Entwicklung eines Autokorrelators zur Messung der Mikropulsdauer und Aufbau eines Er:YAG-Lasers zur Verstärkung der Mikropulse am Freie-Elektronen-Laser

In der vorliegenden Arbeit werden die Entwicklung und der Aufbau eines kompakten Autokorrelators zur Messung der optischen Pulslänge des Freie-Elektronen-Lasers sowie die Vorbereitung der Energieerhöohung einzelner Laserpulse des FELs mittels parametrischer Verstärkung vorgestellt. Zum Verständnis der im Undulator des FEL ablaufenden Wechselwirkung zwischen den Elektronenbunchen und dem erzeugten Lichtpuls ist die Kenntnis der Dauer und Form des Laserpulses von entscheidender Bedeutung. Der entwickelte Autokorrelator ermöglicht erstmals für den IR-FEL am {S-DALINAC} die Bestimmung der Pulsdauer aus der Autokorrelationsfunktion 2. Ordnung im Wellenlängenbereich von 4 bis 10 Mikrometern. Die Strahlführung im Autokorrelator erlaubte eine untergrundfreie Messung. In Simulationen konnte gezeigt werden, dass die Verwendung eines 2 mm dicken ZnGeP2-Kristalls zur Frequenzverdopplung anstelle eines 5~mm dicken AgGaS2-Kristalls für die Parameter des IR-FEL am S-DALINAC in einer Erhöhung der Konversionseffizienz um einen Faktor 50 resultierte. Die geringere Kristalldicke führte zu einer höheren zeitlichen Auflösung, wobei die minimal messbare Pulsdauer von 300 fs durch die Geometrie des Pulsüberlapps und die Gruppengeschwindigkeitsdispersion im Kristall bestimmt war. In einem Testexperiment am Free Electron Laser for Infrared Experiments (FELIX) in Nieuwegein (Niederlande) konnten maximale Konversionseffizienzen von (7.5+-1.1)*10-2 bei einer Wellenlänge von 8 Mikrometern für den ZnGeP2-Kristall und von (3.5+-0.5)*10-5 bei einer Wellenlänge von 5.9 Mikrometern für den AgGaS2-Kristall gemessen werden. Die Bestimmung der optischen Pulslänge für verschiedene Wellenlängen und Einstellungen der Resonatorl/"ange ergab Pulsdauern zwischen 305 fs und 3.6 ps. Durch eine Vergleichsmessung bei Wellenlängen von 6.2 und 6.4 Mikrometern konnte der Einfluss der Wasserabsorption auf die Struktur der Autokorrelationsfunktion und damit der Pulsform qualitativ bestimmt werden. Zur Vorbereitung der Pulsverstärkung wurde ein gepulster Blitzlampen-gepumpter Er:YAG-Laser konzipiert und aufgebaut. Simulationen ergaben einen optimalen Strahldurchmesser von 800 Mikrometern im 10.16 cm langen Laserkristall. Die durch die Deposition von Pumpenergie im Kristall verursachte thermische Linse mit einer Brennweite von 2.7 m erlaubte zusammen mit den gekrümmten Kristallendflächen einen Resonator mit zwei planen Endspiegeln und einer Länge von 0.56 m zur Erzielung des optimalen Strahldurchmessers. Dabei wurde einer der beiden Spiegel zur Auskopplung des Laserpulses genutzt. Für den Transmissionsgrad dieses Spiegels wurde ein Optimum von 12.5 % berechnet. Experimentell konnten die Parameter des ausgekoppelten Laserpulses bestimmt werden. Dabei ergab sich eine spektrale Halbwertsbreite von 2.4 nm und Laserpulse mit einer Energie von bis zu 120 mJ bei Pulslängen bis zu 100 Mikrosekunden. Der Vergleich der Verstärkungseffizienz unter Verwendung eines undotierten Quarzglases und eines Europium-dotierten Quarzglases als Pumpkammermaterial resultierte für den Er:YAG-Laser in einer Verstärkungseffizienz von (1.41+-0.17)*10-2 und einer Schwellenleistung von (42+-15) kW füur das undotierte Quarzglas sowie in einer Verstärkungseffizienz von (7.6+-0.3)*10-3 und einer Schwellenleistung von (76.8+-6.3) kW für das dotierte Quarzglas. In Simulationen konnte gezeigt werden, dass nach Erreichen des Q-Switch durch eine parametrische Verstärkung in einem 10 mm langen ZnGeP2-Kristall erstmals am IR-FEL die Erhähung der Energie einzelner FEL-Pulse auf einige 100 Mikrojoules im Wellenlängenbereich von 4 bis 10 Mikrometern möglich ist. Mit diesem Kristall kann ebenfalls ein optisch parametrischer Oszillator zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Dauer von einigen ns bei Energien von einigen 100~$/mu$J im Wellenlängenbereich von 4 bis 10 Mikrometern realisiert werden