Demonstration and investigation of pulsed injected locked solid-state laser oscillators with high frequency stability due to gain gratings without any active stabilization
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsvorhabens war die Realisierung eines neuartigen Laserkonzeptes zur Erzeugung von Laserpulsen mit Pulsdauern im Nanosekundenbereich, guter Strahlqualität, gutem Gesamtwirkungsgrad und Pulsenergien im mJ-Bereich. Als Besonderheit sollten im Hinblick auf mögliche Anwendungen, z. B. in LIDAR-Messverfahren, eine möglichst schmalbandige Emission bei gleichzeitig hoher Frequenzstabilität realisiert werden. Als Innovation bei der Realisierung dieses Lasersystems sollte, im Unterschied zu existierenden Vorbildern, die Frequenzstabilisierung und Selektion auf rein passivem Wege im Laseroszillator selbst verwirklicht werden. Auf diese Weise kann grundsätzlich eine größere Robustheit des Systems bei gleichzeitiger Verringerung der Zahl der notwendigen Komponenten, insbesondere der derzeit typischerweise dafür eingesetzten aufwendigen elektronischen Regelung erzielt werden. Kernidee dieses Projektes war die Verwendung von im aktiven Material eines Laserkopfes induzierten Verstärkungsgitters (Gain Grating), welches gleichzeitig zur Erzeugung der Laserstrahlung und deren Frequenzselektion eingesetzt werden soll. Dies ermöglicht außerdem die optische Phasenkonjugation des so reflektierten Laserlichtes und ist damit potentiell Garant für nahezu perfekte, beugungsbegrenzte Strahlqualität des emittierten Laserlichtes. Die Verwendung diodengepumpter Laserköpfe stellt eine wichtige Voraussetzung für die praktische Anwendung dieses eleganten Laserkonzeptes dar, da damit entscheidende Betriebsparameter der modernen Anforderungen - insbesondere auch mobiler Lasertechnik - umgesetzt werden können. Dies betrifft sowohl den mit Dioden-Pump-Lasern erreichbaren höheren Wirkungsgrad auf der einen Seite als auch die wesentliche Vergrößerung der Wartungsintervalle durch die lange Lebensdauer der Diodenlaser auf der anderen. Zur Unterstützung der experimentellen Arbeiten wurde ein neues zweidimensionales Rechenverfahren entwickelt, welches die Vierwellenmischung im Laserkristall, die ja die Basis für die frequenzselektive Reflexion des Laserlichtes darstellt, modelliert. Diese Rechnungen, die in zwei Raumdimensionen und in der zeitlichen Entwicklung sowohl die Reflexionseigenschaften als auch die Verstärkungseigenschaften der aktiven Materialien beschreiben, erlaubt den Einfluss der transversalen Geometrie zu quantifizieren. Um die für diese Simulation notwendigen Eingangsparameter mit hinreichender Genauigkeit zur Verfügung zu haben, wurden die Komponenten des experimentellen Aufbaus umfangreich charakterisiert. Dies betraf insbesondere die Laserköpfe selbst. In verschiedenen experimentellen Aufbauten wurden die Reflexionseigenschaften der induzierten Gitterstrukturen im Detail untersucht und die Lasertätigkeit mittels des geplanten Konzeptes realisiert. Im Ergebnis dieser Untersuchungen kann festgestellt werden, dass es möglich ist, das ins Auge gefasste Konzept zu verwirklichen. Die im Projekt verwendeten Laserköpfe waren jedoch mit ihrer Pumpleistung so knapp bemessen, dass der Laserbetrieb, so wie er von uns realisiert werden konnte, noch nicht die erforderliche Stabilität in den avisierten Parametern erreichte. Die in diesem Projekt erzielten Ergebnisse benutzt werden können, um nunmehr entsprechende Laserresonatoren unter Verwendung der hier erarbeiteten Design-Vorschriften zu entwickeln.
Publications
- "Laser Oscillator Coupling via Gain Gratings to Achieve Frequency Stable Operation," in Conference on Lasers and Electro-Optics (Optical Society of America, 2010), p. CTuJ5.
R. Elsner, R. Ullmann, and M. Ostermeyer
- "Frequency Stable Coupling of Laser Oscillators using Gain Gratings in Nd:YAG," in CLEO:2011 - Laser Applications to Photonic Applications (Optical Society of America, 2011), p. JWA49.
R. Ullmann, R. Elsner, A. Heuer, R. Menzel, and M. Ostermeyer
- "Frequency Stable Operation of a Pulsed Solid State Laser Oscillator Based on Gain Grating Holograms," in CLEO/Europe and EQEC 2011 Conference Digest (Optical Society of America, 2011), p. CA_P36.
R. Ullmann, R. Elsner, A. Heuer, R. Menzel, and M. Ostermeyer
- "Two-dimensional modeling of transient gain gratings in saturable gain media," Opt. Express 20, 6887–6896 (2012).
R. Elsner, R. Ullmann, A. Heuer, R. Menzel, and M. Ostermeyer
(See online at https://doi.org/10.1364/OE.20.006887)
