Bauer, Dominik

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Ultrafast thin-disk multi-pass amplifier system providing 1.9 kW of average output power and pulse energies in the 10 mJ range at 1 ps of pulse duration for glass-cleaving applications

2020-04-13, Dietz, Thomas, Jenne, Michael, Bauer, Dominik, Scharun, Michael, Sutter, Dirk, Killi, Alexander

An ultrafast Yb-doped thin-disk multi-pass laser amplifier system with flexible parameters for material processing is reported. We can generate bursts consisting of four pulses at a distance of 20 ns and a total energy of 46.7 mJ at a repetition rate of 25 kHz. In single-pulse operation, 1.5 kW of average output is achieved at 400 kHz when optimizing for a beam quality of M2 = 1.5. Alignment for maximum output power provides 1.9 kW at the same repetition rate. All results are obtained without chirped-pulse amplification in the multi-pass set-up. The application potential of the system is demonstrated exploring its performance in materials processing of dielectrics. Cleaving of 3.8-mm-thick SCHOTT borofloat glass with a velocity of 1200 mm/s is demonstrated with 300 W of input power. Single-pass modification of 30 mm borosilicate glass is enabled with a Bessel beam at 1 kW of average power delivered by four-pulse bursts of an energy of 30 mJ.

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Characterization of InGaAs and InGaAsN semiconductor saturable absorber mirrors for high-power mode-locked thin-disk lasers

2011, Schättiger, Farina, Bauer, Dominik, Demsar, Jure, Dekorsy, Thomas, Kleinbauer, Jochen, Sutter, Dirk H., Puustinen, Janne, Guina, Mircea

We report a comparative study of carrier dynamics in semiconductor saturable absorber mirrors (SESAMs) containing InGaAs quantum wells and InGaAsN quantum wells (QWs). The static and dynamic reflectivity spectra were measured with a Fourier-transform-infrared-spectrometer and a pump-probe setup, respectively. The influence of rapid thermal annealing (RTA) on carrier dynamics was studied. Due to the reduction of defect states by RTA we observed an increase of the static reflectivity and an increase of the electron–hole recombination time. We demonstrate that nitrogen incorporation causes a decrease of the static reflectivity of the SESAMs, an increase of the modulation depth, and a reduction of the carriers’ recombination time. We also investigated the mode-locking behavior of the SESAMs in an Yb:YAG thin-disk laser oscillator. The highest pulse energies directly obtained from a laser oscillator under stable operation conditions were achieved when using a SESAM with InGaAsN quantum wells.

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Pulse energies exceeding 20 μJ directly from a femtosecond Yb:YAG oscillator

2009, Neuhaus, Jörg, Bauer, Dominik, Kleinbauer, Jochen, Killi, Alexander, Weiler, Sascha, Sutter, Dirk H., Dekorsy, Thomas

We demonstrate the generation of the highest pulse energies ever reported directly from a mode-locked oscillator: Twenty-five microjoules from a thin-disk oscillator operating in air, corresponding to an average output power of seventy-three watts.

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Ultrafast Yb:YAG thin-disk oscillator with pulse energies exceeding 25 μJ suitable for efficient ablation with negligible heat affects

2009, Neuhaus, Jörg, Bauer, Dominik, Scharfenberg, Christoph, Sutter, Dirk H., Kleinbauer, Jochen, Weiler, Sascha, Killi, Alexander, Dekorsy, Thomas

We have studied experimentally and numerically the pulse shaping dynamics of a diode-pumped thin-disk laser oscillator with active multipass cell and large output coupling rates. We demonstrate the generation of high energy subpicosecond pulses with energies of up to 25.9 μJ and durations of 928 fs directly from a thin-disk laser oscillator without further amplification. We have achieved these results by employing a selfimaging active multipass geometry in order to increase the output coupling rate for a suppression of nonlinear optical effects. With this system we have obtained stable single pulse operation in ambient atmosphere with average output powers above 76W at a repetition rate of 2.93 MHz. A semiconductor saturable absorber mirror was used to start and stabilize passive soliton mode locking. The experimentally studied laser pulses show good agreement with numerical simulations including the appearance of Kelly sidebands. We also present a modification to the soliton area theorem that is applicable for such a laser oscillator with active multiple pass cell and large output coupling rate. Furthermore, we demonstrate the laser's potential for micro machining applications by showing first examples of material processing, such as the determination of ablation thresholds and ablation rates for various materials.

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Mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator with 41 µJ pulse energy at 145 W average infrared power and high power frequency conversion

2012-04-23, Bauer, Dominik, Zawischa, Ivo, Sutter, Dirk H., Killi, Alexander, Dekorsy, Thomas

We demonstrate the generation of 1.1 ps pulses containing more than 41 µJ of energy directly out of an Yb:YAG thin-disk without any additional amplification stages. The laser oscillator operates in ambient atmosphere with a 3.5 MHz repetition rate and 145 W of average output power at a fundamental wavelength of 1030 nm. An average output power of 91.5 W at 515 nm was obtained by frequency doubling with a conversion efficiency exceeding 65%. Third harmonic generation resulted in 34 W at 343 nm at 34% efficiency.

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Numerical analysis of a sub-picosecond thin-disk laser oscillator with active multipass geometry showing a variation of pulse duration within one round trip

2010, Neuhaus, Jörg, Bauer, Dominik, Kleinbauer, Jochen, Killi, Alexander, Sutter, Dirk H., Dekorsy, Thomas

The mode locking dynamics of a diode-pumped thin-disk laser oscillator with an active multipass cell operated in ambient atmosphere was studied numerically. The numerical results are compared to experimental results of a passively mode-locked thin-disk Yb:YAG laser with several megahertz repetition rate, sub-picosecond pulse duration, and >10 μJ pulse energy. The numerical simulations prove that the soliton area theorem predicts a correct pulse duration when considering an average pulse energy inside the oscillator. Furthermore, they show a variation in the full width at half-maximum pulse length for the pulse that propagates within the oscillator. This oscillation shows a behavior that is contrary to a change in the pulse length given by the soliton area theorem when considering the real pulse energies at respective points in the resonator. The breathing is caused by the strong influence of the self-phase modulation of the ambient atmosphere and large amounts of dispersion resulting in a deviation from the sech2 pulse shape and a chirped pulse.

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The broad applicability of the disk laser principle : from CW to ps

2009, Killi, Alexander, Stolzenburg, Christian, Zawischa, Ivo, Sutter, Dirk, Kleinbauer, Jochen, Schad, Sven, Brockmann, Rüdiger, Weiler, Sascha, Neuhaus, Jörg, Bauer, Dominik

The quasi two-dimensional geometry of the disk laser results in conceptional advantages over other geometries. Fundamentally, the thin disk laser allows true power scaling by increasing the pump spot diameter on the disk while keeping the power density constant. This scaling procedure keeps optical peak intensity, temperature, stress profile, and optical path differences in the disk nearly unchanged. The required pump beam brightness - a main cost driver of DPSSL systems - also remains constant. We present these fundamental concepts and present results in the wide range of multi kW-class CW-sources, high power Q-switched sources and ultrashort pulsed sources.

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Modengekoppelte Scheibenoszillatoren für Materialbearbeitung

2012, Bauer, Dominik

Mikromaterialbearbeitung ohne merkliche Wärmeeinflüsse, bei denen das Material bereits ablatiert wird, bevor sich die Wärme im Material verteilt, erfordert kurze Laserimpulse im Piko- und Femtosekundenbereich mit über 10 µJ Energie. Für Impulse dieser Energie waren bisher aufwändige und damit meist kostspielige Systeme aus Oszillator und Verstärker notwendig. Mit modengekoppelten Scheibenlasern lassen sich diese Parameter nun direkt erreichen.

Die Scheibenlasertechnologie, basierend auf einem flächig gekühlten, sehr dünnen Verstärkungsmedium, weist sehr geringe pumpleistungsabhängige Verformungen desselben auf und ist gut über die Fläche leistungsskalierbar. Zudem sind ungewollte nichtlineare Effekte, speziell im Impulsbetrieb, bei Scheibenlasern verschwindend, was in Kombination mit einem sättigbaren Halbleiterabsorberspiegel (engl. Semiconductor Saturable Absorber Mirror, SESAM) diese hohen Impulsenergien direkt aus modengekoppelten Oszillatoren erlaubt.


Mit zwei Konzepten, beide basierend auf Yb:YAG-Scheibenmaterialien, wurden vor Beginn der vorliegenden Arbeit erstmals die für viele Materialbearbeitungsanwendungen nötigen Impulsenergien von über 10 µJ erreicht. Ein Konzept verringerte die limitierenden Nichtlinearitäten der Luft, indem der Resonator mit Helium geflutet wurde, während das andere Konzept die resonatorinterne Leistung verringerte. Dazu wurde die Verstärkung mit mehreren Scheibenübergängen in einer aktiven Mehrfachabbildung (englisch Active Mulipass Cell, AMC) pro Resonatorumlauf gesteigert und die Auskoppelrate auf über 60% erhöht.

Mit einer AMC waren die bisher höchsten Impulsenergien von bis zu 25,9 µJ möglich. Die höchsten erreichbaren modengekoppelten Ausgangsleistungen, mit Yb:Lu2O3 als Scheibenmaterial, waren bisher 141 W.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein modengekoppelter Oszillator, mit Ausgangsleistungen von 145,2 W und Impulsenergien von 41,4 µJ bei einer Impulslänge von 1120 fs gezeigt. Dieser basiert auf dem AMC-Konzept und operiert in Luft.

Das AMC-Konzept scheint ideal zum gleichzeitigen Erreichen hoher Ausgangsleistungen und Impulsenergien geeignet. Dieser Oszillator weist eine Repetitionsrate von 3,51 MHz und eine Resonatorlänge von 42,7 m auf. Zum Starten und Stabilisieren der Modenkopplung diente ein SESAM.
Zudem werden erste Skalierungsversuche des AMC-Konzepts auf niedrigere Repetitionsraten von 2,57 MHz und Impulsenergien von 31,7 µJ präsentiert.
Mit diesen Oszillatoren ergeben sich interessante Anwendungen im der Bereich nichtlineare Frequenzkonversion und vor allem im Bereich der Materialbearbeitung.

Mit Pikosekundenimpulsen ist es möglich, Materialien wie Metalle und Halbleiter mit minimaler Schmelzphase abzutragen. In diesem Zusammenhang werden Ablationsergebnisse mit kaum sichtbarem Wärmeeintrag bei verschiedenen Verfahrgeschwindigkeiten, Repetitionsraten und auf verschiedenen Materialien vorgestellt.


Effiziente Frequenzkonversion der hochenergetischen Oszillatorimpulse ist wegen der bandbreitelimitierten ultrakurzen Impulse mit sehr hohen Spitzenleistungen möglich. Es werden Frequenzverdopplung zu 515 nm Wellenlänge mit 70% Effizienz und Frequenzverdreifachung zu 343 nm Wellenlänge mit 34% Effizienz gezeigt.
Des Weiteren wird eine lineare Verstärkungseinheit, basieren auf einer AMC, präsentiert. Diese erlaubt 50 W Eingangsleistung auf 193 W zu verstärken.


Es werden alle grundlegenden physikalischen Zusammenhänge zum verwendeten Modenkopplungsmechanismus erklärt und verschiedene Limitierungen zu hohen und niedrigen Leistungen hin besprochen. Es wird auf die physikalischen Eigenschaften von Laserscheiben eingegangen. Diese werden einem Konzeptvergleich im Hinblick auf die Erzeugung ultrakurzer Impulse mit hoher Energie unterzogen. Zudem werden die Vorzüge und Limitierungen des AMC-Konzepts eingehend besprochen. Die Eigenschaften von SESAMs, ihre Charakterisierung und konzeptionelle Verbesserungen werden gezeigt.


Eine umfassende Diskussion der Limitierungen weiterer Leistungs- und Impulsenergieskalierungen zeigt, dass noch Skalierungen der Ausgangsleistungen und Impulsenergien möglich sind, was viele interessante Einsatzmöglichkeiten erwarten lässt.

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High-energy ultrafast thin-disk oscillators

2009, Neuhaus, Jörg, Bauer, Dominik, Scharfenberg, Christoph, Sutter, Dirk H., Kleinbauer, Jochen, Weiler, Sascha, Killi, Alexander, Dekorsy, Thomas

We have studied experimentally and numerically the pulse shaping dynamics of a diode-pumped thin-disk laser oscillator with active multipass cell and large output coupling rates. We demonstrate the generation of high energy subpicosecond pulses with energies of up to 25.9 μJ and durations of 928 fs directly from a thin-disk laser oscillator without further amplification. We have achieved these results by employing a selfimaging active multipass geometry in order to increase the output coupling rate for a suppression of nonlinear optical effects. With this system we have obtained stable single pulse operation in ambient atmosphere with average output powers above 76W at a repetition rate of 2.93 MHz. A semiconductor saturable absorber mirror was used to start and stabilize passive soliton mode locking. The experimentally studied laser pulses show good agreement with numerical simulations including the appearance of Kelly sidebands. We present a modification to the soliton area theorem that is applicable for such a laser oscillator with active multiple pass cell and large output coupling rate. While numerically simulating the laser, we also investigated the intracavity pulse dynamics within one round-trip and limitations for power scaling. Furthermore, we demonstrate the laser's potential for micro machining applications by showing first examples of material processing, such as the determination of ablation thresholds and ablation rates for various materials.

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Dielectric coatings for optimized low-loss saturable absorbers for high-power ultrafast laser

2009, Zhang, Liang, Schättiger, Farina, Neuhaus, Jörg, Bauer, Dominik, Dekorsy, Thomas, Chen, Yafu

With the development of high power ultrafast laser passively mode-locked by a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM), the damage threshold and degeneration mechanism of the SESAM become more and more important. One way to reduce the maximulIl electric field inside the active part of the SESAM is the use of a dielectric coating on the top of the semiconductor structure. With Fresnel formula, optical transfer matrix, and optical thin film theory, the electric field distribution and reflectance spectrum can be simulated. We introduce the design principles of SESAM including the dependence of reflectance spectrum on dielectric function of absorber, and investigate the dependences of the electric field distribution, modulation depth, reflectance spectrum, and the relative value of incident light power at the top quantum well of SESAM on the number of Si02/Ta205 layers.