Kurzfassung
Summenfrequenzmischung zweier individueller, diodengepumpter Festkörperlaser in
gleichstrich Betrieb wurde im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Dabei war die Herstellung
einer Strahlungsquelle mit einer Wellenlänge nahe 620nm bis 630nm, mit einer exzellenten
Strahlqualität, quasi rauschfreier Ausgangsleistung grösser 300mW und eine kompakte Grösse
das Ziel. Dieses Zielsetzung konnte größtenteils realisiert werden.
Die Kombination eines 1080nm Nd:YAP Lasers und eines 1444nm Nd:YAG Lasers zur
Erzeugung von 618nm Strahlung via Summenfrequenzmischung erwies sich als gut geeignete
Kombination.
Beide Laser wurden auf ihre Eigenschaften hin untersucht. Insbesondere beim Betrieb des
diodengepumpten 1444nm Nd:YAG Lasers, konnten mit bis zu 4.9W erstmals
Ausgangsleistungen gröer einem Watt erzielt werden.
Als nichtlineare Materialien wurden kritisch phasenangepasstes Kalium Titanyl Phosphat
(KTP), nichtkritisch phasenangepasstes Lithiumtriborat (LBO) und quasi phasenangepasstes
periodisch gepoltes Lithiumniobat verwendet.
Drei Konzepte zur Summenfrequenzmischung wurden untersucht: die doppelt resonante, die
einfach resonante und die nicht resonante Summenfrequenzmischung:
Mit Hilfe eines doppelt resonanten Summenfrequenzmischers und LBO konnten in einem
patentierten Mischresonator Ausgangsleistungen bis zu 212mW bei 618nm erzielt werden.
Dies stellte zum Zeitpunkt der Erstveröffentlichung die höchste gleichstrich Ausgangsleistung
eines diodengepumpten Lasersystems im orange-roten Spektralbereich dar. Die Strahlqualität
erwies sich als exzellent (M2<1.1), allerdings wurde starkes chaotisches Amplitudenrauschen
beobachtet. Zur Charakterisierung dieses Mischertyps wurde ein einfaches mathematisches
Modell, basierend auf den Vierniveau-Gleichstrichlasergleichungen, entwickelt, welches
Ergebnisse in qualitativ guter Übereinstimmung mit dem experimentellen Verhalten des
Mischers lieferte.
Beim der einfach resonanten Summenfrequenzmischung wurde unterschieden zwischen
Resonanz bei 1080nm und bei 1444nm. Im bei 1444nm resonanten Mischer konnten die im
Rahmen der Arbeit höchsten Ausgangsleistungen (380mW) erzielt werden. Eine Strahlqualität
von M2<1.8 wurde gemessen. Rauschfreier Betrieb konnte bis zu Ausgangsleistungen von
200mW erzielt werden. Bei höheren Leistungen wurde, verursacht durch die hohe nichtlineare
Kopplung, eine Amplitudenmodulation bis zu 100% beobachtet. Eine Skalierung der
Ausgangsleistungen unter Vermeidung des Rauschens scheint möglich durch Verwendung
eines leistungsstärkeren 1444nm Lasers.
Im bei 1080nm resonanten Mischer konnte rauschfreier Betrieb mit einer Strahlqualität
M2<1.1 realisiert werden. Die maximal erzielte Ausgangsleistung betrug in diesem Aufbau
186mW. Eine Skalierung, die durch nichtlineare Absorption im nichtlinearen Material
(PPLN) verhindert wurde, wäre mit Verwendung eines anderen Materials möglich.
Bei der nichtresonanten Summenfrequenzmischung konnten nur 20mW an Ausgangsleistung
bei 618nm erzielt werden. Sie wurde limitiert durch die extrem schmale spektrale
Akzeptanzbandbreite der verwendeten nichtlinearen Kristalle.
Insgesamt wurde die Summenfrequenzmischung als durchaus konkurrenzfähige Alternative
zu Diodenlasern, OPO-Systemen, Praseodym-dotierten Faserlasern und anderen Konzepten
zur Erzeugung kohärenter Strahlung im orange-roten Spektralbereich vorgestellt.
: Sum frequency mixing of two individual continuous wave solid state lasers was investigated. The design of a diode pumped radiation source with a wavelength around 620-630nm, excellent beam quality, quasi noiseless output, a reasonably small size, and powers of more than 300mW with a scaling option to one watt for display applications was desired. The combination of a 1080nm Nd:YAP laser and a 1444nm Nd:YAG laser was found as the most promising approach. From mixing, radiation at 618nm is obtained. Both lasers were investigated at their fundamental wavelength. Scaling of an end pumped plane parallel 1444nm Nd:YAG laser with output powers up to 4.9W was demonstrated. Further increase was hindered by thermal fracture of the laser crystal. Scaling of the 1080nm Nd:YAP laser to output powers up to ten watts does not impose problems. Tuning of the Nd:YAP laser to longer laser wavelengths (<1099nm) was shown. By operation at these wavelengths the possibility to generate longer wavelengths up to 624nm, is given. A method to measure the thermal lens of the used laser crystals was developed. Thermal lenses of about 100mm (1444nm Nd:YAG) and 200mm (1080nm Nd:YAP) at ten watts of pump power (end pumping) were measured. Several nonlinear materials were investigated for their qualification to realize sum frequency mixing. Angle phasematched potassium titanyl phosphate (KTP), temperature phasematched lithium triborate (LBO) and quasi phasematched lithium niobate (PPLN) were found most suitable. Three types of sum frequency mixing configurations were investigated: Doubly resonant intracavity sum frequency mixing, singly resonant intracavity sum frequency mixing and external, non resonant sum frequency mixing. Doubly resonant intracavity sum frequency mixing was achieved in two different resonator setups. From a mixing resonator with a beam waist, 212 mW of coherent radiation at 618nm were generated. The beam quality of the red output was excellent (M2<1.1), however strongly modulated output was observed. Resonator stability was small and the mixer was very sensitive to mechanical influences. From a similar resonator also radiation at 601nm, 598nm, and 594nm with powers up to 126 mW was generated by replacing the 1444nm Nd:YAG laser with a 1320nm, 1340nm, and 1358nm Nd:YAG laser. In a linear mixing resonator 55 mW of radiation at 618nm were generated. Output beam quality from this mixer was slightly worse (M2<2), and output noise was also observed. Resonator stability was strongly increased. A linear power scaling behavior of this mixer was shown. To understand the behavior of the doubly resonant mixer, a mathematical model was developed. Since several approximations were made a rather qualitative than quantitative description was given. By variation of linear resonator losses, nonlinear coupling and laser gain, optimization conditions were found. Especially the need to decrease linear resonator losses is inherent if higher output powers are desired. External, non resonant sum frequency mixing resulted in maximum output powers of 20 mW at 618nm. Power limitation was induced by an extremely narrow spectral acceptance bandwidth of the utilized nonlinear material PPLN. Singly resonant sum frequency mixing was investigated with the nonlinear crystal inside either fundamental laser. From a mixer with a resonant 1080nm laser and an external 1444nm laser cw output powers up to 186 mW with excellent beam quality (M2<1.1) and a rms-noise smaller 1% were obtained. Power scaling was restricted by dramatical beam quality reduction of the intracavity laser radiation at high pump powers (>4W). This behavior was probably caused by the implemented PPLN crystal. Highest output powers (380 mW) were obtained from singly resonant mixing with an intracavity 1444nm laser. Beam quality was slightly decreased (M2<1.8). Due to high nonlinear losses a mixing saturation could be observed. At high powers the output was modulated with up to 100%. With decrease of nonlinear coupling by seed power reduction or phasematching detuning, a cw operation threshold was found and cw powers of < 200 mW were achieved.