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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-96786
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/9678/


High-intracavity-power thin-disk laser for the alignment of molecules

Scheibenlaser mit hoher resonator-internen Leistung zur Ausrichtung von Molekülen

Deppe, Bastian

pdf-Format:
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Freie Schlagwörter (Deutsch): Laser , Scheibenlaser , Ausrichtung von Molekülen
Freie Schlagwörter (Englisch): Laser , thin-disk laser , molecular alignment
Basisklassifikation: 33.05
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Kränkel, Christian (Dr. habil.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 22.11.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 12.04.2019
Kurzfassung auf Englisch: The subject of this thesis was the development of a thin-disk laser with a continuous wave intracavity intensity of more than 1010 W cm−2 for the adiabatic alignment of molecules. In particular, this necessitates an intracavity power of more than 100 kW, an internal focus with a radius of 20 µm, a well-defined and stable polarization, and benefits from fundamental transverse mode operation. For this purpose, ytterbium-doped host materials were compared in various resonators, exploring their losses and their suitability for such a laser system. The study focused on the possible implementation of such a laser setup, notably for pump powers below 500 W, which allow resonator losses of approx. 5 × 10−3. A characterization of Yb:Y3Al5O12 and Yb:Lu2O3 in an efficient and short linear multi-transverse-mode resonator revealed resonator internal losses in the order of 2 × 10−4. No dependency on the gain material could be resolved. Measurements of the losses with more than 20 thin disks pointed towards losses originating at their surface. An intracavity power of 130 kW could be demonstrated. This corresponds to an enhancement by a factor of 2500 with respect to the incident pump power of 54 W. Further scaling of the pump intensity was restrained by optical damage, mostly in the form of nodular point defects, which were observed at optics and disks. The optical damage is believed to be caused by defects in the highly reflective coatings. The resonator internal losses for linear single-transverse-mode resonators increased up to 9 × 10−4, which might have been caused by additional diffraction losses.
The application of a Brewster window to ensure a stable polarization additionally led to an increase of losses to 1.5 × 10−3. Supposedly, it was caused by stress-induced birefringence in the isotropic gain materials. This induced a rotation of the polarization and eventually contributed to significant reflection losses at the Brewster plate. Additionally, an intrinsic polarization was measured, which was less stable than the before mentioned polarization but avoided additional losses. Similar behaviors were detected for folded resonators. Those were more suitable for acquiring a tight internal focus. Imaging the Rayleigh scattering at atmospheric molecules allowed an in vitro determination of the caustic. Here, an intracavityfocus-radius in the order of 20 µm was measured. However, resonator losses of approx. 5 % and the prevalent optical damage obstructed the achievement of the required intracavity powers with the available pump powers. Comparisons and calculations of possible losses suggested the diffraction losses, caused by astigmatic distortions of the disks, being responsible. To accomplish the goals, a combination of a decrease of losses and an increase of the pump power might be necessary.
Kurzfassung auf Englisch: Der Gegenstand dieser Arbeit war die Entwicklung eines Dauerstrich-Scheibenlasers mit resonatorinternen Intensitäten von mehr als 1010 W cm−2 zur adiabatischen Ausrichtung von Molekülen. Für diesen Zweck wird eine resonatorinterne Leistung von mehr als 100 kW, ein interner Fokus mit einem Radius von 20 µm und eine definierte Polarisation benötigt. Zusätzlich wird von der Oszillation auf der Grundmode profitiert. Ytterbium dotierte Wirtskristalle wurden bei geringen Pumpleistungen in verschiedenen Resonatoren hinsichtlich intrinsischer Verluste und ihrer generellen Eignung für solch ein Lasersystem verglichen. Die Priorität lag dabei in der Entwicklung eines Lasersystems bei Pumpleistungen von weniger als 500 W. Diese tolerieren Resonatorverluste von ca. 5 × 10−3. Eine Charakterisierung von Yb:Y3Al5O12 und Yb:Lu2O3 in einem effizienzoptimierten Resonator ergab Verluste von ca. 2 × 10−4. Eine signifikante Abhängigkeit vom Lasermaterial konnte hierbei nicht festgestellt werden. Vergleichende Untersuchungen der Verluste an mehr als 20 Scheiben deuteten jedoch auf Oberflächenverluste, z. B. an dielektrischen Beschichtungen hin. Es konnten resonatorinterne Leistungen von mehr als 130 kW demonstriert werden. Dies entspricht einer 2500-fachen Überhöhung für eine Pumpleistung von 54 W. Eine weitere Steigerung der Pumpintensität war aufgrund optischer Defekte nicht möglich.
Die gemessenen Resonatorverluste erhöhten sich im Grundmodenbetrieb auf 9 × 10−4. Verantwortlich hierfür sind möglicherweise Beugungsverluste an der Scheibe. Resonatoren mit einem Brewster-Element zeigten ebenfalls erhöhte Verluste von bis zu 1.5 × 10−3, vermutlich verursacht durch stressinduzierte Depolarisation in der Laserscheibe, welche zu einer partiellen Rotation des elektrischen Feldes führte. Zusätzlich konnte ohne die Nutzung von zusätzlichen optischen Elementen eine intrinsische Polarisation mit einem niedrigeren Extinktionsverhältnis und geringerer Stabilität festgestellt werden. Vergleichbare Verluste und Effekte konnten dabei auch für gefaltete Resonatoren beobachtet werden, welche sich als besser geeignet herausstellten, um einen internen Fokus im Resonator zu erzielen. In einem zu diesem Zweck entwickelten Resonator konnte anhand der Rayleigh Streuung an atmosphärischen Molekülen der resonatorinterne Strahlverlauf gemessen werden. Hierbei wurde eine Strahltaille von 20 µm bestimmt. Hohe Resonatorverluste von mehr als 5 % verhinderten ein Erreichen der benötigten internen Leistung. Diese Verluste wurden vermutlich durch Beugung aufgrund von astigmatischen Störungen in der Laserscheibe verursacht. Daher werden eine Reduzierung der Verluste und eine Erhöhung der Pumpleistung für weitere Experimente empfohlen.

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