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Spectroscopy inside the cavity of a two mode laser

Authors
  • Scherer, Benjamin
Publication Date
Jan 01, 2013
Source
Fraunhofer-ePrints
Keywords
Language
English
License
Unknown
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Abstract

In dieser Arbeit wird eine neuartige hochsensitive Methode vorgestellt, die sich durch die Messung eines absorbierenden Mediums in dem externen Resonator eines zweimodigen Diodenlasers auszeichnet. Dabei wird die enorme Empfindlichkeit eines Zweimoden-Lasers auf Störungen des Modenwettbewerbs genutzt. Kleinste, spektral schmalbandige Verluste, die nur eine Mode betreffen, führen zu einer signifikanten Umverteilung der Photonenzahlen von dieser Mode in die zweite Mode. Auf diese Weise kann das Absorptionssignal verstärkt und damit die Sensitivität erheblich erhöht werden. Die Herausforderung dieser Messmethode besteht in der Schwierigkeit, den Modenwettbewerb derart zu kontrollieren, dass sowohl eine stabile Oszillation auf zwei Moden gewährleistet ist, diese jedoch gleichzeitig sehr empfindlich auf gezielt herbeigeführte Störungen der Laserdynamik reagiert. Dafür ist ein präzises Gleichgewicht der Verlustraten und der Verstärkung beider Moden notwendig. Die Schlüsselinnovation dieser Arbeit besteht in der Kontrolle des Modenwettbewerbs durch optische Injektion kohärenten Lichts in eine der beiden Moden. Auf diese Weise kann über die Frequenz und Leistung des injizierten Lichts die relative Stärke beider Moden im Wettbewerb miteinander sehr schnell und hoch präzise geregelt werden, wobei trotzdem sowohl eine stabile Zweimoden-Oszillation, als auch eine modensprungfreie Frequenzabstimmung einer Mode ermöglicht wird. Die vorliegende Arbeit beinhaltet eine detaillierte experimentelle Charakterisierung des Analysesystems. Desweiteren konnte mithilfe eines Ratengleichungsmodells für den zweimodigen Diodenlaser, das sowohl Modenkopplung, optische Injektion als auch zusätzliche schmalbandige Absorptionsverluste durch einen Analyten berücksichtigt, die Reaktion des Zweimodensystems auf zusätzliche Analytabsorptionen detailliert beschrieben werden. Die Sensitivität und spektrale Charakteristik wurde anhand einer Absorptionsmessung des Sauerstoff A-Bandes demonstriert, wobei eine Erhöhung der Sensitivität um einen Faktor von 2000 erzielt werden konnte. Auf diese Weise konnte eine effektive Absorptionslänge von über 200 m in einem Laserresonator mit nur 10 cm Länge realisiert werden. Im Gegensatz zu spektroskopischen Methoden basierend auf passiven Resonatoren, ist die Sensitivität der in dieser Arbeit vorgestellten Methode nahezu unabhängig von breitbandigen Verlusten innerhalb des Resonators und daher auch für Messumgebungen mit hohen Staub- oder Aerosolkonzentrationen geeignet. Da keine spektral hochaufgelöste Analyse des Lasers notwendig ist, eignet sich die vorgestellte Methode für die Entwicklung hoch sensitiver, miniaturisierter spektroskopischer Analysesysteme.

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