Injektionsstabilisierung von Laserdioden

Diplomarbeit von Harald Rhode

Zusammenfassung:

In der vorliegenden Arbeit wurde Aufbau und Betrieb eines injektionsstabilisierten Diodenlasersystems vorgestellt.

Es wurden neben den allgemeinen Laserdiodeneigenschaften die speziellen und extrem vielfältigen Verhältnisse der Injektionsstabilisierung bezüglich Fangbereich und Stabilität theoretisch sowohl analytisch als auch numerisch untersucht. Die experimentellen Ergebnisse liegen in guter übereinstimmung mit der Theorie.

Der Aufbau eines Diodenlasersystems in Littrow-Anordnung, welches sowohl für die Hochleistungsdiode als auch für die Führungsdiode geeignet ist, wurde vorgestellt. Da bei der Führungsdiode die Langzeitstabilität nur eine sehr untergeordnete Rolle spielt, wird die Führungsdiode nur mit Hilfe eines Gitters auf eine Linienbreite im Bereich einiger 100 kHz reduziert.

Beide Laserdioden haben eine elektronisch stabilisierte Stromversorgung und werden mit Peltierelementen gekühlt. Dabei wird die Temperatur mit elektronischen Reglern auf +-10 mK konstant gehalten.

Zuerst wurden die Eigenschaften der Hochleistungsdiode ohne Injektionsstabilisierung beschrieben. Dort ist vor allem die Modenstruktur und das Strahlprofil im Vergleich zu handelsüblichen Laserdioden kleinerer Leistung auffällig. Weiterhin zeigt die Diode unter bestimmten Rückkopplungsbedingungen chaotische Amplitudenoszillationen.

Beim injektionsstabilisierten Betrieb läßt sich die Hochleistungsdiode auf die Moden des Führungslasers zwingen.

Die Güte der Ankopplung ist sehr stark vom Strom und der Temperatur der Hochleistungsdiode abhängig, da nur innerhalb eines kleinen Bereiches das Verstärkungsmaximum der Hochleistungsdiode auf der injizierten Frequenz liegt. Die beste Ankopplung wird bei 5C und 190 mA erzielt.

Bei höheren Injektionsstömen über 220 mA schwingen Eigenmoden der Hochleistungsdiode an und im Bereich von 300 mA ist zwar die injizierte Mode noch sichtbar, aber über 95% der Energie werden auf den Eigenmoden der Hochleistungsdiode emittiert.

Die maximale injektionsstabilisierte Leistung beträgt etwa 10 mW. Diese Leistung reicht aus, um das Experiment zur Spektroskopie am Barium deutlich zu verbessern.

Zum genaueren Studium wurde die Kopplung zweier Laserdioden mit 5mW Leistung untersucht.

Es wurde das Fangverhalten gemessen und festgestellt, daß der Fangbereich in der Größenordnung des theoretisch zu erwartenden Wertes liegt. Auch der theoretisch zu erwartende instabile Bereich wurde gefunden.

Aus den gewonnenen Daten läßt sich ein experimenteller Wert für den alpha-Parameter ermitteln.

Es wurde alpha zu 4.9+-1.7 bestimmt. Der Wert liegt im Bereich dessen, was andere Messungen für ähnliche Diodentypen ergaben, ein Literaturwert für die vermessenen Phillips CQL820D Laserdioden liegt nicht vor.

Bei Versuchen zur Injektionsstabilisierung zweier Phillips CQL 806D Dioden wird bei Lichtinjektion außerhalb der Resonanz eine Verschiebung der Wellenlänge des geführten Lasers nur in Abhängigkeit von der Intensität des injizierten Lichtes beobachtet. Es wird eine Verstimmung um bis zu 256 MHz pro mW injizierter Leistung beobachtet. Diese Verstimmung ist stark von der Wellenlängendifferenz zwischen dem eingestrahlten und dem emittierten Licht abhängig. Mit diesem Effekt können Laserdioden ohne die sonst üblichen Störungen durch (zusätzliche) Elektronik durchgestimmt werden.

Die Kopplung zweier Laserdioden sowohl im kohärenten als auch im inkohärenten Betrieb birgt eine reichhaltige Physik und zeigt vielfältige interessante Effekte, die für zukünftige Entwicklungen zu nutzen sind.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	3
2.	Spektroskopie am Ba+ Ion	7
2.1	Das Ba+Ion	7
2.2	Spektroskopie	8
3.	Laserdioden	11
3.1	Halbleiter als Lasermedium	11
3.2	Struktur der Laserdiode	16
3.2.1	Gewinn- und Indexgeführte Laserdioden	17
3.3	Spektrale Eigenschaften von Laserdioden	18
3.3.1	Allgemeines	18
3.3.2	Linienbreite einer Laserdiode	19
3.3.3	Longitudinale und transversale Modenselektion	21
4.	Frequenzstabilisierung von Diodenlasern	24
4.1	Optische Rückkopplung	24
4.1.1	Optische Rückkopplung mit einem Gitter	25
4.1.2	Optische Rückkopplung mit einem Resonator	26
4.2	Elektronische Rückkopplung	28
5.	Injektionsstabilisierung	31
5.1	Theoretische Behandlung	32
5.1.1	Stationäre Lösungen	34
5.1.2	Stabilitätseigenschaften	35
5.2	Experimentelle Beobachtungen	37
5.3	Laserdioden als optische Verstärker	38
5.3.1	Verstärker mit seitlichem Lichteinfall	39
5.3.2	Verstärker im Durchlichtbetrieb	40
6.	Aufbau des Lasersystems	43
6.1	Hochleistungsdiode ohne Stabilisierung	43
6.1.1	Aufbau	44
6.2	Hochleistungsdiode mit Stabilisierung	46
6.2.1	Aufbau	46
6.2.2	Justierung	47
6.2.3	Strahlformung	48
7.	Messungen mit dem Lasersystem	52
7.1	Hochleistungsdiode ohne Stabilisierung	52
7.1.1	Kennlinie	52
7.1.2	Temperaturverhalten	53
7.1.3	Modenstruktur und Strahlprofil	55
7.1.4	Spektrum	56
7.1.5	Chaotisches Verhalten	57
7.2	Hochleistungsdiode mit Stabilisierung	60
7.2.1	Ankopplungsverhalten	60
7.2.2	Spektrales Ankopplungsverhalten	62
8.	Kopplung zweier Kleinleistungsdioden	64
8.1	Messung des Fangbereichs	64
8.2	Messung des alpha -Faktors	69
8.3	Injektion ausserhalb der Resonanz	70
8.3.1	Hinweis zur Justierung	72
9.	Zusammenfassung und Ausblick	74
10.	Anhang	76
10.1	Die Optische Diode	76
10.2	Laserdioden-Stromquellen	77
	Geräteliste	81
	Literaturverzeichnis	81