Ein leistungsstarkes ultraviolettes Lasersystem bei 253nm für eine Lyman-Alpha-Quelle
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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.