5 Zusammenfassung

Laser mit breitem Emissionsspektrum gewinnen in vielen Anwendungsbereichen, zum Beispiel in der Mikromaterialbearbeitung (fs-Laser), der Medizin, der Spektroskopie und der Weißlichtinterferometrie, zunehmend an Bedeutung. Wegen ihrer guten Handhabbarkeit und Langlebigkeit haben sich Festkörper als Lasermedien durchgesetzt. Vibronische Lasermedien spielen dabei eine besondere Rolle, da sie über einen sehr breiten spektralen Verstärkungsbereich von bis zu 200 nm verfügen. Um hohe mittlere Ausgangsleistungen und große Bandbreiten der Emission beziehungsweise große Durchstimmbereiche zu erreichen, ist es notwendig, die Einflüsse der vibronischen Medien, der Resonatorgeometrie und der Pumpbedingungen auf das Emissionsspektrum zu berücksichtigen.

Durch die Untersuchung der physikalischen Grundlagen longitudinal angeregter, breitbandiger Laser sollten mit einfachen Konzepten möglichst große Bandbreiten und hohe mittlere Ausgangsleistungen bei gleichzeitig guter Strahlqualität erzielt werden. Praktisches Ziel war dabei die Entwicklung einer Laserlichtquelle für das Kohärenzradar.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige, breitbandig emittierende Laser realisiert und charakterisiert. Es wurde insbesondere untersucht, wie sich die zeitliche Entwicklung der Emissionsspektren theoretisch beschreiben lässt, um daraus auf Möglichkeiten zur Erhöhung der Bandbreite des Emissionsspektrums schließen zu können.

Als Lasermedien wurden Ti:Saphir und Alexandrit beispielhaft für die vibronischen Festkörper verwendet. Ti:Saphir ist wegen seines breiten Verstärkungsbereichs der bedeutendste Vertreter vibronischer Lasermedien. Am Beispiel des Alexandrit lassen sich die typischen Eigenschaften vibronischer Medien sehr gut darstellen.

Die longitudinale Anregung erfolgte zum einen durch einen passiv gütegeschalteten und extern frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser (Verstärkungsgeschaltung), zum anderen durch einen intern frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser (quasi-kontinuierliche Anregung). Beide Pumplaser emittierten im transversalen Grundmode mit einer Strahlqualität von M² = 1,5-2. Die transversale Anregung von Alexandrit erfolgte mit einer Xenon-Blitzlampe in einem nicht abbildenden Keramikreflektor. Der Alexandrit-Stab wurde über einen separaten Wasserkreislauf auf bis zu 87°C temperiert.

Die Verstärkungsschaltung von Ti:Saphir wurde durch die Anregung mit Pulszügen unterschiedlicher Dauer und unterschiedlicher Pulsanzahl realisiert. Unter diesen Pumpbedingungen wurde eine maximale Bandbreite des Emissionsspektrums von 63 nm bei einer mittleren Ausgangsleistung von 530 mW erzielt. Dabei zeigte sich, dass die Spektren der Einzelpulse im Pulszug eine spektrale Verschiebung erfahren, die das über den Pulszug integrierte Spektrum verbreitern. Die Ursache für diese starke Verbreiterung führt aber gleichzeitig zu einer starken räumlichen Trennung der transversalen Moden, so dass lateral nicht das gleiche Emissionsspektrum vorliegt.

Das zur Erklärung der beobachteten Phänomene aufgestellte Modell beinhaltet die Ratengleichungen für die breitbandige Emission vibronischer Lasermedien, den Einfluss des Astigmatismus, des Brewster-Schnitts und der aberrierten thermischen Linse sowie den Einfluss des Überlapps von transversalem Mode und räumlichen Verstärkungsprofil im aktiven Medium auf das effektive spektrale Verstärkungsprofil. Dieses Modell liefert Aussagen über die zeitliche Entwicklung des Emissionsspektrums der Einzelpulse, die zeitliche Entwicklung der Intensität der emittierten Einzelpulse und der transversalen Modenstruktur. Weiterhin ermöglicht das Modell die Berechnung der Strahlqualität der Laserstrahlung. Als Parameter gehen dabei nur die Resonatorgeometrie, die Pumpgeometrie, die spektralen Verläufe der Reflexionsgrade der Resonatorspiegel und die materialspezifischen Konstanten ein. Der freie Parameter ist die Fluoreszenzrate.

Die mit diesem Modell berechneten Einzelspektren, Gesamtspektren, Intensitätsverläufe und transversalen Resonatormoden zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen. Dies ist ein starkes Indiz dafür, dass die beobachteten Effekte von einer transienten, aberrierten thermischen Linse hervorgerufen werden. Insbesondere die periodische Verschiebung der spektralen Lage des Emissionsmaximums der Pulse im Pulszug kann durch die Nebenmaxima im aberrierten Lichtfeld erklärt werden. Weiterhin zeigt das Modell, dass das Emissionsspektrum longitudinal gepumpter Breitbandlaser eine starke Abhängigkeit von der Anpassung des Pumpmodes an das transversale Modenprofil im Lasermedium aufweist. Dies ist insbesondere für fs-Laser und durchstimmbare Laser von Bedeutung.

Unter Ausnutzung der in den Messungen gewonnenen Erkenntnisse wurde ein optimierter Ti:Saphir-Laser mit einer mittleren Ausgangsleistung von 0,75 Watt bei einer Strahlqualität von M² = 2 und einer Bandbreite des Emissionsspektrums von 34 nm realisiert. Die Kohärenzlänge des Laserlichts betrug damit 18 µm. Die Repetitionsrate war an die Bildfrequenz der Kamera des Kohärenzradars angepasst. Mit Pulszügen verstärkungs-geschaltete Ti:Saphir-Laser eignen sich gut als Lichtquellen für das Kohärenzradar. Das Emissionsspektrum ist nahezu gaußförmig und weist nur geringe Modulationen auf. Mit diesen Lasern wurden Messungen am Kohärenzradar durchgeführt. Der laterale Messbereich konnte damit auf mehr als 20 cm x 20 cm erweitert und Messungen an stark absorbierenden bzw. schwach streuenden Objekten ermöglicht werden.

Vergleichend zum Ti:Saphir-Laser wurde, soweit bekannt, erstmalig ein verstärkungs-geschalteter Alexandrit-Laser realisiert. Die damit erzielte mittlere Ausgangsleistung betrug 2,6 mW bei einer Emission über einen Spektralbereich von 10 nm. Das Spektrum wies starke Modulationen auf, die aus einem leichten Fehlschnitt der Brewster-Flächen gegenüber den Kristallachsen herrührte. Als optimale Betriebstemperatur hat sich eine Kristalltemperatur von 85°C erwiesen, da dort der effektive Emissionswirkungsquerschnitt schon erhöht, die Reabsorptionsverluste und die Verluste durch die temperaturabhängige Absorption in höhere Niveaus (ESA) noch gering sind. Eine weitere Temperaturerhöhung führte zu einer höheren Laserschwelle. Die Verstärkungsschaltung von Alexandrit ist aufgrund des geringen Wirkungsquerschnitts sehr ineffizient. Hohe Pumpenergien und die hohe Intensität im Resonator führten häufig zur Zerstörung der Endflächen.

Des weiteren wurde ein quasi-kontinuierlich angeregter Ti:Saphir-Laser aufgebaut und charakterisiert. Ziel der Untersuchungen war es, die transiente thermische Linse und deren Auswirkungen auf das Emissionsspektrum auszunutzen, um eine schnelle Durchstimmung zu erreichen. Die mit diesem Laser erzielte mittlere Ausgangsleistung betrug 12 mW. Der Laser emittierte über einen Spektralbereich von 50 nm. Das Emissionsspektrum wies starke Modulationen auf, die wieder von einem leichten Fehlschnitt der Brewster-Flächen zu den Kristallachsen herrührte. Der Lyot-Filter-Effekt hat bei geringer Verstärkung größeren Einfluss auf das Emissionsspektrum. Das breite Spektrum resultiert aus einer schnellen, kontinuierlichen Drift einer schmalbandigen Laserlinie innerhalb der Pulsdauer. Die Modellierung des Lasers wurde dahingehend modifiziert, dass der sich im Verlauf des Pumppulses verändernde Überlapp von transversalem Mode und räumlichen Verstärkungsprofil mit in die spektrale Verstärkungsverteilung einbezogen wurde. Trotzdem beschreibt das Modell die Drift des Emissionsspektrums nicht vollständig. Vermutlich sind geometrische Effekte für die starke Drift verantwortlich. Diese konnten nicht in die Modellierung einbezogen werden. Unter geeigneten Pumpbedingungen und Resonatorgeometrien könnte dieser Effekt zur Realisierung einer im Mikrosekundenbereich kontinuierlich durchstimmbaren Laserlichtquelle ausgenutzt werden.

Weiterhin wurde ein blitzlampengepumpter Alexandrit-Laser realisiert. Ziel war es dabei, die mittlere Ausgangsleistung zu erhöhen, da zur Vermessung großer und stark gekrümmter Objekte mit dem Kohärenzradar leistungsstarke Laserlichtquellen benötigt werden. Die Abhängigkeit des Emissionsspektrums und der elektro-optischen Effizienz von der Temperatur des Alexandritstab wurde untersucht. Mit zunehmender Temperatur erhöhte sich die Effizienz und die Breite des Emissionsbereichs. Mit diesem Resonatorkonzept wurde eine maximale mittlere Ausgangsleistung von 13 Watt bei einer Breite des Emissionsbereichs von 8 nm und eine maximale Bandbreite von 7 nm bei 2,5 Watt mittlerer Ausgangsleistung erzielt.