WHITEPAPER

Whitepaper OPSL-Vorteile Serie #3:
Kein Modenrauschen („Grünes Rauschen”)

Overview

The optically pumped semiconductor laser (OPSL) is a unique, patented technology that provides lower intrinsic noise than other continuous wave (CW) solid state lasers having UV or visible output, and is the only way to achieve true-CW output at 355 nm in a simple, cost-effective platform. The reason is the absence of mode noise due to the near-zero upper state lifetime of the OPSL gain medium.

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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Eliminating the Performance/Cost Trade-off

Demanding visible and ultraviolet applications for CW lasers (e.g., pumping CEP-stabilized laser systems, Brillouin scattering, and semiconductor wafer inspection) need a high quality stable output beam with low amplitude noise. Diode pumped solid state (DPSS) lasers can produce the requisite beam quality, albeit only at a fixed output power1, but their noise performance is often limited by a problem called mode noise or “green noise.” Addressing this noise adds laser complexity. In DPSS visible lasers, there is thus a trade-off between performance (noise) and cost (complexity). This critical noise mechanism is completely absent in visible OPSLs which can thus offer lower noise at a reduced cost. It also enables OPSLs to generate noise free ultraviolet output (e.g., at 355 nm) in a simple format. This is a major reason that OPSLs dominate the use of ultraviolet wavelengths in flow cytometry.

1 See whitepaper #2 in this series.

 

Verhalten im chaotischen Mode

Die Leistung von Dauerstrichlasern, die auf einen makroskopischen Resonator basieren, hängt stark von der Konfiguration des Resonators ab. Dies gilt für OPSLs, ältere DPSS-Laser und die meisten CW-Gaslaser (Ionen-Laser). Mit Resonatorlängen von einigen zehn Millimetern oder sogar zehn Zentimetern können diese CW-Laser mehrere longitudinale Resonatormoden unterstützen. Normalerweise wird bei solchen Lasern die Intensität des Strahls innerhalb des Resonators auf mehrere longitudinale Moden aufgeteilt, von denen jede eine etwas andere Frequenz hat (siehe Abbildung 1).

Figure 1

Abbildung 1: Longitudinale Modendynamik von DPSS-Lasern und OPSLs.

Bei älteren Technologien, wie z. B. Ionen- und DPSS-Lasern, ist die Aufteilung der Gesamtleistung im Resonator zwischen den einzelnen Moden jedoch recht zufällig und dynamisch, wobei unterschiedliche Mischungen dieser Moden im Laufe der Zeit lasern und um die verfügbare gespeicherte Verstärkung konkurrieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. Da die Intensitätssumme jedoch konstant bleibt, war der Multi-Mode-Betrieb bei Ionenlasern für die meisten Anwendungen, die ein geringes Amplitudenrauschen erfordern, gut geeignet.

Bei Ionenlasern und DPSS-Lasern entsteht dieser dynamische Wettbewerb zwischen den verschiedenen Moden, weil das aktive Lasermedium über gespeicherte Energie verfügt. Einfach ausgedrückt: Der angeregte Zustand des Verstärkungsmediums hat eine viel längere Lebensdauer als die Zeit, die die Photonen benötigen, um im CW-Resonator zu zirkulieren. So beträgt die Lebensdauer des angeregten Zustands bei DPSS-Lasern auf Nd-Basis Mikrosekunden, während die Auslösezeit der Resonatoren nur Nanosekunden beträgt. Gespeicherte Energie ist für einige gepulste Laseranwendungen sogar von Vorteil, da sie einen Mechanismus namens Q-Switching ermöglicht, der sehr kurze und intensive Pulse erzeugt. Sie begrenzt jedoch, wie schnell der Laser moduliert (ein- und ausgeschaltet) werden kann. Ebenso wichtig ist, dass es zu Rauschproblemen kommt, wenn die Frequenzumwandlung zur Erzeugung von Oberwellen der Grundwelle verwendet wird, z. B. wenn die Grundwellenlänge von 1064 nm verdoppelt wird, um eine grüne CW-Ausgabe bei 532 nm zu erzeugen.

 

Frequenzverdopplung erzeugt grünes (und ultraviolettes) Rauschen

Sowohl DPSS-Laser als auch OPSLs erzeugen ihre Grundleistung im nahen Infrarot, die dann mit Hilfe sogenannter nichtlinearer Kristalle frequenzverdoppelt wird, um sichtbare Leistung zu erzeugen, oder frequenzverdreifacht, um ultraviolette Leistung zu erzeugen. Diese Prozesse, die die zweite Harmonische (SHG) und die dritte Harmonische (THG) erzeugen, sind stark von der Intensität abhängig – der Leistung pro Flächeneinheit im SHG- oder THG-Kristall. Bei gepulsten Lasern kann die Spitzenleistung um viele Größenordnungen höher sein als die Durchschnittsleistung, so dass eine effiziente Frequenzverdopplung (und -verdreifachung) leicht hinter dem Laserresonator, d. h. in der Extrakavität, durchgeführt werden kann. Bei CW-Lasern besteht die einzige Möglichkeit, eine hohe Intensität zu erzielen, darin, die SHG- und THG-Kristalle im Inneren des Resonators zu platzieren, wo die zirkulierende Leistung um bis zu zwei Größenordnungen größer sein kann als die Ausgangsleistung. Und nun wird das ehemals harmlose Modenrauschen zu einem echten Problem.

Figure 2

Abbildung 2: In einem CW-DPSS-Multi-Mode-Laser ist die Gesamtleistung konstant, auch wenn sie dynamisch auf verschiedene longitudinale Moden verteilt ist. Wenn ein Verdopplungskristall in die DPSS-Kavität eingesetzt wird, verursacht er chaotische Schwankungen in der Gesamtleistung. Dieser Rauschmechanismus kann in OPSLs nicht auftreten.

Wenn ein Verdopplungskristall in den fundamentalen Resonatorstrahl eines DPSS-Lasers mit mehreren longitudinalen Moden eingefügt wird, erzeugt er chaotisches Intensitätsrauschen sowohl im fundamentalen als auch im verdoppelten Ausgang – siehe Abbildung 2. Der Grund dafür ist, dass sowohl die Erzeugung der zweiten Harmonischen (Verdoppelung der Frequenz einer longitudinalen Mode) als auch die Erzeugung der Summenfrequenz (Addition der Frequenzen zweier verschiedener longitudinaler Moden) möglich ist. Die Summenfrequenzerzeugung koppelt einzelne longitudinale Moden und ermöglicht so direkte dynamische Wechselwirkungen zwischen longitudinalen Moden. Die zeitliche Dynamik aller paarweisen Wechselwirkungen der longitudinalen Moden, bei denen die Intensität einer Mode von der Verstärkung einer anderen Mode abhängt, erzeugt erhebliches Intensitätsrauschen. Dieses seit Langem bekannte Phänomen wird als „grünes Problem” bezeichnet [Ref. 1], da die ersten weit verbreiteten CW-Laser mit Resonatorverdopplung grüne DPSS-Laser waren, bei denen die Grundwelle des Lasers bei 1064 nm frequenzverdoppelt wird, um einen grünen Ausgangsstrahl bei 532 nm zu erzeugen.

 

CW-DPSS-Laser: Kompromisse zwischen Leistung und Kosten

Bei CW-DPSS-Lasern wurden bereits mehrere Methoden eingesetzt, um das Problem des Modenrauschens zu lösen. Ein früher Ansatz bestand darin, einen länglichen Resonator zu verwenden, um die Leistung auf eine größere Anzahl von longitudinalen Moden zu verteilen. Die Idee dahinter ist, dass der Geräuschpegel reduziert wird, indem der Geräuscheffekt von vielen weiteren Modi gemittelt wird. Dieser „verwischende” Ansatz ist für einige Anwendungen ausreichend, aber für besonders geräuschempfindliche Anwendungen, wie die Stabilisierung der Carrier Envelope Phase (CEP), hat er sich als unzureichend erwiesen. Und natürlich kann es sich negativ auf Anwendungen auswirken, die auf Monochromatizität, d. h. auf eine schmale spektrale Bandbreite angewiesen sind.

Ein strengerer Ansatz besteht darin, das grüne Rauschen tatsächlich an der Quelle zu entfernen. Der direkteste Weg, dies bei einem DPSS-Laser zu erreichen, besteht darin, den Laser mithilfe einer Optik wie einem Etalon in einer einzigen longitudinalen Mode arbeiten zu lassen. Dies erfordert eine aktive thermische Stabilisierung des Resonators sowie die Fähigkeit, die Länge des Resonators und die Leistung des Etalons mit Hilfe von Piezospiegelhalterungen und Rückkopplungselektronik miteinander zu verbinden. Das alles verursacht zusätzliche Kosten und Komplexität.

Einige kommerzielle rauscharme DPSS-Laser basieren auf anderen Strategien zur Rauschunterdrückung durch aktive Rückkopplung. Aber in jedem Fall gibt es einen unvermeidlichen Kompromiss zwischen Rauschen, Kosten und Komplexität.

 

OPSL – Rauscharme sichtbare Ausgabe

Bei OPSLs ist die Dynamik der Verstärkung völlig anders. Das Verstärkungsmedium ist ein Halbleiter, in dem Pumplicht Löcher und Elektronen in Quantentöpfen erzeugt. Die strahlende und nicht-strahlende Rekombination dieser Ladungsträger sind beides sehr schnelle Prozesse. In einem OPSL beträgt die effektive Lebensdauer des oberen Zustands also einige Nanosekunden oder weniger, d. h. auf der Zeitskala der Hohlraumreisezeit. Dies hat zwei Vorteile. Zunächst kann ein OPSL direkt mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 kHz moduliert werden. Und was noch wichtiger ist: Die kurze Lebensdauer des oberen Zustands bedeutet, dass es keine gespeicherte Energie auf der Zeitskala des Lasermodus gibt – nur sofortige Verstärkung. Wenn der OPSL mit mehreren longitudinalen Moden arbeitet, wird das Verhalten dieser Hohlraummoden also allein durch den Hohlraum bestimmt, die Verstärkung folgt einfach mit. Die Verteilung der Energie auf diese Moden ist also im Laufe der Zeit stabil.

Da die Leistungsverteilung völlig stabil ist, gibt es kein Rauschen aufgrund nichtlinearer Kopplung zwischen den longitudinalen Moden, wenn ein intrakavitärer Verdopplungskristall verwendet wird, um eine sichtbare Ausgabe zu erzeugen. Das grüne Problem gibt es bei OPSLs wegen der kurzen Lebensdauer des oberen Zustands einfach nicht. Da es keine Notwendigkeit für Rauschunterdrückungsmechanismen mit den damit verbundenen Kosten und der Komplexität gibt, gibt es keinen Kompromiss zwischen Leistung und Komplexität (Kosten, potenzielle Fehlermöglichkeiten). Natürlich können OPSLs auch für einen Single-Mode-Betrieb ausgelegt werden, und Coherent bietet diese für Anwendungen wie die Interferometrie an. Aber bei OPSLs ist Single-Mode eine Option für diese Anwendungen mit hoher Kohärenz, nicht eine Voraussetzung für geringes Rauschen.

 

OPSL liefert True-CW-Ultraviolett-Ausgangsleistung

Die Frequenzverdreifachung kann mit DPSS und OPSLs verwendet werden, um ultraviolette Strahlung zu erzeugen. Wie bei den sichtbaren Lasern können auch q-switched DPSS-Laser die Erzeugung von Oberwellen in der Extrakavität mit ausgezeichneter Effizienz nutzen. Dies ist die Grundlage mehrerer industrieller Nanosekundenlaser, die von Coherent für Präzisionsanwendungen in der Materialbearbeitung hergestellt werden. Bei CW-Betrieb manifestiert sich das Problem des grünen Rauschens jedoch als UV-Problem mit erhöhtem Schweregrad, da die Verdreifachungseffizienz durch die dritte Potenz der fokussierten Intensität bestimmt wird. Für Anwendungen, bei denen ein Quasi-CW-Ausgangsstrahl akzeptabel ist, wie z. B. bei der Laserdirektbelichtung von Leiterplatten, kann der DPSS-Laser mit einer Wiederholrate von einigen zehn MHz modengekoppelt werden. Ein Beispiel ist die Paladin-Laserserie, bei der die hohe Spitzenleistung der Pikosekundenpulse bedeutet, dass die Extrakavitätsverdreifachung sehr effizient ist. Für Anwendungen wie die Datenspeicherung und die Sortierung von lebenden Zellen kann die gepulste Ausgangsleistung und/oder die hohe Spitzenleistung des Pseudo-CW-Betriebs jedoch ein Problem darstellen. Auch hier bietet die OPSL-Technologie eine optimale Lösung, ohne auf Rauschunterdrückungsmechanismen wie den stabilisierten Single-Mode-Betrieb zurückgreifen zu müssen. So ist der Genesis 355 Laser heute der anerkannte Standard für die wachsende Nachfrage nach Anwendungen in der Durchflusszytometrie, die UV-Leistung erfordern, z. B. zur Anregung der endogenen Fluoreszenz von DNA.

Figure 3

Abbildung 3: Der Genesis 355 ist ein rauscharmer Ultraviolett-OPSL (355 nm), der eine echte CW-Ausgabe mit sehr geringem Rauschen für Anwendungen wie die Durchflusszytometrie liefert.

Summary

First generation, continuous wave solid-state lasers utilized DPSS technology. Obtaining visible and ultraviolet output with this technology is compromised by a phenomenon called green noise, leading to a trade-off between performance (low noise) and complexity (cost, and potential failure modes). The underlying mechanism responsible for this noise is completely eliminated in OPSLs. As a result, multimode visible and ultraviolet OPSLs provide superior noise characteristics without incurring any extra complexity or cost.

References

1. T. Baer, Large amplitude fluctuations due to longitudinal mode coupling in diode-pumped intracavity-doubled Nd:YAG lasers, J. Opt. Soc. Am. B, vol 3, 9, pp 1175-1180 (1986).

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