Monolithische, modengekoppelte Titan-Saphir-Laser mit Repetitionsraten im Bereich von 30 - 300 GHz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses DFG-Projektes wurden monolithische Titan-Saphir (Ti:Sa) Laser aufgebaut. Ziel war es, modengekoppelte Pulse mit Repetitionraten von 30 bis 300 GHz zu erzeugen. Als Laserkristall werden planare Ti:Sa-Scheiben mit Dicken von 0,3 bis 3 mm verwendet, welche auf beiden Oberflächen dielektrisch beschichtet werden. Diese Schichten bilden den Laserresonator. Die Beschichtungen sind gechirpt, um die Dispersion zweiter Ordnung des Laserkristalls zu kompensieren. Gepumpt wird der Kristall mit einem in der Frequenz durchstimmbaren longitudinal einmodigen Pumplaser bei 532 nm, wodurch sich im Ti:Sa-Kristall eine thermische Linse ausbildet. Diese stabilisiert den Plan-Plan-Resonator. Der Laser sollte selbstständig mittels Soft-Aperture Kerr-Linsen-Modenkopplung in den Pulsbetrieb wechseln, da die Verstärkung bei Selbstfokussierung durch die Kerr-Linse stärker gesättigt wird. Insgesamt wurden vier monolithische Ti:Sa-Laser mit 3 mm Resonatorlänge und zwei mit 1 mm Resonatorlänge aufgebaut. Modenkopplung konnte leider nicht erreicht werden. Nach unserem derzeitigen Kenntnisstand gibt es dafür drei mögliche Gründe: Frequenzziehen aufgrund der Pumplicht-Stehwelle im Resonator, die vom Doppeldurchgang des Pumplichts durch den Kristall erzeugt wird, räumliches Lochbrennen und unzureichende Dispersionskompensation. Die Pumplicht-Stehwelle erzeugt eine periodische Struktur der Verstärkung, wodurch es zu Frequenzziehen der longitudinalen Moden des Lasers kommt. Die feste Phasenbeziehung der longitudinalen Moden bei der Modenkopplung benötigt aber gleiche spektrale Modenabstände. In Zukunft könnte ein längerer Kristall (z. B. 5 mm) verwendet werden, da bei dieser Kristalldicke ein Einfachdurchgang des Pumpstrahls für ausreichende Absorption genügen würde. Unser Laser zeigt durch den monolithischen Aufbau zudem starkes räumliches Lochbrennen der longitudinalen Moden, wodurch die Bandbreite des Lasers im cw-Betrieb auf bis zu 10 nm ansteigt. Unzureichende Dispersionskompensation könnte für eine reduzierte Bandbreite im Pulsbetrieb sorgen, wodurch die Verstärkung weniger gesättigt wird. Eine Beschränkung der Bandbreite des Lasers auf z. B. 5 nm mittels der Beschichtungen könnte das Problem lösen. Der cw-Betrieb des Lasers ist sehr stabil. Die Leistungsschwankung des Lasers über eine Stunde betrug weniger als 0,04 % RMS. Zudem ist die Strahlqualität mit einem M² von weniger als 1.05 gut und die Justage des Lasers unkritisch. Solch ein stabiler und breitbandiger cw-Laser könnte für die optische Kohärenztomographie verwendet werden. Autokorrelationsmessungen zeigten trotz des cw-Betriebs pulsförmige Signale, die durch Weißlichtinterferenz der spektral breitbandigen cw-Laserstrahlung hervorgerufen werden. Die Messungen können fälschlicherweise einen Puls suggerieren. Da diese Problematik nicht weitreichend bekannt ist, verfassen wir hierzu derzeit eine Veröffentlichung.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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"Towards a monolithic, multi-gigahertz mode-locked Ti:Sa laser," Europhoton, Hannover, Poster (2022).
T. Fiehler & U. Wittrock
