Monolithische, modengekoppelte Titan-Saphir-Laser mit Repetitionsraten im Bereich von 30 - 300 GHz

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Wittrock
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 408250400

Ziel des Projekts ist, einen neuen Typ eines modengekoppelten Titan-Saphir („Ti:Sa“) Lasers zu untersuchen. Es handelt sich um den ersten monolithischen Ti:Sa Laser und den ersten modengekoppelten Festkörperlaser, der Repetitionsraten im Bereich 30 GHz bis 300 GHz hat. Die einzigartig große Bandbreite von Ti:Sa ermöglicht bei den erforderlichen, kurzen Resonatoren immer noch eine große Zahl von Longitudinalmoden, was zu untergrundfreien Pulse mit bisher noch nicht gezeigten Repetitionsraten führt. Zum Beispiel kann ein Ti:Sa Laser mit 1 THz Repetitionsrate immer noch mehr als 100 Moden besitzen. Der Laser ist eine einfache Ti:Sa Scheibe mit einer Dicke zwischen 0,3 mm und 3 mm, die auf beiden Seiten dispersionskompensierende Beschichtungen trägt. Im Antrag vorgestellte Rechnungen zeigen, dass es möglich ist, in einer so einfachen Struktur Kerr-Linsen Modenkopplung zu erreichen. Wir wollen die Bedingungen für Modenkopplung und die Rauscheigenschaften dieses neuen Ti:Sa Lasers untersuchen. Der vorgeschlagene monolithische Aufbau hat entscheidende Vorteile für den Laserbetrieb. Es gibt keine Antireflexbeschichtungen im Resonator. Dies verhindert Etaloneffekte und verringert die Verluste. Die kurzen Ti:Sa Kristalle ermöglichen Dispersionskompensation einfach durch die Beschichtungen auf den beiden Kristalloberflächen, so dass Quasi-Soliton-Modenkopplung möglich ist. Die Pulswiederholrate wird sehr konstant sein, d. h. das Pulsphasenrauschen wird gering sein, denn es kann keine Vibrationen von Resonatorspiegeln oder Luftturbulenz im Resonator geben. Diese inhärente Stabilität monolithischer Laser ist bekannt von monolithischen Einfrequenzlasern. Ein modengekoppelter Laser mit stabilen fs-Pulsen bei einigen 10 GHz oder hunderten von GHz Repetitionsraten wird Anwendungen haben bei der Doppelkammspektroskopie, Astro-Kämmen, zeitlicher Formung ultrakurzer Pulse, optischer Nachrichtentechnik oder Frequenzmesstechnik. Die hohe Repetitionsrate erlaubt es, die Moden mit einem dispersiven System moderater Auflösung zu trennen. Dies führt zu kompakten und kostengünstigen Systemen für Frequenzkammanwendungen. Trotz der hohen Repetitionsrate wird die Pulsspitzenleistung eines solchen Lasers immer noch um einige zehn oder tausend Mal höher sein als die mittlere Leistung, was bedeutet, das hunderte Watt oder sogar ein Kilowatt erwartet werden können. Dies unterscheidet diesen Ti:Sa Laser von modengekoppelten Halbleiterlasern, die zwar 100 GHz Repetitionsrate erreichen, aber nur mit einer Pulsspitzenleistung von weniger als 2 W. Eine hohe Spitzenleistung bedeutet, dass nichtlineare Prozesse getrieben werden können, was sowohl für die Pulscharakterisierung als für Anwendungen günstig ist: Mit zukünftigen∙Fortschritten bei Ausgangsleistung und Strahlqualität blauer und grüner Diodenlasern sollte es möglich sein, unseren Ti:Sa Laser direkt mit einem Diodenlaser zu pumpen. Dies würde einen sehr kompakten und robusten Femtosekundenlaser und Frequenzkamm ergeben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Single frequency pump laser with low intensity noise and fast frequency tuning
• Gerätegruppe: 5700 Festkörper-Laser