Modellierung und Anwendung eines neuartigen Verfahrens zur aktiven Regelung und Kontrolle von Wellenlänge und Linienbreite eines Diodenlasers mit externem Resonator

Halbleiterlaser mit externer optischer Rückkopplung (external cavity diode laser, ECDL) sind aufgrund einer breiten Wellenlängenabdeckung, der Durchstimmbarkeit ihrer Emissionswellenlänge sowie einer geringen spektralen Linienbreite ein etabliertes und unverzichtbares Präzisionsinstrument in vielen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen. Unter der Fülle von Anwendungen stellen die Präzisionsspektroskopie, die Sensorik sowie die Domäne der Telekommunikation die prominentesten Disziplinen dar. Nahezu alle Anwendungen profitieren von der Möglichkeit einer stetigen und lückenlosen Wellenlängenänderung über einen weiten Bereich. Das Erreichen dieser großen modensprungfreien Durchstimmbereiche stellt aufgrund der Kopplung der Laserdiode an den externen Resonator eine experimentelle Herausforderung dar. In der vorliegenden Arbeit werden neuartige Verfahren präsentiert, die aufgrund eines aktiven Regelkreises die Resonanzbedingung des gesamten ECDLs permanent aufrechterhalten und somit das Erreichen großer modensprungfreier Durchstimmbereiche ermöglichen. Dabei dient der Polarisationszustand des Laserlichts als Träger der Resonanzinformation des ECDLs und somit als Fehlersignal der Regelung. Die Beschreibung dieses Signals auf Basis der ECDL-Ratengleichungen sowie ein Modell der polarisationsabhängigen Transmission durch die gekoppelten Resonatoren bildet das theoretische Fundament der Methoden. Die erfolgreiche Datenanpassung des Modells verifiziert die Beschreibung. Die präsentierten Verfahren sind universell einsetzbar und nicht an einen bestimmten Laserdioden-Typ gebunden. Die Limitierung der maximalen Wellenlängenänderung beruht lediglich auf technischen Einschränkungen wie beispielsweise der maximalen Piezo-Elongation. Durch die Anwendung der Verfahren wurden modensprungfreie Durchstimmbereiche von bis zu 130 GHz mit einer nicht antireflexbeschichteten Laserdiode bei einer Zentralwellenlänge von 785 nm erreicht. Neben der exemplarischen Demonstration dieses großen Durchstimmbereichs anhand der Spektroskopie stark druckverbreiterter Gase wurde mittels eines zweiten Regelkreises eine absolute Wellenlängenstabilisierung als weitere Anwendung realisiert. Basierend auf den Methoden der heterodynen Detektion erfolgte eine Charakterisierung der Linienbreite sowie der spektralen Komposition eines aktiv stabilisierten ECDLs. Dazu wurde ein theoretisches Modell der Schwebungsspektren an die gemessenen Daten angepasst. Die theoretische Beschreibung der dem Laserspektrum zugrunde liegenden Rauschprozesse wurde dabei erstmals um rotes Rauschen erweitert und umfasst zusammen mit dem weißen und rosa Rauschen somit insgesamt drei Rauschtypen. Die Evaluation der gemessenen Schwebungsspektren basierend auf diesem erweiterten Modell ergab im Fall aktiver Stabilisierung eine Linienbreite von (8,3 +/- 0,6) kHz respektive (12,2 +/- 4,8) kHz mit deaktiviertem Regelkreis. Darüber hinaus konnte die Linienbreite durch eine Änderung des Sollwertes der Regelung im Bereich von 8 kHz bis 20 kHz kontinuierlich variiert werden. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten neuartigen Stabilisierungsverfahren für ECDLs erlauben somit neben dem modensprungfreien Durchstimmen der Wellenlänge über einen weiten Bereich die kontrollierte Variation sowie Stabilisierung der Linienbreite des Lasers