High-power femtosecond laser-oscillators for applications in high-field physics

摘要

In dieser Doktorarbeit werden experimentelle Anstrengungen zur Entwicklung eines kompakten Laseroszillators für Femtosekundenimpulse mit hoher Durchschnitts- und Spitzenleistung beschrieben. Dabei zielt dieser Laser auf neuartige Anwendung in der Spektroskopie und Hochfeldphysik ab, insbesondere dem Antreiben von ineffizienten Frequenzkonversionsprozessen wie der Erzeugung von mittlerer Infrarot- und extrem ultravioletter Strahlung. Die entwickelten Strahlquellen bestehen dabei aus einem kerrlinsenmodengekoppelten Hochleistungsscheibenlaser auf Basis von Yb:YAG mit mehreren MHz Wiederholrate und einer anschließenden Impulskompressionsstufe ausudmassiven Festkörpern.udEs wird aufgezeigt, dass Kerrlinsenmodenkopplung sowohl durchschnitts-, als auch spitzenleistungsskalierbar ist und die derzeit einzige Methode zur Modenkopplung, die simultan die effiziente Ausbeute der gesamten Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums zulässt. Impulse mit mehr als 60 MW Spitzenleistung und hunderten Watt an Durchschnittsleistung können direkt am Oszillatorausgang erreicht werden mit Impulslängen bis hinab zu 140 fs.udDer Hochleistungsoutput des Oszillators wurde in massiven Festkörpermaterialien spektral verbreitert, um die Durchführbarkeit eines effizienten, kompakten und robusten Impulskompressors auszuloten, der sich nicht auf justageempfindliche Fasern verlassen muss. Gestützt durch frühere Arbeiten, sowie neue Experimente, als auch Simulationen konnte festgestellt werden, dass die Nachahmung eines nichtlinearen Quasiwellenleiters zu außerordentlich hoher Effizienz im Durchsatz führen und dabei herausragende Komprimierbarkeit über dem gesamten Strahl sicherstellen kann.udDie Impulse mit 60 MW Spitzen- und 150 W Durchschnittsleistung aus einem der entwickelten Oszillatoren wurden in einem sehr kompakten Quasiwellenleiter spektral verbreitert und anschließend mit gechirpten Spiegeln auf 30 fs komprimiert. Durch die hohe Transmission des gesamten Aufbaus von 95 % wurde die Spitzenleistung auf 230 MW hochgetrieben. Simulationen zeigen die Umsetzbarkeit eines Kompressors auf Basis dieser Wellenleiter mit Pulsdauern, die mit 10 fs bis in den Bereich weniger optischer Schwingungszyklen hineinreichen. Untersucht wurde ebenfalls ein anderer Ansatz zur spektralen Verbreiterung, der auf kaskadierten χ(2) Nichtlinearitäten während der Erzeugung der zweiten Harmonischen in BBO mit fehlangepasster Phase beruht. Obgleich die Effizienz nicht vergleichbar mit der des Wellenleiteransatzes ist, machen ihn die faszinierende Möglichkeit zu defokussierenden Phasenschüben und Selbstkompression im Kristall zu einem interessanten Ausgangspunkt für sehr kompakte Impulskompressionsaufbauten. Das Zusammenspiel dieser Entwicklungen zeigt die Realisierbarkeit von unverstärkten, einfachen und kompakten Laserquellen auf, die komplexere und preisintensive Yb- oder Ti:Safir Verstärkersysteme ersetzen können.