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Untersuchungen des Rauschverhaltens leistungsskalierbarer Faserlaser

03.02.2010

Leistungsskalierbare Ultrakurzpuls-Faserlaser bieten bedingt durch die erreichbaren extrem hohen Leistungen und damit verbundene hohe Effizienz nichtlinear-optischer Prozesse die Aussicht, den Anwendungsbereich optischer Frequenzkämme auf neue, bisher schlecht zugängliche Bereiche wie z.B. den UV- oder THz-Spektralbereich zu erweitern. Dort könnten sie dann zur hochauflösenden Spektroskopie oder Frequenzmetrologie eingesetzt werden, z.B. am Thorium-Kernübergang, der in der PTB als Kandidat für einen Uhrenübergang mit extrem hoher Genauigkeit untersucht wird. Eine Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass die Frequenzkammparameter solcher Faserlaser nicht zu stark rauschen.
In den letzten Jahren wurden auf dem Gebiet der Leistungsskalierung insbesondere bei Ytterbium-Faser-Lasern und -Verstärkern Fortschritte erzielt, was erstens am geringen Quantendefekt (effiziente Ausnutzung der Pumpleistung, relativ geringe thermische Belastung der Verstärkerfasern) in Yb-dotierten Fasern liegt, aber andererseits auch an der Verwendung neuartiger, verzerrungsarmer (sog. wavebreaking-free) Pulsformungs- bzw. Verstärkungsmechanismen, z.B. in Similaritonen-Oszillatoren oder -Verstärkern. In einer Zusammenarbeit mit dem Laser Zentrum Hannover und RP Photonics wurde das Rauschverhalten solcher Yb-dotierter Faserlaser experimentell untersucht und zur Interpretation mit numerischen Simulationen verglichen [1].
Die Messungen des Repetitions-Phasenrauschens (s. Abb. 1) zeigen, dass dieses mehr als eine Größenordnung größer ist als bei Faserlasern mit herkömmlichen Modenkopplungsmechanismen. Das Phasenrauschen zeigt aber eine klare 1/f2-Abhängigkeit, was - Quantenrauschen-typisch - weißem Frequenzrauschen entspricht.
Dies lässt den Schluss zu, dass das beobachtete Rauschen durch Quantenrauschen verursacht wird, das sich durch das komplexe Wechselspiel zwischen Nichtlinearität und Dispersion relativ stark auf das Repetitions-Phasenrauschen auswirkt. Hinzu kommt, dass hier die Resonatorverluste als Folge des essenziell notwendigen spektralen Filters größer sind, was den Einfluss des Quantenrauschens weiter verstärkt.
Messungen des Trägerphasenrauschens ergaben eine spektrale Breite der Kammlinien von wenigen kHz im Zentrum des Ausgangsspektrums, was ungefähr der Schawlow-Townes-Linienbreite des Lasers mit abgeschalteter Modenkopplung entspräche. Auf Grund dieses vergleichsweise niedrigen Trägerfrequenzrauschens besitzt der untersuchte Frequenzkamm einen Quasi-Fixpunkt im optischen Spektralbereich. Mit steigendem Frequenzabstand vom Fixpunkt steigt der Rauschpegel entsprechend dem hochvervielfachten Repetitionsratenrauschen an. Für die carrier-envelope-offset (CEO-) Frequenz, die  man durch Extrapolation des Kammes bis zur Frequenz null erhält, bedeutet dies ein Phasenrauschen, das so groß ist wie das in den optischen Spektralbereich hochvervielfachte Repetitions-Phasenrauschen. In unserem Fall entsprach dies einer CEO-Linienbreite von einigen MHz. Gemessen wurde im untersuchten System ein Wert von ca. 3 MHz. Dies kann im schlimmsten Fall, z. B. bei Hochleistungssystemen mit Repetitionsraten-reduziertem chirped-pulse-Verstärker eine Stabilisierung der CEO-Frequenz bzw. anderweitige Korrektur des CEO-Rauschens verhindern.

 Abb. 1: Repetitions-Phasenrauschspektrum, Vergleich zwischen Experiment, analytischem Modell und numerischer Simulation.

Die durchgeführten Untersuchungen legen daher den Schluss nahe, dass Festkörperlaser mit kleinen Resonatorverlusten, wie z. B. Ti:Sa, für die Erzeugung von Frequenzkämmen im UV-Bereich besser geeignet sind als die untersuchten Yb-Faserlaser.Allerdings wurde von einer anderen Gruppe über sehr ähnliche leistungsskalierbare Yb-Faserlaser berichtet [2], die sehr wohl dafür geeignet wären. Die Klärung dieser Diskrepanz ist Gegenstand aktueller Forschung.
Ein zentrales Ergebnis der Untersuchungen ist, dass mit den untersuchten Lasern effizient leistungsstarke, hinreichend rauscharme THz-Frequenzkämme, z. B. durch Differenzfrequenzmischung, erzeugt werden können.

 

Literatur:

 [1]       O. Prochnow, R. Paschotta, E. Benkler, U. Morgner, J. Neumann, D. Wandt, D. Kracht, Quantum-limited noise performance of a femtosecond all-fiber ytterbium laser, Opt. Expr. 17, 15525 (2009)

 [2]       T. Schibli, I. Hartl, D. C. Yost, M. J. Martin, A. Marcinkevicius, M. E. Fermann, J. Ye, Optical frequency comb with submillihertz linewidth and more than 10 W average power,  Nature Photonics 2, 355 (2008)