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Femtosecond-laser written structures in crystalline laser media for integrated optical applications

Applicant Dr. Thomas Calmano
Subject Area Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Term from 2014 to 2017
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 261102386
 
Final Report Year 2017

Final Report Abstract

Ziel des Projektes war die Erforschung von aktiven Bauteilen für die integrierte Optik. Für die Herstellung der unterschiedlichen optischen Bauteile wurde die Femtosekunden- Laserstrukturierung verwendet. Diese Methode ermöglicht es wellenleitende Strukturen direkt in transparente dielektrische Materialien einzuschreiben. Durch spezielle Anordnung dieser Strukturen in drei Dimensionen können dann die optischen Bauteile in einem einzigen kombinierten Prozess gefertigt werden. Es gelang effiziente Strahlteiler, also Elemente bei dem die Lichtleistung in zwei oder mehr Kanäle aufgeteilt wird, zu realisieren. Das Besondere an dem demonstrierten Strahlteiler ist, dass dieser selbst als Laser funktioniert, also gleichzeitig kohärente Strahlung aus zwei Armen emittiert und nicht nur eingestrahltes Laserlicht aufteilt. Zudem war es möglich das Verzweigungsverhältnis der beiden Strahlteilerarme kontinuierlich einzustellen. Weiterhin gelang es gekrümmte Wellenleiterlaser zu realisieren. In diesem Fall besteht der Laser also aus einem Kreissegment und wird um die Kurve geleitet. Derartige Bauelemente sind für Grundlagenuntersuchungen notwendig, um zu verstehen, ob sich mit den untersuchten Methoden und Materialien ein Ringlaser realisieren lässt, bei dem das Licht komplett im Kreis geführt wird. Ein derartiger Ringlaser eignet sich beispielsweise für Laser, die nur Licht einer einzigen Frequenz emittieren. Im Rahmen des Projektes wurde noch kein Ringlaser demonstriert. Durch das Einschreiben von Strukturen mit einer Periodizität von wenigen hundert Nanometern in den Laserkristall mittels fs-Laserstrukturierung können die Emissionseigenschaften eines Lasers derartig manipuliert werden, dass diese nur eine Frequenz emittieren. Derartige Laser haben vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in Industrie und Wissenschaft. Sie eignen sich beispielsweise für Spektroskopie, Quantenoptik oder optische Kommunikation. Im Rahmen dieses Projektes gelang es erstmals derartige sogenannte DFB-Laser in dem Laserkristall Yb:YAG zu realisieren. Die Ausgangsleistung von 2 W im einfrequenten Laserbetrieb ist eine Größenordnung höher als zuvor mit dielektrischen DFB Wellenleiterlasern demonstriert werden konnte. In einem weiteren Forschungsgebiet des Projekts wurden Wellenleiterlaser hergestellt und untersucht, die Lichtpulse von einigen 10 ns (10^-9 s) bis zu wenigen ps (10^-12 s) Pulsdauer emittieren. Dafür wurden der Laser in den Modi Güteschalten und Modenkopplung betrieben. Güteschalten ist einfacher zu realisieren. In diesem Fall ist es ausreichend einen sättigbaren Absorberspiegel (SAM) direkt am Wellenleiter anzubringen. Wir konnten im Rahmen des Projekts die höchste Effizienz und höchste mittlere Ausgangsleistung eines derartig gepulsten Kanalwellenleiterlasers demonstrieren. Bei der Modenkopplung ist die Pulswiederholrate allein von der Länge des Resonators abhängig. Es werden also Pulswiederholraten von einigen GHz mit den hier verwendeten wenige 10 mm langen Wellenleiterlasern erreicht. Die hohe Repetitionsrate sowie die relativ hohen Verluste eines Wellenleiterlasers stellen eine Herausforderung für die Modenkopplung da. Daher wurde hier SAMs mit speziellen Eigenschaften und sogenannte dispersionskompensierende Spiegel verwendet werden. Es konnten 1.6 W mittlere Ausgangsleistung bei einer Pulswiederholrate von 4,34 GHz und 1,6 ps Pulsdauer erreicht werden. Die mittlere Ausgangsleistung ist um zwei Größenordnungen höher als zuvor mit vergleichbaren modengekoppelten Wellenleiterlasern erreicht wurde. Auch die Effizienz konnte mit einem differentiellen Wirkungsgrad von 21% wesentlich gesteigert werden. Die Pulsdauer war höher als in anderen Fällen, was auf das verwendete Lasermaterial Yb:YAG zurückgeführt wurde. In einem weiteren Experiment gelang es mit einem Yb:YAG Wellenleiter einen modengekoppelten Laser von 60 mW auf 2,89 W um einen Faktor 48 zu verstärken. Hier war die Pulsdauer nach der Verstärkung auch höher, was auch auf Emissionsbandbreite von Yb:YAG zurückzuführen war. Um beispielsweise diese Limitierung der Pulsdauer zu vermeiden wurden erfolgreich zwei neue Lasermaterialien für fs-Laser geschriebene Wellenleiterlaser erforscht. Ein Großteil der Ergebnisse wurde im Rahmen weltweiter internationaler Kollaborationen (Europa, Asien, Australien) erzielt und wäre ohne die Zusammenarbeit mit vielen externen und internen Forschern nicht möglich gewesen.

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