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Characterization of a high power Yb-based mode-locked laser

Michael Leskowschek

Art der Arbeit

Masterarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Masterstudium Physik

Betreuer*in

Oliver Heckl

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DOI

10.25365/thesis.72498

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-16691.47485.774154-8

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Anwendungen wie zum Beispiel Fernerkundung, Entfernungsmessung, chemische Analysen im Bereich der Gesundheits- und Umweltwissenschaften oder spektroskopische Messungen von extraterrestrischen Objekten benötigen genaue breitbandige spektroskopische Datenbanken. Der Wellenlängenbereich des mittleren Infrarots ist dabei von besonderem Interesse, da in diesem Bereich fundamentale molekulare Übergänge stattfinden. Die Datenaufnahme für diese Übergänge ist jedoch keine einfache Aufgabe und ist daher Gegenstand aktueller Forschungsprojekt. Um Präzisionsspektroskopie im mittleren infrarot durchzuführen müssen diese Übergänge frei von Dopplerverbreiterung sein. Eine Möglichkeit für die Messungen ist es die Übergänge mit Laserlicht zu sättigen. Während den letzten Jahrzehnten haben sich Faselaser, mit denen optische Frequenzkämme generiert werden können, als gutes Hilfsmittel für diese Messungen herausgestellt. Der Frequenzkamm, der in solchen Lasern hergestellt wird, hat enge Linienbreiten. Man kann den Aufbau so anpassen, dass ein Frequenzkamm in einem Zustand mit geringem Hintergrundrauschen entsteht. Um den Frequenzkamm ins mittlere Infrarot zu verschieben muss das Spektrum angemessen konvertiert werden. Für gewöhnlich wird optische parametrische Konversion zur Frequenzverschiebung verwendet. Die Intensität des im Faserlaser produzierten Lichts reicht jedoch nicht aus um die nichtlinearen Prozesse, die für die Frequenzverschiebung verantwortlich sind, und gleichzeitig eine Sättigung der spektralen Übergänge, anzuregen. Deshalb benötigt man ein adäquates System mit dem man das Laserlicht verstärken kann und gleichzeitig die engen Linienbreiten und das geringe Hintergrundrauschen des Frequenzkammes erhalten werden. Eine weit verbreitete Methode dafür ist gechirpte Puls-Verstärkung (CPA). Diese Masterarbeit behandelt den experimentellen Aufbau eines CPA. Der dort generierte Frequenzkamm wird auf seine spektralen und temporalen Eigenschaften, während der Verstärkung charakterisiert. Des Weiteren werden das Hintergrundrauschen und die Leistungseigenschaften des Frequenzkammes bezüglich des Ziels, der Frequenzverschiebung und anschließenden Präzisionsspektroskopie, untersucht. Mit den Messungen konnte gezeigt werden, dass der generierte Frequenzkamm eine Durchschnittsleistung von 100 W und eine Pulsdauer von ~230 fs vorweist. Des Weiteren wurde nachgewiesen, dass der CPA, das geringe Phasenrauschen des Seed-Lasers im Bereich unter 100 kHz erhaltet und darüber hinaus, geringeres Intensitätsrauschen als vergleichbare Lasersysteme vorweist. Deshalb stellt das System eine ideale Lichtquelle für die Aufgabe Präzisionsspektroskopie dar.

Abstract

(Englisch)

Applications like remote sensing, ranging, chemical analysis in health and environmental sciences, or spectroscopy of extraterrestrial objects need precise and broadband spectroscopic databases to perform high-quality measurements. The mid infrared (mid-IR) wavelength range (2.5 - 20 micrometer) is of special interest since here fundamental molecular vibrations take place. However, acquiring high precision data at this wavelength range is challenging, and subject of ongoing research. To perform, precision spectroscopy in the mid-IR the molecular spectral lines need to be free of Doppler broadening. One way to achieve this is by saturating the spectral lines of the transitions with a laser. During the years fiber lasers, generating an optical frequency comb (OFC), have emerged as a good possible source to perform precise measurements. The generated OFC yields narrow linewidths, and the laser can be tuned to be in a low noise operation mode. To get to mid-IR wavelengths, the spectrum provided by the fiber laser must be converted properly. Common methods for this are based on optical parametric conversion. However, to achieve an efficient light conversion and subsequently saturate the spectral lines the fiber laser doesn't yield high enough power. Therefore, a suitable amplification scheme, conserving narrow linewidths and low noise operation is needed. A common method for this purpose is chirped pulse amplification (CPA). This thesis deals with the experimental development of a chirped pulse amplifier. The generated OFC is characterized for its spectral, and temporal properties during the amplification process. Furthermore, a detailed investigation to the noise and power properties with respect to the goal of conversion to the mid-IR and subsequent precision spectroscopy is done. We were able, to show, that the generated OFC yields an average output power of 100 W at pulse durations of ~230fs. Thus, being sufficient for an efficient frequency conversion. Moreover, the CPA system preserves the low phase noise (PN) properties of the seed laser at frequencies below 100 kHz, and exhibits lower amplitude noise than comparable laser systems. Thus, the generated system depicts an ideal light source for performing precision spectroscopy.

Autor*innen

Michael Leskowschek

Haupttitel (Englisch)

Characterization of a high power Yb-based mode-locked laser

Paralleltitel (Deutsch)

Charakterisierung eines Yb-basierenden modengekoppelten Hochleistungslaser

Publikationsjahr

2022

Umfangsangabe

iv, 48 Seiten : Illustrationen

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Oliver Heckl

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.18 Optik ,

33 Physik > 33.38 Quantenoptik, nichtlineare Optik

AC Nummer

AC16663754

Utheses ID

64386

Studienkennzahl

UA | 066 | 876 | |

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Schlagwörter