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Physikalisch-Technische Bundesanstalt

FachabteilungenAbt. 4 Optik 4.5 Optische Technologien4.53 Optische Femtosekunden-Metrologie > Rauscharme Faser-Frequenzkämme
Optische Femtosekunden-Metrologie
Arbeitsgruppe 4.53

Rauscharme Faser-Frequenzkämme

Optische Frequenzkämme haben seit einigen Jahren die Frequenzmetrologie revolutioniert. Hier nutzt man aus, das unter bestimmten Bedingungen auf sehr einfache Weise optische Frequenzen in den Radiofrequenzbereich geteilt werden können. Dabei darf allerdings der Rauschuntergrund nicht zu groß sein und die Gleichung

           (1)

muss möglichst gut erfüllt sein. Hier bezeichnet die Frequenz einer individuellen Kammlinie und den Linienabstand, siehe Abb. 1. Im Zeitbild entspricht der Kehrwert von der Periodenlänge der Modulation des optischen Signals, also z. B. dem Impulsabstand in einem regelmäßigen Impulszug. Die Frequenz  bezeichnet schließlich die Verschiebung des gesamten Kammes relativ zum Ursprung.

Die obige Gleichung lässt sich einfach durch ein Gummiband visualisieren, das - entsprechend der Fluktuationen im System - an beiden Enden (am Frequenznullpunkt und am hochfrequenten Ende des Kamms) unterschiedlich gedehnt und gestaucht wird. Damit bewegt sich jede einzelne Kammlinie auf dem Gummiband unterschiedlich, ihre Bewegung relativ zueinander ist jedoch durch die obige Gleichung eindeutig festgelegt.

Abb. 1: Frequenzkamm als Ausgangsspektrum eines modengekoppelten Lasers

Durch simultane Messung der Frequenzfluktuationen von und  konnte mit zwei gleichartigen Faserlasern gezeigt werden, dass Gleichung (1) auch bei schnellen Fluktuationen sehr gut erfüllt wird [2]. Das verbleibende Restrauschen ist kleiner als die schwarze Messkurve in Abb. 2, die durch das apparative Auflösungsvermögen (blaue, gestrichelte Kurve) begrenzt war. Sie ist damit um etliche Größenordnungen kleiner als das unkompensierte Gesamtrauschen des Systems (rote, gepunktete Kurve).

Abb. 2: Vergleich der gemessenen spektralen Dichten des Phasenrauschens.  Schwarze, durchgezogene Kurve: Annahme einer Korrelation nach Gl. (1).
Rote, gepunktete Kurve: unkorrelierte Fluktuationen,  Blaue, gestrichelte Kurve: apparatives Auflösungsvermögen.

[1] H. R. Telle, B. Lipphardt and J. Stenger, Appl. Phys. B74, 1-6 (2002)

[2] E. Benkler, H. R. Telle, A. Zach, and F. Tauser, Opt. Express 13, 5662-8 (2005)


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