Ultrakurzpuls-Laseroptiken für Hochleistungsanwendungen (550 – 1100 nm)

Ultrakurzpuls-Laseroptiken für Hochleistungsanwendungen

Ultrakurzpulslaser finden breite Anwendung in der Messtechnik und der Materialwissenschaft. Ultrakurzpulslaser ermöglichen die Bearbeitung von Metallen sowie von dielektrischen Werkstoffen durch kalte, d.h. nicht-thermische Verfahren. Das wichtigste Merkmal dieser Bearbeitungsschritte ist die Vermeidung einer Schmelze. Deshalb sind die mit dem Ultrakurzpulslaser bearbeiteten Werkstücke von hoher Genauigkeit und müssen nicht mechanisch nachbearbeitet werden. Die Forderung nach effizienten Produktionsverfahren treibt die Entwicklung von Hochleistungs-fs-Lasern voran. In den meisten Fällen weisen diese Laser Pulslängen zwischen 100 fs und 1 ps auf.

Darüber hinaus werden Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser mit Leistungen im Terawatt- und Petawattbereich immer wichtiger für die Grundlagenforschung zur Licht-Material-Wechselwirkung, die Teilchenphysik und sogar für medizinische Anwendungen. Die Pulsdauer dieser Laser ist wesentlich kürzer als die von Lasern für die Materialbearbeitung. Typische Pulsdauern reichen von 20 fs bis 50 fs.

Die oben genannten Lasertypen erfordern Optiken mit hohen laserinduzierten Zerstörschwellen (LIDT). Hochleistungsbeschichtungen für Ultrakurzpulslaser waren in den letzten Jahren Gegenstand einer Reihe von wissenschaftlichen Untersuchungen [1, 2]. Sowohl Forschungsinstitute als auch Optikhersteller haben große Anstrengungen unternommen, um die LIDT von fs-Laseroptiken zu verbessern. LAYERTEC beschäftigt sich seit mehr als 20 Jahren mit diesem Thema.

Das Hauptergebnis dieser Untersuchungen war, dass die LIDT von optischen Beschichtungen im fs-Bereich stark von der Bandlücke der Beschichtungsmaterialien sowie vom Beschichtungsdesign abhängt. Materialien mit größeren Bandlücken weisen eine größere LIDT auf. Es besteht jedoch ein Kompromiss zwischen Zerstörschwelle und Bandbreite, da große Bandlücken auch zu einer geringeren Differenz der Brechungsindizes führen. So haben Umlenkspiegel aus diesen Materialien nur eine Bandbreite von etwa 100 nm für p-polarisiertes Licht bei AOI = 45°. Diese Bandbreite ist ausreichend für Pulslängen von bis zu 25 fs. Bitte beachten Sie, dass alle LAYERTEC-Hochleistungsdesigns für GDD < 50 fs² optimiert sind.

Im Gegensatz dazu können Materialien mit einer großen Differenz der Brechungsindizes verwendet werden, um große Bandbreiten zu erreichen. Designs für Standardkomponenten mit niedrigem GDD weisen mittlere LIDT-Werte auf, während Breitbanddesigns zu niedrigen Zerstörschwellen führen. Dies gilt auch für Spiegel mit Dispersionskontrolle, wie z. B. gechirpte Spiegelpaare oder GTI-Spiegel. Hier überwiegen die Anforderungen an Bandbreite und Phase gegenüber der LIDT. Abhängig von der Komplexität der Gesamtanforderungen kann jedoch eine Optimierung der Zerstörschwellen möglich sein.

Die Untersuchungen haben auch gezeigt, dass die optimierten Silberspiegel von LAYERTEC signifikante LIDT-Werte im fs-Bereich aufweisen. Ein weiterer Vorteil von Silberspiegeln ist ihr extrem breites Null-GDD-Reflexionsband mit einem Reflexionsgrad von bis zu 98,5 % bei normalem Lichteinfall. Selbst Silberspiegel mit einer definierten Transmission von 0,01 % weisen beträchtliche Zerstörschwellen auf, insbesondere gegenüber dielektrischen Ultrabreitbandkomponenten. Weitere Informationen zu Silberspiegeln finden Sie auf Seite Vorderseiten-Silberspiegel (400 – 4000 nm).

Referenzen

[1] B. Mangote, L. Gallais, M. Commandré, M. Mende, L. O. Jensen, H. Ehlers, M. Jupé, D. Ristau, A. Melninkaitis, J. Mirauskas, V. Sirutkaitis, S. Kicas, T. Tolenis, R. Drazdys: “Femto-second laser damage resistance of oxide and mixture oxide optical coatings”; Optics Letters 9 (Vol. 37), p. 1478-1480 (2012)

[2] Raluca A. Negres, Christopher J. Stolz, Kyle R. P. Kafka, Enam A. Chowdhury, Matt Kirchner, Kevin Shea, Meaghan Daly: “40-fs broadband low dispersion mirror thin film damage competition”; Proceedings Volume 10014, Laser-Induced Damage in Optical Materials 2016, 100140E (2016)

Überblick über laserinduzierte Zerstörschwellen in der Ultrakurzpuls-Laseroptik

Beschichtung	Reflexion bei 800 nm	LIDT	Pulslänge, Wiederholrate
AR-Beschichtung für eine Wellenlänge**	< 0,2 %	1,10 J/cm2 3) 1,20 J/cm2 2)	42 fs, 1 kHz 1 ps, 1 kHz
Breitband AR-Beschichtung**	< 0,5 %	1,20 J/cm2 2)	1 ps, 1 kHz
Ungeschütztes Gold	97,5 %	0,33 J/cm² 1) 0,33 J/cm2 2)	50 fs, 1 kHz 150 fs, 1 kHz
fs-optimiertes Silber	98,5 %	0,38 J/cm2 1) 0,38 J/cm2 2)	50 fs, 1 kHz 150 fs, 1 kHz
Silber mit erhöhtem Reflexionsgrad+(600 – 1200 nm)	98,5 %	0,24 J/cm2 2)	150 fs, 1 kHz
partiell transparentes Silber (T = 0,01 % @ 800 nm)	98,5 %	0,22 J/cm2 2)	150 fs, 1 kHz
Hochleistungsspiegel für fs-Pulse	> 99,5 %	0,90 J/cm2 3) 3,60 J/cm2 4)	42 fs, 1 kHz 70 fs, 10 Hz
Silber mit erhöhtem Reflexionsgrad (800 nm)	99,7 %	0,37 J/cm2 2)	150 fs, 1 kHz
Spiegel mit negativer Dispersions*	> 99,9 %	0,10 J/cm2 2)	150 fs, 1 kHz
Breitbandspiegel mit niedriger GDD*	> 99,9 %	0,15 J/cm2 1) 0,10 J/cm2 2)	6 fs, 4 kHz 150 fs, 1 kHz
Standardspiegel mit niedriger GDD	> 99,9 %	0,50 J/cm2 3) 2,40 J/cm2 4) 0,30 J/cm2 2) 0,55 J/cm2 2)	42 fs, 1 kHz 70 fs, 10 Hz 150 fs, 1 kHz 1 ps, 1 kHz
Hochleistungsspiegel für ps-Pulse	> 99,9 %	0,35 J/cm2 1) 0,44 J/cm2 2) 0,65 J/cm2 2)	50 fs, 1 kHz 150 fs, 1 kHz 1 ps, 1 kHz
1) Die Messungen wurden an der Friedrich-Schiller-Universität Jena durchgeführt.
2) Die Messungen wurden am Laser Zentrum Hannover durchgeführt.
3) Die Messungen wurden im Wigner-Forschungszentrum für Physik in Budapest durchgeführt.
4) Die Messungen wurden am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf durchgeführt.
* Es wurde eine große Anzahl von Designs getestet. Die hier angegebenen LIDT-Werte sind typisch für die entsprechenden Testbedingungen.
** Selbstfokussierungseffekte können das Substrat zerstören, während die AR-Beschichtung noch intakt ist.

Metallische Hochleistungs-Spiegel

GDD von Ultrakurzpuls-Laserspiegeln hoher Leistung