TU Darmstadt / ULB / tuprints

Entwicklung eines Autokorrelators zur Messung der Mikropulsdauer und Aufbau eines Er:YAG-Lasers zur Verstärkung der Mikropulse am Freie-Elektronen-Laser

Brunken, Marco :
Entwicklung eines Autokorrelators zur Messung der Mikropulsdauer und Aufbau eines Er:YAG-Lasers zur Verstärkung der Mikropulse am Freie-Elektronen-Laser.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2002)

[img]
Preview
PDF
mbrunken.pdf
Available under Simple publication rights for ULB.

Download (1933Kb) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Entwicklung eines Autokorrelators zur Messung der Mikropulsdauer und Aufbau eines Er:YAG-Lasers zur Verstärkung der Mikropulse am Freie-Elektronen-Laser
Language: German
Abstract:

In der vorliegenden Arbeit werden die Entwicklung und der Aufbau eines kompakten Autokorrelators zur Messung der optischen Pulslänge des Freie-Elektronen-Lasers sowie die Vorbereitung der Energieerhöohung einzelner Laserpulse des FELs mittels parametrischer Verstärkung vorgestellt. Zum Verständnis der im Undulator des FEL ablaufenden Wechselwirkung zwischen den Elektronenbunchen und dem erzeugten Lichtpuls ist die Kenntnis der Dauer und Form des Laserpulses von entscheidender Bedeutung. Der entwickelte Autokorrelator ermöglicht erstmals für den IR-FEL am {S-DALINAC} die Bestimmung der Pulsdauer aus der Autokorrelationsfunktion 2. Ordnung im Wellenlängenbereich von 4 bis 10 Mikrometern. Die Strahlführung im Autokorrelator erlaubte eine untergrundfreie Messung. In Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Verwendung eines 2 mm dicken ZnGeP2-Kristalls zur Frequenzverdopplung anstelle eines 5~mm dicken AgGaS2-Kristalls für die Parameter des IR-FEL am S-DALINAC in einer Erhöhung der Konversionseffizienz um einen Faktor 50 resultierte. Die geringere Kristalldicke führte zu einer höheren zeitlichen Auflösung, wobei die minimal messbare Pulsdauer von 300 fs durch die Geometrie des Pulsüberlapps und die Gruppengeschwindigkeitsdispersion im Kristall bestimmt war. In einem Testexperiment am Free Electron Laser for Infrared Experiments (FELIX) in Nieuwegein (Niederlande) konnten maximale Konversionseffizienzen von (7.5+-1.1)*10-2 bei einer Wellenlänge von 8 Mikrometern für den ZnGeP2-Kristall und von (3.5+-0.5)*10-5 bei einer Wellenlänge von 5.9 Mikrometern für den AgGaS2-Kristall gemessen werden. Die Bestimmung der optischen Pulslänge für verschiedene Wellenlängen und Einstellungen der Resonatorl/"ange ergab Pulsdauern zwischen 305 fs und 3.6 ps. Durch eine Vergleichsmessung bei Wellenlängen von 6.2 und 6.4 Mikrometern konnte der Einfluss der Wasserabsorption auf die Struktur der Autokorrelationsfunktion und damit der Pulsform qualitativ bestimmt werden. Zur Vorbereitung der Pulsverstärkung wurde ein gepulster Blitzlampen-gepumpter Er:YAG-Laser konzipiert und aufgebaut. Simulationen ergaben einen optimalen Strahldurchmesser von 800 Mikrometern im 10.16 cm langen Laserkristall. Die durch die Deposition von Pumpenergie im Kristall verursachte thermische Linse mit einer Brennweite von 2.7 m erlaubte zusammen mit den gekrümmten Kristallendflächen einen Resonator mit zwei planen Endspiegeln und einer Länge von 0.56 m zur Erzielung des optimalen Strahldurchmessers. Dabei wurde einer der beiden Spiegel zur Auskopplung des Laserpulses genutzt. Für den Transmissionsgrad dieses Spiegels wurde ein Optimum von 12.5 % berechnet. Experimentell konnten die Parameter des ausgekoppelten Laserpulses bestimmt werden. Dabei ergab sich eine spektrale Halbwertsbreite von 2.4 nm und Laserpulse mit einer Energie von bis zu 120 mJ bei Pulslängen bis zu 100 Mikrosekunden. Der Vergleich der Verstärkungseffizienz unter Verwendung eines undotierten Quarzglases und eines Europium-dotierten Quarzglases als Pumpkammermaterial resultierte für den Er:YAG-Laser in einer Verstärkungseffizienz von (1.41+-0.17)*10-2 und einer Schwellenleistung von (42+-15) kW füur das undotierte Quarzglas sowie in einer Verstärkungseffizienz von (7.6+-0.3)*10-3 und einer Schwellenleistung von (76.8+-6.3) kW für das dotierte Quarzglas. In Simulationen konnte gezeigt werden, dass nach Erreichen des Q-Switch durch eine parametrische Verstärkung in einem 10 mm langen ZnGeP2-Kristall erstmals am IR-FEL die Erhähung der Energie einzelner FEL-Pulse auf einige 100 Mikrojoules im Wellenlängenbereich von 4 bis 10 Mikrometern möglich ist. Mit diesem Kristall kann ebenfalls ein optisch parametrischer Oszillator zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Dauer von einigen ns bei Energien von einigen 100~$/mu$J im Wellenlängenbereich von 4 bis 10 Mikrometern realisiert werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this thesis the development of a compact autocorrelator for the measurement of the optical pulse length of the free electron laser as well as a set-up for a parametric amplification of single FEL pulses are described. For an understanding of the interaction of the electron bunches and the light pulses in the undulator the knowledge of the length and shape of the light pulses is a necessity. For the IR-FEL at the S-DALINAC this can be achieved by a measurement of the second order autocorrelation function with the autocorrelator developed. The set-up allows a background-free measurement in the wavelength range of 4 to 10 micrometers. Simulations showed that a ZnGeP2 crystal with a length of 2 mm instead of a AgGaS2 crystal with a length 5 mm which was used in a test experiment should result in an increase of the efficiecy of second harmonic generation of a factor of 50. The shorter crystal results in an increased time resolution. The shortest pulse length that can be measured was limited to about 300 fs by group velocity dispersion and group velocity mismatch in the crystal. In a test experiment at at Free Electron Laser for Infrared Experiments (FELIX) in Nieuwegein (The Netherlands) maximum conversion efficiencies of (7.5+-1.1)*10-2 at a wavelength of 8 micrometers for the ZnGeP2 crystal and of (3.5+-0.5)*10-5 at a wavelength of 5.9 micrometers for the AgGaS2 crystal could be achieved. The measurement of the pulse length for different wavelengths and resonator lengths yielded 305 fs to 3.7 ps. In a comparison of the autocorrelation traces at 6.2 and 6.4 micrometers the influence of the water absorption on the pulse length was shown. For a parametric amplification of single FEL pulses a pulsed flashlamp pumped Er:YAG laser was set up. Simulations of the system resulted in an optimum beam diameter of 0.8 mm in the laser crystal. The thermal lens caused by the pump light deposited in the crystal had a focal length of 2.7 m. The resonator consisted of the laser crstal with curved ends and two plane mirrors and had a length of 0.56 m. One of the plane mirrors was used as an outcoupling mirror. Simulations yielded an optimum transmission of 12.5 % for this mirror. The parameters of the laser were determined experimentally and yielded a spectral width of 2.4 nm (FWHM) and pulses with an energy up to 120 mJ at pulse length of 100 microseconds. The comparison of the slope efficiencies using an undoped quartzglass and a Europium doped quartzglass as the material for the pump chamber resulted in a slope efficiency of (1.41+-0.17)*10-2 and a threshold power of (42+-15) kW for the undoped quartzglass and a slope efficiency of (7.6+-0.3)*10-3 and a threshold power of (76.8+-6.3) kW for the doped quartzglass. Simulations showed that with a Q-switched Er:YAG laser a parametric amplification in a ZnGeP2 crystal with a length of 10 mm should result in an increase of the FEL pulse energy to several hundreds of microjoules can be achieved in the wavelength range of 4 to 10 micrometers. Additionally this crystal together with the Er:YAG laser can be used for a parametric oscillator yielding nanosecond pulses with energies of a few hundreds of microjoules at wavelengths between 4 to 10 micrometers.English
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000239
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-2396
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Richter, Prof. Dr. Achim and Seelig, Prof. Dr. Wolfgang
Advisors: Richter, Prof. Dr. Achim
Refereed: 8 July 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/239
Export:

Actions (login required)

View Item View Item