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Interferometric autocorrelation via 2-photon absorption in the near-IR spectral region
Felix Harfmann
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Oliver H. Heckl
DOI
10.25365/thesis.78194
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-17487.40033.353085-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Arbeit beschreibt die theoretische Basis sowie praktische Umsetzung eines interferometrischen Autokorrelators zur Messung der Pulsbreiten von moden-gekoppelten Lasersystemen, wie beispielsweise optischen Frequenzkämmen. Das System basiert auf der Zwei-Photonen-Absorption (2PA) in Halbleitern als nichtlinearem Prozess, der zur Charakterisierung der Pulsdauer benötigt wird. Bei 2PA wird die Bandlückenenergie des Halbleiters durch zwei nahezu gleichzeitig eintreffende Photonen über einen virtuellen Quantenzustand überbrückt. Auf diese Weise kann die Pulsmessung über weite Wellenlängenbereiche hinweg durchgeführt werden, indem ein Detektor gewählt wird, welcher im gewünschten Wellenlängenbereich 2PA sensitiv ist. Während Siliziumdetektoren für 2PA im Telekommunikationswellenlängenbereich von etwa 1.5 µm geeignet sind, kann das Konzept mit Hilfe von Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) Detektoren in den mittleren Infrarotbereich erweitert werden, welcher von besonderem Forschungsinteresse ist, da eine Vielzahl an verschiedenen Molekülen ihre charakteristischen Absorptionslinien aufweist. Der Aufbau eines kollinearen Michelson-Interferometers, das Design und Erstellung des Detektors unter Verwendung handelsüblicher p-n-Photodioden sowie die darauffolgende Verstärkung mittels kommerziell erhältlicher Mikroelektronik wird erläutert. Die maximal messbare Pulsdauer hängt von der Maximalauslenkung der Verzögerungsstufe ab, welche in diesem Fall aus einem simplen Lautsprecher besteht, welcher von einem Signal-Generator angetrieben wird. Zwei verschiedene Methoden zur Bestimmung der Pulsbreite werden verwendet: Der interferometrische Ansatz, bei dem Interferenzmaxima gezählt werden sowie der Ansatz der üblichen Intensitätsautokorrelation, welcher eine zusätzliche Charakterisierung und Kalibrierung der Verzögerungseinheit erfordert. Die Pulsqualität kann mit Hilfe eines einfachen Verfahrens bewertet werden, bei dem der experimentell ermittelte Wert des Zeit-Bandbreiten-Produktes mit seinem transformation-limitierten Pendant verglichen wird. Die Pulsdauer wurden für ein Erbium-Dual-Comb-Lasersystem ermittelt, das bei einer zentralen Wellenlänge von ? = 1570 nm emittiert und dabei spektrale Breiten von ?? = 17.26 nm bis ?? = 20.1 nm aufweist. Unter Verwendung einer handelsüblichen Silizium-Photodiode konnten Pulsbreiten von etwa 240 fs bestimmt werden. Darüber hinaus wurde versucht, die Abhängigkeit der Pulsdauer bei Erhöhung der Pumpströme in den einzelnen Verstärkerstufen zu charakterisieren, wobei hierbei unerwünschtes Multipulsing beobachtet werden konnte. Zudem wurden Messungen der Pulsdauer an einem Lasersystem auf Basis eines verstärkten, Ytterbium-dotierten NALM Lasers versucht. Hierbei kam ein eigens gebauter Detektor inklusive eines selbstentwickelten Transimpedanzverstärkers zum Einsatz. Leider erwies sich das in der Photodiode induzierte nichtlineare Signal als zu schwach, um verlässliche Aussagen über die Pulsdauer dieses Lasersystems treffen zu können.
Abstract
(Englisch)
This thesis describes the theoretical background and practical implementation of an interferometric autocorrelation setup for the retrieval of pulse widths of mode-locked laser systems such as optical frequency combs. The system relies on 2-photon absorption (2PA) in semiconductors as the nonlinear process required for pulse width characterization. In 2PA, the energy bandgap of the semiconductor is bridged state by 2 quasi-simultaneously arriving photons via an intermediate virtual quantum state. This enables the possibility of pulse characterization across different wavelength regimes by simply choosing a detector whose bandgap energy allows for 2PA. While readily available silicon detectors are well suited for 2PA in the established wavelength for fiber-optic telecommunication, approximately 1.5 µm, Indium Gallium Arsenide (InGaAs) detectors can extend the application of this method into the mid-infrared, a spectral region of research interest due to a wide range of molecules having their characteristic absorption lines in this regime. The setup of a collinear Michelson-Interferometer, as well as the design and construction of a detector mechanism using commercially available p-n photodiodes and finally amplification using commercially available microelectronics is outlined. The maximum pulse duration that can be measured depends on the maximum displacement of the delay stage, which in this case comprises a loudspeaker powered by a signal generator, allowing for characterization of pulses up to ˜ 1.3 ps. Two different ways to measure the pulse width are presented; the interferometric autocorrelation approach, which relies on counting of interference fringes, as well as the intensity autocorrelation approach, requiring additional characterization and calibration of the interferometers delay stage. Pulse quality is characterized using a simple approach which compares the experimentally computed value for the time-bandwidth product with its transform-limited counterpart. Pulse durations were retrieved for an Erbium Dual-Comb laser system emitting at a center wavelength of ? = 1570 nm with spectral widths varying between ?? = 17.26 nm and ?? = 20.1 nm using a commercially available silicon photodiode, yielding FWHM pulse widths of about 240 fs. Additionally, we aimed to characterize the change in pulse duration as pump currents of the individual amplification stages were increased, but unfortunately an undesired onset of multi-pulsing was observed. Pulse duration measurements were also attempted for a laser system based on an amplified Ytterbium-doped nonlinear amplifying loop mirror with non-reciprocal phase bias using a homebuilt detector, including a homebuilt transimpedance amplifier. Unfortunately the nonlinear signal induced in the photodiode was too weak to make accurate statements about pulse duration of this laser system.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Optische Autokorrelation Zwei-Photonen-Absorption
Schlagwörter
(Englisch)
Optical Autocorrelation 2-Photon Absorption
Autor*innen
Felix Harfmann
Haupttitel (Englisch)
Interferometric autocorrelation via 2-photon absorption in the near-IR spectral region
Paralleltitel (Deutsch)
Interferometrische Autokorrelation mittels 2-Photonen Absorption im Nahinfrarot Spektralbereich
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
44 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Oliver H. Heckl
Klassifikation
33 Physik > 33.38 Quantenoptik. nichtlineare Optik
AC Nummer
AC17494269
Utheses ID
74327
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |