Monolithische Ringlaser

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1 Monolithische Ringlaser Ausarbeitung zum Seminarvortrag im Rahmen der Vorlesung Moderne Optik an der Universität des Saarlandes im Sommersemester 2007 von Helge Rütz helge (æt) ruetz-online.de

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Ringlaser 1 3 Der Monolithische Ringlaser Aufbau Nd:YAG Festkörperlaser Optische Diode Eigenschaften Konklusion 7 I

3 1 Einleitung In vielen Bereichen - allen voran der Messtechnik aber auch der Grundlagenforschung - ist man an monofrequenter Laserstrahlung geringer Linienbreite interessiert. Konventionelle Laser sind in ihrer Möglichkeit monofrequente Strahlung zu erzeugen aufgrund verschiedener physikalischer Effekte beschränkt. Deutlich geringere Linienbreiten erhält man durch den Einsatz von Ringlasern, in denen sich anstatt stehender Wellen in einer Richtung ausbreitende Wellen ausbilden, wodurch das Anschwingen weiterer Moden außer der gewünschten weitestgehend unterdrückt wird. Bei Monolithischen Ringlasern handelt es sich um eine besondere Form von Ringlasern, bei denen ein speziell geformter Festkörperblock alle wichtigen Elemente des Lasers in sich vereint. Dabei spielt die Geometrie des Blockes eine entscheidende Rolle. Aufgrund der kompakten Realisierung dieses Lasers werden äußere Einflüsse auf den Laserbetrieb klein gehalten, was eine hohe Strahlqualität und -stabilität sicher stellt. Die vorliegende Arbeit will versuchen, die Funktionsweise und Realisierung von Ringlasern und insbesondere von monolithischen Ringlasern verständlich zu machen und die sich daraus ergebenden entscheidenden Eigenschaften zu verdeutlichen. 2 Ringlaser Um das Ziel des Ein-Moden-Betriebs eines Lasers zu erreichen bieten sich zunächst vielfältige Möglichkeiten. Der Einsatz von Fabry-Perot-Etalons im Strahlengang erlaubt bei geeigneter Wahl der Parameter beispielsweise nur einer im Verstärkungsprofil des Lasers befindlichen Frequenz das Anschwingen. Die Funktionsweise eines Fabry-Perot-Etalons ist in Abb. 1 illustriert. Eine beidseitig verspiegelte Platte der Dicke t mit Reflexionsvermögen R, welche sich un- Abbildung 1: Funktionsweise eines Fabry-Perot-Etalons, aus [2] 1

4 ter einem Winkel α im Strahlengang befindet, transmittiert nur diskrete Frequenzen. 1 Durch Einstellen des Kippwinkels des Etalons auf eine Resonatorfrequenz und gleichzeitiger Maximierung der Verluste für alle unerwünschten Frequenzen, lässt sich erreichen, dass Verstärkung nur für die gewünschte Frequenz stattfindet. In der Praxis sind dafür u.u. mehrere Etalons erforderlich um das gesamte Verstärkungsprofil abdecken zu können. Der Einsatz solcher Elemente wie Etalons in den Strahlengang führt zu deutlichen Effizienzverlusten, so dass er in vielen Fällen unpraktikabel ist, um einen single-frequencyoutput zu erzeugen. In linearen Resonatoren findet aufgrund der Ausbildung stehender Wellen eine räumliche Modulation der Laserverstärkung statt. In den Knoten der stehenden Welle wird die Inversion im Lasermedium nicht abgebaut, so dass an diesen Stellen weitere Moden anschwingen können. Diesen Effekt bezeichnet man als spatial-hole-burning. Das spatial-hole-burning macht in den meisten Fällen jeglichen Versuch, einen linearen Resonator auf einer Mode oszillieren zu lassen, zunichte. Eine Möglichkeit, auch in einem linearen Resonator das spatial-hole-burning zu unterdrücken, ist der Einsatz von Lambda-Viertel-Plättchen an beiden Enden des Resonators, die das den Resonator durchlaufende Licht zirkular polarisieren und somit die Ausbildung stehender Wellen verhindern. Allerdings führt auch dieses Twisted-Mode genannte - Verfahren zu erheblichen Verlusten. Ein deutlich effizienteres Verfahren stellen daher Ringlaser dar. In einem Ringlaser bildet sich eine in einer Richtung laufende Welle aus, wodurch im homogen verbreiterten Medium die Inversion im Resonator gleichmäßig über dessen Ausdehnung hinweg abgebaut wird. Das spatial-hole-burning wird so verhindert. Der typische Aufbau eines Ringlasers Abbildung 2: Aufbau eines Ringlaser-Systems, aus [6] lässt sich aus Abb. 2 entnehmen. Man findet hierbei die typischen Elemente eines Lasers: Pumpeinkopplung, Resonator in Kavität, Auskoppelspiegel. Im Unterschied zum linearen 1 Die Transmission eines Etalons ist gegeben durch 1 T = 1 + 4R sin 2 πsν (1 R) 2 c mit s = 2t p n 2 sin 2 α. Sie wird 1 für ν i = 2i/s. [6] 2

5 Resonator benötigt der Ringlaser indes zusätzlich noch eine in der Abbildung vereinfacht dargestellte Optische Diode. Denn im Normalfall würde die Lichtwelle sich im Ringlaser in beide möglichen Richtungen ausbreiten und es würde sich aufgrund der Überlagerung beider Richtungen wieder eine stehende Welle ausbilden. Zweck der Optischen Diode ist, einer Durchlaufrichtung den Vorzug zu geben. Dies wird dadurch erreicht, dass die Optische Diode für verschiedene Richtungen unterschiedliche Verluste erzeugt; diejenige Richtung mit den geringeren Verlusten erreicht zuerst die Laserschwelle und schwingt an, die andere Richtung wird unterdrückt. Es gibt verschiedene Realisierungen von Optischen Dioden, wobei zumeist der Faraday-Effekt ausgenutzt wird. In Kapitel 3.3 wird genauer darauf eingegangen. Typische Realisierungen von Ringlasern sind Farbstofflaser [3], allerdings kommen auch andere Resonatormedien für den Einsatz in Ringlasern in Frage, wobei der Monolithische Ringlaser sich von den meisten anderen Ring-Systemen dadurch unterscheidet, dass er über eine intrinsische Optische Diode verfügt und insofern den entscheidenden Nachteil, der anderen Ringlasern aufgrund der Instabilität des Systems innewohnt, kompensiert. 3 Der Monolithische Ringlaser Der Monolithische Ringlaser ist ein einzelner Festkörperblock, der alle Elemente eines Ringlasers in sich vereint. Als Resonatormaterial kommt in den meisten Fällen mit Neodym dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG) zum Einsatz. Erstmals vorgestellt wurde das Konzept des Monolithischen Ringlasers 1985 von T.J. Kane und R.L. Byer. In der Literatur wird er oftmals als MISER bezeichnet, was für Monolithic Isolated Single-mode End-pumped Ringlaser steht. [1] Im Folgenden sollen der Aufbau des Monolithischen Ringlasers sowie seine Funktionsweise und Eigenschaften verdeutlicht werden. 3.1 Aufbau Der Festkörperblock, der den Monolithischen Ringlaser ausmacht, ist ein Quader mit an einer Seite schräg zulaufenden Wänden, wie in Abb. 3 gezeigt. Die Begrenzungen des Blockes an den Wänden bei den Punkten B,C,D in der Abbildung sind totalreflektierend und fungieren als Spiegel. Die verspiegelte Frontfläche (Punkt A) dient als Ein- und Auskoppelspiegel und ist je nach Realisierung dielektrisch beschichtet und/oder weist eine Krümmung auf. [1][4] Zur Realisierung der Optischen Diode im MISER wird außerdem noch ein entlang der längsten Achse des Quaders angelegtes Magnetfeld benötigt. Der Monolithische Ringlaser wird longitudinal gepumpt, der Pumpstrahl wird an der Frontfläche eingekoppelt. Der Strahlgang im Resonator ist der Abbildung zu entnehmen: Der Strahl wird an den hinteren Begrenzungen des Blocks jeweils aus der Ebene heraus gespiegelt und trifft so wieder auf die Frontfläche, an der er anteilsweise ausgekoppelt wird. Der Monolithische Festkörperlaser findet üblicherweise in Dimensionen von wenigen mm Anwendung. 2 2 Verwendung finden beispielsweise MISER der Größen (Länge x Breite x Höhe) 12x8x3mm 3 [4], 10, 5x6x1, 5mm 3 [1] sowie 4x2, 3x0, 4mm 3 [1] 3

6 Abbildung 3: Aufbau und Strahlgang eines Monolitischen Ringlasers in Schräg- (aus [6]), Auf-, und Seitenansicht 3.2 Nd:YAG Festkörperlaser Der Monolithische Ringlaser wird zumeist als Nd:YAG-Festkörperlaser realisiert. Neodym dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat ist ein sehr gebräuchliches Resonatormedium, in dem Nd 3+ in einer Dotierungskonzentration von ungefähr cm 3 vorliegt. Es handelt sich dabei um einen Vier-Niveau-System, welches den intensivsten Laserübergang im infraroten Bereich bei 1064 nm hat. [3] Die Laserschwelle im Nd:YAG-Kristall ist verglichen mit anderen Medien gering, zudem zeichnet sich der Nd:YAG-Laser durch eine für Festkörperlaser geringe Linienbreite aus und was wichtig für den Einsatz im Monolithischen Ringlaser ist erlaubt die homogene Verbreiterung der Laserlinien durch thermische Schwingungen im YAG-Kristall. [3] Des weiteren besitzt Nd:YAG eine nichtverschwindende Verdet-Konstante, auf deren Bedeutung in Kap. 3.3 eingegangen wird. Das Absorptionsspektrum von Nd:YAG weist deutliche Maxima im Bereich um 0, 6µm und 0, 8µm auf. Von Bedeutung ist insbesondere das Absorptionsmaximum bei 808 nm, da es sich im Wellenlängenbereich von GaAlAs-Dioden befindet. [1][3] Durch das Pumpen von Festkörperlasern mit Dioden können sehr hohe Wirkungsgrade erzielt werden, zudem bringt es den Vorteil, dass das Lasermedium durch das Pumpen thermisch weitaus weniger stark angeregt wird, als beispielsweise beim Pumpen mit Blitzlampen. Dies ist besonders deshalb von Bedeutung, da Nd:YAG einen sehr hohen thermischen Abstimmungskoeffizienten besitzt. Im Sinne der Frequenzstabilität muß aus diesem Grund darauf geachtet werden, den Laser durch das Pumpen nicht übermäßig aufzuheizen. [4] Die Diodenpumpung ist gerade auch für den Monolithischen Ringlaser von Bedeutung, da sich das Diodenlicht gut so fokussieren lässt, dass sein Durchmesser über die Absorptionslänge des Misers hinweg den Durchmesser der transversalen Grundmode (TEM 00 ) des Misers nicht übersteigt. [4] 4

7 3.3 Optische Diode Wie oben bereits erwähnt ist der Zweck der Optischen Diode, die Richtungskonkurrenz im Ringlaser aufzuheben. Dazu muß die Optische Diode zwei Aufgaben erfüllen: a) Sie muß die verschiedenen Durchlaufrichtungen unterscheidbar machen. b) Sie muß - sobald die Richtungen unterscheidbar sind - dafür Sorge tragen, dass eine Richtung unterdrückt wird. Im monolithischen Ringlaser wird a) dadurch erreicht, dass das Licht für unterschiedliche Richtungen unterschiedlich polarisiert wird. Dabei macht man sich den Faraday-Effekt zusammen mit der eigentümlichen Geometrie des Resonators zunutze. Die Unterdrückung einer Richtung (b)) geschieht hier durch den Einsatz eines Polarisators. Der Faraday-Effekt beschreibt die Drehung der Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, wenn es sich in einem Medium längs eines Magnetfeldes ausbreitet. Diese Situation wird in Abb. 4 illustriert. Der Winkel α um den sich die Polarisationsebene des Lichtes Abbildung 4: Aufbau und Strahlgang eines Monolitischen Ringlasers in Schräg-, Auf-, und Seitenansicht nach Durchlaufen einer Länge l in einem Medium mit Verdet-Konstante V gedreht hat ist gegeben durch [6] α = V l B. Die Verdet-Konstante ist materialabhängig und beträgt für Nd:YAG 103 /Tm [4]. Die durch den Faraday-Effekt hervorgerufene Drehung der Polarisation im Monolithischen Ringlaser mit angelegtem B-Feld ist wovon man sich anhand von Abb. 3 noch einmal überzeugen mag unabhängig von der Durchlaufrichtung. Die Polarisationsebene des Lichtes beider Durchlaufrichtungen erfährt durch den Faraday-Effekt also eine Drehung in die gleiche Richtung 3. Auch die spezielle Geometrie des Monolithischen Ringlasers ist indes für eine Drehung der Polarisation des ihn durchlaufenden Lichtes verantwortlich. An den abgeschrägten 3 Bei Betrachtung entgegen B und Strahlrichtung, dreht sich die Polarisationsebene nach rechts. 5

8 Wänden (Punkte B,C und D in Abb. 3) findet jeweils eine Reflexion des Lichtes aus der Ebene hinaus statt durch die die Polarisationsrichtung abhängig von der Durchlaufrichtung gedreht wird. Je nach Umlaufrichtung wird die Polarisation dabei nach links oder rechts gedreht. Die durch die beiden oben beschriebenen Effekte hervorgerufenen Drehungen der Polarisation für jede der beiden möglichen Umlaufrichtungen addieren sich. Bei geeigneter Wahl des Magnetfeldes kann also erreicht werden, dass sie sich für eine der beiden Richtungen genau kompensieren, für die andere zu einer von der Ursprungspolarisation abweichenden Gesamtpolarisation addieren. Der dielektrisch beschichtete bzw. gekrümmte Auskoppelspiegel fungiert nun als Polarisator, der für verschiedene Polarisationsrichtung eine unterschiedliche Transmission aufweist. Somit wird die Richtungskonkurrenz zugunsten derjenigen Richtung mit den geringeren Verlusten entschieden. Quantitativ unterscheiden sich die Verluste für die beiden Richtungen nur minimal 4, jedoch reicht der geringe Unterschied aus, um den Ein-Richtungsbetrieb zu gewährleisten. [1] Der Ein-Richtungs-Betrieb führt im homogen verbreiterten Medium Nd:YAG unter Berücksichtigung der in Kapitel 3.2 genannten Effekte zum Ein-Moden-Betrieb des Monolithischen Ringlasers. 3.4 Eigenschaften Der Monolithische Ringlaser zeichnet sich vor allen Dingen durch gute spektrale Eigenschaften aus. Er emittiert Licht geringer Linienbreite und hoher Frequenzstabilität, maßgeblich verursacht durch die kompakte Struktur des Systems, durch welche es sich verhältnismäßig resistent gegenüber äußeren Einflüssen zeigt. Auch die rauscharme Pumpung mit Diodenlasern trägt zur emittierten Strahlung bei. Ein freilaufender MISER, wie er hier vorgestellt wurde, erreicht Linienbreiten von 3 khz/100 ms [4]. Durch thermische Stabilisierung und aktive Frequenzstabilisierung und -abstimmung lassen sich noch weitaus geringere Werte erreichen 5. Der Monolithische Ringlaser weist auch ein geringes Amplitudenrauschen auf. Kontinuierlich betriebene Laser führen grundsätzlich Schwingungen um ihre Gleichgewichtslage durch, die durch Änderungen in den Betriebsbedingungen hervorgerufen werden. Vor allem in diesen Schwingungen ist beim Monolithischen Ringlaser der Grund für ein auftretendes Amplitudenrauschen zu suchen; das Rauschen ist dennoch vergleichsweise gering und kann durch die aktive Rückkopplung an die Pumpdiode fast völlig ausgeschaltet werden. Die Ausgangsleistung Monolithischer Ringlaser im Ein-Moden-Betrieb ist grundsätzlich dadurch beschränkt, dass zu hohe Pumpleistungen die thermische Linsenwirkung im Nd:YAG- Medium stark erhöhen. Dadurch verkleinert sich das Grundmodenvolumen und ein Pumpen allein in den Grund-Mode ist nicht mehr möglich, so dass weitere Moden anschwingen. Eine Ausgangleistung von 2 3 W kann deshalb nach [4] nicht überschritten werden. Ausgangsleistungen von über einem Watt im Ein-Moden-Betrieb wurden zwar bereits realisiert, jedoch nur unter sehr aufwendigen technischen Bedingungen (Überlagerung zweier 4 In [1] wird die Verlustdifferenz auf 0,01% beziffert. 5 siehe [4] und [5] 6

9 Pumpdioden, aktive Kühlung) [4] Doch auch deutlich geringere Werte im dreistelligen Milliwattbereich übersteigen die mit anderen Single-frequency-Systemen erreichten Ausgangsleistungen deutlich. 4 Konklusion Der Monolithische Ringlaser stellt ein stabiles, auf Außeneinwirkung relativ unsensibel reagierendes Laser-System zur Erzeugung von Single-frequency-Strahlung und geringer Linienbreite dar, welches sich zudem durch hohe Ausgangsleistungen auszeichnet. Aus diesem Grund ist in ihm eine Alternative zu anderen Single-Mode-Systemen zu sehen. Anwendungen ergeben sich in allen Bereichen, in denen monofrequente Strahlung geringer Linienbreite und damit hoher Kohärenzlänge benötigt wird, vor allem also beispielsweise in Bereichen der Messtechnik (Spektroskopie, Interferrometrie) und in der Grundlagenforschung. Miser werden zudem auch als sogenannte Injection-seeder eingesetzt, die dazu dienen, in Hochleistungslasern eine bestimmte Mode anschwingen zu lassen und im folgenden stabil zu halten.[5] Nachteilig wirkt sich die begrenzte Frequenzabstimmbarkeit von Monolithischen Ringlasern aus. In diesem Bereich sind Farbstoff-Ringlaser deutlich flexibler in ihren Möglichkeiten, abstimmbaren single-frequency-output zu erzeugen. Nichtsdestotrotz wird in [4] die Möglichkeit diskutiert, Monolithische Ringlaser zur Detektion von Gravitationswellen einsetzen zu können. Inwieweit dies realistisch ist, bleibt abzuwarten. Literatur [1] Becher, C.: Diplomarbeit Untersuchung des Rauschverhaltens von diodengepumpten monolithischen Ringlasers aus Nd:YAG [2] Demtröder, W.: Experimentalphysik Auflage. Berlin, Heidelberg : Springer Verlag, 2005 [3] H.-J. Eichler, J. E.: Laser. 6. Auflage. Berlin, Heidelberg : Springer Verlag, 2006 [4] I. Freitag / P, Rottengatter / A. Tünnermann / H. S.: Frequenzabstimmbare, diodengepumpte Miniaturringlaser. Laser und Optoelektronik 25(5), 70, 1993 [5] J.W. Czarske, I. F.: Spectral properties of diode-pumped non-planar monolithic Nd:YAG ring lasers. [6] Meschede, D.: Gerthsen Physik. 23. deutsche Auflage. Berlin, Heidelberg : Springer Verlag,