Interferometrische Frequenzregelung und präzise Steuerung von durchstimmbaren Laserquellen
Das iScan-System ist ein universelles Hilfsmittel zur Überwachung, Analyse und Regelung von durchstimmbaren Laserquellen. Es beruht unter anderem auf einer interferometrischen Messung der optischen Frequenz/Wellenlänge des Lasers.
Es wurde speziell als Werkzeug für den Einsatz in Forschungslabors zum statischen und dynamischen Testen der Modeneigenschaften von durchstimmbaren Lasern entworfen, erlaubt aber deutlich mehr:
Schnelles, präzises und hysterese-freies Scannen durchstimmbarer Laser
Das iScan-System verwendet eine patentierte Interferometeranordnung mit vier unabhängigen Photodetektoren. Diese nehmen unterschiedliche Interferenzsignale mit etwa 90° Phasendifferenz auf, mit deren Hilfe sich das Durchstimmverhalten analysieren und Modensprünge detektieren lassen.
Die Darstellung dieses sogenannten Quadratursignals auf einem Oszilloskop im X-Y-modus erzeugt charakteristische Figuren, etwa wie Lissajous-Figuren, die auf die Spektralen Eigenschaften des Laserlichtes schließen lassen.
iScan verarbeitet diese Information in Polarkoordinaten: Die Phase ist eine lineare Funktion der optischen Frequenz (und in guter Näherung auch für die Wellenlänge). Der Radius ist ein Maß für die Modenreinheit des Lasers.
Beispiele
Single-mode-Scan: Das Quadratursignal beschreibt einen Kreis (mit konstantem Radius)
Modensprung: Ein „plötzlicher“ Sprung in der Phase
Mehrmoden-Betrieb: Der Radius der Figur nimmt deutlich sichtbar ab
Leistungsdaten
Abweichung der optischen Frequenz eines iScan-stabilisierten Diodenlasers DLpro (Toptica Photonics AG) von einem optischen Frequenzkamm, gemessen in der Arbeitsgruppe Th. Hänsch, MPQ Garching (J. Brachmann et al., APPLIED OPTICS Vol. 51, No. 23 (2012), http://arxiv.org/pdf/1208.2375v1.pdf). Das iScan-System beinhaltete ein CoSy-Rb (Rubidium-Reference bei 780nm/384THz, vertikale Linie) und das Linearisierungspaket. Die verschiedenen Farben symbolisieren Messungen an verschiedenen Tagen in demselben Labor.
Erzeugung von frequenzstabiler, durchstimmbarer Dauerstrich-Terahertz-Strahlung
Eine Methode zur Erzegung von THz-Strahlung ist die optische Überlagerung von zwei kontinuierlichen Laserfeldern in einem Photomischer. Der Vorteil einer cw-THz-Quelle im Vergleich zu gepulsten Quellen ist, dass eine Messung über lange Zeit ohne Unterbrechung mit einer beliebigen, festen Frequenz erfolgen kann. Dies ermöglicht z. B. hochauflösende Spektroskopie und interferometrische Abstands- oder Brechzahlmessungen.
Eine Voraussetzung für hochpräzise cw-THz-Messungen ist die exakte Bestimmung und vorzugsweise auch die Regelung der THz-Frequenz.
A. Deninger, Th. Kinder, Th. Müller-Wirts and F. Lison: High-Power Dual-Color Diode Laser System with Precise Frequency Control for CW-THz Generation.Optical Society of America, 2007
A. Deninger, Th. Göbel, D. Schönherr, Th. Kinder, A. Roggenbuck, M. Köberle, F. Lison, Th. Müller-Wirts and P. Meissner: Precisely tunable continuous-wave terahertz source with interferometric frequency control. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 79, 044702 (2008)
„A continuous-wave terahertz (CW-THz) spectrometer was constructed using a photomixing radiation source, Fig. 1. The instrument can be divided into the following functional units: a dual-frequency optical source, the photomixer element, a THz beam propagation path including the sample cell and a detector (bolometer). The optical source contains two (Toptica DL- 100) extended cavity diode lasers (ECDL) operating at 780nm. The lasers are spatially mixed using a beamsplitter to create a beat note in the THz frequency range. In order to optimize the spectral resolution of the source, a frequency stabilization scheme was applied to each laser. The first laser was frequency locked to a saturated absorption feature of the rubidium D2- line, using commercially available apparatus (TEM Messtechnik, CoSy). The second laser was stabilized using a low- contrast Fabry–Perot interferometer system (TEM Messtechnik, iScan). Unlike many Fabry–Perot systems that can only provide information at the resonant frequency, the advantage of this low-contrast interferometer is that it is capable of providing a stabilization signal at any frequency. An error signal generated by the difference between an arbitrary set-point and the Fabry–Perot is applied to the piezo electric element of the laser. Hence the laser can be frequency scanned across its gain profile with an active frequency correction being provided by the interferometer. In the particular case of an ECDL, the fine adjustment of the grating alignment using the piezoelectric allows a continuous tuning range of around 10GHz to be routinely obtained. Larger frequency steps are realized by manual adjustments of the grating alignment along with current and temperature of the laser diode.“
„The One Atom Maser, or Micromaser is a cavity Q.E.D. experiment consisting of a high-Q superconducting microwave cavity which interacts with a sequence of single 2-level Rydberg atoms. […] In particular I develop a 3-step laser excitation system for Rubidium Rydberg states, which I present together with the most accurate Rydberg spectroscopy to date of Rubidium P states with principal quantum number 36 to 63, from which quantum defects and an accurate value of the ionisation energy of Rubidium is derived. Work on locking multiple lasers to a single frequency comb, thus performing accurate multi-step spectroscopy is presented.“
Five different diode lasers are used in the micromaser experiment: […] The velocity-selecting 780 nm laser is locked to a specific offet frequency relative to the first laser, employing a commercial cavity (iScan).
This system, together with a temperature controller, a PID and a laser controller is commercially available in the form of the iScan from TEM Messtechnik. We used this apparatus to lock a laser, reliably and linearly scan it over tens of GHz and have it rapidly jump from one frequency to another within 8 GHz. When optimally set up, the frequency resolution is on the order of 300 kHz, mainly limited by the resolution of the photodiodes and electronics. The Allan deviation of this system was measured by beating a Toptica DL 100 laser locked to the iScan with a line of a frequency comb (see Section 3.3) and recording the resulting beat-note. The Allan deviation was observed to stay below 2 MHz for approximately 30 minutes, and the thermal drift rate was measured to be approximately 2 MHz/hour.“
iScan-stabilisiertes Lasersystem zur Anregung von Flaschenmoden in Mikroresonatoren (mit freundlicher Genehmigung von A. Vogler)
„Die spektrale Vermessung der Resonatormoden geschieht mit einem DFB-Diodenlaser […]. Um während der Messung ein Driften des Lasers auszuschließen und um den Laser definiert verstimmen zu können, befindet sich direkt hinter dem Laser ein Stabilisierungsinterferometer (Firma TEM-Messtechnik, iScan). Es besteht aus einem Messkopf und einer Mikrocontrollereinheit. Der Messkopf enthält ein Referenzinterferometer, das den zeitlichen Frequenzverlauf des Laserslichts ermittelt. Er liefert ein Ist-Signal an den Mikrocontroller, der es mit einem Referenzsignal aus einer externen Quelle vergleicht und den Laser entsprechend nachregelt. […] Die interessanten Frequenzbereiche wurden mit dem iScan angewählt und die beiden Flaschenmoden so weit durchgestimmt, dass sie im Transmissionsspektrum wenige hundert MHz getrennt liegen.“
