In Abbildung 4.8 sind die Ergebnisse der leistungsabhängigen und spektralen Charakterisie-rung der Impulse nach dem Hochleistungs-Verstärker basierend auf der Yb:PCF dargestellt.
Dabei ist in Abbildung 4.8(a) die Ausgangsleistung in Abhängigkeit der Pumpleistung aufgetragen. Bei einer maximalen Leistung der Pumpdioden von insgesamt 106 W, gemessen nach dem Kombinierer, liegt eine Durchschnittsleistung von 72 W im Signallicht nach der PCF vor. Dies entspricht bei einer Repetitionsrate von 10 MHz einer Impulsenergie von 7,2 µJ. Eine ebenfalls eingetragene lineare Anpassung an die Messdaten zeigt das lineare
0 20 40 60 80 100
1,00 1,02 1,04 1,06 1,08 -40
Leistung im Signallicht (mW) Wellenlänge (µm) (a)
Abbildung 4.8: Ausgangsparameter nach der PCF. (a) Ausgangsleistung abhängig von der optischen Pumpleistung. Die maximal zur Verfügung stehende Pumpleistung beträgt 106 W und führt zu einer Impulsenergie von 7,2 µJ im Signallicht. Damit liegt ein differenzieller Wirkungsgrad des Verstärkers von 72,7 % vor. (b) Ausgangsleistung abhängig von der eingekoppelten Leistung im Signallicht. Ab etwa 100 mW tritt eine Sättigung ein (grau gestrichelt markiert). Diese Daten wurden aufgenommen bei einer Pumpleistung von etwa 90 W. (c) Linear und (d) logarithmisch aufgetragenes, normiertes Ausgangsspektrum gemessen nach der PCF. Das Spektrum ist um eine Wellenlänge von 1,034 µm zentriert mit einer vollen Halbwertsbreite von 11,8 nm.
In der logarithmischen Auftragung sind die spektralen Kanten verursacht durch den Gitter-Strecker (Abbildung 3.7) bei 1,014 µm und 1,066 µm zu erkennen. Das ASE-Niveau liegt etwa 40 dB unterhalb der Spitzenintensität.
Verhalten der Ausgangsleistung im gesamten Bereich oberhalb der Schwelle. Über die Steigung der Geraden lässt sich der differenzielle Wirkungsgrad des Hauptverstärkers zu 72,7 % bestimmen. Insgesamt liegt eine Verstärkung des Signallichts von 20,1 dB vor.
Die Ausgangsleistung nach der PCF in Abhängigkeit der Leistung im Signallicht aus dem Vorverstärker ist in Abbildung 4.8(b) für eine konstante Pumpleistung von 90 W gezeigt. Um bei der Messung das Risiko einer Beschädigung der PCF zu vermeiden, wurden keine Daten unterhalb von 35 mW im Signallicht aufgenommen. Dennoch ist ein klares Sättigungsverhalten der Verstärkung ab etwa 100 mW Leistung im Signallicht zu erkennen. Damit läuft auch die letzte Verstärkerstufe in deutlicher Sättigung. Das Ausgangsspektrum, gemessen direkt nach der PCF, ist in Abbildung 4.8(c) gezeigt. Es ist um eine Wellenlänge von 1,034 µm zentriert mit einer vollen Halbwertsbreite von 11,8 nm. Das Fourier-Limit der Impulse liegt bei 105 fs. In Abbildung 4.8(d) ist dasselbe Spektrum noch einmal logarithmisch aufgetragen gezeigt. Erst in dieser Auftragung sind
-2 -1 0 1 2
Abbildung 4.9:Zeitlicher Verlauf der Impulse nach der PCF (blau), gemessen mit einem Sampling-Oszilloskop mit einer Bandbreite von 30 GHz. Im Vergleich dazu der zeitliche Verlauf vor der PCF aus Abbildung 3.9(d) (grün). Die Impulsdauer beträgt für beide Fälle etwa 500 ps.
die spektralen Kanten bei 1,014 µm und 1,066 µm aus dem Gitter-Strecker feststellbar.
Außerdem ist in dieser Abbildung zu erkennen, dass die Spitzenintensität der Impulse etwa 40 dB oberhalb des Niveaus der verstärkten spontanen Emission liegt. Im Spektrum sind keine Modulationen oder signifikante Änderungen der Form im Vergleich zu dem des Vorverstärkers aus Abbildung 3.9(c) zu erkennen, sodass davon auszugehen ist, dass keine nichtlinearen Prozesse bei der Verstärkung stattfinden. Durch die Verstärkung reduziert sich lediglich die spektrale Bandbreite um 2,9 nm.
Der zeitliche Verlauf der Impulseinhüllenden ist in Abbildung 4.9 gezeigt. Dieser wurde mit Hilfe eines Sampling-Oszilloskops mit einer Bandbreite von 30 GHz vermessen. Zum Vergleich ist ebenfalls der zeitliche Verlauf der Impulse unmittelbar vor der PCF aus Abbildung 3.9(d) eingezeichnet. In beiden Fällen liegt die Impulsdauer im Bereich von 500 ps. Auch hier liegt keine signifikante Änderung der Parameter nach der Verstärkung vor, sodass eine lineare Verstärkung vorliegt.
Für die effiziente Nutzung der Ausgangsimpulse nach der PCF für nichtlineare Effekte ist eine hohe Intensität nötig. Dazu muss der Impulszug neben der zeitlichen Kompression (Kapitel 5) auch räumlich möglichst dicht an das Beugungslimit fokussiert werden, wozu eine hohe Strahlqualität essenziell ist. Eine präzise Aussage über die Strahlqualität liefert die Beugungsmaßzahl M2. Diese ist ein Maß dafür, in welchem Verhältnis das Intensitätsprofil des vorhandene Laserstrahls von einer idealen Gauß-Verteilung abweicht. Bei voller Leistung
Distanz zum Fokus (mm)
Abbildung 4.10: Strahlqualität nach dem Hauptver-stärker. Für eine detaillierte Analyse wurde die Beu-gungsmaßzahlM2 bei voller Leistung ermittelt. Die Strahlradien beider Achsen sind in Abhängigkeit der Distanz zum Fokus aufgetragen. Eine Maßzahl von 1,05 für die horizontale und 1,02 für die vertikale Achse wurde bestimmt.
liegt im beschriebenen Aufbau eine Maßzahl von 1,05 für die horizontale und 1,02 für die vertikale Achse vor. Der Verlauf des Strahlradius in Abhängigkeit der Distanz zum Fokus als Ergebnis derM2-Messung ist in Abbildung 4.10 gezeigt. Diese Ergebnisse demonstrieren, dass eine nahezu ideale Gauß-Verteilung der Intensität innerhalb des Strahls vorliegt.
Damit ist ein monomodiger Betrieb selbst bei voller Leistung belegt. Der Polarisator nach der Verstärkerstufe sorgt zudem für eine Polarisation im Verhältnis von 1:200. Die eindeutige Polarisationsrichtung, sowie die hervorragende Strahlqualität und Linearität der Verstärkung sind Grundlage für einen stabilen und effizienten Betrieb des Systems und der folgenden Kompression zu kurzen Impulsen.
auf eine Dauer von 145 fs
EOM
Yb:Faser-Verstärker
HNF
Gitter-Strecker
Er:Faser-System PCF
Gitter-Kompressor Für wissenschaftliche Anwendungen in der extrem nichtlinearen Optik sind intensive Lich-timpulse mit kurzer Dauer bei gleichzeitig hoher Repetitionsrate von Interesse. Verstärker-Systeme basierend auf Yb:Fasern liefern durch eine hohe Quanteneffizienz und einer hohen Emissionsbandbreite das Potenzial diese Anforderungen zu erfüllen. Impulse mit Energien im Mikrojoule-Bereich bei Dauern unterhalb von 200 fs und Repetitionsraten bis 10 MHz wurden bereits demonstriert [Mor12; Kob13]. Kurze Impulslängen bis zu 120 fs konnten ebenfalls gezeigt werden [Kuz07; Rue10]. Allerdings können die entsprechenden Systeme lediglich Impulsenergien von maximal 0,5 µJ aufweisen [Ken07; Che12]. Die Tatsache, dass im hier beschriebenen Aufbau kohärente Frequenzkonversion verwendet wird, um Signallicht für die Verstärkerstufen basierend auf Yb:Fasern bereitzustellen, ermöglicht die Erzeugung breitbandiger Spektren, welche Impulsdauern unterhalb von 150 fs realisierbar machen.
Nichtlineare Effekte zur Verbreiterung des Spektrums innerhalb der Verstärker sind damit nicht mehr notwendig, sodass höhere Energien bei gleichzeitig stabilem Betrieb und hoher Repetitionsrate umsetzbar sind. Im vorgestellten Hochleistungs-Verstärker steht, wie im vorangehenden Kapitel beschrieben, eine Impulsenergie von 7,2 µJ bei einer Repetitions-rate von 10 MHz zur Verfügung. Aufgrund des angewandten Konzepts der Verstärkung frequenzmodulierter Impulse, weisen diese nach der photonischen Kristallfaser eine Dauer von etwa 500 ps auf. Diese können jedoch nicht effizient zum Treiben von Prozessen hoch nichtlinearer Optik eingesetzt werden.
In diesem Kapitel wird daher die experimentelle Umsetzung der notwendigen zeitlichen Kompression der Impulse durch einen Gitter-Kompressor beschrieben. Es beginnt mit der Darstellung des Aufbaus und der Funktionsweise in Abschnitt 5.1, während Abschnitt 5.2 näher auf die verwendeten dielektrisch beschichteten Gitter eingeht. Die Charakterisierung des resultierenden Impulszugs schließt das Kapitel ab.
5.1 Aufbau und Funktionsweise des Gitter-Kompressors
Im beschriebenen System wird ein Gitter-Kompressor zur zeitlichen Kompression der Impulse verwendet. Ein kompakter Aufbau erlaubt dabei eine variable Kompensation von
Dispersion zweiter Ordnung, wie sie durch den Gitter-Strecker aufgeprägt wurde [Tre69].
Die Anordnung eines solchen Kompressors ist in Abbildung 5.1(a) schematisch dargestellt.
Sie besteht aus zwei parallel zueinander stehenden Reflexionsgittern, wobei der einfallende Strahl entsprechend der Gittergleichung 3.1 spektral aufgespalten wird. Die Beugung am zweiten Gitter kompensiert die Winkeldispersion, sodass Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen zwar räumlich getrennt, jedoch parallel zueinander verlaufen. Ein Spiegel reflektiert das Licht zurück, welches die Anordnung daraufhin erneut durchläuft, sodass die Aufspaltung wieder aufgehoben wird. Dabei legt Licht mit kürzerer Wellenlänge einen kürzen Weg zurück als das Licht mit längerer Wellenlänge, was negative GDD hervorruft, die sich über
beschreiben lässt [Die06]. Dabei istϑder Beugungswinkel für die Wellenlänge λundbder Normalenabstand beider Gitter, der sich aus dem AbstandL der Gitter in Strahlrichtung ergibt durch
b=Lcosϑ. (5.2)
Im hier beschriebenen Gitter-Kompressor wird der Strahlengang zwischen den beiden Git-tern gefaltet, wie in Abbildung 5.1(b) schematisch dargestellt. Dadurch ist nur ein einzelnes Gitter in dieser Anordnung notwendig. Der Strahl muss dabei invertiert werden, weshalb ein horizontaler Retroreflektor zum Einsatz kommt. Ein vertikaler Retroreflektor leitet den Strahl in entgegengesetzter Richtung nochmals durch den Aufbau. Der große Vorteil dieses
ϕ
Abbildung 5.1: (a) Schematischer Aufbau eines Gitter-Kompressors zur Erzeugung negativer Dispersion zweiter Ordnung. Dabei ist ϕ der Einfalls- und ϑ der Beu-gungswinkel der Zentralwellenlänge.b ist der Normalenabstand der beiden Gitter zueinander. (b) Schematische Darstellung des im beschriebenen System verwende-ten Gitter-Kompressors. Durch den vertikalen Retroreflektor wird der Kompressor gefaltet, sodass nur ein Gitter notwendig ist.
Vorgehens ist, dass sich durch die Verschiebung des horizontalen Retroreflektors entlang des Strahlwegs, mit Hilfe eines mechanischen Verschiebetisches, die verursachte GDD laut Gleichung 5.1 stufenlos variieren lässt. Damit wird der Ausgleich der Dispersion zweiter Ordnung optimal eingestellt. Dabei muss in erster Linie die durch den Gitter-Strecker hin-zugefügte Dispersion von etwa 20 ps2 ausgeglichen werden. Die Materialdispersion zweiter Ordnung, verursacht durch die Glasfasern von Vor- und Hauptverstärker, liegt im Bereich von 0,05 ps2 und spielt daher keine bedeutende Rolle.
Der Strahl nach der PCF wird über ein Teleskop mit zwei Linsen mit einem Verhältnis der Brennweiten von −50:200 mm auf einen Strahldurchmesser von 5 mm vergrößert und mit einem Einfallswinkel von 76° zur Flächennormalen auf das Reflexionsgitter geführt.
Dieses verfügt über 1760 Linien pro Millimeter, was einer Gitterkonstanten von 568 nm entspricht. Es ist baugleich zu dem Gitter des Streckers (Abschnitt 3.3). Damit ergibt sich ein Beugungswinkel von 57° für eine Wellenlänge von 1,03 µm. Die Länge des Strahlweges, die dem AbstandL aus Gleichung 5.2 entsprechen würde, beträgt 41,2 cm. Damit benötigt der Gitter-Kompressors lediglich eine kompakte Grundfläche von 42 cm×23 cm. Die Anordnung der Bauteile ist dabei so gewählt, dass keine spektralen Anteile aufgrund einer harten Apertur abgeschnitten werden.
5.2 Dielektrische Gitter zur Verbesserung der Kompressoreffizienz