Mephisto-Laser: ultra-geräuscharm und schmale Linienbreite

Die Mephisto-Laserfamilie liefert das geringste Rauschen und die schmalste Linienbreite aller kommerziellen Dauerstrichlaser (CW). Die monolithische Architektur des nichtplanaren Ringoszillators (NPRO) bietet zusammen mit der aktiven Rauschunterdrückung wertvolle optische Werkzeuge für die Forschung an Gravitationswellen, Atomkühlen und -trapping, LIDAR, Langstrecken-Interferometrie, optische Kommunikation und andere Hochleistungsanwendungen.

Einleitung

Als im September 2015 zum ersten Mal Gravitationswellen (GW) nachgewiesen wurden, war dies nicht nur die Belohnung jahrzehntelanger Arbeit, sondern auch der Beginn einer aufregenden neuen Periode in der Astronomie, in der Raum-Zeit-Messdaten ein völlig neues Beobachtungsfenster eröffneten – eine Leistung, die 2017 mit dem Nobelpreis für Physik gefeiert wurde. Viele würden sagen, dass die GW-Erkennung derzeit die anspruchsvollste Anwendung für CW-Laser mit schmaler Linienbreite darstellt. Forscher müssen in der Lage sein, Modulationen in der Raumzeit zu beobachten, die bis zu 1:10 klein sind²². Die bevorzugte Methode zum Nachweis dieser winzigen räumlich-zeitlichen Verschiebungen ist die Langstrecken-Interferometrie mit ultrastabilen Lasern. Diese Interferometer (LIGO, GEO600, Virgo, KAGRA) haben alle kilometerlange Arme im 90-Grad-Winkel. Um eine GW zu entdecken, muss das System in der Lage sein, eine Wegdifferenz zu messen, die einem Billionstel einer Wellenlänge entspricht – eine Genauigkeit, die in der optischen Interferometrie beispiellos ist. Um ein möglichst geringes Rauschen zu erreichen, beginnen die optischen Systeme in allen vier zuvor erwähnten GW-Observatorien mit einem Mephisto-Laser als Seed-Quelle. Sein 1064-nm-Strahl wird dann verstärkt und sowohl in der Intensität als auch in der Frequenz um einige Größenordnungen stabilisiert, um die erforderlichen Parameter für das Licht zu erreichen, das in die Interferometerarme injiziert wird ^[1].

Eine weitere Anwendung, die entscheidend von rauscharmen Lasern abhängt, ist das Trapping von kalten Atomen. Hier bietet eine verstärkte Version des Mephisto (bis zu 55 W) eine branchenführende Kombination aus Stabilität und Linienbreite. Sie wird zur Bildung optischer Dipolfallen für verschiedene Arten kalter Atome verwendet. Eine fortgeschrittene Version davon ist die Bildung optischer Gitter – eine optisch geformte Landschaft aus Mikrofallen, in denen kalte Atome verteilt sind. Optische Gitter finden breite Anwendung in der Forschung mit kalten Atomen zur Untersuchung von Phasenübergängen, optischen Atomuhren, zweiatomigen Molekülen und Quantensimulatoren. In diesem Fall ist die optische Stabilität des Lasers in Bezug auf Intensität und Phase entscheidend, um die niedrigsten Raten der Atomerwärmung zu gewährleisten, was wiederum die Zeit für Experimente maximiert. Die oben genannten Anwendungen sind nur einige von vielen, die durch CW-Laserquellen mit schmaler Linienbreite und hoher Stabilität möglich sind. LIDAR, optische Frequenzstandards, Experimente mit gequetschtem Licht, Laser-Injection-Seeden, optische Freiraumkommunikation, optische Metrologie, Einfangen von Nanopartikeln und viele andere profitieren von den Parametern der Mephisto-Produktlinie. In diesem Whitepaper untersuchen wir die Technologie und Funktionalität des leisesten Laserprodukts der Branche.

NPRO – Monolithische Stabilität

Seit seiner Erfindung 1984/5 durch Byer, Kane und Kollegen an der Stanford University^[2] gilt der nicht-planare Ringoszillator (NPRO) immer noch als die verfügbare CW-Laserarchitektur mit dem geringsten Rauschen. Einer der Schlüssel zu geringem Ausgangsrauschen ist ein stabiler Laserresonator. Typische Single-Mode-Laser enthalten ein Verstärkungsmedium und verschiedene Optiken, die sich in einem Resonanzraum befinden. Dieser wird von zwei oder mehr Spiegeln gebildet, die von präzisen mechanischen Halterungen getragen werden. Der NPRO verwendet einen völlig anderen Ansatz für den Laserresonator, bei dem ein Einkristall sowohl als Verstärkungsmedium als auch als Laserresonator dient, der durch die Kristallfacetten definiert ist. Genauso wichtig ist, dass der NPRO als unidirektionaler Wanderfeld-Ringoszillator fungiert. In linearen Laserresonatoren folgt der Vektor des elektrischen Feldes der Mode mit der höchsten Verstärkung (und aller Moden) einem stehenden Wellenmuster entlang des Resonators, was zum „Brennen eines Lochs“ führt. Die Verstärkung wird in einem sinusförmigen Muster entlang des Resonators dezimiert (oder nicht dezimiert). Obwohl sie eine geringere absolute Verstärkung haben, können andere longitudinale Moden immer noch oszillieren, indem sie die Verstärkung nutzen, die von der stärksten Mode nicht ausgeschöpft wurde. Die Oszillationen unerwünschter Moden werden eliminiert, sodass der Laser als Wanderwellenresonator arbeitet. Dieser Resonatortyp beruht auf einer optischen Diode, die eine Schwingung in einer einzigen Ausbreitungsrichtung erzwingt. Eine optische Diode ist ein Gerät, dessen Durchlässigkeit in Vorwärtsrichtung viel größer ist als in Rückwärtsrichtung, sodass sich eine einzelne Längswelle nur in Vorwärtsrichtung ausbreitet. Im Gegensatz zu einem stehenden Wellenmuster verbraucht das Wanderfeld die gesamte verfügbare Verstärkung und verhindert die Schwingungen anderer unerwünschter Moden. Eines der cleveren Elemente des NPRO-Designs besteht darin, dass der Kristall nicht nur als Kavität fungiert, sondern auch alle notwendigen Elemente für die Herstellung einer optischen Diode enthält – alles in einem monolithischen Format.

Die vollständige Theorie der unidirektionalen NPRO-Oszillation^[3] wird in diesem Whitepaper nicht behandelt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Kristall in einem starken Magnetfeld gehalten wird. Dadurch wirkt er wie ein Faraday-Rotator, der die Polarisation des Laserlichts, das an ihm vorbeigeht, unabhängig von der Ausbreitungsrichtung des Strahls um den gleichen Betrag und in die gleiche Richtung dreht (nicht reziproke Drehung). Darüber hinaus verleihen die internen Totalreflexionen (TIR) an den Facetten B und D (Abb. 1) dem Laserlicht im Inneren der Kavität eine reziproke Rotation. Der Nettoeffekt besteht darin, dass sich in einer Richtung um die Kavität die Polarisationsdrehungen aufgrund des Magnetfelds und des TIR addieren, während sie sich in der entgegengesetzten Richtung aufheben. Dies führt zu zwei verschiedenen Polarisationszuständen für die beiden Moden, die sich in entgegengesetzte Richtungen ausbreiten. Die Ausgangskopplungsbeschichtung auf Facette A kann dann so gestaltet werden, dass sie eine Polarisation leicht bevorzugt, was zu unidirektionalen Schwingungen führt.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des optischen Modus (blaue Pfeile) im Inneren des NPRO-Kristalls (der orange Pfeil steht für Pumplicht).  Der NPRO-Verstärkerkristall bildet einen monolithischen Laserhohlraum, wobei die Facettenwinkel durch die Totalreflexion (TIR) eine hohe Reflektivität gewährleisten. Die Facetten sind so angeordnet, dass die Polarisationsdrehung (aufgrund von TIR) in Kombination mit einem von außen angelegten Magnetfeld vorzugsweise den unidirektionalen Wanderfeldlaserbetrieb unterstützt. 

Linienbreiten- und Frequenzabstimmung

Die Frequenzcharakteristik des NPRO – d. h. die Linienbreite – ist anderen Lasertypen überlegen. Mephisto-Modelle bieten eine Linienbreite von ≤3 kHz direkt aus dem Laser, ohne weitere Stabilisierung. Selbst heute noch haben die neuesten Faserlaser und Diodenlaser mit externer Kavität Schwierigkeiten, die gleiche Linienbreite im freilaufenden Betrieb zu erreichen. 

Natürlich wäre ein Resonator mit geringer Linienbreite nur für kurzfristige Anwendungen nützlich, es sei denn, die Frequenzdrift kann aktiv gesteuert werden. Im Mephisto kommen zwei verschiedene Mechanismen zum Einsatz, die eine schnelle, feine Steuerung und eine langsamere, grobe Steuerung der Emissionsfrequenz ermöglichen. Mit dieser Steuerung kann auch die absolute Frequenz vom Mephisto im 30-GHz-Bereich eingestellt werden.

Eine schnelle und feine Steuerung wird durch einen piezoelektrischen Wandler (PZT) erreicht, das an einer der großen nicht optischen Facetten des Kristalls angebracht ist (d. h. an einer der horizontalen Flächen in Abb. 1). Die Kompression (Dehnung) des Kristalls durch das PZT-Element führt zu einer Änderung der effektiven Länge (oder des Brechungsindex), die zu einer Verschiebung der Frequenz der longitudinalen Moden führt. Diese Hochgeschwindigkeitsschleife kann mit einer Bandbreite von bis zu 100 kHz betrieben werden und ändert die Modenfrequenz um 1 MHz/V. 

Langsamere, aber größere Frequenzschwankungen werden durch Variation der NPRO-Temperatur (Temperatureinstellung) ausgeglichen. Temperaturänderungen in einem monolithischen Nd:YAG-Resonator führen zu einer Verschiebung der Frequenz durch zwei Effekte: den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kristalls und die temperaturabhängige Änderung des Brechungsindexes. Zusätzlich zu diesen Effekten können Temperaturänderungen auch sehr kleine Verschiebungen in der Verstärkungskurve von Nd:YAG verursachen. Berücksichtigt man dies, so beträgt die effektive Nettoveränderung etwa -3 GHz/K. Abb. 2 zeigt die gemessene temperaturbasierte Frequenzregelung von Mephisto. Modensprünge finden statt, wenn sich die Frequenz der oszillierenden Mode (wie durch den Resonator bestimmt) gegenüber der Mittenfrequenz der Verstärkungsbandbreite um einen Betrag verschiebt, der dem freien Spektralbereich (FSR) des Resonators entspricht. Der volle Abstimmbereich des Mephisto beträgt ~30 GHz, wenn sich die Kristalltemperatur um 25 °C ändert. Dieser Wert ist wegen der Modensprünge niedriger als der 3 GHz/K-Wert. Spezielle Mephisto-Versionen können mit größeren Mode-Hop-freien Bereichen geliefert werden (Option „Erweiterter Abstimmbereich“ mit 15 GHz Abstimmbereich zwischen Modensprüngen). Optionen zur Verschiebung des Abstimmbereichs zu niedrigeren Frequenzen (bis zu 281,565 THz) sind für Benutzer, die mit spezifischen Spektrallinien arbeiten, ebenfalls verfügbar.  Abb. 3 fasst die allgemeinen Abstimmungseigenschaften des Mephisto zusammen, wenn sowohl die Temperatur- als auch die PZT-Einstellung genutzt werden.

Phasenrauschen und Anbindung

Phasenrauschen ist die Bezeichnung für den Fehler in der Frequenzlinienbreite des Lasers. Es überrascht nicht, dass der monolithische Mephisto-Laserresonator ein besseres Frequenzrauschen aufweist als Laserresonatoren, die aus einzelnen kavitären Elementen bestehen, die zwangsläufig schwingen oder thermisch gegeneinander driften. Je nach der beabsichtigten Anwendung kann dieser Frequenzjitter in Form einer statistischen Verteilung der spektralen Leistungsdichte (power spectral density, PSD) in Einheiten von Hz/√Hz ausgedrückt werden.

Wenn Mephisto-Frequenzrauschen auf diese Weise ausgedrückt wird, folgt es einem 1/f-Verhalten. Das Frequenzrauschen beträgt etwa 10⁴ Hz/√Hz bei 1 Hz und sinkt auf 1 Hz/√Hz bei 10 kHz (Abb. 4). Unabhängige Tests haben bereits gezeigt, dass der Mephisto das absolut niedrigste Phasenrauschen in einem breiten Frequenzbereich bietet^[4]. Aufgrund dieser einzigartigen Leistung ist die Mephisto-Laserfamilie die optimale Wahl für Anwendungen, bei denen ein möglichst geringes Frequenzrauschen erforderlich ist.

Die Temperatur- und PZT-Einstellungsmechanismen können zur gleichmäßigen Einstellung des Lasers unter externer Kontrolle verwendet werden. Damit kann auch der Laserausgang an eine externe Referenz gekoppelt werden, wenn eine absolut feste Ausgangsfrequenz erforderlich ist. Diese Anbindung dient auch dazu, das Phasenrauschen bei niedrigen Frequenzen im Vergleich zu einem freilaufenden Laser zu verringern. Die frequenzverdoppelte Version des Mephisto (Prometheus-Laser mit 1064- und 532-nm-Ausgängen) deckt bequem mehrere molekulare IoD-(I₂)-Übergangslinien ab, die um 532 nm herum existieren. Sie kann dazu verwendet werden, die Emissionsfrequenz auf einen der hyperfeinen Übergänge dieser Linien festzulegen. Dies macht ihn zu einer idealen Laserquelle für eine absolute Frequenzreferenz und hochpräzise Messtechnik. Abb. 6 zeigt ein Beispiel für die Messung der Allan-Abweichung des Iod-angebundenen Prometheus-Lasers. Er ist hier auf die a10-Komponente des R(56)32-0-Übergangs des molekularen Iods ausgerichtet. Die Messung der Allan-Abweichung, die über einen Zeitraum von 20 Stunden aufgezeichnet wurde, zeigt eine relative Stabilität von ~10^-13 (modifizierte Allan-Abweichung, gemittelt über 1 Sek.) bis zu 3-10-14 (gemittelt über 1.000 Sek.). Die Iod-Anbindung und die Messungen wurden hier von der TEM Messtechnik GmbH durchgeführt ^[6].

Für Anwendungen, bei denen eine absolute Frequenz nicht erforderlich ist und der Benutzer die Laserleistung bei höheren Frequenzen stabilisieren möchte, bietet der Mephisto die erforderliche Funktionalität zum Anbinden des Lasers mit den stabilisierten, hochpräzisen Kavitäten.

Amplitudenrauschen und Rauschunterdrückung

Die Mephisto-Produktreihe zeichnet sich außerdem durch ein extrem geringes Amplitudenrauschen aus. Wie der Name schon sagt, bezieht sich das Amplitudenrauschen auf geringfügige Jitter in der Ausgangsintensität. Amplitudenrauschen wird in der Regel als relatives Intensitätsrauschen (Relative Intensity Noise, RIN) ausgedrückt, d. h. das Rauschen wird auf den durchschnittlichen Leistungspegel, bei dem es gemessen wird, normalisiert. Bei einem diodengepumpten Festkörperlaser wie dem Mephisto sind die Hauptquellen des Amplitudenrauschens typischerweise Relaxationsschwingungen, die durch das Restrauschen der Pumpdiode erzeugt werden.

Relaxationsschwingungen treten bei jedem Laser auf, bei dem die Lebensdauer des oberen Zustands länger ist als die Dämpfungszeit der Kavität, d. h. die Zeit, die vergeht, bis die gesamte im Laser zirkulierende Leistung (hauptsächlich durch die Verluste des Ausgangskopplers) abgeklungen ist, wenn die Pumpleistung des Lasers abgeschaltet wird. Wenn sich bei diodengepumpten Lasern die Pumpleistung der Laserdiode auch nur geringfügig ändert, kommt es zu Schwingungsrelaxationen, die eine Spitze im Rauschspektrum des NPRO oder eines anderen Festkörperlasers erzeugen (siehe Abb. 6). Im Mephisto wird diese Spitze durch eine Funktion namens Noise Eater effektiv eliminiert. Hierbei handelt es sich um eine integrierte schnelle Rückkopplungsschleife, deren Antriebssignal von einer Fotodiode im Laserkopf bereitgestellt wird und auf den Pumplaserdiodenstrom einwirkt. Abb. 6 zeigt, wie effektiv diese Funktion bei der Eliminierung des Pumpdiodenrauschens aus dem kHz- bis 2-MHz-Spektralbereich sowie der Relaxationsschwingungsspitze ist. Zusätzlich zum Noise Eater verwenden Mephisto-Systeme zur Unterstützung einer extrem niedrigen Geräuschemission speziell entwickelte geräuscharme elektronische Controller, die größtenteils auf analogem Design basieren.

Leistungsskalierungs- und Wellenlängenoptionen

Wenn die Pumpleistung erhöht wird, bildet der NPRO im Allgemeinen eine positive thermische Linse, was zwei Nachteile hat: Die Modenanpassung zwischen Pumpdiode und Resonatormode verschlechtert sich und der Resonator wird schließlich instabil. Eine detaillierte Studie über die Entwicklung von NPROs im Bereich der thermischen Linsenbildung^[7] zeigt, dass die thermische Linsenbildung zu einer Verringerung der Spotgröße der Mode führt, wenn die Pumpleistung erhöht wird. Letztendlich führt dies zu einem Verlust der Modenanpassung zwischen der Pumpdiode und der Grundmode des Resonators, was zu multitransversalen Modenschwingungen und zum Verlust der Hauptfunktion des NPRO führt. Aus diesen Überlegungen wird deutlich, dass ein Hochleistungs-NPRO eher für die Nennausgangsleistung als für einen niedrigen Schwellenwert oder einen hohen Wirkungsgrad bei niedriger Leistung optimiert ist. Mephisto kann eine Ausgangsleistung von bis zu 2 W erreichen, wobei die gewohnte ultrageringe Linienbreite, das geringe Rauschen und die hohe Frequenzstabilität erhalten bleiben. Wenn mehr Leistung benötigt wird, lassen sich mehrere zehn Watt bei gleichzeitiger Beibehaltung der ultraschmalen Linienbreite am besten durch die Verwendung eines Master Oscillator Power Amplifier (MOPA) erzielen, der mit einer Leistung von bis zu 55 W erhältlich ist (Mephisto MOPA-Modell).

Obwohl NPRO-Kristalle in der Regel mit der Nd:YAG-Grundwellenlänge von 1.064 nm erhältlich sind, kommen für bestimmte Anwendungen auch andere Wellenlängen infrage. Aus diesem Grund sind die Mephisto-Laser auch in einer frequenzverdoppelten Version mit grüner (532 nm) Ausgangsstrahlung (Modell Prometheus) erhältlich.

Robustes Design

Das monolithische Design des Resonators ist außerdem robuster als typische Laser, die aus diskreten Komponenten bestehen. Die gesamte Kavität ist von der Masse des aktiven Mediums umschlossen. Die Notwendigkeit optischer Beschichtungen durch die Nutzung der internen Reflexion von allen Oberflächen außer einer wird ebenfalls eliminiert. Tatsächlich ist die einzige beschichtete Fläche die Ausgangsfacette, aber auch hier findet die eigentliche intrakavitäre Reflexion innerhalb des aktiven Mediums statt. Das bedeutet, dass die gesamte Laserkavität von vornherein kontaminationsfrei und praktisch unempfindlich gegen Beschädigung und Alterung ist. Dies steht in krassem Gegensatz zu den meisten anderen Lasern, bei denen sich die Konstrukteure (und oft auch die Endanwender) Gedanken über die optische Ausrichtung und die Sauberkeit der Laserkavität machen müssen. Die geringe Größe der NPRO- und Pumpendioden führt außerdem zu einer kleinen Kopfgröße, was die präzise Stabilisierung der Betriebstemperatur und die Integration in OEM-Werkzeuge vereinfacht.

Referenzen

[1] P. Kwee et al., Opt. Express 20, 10, pp. 10617-10634 (2012)
[2] T.J. Kane, R.L. Byer, Opt. Lett. 10, 65 (1985)
[3] A.C. Nilsson, E.K. Gustafson, R.L. Byer, IEEE J. Quantum Electron. QE25, 767 (1989)
[4] K. Numata et al., Proc. SPIE 10511, Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 105111D (2018)
[5] J. Ye et al., IEEE T. Instrum. Meas. 48, 2, pp. 544 - 549 (1999)
[6] https://tem-messtechnik.de/en/
[7] I. Freitag, A. Tunnermann, H. Welling, Opt. Comm. 115, pp. 511-515 (1995)