10 W-Average-Power Single-Frequency Ti:sapphire Laser with Tuning Agility – A Breakthrough in High-Resolution 3D Water-Vapor Measurement

Abstract

The differential absorption lidar (DIAL) technique is well suited for measuring the humidity field of the atmosphere with high spatial and temporal resolution as well as accuracy. The water-vapor DIAL of the University of Hohenheim is a mobile, ground-based, scanning system. The DIAL methodology and the application in the Hohenheim-DIAL impose stringent requirements on the laser transmitter. In this thesis, a new laser transmitter was realized and employed. It is a pulsed, actively frequency-stabilized titanium-sapphire laser system, pumped with a Nd:YAG master-oscillator power-amplifier (MOPA) and alternately seeded by two diode lasers. As pump source, two commercially custom-made, diode-pumped, Q-switched, and frequency-doubled Nd:YAG lasers in MOPA architecture were employed. The relevant properties for pumping the Ti:sapphire laser were studied. The second Nd:YAG MOPA provides a considerably higher average output power (up to P = 63 W at 532 nm, or a pulse energy of up to E = 210 mJ at a repetition rate of f = 300 Hz) and an almost ideal top-hat beam profile. Thus, efficient end-pumping of the Ti:sapphire crystal was enabled without any optical damage. The components for injection seeding of the titanium-sapphire laser, making narrowband operation at two alternating frequencies (online and offline) possible, were substantially improved. Now, advanced commercial external-cavity diode lasers (ECDL) are applied. With an analog regulation signal of a wavelength meter, the frequency of an ECDL can be stabilized precisely to a defined value (standard deviation < 1 MHz). Optionally, the frequency can be tuned according to various mathematical functions. The online-offline-switching is accomplished with a fiber switch. The crosstalk is extraordinarily low (< -61 dB), the switching time sufficiently short (~ 1.5 ms), and the spatial overlap of the signals, due to the waveguide, almost perfect. The power of the seeders in front of the resonator is more than sufficient, 17-20 mW. The Ti:sapphire laser consists of a ring resonator with four mirrors in a bow-tie layout. With adequate components, the operation wavelength at 818 nm is pre-selected and unidirectional propagation is ensured. The laser crystal is installed in an in-house-manufactured cooling mount, of which two designs were utilized and compared. The gain-switched Ti:sapphire laser was developed to operate in a dynamically stable state of the thermal lens, which arises in the crystal at high powers. To this end, the resonator was theoretically analyzed beforehand and the focal length of the thermal lens measured. The implementation of a cylindrical lens compensates the stronger contraction of the eigenmode in the tangential plane. By these means, a stable operation with an average output power of P = 10 W (corresponding to E = 33.3 mJ at f = 300 Hz; pulse duration ~ 30 ns) was realized. With a modified configuration of the cylindrical lens a maximum output power of P_max = 11.8 W (E_max = 39.3 mJ) was achieved. These values are the highest which were obtained so far for a laser of this kind, i.e., a laser transmitter whose power originates from a single radiation source (without further amplification or conversion). The laser cavity is actively stabilized to the frequency of the seeder, following a Pound-Drever-Hall technique. This yields permanent single-frequency operation with very high frequency stability (standard deviation < 2 MHz) and a narrow linewidth (< 63 MHz). These results correspond to the resolution limit of the characterizing wavelength meter. Laser emission occurs in the fundamental transverse mode, TEM_00 (M² <= 1.06). The laser system of the Hohenheim-DIAL has been successfully operated on several field campaigns. Its robustness has been demonstrated, for instance, during an uninterrupted operation for over 30 hours and an overseas transport to the USA which the system endured without damage. This work presents a vertical pointing and two scanning water-vapor DIAL measurements, confirming a high resolution and accuracy. The vertical measurement was executed for the first time at 10 W laser operation. Furthermore, two special DIAL measurements are discussed: The measurements on a strongly backscattering target demonstrate a high spectral purity >= 99.97% of the laser transmitter. Finally, an atmospheric measurement with a tuning online wavelength shows the frequency-agility of the laser and allows to determine the water-vapor absorption line experimentally. The comparison with the spectrum of a database shows a very good agreement (~ 5-10 % deviation in the absorption cross sections absolute value).

Um Messungen des Wasserdampffeldes mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung sowie Genauigkeit in der Atmosphäre durchzuführen empfiehlt sich die Technik des Differentiellen Absorptions-Lidars (DIAL). Das Wasserdampf-DIAL der Universität Hohenheim ist ein mobiles, bodengestütztes System mit beweglicher Sende- und Empfangseinheit. Das DIAL-Prinzip und die Anwendung im Hohenheim-DIAL stellen hohe Anforderungen an den Lasertransmitter. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Lasertransmitter realisiert und eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein gepulstes, aktiv frequenzstabilisiertes Titan-Saphir-Lasersystem, welches mittels eines Nd:YAG Master-Oscillator-Power-Amplifiers (MOPA) gepumpt und durch zwei Diodenlaser abwechselnd geseedet wird. Als Pumpquelle kamen nacheinander zwei kommerzielle Spezialanfertigungen von diodengepumpten, gütegeschalteten und frequenzverdoppelten Nd:YAG-Lasern in MOPA-Architektur zum Einsatz. Die zum Pumpen relevanten Eigenschaften wurden untersucht. Der zweite Nd:YAG-MOPA ist durch seine hohe mittlere Ausgangsleistung (bis zu P = 63 W bei 532 nm bzw. eine Pulsenergie von bis zu E = 210 mJ bei einer Repetitionsrate von f = 300 Hz) und seinem äußerst homogenen Top-Hat-Strahlprofil ideal zum effizienten, beschädigungsfreien Endflächen-Pumpen des Ti:Saphir-Kristalls geeignet. Die Komponenten zum Injection-Seeding des Titan-Saphir-Lasers, um einen schmalbandigen Betrieb abwechselnd zwischen zwei Frequenzen (Online und Offline) zu erreichen, wurden umfassend überarbeitet und optimiert. Es werden nun moderne, kommerzielle External-Cavity-Diode-Laser (ECDL) verwendet. Ein analoges Regelsignal eines Wellenlängen-Messgeräts kann die Frequenz eines ECDLs präzise stabilisieren (Standardabweichung < 1 MHz). Die Frequenz lässt sich aber auch gemäß diverser Funktionen durchstimmen. Die Online-Offline-Schaltung erfolgt mit einem Faser-Schalter. Das Übersprechen (crosstalk) der Kanäle ist außerordentlich gering (-61 dB), die Schaltzeit ausreichend kurz und die räumliche Übereinstimmung der Signale aufgrund der Wellenleitung nahezu ideal. Die Leistung der Seeder vor dem Laser-Resonator ist mit 17-20 mW mehr als ausreichend. Der Titan-Saphir-Laser besteht aus einem Ring-Resonator mit vier Spiegeln in Bow-Tie-Anordnung. Mittels geeigneter Komponenten wird die Betriebswellenlänge bei 818 nm vorselektiert und unidirektionale Propagation gewährleistet. Der Laser-Kristall ist in einer eigenentwickelten Kühlerhalterung montiert, wovon zwei Design-Varianten eingesetzt und verglichen wurden. Der gewinngeschaltete Ti:Saphir-Laser ist darauf ausgelegt im dynamisch-stabilen Zustand der thermischen Linse betrieben zu werden, welche sich im Kristall bei hohen Leistungen ausbildet. Hierzu wurde der Resonator durch theoretische Analyse vorab und dem Vermessen der thermischen Linsen-Brennweite entsprechend konzipiert. Die Implementierung einer Zylinderlinse kompensiert die stärkere Modenkontraktion in der tangentialen Ebene. Dies ermöglicht den stabilen Betrieb mit einer mittleren Ausgangsleistung von P = 10 W (entsprechend E = 33,3 mJ bei f = 300 Hz; Pulsdauer ~30 ns). Mit einer modifizierten Zylinderlinsen-Konfiguration wurde eine maximale Leistung von P_max = 11,8 W (E_max = 39,3 mJ) erreicht. Dies sind die höchsten Werte, die für einen derartigen Laser bzw. einen Transmitter, dessen Leistung aus einer einzigen Strahlungsquelle entspringt (keine weitere Verstärkung oder Konversion), bisher erzielt wurden. Der Laser-Resonator wird aktiv auf die Frequenz des Seeders stabilisiert, gemäß einer Pound-Drever-Hall-Technik. Hierdurch wird ein permanenter Single-Frequency-Betrieb bei sehr hoher Frequenzstabilität (Standardabweichung < 2 MHz) und schmaler Linienbreite (< 63 MHz) umgesetzt. Die ermittelten Werte entsprechen der Auflösungsgrenze des charakterisierenden Wellenlängen-Messgeräts. Die Laseremission erfolgt in der transversalen Gauß-Mode TEM_00 (M² <= 1,06). Das Lasersystem bewährte sich im Hohenheim-DIAL während mehrerer Messkampagnen. Die Robustheit zeigte sich bspw. bei einem ununterbrochenen Betrieb von über 30 Std., sowie einem Überseetransport in die USA, die das System unversehrt meisterte. Es werden exemplarisch eine in Vertikalposition durchgeführte und zwei scannende Wasserdampf-DIAL-Messungen gezeigt, welche eine hohe Auflösung und Genauigkeit demonstrieren. Die Vertikalmessung wurde erstmals bei einer Laser-Betriebsleistung von 10 W durchgeführt. Ferner werden zwei spezielle DIAL-Messungen behandelt: Mit Messungen auf ein stark zurückreflektierendes Objekt konnte eine hohe spektrale Reinheit von >= 99,97% nachgewiesen werden. Schließlich wird durch eine Atmosphärenmessung bei kontinuierlich durchgestimmter Online-Wellenlänge die Frequenz-Agilität des Lasers veranschaulicht und die Wasserdampf-Absorptionslinie experimentell bestimmt. Der Vergleich mit dem Spektrum aus einer Datenbank zeigt eine sehr gute Übereinstimmung (~ 5-10% Abweichung im Absolutwert des Absorptionslinien-Wirkungsquerschnitts).