Ultrakurzpulsspiegel

Ein ultrakurzer Laserimpuls enthält eine Vielzahl von synchronisierten Einzelwellen unterschiedlicher Wellenlänge. Durchläuft der gepulste Laserstrahl eine Optik, kommt es durch die wellenlängenabhängige Verzögerung (Dispersion) der Einzelwellen zu Laufzeitunterschieden. Somit verbreitert sich der Laserimpuls und die Pulsenergie nimmt ab. Für derartige Lasersysteme werden Optiken benötigt, welche diese Laufzeitunterschiede (GDD) wieder aufheben.

LAYERTEC produziert seit 1996 gechirpte Spiegel u.a. für europäische Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen und Laserhersteller. In mehreren hundert wissenschaftlichen Publikationen zur Entwicklung von Kurzpulslasertechniken wird LAYERTEC als Lieferant kundenspezifischer Komponenten genannt.

Gechirpte dielektische Systeme werden bei uns gesputtert und erreichen dadurch in ihren optischen Eigenschaften eine sehr gute Langzeitstabilität. Folgende Aspekte sind dabei zu beachten:

• Komplexe gechirpte Schichtsysteme sollten auf einfache Substratgeometrien mit möglichst kleinen Funktionsflächen aufgebracht werden.
• Wir beschichten standardmäßig runde Optiken mit einem Durchmesser von 12,7 mm – 25 mm bzw. rechteckige Optiken mit Einfallsflächen von 10 x 40 mm² – 15 x 45 mm².
• Kundenspezifische Substratgeometrien sind möglich.

Wir verfügen über Messplätze zur Bestimmung der Dispersion planer gechirpter Optiken im Wellenlängenbereich von 250 – 1700 nm.

Gechirpte Spiegel

Durchläuft ein ultrakurzer Laserpuls eine Optik, verändert sich dessen Form. Durch die wellenlängenabhängige Dispersion wird jede Einzelwelle unterschiedlich stark verzögert und es kommt zu Laufzeitunterschieden. Somit verbreitert sich der Laserpuls und die Pulsenergie nimmt ab. Um diesen Effekt zu neutralisieren, werden gechirpte Spiegel verwendet.

LAYERTEC produziert auf Kundenwunsch spezielle dielektrische Systeme (Spiegel, Pumpspiegel, Kurzpass- oder Langpassfilter, Auskoppler etc.) mit einer angepassten Beeinflussung des Phasenverlaufs (d. h. negativer bzw. positiver GDD) im Wellenlängenbereich 200 – 5000 nm.

Phasenkorrigierende reflektierende Systeme mit Bandbreiten eines einfachen Braggspiegels (klassischer λ/4-Spiegel) oder größer werden als gechirpte Spiegel bezeichnet. Phasenkorrigierende Spiegel für ps-Laser mit einer (hohen) negativen GDD über nur wenige nm Bandbreite werden dagegen GTI-Spiegel genannt.

Gechirpte Spiegel mit einer Bandbreite in der Größenordnung eines Braggspiegels können meist ohne stärkere Oszillation der GDD berechnet und hergestellt werden.

Je größer die geforderte Bandbreite, desto stärker oszilliert die GDD. In diesen Fällen empfehlen wir prinzipiell die wechselseitige Kompensation dieser GDD-Oszillation mit anderen Optikkomponenten z. B. durch ein gechirptes Spiegelpaar.

Gechirpte Spiegelpaare

Gechirpte Spiegel werden zum Ausgleich von dispersionsbedingten Laufzeitunterschieden von ultrakurzen Laserimpulsen verwendet. Ein gechirptes Spiegelpaar (bestehend aus zwei gechirpten Spiegeln) wird benötigt, wenn die Oszillationen im Kurvenverlauf der GDD stark ausfallen. Dies ist insbesondere bei Spiegeln mit hohen Bandbreiten der Fall.

Der GDD-Verlauf eines gechirpten Spiegels stellt keinen geradlinigen Kurvenverlauf dar, sondern zeigt Oszillationen. Wie stark diese sind, hängt unter anderem von der spektralen Bandbreite ab. Für GDD-Bandbreiten, welche kleiner sind als die Bandbreite eines vergleichbaren Braggspiegels sind die Oszillationen eher gering. Spiegel mit hoher Bandbreite zeigen hingegen starke GDD-Oszillationen.

Eine Korrektur kann erreicht werden, indem korrespondierende Spiegelpaare zum Einsatz kommen. Sie bestehen aus zwei unterschiedlich beschichteten dielektrischen Spiegeln mit gegenläufigen GDD-Kurven, zwischen denen der Laserstrahl beliebig oft hin- und herreflektiert werden kann (siehe Abbildung). Diese Spiegel werden für einen kleinen Einfallswinkel optimiert, sodass eine große Anzahl von Reflexionen erreicht werden kann.

GTI-Spiegel

GTI-Spiegel (Gires-Tournois-Interferometer) werden für die starke Laufzeitkorrektur eines sehr schmalen Wellenlängenbereichs verwendet. Dadurch sind sie besonders gut für kompakte ps-Lasersysteme (z. B. Yb:YAG- oder Yb:KGW-Laser) geeignet.

Wellenlängenbereich	Reflexion [%]	GDD [fs²]
1020 – 1080 nm	99,9	-250 ±50
780 – 820 nm	99,8	-500 ±75
1040 nm	99,95	-1000 ±100
1030 nm	99,9	-10000 ±1500

LAYERTEC fertigt seit über zwei Jahrzehnten GTI-Spiegel für führende ps-Laser-Hersteller weltwelt.

Bei zunehmender Pulsleistung und/oder hohen Folgefrequenzen erreichen Sie die gewünschte Korrektur auch durch die Verwendung mehrerer GTI-Spiegel. Für extreme Anforderungen müssen meist Kompromisse zwischen maximaler Reflektivität, GDD-Wert und Zerstörschwelle eingegangen werden. Bei starker Belastung derartiger Systeme tritt bereits vor einer Zerstörung das Problem der thermischen Linsenbildung auf.

Metallspiegel für Ultrakurzpulslaser

Metallschichten aus Aluminium, Silber oder Gold haben den Vorteil, einerseits Licht über eine große Bandbreite zu reflektieren und dabei andererseits die Phasenlage der Einzelwellen zueinander nicht zu verändern. Deshalb sind Metallspiegel ideal für die Strahlführung von Ultrakurzpulslasern.

Durch eine zusätzliche dielektrische Vergütung wird eine Metallschicht langzeitstabil vor chemischen Reaktionen mit Luftbestandteilen (Sauerstoff, Schwefel) geschützt. Gleichzeitig kann die Reflektivität in einem begrenzten Spektralbereich erhöht werden, dabei bleibt der Phasenverlauf nahezu unbeeinflusst.

Derartig reflexionserhöhte Metallspiegel werden häufig auch als Scanneroptiken eingesetzt.