Die vielfältigen Anwendungen von Laserstrahlquellen erfordern eine Kontrolle aller Eigenschaften des Lichts: vom Wellenlängenspektrum über das zeitliche Verhalten bis zur räumlichen Form. Strukturiertes Licht, also Lichtverteilungen, dessen Eigenschaften in Abhängigkeit von Raum oder Zeit variieren, werden beispielsweise für optische Kommunikationstechniken, fortgeschrittene Bildgebung oder neuartige optische Messverfahren eingesetzt. Diese Lichtverteilungen sind mitunter transversale Moden eines Laserresonators bzw. sie lassen sich als Überlagerung dieser Moden darstellen. Komplexe Lichtfelder können daher direkt in einem Resonator erzeugt werden. Außerdem eröffnet die Basis der transversalen Moden die Möglichkeit, raumzeitliche Dynamiken zu erzeugen, da die Moden sich nicht nur räumlich, sondern auch spektral unterscheiden. Bei der sogenannten transversalen Modenkopplung führt das zu Strahlen, die ultraschnell räumlich scannen.
Umwandlung longitudinal zu transversal modengekoppelter Zustände
Einfach ausgedrückt, sind sowohl longitudinal als auch transversal modengekoppelte Strahlen lediglich phasenstarre Überlagerungen optischer Felder unterschiedlicher Frequenz. Aus ihrer Interferenz ergeben sich die charakteristischen ultrakurzen Laserpulse bzw. raumzeitliche Oszillationen. Im Falle der longitudinalen Modenkopplung haben alle Felder die gleiche räumliche Form, während bei der transversalen Modenkopplung die Felder unterschiedliche Erscheinungen haben. Diese Ähnlichkeit erlaubt einen Zustand aus einem Kopplungsregime in den anderen zu konvertieren.
Hier haben wir longitudinal modengekoppelte in transversal modengekoppelte Zustände umgewandelt. So wurde aus einem zeitlich in der Intensität modulierten Strahl ein Strahl, der sich im Raum bewegt. Die Oszillationsfrequenz ergibt sich aus der Resonatorgeometrie und lag bei 80 MHz. Dieses Konversionsschema ermöglicht also ultraschnelle Strahlbewegungen – ganz ohne bewegte Optiken.
In diesem Schema lassen sich außerdem kontrolliert verschiedene transversal modengekoppelte Zustände erzeugen. Dadurch lässt sich die Strahldynamik während der Oszillation direkt steuern. Die Kontrolle über die überlagerten Moden sowie deren Moden und Phasen war bislang nicht auf einem so hohen Niveau möglich. Zur Publikation von Michael.
Zur Umwandlung muss der eingehende longitudinal modengekoppelte Strahl in Resonanz mit dem Resonator sein. Im Normalbetrieb tritt diese Resonanz nur sporadisch auf, weil sich durch thermische oder mechanische Effekte beispielsweise die Laserfrequenz oder die Resonatorlänge auf der Mikrometerskala ändert. Um kontinuierlich einen transversal modengekoppelten Strahl zu erzeugen, haben wir diese Effekte durch eine sogenannte Pound-Drever-Hall-Stabilisierung kompensiert, was wir in einer weiteren Publikation demonstriert haben. Zur Publikation von Michael.
Die räumlichen Lichtverteilungen eines Lasers lassen sich sowohl in radialen Koordinaten (Laguerre-Gauß-Moden) als auch in kartesischen Koordinaten (Hermite-Gauß-Moden) darstellen. Mit einem Zylinderlinsenteleskop lassen sich diese Modenfamilien ineinander umwandeln. Hier haben wir dieses Konzept auf transversal modengekoppelte Strahlen angewandt.
Die linienförmigen Bewegungen eines Hermite-Gauß transversal modengekoppelten Strahls wurden so in Bewegungen entlang einer Kreisbahn (Laguerre-Gauß) umgewandelt. Die ultraschnelle raumzeitliche Dynamik (80 MHz) bleibt dabei erhalten. Aufgrund der radialen Symmetrie ergibt sich ein verbesserter Überlapp mit Fasermoden, was Verstärkung und Transport von transversal modengekoppelten Strahlen vereinfachen könnte. Zur Publikation von Florian.
Aktive transversale Modenkopplung in einem Festkörperlaser
Bei der longitudinalen Modenkopplung werden ultrakurze Impulse erzeugt, was durch Überlagerung der longitudinalen Resonatormoden mit zueinander festen Phasenbeziehungen erreicht wird. Analog dazu kann auch die Kopplung der transversalen Moden durch eine Anpassung der relativen Phasenlagen erreicht werden, was zu einer periodischen raumzeitlichen Dynamik der Lichtverteilung am Laserausgang führt. Die Wiederholfrequenz des Ausgangsmusters ist dabei direkt abhängig vom Frequenzabstand der transversalen Moden und kann bis zu mehreren Gigahertz reichen. Diese periodische und räumliche Änderung der Lichtverteilung kann z.B. für ein schnelles räumliches Scannen der Laserleistung genutzt werden, was für die Realisierung einer schnellen Rastermikroskopie von großem Interesse ist. Zur Publikation von Florian.
Gezielte Anregung transversaler Moden durch externe Pumpstrahlformung
Transversale Moden höherer Ordnung lassen sich durch räumliche Modulation von Amplitude oder Phase des Laserlichts im Resonator anregen. Da diese Ansätze jedoch zusätzliche Komponenten innerhalb des Resonators erfordern, führen sie meist zu erhöhten Verlusten und begrenzen damit die maximal erreichbare resonatorinterne Leistung.
Wir konnten zeigen, dass die Anregung transversaler Moden in Festkörperlasern auch mittels einer resonatorexternen Pumplichtformung basierend auf einem "digital micromirror device" (DMD) erreicht werden kann. Dabei wird die räumliche Form des Pumplichts auf die zu erzeugende Mode angepasst, sodass diese die größte Verstärkung erfährt und selektiv angeregt wird. So konnten fast 1000 Hermite-Gauß-Moden gezielt erzeugt werden. Durch die Modulation des Pumplichts sind keine resonatorinternen Komponenten erforderlich. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz des DMD eine vollautomatische Steuerung der selektiven Modenanregung. Zur Publikation von Florian.
