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News | 25-03-2021

Miniaturisierter Kurzpulslaser im sichtbaren Spektralbereich

Erster sub-10-ns gepulster Praseodym-Laser am IKZ realisiert

Fotografie (links) und Skizze (rechts) des gepulsten Pr:YLF Lasers. Die dargestellte 1-Cent-Münze dient dem maßstabsgerechten Größenvergleich.

Mit dem Seltenerdion Praseodym dotierte Laserkristalle haben sich in den letzten Jahren zu einer der effizientesten Methoden zur direkten Erzeugung von sichtbarer Laserstrahlung entwickelt. Dieser Fortschritt wurde begünstigt durch die rasante Entwicklung blau emittierender Laserdioden auf Basis von Indium-Galliumnitrid, die sich als Pumpquellen für Praseodym-dotierte Lasermaterialien eignen. Dabei ermöglichen verschiedene Übergänge im trivalenten Praseodym Lasertätigkeit im grünen, orangenen, roten oder tiefroten sichtbaren Spektralbereich. Obwohl derartige Lasersysteme heutzutage kommerziell erhältlich sind, gibt es bisher nur wenige Erkenntnisse zu gepulsten Praseodym-basierten Lasersystemen.

Am Zentrum für Lasermaterialien des IKZ wurde nun erstmals ein miniaturisierter gepulster Praseodym-Laser basierend auf dem Wirtsmaterial Lithium-Yttrium-Fluorid (YLF) realisiert. Durch passive Güteschaltung mit einem Kobalt-dotierten Spinell-Kristall als sättigbarem Absorber wurden in einem nur 7.5 mm langen Laserresonator kurze Lichtpulse mit einer Dauer von weniger als 10 ns (0.00000001 s) erzeugt.

Bei einer Pumpleistung von etwa 4 Watt im Blauen erzeugt dieser Laser eine mittlere Ausgangsleistung von 1 Watt bei einer Pulswiederholrate von 0.78 MHz. Durch die Konzentration des roten Laserlichts bei einer Wellenlänge von 640 nm in kurzen Pulsen wird die Ausgangsleistung in der Spitze der Laserpulse um einen Faktor 200 überhöht, so dass der Laser eine Pulsspitzenleistung von bis zu 0.2 kW aufweist.

Insbesondere im Bereich der nichtlinearen Frequenzkonversion sind derartige Spitzenleistungen von großem Nutzen, da zum Beispiel in der Frequenzverdopplung die Effizienz des Verdopplungsprozesses quadratisch mit der (Spitzen-)Leistung steigt. Bei der hier erzielten Wellenlänge von 640 nm entspricht eine Frequenzverdopplung der Erzeugung von UV-Licht bei 320 nm. Somit könnte sich dieser Laser in Zukunft als Bestandteil eines kompakten und kostengünstiges Systems zur Erzeugung ultravioletter Laserstrahlung etablieren.

Im Gegensatz zu aktiv gütegeschalteten Lasersystemen, die teure und aufwendige schnelle elektronische Schalter benötigen, erfolgt in dem hier demonstrierten passiv gütegeschalteten System die Erzeugung der kurzen Pulse passiv über Sättigungseffekte im sättigbaren Absorber. Kobalt-dotierte Spinell-Kristalle sind bereits als sättigbare Absorber im Bereich der Telekommunikation bei Wellenlängen um 1.5 µm bekannt, im Rahmen der hier vorgestellten Arbeit wurde aber erstmals die Eignung dieses Materials für die Erzeugung derart kurzer passiv gütegeschalteter Laserpulse im Sichtbaren gezeigt.

Die hier vorgestellten Forschungsergebnisse werden im Rahmen eines Vortrags auf der CLEO Europe Konferenz präsentiert und sind zur Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Applied Physics B eingereicht.

 

Weitere Informationen:

Christian Kränkel
Zentrum für Lasermaterialien