Neuartige Konzepte und Anwendungen von diodengepumpten Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Strahlquellen

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Die Erzeugung von ultrakurzen Lichtimpulsen im Piko- und Femtosekunden-Bereich eröffnet viele Anwendungsmöglichkeiten bei der Untersuchung von extrem schnellen Prozessen in der Biologie, Physik und Chemie. Von besonderem Interesse ist hier der sichtbare Spektralbereich, in dem viele organische Stoffe Absorptionsmaxima zeigen. Aufgrund der begrenzten Abstimmbarkeit der Emissionswellenlänge typischer Lasermaterialien im Infrarot-Bereich stehen auch nach der Frequenz-verdopplung in den sichtbaren Spektralbereich für viele Anwendungen keine geeigneten Strahlquellen zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit war deshalb die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Ultrakurzpuls-Strahlquellen, die eine Erschließung neuer Wellenlängenbereiche ermöglichen. Dazu wurde zum einen eine Ultrakurzpuls-Strahlquelle hoher mittlerer Leistung, basierend auf dem Lasermaterial Yb:YAG, bei einer Wellenlänge von 1030 nm entwickelt. Zum anderen wurde, basierend auf dem physikalischen Effekt der stimulierten Raman-Streuung, ein neuartiges Konzept zur Erzeugung von ultrakurzen Lichtimpulsen bei neuen Wellenlänge demonstriert. Die Realisierung des Yb:YAG Lasers war erst durch die Untersuchung und numerische Modellierung der physikalischen Eigenschaften des Lasermaterials möglich, da in Hochleistungssystemen aufgrund des Quantendefekts große Wärmemengen im Laserkristall deponiert werden. Die daraus resultierenden Effekte, wie spannungsinduzierte Doppelbrechung oder das Ausbilden von starken thermischen Linsen, steigern mit zunehmender Pumpleistung die Anforderungen an das Resonatordesign und die Pumpanordnung. Im kontinuierlichen Betrieb emittierte der Laser, bei einer absorbierten Pumpleistung von 84 W, eine maximale Ausgangsleistung von 30 W in einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl (M2 < 1,1). Als Modenkopplungsverfahren wurde eine modifizierte selbststabilisierende Form der Additiv-Puls-Modenkopplung (APM) gewählt. Voraussetzung für die APM ist ein linear polarisierter Laserbetrieb, welcher durch ein neues Konzept trotz der starken spannungsinduzierten Doppelbrechung erreicht werden konnte. Im modenge-koppelten Betrieb wurde eine mittlere Ausgangsleistung von 25,5 W bei einer Impulsdauer von 648 fs und einer Wiederholrate von 122 MHz erzielt. Als limitierender Faktor für eine weitere Leistungsskalierung wurde das Erreichen der Zerstörschwelle der optischen Faser identifiziert.
Neben der Möglichkeit neue Wellenlängenbereiche durch neuartige Lasermaterialien zu erreichen, besteht die Möglichkeit durch stimulierte Raman-Streuung die Ausgangsstrahlung bekannter Raman-aktiver Lasermaterialien in der Wellenlänge zu verschieben. Für eine effiziente Konversion sind dazu hohe Impulsspitzenleistungen notwendig, wie sie modengekoppelte Laser liefern. Als Lasermaterial wurde das Raman-aktive Material Nd:YVO4 gewählt, da es aufgrund seiner laserphysikalischen Eigenschaften die Erzeugung modengekoppelter Impulse im Pikosekundenbereich ermöglicht. Durch stimulierte Raman-Streuung lässt sich so Strahlung bei einer Wellenlänge von 1176 nm erzeugen. Als Modenkopplungsverfahren für den Nd:YVO4 Laser wurde die Modenkopplung mit sättigbarem Halbleiterabsorber gewählt. Die Raman-Konversion erfolgte dabei durch synchrones Pumpen im Nd:YVO4 Laserkristall, welcher sich im überlappenden Teil zweier gekoppelter Resonatoren befand. Problematisch ist hierbei, dass die Raman-Konversion der Stabilisierung der modengekoppelten Impulse durch den Absorber entgegenwirkt, was anhand eines Systems mit geringer Raman-Konversion gezeigt werden konnte. Durch das hier entwickelte Konzept konnte erstmals ein Selbst-Raman-Laser mit einer Impulsdauer von wenigen Pikosekunden bei weiterhin stabiler Modenkopplung des Nd:YVO4 Lasers realisiert werden. Dabei wurde durch eine geeignete Verstimmung der Resonatoren der Hauptanteil der Raman-Konversion in die Impulsflanke der Nd:YVO4 Impulse verschoben. Dort führte sie analog zur Modulation der Impulsfront durch den langsamen sättigbaren Absorber zur Stabilisierung der Modenkopplung. Dies resultierte in einer Impulsverkürzung des Nd:YVO4 Lasers um 28 % auf 5,9 ps und eine Steigerung der mittleren Ausgangsleistung des Selbst-Raman-Lasers auf 340 mW bei einer Wiederholrate von 77 MHz. Die Impulse hatten dabei eine Dauer von 3,8 ps und eine spektrale Breite von 85 GHz. Durch eine Verlängerung des
Nd:YVO4 Kristalls konnte die mittlere Ausgangsleistung der Raman-Strahlung auf 420 mW bei einer Impulsdauer von 4,8 ps und einer Wiederholrate von 73 MHz gesteigert
werden. Durch nichtlineare Frequenzverdopplung der Raman-Strahlung in Lithiumtriborat (LBO) konnte eine mittlere Ausgangsleistung von 41 mW bei einer Wellenlänge von 588 nm und einer Impulsdauer von 3,2 ps erzielt werden.
Neben der kontinuierlichen Modenkopplung konnte durch eine Verstimmung, welche die Raman-Konversion in die Impulsfront der Nd:YVO4 Impulse verschob, der Q-Switch-Modenkopplungsbetrieb (QML) erreicht werden. Aufgrund der Überhöhung konnte die mittlere Ausgangsleistung auf 540 mW gesteigert werden. Die Impuls-dauer der Raman-Strahlung betrug 6,2 ps bei einer Repetitionsrate der Q-Switch-Einhüllenden von 377 kHz und einer Wiederholrate der modengekoppelten Impulse von 77 MHz.
Die erstmalige Realisierung und Untersuchung der hier vorgestellten synchron gepumpten pikosekunden Nd:YVO4 Selbst-Raman-Laser belegt die Leistungs-fähigkeit dieses Konzept zur Erschließung neuer Wellenlängen.