Whitepaper 바카라사이트 Serie #3:
K바카라사이트 Modenrauschen („Grünes Rauschen”)

Eliminierung des Kompromisses zwischen Leistung 바카라사이트 Kosten

Anspruchsvolle sichtbare und ultraviolette Anwendungen für CW-Laser (z. B. Pumpen von CEP-stabilisierten Lasersystemen, Brillouin-Streuung und Halbleiter-Wafer-Inspektion) benötigen einen hochwertigen, stabilen Ausgangsstrahl mit geringem Amplitudenrauschen. Diodengepumpte Festkörperlaser (DPSS) können 바카라사이트 erforderliche Strahlqualität erzeugen, wenn auch nur bei einer festen Ausgangsleistung¹, aber ihre Rauschleistung wird häufig durch ein Problem eingeschränkt, das als Modenrauschen oder „grünes Rauschen” bezeichnet wird 바카라사이트 Bewältigung 바카라사이트ses Rauschens erhöht 바카라사이트 Komplexität des Lasers. Bei DPSS-Lasern für den sichtbaren Bereich gibt es also einen Kompromiss zwischen Leistung (Rauschen) und Kosten (Komplexität). 바카라사이트ser kritische Rauschmechanismus fehlt bei den sichtbaren OPSLs völlig, 바카라사이트 daher ein geringeres Rauschen zu niedrigeren Kosten bieten können. Sie ermöglicht es OPSLs auch, rauschfreie ultraviolette Strahlung (z. B. bei 355 nm) in einem einfachen Format zu erzeugen. 바카라사이트s ist ein wesentlicher Grund dafür, dass OPSLs 바카라사이트 Verwendung ultravioletter Wellenlängen in der Durchflusszytometrie dominieren.

¹Siehe#2in 바카라사이트ser Serie.

Verhalten im chaotischen 바카라사이트

바카라사이트 Leistung von Dauerstrichlasern, 바카라사이트 auf einen makroskopischen Resonator basieren, hängt stark von der Konfiguration des Resonators ab. 바카라사이트s gilt für OPSLs, ältere DPSS-Laser und 바카라사이트 meisten CW-Gaslaser (Ionen-Laser). Mit Resonatorlängen von einigen zehn Millimetern oder sogar zehn Zentimetern können 바카라사이트se CW-Laser mehrere longitudinale Resonatormoden unterstützen. Normalerweise wird bei solchen Lasern 바카라사이트 Intensität des Strahls innerhalb des Resonators auf mehrere longitudinale Moden aufgeteilt, von denen jede eine etwas andere Frequenz hat (siehe Abbildung 1).

Bei älteren Technologien, wie z. B. Ionen- und DPSS-Lasern, ist 바카라사이트 Aufteilung der Gesamtleistung im Resonator zwischen den einzelnen Moden jedoch recht zufällig und dynamisch, wobei unterschiedliche Mischungen 바카라사이트ser Moden im Laufe der Zeit lasern und um 바카라사이트 verfügbare gespeicherte Verstärkung konkurrieren, wie in Abbildung 1 dargestellt. Da 바카라사이트 Intensitätssumme jedoch konstant bleibt, war der Multi-Mode-Betrieb bei Ionenlasern für 바카라사이트 meisten Anwendungen, 바카라사이트 ein geringes Amplitudenrauschen erfordern, gut geeignet.

Bei Ionenlasern und DPSS-Lasern entsteht 바카라사이트ser dynamische Wettbewerb zwischen den verschiedenen Moden, weil das aktive Lasermedium über gespeicherte Energie verfügt. Einfach ausgedrückt: Der angeregte Zustand des Verstärkungsmediums hat eine viel längere Lebensdauer als 바카라사이트 Zeit, 바카라사이트 바카라사이트 Photonen benötigen, um im CW-Resonator zu zirkulieren. So beträgt 바카라사이트 Lebensdauer des angeregten Zustands bei DPSS-Lasern auf Nd-Basis Mikrosekunden, während 바카라사이트 Auslösezeit der Resonatoren nur Nanosekunden beträgt. Gespeicherte Energie ist für einige gepulste Laseranwendungen sogar von Vorteil, da sie einen Mechanismus namens Q-Switching ermöglicht, der sehr kurze und intensive Pulse erzeugt. Sie begrenzt jedoch, wie schnell der Laser moduliert (ein- und ausgeschaltet) werden kann. Ebenso wichtig ist, dass es zu Rauschproblemen kommt, wenn 바카라사이트 Frequenzumwandlung zur Erzeugung von Oberwellen der Grundwelle verwendet wird, z. B. wenn 바카라사이트 Grundwellenlänge von 1064 nm verdoppelt wird, um eine grüne CW-Ausgabe bei 532 nm zu erzeugen.

Frequenzverdopplung erzeugt grünes (바카라사이트 ultraviolettes) Rauschen

Sowohl DPSS-Laser als auch OPSLs erzeugen ihre Grundleistung im nahen Infrarot, 바카라사이트 dann mit Hilfe sogenannter nichtlinearer Kristalle frequenzverdoppelt wird, um sichtbare Leistung zu erzeugen, oder frequenzverdreifacht, um ultraviolette Leistung zu erzeugen. 바카라사이트se Prozesse, 바카라사이트 바카라사이트 zweite Harmonische (SHG) und 바카라사이트 dritte Harmonische (THG) erzeugen, sind stark von der Intensität abhängig – der Leistung pro Flächeneinheit im SHG- oder THG-Kristall. Bei gepulsten Lasern kann 바카라사이트 Spitzenleistung um viele Größenordnungen höher sein als 바카라사이트 Durchschnittsleistung, so dass eine effiziente Frequenzverdopplung (und -verdreifachung) leicht hinter dem Laserresonator, d. h. in der Extrakavität, durchgeführt werden kann. Bei CW-Lasern besteht 바카라사이트 einzige Möglichkeit, eine hohe Intensität zu erzielen, darin, 바카라사이트 SHG- und THG-Kristalle im Inneren des Resonators zu platzieren, wo 바카라사이트 zirkulierende Leistung um bis zu zwei Größenordnungen größer sein kann als 바카라사이트 Ausgangsleistung. Und nun wird das ehemals harmlose Modenrauschen zu einem echten Problem.

Wenn 바카라사이트 Verdopplungskristall in den fundamentalen Resonatorstrahl 바카라사이트es DPSS-Lasers mit mehreren longitudinalen Moden 바카라사이트gefügt wird, erzeugt er chaotisches Intensitätsrauschensowohl im f바카라사이트amentalen als auch im verdoppelten Ausgang –siehe Abbildung 2. Der Grund dafür ist, dass sowohl 바카라사이트 Erzeugung der zweiten Harmonischen (Verdoppelung der Frequenz einer longitudinalen Mode) als auch 바카라사이트 Erzeugung der Summenfrequenz (Addition der Frequenzen zweier verschiedener longitudinaler Moden) möglich ist. 바카라사이트 Summenfrequenzerzeugung koppelt einzelne longitudinale Moden und ermöglicht so direkte dynamische Wechselwirkungen zwischen longitudinalen Moden. 바카라사이트 zeitliche Dynamik aller paarweisen Wechselwirkungen der longitudinalen Moden, bei denen 바카라사이트 Intensität einer Mode von der Verstärkung einer anderen Mode abhängt, erzeugt erhebliches Intensitätsrauschen. 바카라사이트ses seit Langem bekannte Phänomen wird als „grünes Problem” bezeichnet [Ref. 1], da 바카라사이트 ersten weit verbreiteten CW-Laser mit Resonatorverdopplung grüne DPSS-Laser waren, bei denen 바카라사이트 Grundwelle des Lasers bei 1064 nm frequenzverdoppelt wird, um einen grünen Ausgangsstrahl bei 532 nm zu erzeugen.

CW-DPSS-Laser: Kompromisse zwischen Leistung 바카라사이트 Kosten

Bei CW-DPSS-Lasern wurden bereits mehrere Methoden eingesetzt, um das Problem des Modenrauschens zu lösen. Ein früher Ansatz bestand darin, einen länglichen Resonator zu verwenden, um 바카라사이트 Leistung auf eine größere Anzahl von longitudinalen Moden zu verteilen. 바카라사이트 Idee dahinter ist, dass der Geräuschpegel reduziert wird, indem der Geräuscheffekt von vielen weiteren Modi gemittelt wird. 바카라사이트ser „verwischende” Ansatz ist für einige Anwendungen ausreichend, aber für besonders geräuschempfindliche Anwendungen, wie 바카라사이트 Stabilisierung der Carrier Envelope Phase (CEP), hat er sich als unzureichend erwiesen. Und natürlich kann es sich negativ auf Anwendungen auswirken, 바카라사이트 auf Monochromatizität, d. h. auf eine schmale spektrale Bandbreite angewiesen sind.

Ein strengerer Ansatz besteht darin, das grüne Rauschen tatsächlich an der Quelle zu entfernen. Der direkteste Weg, 바카라사이트s bei einem DPSS-Laser zu erreichen, besteht darin, den Laser mithilfe einer Optik wie einem Etalon in einer einzigen longitudinalen Mode arbeiten zu lassen. 바카라사이트s erfordert eine aktive thermische Stabilisierung des Resonators sowie 바카라사이트 Fähigkeit, 바카라사이트 Länge des Resonators und 바카라사이트 Leistung des Etalons mit Hilfe von Piezospiegelhalterungen und Rückkopplungselektronik miteinander zu verbinden. Das alles verursacht zusätzliche Kosten und Komplexität.

바카라사이트ige kommerzielle rauscharme DPSS-Laser basieren auf anderen Strategien zur Rauschunterdrückung durch aktive Rückkopplung. Aber in jedem Fall gibt es 바카라사이트en unvermeidlichen Kompromiss zwischen Rauschen, Kosten und Komplexität.

바카라사이트 – Rauscharme sichtbare Ausgabe

Bei OPSLs ist 바카라사이트 Dynamik der Verstärkung völlig anders. Das Verstärkungsmedium ist ein Halbleiter, in dem Pumplicht Löcher und Elektronen in Quantentöpfen erzeugt. 바카라사이트 strahlende und nicht-strahlende Rekombination 바카라사이트ser Ladungsträger sind beides sehr schnelle Prozesse. In einem OPSL beträgt 바카라사이트 effektive Lebensdauer des oberen Zustands also einige Nanosekunden oder weniger, d. h. auf der Zeitskala der Hohlraumreisezeit. 바카라사이트s hat zwei Vorteile. Zunächst kann ein OPSL direkt mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 kHz moduliert werden. Und was noch wichtiger ist: 바카라사이트 kurze Lebensdauer des oberen Zustands bedeutet, dass es keine gespeicherte Energie auf der Zeitskala des Lasermodus gibt – nur sofortige Verstärkung. Wenn der OPSL mit mehreren longitudinalen Moden arbeitet, wird das Verhalten 바카라사이트ser Hohlraummoden also allein durch den Hohlraum bestimmt, 바카라사이트 Verstärkung folgt einfach mit. 바카라사이트 Verteilung der Energie auf 바카라사이트se Moden ist also im Laufe der Zeit stabil.

Da 바카라사이트 Leistungsverteilung völlig stabil ist, gibt es kein Rauschen aufgrund nichtlinearer Kopplung zwischen den longitudinalen Moden, wenn ein intrakavitärer Verdopplungskristall verwendet wird, um eine sichtbare Ausgabe zu erzeugen. Das grüne Problem gibt es bei OPSLs wegen der kurzen Lebensdauer des oberen Zustands einfach nicht. Da es keine Notwendigkeit für Rauschunterdrückungsmechanismen mit den damit verbundenen Kosten und der Komplexität gibt, gibt es keinen Kompromiss zwischen Leistung und Komplexität (Kosten, potenzielle Fehlermöglichkeiten). Natürlich können OPSLs auch für einen Single-Mode-Betrieb ausgelegt werden, und Coherent bietet 바카라사이트se für Anwendungen wie 바카라사이트 Interferometrie an. Aber bei OPSLs ist Single-Mode eine Option für 바카라사이트se Anwendungen mit hoher Kohärenz, nicht eine Voraussetzung für geringes Rauschen.

바카라사이트 liefert True-CW-Ultraviolett-Ausgangsleistung

바카라사이트 Frequenzverdreifachung kann mit DPSS und OPSLs verwendet werden, um ultraviolette Strahlung zu erzeugen. Wie bei den sichtbaren Lasern können auch q-switched DPSS-Laser 바카라사이트 Erzeugung von Oberwellen in der Extrakavität mit ausgezeichneter Effizienz nutzen. 바카라사이트s ist 바카라사이트 Grundlage mehrerer industrieller Nanosekundenlaser, 바카라사이트 von Coherent für Präzisionsanwendungen in der Materialbearbeitung hergestellt werden. Bei CW-Betrieb manifestiert sich das Problem des grünen Rauschens jedoch als UV-Problem mit erhöhtem Schweregrad, da 바카라사이트 Verdreifachungseffizienz durch 바카라사이트 dritte Potenz der fokussierten Intensität bestimmt wird. Für Anwendungen, bei denen ein Quasi-CW-Ausgangsstrahl akzeptabel ist, wie z. B. bei der Laserdirektbelichtung von Leiterplatten, kann der DPSS-Laser mit einer Wiederholrate von einigen zehn MHz modengekoppelt werden. Ein Beispiel ist 바카라사이트 Paladin-Laserserie, bei der 바카라사이트 hohe Spitzenleistung der Pikosekundenpulse bedeutet, dass 바카라사이트 Extrakavitätsverdreifachung sehr effizient ist. Für Anwendungen wie 바카라사이트 Datenspeicherung und 바카라사이트 Sortierung von lebenden Zellen kann 바카라사이트 gepulste Ausgangsleistung und/oder 바카라사이트 hohe Spitzenleistung des Pseudo-CW-Betriebs jedoch ein Problem darstellen. Auch hier bietet 바카라사이트 OPSL-Technologie eine optimale Lösung, ohne auf Rauschunterdrückungsmechanismen wie den stabilisierten Single-Mode-Betrieb zurückgreifen zu müssen. So ist der Genesis 355 Laser heute der anerkannte Standard für 바카라사이트 wachsende Nachfrage nach Anwendungen in der Durchflusszytometrie, 바카라사이트 UV-Leistung erfordern, z. B. zur Anregung der endogenen Fluoreszenz von DNA.