Transversale Moden in Lasern mit phasenkonjugierenden Spiegel auf Basis der stimulierten Brillouinstreuung (SBS)
In diesem Vortrag ging es um transversale Moden und deren Kontrolle in Resonatoren mit phasenkonjugierenden Spiegeln. Die vorgestellten Laser sind alle blitzlampengepumpt. Das Ziel ist dabei eine möglichst große Ausgangsleistung mit sehr guter Strahlqualität, möglichst beugungsbegrenzt, zur Verfügung zu haben. Die industriellen Anwendungen eines solchen Systems lägen aufgrund der Güteschaltung durch die SBS im Bereich des Materialabtrag in der Mikromaterialbearbeitung.
| Giuliani et.al. haben ein Modell für SBS Laser veröffentlicht, das auf der Annahme beruht, daß der Phasenfrontradius umgekehrt wird und der Strahlradius um einen beta-Faktor reduziert wird. Dieser Faktor wurde mit einem intensitätsabhängigen Reflexionsgrad begründet. Für einen typischen Vertreter der SBS-Spiegel, CS2, ist der extern gemessene Reflexionsgrad in Abhängigkeit von der eingestrahlten Energie in Abb. 1 dargestellt. In Abb. 2 sind die wesentlichen Ergebnisse des Modells aufgeführt. Dieses Modell führt zu Eigenlösungen für den transversalen Grundmode im Resonator. Dieses Modell ist aber auf den transversalen Grundmode beschränkt und ist nicht geeignet höhere transversale Moden zu beschreiben. | 
Abb. 1: Reflexionsgrad von CS2 in Abhängigkeit von der eingestrahlten Energie
Abb. 2: Ergebnisse des Giuliani-Modells |
Wenn der Laser mit höheren transversalen Moden arbeiten kann,
ist die Problematik komplizierter. In der Abb. 3 und 4 sind
die Strahlprofile eines konventionellen Lasers mit einem Kristall
von 9,5 mm Durchmesser dargestellt. Abb. 3 zeigt den Strahl
im Grundmode-Betrieb mit einer Blende im Resonator. Abb. 4 zeigt
den Strahl ohne Blenden im Resonator. Es ist das typische symmetrische
Muster bei Multimode-Betrieb.
Die Situation ändert sich dramatisch, wenn eine SBS-Zelle
in den Resonator eingefügt wird. Mit einer Blende kann weiterhin
Grundmode-Betrieb realisiert werden ( s. Abb. 5) , aber wenn die
Blende aus dem Resonator entfernt wird, zeigt der Laser ein chaotisches
Strahlprofil mit Filamenten (s. Abb. 6). Nach einer Mittlung über
viele Laserpulse erhält man ein gleichmäßiges
Ringmuster. Aber diese Filamente führen zu Beschädigungen
auf optischen Oberflächen.
Abb. 3: Strahlprofil des konventionellen Lasers mit Modenblende
Abb. 4: Strahlprofil des konventionellen Lasers im transversalen Multimode-Betrieb | 
Abb. 5: Strahlprofil des SBS-Lasers mit Modenblende
Abb. 6: Strahlprofil des SBS-Lasers ohne Modenblende |
Für diese Fälle gibt es kein Modell, das die Verhältnisse im Resonator befriedigend beschreibt. Ein Aspekt, der nur unzureichend in der Theorie behandelt wird, ist in erster Linie der Einfluß des Startresonators auf den SBS-Laser und die daraus entstehende Dynamik des SBS-Lasers.
Abb. 7: Gefährliche Strahlverläufe im Resonator mit einem phasenkonjugierenden Spiegel (SBS-PCM) | Aber auch im Giuliani-Modell entstehen durch die adaptiven Eigenschaften der SBS unter Umständen Probleme. Für beta gleich eins wird jeder Strahlverlauf des Startresonators reproduziert werden, daher führt ein Strahlverlauf mit einem Brennpunkt in der Nähe des Auskoppelspiegels (s. Abb. 7 oben), aufgrund der großen Pulsenergie zu Zerstörungen des Spiegels. Mit beta < eins sind Double-Round-Trip Moden möglich. Diese Moden besitzen einen großen Strahlquerschnitt in der einen Ausbreitungsrichtung, so daß eine hohe Pulsenergie aufgebaut wird (Abb. 7 unten). Auf dem Rückweg ist der Strahlquerschnitt klein, so daß die Intensität ansteigt und der Laserstab zerstört werden kann. |
Es wurde ein Resonator entworfen (s. Abb. 8), um diese Probleme zu lösen, in dem auf keinen optischen Komponenten eine Strahltaille entsteht. Ein kleines Quarz-Pinhole D wird in die Brennebene des konkaven Auskoppelspiegels gestellt. Die Länge des Teleskops wurde zur Kompensation verschiedener thermischer Linsen für verschiedene Pumpleistungen variiert. Damit ist ein sicheres Arbeiten bei großen Pulsenergien und großer mittlerer Leistung möglich, ohne daß die Funktionsweise und die Entwicklung der transversalen Moden im SBS-Laser vollständig verstanden ist.
In der Abbildung ist kurz die Funktionsweise des SBS-Spiegels dargestellt. Der Startresonator besitzt aufgrund des Startspiegels M2 eine geringe Güte, im Laserstab baut sich während des Pumppulses deshalb eine relativ große Inversion. Sobald der Startresonator einen Spiking-Puls mit ausreichender Energie produziert, steigt die Reflektivität des SBS-Spiegels auf einen Wert nahe eins und der Spiegel M2 wird abgeschirmt. Die Inversion im Laserstab wird in kurzer Zeit abgebaut und der SBS-Laser liefert einen Q-switch Puls. Der Übergang vom Start- zum SBS-Laser wurde von Martin Ostermeyer und Kay Mittler in unserer Arbeitsgruppe untersucht. Falls der Laserstab durch die Blitzlampen oder Laserdioden weiter angeregt wird, startet dieser Prozeß von neuem.
Mit diesem Resonator wurde ein Grundmode-Durchmesser von 7,3 mm in einem Nd:YAG Kristall von 9,5 mm Durchmesser bei niedrigen Pumpleistungen erreicht
Ein phasenkonjugierender Spiegel basierend auf der SBS kann nur Phasenstörungen aber keine Störungen in der Amplitude des Lichtfeldes, wie z.B. Depolarisationseffekte kompensieren. Diese Effekte treten z.B. in stark gepumpten Nd:YAG-Lasern auf. In Abb. 9 ist das Licht eines He-Ne Lasers dargestellt, daß einen mit 6 kW gepumpten Nd:YAG Kristall, der zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren steht, durchläuft. Der Laser im Grundmode-Betrieb mit großen Modenvolumen besitzt aufgrund dieser Depolarisation hohe Verluste, so daß für einen effizienten Betrieb nur ein Bruchteil des Stabvolumens und damit der gespeicherten Leistung genutzt werden kann.
In Abb. 10 ist das Ergebnis für einen Nd:YALO Kristall bei
der gleichen elektrischen Pumpleistung dargestellt, der aufgrund
seiner natürlichen Doppelbrechung praktisch keine Depolarisation
aufweist.
| Nd:YALO zeigt aber eine wesentlich stärkere thermische Linse als Nd:YAG, die zudem noch astigmatisch ist. Die thermischen Linsen unterscheiden sich um ca. 20 % in ihrer Brechkraft.
Dieser Astigmatismus kann aber auf einfache Weise durch Verkippen einer Teleskoplinse realisiert werden. Mit Hilfe dieser Astigmatismuskompensation sind die Strahlverläufe und die Stabilitätsbereiche bei hohen Pumpleistungen nahezu identisch (s. Abb. 11). Dieser Nd:YALO Kristall wurde in der Tschechei bei der Firma Precisiosa in Turnov hergestellt und hatte 7 mm im Durchmesser und eine Länge von 114 mm. Die Dotierung betrug 0.8 at%. In diesem Laser wurde Schwefelhexaflourid (SF6) bei einem Druck von 20 bar als SBS-Medium benutzt. Der Laser emittiert dann einen Pulszug (Burst) mit einer Pulsenergie von 1.67 J, die über 11 Q-switch Pulse verteilt wird. Damit ergibt sich eine Pulsenergie der Q-switch Pulse von 152 mJ. Die Pulse besitzen einen zeitlichen Abstand von 77 µs und sind stark moduliert, in Abb. 12 ist ein typischer Puls zeitlich aufgelöst dargestellt. | 
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In der Abb. 13 ist die Ausgangsleistung des Lasers und zum Vergleich
die Ausgangsleistung eines kurzen, konventionellen Lasers mit
schlechter Strahlqualität dargestellt. Mit diesem Laser wurde
im Grundmode Betrieb eine maximale Ausgangsleistung von 42 Watt
bei einer elektrischen Pumpleistung von 2,5 kW erreicht, dies
entspricht einer totalen Effizienz von 1.7 %. Es handelt sich
hierbei um ein hoch effizientes System, und nach unserer Kenntnis
ist es der leistungsstärkste blitzlampengepumpte Grundmode
Nd-Laser.
In Abb. 14 ist das Strahlprofil des Lasers bei einer Ausgangsleistung von 42 Watt dargestellt, die Strahlqualität war besser als 1,2 mal beugungsbegrenzt.
