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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-000608-5

Untersuchungen zur Frequenzdurchstimmung eines Diodenlasers mit externem Resonator basierend auf dem akusto-optischen Effekt

  • In der Frequenz kontinuierlich veränderbare Laser sind interessante Lichtquellen für wissenschaftliche Forschung, Industrie und Technik. In diesem Zusammenhang zeigen insbesondere Diodenlaser mit externem Resonator (ECDL) vorteilhafte Eigenschaften. Weit verbreitet ist der Littrow-Laser, da er aufgrund seines einfachen Designs kostengünstig, kompakt und robust ist und zudem eine geringe Linienbreite aufweist. Das bei ihm eingesetzte Reflexions-Gitter fungiert gleichzeitig als Reflektor und Frequenzfilter. Die Durchstimmung erfolgt mechanisch durch Drehung des Gitters mittels eines Piezo-Aktuators. Diese Vorgehensweise begrenzt sowohl die erreichbare Repetitionsrate als auch Durchstimmbereich und -geschwindigkeit. Um diese Probleme zu umgehen, bietet sich der Einsatz zweier akusto-optischer Modulatoren (AOM) als Deflektor im externen Resonator an. Die Durchstimmung eines solchen AOM-Lasers erfolgt durch Ablenkung des Strahls auf rein nicht-mechanischem Weg. Dazu ist allerdings eine geeignete Ansteuerung der AOMs vonnöten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein theoretisches Modell entworfen, welches grundlegende Eigenschaften eines AOM-Lasers beschreibt. Darauf basierend konnte ein Algorithmus zur Berechnung der für eine kontinuierliche Durchstimmung notwendigen AOM-Ansteuersignale entwickelt werden. Dieses Modell zeigt zudem, dass zur Realisierung einer Durchstimmung mit gleichzeitig akzeptabler Laser-Linienbreite hohe Anforderungen an die Ansteuerelektronik, insbesondere bezüglich Jitterfreiheit (< 5 ps), gestellt werden, was nur durch eine vollständig digitale Erzeugung der Ansteuersignale mittels sogenannter DDS-ICs (Direct-Digital-Synthesis) erfüllt werden kann. Andere untersuchte Schaltungen zeigten schlechtere Eigenschaften. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen dem aufgestellten Modell und dem praktischen AOM-Laseraufbau können im roten Spektralbereich kontinuierliche (modensprungfreie) Durchstimmbereiche von bis zu 220 GHz erreicht werden. Die maximale Durchstimmgeschwindigkeit liegt 1.5 GHz/µs. Eine Repetitionsrate von 25 kHz ist realisierbar. Die 0.2-ms-Linienbreite liegt bei 450 kHz. Der Laser konnte außerdem in einem Bereich von 6 nm (4 THz) ohne mechanische Nachjustage operieren. Eine genaue Analyse zeigt, dass trotz der schon sehr guten Performance des Lasersystems durch Verfeinerung des Modells und eine weitere Verbesserung der Komponenten die genannten Leistungsparameter um einen Faktor 5 - 10 gesteigert werden könnten.
  • Continuously tunable lasers are interesting light sources for scientific research, industry and engineering. Especially external cavity diode lasers (ECDL) have convenient properties. A popular system is the Littrow-Laser because of its small line width and its simple, compact and robust design. The there used reflection grating acts as a reflective element as well as a frequency filter. Rotating the grating by a piezo actuator results in a frequency tuning. However, this method limits the repetition rate as well as the tuning range and the tuning speed. In order to avoid these problems one can use two acousto-optical modulators (AOM) as light deflecting elements inside the external cavity. By bending the beam one can apply a frequency tuning without moving any part mechanically. However, this requires a suitable controlling of the AOMs. Therefore a theoretical model was created, describing fundamental properties of an AOM-laser. Therewith, an algorithm was developed that allows calculating the AOM driving signals for a continuously tuning of the laser. Furthermore, the model indicates that a practical realization of a tuning and a small line width are only achievable by using a very specific driving electronics. Especially the temporal jitter must be very small (< 5 ps). This was reached by a fully digital signal generation using DDS-chips (Direct-Digital-Synthesis). Other electronics yields poorer properties. Because of a good conformance between the theoretical model and the experimental AOM-laser set-up in red spectral region one can achieve continuously (mode-hop free) frequency tuning with a range up to 220 GHz and a tuning speed up to 1.5 GHz/µs. A repetition rate of 25 kHz is possible and the (0.2 ms) line width is 450 kHz. Furthermore, the laser could operate within a range of 6 nm (4 THz) without mechanically readjusting. A careful analysis indicates that the very good performance of the AOM-laser system could be enhanced by a factor 5-10 if the theoretical model and some optical elements are improved.

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Metadaten
Author: André Bösel
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000608-5
Title Additional (English):Investigation of the frequency tuning of an external cavity diode laser based on the acousto-optic effect
Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Richard Kowarschik, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Lübbert
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2009/04/29
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2009/04/22
Release Date:2009/04/29
Tag:AOM, Diodenlaser mit externem Resonator, ECDL, Laserdurchstimmung, akusto-optischer Effekt
AOM, ECDL, continuously tuning, external cavity diode laser, single mode
GND Keyword:Abstimmbarer Laser, Einmodenlaser, Laser
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 530 Physik
PACS-Classification:40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.60.-v Laser optical systems: design and operation / 42.60.Da Resonators, cavities, amplifiers, arrays, and rings
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.60.-v Laser optical systems: design and operation / 42.60.Pk Continuous operation
40.00.00 ELECTROMAGNETISM, OPTICS, ACOUSTICS, HEAT TRANSFER, CLASSICAL MECHANICS, AND FLUID DYNAMICS / 42.00.00 Optics (for optical properties of gases, see 51.70.+f; for optical properties of bulk materials and thin films, see 78.20.-e; for x-ray optics, see 41.50.+h) / 42.79.-e Optical elements, devices, and systems (for integrated optics, see 42.82.-m; for fiber optics, see 42.81.-i); Optical instruments, equipment and techniques, see 07.60.-j and 07.57.-c; Optical spectrometers, see 07.57.Ty and 07.60.Rd; Photography, photogra / 42.79.Jq Acousto-optical devices (see also 43.38.Zp-in Acoustics Appendix)