Fakultätsbericht 2016-2017 der Physikalisch-Astronomischen Fakultät

Forschung — 43 Ultrakurzpulslaser gelten als „enabling techno- logy“ und sind demnach unersetzliche Werkzeuge für eine Vielzahl von Applikationen in der industri- ellen Produktion bis hin zur Grundlagenfor- schung. Neue Laserkenndaten erlauben dabei immer neue Applikationen, so dass die Erfor- schung von Skalierungskonzepten von Ultrakurz- pulslasern ein aktuelles Forschungsthema mit erheblichem Anwendungspotential darstellt. In Jena werden Ytterbium- und Thulium-dotierte faserbasierte Femtosekundenlaser mit weltweit einzigartigen Kenndaten im Wellenlängenbereich um ein bzw. zwei Mikrometer entwickelt. Neben fortschrittlichsten Faserdesigns wird die Methode des kohärenten Kombinierens ultrakurzgepulster Laserstrahlung erforscht. Dieser skalierbare An- satz erlaubt die Realisierung von Femtosekun- denpulsen hoher Pulsenergie bei mittleren Leis- tungen im Kilowatt-Bereich [2]. Basierend auf die- sen Ergebnissen erscheint die Erzeugung von visionären Laserkenndaten greifbar, wie sie z. B. für die laserbasierte Teilchenbeschleunigung er- Faserbasierte Ultrakurzpulslaser höchster Performance forderlich sind. Die faserbasierte Kompression dieser Hochleistungspulse hin zu wenigen opti- schen Zyklen Dauer gelang ebenso, wodurch nun einzigartige Laserquellen für die Grundlagenfor- schung zur Verfügung stehen [3]. Abb. 2. Lasersystem mit 8 kohärent kombinierten Faserverstärkern. [2] M. Kienel, et al., 12 mJ kW-class ultrafast fiber laser system using multidimensional coherent pulse addition, Opt. Lett. 41(14), 3343-3346 (2016) [3] S. Hädrich, et al., Energetic sub-2-cycle laser with 216 W average power, Opt. Lett. 41 (18), 4332-4335 (2016) Abb. 3. Strahlprofil bei 407 W mittlere Leistung a) ohne und b) mit Modulation der Pumpleistung. Faserlaser vereinen ideale Eigenschaften, wel- che die Erzeugung von Laserstrahlung höchster mittlerer Leistung ermöglichen. Daher ist es nicht verwunderlich, dass Faserlaser mit immer neuen Rekordwerten hinsichtlich der emittierten mittle- ren Leistung bei gleichzeitig bester Strahlqualität aufwarteten. Diese rasante Entwicklung kam vor wenigen Jahren zu einem abrupten Halt als ein neuartiger Effekt beobachtet wurde, welcher schwellenartig eine stabile transversal einmodige Emission in eine chaotische transversal mehrmo- dige Emission überführt. Dieser Effekt der Moden- instabilitäten, der einerseits die Reputation der Faserlaser herausfordert aber andererseits wis- senschaftliches Neuland und damit ein enormes Interesse begründet, wurde erstmals in Jena beo- bachtet, seitdem grundlegend untersucht und wei- testgehend verstanden. Diese Arbeiten ermögli- chen es nun Konzepte zur Unterdrückung der In- stabilitäten zu erarbeiten und eine Steigerung der Laserkenndaten zu erlauben. Einer der vielverspre- chendsten Ansätze basiert auf der Modulation der Untersuchung von Modeninstabilitäten in Hochleistungsfaserlasern [4] C. Jauregui, C. Stihler, A. Tünnermann, J. Limpert, Pump- modulation-induced beam stabilization in high-power fibre laser systems above the mode instability threshold, (submitted) Pumpleistung zum Auswaschen des thermisch induzierten Fasergitters, welches die Ursache des Leistungstransfers zwischen verschiedenen transversalen Moden der Faser ist[4].