Ein doppelter Boost für das Scannen mit optischer Verzögerung

Verschiedene Anwendungen gepulster Laserquellen beruhen auf der Fähigkeit, eine Reihe von Impulspaaren mit einer schrittweise zunehmenden Verzögerung zwischen ihnen zu erzeugen. Das Implementieren eines solchen optischen Verzögerungsscannens mit hoher Präzision ist anspruchsvoll, insbesondere für lange Verzögerungen. ETH-Physiker stellen sich dieser Herausforderung und haben einen vielseitigen „Dual-Comb“-Laser entwickelt, der einen großen Scanbereich mit hoher Leistung, geringem Rauschen, stabilem Betrieb und einfacher Handhabung kombiniert und damit gute Aussichten für praktische Anwendungen bietet.

Die ultraschnelle Lasertechnologie hat eine Fülle von Methoden für Präzisionsmessungen ermöglicht. Dazu gehört insbesondere eine breite Klasse von gepulsten Laserexperimenten, bei denen eine Probe angeregt und nach einer variablen Zeit die Antwort gemessen wird. Bei solchen Studien sollte die Verzögerung zwischen den beiden Impulsen typischerweise den Bereich von Femtosekunden bis Nanosekunden abdecken.

In der Praxis ist das Abtasten der Verzögerungszeit über einen so breiten Bereich auf wiederholbare und präzise Weise eine große Herausforderung. Ein Forscherteam in der Gruppe von Prof. Ursula Keller am Institut für Quantenelektronik, mit maßgeblichen Beiträgen von Dr. Justinas Pupeikis, Dr. Benjamin Willenberg und Dr. Christopher Phillips, ist nun einen großen Schritt in Richtung einer Lösung gegangen, die das hat Potenzial, ein Game Changer für eine Vielzahl praktischer Anwendungen zu sein.

Einschreiben Optikhaben sie kürzlich ein vielseitiges Laserdesign vorgestellt und demonstriert, das sowohl hervorragende Spezifikationen als auch ein Setup mit geringer Komplexität bietet, das über viele Stunden stabil läuft.

Der lange Weg zu langen Verzögerungen

Die konzeptionell einfachste Lösung zum Scannen optischer Verzögerungen basiert auf einem Laser, dessen Ausgabe in zwei Pulse aufgeteilt wird. Während der eine eine feste Route zum Ziel nimmt, wird der Strahlengang für den zweiten Puls mit linear verschiebbaren Spiegeln variiert. Je länger der Weg zwischen den Spiegeln ist, desto später kommt der Laserimpuls am Ziel an und desto länger ist die Verzögerung relativ zum ersten Impuls.

Das Problem ist jedoch, dass Licht sich mit bekannt hoher Geschwindigkeit fortbewegt und etwa 0,3 Meter pro Nanosekunde (in Luft) zurücklegt. Für mechanische Verzögerungsleitungen bedeutet dies, dass das Scannen mit Verzögerungen von bis zu mehreren Nanosekunden große Geräte mit komplizierten und typischerweise langsamen mechanischen Konstruktionen erfordert.

Eine elegante Möglichkeit, komplexe Konstruktionen dieser Art zu vermeiden, besteht darin, ein Paar Ultrakurzpulslaser zu verwenden, die Pulszüge mit jeweils leicht unterschiedlichen Wiederholungsraten aussenden. Wenn beispielsweise die ersten Pulse, die von jedem der Laser ausgehen, perfekt synchronisiert sind, dann hat das zweite Paar eine Verzögerung zwischen den Pulsen, die der Differenz der Repetitionszeiten der beiden Laser entspricht.

Das nächste Impulspaar hat die doppelte Verzögerung zwischen ihnen und so weiter. Auf diese Weise ist ein perfekt linearer und schneller Scan optischer Verzögerungen ohne bewegliche Teile möglich – zumindest theoretisch. Der raffinierteste Typ eines Lasersystems, das zwei solcher Impulsfolgen erzeugt, ist als Doppelkamm bekannt, in Bezug auf die spektrale Struktur der Ausgabe, die aus einem Paar optischer Frequenzkämme besteht.

Während das Versprechen des Dual-Comb-Ansatzes seit langem klar war, wurde der Fortschritt in Richtung Anwendungen durch Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung eines leicht einsetzbaren Lasersystems behindert, das zwei gleichzeitig arbeitende Kämme der erforderlichen Qualität und mit hoher relativer Stabilität bereitstellt. Nun, Pupeikis et al. einen Durchbruch in Richtung eines so praktischen Lasers erzielt, und der Schlüssel ist eine neue Methode, um die beiden Frequenzkämme in ein und demselben Laserresonator zu erzeugen.

Zwei von eins

Die Aufgabe der Forscher bestand darin, eine Laserquelle zu konstruieren, die aus zwei kohärenten optischen Impulszügen besteht, die bis auf den entscheidenden Unterschied in der Wiederholrate in allen Eigenschaften im Wesentlichen identisch sind. Ein natürlicher Weg, dies zu erreichen, besteht darin, die beiden Kämme in derselben Laserkavität zu erzeugen.

In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze zum Realisieren eines solchen Laser-Hohlraum-Multiplexens eingeführt. Aber diese erfordern typischerweise, dass zusätzliche Komponenten innerhalb des Hohlraums platziert werden. Dies führt unter anderem zu Verlusten und unterschiedlichen Dispersionseigenschaften für die beiden Kämme. Die ETH-Physiker haben diese Probleme überwunden und dennoch sichergestellt, dass die beiden Kämme alle Komponenten innerhalb des Hohlraums teilen.

Sie erreichten dies, indem sie ein „Biprisma“ in den Hohlraum einführten, ein Gerät mit zwei getrennten Winkeln auf der Oberfläche, von denen Licht reflektiert wird. Das Biprisma teilt die Kavitätsmode in zwei Teile, und die Forscher zeigen, dass durch geeignetes Design der optischen Kavität die beiden Kämme auf den aktiven Intracavity-Komponenten räumlich getrennt werden können, ansonsten aber einen sehr ähnlichen Weg nehmen.

„Aktive Komponenten“ bezieht sich hier auf das Verstärkungsmedium, in dem das Lasern induziert wird, und auf das sogenannte SESAM-Element (halbleitersättigbarer Absorberspiegel), das eine Modenkopplung und Impulserzeugung ermöglicht. Die räumliche Trennung der Moden in diesen Stufen bedeutet, dass zwei Kämme mit unterschiedlichen Abständen erzeugt werden können, während die meisten anderen Eigenschaften im Wesentlichen dupliziert werden. Insbesondere haben die beiden Kämme ein stark korreliertes Zeitrauschen.

Das heißt, während Unvollkommenheiten in der Schläfenkammstruktur unvermeidbar vorhanden sind, sind sie für die beiden Kämme fast gleich, wodurch es möglich wird, mit einem solchen Rauschen fertig zu werden.

Ein Tor zur praktischen Anwendung

Ein herausragendes Merkmal der jetzt vorgestellten neuartigen Single-Cavity-Architektur ist, dass sie keine Kompromisse beim Laserdesign erfordert. Stattdessen können Kavitätsarchitekturen, die für den Einzelkammbetrieb optimal sind, leicht für die Doppelkammverwendung angepasst werden. Damit stellt das neue Design auch eine wesentliche Vereinfachung gegenüber kommerziellen Produkten dar und eröffnet einen Weg für die Produktion und den Einsatz dieser neuen Klasse ultrakurzer Laserquellen.

Die in den ersten Demonstrationen erzielten Benchmarks sind sehr ermutigend. Die Forscher scannten eine optische Verzögerung von 12,5 ns (entspricht einer Entfernung von 3,75 m in Luft) mit einer Genauigkeit von 2 fs (was weniger als einem Mikrometer physikalischer Entfernung entspricht) mit Raten von bis zu 500 Hz und mit rekordhoher Stabilität für ein Single-Cavity-Dual-Comb-Laser.

Die erzielte Leistung – einschließlich der hohen Leistung von mehr als 2,4 W für jeden Kamm, der kurzen Pulsdauer von weniger als 140 fs und der nachgewiesenen Kopplung an einen optisch parametrischen Oszillator (OPO) zur Umwandlung des Lichts in einen anderen Wellenlängenbereich – unterstreicht dies das praktische Potenzial des Ansatzes für ein breites Spektrum an Messungen, von optischer Präzisionsentfernung (optische Messung der absoluten Entfernung) bis hin zu hochauflösender Absorptionsspektroskopie und nichtlinearer Spektroskopie zur Abtastung ultraschneller Phänomene.