Advanced laser systems in the nanosecond range based on space-qualified Alexandrite crystals
Creators: name: Unland, Stefanie
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Alexandrite
subject: Earth observation
subject: Lidar
subject: Solid-state laser
subject: Space qualification
subject: Diode-pumped laser
subject: Alexandrit
subject: Erdbeobachtung
subject: Weltraumqualifikation
subject: Festkörperlaser
subject: Diodengepumpte Laser
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::530 | Physik

description: A lot of investigations are ongoing for the development of laser systems using Alexandrite as active laser medium due to its inherent optical and physical properties, e.g. a wide spectral emission range, high optical efficiency as well as high mechanical hardness and thermal conductivity. These laser systems meet the general requirements needed for altimetry and other spaceborne Earth observation missions. However, the durability of Alexandrite laser crystals in space environments, such as a wide temperature range and cosmic radiation, is still unknown. This thesis was carried out as part of the research project GALACTIC, in which high quality coated Alexandrite crystals were developed and manufactured. Based on a comprehensive environmental test campaign, the thesis proves that Alexandrite can withstand the extreme environmental conditions in space. Initially, Alexandrite laser systems addressing typical space missions were investigated. A diode-pumped Q-switched Alexandrite laser was developed, exhibiting high pulse energy with low repetition rate for a potential use in Lidar systems for atmospheric sensing to measure wind speed and temperature. With QCW double-side diode-pumping and an L-shaped cavity, a maximum pulse energy of 3 mJ with 98 ns pulse duration and a wavelength of ∼750nm could be demonstrated at a repetition rate of 100 Hz. Moving over to the field of vegetation monitoring or altimetry, short pulses with high repetition rates could be demonstrated by a CW diode-pumped cavity-dumped Q-switched Alexandrite laser. Here, record pulsed energies up to 645 μJ with 2.7 ns pulse duration and a laser wavelength of ∼754nm could be achieved at a repetition rate of 5 kHz. Moreover, a stable laser performance was demonstrated over 150 mega-shots, which is promising for longterm use in space applications. The results of both setups have been supported by numerical simulations based on time-dependent rate equations of a simplified two-energy level system. Additionally, a comprehensive test procedure was developed comprising absorption and laser characterisations, LIDT tests and transmittance measurements. This enabled the comparison of the quality and laser performance of crystals produced by various manufacturers. Finally, the crystals were investigated regarding their change in laser performance, LIDT, and transmittance after testing them against typical thermal conditions and radiation environments in space. An appropriate qualification test procedure comprising thermal cycling and gamma and proton irradiation could show for the first time the durability of these crystals in the harsh environment in space. Thereby, the findings strengthen the status of Alexandrite as active laser medium in laser systems for future Earth observation missions and efforts towards the successful long-term operation of space instruments relying on this material.
description: Zahlreiche aktuelle Forschungen konzentrieren sich auf die Entwicklung von Lasersystemen mit Alexandrit als aktivem Lasermedium aufgrund seiner besonderen optischen und physikalischen Eigenschaften, z. B. ein breiter spektraler Emissionsbereich sowie eine hohe mechanische Härte und Wärmeleitfähigkeit. Solche Lasersysteme können die allgemeinen Laseranforderungen für Erdbeobachtungsmissionen im Weltraum erfüllen. Bisher ist jedoch nicht bekannt gewesen, ob Alexandrit widerstandsfähig gegen Umwelteinflüsse im Weltraum ist. Diese Arbeit wurde unter anderem im Rahmen des Forschungsprojekts GALACTIC, in dem hochwertige beschichtete Alexandritkristalle entwickelt und hergestellt wurden, durchgeführt. Anhand einer umfassenden Umwelttestkampagne zeigt die Arbeit, dass Alexandrit den extremen Umweltbedingungen im Weltraum standhalten kann. Dafür wurden als Erstes Alexandrit-Lasersysteme für typische Weltraummissionen untersucht. Für den potenziellen Einsatz in Lidar-Systemen zur Vermessung der Atmosphäre wurde zum einen ein diodengepumpter, gütegeschalteter Alexandritlaser entwickelt, der eine hohe Pulsenergie bei niedriger Wiederholrate aufweist. Mit doppelseitigem Diodenpumpen und einem L-förmigen Resonator konnte eine maximale Pulsenergie von 3 mJ mit 98 ns Pulsdauer und einer Wellenlänge von ∼750nm bei einer Wiederholrate von 100 Hz demonstriert werden. Für den Einsatz im Bereich der Altimetrie wurde ein diodengepumptes, gütegeschaltetes Lasersystem mit Cavity Dumping für die Erzeugung kurzer Pulse bei hohen Wiederholraten entwickelt. Rekordpulsenergien von bis zu 645 μJ mit 2,7 ns Pulsdauer und einer Wellenlänge von ∼754nm wurden bei einer Wiederholrate von bei 5 kHz erreicht. Darüber hinaus wurde eine stabile Laserleistung über 150 Mega-shots demonstriert, was für den Langzeiteinsatz in Weltraumanwendungen vielversprechend ist. Die Ergebnisse beider Aufbauten wurden zudem durch numerische Simulationen gestützt, die auf den zeitabhängigen Ratengleichungen eines vereinfachten Zwei-Niveau-Systems basieren. Darüber hinaus wurde ein umfassendes Prüfverfahren entwickelt, das Absorptions- und Lasercharakterisierungen, LIDT-Tests und Transmissionsmessungen umfasst. Dies ermöglichte den Vergleich von Qualität und Laserleistung der von verschiedenen Herstellern produzierten Kristalle. Schließlich wurden die Kristalle unter typischen thermischen Bedingungen und Strahlungsumgebungen getestet, um die Veränderungen der Laserleistung, der LIDT und des Transmissionsgrads zu untersuchen. Durch die Verwendung eines geeigneten Qualifizierungsverfahrens, das thermisches Zyklieren sowie Gamma- und Protonenbestrahlung umfasst, wurde erstmals die Beständigkeit dieser Kristalle in einer Weltraumumgebung nachgewiesen. Die erzielten Resultate lassen einen erfolgreichen Langzeitbetrieb im Weltraum erwarten und bestätigen damit die Eignung von Alexandrit als vielversprechendes Lasermedium für Lasersysteme in zukünftigen Erdbeobachtungsmissionen.