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Versatile and robust Yb:fiber lasers for single and dualcomb applications

Jakob Fellinger

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (DissG: Physik)

Betreuer*in

Oliver Heckl

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DOI

10.25365/thesis.69682

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-11110.88012.317230-5

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Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Optische Frequenzkämme, die ursprünglich als hochpräzises Messinstrument für optische Frequenzen erfunden wurden, sind seit kurzem auch ein unverzichtbarer Bestandteil der optischen Spektroskopie. Der Schritt vom Labor hin zu Feldanwendungen stellt jedoch eine große Herausforderung dar. Die für die Frequenzkammspektroskopie verwendeten hochempfindlichen Lichtquellen reagieren normalerweise dramatisch auf reale Umwelteinflüsse wie Vibrationen oder Temperaturschwankungen. Diese Arbeit beschreibt die Erzeugung robuster optischer Frequenzkämme auf der Basis polarisationerhaltender Faserlaser und deren Optimierung hinsichtlich Stabilität und Rauschverhalten. Wir präsentieren die Entwicklung eines polarisationserhaltenden Ytterbium-dotierten Faserlasers, modengekoppelt unter Verwendung eines nichtlinearen Verstärkungsschleifenspiegels in Reflexion in Kombination mit einem nichtreziproken Phasenschub - auch bekannt als "figure-9"Laser. In den letzten Jahren wurden verschiedene Implementierungen von figure-9 Lasern präsentiert. Eine detaillierte Analyse des Rauschverhaltens und sowie der Betriebsbedingungen des Lasers, die das niedrigste passive Rauschen hervorrufen, stand bisher jedoch noch aus. Um diese Lücke zu schließen, haben wir eine besonders vielseitige Version eines figure-9 Lasers entwickelt, mit der wir das Rauschverhalten als Funktion verschiedener Modenkopplungsregime charakterisieren können. Wir beschreiben im Detail, wie der Laser hinsichtlich Intensitäts- und Phasenrauschen optimiert werden kann und wie eine enge Linienbreite der freilaufenden Kammversatzfrequenz erhalten werden kann. Der hier vorgestellte Laseraufbau bietet eine freilaufende Kammversatzlinienbreite von 9,75 kHz bei 1 s Integrationszeit, was nach unserem besten Wissen die engste Linienbreite ist, die bisher für diesen Lasertyp angegeben wurde. Als zweites Thema stellen wir eine neuartige Methode zur Erzeugung zweier Frequenzkämmen aus einem einzigen Laserresonator vor, mit dem Ziel, sogenannte Doppelkammspektroskopie durchzuführen - eine Spektroskopietechnik, die eine breite spektrale Abdeckung und schnelle Messzeiten kombiniert und daher für Anwendungen außerhalb der Laborumgebung besonders vielversprechend ist. Das hier vorgestellte neuartige Verfahren besteht darin, einen flexiblen mechanischen Spektralfilter im Laser zu implementieren, der die Erzeugung von zwei Pulszügen mit leicht unterschiedlichen Farben und Wiederholungsraten aus einem einzelnen Faserlaser ermöglicht. Dieser flexible Ansatz bietet zwei wesentliche Vorteile: die Möglichkeit, den Unterschied in den Wiederholungsraten sowie die spektrale Trennung der beiden Pulszüge abzustimmen. Durch das Kombinieren der Stabilität und Robustheit des figure-9 Laserdesigns mit der durchstimmbaren mechanischen Spektralfiltermethode wurde ein polarisationserhaltender Zweifarbenlaser mit einem einzigen Laserresonator realisiert, dessen Funktionalität in einem ersten Doppelkammversuch zum Nachweis des Prinzips demonstriert wurde.

Abstract

(Englisch)

Optical frequency combs, which were originally invented as a high-precision measuring instrument for optical frequencies, have recently also become an indispensable part of optical spectroscopy. This thesis describes the generation of robust optical frequency combs based on all-polarization maintaining (PM) fiber lasers and how to optimize them for stability and noise performance. We present the development of an all-PM Ytterbium-doped fiber laser mode-locked using a nonlinear amplifying loop mirror (NALM) in reflection combined with an nonreciprocal phase bias - also called "figure-9" laser. We have developed a particularly versatile figure-9 laser version, that allowed us to characterize the noise behavior as a function of different mode-locking regimes. We give a detailed description of how to optimize the laser in terms of intensity noise and timing jitter as well as how to obtain a narrow linewidth of the free-running comb offset frequency. The laser setup presented here offers a free-running comb offset linewidth of 9.75~kHz at 1~s integration time, which is, to the best of our knowledge, the narrowest linewidth reported so far for this laser type. As a second topic, we present a novel method to generate two frequency combs out of a single laser cavity with the goal to perform so-called dual-comb spectroscopy - a spectroscopy technique that combines broad spectral coverage and fast acquisition times and shows particular promise applications outside of the laboratory environment. The novel method presented here consists of implementing a flexible mechanical spectral filter inside the laser, enabling the generation of two pulse trains with slightly different colors and repetition rates out of one single fiber laser. This flexible approach holds two key advantages: the possibility to tune the difference in repetition rates as well as the spectral separation of the two pulse trains. By merging the stability and robustness of the figure-9 laser design with the tunable mechanical spectral filtering method, we realized an all-PM single-cavity dual-color laser whose functionality is demonstrated in a first proof-of-principle dual-comb experiment.

Autor*innen

Jakob Fellinger

Haupttitel (Englisch)

Versatile and robust Yb:fiber lasers for single and dualcomb applications

Paralleltitel (Deutsch)

Vielseitige und robuste Yb:Faserlaser für Einzel- und Doppelkammanwendungen

Publikationsjahr

2020

Umfangsangabe

xii, 155 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Andrius Baltuška ,

Thomas Südmeyer

Klassifikationen

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,

33 Physik > 33.18 Optik

AC Nummer

AC16381021

Utheses ID

59235

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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Schlagwörter