Infrarote vibronische Laser

Hertha-Firnberg-Stelle T 64Infrarote vibronische LaserIrina SOROKINA29.06.1999 Durchstimmbare, Bandbreiten-limitierte Femtosekunden Lichtimpulse im nahen- and mittelinfraroten Bereich sind von grosser Bedeutung für Anwendungen in Medizin, Nachrichtentechnik, sowie in der zeitaufgelösten Molekül- und Halbleiterspektroskopie. Die heute verfügbare infrarote Femtosekundentechnologie beruht auf gut entwickelten, aber sehr komplexen mehrstufigen optischen parametrischen Oszillatoren (OPO`s). Kompakte durchstimmbare Femtosekunden-Laser werden nicht nur in oben genannten Anwendungen benötigt, ihre Entwicklung würde auch einen Durchbruch in der infraroten Femtosekunden-Technologie bedeuten, weil these Quellen einige Pumpstufen von OPO`s ersetzen könnten. Das Ziel dieses Projektes ist die Erweiterung der höchst erfolgreichen bestehenden Technologie der Ultrakurzimpulserzeugung (die auf Dispersiv-Spiegel-kontrollierten (MDC) Ti:Saphir-, Cr:LiSAF- und Cr:LiSGaF-Oszillatoren beruht) ins nahe- and mittel-infraroten Gebiet. Diese anspruchsvolle Aufgabe soll durch Kombination der von der Antragstellerin akkurnulierten Erfahrung in neuen Lasermaterialen, Diodenpumpen, und Modenverkopplungtechniken, auf Basis neuer dispersiver Spiegeln und sättigbarer Halbleiter-Glas- Absorbersystemen erreicht werden. Die Forschung soll auf die Entwicklung zweier neuer, durch eine gemeinsame Methodologie verbundener Lasersysterne fokussiert werden: * Direkt diodengepumpte, kompakte durchstimmbare Dauerstrich- und MDC Ultrakurzimpulsquellen bei 1.5 Mikrometer, die hauptsächlich auf Cr^4+:YAG und ähnlichen Materialen beruhen. Durch eine Optimierung der Spiegeldispersion und Anwendung von neuentwickelten, außergewöhnlich verlustarmen Spiegeln wird eine Impulsdauerverkürzung bis zu 20 fs erwartet. Vor kurzem wurde von der Antragstellerin ein direkt Dioden- gepumpte derartiger Dauerstrich-Laser mit einer Ausgangsleistung von 100 mW demonstriert. Eine Machbarkeitsstudie der Leistungsskalierbarkeit (mit Nd:YLF Laser als Pumpquelle) wurde erfolgreich abgeschlossen und eine wesentliche Erhöhung der Leistung (auf mindestens 250 mW) wird erwartet. * Kompakte Femtosekunden Lichtquellen zwischen 2 and 3 Mikrometer auf Basis der kürzlich entwickelten neuen Klasse von vibronischen Cr^2+-dotierten ZnSe-Typ Kristallen. Diese Kristalle sind einzigartig in ihren spektroskopischen wie thermischen Eigenschaften, die nur mit denen von Ti:Saphir vergleichbar sind. Die Bandbreite dieser Kristalle erlaubt die Erzeugung von Impulsen, die nur 20 fs lang sind, was ebenso wenigen optischen Zyklen wie bei einern 7-fs Impuls bei 800 mm entspricht. Im Rahmen dieses Projekts und im engen Zusammenhang mit dern Fortgang der Forschung ist auch eine Vorlesungsreihe ijber die Grundlagen und Anwendungen von Festkörperlasern vorgesehen.

Die breitbandigen kristallinen Festkörperlaser ("vibronische Laser") sind einzigartige Festkörperlichtquellen, die es heutzutage ermöglichen, eine durchstimmbare kontinuirliche sowie Ultrakurzimpuls-Strahlung mit einer Impulslänge von bis zu nur noch einigen optischen Zyklen zu erzeugen. Die Fähigkeit zur breiten Durchstimmbarkeit, sowie zur Erzeugung von Femtosekunden-Impulsen (10 -15 s), wird zunehmend in der Wissenschaft, in der Technik und in der Medizin benutzt. Bis jetzt wurde die Femtosekunden-Technologie auf den sichtbaren und nahen Infrarotbereich begrenzt. Das Projekt hat eine Reihe von neuen Lasersystemen hervorgebracht, die bei neuen Wellenlängen weiter im infraroten Bereich funktionieren. Am wichtigsten ist es aber, dass diese Laser bei Raumtemperatur und diodengepumpt funktionieren und somit kompakt, kostengünstig und anwenderfreundlich hergestellt werden können. Der Wellenlängenbereich rund um 1.5 m ist ein wichtiger Wellenlängenbereich für die Nachrichtentechnik und die Medizin. Zum ersten Mal konnten die kürzesten Lichtimpulse bei 1.5 m aus einem direkt diodengepumpten femtosekunden Cr4+:YAG Laser produziert werden. Diese augensicheren Impulse bestehen aus nur noch fünf Oscillationszyklen des elektromagnetischen Feldes, und produzieren eine grosse Menge von spektralen Linien, die das ganze Transmissionsfenster von Glasfasern in optischen Kommunikationen überdecken. Der entwickelte Cr4+:YAG Laser konnte weiters für die Erzeugung von Superbreitbandigen Spektren (Superkontinua) mit Hilfe von neuartigen photonischen Fasern angewendet werden. Diese Leistungen öffnen beispiellose Perspektiven in der Telekommunikation, sowie in der Medizin (sie öffnen den Zugang zu Auflösungen auf dem Niveau einer lebenden Zelle durch die optische Koherenztomographie) und in der Metrologie (als Frequenzkammgenerator). Der infrarote Wellenlängenbereich zwischen 2 und 3 m und darüber hinaus ist von besonderem Interesse für die Chemie und die Medizin, weil sich die Laserfrequenzen mit den entsprechenden Schwingungsfrequenzen von vielen Molekülen überlappen (molekuläre Fingerabdrücke). Im Rahmen des Projektes wurden kompakte direkt diodengepumpte, durchstimmbare Laserquellen auf Basis von Cr2+:ZnSe und Cr2+:ZnS entwickelt. Sie dienen vorteilhaft für folgende Anwendungen: (1) Fernkundung (LIDAR) mit der Empfindlichkeit von bis zu einem Teil pro Milliarde im Volumen von vielen Spurgasen, die für Verschmutzungserkennung wichtig sind; (2) ultrasensible Erkennung von Drogen und Sprengstoffen mit einer Empfindlichkeit von einem Teil pro Trillion mit Hilfe von photoakustischer oder Intraresonatorspektroskopie, (3) in medizinischen Anwendungen, wie Mikrochirurgie, Zahnheilkunde, Keratektomie oder angriffsfreie Diagnose durch Atemanalyse. Im letzten Stadium des Projektes haben die einzigartigen Eigenscahften von Cr2+:ZnSe und Cr2+:ZnS zu der unerwarteten Entdeckung einer neuen Art von Nanolaser geführt. Das öffnet das neue Forschungsgebiet der aktiv-ion-dottierten Nanophotonik, die eine faszinierende Perspektive und eine grosse praktische Wichtigkeit hat, die nur mit der von Halbleiterlasern verglichen werden kann. Die Resultate des Projektes wurden in zahlreichen Publikationen, sowie in einem vor kurzem erschienenen Buch1 , einer Vorlesungsreihe über die Grundlagen und Anwendungen von Festkörperlasern, sowie einer Doktorarbeit und einer Habilitationsarbeit, zusammengefasst. 1 "Mid-infrared Solid-State Laser Sources", Springer Topics in Applied Physics Reihe, herausgegeben von I. T. Sorokina and K. L. Vodopyanov, (Springer, Berlin, 2003)