Authors:	Steinborn-Knuth, Ruth
Title:	Ein leistungsstarkes ultraviolettes Lasersystem bei 253nm für eine Lyman-Alpha-Quelle
Online publication date:	25-Jan-2019
Year of first publication:	2019
Language:	german
Abstract:	Diese Arbeit stellt ein kontinuierliches leistungsstarkes ultraviolettes Lasersystem mit einer Ausgangsleistung von 500mW vor. Das Lasersystem ist ein mehrstufiger Aufbau aus drei Teilsystemen: Ein stabilisiertes infrarotes Diodenlasersystem, ein Ytterbium-Faserverstärker als Leistungsverstärker und eine zweistufige Frequenzverdopplung ins Ultraviolette. Mit dem Faserverstärker wird das Signallicht des Diodenlasersystems von etwa 300mW auf über 10W verstärkt. Um die Absorption in der Ytterbiumfaser bei der Signalwellenlänge von 1015nm zu reduzieren, wird die Faser im Betrieb mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Der Absorptions- und Emissionsquerschnitt der Ytterbium-Ionen und damit das Verhalten des Verstärkers ist abhängig von der Temperatur. Diese Temperaturabhängigkeit wurde experimentell und theoretisch untersucht. Der Verstärker wurde in verschiedenen Konfigurationen mit zwei unterschiedlichen Fasern getestet. Mit einer Doppelmantelfaser mit einem Kerndurchmesser von 11 µm wird eine Ausgangs- zu Pumpleistungseffizienz von 45% erreicht bei polarisationsstabilem Betrieb mit transversal einmodiger Ausgangsstrahlqualität. Das verstärkte infrarote Licht wird mit einem einfachen und stabilen Aufbau mit einem periodisch gepolten Lithiumniobat-Kristall zu 2W grünem Licht bei der Wellenlänge 507,5nm frequenzverdoppelt. Für die zweite Frequenzverdopplung zu 253,75nm wird das grüne Laserlicht in einem Resonator überhöht um die Konversionseffizienz zu erhöhen. Als nichtlineares Medium wird Cäsium-Lithiumborat verwendet. Dieser Kristall ist hygroskopisch und muss vor Feuchtigkeit durch eine erhöhte Temperatur und eine reduzierte umgebende Luftfeuchte geschützt werden. Der Kristall ist dazu in einem speziell angefertigten Ofen gehaltert und wird dauerhaft zwischen 140°C und 160°C in einem luftdicht verschlossenen Gehäuse gelagert und betrieben. Mit diesem Aufbau wird eine über Stunden stabile Ausgangsleistung von 500mW erreicht. Das vorgestellte Lasersystem wird als eines der drei fundamentalen Laser bei der Erzeugung von vakuumultravioletter Strahlung durch Summenfrequenzmischung eingesetzt. Die so erzeugte Strahlung im Wellenlängenbereich um 122nm wird für die Rydberganregung von Calciumionen in einer Paulfalle benötigt. This thesis presents a continuous wave high power ultraviolet laser system with 500mW output power. The system consists of three separate stages: An infrared wavelength-stabilized diode laser system, a high power ytterbium fiber amplifier, and a two-stage second harmonic generation setup. The fiber amplifier increases the preamplified diode laser signal from about 300mW to 10 W. To reduce absorption inside the ytterbium fiber core at the signal wavelength of 1015 nm, the fiber is cooled to liquid nitrogen temperature. The absorption and emission cross sections of ytterbium ions are temperature-dependent and so is the performance of the amplifier. A theoretical and experimental study of the temperature dependence is presented. Two fibers with different core diameters were tested in the amplifier setup. Using a fiber with 11 µm core diameter, the amplifier obtains polarization-stable operation at a slope efficency of 45% with single mode transverse beam profile. Second harmonic generation of the amplified infrared laser light is achieved in a single pass setup with a periodically poled Lihium niobate crystal, generating 2W of harmonic output power at 507.5 nm. To increase efficiency of the second harmonic generation to 253.75nm the green laser light is enhanced in a cavity. The nonlinear medium used for this process is cesium lithium borate, which is hygroscopic and needs special conditions like an elevated temperature and low humidity. The crystal is therefore permanently stored and operated in a specially designed oven at temperatures between 140°C and 160°C in an air-sealed casing. This system produces an output power of 500mW at 253.75nm and provides stable operation for several hours. The presented ultraviolet laser system is designed as one of three fundamental lasers for a nonlinear four wave mixing process to generate coherent vacuum ultraviolet radiation with wavelengths ranging around 122 nm. This radiation can be used to excite trapped calcium ions to Rydberg states.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2820
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000025696
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	viii, 132 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen