Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-5121
Authors: Hegenbarth, Robin
Title: High-power broadband femtosecond near- and mid-infrared sources based on optical parametric oscillators and difference frequency generation at 40 MHz repetition rates
Other Titles: Breitbandige Femtosekunden-Strahlquellen im Nah- und Mittelinfraroten basierend auf optisch parametrischen Oszillatoren und Differenzfrequenzerzeugung mit 40 MHz Wiederholraten
Issue Date: 2014
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-89578
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5138
http://dx.doi.org/10.18419/opus-5121
Abstract: The goal of this dissertation was the generation of femtosecond sources in the near- and mid-infrared spectral range with repetition rates in the 40 MHz range. The approach was based on nonlinear frequency conversion based on an Yb:KGW laser oscillator with up to 7.4 W output power as a pump source. Output powers on the Watt level for the near-infrared and in the 100 mW region in the mid-infrared around 5 µm, as well as several mW between 10 and 20 µm, were the goal. With the Yb:KGW laser oscillator an optical parametric oscillator (OPO) based on a 1 mm long magnesium-oxide-doped periodically poled lithium niobate (MgO:PPLN) crystal has been pumped. The signal of this OPO is almost gap-free tunable between 1446 and 1896 nm with up to 1.7 W average signal output power at femtosecond pulse durations. At wavelengths close to the point at which the intracavity group-delay dispersion equals zero, dual-signal-wavelength operation occurs due to equal group delay at two wavelengths. Due to the high pump power available, very high signal output coupling rates in excess of 50% are beneficial. In order to obtain a spectrally broadband mid-infrared (mid-IR) source, the difference frequency between the two OPO signals was generated outside the cavity by means of either a gallium selenide (GaSe) or silver gallium diselenide (AgGaSe2) crystal. The specifications of this system were characterized with a selection of different crystal lengths. This system generates up to 4.3 mW of average mid-IR power. Its spectra can be tuned between 10.5 and 16.5 µm (952 – 606 cm-1) with more than 50 cm-1 spectral width. Power and spectra are temporally very stable. Thus, it was demonstrated that it is feasible to combine this system with a scattering-type scanning near-field optical microscope. Even more power in the mid-IR spectral region was obtained with an AgGaSe2 OPO that was synchronously pumped by the MgO:PPLN OPO at single-signal-wavelength operation. With this device up to 113 mW average idler output power at 4857 nm (2059 cm-1) were obtained. By adjusting cavity length, phase-matching angle, and pump wavelength, its idler wavelength could be tuned between 4570 and 5121 nm (2188 – 1953 cm-1) with more than 40 cm-1 spectral width.
Ziel dieser Dissertation war die Erzeugung von Femtosekundenlaserstrahlquellen im nah- und mittelinfraroten Spektralbereich mit Wiederholraten im 40 MHz Bereich. Der verfolgte Ansatz nutzt Systeme zur nichtlinearen Frequenzkonversion basierend auf einem Yb:KGW Laseroszillator mit bis zu 7.4 W Ausgangsleistung als Pumpquelle. Ausgangsleistungen im Wattbereich für das nahe Infrarot und im Bereich von 100 mW für das mittlere Infrarot um 5 µm Wellenlänge sowie mehrere mW für den Bereich zwischen 10 und 20 µm waren das Ziel. Mit dem Yb:KGW Laseroszillator wurde ein optisch parametrischer Oszillator (OPO) gepumpt, der auf einem 1 mm langen mit Magnesiumoxid dotierten periodisch gepolten Lithiumniobatkristall basierte. Das Signal dieses OPOs ist fast lückenlos durchstimmbar zwischen 1446 und 1896 nm mit bis zu 1.7 W Signalausgangsleistung mit Femtosekundenpulsdauern. Bei Wellenlängen nahe dem Punkt, an dem die resonatorinterne Gruppenverzögerungsdispersion gleich Null ist, findet Zweisignalwellenlängenbetrieb statt, weil zwei Signalwellenlängen identische Gruppenverzögerung aufweisen. Wegen der hohen verfügbaren Pumpleistung sind sehr hohe Signalauskoppelraten über 50% möglich. Um eine spektral breitbandige Mittelinfrarotquelle zu erhalten, wurde die Differenzfrequenz zwischen den beiden Signalwellen des OPOs außerhalb des Resonators mit einem Galliumselenidkristall (GaSe) oder Silbergalliumdiselenidkristall (AgGaSe2) erzeugt. Die mit einer Auswahl verschiedener Kristalllängen erhaltenen Spezifikationen wurden miteinander verglichen. Dieses System erzeugt bis zu 4.3 mW Durchschnittsleistung im Mittelinfraroten. Die Spektren sind zwischen 10.5 und 16.5 µm (952 – 606 cm-1) durchstimmbar mit mehr als 50 cm-1 spektraler Breite. Leistung und Spektren dieses Systems sind zeitlich sehr stabil. Daher wurde gezeigt, dass eine Kombination dieses Systems mit einem Streulichtnahfeldmikroskop möglich ist. Noch mehr Leistung im mittelinfraroten Spektralbereich wurde mit einem AgGaSe2 OPO erzeugt, der von dem MgO:PPLN OPO bei Einzelwellenbetrieb synchron gepumpt wurde. Damit wurden bis zu 113 mW durchschnittlicher Idlerausgangsleistung bei 4857 nm (2059 cm-1) erzeugt. Durch Anpassung der Resonatorlänge, des Phasenanpassungswinkels und der Pumpwellenlänge wurde die Idlerwellenlänge zwischen 4570 und 5121 nm (2188 – 1953 cm-1) mit mehr als 40 cm-1 spektraler Breite durchgestimmt.
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