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

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Wittrock
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555580329

Modengekoppelte Laser liefern ultrakurze Laserpulse mit Pulsdauern im Bereich von einigen Femtosekunden bis Pikosekunden bei Pulsrepetitionsraten von hundert MHz bis einigen GHz. Ziel unserer Forschung ist, die Repetitionsraten in den Bereich 30 GHz bis 300 GHz zu skalieren. Das ideale Lasermedium dafür ist Titan-dotierter Saphir (Ti:Sa). Stand heute beträgt die höchste veröffentlichte Repetitionsrate für einen modengekoppelten Ti:Sa Laser 10 GHz. Durch die Arbeiten in einem früheren DFG-Projekt konnten wir kürzlich einen neuen Rekord von 17 GHz mit einem modengekoppelten Ti:Sa Laser aufstellen. Wir sind überzeugt, dass sich unser neues Laserkonzept zu viel höheren Repetitionsraten skalieren lässt. Die Repetitionsrate eines fundamental modengekoppelten Lasers ist gleich dem Kehrwert der Resonatorumlaufzeit. Hohe Repetitionsraten erfordern daher sehr kurze Resonatoren. Ein modengekoppelter Laser mit einer Repetitionsrate von 100 GHz benötigt beispielsweise eine optische Weglänge von nur 3 mm für einen Resonatorumlauf. Für viele Anwendungen sind modengekoppelte Laser nur geeignet, wenn sie eine große Anzahl von longitudinalen Moden besitzen. Der Grund dafür ist, dass eine große Anzahl von longitudinalen Moden erforderlich ist, um wohldefinierte Pulse mit einer Spitzenleistung zu erzeugen, die um Größenordnungen höher ist als die zeitlich gemittelte Leistung. Solche modengekoppelten Laser haben ein kammartiges Spektrum im Frequenzbereich. Diese Frequenzkämme sind für die Metrologie äußerst nützlich. Eine monolithische Architektur, bei der das Laser-Verstärkungsmedium den Resonator bildet, ist ideal für die von uns benötigten Resonatoren in Millimetergröße. Jetzt wollen wir die 17-GHz-Wiederholrate unseres monolithischen, modengekoppelten Lasers auf 300 GHz hochskalieren. Dies ist eine Herausforderung, da mehrere nichtlineare optische Effekte ausbalanciert werden müssen, um die Modenkopplung aufrechtzuerhalten. Die nichtlinearen Effekte müssen mit ausreichender Genauigkeit berechnet werden, und die gechirpten Beschichtungen auf dem Laserkristall müssen sehr präzise hergestellt werden. Leider sind diese Beschichtungen teuer und bei jeder Änderung der Spezifikationen muss ein neuer Laserkristall beschichtet werden. Das macht die Forschung an monolithischen Lasern nicht nur teuer, sondern auch zeitaufwändig. Während die Forschung an diesen Lasern teuer ist, könnten sie später in großer Serie zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden. Außerdem sind diese Laser sehr robust, da der monolithische Laserresonator nicht dejustiert werden kann. Die Tatsache, dass der monolithische Resonator keine beweglichen Komponenten hat, führt zu einem sehr geringen Phasen- und Amplitudenrauschen. Dies macht monolithische modengekoppelte Ti:Sa-Laser zu perfekten Werkzeugen für die Frequenzmessung, beispielsweise für optische Atomuhren. Mit den angestrebten Wiederholraten von über 100 GHz können sie auch die Lücke zwischen Optik und Mikrowellenphotonik schließen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen