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Durchstimmbare IR-Laserstrahlung hocheffizient erzeugt

Steigende Anforderungen an die Genauigkeit von Infrarotstrahlungsmessungen erfordern den Einsatz durchstimmbarer Laserstrahlung zur Kalibrierung von IR-Strahlungsdetektoren. Bei der Entwicklung geeigneter Lasersysteme setzt die PTB auf eine Kombination modernster Lasertechnik und nichtlinearer Optik. Damit wurde jetzt die sehr effiziente Erzeugung gepulster IR-Strahlung demonstriert, die im Wellenlängenbereich von 0,7 µm bis 2 µm durchstimmbar ist.

Die durchstimmbare IR-Strahlung wird durch Frequenzaufspaltung in einem periodisch gepolten KTP-Kristall erzeugt. Dabei entsteht (als Signal bzw. Idler) gleichzeitig Strahlung jeweils einer Wellenlänge aus den Bereichen von 700 nm bis 980 nm sowie von 1080 nm bis 2000 nm, die an den beiden Ausgängen des verwendeten Delta-Resonators getrennt zur Verfügung steht.

Messverfahren, die IR-Strahlung nutzen, finden zunehmend nicht nur in der Telekommunikation, sondern auch in der industriellen Prozesssteuerung und -überwachung, in der medizinischen Diagnostik, in der Klimaforschung, zur Exploration von Rohstoffen sowie im globalen und lokalen Umweltschutz Anwendung. Damit steigen auch die Genauigkeitsanforderungen an Kalibrierungen. Mittelfristig werden sie sich nicht mehr mit monochromatisierter thermischer IR-Strahlung geringer spektraler Leistung erfüllen lassen, sondern Laserstrahlung erfordern, die bisher nur für einzelne Wellenlängen oder eng begrenzte Wellenlängenbereiche verfügbar war.

Die PTB hat deshalb in einem BMWA-geförderten Projekt begonnen, Lasersysteme zur Erzeugung durchstimmbarer monochromatischer Strahlung im gesamten IR-Bereich bis 10 µm zu entwickeln. Dabei wurde jetzt der erste wichtige Erfolg erzielt: Gleich mit jeweils rund 20 % Konversionseffizienz konnte mit dem Prototyp eines signal-resonanten optisch-parametrischen Oszillators (OPO) abstimmbare Strahlung im nahen Infrarot von 700 nm bis 980 nm sowie von 1080 nm bis 2000 nm erzeugt werden. Pumplichtquelle für den OPO ist ein in Kooperation mit der Firma Spectra-Physics GmbH entwickelter, gepulster Yb:YAG-Scheibenlaser mit Frequenzverdopplung, für den ein von der PTB entworfenes und zum Patent angemeldetes Verfahren longitudinalen Einmodenbetrieb ermöglicht.

Diese einzigartige Kombination von modernster Lasertechnik und nichtlinearer Optik schafft die Voraussetzungen für die angestrebte Erzeugung von Infrarot-Strahlung bis 10 µm. Im nächsten Schritt soll demonstriert werden, dass das Verfahren mit einem kontinuierlichen (cw-) Pumplaser auch die Erzeugung kontinuierlicher IR-Strahlung ermöglicht.

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