Untersuchungen zur Frequenzstabilisierung von Faser- und Distributed-Feedback-Lasern für das Injection Seeding von optischen parametrischen Oszillatoren im nahen infraroten Spektralbereich

Abstract

Die Satelliten- oder Flugzeuggetragene Fernerkundung von Treibhausgasen wie Kohlenstoffdioxid (CO2) oder Methan (CH4) ist ein aktuelles Forschungsthema im Hinblick auf die globale Erderwärmung. Insbesondere besitzen IPDA-Lidarsysteme das Potential, hochgenaue Messungen als Eingangsgrößen für Modelle, die zur Beschreibung von Quellen und Senken der Treibhausgase dienen, zu liefern. Die Messgenauigkeit des Lidarsystems ist entscheidend von der Frequenzstabilität des ausgesandten Lichtpulses abhängig. Am DLR wird gegenwärtig ein Flugzeuggetragenes Lidar im nahen infraroten Spektralbereich auf Basis eines Optisch Parametrischen Oszillators (OPO) entwickelt. Zur spektralen Kontrolle des OPO wird hierbei die Methode des Injection Seeding verwendet. Um die erforderliche Langzeit-Frequenzstabilität der Ausgangspulse des OPO von 70 kHz (RMS) zu gewährleisten, muss die Frequenzstabilität der Seedlaser unter der geforderten Stabilität liegen. Ziel der Arbeit war es, einen kompakten und einfachen Messaufbau mit einer geeigneten Methode zur Frequenzstabilisierung von Seedlasern zu entwickeln. Zum Injection Seeding standen Faser- und DFB-Diodenlaser mit einer Zentralwellenlänge von ca. 1572 nm zur Verfügung. In einer Voruntersuchung wurden ihre Lasereigenschaften charakterisiert. Dabei wurde ein Frequenzkamm als absolute Referenz zur Messung der Laserfrequenz verwendet. Im Anschluss wurden die Seedlaser auf den Frequenzkamm frequenzstabilisiert, wobei die geforderte Frequenzstabilität um über das 100-fache unterschritten wurde. Aufgrund seiner Größe und hohen Empfindlichkeit gegenüber mechanischen und akustischen Störungen eignet sich der Frequenzkamm jedoch bisher noch nicht für den Einsatz im Flugbetrieb. Ein deutlich kleinerer Messaufbau zur Frequenzstabilisierung der Seedlaser konnte mit einem konfokalen Fabry Pérot Interferometer (FPI) bzw. mit einer CO2-Gas gefüllten Multipass-Absorptionszelle realisiert werden. Als Referenz zur Frequenzstabilisierung wurde hierbei eine longitudinale Mode des FPI oder eine Absorptionslinie von CO2 bei 1572 nm verwendet. Zur Stabilisierung der Laser auf die FPI-Mode wurde die Frequenzmodulationstechnik gewählt. Neben der Frequenzmodulationstechnik wurde auch die Side-of-Fringe Technik zur Stabilisierung der Laserfrequenz auf die Absorptionslinie angewandt. Für kurze Messzeiten lieferte die Methode der Frequenzstabilisierung des Faserlasers auf eine FPI-Mode die besten Ergebnisse. Infolge von Frequenzdrifts der FPI-Moden im MHz-Bereich erreichte der Laser jedoch nicht die gewünschte Langzeitstabilität. Um diese Frequenzsdrifts zu minimieren, wurde eine digitale Regelung zur Frequenzstabilisierung der FPI-Moden entwickelt. Diese basiert auf einem Vergleich zwischen der Position der FPI-Moden bezüglich einer CO2-Absorptionslinie. Die resultierende Frequenzstabilisierung des Faserlasers auf eine FPI-Mode unterschritt mit bis zu 33kHz (RMS) die geforderte Stabilität deutlich. Als Ergebnis dieser Arbeit kann eine vergleichsweise einfache und zuverlässige Methode zur Frequenzstabilisierung eines Faserlasers vorgestellt werden, die prinzipiell für den Einsatz in einem Flugzeug- bzw. Satellitengetragenen Lidarsystem geeignet ist