Kurzfassung
Das Thema dieser Dissertation war die Entwicklung eines Ho:YLF Regenerativen Verstärkers (RA), welcher optimiert wurde um damit Optische Parametrische Verstärker (OPA) zu betreiben. Die Zielstellung war es gleichzeitig eine hohe Pulsenergie, hohe Pulsstabilität und kurze Pulsdauer zu erreichen.
Puls-Instabilität ist ein bekanntes Phänomen von RAs mit hohen Verstärkungsfaktoren und es kann die Ausgangspulsenergie und Ausgangspulsstabilität stark limitieren. Daher beschäftigt sich die Forschung gegenwärtig mit dem allgemeinen Verständnis dieses Phänomens und der damit verbundenen Verstärkerdynamiken.
Um den Betrieb von RAs in einem großen Parameterraum zu analysieren, wurde ebenfalls ein neues und schnelles chromatisches Simulationsmodel entwickelt. Das Model erlaubt eine realistischere Analyse solcher Lasersysteme, im Vergleich zu früheren Simulationsansätzen, da es erstmalig ein Rauschen der Pump- und Seedquelle berücksichtigt. Das Simulationsmodel unterschied charakteristische Operationsbereiche und ein empirisches Skalierungsgesetz für die Entstehung von Pulsinstabilität wurde entdeckt.
Die Ausgangspulsdauer von Ho:YLF RAs beträgt typischerweise mehrere Picosekunden. Das Erreichen kürzerer Pulsdauern wurde mit spektralen Filtern, welche direkt in die Verstärkerkavität eingebracht wurden, numerisch studiert.
Der entwickelte Ho:YLF RA Prototyp basiert auf einer linearen Kavität und einem Hochleistungs-Faraday-Isolator für das Herein- und Herausschalten der Laserpulse. Ein einzelnes chirped volume Bragg grating (CVBG) wurde verwendet, um die Laserpulse temporär zu Strecken und Komprimieren. Der Ho:YLF Kristallhalter wurde thermo-elektrisch gekühlt und die Temperatur wurde als zusätzlicher Systemkontrollparameter zur Optimierung der Ausgangspulsenergie und Ausgangspulsstabilität benutzt.
Der entwickelte Ho:YLF RA wurde anhand der gewonnenen numerischen Erkenntnisse optimiert. Infolgedessen konnte die höchste Pulswiederholungsrate ohne Pulsinstabilität für solch ein System erreicht werden, zusammen mit Rekordpulsenergien und -Ausgangsleistungen. Weitere Highlights waren die erstmalige experimentelle Demonstration eines bisher nur vorhergesagten Operationsbereichs und das Erreichen der höchsten Pulsstabilität. Weiterhin resultierten initiale Versuche mit einem nicht optimierten spektralen Filtern (in Form eines Etalons) in den kürzesten gemessenen Pulsdauern direkt von einem Ho:YLF RA.
Das entwickelte Lasersystem stellt nun eine robuste und zuverlässige Quelle an multi-mJ, pikosekunden-Pulsdauer und hochstabile Laserpulse dar, und es wird gegenwärtig benutzt um unsere mid-IR OPCPA Entwicklung voranzutreiben. Der Wert dieser Dissertationsarbeit geht jedoch über konkrete experimentelle Leistungen hinaus. Obwohl die Resultate mit einem spezifischen Lasersystem erreicht wurden, können die Erkenntnisse als generelle Richtlinien für hochenergetische, hochstabile und Kurzpuls RAs dienen.
The subject of this dissertation was the development of an Ho:YLF regenerative amplifier (RA) that is optimized for the driving of optical parametric chirped pulse amplifiers (OPCPAs). The design goal of the RA was the simultaneous achievement of high pulse energy, high pulse stability and short pulse duration. Large-scale pulse instability is a well-known phenomenon in high-gain RAs and can significantly limit the output pulse energy and prevent low noise operation. Current research is focusing on the understanding of this phenomenon and the underlying gain dynamics. To study RA operation in a large parameter space, a novel and fast chromatic simulation model was developed as part of this thesis, as well. This model allowed for a more realistic modeling of such systems, compared to previous approaches, as it included for the first time noise from the pump and seed source. The simulation model distinguished charac teristic operation regimes and an empirical scaling-law for the onset of large-scale pulse instability was proposed. The output pulse duration of Ho:YLF RAs is typically on the order of several picoseconds. The prospect of achieving shorter output pulses directly from RAs was numerically studied with intra-cavity spectral filters. The developed prototype Ho:YLF RA is based on a linear cavity and a high-power Faraday isolator for the pulse in- and outcoupling. For the pulse stretching and compression, a single chirped volume Bragg grating (CVBG) was used. The thermo-electrically controlled Ho:YLF crystal temperature was used as an additional control parameter to optimize the output energy and output noise. This laser system was optimized according to the numerical findings. Consequently, the highest repetition rate without large-scale pulse instability could be achieved for such a system, along with record-high pulse energies and output powers. Further highlights were the first experimental demonstration of a previously only predicted operation regime and the achievement of the highest pulse stability reported. Initial results with an unoptimized intra-cavity filter (in the form of an etalon) resulted in the shortest measured pulse duration reported for an Ho:YLF RA.