1 Einleitung

 

In vielen Bereichen der Industrie und der Forschung werden Laser eingesetzt. Dabei spielen Eigenschaften wie Monochromasie (hohe zeitliche Kohärenz), hohe räumliche Kohärenz, gute Fokussierbarkeit (Strahlqualität), Durchstimmbarkeit und hohe Leistungsdichten eine besondere Rolle.

Bestimmte Anwendungen wie die Kurzzeitspektroskopie und die Weißlichtinterferometrie erfordern Laser-Lichtquellen mit besonderen Eigenschaften, mit geringer zeitlicher Kohärenz und hoher räumlicher Kohärenz. Aufgrund der Unschärferelation erfordert ein kurzer Lichtpuls ein breites Emissionsspektrum. Dies gilt jedoch nicht umgekehrt. In der Kurzzeitspektroskopie ist man bemüht, das Spektrum des Lichtpulses nicht breiter werden zu lassen, als es für die kurze Pulsdauer notwendig ist. Man spricht dann von einem bandbreitenbegrenzten Puls. Für die Messverfahren der Weißlichtinterferometrie, wie zum Beispiel das Kohärenzradar [Dr92, Et98], ist hingegen nur die Bandbreite und die Form des Spektrums sowie eine gute räumliche Kohärenz von Bedeutung. Stabile Laserresonatoren besitzen infolge der Ausbildung longitudinaler Moden ein diskretes Spektrum. Die Bandbreite wird hier als volle Halbwertsbreite der Einhüllenden des Emissionsspektrums angegeben. Laser mit breitem Emissionsspektrum werden als Breitbandlaser bezeichnet.

Grundsätzlich können Laser mit einem großen Spektralbereich der Emission auf verschiedene Weise realisiert werden. Die Modenkopplung [Ni95, Ef95, Wa97] und die Verstärkungsschaltung [Eg88] führen zur simultanen, breitbandigen Emission infolge einer sehr großen Anzahl longitudinaler Resonatormoden. Mit schnell durchstimmbaren Lasern und freilaufenden Lasern hoher interner Verstärkung [Ba97] kann eine schmalbandige, zeitlich verzögerte Emission über einen großen Wellenlängenbereich erzielt werden. Für Anwendungen, bei denen die Detektoren eine gewisse Integrationszeit aufweisen, ist die zeitliche Entwicklung des Spektrums innerhalb dieser Integrationszeit unerheblich für die Messung.

Als breitbandig verstärkende Medien haben sich in der letzten Jahren die Festkörper-Lasermedien gegenüber den Farbstoffen durchgesetzt. Sie zeichnen sich durch Langlebigkeit und gute Handhabbarkeit aus. Dabei werden verschiedene Verbreiterungsmechanismen ausgenutzt.

Die Dotierung von amorphen Festkörpern wie Glas mit laseraktiven Ionen (z.B. Nd3+) führt zur inhomogenen Verbreiterung des Verstärkungsbereichs. Infolge der unterschiedlichen Umgebung im Festkörper ist die Wellenlänge der schmalbandig emittierenden Ionen jeweils verschoben. Durch die hohe Anzahl aktiver Ionen ergibt sich ein breiter, kontinuierlicher Verstärkungsbereich. Die Dotierung bestimmter kristalliner Festkörper mit 3d-Übergangsmetall-Ionen (z.B. Ti3+, Cr3+) führt zur homogenen Verbreiterung des Verstärkungsbereichs. Das gegenüber dem Kristallfeld wenig abgeschirmte 3d-Niveau wird stark aufgespalten, an die entstandenen Niveaus können Phononen bestimmter Symmetrie koppeln. Die Folge ist eine Vielzahl vibronischer Niveaus mit Lebensdauern im ps-Bereich. Aufgrund der starken Lebensdauer-Verbreiterung der einzelnen vibronischen Niveaus und des geringen energetischen Abstands zueinander ergibt sich ein sehr breiter, kontinuierlicher Verstärkungsbereich. Diese Medien werden als vibronische Festkörperlasermedien bezeichnet. Diese vibronischen Medien weisen besondere Eigenschaften bezüglich des spektralen Verstärkungsverlaufs in Abhängigkeit von der Temperatur und der Besetzung der oberen Bandes auf [Wa80, Cu64, Jo66, Po85, Mo85, Mo86].

Vibronische Lasermedien ermöglichen eine sehr breitbandige Laseremission. Mit Hilfe der Modenkopplung eines Ti:Saphir-Ringlasers auf der Basis des Kerr-Effekts im Lasermedium (Kerr-Lens-Modelocking) und eines sättigbaren Absorbers auf Halbleiter-Basis (SEmiconductor Saturable Absorber Mirror) wurde eine Emission über einen Spektralbereich von 200 nm (ca. 700 nm bis 900 nm) und damit eine Pulsdauer von 6,5 fs erzielt [Ju97]. Mit einem blitzlampengepumpten Alexandrit-Laser ohne Abstimmelemente und Modenblenden (freilaufend) wurde bei Zimmertemperatur und einer maximalen elektrischen Pumpenergie von über 600 J bei einer Pulsdauer der Blitzlampe von 140 µs eine Emission über einen Spektralbereich von 20 nm erzielt [Le94]. Das breite Emissionspektrum resultiert dabei aus der Vielzahl der in der Pulsdauer von 140 µs zeitlich nacheinander anschwingenden longitudinalen und transversalen Moden infolge des räumlichen Lochbrennens und der starken Relaxationsschwingungen (Spiking).

Die longitudinale Anregung vibronischer Lasermedien erlaubt die Anpassung des räumlichen Verstärkungsprofils an das transversale Strahlprofil, was zu einer hohen Effizienz des Lasers beiträgt [La83, Sc93, Al86]. Alfrey veröffentlichte in [Al89] ein Modell zur kontinuierlichen, longitudinalen Anregung im Brewster-Winkel geschnittener Laserkristalle. Darin wurde der Einfluss der Anpassung des Pumpstrahls an den transversalen Lasermode auf die opto-optische Effizienz beschrieben. Die thermischen Linse sowie die spektrale Abhängigkeit der transversalen Modenstruktur wurden dabei außer Acht gelassen. In [Me97, Cu96, Ag97] wurden die Einflüsse der thermischen Linse auf das Strahlprofil und die Modenkopplung über die Kerr-Linse beschrieben. Die Erweiterung des Spektralbereichs durchstimmbarer Laser und die Erhöhung der Bandbreite als Bedingung für kürzere Pulse (fs-Laser) erfordern unter anderem die genaue Kenntnis der Einflüsse der Resonatorgeometrie und der Pumpgeometrie auf das Emissionsspektrum des Lasers. In der Literatur wird die thermische Linse mit Grundmodelasern (longitudinal) gepumpter Lasermedien oftmals durch eine ideale Linse mit quadratischem Brechungsindexprofil approximiert. Dadurch werden Effekte, die auf einer aberrierten thermischen Linse basieren, außer Acht gelassen. Im Hinblick auf die Einflüsse der Modenanpassung im aktiven Medium sowie einer aberrierten thermischen Linse auf das Emissionsspektrum besteht demnach noch Forschungsbedarf.

In dieser Arbeit werden insbesondere die transienten Effekte näher untersucht, die durch die longitudinale, gepulste Anregung sowie durch die Anregung mit hochrepetierlichen Pulszügen entstehen. Im Vordergrund steht dabei die Erzielung einer großen Bandbreite des Emissionsspektrums und einer hohen mittleren Ausgangsleistung bei gleichzeitig guter Strahlqualität. Durch die Verstärkungsschaltung, das heißt, die Anregung mit Pumppulsen, deren Dauer kürzer als die Pulsaufbauzeit im Resonator ist, können große Bandbreiten erzielt werden.

Der Laser befindet sich aufgrund der hohen Inversion weit über der Laserschwelle, so dass sehr viele longitudinale Moden anschwingen. Der schnelle Abbau der Inversion verhindert das Einschnüren des Emissionsspektrums.

Als aktive Medien werden Ti:Saphir (Ti3+ dotiertes Al2O3) und Alexandrit (Cr3+ dotiertes BeAl2O4) beispielhaft für vibronische Lasermedien untersucht. Die Wirtsmaterialien Saphir und Crysoberyll zeichnen sich durch sehr gute thermische und mechanische Eigenschaften aus, was sie für Laser hoher mittlerer Ausgangsleistung prädestiniert.

Das Verstärkungsmaximum liegt für Ti:Saphir bei 795 nm, für Alexandrit bei 740 nm bis 760 nm (temperaturabhängig). Ti:Saphir besitzt einen sehr breiten Verstärkungsbereich mit über 200 nm Bandbreite, Alexandrit weist demgegenüber eine besondere elektronische Struktur auf, an der typische Eigenschaften vibronischer Lasermedien deutlich werden.

Zu Beginn dieser Arbeit wird das Messverfahren des Kohärenzradars erläutert. Aus dem Messprinzip ergeben sich die Anforderungen an die breitbandige Laserlichtquelle. Im theoretischen Teil werden die Grundlagen der vibronischen Lasermedien sowie die Modelle zur Simulation der transienten Effekte dargestellt. Das aufgestellte Ratengleichungsmodell beinhaltet die Einflüsse der transienten thermischen Linse, der Resonatorgeometrie und der Pumpbedingungen auf die zeitliche Entwicklung der emittierten Intensität, des Emissionsspektrums und der transversalen Modenstruktur.

Im experimentellen Teil werden verschiedene Anregungsvarianten, die Verstärkungsschaltung von Ti:Saphir und Alexandrit, die quasi-kontinuierliche Anregung von Ti:Saphir und die Blitzlampenanregung von Alexandrit, bezüglich der erreichbaren mittleren Ausgangsleistung, ihrer Effizienz und der Bandbreite des Emissionsspektrums untersucht und diskutiert.

Am Beispiel der longitudinalen Anregung von Ti:Saphir mit Pulszügen werden die Abhängigkeiten des Emissionsspektrums und der transversalen Struktur von der Einzelpulsenergie, der Anzahl der Pulse im Pulszug und der Resonatorgeometrie detailliert untersucht. Die realisierten Laser und deren Eigenschaften werden ausführlich dargestellt. Mit diesen Erkenntnissen war es möglich, einen optimierten Ti:Saphir-Laser mit einer mittleren Ausgangsleistung von 0,75 Watt bei einer Stahlqualität von M2 = 2 zu realisieren. Die Bandbreite des Emissionsspektrums betrug 34 nm. Dabei wurden die beobachteten transienten Effekte zur Verbreiterung des Emissionsspektrums ausgenutzt. Im Vergleich dazu wird dann die Einzelpulsanregung von Alexandrit und die Anregung mit Pulszügen bei verschiedenen Kristalltemperaturen betrachtet und diskutiert.

Weiterhin wird die quasi-kontinuierliche Anregung von Ti:Saphir untersucht. Im Vordergrund steht dabei die Ausnutzung der transienten Effekte zur schnellen, kontinuierlichen Durchstimmung über einen großen Spektralbereich. Der realisierte Laser mit einem Durchstimmbereich von ca. 50 nm wird vorgestellt und diskutiert.

Abschließend wird die Blitzlampenanregung zur Erzielung einer hohen Inversion und damit eines breiten Emissionsspektrums am Beispiel des Alexandrits untersucht und diskutiert. Durch die Erhöhung der Kristalltemperatur werden dabei die speziellen Eigenschaften vibronischer Festkörper zur Verbreiterung des Emissionsspektrums ausgenutzt. Damit konnte eine mittlere Ausgangsleistung von über 13 Watt und eine maximalen Bandbreite von 7 nm erzielt werden.