Mit Hilfe eines f-2f-Interferometers, kann die Phasenstabilität der verstärkten Impulse untersucht werden. Für das hier vorliegende System wird diese Charakterisierung in [Kra11a;
Kra11b] im Detail beschrieben. Der verstärkte Impulszug wird in eine hoch nichtlineare
Wellenlänge (µm)
Abbildung 1.15: Spektrum der verstärk-ten phasenstarren Impulse aus Abbildung 1.12 im Detail. Gezeigt ist das Ausgangs-spektrum des Er:Faser-Verstärkers (rot) im Vergleich zum vollständigen Eingangs-spektrum nach Differenzfrequenzerzeu-gung in einem PPLN (grün gestrichelt).
Faser geleitet, um dort ein Spektrum zu generieren, welches eine Oktave überspannt.
Danach wird die zweite Harmonische des solitonischen Anteils erzeugt und mit dem dispersiven Anteil überlagert. Beide Komponenten können aufgrund unterschiedlicher Gruppengeschwindigkeiten über einen Materialdurchgang durch Schwerflintglas (SF66) zueinander verzögert werden. Ein Spektrometer dient zur Aufzeichnung der überlagerten Spektren, welche als Ergebnis in Abbildung 1.16 dargestellt sind. Da das Gerät über eine Integrationszeit von 4 ms verfügt ist das detektierte Signal gleichbedeutend mit einer zeitlichen Mittelung der überlagerten Spektren über 160 000 Impulse [Kak01]. Zu erwarten ist eine Modulation in Abhängigkeit der Verzögerungszeit, dessen Phasenlage von der Träger-Einhüllenden-Phase abhängt. Ist diese also ungleich Null, sollte durch die Mittelung über diese hohe Anzahl von Impulsen keine Modulation detektierbar sein. In Abbildung 1.16(a) und 1.16(b) sind die überlagerten Spektren für zwei unterschiedlich dicke Schwerflintgläser aufgetragen. Da sich die Frequenz der Modulation in Abhängigkeit zur Materialdicke ändert, ist ein Etaloneffekt als Ursache für die Modulationen ausgeschlossen. Die theoretisch zu erwartende Impulsverzögerung von 420 fs kann im Experiment ebenfalls bestätigt werden.
Die Modulationstiefe von bis zu 70 % zeigt eine extrem hohe Stabilität auf der Millisekunden-Zeitskala. Limitierend ist lediglich die Güte der Überlagerung beider Spektren. Außerdem zeigt dieses Ergebnis, dass die verstärkten Impulse eine Träger-Einhüllenden-Frequenz von fCEO= 0 aufweisen und damit passiv phasenstabilisiert vorliegen.
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Abbildung 1.16: Nachweis der Phasenstabilität der verstärkten Impulse. (a) und (b) zeigen die Überlagerung eines dispersiven Spektrums nach einer HNF mit der zweiten Harmonischen des dazugehörigen Solitons. Die Modulation wird durch einen unterschiedlich langen Materialdurchgang durch Schwerflintglas (SF66) und damit verschiedene Verzögerungszeiten variiert. (c) Serie von 1000 Spektren, aufgenommen über einen Zeitraum von 8 s. (d) Über Fourier-Transformation ermittelte Phase der in (c) gezeigten Spektren. Durch einen Vergleich der Werte ergibt sich der quadratische Mittelwert (RMS) von 0,219 rad. Daten entnommen aus [Kra11a].
Zum Test der Eigenschaften auf längeren Zeitskalen, wurden 1000 Spektren über einen Zeitraum von 8 s aufgenommen (Abbildung 1.16(c)). Bei jedem wird über eine Fourier-Transformation die entsprechende Phase ermittelt und mit der Phase des vorangehenden verglichen. Dieses Ergebnis ist in Abbildung 1.16(d) aufgetragen. Es ergibt sich über den Zeitraum von 8 s ein quadratischer Mittelwert (RMS, engl.: root mean square) von 0,219 rad, was einer Änderung der Phasenlage von 3,5 % einer einzelnen Lichtschwingung entspricht. Die hier gezeigte Stabilität ermöglicht Anwendungen in der Zeitdomäne, wie etwa die Erzeugung von Attosekunden-Impulsen [Bra00], wozu Impulse mit nur wenigen Lichtschwingungen nötig sind.
Intensive Laserimpulse sind für Experimente extrem nichtlinearer Optik, beispielsweise der Erzeugung hoher Harmonischer, zwingend notwendig. Dafür müssen Intensitäten von 1013W/cm2 bis 1015W/cm2 vorliegen [Cin12]. Diese lassen sich in Verbindung mit kurzen Impulsdauern bei Energien im Mikro- bis Millijoule-Bereich erreichen. Um die notwendi-gen Parameter zu erhalten, sind jedoch im Vergleich zur Er:Faser-Technologie erweiterte Konzepte zur Steigerung der Impulsenergie erforderlich. Die Herausforderungen in der Realisierung bestehen sowohl durch nichtlineare optische Effekte innerhalb der Glasfasern, als auch durch thermische Belastungen, die bis hin zum Schaden der verwendeten Bauteile führen können.
In diesem Kapitel werden Konzepte zur Bewältigung dieser Herausforderungen vorgestellt.
In Abschnitt 2.1 geht es zunächst um Ytterbium als Verstärkungsmedium, welches verwen-det wird, um aufgrund einer hohen Quanteneffizienz thermisch bedingte Komplikationen zu vermindern. Ein Überblick möglicher Effekte, die bei der Erhöhung der Impulsenergie negativen Einfluss haben, schließt sich an. In den Abschnitten 2.3 und 2.4 geht es um konzep-tionelle Lösungsansätze, diese Schwierigkeiten zu bewältigen. Vorgestellt wird die Nutzung von Glasfasern mit erhöhtem Kerndurchmesser und die Verstärkung frequenzmodulierter Impulse.
2.1 Mit Ytterbium dotierte Glasfasern als Verstärkungsmedium
Mit den bisher vorgestellten Technologien basierend auf Er:Fasern ist das Ziel von Impul-senergien im Bereich mehrerer Mikrojoule bei Femtosekunden-Impulsdauern und hoher Repetitionsrate nicht erreichbar. Die Quanteneffizienz einer Er:Faser, welche bei einer Wel-lenlänge von 974 nm gepumpt wird und bei 1,55 µm emittiert, beträgt lediglich 62,9 %. Dies würde zu extrem hohen thermischen Belastungen durch die deponierte Restenergie führen, welche die Zerstörschwelle üblicher Bauteile überschreitet. Um die Quanteneffizienz durch ein Inband-Pumpschema zu steigern, fehlt es an leistungsstarken Lichtquellen im Wellen-längenbereich um 1,48 µm. Eine Möglichkeit die Ausgangsleistung eines Er:Faser-Systems zu erhöhen ist die Verwendung von Doppelmantelfasern, die mit Ytterbium kodotiert sind [Jeo05]. In dem Fall gerät man jedoch an technologische Grenzen, die ASE wirksam zu unterdrücken, welche die Effizienz des Verstärkers signifikant mindert.
Geeignete Medien für Hochleistungs-Laser basieren unter anderem auf Kristalle oder Gläser, die mit Ytterbium (Yb) dotiert sind [Hon00]. Bei Dauerstrichlasern sind mit solchen Medien Durchschnittsleistungen bis zu einigen Kilowatt erreichbar [Jeo04]. Durch das
Dotieren einer Glas-Matrix mit Yb3+-Ionen lässt sich diese Technologie auch auf das Gebiet der Faserlaser und -verstärker übertragen [Pas95]. Dabei liegen ausgedehnte Absorptions-und Emissionsbänder vor, die hohe Verstärkungsbandbreiten bereitstellen. Dies bildet die Grundlage für die Erzeugung ultrakurze Impulse. Der größte Vorteil ist jedoch die Möglichkeit ein Pumpschema mit hoher Quanteneffizienz zu verwenden, was die thermische Belastung minimiert.
0,90 0,95 1,00 1,05 1,10 0
Abbildung 2.1: Emissions- und Absorptionsverhalten von mit Ytterbium dotierten Glasfasern. (a) Energieniveauschema und (b) Emissions- und Absorptionsspektrum von Yb3+-Ionen in einer Glas-Matrix. Daten entnommen aus [Pas97].
In Abbildung 2.1 sind die am Verstärkungsprozess beteiligten Energieniveaus, die opti-schen Übergänge und die daraus resultierenden Wirkungsquerschnitte der Emission und Absorption dargestellt. Anders als bei Er3+-Ionen, sind bei Yb3+-Ionen in einer Glas-Matrix lediglich das Grundniveau 2F7/2 und das erste angeregte Niveau 2F5/2 von Bedeutung.
Diese Niveaus sind durch den Stark-Effekt in vier beziehungsweise drei Unterniveaus aufge-spalten und bei Raumtemperatur deutlich verbreitert. Dominierend ist das ausgeprägte Emissions- und Absorptionsband bei einer Wellenlänge von 975 nm, welches auf Übergänge zwischen den energetisch niedrigsten Stark-Niveaus zurück geht (iiin Abbildung 2.1). Ein weiterer Übergang liegt bei einer Wellenlänge von 915 nm vom Grundzustand in ein ange-regtes Stark-Niveau (iin Abbildung 2.1). Ein breites Emissionsband ergibt sich durch den Übergang des niedrigsten Stark-Niveaus des2F5/2-Zustandes in die angeregten Zustände des Grundniveaus (iiiin Abbildung 2.1). Dieses Emissionsband erstreckt sich bis zu einer Wellenlänge von 1,2 µm und unterstützt so die Erzeugung ultrakurzer Impulse. Das am häu-figsten verwendete Verstärkungsschema ist das Pumpen bei einer Wellenlänge von 975 nm und einer Emission bei 1,03 µm. Hier liegt die maximale Pumplicht-Absorption bei einer gleichzeitig hohen Quanteneffizienz von 94,7 % vor. Dadurch läuft der Verstärkungsprozess mit einer hohen Effizienz ab, wenngleich eine Lichtquelle benötigt wird, die präzise auf einen schmalen Wellenlängenbereich bei 975 nm stabilisiert ist. In diesem Schema bildet sich ein Drei-Niveau-System aus, welches vergleichsweise hohe Pumpintensitäten benötigt, um die Laserschwelle zu erreichen. Ein Nachteil dieser Tatsache ist, dass maximal nur
50 % Besetzungsinversion in Bezug zum Grundniveau möglich sind. Die Vorteile dieses Pumpschemas überwiegen jedoch, da fasergekoppelte Pumpdioden, die Licht bis zu einer Leistung von 100 W bereitstellen, zur Verfügung stehen.
Bei mit Ytterbium dotierten Glasfasern können optisch induzierte Verluste des Signal-lichts auftreten. Dieser Effekt wird Photodarkening bezeichnet [Kop06]. Der physikalische Ursprung des Effekts ist jedoch noch nicht vollständig verstanden und wird in der Literatur diskutiert [Sch14; Ye14; Zer14]. Die gängigste Erklärung ist die Bildung von Farbzentren in der Glas-Matrix, welche die Hintergrundverluste erhöhen. Dabei sind die Verluste nicht gleichmäßig über den Querschnitt oder entlang der Faser verteilt und grundsätzlich ab-hängig von der Materialzusammensetzung des Kerns [Zer14]. Dieser Effekt sättigt jedoch nach einigen Betriebsstunden, sodass ein Yb:Faser-Verstärker danach bei gleichbleibender Ausgangsleistung betrieben werden kann.
2.2 Herausforderungen bei der Erhöhung der Impulsenergie