Modengekoppelte Ytterbium - Femtosekundenfaserlaser

1. Auflage 2011
ISBN: 978-3-89863-247-8
Verlag: GCA

Buch, Deutsch, 148 Seiten, PB

Reihe: Forschen und Wissen - Physik

Kurzzusammenfassung
Kompakte justagearme vollständig faserbasierte Oszillatoren sind eine Alternative
zu bisher verwendeten aufwendigeren Systemen, um neue Anwendungsbereiche
für Ultrakurzpulslasersysteme insbesondere außerhalb optischer Labore
zu erschließen. Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind Aufbau und Untersuchung
entsprechender Faseroszillatoren im Wellenlängenbereich um 1 ¹m. Insbesondere
sollen neue Erkenntnisse über die verschiedenen Pulsformungsmechanismen
auch hinsichtlich der Skalierbarkeit der Pulsenergie gewonnen werden.
Die experimentellen Ergebnisse werden dabei durch Simulationen ergänzt und
unterstützt.
Im ersten untersuchten Lasersystem wird eine anomaldispersive higherorder-
mode-Faser verwendet. Untersuchungen der resultierenden stretchedpulse-
Resonatordynamik ergaben, dass Solitoneneffekte in der anomaldispersiven
Faser eine Energiebegrenzung darstellen.
Deshalb wird ein zweiter Resonatortyp untersucht, bei dem explizit auf
anomaldispersive Fasern verzichtet wird. Das spektrale Filtern gechirpter Pulse
stellt hier einen entscheidenden Prozess dar, der zeitlichen und spektralen
Verbreiterung im normaldispersiven Resonator entgegen zu wirken. Diese Resonatordynamik
wird erstmals experimentell ermittelt, dabei wird der Einfluss
der Filterbandbreite, der Faserlänge und der Nichtlinearität im Resonator auf
die Ausgangsparameter untersucht. Außerdem wurde erstmals ein vollständig
faserbasierter normaldispersiver Aufbau ohne zusätzliche reale sättigbare Absorber
realisiert.
Alternativ wurde ein System vorgestellt, in dem die nichtlineare zeitliche
Filterung der gechirpten Pulse unter Verwendung von sättigbaren Halbleiterabsorbern
genutzt wird. Diese erstmalig durchgeführten Untersuchungen zur
Pulsdynamik ergaben im Gegensatz zu Annahmen in der Literatur, dass die
Pulsformung durch die nichtlinearen Polarisationsentwicklung deutlich stärker
ist als durch den Halbleiterabsorber.
Motiviert von der geringen Filterwirkung des Halbleiterabsorbers wurde
ein Aufbau sowohl ohne diese zeitlichen als auch ohne spektrale Filter untersucht.
Dabei wurde erstmals modengekoppelter Betrieb mit Femtosekundenpulsen
von einem vollständig normaldispersiven Ytterbiumfaserlaser dokumentiert.
Untersuchungen ergaben, dass die polarisationsabhängige Transmission
des Pumplicht-wavelength-division-Multiplexer einen zusätzlichen virtuellen
sättigbaren Absorber bildet.
Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse über die verschiedenen
Konzepte zur Pulsformung modengekoppelter Faseroszillatoren zeigen das
Potenzial und die Bandbreite dieser Systeme auf.

Abstract
Compact, reliable all-fiber lasers represent an option for acquiring new fields
of applications of femtosecond lasers, especially outside optical laboratories.
Investigations on these particular fiber lasers at a wavelength range of 1 ¹m
regarding to different pulse shaping mechanisms and with respect to scaling the
pulse energy was subject of this thesis. Experimental results were supported
and supplemented by numerical simulations.
In the first setup a higher-order mode fiber with anomalous dispersion at
1030nm was used. However, due to solitonic effects of this stretched-pulse dynamic
in anomalous fiber the pulse energy is limited.
Therefore in the second resonator setup anomalous dispersion fiber was explicitly
omitted. Spectral filtering of chirped pulses is a key process to counteract
the temporal and spectral broadening in an all-normal dispersive cavity. For
the first time, this particular pulse dynamic was measured and compared to simulations
allowing commenting on the quality of the numerical model. By using
a special-wavelength-division multiplexer an all-fiber all-normal dispersive laser
without a real saturable absorber could be realized for the first time.
As an alternative to spectral filtering the nonlinear temporal filtering of
chirped pulses due to semiconductor saturable absorber was investigated in
another cavity. For the first time the pulse dynamic of this all-normal dispersive
laser was investigated, showing the major pulse forming action due to nonlinear
polarization evolution and the minor part due to semiconductor saturable
absorber instead of contrary assumption in literature.
Motivated by the minor part of the pulse shaping due to the semiconductor
saturable absorber, another setup without temporal or spectral filters was
investigated. Mode-locked operation of this all-normal dispersion Ytterbiumfiber-
laser was documented for the first time. The polarization dependent transmission
of the used pump-light wavelength-division multiplexer was acting as
an additional saturable absorber supporting the regular virtual saturable absorber
of the nonlinear polarization evolution.
The knowledge on different intra-cavity pulse dynamics gained within the
framework of this thesis shows the potential and the range of output parameters
of all-fiber ytterbium fs-lasers.

Zielgruppe

Forschungsinstitute, Universitäten, Hochschulen, Firmen

Autoren/Hrsg.

Schultz, Michael

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Ytterbium-dotierte Ultrakurzpulsfaserlaser 5
2.1 Glasfaser. 5
2.2 Dispersion. 6
2.3 Nichtlineare Effekte. 9
2.4 Resonatoraufbau. 12
2.5 Passive Modenkopplung. 13
2.6 Pulsregime in Faserlasern. 15
2.6.1 Solitonen. 15
2.6.2 Dispersionsgesteuerte Solitonen (stretched-pulse). 16
2.6.3 Similaritonen. 17
2.6.4 Vollständig normaldispersives Pulsregime. 18
3 Faserlaser mit Dispersionsmanagement 19
3.1 Experimenteller Aufbau. 20
3.2 Ausgangscharakteristik des Lasers. 22
3.3 Pulsdynamik im Resonator. 24
3.3.1 Entwicklung der Pulsdauer. 26
3.3.2 Entwicklung der spektralen Breite. 28
3.3.3 Einfluss der begrenzten Verstärkungsbandbreite und der
Intrapuls-Raman-Streuung. 29
3.3.4 Begrenzung der Pulsenergie durch Solitoneneffekte. 31
4 Faserlaser mit spektralem Filter 35
4.1 Grundlegende Untersuchungen mit Interferenzfilter im Resonator 36
4.1.1 Experimenteller Aufbau. 36
4.1.2 Ausgangscharakteristik des Lasers. 38
4.1.3 Pulsdynamik im Resonator. 43
4.1.3.1 Experimentelle Ergebnisse. 44
4.1.3.2 Ergebnisse der Simulation. 47
4.1.3.3 Vergleich von Simulation und Experiment. 51
4.1.4 Durchstimmbarer Femtosekundenfaserlaser. 54
4.2 Vollständig faserbasierter Laser mit WDM als spektralem Filter 58
4.2.1 Experimenteller Aufbau. 58
4.2.2 Ausgangscharakteristik des Lasers. 59
4.2.3 Pulsdynamik. 62
4.3 Ausgangscharakteristik in Abhängigkeit verschiedener Parameter 67
4.3.1 Variation der nichtlinearen Phase. 67
4.3.2 Variation der Filterbandbreite. 70
4.3.3 Variation der Faserlänge. 73
5 Faserlaser mit zeitlichem Filter 79
5.1 Grundlegende Untersuchungen mit SESAM im Resonator. 80
5.1.1 Experimenteller Aufbau. 80
5.1.2 Ausgangscharakteristik und Resonatordynamik des Lasers 81
5.2 Vollständig faserbasierter Aufbau. 85
6 Faserlaser ohne zusätzliche Filter 91
6.1 Grundlegende Untersuchungen. 91
6.2 Vollständig faserbasierter Aufbau. 94
6.3 Diskussion. 98
7 Zusammenfassung 101
8 Fazit und Ausblick 105
A Bestimmen der Dispersionswerte GVD, TOD 107
B Numerisches Modell zur Simulation der NLSG 109
C Higher-order-mode-Faser (HOMF) 115
D Spezial-WDM 117
E Sättigbare Halbleiterstrukturen 119
F Polarimeteraufbau 121
G Abkürzungen 123
Referenzen 125
Eigene Veröffentlichungen 143