Kürzlich hat die Abteilung für Weltraum- und Astronautische Lasertechnologie und -systeme des Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) wichtige Fortschritte in der Forschung zur Laserfrequenzstabilisierung von Faserinterferometern erzielt. Zum ersten Mal nutzt die Forschungsgruppe unterschiedliche Polarisationsachsen einer polarisationserhaltenden Faser, um ein duales Interferometer-Frequenzstabilisierungssystem zu konstruieren, das zum Sperren der Laserfrequenz und zum Kompensieren der durch die Fasertemperatur verursachten Frequenzschwankungen unter Ausnutzung der unterschiedlichen Eigenschaften dient Reaktionen der Phasenverschiebungen der beiden Polarisationskomponenten auf die Temperatur. Die Ergebnisse werden in Optics Letters unter dem Titel „Temperature insensitive FDL-stabilized laser using a PMF-based dual interferometer“ veröffentlicht. Die Ergebnisse wurden in Optics Letters veröffentlicht.
Der Einsatz ultrastabilisierter Laser im Bereich Präzisionsmessungen stellt steigende Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Lasern. Frequenzstabilisierte Vollfaserlaser auf Basis von Faserverzögerungsleitungen haben aufgrund ihrer hohen Kompaktheit und Zuverlässigkeit sowie ihrer Fähigkeit, eine schnelle breitbandige Frequenzabstimmung zu erreichen, Aufmerksamkeit erregt. Heutzutage wird die kurzfristige Frequenzstabilität solcher ultrastabilisierten Laser hauptsächlich durch das intrinsische thermische Rauschen der Faser begrenzt, während sich die Langzeitstabilität aufgrund von Temperaturschwankungen schnell verschlechtert. Zur Unterdrückung von Temperaturstörungen, die die Komplexität des Systems erhöhen und damit die breite Anwendung frequenzstabilisierter Laser einschränken, werden häufiger Vakuum-Mehrschicht-Hitzeabschirmungen und mehrstufige Temperaturkontrollmaßnahmen eingesetzt. Zur Lösung dieses Problems sind dringend neue Ansätze erforderlich.
Abb. 1 Schematische Darstellung eines frequenzstabilisierten Dual-Interferometer-Lasers
Vorspannungserhaltende Fasern können gleichzeitig Strahlen mit zwei zueinander orthogonalen Polarisationszuständen übertragen und den Polarisationszustand des übertragenen Lichts stabil halten. Da die schnellen und langsamen Achsen einer vorspannungserhaltenden Faser unterschiedliche thermooptische Koeffizienten haben, reagieren sie unterschiedlich auf die Temperatur. Das Team nutzte diese Eigenschaft, indem es die schnellen und langsamen Achsen der vorspannungserhaltenden Faser zur gleichzeitigen Übertragung von Laserlicht nutzte und so ein Zweiwege-Faserinterferometer mit unterschiedlichen Parametern bildete. Die Laserfrequenz ist an eines der Interferometer gekoppelt und Schwankungen der Fasertemperatur führen zu Änderungen im optischen Bereich des Interferometers, was wiederum Schwankungen in der Frequenz des stabilisierten Lasers verursacht. Die von den beiden Interferometern extrahierten Phasendifferenzsignale können als Schwankungen im optischen Entfernungsunterschied der Laserübertragung in den beiden Polarisationsrichtungen der Faser charakterisiert werden, die stark mit den Temperaturänderungen im Faserpfad korrelieren. Durch die Verwendung des extrahierten Phasendifferenzsignals zur Kompensation der Frequenzschwankung des frequenzstabilisierten Lasers können die durch dieselbe Temperaturschwankung verursachten Frequenzschwankungen um einen Faktor von mehr als 25 unterdrückt werden. Auf diese Weise wird die Temperaturempfindlichkeit des frequenzstabilisierten Lasers erhöht kann erheblich verbessert werden, die langfristige Frequenzstabilität kann verbessert werden und der frequenzstabilisierte Faserinterferometer-Laser kann für den Einsatz bei der Erkennung von Gravitationswellen im Weltraum und anderen Bereichen gefördert werden.
Abbildung 2 Frequenzschwankung (a) und Frequenzstabilität (b) vor und nach der Kompensation des frequenzstabilisierten Lasers
