Fertigungstechnik GTI-Spiegel für Hochleistungs-Ultrakurzpulslaser

In den vergangenen zwei Jahrzehnten gab es umfangreiche Entwicklungen auf dem Gebiet laufzeitkorrigierender dielektrischer Schichtsysteme, sogenannter "chirped mirrors", basierend auf der Einführung von ps- und fs-Lasern für die Forschung und Industrie.

Ziel ist es, mit den stets notwendigen Spiegeln zusätzlich auch die bis dahin mittels Gittern bzw. Prismen übliche Pulsformung bzw. -erhaltung umzusetzen. Das Spektrum reicht hier von schmalbandigen Gires-Tournois-Interferometer-Spiegeln (GTI-Spiegeln) mit sehr starker Dispersion bis zu extrem breitbandigen gechirpten Optiken für Lichtimpulse < 10 fs Pulsdauer.

GTI-Spiegel werden heute in großen Stückzahlen für die resonator­interne Dispersionskompensation in kompakten ps-Lasern z.B. für Medizinanwendungen eingesetzt. In der Regel müssen im Resonator bei jedem Umlauf Verzögerungen in der Größenordnung von +3000 bis +20000 fs² ausgeglichen werden. Bisher wurde dazu eine Vielzahl von GTI-Spiegeln in einer gefalteten Resonatorstruktur genutzt. Preisdruck, geforderte Kompaktheit und neue Wirkprinzipien führen dazu, dass immer weniger derartige Optiken eine immer größere Dispersion korrigieren müssen.

Es ergibt sich ein anspruchsvoller Anforderungskatalog:

  • extreme Pulsspitzenleistungen
  • steigende mittlere Leistungen
  • fokussierter Strahl auf der Spiegeloberfläche
  • klimatische Stabilität
  • möglichst geringer thermischer Linseneffekt
  • sehr negative GDD-Werte
  • hohe Reflexionswerte

Diese Anforderungen sind nur dann in der Serienfertigung beherrschbar, wenn alle Teileigenschaften und damit auch alle Herstellungsschritte optimiert sind. Besonders wichtig sind:

  • Polituren, die Rauhigkeiten im Bereich ~ 0,1 nm ermöglichen -> Streulichtminimierung
  • Substrate mit hoher thermischer Leitfähigkeit bzw. geringster thermischer Ausdehnung -> Minimierung der thermischen Linse
  • vollständig amorphe, kompakte, wasserfreie Schichten -> klimatische Stabilität
  • fremdatomfreie Schichten in der gewünschten Stöchiometrie -> geringe Absorption
  • extreme Reproduzierbarkeit der Schichtbrechzahlen und der Einzelschichtdicken -> GDD-Werte
  • Gesamtdefektanzahl kleiner 5/C 1 x 0,025 (ISO 10110) bei Øe ~10 ... 20 mm -> hohe Zerstörschwelle

Die Beschichtung derartiger Spiegel erfolgt in der Regel mittels Sputtertechnologien. Neben der dazu notwendigen Technik ist es aber auch das Umfeld, das eine Fertigung an der „technologischen Grenze“ kontrollierbar werden lässt. Als Beispiel seien eigens entwickelte GDD-Messplätze genannt, die bei der großen GDD-Dynamik klassischer GTI-Spiegel eine sehr hohe spektrale Auflösung (~ 0,2 - 0,5 nm) erreichen müssen. Gleichzeitig wird die Fertigung bei LAYERTEC mit einem Absorptionsmessplatz kontrolliert. Die untere Messgrenze liegt dabei aktuell im sub-ppm-Bereich.

Serienbauteile nahe am „physikalischen Limit“ sind dadurch herstellbar: Spiegel für 1030 - 1064 nm erreichen Reflexionswerte größer 99,998 % bei Absorptionsverlusten unter 0,5 ppm. Bei resonatorinternen Laserleistungen von 1MW cw zeigen diese Spiegel Temperaturerhöhungen von lediglich 5 K im Strahlaufpunkt. Bei optimierten GTI-Spiegeln für 1030 - 1040 nm liegen bei Reflexion > 99,95 % die momentan erreichbaren Absorptionsverluste in der Größenordnung von 13 ppm (GDD-Wert ~ -500 fs²).

Fazit 

Das erreichte technologische Niveau erlaubt heute einerseits die Fertigung von GTI-Spiegeln für extrem leistungsstarke Ultrakurzpuls-Laser [1]. Auf der anderen Seite können derartige Technologien auch bei einer Vielzahl anderer optischer Bauteile eingesetzt werden [2] [3].

[1] Saraceno,C.J.; Emaury, F.; Schriber, C.; Diebold, A.; Hoffmann, M.; Golling, M.; Sudmeyer, T.; Keller, U.; Toward Millijoule-Level High-Power Ultrafast Thin-Disk Oscillators, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.21, no.1, pp.106,123, Jan.-Feb. 2015

[2] Pupeza,I.; Holzberger, S.; Eidam, T.; Carstens, H.; Esser, D.; Weitenberg, J.; Rußbüldt, P.; Rauschenberger, J.; Limpert,J.; Udem,Th; Tünnermann, A.; Hänsch, T.W.; Apolonski,A.;Krausz, F.; Fill, E.; Compact high-repetition-rate source of coherent 100 eV radiation, Nature photonics, 2013/156, p 1-5

[3] Pupeza, I.; Fill, E.; Krausz, F., Low loss VIS/IR-XUV beam splitter for high power applications“, Optics Express, Vol. 19, No. 13, 2011

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