In dieser Arbeit werden Festkörperlaser im Hinblick auf ihre Verwendung in Doppler-LIDAR-Systemen untersucht und charakterisiert. Dabei gibt es zwei Schwerpunkte: Zum einen wird ein Master Oszillator (MO) bzw. Seed-Laser bei λ = 2,02 µm oder λ = 2,1 µm auf der Basis von Tm- oder Ho-dotierten Kristallen entwickelt und charakterisiert. Zum anderen wird die Eignung von Raman-Lasern als Power-Laser für zukünftige Doppler-LIDAR-Systemtechnologien bei 1,5 µm untersucht.
Für den Master Oszillator werden Tm:LuAG- und Tm,Ho:LuAG als Lasermaterialien verwendet, da die freien Emissionswellenlängen in diesem Wirtskristall sehr nahe an den optischen Transmissionsfenstern der Atmosphäre im Wellenlängenbereich zwischen 2,0 µm und 2,1 µm liegen. Diese relativ neuen Materialien, die am Institut für Laser-Physik der Universität Hamburg hergestellt wurden, werden zunächst spektroskopisch charakterisiert. Die ermittelten Werte für die Wirkungsquerschnitte in Absorption und Emission und die gemessenen Lebensdauern der am Laserprozess beteiligten Niveaus zeigen, dass LuAG ein ähnlich gutes Wirtsmaterial wie YAG für die beiden untersuchten Selten-Erd-Ionen ist. Das Ziel der Laserexperimente mit diesen Kristallen ist es, eine möglichst hohe Single-Mode-Laserleistung bei Raumtemperatur zu erreichen. Hierzu wird ein speziell für kurze Laserkristalle entwickelter Aufbau mit vier Durchgängen des Pumplichts durch den Laserkristall verwendet, der auch beim Einsatz sehr dünner Kristallscheiben eine ausreichende Pumplichtabsorption ermöglicht. Mit diesem Aufbau werden bis zu 51 mW Single-Mode-Laserleistung mit einem 435 µm dünnen Tm(10%):LuAG-Kristall erreicht. Mit dem Tm(10%),Ho(0,4%):LuAG-Kristall wird erstmalig cw-Laseremission bei Raumtemperatur demonstriert. Dieser Laser zeigt im Vergleich zu den Tm-Lasern eine stärkere Temperaturabhängigkeit.
Neben den Festkörperlasern werden GaSb-Laserdioden mit externem Resonator (ECDL) untersucht, die zukünftig als sehr kompakte, stabile und preiswerte MO bzw. Seed-Laser im Wellenlängenbereich um 2 µm an Bedeutung gewinnen können. Mit Ausgangsleistungen von etwa 15 mW, einem Durchstimmbereich von 45 nm und einer Langzeitfrequenzstabilität im Bereich von 80 MHz sind die in dieser Arbeit vorgestellten ECDLs mit einer Emissionswel-lenlänge um 2 µm mit den bei anderen Wellenlängen kommerziell angebotenen Systemen vergleichbar.
Für einen möglichen Einsatz von Raman-Lasern als Power-Laser in einem LIDAR-System im Wellenlängenbereich um 1,5 µm werden deren Eigenschaften mit verschiedenen "intra-cavity" Resonatorkonfigurationen untersucht, wobei versucht wird möglichst lange Pulse zu erzielen. Als Pumplaser für die verschiedenen Raman-Laser-Kristalle [BaWO4, KGd(WO4)2 und Ba(NO3)2] wird ein gütegeschalteter Nd:YAG-Laser realisiert, der um λ = 1,34 µm emittiert. Der "augensichere" Spektralbereich um 1,5 µm wird bereits mit der ersten Stokes-Linie der Raman-Laser erreicht. Konversionseffizienzen von maximal 51% und Pulsenergien bis zu 0,43 mJ werden bei ca. 30 ns langen Raman-Pulsen mit Ba(NO3)2 erreicht. Mit BaWO4 werden erstmalig Raman-Pulslängen bis ca. 90 ns demonstriert.
Eine Skalierung der Pulsenergien bis in den Bereich einiger mJ erfordert weitere grundlegende Untersuchungen. Das gilt insbesondere für lange Impulse des Raman-Lasers ≥ 100 ns.
This work reports on the investigation and characterization of solid state lasers for Doppler-LIDAR systems. The work consits of two main parts. The first part concerns the development and characterization of a master oscillator (MO) or seed laser based on Tm-, and Ho-doped crystals at λ = 2.02 µm, and λ = 2.1 µm, respectively. In the second part the investigation of Raman-lasers with respect to the application as power lasers in future Doppler-LIDAR systems at 1.5 µm becomes reported and discussed.
For the seed laser Tm-doped Lu3Al5O12 (LuAG) or Tm,Ho-doped LuAG crystals have been chosen, due to the free emission wavelengths which are very close to the optical transmission windows of the atmosphere in the wavelength range between 2.0 µm and 2.1 µm. At first, this relatively new crystals, which where grown at the Institute of Laser-Physics (University of Hamburg), will be spectroscopically characterized. For both, Tm- and Ho-ions the measured values of the absorption and emission cross-sections and the lifetimes of the energy levels showed, that LuAG as a host matrix is very similar to YAG. One aim of the laser experiments is to achieve a reasonable laser performance at room temperature. Therefore, a special setup for using short laser crystals is shown, which enables four pump passes through the laser crystal. This leads to efficient absorption also in very short crystals. We demonstrate with this set-up up to 51 mW single mode output from a 435 µm thin Tm(10%):LuAG crystal. Also for the fist time cw laser operation at room temperature based on a Tm(10%),Ho(0.4%):LuAG is demonstrated. This laser exhibits a higher temperature dependence than the thulium laser.Additionally, external cavity diode lasers (ECDL) based on GaSb are investigated. These diodes can gain importance in future as very compact, stable, and cheap seed lasers or MO in the wavelength range around 2.0 µm. With output powers up to 15 mW, a tuning range of 45 nm and a long term frequency stability of 80 MHz the ECDLs demonstrated in this work are comparable with commercially available systems at other wavelength.
Raman-lasers around 1.5 µm are investigated and characterized using different intra-cavity resonator set-ups. The main focus of this investigation was the generation of comparatively long Raman-laserpulses. As pump laser for the different Raman-laser crystals [BaWO4, KGd(WO4)2 and Ba(NO3)2] a Q-switched Nd:YAG laser with an emission wavelength around 1.34 µm is realized. Thus, the eye-safe spectral region at 1.5 µm can be reached already by the first Stokes-line of the Raman-lasers. With Ba(NO3)2 maximum conversion efficiencies of 51% and pulse energies up to 0.43 mJ are reached at Raman-pulse-lengths of 30 ns. For the first, time pulse-lengths up to 90 ns are demonstrated with BaWO4 Raman-laser.
Further power scaling of pulse energies up to several mJ needs further fundamental research, especially for Raman-laser pulse lengths > 100 ns.