Philip Kappe

• The primary objective of this work was to develop a laser source for fundamental investigations in the field of laser – materials interactions. In particular it is supposed to facilitate the study of the influence of the temporal energy distribution such as the interaction between adjacent pulses on ablation processes. Therefore, the aim was to design a laser with a highly flexible and easily controllable temporal energy distribution. The laser to meet these demands is an SBS-laser with optional active mode-locking. The nonlinear reflectivity of the SBS-mirror leads to a passive Q-switching and issues ns-pulse bursts with µs spacing. The pulse train parameters such as pulse duration, pulse spacing, pulse energy and number of pulses within a burst can be individually adjusted by tuning the pump parameters and the starting conditions for the laser. Another feature of the SBS-reflection is phase conjugation, which leads to an excellent beam quality thanks to the compensation of phase distortions. Transverse fundamental mode operation andThe primary objective of this work was to develop a laser source for fundamental investigations in the field of laser – materials interactions. In particular it is supposed to facilitate the study of the influence of the temporal energy distribution such as the interaction between adjacent pulses on ablation processes. Therefore, the aim was to design a laser with a highly flexible and easily controllable temporal energy distribution. The laser to meet these demands is an SBS-laser with optional active mode-locking. The nonlinear reflectivity of the SBS-mirror leads to a passive Q-switching and issues ns-pulse bursts with µs spacing. The pulse train parameters such as pulse duration, pulse spacing, pulse energy and number of pulses within a burst can be individually adjusted by tuning the pump parameters and the starting conditions for the laser. Another feature of the SBS-reflection is phase conjugation, which leads to an excellent beam quality thanks to the compensation of phase distortions. Transverse fundamental mode operation and a beam quality better than 1.4 times diffraction limited can be maintained for average output powers of up to 10 W. In addition to the dynamics on a ns-timescale described above, a defined splitting up of each ns-pulse into a train of ps-pulses can be achieved by additional active mode-locking. This twofold temporal focussing of the intensity leads to single pulse energies of up to 2 mJ at pulse durations of approximately 400 ps which corresponds to a pulse peak power of 5 MW. While the pulse duration is of the same order of magnitude as those of other passively Q-switched lasers with simultaneous mode-locking, the pulse energy and pulse peak power exceeds the values of these systems found in the literature by an order of magnitude. To the best of my knowledge the laser presented here is the first implementation of a self-starting mode-locked SBS-laser oscillator. In order to gain a better understanding and control of the transient output of the laser two complementary numerical models were developed. The first is based on laser rate equations which are solved for each laser mode individually while the mode-locking dynamics are calculated from the resultant transient spectrum. The rate equations consider the mean photon densities in the resonator, therefore the propagation of the light inside the resonator is not properly displayed. The second model, in contrast, introduces a spatial resolution of the resonator and hence the propagation inside the resonator can more accurately be considered. Consequently, a mismatch between the loss modulation frequency and the resonator round trip time can be conceived. The model calculates all dynamics in the time domain and therefore the spectral influences such as the Stokes-shift have to be neglected. Both models achieve an excellent reproduction of the ns-dynamics that are generated by the SBS-Q-switch. Separately, each model fails to reproduce all aspects of the ps-dynamics of the SBS-laser in detail. This can be attributed to the complexity of the numerous physical processes involved in this system. But thanks to their complementary nature they provide a very useful tool for investigating the various influences on the dynamics of the mode-locked SBS-laser individually. These aspects can eventually be recomposed to give a complete picture of the mechanisms which govern the output dynamics. Among the aspects under scrutiny were in particular the start resonator quality which determines the starting condition for the SBS-Q-switch, the modulation depth of the AOM and the phonon lifetime as well as the Brillouin-frequency of the SBS-medium. The numerical simulations and the experiments have opened several doors inviting further investigations and promising a potential for further improvement of the experimental results: The results of the simulations in combination with the experimental results which determined the starting conditions for the simulations leave no doubt that the bandwidth generation can primarily be attributed to the SBS-Stokes-shift during the buildup of the Q-switch pulse. For each resonator round trip, bandwidth is generated by shifting a part of the revolving light in frequency. The magnitude of the frequency shift corresponds to the Brillouin-frequency which is a constant of the SBS material and amounts in the case of SF6 to 240 MHz. The modulation of the AOM merely provides an exchange of population between spectrally adjacent modes and therefore diminishes a modulation in the spectrum. By use of a material with a Brillouin-frequency in the GHz range the bandwidth generation can be considerably accelerated thereby shortening the pulse duration. Also, it was demonstrated that yet another nonlinear effect of the SBS can be exploited: If the phonon lifetime is short compared to the resonator round trip time we obtain a modulation in the SBS-reflectivity that supports the modulation of the AOM. The application of an external optical feedback by a conventional mirror turns out to be an alternative to the AOM in synchronizing the longitudinal resonator modes. The interesting feature about this system is that it is ― although highly complex in the physical processes and the temporal output dynamics ― very simple and inexpensive from a technical point of view. No expensive modulators and no control electronics are necessary. Finally, the numerical models constitute a powerful tool for the investigation of emission dynamics of complex laser systems on arbitrary timescales and can also display the spectral evolution of the laser output. In particular it could be demonstrated that differences in the results of the complementary models vanish for systems of lesser complexity.…
• Ziel der Arbeit ist die Entwicklung einer Laserstrahlquelle, die zur Untersuchung von Laser-Material-Wechselwirkungen eingesetzt werden soll. Im Mittelpunkt des Interesses steht hierbei der Einfluss der zeitlichen Pulsstruktur des Lasers auf Materialabtragsprozesse. Daraus ergibt sich die Anforderung einer möglichst hohen Flexibilität in der Pulsstruktur des Lasers sowie einer möglichst guten Strahlqualität. Eine gute Strahlqualität zeichnet sich durch eine homogene räumliche Intensitätsverteilung aus und ist Voraussetzung für eine gezielte Energiedeponierung auf dem Material. Diese Anforderungen wurden mit einem SBS-Laser erfüllt. Dabei handelt es sich um einen Laser, der einen SBS-Spiegel verwendet, dessen Reflektivität auf der Streuung des Lichts an Schallwellen beruht, die von dem einfallenden Licht selbst erzeugt werden. Als Resultat hat dieser Spiegel eine Reflektivität, die abhängig von der Energie des eingestrahlten Lichts ist. In einem Laser verwendet führt diese energieabhängige Reflektivität zu einer sogenanntenZiel der Arbeit ist die Entwicklung einer Laserstrahlquelle, die zur Untersuchung von Laser-Material-Wechselwirkungen eingesetzt werden soll. Im Mittelpunkt des Interesses steht hierbei der Einfluss der zeitlichen Pulsstruktur des Lasers auf Materialabtragsprozesse. Daraus ergibt sich die Anforderung einer möglichst hohen Flexibilität in der Pulsstruktur des Lasers sowie einer möglichst guten Strahlqualität. Eine gute Strahlqualität zeichnet sich durch eine homogene räumliche Intensitätsverteilung aus und ist Voraussetzung für eine gezielte Energiedeponierung auf dem Material. Diese Anforderungen wurden mit einem SBS-Laser erfüllt. Dabei handelt es sich um einen Laser, der einen SBS-Spiegel verwendet, dessen Reflektivität auf der Streuung des Lichts an Schallwellen beruht, die von dem einfallenden Licht selbst erzeugt werden. Als Resultat hat dieser Spiegel eine Reflektivität, die abhängig von der Energie des eingestrahlten Lichts ist. In einem Laser verwendet führt diese energieabhängige Reflektivität zu einer sogenannten Güteschaltung, die sich in der Ausbildung von kurzen Lichtpulsen mit Dauern von etwa 100 Nanosekunden äußert. Die Abstände zwischen den Pulsen, die Pulsdauern und die Pulsenergien können sehr leicht durch die Randbedingungen, wie etwa die Reflektivität der konventionellen Spiegel des Lasers, gesteuert werden. Durch eine zusätzliche, aktiv herbeigeführte Verlustmodulation im Laserresonator wird eine Aufspaltung der Nanosekundenpulse in eine Reihe von Pulsen mit Dauern von nur noch einigen 100 Pikosekunden erreicht. Diese Technik ist unter dem Begriff Modenkopplung bekannt. Es liegt jetzt also eine doppelte Pulsstruktur vor: Nanosekundenpulse, die sich jeweils aus vielen Pikosekundenpulsen zusammensetzen. Durch diese doppelte zeitliche Bündelung der Ausgangsleistung werden während der Pulse Spitzenleistungen von bis zu 5 MW erreicht. Die Pulsenergien der ps-Pulse erreichen bis zu 2 mJ. Diese Werte liegen um den Faktor 10 über denen vergleichbarer Systeme. Meines Wissens ist dies die erste Umsetzung eines selbsttätigen SBS-Lasers mit zusätzlicher Modenkopplung. Um die verschiedenen Einflüsse auf diese Emissionsdynamik besser verstehen und kontrollieren zu können, wurden zwei Modelle mit komplementären Ansätzen entwickelt, auf deren Basis diese Dynamik durch numerische Simulationen wiedergegeben werden kann. Insbesondere können auf diese Weise auch die Einflüsse von einzelnen Materialparametern isoliert betrachtet werden, was im Experiment im allgemeinen nicht möglich ist. Der SBS-Laser wurde bereits erfolgreich in Laser-Materialbearbeitungsexperimenten eingesetzt. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass sich die Bearbeitungsdauer beim Wendelbohren durch die Verwendung von Pulszügen, also einer Reihe kurz aufeinander folgender Pulse, gegenüber dem Einsatz von Pulsen mit gleichmäßigen Abständen erheblich verbessern lässt.…