Kerr-Band-Schalter

Vorgestellt wird ein alternatives Konzept zur Modenkopplung für die Erzeugung von ultra-kurzen Laserpulsen in UKP Lasern. Basierend auf dem Kerr-Effekt in Dünnschichtsystemen realisiert der Kerr-Band-Schalter in einem dielektrischen Schichtsystem kostengünstig ein ultraschnelles und verlustfreies Schalterkonzept, das beinahe den gesamten Spektralbereich abdeckt, hohe Zerstörschwellen aufweist und, im Vergleich zu Halbleiter-Absorbern, nur in sehr geringem Maße Strahlungsenergie absorbiert und sich damit nur geringfügig erwärmt.

Problemstellung

Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) haben in den letzten Jahren einen immer höheren Stellenwert erfahren. Besonders in medizinischen, industriellen oder lebenswissenschaftlichen Anwendungen gewinnen sie immer mehr an Bedeutung. Durch den, im Vergleich zu Lasersystemen mit längeren Pulsdauern, schnellen Energieeintrag, der zeitlich kürzer ist als die thermische Diffusion der Energie durch das zu bearbeitende Material, minimieren sie die thermische Schädigung des Materials bei der Bearbeitung. So ermöglichen sie eine deutlich höhere Präzision, als es bei der Anwendung längerer Pulsdauern der Fall wäre. Thermische Schädigungszonen werden dadurch minimiert und die Herstellung von präzisen Strukturen im Nanometermaßstab ermöglicht.
Dennoch ist das Anwendungsfeld von UKP-Lasern häufig durch ihren komplexen Aufbau und den damit verbundenen hohen Preis limitiert. Zudem lassen sich mit den derzeit verfügbaren UKP-Laserquellen oftmals nur Wellenlängen im infraroten Spektralbereich erzeugen. Das generelle Laserprinzip zur Erzeugung von kurzen Laserpulse basiert auf der Modenkopplung, die mit einer Vielzahl von Technologien und Komponenten erreicht werden kann. In heute kommerziell erhältliche UKP-Systeme, werden für die Modenkopplung in der Regel sogenannte SESAMs (Semiconductor-Saturable-Absorber Mirror) verwendet. Diese Schalter basieren auf der sättigbaren Absorption einer Halbleiterschicht, die in den meisten Fällen aus InGaAs-Gemischen besteht und damit aufgrund der materialspezifischen Bandkanten auf enge Spektralbereiche begrenzt ist. Zudem basiert das Schalten des SESAM auf der Absorption eines Teils des Laserlichtes, was bei hohen Leistungen zu einer unerwünschten Erwärmung der Komponente führt.

Unsere Lösung

Der neuartige Kerr-Band-Schalter setzt ein alternatives Modenkopplungskonzept um, das auf der Ausnutzung des Kerr-Effektes in Dünnschichtsystemen beruht. Der Kerr-Band-Schalter besteht aus einem dielektrischen Schichtsystem, in das eine oder mehrere Kerr-aktive Schichten eingebettet sind. Bei der Einwirkung von hohen Lichtintensitäten ändern diese Schichten ihren Brechwert geringfügig, wodurch das Übertragungsverhalten der Komponente beeinflusst wird. Damit ermöglicht der Kerr-Band-Schalter ein ultraschnelles, verlustfreies Schalten der Resonatorgüte.
Die dielektrischen Materialien, die bei der Umsetzung des Kerr-Band-Schalters verwendet werden, weisen zudem wesentlich höhere Zerstörschwellen als die von Halbleitermaterialien auf. Die Materialien absorbieren überdies nur in sehr geringem Maße Strahlungsenergie und führen dadurch nur zu geringfügiger Erwärmung. Des Weiteren sind Schaltwellenlängen in einem weiten Bereich vom UV bis ins MIR realisierbar. Zudem sind die Materialen vom ultravioletten bis in den infraroten Spektralbereich transparent und gestatten eine preisgünstigere Herstellung im Vergleich zu den als epitaktisch gewachsenen Halbleiterspiegeln. Mithilfe moderner Dünnschichttechnologie ist es überdies möglich die Komponenten preisgünstig und vorallem auch flexibel auf gekrümmten Substraten hergestellt werden.

Abb.1: Schematische Darstellung einer Ausführungsform des Kerr-Band-Schalter Schichtsystems mit, entlang der optischen Achse 7, aufeinander folgenden Schichten 2 bis 5, wobei jeweils zwischen zwei direkt aufeinanderfolgenden Schichten eine sprunghafte Brechungsindexänderung 6 ausgebildet ist. Im Bereich der Reflektoren sind die Abstände der Brechungsindexänderungen (RI) gleich einem Viertel der Designwellenlänge Lambda. Die Bereiche zwischen zwei Reflektoren sind als Resonatoren ausgebildet, hier beträgt die Dicke (OT) der optischen Schichten (4 und 5) Lambda 1/2 oder ein Vielfaches von Lambda 1/2. Die Resonatoren unterscheiden sich in der Kerr-Aktivität ihres Materials und/oder in der in ihren Bereichen resultierenden Lichtintensität, so dass sich in ihnen deutlich unterschiedliche Kerr-Effekte ergeben.

Vorteile

  • extrem schnelle Schaltcharakteristik
  • geringe Absorption von Strahlungsenergie (geringe Erwärmung)
  • hohe Zerstörschwelle, keine Degradation (lange Lebensdauer)
  • geringe Herstellungskosten
  • einfacher Aufbau, keine komplizierte Justage von Aperturen
  • Anwendung im gesamten Spektralbereich von Laserquellen (UV bis MIR)
  • nicht auf Planoptiken beschränkt, auch gekrümmte Oberflächen realisierbar

Anwendungsbereiche

  • schneller optischer Schalter
  • Ersatz für Semiconductor Saturable Absorber Mirrors (SESAM)
  • Pulsgeneration von UKP
  • Schaltkomponente zur Modenkopplung
  • superschneller Leistungsbegrenzer
  • Schutzschalter in MOPA-Systemen
  • Pulscharakterisierung / -formung
  • Optischer Transistor

Entwicklungsstand

Materialstudien wurden begonnen, um die Schaltschwelle im erforderlichen Leistungsbereich zu verringern. Im Rahmen einer geförderten Weiterentwicklung sollen marktreife Prototypen entwickelt werden.

Patentsituation

Erteiltes deutsches Patent: DE102017129069B3
PCT-Anmeldung: WO2019110345A1

Patentanmelder:
    Laser Zentrum Hannover e.V.

Weiterführende Informationen

WiVoPro - Erforschung eines neuartigen passiven optischen dielektrischen Schalters für die Modenkopplung in UKP-Lasern (Kerr-Band-Schalter)
BMBF Projekt - Schnelle Schalter durch präzise ausgelegte Mehrschichtsysteme
 

Kontakt

Dr. Markus Muchow
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: CPA-2060-LZH
www.sciencebridge.de

Tags: Laserphysik und Optik

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