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Diodenlaser für die optische Messtechnik

Jodstabilisierte Diodenlaser könnten Gaslaser als Wellenlängennormale ablösen

PTBnews 3.2021
27.09.2021
Besonders interessant für

Hersteller und Anwender von Laserinterferometern und Längenmessgeräten

Kalibrierlabore

optische Messtechnik

In Zusammenarbeit mit einem Industriepartner hat die PTB ein sehr kompaktes Wellenlängennormal entwickelt und evaluiert. Es basiert auf einem Diodenlaser, dessen Frequenz auf Übergänge im Jodmolekül stabilisiert ist. Dieser Typ Laser könnte in Zukunft die leistungshungrigen und großen Helium-Neon-Laser als Normal für die interferometrische Längenmessung ablösen.

Einblick in den Prototypen mit angedeutetem Strahlengang mit Laserdiode (LD), Strahlteiler (BS) und Photodetektoren (PD)

Helium-Neon-Laser mit einer Wellenlänge von 633 nm werden schon seit Langem als Wellenlängenreferenzen für die industrielle interferometrische Längenmessung eingesetzt. Sie erreichen mit vergleichsweise geringem Aufwand relative Genauigkeiten von 10−8, was einer Unsicherheit von 10 nm auf einen Meter entspricht und für einen Großteil der Anwendungen vollkommen ausreicht. Allerdings ist die Technologie veraltet und die Zahl der Hersteller nimmt stetig ab. Zudem sind die Laser gegenüber modernen Diodenlasern sehr groß, benötigen Hochspannung und haben einen schlechten Wirkungsgrad sowie eine kleine Ausgangsleistung.

Um die große Zahl der vorhandenen Interferometer in der Längenmesstechnik nahtlos weiterverwenden zu können, muss bei alternativen Lösungen die Wellenlänge von 633 nm beibehalten werden. Dafür bieten sich Diodenlaser an, die von sich aus allerdings keine ausreichende Genauigkeit der Wellenlänge besitzen. Hier kommt die Stabilisierung mit Jod ins Spiel: Jodmoleküle besitzen viele Absorptionslinien im benötigten Wellenlängenbereich, die als absolute Wellenlängenreferenz dienen können.

Im Rahmen eines vom Bundesministe-rium für Bildungund Forschung geförderten Projekts wurde von der Toptica Photonics AG ein spezieller Laserdiodenchip mit interner optischer Wellenlängen selektion bei 633 nm mit einer nur 3,3 cm langen Jodzelle in einem 27 cm × 15 cm großen Gehäuse kombiniert. Die Laserfrequenz wird automatisiert auf eine bestimmte Doppler-verbreiterte Jod-Absorptionslinie stabilisiert. Für Anwendungen steht eine vergleichsweise hohe Leistung von ca. 5 mW am Ausgang einer Glasfaser zur Verfügung. Das Gerät wurde mit einem optischen Frequenzkamm gegen Atomuhren der PTB evaluiert. Dabei konnte eine relative Instabilität von unter 10−10 für Mittelungszeiten größer 10 s erreicht werden, die deutlich unter den Werten kommerzieller einfach stabilisierter Helium-Neon-Laser liegt. Die Absolutfrequenz ergab sich in guter Übereinstimmung mit erwarteten Werten. Die Linienform und die Stabilisierung wurde modelliert, sodass jetzt auch die Absolutfrequenz und die Stabilität bei Auswahl anderer Jod- linien leicht vorhergesagt werden können.

Der Prototyp hat das Potenzial, mit mikrooptischen Elementen in einem nur wenige Zentimeter großem Gehäuse integriert zu werden, um so in Zukunft sehr kompakte und genaue Interferometer zu ermöglichen

Ansprechpartner

Uwe Sterr
Fachbereich 4.3
Quantenoptik und Längeneinheit
Tel. (0531) 592-4310
Opens local program for sending emailuwe.sterr(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

F. Krause, E. Benkler, C. Nölleke, P. Leisching, U. Sterr: Simple and compact diode laser system stabilized to Doppler-broadened iodine lines at 633 nm. Appl. Opt. 59, 10808–10812 (2020)