Numerische Modellierung, experimenteller Aufbau und optische Charakterisierung eines spektral weit abstimmbaren, einfrequenten Self-Injection Seeding

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Numerische Modellierung, experimenteller Aufbau und optische Charakterisierung eines spektral weit abstimmbaren, einfrequenten optisch parametrischen Generators mit Self-injection Seeding

In dieser Arbeit wird über den experimentellen Aufbau, die Untersuchung der optischen Eigenschaften und die numerische Modellierung eines spektral weit abstimmbaren, einfrequenten optisch parametrischen Generators (OPG) mit Self-Injection Seeding berichtet. Self-Injection Seeding ermöglicht die Erzeugung abstimmbarer, einfrequenter
Strahlung in Spektralbereichen, bei denen keine geeigneten Seedquellen zur Verfügung
stehen. Der Wellenlängenabstimmbereich ist dabei zusätzlich nicht durch die limitierte
Abstimmbandbreite herstellbarer Seedlaser beschränkt.

Der OPG besteht aus einem 55 mm langen, periodisch gepolten Kristall aus kongruentem LiNbO3 mit einer Domänenperiode von 29,5 µm. Die Pumpstrahlung wird
von einem einfrequenten Nd:YVO4-Oszillator-Verstärker-System erzeugt. Das System
emittiert nahezu Fourier-limitierte Impulse mit einer Impulsdauer von 11 ns bei einer
abstimmbaren Impulsrepetitionsrate um 10 kHz in einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl (M²<1,2). Die mittlere Ausgangsleistung beträgt maximal 4 W. Zur Erzeugung der Seedstrahlung wird ein geringer Prozentsatz der Energie der erzeugten
OPG-Signalimpulse entlang einer 22 km langen Standard-Single-Mode-Faser (S-SMF)
verzögert und mit dem jeweils nachfolgenden Pumpimpuls räumlich und zeitlich überlagert. Die Wellenlänge und die spektrale Bandbreite der Seedstrahlung können mit
Hilfe eines Faser-Fabry-Pérot-Interferometers (FFPI) mit einer Finesse von 1800 und
einem freien Spektralbereich von 1375 GHz kontrolliert werden.

Zur zeitgenauen Superposition der Seedimpulse mit den jeweils nachfolgenden Pumpimpulsen war es notwendig, ein neues Konzept zur akustooptischen Güteschaltung hoher zeitlicher Präzision zu entwickeln. Im Gegensatz zu kommerziellen Systemen konnte dadurch die Zeit zwischen jeweils aufeinanderfolgenden Laser-Impulsen bei stufenlos abstimmbarer Impulsrepetitionsrate mit einer zeitlichen Genauigkeit von < +/-300 ps eingestellt werden.

Bei spektral breitbandiger Strahlungsrückkopplung wurde eine maximale OPG-Gesamtausgangsleistung von 1,5 W erzielt, entsprechend einer Signalleistung von
1,1 W (Signalwellenlänge: 1558 nm) und einer Idlerleistung von 0,4 W (Idlerwellenlänge: 3356 nm). Durch Änderung der Verzögerungszeit zwischen Pump- und Seedimpuls konnte die spektrale Bandbreite der OPG-Strahlung um einen Faktor 2 von 204 GHz auf 102 GHz reduziert werden. Bei einer OPG-Ausgangsleistung von
0,4 W (Pumpleistung: 1,75 W) betrug der Reduktionsfaktor 50 (von 215 GHz auf 4,3 GHz). Gleichzeitig führte spektral breitbandige Strahlungsrückkopplung zu einer Vergrößerung bzw. Erniedrigung der OPG-Strahldivergenz in Abhängigkeit der Verzögerungszeit.

Bei spektral gefilterter Strahlungsrückkopplung betrug die maximale OPG-Gesamtausgangsleistung 1,43 W, entsprechend einer Signalleistung von 1,04 W bei 1562 nm und einer Idlerleistung von 0,39 W bei 3337 nm. Durch Abstimmung der Seedwellenlänge bei einer konstanten Zentralwellenlänge des parametrischen Verstärkungsspektrums bei 1562 nm konnte ein Abstimmbereich einfrequenter Strahlung von 430 GHz realisiert werden. Die Rauschunterdrückung betrug größer
30 dB. Innerhalb des Durchstimmbereiches variierten die OPG-Signalbandbreite und die OPG-Ausgangsleistung innerhalb eines Bereiches von 220-390 MHz bzw. 1,36-1,43 W. Die minimal erforderliche Seedleistung lag innerhalb eines Intervalls von 11-98 pW. Bei Wellenlängenverstimmung von großen zu kleinen Signalwellenlängen nahm die Beugungsmaßzahl senkrecht und parallel zur Polarisation von 6,7 auf 6,4 bzw. von 4,0 auf 3,6 ab. Dieses Verhalten konnte durch das Auftreten nichtkollinearer Quasi-Phasenanpassung erklärt werden.

Durch simultane Abstimmung der Transmissionswellenlänge des FFPI und der Zentralwellenlänge der parametrischen Verstärkung wurde ein Abstimmbereich von 1545-1605 nm auf der Signalwelle bzw. 3157-3418 nm auf der Idlerwelle realisiert. Die
minimal erforderliche Seedleistung variierte in einem Bereich von 10-700 pW. Die
OPG-Signalbandbreite betrug 195-230 MHz. Die OPG-Gesamtausgangsleistung nahm
Werte zwischen 1,33 W und 1,43 W an. Die minimale Schrittweite der Abstimmung
entsprach der Fußpunktsbreite des geseedeten OPG-Spektrums (ca. 550-650 MHz).

Zum qualitativen Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit theoretischen Vorhersagen wurde ein numerisches Modell eines ns-OPG mit spektral breitbandiger und spektral gefilterter Strahlungsrückkopplung entwickelt. Mit Hilfe der Simulationsrechnungen konnte der experimentell beobachtete Einfluss des Self-Injection Seeding auf die spektralen und zeitlichen OPG-Eigenschaften sowie auf die OPG-Ausgangsleistung theoretisch verstanden werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals ein spektral weit abstimmbarer, einfrequenter
ns-OPG mit Self-Injection Seeding durch Faser-Rückkopplung realisiert. Die maximale
Abstimmbandbreite sowie die minimale spektrale Linienbreite der OPG-Strahlung waren lediglich durch die Domänenperiode des zur Quasi-Phasenanpassung verwendeten
Kristalls bzw. das spektrale Auflösungsvermögen des FFPI beschränkt. Die experimentellen Untersuchungen dienen als Machbarkeitsstudie und lassen sich auf andere Wellenlängenbereiche übertragen. Eine numerische Beschreibung eines spektral breitbandigen ns-OPG sowie eine Simulation des Einflusses von Injection Seeding auf die OPG-Eigenschaften waren ebenfalls bisher in der Literatur nicht zu finden.

Marco Rahm, 1974 geboren in Kaiserslautern, 1994 Abitur in Kusel, 1995-2001 Studium der Physik an der Universität Kaiserslautern, 2001 Diplom, 2002-2005 Stipendium der Deutschen Forschungsgemeinschaft, 2006 Promotion an der Technischen Universität Kaiserslautern