Tim Kellner, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2000 :

"Nd:dotierte Grundzustandslaser: Frequenzverdopplung im kontinuierlichen und modensynchronisierten Betrieb"

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Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit behandelt die Lasereigenschaften und die Frequenz-verdopplung von Neodym-dotierten Grundzustandslasern im kontinuierlichen und modensynchronisierten Laserbetrieb. Die verwendeten Nd-dotierten Laserkristalle Nd:YAlO₃, Nd:YAG und Nd:YVO₄ wurden hinsichtlich ihrer spektroskopischen Eigenschaften in Absorption und Emission untersucht. Alle Lasermaterialien zeigen Absorption im Bereich um 800nm, in dem kommerzielle Laserdioden erhältlich sind. Die Emissions-Wirkungsquerschnitte auf dem Grundzustandslaserübergang weisen bei den untersuchten Materialien keine großen Unterschiede auf und liegen in der Größenordnung von (2,5-4,9) * 10^-20cm². In Experimenten unter Anregung mit Hochleistungslaserdioden konnte gezeigt werden, daß mit diffusion bonded Nd:YAG -Kristallen die höchsten Ausgangsleistungen zu erzielen sind. Die maximale Leistung betrug 5,7W bei einer Pumpleistung von 27,8W. Für die resonatorinterne Frequenz-verdopplung wurde ein polarisierter Nd:YAG-Laser in einem dynamisch stabilen Z -Resonator realisiert. Nd:YAlO₃ und Nd:YVO₄ zeigen eine relativ starke Absorption in das ⁴F_3/2-Multiplett, das mit dem oberen Laserniveau identisch ist. In Experimenten unter direkter Anregung des oberen Laserniveaus konnten mit Nd:YAlO₃ höhere differentielle Wirkungsgrade erzielt werden als unter Anregung in das ⁴F_5/2 / ²H_9/2-Multiplett. Es wurde ein modensynchronisierter Nd:YAlO₃-Laser auf dem Grund-zustandslaserübergang realisiert. Stabile passive Modensynchronisation konnte mit dem Mechanismus der Solitonenmodenkopplung erzielt werden. Es konnten Pulsbreiten von Dt = 1,9ps bei einer mittleren Ausgangsleitung von 410mW unter Anregung eines Ti:Saphir-Lasers und Pulsbreiten von Dt = 2,2ps bei einer mittleren Ausgangsleistung von 370mW unter Anregung mit einer Hochleistungslaserdiode demonstriert werden. Für Experimente zur Frequenzverdopplung bei 946nm bzw. 930nm standen periodisch gepolte KiTiOPO₄ - bzw. LiTaO₃ -Kristalle zur Verfügung. Die nichtlinearen Eigenschaften dieser Kristalle wurden experimentell charakterisiert. Die nichtlinearen Kristalle LiJO₃, b-BaB₂O₄, LiB₃O₅ und KNbO₃ wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur resonatorinternen Frequenz-verdopplung mit einem Nd:YAG-Laser experimentell verglichen. In weiter-führenden Experimenten in dem oben erwähnten Z-Resonator konnten mit LiB₃O₅ und periodisch gepoltem KTiOPO₄ Ausgangsleistungen im blauen Spektralbereich von 1,35W bzw. 740mW erzielt werden. Bei der externen Frequenzverdopplung mit kurzen Laserpulsen in periodisch gepoltem LiTaO₃ konnten Konversionseffienzen von über 50% demonstriert werden. Die maximalen Leistungen bei 465nm lagen bei 171mW.

Titel

Kurzfassung

Summary

This thesis deals with the laser properties and the frequency doubling of neodymium doped ground-state lasers in the continuous-wave and mode-locked laser regime. The spectroscopic properties of Nd:YAlO₃, Nd:YAG and Nd:YVO₄ in emission and absorption were investigated in order to characterize the Nd-doped laser hosts. All laser crystals exhibit absorption in the region around 800nm. In this region laser diodes are commercially available. The emission cross sections of the various laser crystals on the ground-state laser transition are in the range of (2,5 - 4,9) * 10^-20cm²cm2. Experiments under excitation of a high-power laser-diode indicate that the highest output powers could be achieved with a diffusion bonded Nd:YAG as the laser crystal. A maximum output power of 5,7W at an incident pump power of 27,8W was demonstrated. With regard to the intracavity frequency doubling experiments a polarized Nd:YAG laser in a dynamically stable Z-cavity was realized. Nd:YAlO₃ and Nd:YVO₄ show a relatively large absorption in the ⁴F_3/2 -multiplet which is identical with the upper laser level. Direct excitation of the upper laser level in Nd:YAlO3 yielded higher slope efficiencies in comparison to the excitation of the ⁴F_5/2 / ²H_9/2-multiplet. A mode-locked Nd:YAlO₃ laser on the ground-state transition was realized. The relevant mode-locking mechanism was soliton mode-locking. Pulse widths of Dt = 1.9ps with an average output power of 410mW were achieved under excitation with a Ti:sapphire laser. Under excitation of a high-power laser-diode the measured pulse widths were Dt =2.2ps with an average output power of 370mW. For frequency doubling the Nd:YAG laser at 946nm and the Nd:YAlO₃ laser at 930nm periodically poled KTiOPO₄ and LiTaO₃ crystals were available, respectively. The nonlinear properties of these crystals were experimentally characterized. The nonlinear crystals LiJO₃, b-BaB₂O₄, LiB₃O5, and KNbO₃ were experimentally compared concerning their suitability for intracavity frequency doubling of a Nd:YAG laser. For high power blue light generation intracavity frequency doubling experiments in the above mentioned Z-cavity were made. These experiments yielded output powers up to 1,35W and 740mW with LiB₃O₅ and periodically poled KTiOPO₄, respectively. The single pass frequency doubling with short laser pulses in periodically poled LiTaO₃ yielded conversion efficiencies above 50%. A maximum power of 171mW at 465nm was demonstrated.