Kann die Wellenlänge eines Laser konvertiert werden und warum sollten wir das wollen?

Author: 
Assaf Halevy

Die Wellenlänge eines Lasers ist eine der grundlegenden Charakteristiken, die sich aus dem gewählten Medium und dessen interner Struktur definiert. Zu den häufig verwendeten Laserquellen zählen heute die Laserdioden, deren Wellenlänge sich durch ihr Design und die zum Bau verwendeten Materialien definiert. Laserdioden werden durch elektrischen Strom betrieben und wandeln elektrische Energie direkt in Licht um. Doch nicht alle Wellenlängen lassen sich mit einem Laser erzeugen, der die - für die jeweilige Anwendung erforderlichen -Parameter wie Leistung oder Energie mitbringt. In diesem Fall muss die Wellenlänge entsprechend konvertiert werden. Doch für welche Anwendungen ist es von Vorteil, die Wellenlänge des Lasers zu konvertieren? Und, wie funktioniert diese Umwandlung? Der Artikel liefert Antworten auf diese Fragen.

Durchstimmbare Laser
Betrachten wir zunächst durchstimmbare Laser. Der Durchstimmbereich wird vor allem begrenzt durch die Bandbreite des Verstärkungsmediums. Das Durchstimmen wird erzielt, in dem die Verluste im Resonator kontrolliert und für eine spezielle Wellenlänge minimiert werden, in dem das Lasen auftritt. Der Mechanismus des Durchstimmens kann in einfacher Weise durch eine Temperatursteuerung oder aufwendiger durch mikroelektromechanische Aktuatoren erzielt werden, die die Länge des Resonators verändern. Durchstimmbare Laserdioden können auf bis zu 40nm abgestimmt werden.

Festkörperlaser
Die Mehrzahl der Festkörperlaser hat hingegen ein sehr enges Verstärkungsspektrum. Sie lassen sich dementsprechend nicht durchstimmen. Die einzige Ausnahme bildet hier der Ti: Saphir Laser, der dank seiner größeren Verstärkungsbandbreite im Bereich zwischen 650 und 1100nm durchgestimmt werden kann.

Lineare Wellenlänge
Bei der linearen Wellenlängenkonversion wird ein Verstärkungsmedium, in der Regel ein Kristall, mit Hilfe des Lasers in einen höheren Energiezustand gepumpt. Die angeregten Elektronen zerfallen in einen niedrigeren Energiezustand, indem sie Strahlung mit einer längeren Wellenlänge aussenden. Indem man das Verstärkungsmedium in einen Resonator einbringt, entsteht ein Laser. Ein bekanntes Beispiel ist der Nd:YAG-Laser, der normalerweise mit einer Laserdiode bei 808nm gepumpt wird und Strahlung bei 1064nm emittiert.

Nichlineare Wellenlänge
In der Photonik spricht man von einem nichtlinearen System, wenn physikalische Größen wie die Polarisationsdichte P nichtlinear auf das elektrische Feld E des Lasers reagieren. Wird ein dielektrisches Material einem elektrischen Feld E ausgesetzt, erhalten seine Moleküle elektrische Dipolmomente und das Medium wird als polarisiert bezeichnet. Die Polarisationsdichte P drückt die Dichte dieser elektrischen Dipolmomente aus und kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden P = e0(c(1)E + c(2)E2 + c(3)E3 + …), wobei e0 eine Konstante ist und c(n) als Suszeptibilitäten n-ter

Ordnung des Mediums bezeichnet werden. Sie geben den Grad der Polarisation eines dielektrischen Materials als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld E an.

Diese Gleichung besagt, dass, wenn ein elektrisches Feld E das Medium anregt, eine zu E² proportionale Polarisation entsteht, deren Größe mit dem Term c(2) zusammenhängt. Wenn E mit der Frequenz ω schwingt, dann hat P eine Komponente, die mit 2ω schwingt. Einfach ausgedrückt: Als Reaktion auf eine Anregung mit der Frequenz ω entstehen elektrische Dipole, die mit der Frequenz 2ω schwingen und strahlen. Das Medium wandelt also Strahlung mit der Frequenz ω in Strahlung mit der Frequenz 2ω um.

Dies wird als Erzeugung der zweiten Harmonischen (Second Harmonic Generation -SHG) bezeichnet. Ein bekanntes Beispiel für die Erzeugung der zweiten Harmonischen ist der grüne 532-nm-Laser, der einen nichtlinearen Kristall verwendet, um 1064nm über SHG in 532nm umzuwandeln. Eine kommerzielle Laserquelle, die auf diesem Verfahren beruht, ist der in Abb. 1 dargestellte Faserlaser VGEN-G von Spectra-Physics, der ein SHG-Modul zur Erzeugung eines gepulsten grünen Laserstrahls enthält.


Abbildung 1: Der Faserlaser VGEN-G von Spectra-Physics enthält ein Modul zur Erzeugung eines gepulsten grünen Laserstrahls

Ein typischer nichtlinearer Prozess vertraut auf einen intensiven und gut polarisierten Laserstrahl sowie ein nichtlineares Medium, das diesen unterstützen kann. Nichtlineare optische Prozesse unterscheiden sich in den erforderlichen Laserbetriebsbedingungen, den nichtlinearen Medien und dem Grad der Suszeptibilität c(n), die für den Prozess verwendet wird.

Die meisten nichtlinearen Prozesse führen zu Strahlung in einem engen Wellenlängenbereich, allerdings muss das nicht so sein: So verwendet beispielweise eine Superkontinuum-Lichtquelle typischerweise eine ausgeklügelte optische Faserstruktur, um einen optischen Impuls in Ultrabreitbandstrahlung umzuwandeln, die einen sehr breiten Wellenlängenbereich enthält. Weitere Einzelheiten zu diesem Thema finden Sie auf der MKS-Website.

Es erfordert bestimmte Bedingungen – die sogenannte Phasenanpassung, dass ein nichtlineares Medium kohärente Strahlung generiert. Phasenanpassung bedeutet, dass die richtigen Phasenbeziehungen zwischen den interagierenden Wellen bei verschiedenen Frequenzen im nichtlinearen Medium erhalten bleiben. Nur wenn diese Bedingungen erfüllt sind, erhalten wir kohärente Strahlung, die sich aus der Summe der nichtlinearen Prozesse ergibt, die während der Ausbreitung des Lichts im Medium stattfinden. Die grundlegende Gleichung für die Phasenanpassung lautet:

k3 = k1 + k2, wobei k die Wellenvektoren des Lichts sind und die Indizes die interagierenden Strahlen darstellen. Bei SHG stehen die Indizes 1 und 2 für das ursprüngliche Laserlicht und der Index 3 für die neu erzeugte Welle mit der doppelten Frequenz. Abbildung 2 zeigt einen SHG-Prozess, bei dem infrarotes Licht in grünes Licht umgewandelt wird. Man beachte, dass die Umwandlungseffizienz nichtlinearer Prozesse begrenzt ist, so dass ein Teil des einfallenden Lichts das nichtlineare Medium unverändert durchläuft. In diesem Zusammenhang lohnt es sich, den Blick auf gepulste Laser zu richten: Wenn man mit kurzen Pulsen arbeitet, kann die momentane Leistung im Vergleich zu einem

Dauerstrichlaser (CW) mit einer konstanten Durchschnittsleistung sehr hoch sein. Die hohe momentane Leistung erhöht die Effizienz des nichtlinearen Prozesses.


Abbildung 2: Darstellung der Erzeugung der Zweiten Harmonischen

Werden die Bedingungen für die Phasenanpassung erfüllt, bedeutet das im Wesentlichen, dass Energie und Impuls erhalten werden. Es heißt aber auch, dass die effiziente Umwandlung der Wellenlänge des Lichts mittels SHG eine sorgfältige Gestaltung des nichtlinearen Mediums erfordert. Warum ist das so? Wenn wir von einer kollinearen Ausbreitung ausgehen (so dass Gleichung 2 skalar wird) und k1=k2 setzen (da diese Wellenvektoren aus demselben Laserstrahl stammen), resultiert daraus k3 = 2k1. Setzt man die Definition von k = 2pn/l ein, wobei n der Brechungsindex und l die Wellenlänge des Lichts ist, ergibt sich die Bedingung n3 =n1, da l3 = l1/2. Das bedeutet, dass die ursprünglichen und die neu erzeugten Wellen im nichtlinearen Kristall den gleichen Brechungsindex haben sollten. Es ist jedoch selten der Fall, dass ein Material einen festen Brechungsindex über einen so breiten Spektralbereich hat.

Um eine Phasenanpassung zu erreichen, muss das nichtlineare Medium daher auch doppelbrechend sein, d. h. mit Brechungsindizes, die auch von der Polarisation und der Ausbreitungsrichtung der Strahlen innerhalb des Kristalls abhängen.

Durch sorgfältiges Schneiden des nichtlinearen Kristalls in bestimmten Winkeln und manchmal auch durch Kontrolle seiner Temperatur (da der Brechungsindex ebenfalls temperaturabhängig ist) ist es also möglich, Gleichung 2 zu erfüllen, da die k-Vektoren aus unterschiedlichen Dispersionskurven stammen.

Bei erneuter Betrachtung von Gleichung 1 wird deutlich, dass auch andere nichtlineare Prozesse möglich sind: Summen- und Differenzfrequenzerzeugung, Erzeugung der dritten Harmonischen und andere. Summen- und Differenzfrequenzerzeugung sind Prozesse, bei denen die Summe und die Differenz von zwei Eingangsfrequenzen erzeugt werden. Sie beruhen ebenfalls auf der c(2)-Nichtlinearität, und die SHG ist ein Spezialfall der Summenfrequenzerzeugung, bei der die beiden Eingangswellen dieselbe Frequenz haben. Die Erzeugung der dritten Harmonischen beruht dagegen auf der c(3)-Nichtlinearität und ermöglicht die Erzeugung von Licht mit der dreifachen Frequenz des ursprünglichen Strahls.

Um aus einem Laser mit einer Wellenlänge von 1064nm einen Laser mit einer Wellenlänge von 355nm zu erzeugen, ist es möglich, die Erzeugung der dritten Harmonischen mit einem Einkristall zu realisieren. Da die meisten Materialien jedoch eine geringe c-Nichtlinearität im Vergleich zu c(2) aufweisen, ist es effizienter, einen ersten Kristall zur Erzeugung von 532-nm-Licht mittels SHG zu verwenden und dann die zweite Harmonische und die restlichen 1064-nm-Strahlen zu einem zweiten Kristall zu leiten, um einen 355-nm-Laser mittels Summenfrequenzerzeugung zu erhalten.

Es ist wichtig zu beachten, dass die beiden Kristalle, die für diese Prozesse verwendet werden, nicht identisch sind. Jeder Kristall mischt verschiedene Wellenlängen und muss daher individuell auf den gewünschten nichtlinearen Prozess zugeschnitten werden muss.

Nichtkohärente lasergesteuerte Lichtquellen
Zum Abschluss betrachten wir nichtkohärente, lasergesteuerte Lichtquellen. Ein bekanntes Beispiel ist ein durch Laserstrahlung angeregtes lichtemittierendes Plasma: Ein Laser kann das Plasma in Xenon-Lampen anregen und so eine breitbandige Quelle im sichtbaren Teil des Spektrums erzeugen. Ein weiteres Beispiel für eine nichtkohärente Lichtquelle ist die Erzeugung eines Plasmas, das Extreme Ultraviolette (EUV) Strahlung mit einer Wellenlänge von 13nm aussendet. Das Plasma wird erzeugt, in dem ein leistungsstarker CO2-Laser mit einer Wellenlänge von etwa 10μm auf Zinntröpfchen im Vakuum fokussiert wird. Dabei wird nur ein kleiner Teil eines Multi-Kilowatt-Lasers in Strahlung mit 800-fach kürzerer Wellenlänge umgewandelt. Das dabei entstehende EUV-Licht ermöglicht die fortschrittlichsten Fotolithografieverfahren, die in der Mikroelektronikindustrie eingesetzt werden.

Wird für eine Anwendung ein Laser benötigt, gilt es sowohl die Wellenlänge als auch die Betriebsart des Lasers zu berücksichtigen. Für das Schweißen von Metallen beispielsweise wird ein Hochleistungs-CW-Laser benötigt, um das Metall bis zu seinem Schmelzpunkt zu erhitzen und die Metallteile miteinander zu verbinden. Kurze Wellenlängen, wie 355nm oder 266nm, sind für diese Anwendung vorzuziehen, da die Lichtabsorption in Metallen mit abnehmender Wellenlänge deutlich zunimmt. Die Lasergravur hingegen erfordert den Einsatz von gepulsten Lasern, da sie auf eine hohe momentane Pulsleistung angewiesen ist, um die Oberfläche des Objekts zu markieren, aber die erzeugte Wärme nicht tief in das Material eindringen muss. Ähnlich wie im vorigen Beispiel sollte die Wellenlänge des Lasers materialabhängig gewählt werden, um eine optimale Leistung zu erzielen.

Fazit
Es ist nicht immer möglich, die optimale Wellenlänge für eine bestimmte Anwendung zu erhalten - die Einschränkungen ergeben sich sowohl aus dem Lasermechanismus selbst als auch aus der Verfügbarkeit nichtlinearer Materialien und Prozesse, die die Wellenlänge des Lasers umwandeln können. Und doch: Die Einbeziehung nichtlinearer optischer Elemente weitet die Möglichkeiten der Laserindustrie deutlich aus. Es lassen sich weitaus mehr Wellenlängenbereiche mit kontinuierlich besseren Fähigkeiten umsetzen In einigen Fällen werden erst dadurch industrielle oder wissenschaftliche Prozesse ermöglicht, die sonst nicht realisierbar wären. In anderen Fällen können Produktionsausbeute und Leistung verschiedener laserbasierter Systeme verbessert werden.

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