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Fibre-based spatial superposition of spectrally vastly separated beams

Categories:
  • Division 5
  • Fundamentals of Metrology
22.12.2020

Bei vielen optischen Sensoren müssen Strahlen verschiedener optischer Wellenlängen möglichst perfekt räumlich übereinandergelegt werden. Die Wellenlängen der einzelnen Strahlen können dabei spektral weit auseinanderliegen, z.B. bei der Kombination frequenzverdoppelter Strahlen mit ihrer Fundamentalen. Die Güte der Übereinstimmung der Strahlausbreitungsrichtungen ist oft ein entscheidender Beitrag zur praktisch erreichbaren Messunsicherheit. Insbesondere gilt dies für Sensoren, die die sogenannte Mehrwellenlängeninterferometrie nutzen. Bei dieser Variante der Interferometrie lässt sich z.B. der Eindeutigkeitsbereich einer interferentiellen Messung vergrößern oder aber der Einfluss der Brechzahl der Luft kompensieren und eine direkte Rückführbarkeit einer makroskopischen Messung auf die SI Definition des Meters sicherstellen. Daher spielt sie eine wichtige Rolle bei vielen modernen optischen Primärnormalen.

Für viele Anwendungen in der Interferometrie wird eine wohl definierte Polarisation, eine möglichst ideale Gaußsche Wellenfront und ein hohes Maß an räumlicher Kohärenz benötigt. Daher werden gerade spektral weit auseinander liegende Wellenlängen heute meist in Freistrahlkonfiguration übereinandergelegt. Dies ist eine sehr aufwendige und fehleranfällige Prozedur, deren Langzeitstabilität zudem durch die Stabilität der optomechanischen Bauteile begrenzt wird.

Moderne Faserkomponenten wie Wellenlängenmultiplexer (engl. Wavelength Division Multiplexer, WDM) oder photonische Kristallfasern versprechen eine große Bandbreite in der Transmission von Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Eine nahezu perfekte Superposition der Strahlen wird durch die Überlagerung der Strahlenmoden im Wellenleiter sichergestellt. Dabei vereinfacht sich die Justage auf die Standardprozedur einer möglichst effizienten Einkopplung von Licht in eine optische Faser. Da keine der zur Verfügung stehenden kommerziellen Wellenleiterarchitekturen eine perfekte Lösung bietet, wurden in einer systematischen Studie drei verschiedene moderne faseroptische Architekturen untersucht und verglichen. Dabei wurden als Kriterien insbesondere die Polarisationserhaltung und die räumliche Kohärenz zugrunde gelegt, die für die Interferometrie von besonderer Bedeutung sind [1].

Bei der Kombination zweier Laserstrahlen bei 532 nm und 1064 nm mit Hilfe von multimodalen Wellenlängenmultiplexer (Multimode MM-WDM) erreicht man wegen des großen Faserkerns eine maximale Leistungstransmission, allerdings sorgt die multimodale Transmission für eine verringerte räumliche Kohärenz. Bei unimodalen Multiplexen (Single-Mode Wavelength Division Multiplexer, SM-WDM) lassen sich die beiden Strahlen mit hoher räumlicher Kohärenz überlagern. Allerdings sorgen externe Störungen wie Temperaturänderungen oder mechanische Störungen zu Änderungen der Polarisationsrichtungen und zur Verringerung des Polarisationsgrades. Polarisationserhaltende photonische Kristallfasern (PM-PCF) stellen mit ihrem strukturierten Wellenleiter unimodale, polarisations-erhaltende Transmission beider Strahlen sicher. Die räumliche Kohärenz bleibt ebenfalls in hohem Maße erhalten. Ein Nachteil ist allerdings das stark wellenlängenabhängige Intensitätsprofil der emittierten Strahlen, wie beispielhaft in Bild 1 für drei untersuchte Wellenleiter dargestellt.

Die Ergebnisse der Studie stellen dem Entwickler eines optischen Systems Kriterien zur Verfügung, nach denen eine für das spezielle Problem optimierte Lösung für eine faserbasierte Strahlzusammenführung gefunden werden kann. Mit solchen Ansätzen sind in der Zukunft unter anderem verbesserte Unsicherheiten für Normale in der Längenmetrologie zu erwarten, die auf Mehrwellenlängeninterferometrie basieren.

Diese Arbeiten wurden unter anderem im Rahmen des EMPIR Projekts 18SIB01 GeoMetre durchgeführt. Dieses Projekt wurde im Rahmen des EMPIR Programms finanziell gefördert, das von den teilnehmenden Staaten und dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der europäischen Union kofinanziert wird.



Bild 1: Untersuchung des vollen Strahlprofils mit Zoom der äquatorialen Linie der transmittierten Strahlen mit Hilfe eines kamerabasierten Strahlprofilsensors. (a) Experimenteller Aufbau, (b) und (c) Ergebnisse für den multimodalen Multiplexer (MM-WDM), (d) und (e) für den unimodalen Multiplexer (SM-WDM), und (f) und (g) für die polarisationserhaltende photonische Kristallfaser (PM-PCF). Abbildung modifiziert aus [1].

 [1] Y. Liu, A. Röse, G. Prellinger, P. Köchert, J. Zhu, F. Pollinger 2020 J. Lightwave Technology 38 1945 (2020)

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