Die thermodynamischen Grenzen des optischen Pumpens - Untersuchungen an einem neuartigen, intra-cavity gepumpten Scheibenlaser
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In dem Projekt wurde untersucht, wie weit der Quantendefekt, also die Energiedifferenz zwischen Pumpphoton und Laserphoton, in einem Hochleistungs-Scheibenlaser reduziert werden kann. Erstmalig konnte der Laserbetrieb eines resonatorintern gepumpten Scheibenlasers demonstriert werden. Der Laser lieferte eine Ausgangsleistung von 10 Watt und einen Quantendefekt von lediglich 1,7 % im transversalen Multimode-Betrieb. In den Experimenten traten die erwarteten typischen technische Probleme bei der Realisierung eines Lasers mit geringem Quantendefekt auf. Sowohl die Verstärkung des Laserlichts als auch die Absorption des Pumplichts waren gering. Das Problem der geringen Absorption des Pumplichts wurde durch Ersetzen des Auskoppelspiegels eines gewöhnlichen, diodengepumpten Scheibenlasers durch eine zweite laseraktive Scheibe gelöst. Diese Scheibe war Teil eines zweiten Resonators und bildete zusammen mit diesem den resonatorintern gepumpten Laser. Die beiden Laser waren also durch die zweite Scheibe miteinander gekoppelt. Es entstand ein schwingfähiges System, bei dem die resonatorinternen Leistungen zeitlich fluktuieren konnten. Insgesamt wurde, je nach Aufbau der beiden Laser, eine breite Spanne nichtlinearer Phänomene, von periodisch oszillierenden Intensitäten bis hin zu chaotischen Intensitätsfluktuationen, beobachtet. Das Einsetzen der zweiten Scheibe hatte ein spektrales Ausweichen des diodengepumpten Lasers zur Folge, das heißt, der Laser oszillierte auf einer Wellenlänge, die nicht mit dem Absorptionsmaximum der Scheibe zusammenfiel. Dichroitische Spiegel sollten ein solches Ausweichen verhindern, jedoch zeigte sich im Laufe der Experimente, dass die Leistungsfähigkeit von dichroitischen Spiegeln zurzeit aus technischen Gründen begrenzt ist. Im Rahmen des Projekts wurden mehrere Alternativen zu dichroitischen Spiegeln untersucht. Als besonders geeignet haben sich Fabry- Pérot-Interferometer bestehend aus Spiegeln und Volumen-Bragg-Gittern herausgestellt. Der Einsatz der Interferometer führte, neben einem höheren Reflexionsgrad bei der gewünschten Wellenlänge, zu schmalbandiger Emission von Laserlicht des diodengepumpten Lasers. Das schmalbandige Laserlicht ermöglichte die Untersuchung eines neuartigen Pumpkonzepts, bei dem das Stehwellenmuster des Pumplichts an das Stehwellenmuster des Laserlichts in der Scheibe angepasst wurde. Nach Anpassung konnte longitudinaler Einmodenbetrieb des resonatorintern gepumpten Lasers erreicht werden. Erste Simulationen auf Basis eines in diesem Projekt entwickelten Ratengleichungsmodells zeigten, dass dieses Pumpkonzept auf gewöhnliche, diodengepumpte Scheibenlaser übertragen werden könnte. Eine industrielle Nutzung des entwickelten resonatorintern gepumpten Lasers ist zunächst nicht zu erwarten, da die optisch-optischen Wirkungsgrade im Vergleich zu gewöhnlichen Scheibenlasern deutlich geringer sind. Dennoch lieferten die Ergebnisse wichtige Anhaltspunkte für die zukünftige Entwicklung von Hochleistungslasern mit reduziertem Quantendefekt. Industriell erfolgversprechend ist die im Projekt gezeigte Phasenanpassung der Stehwellenmuster von Pump- und Laserlicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Measurement of temperature-dependent absorption and emission spectra of Yb:YAG, Yb:LuAG, and Yb:CaF2 between 20 °C and 200 °C and predictions on their influence on laser performance,“ J. Opt. Soc. Am. B 29, 2493-2502 (2012)
J. Koerner, C. Vorholt, et al.
- "Wavelength control by angle-tuning of the laser radiation in an intra-cavity pumped Yb:YAG thin-disk laser," in Advanced Solid State Lasers, OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America 2013), paper AM5A.39
C. Vorholt and U. Wittrock
- “Approaching the thermodynamical limit of optical pumping – intra-cavity pumped thin disk laser with very low quantum defect,” in 2013 European Conference on Lasers and Electro Optics (Optical Society of America 2013), paper CA_P_20
C. Vorholt and U. Wittrock
- “Intra-cavity pumped thin-disk laser with very small quantum defect,” 2nd Disk Laser Workshop, Stuttgart, Germany, 2013
C. Vorholt and U. Wittrock
- “Spatial hole burning in Yb:YAG thin-disk lasers: effects of polarization and spectral gain,” EPS- QEOD Europhoton Conference, Neuchâtel, Switzerland, 2014
C. Vorholt and U. Wittrock
- "Intra-cavity pumped Yb:YAG thin-disk laser with 1.74% quantum defect," Opt. Lett. 40, 4819-4822 (2015)
C. Vorholt and U. Wittrock
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/OL.40.004819) - "Spatial hole burning in Yb:YAG thin-disk lasers," Appl. Phys. B 120, 711-721 (2015)
C. Vorholt and U. Wittrock
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00340-015-6187-9) - “Self-sustained pulsations in an intra-cavity pumped thin-disk laser,” in 2015 European Conference on Lasers and Electro-Optics (Optical Society of America 2015), paper CA_P_10
C. Vorholt and U. Wittrock
- “Die thermodynamischen Grenzen des optischen Pumpens – Untersuchung eines resonatorintern gepumpten Scheibenlasers,“ Dissertation, Westfälische Wilhelms-Universität Münster, 2016
C. Vorholt
