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Brons, Jonathan (2017): High-power femtosecond laser-oscillators for applications in high-field physics. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

In dieser Doktorarbeit werden experimentelle Anstrengungen zur Entwicklung eines kompakten Laseroszillators für Femtosekundenimpulse mit hoher Durchschnitts- und Spitzenleistung beschrieben. Dabei zielt dieser Laser auf neuartige Anwendung in der Spektroskopie und Hochfeldphysik ab, insbesondere dem Antreiben von ineffizienten Frequenzkonversionsprozessen wie der Erzeugung von mittlerer Infrarot- und extrem ultravioletter Strahlung. Die entwickelten Strahlquellen bestehen dabei aus einem kerrlinsenmodengekoppelten Hochleistungsscheibenlaser auf Basis von Yb:YAG mit mehreren MHz Wiederholrate und einer anschließenden Impulskompressionsstufe aus massiven Festkörpern. Es wird aufgezeigt, dass Kerrlinsenmodenkopplung sowohl durchschnitts-, als auch spitzenleistungsskalierbar ist und die derzeit einzige Methode zur Modenkopplung, die simultan die effiziente Ausbeute der gesamten Verstärkungsbandbreite des Verstärkungsmediums zulässt. Impulse mit mehr als 60 MW Spitzenleistung und hunderten Watt an Durchschnittsleistung können direkt am Oszillatorausgang erreicht werden mit Impulslängen bis hinab zu 140 fs. Der Hochleistungsoutput des Oszillators wurde in massiven Festkörpermaterialien spektral verbreitert, um die Durchführbarkeit eines effizienten, kompakten und robusten Impulskompressors auszuloten, der sich nicht auf justageempfindliche Fasern verlassen muss. Gestützt durch frühere Arbeiten, sowie neue Experimente, als auch Simulationen konnte festgestellt werden, dass die Nachahmung eines nichtlinearen Quasiwellenleiters zu außerordentlich hoher Effizienz im Durchsatz führen und dabei herausragende Komprimierbarkeit über dem gesamten Strahl sicherstellen kann. Die Impulse mit 60 MW Spitzen- und 150 W Durchschnittsleistung aus einem der entwickelten Oszillatoren wurden in einem sehr kompakten Quasiwellenleiter spektral verbreitert und anschließend mit gechirpten Spiegeln auf 30 fs komprimiert. Durch die hohe Transmission des gesamten Aufbaus von 95 % wurde die Spitzenleistung auf 230 MW hochgetrieben. Simulationen zeigen die Umsetzbarkeit eines Kompressors auf Basis dieser Wellenleiter mit Pulsdauern, die mit 10 fs bis in den Bereich weniger optischer Schwingungszyklen hineinreichen. Untersucht wurde ebenfalls ein anderer Ansatz zur spektralen Verbreiterung, der auf kaskadierten χ(2) Nichtlinearitäten während der Erzeugung der zweiten Harmonischen in BBO mit fehlangepasster Phase beruht. Obgleich die Effizienz nicht vergleichbar mit der des Wellenleiteransatzes ist, machen ihn die faszinierende Möglichkeit zu defokussierenden Phasenschüben und Selbstkompression im Kristall zu einem interessanten Ausgangspunkt für sehr kompakte Impulskompressionsaufbauten. Das Zusammenspiel dieser Entwicklungen zeigt die Realisierbarkeit von unverstärkten, einfachen und kompakten Laserquellen auf, die komplexere und preisintensive Yb- oder Ti:Safir Verstärkersysteme ersetzen können.

Abstract

This thesis describes experimental work in the development of a compact, high average and peak-power femtosecond oscillator. This laser targets new applications in spectroscopy and high-field physics, especially the driving of inefficient frequency-conversion-processes like the generation of mid-infrared and extreme ultraviolet radiation. The developed sources consist of a high-power Kerr-lens mode-locked Yb:YAG thin-disk oscillator with multi-MHz repetition rate and a subsequent all-bulk pulse-compression stage. It is shown that Kerr-lens mode-locking is both average and peak-power scalable and is currently the only mode-locking technique that at the same time allows the efficient use of the full gain-bandwidth of the amplifying medium. Pulses with more than 60 MW peak-power and hundreds of watts in average power can be reached as direct oscillator output with down to 140 fs pulse-duration. The high-power output from the oscillators was spectrally broadened in bulk solids to explore the feasibility of an efficient, compact and robust pulse-compressor that does not have to rely on alignment-sensitive fibers. Leaning on previous work as well as new experiments and computer simulations it was found that the emulation of a nonlinear quasi-waveguide can yield exceptionally high throughput efficiency, while retaining excellent whole-beam compressibility. The 60 MW peak- and 150 W average power pulses from a developed oscillator were spectrally broadened in a very compact quasi-waveguide and subsequently compressed with chirped mirrors to 30 fs pulse duration. By virtue of the 95 % transmission of the whole setup the peak-power was boosted to 230 MW. Simulations show the feasibility of a waveguide based compressor with down to 10 fs pulse duration into the few-optical-cycle regime. A different approach to spectral broadening, relying on cascaded χ(2) nonlinearities from phase-mismatched second-harmonic generation in BBO was also investigated. Although the efficiency is not comparable to the waveguide approach, the intriguing possibility of defocusing phase-shifts and self-compression in the crystal make it an interesting starting point for very compact pulse-compression setups. The combination of these developments demonstrates the feasibility of non-amplified, simple and compact laser sources that can replace more complex and costly Yb or Ti:Sapphire amplifier systems.