SBS-Phasenkonjugation der Strahlung eines kontinuierlich angeregten Nd:YAG-Lasers

SBS-Phasenkonjugation der Strahlung eines kontinuierlich angeregten Nd:YAG-Lasers

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Phasenkonjugation mit Hilfe stimulierter Brillouinstreuung kann in Festkörperlasern mit hoher mittlerer Leistung eingesetzt werden, um thermische Effekte im aktivem Medium zu kompensieren und die Strahlqualität bis zur Beugungsgrenze (TEM00) zu verbessern. Mit diesem Konzept sind z.B. 200 Watt im Grundmode-Betrieb mit einem blitzlampengepumpten Nd:YALO-MOPA-System erreicht worden (TU Berlin). Ein in unserer Arbeitsgruppe entwickelter blitzlampengepumpter Nd:YALO­Oszillator mit einem phasenkonjugierenden Spiegel liefert im Grundmode-Betrieb Ausgangsleistungen von bis zu 50 Watt bei einem Wirkungsgrad von 1.7 %.

Die meisten in der Industrie verwendeten Laser werden aber kontinuierlich mit Bogenlampen oder Laserdioden angeregt. Mit diesen Systemen erreicht man mit guter Strahlqualität ca. 30 Watt mittlerer Leistung. Die niedrigsten Leistungsschwellen, die man mit einem Bulk-Material und normaler Fokussierung erreichen kann, liegen im Bereich von 10 kW für ein Material mit einem großen Brillouingain, wie z.B. CS2. Die typischen Spitzenleistungen, die man mit periodischer Güteschaltung bei guter Strahlqualität erreicht, liegen unter 10 kW (siehe Abb. 1).

Für diese Systeme benötigt man einen Phasenkonjugator mit einer wesentlich niedrigeren Schwelle. In kommerziellen Glasfasern, die einen geringen Brillouingain aufweisen, liegt die Schwelle bei großen Wechselwirkungslängen und kleinem Querschnitt im Bereich weniger Watt. Um aber diese Wechselwirkungslänge ausnutzen zu können, muß der Laser eine entsprechende Kohärenzlänge aufweisen. Außerdem ist durch den geringen Querschnitt die Güte der Phasenkonjugation, der sog. Fidelity, und die Spitzenleistung begrenzt. Man kann nun aber den großen Brillouingain von CS2 nutzen, indem man diese Flüssigkeit in eine Kapillare füllt, in der das Licht geführt wird. Pulsspitzenleistung eines gütegeschalteten Lasers

Abb. 1: Typ. Pulsspitzenleistung eines cw gepumpten, periodisch gütegeschalteten Lasers als Fkt. der Repetitionsfrequenz.

Eine weitere Möglichkeit, die Schwelle für die SBS zu senken, besteht im gezielten Design der Glasfasern. In unserer Arbeitsgruppe werden Faserphasenkonjugatoren entwickelt, die Schwellen im Bereich einiger 100 Watt und hohe Reflexionsgrade über 90 % bei einer Wechselwirkungslänge von 1 m besitzen.

In Abb. 2 ist der für die Experimente verwendete Laser dargestellt. Es handelt sich um einen konventionellen lampengepumpten Grundmode-Laser, der mit Hilfe eines akusto-optischen Modulators (AOM) periodisch gütegeschaltet wird. Mit Hilfe des Teleskops, welches durch die Linsen L1 und L2 gebildet wird, wird das Modenvolumen im Nd:YAG Kristall (Durchmesser 4 mm, Länge 77 mm) vergrößert. Das Etalon E erhöht die Kohärenzlänge des Lasers.

Aufbau des cw Lasers mit AOM

Abb. 2: TEM00 Nd:YAG Laser mit periodischer Güteschaltung

Es stehen zwei unterschiedliche Etalons zur Verfügung:

R = 40 %, Dicke = 3 cm

single longitudinal mode

Pulsenergie ca. 0.4 mJ

Pulsdauer ca. 200 ns

Max. Ausgangsleistung ca. 1.4 W

Zeitverlauf im Single-Mode Betrieb

Abb. 3: Zeitlicher Pulsverlauf mit starker Modenselektion

R = 10 %, Dicke = 0.5 cm

mehrere longitudinale Moden

Max. Pulsenergie ca. 1.0 mJ

Pulsdauer ca. 150 ns

Max. Ausgangsleistung ca. 6 W

Zeitverlauf bei mehreren longitudinalen Moden

Abb. 4: Zeitlicher Pulsverlauf mit schwacher Modenselektion

Mit dem ersten Etalon oszilliert der Laser zwar longitudinal im single-mode Betrieb. Die Verluste im Resonator sind aber so hoch, daß die max. Spitzenleistung mit 2 kW unterhalb oder im Bereich der Schwelle der neuen Phasenkonjugatoren liegt. Mit dem zweiten Etalon ist die Modenselektion wesentlich schwächer, der Laser oszilliert mit einigen longitudinalen Moden. Die Kohärenzlänge liegt bei wenigen Zentimetern. Die Pulsspitzenleistung ist aber größer als 6.5 kW. Als Phasenkonjugator wird eine CS2 gefüllte Kapillare mit einem Durchmesser von 80 µm und einer Länge von 30 cm verwendet. Diese Kapillare ist herstellungsbedingt nicht homogen im Querschnitt über die Länge, sondern parabolisch geformt. 80 µm ist hierbei der Durchmesser im Minimum in der Mitte der Kapillare, die resultierende Wechselwirkungslänge ist daher kleiner als 30 cm.

Aufbau zur Untersuchung der Phasenkonjugation

Abb. 5: Experimenteller Aufbau zur Untersuchung der Phasenkonjugation

Die emittierten Laserpulse wurden mit Hilfe eines Polarisators abgeschwächt. Der Polarisator und der Faradayrotator wirken als optischer Isolator, so daß keine Wechselwirkung zwischen dem reflektierten Licht und dem Resonator stattfinden kann. Mit der Linse L (Brennweite 80 mm) wurde der Laserstrahl in die Kapillare eingekoppelt. Das reflektierte Licht wurde an einer Glasplatte reflektiert und auf einen Energiemeßkopf und eine CCD-Kamera gelenkt.

Profil des reflektierten Strahls

Abb. 6: Räumliches Profil des reflektierten Strahls

Das Profil des reflektierten Strahls ist genauso wie der einfallende Strahl gaußförmig. Der Strahlverlauf bleibt auch erhalten, wenn eine langbrennweitige Linse zwischen die Glasplatte und die Linse L eingebracht wird.

Zeitverlauf des transmittierten und reflektierten Signals

Abb. 7: Zeitlicher Verlauf des transmittierten und des reflektierten Lichts

Die zeitlichen Verläufe des transmittierten und des reflektierten Lichts sind in Abb. 7 dargestellt. Man erkennt, daß der Reflexionsgrad eine Funktion der Leistung ist, wenn eine bestimmte Leistung überschritten wird, steigt der reflektierte Anteil deutlich an und die transmittierte Leistung sättigt.

Dies ist ein deutliches Zeichen dafür, daß die stimulierte Brillouinstreuung in diesem Experiment nicht im transienten Bereich ist, d.h. die Reflektivität der SBS-Spiegels zeigt in diesem Fall kein Schwellenverhalten bezüglich der einfallenden Pulsenergie, sondern bezüglich der einfallenden Leistung.

Abb. 8: Energiereflexion in Abhängigkeit von der eingestrahlten Pulsenergie

Die Schwelle dieses SBS-Spiegel mit Wellenleiterstruktur liegt für diesen Fall fast um einen Faktor 10 unter der Schwelle für CS2 bei fokussierender Geometrie.

Der Verlauf der gemessenen Energiereflexion als Funktion der Pulsenergie ist in Abb. 8 dargestellt. Die starken Schwankungen in der Reflexion sind wahrscheinlich auf Schwankungen in der longitudinalen Modenstruktur im Pumplaser zurückzuführen.

Die maximal erreichte Reflexion lag bei über 45 %, sie war durch die begrenzte Pulsspitzenleistung des Pumplasers begrenzt und zeigte kein Sättigungsverhalten.

Die reflektierte mittlere Leistung lag nur im Milliwatt-Bereich, bei größeren einfallenden Leistungen zeigen sich Gasblasen im CS2, die die Reflexion zusammenbrechen lassen. Es dauert einige Minuten, bis die Gasblasen sich aus der Reflexionszone bewegt hat.