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Leistungsskalierung von ultraschnellen Lasern mit hoher Repetitionsrate

Chirped Pulse Amplification — Zeitliche Skalierung

Aufgrund des kleinen Durchmessers des Laserstrahls innerhalb von Faserverstärkern treten nicht gewünschte Effekte wie Selbstphasen­modulation oder Zerstörung der Faser bei Verstärkung von ultra­kurzen Pulsen schon bei kleinen Pulsspitzenleistungen auf. Dies schränkt die erreichbaren Pulsenergien deutlich ein. Um dieses Problem zu umgehen, werden dispersive Elemente verwendet, um die Pulse vor der Verstärkung zeitlich zu strecken und nach der Verstärkung wieder zu komprimieren. Diese Methode nennt man Chirped Pulse Amplification (CPA). Die erforderliche Dispersion kann mit verschiedenen Elementen erreicht werden, z. B. optische Gitter. Mit diesem Ansatz können die ultrakurzen Pulse bis in den Nanosekundenbereich gestreckt werden. Dies erlaubt uns ultrakurze Pulse mit Fasern zu den bislang höchsten Spitzenleistungen zu verstärken [1].

Neue Faserdesigns — Räumliche Skalierung

Ein weiteres Forschungsfeld ist die Entwicklung von neuen Faserdesigns mit dem Ziel, die Kerngröße und damit die möglichen Pulsenergien zu skalieren und dabei die hohen Durch­schnitts­leistungen zu erhalten, die Fasern auszeichnen. Eines der von unserer Gruppe entwickelten Designs ist die auf der rechten Seite dargestellte large-pitch Faser (LPF). Aufgrund der speziellen Mikrostrukturierung der Faser erfährt die Grundmode gegenüber den höheren Moden eine erhöhte Anregung am Faseranfang und zusätzlich eine präferierte Verstärkung. Dadurch wird die Strahl­qualität am Ausgang verbessert. Das Faserdesign erlaubt eine exzellente Reproduzierung und Skalierung des Kerndurchmessers bis zu 130 µm. Damit handelt es sich um die bislang größte Ytterbium-dotierte Faser, welche eine einzelne Mode erhält. Durchschnitts­leistungen von einigen hundert Watt bei Pulsenergien im Millijoule-Bereich sind mit diesem Faserdesign schon demonstriert worden [2].

Faserverstärker für neue Wellenlängenbereiche

Die meisten heutigen Hochleistungsfaserlasersysteme benutzten Ytterbium als aktives Lasermaterial und emittieren deshalb Strahlung im Bereich von 1 µm Wellenlänge. Viele Anwendungen, sowie auch viele Prozesse in den Verstärkern selbst zeigen jedoch eine starke Abhängigkeit von der Wellenlänge. Deshalb eröffnet die Untersuchung neuer Wellenlängenbereiche, z.B. um 2 µm, neue Möglichkeiten in der Starkfeldphysik, wie z.B. die Erzeugung von XUV Strahlung im Wasserfenster. Zusätzlich erlauben längere Wellenlängen eine Veränderung des Faserdesigns, die in einer Verringerung der auftretenden Nichtlinearitäten resultiert. Dies wird eine weitere Erhöhung der Leistungsdaten von Faserlasersystemen ermöglichen [3].

Kohärente Kombination von Faserverstärkern

Obwohl die Performance von Faserlasern schon dramatisch verbessert worden ist und weitere Verbesserungen in der Zukunft zu erwarten sind, ist sie für einige Anwendungen nicht ausreichend. Deshalb ist das Konzept, mehrere Faserverstärker in einer parallelen Architektur zu verwenden, sehr vielversprechend. Mit diesem Ansatz können Durchschnittsleistung und Pulsenergie gleichzeitig skaliert werden, ohne die Puls- und Strahlqualität zu verschlechtern. Der grundsätzliche Aufbau ist in der folgenden Grafik dargestellt:

Schematische Darstellung der räumlich getrennten Verstärkung als Skalierungskonzept.
Schematische Darstellung der räumlich getrennten Verstärkung als Skalierungskonzept.

Mit Hilfe dieser Parallelisierung und kohärenter Kombination konnten die Leistungswerte von Einzelverstärkersystemen bereits übertroffen werden [4]. Zusätzlich konnte die Kombination bereits bei hunderten von Watt Durchschnittsleistung erfolgreich gezeigt werden. Die derzeitige Forschung konzentriert sich darauf, die Anzahl der Kanäle zu erhöhen und darüber hinaus neue Kom­bi­na­tions­techniken zu untersuchen, um Faserlasersysteme auf eine neue Leistungsebene zu heben.

Divided-Pulse Amplification (DPA)

Selbst bei Verwendung der oben genannten Skalierungskonzepte liegen die erreichbaren Pulsenergien noch deutlich unter den theoretisch aus den Fasern extrahierbaren Werten. Die Ursache hierfür ist die durch die Größe des Kompressorgitters limitierte zeitlich gestreckte Pulsdauer. Deshalb wird als weiteres Konzept die Verstärkung von mehreren zeitlich getrennten Pulsen verfolgt. Nach der Verstärkung erfolgt schließlich die kohärente Kombination zu einem Puls. Durch die Erhöhung der Pulsenergien kann damit ebenfalls eine korrespondierende Erhöhung der Spitzenleistung des Systems mit demselben Faktor erreicht werden [5].

Schematische Darstellung von Divided-Pulse Amplification (DPA).
Schematische Darstellung von Divided-Pulse Amplification (DPA).

Kohärente Pulsaddition in passiven Überhöhungsresonatoren — In Richtung TW-Spitzenleistungen bei hohen Repetitionsraten

Eine andere Technik zur Erhöhung der Pulsspitzenleistung ist der Überlapp von zeitlich getrennten Pulsen einer Laserquelle innerhalb eines externen passiven Resonators. Mit diesem Ansatz sind bereits extrem hohe Spitzenleistungen innerhalb eines solchen Resonators gezeigt worden. Wir befassen uns mit der Auskopplung dieser Pulse, wie in der folgenden Grafik dargestellt ist. Dieser Energietransfer von Durchschnittsleistung zu Pulsenergie kann in der Zukunft Faserlasersysteme ermöglichen, welche TW-Level-Spitzenleistungen erreichen [6].

Links: Resonatorinterne Pulsüberhöhung mit Schalter zur Auskopplung. Rechts: Rotierende Scheibe als mögliches Auskoppelkonzept.
Links: Resonatorinterne Pulsüberhöhung mit Schalter zur Auskopplung. Rechts: Rotierende Scheibe als mögliches Auskoppelkonzept.

Die Forschung, welche zu diesen Ergebnissen führte, wurde teilweise durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) unter Vertrag 13N12082 “NEXUS”, durch den European Research Council unter grant agreement no. [617173] “ACOPS”, und durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Technologie (TMWAT, Project no. 2011 FGR 0103) gefördert.