Kurzfassung
Dioden-gepumpte, Ytterbium-dotierte optische Laserverstärker, die hoch energetische Pulse bei gleichzeitig hoher mittlerer Leistung in einem Wellenlängenbereich von 1 µm generieren können, werden heute in vielen Bereichen eingesetzt, wie z.B. bei der Röntgenstrahl erzeugung, beim pumpen von optischen parameterischen Verstärkern (OP(CP)A) Systemen, Erzeugung und Verstärkung von Terahertzstrahlung sowie bei Photoinjektoren in Freien-Elektronen-Lasern. Bei Raumtemperatur betriebene Yttrium-Aluminium-Granulat (Yb:YAG) Laser sind durch ihre quantenlimitierte Emissionseffizienz, guten thermo-mechanischen Eigenschaften und dem breitbandigen Emissionsspektrum zum Standard geworden, wenn Pulse im sub-ps Bereich erzeugt werden sollen. Die lange Lebensdauer und der große Emissionswirkungsquerschnitt ermöglichen eine signifikant höhere Verstärkung. Auf kryogene Temperatur (~80K) gekühlt, zeigt Yb: Yttrium Lithium Flourid (Yb:YLF) eine Änderung vom Quasi-Drei-Niveausystem zum Vier-Niveausystem und eine damit einhergehende Verbesserung der thermo-optischen Eigenschaften, welche Vorteile bei der Skalierbarkeit der mittleren Leistung und der Verstärkung von sub-ps Pulsen mit sich bringt.
Um einen Yb-dotierten Festkörperlaser effizient und zuverlässig betreiben zu können, ist ein Seedlaser mit einer zentralen Wellenlänge von 1µm erforderlich. Zu diesem Zweck könnte ein Titan-Saphire Laser mit dessen breitbandigem Emissionsspektrum im 1µm Bereich verwendet werden, jedoch würde dies eine spektrale Filterung notwendig machen und damit die Ausgangsenergie und Effizienz deutlich reduzieren. Eine weitere Option wäre die Konstruktion einer auf Ytterbium Kristallen basierenden ultraschnellen Seedquelle, welche allerdings teuer und schwer zu warten ist. Die Lösung bieten faserbasierende Seedlaser, die geringe Kosten und hohe Zuverlässigkeit bei gleichzeitig kleiner Größe und einfacher Bedienung ermöglichen. Das Thema dieser Dissertation beinhaltet die Entwicklung von ultraschnellen Yb-basierten Faserlasern deren parameter auf Yb-basierte Hochleistungs-Festkörperlaser angepasst sind, wie etwa die Pulsenergie, zentrale Wellenlänge, Stabilität und Rauscheigenschaften. In der Arbeit werden grundsätzlich vier fundamentale Bereiche untersucht: der polarisationserhaltende Faseroszillator , die nicht-lineare Umwandlung von Wellenlängen, die lineare und nicht-lineare Verstärkung von kurzwelligen, ultraschnellen Pulsen und das Design eines rauscharmen front-end Lasersystems. Es wurde ein ultraschneller, leicht bedienbarer Faserlaser mit hoher Stabilität und veränderbaren Parametern zum Seeden von verschiedenen, auf Yb-Kristallen basierenden, Festkörperverstärker eltentwicket.
Diode-pumped Ytterbium-doped (Yb-doped) amplifier systems at 1-µm wavelength supporting high-energy pulses at high average power are becoming the workhorses for ultrafast science, including soft X-ray generation [1], optical parametric chirped-pulse amplifier pumping [2], terahertz radiation generation and amplification as well as high-brightness photo-injectors for laser-wakefield acceleration or free-electron lasers [3]. Room temperature (RT) Yb: ytterbium aluminum garnet (Yb: YAG) laser systems are commonplace for producing high average power and high energy sub-ps optical pulses due to their quantum-limited emission efficiency, superior thermo-mechanical properties, and broadband emission spectrum [4], [5]. The long fluorescence lifetime and large emission cross-section of Yb: YAG enable a significant over-all gain [6]. At cryogenic temperature, Yb: yttrium lithium fluoride (Yb: YLF) shows its advantages regarding the average power scalability due to the transition from a quasi-three-level to a four-level laser system, and also significant improvements of thermos-optical material properties. It supports sub-ps pulse amplification due to its several-nanometers flat gain bandwidth [7], [8]. To operate an Yb-doped solid-state laser amplifier system reliably and efficiently, a suitable seed laser operating at 1-µm central wavelength is essential. A Ti: sapphire laser can be used as the seeder for its broadband emission bandwidth covering the 1-µm spectral slot [9]. However, spectral filtering the 1-µm signal from its broadband output leads to pulses with low energy and low efficiency. Building an ultrafast seeding source based on Yb-doped crystals would be expensive and hard to maintain [10]. Therefore, a fiber-based seed source at 1-µm is desired for its low-cost and reliability, incorporating the advantage of a small footprint and alignment-free, turn-key operation [11]. In this thesis we investigate and expand the parameter space of the ultrafast Yb-based fiber laser system for the purpose of seeding Yb-doped solid-state laser. The output parameters of the fiber laser system in terms of pulse energy, spectral center wavelength, laser stability and noise performance are customized to match the solid-state laser material. Four essential elements are investigated through this thesis, including an all-polarization maintaining fiber oscillator, nonlinear wavelength conversion methods and its noise characteristics, the linear/ nonlinear amplification of short wavelength ultrafast pulses, and the design of low noise front-end laser system. We achieved an ultrashort fiber laser platform with the merit of alignment-free, turn-key operation, and high stability. As a seed source at 1 µm, it offers a tunable output signal for different types of Yb-based solid-state amplifier systems.