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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-88078
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8807/


Power scaling of ultrafast mid-IR source enabled by high-power fiber laser technology

Leistungssteigerung von kohärenten Lichtquellen im mitteleren Infrarot-Spektrum durch Hochleistungs-Faserlaser Technologie

Zhou, Gengji

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Englisch): Mid-IR , Fiber-laser
Basisklassifikation: 33.18 , 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kärtner, Franz (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 26.10.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 02.11.2017
Kurzfassung auf Deutsch: Ultrakurzpulslaser mit hohen Pulswiederholraten (>10 MHz), die im mittleren bis langem Infrarot (IR)-Bereich von 7 bis 18 μm durchstimmbar sind, sind vielversprechend für spektroskopische Anwendungen. Solche Kurzpuls-Lichtquellen im mittleren .... IR Spektrum werden durch Differenzfrequenzerzeugung (difference-frequency-generation, DFG) zwischen einer Pumpwelle und einer Signal-Strahlung realisiert. Heutige ultrakurze IR-Quellen sind jedoch begrenzt in der niedrigen Durchschnittsleistung und daher nur bedingt anwendbar. Die vorliegende Arbeit zeigt einen neuen Ansatz zur Leistungsskalierung von DFG-basierten ultrakurzen Lasern im IR Spektrum. Im Kern des Forschungsansatzes steht die Erzeugung eines Signalstrahls von hoher Energie. Sowohl der Pumpstrahl als auch der Signalstrahl stammen von einem selbst gebauten Yb-Faser-Lasersystem, das Pulse mit einer Dauer von 165-fs und einer mittleren Wellenlänge von 1035 nm bei einer Pulswiederholrate von 30-MHz und 14.5-W Durchschnittsleistung (entsprechend einer Puls-Energie von 483-nJ) emittiert.
Durch Selbstphasenmodulation in einer optischen Faser wird das Spektrum verbreitert bis ausgeprägte Maxima am Rand des Spektrums ausbilden. Die spektrale Filterung durch einen optischen Tiefpassfilter ermöglicht die Selektion des Maximums im infraroten Bereich und führt zu Laserpulsen mit einer Dauer im femtosekunden Bereich und einer Energie >10 nJ. Abstimmbar zwischen 1.1 – 1.2 μm erzeugt diese auf SPM basierende Lichtquelle ~100 mal höhere Pulsenenergien als in diesem Wellenlängenbereich mit auf Raman Solitonen basierenden Quellen erreicht werden kann. Der spektral gefilterte Puls aus dem SPM verbreiterten Spektrum wird als Signalstrahl genutzt, während ein Teil des Yb-Faser Lasers als Pumpstrahl dient. Durch den DFG Prozess in einem GaSe-Kristall wird gezeigt, dass die Leistungsskalierung einer DFG-basierten IR-Quelle durch Erhöhung der Energie der Signalwelle erreicht werden kann. Das Spektrum kann von 7.4 μm bis 16.8 μm durchgestimmt werden und es werden Pulse mit bis zu 5.04-mW mittlerer Leistung um bei 11 μm Wellenlänge erreicht. Die entsprechende Pulsenergie liegt bei 167 pJ und übertrifft damit bisherige Lichtquellen im mittleren IR-Bereich um nahezu eine Größenordnung.
Trotz niedriger Pulsenergie sind Raman Solitonen eine beliebte Wahl für die Signalwelle. Deshalb wird in der vorliegenden Arbeit eine detaillierte Untersuchung des Rauschens von Raman Solitonen durchgeführt. Dabei stellt sich heraus, dass das relative Intensitätsrauschen eines Anregungsimpulses Fluktutationen der mittleren Wellenlänge im resultierenden Raman Soliton hervorruft und durch die Faserdispersion in relative Ankunftszeitfluktuationen (relative timing jitter, RTJ) zwischen dem Raman Soliton und dem Anregungspuls übersetzt wird. Die Experimente legen nahe, dass der RTJ durch eine Minimierung der akkumulierten Faserdispersion signifikant reduziert werden kann, so wie es bei Raman Solitonen in Fasern geringer Dispersion und kürzerer Länge festgestellt wurde.
Kurzfassung auf Englisch: Ultrafast laser sources with high repetition-rate (>10 MHz) and tunable in the mid-infrared (IR) wavelength range of 7-18 μm hold promise for many important spectroscopy applications. Currently, these ultrafast mid- to longwavelength-IR sources can most easily be achieved via difference-frequency generation (DFG) between a pump beam and a signal beam. However, current ultrafast mid- to longwavelength-IR sources feature a low average power, which limits their applications. In this thesis, we propose and demonstrate a novel approach to power scaling of DFG-based ultrafast mid-IR laser sources. The essence of this novel approach is the generation of a high-energy signal beam. Both the pump beam and the signal beam are derived from a home-built Yb-fiber laser system that emits 165-fs pulses centered at 1035 nm with 30-MHz repetition rate and 14.5-W average power (corresponding to 483-nJ pulse energy). We employ fiber-optic self-phase modulation (SPM) to broaden the laser spectrum and generate isolated spectral lobes. Filtering the rightmost spectral lobe leads to femtosecond pulses with >10 nJ pulse energy. Tunable between 1.1 – 1.2 μm, this SPM-enabled ultrafast source exhibits ~100 times higher pulse energy than can be obtained from Raman soliton sources in this wavelength range. We use this SPM-enabled source as the signal beam and part of the Yb-fiber laser output as the pump beam. By performing DFG in GaSe crystals, we demonstrate that power scaling of a DFG-based mid-IR source can be efficiently achieved by increasing the signal energy. The resulting mid-IR source is tunable from 7.4 μm to 16.8 μm. Up to 5.04-mW mid-IR pulses centered at 11 μm are achieved. The corresponding pulse energy is 167 pJ, representing nearly one order of magnitude improvement compared with other reported DFG-based mid-IR sources at this wavelength.
Despite of low pulse energy, Raman soliton sources have become a popular choice as the signal source. We carry out a detailed study on the Raman soliton noise. We found that the relative intensity noise of an excitation pulse causes center-wavelength fluctuations of the resulting Raman soliton and then translates into a relative timing jitter (RTJ) between the Raman soliton and the excitation pulse by fiber dispersion. Our experimental results suggest that RTJ can be significantly reduced by minimizing the accumulated fiber dispersion experienced by the Raman soliton using fibers with less dispersion and shorter length.

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