Grundlegende experimentelle Untersuchung und theoretische Modellierung von kaskadierten Frequenzkonversionsprozessen in den sichtbaren Spektralbereich sowie von Konversionsprozessen in das mittlere Infrarot bei hoher Materialabsorption

Gegenstand dieser Arbeit ist die Erzeugung von ultrakurzen Lichtimpulsen im sichtbaren (VIS) und mittleren infraroten (Mid-IR) Spektralbereich. Die Grundlage zur experimentellen Umsetzung bildet die nichtlineare Frequenzkonversion von Strahlung in periodisch gepoltem MgO-dotiertem Lithiumniobat (MgO:PPLN) zur Quasi-Phasenanpassung (QPM). Die MgO:PPLN-Kristalle wurden im Rahmen dieser Arbeit hergestellt und gezielt auf die jeweilige Anwendung massgeschneidert.
Die Erzeugung von Strahlung im sichtbaren Spektralbereich erfolgt durch kaskadierte Summenfrequenzmischung der Strahlung eines optisch parametrischen Oszillators mit der Strahlung eines Titan-Saphir-Lasers in einem einzelnen MgO:PPLN-Kristall mit zwei entsprechend angepassten Sektionen. Dieses Konzept ermöglicht die Erzeugung fourier-limitierter Impulse von 136 fs und einer Konversionseffizienz von mehr als 15%. Es werden zudem aperiodische QPM-Strukturen zur gezielten Modellierung des Konversionsprozesses numerisch und experimentell evaluiert.
Zur Realisierung effizienter Strahlquellen im Mid-IR ist eine grundlegende Untersuchung der parametrischen Verstärkung und der Verluste durch die Materialabsorption erforderlich. Es werden Konzepte basierend auf optisch parametrischer Generation (OPG) und Oszillation (OPO) numerisch und experimentell betrachtet. In einem OPO kann durch systematische Optimierung eine maximale Leistung von 1,2 W bei einer Wellenlänge von 4,5 µm erreicht werden.