Realisierung und elektronische Stabilisierung von Diodenlaser gepumpten einfach-resonanten kontinuierlich-emittierenden optisch parametrischen Oszillatoren aus periodisch gepoltem Lithiumniobat (English shop)

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Einfach-resonante kontinuierlich emittierende optisch parametrische Oszillatoren
(cw-SRO) stellen exzellente kohärente Strahlungsquellen dar für Anwendungen, die eine geringe spektrale Breite und einen weiten Durchstimmbereich der Wellenlänge erfordern. Dies umfasst beispielsweise Anwendungen für die Radiometrie, die Spurengasanalyse in der Molekülspektroskopie oder hochpräzise Frequenzmessungen. Gerade für die Spurengasanalyse sind einerseits weite kontinuierliche Durchstimmbereiche im GHz-Bereich notwendig, um einen möglichst großen Bereich des untersuchten Frequenzbereichs abzudecken. Andererseits ist eine möglichst geringe Linienbreite wichtig, um die exakten Positionen der detektierten Absorptionslinien genau bestimmen zu können. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war es daher, einen weit abstimmbaren cw-SRO zu realisieren und dessen Wellenlänge auf das Maximum einer Moleküllinie zu stabilisieren. Die Durchstimmung der Wellenlänge soll dabei rein elektronisch erfolgen und einen größeren Bereich als von bisher bekannten Systemen abdecken.

Als Pumpsystem für den cw-SRO wurde ein Diodenlaser mit einer DFB-Struktur bei
einer Emissionswellenlänge von 923 nm verwendet. Die Leistung der emittierten DFB-Strahlung betrug 50 mW und wurde mit Hilfe eines Trapezverstärkers auf 3 W verstärkt. Die Oszillator-Verstärker-Kombination wird als MOPA-System bezeichnet. Die Pumpstrahlung des MOPA-Systems war einfrequent mit einer spektralen Breite von weniger als 5 MHz und nahezu beugungsbegrenzt. Durch eine Änderung der Anregungsstroms der DFB-Laserdiode zwischen 100 mA und 200 mA konnte die Wellenlänge der Pumpstrahlung um mehr als 125 GHz kontinuierlich und modensprungfrei durchgestimmt werden.

Der cw-SRO basiert auf einem für die Quasiphasenanpassung (QPM) gepolten Lithiumniobat Kristall. Die QPM hat den Vorteil, den größten nichtlinearen Koeffizienten des Materials verwenden zu können. Die Konversionseffizienz wird erhöht und die Schwellpumpleistung verringert. Dies führt weiterhin zu einer deutlichen Erhöhung der Ausgangsleistung des cw-SRO. Die Wellenlänge der konvertierten Strahlung hängt nur von der Polungsperiode im QPM-Kristall ab. Daher ist es möglich, allein durch Variation der Polungsperiode die emittierten Wellenlängen in neue Bereiche zu verschieben. Dadurch können Spektralbereiche abgedeckt werden, die bisher noch nicht durch Laser erreicht werden können.

Der cw-SRO wurde als Ringresonator konzipiert und erzielte bei einer Schwellpumpleistung von 1.85 W eine maximale Ausgangsleistung der Idlerwelle von mehr als 420 mW bei 2.1 µm. Die erzeugte Signal- und Idlerstrahlung war einmodig bei einer spektralen Breite von jeweils weniger als 10 MHz. Die Wellenlängen der Signal- und Idlerwelle wurden zunächst grob über eine Änderung der Kristalltemperatur und über eine Variation der Polungsperiode im Kristall durchgestimmt. Dabei konnte der komplette durch die Resonatorspiegel begrenzte Wellenlängenbereich zwischen 1.55 µm und 1.7 µm (Signalwelle) und 2.02 µm und 2.28 µm (Idlerwelle) abgedeckt werden. Eine feine Wellenlängendurchstimmung erfolgte durch die Änderung der Diodenstroms des DFB-Lasers. Dabei konnte
durch eine Variation des Diodenstroms zwischen 100 mA und 200 mA die Idlerwelle um 88.4 GHz durchgestimmt werden. Dies ist der bisher größte modensprungfreie Durchstimmbereich für einen direkt durch einen Diodenlaser angeregten SRO.

Um die Einsatzmöglichkeit des cw-SRO für die Molekülspektroskopie zu demonstrieren, wurden Absorptionsmessungen an Distickstoffmonoxid durchgeführt. Dabei konnte die Position und Linienbreite einer einzelnen Moleküllinie exakt vermessen werden. Der Druckverbeiterungskoeffizient von 5.9 MHz/mbar und der Absorptionskoeffizient von 4.3 • 10−2 cm−1 stimmen sehr gut mit aus der Literatur bekannten Werten überein. Die Absorptionslinie konnte eindeutig einer Rotationslinie aus dem R-Zweig des (0,0,0,0) – (2,0,0,1) Übergangs bei 2.103 µm (4754 cm−1) zugeordnet werden. In einem zweiten Experiment wurden bei einer Idlerwellenlängendurchstimmung von 48 GHz gleichzeitig fünf nebeneinander liegende Absorptionslinien von Lachgas aufgezeichnet. Die Linienabstände stimmen sehr gut mit aus der Literatur bekannten Werten überein. Gleichzeitig ist die Auflösung im Vergleich zu einer FTIR-Messung um den Faktor 30 höher.

Zur Stabilisierung der Idlerwellenlänge auf das Maximum einer Absorptionslinie wurde die Lock-In-Technik verwendet. Dabei wurde aus dem Absorptionssignal ein Fehlersignal generiert, mit dessen Hilfe die Elektronik den Diodenstrom der DFB-Diode so ansteuern kann, dass die Frequenz der Idlerwelle stets dem Maximum des Absorptionsprofils entspricht. Auf diese Weise konnte eine Frequenzstabilität der Idlerwelle von ± 30 MHz erzielt werden. Damit wurde ein kompaktes System entwickelt, welches rein elektronisch abstimmbar ist, und durch seine Eigenschaften wie spektrale Breite, Durchstimmbarkeit, und Frequenzstabilität ein großes Potential für spektroskopische Untersuchungen aufweist.

Abschließend ist zusammenzufassen, dass das in dieser Arbeit vorgestellte System eine Alternative zu bisherigen SRO-Systemen oder Diodenlasern für die Spektroskopie darstellt. Gegenüber Systemen, die durch einen Festkörperlaser gepumpt werden, ist die enorme Kompaktheit des in dieser Arbeit vorgestellten Systems herauszustellen. Die Effizienz ist bei beiden Varianten vergleichbar. Der weite Durchstimmbereich, die geringe spektrale Breite und die gute Frequenzstabilität machen einen Einsatz bei hochpräziser Frequenzmessung, Laserkühlung und Spurengasanalyse möglich. Die Auswahl der Wellenlänge geschieht dabei rein elektronisch und ist dadurch unanfällig gegenüber äußeren störenden Einflüssen, wie z.B. Erschütterungen. Durch eine einfache Variation der Polungsperiode des QPM-Kristalls ist es möglich, den Wellenlängenbereich zwischen 1 µm und 5 µm frei zu wählen.