Neuartige Konzepte und Anwendungen von diodengepumpten Hochleistungs-Ultrakurzpuls-Strahlquellen

Die Erzeugung von ultrakurzen Lichtimpulsen im Piko- und Femtosekunden-Bereich eröffnet viele Anwendungsmöglichkeiten bei der Untersuchung von extrem schnellen Prozessen in der Biologie, Physik und Chemie. Von besonderem Interesse ist hier der sichtbare Spektralbereich, in dem viele organische Stoffe Absorptionsmaxima zeigen. Aufgrund der begrenzten Abstimmbarkeit der Emissionswellenlänge typischer Lasermaterialien im Infrarot-Bereich stehen auch nach der Frequenz-verdopplung in den sichtbaren Spektralbereich für viele Anwendungen keine geeigneten Strahlquellen zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit war deshalb die Entwicklung und Charakterisierung neuartiger Ultrakurzpuls-Strahlquellen, die eine Erschließung neuer Wellenlängenbereiche ermöglichen. Dazu wurde zum einen eine Ultrakurzpuls-Strahlquelle hoher mittlerer Leistung, basierend auf dem Lasermaterial Yb:YAG, bei einer Wellenlänge von 1030 nm entwickelt. Zum anderen wurde, basierend auf dem physikalischen Effekt der stimulierten Raman-Streuung, ein neuartiges Konzept zur Erzeugung von ultrakurzen Lichtimpulsen bei neuen Wellenlänge demonstriert. Die Realisierung des Yb:YAG Lasers war erst durch die Untersuchung und numerische Modellierung der physikalischen Eigenschaften des Lasermaterials möglich, da in Hochleistungssystemen aufgrund des Quantendefekts große Wärmemengen im Laserkristall deponiert werden. Die daraus resultierenden Effekte, wie spannungsinduzierte Doppelbrechung oder das Ausbilden von starken thermischen Linsen, steigern mit zunehmender Pumpleistung die Anforderungen an das Resonatordesign und die Pumpanordnung. Im kontinuierlichen Betrieb emittierte der Laser, bei einer absorbierten Pumpleistung von 84 W, eine maximale Ausgangsleistung von 30 W in einem nahezu beugungsbegrenzten Strahl (M2 < 1,1). Als Modenkopplungsverfahren wurde eine modifizierte selbststabilisierende Form der Additiv-Puls-Modenkopplung (APM) gewählt. Voraussetzung für die APM ist ein linear polarisierter Laserbetrieb, welcher durch ein neues Konzept trotz der starken spannungsinduzierten Doppelbrechung erreicht werden konnte. Im modenge-koppelten Betrieb wurde eine mittlere Ausgangsleistung von 25,5 W bei einer Impulsdauer von 648 fs und einer Wiederholrate von 122 MHz erzielt. Als limitierender Faktor für eine weitere Leistungsskalierung wurde das Erreichen der Zerstörschwelle der optischen Faser identifiziert.