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Modellierung und Anwendung eines neuartigen Verfahrens zur aktiven Regelung und Kontrolle von Wellenlänge und Linienbreite eines Diodenlasers mit externem Resonator

Führer, Thorsten :
Modellierung und Anwendung eines neuartigen Verfahrens zur aktiven Regelung und Kontrolle von Wellenlänge und Linienbreite eines Diodenlasers mit externem Resonator.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Modellierung und Anwendung eines neuartigen Verfahrens zur aktiven Regelung und Kontrolle von Wellenlänge und Linienbreite eines Diodenlasers mit externem Resonator
Language: German
Abstract:

Halbleiterlaser mit externer optischer Rückkopplung (external cavity diode laser, ECDL) sind aufgrund einer breiten Wellenlängenabdeckung, der Durchstimmbarkeit ihrer Emissionswellenlänge sowie einer geringen spektralen Linienbreite ein etabliertes und unverzichtbares Präzisionsinstrument in vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen. Unter der Fülle von Anwendungen stellen die Präzisionsspektroskopie, die Sensorik sowie die Domäne der Telekommunikation die prominentesten Disziplinen dar. Nahezu alle Anwendungen profitieren von der Möglichkeit einer stetigen und lückenlosen Wellenlängenänderung über einen weiten Bereich. Das Erreichen dieser großen modensprungfreien Durchstimmbereiche stellt aufgrund der Kopplung der Laserdiode an den externen Resonator eine experimentelle Herausforderung dar.

In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Verfahren präsentiert, die aufgrund eines aktiven Regelkreises die Resonanzbedingung des gesamten ECDLs permanent aufrechterhalten und somit das Erreichen großer modensprungfreier Durchstimmbereiche ermöglichen. Dabei dient der Polarisationszustand des Laserlichts als Träger der Resonanzinformation des ECDLs und somit als Fehlersignal der Regelung. Die Beschreibung dieses Signals auf Basis der ECDL-Ratengleichungen sowie ein Modell der polarisationsabhängigen Transmission durch die gekoppelten Resonatoren bildet das theoretische Fundament der Methoden. Die erfolgreiche Datenanpassung des Modells verifiziert die Beschreibung. Die präsentierten Verfahren sind universell einsetzbar und nicht an einen bestimmten Laserdioden-Typ gebunden. Die Limitierung der maximalen Wellenlängenänderung beruht lediglich auf technischen Einschränkungen wie beispielsweise der maximalen Piezo-Elongation.

Durch die Anwendung der Verfahren wurden modensprungfreie Durchstimmbereiche von bis zu 130 GHz mit einer nicht antireflexbeschichteten Laserdiode bei einer Zentralwellenlänge von 785 nm erreicht. Neben der exemplarischen Demonstration dieses großen Durchstimmbereichs anhand der Spektroskopie stark druckverbreiterter Gase wurde mittels eines zweiten Regelkreises eine absolute Wellenlängenstabilisierung als weitere Anwendung realisiert.

Basierend auf den Methoden der heterodynen Detektion erfolgte eine Charakterisierung der Linienbreite sowie der spektralen Komposition eines aktiv stabilisierten ECDLs. Dazu wurde ein theoretisches Modell der Schwebungsspektren an die gemessenen Daten angepasst. Die theoretische Beschreibung der dem Laserspektrum zugrunde liegenden Rauschprozesse wurde dabei erstmals um rotes Rauschen erweitert und umfasst zusammen mit dem weißen und rosa Rauschen somit insgesamt drei Rauschtypen. Die Evaluation der gemessenen Schwebungsspektren basierend auf diesem erweiterten Modell ergab im Fall aktiver Stabilisierung eine Linienbreite von (8,3 +/- 0,6) kHz respektive (12,2 +/- 4,8) kHz mit deaktiviertem Regelkreis. Darüber hinaus konnte die Linienbreite durch eine Änderung des Sollwertes der Regelung im Bereich von 8 kHz bis 20 kHz kontinuierlich variiert werden.

Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten neuartigen Stabilisierungsverfahren für ECDLs erlauben somit neben dem modensprungfreien Durchstimmen der Wellenlänge über einen weiten Bereich die kontrollierte Variation sowie Stabilisierung der Linienbreite des Lasers.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
External cavity diode lasers (ECDL) are an established and essential precision instrument in many scientific and industrial areas due to a broad wavelength coverage, the tunability of their emission wavelength as well as a narrow spectral linewidth. Among the plenitude of applications, precision spectroscopy, sensor technology, and the domain of telecommunications constitute the most prominent disciplines. Nearly all applications benefit from the possibility of a continuous and gapless wavelength scan over a wide range. Because of the coupling between the laser diode and the external resonator, the accomplishment of such large mode-hop free tuning ranges poses an experimental challenge. The present thesis introduces novel methods which enable large mode-hop free tuning ranges by permanently maintaining the resonance condition of the entire ECDL employing an active control loop. In the process, the state of polarization of the laser light carries the information about the resonance of the ECDL and serves as the error signal of the closed loop control. A description of this signal based on the ECDL rate equations as well as a model of the polarization dependent transmission through the coupled resonators provide the theoretical foundation of the methods. The model is successfully applied to describe the error signal, thus verifying the description. The methods introduced in this work represent universal approaches without any restrictions regarding the particular type of the laser diode. The tuning range is only limited due to technical restrictions, like for example the maximum piezo elongation. By applying the active ECDL stabilization, large mode-hop free tuning ranges of up to 130 GHz using a laser diode without antireflection coating at a central wavelength of 785 nm have been achieved. Besides an exemplary demonstration of these large tuning ranges upon the spectroscopy of strongly pressure broadened gases, a stabilization to an absolute wavelength has been implemented by employing a second control loop. Based on heterodyne beating techniques, a characterization of linewidth and spectral composition of an actively controlled ECDL has been carried out. For this purpose, a model of the beat spectra has been fitted to the data. The theoretical treatment of the noise processes underlying the laser spetrum has been extended to also account for red noise and thus covers along with white and pink noise three noise types. The evaluation of the measured beat spectra based on this extended model revealed a linewidth of (8.3 +/- 0.6) kHz with the active stabilization enabled and (12.2 +/- 4.8) kHz without stabilization, respectively. Furthermore, the linewidth of the ECDL could be varied continuously in the range of 8 kHz to 20 kHz by simply altering the setpoint of the closed loop control. The novel techniques developed in the present work pave the way for large mode-hop free tuning ranges as well as a controlled variation and stabilization of the linewidth of an ECDL.English
Uncontrolled Keywords: Laser, ECDL, Diodenlaser, Halbleiterlaser, Laserstabilisierung, Linienbreite, modensprungfreies Durchstimmen
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Lasers, ECDL, Diode lasers, semiconductor laser, laser stabilization, linewidth, tunability, wavelength scan, mode-hop freeEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Fachbereich Physik > Angewandte Physik
Date Deposited: 02 Aug 2012 07:10
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30600
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Elsäßer, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 2 July 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3060
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