Konverter machen Laserlicht homogen, stabil und minimieren das Phasenrauschen

Drei optische Konverter aus der PTB erzeugen High-end-Lasereigenschaften

15.04.2013 - Deutschland

Sie können bereits vorhandene Laserstrahlquellen gewaltig „aufpeppen“: Die drei verschiedenen optischen Konverter aus der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) sorgen für Emissionsparameter mit einzigartigen Merkmalen. Der erste, ein Gepulst-zu-cw-Konverter, macht aus gepulstem Licht von Strahlquellen mit ausreichend hoher Repetitionsrate kontinuierliches Licht. Der zweite, der Single-Frequency-Langzeitstabilisator, ist ein Maser-AOM-Modul, das die Bereitstellung eines langzeitstabilen Referenzlasers mit Sub-Hertz-Linienbreite ermöglicht. Und der dritte, ein selbstreferentielles AOM-basiertes System, kann geringstes Phasenrauschen von Frequenzkämmen und Faserlasern ohne Zusatzquelle messen.

Der Gepulst-zu-cw-Konverter: Schmalbandige, durchstimmbare Anregungsquellen werden zumeist mittels modengekoppelter Laser und nachgeschaltetem OPO dargestellt. Für spektroskopische Anwendungen im Bereich der Analytik und in der Kalibrierung von Photosensoren, wie beispielsweise von Solarzellen, sind die mit der hohen Spitzenleistung verbundenen nichtlinearen Effekte und die mit der Zeitstruktur der Anregung verbundenen Relaxationsphänomene nicht immer zu vernachlässigen. Deshalb hat die PTB einen patentierten Konverter entwickelt, der die gepulste Laserstrahlung mithilfe einer optischen Vorrichtung zeitlich homogenisiert.

Der Single-Frequency-Langzeitstabilisator: Durch Kopplung eines Single-Frequency Lasers oder eines Frequenzkammes an einen externen Resonator werden Linienbandbreiten um 1 Hz gegenwärtig routinemäßig erreicht. Allerdings driftet die externe Kavität durch Umwelteinflüsse, die nur mit unverhältnismäßigem Aufwand zu beeinflussen sind. Einfacher ist es, die im Mikrowellenbereich langzeitstabile Emission eines Masers an den optischen Laser zu koppeln. Hierfür ist ein zum Patent angemeldeter Filter- und Regelkreis notwendig, dessen Ausgangssignal die Nachführung der Phase des Lasers mittels eines einfachen AOMs ermöglicht. Dadurch wird die Langzeitstabilität der Frequenz von einigen Sekunden auf viele Stunden und mehr erweitert.

Das selbstreferentielle Modul für Phasenrauschmessungen: Um das verbleibende Phasenrauschen hochstabiler Laser messen zu können, wird das Licht üblicherweise im Selbstheterodynverfahren mit sich selbst verglichen. Mittlerweile sind zum Beispiel Faserlaser in der Telekommunikation so gut, dass die Selbstheterodynmethode nicht mehr empfindlich genug ist. Eine bessere Methode besteht darin, ein Referenzsignal aus der Quelle selbst mittels einer externen Kavität zu generieren und das Rauschspektrum durch Vergleich mit diesem Referenzsignal zu vermessen. Auch hierfür hat die PTB eine Patentierung beantragt.

Vielfältige Anwendungen dieser Konverter finden sich in den Bereichen:

hochgenaue spektrale Charakterisierung von Photodetektoren und Solarzellen
Laserquellencharakterisierung mit Anwendungen in der Telekommunikation und der Fasersensorik, etwa für die Geologie
Der Verbesserung optischer Uhren und der Satel

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