Simultane Zwei-Stokes-Linien-Raman-Verstärkung in Kristallen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Hauptziel des Projekts bestand darin, die gleichzeitige Raman-Verstärkung der ersten und zweiten Stokes-Welle durch stimulierte Raman-Streuung in Kristallen zu untersuchen. Hierfür wurde ein Festkörperlasersystem entwickelt, das gleichzeitig zwei schmalbandige Laserlinien unterschiedlicher Wellenlänge mit ns-Pulsdauer, hoher Pulsenergie und gleichzeitig niedrigem Strahlausbreitungsfaktor M2 emittiert. Das entwickelte Laborsystem besteht aus einem kommerziellen, frequenzverdoppelten ns-Nd:YAG- Pumplaser, der gleichzeitig zwei Festkörper-Raman-Laser für die erste Stokes-Linie bzw. die zweite Stokes-Linie sowie einen Festkörper-Raman-Verstärker pumpt, der sowohl die erste als auch die zweite Stokes-Laserstrahlung gleichzeitig verstärken soll. Die beiden Raman-Laser dienen als gepulste Seed-Laser. Ihre Strahlung wird gleichzeitig mit dem Pumpstrahl in den Raman-Verstärker eingekoppelt und dort durch stimulierte Raman-Streuung verstärkt. Als aktive Medien für die Raman-Laser und den Verstärker wurden zwei verschiedene kristalline Materialien untersucht, Bariumnitrat und Kaliumgadoliniumwolframat (KGW). Da die Seed-Laser mit sichtbarem Licht (λ = 532 nm) des frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasers gepumpt werden, liegen auch die erste und zweite Stokes-Linie der Raman-Laser im sichtbaren Spektralbereich, für Bariumnitrat bei 563 nm bzw. 598 nm und für KGW bei 558 nm bzw. 588 nm. Durch eine Frequenzverdopplung dieser Linien entstehen entsprechende Linienpaare im UV-B-Bereich nahe 300 nm, die z.B. zur Messung von Ozonhöhenprofilen in der Erdatmosphäre geeignet sind. Basierend auf detaillierten Modellrechnungen zu den Raman-Laserresonatoren mit optischen Designprogrammen (ZEMAX, CODE V) und Messungen an unterschiedlich gestalteten Resonatoren, fiel die Wahl auf stabile Resonatoren mit einer Länge von 8 cm, bestehend aus einem sphärischen Einkoppelspiegel, einem flachen Auskoppelspiegel und einem Raman-aktiven Kristall, der im Resonator nahe am Auskoppelspiegel positioniert ist. Der Fokus des sphärischen Spiegels liegt ebenfalls nahe am Ausgangsspiegel und sorgt für eine hohe Intensität im Raman-Kristall. Dieses System liefert Seed-Laserpulse der ersten und zweiten Stokes-Linie mit einstellbaren Pulsenergien im Bereich von einigen µJ bis mJ, die dann verstärkt werden. Die Strahlqualität der Seed-Laserpulse wird durch M2 -Werte nahe 1,5 bestätigt. Experimente zum Verstärkungsprozess führten zu dem Ergebnis, dass die ersten Stokes-Signale mit dem Faktor 51 gut verstärkt werden und dabei die hohe Strahlqualität erhalten bleibt. Die Untersuchung der gleichzeitigen Verstärkung der zweiten Stokes-Seed-Laserpulse führte jedoch zu unbefriedigenden Ergebnissen. Der bisher erreichte Verstärkungsfaktor unter 5 ist viel kleiner als erwartet. Der Grund kann eine unzureichende Pulsüberlappung zwischen den durch Self-Mode-Locking generierten ps-Pulszügen der ersten und zweiten Stokes-Wellen sein, deren Einhüllende die entsprechenden ns-Seed-Lasersignale bilden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Raman lasers for trace gas detection. XXII International Symposium on High Power Laser Systems and Applications, 41. SPIE.
Zesch, Christoph; Schrader, Sigurd; Prosposito, Paolo; Lux, Oliver & Eichler, Hans-Joachim
