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Rauscheigenschaften von passiv modengekoppelten Ytterbium-Faserlasern
Rauscharme Lasersysteme werden für zahlreiche Anwendungen wie unter anderem die optische Frequenzmetrologie benötigt. Obwohl Faserlaser im Vergleich zu herkömmlich genutzten Ultrakurzpuls-Titan:Saphir-Lasern schlechtere Rauscheigenschaften aufweisen, bieten sie dennoch entscheidende Vorteile wie die Justagefreiheit und geringe Kosten. Allerdings sind die Pulsenergien durch die hohen auftretenden nichtlinearen Effekte limitiert. Durch die Nutzung von „wave-breaking“-freien Pulsen in normal dispersiven Faserlasern ist es allerdings möglich die Pulsenergien gegenüber herkömmlichen Faserlasersystemen um bis zu eine Größenordnung zu erhöhen. Bezüglich der Rauscheigenschaften existieren für dieses Pulsregime jedoch bisher keine detaillierten Untersuchungen. In dieser Arbeit wurde ein entsprechendes Lasersystem realisiert, und es konnte durch einen Vergleich eines analytischen Modells zur Berechnung der Quantenrauscheinflüsse mit numerischen Simulationen geklärt werden, dass das analytische Modell die Quantenrauscheinflüsse um bis zu 14 dB unterschätzt. Eine Messung des entsprechenden Phasenrauschens der Repetitionsrate zeigte eine optimale Übereinstimmung mit den Ergebnissen der numerischen Simulationen, wodurch gezeigt werden konnte, dass die Rauscheinflüsse nur durch Quantenfluktuationen dominiert waren. Zur vollständigen Charakterisierung der Rauscheigenschaften wurden zusätzlich das Phasenrauschen einer optischen Linie und das Rauschen der Schlupffrequenz (CEO-Frequenz) untersucht. Diese beiden Parameter sind über das Gummiband-Modell eng miteinander verknüpft. Es konnte gezeigt werden, dass resultierend aus den dominierenden Quantenrauscheinflüssen das optische Phasenrauschen im Vergleich zu dem Rauschen der CEO-Frequenz deutlich niedriger war, und dass der Fixpunkt des Gummibandes innerhalb des optischen Spektrums lag. Entsprechend war die spektrale Rauschleistungsdichte der CEO-Phasenfluktuationen einen Faktor (?opt/fRep)2 (˜ 140 dB) größer als die der Phasenfluktuationen der Repetitionsrate, wodurch sich eine CEOFrequenz- Linienbreite von ca. 3MHz ergab. Insgesamt konnte erstmals experimentell und theoretisch gezeigt werden, dass Faserlaser aufgrund ihrer limitierten Pulsenergie, der großen Pulsdauer und der hohen resonatorinternen Verluste sehr starken Einflüssen von Quantenrauschen unterliegen, woraus sich ein erhöhter zeitlicher Jitter und hohe CEOFrequenz- Linienbreiten im MHz-Bereich ergeben können. Durch die gewonnenen Erkenntnisse war es möglich, ein neues Konzept für die Realisierung eines sehr rauscharmen Femtosekunden-Faserlasers zu formulieren. Abstract Ultrafast low-noise lasers are used in optical frequency metrology and various other applications. Although ultrafast fiber lasers have unfavorable noise characteristics compared to commonly used Titanium-sapphire lasers, they offer a variety of essential advantages. Fiber lasers are alignment insensitive and cost effective. However, in fiber lasers the pulse energy is limited due to the strong nonlinear effects inside the fiber. This drawback can be overcome by generating wave-breaking free pulses in all-normal dispersion fiber lasers. This class of fiber lasers enables one order of magnitude higher pulse energies compared to conventionally used fiber lasers. But so far, there have been no detailed investigations on the noise characteristics of all-normal dispersion fiber lasers. In this thesis an all-normal dispersion Ytterbium fiber laser operating in the wave-breaking free pulse regime was realized. The experimentally determined timing jitter of the fiber laser excellently agrees with the results of a numerical model for the quantum noise of the laser, whereas a simple analytical model underestimates the noise spectral density by ˜14 dB. The excellent agreement between the numerical model and experimental results proves that the phase noise of the laser system was dominated by quantum noise sources instead of technical noise sources. To achieve a complete noise characterization, the phase noise of an optical line and the noise of the carrier-envelope-offset (CEO) frequency were measured, which are both closely connected by the rubber-band model. Due to the dominating quantum noise, the optical phase noise was much smaller than the CEO-phase noise leading to a fixpoint of the rubber-band within the optical spectrum. Therefore, the power spectral density of the CEO-phase noise was larger by a factor of (?opt/fRep)2 (˜ 140 dB) compared the power spectral density of the timing phase noise resulting in a CEO-frequency linewidth of ˜3MHz. In conclusion, it was experimentally as well as theoretically demonstrated that fiber lasers in general underlie stronger influence of quantum noise leading a high timing jitter and to CEO-frequency linewidths of several MHz. The major quantum noise sources in these laser systems were identified to be the limited pulse energy, the long pulse durations and high cavity losses. Based on the results and theoretical considerations of this thesis, a novel concept for an ultra low-noise fiber laser is proposed.
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