Stabilisierung der Ausgangsleistung eines frequenzverdoppelten Festkörperlasers


Betreuer: Dr. habil. Achim Kittel
Aktueller Doktorand: Lars Ehlkes
Bisherige Doktoranden: Tobias Letz, Falk Lange


In unserer heutigen Gesellschaft, die immer mehr auf die Bereitstellung, Verbreitung und Darstellung von Informationen ausgerichtet ist, kommt der Display-Technologie eine immer bedeutendere Rolle zu. Die stärkste Verbreitung haben zur Zeit sicher noch Kathodenstrahlröhren zur Darstellung von Video- und Computerbildern, gefolgt von Flachbildtechnologien wie LCD- (Liquid Crystal Display), TFT- (Thin-Film-Transistor) und Plasmabildschirmen. Sollen allerdings Informationen großflächig dargestellt werden, sind diesen Technologien Grenzen gesetzt, da die Kosten überproportional mit der Darstellungsfläche steigen.
An dieser Stelle findet die Projektionstechnik Anwendung. Verfügbare Durchlichtprojektoren haben allerdings den Nachteil, dass durch die nötige Farbfilterung nur ein kleiner Teil der aufgewendeten Energie tatsächlich die Leinwand erreicht. Projektionssysteme mit monochromatischen Lichtquellen (Abb.1), wie z.B. Laser in den drei Basisfarben Rot/Grün/Blau, würden einerseits obiges Manko beheben und weiterhin durch die Reinheit der Farben in der Farbmischung ein brillanteres Bild als bisherige Systeme erzeugen (Abb.2). Weitere Vorteile wie höherer Kontrast, freie Formatwahl etc. unterstreichen den Vorsprung dieses Technologiekonzeptes, welches auch unter dem Begriff „Laser-TV“ durch die Medien geht.


Abb.1: Schematischer Aufbau eines Laser-Video-Displays Abb.2: Abdeckung des Farbraumes mit einem Laserdisplay und einer herkömmlichen Fernsehröhre


Um ein Laserdisplay aufzubauen, werden demnach u.a. drei Laser in den einzelnen Basisfarben benötigt. Rote und blaue Laser können in den geforderten Spezifikationen als Laserdioden hergestellt werden, welches verschiedene Vorteile birgt. Problematisch ist der Laser im grünen Spektralbereich: hier können bei den geforderten Leistungen weder Laserdioden hergestellt noch andere grüne Laser eingesetzt werden.
And dieser Stelle werden gerne Festkörperlaser eingesetzt, da sie sich durch Robustheit, Kompaktheit, Effizienz und einen moderaten Preis auszeichnen. Um das ursprünglich infrarote Laserlicht dieser Festkörperlaser in grünes Licht zu konvertieren, wird ein sogenannter frequenzverdoppelnder Kristall in den Laserresonator eingesetzt (1064 nm532 nm). Nachteil dieser Laser ist, dass wenn auf eine kostenintensive Einzeljustierung verzichtet wird, die grüne Ausgangsintensität dieses Lasers fluktuiert und sich damit nicht mehr für die Anwendung in einem Display-System eignet.

Es stellt sich damit die Frage nach einer kostengünstigen Möglichkeit, die Laserintensität zu stabilisieren.

Das Projekt, welches hier in der AG Nichtlineare Dynamik an der Uni Oldenburg verfolgt wird, beschäftigt sich mit der Stabilisierung eines frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers mittels elektronischer proportionaler Rückkopplung. Der Aufbau des Lasers ist in Abb. 3 dargestellt.


Abb.3: Schematischer Aufbau des mittels KTP-Kristall frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers


Eine Laserdiode (λ=808nm) wird zunächst kollimiert und anschließend in den Nd:YAG-Kristall, welcher das aktive Lasermedium darstellt, fokussiert. Der Kristall ist auf der Eingangsseite mit einem Spiegel (durchlässig für 808 nm) bedampft und bildet zusammen mit dem Auskoppelspiegel den Laserresonator. Der frequenzverdoppelnde KTP-Kristall konvertiert das Licht von 1064 nm auf 532 nm im grünen Spektralbereich. Der Kristall wird aus Effizienzgründen innerhalb des Resonators platziert, welches allerdings zu der angesprochenen Destabilisierung der Ausgangsintensität führt. Eine wichtige Rolle für die Dynamik des Lasers spielt die Aufteilung der Energie auf die Lasermoden in den zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen, die sich aufgrund der doppelbrechenden Eigenschaft von Nd:YAG-Kristall und KTP-Kristall ausbilden.
Typische Zeitreihen der Intensität in den beiden infraroten Polarisationsrichtungen und im grünen Spektralbereich sind in Abb. 4 dargestellt. Die dazugehörige Modenkonfiguration der infraroten Anteile sind in Abb. 5 dargestellt (gemessen mit Fabry-Perot Interferometer).

Abb. 4: Zeitreihen der Intensität für die beiden Polarisationsrichtungen im Infraroten (a+b) und im Grünen (c)
Abb.5: Modenspektrum der infraroten Ausgangsintensität aufgeteilt nach Polarisationsrichtung
Abb. 6: Foto des Laserresonators mit Fokussierlinse


Die Idee ist nun, eine elektronische proportionale Rückkopplung der infraroten Intensitäten auf die Pumpleistung der Laserdiode durchzuführen. Die Änderung der Pumpleitung ist dabei auf einen Wert im Prozent-Bereich der Gesamt-pumpleistung begrenzt. Eine solche Elektronik könnte auf dem Massenmarkt günstig hergestellt werden und greift nicht in den optischen Aufbau des Lasers ein. Eine schematische Darstellung der verwendeten Elektronik ist in Abb.7 dargestellt.



Abb. 7: Schematische Darstellung der Regelungselektronik


Neben den experimentellen Bemühungen an eine Optimierung der Stabilisierung wurde in der Vergangenheit auch grundlegenden physikalischen Fragestellungen nachgegangen. Wir beschreiben den Laser und die Rückkopplung mittels deterministischen Ratengleichungen. Die Modellbetrachtungen geben Aufschluss über die Stabilisierbarkeit des Lasers in Abhängigkeit der Modenkonfiguration, der Pumpleistung und der Bandbreite der Regelung (Abb. 8/9). Experimentelle Ergebnisse stimmen recht gut mit den theoretischen Erwartungen überein und sind in Abb. 10/11 dargestellt (Modell zur Abhängigkeit der stabilen Bereiche von der Pumpleistung ähnlich zu Abb.8).

Abb.8: Bereiche stabilisierter Laserausgangsleistung im Raum der Rückkopplungsparameter bei unterschiedlicher Modenkonfiguration [x,y]
Abb.9: Stabilitätsbereiche in Abhängigkeit der
Regelungsbandbreite


Abb. 10: Experimentelle Ergebnisse der Stabilisierung: Farbig kodiert ist die verbleibende Fluktuation im infraroten Licht bei der relativen Pumprate 1.38
Abb.11: Experimentelle Ergebnisse der Stabilisierung: Farbig kodiert ist die verbleibende Fluktuation im infraroten Licht bei der relativen Pumprate 2.07


In den Abbildungen sollte zum Ausdruck kommen, dass die Stabilisierung der Laserausgangsleistung prinzipiell funktioniert. Die Stabilitätsbereiche im Raum der Rückkopplungsparameter sind aufgrund der Regelungsbandbreite begrenzt und nicht unendlich. Die Bereiche verkleinern sich für steigende Pumpleistung und zunehmend symmetrische Modenkonfiguration, welche allerdings zu einer höheren Effizienz der Grün-Konvertierung führt.


Weitere Untersuchungen zu den Themen Einfluss von dynamischem Rauschen sowie Einfluss der Polarisationsrichtung der Pumplaserdiode auf die Laserdynamik werden im Rahmen dieses Projektes durchgeführt.



17.06.2002 Webmaster