With the prospect of high-intensity isolated attosecond pulses XUV pump-XUV probe spectroscopy as well as novel methods for controlling atomic-scale currents seem feasible paving the way for new physical, chemical, biological, and medical applications such as attosecond X-ray diffraction, non-invasive imaging and cancer therapy.
To reach these ambitious goals, optical parametric chirped pulse amplifcation (OPCPA) in combination with high harmonic generation (HHG) seems like a promising route. But this approach puts stringent demands on the pump laser driving it. To overcome these challenges Yb:YAG as active laser medium in a thin-disk geometry is often used offering a lot of favourable properties for high power applications with excellent beam quality.
Yb:Yag can be pumped at either 940 nm or, more recently, since the advent of Volume-Bragg-Grating stabilized diodes, at its Zero-Phonon-Line with a wavelength of 969 nm. These two wavelengths excite different transitions in the 5 F 1/2 electronic shell each exhibiting its own assets and drawbacks. This thesis will focus on a comparison between them.
A theoretical model of the conditions in the pumped thin-disk is created. Absorption of the pump light is calculated numerically. Amplified spontaneous emission and thermal effects are considered, too. The structure of the 5 F 1/2 energy manifold is accounted for thus allowing predictions for two different pumping wavelengths at 940 nm and 969 nm. To gauge the accuracy of the model the numerical calculations are compared with measurements conducted at LMU’s newly-built Laboratory for Extreme Photonics. A regenerative amplifer is set up to quantify the roundtrip gain at different pumping powers and wavelengths. The temperature of the pumped disk and its deformations as well as the single pass gain are measured, too. All measurements are in reasonable agreement with theory.
After the motivation for this work some basic properties of lasers are introduced. In chapter 3 the basics of thermodynamics and its application to laser gain media, especially Yb:YAG, will be covered. The previous considerations will be numerically applied to the case of a thin-disk regenerative amplifer in the 4. chapter. Additional aspects, like its cavity and nonlinear effects, will be considered, too. Chap. 5 will give a description of the experimental methods and setups used to check the numerical predictions while the raw measured data and its interpratation are stated chap. 6 and 7
Inhaltsverzeichnis
1. Motivation
2. Light Propagation and Gaussian Beams
2.1. Maxwell's Equations
2.2. ABCD-Matrix Formalism
2.3. Resonator
2.3.1. Stability
2.3.2. Modes
2.3.3. Losses
2.4. Peak intensity of a Gaussian beam
2.5. Nonlinear Effects
2.5.1. Second Order Nonlinearities
2.5.2. Third Order Nonlinearities
2.5.3. B-Integral
3. Laser Amplifier
3.1. Boltzmann Statistics
3.2. Einstein Coefficients
3.3. Rate Equations
3.4. (Quasi) Three-Level System
3.5. Gain and Amplified Spontaneous Emission
3.6. Yb:YAG Active Medium
3.6.1. Structure
3.6.2. Yb3+ Energy Levels
3.7. Thin-Disk Geometry
3.8. Regenerative Amplifier
4. Modelling
4.1. Rate Equations with Boltzmann Factors
4.2. Heat Generation and Flow
4.3. Influence of Amplified Spontaneous Emission
4.4. Cavity Mode Calculation
4.5. B-Integral
5. Experiment
5.1. Regenerative Amplifier Setup
5.1.1. Components
5.1.2. Imaging of the Pump Light
5.2. Gain Measurement
5.2.1. Multiple Roundtrip Gain
5.2.2. Single Pass
5.3. Wavefront Sensor Measurement
5.4. Thermal Imaging
6. Experimental Results
6.1. Temperature
6.2. CW-Performance
6.3. Single Pass Gain
6.4. Multiple Roundtrip Gain
6.5. Deformations of the Disk
7. Interpretation
7.1. Pump light spectra
7.2. CW-Performance
7.3. Gain Measurement
7.3.1. Single Pass Gain
7.3.2. Multiple Roundtrip Gain
7.4. Temperature
7.5. Thermal Effects
7.5.1. Thermal Lens and Bending
7.5.2. Deformations
8. Summary and Outlook
A. Appendix
A.1. Calculation of the B-Integral
A.2. Boltzmann-Factors
A.3. Measured Spectra
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht theoretisch und experimentell die Pumpbedingungen für Yb:YAG-Dünnscheibenlaser bei den Wellenlängen 940 nm und 969 nm. Ziel ist es, die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Pumpwellenlängen auf die Verstärkung, die thermischen Eigenschaften und die Strahlqualität zu analysieren und ein numerisches Modell zur Optimierung dieser Parameter zu validieren.
- Vergleich von 940 nm und 969 nm Pumpwellenlängen bei Yb:YAG-Dünnscheibenlasern
- Modellierung von thermischen Effekten und deren Einfluss auf die Strahlqualität
- Optimierung der Verstärkung in einem regenerativen Verstärker-Aufbau
- Experimentelle Validierung der numerischen Simulationsmodelle
- Untersuchung von ASE (Amplified Spontaneous Emission) und B-Integral-Grenzen
Auszug aus dem Buch
3.6.1 Structure
Garnets are neosilicates having the general formula A3B2[CO4]3. Belonging to the Ugrandit garnet subclass Yttrium-Aluminium-Garnet Y3Al2[AlO4]3 consists of three yttrium ions with dodecahedral, two aluminium sites with octahedral, and three aluminium ions with tetrahedral coordination. Eight of these repeating units form a unit cell (see fig. 3.3) with Ia3d symmetry. The Y3+ ions are coordinated with eight oxygen ions, the octahedral Al3+ with six, and the tetrahedral Al3+ ones with four. Since each AlO6 octahedron is connected via its edges to six AlO4 tetrahedrons and these are connected to four AlO6 octahedrons in return, the aluminium compounds form a framework (see fig. 3.3 (a)) on which trivalent rare earth ions can be incorporated into the empty sites thus sharing edges with the aluminium lattice (see fig. 3.3 (b)). In Yb:YAG a certain percentage of trivalent yttrium ions is replaced by also trivalent ytterbium ions thus making charge compensation obsolete [44]. Furthermore, due to lanthanide contraction, the much heavier Yb (173 u) ion shows almost the same size as Yttrium (89 u) thus making YAG an ideal host material [45].
Zusammenfassung der Kapitel
1. Motivation: Dieses Kapitel erläutert die Bedeutung kurzgepulster, intensitätsstarker Laserquellen für die Attosekundenphysik und definiert das Ziel der Arbeit, die Pumpbedingungen für Yb:YAG-Dünnscheiben zu optimieren.
2. Light Propagation and Gaussian Beams: Hier werden die Grundlagen der Lichtausbreitung, der Maxwell-Gleichungen und die mathematische Beschreibung gaußförmiger Laserstrahlen und deren Resonator-Stabilität behandelt.
3. Laser Amplifier: Dieses Kapitel führt in die Physik der Laserverstärkung ein, insbesondere in die Boltzmann-Statistik, Raten-Gleichungen, sowie die speziellen Eigenschaften von Yb:YAG-Dünnscheiben und regenerativen Verstärkern.
4. Modelling: Es wird ein numerisches Simulationsmodell entwickelt, um die Inversion und Verstärkung in Yb:YAG unter Berücksichtigung thermischer Effekte und ASE zu berechnen.
5. Experiment: Hier wird der experimentelle Aufbau des regenerativen Verstärkers sowie die zur Validierung des Modells verwendeten Messmethoden (thermische Bildgebung, Wellenfront-Sensorik) beschrieben.
6. Experimental Results: Die gewonnenen Messdaten zur Temperaturverteilung, zur CW-Leistung und zur Verstärkung (Single-Pass/Roundtrip) werden hier tabellarisch und grafisch dargestellt.
7. Interpretation: In diesem Kapitel werden die Ergebnisse diskutiert, mit den theoretischen Modellen verglichen und die Auswirkungen verschiedener Pumpwellenlängen auf die Laserleistung analysiert.
8. Summary and Outlook: Abschließend werden die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst und Ansätze für zukünftige Optimierungen der Dünnscheibenlaser-Technologie aufgezeigt.
A. Appendix: Der Anhang enthält detaillierte mathematische Ableitungen, wie die Berechnung des B-Integrals und die Herleitung der Raten-Gleichungen inklusive der Boltzmann-Faktoren.
Schlüsselwörter
Yb:YAG, Dünnscheibenlaser, Pumpwellenlänge, Zero-Phonon-Line, thermische Linse, regenerative Verstärker, Strahlqualität, Boltzmann-Statistik, optische Verstärkung, B-Integral, Laserphysik, 940 nm, 969 nm, thermische Effekte.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Optimierung und Analyse von Yb:YAG-Dünnscheibenlasern unter Verwendung verschiedener Pumpwellenlängen (940 nm vs. 969 nm) und deren Auswirkung auf die thermische Stabilität und Verstärkung.
Was sind die zentralen Themenfelder dieser Arbeit?
Zu den Schwerpunkten zählen die Modellierung von Laserverstärkung, die thermische Analyse von Lasermedien, die Strahlpropagation in Resonatoren sowie die experimentelle Vermessung von regenerativen Verstärkersystemen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage der Arbeit?
Das Ziel ist die Untersuchung der Pumpbedingungen für Yb:YAG, um eine hohe Strahlqualität und Verstärkung bei gleichzeitig minimierten thermischen Belastungen im Dünnscheiben-Setup zu erreichen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird ein hybrider Ansatz verfolgt: Ein analytisches Modell zur Beschreibung der Raten-Gleichungen und thermischen Effekte wird entwickelt und anschließend durch umfangreiche Labormessungen (z.B. Temperatur-Imaging und Wellenfront-Analyse) validiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen, die Entwicklung der numerischen Simulationsmodelle, den experimentellen Aufbau sowie die detaillierte Präsentation und Interpretation der erzielten Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Schlagworte sind Yb:YAG, Dünnscheibenlaser, Zero-Phonon-Line, regenerative Verstärker, thermische Linse und Laserverstärkung.
Warum ist die Wahl der Pumpwellenlänge für Yb:YAG entscheidend?
Die Pumpwellenlänge bestimmt maßgeblich den Quantendefekt und damit die direkte thermische Belastung des Laserkristalls; die Wahl zwischen 940 nm und 969 nm (Zero-Phonon-Line) beeinflusst somit die Effizienz und thermische Stabilität.
Welche Rolle spielt das B-Integral in dieser Untersuchung?
Das B-Integral beschreibt die akkumulierte nichtlineare Phasenverschiebung im Lasermedium; es ist entscheidend, um zerstörerische nichtlineare Effekte wie Strahlzerfall bei hoher Pulsintensität zu vermeiden.
- Arbeit zitieren
- Martin Schmidberger (Autor:in), 2013, Pumping Yb:YAG thin-disks at 940 nm and the Zero-Phonon-Line, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/288672
