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Kleiner Breadboard-Aufbau aus vier Laserdioden bei 640nm

Leistungsskalierung von Lasersystemen

Es wird die Leistung eines Laserstrahls erhöht, ohne die Strahlqualität zu verringern oder auf die Polarisation zu verzichten.

Dazu werden mehrere einzelne Laser, meist Laserdioden, in jeweils eigenen externen Laserresonatoren aufgebaut, die das letzte Stück vor dem Auskoppelspiegel teilen. Durch eine geschickte Wahl von spektral filternden Elementen laufen alle einzelnen Laser auf ineinander verschränkten Kämmen von longitudinalen Lasermoden. Es ergibt sich eine Steigerung der Leistung um etwa einen Faktor 1,8 pro Koppelstufe.

Der Ausgangsstrahl besitzt praktisch unveränderte Strahlparameter (Strahldurchmesser, Strahldivergenz, Strahlqualität und Strahlpropagationsfaktor M²). Der Ausgangsstrahl ist trotz interner Polarisationskopplung am Ausgang polarisiert.

Kopplungsprinzip

Mehrere Laserresonatoren sind so aufgebaut, dass sie den Auskoppelspiegel teilen. Ein oder mehrere Lyot-Filter separieren unterschiedliche Frequenzanteile in die verschiedenen Kanäle, die jeweils von einem Gain-Element angetrieben werden.

Durch diese Filteranordnung kann jeder Diodenlaser nur auf den Wellenlängen oszillieren, die durch das ihm zugeordnete Filter definiert werden.

Spektren

Die Kopplung geschieht durch eine Verzahnung mehrerer kammartiger Spektren. Jedem Laser ist ein Kamm zugeordnet. Ändert sich die Gain-Kurve, beispielsweise weil höherer Strom fließt, so können neue Spektrallinien dieser Veränderung folgen.

Leistungskopplung

Die Laser sind weitestgehend unabhängig, da sie jeweils eigene Resonatoren besitzen. Deshalb addieren sich die Leistungen. Ein gewisses Übersprechen aufgrund von Restdivergenzen und spektralen Ausläufern ist nicht zu vermeiden.

Demonstrator

Mit einem Demonstrator gelang es, durch Kopplung von vier Laserdioden einen polarisierten Strahl mit etwa 500mW Leistung und nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität zu erzeugen.

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