Aufrüstung von preiswerten Diodenlasern für den Einsatz bei präzisen Messungen

06.11.2018 - Russische Föderation

Russische Physiker haben ein Verfahren entwickelt, um das Emissionsspektrum eines gewöhnlichen Diodenlasers, wie es bei einem Laserpointer der Fall ist, drastisch zu reduzieren. Dies macht ihr Gerät zu einem nützlichen Ersatz für die komplexeren und teureren Einfrequenz-Laser und ermöglicht die Entwicklung kompakter chemischer Analysatoren, die in ein Smartphone passen, billige Lidars für selbstfahrende Autos sowie Sicherheits- und strukturelle Zustandsüberwachungssysteme auf Brücken, Gasleitungen und anderswo. Die Studie wurde gemeinsam von Forschern des Russian Quantum Center (RQC), des Moscow Institute of Physics and Technology (MIPT), der Lomonosov Moscow State University (MSU) und des Samsung R&D Institute Russia erstellt.

"Diese Arbeit hat zwei Hauptergebnisse", sagte der Hauptautor des Papiers, RQC Scientific Director Michael Gorodetsky, der auch MSU-Professor ist. "Erstens dient es dazu, zu zeigen, dass man einen billigen, schmalspurigen Laser herstellen kann, der einfrequent und dennoch hocheffizient und kompakt ist. Zweitens kann das gleiche System mit praktisch keinen Modifikationen für die Erzeugung von optischen Frequenzkammern verwendet werden. Es kann somit die Kernkomponente eines spektroskopischen chemischen Analysators sein."

Die Anwendungen von Lasern sind vielfältig. Dazu gehören die Augenlaserchirurgie, das Laservisier und die Glasfaserkommunikation. Eine der Hauptanwendungen von Lasern ist die Spektroskopie, die die genaue chemische Zusammensetzung von praktisch allem misst.

Der lasergestützten Spektroskopie liegt die so genannte optische Frequenzkammtechnik zugrunde, die von den Physik-Nobelpreisträgern 2005, John Hall aus den USA und Theodor Hänsch aus Deutschland, entwickelt wurde. Die beiden entwickelten ein Lasergerät, das optische Strahlung bei einer Million extrem stabiler Frequenzen erzeugt. Die Strahlung im Verstärkungsmedium solcher Laser "springt" zwischen den Spiegeln hin und her und wird schließlich als eine kontinuierliche Folge von kurzen Lichtimpulsen mit einer Million verschiedener Farben emittiert. Jeder Impuls dauert nur Femtosekunden - Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Das Emissionsspektrum eines solchen Lasers besteht aus einer Vielzahl von gleichmäßig beabstandeten schmalen Spektrallinien, den "Zähnen" des optischen Kamms.

Ein optischer Laserfrequenzkamm kann als "Lineal" verwendet werden, um die Lichtfrequenz genau zu messen und damit präzise spektrometrische Messungen durchzuführen. Weitere Anwendungen sind die Satellitennavigation, die genaue Zeitdatenübertragung und das Radialgeschwindigkeitsverfahren zur Erkennung extrasolarer Planeten.

Es stellte sich heraus, dass es einen einfacheren Weg gibt, Frequenzkämme zu erzeugen, der auf optischen Mikroresonatoren basiert. Dies sind ringförmige oder scheibenförmige transparente Bauteile. Aufgrund der Nichtlinearität ihres Materials wandeln sie die Pumplaserstrahlung in einen Frequenzkamm um, der auch als Mikrokamm bezeichnet wird.

"Optische Mikroresonatoren mit flüsternden Galeriemodi wurden erstmals 1989 an der Fakultät für Physik der MSU vorgeschlagen. Sie bieten eine einzigartige Kombination aus Submillimetergröße und einem immens hohen Qualitätsfaktor", erklärt Studienko-Autor, MIPT-Doktorand Nikolay Pavlov. "Mikroresonatoren eröffnen den Weg, optische Kämme auf engstem Raum und ohne großen Energieverbrauch zu erzeugen."

Kein Laser kann zum Pumpen von optischen Frequenzkamm in einem Mikroresonator verwendet werden. Der Laser muss sowohl leistungsstark als auch monochromatisch sein. Letzteres bedeutet, dass das von ihm emittierte Licht in ein sehr enges Frequenzband fallen muss. Die gängigsten und preiswertesten Laser sind heute Diodenlaser. Obwohl sie kompakt und praktisch sind, bleiben sie in der Spektroskopie hinter komplexeren und teureren Geräten zurück. Der Grund dafür ist, dass Diodenlaser nicht ausreichend monochromatisch sind: Die von ihnen emittierte Strahlung wird über ein 10-Nanometer-Band "verschmiert".

"Um die Linienbreite eines Diodenlasers einzugrenzen, wird er in der Regel mit einem externen Resonator oder einem Beugungsgitter stabilisiert", erklärt Gorodetsky. "Das reduziert die Linienbreite, aber die Kosten sind eine erhebliche Verringerung der Leistung, und das Gerät ist nicht mehr billig und auch nicht mehr kompakt."

Die Forscher fanden eine einfache und elegante Lösung für das Problem. Um das Laserlicht monochromatischer zu machen, verwendeten sie die Mikroresonatoren, die optische Frequenzkämme erzeugen. Auf diese Weise gelang es ihnen, fast die gleiche Laserleistung und -größe beizubehalten - der Mikroresonator ist nur wenige Millimeter breit - und gleichzeitig die Monochromatizität um den Faktor fast 1 Milliarde zu erhöhen. Das heißt, das Übertragungsband wird auf Attometer - Milliardstel Milliardstel Meter - eingegrenzt und bei Bedarf wird ein optischer Frequenzkamm erzeugt.

"Ab sofort stehen kompakte und kostengünstige Diodenlaser für fast das gesamte optische Spektrum zur Verfügung", ergänzt Pavlov. "Ihre natürliche Linienbreite und Stabilität sind jedoch für viele zukünftige Aufgaben unzureichend. In diesem Beitrag zeigen wir, dass es möglich ist, das breite Spektrum leistungsstarker Multifrequenz-Diodenlaser effektiv und nahezu ohne Energiekosten einzugrenzen. Die von uns angewandte Technik besteht darin, einen Mikroresonator als externen Resonator zu verwenden, um die Frequenz der Laserdiode zu fixieren. In diesem System kann der Mikroresonator sowohl die Linienbreite verringern als auch den optischen Frequenzkamm erzeugen."

Das vorgeschlagene Design hat viele Einsatzmöglichkeiten. Einer davon ist die Telekommunikation, wo sie die Bandbreite von Glasfasernetzwerken durch Erhöhung der Kanalzahl deutlich verbessern würde. Ein weiterer Bereich, der von Vorteil wäre, ist das Design von Sensoren, wie beispielsweise Reflektometer, die als Grundlage für Sicherheits- und Überwachungssysteme dienen. Wenn beispielsweise ein Glasfaserkabel entlang einer Brücke oder einer Ölpipeline verläuft, reagiert das Licht im Kabel auf geringste Störungen oder Abweichungen in der Geometrie des Objekts und zeigt mögliche Probleme auf.

Einfrequenzlaser können unter anderem in Lidars oder optischen Radars eingesetzt werden, die auf selbstfahrenden Autos installiert sind. Schließlich ermöglicht die Technologie hochpräzise Analysatoren, wie z.B. zur Messung der Luftzusammensetzung oder zur medizinischen Diagnose, die in Smartphones oder Uhren integriert werden können.

"Die Nachfrage nach solchen Lasern wäre wirklich hoch", sagte Gorodetsky.

Originalveröffentlichung

N. G. Pavlov, S. Koptyaev, G. V. Lihachev, A. S. Voloshin, A. S. Gorodnitskiy, M. V. Ryabko, S. V. Polonsky & M. L. Gorodetsky; "Narrow-linewidth lasing and soliton Kerr microcombs with ordinary laser diodes"; Nature Photonics; 2018

https://www.chemie.de/news/161106/aufruestung-von-preiswerten-diodenlasern-fuer-den-einsatz-bei-praezisen-messungen.html