Verstärkung gepulster Nanosekundenlaser in einem keilförmigen Scheibenlasersystem

Kurzfassung

Die Verbindung von hohen Austrittsleistungen mit gleichzeitig exzellenten Eigenschaften bezüglich Strahlqualität, Thermalmanagement und Strahlstabilität machen Scheibenlaser und optische Scheibenverstärker bei einer Vielzahl von Anwendungen heute unverzichtbar. Ein großer Nachteil bestehender Scheibenlasersysteme sind die aufwendigen und notwendigen Mehrfachdurchgänge des Pumpstrahls und des Seed-Strahls durch die Scheibe, um eine möglichst hohe Effizienz zu erreichen. Diese Mehrfachdurchgänge werden heutzutage über Spiegeloptiken erreicht, die allerdings den Platzbedarf und die Komplexität von Scheibenlasersystemen enorm erhöhen können. Am Institut für Technische Physik des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. wird dieses Problem über ein Keilscheibensystem gelöst. Dabei wird mit einer winkelsensitiven Filterschicht zusammen mit einer keilförmigen Scheibe aus laseraktivem Material eine Art Laserstrahlfalle aufgebaut. Aufwendige Spiegeloptiken für das Erreichen von Mehrfachdurchgängen werden somit durch eine Vielzahl an internen Reflexionen innerhalb des Keils als aktives Medium ersetzt. In ersten Arbeiten konnte das Funktionsprinzip bereits bestätigt und der Betrieb der Keilscheibe im Resonator getestet werden. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Betrachtung der Effizienzen, die bei diesem System möglich sind. In Experimenten mit der Scheibe als optischem Verstärker wurde für einen cw-Laser bereits ein Verstärkungskoeffizient von über zehn erreicht. In dieser Arbeit wird der Keil als optischer Verstärker insbesondere hinsichtlich der Strahleigenschaften des verstärkten Strahls charakterisiert. Es wird gezeigt, welche optischen Aberrationen nach einem Keildurchgang auftreten und wie diese sich mit steigender Pumpleistung entwickeln. Die auftretenden optischen Aberrationen sind dabei stark abhängig von der gewählten Spotposition auf der Oberfläche des Keils. Auch die Beugungsmaßzahl als Parameter für die Strahlqualität in Abhängigkeit der Pumpleistung wird in dieser Arbeit berechnet. Die Beugungsmaßzahl verdoppelt sich dabei ungefähr ausgehend von 1,8 für den ungepumpten Keil für eine Pumpleistung von 291 W. Erstmalig wird in dieser Arbeit die Verstärkung von gepulster Laserstrahlung im Nanosekundenbereich für unterschiedliche Leistungsdichten untersucht. Bezogen auf die mittlere Leistung ergibt sich dabei ein maximaler Verstärkungskoeffizient von ca. 6,7. Für einen cw-Laser können in dieser Arbeit Verstärkungskoeffizienten von bis zu 7,2 erreicht werden. Neben diesen Versuchen, die sich mit dem ausgehenden Strahl beschäftigen, wurde eine Methode entwickelt, die den Keilöffnungswinkel anhand ausgehender Nebenreflexe mit hoher Genauigkeit bestimmt. Bedeutsam ist dieser Winkel insbesondere für die Anzahl der internen Reflexionen des Systems. Um eine besonders hohe Effizient zu erreichen, sollte für eine optimale Ausrichtung des Keils gesorgt werden. Die Leistung, die in einem Verstärkeraufbau dann in den Nebenreflexen enthalten ist, entspricht bei einer optimalen Ausrichtung 3,56 % der eingehenden Leistung des Seed-Strahls.