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Emittieren Hochleistungs-Femtosekunden-Faserlaser phasenkohärente Impulse?

13.10.2009

Ytterbium-dotierte Lasermaterialien kombinieren in vorteilhafter Weise eine große Bandbreite und einen kleinen Quantendefekt. Durch Modenkopplung lassen sich so mit faserbasierten Oszillator-Verstärker-Systemen Impulsdauern im Bereich von 250 fs und Impulsenergien von 10 µJ bei bemerkenswert hohen Repetitionsraten im MHz-Bereich erzielen. Diese Laser eignen sich hervorragend als Pumplichtquellen für optisch-nichtlineare Prozesse, wie etwa Weißlichterzeugung, optisch-parametrische Frequenzkonversion oder Erzeugung hoher Oberwellen in Edelgasen. Prinzipiell ließen sich so kammförmige Ausgangsspektren im gesamten Frequenzbereich vom Vakuum-UV bis zum fernen Infrarot generieren. Dieses weite Spektrum würde somit bequem und lückenlos zugänglich für die phasenkohärente Frequenzmetrologie.

Eine Bedingung hierfür ist allerdings, dass der Laser einen Impulszug erzeugt, bei dem die optische Trägerphase aufeinander folgender Impulse einen wohldefinierten Fortschritt aufweist, gegeben durch den Impulsabstand und die sogenannte Carrier-Envelope-Offset-Frequenz. Eine derartige Phasenkohärenz liegt bei den meisten faserbasierten Oszillatoren vor und wird routinemäßig verwendet, beispielsweise zur optischen Frequenzmessung. Faserbasierte Oszillator- Verstärkersysteme weisen dagegen zusätzlich einen Impulsselektor und eine oder mehrere Verstärkerstufen auf. Ob dadurch die Phasenkohärenz beeinträchtigt wird ist bisher praktisch nicht untersucht worden.

Im FB 4.5 wurde zur Klärung dieser Frage das Phasenrauschen des Emissionssignals eines kommerziellen Hochleistungsfaserlasers untersucht. Dazu wurden mit Hilfe eines Zweiphasen-Interferometers mit einem Gangunterschied von 614,6 ns (ca. 127 m Glasfaser in einem Arm) jeweils zwei aufeinander folgende Impulse zur Interferenz gebracht und ihre Phasendifferenz gemessen. Durch Aufsummieren dieser sukzessiv gemessenen Differenzwinkel erhält man die Zeitentwicklung und somit auch das Rauschen der optischen Trägerphase. Dieses Phasenrauschen ist eine obere Abschätzung, da es auch die unkorrelierten Längenfluktuationen des Interferometers enthält. Die Laserparameter wurden für die Messung auf eine Impulsdauer von 250 fs, einen Impulsabstand von 614,6 ns (d. h. eine Repetitionsfrequenz von 1,627 MHz) und eine Mittenwellenlänge von 1034 nm eingestellt.

Typischer Ausschnitt (ca. 400 Impulse) aus der gemessenen Zeitfunktion der optischen Trägerphase

Abb. 1: Typischer Ausschnitt (ca. 400 Impulse) aus der gemessenen Zeitfunktion der optischen Trägerphase

Abb. 1 zeigt einen typischen Ausschnitt aus der Zeitfunktion der Trägerphase. Dargestellt ist die Trajektorie der Phasorspitze in Zylinderkoordinaten. Die roten Punkte markieren die einzelnen Impulse. Man erkennt, dass die Phasendifferenz benachbarter Impulse immer deutlich kleiner als 1 Radian ist. Die Auswertung ergab eine nahezu Gauss-förmige Verteilungsfunktion mit einer Standardabweichung von σ ≈ 0,14 rad. Damit ist das Signal eindeutig phasenverfolgbar und es kommt nicht zu unerkannten Sprüngen um ganze Perioden. Dieser Befund wird durch Abb. 2 unterstrichen.

Spektrum einer einzelnen Kammlinie (schwarz). Die Berechnung erfolgte unter Verwendung der gemessenen Zeitfunktion der optischen Trägerphase. Gefittete Lorentzfunktion (rot).

Abb. 2: : Spektrum einer einzelnen Kammlinie (schwarz). Die Berechnung erfolgte unter Verwendung der gemessenen Zeitfunktion der optischen Trägerphase. Gefittete Lorentzfunktion (rot).

Hier wurde die gemessene Phasen-Zeitfunktion (Länge 0,1 s) mathematisch einer Sinusfunktion aufmoduliert und das Ergebnis anschließend Fourier-transformiert. Diese Fouriertransformierte stimmt mit  dem optischen Spektrum einer einzelnen Frequenzkammlinie überein. Man erkennt, dass sie in guter Näherung einer 6 kHz breiten Lorentzlinie entspricht (rote Linie). Es ist bekannt, dass die Phase eines Signals, das ein Lorentz-förmiges Spektrum aufweist, eindeutig verfolgt werden kann, wenn die Regelbandbreite das 5- bis 10-fache der Linienbreite beträgt. Diese benötigte Bandbreite von ca. 50 kHz ist rund 30 mal kleiner als der Linienabstand. Somit kann eine einzelne Kammlinie in sehr guter Näherung als Dauerstrichsignal aufgefasst werden und eine Störung durch die Nachbarlinien findet praktisch nicht statt.
Damit wurde gezeigt, dass der o. g. Hochleistungslaser für die phasenkohärente Frequenzmetrologie einsetzbar ist.



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Fachbereich:
4.5, Optische Technologien
Arbeitsgruppe:
4.53, Optische Femtosekundenmetrologie