Maßgeschneiderte und verspannungsfreie SESAMs für faserbasierte Ultrakurzpulslaser

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Franz Xaver Kärtner
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 510095359

Ultrakurzpulslaser mit Pulslängen im Femtosekundenbereich werden in Industrie und Forschung z.B. als Seed Laser in der Materialbearbeitung, in der Biophotonik und in der Quantensensorik eingesetzt. Zur Erzeugung ultrakurzer Pulse aus Festkörper- und Faserlasern werden typischerweise sättigbare Absorberspiegel (SESAMs) zur passiven Modenkopplung verwendet. Die Vorteile von SESAMs sind ihre vielseitige Anpassbarkeit an verschiedenste Lasersysteme und ihre einfache Integrierbarkeit in die Laserkavität, da sie als passive Komponenten keine weitere Ansteuerung benötigen. Für faserbasierte Ultrakurzpulslaser, die im Wellenbereich um 1550 nm arbeiten, gibt es allerdings zwei entscheidende Herausforderungen, die den Einsatz von SESAMs bisher erschweren bzw. zu einem frühzeitigen Ausfall der Laser im Feld führen. Erstens, das dynamische Verhalten von modengekoppelten Ultrakurzpulslasern ist komplex, d.h. prinzipiell sehr nahe an einem chaotischen Zustand. Um den Laser robust und stabil in einem gewünschten wohldefinierten Betriebszustand zu halten, muss der modenkoppelnde SESAM auf den spezifischen Laser abgestimmt sein. Dazu muss das gesamte Lasersystem nicht nur im stabilen Zustand der modengekoppelten Pulserzeugung, sondern insbesondere auch in der Startphase vollständig verstanden sein. Dieses Reifestadium ist bei fasergekoppelten Pulslasern mit Wellenlängen um 1550 nm noch nicht erreicht. Stattdessen arbeitet man derzeit mit empirisch ermittelten Anforderungen und ordnet speziell selektierte SESAMs einem bestimmten Laser zu.Zweitens, auf dem für SESAMs standardmäßig verwendeten Substrat aus GaAs gibt es kein verspannungsfreies und langzeitstabiles Absorbermaterial für 1550 nm. Für diese Wellenlänge besteht der benötigte schnelle Absorber aus In0.47Ga0.53As mit starker Kristallverspannung von +3.5 % zum GaAs Substrat. Zwar kann die Verspannung durch Einbau geringer Mengen von Stickstoff reduziert werden, die resultierenden verdünnten Nitride haben sich aber als nicht langzeitstabil erwiesen. In kommerziellen Systemen ist die Ausfallrate von 1550 nm-SESAMs gegenüber 1030 nm-SESAMs um das 40-fache erhöht. Dennoch basieren kommerziell angebotene 1550 nm-SESAMs auf GaAs. Beide limitierenden Aspekte werden in diesem Projekt adressiert, um die Hürden für den Einsatz von faserbasierten Ultrakurzpulslasern bei 1550 nm in enger Zusammenarbeit mit der TOPTICA Photonics AG zu überwinden. Zu beiden gibt es ein DFG-Vorläuferprojekt. Mittels eines numerischen Modells des SESAM-modengekoppelten Faserlasers sollen optimierte Laser- und Absorberparameter für den gewünschten Einzelpuls-Betrieb des Faserlasers bestimmt werden. Diese optimierten Absorber sollen dann am Fraunhofer Institut gewachsen werden und bei TOPTICA und Universität Hamburg in den dafür vorgesehen Faserlasern auf Startverhalten, Dynamik und Alterung getestet werden. Mehrere dieser Zyklen werden durchlaufen um ein insgesamt optimiertes System zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen (Transferprojekt)
• Anwendungspartner: TOPTICA Photonics AG
• Kooperationspartner: Dr. Steffen Breuer