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Generation von kohärenten Dual-Frequenzkämmen aus einer Quelle

01.12.2015

Frequenzkämme bieten aufgrund ihrer spektralen Eigenschaften, wie diskrete und direkt rückführbare Moden, die Möglichkeit, synthetische Wellenlängen vom optischen bis in den Mikrowellenbereich zu generieren. Damit stellen sie eine vielversprechende Quelle für die Messung großer Distanzen mit einer niedrigen relativen Messunsicherheit von < 10-7 dar. Im Rahmen des EMRP-Forschungsprojekts SIB60 „Surveying“ wird ein Mehrwellenlängeninterferometer in heterodyner Detektion entwickelt, das die Phaseninformation einzelner Kamm-Moden analysiert und damit Interferometer verschiedener Eindeutigkeitsbereiche in „einem Schuss“ sowie mit hoher Dynamik realisieren soll.

Das Herzstück des sich im Aufbau befindlichen Interferometers sind zwei Frequenzkämme unterschiedlicher Repetitionsraten, die als Mess- und Lokal-Oszillatorstrahlen eines Heterodyn-Interferometers fungieren (vgl. auch [1]). Zur Generation dieser Kämme wurde ein Dualkammgenerator entwickelt, der auf Modenfilterung eines gemeinsamen „Seed“-Lasers, einem kommerziellen Frequenzkamm mit einer Repetitionsrate von 250 MHz, basiert. Hierbei werden gezielt bestimmte Moden des Seed-Lasers mit Hilfe eines Fabry-Perot-Resonators herausgefiltert, um Kämme geringerer Modendichte bzw. höherer Repetitionsraten zu erzeugen. Dazu muss der freie Spektralbereich (FSR) des Resonators, der durch dessen Länge bestimmt wird, auf ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate des Seed-Lasers abgestimmt sein. So werden nur die resonanten Moden transmittiert und damit die Repetitionsrate erhöht, die nun dem Wert des freien Spektralbereichs des Fabry-Perot Resonators entspricht. Für den Dualkammgenerator wurde ein Filterpaar aus zwei F-P Resonatoren entwickelt, dessen Resonatorlängen sich um nur einen Modenabstand von 250 MHz unterscheiden. Damit wurden zwei zueinander kohärente bzw. automatisch stabilisierte Frequenzkämme unterschiedlicher Repetitionsraten im GHz Bereich generiert. Der damit verbundene unvermeidliche Verlust an optischer Leistung muss vor der Anwendung des Frequenzpaars durch optische Verstärker kompensiert werden.

In Abbildung 1 (mittig) ist der experimentelle Aufbau des Systems schematisch dargestellt. Der Faser-basierte, Offset-stabilisierte Seed-Frequenzkamm (MenloSystems FC1500) wird mit Hilfe eines Y-Kopplers in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und zu zwei im grundlegenden Aufbau identischen Fabry-Perot-Resonatoren geleitet. Diese bestehen aus je zwei plan-konkaven Spiegeln mit einer Reflektivität von 98 %. Der Spiegelabstand kann mit Hilfe eines Ring-Piezos variiert und über eine Pound-Drever-Hall Stabilisierung [2], für die ein elektro-optisch modulierter Diodenlaser verwendet wird, konstant gehalten werden. Links oben ist das ungefilterte Modenspektrum des Frequenzkamms (Seed-Laser) mit einer Repetitionsrate von frep = 250 MHz abgebildet, auf der rechten Seite sind die von beiden Resonatoren gefilterten Modenspektren gezeigt. Der freie Spektralbereich (FSR) des ersten Fabry-Perot-Filters beträgt 0.75 GHz, der zweite 1.00 GHz. Die Seitenmodenunterdrückung beträgt ~20 dBm, die Transmissionseffizienz liegt im Bereich von mehreren 10 %.


Abb. 1 Links: Ungefiltertes Modenspektrum des Frequenzkamms mit einer Repetitionsrate von frep = 250 MHz. Mitte: Schemazeichnung des Dualkammgenerators (Fs-laser: Seed-Laser, ECDL: External-Cavity Diodenlaser, EOM: Elektro-optischer Modulator, FI: Faraday-Isolator, L: Linse, PBS: Polarisationsstrahlteiler, PD: Photodiode, Pol: Polarisator; PDH: Pound-Drever-Hall Stabilisierung (grün gestrichelt umrandeter Bereich), LPF: Tiefpassfilter, PID: Regler). Rechts: Gefilterte Modenspektren nach den jeweiligen Fabry-Perot-Filtern mit 0.75 GHz (oben) und 1.00 GHz (unten) freiem Spektralbereich (FSR).

Die Arbeiten werden durch das Forschungsprojekt „Surveying“ (JRP SIB60) des European Metrology Research Programme (EMRP) gefördert. Dieses wird von den im Rahmen von EURAMET am EMRP teilnehmenden Ländern und der Europäischen Union gemeinschaftlich finanziert.

[1] O. P. Lay et al., Opt. Lett. 28, 890 (2003)

[2] R. W. P. Drever et al., Appl. Phys. B 31, 97 (1983)

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