4.3 Ergebnisse des Blitzlampen gepumpten Alexandrit-Lasers

Ziel der Untersuchungen am Blitzlampen gepumpten Alexandrit-Laser war die Erhöhung der Ausgangsenergie im Puls bei gleichzeitiger Pulsverkürzung. Bestimmend waren dabei die Anforderungen des in Kapitel 2.1 beschriebenen Kohärenzradars an die Lichtquelle. Die Formvermessung von schwach streuenden und stark gekrümmten Objekten mit einem Messfeld von mehreren 100 cm² bedarf einer Lichtquelle mit mehreren Watt mittlerer Ausgangsleistung (siehe Messungen im Anhang). Die Bandbreite des Emissionsspektrums ist dabei zweitrangig, da die longitudinale Auflösung für große, stark gekrümmte Objekte im wesentlichen durch die Anzahl der Pixel des CCD-Arrays bestimmt wird (vgl. Kap. 2.1).

In der Literatur [Le94] wurde im freilaufenden Betrieb von einer Emission über einen Spektralbereich von 20 nm berichtet. Das dafür verwendete sehr aufwendige Pumpsystem bestand aus zwei Xenon-Blitzlampen in einem Keramikreflektor und einem Netzteil mit einer Ladespannung von maximal 2,5 kV. Über eine totale Entladung konnte jeder Blitzlampe eine elektrische Energie von 625 J zur Verfügung gestellt werden.

Die Ladespannung des verwendeten Netzteils der Firma Baasel betrug maximal 520 V. Das entspricht einer elektrischen Pulsenergie von 80 J bei einer Pulsdauer von 300 µs. Zur Untersuchung des Emissionsspektrums des Alexandrit-Lasers bei verschiedenen Kristalltemperaturen wurde eine spezielle Kavität entwickelt, die es ermöglichte, die Blitzlampe und den Laserkristall unterschiedlich zu temperieren (Abb. 4.52). Da die Lebensdauer und die Effizienz der Blitzlampe stark temperaturabhängig sind, wurde sie über den internen Kühlkreislauf (unten im Bild) des Netzgerätes auf 27°C temperiert. Der Heizkreislauf für den Alexandrit-Kristall bestand aus einem temperaturbeständigen und gegen destilliertes Wasser unempfindlichen Vorratsgefäß, den isolierten Zuleitungen (oben im Bild) und einer Pumpe für destilliertes Wasser. Die verwendete Pumpe wies denselben maximalen Staudruck von 3,8 bar und dieselbe maximale Kurzschlussförderleistung von 25 l/min wie die Pumpe im Netzteil auf.

Abb. 4.52 Laser-Kavität zur Anregung von Alexandrit bei verschiedenen Stabtemperaturen (Eigenkonstruktion)

Abb. 4.52a Fluoreszenzlicht des Alexandrits

Dadurch wurde die problematische Abdichtung der beiden Wasserkreisläufe gegeneinander vereinfacht. Im Vorratsgefäß wurde das Wasser mittels zweier Tauchsieder auf die erforderliche Temperatur erwärmt. In Abbildung 4.53 ist ein Schema der Kavität dargestellt. Der Alexandrit-Stab und die Blitzlampe befanden sich in einem nicht-abbildenden Keramik-Reflektor, der von der Firma Baasel GmbH zur Verfügung gestellt wurde. Durch die Glasröhren (Duran) um Stab und Lampe wurden beide Wasserkreisläufe weitestgehend voneinander isoliert. Die Strömung war gleichgerichtet, was zu einer geringen Druckdifferenz an den dichtenden Flächen führte. Der Reflektorraum war aufgrund geringer Undichtheiten mit Wasser gefüllt, wurde aber nicht extra gekühlt, da die mittleren Pumpleistungen nicht sehr groß waren (2 kW elektrisch) und die Absorption dieser Keramik besonders gering ist. Als Dichtmaterial (O-Ringe, Flächendichtungen) hat sich Silikon wegen seiner thermischen und chemischen Stabilität und der geringen Absorption bewährt.

Abb. 4.53 Schema der Kavität zur Anregung von Alexandrit bei verschiedenen Stabtemperaturen

Alexandrit ist zweiachsig doppelbrechend. Deshalb ergeben sich für die drei Kristallachsen unterschiedliche spektrale Verläufe des Absorptionswirkungsquerschnitts (Abb. 4.54). Der verwendete Kristall wurde in c-Richtung gezogen. Die Kristallachse b (E||b in Emission) kann parallel zur Achse Stab-Blitzlampe oder senkrecht dazu orientiert sein. Für beide Ausrichtungen ergeben sich unterschiedliche Ausleuchtungen des Alexandrit-Stabes. In Abbildung 4.55 sind die gemessenen räumlichen Fluoreszenzverteilungen dargestellt. Deutlich ist in beiden Fällen die Überhöhung der Fluoreszenz auf der der Einstrahlung zugewandten Seite des Stabes zu erkennen.

Abb. 4.54 spektraler Verlauf der Absorptionswirkungsquerschnitte für Alexandrit bei 28°C [Wa80]

Abb. 4.55 Anregungsprofil des Alexandrit-Stabes für unterschiedliche Orientierungen der Kristallachsen a und b bezüglich der Einstrahlung des Pumplichts (Pfeile)

Das Anregungsprofil für die Ausrichtung der Kristallachse b parallel zur Einstrahlungsrichtung ist etwas homogener als bei senkrechter Ausrichtung. Die weiteren Untersuchungen wurden deshalb mit dieser Kristallorientierung durchgeführt. Um ein homogeneres Anregungsprofil zu erzielen, müsste eine geringere Dotierung gewählt werden.

Die Messungen der Resonatorverluste, der Effizienz und des Emissionsspektrums in Abhängigkeit von der Stabtemperatur wurden an dem in Abb. 4.56 schematisch dargestellten Aufbau durchgeführt. Der symmetrische Resonator mit einer Länge von 60 cm wurde von zwei Planspiegeln begrenzt. Die Reflexionsgrade der verwendeten Auskoppelspiegel betrugen 70%, 75%, 80% und 85% (vgl. Abb. 3.2). Die Repetitionsfrequenz betrug 25 Hz. Die Effizienzmessungen wurden für Temperaturen von 28°C, 40°C, 60°C und 80°C durchgeführt, die Verlustmessungen konnten aufgrund der hohen Laserschwelle nicht bei 28°C durchgeführt werden. Der Alexandrit-Laser ohne Modenblende im Resonator emittierte im zeitlich fluktuierenden transversalen Multimode.

Abb. 4.56 Schema des experimentellen Aufbaus zur Messung der Resonatorverluste und der Effizienz bei verschiedenen Temperaturen

4.3.1 Bestimmung des Verlustfaktors

Die Messung der resonatorinternen Verluste erfolgte über die Bestimmung der Pumpenergien an der Laserschwelle für verschiedene Reflexionsgrade des Auskoppelspiegels und verschiedene Temperaturen. Findlay et al. zeigten in [Fi66], dass für ideale Vier-Niveau-Systeme an der Laserschwelle gilt:

Gl. (4.2)

Hierbei sind R_OC und R_HRM die Reflexionsgrade der Laserspiegel, V ist der Verlustfaktor und g₀L die Kleinsignalverstärkung für einen Kristall der Länge L. An der Laserschwelle sind die Verluste durch die Verstärkung kompensiert. Die Abtragung der Pumpenergie an der Laserschwelle über –ln((R_OCR_HRM)^0,5) ergibt eine Gerade, deren Schnittpunkt mit der Abszisse den natürlichen Logarithmus des Verlustfaktors V darstellt. Je größer der Verlustfaktor ist, desto geringer sind die resonatorinternen Verluste.

Alexandrit ist aufgrund der vibronischen Struktur kein ideales Vier-Niveau-System. Im freilaufenden Betrieb (ohne weitere Elemente im Resonator) emittiert der Alexandrit-Laser bei 750 nm, also weit im vibronischen Bereich (vgl. Abb. 2.14). Das elektronische System ist dort in guter Näherung ein Vier-Niveau-System. Abbildung 4.57 zeigt die bei verschiedenen Stabtemperaturen gemessenen Pumpenergien an der Laserschwelle als Funktion des Gesamtreflexionsgrades R beider Spiegel. Über einen Geradenausgleich wurden die Schnittpunkte mit der Abszisse und daraus die Verlustfaktoren bestimmt. Die Ursache des geringen Verlustfaktors (hohe interne Verluste) von 0,69 (40°C) ist nicht vollständig geklärt. Vermutlich sind der hohe Wirkungsquerschnitt der Absorption aus dem angeregten Zustand (ESA), die Reabsorption aus einem thermisch besetzten vibronischen Niveau des unteren Bandes und/oder das nicht sehr homogene Anregungsprofil dafür verantwortlich. Bei einer Repetitionsfrequenz von 1 Hz wurde eine sehr viel höhere Laserschwelle gemessen als bei 25 Hz. Ursache hierfür sind die bei geringer thermischer Linse höheren Beugungsverluste, insbesondere bei einer am Stabrand überhöhten Anregung. Die scheinbare Abnahme der internen Verluste bei 60°C und 80°C resultiert aus der Erhöhung des effektiven Wirkungsquerschnitts (vgl. Abb. 2.14) bei höheren Temperaturen.

Abb. 4.57 gemessene Pumpenergien an der Laserschwelle als Funktion des Gesamtreflexionsgrades R beider Spiegel

4.3.2 Effizienzmessung in Abhängigkeit von der Temperatur

Die Effizienzmessungen wurden bei 40°C, 60°C und 80°C für die Reflexionsgrade 70%, 75%, 80% und 85% durchgeführt (vgl. Abb. 3.2). Bei einer Temperatur des Alexandrit-Stabes von 28°C wurde nur mit dem 85%-Spiegel gemessen. Abbildung 4.58 zeigt den zeitlichen Verlauf der Intensität des Laserlichts im freilaufenden Betrieb. Deutlich sind die starken Relaxationsschwingungen (Spiking) zu erkennen, die sich über den gesamten Puls hinziehen. In den Abbildungen 4.59 bis 4.62 sind die Ausgangsenergien über der elektrischen Pumpenergie abgetragen. Die Fehlerbalken geben die aus 500 Energiewerten bestimmten Standardabweichungen wieder. Bei 28°C betrug die differentielle Effizienz 0,5% bei einer elektrisch zu optischen Effizienz (e-o-Effizienz) von 0,3%. Der Vergleich der Effizienzen bei verschiedenen Temperaturen und für verschiedene Auskoppelgrade zeigt, dass die e-o-Effizienz mit steigender Temperatur wächst, von maximal 0,3% bei 28°C auf 0,7% bei 80°C. Gleichermaßen steigt die differentielle Effizienz von maximal 0,5% auf 1,3%. Der optimale Reflexionsgrad des Auskoppelspiegels betrug bei allen Temperaturen 85%. Die maximal extrahierte Pulsenergie betrug 550 mJ (80°C, R = 85%, 79 J). Das entspricht einer mittleren Ausgangsleistung von über 13 Watt.

Abb. 4.58 zeitlicher Verlauf der Intensität des emittierten Lichts (Spiking)

Abb. 4.59 Ausgangsenergie in Abhängigkeit von der elektrischen Pumpenergie bei 28°C

Abb. 4.60 Ausgangsenergie in Abhängigkeit von der elektrischen Pumpenergie bei 40°C

Abb. 4.61 Ausgangsenergie in Abhängigkeit von der elektrischen Pumpenergie bei 60°C

Abb. 4.62 Ausgangsenergie in Abhängigkeit von der elektrischen Pumpenergie bei 80°C

4.3.3 Emissionsspektrum in Abhängigkeit von der Temperatur

In Abbildung 4.63 sind die gemessenen Spektren bei verschiedenen Temperaturen für die maximale Pumpenergie von 79,5 J und den optimalen Reflexionsgrad des Auskoppelspiegels von 85% dargestellt. Der Spektralbereich der Laseremission wuchs mit steigender Temperatur von ca. 2 nm bei 40°C auf ca. 10 nm bei 80°C. Die Wellenlängen am Maximum wiesen Abweichungen von unter +-1 nm auf. Bei 40°C emittierte der Laser im Bereich von 752 nm bis 754 nm, bei höheren Temperaturen erweiterte sich dieser Bereich zu größeren Wellenlängen bis 764 nm. Diese Rotverschiebung resultiert aus der mit steigender Temperatur zunehmenden Reabsorption und der Temperaturabhängigkeit der ESA.

Abb. 4.63 Emissionsspektren im freilaufenden Betrieb bei verschiedenen Temperaturen

4.3.5 Ergebnisse des asymmetrischen Resonators mit Modenblende

Dieser Aufbau zielte auf die Stabilisierung und Verbesserung der transversalen Modenstruktur sowie auf die Erhöhung der Bandbreite des Emissionsspektrums ab. Die Modenblende A mit einem Durchmesser von 2,3 mm verhinderte das Anschwingen von transversalen Moden hoher Ordnung, die nicht abgebaute Inversion kam den transversalen Moden niederer Ordnung zugute. In Abbildung 4.64 ist das Schema des asymmetrischen Alexandrit-Lasers dargestellt. Der Resonator besaß eine Länge von 90 cm. Der Abstand von der Stabmitte zum Auskoppelspiegel betrug 70 cm. Der Reflexionsgrad des Auskopplers betrug 85%.

Abb. 4.64 Schema des experimentellen Aufbaus des asymmetrischen Alexandrit-Lasers

Mit diesem Aufbau wurde bei einer Temperatur von 85°C bis 87°C und maximaler Pumpenergie eine Ausgangsenergie von 108 mJ+-5 mJ erzielt, das entspricht einer mittleren Ausgangsleistung von über 2,5 Watt. Das Strahlprofil des Lasers ist in Abbildung 4.65 dargestellt.

Abb. 4.65 transversales Modenprofil des asymmetrischen Alexandrit-Lasers

In Abbildung 4.66 sind das "Spiking"-Signal des Alexandrit-Lasers und der Intensitätsverlauf des ersten Pulses dargestellt. Das "Spiking"-Signal entstand durch die Erhöhung des Eingangswiderstands des Oszilloskops auf 1 MOhm. Das Eingangssignal wird dadurch aufintegriert. Aus den Stufen im Signal ist zu erkennen, dass der zeitliche Abstand der "Spikes" für den Resonator mit Modenblende größer ist als für den Resonator ohne Modenblende (vgl. Abb. 4.58). Der Grund dafür liegt in der Unterdrückung höherer transversaler Moden.

Abbildung 4.67 zeigt das Emissionsspektrum des asymmetrischen Alexandrit-Lasers. Durch die Erhöhung der Kristalltemperatur auf 87°C und Unterdrückung transversaler Moden hoher Ordnung konnte eine Bandbreite des Emissionsspektrums von 7 nm erreicht werden. Das entspricht einer Kohärenzlänge von 82 µm.

Abb. 4.66 Signalverlauf der "Spiking"-Pulse und Intensitätsverlauf des ersten Pulses

Abb. 4.67 gemessenes Gesamtspektrum des asymmetrischen Alexandrit-Lasers

4.3.5 Zusammenfassung und Diskussion

Es wurde ein blitzlampengepumpter Alexandrit-Laser realisiert und bei verschiedenen Kristalltemperaturen bezüglich des Emissionsspektrums untersucht. Ziel der Untersuchungen war die Erzielung einer hohen mittleren Ausgangsleistung bei gleichzeitig hoher spektraler Bandbreite. Dazu wurde eine Laserkavität entwickelt, die die unterschiedliche Temperierung von Stab und Blitzlampe ermöglichte. Mit dem freilaufenden Laser wurde eine maximale mittlere Ausgangsleistung von über 13 W und einer Bandbreite von 2 nm bei einer Kristalltemperatur von 80°C erzielt. Durch die weitere Erhöhung der Temperatur sowie durch das Einbringen einer Modenblende konnte die Bandbreite des Emissionsspektrums auf 7 nm erhöht werden.