Kurzpulslaser-Entwicklung

Die Erzeugung leistungsstarker UV-Femtosekundenpulse geschieht nach dem unten skizzierten Schema. Die Strahlung einer kommerziell erhältlichen Kurzpulslaserquelle (z.B. Ti:Saphir Oszillator/Verstärker-System) wird in den UV-Spektralbereich (248,5 nm) konvertiert, und anschließend in einem speziell für diesen Zweck entwickelten Excimer-Modul verstärkt. Je nach Bedarf wird die Ausgestaltung dieses Moduls auf unterschiedliche Leistungsmerkmale optimiert.

 

Hohe Intensitäten
Die Erzeugung hoher Intensitäten erfordert hohe Energien, kurze Pulsdauern und extrem gute Strahleigenschaften. Hier bieten UV-Lasersysteme gegenüber langwelligen Quellen den entscheidenden Vorteil, dass ihre Strahlung sich deutlich besser fokussieren lässt (Fokusfläche ~ λ2). UV-Hochleistungssysteme basieren auf Excimermodulen, die zur Verstärkung frequenzkonvertierter Strahlung aus herkömmlichen Kurzpulslasern eingesetzt werden. Ein zusätzlicher Vorteil der Excimerverstärker ist die, durch die niedrige Materialdichte des gasförmigen aktiven Mediums bedingte, Vermeidung unerwünschter Nichtlinearitäten, die für hervorragende Strahleigenschaften sorgt. Um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, wurde ein „twin-tube“ Excimer-Modul zur Verstärkung der Eingabepulse bei 248,5 nm entwickelt. Dieser Aufbau, ausgerüstet mit zwei Verstärker-Kanälen, ermöglicht die Reduzierung der ASE (amplified spontaneous emission) durch die Verwendung eines Raumfilters zwischen den Verstärkungsstufen. Zudem werden die zeitlichen und spektralen Eigenschaften des Pulses im Bereich niedriger Energie durch einen Pulskompressor kontrolliert. Mit einem derart aufgebauten System können Pulsenergien von bis zu 50 mJ bei einer Pulsdauer von 250 fs erzielt werden. Gleichzeitig bleibt eine exzellente Strahlqualität erhalten, was die Erzeugung einer Spitzenintensität von ~ 1019 W/cm2 ermöglicht.

 

Hohe Pulsenenergien
Erfordert eine konkrete Anwendung die allerhöchstmögliche Pulsenergie von UV-Femtosekundenpulsen, so sollte die Energieausbeute von Excimer-Verstärkern optimiert werden. Abhilfe hierfür schafft ein sogenanntes interferometrisches Multiplexing-Schema.

Die Energiespeicherzeit eines KrF-Verstärkers beträgt etwa 2-3 ns. Innerhalb der Entladungsdauer (ca. 15 ns) kann folglich alle 3 ns ein Femtosekundenpuls verstärkt werden. Auf diese Weise ist es möglich, einen Pulszug von 2 oder 4 Pulsen zu verstärken, wobei jeder dieser Einzelpulse ungefähr die gleiche Energie aus dem Verstärker extrahiert. Die zeitlich relativ zueinander verzögerten Pulse werden anschließend wieder zusammengeführt. Dies muss sowohl zeitlich als auch räumlich mit interferometrischer Genauigkeit erfolgen, um die Dauer und die beugungsbegrenzte Eigenschaft der Pulse beizubehalten. Klassische Anordnungen zum optischen Multiplexing, wie in der Fachliteratur bekannt, können hierfür nicht eingesetzt werden. Daher wurde von uns speziell für diese Anwendung ein neues Schema eingeführt, das interferometrische Vereinigung der zerlegten Teilpulse gewährleistet. Die von einem Polarisator zerlegten Pulse durchlaufen den Verstärker in entgegengesetzten Richtungen, wobei sie denselben optischen Weg zurücklegen, bevor sie am Polarisator wieder vereinigt werden.

Setzt man als Verstärker einen „LLG50“ ein, so erhält man mit dieser Anordnung am Ausgang eine Pulsenergie von bis zu 100 mJ bei einer Pulsdauer von unter 1 ps.

 

 

Weiterführende Literatur:
S. Szatmári, P. Simon: Interferometric multiplexing scheme for excimer amplifiers, Optics Commun. 98, 181 (1993).

J. Békési, G. Marowsky, S. Szatmári and P. Simon: A 100 mJ table-top short pulse amplifier for 248 nm using interferometric multiplexing, Zeitschrift für Physikalische Chemie, 215, 12, 1543 (2001)

 

Hohe mittlere Leistung
Viele Anwendungen, wie z.B. die industrielle Materialbearbeitung, erfordern eine hohe Durchschnittsleistung der Strahlung, die nur durch eine hohe Pulsfolgefrequenz zu gewährleisten ist. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, haben wir ein Excimer-Modul „NovaLine 100“ der Firma Coherent Lambda Physik zum Kurzpulsverstärker umgewandelt. Der „NovaLine 100“ in seiner ursprünglichen Ausführung, verfügt über ein großes Entladungsvolumen und eine mittlere Leistung von 100 W bei einer Pulsfolgefrequenz von 250 Hz. Mit geeigneter Modifikation der Entladungskammer und des Hochspannungs-Ladekreises ist es uns gelungen, frequenzkonvertierte Eingangspulse aus einem Ti:Saphir Laser bis zu 30 mJ / Puls bei einer Pulsfolgefrequenz von über 300 Hz zu verstärken. Somit ergibt sich eine mittlere Leistung von ~10 W bei 248 nm, der bislang größte Wert im tiefen UV Spektralbereich mit Subpikosekundenpulsen. 

 

Weiterführende Literatur:

J. Békési, S. Szatmári, P. Simon, G. Marowsky:
Table-Top KrF Amplifier Delivering 270 fs Output Pulses with over 9 W Average Power at 300 Hz, Appl. Phys. B. 75, 521-524 (2002)

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