Experimentelle Realisierung von neuen Konzepten für Hochleistungs-Nd:YVO4-Laser bei 1342 nm

Inhalt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Charakterisierung von leistungsstarken kontinuierlich emittierenden, Nanosekunden- und Pikosekunden-1342 nm-Lasern, basierend auf dem Festkörpermaterial Nd:YVO4. Für solche kompakte und effiziente Diodenlaser-gepumpte Festkörperlaser bei 1342 nm finden sich eine Vielzahl von Anwendungen, wie zum Beispiel in der Faseroptik oder in der Medizin. Vor allem die zweite und dritte Harmonische der 1342 nm-Strahlung, die bei 671 nm und 447 nm und damit im roten und blauen Spektralbereich liegen, eröffnen weitere große Anwendungsfelder, speziell für Wellenlängen-sensitive Prozesse im Sichtbaren. Für die Erzeugung der 1342 nm-Laserstrahlung wird der 4F3/2 à 4I13/2-Übergang in Nd:YVO4 ausgenutzt. Dieser weist einen geringeren Wirkungsquerschnitt für die stimulierte Emission auf als der stärkste Übergang bei einer Wellenlänge von 1064 nm. Die Ausgangsleistung von 1342 nm-Lasern war bisher durch den sehr hohen Wärmeeintrag bei 1342 nm-Emission in den Laserkristall begrenzt. Aufgrund des hohen Quantendefekts und der zusätzlich auftretenden excited state absorption tragen 40 % der absorbierten Pumpleistung direkt zur Erwärmung des Kristalls bei. Dies führt zu sehr starken thermisch induzierten Linsen und im Extremfall zur Zerstörung des Laserkristalls. Durch die optische Anregung bei 888 nm und das Verwenden eines niedrig-dotierten 30 mm-langen Nd:YVO4-Kristalls kann die Wärmelast auf ein großes Volumen verteilt werden. Dadurch wird die Verwendung hoher Pumpleistungen von bis zu 110 W ohne Zerstörung des Kristalls möglich und die thermisch induzierte Linse wird erheblich reduziert. Durch eine numerische Simulation der thermo-optischen und thermo-mechanischen Eigenschaften des Laserkristalls und die experimentelle Bestimmung der Brennweite der thermischen Linsen ist es möglich einen Resonator zu entwickeln, der stabilen modenangepassten Laserbetrieb erlaubt. Mit Hilfe dieses Pumpkonzepts kann ein Laser realisiert werden, der kontinuierlich eine beugungsbegrenzte Strahlung bei einer maximalen Ausgangsleistung von 24 W emittiert. Bisher gibt es keine leistungsstarken Dauerstrich-Strahlquellen im roten Spektralbereich, die auf der Frequenzverdopplung der Strahlung eines Festkörperlasers bei 1,3 mm basieren. Dies ist auf das Fehlen geeigneter Laser bei 1,3 mm zurückzuführen. Aufbauend auf dieser Dauerstrich-Strahlquelle bei 1342 nm kann mittels externer Frequenzverdopplung in Magnesiumoxid-dotiertem periodisch gepolten Lithiumniobat (MgO:PPLN) effizient Strahlung bei 671 nm erzeugt werden. Die Effizienz beträgt hierbei 51 %, was einer Leistung von 10 W entspricht. Mit Hilfe aktiver Güteschaltung durch einen akusto-optischen Modulator (AOM) ist es möglich den gegebenen Dauerstrich- Nd:YVO4-Laser für die Emission von Nanosekunden-Impulsen mit sehr hohen Impulsspitzenleistungen von bis zu 108 kW zu modifizieren. Durch eine Verkürzung des Resonators kann dabei eine minimale Impulsdauer von 14,8 ns erreicht werden. Die mittlere Ausgangsleistung liegt, je nach Repetitionsrate, zwischen 10 W und 20 W. Der Laser ist dabei für den Repetitionsratenbereich zwischen 6 kHz und 30 kHz optimiert, weshalb er für diese Repetitionsraten stabilen Betrieb im Gauß'schen Grundmode aufweist. Die hohen Spitzenleistungen und sehr gute Strahlqualität des vorgestellten ns Nd:YVO4-Lasers gewährleisten eine effiziente Erzeugung der zweiten und dritten Harmonischen in Wismutborat (BiBO) beziehungsweise Lithiumtriborat (LBO). Es werden dabei mittlere Ausgangsleistungen von 12,2 W bei 671 nm und 6,8 W bei 447 nm erzeugt. Dies entspricht hohen Konversionseffizienzen von 62 % und 49 %. Die Ausgangsleistungen für ps-Laser bei 1342 nm sind bisher zum einen aufgrund der thermischen Problematik bei 1342 nm, aber vor allem wegen des Fehlens von geeigneten Modenkopplungsverfahren bei 1342 nm beschränkt. Das Verfahren der parametrischen Kerrlinsen-Modenkopplung (PKLM) basiert auf einer, dem Kerr-Effekt äquivalenten, Linsenwirkung, die durch einen kaskadierten c(2)-Prozess in einem nichtlinearen Kristall erzeugt wird. Mit PKLM wurde in der Vergangenheit stabile cw-Modenkopplung bei 1064 nm erreicht. Daher kann durch die in dieser Arbeit vorgestellte Übertragung dieses Verfahrens auf eine Emissionswellenlänge von 1342 nm eine Möglichkeit der Leistungsskalierung aufgezeigt werden. Der vorgestellte Pikosekunden-Nd:YVO4 -Laser bei 1342 nm weist selbststartende cw-Modenkopplung mittels PKLM auf. Dabei ist kein Anzeichen für cw-Untergrund der modengekoppelten Strahlung erkennbar. Zur Umwandlung der Phasenmodulation in eine Verlustmodulation wird eine Modenblende verwendet. Dadurch wird eine mittlere Ausgangsleistung der modengekoppelten Strahlung von bis zu 6,5 W bei einer Impulsdauer von 20 ps erreicht. Eine maximale Impulsspitzenleistung von 7,3 kW wird bei einer mittleren Ausgangsleistung von 4,8 W und einer Impulsdauer von 4 ps emittiert. Die Modenkopplung ist dabei über mehrere Stunden stabil, ohne Anzeichen von Einbrüchen. Das System stellt damit den ersten mittels reiner PKLM modengekoppelten Laser bei 1342 nm dar. Durch externe Frequenzverdopplung des ps-Nd:YVO4-Lasers in einem kurzen MgO:PPLN-Kristall wird eine mittlere Ausgangsleistung von 2,28 W im roten Spektralbereich bei einer Konversionseffizienz von 49% erzeugt, zum anderen kann dadurch das Fehlen von cw-Untergrund in der modengekoppelten Strahlung bestätigt werden. Die vorliegenden Arbeiten belegen, dass mit Hilfe der optischen Anregung bei 888 nm und der Analyse der thermischen Eigenschaften des Lasermaterials eine Leistungsskalierung von Lasern bei 1342 nm möglich ist. Basierend auf einem leistungsstarken Dauerstrich-Laser können mittels AOM ns-Impulse und mit dem PKLM-Verfahren ps-Impulse erzeugt werden. Zudem kann durch die Frequenzverdopplung und Frequenzverdreifachung der 1342 nm-Laser leistungsstarke Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erzeugt werden.