Die Wechselwirkung intensiver Laserstrahlung mit Materie führt zu einer Reihe interessanter physikalischer Effekte und Anwendungen. Insbesondere sind dabei laserinduzierte Plasmen als neuartige Quelle für hochenergetische Elektronen-, Protonen- und Ionenstrahlen sowie Gamma- und Röntgenstrahlung hervorzuheben. Zur Erzeugung der benötigten Laserpulse sind mehrstufige Lasersysteme nach dem MOPA-Prinzip (Master Oscillator Power Amplifier) mit Spitzenleistungen bis zu 10^15 Watt erforderlich. Die Entwicklung solcher Systeme stellt höchste Anforderungen an jede einzelne Komponente.
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN
2.1 Yb-dotierte Festkörperlaser
2.1.1 Aufbau moderner Hochleistungslaser
2.1.2 Besetzungsinversion und Kleinsignalverstärkung
2.1.3 Ytterbium als aktives Ion
2.2 Zeitaufgelöste Spektroskopie
3 SIMULATIONEN
3.1 Berechnung thermischer Linsen
3.2 Berechnung stabiler Resonatoren
4 GRUNDLEGENDE UNTERSUCHUNGEN ZUR CHARAKTERISIERUNG VON LASERMATERIALIEN
4.1 Durchlichtverfahren
4.2 Untersuchung der optischen Güte
4.2.1 Aufbau
4.2.2 Ergebnisse und Auswertung
4.3 Fluoreszenzlebensdauerbestimmung
4.3.1 Aufbau zur Messung der Lebensdauer
4.3.2 Ergebnisse und Auswertung
4.4 Absorptions- und Emissionsverhalten
4.5 Bestimmung von Zerstörschwellen
4.5.1 Durchführung der Zerstörmessung
4.5.2 Ergebnisse und Auswertung
5 AUFBAU EINES YB:CAF2-VERSTÄRKERS
5.1 Optimierung des Pumpaufbaus
5.2 Kleinsignalverstärkungsfaktor
5.3 Demonstration der Durchstimmbarkeit
5.4 Quasi-cw-Laserbetrieb und Güteschaltung
6 ZUSAMMENFASSUNG
A ANHANG
A.1 Weitere Messkurven und Abbildungen
A.2 Phase Retrieval Algorithmus
A.3 Quelltexte
A.3.1 Thermische Linse
A.3.2 Strahlradius und Stabilität
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Eignung von Ytterbium-dotiertem Calciumfluorid (Yb:CaF2) als Lasermedium für diodengepumpte Ultrakurzpulsverstärker. Ziel ist es, durch experimentelle Charakterisierung und numerische Simulationen zu belegen, dass dieses Material aufgrund seiner physikalischen Parameter, wie der hohen Zerstörschwelle und günstigen Fluoreszenzeigenschaften, eine effiziente Verstärkung und höhere Repetitionsraten in hochleistungsfähigen Lasersystemen wie dem POLARIS-Projekt ermöglicht.
- Charakterisierung der optischen Güte und Dotierungsprofile von Laserkristallen.
- Bestimmung der Fluoreszenzlebensdauer und des Absorptions-/Emissionsverhaltens.
- Analyse der laserinduzierten Zerstörschwellen zur Bewertung der Leistungsbelastbarkeit.
- Aufbau und Optimierung eines durchstimmbaren Yb:CaF2-Oszillators und Verstärkersystems.
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Aufbau moderner Hochleistungslaser
Für viele Anwendungen sind die Intensitäten der Pulse eines fs-Oszillators nicht ausreichend. Auf Grund der Zerstörschwellen optischer Bauteile können fs-Pulse nur mit besonderen Methoden bis zu mehreren Joule Pulsenergie verstärkt werden. Dazu entwickelten Strickland & Mourou 1985 [SM85] ein Verfahren, welches als „Chirped Pulse Amplification“ - Methode bezeichnet wird. Dabei wird einem Oszillator ein sehr kurzer Seedpuls mit niedriger Energie entnommen. Dieser wird dann im sogenannten Strecker zeitlich gedehnt, verstärkt und schlussendlich im Kompressor wieder komprimiert. Das Ergebnis sind kurze Pulse mit hoher Energie.
Der fs-Oszillator ist das sogenannte Frontend. Durch eine breite Verstärkungskurve können viele Moden anschwingen. Die Anzahl der Moden wird durch die Breite der Verstärkungskurve Δνg und die Resonatorlänge L bestimmt zu: N = Δνg * (2L / c).
Durch Modenkopplungs-Verfahren werden im Oszillator fs-Pulse erzeugt. Zwischen Oszillator und dem Folgeaufbau sorgt ein Pulse-Picker in Form eines Polarisators mit vorgeschalteter Pockelszelle dafür, die Repetitionsrate des Oszillators, die je nach Länge im MHz-Bereich (νrep = c / 2L) liegt, auf die Repetitionsrate des Gesamtlasersystems herabzusenken.
Aus der Fouriertransformation des zeitlichen Verlaufs der Feldstärke folgt eine Beziehung, die ähnlich der Unschärferelation ist und besagt, dass das Produkt aus Pulslänge und Bandbreite des Pulses größergleich einer Konstante ist: τ * Δν >= K. Dabei ist K pulsformabhängig und beträgt für Gauß-Pulse 0,44. Daraus resultiert, dass für kurze Pulse eine große spektrale Breite nötig ist. Dies liefert den Ansatz für das Verfahren der Chirped-Pulse Amplification. Um hohe Intensitäten während der Verstärkung zu vermeiden, die zu einer Zerstörung der Optiken führen würden, wird der Laserpuls zeitlich gestreckt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Motivation für das POLARIS-Projekt und die Notwendigkeit hocheffizienter, diodengepumpter Lasersysteme.
2 PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN: Erläuterung der MOPA-Technologie, der Ratengleichungen für quasi-Drei-Niveau-Systeme und der Materialeigenschaften von Yb:CaF2.
3 SIMULATIONEN: Numerische Berechnungen zur thermischen Linse und zum stabilen Resonatorbetrieb als Basis für das experimentelle Design.
4 GRUNDLEGENDE UNTERSUCHUNGEN ZUR CHARAKTERISIERUNG VON LASERMATERIALIEN: Experimentelle Bestimmung von optischer Güte, Fluoreszenzlebensdauer, Absorptionsverhalten und Zerstörschwellen.
5 AUFBAU EINES YB:CAF2-VERSTÄRKERS: Praktische Demonstration der Durchstimmbarkeit, des quasi-cw-Betriebs und der Güteschaltung unter Verwendung des untersuchten Materials.
6 ZUSAMMENFASSUNG: Ergebnisübersicht, die die Vorteile von Yb:CaF2 gegenüber bisher verwendeten Gläsern hervorhebt und den Einsatz in zukünftigen Lasersystemen empfiehlt.
A ANHANG: Ergänzende Messkurven, Erläuterung des Phase-Retrieval-Algorithmus und Mathematica-Quelltexte zur Simulation.
Schlüsselwörter
Yb:CaF2, Ultrakurzpulsverstärker, Diodenpumpen, Chirped Pulse Amplification, Fluoreszenzlebensdauer, Zerstörschwelle, thermische Linse, Resonatorstabilität, Laserphysik, Festkörperlaser, MOPA, Verstärkungsspektrum, quasi-cw-Betrieb, Güteschaltung, Strahleigenschaften
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht, ob das Material Ytterbium-dotiertes Calciumfluorid (Yb:CaF2) als Lasermedium für moderne Hochleistungslasersysteme, insbesondere für diodengepumpte Ultrakurzpulsverstärker, geeignet ist.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Die zentralen Themen sind die physikalischen Grundlagen der Laserverstärkung, numerische Simulationen von thermischen Linsen und Resonatoren sowie die experimentelle Charakterisierung des Materials hinsichtlich optischer Qualität, Spektroskopie und Zerstörfestigkeit.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist es, nachzuweisen, dass Yb:CaF2 durch seine physikalischen Parameter eine effizientere Energieextraktion und höhere Wiederholraten ermöglicht, um das POLARIS-Lasersystem am Institut für Optik und Quantenelektronik in Jena leistungsfähiger zu machen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es werden sowohl theoretische Modelle (Ratengleichungen, Gaußsche Optik) als auch umfangreiche experimentelle Methoden wie das Durchlichtverfahren, interferometrische Gütemessungen, Fluoreszenzlebensdauer-Messungen und Zerstörschwellen-Analysen angewandt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Laserbetriebs, die numerischen Simulationen zur thermischen Charakterisierung, die experimentellen Untersuchungen der Lasermaterialien und schließlich den praktischen Aufbau eines durchstimmbaren Laseroszillators und Verstärkers.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Forschung?
Wichtige Begriffe sind Yb:CaF2, Chirped Pulse Amplification (CPA), Zerstörschwelle, thermische Linse, Besetzungsinversion und diodengepumpte Systeme.
Warum ist die Fluoreszenzlebensdauer für Yb:CaF2 so wichtig?
Eine lange Fluoreszenzlebensdauer ermöglicht die Speicherung größerer Energiemengen im Lasermedium, wodurch bei gleicher Pumpenergie weniger Laserdioden benötigt werden, was die Effizienz eines diodengepumpten Systems entscheidend steigert.
Welche Erkenntnisse ergab der Vergleich der Zerstörschwellen?
Der Vergleich zeigte, dass Calciumfluorid eine deutlich höhere Zerstörschwelle aufweist als andere untersuchte Materialien wie Yb:YAG, Yb:KGW oder herkömmliche Fluorphosphat-Gläser, was es für Hochleistungsanwendungen besonders attraktiv macht.
Welche Rolle spielt die thermische Linse in den Simulationen?
Die thermische Linse fungiert als eine durch Temperaturgradienten induzierte Gradientenindexlinse, die das Strahlprofil beeinflusst und bei der Konzeption des Resonators zwingend berücksichtigt werden muss, um stabile Strahleigenschaften zu garantieren.
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- Axel Jochmann (Author), 2006, Untersuchungen an Lasermaterialien für diodengepumpte Ultrakurzpulsverstärker, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/276696
