal lens depends on the pump power applied to the laser medium.

In solid state lasers, thermal lensing will change the output beam divergence and diameter. In high-performance lasers like Coherent’s AVIA family of industrial DPSS lasers for example, a feedback feature called ThermaTrak addresses this problem by moving a motorized intracavity lens as the power is adjusted. Conversely, in lower-performance DPSS lasers, the thermal lens is not controlled and its variations as the pump power is changed will result in beam parameter changes, reduction in efficiency and limited usable power range. Since most commercial DPSS lasers do not include variable compensation, their output beam parameters are only guaranteed at the specified output power.

 

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.

Figure 2

Abbildung 2: Die optische Leistung des OPSL-Verstärkerchips wurde getestet, indem er in ein Mach-Zehnder-Interferometer integriert wurde, das auf einem hochkohärenten 980-nm-Testlaser mit einer Frequenz basiert.

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.

Figure 3

Abbildung 3: Eine Variation der Ausgangsleistung um mehr als eine Größenordnung in einem OPSL der Verdi-Serie führt zu keiner nennenswerten Änderung der Divergenz des Ausgangsstrahls.

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.

Figure 4

Abbildung 4: Eine Variation der Ausgangsleistung um mehr als eine Größenordnung bei einem OPSL der Verdi-Serie führt zu keiner nennenswerten Änderung des Ausgangsstrahldurchmessers.

Summary

The main technology choices for CW visible and near IR laser sources include DPSS lasers and OPSLs. The OPSL provides several unique advantages, one of which is the invariance of the beam parameters even when the pump (and output) power is varied by over an order of magnitude. Compared with other solid-state lasers, this advantage results in an easier system set-up and more convenient daily operations, ultimately delivering a better performance/cost ratio.

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