Rauscheigenschaften von passiv modengekoppelten Ytterbium-Faserlasern

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Rauscharme Lasersysteme werden für zahlreiche Anwendungen wie unter anderem
die optische Frequenzmetrologie benötigt. Obwohl Faserlaser im Vergleich
zu herkömmlich genutzten Ultrakurzpuls-Titan:Saphir-Lasern schlechtere
Rauscheigenschaften aufweisen, bieten sie dennoch entscheidende Vorteile
wie die Justagefreiheit und geringe Kosten. Allerdings sind die Pulsenergien
durch die hohen auftretenden nichtlinearen Effekte limitiert. Durch die Nutzung
von „wave-breaking“-freien Pulsen in normal dispersiven Faserlasern ist
es allerdings möglich die Pulsenergien gegenüber herkömmlichen Faserlasersystemen
um bis zu eine Größenordnung zu erhöhen. Bezüglich der Rauscheigenschaften
existieren für dieses Pulsregime jedoch bisher keine detaillierten
Untersuchungen.
In dieser Arbeit wurde ein entsprechendes Lasersystem realisiert, und es konnte
durch einen Vergleich eines analytischen Modells zur Berechnung der Quantenrauscheinflüsse
mit numerischen Simulationen geklärt werden, dass das analytische
Modell die Quantenrauscheinflüsse um bis zu 14 dB unterschätzt. Eine
Messung des entsprechenden Phasenrauschens der Repetitionsrate zeigte
eine optimale Übereinstimmung mit den Ergebnissen der numerischen Simulationen,
wodurch gezeigt werden konnte, dass die Rauscheinflüsse nur durch
Quantenfluktuationen dominiert waren.
Zur vollständigen Charakterisierung der Rauscheigenschaften wurden zusätzlich
das Phasenrauschen einer optischen Linie und das Rauschen der Schlupffrequenz
(CEO-Frequenz) untersucht. Diese beiden Parameter sind über das
Gummiband-Modell eng miteinander verknüpft. Es konnte gezeigt werden,
dass resultierend aus den dominierenden Quantenrauscheinflüssen das optische
Phasenrauschen im Vergleich zu dem Rauschen der CEO-Frequenz deutlich
niedriger war, und dass der Fixpunkt des Gummibandes innerhalb des optischen
Spektrums lag. Entsprechend war die spektrale Rauschleistungsdichte
der CEO-Phasenfluktuationen einen Faktor (?opt/fRep)2 (˜ 140 dB) größer
als die der Phasenfluktuationen der Repetitionsrate, wodurch sich eine CEOFrequenz-
Linienbreite von ca. 3MHz ergab.
Insgesamt konnte erstmals experimentell und theoretisch gezeigt werden, dass
Faserlaser aufgrund ihrer limitierten Pulsenergie, der großen Pulsdauer und
der hohen resonatorinternen Verluste sehr starken Einflüssen von Quantenrauschen
unterliegen, woraus sich ein erhöhter zeitlicher Jitter und hohe CEOFrequenz-
Linienbreiten im MHz-Bereich ergeben können. Durch die gewonnenen
Erkenntnisse war es möglich, ein neues Konzept für die Realisierung eines
sehr rauscharmen Femtosekunden-Faserlasers zu formulieren.