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
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Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erforschung der Auswirkungen von hochintensiven, gepulsten Laserstrahlen auf die Eigenschaften von Festkörpern. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem Verständnis und der Optimierung der Prozesse, die während der Wechselwirkung von Laserlicht mit Festkörpermaterialien auftreten.
- Die Rolle von laserinduzierten Veränderungen in der Festkörperphysik
- Die Untersuchung der Laser-Materie-Wechselwirkung und ihrer Auswirkungen
- Die Analyse von laserinduzierten Phänomenen wie Erwärmung und Phasenänderungen
- Die Anwendung laserinduzierter Prozesse in der Materialbearbeitung
- Die Erforschung von Verfahren zur Optimierung der Laser-Materie-Wechselwirkung
Zusammenfassung der Kapitel
Das erste Kapitel der Arbeit stellt die Grundlagen der Laser-Materie-Wechselwirkung vor. Es werden die relevanten physikalischen Prinzipien und die verschiedenen Lasertypen erläutert, die in der Materialbearbeitung Anwendung finden. Dabei wird insbesondere auf die Wechselwirkung von Laserlicht mit Festkörpern und die dabei auftretenden Phänomene wie Absorption, Reflexion und Transmission eingegangen. Das Kapitel diskutiert die Auswirkungen von Laserstrahlung auf Festkörpermaterialien, wie z. B. Erwärmung, Phasenänderungen und Strukturmodifikationen. Die verschiedenen Arten von Laserstrahlung werden anhand ihrer Eigenschaften und Anwendungen beschrieben.
Das zweite Kapitel konzentriert sich auf die Erforschung von laserinduzierten Veränderungen in der Festkörperphysik. Es werden die grundlegenden Prinzipien der Laser-Materie-Wechselwirkung und die verschiedenen Arten von laserinduzierten Prozessen erläutert. Dabei werden die Auswirkungen von Laserstrahlung auf Festkörpermaterialien untersucht, wie z. B. Erwärmung, Schmelzen und Verdampfen. Die Arbeit stellt auch wichtige Aspekte der laserinduzierten Mikrostrukturierung und -modifikation vor.
Das dritte Kapitel befasst sich mit der Anwendung laserinduzierter Prozesse in der Materialbearbeitung. Es werden verschiedene Laserbearbeitungstechniken beschrieben, darunter Laserablation, Laserbeschriftung und Laserstrukturierung. Die Arbeit beleuchtet die Vorteile der Laserbearbeitung, wie z. B. die präzise Kontrolle der Bearbeitungstiefe und -breite sowie die Möglichkeit, komplexe Geometrien zu erzeugen. Das Kapitel behandelt auch die verschiedenen Anwendungen der Laserbearbeitung, wie z. B. die Herstellung von Mikrokomponenten, die Beschriftung von Oberflächen und die Oberflächenmodifikation.
Das vierte Kapitel beschreibt die Erforschung von Verfahren zur Optimierung der Laser-Materie-Wechselwirkung. Es werden verschiedene Ansätze vorgestellt, um die Effizienz der Laserbearbeitung zu verbessern, wie z. B. die Verwendung von angepassten Laserpulsen und die Wahl geeigneter Prozessparameter. Die Arbeit diskutiert auch die Bedeutung von Laserstrahlformung und -fokussierung für die Optimierung der Bearbeitungsqualität.
Das fünfte Kapitel befasst sich mit der Analyse von laserinduzierten Phänomenen wie Erwärmung und Phasenänderungen. Es werden die grundlegenden physikalischen Prinzipien der Wärmeübertragung und die verschiedenen Arten von Phasenänderungen diskutiert. Die Arbeit analysiert die Auswirkungen von Laserstrahlung auf Festkörpermaterialien, wie z. B. die Temperaturverteilung im Material und die Bildung von Schmelz- und Verdampfungszonen. Das Kapitel behandelt auch die Anwendung von numerischen Simulationsmethoden zur Beschreibung der laserinduzierten Prozesse.
Schlüsselwörter
Laser-Materie-Wechselwirkung, Festkörperphysik, Laserbearbeitung, Laserablation, Laserbeschriftung, Laserstrukturierung, Mikrostrukturierung, Materialbearbeitung, Wärmeübertragung, Phasenänderungen, Temperaturverteilung, Schmelz- und Verdampfungszonen, numerische Simulationen
- Citation du texte
- Martin Schmidberger (Auteur), 2013, Pumping Yb:YAG thin-disks at 940 nm and the Zero-Phonon-Line, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/288672
