In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines Pumplasersystems für einen hochrepetitiven optisch parametrischen Verstärker für gechirpte Pulse mit hohen Ausgangspulsenergien vorgestellt. Für das System sind Pumppulsenergien im Bereich von mehreren 10 Millijoule bei hohen Repetitionsraten und sub-Pikosekunden Pulsdauern erforderlich. Dies wird in gewissem Maße durch den Einsatz eines Innoslab Verstärkers erreicht. Jedoch ist die Skalierung dieses Konzepts zu hohen Pulsenergien bei hohen Wiederholraten problematisch. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Scheibenlaser wurde eine Pulsenergie von 140 mJ bei Repetitionsraten von 100 kHz erreicht, was einen Weltrekord für diese Art von Laser darstellt. Durch seine materiellen und spektroskopischen Eigenschaften wird mit Ytterbium dotiertes YAG (Yb:YAG) als Verstärkermaterial verwendet. Die vorteilhaften Eigenschaften sind ein geringer Quantendefekt und eine vergleichsweise hohe verstärkte Bandbreite, wodurch sich dieses Material besonders für die Verstärkung von Pulsen im Pikosekundenbereich eignet. Sowohl das Ausgangsstrahlprofil als auch die Form des Bursts zeigen eine sehr hohe Qualität, was einen Nutzen des Verstärkersystems als Pumplasersystem für das OPCPA System ermöglicht. Dies wird benötigt, um hohe Pulsenergien bei hohen Repetitionsraten für das Seeden und auch als Pump-Probe Laser für FLASH2 zu erreichen.
Da die Entwicklung des Lasersystems stark mit dem Freie-Elektronen Laser in Hamburg (FLASH) verknüpft ist, ist der Verstärker für den so genannten "BurstMode" Betrieb ausgelegt. Dies bedeutet, dass eine festgelegte Anzahl von Pulsen innerhalb eines "Bursts" vom Lasersystem erzeugt wird. Die Anforderungen an diesen Betriebsmodus ist die Erzeugung der Pulse mit gleichbleibenden Eigenschaften über den gesamten Burst. In diesem Betriebsmodus befindet sich der Laser niemals in einem Gleichgewichtszustand bezüglich der Lasereigenschaften. Um die Eigenschaften des Lasers in diesem Modus zu untersuchen, wurde ein analytisches Modell entwickelt. Dieses beinhaltet sowohl die Verstärkung von spontaner Emission (ASE) im Verstärkermedium als auch die Vorpumpzeit, welche benötigt wird, um einen flachen Burst zu erzeugen. Diese Vorpumpzeit resultiert in einem verstärkten Einfluss der ASE im Verstrker.
Ein sehr wichtiger Parameter für das OPCPA System ist die zeitliche Synchronisierung der Pump- und OPCPA-Seed-Pulse. Ein zeitlicher Drift würde den Verlust des zeitlichen Überlapps im OPCPA Kristall zur Folge haben. Dafür wurde ein auf zwei Kristallen basierender balancierter optischer Kreuzkorrelator entwickelt und getestet.
The development of a pump laser system for a high power and high repetition rate optical parametric chirped-pulse amplification (OPCPA) is presented in this thesis. The OPCPA system requires pump pulse energies in the range of tens of millijoules at high repetition rates with sub-picosecond pulse durations. This can be achieved to some extend with Innoslab amplifier technology. However, scaling to higher pulse energies at high repetition rates may be problematic. With the thin-disk amplifier presented in this thesis, output energies of 140 mJ at 100 kHz repetition rate could be achieved in burst-mode operation, which is a world record for this type of laser amplifier. Due to its material and spectral properties, ytterbium doped YAG (Yb:YAG) is used as a gain medium for the high power amplifier stages. The low quantum defect and the comparatively large emission bandwidth makes this material the choice for high power operation and sub-picosecond compressed pulse durations. The output beam profile as well as the shape of the output bursts is ideal to pump an OPCPA system. An OPCPA output energy in the millijoule range with repetition rates of 100 kHz to 1 MHz is needed to generate seed pulses for the FEL and for the application as pump-probe laser at the FEL facility.
Since the development of this laser system needs to meet requirements set by the Free-Electron Laser in Hamburg (FLASH), the amplifier is conceived for burst-mode operation. The main requirement is a high intra-burst pulse repetition rate of more than 100 kHz and a uniform pulse train (burst) with equal properties for every pulse. The burst-mode is an operation mode where the laser never reaches a lasing equilibrium, which means that the behavior of the amplifier is similar to a switch-on of the laser system for every burst. This makes the development of the amplifier system difficult. Therefore, an analytical model has been developed to study the amplification process during the burst. This includes the effect of amplified spontaneous emission (ASE) in the gain material as well as the operation of the pump laser in a burst-mode. Burst-mode operation requires a relatively long pre-pumping phase, which increases ASE related problems.
A very important parameter for a large-scale OPCPA system is the timing between pump and OPCPA seed pulses. A drift would cause a loss in the temporal overlap within the crystal. Therefore, a method for the synchronization of pump and seed laser pulses in the OPCPA system by means of a two-crystal balanced optical cross-correlator has been developed and tested.