taccor comb


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Der taccor comb besteht aus einem leistungsstarken, hermetisch abgeschlossenen 1-GHz-Ti:Saphir-Laser welcher an ein zweites Gehäuse angeschlossen wird, welches ein ultra-stabiles f-to-2f-Interferometer enthält. Das System liefert so ein langzeitstabiles, elektrisches Ausgangssignal auf der Carrier-Envelope-Offset (CEO)-Frequenz mit mindestens 35 dB Signal-Rausch-Abstand in 100 kHz Auflösungsbandbreite, welche phasenstarr auf eine Hochfrequenz-Referenz mit Elektronik unseres Partners Menlo Systems stabilisiert ist. Die Repetitionsrate des Lasers wird mit der TL-1000 auf eine entsprechende Referenz stabilisiert. Optional kann das System mit einem Modul ausgestattet werden, welches ein Superkontinuum zwischen 520 nm und 1200 nm erzeugt.

Produktbeschreibung

Mode spacing

1 GHz

fCEO locking bandwidth

typ. >200 kHz

Useable 800 nm power after stabilization

600 mW/1000 mW

Stability (@1 s)

5×10-13 (RF reference)

2×10-17 (Optical reference)

Tunability of mode position (@375 THz)

up to 20 GHz

Accuracy

Same as reference, 8×10-20 has been demonstrated

Power per 1 GHz mode

(optional SC module)

typ. 100 nW – 1 µW

Residual phase-noise [1 Hz – 1 MHz]

Typ. 300 mrad

 

Systemkonfiguration:

Die Standardkonfiguration des taccor comb wird mit einem Erweiterungsmodul geliefert, in dem sich das f-2f-Interferometer und die Dispersionskompensationsspiegel befinden. Das System liefert so ein langzeitstabiles, elektrisches Ausgangssignal auf der Carrier-Envelope-Offset (CEO)-Frequenz mit mindestens 35 dB Signal-Rausch-Abstand in 100 kHz Auflösungsbandbreite, welche phasenstarr auf eine Hochfrequenz-Referenz mit Elektronik unseres Partners Menlo Systems stabilisiert ist. Die Repetitionsrate des Lasers wird mit der TL-1000 auf eine entsprechende Referenz stabilisiert. Optional kann das System mit einem Modul ausgestattet werden, welches ein Superkontinuum zwischen 520 nm und 1200 nm erzeugt.

Die restliche Leistung des 800 nm taccor Ausgangsstrahls, welche für die CEO-Frequenzmessung nicht benötigt wird, wird dem Anwender über die Ausgangsapertur als freiraumgekoppelter Strahl zugänglich gemacht und hat eine mittlere Leistungen von maximal 1 W auf.

Mit der Option "Superkontinuum-Ausgang" wird ein zweites Modul hinzugefügt, das einen Bruchteil der verbleibenden Ausgangsleistung verbraucht. Das Zusatzmodul kann mit bis zu zwei photonischen Kristallfasern ausgestattet werden, welche ein jeweils ein Superkontinuum im Bereich von 520 - 1200 nm mit einer mittleren Leistung von bis zu 200 mW erzeugen. Der Ausgang wird dem Anwender entweder über einen Freiraum- oder einen FC/PC-Multimode-Glasfaserausgang zugänglich gemacht.

Für andere Wellenlängenbereiche bitte kontaktieren Sie Laser Quantum direkt.

Sehen Sie sich hier unsere Vorteile des GHz-Modusabstandes für Frequenzkammanwendungen' an.

Die Ti:Saphir-Laser von Laser Quantum haben bei der Entwicklung der Frequenzkammtechnologie seit der Einführung des Konzepts Ende der 90er Jahre eine entscheidende Rolle gespielt. Die Gruppen um Theodor Hänsch am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und John Hall am Joint Institute for Laboratory Astrophysics der University of Colorado in Boulder haben 1 GHz modengekoppelte Ti:Saphir-Laser von Laser Quantum - genau wie viele andere Pioniere - vor allem wegen des einzigartig hohen Modenabstands verwendet. Die Repetitionsrate im GHz Bereich bietet mehrere Vorteile, die im Folgenden beschrieben werden:

Vereinfachte Modenidentifikation - Die Messung der Frequenz eines unbekannten Lasers erfolgt in der Regel dadurch, dass der Laser mit der nächstgelegenen Lasermode (mit Modenindex n) eines stabilisierten Frequenzkamms eine Schwebung mit der Schwebungsfrequenz fB erzeugt. Wenn die Frequenzkammparameter fR (Repetitionsrate) und fCEO (Carrier-Envelope-Offset-Frequenz) bekannt sind, dann ist die Laserfrequenz fL fL=n×fR+fCEO±fB. Das Vorzeichen in dieser Beziehung kann einfach bestimmt werden durch eine leichte Variation von fR. Es ist jedoch viel schwieriger, den Modenindex n zu messen, da seine Bestimmung eine Vorkenntnis von fL mit einer Genauigkeit von besser als fR voraussetzt.  Die Situation ist unten graphisch dargestellt, wobei der unbekannte Laser durch die gelbe Linie und die vorhergehende Frequenzunsicherheit durch das gelb schattierte Rechteck dargestellt wird. Es liegt auf der Hand, dass in dieser Situation die Laserfrequenz bei einem 1-GHz-Abstandskamm eindeutig gemessen werden kann, während der Modenindex bei einem 100-MHz-Laser unklar bleibt.

Höhere Leistung pro Mode - Bei gegebener mittlerer Leistung eines Frequenzkammes skaliert die Leistung pro Mode linear mit dem Modenabstand, da die Leistung auf weniger Moden aufgeteilt werden muss. Daher eignet sich eine hohe Wiederholraten insbesondere, um das Signal-Rausch-Verhältnis in einer Anwendung zu verbessern. Zudem gibt es bei den meisten Anwendungen einen weiteren Faktor, durch den die praktisch verwendbare Leistung pro Mode sogar quadratisch mit der Wiederholrate skaliert. Die obere Grenze der Pulsenergie, welche mit den typisch verwendeten Superkontinuumfasern (SC-Fasern) in Frequenzkammanwendungen erreicht werden kann, ist durch einen Grenzwert gegeben der typischerweise bei ~300 pJ liegt. Wird diese überschritten, entstehen durch nichtlineare Prozesse große Rauschbeiträge, welche das erzeugte SC Licht inkohärenter macht und seine Verwendung in der Frequenzmetrologie limitiert oder gar verhindert. Die obere Grenze der Leistung, die durch eine Mikrostrukturfaser für einen 100 MHz Kammlaser gekoppelt wird, liegt typischerweise bei 30 mW, während bis zu 300 mW bei 1 GHz ohne Kohärenzverlust möglich sind, was zu einem 100-fachen Nettovorteil für den 1 GHz Kamm führt. Noch höhere Wiederholraten wären vorteilhaft, jedoch wird die Verwendung von Werten jenseits von 2 GHz oft dadurch verhindert, dass es immer schwieriger wird, aus der SC-Faser ein oktavübergreifendes Spektrum zu erhalten, und dass viele der benötigten Mikrowellenkomponenten und Instrumente für Frequenzkammanwendungen bei mehreren GHz entweder nicht verfügbar oder sehr teuer werden.

Häufigeres Messereignis - Die Spektroskopie mit zwei Frequenzkämmen (dual-comb spectroscopy) ist eine Methode, bei der die zwei verwendeten modengekoppelten Laser mit einem leichten Repetitionsraten-Offset aufeinander abgestimmt werden. Damit können Messungen durchgeführt werden, welche der FTIR-Spektroskopie (fourier transform infrared spectroscopy) ähnlich sind, ohne dass ein langer mechanischer Verzögerungsscanner erforderlich ist. Daher kann diese Art der Spektroskopie um mehrere Größenordnungen schneller und präziser sein als klassische FTIR Ansätze. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung von GHz-Wiederholraten im Vergleich zu 100-MHz-Systemen wesentlich dazu beiträgt, die Ereignisrate und den Duty-Cycle (d.h. den Anteil einer Messung, der signifikante Daten trägt) einer Messung zu erhöhen (Ideguchi et al., 2013), (Mohler et al., 2017).

Direkter Zugang auf einzelne Moden - Eine weitere einzigartige Fähigkeit der GHz-Abstandskammlaser ist die Fähigkeit, Frequenzkämme zu erzeugen, deren Moden aufgelöst werden können, entweder direkt oder mittels moderater Modenfilterung. Der taccor x10 erzeugt einen Frequenzkamm mit 10 GHz Abstand, der mit einem einfachen Gitterspektrometer direkt räumlich aufgelöst werden kann. Das obere der zwei Bilder weiter unten zeigt eine Teilmenge benachbarter 10-GHz Moden, die mit einer CCD-Kamera aufgenommen wurden. Das untere der beiden Bilder zeigt die gleichen Moden, aber hier sind die mittleren Moden durch einen Raumfilter blockiert. Solche Setups können in verschiedenen Szenarien wie die sogenannte arbitrary optical waveform generation, zur Bestimmung von spektralen Fingerabdrücken bestimmter Materialien oder zur Spektroskopie mit einzelnen isolierten Moden eingesetzt werden.

Es hat sich erwiesen, dass die Leistung in einer einzelnen Mode des taccor x10 sogar 1mW überschreiten kann, was mehr als genug Leistung ist, um z.B. Sättigungsabsorptionsspektroskopie an Rb-Dampf (Heinecke et al., 2009) durch zu führen. Die folgende Animation zeigt einige Moden aus einem taccor x10, die nach der Übertragung durch eine Rb-Dampfzelle aufgelöst wurden, während die Wiederholrate gescannt wird, damit der Bereich um die D2-Absorptionslinie abgetastet wird.

Eine weitere Anwendung, die von einem großen Modenabstand in Kombination mit moderater Fabry-Perot (FP)-Kavitätenfilterung profitiert, ist die Erzeugung von Frequenzkämmen zur Kalibration von Spektrographen in Astroteleskopen, auch Astrokämme genannt. Diese Geräte benötigen typischerweise unterschiedliche Modenabstände von mehreren GHz in verschiedenen Wellenlängenbereichen und bevorzugen eine Quelle, von der aus alle Bereiche gleichzeitig bedient werden können. Darüber hinaus sollte nur eine moderate Filterung eingesetzt werden. Zuletzt haben verschiedene Gruppen durch Arbeiten gezeigt, dass Kammlaser mit einer Wiederholrate von 1 GHz nahezu optimal erscheinen. Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel zur  Spektrographenkalibration in der Astronomischen Spektroskopie.

Referenzen:

1. Ideguchi T. et al., 2013. Adaptive real-time dual-comb spectroscopy. Nature. Vol 502, p355

2. Mohler K. et al., 2017. Dual-comb coherent Raman spectroscopy with lasers of 1-GHz pulse repetition frequency. Opt. Lett. Vol 42, p318

3. Heinecke D.C. et al., 2009. Optical frequency stabilization of a 10 GHz Ti:Sapphire frequency comb by saturated absorption spectroscopy in 87Rubidium. Phys. Rev A80, 053806

 

Wellenlängendurchstimmbarer Frequenzkamm

In der Standardkonfiguration wird in einem taccor comb System ein taccor power verwendet, welcher eine Zentralwellenlänge um 800 nm erzeugt womit das Superkontinuum erzeugt wird. Einige Kundenanfragen haben allerdings einen durchstimmbaren Laser verlangt, der es den Kunden ermöglichte, entweder eine phasenstabilisierte hohe Ausgangsleistung bei der durchstimmbaren Laserwellenlänge zu erzielen und/oder die Ausgangsleistung einer Superkontinuumfaser durch Abstimmung der Eingangswellenlänge an spezifische Anforderungen anzupassen. Dies wurde mit einem taccor tune 10 für einen Wellenlängenbereich von 770 nm bis 790 nm realisiert, um eine Anwendung in der Quantenoptik zu ermöglichen. Das folgende Bild zeigt die Stabilität der Offsetfrequenz, wenn der taccor an den beiden Enden des angefragten Wellenbereiches verwendet wird.

Der verfügbare Wellenlängenbereich ist hierbei auf ~20 nm begrenzt, da die im verwendeten f-2f-Interferometer befindliche photonische Kristallfaser für andere Wellenlängen kein Oktavbreites Spektrum mehr erzeugt. Es ist jedoch möglich, den verfügbaren Wellenlängenbereich, z.B. auf 840 nm bis 860 nm mit Hilfe einer angepassten SC-Faser und eines anderen Interferometers zu legen.

Maßgeschneiderte Superkontinuumgeneration

Durch die Zusammenarbeit mit Herstellern von photonischen Kristallfasern konnten spezielle Kundenwünsche mit maßgeschneiderten Ausgangsspektren realisiert werden. Das folgende Beispiel zeigt das kürzlich realisierte Ergebnis, Laserlicht zwischen 500 nm und 750 nm mit weniger als 5 dB Leistungsabweichung zu erhalten. Die durchschnittliche Leistung der Faser betrug 115 mW und die Leistung pro Mode liegt zwischen 100 nW und 1 µW zwischen 495 nm und 840 nm. 

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