High-power green diode laser systems for biomedical applications

摘要

Diodelasere er meget attraktive til mange anvendelser på grund af deres unikke egenskaber. For eksempel i det biomedicinske område gør parametre som høj udgangseffekt, god rumlig kvalitet og fleksibelt bølgelængde-område det muligt at anvende diodelasere i for eksempel dermatologi, diffus spektroskopi og billeddannelse eller fluorescensmålinger.En stor udfordring i diodelaser teknologi er at opnå højt effekt ved bølgelængder 600 nm. Især lys ved grønne bølgelængder har stor betydning, for eksempel i dermatologi eller til direkte pumpning af ultrakort pulsede lasere sammen med optisk kohærens tomografi, to-foton mikroskopi eller kohærent anti-Stokes Raman mikroskopi.En egnet metode til at få høj effekt ved grønne bølgelængder er ikke-lineær frekvenskonvertering af state-of-the-art infrarøde diodelasere. Desværre er frekvensfordobling af enkelte emittere begrænset på grund af termiske effekter som potentielt resulterer i dårligere performance eller ødelagte lasere. I dette arbejde introduceres nye koncepter for effekt skalering af synlige diodelaser systemer, som hjælper med at overvinde de nuværende begrænsninger og styrke anvendelses-potentialet.Det grundlæggende princip er inkohærent, spektral kombinering af flere sammenlignelige diodelasere med efterfølgende ikke-lineær frekvenskonvertering. Med to 1062 nm taperede diodelasere og et reflekterende volumen Bragg gitter er der opnået mere end 16 W udgangseffekt ved en kombinationseffektivitet 93%. I forhold til lasere begrænset til bestemte atomare overgange tillader tuningen af diodelaseres bølgelængde mindre kritisk optisk opligning. Det vises, at denne slags inkohærent kombinering ikke påvirker den rumlige kvalitet af laseren og derfor effektivt øger lysstyrken af kompakte og omkostningseffektive diodelaser systemer.Den resulterende stråle bestående af to overlappende stråler er ideel til efterfølgende frekvenskonvertering. Baseret på sum-frekvens generering af to kombinerede diodelasere er der opnået en 3.2 gange forøgelse i synlig udgangseffekt i forhold til frekvensfordobling af en enkelt emitter. Det vises også at ulineær frekvenskonvertering forbedrer den rumlige kvalitet, hvilket resulterer i 3.9 W diffraktionsbegrænset grønt lys ved maksimal strøm.For at øge udgangseffekten yderligere, er det udviklede koncept udvidet til kombinering af flere diodelasere i et gitter. Kombineres tre diodelasere kan frekvensfordobling og sum-frekvens generering opnås samtidig og den unikke tunebarhed af diodelasere tillader at generere de samme emissionsbølgelængder for de to uafhængige processer. Den opnåede udgangseffekt er givet ved summen af de enkelte bidrag og indikerer potentialet for effekt skalering. Dette koncept er mest begrænset af den spektrale acceptans af ulineære krystaller og den praktiske realisering af overlappende gitre og kan derfor anvendes til at udvide mod et højere antal samtidige ikke-lineære konverteringer i avancerede, synlige, høj-effekt diodelaser systemer med øget potentiale indenfor mange anvendelser.For at vise det fordelagtige i anvendelse af grønne diodelaser systemer, anvendes en frekvensfordoblet taperet diodelaser til direkte pumpning af en mode-locked titanium safir laser. Den resulterende pumpe effektivitet reduceres til 75% i forhold til en kommerciel grøn faststoflaser. Imidlertid øger den høje elektro-optiske effektivitet af diodelasere den samlede effektivitet af titanium safir laseren med en faktor to. Mode-locking resulterer i en spektral båndbredde på 112 nm som tillader sub-20 fs pulser og beviser potentialet for fremtidige diodelaser baserede kompakte og effektive titanium safir lasersystemer.Anvendelse af en diode-pumpet titanium safir laser i optisk kohærens tomografi af nethinden og huden viser sammenlignelige resultater i forhold til kommercielle systemer. Tilføjelse af de udviklede koncepter af frekvenskonverterede kombinerede diodelaser systemer vil hjælpe med at overstige den høje pumpe tærskel for ultrabredbåndede titanium safir lasere og føre til diodelaser baseret optisk kohærens tomografi med høj opløsning og forbedret billedkvalitet.I deres helhed styrker de opnåede resultater anvendelses-mulighederne af diodelasere, herunder i det biomedicinske område.