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Drei-Photonen Kohärenzeffekte in Quecksilberdampf

Rein, Benjamin :
Drei-Photonen Kohärenzeffekte in Quecksilberdampf.
[Online-Edition]
Technische Universität Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2016)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Drei-Photonen Kohärenzeffekte in Quecksilberdampf
Language: German
Abstract:

Die Entwicklung kontinuierlich strahlender UV- und VUV-Laser ist ein aktives Forschungsfeld, da viele Anwendungen sowohl im industriellen Bereich wie auch im Grundlagenforschungsbereich von einer solchen Laserquelle profitieren können. Konventionelle Lasersysteme, basierend auf einer Besetzungsinversion in einem aktiven Medium kommen hier jedoch schnell an ihre Grenzen, da die für eine Besetzungsinversion notwendige Pumpleistung mit der Laserfrequenz ω^4 ansteigt. Auch Methoden wie die Frequenzverdopplung oder das vier-Wellen Mischen weisen Limitierungen bei der Erzeugung kurzer Wellenlängen auf.

Ein als lasing without inversion (LWI) bekanntes Phänomen stellt einen gänzlich anderen Ansatz zur Erzeugung von cw-Laserstrahlung im UV-Bereich dar. Hierbei werden Quanteninterferenzeffekte ausgenutzt, um die Absorption kohärenter Strahlung auf dem Laserübergang zu unterdrücken. Dies hat zur Folge, dass schon wenige angeregte Atome genügen, um eine Verstärkung kohärenter Laserstrahlung hervorzurufen und somit keine Besetzungsinversion auf dem Laserübergang mehr notwendig ist. Obwohl LWI bereits erfolgreich in Experimenten umgesetzt wurde, gelang es bis jetzt nicht mit dieser Technik in den UV-Bereich vorzudringen. Den begrenzenden Faktor stellt die Dopplerverbreiterung im LWI-Medium dar, deren Einfluss zu kürzeren Wellenlängen hin stärker wird und den LWI-Effekt "auswischt".

In dieser Arbeit wird ein atomares vier-Niveau LWI-System in Quecksilberdampf untersucht, in dem es möglich ist, die Dopplerverbreiterung durch eine geschickte geometrische Anordnung der Laserstrahlen zu kompensieren und somit das Potential bietet, erstmalig LWI im UV-Bereich bei einer Wellenlänge von 253,7 nm zu realisieren. Basierend auf den, durch ein detailliertes theoretisches Modell ermittelten Anforderungen, wurden hierfür drei Lasersysteme bei den Wellenlängen von 404,5 nm, 435,8 nm und 546,1 nm entwickelt. Da die Lasersysteme bei 435,8 nm und 546,1 nm für eine kohärente Anregung verwendet werden, müssen diese eine besonders schmale Linienbreite aufweisen. Im Zuge der Linienbreitenmessungen zeigte sich, dass sich die Linienbreite bei einer Frequenzverdopplung in einem Resonator mehr als verdoppeln kann.

Überlagert werden die Strahlen in einer UHV-Zelle mit angeschlossenem Vakuumsystem. Ein temperaturgeregeltes Quecksilberreservoir ermöglicht es die atomare Dichte und damit auch die Absorption zu steuern. Mit den entwickelten Lasersystemen und einem auf Frequenzverdopplung basierenden 253,7 nm Laser war es möglich, erstmalig eine dopplerfreie, auf kohärenter Anregung basierende drei-Photonen Resonanz in einem vier-Niveau System in Quecksilber zu messen und detailliert zu untersuchen. Erste Messungen in einer Konfiguration für amplification without inversion zeigen, wie entscheidend die spektralen Eigenschaften der inkohärenten Pumpe im LWI-System sind und ermöglichen es, die für LWI in Quecksilber notwendigen Parameter abzuschätzen. Dabei zeigt sich, dass das in dieser Arbeit entwickelte Gesamtsystem das Potential besitzt, erste Messungen von LWI im UV-Bereich zu ermöglichen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The development of CW lasers in the UV and VUV regime is a highly active field of research since many laser applications in both industry and fundamental research can benefit from such a laser source. Conventional laser systems based on population inversion in their active media are limited by the fact that the pump power required for a population inversion scales with the laser frequency ω^4. Even techniques like second harmonic generation or four wave mixing are limited in generating short wavelengths. The phenomenon of lasing without inversion (LWI) constitutes a completely different approach to producing CW laser radiation in the UV regime and even beyond. This technique is based on quantum interference effects which cancel the absorption of coherent radiation at the lasing transition. As a consequence, a few excited atoms are sufficient to achieve gain of coherent radiation. Therefore, a population inversion is no longer necessary. Even though there are successful experimental demonstrations of LWI, so far it has not been possible to realize LWI in the UV regime. Here the Doppler effect represents the limiting factor as it wipes out the coherent excitation and what is worse, its negative influence intensifies for shorter wavelengths. In this thesis a four-level LWI system in mercury vapour is investigated which facilitates the compensation of the Doppler broadening by employing a special geometric orientation of the laser beams, hence creating the potential for LWI in the UV regime at a wavelength of 253.7 nm for the first time. Based on the requirements calculated by a detailed theoretical model of the LWI system, three laser systems at wavelengths of 404.7 nm, 435.8 nm and 546.1 nm were developed. As the laser systems at 435.8 nm and 546.1 nm are used for coherent excitation, they must feature a small spectral linewidth. In the course of the linewidth measurements it emerged that the linewidth more than doubles during intracavity frequency-doubling. The laser beams are superimposed within the UHV cell attached to a vacuum system. A temperature controlled mercury reservoir makes it possible to control the atomic density and therefore absorption. Based on the developed laser systems and a 253.7 nm probe laser based on second harmonic generation, it was possible for the first time to measure and analyse a Doppler-free three-photon resonance based on coherent excitation within a four-level system in mercury. Preliminary measurements of an amplification without inversion scheme point out how crucial the spectral characteristics of the incoherent pump are. In addition, these measurements made it possible to estimate parameters necessary to allow for LWI in mercury. It was revealed that the complete system developed in this thesis offers the potential for first measurements of LWI in the UV regime.English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Technische Universität Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Quecksilber, Laser, ECDL, Frequenzverdopplung, Frequenzstabilisierung, Linienbreite, UV, Besetzungsinversion, Kohärenz, LWI, AWI, EIT, CPT, Spektroskopie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
mercury, laser, ECDL, frequency doubling, frequency stabilization, linewidth, UV, population inversion, coherence, LWI, AWI, EIT, CPT, spectroscopyEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 19 Dec 2016 12:54
Last Modified: 19 Dec 2016 12:54
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5862
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-58628
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 7 November 2016
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5862
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