Kurzfassung
Frequenzkämme im mittleren Infrarotbereich, dem Spektralbereich der molekularen Fingerabdrücke, können auf Grund fehlender direkter Verstärker-Medien, nur mit Hilfe von Differenzfrequenzbildung (DFG) in nichtlinearen Kristallen realisiert werden. Zusätzlich zum Zugang in den langwelligen Bereich (>10 μm) des mittleren Infrarotbereiches, ermöglicht DFG eine breite Wellenlängen Abstimmbarkeit, hohe Repetitionsraten (>10 MHz) und eine passive Stabilisierung der Träger-Einhüllenden-Phase. Alle diese Effekte können zur Konstruktion von Frequenzkämmen im mittleren Infrarotbereich benutzt werden.
Auf Grund von nicht optimierten Frequenzverschiebungsprozessen und eventuell uneffizienter parametrischer Wechselwirkungen der DFG selbst leiden DFG basierte mittelinfrarote Frequenzkämme, besonders jenseits von 10 μm, an unzureichender mittlerer Leistung. Außerdem führt herkömmliche Frequenzverschiebung in nichtlinearen Fasern zu zusätzlichem relativen Timing-Jitter (RTJ) auf dem Signalimpuls. Auch wird der relative Timing-Jitter infolge der Pulspropagation durch das System auf den später erzeugten Idlerimpuls während des DFG-Prozesses übertragen, was die Kohärenz des Frequenzkammes signifikant verschlechetert bzw. den Frequenzkamm sogar auslöschen kann.
In dieser Arbeit untersuchen wir numerisch einige wichtige Aspekte zur Erzeugung rauscharmer Frequenzkämme im mittleren Infrarotbreich mit hoher mittlerer Leistung basierend auf Differenzfrequenzbildung. Zuerst diskutieren wir zwei Techniken in der nichtlinearen Faser-Optik, namentlich die „Soliton-Selbst- Frequenzverschiebung“ (SSFS) und die durch „Selbst-Phasenmodulation Ermöglichte Spektrale Selektion“ (SESS) und vergleichen diese im Hinblick auf maximaleImpulsenergie und minimalen RTJ. Dann untersuchen wir die Leistungsskalierbarkeit des DFG Prozesses für die Frequenzkammerzeugung im mittleren Infrarotbereich bei hoher Leistung. Zwei verschiedene DFG-Prozesse mit den Pumpwellenlängen 1.03 μm und 2 μm werden verglichen. Wir zeigen mittels Monte-Carlo Simulationen, wie der Timing-Jitter eines phasenschlupf-freien Frequenzkammessich auf die Kammeigenschaften auswirkt. Die Kammbreite wird durchdie geometrische Separations-Linien-Methode bestimmt. Zuletzt demonstrierenwir einen 1 GHz passiv phasenstabilisierten Laser, basierend auf einem Yb:Faserlasersystem und einer alternativen DFG-Methode.
Insgesamt wird in der Arbeit eine faseroptische nichtlineare Frequenzverschiebungsmethode demonstriert, welches die Impulsenergie des frequenzverschobenen Signalimpulses mit Pulsenergien im einstelligen Nanojoule-Bereich auf mehrere zehn Nanojoule verbessert. Die Nutzung dieser Signalimpulse als Eingangssignal für ein optimiertes DFG System ebnet den Weg hin zu 50-MHz- Frequenzkämmen im mittleren Infrarotbereich bei einer mittleren optischen Leistung > 2.2 W. In der Zukunft ermöglichen solche Lasersysteme vielzählige neue Anwendungen in Wissenschaft und Technik.
Due to the lack of proper active gain media, mid-IR frequency combs in the molecular “fingerprint” region are normally implemented by difference frequency generation (DFG) process inside nonlinear crystals. In addition to granting an access to the long-wave (>10 μm) side of the mid-IR spectrum, DFG also offers a wide wavelength tunability, a high-repetition-rate (HRR) operation (>10 MHz), and a passive cancelation of the carrier-envelope phase offset, all of which enable a simplified experimental configuration for constructing mid-IR frequency combs. Currently, DFG-based mid-IR frequency combs especially at wavelengths beyond 10 μm suffer from insufficient available power, mainly caused by un-optimized wavelength-shifting processes and an inefficient parametric interaction of the DFG process. Moreover, during conventional nonlinear fiber-optic wavelength-shifting methods, an excessive amount of relative timing jitter (RTJ) noise is introduced to the signal pulses, which later translates to the noise of the generated mid-IR idler pulses during the DFG process, and may significantly deteriorate the comb performance of the mid-IR frequency comb. In this thesis, we numerically investigate several important issues that are related with constructing high-power, low-noise DFG-based mid-IR frequency combs. We first discuss two nonlinear fiber-optic methods, namely, soliton self-frequency shift (SSFS) and self-phase-modulation enabled spectral selection (SESS), by comparing their capability of generating wavelength-shifted signal pulses with a high pulse energy and a low RTJ noise. To elucidate an efficient approach for generating high-power mid-IR sources, we study the power scalability of DFG by investigating DFG processes under different launching conditions. Two sets of DFG with different pump wavelengths, 1.03 μm and 2 μm, are compared. Besides the power scalability, we also compare the noise transfer property of these two sets of DFG. We identify how the timing jitter noise of an offset-free frequency comb affects its comb characteristics through Monte-Carlo simulations. The comb line-width can be well estimated by using a geometrical -separation line method. Finally, we demonstrate a 1-GHz passively offset-free laser source which is built based upon a Yb:fiber laser system and an alternative DFG schematic. Enabled by novel nonlinear fiber-optic wavelength-shifting methods, the pulse energy of the wavelength-shifted signal pulses can be increased from sub-nJ level to tens-of-nJ or even hundreds-of-nJ level. Using such signal pulses to seed an optimized DFG system, a 50-MHz HRR mid-IR frequency comb with an average output power of >2.2-W is viable. We believe that such a source will open new avenues for novel scientific applications.