Verstärkung ultrakurzer Pulse mit Colquiriiten

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2008) [Doktorarbeit]

Seite(n): XI, 141 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Femtosekundenlasersysteme finden seit der ersten Erzeugung von Laserpulsen mit Pulslängen < 1ps Einsatz in Forschung und Wissenschaft und zunehmend auch in industriellen Anwendungen. Wesentlich für diese Entwicklung von Labor- zu kommerziell einsetzbaren Systemen war der Wechsel von Farbstoffen zu Festkörperkristallen als laseraktivem Medium. Insbesondere Titan-Saphir(TiSa)-Kristalle haben eine weite Verbreitung in kommerziell verfügbaren Femtosekundenlasersystemen gefunden. Stellen TiSa-Lasersysteme hinsichtlich kürzester Pulslängen und höchster Pulsenergien für Pulse kleiner 100fs den Stand der Technik dar, so erfordern sie trotz ihrer technischen Reife noch einen apparativen Aufwand, der ihren Einsatz in einem breiten Feld von Anwendungen einschränkt. Hauptgrund für die komplexen und kostenintensiven Gesamtsysteme ist die Pumpquelle im grünen Spektralbereich, die aufgrund des spezifischen Absorptionsspektrums der TiSa-Kristalle erforderlich ist. In diesem Spektralbereich sind keine Diodenlaser verfügbar, so daß auf frequenzkonvertierte Festköperlaser zurückgegriffen werden muss. Ausgangspunkt für die Entwicklung des in dieser Arbeit beschriebenen Lasersystems war das Fehlen von direkt diodengepumpten Lasersystemen mit Pulsdauern unter 100 fs und Spitzenleistungen über 1 GW. Können die erwünschten Eigenschaften von Intensität bzw. elektrischem Feld zum Teil auch mit anderen Lasermedien unter Anregung mittels Diodenlaserstrahlung erreicht werden, so besitzen die Colquiriite hinsichtlich ihrer großen Verstärkungsbandbreite ein Alleinstellungsmerkmal. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein direkt diodengepumpter regenerativer Verstärker auf Basis von Colquiriiten aufgebaut. Das Verstärkungsverhalten der Colquiriite wurde theoretisch und experimentell untersucht; dabei traten keine signifikanten Differenzen zwischen der theoretischen Analyse und den durchgeführten Experimenten zu Tage. Eine in der Literatur bekannte Lösung der Ratengleichung unter Berücksichtigung von Energy Transfer Upconversion wurde um einen korrigierenden Faktor erweitert. Für die betrachteten Parameter wurde so ein numerischer Fehler im Vergleich zur bekannten Lösung, der oberhalb von 10% liegt, korrigiert. Erstmals wurde eine geschlossene Lösung zur maximal möglichen Energieextraktion in regenerativen Verstärkern abgeleitet. Um die Colquiriite effizient anzuregen wurde erstmals eine Pumpquelle mit Diodenlaserbarren im roten Spektralbereich (685 nm) aufgebaut. Die erzielte Gesamtpumpleistung größer 20W bei annähernd symmetrischen Strahlqualitäten von M2 ungefähr gleich 30 in vier Pumpstrecken stellt die bislang höchste realisierte Pumpleistung zur Anregung von Colquiriiten auf Basis von Laserdioden dar. Erstmals wurde eine stretcherfreie CPA mit Manipulation von spektraler Phase über gechirpte Spiegel während der resonatorinternen Verstärkung demonstriert. Zudem wurde erstmals die Spektrale Amplitude im regenerativen Verstärker über einen Spiegel, dessen Verlauf der spektralen Reflexion dem Gain-Narrowing entgegenwirkt, gezielt manipuliert. Nichtlineare Effekte während des Verstärkungsvorgangs wurden nicht beobachtet. Die theoretischen Betrachtungen zur Puls-Propagation im Resonator legen aber die Vermutung nahe, daß das demonstrierte Stretcher-Kompressor-Konzept bei wesentlich größeren Pulsenergien nicht mehr angewandt werden kann. Upconversion hatte bei den zur Verfügung stehenden Pumpleistungen keinen erheblichen Einfluss auf die deponierbare Energie in den Laserkristallen. Thermal Quenching limitierte den Betrieb des Systems auf eine Wiederholrate von 2,5 kHz. Die Homogenität der Laserkristalle hinsichtlich ihres Verstärkungsverhaltens ließ den Einsatz dünnerer Kristalle zur Erhöhung der mittleren Leistung des Systems nicht zu. Die erreichte Pulsdauer unterschreitet mit 75 fs den Stand der Technik der diodengepumpten Colquiriit-Verstärker um den Faktor zwei; die erreichte, nutzbare Pulsenergie übertrifft den Stand der Technik mit 160 µJ um mehr als eine Größenordnung. Das entwickelte Ultrakurzpulssystem wurde erfolgreich zur Mikrostrukturierung von biologischem Gewebe und zur direkten Erzeugung von ultrakurzgepulster Röntgenstrahlung eingesetzt.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Mans, Torsten Günter

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-24335
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-112774