TY  - THES
A1  - Jechow, Andreas
T1  - Tailoring the emission of stripe-array diode lasers with external cavities to enable nonlinear frequency conversion
T1  - Maßgeschneiderte Emission aus Breitstreifenlasern mit externen Resonatoren zur Ermöglichung nichtlinearer Frequenzkonversion
N2  - A huge number of applications require coherent radiation in the visible spectral range. Since diode lasers are very compact and efficient light sources, there exists a great interest to cover these applications with diode laser emission. Despite modern band gap engineering not all wavelengths can be accessed with diode laser radiation. Especially in the visible spectral range between 480 nm and 630 nm no emission from diode lasers is available, yet. Nonlinear frequency conversion of near-infrared radiation is a common way to generate coherent emission in the visible spectral range. However, radiation with extraordinary spatial temporal and spectral quality is required to pump frequency conversion. Broad area (BA) diode lasers are reliable high power light sources in the near-infrared spectral range. They belong to the most efficient coherent light sources with electro-optical efficiencies of more than 70%. Standard BA lasers are not suitable as pump lasers for frequency conversion because of their poor beam quality and spectral properties. For this purpose, tapered lasers and diode lasers with Bragg gratings are utilized. However, these new diode laser structures demand for additional manufacturing and assembling steps that makes their processing challenging and expensive. An alternative to BA diode lasers is the stripe-array architecture. The emitting area of a stripe-array diode laser is comparable to a BA device and the manufacturing of these arrays requires only one additional process step. Such a stripe-array consists of several narrow striped emitters realized with close proximity. Due to the overlap of the fields of neighboring emitters or the presence of leaky waves, a strong coupling between the emitters exists. As a consequence, the emission of such an array is characterized by a so called supermode. However, for the free running stripe-array mode competition between several supermodes occurs because of the lack of wavelength stabilization. This leads to power fluctuations, spectral instabilities and poor beam quality. Thus, it was necessary to study the emission properties of those stripe-arrays to find new concepts to realize an external synchronization of the emitters. The aim was to achieve stable longitudinal and transversal single mode operation with high output powers giving a brightness sufficient for efficient nonlinear frequency conversion. For this purpose a comprehensive analysis of the stripe-array devices was done here. The physical effects that are the origin of the emission characteristics were investigated theoretically and experimentally. In this context numerical models could be verified and extended. A good agreement between simulation and experiment was observed. One way to stabilize a specific supermode of an array is to operate it in an external cavity. Based on mathematical simulations and experimental work, it was possible to design novel external cavities to select a specific supermode and stabilize all emitters of the array at the same wavelength. This resulted in stable emission with 1 W output power, a narrow bandwidth in the range of 2 MHz and a very good beam quality with M²<1.5. This is a new level of brightness and brilliance compared to other BA and stripe-array diode laser systems. The emission from this external cavity diode laser (ECDL) satisfied the requirements for nonlinear frequency conversion. Furthermore, a huge improvement to existing concepts was made. In the next step newly available periodically poled crystals were used for second harmonic generation (SHG) in single pass setups. With the stripe-array ECDL as pump source, more than 140 mW of coherent radiation at 488 nm could be generated with a very high opto-optical conversion efficiency. The generated blue light had very good transversal and longitudinal properties and could be used to generate biphotons by parametric down-conversion. This was feasible because of the improvement made with the infrared stripe-array diode lasers due to the development of new physical concepts.
N2  - Für eine Vielzahl von interessanten Anwendungen z.B. in den Lebenswissenschaften werden kohärente Strahlquellen im sichtbaren Spektralbereich benötigt. Diese Strahlquellen sollen sich durch eine hohe Effizienz (d.h. Sparsamkeit), Mobilität und eine hohe Güte des emittierten Lichtes auszeichnen. Im Idealfall passt die Lichtquelle in die Hosentasche und kann mit herkömmlichen Batterien betrieben werden. Diodenlaser sind solche kleinen und sehr effizienten Strahlquellen. Sie sind heutzutage allgegenwärtig, begegnen uns in CD-Playern, Laserdruckern oder an Supermarktkassen im täglichen Leben. Diodenlaser zeichnen sich durch ihren extrem hohen Wirkungsgrad aus, da hier elektrischer Strom direkt in Licht umgewandelt wird. Jedoch können bisher noch nicht alle Wellenlängen im sichtbaren Bereich mit diesen Lasern realisiert werden. Eine Möglichkeit, diesen Wellenlängenbereich über einen Umweg zu erreichen, ist Frequenzkonversion von infrarotem in sichtbares Licht mit sogenannten nichtlinearen optischen Kristallen. Dies ist im Prinzip auch mit Diodenlasern möglich, konnte bisher jedoch nur sehr ineffizient oder mit erheblichem Aufwand umgesetzt werden. Allerdings kann mit Hilfe von externen Resonatoren die Emission solcher Standard-Laserdioden maßgeblich beeinflusst und die Qualität des Lichtes erheblich verbessert werden. Hier setzt die Zielsetzung dieser Arbeit an: Das Licht von infraroten Hochleistungslaserdioden, sogenannten „Streifen-Arrays“, sollte durch einen externen Resonator stabilisiert und für die Frequenzverdopplung erschlossen werden. Diese Arrays bestehen aus mehreren dicht nebeneinander angeordneten Einzelemittern und zeichnen sich dadurch aus, dass eine Kopplung dieser Emitter von außen möglich ist. Im ersten Schritt sollte eine solche Synchronisation der Emitter erreicht werden. In einem zweiten Schritt soll das von außen beeinflusste Licht des Arrays mit einer hohen Effizienz in sichtbares (blaues) Licht konvertiert werden um den Wirkungsgrad der Diodenlaser voll auszunutzen. Dafür war es notwendig die Physik der Streifen-Arrays sorgfältig zu untersuchen. Es mussten Methoden entwickelt werden, durch die eine gezielte Beeinflussung der Emitter möglich ist, damit es zu einer globalen Kopplung und Synchronisation der Array Emitter kommt. Dafür wurden mit Hilfe von mathematischen Modellierungen und Experimenten verschiedene Resonatorkonzepte entwickelt und realisiert. Schlussendlich war es möglich, die Emissionseigenschaften der Arrays um mehrere Größenordnungen zu verbessern und sehr effizient kohärentes blaues Licht sehr hoher Güte zu erzeugen. In einem weiteren Experiment ist es zusätzlich gelungen nichtklassisches Licht bzw. Paarphotonen zu generieren, die ebenfalls interessant für die Lebenswissenschaften sind.
KW  - Diodenlaser
KW  - Frequenzkonversion
KW  - Kopplung
KW  - Modellierung
KW  - externe Resonatoren
KW  - diode-lasers
KW  - diode-laser-arrays
KW  - external cavities
KW  - modeling
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-39653
SN  - 978-3-86956-031-1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  - 
TY  - THES
A1  - Seefeldt, Michael
T1  - Pikosekunden-Weißlichterzeugung in mikrostrukturierten Fasern unter Ausnutzung nichtlinear optischer Effekte
T1  - Picosecond white-light generation in microstructured fibers by utilization of nonlinear optical effects
N2  - Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es erstmals gelungen, mit einem ps-Pumplaser (10 ps) Weißlicht mit einer spektralen Breite von mehr als einer optischen Oktave in einer mikrostrukturierten Faser (MSF) bei einer Pumpwellenlänge von 1064 nm zu generieren. Es ließ sich, abgesehen von nichtkonvertierten Resten der Pumpstrahlung, ein unstrukturiertes und zeitlich stabiles Weißlichtspektrum von 700 nm bis 1650 nm generieren. Die maximale Ausgangsleistung dieser Weißlichtstrahlung betrug 3,1 W. Es konnten sehr gute Einkoppeleffizienzen von maximal 62 % erzielt werden. Die an der Weißlichterzeugung beteiligten dispersiven und nichtlinear optischen Effekte, wie z.B. Selbstphasenmodulation, Vierwellenmischung, Modulationsinstabilitäten oder Solitoneneffekte, werden detailliert theoretisch untersucht und erläutert. Die Arbeit beinhaltet ebenfalls eine umfangreiche Beschreibung der Wirkungsweise und Eigenschaften von mikrostrukturierten Fasern mit einem festen Faserkern. Aufgrund der großen Variationsvielfalt des mikrostrukturierten Fasermantels und der damit verbundenen Wellenleitereigenschaften ergeben sich, insbesondere für die Anwendung in der nichtlinearen Optik, eine Reihe von interessanten Eigenschaften. Es wurden insgesamt vier verschiedene mikrostrukturierte Fasern experimentell untersucht. Für die Interpretation der experimentellen Ergebnisse ist die Pulsausbreitung der ps-Pumppulse in einer dispersiven, nichtlinear optischen Faser anhand der verallgemeinerten nichtlinearen Schrödinger-Gleichung berechnet worden. Durch einen Vergleich der Berechnungen mit den Messdaten ließen sich verstärkte Modulationsinstabilitäten und verschiedene Solitoneneffekte als hauptsächlich für die Weißlichterzeugung bei ps-Anregungspulsen verantwortlich identifizieren. Auf der Basis der durchgeführten Untersuchungen wurde in Kooperation mit der Fa. Jenoptik Laser, Optik, Systeme GmbH eine kompakte und leistungsstarke Weißlichtquelle entwickelt. Diese wurde erfolgreich in einer Kohärenztomographiemessung (Optical Coherence Tomography - OCT) getestet: Es konnte in ex vivo-Untersuchungen gezeigt werden, dass sich mit dieser ps-Weißlichtquelle eine hohe Eindringtiefe von ca. 400 µm in die Netzhaut eines Affen erreichen lässt.
N2  - With the present work it succeeded for the first time to generate white-light with a spectral width of more than an optical octave in a microstructured fiber (MSF) with a pump wavelength of 1064 nm and ps-pump pulses (10 ps). Apart from non-converted remainders of the pumping radiation, an unstructured and temporally stable white-light spectrum from 700 nm to 1650 nm could be generated. The maximum output power of this white-light radiation amounted to 3.1 W. Very good coupling efficiencies of max. 62 % could be obtained. At the white light generation different dispersive and nonlinear optical effects took part, e.g. self-phase modulation, four-wave mixing, modulation instabilities and soliton effects. These processes are theoretically examined and described in detail. Likewise the work contained an extensive description of the principle of operation and characteristics of microstructured fibers with a solid fiber core. Due to the large variation variety of the microstructured fiber cladding and the associated wave-guiding characteristics arise, in particular for application in the nonlinear optics, a set of interesting properties. Altogether four different microstructured fibers were experimentally examined. For the interpretation of the experimental results the pulse propagation of ps-pump pulses in a dispersive, nonlinear optical fiber was computed on the basis of the generalized nonlinear Schroedinger equation. By a comparison of the calculation results with the measuring data amplified modulation instabilities and different soliton effects could be identified as main responsible for the white light generation with ps-pump pulses. With respect to the accomplished experimental and theoretical investigations in co-operation with the company Jenoptik laser, optics, systems GmbH a compact and high-performance white-light source was developed. This broadband light source was tested successfully in an optical coherence tomography measurement (OCT): It could be shown in ex vivo investigations that with this white-light source high penetration depths of approx. 400 µm into the retina of a monkey could be achieved.
KW  - Weißlichterzeugung
KW  - mikrostrukturierte Faser
KW  - nichtlineare Optik
KW  - breitbandige Lichtquelle
KW  - Frequenzkonversion
KW  - white-light generation
KW  - microstructured fiber
KW  - nonlinear optics
KW  - broadband light source
KW  - frequency conversion
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-16461
SN  - 978-3-940793-20-1
PB  - Universitätsverlag Potsdam
CY  - Potsdam
ER  -