Identifikation kritischer Laserparameter zur Erlangung von Verstärkung ohne Inversion in Quecksilber

Eine vielversprechende Möglichkeit zur Generierung von Laserstrahlung bei niedrigen Wellenlängen im UV-Bereich und darunter stellt der Effekt Lasing Without Inversion (LWI) dar. Quecksilber bietet dafür ein in Bezug auf die Wellenlänge gewinnbringendes Niveauschema mit einem Laserübergang bei 253.7 nm, bei dem die für die Verstärkung ursächliche Drei-Photonen-Kohärenz durch zwei Kopplungslaser bei 435.8 nm und 546.1 nm aufgebaut wird. In einer vorangegangenen Arbeit wurde ein Aufbau zur experimentellen Untersuchung dieses Schemas realisiert und die Transmission eines 253.7 nm-Probelasers durch Quecksilberdampf erfolgreich erhöht. Basierend auf den gewonnen Messdaten konnte dadurch eine umfangreiche Simulation des Systems erstellt werden. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Simulation zu nutzen, um die Auswirkungen verschiedenster experimenteller Parameter auf die erreichbare Transmission zu untersuchen und so mögliche Angriffspunkte zur Optimierung des Aufbaus zu identifizieren. So sind vor allem die spektrale Breite und die Leistung des UV-Lasers, welcher als inkohärente Pumpe auf dem LWI-Laserübergang dient, sowie die Leistung des Kopplungslasers im blauen Spektralbereich als kritische Parameter zu nennen. Dementsprechend wurden beide Lasersysteme überarbeitet, der Fokus lag dabei auf den jeweiligen Frequenzverdopplungsstufen. Zur spektralen Verbreiterung des UV-Lichts mittels eines akustooptischen Modulators wurde ein Treiber bestehend aus Einzelkomponenten aufgebaut, durch den das benötigte elektrische Signal generiert werden kann. Zusätzlich wurden alternative Spektroskopie verfahren zur Frequenzstabilisierung der Kopplungslaser untersucht, um einen reibungsloseren Betrieb des Experiments zu gewährleisten. Durch die Optimierungen konnte die Transmission durch die Quecksilberzelle weiter gesteigert werden. Dabei wird gerade durch die Erhöhung der Pumpleistung der Effekt des optischen Pumpens als hinderlich und somit die Signifikanz eines Rückpumplasers identifiziert. Zusätzlich wurde eine Variation des Schemas getestet, bei dem die Kopplungslaser eine Frequenzverstimmung aufweisen, um störende Zwei-Photonen-Absorptionseffekte zu vermindern. Somit rückt die Verstärkung von Licht ohne Besetzungsinversion in Quecksilberdampf in greifbare Nähe.

A promising approach for generating laser radiation at low wavelengths in the UV range and below is the effect known as lasing without inversion. Mercury provides an energy level scheme with a wavelength gain on the laser transition at 253.7 nm, where the three-photon coherence responsible for amplification is established through two driving lasers operating at 435.8 nm and 546.1 nm. In a previous work an experimental setup to investigate this scheme was implemented, resulting in successfully increasing the transmission of a 253.7 nm probe laser through mercury vapor. Based on the acquired measurement data, an extensive system simulation was developed. The aim of the present work is to utilize this simulation to investigate the effects of various experimental parameters on the achievable transmission and thereby identify potential points for optimizing the setup. In particular, critical parameters include the spectral width and power of the UV laser, which serves as an incoherent pump for the LWI laser transition, as well as the power of the driving laser in the blue spectral range. Accordingly, both laser systems were revised with a focus on their respective frequency-doubling stages. To achieve spectral broadening of the UV light employing an acousto-optic modulator, a driver composed of individual components was constructed to generate the required electrical signal. Additionally, alternative spectroscopic methods were investigated for frequency stabilization of the driving lasers to ensure a smoother operation of the experiment. Through these optimizations, the transmission through the mercury cell was further enhanced. Particulary due to the increase of the pump power the effect of optical pumping and therefore the significance of a repump laser could be identified. Additionally, a variation of the scheme was tested, where the driving lasers exhibit a frequency detuning to mitigate disruptive two-photon absorption effects. These results bring us one step closer to amplification of light without population inversion in mercury vapor.