Linienbreitenmessung eines Lasers mit schmaler Linienbreite

Linienbreitenmessung vonSchmallinienlaser

Die Linienbreite eines Lasers mit schmaler Linienbreite, insbesondere eines Einzelfrequenzlasers, bezeichnet die Breite des Laserspektrums (üblicherweise Halbwertsbreite bis Vollbreite, FWHM). Genauer gesagt, wird die Breite der spektralen Leistungsdichte des abgestrahlten elektrischen Feldes durch Frequenz, Wellenzahl oder Wellenlänge ausgedrückt. Die Linienbreite des Lasers korreliert stark mit der Zeit und wird durch Kohärenzzeit und Kohärenzlänge charakterisiert. Bei einer unbegrenzten Phasenverschiebung erzeugt das Phasenrauschen eine Linienbreite, wie es bei einem freien Oszillator der Fall ist. Phasenschwankungen innerhalb eines sehr kleinen Phasenbereichs führen zu einer Linienbreite von null und einem Rauschseitenband. Auch die Längenänderung des Resonators trägt zur Linienbreite bei und macht sie von der Messzeit abhängig. Dies bedeutet, dass weder die Linienbreite noch die Spektralform (Linientyp) allein alle Informationen über die Eigenschaften des Lasers liefern können.Laserspektrum.

Zur Messung derLinienbreite eines Lasers:

Bei großem Linienbreitenverhältnis (>10 GHz, wenn in den Resonatoren mehrerer Laser mehrere Moden schwingen) kann ein herkömmliches Spektrometer mit Beugungsgitter zur Messung verwendet werden. Mit dieser Methode ist es jedoch sehr schwierig, eine hohe Frequenzauflösung zu erzielen.

Ein anderer Ansatz besteht darin, einen Frequenzdiskriminator zu verwenden, um Frequenzschwankungen in Intensitätsschwankungen umzuwandeln. Als Diskriminator kann ein unsymmetrisches Interferometer oder ein hochpräziser Referenzhohlraum dienen. Die Auflösung dieser Messmethode ist jedoch ebenfalls sehr begrenzt.

3. Bei Einzelfrequenzlasern wird typischerweise die Selbstheterodynmethode angewendet, bei der die Überlagerung zwischen dem Laserausgang und sich selbst nach Frequenzversatz und Verzögerung aufgezeichnet wird.

Bei Linienbreiten von mehreren hundert Hertz ist die herkömmliche Heterodyn-Technik nicht praktikabel, da in diesem Fall eine große Verzögerungsstrecke erforderlich ist. Zur Verlängerung dieser Strecke kann eine zyklische Faserschleife mit einem internen Faserverstärker eingesetzt werden.

5. Eine sehr hohe Auflösung lässt sich durch die Aufzeichnung der Schwebungen zweier unabhängiger Laser erzielen. Dabei ist das Rauschen des Referenzlasers deutlich geringer als das des Testlasers.LaserDie Leistungskennzahlen beider Laser sind ähnlich. Die momentane Frequenzdifferenz lässt sich mithilfe einer Phasenregelschleife oder durch Berechnung anhand mathematischer Daten ermitteln. Diese Methode ist sehr einfach und stabil, erfordert jedoch einen weiteren Laser (der nahe der Frequenz des Testlasers arbeitet). Ist für die Messung der Linienbreite ein sehr breiter Spektralbereich erforderlich, bietet sich die Verwendung eines Frequenzkamms an.

Optische Frequenzmessungen erfordern üblicherweise eine bestimmte Frequenz- (oder Zeit-)Referenz. Bei Lasern mit schmaler Linienbreite genügt ein einziges Referenzlicht für eine ausreichend genaue Referenz. Die Heterodyn-Technik erzeugt die Frequenzreferenz durch eine ausreichend lange Zeitverzögerung des Messobjekts. Idealerweise wird die Zeitkohärenz zwischen dem ursprünglichen Strahl und dem verzögerten Licht vermieden. Daher werden üblicherweise lange optische Fasern verwendet. Aufgrund von Stabilitätsschwankungen und akustischen Effekten können lange optische Fasern jedoch zusätzliches Phasenrauschen verursachen.