Gewinngeschaltete Ti:Saphir-Laser mit ultrabreitem Abstimmbereich

Jungbluth, Bernd; Poprawe, Reinhart

doi:30378

Gewinngeschaltete Ti:Saphir-Laser mit ultrabreitem Abstimmbereich = Gain-switched Ti:Sapphire lasers covering an ultrabroad tuning range

Jungbluth, Bernd (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bernd Jungbluth

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangIII, 165 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Poprawe, Reinhart (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-11-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-35171
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52286/files/3517.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Titan-Saphir-Laser (Genormte SW) ; Abstimmbarer Laser (Genormte SW) ; Impulslaser (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Gewinnschalten (frei) ; Ti:Sapphire laser (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Im Bereich der Festkörperlaser stellt Ti:Saphir ein bevorzugtes Materialsystem für abstimmbare Quellen im nahen Infrarot dar. Getrieben durch die kontinuierlich wachsende Ausgangsleistung kommerziell verfügbarer Pumplaser und eine ständige Verbesserung der eingesetzten Optiken hat die Leistungsfähigkeit abstimmbarer Ti:Saphir-Laser seit Beginn dieses Jahrtausends einen deutlichen Entwicklungsschub erfahren. Die technische Entwicklung gewinngeschalteter Ti:Saphir-Laser ist im Vergleich zu modengekoppelten Systemen jedoch weit weniger vorangeschritten. In der hier vorgestellten Arbeit werden die Ursachen dieses Defizits analysiert und es wird eine systematische Weiterentwicklung gewinngeschalteter Ti:Saphir-Laser untersucht. Zu diesem Zweck wird eine detaillierte Analyse solcher Laser vorgenommen, in der für alle funktionsrelevanten Systemelemente und ihre Anordnung im Laserresonator belastbare Auswahl- und Gestaltungsregeln aus grundlegenden Wirkzusammenhängen abgeleitet und experimentell überprüft werden. Im Zusammenwirken von Theorie und Experiment werden sowohl die fundamentalen Begrenzungen der untersuchten Laserklasse als auch die Limitierungen der technischen Umsetzung auf Basis heutiger Komponenten aufgezeigt, voneinander unterschieden und quantifiziert. Auf der Grundlage der so gewonnenen Erkenntnisse kann die über den Abstimmbereich integrierte Ausgangsleistung bei gewinngeschalteten Ti:Saphir-Lasern gegenüber dem Stand der Technik um mehr als das Doppelte gesteigert werden. Es wird ein Laser demonstriert, der ohne den Austausch von Resonatoroptiken einen Abstimmbereich von mehr als 400 nm erreicht. Dabei wird im Grundmodebetrieb bei einer Repetitionsrate von 1 kHz und einer Laserwellenlänge von 790 nm eine Ausgangsleistung von 4,3 W, eine Pulsdauer von 8 ns und eine spektrale Linienbreite von 12 GHz erreicht. Verglichen mit modengekoppelten Oszillatoren steht bei vergleichbaren Werten von Ausgangsleistung und Abstimmbereich eine um drei Zehnerpotenzen größere spektrale Brillanz im Puls zur Verfügung.

Ti:Sapphire is one of the most preferred gain media for tunable solid-state lasers in the near infrared spectral region. Since the beginning of the new millennium the performance of tunable Ti:Sapphire lasers has gained a significant technology push by the steady increase of output power of commercially available pump lasers and by the progress in the field of broad-band optics. However, the development of gain-switched Ti:Sapphire lasers lags behind the advances made in mode-locked tunable systems. In the work presented here the reasons for this drawback are analyzed, and a systematic study of further development perspectives is conducted. For this purpose a detailed theoretical analysis of such lasers is derived from fundamental physical principles and validated experimentally. It delivers meaningful selection and design rules for all relevant optical elements and their configuration inside the laser resonator. Additionally, the fundamental performance limitations of the investigated class of lasers as well as the technical limitations of today’s optical components required to build them are derived, distinguished and quantified by summarizing theoretical and experimental investigations. Based on this knowledge, the output power integrated over the tuning range can be doubled for gain-switched Ti:Sapphire lasers compared to the former state-of-the-art. A tuning range of 400 nm is demonstrated with only one set of cavity optics. For laser operation in a TEM00 mode, at a repetition rate of 1 kHz and at a laser wavelength of 790 nm, the output power is 4.3 W with a pulse duration of 8 ns and a spectral line width of 12 GHz. Consequently, output power and tuning range of such a laser are now comparable to that of mode-locked tunable Ti:Sapphire lasers, but with three orders of magnitude more spectral brightness per pulse.

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