Pockelszellen technische Erläuterungen

Der elektrooptische Effekt

Der lineare elektro-optische Effekt, auch Pockelseffekt genannt, beschreibt die Änderung der Brechzahl eines optischen Mediums unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes. Bestimmte Kristalle werden in Richtung der spannungslos isotropen optischen Achse dann doppelbrechend.

Fällt linear polarisiertes Licht in Richtung der optischen Achse des Kristalls ein, so bleibt dessen Polarisationszustand ohne elektrische Spannung unverändert. Mit Spannung verläßt das Licht den Kristall jedoch im allgemeinen elliptisch polarisiert. In Analogie zur konventionellen Polarisationsoptik lassen sich damit Phasenplatten herstellen, die eine Phasenverschiebung zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl erzeugen. Im Unterschied zur konventionellen Optik ist jedoch der Betrag der Phasenverschiebung durch die angelegte äußere elektrische Spannung einstellbar.

Bei gegebener Wellenlänge kann somit insbesondere eine λ/4- bzw. λ/2-Phasenverzögerung erreicht werden. Beim longitudinalen Pockelseffekt sind die Richtung des Lichtstrahls und die elektrische Feldrichtung parallel. Bei transversalen Pockelszellen stehen Lichtstrahl und elektrisches Feld senkrecht aufeinander. Die häufigste Verwendung der Pockelszelle ist die Schaltung der Resonatorgüte eines Lasers.

Güteschaltung (Q-Switching)

Lasertätigkeit setzt immer dann ein, wenn die Schwellbedingung erfüllt ist: Die Lichtverstärkung für einen Umlauf im Laserresonator ist größer als die gleichzeitig immer vorhandenen Verluste. Ziel ist es, die Lasertätigkeit solange zu unterbinden, bis die maximal mögliche Energie im Verstärkermedium gespeichert ist. Eine Methode, welche dies leistet, ist die sogenannte Güteschaltung. Die Resonatorgüte, die ein Maß für die Verluste im Resonator darstellt, wird solange klein gehalten, bis die maximal mögliche Energie gespeichert ist.

Schnelle Erhöhung der Resonatorgüte bringt den Laser dann sehr weit über die Schwelle. Dies führt dazu, dass die gespeicherte Energie in sehr kurzer Zeit abgegeben werden kann und so einen sehr großen Lichtimpuls erzeugt.

Die Resonatorgüte lässt sich u. a. auf folgende Art zeitlich steuern:

Besonders tiefe Modulation der Resonatorgüte ist mit Bauelementen möglich, die den Polarisationszustand des Lichtes beeinflussen. Nach Drehung der Polarisationsebene linear polarisierten Lichtes um 90° kann dieses Licht an einem Polarisator aus dem Laserresonator herausgelenkt werden. Die Modulationstiefe wird neben der Homogenität der 90°-Drehung nur vom Extinktionsgrad des Polarisators bestimmt. Der lineare elektro-optische (Pockels-) Effekt ist dabei viel stärker als der quadratische elektro-optische (Kerr-) Effekt. Typische elektro-optische Güteschalter arbeiten dabei im sogenannten λ/4-Betrieb.

a) Off Q-Switching

Vom Laserstab (1) spontan emittiertes Licht wird durch den Polarisator (2) linear polarisiert. Liegt an der Pockelszelle (3) die λ/4-Spannung an, so verlässt das Licht diese zirkular polarisiert. Nach Reflexion am Resonatorspiegel (4) und abermaligem Durchtritt durch die Pockelszelle ist das Licht wieder linear polarisiert, jetzt jedoch um 90° in seiner Polarisationsebene gedreht. Am Polarisator wird es aus dem Resonator herausgelenkt, die Resonatorgüte ist gering und der Laser schwingt nicht an. Schaltet man nun die Spannung an der Pockelszelle nach Erreichen der maximalen Speicherfähigkeit des aktiven Materials sehr schnell ab, so steigt die Resonatorgüte plötzlich, und ein sehr kurzer Laserimpuls wird emittiert. Bei aktiven Materialien, die eine polarisationsabhängige Verstärkung haben (z.B. Nd:YAlO3, Alexandrit, Rubin u.a.) kann der Polarisator noch entfallen.

 

b) On Q-Switching

Im Gegensatz zum Off-Q-Switching befindet sich zwischen Pockelszelle (3) und Resonatorspiegel (4) noch eine λ/4-Platte (6). Ist die Pockelszelle spannungslos, so ist der Laserresonator gesperrt, es findet keine Lasertätigkeit statt. Ein Spannungsimpuls an die Pockelszelle hebt die Wirkung der λ/4-Platte auf, gibt jetzt den Resonator frei und gestattet die Emission eines Laserimpulses.

 

Pulse Picking

Femtosekunden-Laser emittieren Pulse mit einer Wiederholrate von mehreren 10 MHz. Viele Anwendungen, so z.B. die regenerative Verstärkung, benötigen geringere Wiederholraten. Hier kann eine Pockelszelle als optischer Schalter eingesetzt werden: durch Anwenden von ultraschnellen und zeitlich sehr präzisen λ/2-Spannung-Pulsen auf die Pockelszelle kann die Polarisation des Laserlichts pulsweise kontrolliert werden. In Kombination mit einem Polarisator funktioniert die Pockelszelle dann wie eine optisches Weiche.

Auswahlkriterien

Die Auswahl des richtigen Güteschalters für eine gegebene Anwendung richtet sich nach der Anregungsart des Lasers, den angestrebten Pulsparametern, der Schaltspannung und Schaltgeschwindigkeit der Pockelszelle sowie der Wellenlänge und dem Polarisationszustand des Lichtes:

Anregungsart

Grundsätzlich sind sowohl für cw- als auch impulsförmig gepumpte Laser sowohl Off- als auch On-Q-Switching physikalisch gleichwertig. Im cw-Betrieb muss jedoch On-Q-Switching empfohlen werden. Zur Erzeugung eines Laserimpulses ist dann nur ein Hochspannungsimpuls und keine schnelle Hochspannungsaustastung notwendig. Zusätzlich erhöht sich die Lebensdauer der Zelle. Ständig anliegende Hochspannung kann ebenso wie der λ/2-Modus über längere Zeiträume zu elektro-chemischen Degradationserscheinungen des KD*P-Kristalls führen. Zur Ansteuerung wird ein On-Switching Treiber empfohlen.

Bei mit Blitzlampen angeregten Lasern ist Off-Q-Switching vorteilhafter, da die λ/4-Platte entfällt. Zur Ansteuerung empfehlen wir einen Off-Switching Treiber, bei dem durch geeignete Triggerung die Spannung kurz vor dem Zünden der Blitzlampe an die Pockelszelle angelegt wird, um den Resonator zu schließen und der zwischen den Blitzlampenpulsen ausgeschaltet bleibt.

Für diodengepumpte Festkörperlaser können Pockelszellen der CPC- und SPC-Serie empfohlen werden. Durch deren ultrakompakte Bauweise kann der Laserresonator selbst eine sehr kurze Baulänge erhalten. Dies ist notwendig, wenn man sehr kurze Laserimpulse anstrebt.

Pulsparameter

Für Laser mit einer Strahlintensität bis 2 GW/cm² sind die Zellen der Serien LM n IM und LM n SG zu empfehlen.

Die Zellen der SG-Serien verwenden einen mittels Sol-Gel-Technologie entspiegelten Kristall. Die Transmission ist deshalb analog zu den Zellen der IM-Serien. Zellen der IM-Serie können eine sehr breitbandige Entspiegelung erreichen.

Für Laser mit kleiner Verstärkung, z.B. Alexandritlaser, empfehlen sich Brewster-Pockelszellen. Die passiven Resonatorverluste sind durch die sehr hohe Transmission von mehr als 99 % minimal.

Für kleine, sehr kompakte Laser eignen sich die Zellen der CPC- und SPC-Serien, die sowohl als Sol-Gel-Zellen als auch mit Immersionsflüssigkeit erhältlich sind. Die Zellen dieser Serien sind insbesondere für kompakte OEM-Anwendungen geeignet.

Die Höhe der Deuterierung beeinflusst die spektrale Lage der Infrarotkante des elektro-optischen KD*P-Kristalls; je höher die Deute-rierung, desto weiter wird die Absorptionskante in den infraroten Spektralbereich verschoben. Damit sinkt zugleich die Restabsorption bei 1064 nm (Nd:YAG-Laser). Für Laser mit hoher Folgefrequenz bzw. hoher mittlerer Ausgangsleistung stehen Kristalle mit einer Deuterierung > 98% zur Verfügung.

Schaltspannung der Pockelszelle

Zur Reduzierung der Schaltspannung stehen Doppel-Pockelszellen mit halbierter Schaltspannung zur Verfügung. Diese Halbierung wird dadurch erreicht, dass zwei Kristalle elektrisch parallel und optisch in Serie geschaltet werden. Die optische Belastbarkeit ist sehr hoch. Diese Zellen werden hauptsächlich außerhalb des Resonators z.B. als Shutter verwendet.

Elektro-optisches Material

Die Auswahl des elektro-optischen Materials ist abhängig vom benötigten Transmissionsbereich. Darüber hinaus müssen auch die Parameter des Lasers und die der Anwendung berücksichtigt werden.

Für Wellenlängen von 0,25 μm bis zu 1,1 μm kommen longitudinale Pockelszellen auf der Basis von KD*P Kristallen mit einer Deuterierung von >95 % in Betracht. Bei noch höherer Deuterierung verschiebt sich die Absorptionskante dieses Materials weiter in den infraroten Spektralbereich. Zellen mit einer Deuterierung des KD*P-Kristalls von > 98 % können bis zu 1,3 μm Wellenlänge verwendet werden.

KD*P Kristalle können so gezüchtet werden, dass sie eine hohe optische Homogenität besitzen. Deshalb findet dieses Material insbesondere bei großen Aperturen Anwendung. Der Spektralbereich von BBO Kristallen reicht ebenso von 0.25 μm bis 1.3 μm. BBO Kristalle haben zusätzlich eine geringe Absorption und eine geringe dielektrische Konstante. Deshalb sind BBO Kristalle für Laser mit hohen Wiederholraten und hohen durchschnittlichen Leistungen geeignet. RTP Kristalle mit einer Bandbereite von 0.5 μm bis 1.5 μm vereinen eine niedrige Schaltspannung mit einer hohen Laser Zerstörschwelle. Durch die relative Unempfindlichkeit für Piezo-Effekte sind RTP Kristalle bestens für präzises Schalten mit hohen Wiederholraten mit sehr schnellen Spannungstreibern geeignet.

Unterdrückung piezoelektrischer Effekte

Wie jedes andere isolierende Material zeigen elektro-optische Kristalle beim Anlegen von Hochspannung piezoelektrische Effekte. Die Stärke der piezo-elektrischen Effekte ist abhängig vom elektro-optischen Material. Bei Q-Switching Anwendungen können die Auswirkungen der Piezo-Effekte in der Regel vernachlässigt werden. Für Pulse-Picking Anwendungen, die ein sehr präzises Schaltverhalten erfordern, bietet Qioptiq spezielle piezogedämpfte Pockels Zellen an, die diesen Effekt unterdrücken.

Integrierte Polarisatoren

Die Pockelszellen der CIQS-Serie sind mit einem integrierten Polarisator und optional mit einer integrierten Lambda/4-Wellenplatte ausgestattet. Dadurch entfällt die relative Justage von Pockelszelle zu Polarisator sowie ggf. der Wellenplatte. Die rotatorische Lage der Pockelszelle zur Resonatorachse ist dann beliebig. Wird der Polarisationszustand des Lichtes im Resonator allerdings durch andere Bauelemente festgelegt (z.B. anisotrope Verstärkung im Lasermedium, Brewsterflächen am Laserstab u.a.) ist die rotatorische Ausrichtung der Pockelszelle dadurch bestimmt. Qioptiq verwendet Dünnschichtpolarisatoren, deren Substrate unter dem Brewsterwinkel montiert werden. Durch diese Konfiguration ergibt sich ein paralleler Strahlversatz von 1 mm, der jedoch bei der Justagedes Resonators leicht kompensiert werden kann.