Kontrolle der Pulsdynamik in modengekoppelten Hochenergie-Festkörperlasern

Abstract

Kurzpulslaser werden aufgrund ihrer extrem hohen Spitzenleistungen bei gleichzeitig geringer mittlerer Leistung als hochpräzises Werkzeug sowohl in der Industrie als auch in der Forschung eingesetzt. Die energiereichen kurzen Laserpulse werden in Verstärkersystemen erzeugt, welche einen erheblichen technischen und finanziellen Aufwand mit sich bringen. Daher ist es von enormem Interesse, diese direkt im Laseroszillator ohne Reduzierung der spektralen Bandbreite erzeugen zu können, dessen Limitierung in der Pulsaufspaltung durch die Zwei-Photonen-Absorption im Absorber liegt. Im Rahmen dieser Dissertation wird die Auswirkung einer größeren Modenfläche auf dem Absorber untersucht, wodurch die Spitzenintensität im Fokus und damit der Einfluss der Zwei-Photonenabsorption reduziert werden soll. Da die reduzierte Puls-Energieflussdichte dazu führen kann, dass der Laser in den Bereich der Güteschaltung fällt, wird die Auswirkung einer Stabilisierung durch eine Regelelektronik auf das System untersucht. Dazu wird ein diodengepumpter Yb:CaGdAlO4 (Yb:CALGO) Laser aufgebaut, dessen Eigenschaften sowohl experimentell als auch durch numerische Simulationen untersucht werden. Bei den Experimenten haben sich schließlich der cw-Durchbruch im optischen Spektrum sowie die Fokusgröße im Verstärkungsmedium als begrenzende Größen bei der Skalierung der Pulsenergie herausgestellt, welche zusätzlich durch numerische Ergebnisse bestätigt werden. Darüber hinaus wird die harmonische Modenkopplung als alternative Technik untersucht, um ultrakurze Pulse sowohl mit hoher Spitzenintensität als auch hoher Repetitionsrate zu erzeugen. Hierbei wird sowohl die Teilung eines Einzelpulses und die anschließende Bewegung der Pulse gegeneinander als auch die Qualität und die Langzeitstabilität des harmonisch modengekoppelten Betriebs betrachtet. Um die Dynamik dieses Betriebs besser zu verstehen, wird die Bewegung zweier Pulse anhand eines numerischen Modells beschrieben.

Due to their extremely high peak power and low average power, short pulse lasers are used as high-precision tools in industry and research. The high energy short laser pulses are generated in amplifier systems, which entail considerable technical and financial expenditure. It is therefore of enormous interest to be able to generate these directly in the laser oscillator without reducing the spectral bandwidth, the limitation of which results from the pulse splitting due to the two-photon absorption in the absorber. In this dissertation the effect of a larger mode area on the absorber is investigated, whereby the peak intensity in focus and thus the influence of two-photon absorption is to be reduced. Since the reduced pulse energy flux density can lead the laser to fall into the area of Q-switching, the effect of stabilization by control electronics on the system is investigated. For this purpose a diode-pumped Yb:CaGdAlO4 (Yb:CALGO) laser is built, which properties are investigated both experimentally and by numerical simulations. In the experiments, the cw breakthrough in the optical spectrum and the focus size in the gain medium finally turned out to be the limiting variables for scaling the pulse energy, which is additionally confirmed by numerical results. Furthermore, the harmonic mode locking is investigated as an alternative technique to generate ultra-short pulses with both high peak intensity and high repetition rate. Here both the spliting of a single pulse and the subsequent movement of the pulses against each other as well as the quality and the long-term stability of the harmonically mode locked operation are considered. To better understand the dynamics of this operation, the motion of two pulses is described using a numerical model.