Yb:KYW regenerativer Verstärker für ultrakurze Pulse

Kurzfassung

Mit ultrakurzen Laserpulsen ist in der Lasermaterialbearbeitung die präzise Strukturierung von metallischen und nichtmetallischen Werkstoffen ohne den Einfluss störender thermischer Effekte möglich. Zuverlässige, kompakte und billige Ultrakurzpulslasersysteme sind jedoch kommerziell kaum erhältlich, dies verhindert bisher die Überführung dieser Technologie von den Forschungslaboren in die industrielle Anwendung. Hier bietet der Scheibenlaser die Möglichkeit, kompakte, anwendungstaugliche Ultrakurzpulsquellen mit hoher Pulsenergie und mittlerer Leistung bei beugungsbegrenzter Strahlqualität zu realisieren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Yb:KYW regenerativer Verstärker für ultrakurze Laserpulse aufgebaut. Es kommen zwei Konzepte zum Einsatz. Zum einen wurde ein System mit Gires-Tournois-Interferometer-Spiegeln zur Dispersionskompensation im Verstärkerresonator realisiert. Dadurch wird die dispersive Pulsverlängerung während der Verstärkungsphase verhindert. Dieses Konzept ermöglicht die Verstärkung von Laserpulsen im Subpikosekundenbereich mit Pulsenergien bis zu 150 µJ.

Das Einsetzten optisch nichtlinearer Effekte begrenzt die Verstärkung zu höheren Pulsenergien, zudem können in diesem Energiebereich keine Laserpulse kürzer als 500 fs verstärkt werden. Der Vorteil dieses Konzepts liegt jedoch im einfachen und kompakten Aufbau. Zum anderen wird für die Verstärkung kürzerer Laserpulse ein zweites Konzept herangezogen. Bei diesem wird die dispersive Pulsverlängerung durch die resonatorinternen optischen Komponenten während der Verstärkung nicht kompensiert. Durch die Verlängerung der Laserpulse setzen nichtlineare Effekte erst bei höheren Pulsenergien ein. Die Laserpulse müssen in diesem Fall jedoch nach der Verstärkungsphase durch einen Gitterkompressor rekomprimiert werden.

Die vergleichsweise niedrige Dispersion im System erlaubt den Einsatz von Gittern mit niedriger Liniendichte, so dass die Justageempfindlichkeit wesentlich geringer als in gewöhnlichen CPA-Systemen ist. Dieses zweite Konzept ist durch den Gitterkompressor etwas anspruchsvoller und weniger kompakt als das erste, erlaubt dafür aber die Verstärkung kürzerer Laserpulse. Es wurden Laserpulse im Bereich bis 100 µJ Pulsenergie mit einer Pulslänge von etwa 300 fs demonstriert. Ein vorhandenes Modell wurde für die Simulation des Systems genutzt. Vergleiche der modellierten Werte mit experimentellen Daten zum Verstärkerbetrieb weisen eine gute Übereinstimmung auf. Anhand des Modells lassen sich für verschiedene Anfangsbedingungen Vorhersagen für die zu erwartenden Pulseigenschaften treffen. Die im Rahmen dieser Arbeit erzielten Resultate bestätigen die Eignung von Yb:KYW in regenerativen Scheibenlaserverstärkern für den Aufbau von kompakten, leistungsfähigen Ultrakurzpulslasern, die vielfältige neue Anwendungsgebiete beispielsweise in Medizin oder Industrie erschließen können.