Ein Meilenstein für Ultrakurzpuls-Laseroszillatoren

Ultraschnelle Laserquellen bilden das Herzstück für ein ständig wachsendes Spektrum an grundlegenden wissenschaftlichen Studien und industriellen Anwendungen, von Experimenten in der Hochfeldphysik mit einer zeitlichen Auflösung im Attosekundenbereich bis hin zur mikrometergenauen Bearbeitung von Materialien. Um diese Felder noch weiter voranzutreiben, sind Laser mit Wiederholraten von mehreren Megahertz und durchschnittliche Ausgangsleistungen von Hunderten von Watt erforderlich. Ein besonders vielversprechender Weg zur Realisierung derartiger Hochleistungslaser besteht darin, sie direkt durch das Skalieren der Ausgangsleistung von Laseroszillatoren zu erzeugen, anstatt mehrstufige Verstärkersysteme zu verwenden. Der letztere Ansatz bringt einen hohen Grad an Komplexität mit sich, während der erstere zu robusten und potenziell kostengünstigen Geräten führt. Die Gruppe von Ursula Keller vom Institut für Quantenelektronik hat nun den Ansatz der Leistungsskalierung auf ein neues Niveau gebracht. In einer kürzlich in der Zeitschrift Optics Express erschienenen Arbeit stellen sie eine Laserquelle vor, welche die Einfachheit und die hohen Wiederholraten von Oszillatoren mit der höchsten durchschnittlichen Ausgangsleistung dieses Lasertyps kombiniert.

Das ETH-Team arbeitete mit einem sogenannten Dünnscheibenlaseroszillator, bei dem das Verstärkungsmedium – das Material, in dem die Quantenprozesse stattfinden, welche zur Emission von Laserlicht führen – als Scheibe geformt ist, typischerweise etwa 100 μm dünn. Diese Geometrie bietet eine relativ grosse Oberfläche, was wiederum beim Kühlen hilft. Thermische Effekte blieben jedoch ein wesentlicher Engpass, und seit 2012 wurde die Rekordausgangsleistung (von 275 W) nicht weiter verbessert.

Bis jetzt. Der Doktorand Francesco Saltarelli, der Senior Research Scientist Christopher Phillips und Mitarbeitende haben sich mehrere Fortschritte in der Dünnscheibenlasertechnologie zunutze gemacht, die in der Keller-Gruppe entwickelt wurden. Sie erreichten dadurch eine durchschnittliche Ausgangsleistung von 350 W mit Pulsen, die nur 940 Femtosekunden lang sind, eine Energie von 39 Mikrojoule beinhallten und sich mit einer Frequenz von 8,88 Megahertz wiederholen – Werte, die für Anwendungen in Wissenschaft und Industrie von unmittelbarem Interesse sind.

Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit ist, dass das Team einen Weg gefunden haben, mehrere Durchgänge des Pumpstrahls durch das Verstärkungsmedium zu ermöglichen, ohne schädliche thermische Effekte zu verursachen, und so die Belastung für die relevanten Komponenten zu reduzieren. Die Möglichkeit, Erwärmungseffekte zu kontrollieren, öffnete das Tor, um das 275-W-Niveau zu übertreffen und neue Massstäbe zu setzen. Der jetzt entwickelte Ansatz kann jedoch noch weiter entwickelt werden, und Ausgangsleistungen über 500 W scheinen realistisch. Mit weiteren Verbesserungen könnte nach Einschätzung der ETH-Forschenden selbst das Kilowattniveau in Sicht kommen.