Pumpkopfdesign für den Advanced LIGO* Laser (*LIGO = Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory)

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Hohe Laserleistungen im Dauerstrichbetrieb bei gleichzeitig guter Strahlqualität, kleinen Linienbreiten und geringem Leistungs- und Frequenzrauschen sind die Anforderungen an Lasersysteme, die in Gravitationswellendetektoren eingesetzt werden sollen, die nach dem Prinzip eines Michelson-Interferometers arbeiten. In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen vorgestellt, mit denen das Laserkonzept für den Gravitationswellendetektor LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) weiter entwickelt wurde. In seiner aktuellen Ausbaustufe soll das LIGO Lasersystem um einen injektionsgekoppelten Nd:YAG Hochleistungsoszillator ergänzt werden, mit dessen Hilfe die Laserleistung von 35 W auf 165 W skaliert werden soll. Die Komplexität dieses Oszillators erlaubt nur bedingt eine genaue Untersuchung seiner Limitierungen in Ausgangsleistung und Strahlprofil. Daher wurde das System für die in dieser Arbeit vorgestellten Experimente stark vereinfacht, lässt aber trotzdem Rückschlüsse auf das LIGO-Lasersystem zu. Es wird ein asymmetrischer Stehwellenresonator verwendet, der aus zwei sich gegenüber stehenden, longitudinal gepumpten Nd:YAG Kristallen besteht. Zwischen den Kristallen befindet sich eine Doppelbrechungskompensation, die aus einer 4f-Abbildung und ein 90° Quarzrotator besteht. Der Einfluss von Änderungen der Resonatorgeometrie, der Pumplichtverteilung innerhalb des Lasermediums und des Lasermediums selbst auf das Laserverhalten werden separat betrachtet. Das Konzept dynamisch stabiler Resonatoren erlaubt die Selektion der transversalen Grundmode über die Wahl der optimalen Resonatorarmlängen. Die Wahl wird von thermo-optischen Effekten beeinflusst, wie sie in dieser Arbeit mit Hilfe unterschiedlicher Methoden charakterisiert werden. Durch die Pumplichtverteilung im Laserkristall kann das Anschwingen unterschiedlicher Moden kontrolliert und die Effizienz optimiert werden. Bei einer sehr guten Strahlqualität des Pumplichtes können sich jedoch durch die Konzentration des Pumplichtes in der Nähe der Kristallachse thermo-optische Effekte verstärken. Es wird untersucht, wie Effizienz, Strahlqualität und Ausgangsleistung von der Pumplichtverteilung im Laserkristall abhängen. Verschiedene Möglichkeiten, Nd:YAG Kristalle hinsichtlich ihrer Dotierung zu charakterisieren, werden vorgestellt. Mit dem Ziel, einen Kristalltyp vorzuschlagen, der möglichst effizient eingesetzt werden kann, werden unterschiedliche Kristalldesigns untersucht. Ausgangspunkt sind mit 0,1 at.\% dotierte Nd:YAG Kristalle, die für einen Pumplicht-Doppeldurchgang ausgelegt sind. Vergleichend werden Kristalle evaluiert, die aus Segmenten unterschiedlicher Dotierung bestehen und damit niedrigere longitudinale Temperaturgradienten aufweisen. Höher dotierte Kristalle, die abseits des Nd:YAG-Absorptionsmaximums gepumpt werden, bieten Vorteile hinsichtlich einer reproduzierbareren Kristallqualität. Mit der Dotierung ändern sich jedoch die Pumplichtanteile, die in Wärme, Fluoreszenz und stimulierte Emission übergehen. Dieser Zusammenhang wird in Rahmen der Arbeit analysiert. Die Depolarisation linear polarisierter Laserstrahlung kann in gepumpten Nd:YAG Kristallen, die in ¹¹⁰- oder ¹⁰⁰-Richtung geschnittenen sind, reduziert werden. Ein völliger Verzicht auf eine Doppelbrechungskompensation führt jedoch zu schlechteren Ergebnissen, als die Verwendung von in der üblichen ¹¹¹-Richtung geschnittenen Kristallen mit Doppelbrechungskompensation. Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen haben Einfluss auf die Entwicklung und das Verständnis des LIGO-Oszillator genommen, so dass in die amerikanischen Gravitationswellendetektoren ein ausgereiftes Lasersystem integriert werden konnte.