Mephisto – extrem rauscharme und extrem schmale Linienbreite

Mephisto schmaler Mephisto sind daher beliebte kommerzielle Dauerstrichlaser (CW-Laser). Die Kombination aus einer monolithischen NPRO-Architektur (Non-Planar Ring Oscillator) und aktiver Rauschunterdrückung bietet wertvolle optische Werkzeuge für die Gravitationswellenforschung, Atomkühlung und -einfang, Lidar, Langweginterferometrie, optische Kommunikation und andere Hochleistungsanwendungen.

Über uns

Als im September 2015 erstmals Gravitationswellen (GW) entdeckt wurden, war dies nicht nur der krönende Abschluss jahrzehntelanger Arbeit, sondern auch der Beginn einer aufregenden neuen Ära in der Astronomie: Messungen von Raum-Zeit-Veränderungen eröffneten ein völlig neues Beobachtungsfenster – eine Leistung, die 2017 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt wurde. Kaum jemand würde behaupten, dass Gravitationswellen derzeit die anspruchsvollste Anwendung im Bereich der schmalbandigen kontinuierlichen Laserstrahler darstellen. Forscher müssen in der Lage sein, zeitmodulierte Signale zu beobachten, die bis zu^{einem Zehntausendstel einer Sekunde} klein sind.Die Methode der Wahl zur Detektion dieser winzigen Raum-Zeit-Änderungen ist die Langstreckeninterferometrie mit hochstabilen Lasern. Diese Interferometer (LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA) verfügen alle über mehrere Kilometer lange Interferometerarme, die in einem Winkel von 90 Grad zueinander angeordnet sind. Um Gravitationswellen nachzuweisen, muss das System in der Lage sein, Wegunterschiede zu messen, die einem Billionstel der Wellenlänge entsprechen;was in der optischen Interferometrie eine beispiellose Genauigkeit darstellt. Um ein möglichst geringes Rauschen zu erreichen, nutzen die optischen Systeme aller vier zuvor genannten Gravitationswellenobservatorien Mephisto , deren 1064-nm-Ausgangssignal anschließend verstärkt und hinsichtlich Intensität und Frequenz um mehrere Größenordnungen weiter stabilisiert wird, um die für die Einspeisung in die Interferometerarme erforderlichen Parameter zu erhalten ^[1].

Eine weitere Anwendung, die in hohem Maße auf rauscharme Laser angewiesen ist, ist das Einfangen gekühlter Atome. In dieser Anwendung bietetMephisto leistungsgesteigerteMephisto (bis zu 55 W) eine branchenführende Kombination aus Stabilität und Linienbreite und wird zur Erzeugung optischer Dipolfallen für verschiedene Arten gekühlter Atome eingesetzt. Eine weiterentwickelte Version dient der Erzeugung optischer Gitter – einer optischen Landschaft aus Mikrofallen, in der gekühlte Atome verteilt sind. Optische Gitter finden breite Anwendung in der Erforschung von Phasenübergängen,optischen Atomuhren, zweiatomigen Molekülen und Quanten-Simulatoren weit verbreitet. In dieser Anwendung ist die optische Stabilität des Lasers hinsichtlich Intensität und Phase entscheidend, um die niedrigstmögliche Atom-Erwärmungsrate zu gewährleisten, was die Experimentierzeit maximiert. Die oben genannten Anwendungen sind nur ein kleiner Ausschnitt der zahlreichen Funktionen, die mit schmalbandigen, hochstabilen CW-Laserquellen realisiert werden können. Lidar,optische Frequenznormale, Experimente mit komprimiertem Licht, Laser-Injection-Seeding, Freiraum-Lichtkommunikation, optische Messungen, das Einfangen von Nanopartikeln sowie viele andere Bereiche profitieren von Mephisto . In diesem Whitepaper untersuchen wir die Technologien und Funktionen, die hinter den branchenweit leisesten Laserprodukten stehen.

NPRO – Gesamtstabilität

Seit ihrer Erfindung im Mai 1984 durch Byer, Kane und ihre Kollegen an der Stanford University^[2]gelten nicht-planare Ringoszillatoren (NPRO) gelten nach wie vor als die Architektur für kontinuierliche Wellenlaser mit extrem geringem Rauschen. Einer der Schlüssel zum Erreichen eines niedrigen Ausgangsrauschens ist ein stabiler Laserresonator. Typische Einmodenlaser bestehen aus einem Verstärkungsmedium und verschiedenen optischen Komponenten, die sich in einem Resonator befinden, der aus zwei oder mehr Reflektoren gebildet wird, die von präzisen mechanischen Halterungen gestützt werden.Der NPRO verfolgt einen völlig anderen Ansatz für den Laserkavität, bei dem ein einzelner Kristall sowohl als Verstärkungsmedium als auch als Laserkavität fungiert, was durch die Kristallflächen bestimmt wird. Ebenso wichtig ist, dass der NPRO als unidirektionaler Wanderwellen-Ringoszillator fungiert. In linearen Laserkavitäten folgen die elektrischen Feldvektoren des Modus mit der höchsten Verstärkung (und aller Moden) entlang der Kavität einem stehenden Wellenmuster, was zu einem „Burning-Through“ führt– die Verstärkung entlang des Resonators wird im Sinusmodus aufgebraucht (oder bleibt ungenutzt). Selbst wenn sie eine geringere absolute Verstärkung aufweisen, können andere Longitudinalmoden die ungenutzte Verstärkung des stärksten Modus nutzen, um eine Schwingung zu erzeugen. Dies eliminiert die Schwingung unerwünschter Moden und gestaltet den Laser als Wanderwellenresonator.Diese Art von Resonator stützt sich auf optische Dioden, um die Schwingung entlang einer einzigen Ausbreitungsrichtung zu erzwingen. Eine optische Diode ist ein Bauelement, dessen Durchlassleistung weit über seiner Sperrleistung liegt, was dazu führt, dass sich einzelne Longitudinalwellen nur in Vorwärtsrichtung ausbreiten. Im Gegensatz zu stehenden Wellen verbrauchen Wanderwellen die gesamte verfügbare Verstärkung und verhindern, dass andere unerwünschte Moden Schwingungen erzeugen.Eines der raffinierten Elemente des NPRO-Designs besteht darin, dass der Kristall nicht nur als Resonator dient, sondern auch alle für die Herstellung der optischen Diode erforderlichen Komponenten integriert – und das alles in Monolithbauweise.

Die vollständige Theorie der unidirektionalen NPRO-Oszillation^[3] würde den Rahmen dieses Whitepapers sprengen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Kristall in ein starkes Magnetfeld eingebracht wird, wodurch er – ähnlich wie ein Faraday-Rotator – unabhängig von der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls (nicht-wechselseitige Rotation) die Laserpolarisation um denselben Betrag und in dieselbe Richtung dreht. Darüber hinaus bewirkt die Totalreflexion (TIR) bewirkt eine hin- und hergehende Drehung des Lasers im Resonator. Der Nettoeffekt besteht darin, dass sich in einer Richtung um den Resonator herum die durch das Magnetfeld und die TIR verursachten Polarisationsdrehungen überlagern, während sie sich in der entgegengesetzten Richtung gegenseitig aufheben, was dazu führt, dass die beiden in entgegengesetzte Richtungen propagierenden Moden zwei unterschiedliche Polarisationszustände erzeugen. Die Ausgangskopplungsbeschichtung an der A-Fläche kann so ausgelegt werden, dass sie leicht zu einer bestimmten Polarisation tendiert, wodurch eine unidirektionale Oszillation erzeugt wird.

Abb. 1:Schematische Darstellung der Lichtmoden (blaue Pfeile) im Inneren eines NPRO-Kristalls (orangefarbene Pfeile stehen für das Pumplicht). Der NPRO-Verstärkerkristall bildet einen monolithischen Laserresonator, dessen Flächenwinkel durch Totalreflexion (TIR) eine hohe Reflektivität gewährleisten. Die Anordnung dieser Flächen bewirkt, dass die Polarisationsdrehung (aufgrund der TIR) mit dem extern angelegten Magnetfeld kombiniert wird, wodurch der unidirektionale Wanderwellen-Laserbetrieb bevorzugt wird. 

Leitungsbreite und Frequenzabstimmung

Die Frequenzcharakteristik (d. h. die Linienbreite) von NPRO ist besser als bei anderen Lasertypen.Mephisto eine Linienbreite von ≤ 3 kHzMephisto , ohne dass eine zusätzliche Stabilisierung erforderlich ist. Selbst heute noch ist es für neue Faserlaser und Halbleiterlaser mit externem Resonator schwierig, im freien Betrieb die gleiche Linienbreitenleistung zu erreichen. 

Natürlich eignen sich Resonatoren mit schmaler Linienbreite nur für kurzfristige Anwendungen, es sei denn, die Frequenzdrift lässt sich aktiv steuern. Mephisto zwei verschiedene Mechanismen Mephisto um eine schnelle, feine Steuerung sowie eine langsame, grobe Steuerung der Sendefrequenz zu ermöglichen. Im weiteren Sinne bieten diese Steuerungsmechanismen auch die Möglichkeit, Mephisto im Bereich von 30 GHz anzupassen.

Durch den Einsatz eines piezoelektrischen Wandlers, der an einer der großen, nicht-optischen Facetten des Kristalls (d. h. an einer der horizontalen Flächen in Abb. 1) angebracht ist (PZT) an eine der großen nichtoptischen Facetten des Kristalls (d. h. an eine der horizontalen Flächen in Abb. 1) angeschlossen wird, lässt sich eine schnelle und präzise Steuerung realisieren. Die durch das PZT-Element bewirkte Kompression (Dehnung) des Kristalls führt zu einer Änderung der effektiven Länge (oder des Brechungsindex), was wiederum eine Änderung der longitudinalen Modenfrequenz zur Folge hat. Dieser Hochgeschwindigkeitsregelkreis kann bei einer Bandbreite von bis zu 100 kHz betrieben werden und verändert die Modenfrequenz mit einer Steigung von 1 MHz/V. 

Das Problem langsamer, aber großer Frequenzänderungen lässt sich durch eine Änderung der NPRO-Temperatur (Temperaturabstimmung) lösen. Temperaturänderungen am Nd:YAG-Monoblockresonator beeinflussen die Frequenz durch zwei Effekte: die temperaturabhängige thermische Ausdehnung des Kristalls und die temperaturabhängige Änderung des Brechungsindexes. Zusätzlich zu diesen Einflüssen führen Temperaturänderungen zu einer sehr geringen Verschiebung der Verstärkungskurve des Nd:YAG.Unter Berücksichtigung dieser Faktoren beträgt die effektive Nettoänderung etwa -3 GHz/K. Abbildung 2 zeigt die gemessene Mephisto Frequenzsteuerung Mephisto . Ein Modensprung tritt auf, wenn die Frequenz des Schwingungsmodus (die durch den Resonator bestimmt wird) im Verhältnis zur Mittenfrequenz der Verstärkungsbandbreite eine Verschiebung erfährt, die dem freien Spektralbereich (FSR) verschiebt, kommt es zu einem Modensprung. Bei einer Kristalltemperaturänderung von 25 °C beträgt der gesamte AbstimmbereichMephisto etwa 30 GHz. Aufgrund des Modensprungs liegt dieser Wert unter dem Wert von 3 GHz/K.Spezielle Mephisto modensprungfreien Abstimmbereich (Option „erweiterter Abstimmbereich“, Abstimmbereich zwischen den Modensprüngen 15 GHz). Anwender, die bestimmte Spektrallinien nutzen, können den Abstimmbereich auch auf niedrigere Frequenzen (bis hinunter zu 281,565 THz) verlagern. Abbildung 3 fasst Mephisto bei Temperatur- und PZT-Abstimmung zusammen.

Phasenrauschen und Frequenzverriegelung

Phasenrauschen ist die Bezeichnung für die Frequenzbreitenabweichung eines Lasers. Es überrascht nicht, dass Mephisto aus einem einzigen Stück gefertigte Mephisto ein besseres Phasenrauschen aufweist als Laserresonatoren, die aus diskreten Resonatorkomponenten bestehen, da diese zwangsläufig Schwingungen oder thermische Drift untereinander verursachen. Je nach der vorgesehenen Anwendung kann dieses Frequenzjitter in Form einer statistischen Verteilung der Leistungsspektraldichte (PSD) in der Einheit Hz/√Hz ausgedrückt werden.

Wenn Mephisto auf diese Weise dargestellt wird, folgt es einem 1/f-Verhalten. Bei einer Frequenz von 1 Hz beträgt das Frequenzrauschen etwa^{104 Hz/√Hz} und sinkt bei 10 kHz auf 1 Hz/√Hz (Abb. 4). Frühere unabhängige Tests haben gezeigt, dass Mephisto Frequenzbereich Mephisto ein extrem niedriges Phasenrauschen aufweist^[4].Aufgrund dieser einzigartigen Eigenschaften sindMephisto die ideale Wahl für Anwendungen, die extrem niedriges Frequenzrauschen erfordern.

Der Temperatur- und PZT-Abstimmmechanismus ermöglicht eine stufenlose Abstimmung des Lasers unter externer Steuerung und kann zudem dazu verwendet werden, die Laserleistung für Anwendungen, die eine absolut feste Ausgangsfrequenz erfordern, an eine externe Referenz zu koppeln. Im Vergleich zu selbstangeregten Lasern kann diese Kopplung zudem das Phasenrauschen im niedrigen Frequenzbereich reduzieren.Mephisto (der Prometheus-Laser bietet eine Ausgangsleistung von 1064 und 532 nm) deckt mühelos mehrere molekulare Iod (_I2) im Bereich um 532 nm abdecken und die Emissionsfrequenz an einen der Hyperfeinübergänge dieser Linien koppeln. Dies macht ihn zu einer idealen Laserquelle für absolute Frequenzreferenzen und hochpräzise Messungen. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für eine Allen-Abweichungsmessung des an Iod gekoppelten Prometheus.Hier ist der Prometheus-Laser an die a10-Komponente des R(56)32-0-Übergangs von molekularem Iod gekoppelt. Die über 20 Stunden aufgezeichneten Allen-Abweichungsmessungen zeigen:die relative Stabilität von ~^10-13 (modifizierte Allan-Abweichung im Durchschnitt über 1 Sekunde) auf 3·10-14 (im Durchschnitt über 1000 Sekunden) sank. Die hier beschriebene Iod-Lock-Arbeit und die Messungen wurden von der TEM Messtechnik GmbH durchgeführt [^6].

In Anwendungen, in denen keine absolute Frequenz erforderlich ist und der Anwender eine stabile Laserleistung bei höheren Frequenzen wünscht,Mephisto die Funktionen, die für die Stabilisierung des Lasers in einem hochpräzisen Resonator erforderlich sind.

Amplitudenrauschen und Rauschunterdrückung

Mephisto ein extrem geringes Amplitudenrauschen aus. Wie der Name schon sagt, bezeichnet Amplitudenrauschen jegliche winzigen Schwankungen in der Ausgangsintensität. Amplitudenrauschen wird üblicherweise als relatives Intensitätsrauschen (RIN) angegeben, wobei es sich um ein Rauschen handelt, das auf den durchschnittlichen Leistungspegel zum Zeitpunkt der Messung normiert ist. Mephisto sind die Hauptursachen für Amplitudenrauschen in der Regel Relaxationsschwingungen, die durch das Restrauschen der Pumpdioden verursacht werden.

Relaxationsschwingungen treten in jedem Laser auf, dessen Lebensdauer des angeregten Zustands länger ist als die Dämpfungszeit des Resonators, d. h. die Zeit, die benötigt wird, bis die gesamte zirkulierende Leistung im Laser abklingt, wenn die Laserpumpleistung abgeschaltet wird (hauptsächlich durch Verluste am Ausgangskoppler). Bei diodengepumpten Lasern treten Relaxationsschwingungen auf, wenn sich die Pumpleistung der Laserdioden ändert, selbst wenn diese Änderung nur geringfügig ist,wodurch im Rauschspektrum des NPRO oder jedes anderen Festkörperlasers Spitzen entstehen (siehe Abbildung 6). Im Mephisto lassen sich diese Spitzen Mephisto die Mephisto einer Funktion namens „Rauschunterdrückung“ effektiv beseitigen.Dabei handelt es sich um eine integrierte schnelle Rückkopplungsschleife, deren Ansteuersignal von einer Fotodiode im Laserkopf geliefert wird und auf den Strom der Pumplaserdioden wirkt. Abbildung 6 zeigt die Wirksamkeit dieser Funktion bei der Unterdrückung des Rauschens der Pumplaserdioden sowie der Relaxationsschwingungsspitzen im Frequenzbereich von kHz bis 2 MHz. Zusätzlich zum Rauschunterdrücker verwendet dasverwendetMephisto zudem einen speziell entwickelten, überwiegend analog ausgelegten rauscharmen elektronischen Controller.

Leistungsregelung und Wellenlängenoptionen

Im Allgemeinen erzeugt der NPRO bei steigender Pumpleistung einen positiven thermischen Linseneffekt, was zwei nachteilige Folgen hat: Die Modenanpassung zwischen den Pumpdioden und den Resonatormoden verschlechtert sich, was letztendlich zu einer Instabilität des Resonators führt. Eine detaillierte Untersuchung zur Auslegung des NPRO unter Berücksichtigung des thermischen Linseneffekts^[7] zeigt, dass der thermische Linseneffekt bei steigender Pumpleistung zu einer Verringerung der Modenfleckgröße führt. Letztendlich führt dies zum Verlust der Modenanpassung zwischen der Pumpdiode und der Grundmode des Resonators, was zu einer Mehrmodenoszillation und dem Verlust der Hauptfunktion des NPRO führt. Aus diesen Überlegungen wird deutlich, dass Hochleistungs-NPROs für die Nennausgangsleistung optimiert sind und nicht für niedrige Schwellenwerte oder hohe Effizienz bei niedrigen Leistungen.Mephisto eine Ausgangsleistung von bis zu 2 W und bewahrt dabei die üblichen Eigenschaften wie extrem schmale Linienbreite, geringes Rauschen und hohe Frequenzstabilität. Wenn mehr Leistung benötigt wird, ist der ideale Weg, um bei Beibehaltung der extrem schmalen Linienbreite Leistungen im zweistelligen Wattbereich zu erzielen, der Einsatz eines Hauptoszillator-Leistungsverstärkers (MOPA) zu nutzen, der Leistungen von bis zu 55 W bietet (Mephisto MOPA Modell).

Obwohl NPRO-Kristalle in der Regel eine Nd:YAG-Grundwellenlänge von 1064 nm bieten, können bestimmte Anwendungen von anderen Wellenlängen profitieren. DaherMephisto eine doppelt frequenzverstärkte VersionMephisto grünem Licht (532 nm)Mephisto (Modell Prometheus).

solides Design

Die Konstruktion eines Monoblock-Resonators ist zudem zuverlässiger als die eines typischen Lasers, der aus diskreten Bauteilen besteht. Nicht nur ist der gesamte Resonatorraum von einer großen Menge an aktivem Medium umgeben, sondern es werden auch – mit Ausnahme einer einzigen Oberfläche – ausschließlich interne Reflexionen genutzt, wodurch der Einsatz optischer Beschichtungen weitestgehend vermieden werden kann. Tatsächlich ist die einzige beschichtete Oberfläche die Ausgangsfläche,wobei jedoch auch hier die eigentliche Reflexion im Resonatorinneren innerhalb des aktiven Mediums stattfindet. Das bedeutet, dass der gesamte Laserresonator so ausgelegt ist, dass er kontaminationsfrei ist und kaum Beschädigungen oder Alterungserscheinungen aufweist. Dies steht in starkem Kontrast zu den meisten anderen Lasern, bei denen sich Konstrukteure (und oft auch Endanwender) Gedanken darüber machen müssen, wie die optische Ausrichtung und die Sauberkeit des Laserresonators aufrechterhalten werden können.Zudem führen die kompakten Abmessungen des NPRO und der Pumpdioden zu einem kleinen Kopf, wodurch die Betriebstemperatur direkt und präzise stabilisiert werden kann und sich der Laser leicht in OEM-Werkzeuge integrieren lässt.

Literaturverzeichnis

[1] P. Kwee et al., Opt. Express 20, 10, S. 10617–10634 (2012)
[2] T.J. Kane, R.L. Byer, Opt. Lett. 10, 65 (1985)
[3] A.C. Nilsson, E.K. Gustafson, R.L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. QE25, 767 (1989)
[4] K. Numata et al., Proc. SPIE 10511, Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 105111D (2018)
[5]J. Ye et al., IEEE T. Instrum. Meas. 48, 2, S. 544–549 (1999)
[6] https://tem-messtechnik.de/en/
[7] I. Freitag, A. Tunnermann, H. Welling, Opt. Comm. 115, S. 511–515 (1995)