Zeitlich modulierte ps- und single-frequency ns-Lasersysteme für die Material- und Umweltanalytik

Die vorliegende Arbeit behandelt die Entwicklung und Charakterisierung zweier komplementärer Lasersysteme, die eine gezielte Kontrolle der zeitlichen, spektralen und energetischen Eigenschaften ihrer gepulsten Ausgangsstrahlung ermöglichen. Im Fokus steht die gezielte zeitliche Modulation von Laserstrahlung, um die Funktionalität moderner Strahlquellen zu erweitern. Hierfür mussten Konzepte zur Unterdrückung parasitärer Effekte entwickelt werden, die einer linearen oder parametrischen Verstärkung der Nutzstrahlung im Wege stehen. Im ersten Teil der Arbeit wurde ein neues Konzept einer gepulsten Strahlquelle für High Spectral Resolution LIDAR (HSRL) realisiert. Aus der Anwendung lassen sich Anforderungen an die Parameter der Strahlquelle ableiten. Dazu zählen hohe Pulsenergien im zweistelligen mJ-Bereich, eine Pulsdauer von < 25 ns, eine Linienbreite von < 100 MHz, eine Repetitionsrate von 1 kHz sowie eine Strahlqualität von M^2 < 1,3. Um eine Strahlquelle zu entwickeln, die diese Anforderungen erfüllt, wurden in einem MOPA-Aufbau (Master Oszillator Power Amplifier) schmalbandige Pulse mit Energien < 1 nJ um sieben Gröÿenordnungen verstärkt werden. Die zentrale Herausforderung bestand neben der hohen Verstärkung in der Unterdrückung parasitärer Störeffekte wie der verstärkten Spontanemission (ASE), die der Signalstrahlung einen spektral breitbandigen Untergrund überlagern und die verstärkte Ausgangsleistung limitieren. Die Strahlquelle wurde auf Basis einer linearen Festkörperverstärkerkette mit dem Material Nd:YVO_4 umgesetzt. Theoretische Überlegungen und Berechnungen zur Verstärkung der Signalpulse und der parasitären ASE-Strahlung wurden in vier aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen experimentell untersucht. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse wurden zur ASE-Unterdrückung eingesetzt, die bereits nach den ersten beiden Verstärkerstufen bis zu 42 % der Gesamtausgangsleistung betrug. Hierfür wurde eine zeitliche Selektion von ASE- und Signalstrahlung mittels eines akkustooptischen Modulators (AOM) vorgenommen. Nach Verstärkung in der vollständigen Verstärkerkette wurden in einer anschließenden Frequenzverdopplungsstufe die Strahlanteile der ASE und Signalstrahlung an der Gesamtausgangsleistung analysiert. Durch eine Optimierung der AOM-Betriebsparameter konnte für eine Eingangspulsenergie von 0,4 nJ in die erste Verstärkerstufe eine Ausgangsenergie von 13,7 mJ bei einer Pulsdauer von 21,4 ns, einer spektralen Breite von 26,0 MHz und einer Strahlqualität von M^2 = 1,1 erreicht werden. Bei der Wellenlänge der zweiten Harmonischen von 532,20 nm konnten nahezu untergrundfreie Pulse mit Energien bis zu 7 mJ erzielt werden. Damit konnte ein Demonstrator aufgebaut werden, der die für HSRL-Systeme abgeleiteten Zielwerte in allen wesentlichen Parametern erfüllt. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine schnell modulierbare Strahlquelle im mittleren Infrarot (MIR) entwickelt, die für spektroskopische Anwendungen in industriellen Kunststoffsortierprozessen konzipiert wurde. Anstelle einer zeitaufwändigeren Messung breitbandiger Spektren soll eine selektive Abtastung an zwei charakteristischen Stützstellen im MIR im schnellen zeitlichen Wechsel erfolgen. Der gewählte Ansatz basiert auf der nichtlinearen Frequenzkonversion von nahinfraroter Strahlung (1030 nm) in einem optisch parametrischen Generator (OPG), der durch zwei abstimmbare Seedquellen um 1450 nm im gegenphasigen Wechsel gezielt angeregt wird. Ziel war es, die Modulation der Seedquellen im MHz-Bereich zeitlich und spektral auf die MIR-Ausgangsstrahlung zu übertragen und dabei die Verstärkungsdynamik sowie die spektrale Akzeptanz des Systems zu kontrollieren. Zur Konzeptionierung des experimentellen Aufbaus wurden Simulationen zur Verstärkung und spektralen Akzeptanzbandbreite durchgeführt und mit den Messergebnissen verglichen. Für das Seeden des OPG mit kontinuierlicher (cw) Seedstrahlung konnte gezeigt werden, dass die Wellenlänge der OPG- Ausgangsstrahlung im MIR durch die Wellenlänge der Seedstrahlung vorgegeben wird und die berechneten Zusammenhänge zwischen Kristalllänge und Verstärkung sehr gut mit den Messergebnissen übereinstimmen. Bei einer Kristalllänge von 30 mm wurden beim cw-Seeden spektrale Verschiebungen der MIR-Zentralwellenlänge im Bereich von BW_exp^I = 53 nm nachgewiesen. Dies entspricht dem maximalen Abstand spektraler Absorptionsbande, die in Kunststoffproben untersucht werden können. Die spektrale Breite der MIR-Strahlung konnte durch das Seeden um bis zu 20 % auf ≈ 35 nm eingeschränkt werden. Durch die zeitliche Modulation der Seedstrahlung konnte experimentell belegt werden, dass diese mit Modulationfrequenzen bis zu 1 MHz zeitlich und spektral synchron auf die MIR-Ausgangsstrahlung übertragen wurde. Die spektrale Akzeptanzbandbreite, die im cw-Betrieb gemessen wurde, übertrug sich im Rahmen der Messgenauigkeit auf den Betrieb mit Modulationsfrequenzen im kHz-Bereich (BW_exp^I = 47 nm) und konnte entsprechend für Modulationsfrequenzen im MHz-Bereich antizipiert werden. Mit erzielten Anstiegszeiten der Signalflanken von ≈ 50 ns bei Einkopplung der Seedstrahlung sind Messzeiten pro spektraler Stützstelle für eine Kunststoffprobe von lediglich ≈ 400 ns möglich. Die Strahlqualität der MIR-Strahlung, die die Fokussierbarkeit auf Kunststoffproben und Detektoreinheit vorgibt, konnte zu M^2 ≈ 2,0 bestimmt werden und reiht sich in vergleichbare Systeme aus der Literatur ein. Limitierende Faktoren der Kurz- und Langzeitstabilität des Systems wurden in Form von Puls-zu-Puls-Instabilitäten der NIR-Strahlquelle und spektralen Drifts der Seeddioden identifiziert. Für einen langfristig stabilen Betrieb sind Wellenlängenstabilisierungen mit Abweichungen ≪ 0,5 nm notwendig. Im Rahmen der Arbeit wurde damit ein flexibles Konzept realisiert, das die selektive Abtastung von Proben an zwei spektralen Stützstellen im MIR-Bereich ermöglicht.