Kurzfassung
Die Emissionsspektren von Vielmodenlasern reagieren sehr empfindlich auf die Ab-sorption und die Modenkopplung im Laserresonator. Die Absorptionsspektroskopie im Laserresonator (Intra-Cavity Absorption Spectroscopy, ICAS) ist eine der empfindlichsten Methoden zur Untersuchung der optischen Absorption. Die Empfindlichkeit von ICAS entspricht derjenigen herkömmlicher Absorptionsexperimente mit der effektiven optischen Absorpti-onsweglänge des Lichts von einigen bis zu mehreren tausend Kilometern. Die Modenkopplung verändert die Emissionsdynamik der Laser und verringert die Empfindlichkeit auf die Absorption im Resonator.
Diodengepumpte Vielmoden-Festkörperlaser und insbesondere Faserlaser sind sehr wichtig für die Herstellung von kompakten und empfindlichen ICAS-Spektometern. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Emissionsdynamik verschiedener Festkörperlaser, mit der Bestimmung dominierender Modenkopplung in diesen Lasern und mit der Bestimmung der Begrenzung der Empfindlichkeit auf die Absorption im Laserresonator.
Als die wichtigste Modenkopplung in Festkörperlasern wurde die räumliche Inhomogenität des Verstärkungsprofils des Lasers in den longitudinalen und azimutalen Richtungen festgestellt. Diese Kopplung führt zu niederfrequenten Schwankungen der Lichtemission in individuellen longitudinalen Lasermoden bzw. in verschiedenen Polarisationsmoden und zur Veränderung des Emissionsspektrums. Experimentell wurde diese Kopplung mit den Lasern untersucht, bei denen nur wenige Moden angeregt sind und die Veränderungen sehr hervorgehoben sind. Es wurde festgestellt, dass der Modenkopplungsgrad und die Absorptionsemp-findlichkeit der Laseremission durch die Anzahl der oszillierenden Moden und die Pumpleistung gesteuert werden kann. Mit einem 8 Meter langen Nd-dotierten Faserlaser wurde die Anzahl der oszillierenden Moden auf 50000 gesteigert und auf diese Weise die Absorpti-onsempfindlichkeit auf mehr als 100 km erhöht.
Die Spontanemission kann auch die spektrale Absorptionsempfindlichkeit von Vielmodenlasern begrenzen, insbesondere wenn die Resonatorverluste groß sind und der Laser nicht weit über der Schwelle betrieben wird. Der Einfluss der Spontanemission auf ICAS wurde durch die Messung von starken Absorptionslinien des Wasserdampfes im Resonator von Nd- und Yb-dotierten Faserlasern beobachtet. Der Einfluss der Spontanemission in diesen Lasern ist besonders in der Anwesenheit der starken Oszillationsschwingungen ausgeprägt.
Laser mit dem inhomogen verbreiterten spektralen Verstärkungsprofil, z.B. Faserlaser, zeigen zusätzlich die Abhängigkeit der Absorptionsempfindlichkeit von der Linienbreite des Absorbers. Das Emissionsspektrum des Lasers ist sehr empfindlich auf die Absorption im Resonator, wenn die Absorptionslinienbreite die homogene Linienbreite des Verstärkungsprofils nicht übersteigt. Wenn jedoch die Absorptionslinienbreite größer als die homogene Linienbreite der Verstärkungsprofils ist, sinkt die Empfindlichkeit erheblich. Dieses Phänomen wurde mit einem Nd-dotierten und einem Yb-dotierten Faserlaser gemessen.
Abhängig von den Laserparametern kann eines oder mehrere der oben genannten Merkmale die dominierende Ursache für die Begrenzung der Absorptionsempfindlichkeit sein. Die in der vorliegenden Arbeit erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Empfindlichkeit der Absorptionsmessungen im Laserresonator durch Verwendung des aktiven Mediums mit dem breiten spektralen Verstärkungsprofil, Auswahl nur einer Polarisationsmode, Anwen-dung kleiner Pumpraten, Verringerung der Resonatorverluste, Vergrößerung der Resonatorlänge und Verkleinerung der Länge des aktiven Mediums erhöht werden kann.
Emission spectra of multimode lasers are very sensitive to intracavity absorption and to mode coupling in the cavity. Intracavity absorption spectroscopy (ICAS) is one of the most sensitive techniques for the detection of optical absorption. Sensitivity of ICAS corresponds to conventional absorption measurements with an effective absorption path length from a few kilometers to several thousands kilometers. Mode coupling in the laser modifies the emission dynamics and reduces sensitivity of the laser to intracavity absorption.
Diode pumped multimode solid-state lasers and especially fibre lasers are very useful for the construction of compact and sensitive ICAS-spectrometers. The present work deals with the investigation of the emission dynamics of various solid-state lasers, with the identifi-cation of the dominant mode coupling in these lasers and with the determination of the sensi-tivity limitation to intracavity absorption.
The most important mode coupling in solid-state lasers is found to be spatial inhomo-geneity of the laser gain in longitudinal and azimuthal directions. This coupling results in low frequency fluctuations of the laser emission in individual longitudinal and polarization modes and in the modification of the emission spectrum. Experimentally this coupling has been studied with lasers, where only few laser modes are excited and the modifications are the most pronounced. It was found that the strength of mode coupling and the sensitivity of the laser emission to intracavity absorption can be controlled by the number of oscillating laser modes and by the pump power. With an 8-meter long Nd-doped fiber laser the number of oscillating modes has been increased to 50,000 and in this way the sensitivity of ICAS has been increased to more than 100 km.
Spontaneous emission becomes the main factor limiting the spectral sensitivity of the multimode lasers to intracavity absorption if the cavity loss is large and if the laser operates not far above the threshold. The influence of spontaneous emission on ICAS has been observed by measuring strong absorption lines of water vapour in the cavity of Nd- and Yb- doped fibre lasers. The influence of spontaneous emission in these lasers is especially pro-nounced due to the presence of strong relaxation oscillations.
Lasers with inhomogeneously broadened spectral gain, such as fibre lasers, additionally show the dependence of the sensitivity of ICAS on the absorber linewidth. The emission spectrum of the laser is very sensitive to intracavity absorption, if the absorptive linewidth does not exceed the homogeneous linewidth of the gain. If, however, the absorptive linewidth is larger than the homogeneous linewidth of the gain, the sensitivity drops significantly. This phenomenon has been measured with Nd- and Yb-doped fibre lasers.
Depending on laser parameters one or several of the above mentioned features can be dominating factors limiting the spectral sensitivity of ICAS. The results obtained in the present work show that the sensitivity of intracavity absorption measurements can be increased by using the active media with broad spectral gain, selecting one polarization mode only, applying smaller pump rates, reducing cavity losses, increasing the cavity length and reducing the length of the active media.