Spektrale Stabilisierung und inkohärente Überlagerung von Diodenlaserstrahlung mit Volumenbeugungsgittern

Im Vergleich zu Festkörper- oder Gaslaserstrahlquellen ist das Einsatzgebiet von Hochleistungsdiodenlaserstrahlquellen gleicher optischer Ausgangsleistung limitiert durch die kleinere Strahldichte und Brillanz. Ziel aktueller Forschungsaktivitäten ist die Entwicklung spektral stabilisierter Diodenlaserstrahlquellen. Diese können zum Pumpen von Lasermedien mit schmalbandigem Absorptionsband und zur Effizienzsteigerung bestehender Lasersysteme verwendet werden. Die inkohärente Überlagerung der stabilisierten Pumpquellen mit Zentralwellenlängenabständen < 3 nm, Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) genannt, ermöglicht zudem eine Vergrößerung der Strahldichte von Diodenlasersystemen um zirka zwei Größenordnungen im Vergleich zu Systemen ohne spektralem Multiplexing.

Sowohl die spektrale Stabilisierung wie auch die DWDM-Technik können durch Volumenbeugungsgitter (VBG) technisch realisiert werden. Die Dissertationsschrift thematisiert daher einerseits die Fertigungstechnik zur Herstellung von VBG und andererseits die Demonstration von effizienter spektraler Stabilisierung von Strahlquellen sowie effizienter dichter spektraler Leistungsskalierung mit VBG. Zentrales Ziel ist eine Steigerung der Strahldichte oder der Brillanz von Hochleistungsdiodenlasersystemen durch eine Vergrößerung der spektralen Kanaldichte beim Multiplexing von zirka 0,02 1/nm in den Bereich von 1 1/nm.

Die im Labormaßstab erfolgreich demonstrierte Herstellungstechnik von VBG basiert auf der Bestrahlung photo-thermo-refraktiver Gläser. Die größte messtechnisch erfasste Beugungseffizienz eines Transmissions-VBG in einem 1 mm dicken Glassubstrat beträgt 35 %. Der Transmissionsgrad des Substrats bei einer Wellenlänge von 1 ?m wird in Abhängigkeit der Beugungseffizienz um < 3% verändert.

Die Bestimmung der charakteristischen Eigenschaften der VBG erfolgt in einem hierfür entwickelten Teststand, der als Kernelement einen sechsachsigen Piezo-Manipulator und Photodiodenmessstrecken enthält. Homogenität, spektrale Selektivität, angulare Selektivität und Transmissionsverluste werden je nach Anforderung an die Messgenauigkeit mit unterschiedlichen Strahlquellen und Optiken gemessen.

Auf Grundlage der Beschreibung der Beugung ebener Wellen in periodisch modulierten Dielektrika von Herwig Kogelnik und T. K. Gaylord wird die Coupled-Wave Theorie zur Berechnung der gebeugten und der transmittierten elektrischen Feldverteilungen erweitert. Die entwickelte Modelltheorie berücksichtigt die polarisationsabhängige Beugung beliebiger transversaler Feldverteilungen, Grenzflächeneffekte am VBG Substrat und wellenoptische Propagation.

Die Auslegung der multimodalen externen Resonatoren erfolgt durch ein wellenoptisches 2,5D-Simulationsmodell für Kantenemitter und externe optische Systeme, das mittels Multifrequenzansatz die Berechnung der räumlichen Ladungsträgerdichte, der Temperatur und der ortsabhängigen elektrischen Feldstärke innerhalb der Laserkavität und im externen optischen System ermöglicht.
Eine spektrale Stabilisierung multimodal emittierender Diodenlasereinzelemitter, mindestens in einem partiellen Injektionsstrombereich, wird mit vier Gruppen externer Resonatoren erzielt: (1) der biaxial divergenten Rückkopplung, (2) der uniaxial divergenten Rückkopplung, (3) der abbildenden Rückkopplung mit Bildumkehr und (4) der abbildenden Rückkopplung ohne Bildumkehr.

Die spektrale Breite eines passiv gekühlten Diodenlaserbarrens mit 19 Emittern wird experimentell zu 120 pm (95 % Leistungseinschluss) bestimmt. Die Leistungsverluste in den abbildenden und invers abbildenden externen Resonatoren betragen < 5 %.

Basierend auf den modelltheoretischen Untersuchungen erfolgt die experimentelle Demonstration einer dichten, spektralen Leistungsskalierung für Hochleistungsdiodenlaserstrahlung mit einem Zentralwellenlängenabstand von 1,5 nm. Die Gesamteffizienz des kompakten Multiplexers beträgt 97 % ± 2 % für grundmodige Laserstrahlung mit einer Frequenzbandbreite von < 5 MHz. Bei der Überlagerung der Strahlung fünf passiv gekühlter und spektral stabilisierter, multimodal emittierender Diodenlaserbarren mit der Beugungsmaßzahl M² = 45 beträgt die Effizienz 85 % ± 3 %. Die spektrale Breite jeder Strahlquelle beträgt < 120 pm innerhalb des gesamten Betriebsbereichs.

Innerhalb eines Temperaturbereichs von ±10 K um den gewählten Betriebspunkt wird die Effizienz des Multiplexers durch thermisch induzierte Änderungen der Bragg-Wellenlängen um maximal 3 % reduziert. Größere Temperaturabweichungen werden durch eine aktive Temperaturregelung ausgeglichen.

Zusammenfassend bietet der Einsatz von VBG im Bereich der Hochleistungsdiodenlaser großes Potential auf dem Gebiet der spektralen Stabilisierung und Leistungsskalierung.