Untersuchung von Laserstrahlquellen mit Erbium-dotiertem YLuAG für Lidar-Systeme zur CH4-Detektion

Mit Merlin (Methane Remote Sensing Lidar Mission) wird nach derzeitigem Plan im Jahr 2024 erstmalig ein aktives satellitengetragenes Lidar-Instrument zur Detektion des Treibhausgases CH4 in den Erdorbit gebracht. Das Instrument enthält eine Laserstrahlquelle zur Erzeugung von spektral schmalbandigen (single-frequency) Laserpulsen bei einer Emissionswellenlänge von 1645,552 nm (in Vakuum), das auf der Konversion von Laserpulsen bei 1064 nm mittels optisch-parametrischer Stufen beruht. Eine alternative Möglichkeit zur Generierung geeigneter Laserpulse ist ihre direkte Erzeugung mit einem Erbium-dotierten Laserkristall. Dieser Ansatz verspricht größere Robustheit, geringere Komplexität und größere Effizienz. Um dabei exakt die benötigte Wellenlänge zu erzeugen, wird ein Yttrium-Aluminium-Granat/Lutetium-Aluminium-Granat-Mischkristall verwendet, der an der Universität Hamburg für diese Anwendung entwickelt und gezüchtet wurde. Erstmalig werden in der vorliegend beschriebenen Arbeit gepulste Laserstrahlquellen mit einem Erbium-dotierten Yttrium-Lutetium-Aluminium-Granatkristall (Er:YLuAG) als Lasermedium aufgebaut und untersucht. In endgepumpten, gütegeschalteten Stäbchenoszillatoren werden bei einer Pulswiederholrate von 100 Hz Pulsenergien bis zu 6 mJ bei Pulsdauern von 80 ns, einem beugungsbegrenzten Strahl und einer optischen Effizienz von bis zu 2,2 % gemessen. Mit einem Innoslab-Verstärker werden die Pulse mit einer optischen Effizienz von 0,2 % auf 9,8 mJ verstärkt. In einer Transmissionsmessung an einer Methan-Gaszelle mit Single-Frequency-Pulsen bei 1645,552 nm wird die Methan-Absorptionslinie mit ihrer trogförmigen Substruktur dargestellt. Mit einem durch die experimentellen Messdaten validierten Simulationsmodell wird weiteres Skalierungspotential in Effizienz und Pulsenergie herausgearbeitet und die Laser-induzierte Zerstörschwelle (LIDT) des Er:YLuAG-Kristalls als wesentliche technische Begrenzung der Effizienz gefunden. Die Laser-induzierte Zerstörschwelle von beschichtetem Er:YLuAG wird gemessen und liegt im Bereich von 35-40 J/cm². Schließlich wird in Strahlungstestkampagnen mit Protonen und Gammaphotonen die für das Merlin-Szenario hinreichende Strahlenresistenz der Er:YLuAG-Kristalle nachgewiesen und fest-gestellt, dass eine Kodotierung mit Cerium die Strahlenresistenz noch weiter vergrößert. Insgesamt wird mit der vorliegenden Arbeit die prinzipielle Verwendbarkeit von Er:YLuAG für eine Laserstrahlquelle für das Merlin-Anwendungsszenario nachgewiesen. Die technischen Herausforderungen dabei sowie entsprechende Lösungsansätze werden aufgezeigt.