Transversale Moden

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 umgewandet. 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 ultraschnell schnelle Strahlbewegungen – ganz ohne bewegte Optiken.

In diesem Schema lassen sich außerdem kontrolliert verschiedene transversal modengekoppelten Zustände zu 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.

Hermite-Laguerre-Umwandlung modengekoppelter Strahlen

Die räumlichen Lichtverteilungen eines Lasers lassen sich sowohl in radialen Koordinaten (Laguerre-Gauß-Moden) und 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.

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 erreichen. 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.

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.