Hochleistungs-Ultrakurzpulsquellen im mittleren Infrarotbereich bei 2 – 5 μm basierend auf einer Quelle mit zwei Wellenlängen – Teil 7

3 Differenzfrequenzerzeugung von Hochleistungs-Ultrakurzpulslichtquellen im mittleren Infrarot

3.2 Differenzfrequenzerzeugung zur Erzeugung leistungsstarker ultrakurzer Pulse im mittleren Infrarotbereich bei 3MM

Wir haben ein DFG-System (Differenzfrequenzerzeugung) auf Basis eines Hochleistungs-Zweiwellenlängen-Ultrakurzpuls-Faserlasers entwickelt, wie in Abbildung 7(a) dargestellt. Der Pumppuls hat eine zentrale Wellenlänge von 1,03 μm, eine Energie von 0,95 μJ und eine Pulsbreite von 260 fs; der Signalpuls hat eine zentrale Wellenlänge von 1,55 μm, eine Energie von 136 nJ und eine Pulsbreite von 290 fs. Nach Anpassung der zeitlichen Verzögerung des Pumppulses relativ zum Signalpuls mithilfe einer Verzögerungsleitung werden die beiden Strahlen durch einen dichroitischen Kurzpassspiegel (DM) kombiniert und anschließend in einen PPLN-Kristall fokussiert.(www.wisoptic.com)unter Verwendung einer plankonvexen Linse mit einer Brennweite von 250 mm. Der PPLN-Kristall hat ein Fan-Out-Design mit einer kontinuierlich einstellbaren Polarisationsperiode zwischen 21 und 34 μm und Abmessungen von 15 × 1 × 3 mm³. Beide Oberflächen des Kristalls sind mit Antireflexbeschichtungen für die Wellenlängenbereiche von 1,04–1,09 μm, 1,3–1,7 μm und 2,7–5,2 μm beschichtet, um Fresnel-Reflexionen zu verhindern; ein temperaturgeregelter Ofen erhitzt den Kristall auf 80 °C, um photorefraktive Schäden zu verhindern. Nach der Differenzfrequenzerzeugung der Pump- und Signalimpulse im 3 mm großen PPLN-Kristall wird der resultierende Mittelinfrarotimpuls zusammen mit dem Leerlauflicht durch die plankonvexe Linse kollimiert und dann durch einen Langpassfilter (LPF) reflektiert. Der transmittierte Laserstrahl ist das endgültige Ausgangssignal des Mittelinfrarot-Ultrakurzpulslasers.

Abb. 7. Der DFG-basierte 3μm Hochleistungslaser im mittleren Infrarot. (a) Zeichnungen der experimentellen

Installationen; (b) Wenn der Brennpunkt hinter der Vorderseite des Kristalls liegt; (c) Wenn der Brennpunkt

Punkt liegt vor der Vorderseite des Kristalls

Während des DFG-Prozesses bestimmt die Größe des Laserspots im Kristall direkt die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung. Um die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung zu maximieren, ohne den Kristall zu beschädigen, muss die Laserspotgröße über einem kritischen Schwellenwert gehalten werden. Im Experiment wurde der Laserspotdurchmesser an der Vorderseite des Kristalls zunächst auf 200 μm eingestellt. Nach der Kollimation durch eine Linse am Ausgangsende wurde die Spotform mit einer CCD-Kamera aufgezeichnet. Die resultierenden Spotmuster bei unterschiedlichen Pumpleistungen sind in Abbildung 8 dargestellt.

Abb.8. Fernfeld-Lichtfleckdiagramm bei unterschiedlicher Pumpleistung.

Bei einer Erhöhung der Pumpimpulsenergie von 30 nJ auf 300 nJ blieb die Form des Strahlflecks im Wesentlichen unverändert. Bei einer Pumpimpulsenergie von 450 nJ veränderte sich die Form des Strahlflecks jedoch leicht, mit einer deutlichen Divergenz am äußeren Rand. Bei 540 nJ trat Selbstfokussierung ein, die eine dramatische Veränderung der Strahlfleckform bewirkte; eine weitere Erhöhung der Pumpenergie würde den PPLN-Kristall beschädigen. (www.wisoptic.com)Durch die Positionierung des Kristalls im Strahlfokus und die Gewährleistung eines 200 μm großen Flecks auf der Vorderseite des Kristalls (wie in Abbildung 7(c) gezeigt) sowie nach der Optimierung konnte die Selbstfokussierung sogar bei einer Pumpenergie von 900 nJ und einer Signalenergie von 120 nJ vermieden werden.