Kurzfassung
Faserlaser wurden kurz nach der Erfindung des ersten Lasers [1,2] vorgeschlagen und als
potenzielle Kandidaten für zahlreiche industrielle und wissenschaftliche Anwendungen
identifiziert [3,4]. Es gibt eine Reihe einzigartiger Merkmale, die Faserlaser von anderen
Lasertechnologien unterscheiden und zu einer überlegenen Gesamtleistung führen, wie z. B. ein
besseres Wärmemanagement aufgrund des großen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen,
eine hervorragende Strahlqualität, höheren Gesamtwirkungsgrad, geringere Kosten und eine
kleinere Grundfläche im Vergleich zu Festkörperlasern. Diodengepumpte Yb-dotierte
Verstärkungsfasern mit geringem Quantendefekt und breiter Verstärkungsbandbreite
ermöglichen eine Pulsverstärkung im sub-ps-Bereich, was sie für die Herstellung kompakter
Laserquellen mit hoher Repetitionsrate und hoher mittlerer Leistung bei 1 µm für ein breites
Spektrum von Anwendungen attraktiv macht.
In dieser Arbeit demonstrieren wir zwei ultraschnelle Yb-dotierte Front-End-Lasersysteme mit
hoher mittlerer Leistung und hoher Repetitionsrate als Seed-Quellen für (i) High Harmonic
Generation (HHG) und (ii) kryogen gekühlte Yb:YLF-Verstärker. Dementsprechend befasst sich der
erste Teil der Arbeit mit der Entwicklung eines Faserlasersystems bei 1030 nm der Pulse mit 44 fs
Pulsedauer und einer mittleren Leistung von 68 W bei einer Repetitionsrate von 1 MHz erzeugt.
Der Laser benützt die Chirped Pulse Amplification (CPA)-Technik und besteht aus einem
polarization evolution (NPE) modengekoppelten Yb-dotierten Faseroszillator als Seeder, einem
Chirped Fiber Bragg Grating (CFBG) Stretcher, einem Wave Shaper zur Manipulation des
Signalspektrums und der Phase, einer Faservorverstärkerkette, einem stabförmigen Yb-dotierten
Faserverstärker (YDF) mit großem Pitch und schließlich zwei Kompressionseinheiten. Wir
verwenden einen Wave Shaper (Finisar), um das Spektrum des gestreckten Signals zu
manipulieren, um die spektralen Amplitudenmodulationen zu glätten und es in ein nahezu
parabolisches Spektrum zu bringen. Das Ergebnis ist ein annähernd transformationsbegrenzter,
Untergrund freier Puls mit einer gemessenen Dauer von 158 fs aus einem linearen Kompressor.
Wir verkürzen die Dauer des Ausgangspulses auf 44 fs, die für die Erzeugung von High Harmonic
Generation (HHG) erforderlich ist, indem wir einen nichtlinearen Kompressor vom Herriot-Typ
mit mehreren Durchgängen und mehreren Platten verwenden.
Im zweiten Teil stellen wir eine ultraschnelle Faserlaser-Seed-Quelle bei 1016 nm für Yb:YLFVerstärker vor. Wir entwickeln einen hybriden modengekoppelten Faseroszillator, der auf einem
nichtlinearen Interferometer als schnell sättigbarem Absorber in Kombination mit einem
Halbleiter-Sättigungsabsorberspiegel (SESAM) als langsam sättigbarem Absorber in der
Laserkavität basiert, um die Modenkopplung zuverlässig zu starten. Der Faserlaser arbeitet im
Einzelpulsbereich (bei niedrigen Pumpleistungen) als selbststartender modengekoppelter
Oszillator mit hoher Stabilität und geringem Intensitätsrauschen. Im nächsten Schritt wird das
Ausgangssignal durch Selbstphasenmodulation (SPM) im nachfolgenden Vorverstärker in einer
Yb-dotierten Aluminosilikat-Verstärker-Faser spektral verbreitert. Die Filterung mit einem Bandpass-Filter führt zu einem Signal mit einer Halbwertsbreite (FWHM) von 12 nm bei 1015 nm
zentraler Wellenlänge. Die Verstärkung des Signals durch handelsübliche Yb-dotierte
Aluminosilikatfasern ist aufgrund ihres Verstärkungsprofils (mit einer maximalen Verstärkung bei
1027 nm) schwierig. Dies führt zu einer unerwünschten Leistungsverschiebung der zentralen
Wellenlänge von 1016 nm zu längeren Wellenlängen. Dieser Wellenlängenverschiebung wird
durch die Verwendung einer Yb-dotierten Phosphorsilikatfaser mit geeigneter Länge
abgeschwächt, die ein glatteres Verstärkungsprofil mit einem Maximum bei kürzeren
Wellenlängen (etwa 1007 nm) aufweist. Als Ergebnis erreichen wir fast 10 nJ Pulse bei 40 MHz
mit einer zentralen Wellenlänge von 1016 nm und einer FWHM von 12 nm, was den Laser zu einer
idealen Seed-Quelle für Yb:YLF-Verstärker macht, die eine hohe Bandbreite bei 1016 nm haben.
Fiber lasers were proposed shortly after the invention of the first laser [1,2] and identified as potential candidates for numerous industrial and scientific applications [3,4]. There are a number of unique features that differ fiber lasers from other laser technologies and lead to superior overall performance, such as better thermal management due to the large surface-to-volume ratio, excellent beam quality, higher wall-plug efficiencies, lower cost, and a smaller footprint compared to solid state lasers. Diode-pumped Yb-doped gain fibers with low quantum defect and broad gain bandwidth enable sub-ps pulse amplification, making them attractive for fabricating compact laser sources with a high repetition rate and high average power at 1 µm for a broad range of applications. In this work, we demonstrate two ultrafast Yb-doped front-end laser systems with high average power and high repetition rate as seed sources for (i) High Harmonic Generation (HHG) and (ii) cryogenically cooled Yb:YLF amplifiers. Accordingly, the first part of the thesis reports on the development of a 44 fs, 68 W fiber laser at 1030 nm with a repetition rate of 1 MHz. The laser is developed based on the chirped pulse amplification (CPA) technique and consists of a nonlinear polarization evolution (NPE) mode-locked Yb-doped fiber oscillator as a seeder, a chirped fiber Bragg grating (CFBG) stretcher, a wave shaper for signal spectrum and phase manipulation, a fiber preamplifier chain, a rod-type large pitch Yb-doped fiber (YDF) amplifier, and finally two compression units. We use a wave shaper (Finisar) to manipulate the spectrum of the stretched signal to smooth out the spectral amplitude modulations and shape it into a near parabolic spectrum. The result is a pedestal-free nearly transform-limited pulse with a measured duration of 158 fs from a linear compressor. We shorten the duration of the output pulse to 44 fs, which is required for high harmonic generation (HHG), by using a multi-pass, multi-plate Herriot-type nonlinear compressor. In the second part, we present an ultrafast fiber laser seed source at 1016 nm for Yb:YLF amplifiers. We develop a hybrid mode-locked fiber oscillator based on a nonlinear interferometer as a fast-saturable absorber in combination with a semiconductor saturable absorber mirror (SESAM) as a slow-saturable absorber in the laser cavity for reliable starting of the mode-locking. It operates in the single-pulse regime (at low pump powers) as a self-starting mode-locked oscillator with high stability and low intensity noise. Then, the output signal is spectrally broadened by self-phase modulation (SPM) in the following preamplifier made of Yb-doped aluminosilicate gain fiber. Filtering with a bandpass-filter results in a signal with a full width half maximum (FWHM) of 12 nm at 1015 nm. Amplification of the signal by commercially available Yb-doped aluminosilicate fibers is challenging due to their gain profile (with a maximum gain at 1027 nm). It results in an undesirable power shift of the central wavelength from 1016 nm to longer wavelengths. This is mitigated by using a Yb-doped phosphosilicate fiber with an appropriate length, which has a smoother gain profile with a maximum at shorter wavelengths (around 1007 nm). As a result, we achieve nearly 10 nJ pulses at 40 MHz with a central wavelength of 1016 nm and an FWHM of 12 nm, making it an ideal seed source for Yb:YLF amplifiers with the widest bandwidth at 1016 nm known to our knowledge to date.