Kurzfassung
Faser-Laser eignen sich aufgrund ihres infraroten Emissionsbereiches,
des einfachen Anregungsmechanismus und der möglichen kompakten Bauform
für den Einsatz in der Absorptions-Spektroskopie zur Realisierung von
Gas-Detektoren. Hohe Empfindlichkeit gegen Absorption wird dabei durch
die Absorption im Resonator des Lasers (Intracavity absorption
spectroscopy, ICAS) erzielt. Hier werden Untersuchungen über die
Bedingungen des Einsatzes von diodengepumpten Nd3+-Faser-Lasern in der
ICAS-Methode dargestellt. Dazu wurden Nd3+-Faser-Laser mit äußerem
Resonator, geringen Resonatorumlaufverlusten (<10%) und niedrigen
Schwellenpumpleistungen (< 1.5 mW) hergestellt.
Zur Bestimmung der Empfindlichkeit gegen Absorption eines auf dem
ICAS-Verfahren beruhenden Nd3+-Faser-Laser-Spektrometers wurden das
Einschwingverhalten des Gesamtlichtflusses, d.h. die
Relaxationsschwingungen sowie die Dynamik des Emissionsspektrums des
Faser-Lasers untersucht. Die Bestimmung der Laser-Parameter aus den
Relaxationsschwingungen gemäß dem Standard-Laser-Modell liefert
gegenüber anderen Meßmethoden - z.B. Fluoreszenzzerfallsmessungen -
abweichende Werte. Die Abweichungen werden in einem erweiterten
Ratengleichungsmodell für Nd3+-Faser-Laser durch die Berücksichtigung
der endlichen Lebensdauer des unteren Laser-Niveaus, der spontanen
Emission und der Erzeugung der zweiten Harmonischen infolge der
nichtlinearen Suszeptibilität (2) des Wirtsglases behoben. Diese
zusätzlichen Modellparameter werden aus den Meßwerten der
Relaxationsschwingungen bestimmt.
Die Untersuchung der spektralen Emissions-Dynamik liefert die
spektrale Entwicklungszeit in Abhängigkeit von verschiedenen
Laser-Parametern. Die spektrale Entwicklungszeit ist ein Maß für die
Empfindlichkeit von Absorptionsmessungen in der ICAS-Methode. Die
höchste gemessene Entwicklungszeit beträgt 430 10-6s. Dieser Wert
entspricht der effektiven Absorptionslänge Leff = 130 km. Experimente
zeigen, daß die spektrale Entwicklungszeit sich reziprok zur
Verlustrate des Resonators und proportional zur Länge des Resonators
verhält und innerhalb eines großen Pumpüberschußbereichs konstant ist.
Der Anteil der Faserlänge an der Gesamt-Resonatorlänge hat keinen
Einfluß auf die spektrale Entwicklungszeit. Insgesamt weisen die
experimentellen Befunde auf die Begrenzung der Empfindlichkeit von
ICAS-Messungen durch eine nichtlineare Lichtwechselwirkung mit den
angeregten Nd3+-Ionen hin.
Das ICAS-Meßprinzip wird mit einem Nd3+-Faser-Laser bei
Absorptionsmessungen an organischen Dämpfen demonstriert.
Zur Erweiterung eines Faser-Laser-Spektrometers in den sichtbaren
Spektralbereich hinein wird der Betrieb eines laser-diodengepumpten
Aufkonversions-Pr3+/Yb3+-Faser-Laser beschrieben. Die erzielten
Emissionswellenlängen sind 717 nm, 635 nm, 605 nm und 520 nm.
Fiber lasers are suitable candidates for application in absorption spectroscopy due to their infrared emission range, simple excitation mechanism and possibly compact construction. These advantages make them promising for the realisation of gas-detectors. High absorption sensitivity is achieved by placing the absorber inside the cavity of the fiber laser. This method is known as intracavity absorption spectroscopy (ICAS). Investigations have been carried out for the determination of conditions for the use of fiber lasers in ICAS. For this purpose, Nd3+-fiber lasers, each with an external cavity, low cavity loss (< 10%) and low threshold (< 1.5 mW) have been constructed. For the determination of absorption sensitivity of the Nd3+-fiber laser spectrometer based on the ICAS method, the temporal evolution of the light flux and its spectral components after laser onset are measured. Several laser parameters are determined by measuring the relaxation oscillation and using the standard rate equation model for evaluation. However, these values of parameters don't coincide with those measured by other methods, e.g. the excitation of fluorescence. An extended rate equation model is presented taking into account the lifetime of the terminal laser level, optical frequency doubling, spontaneous emission, and the multimode character of laser operation. These additional parameters are determined by evaluating the measurements of relaxation oscillations. The investigation of the temporal evolution of the spectral light flux components yields the so-called spectral evolution time depending on various parameters. The absorption sensitivity is proportional to the value of the spectral evolution time. The highest value observed is 430 10-6s which corresponds to the effective absorption length Leff = 130 km. In this experiment the spectral evolution time varies in reciprocity to the cavity loss and linearly with cavity length, and no dependence on the pump power is observed. The spectral evolution time is independent of the length of fiber within the cavity. All the experimentel results suggest the limitation of the absorption sensitivity being caused by nonlinear light interaction with excited Nd3+-ions. The method of ICAS is applied with a Nd3+-fiber laser to making absorption measurements of some organic vapours. For the extension of a fiber-laser absorption spectrometer into the visible emission range, the operation of a diode-laser-pumped upconversion Pr3+/Yb3+-fiber laser is investigated. Laser emission has been observed at 717 nm, 635 nm, 605 nm and 520 nm wavelength.