Hochleistungsfähige ultraschnelle Infrarotquellen im mittleren Wellenlängenbereich von 2–5 μm basierend auf einer Zweiwellenlängenquelle – Teil 10

4. Abschluss

Um hochleistungsfähige, abstimmbare, kurzwellige Ultrakurzpulse im mittleren Infrarotbereich zu erhalten, verwendet diese Arbeit einen Erbium-dotierten Faserlaser (EDF-LAD) und setzt nichtlineare Verstärkungs- und Kompressionsmethoden ein.

Ein Teil der Energie wird mittels einer stark nichtlinearen Faser auf 1,03 μm aufgeweitet und dient als Anregungslicht fürUNDDer mit Ytterbium dotierte CPA-Impuls dient als Anregungslicht für den Erbium-dotierten CPA-Impuls. Dieser verstärkt die Energien der 1,55-µm- und 1,03-µm-Impulse auf 140 nJ bzw. 0,95 µJ bei Pulsbreiten von 290 fs bzw. 260 fs. Durch Einkopplung des hochenergetischen 1,55-µm-Impulses in eine 8,5 cm lange dispersionsverschobene Faser entsteht ein spektraler Nebenkeulenanteil mit einem abstimmbaren Spektrum von 1300–1900 nm und einer mittleren Leistung von 50–400 mW. Dieser liefert einen hochenergetischen Signalimpuls für die DFG (dispersionsverschobene Spektralerzeugung).

Basierend auf der verteilten Fourier-Methode zur Lösung der Drei-Wellen-Mischgleichung wurde der Einfluss der Pump- und Signalpulsenergien auf die Leerlaufpulsenergie während des DFG-Prozesses untersucht. Die Variation der Leerlaufenergie mit der Pumpenergie lässt sich in lineare, exponentielle und Sättigungsbereiche unterteilen. Es wurde vorgeschlagen, die Leerlaufenergie am Ausgang durch Anpassen der Verzögerung zwischen den einfallenden Pulsen zu optimieren.

Im Experiment wurde mithilfe einer leistungsstarken, abstimmbaren Zweiwellenlängen-Lichtquelle und eines 3 mm PPLN-Kristalls eine ultraschnelle Lichtquelle im mittleren Infrarotbereich mit einer zentralen Wellenlänge von 3,06 μm, einer mittleren Leistung von 3,06 W und einer Pulsenergie von 90 nJ erzeugt. (www.wisoptic.com)Die zentrale Wellenlänge dieser mittelwelligen Infrarotlichtquelle ist zwischen 2 und 5 μm einstellbar, und die mittlere Leistung beträgt > 1 W, was die höchste durchschnittliche Leistung in diesem Wellenlängenbereich darstellt.

Die optischen Pfade für Pumpe und Signal im Experiment waren relativ lang und enthielten jeweils Hochleistungsverstärkerstufen und Faserkopplungsmodule. Diese Faktoren führten insgesamt zu einer geringen Stabilität der Ausgangsleistung. Der kritischste Faktor ist, dass die Brechungsindexänderung aufgrund von Temperaturschwankungen in der Faser während der Ausbreitung von Pump- und Signalpuls in ihren jeweiligen optischen Pfaden die optische Weglängendifferenz zwischen den beiden Pulsen verändert. Dies beeinträchtigt die Zeitsynchronisation von Pump- und Signalpuls und letztendlich den Wirkungsgrad der Differenzfrequenz.

In nachfolgenden Experimenten wird ein Stabilisierungssystem zur Regelung der Ausgangsleistung eingesetzt. Da im mittleren Infrarotbereich kein Messgerät für Strahl- und Pulsbreite zur Verfügung stand, wurden in diesem Experiment lediglich die Strahl- und Pulsqualität des Nahinfrarotlasers gemessen. Die Zirkularität der fokussierten Pump- und Signalstrahlen lag bei über 95 %.

Da bei diesem Experiment die kollineare Differenzfrequenzerzeugung zur Erzeugung eines ultraschnellen Lasers im mittleren Infrarotbereich genutzt wird, wird die Strahlqualität des Lasers im mittleren Infrarotbereich stark von der Strahlqualität im nahen Infrarotbereich beeinflusst; daher ist es vernünftig anzunehmen, dass auch der Laser im mittleren Infrarotbereich eine hohe Strahlqualität aufweist.

Des Weiteren simulierten wir anhand der Pump- und Signalpulsparameter im Experiment den Differenzfrequenzerzeugungsprozess und berechneten die Pulsbreite im mittleren Infrarotbereich zu etwa 200 fs. Dieser Wert liegt nahe an der transformbegrenzten Pulsbreite des Ausgangsspektrums. Diese hochenergetische und leistungsstarke Femtosekundenquelle im mittleren Infrarotbereich zeichnet sich durch einen großen spektralen Abstimmbereich und eine hohe Spitzenleistung aus und eignet sich für Forschungsbereiche wie die Detektion von Gasmolekülen, die Verbrennungsdiagnostik und die Erzeugung höherer Harmonischer.