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Spectroscopy inside the cavity of a two mode laser

Spektroskopie in dem Resonator eines Zweimoden-Lasers
 
: Scherer, Benjamin

:
Fulltext ()

Freiburg/Brsg., 2013, 186 pp.
Freiburg/Brsg., Univ., Diss., 2012
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-89069
English
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IPM ()
laser; absorption spectroscopy; intracavity spectroscopy; tunable diode laser absorption spectroscopy; abstimmbarer Laser; Spektroskopie; VIS-Spektroskopie; NIR-Spektroskopie; optische Spektroskopie

Abstract
In this thesis, a spectroscopic technique is presented to enhance the sensitivity of absorption measurements by placing the absorbing analyte inside the cavity of a two mode laser. If only one mode is affected by the additional intracavity absorption loss, mode competition is disturbed and a redistribution of the optical power in both modes is obtained. As a consequence, the absorption signal is enhanced and thus the sensitivity is significantly increased.
The main challenge of this measurement technique is to balance the laser losses and laser gain in both modes with large enough precision. Stable two mode laser oscillation has to be assured and at the same time the two mode system has to be very sensitive to additional perturbations of the laser dynamics caused by the additional absorption loss.
The key innovation of this work is to control the mode competition between both lasing modes by optical injection of coherent light in one of the two modes. This way, the relative strength in mode competition of both modes can be adjusted with large precision via the frequency and the optical power of the injected light. In addition, stable two mode oscillation and mode hop-free frequency tuning is achieved.
This work contains an extensive experimental characterization of the new spectroscopic measurement technique. In addition, a rate equation model for a two mode diode laser has been developed that includes effects of mode coupling by spatial hole burning, optical injection as well as additional intracavity absorption losses on one of the two modes. The sensitivity and spectral characteristics of the new measurement technique were demonstrated experimentally by measuring an absorption line of the oxygen A-band. Here, an enhancement in sensitivity with an enhancement factor in excess of 2000 could be achieved. This way, an effective absorption pathlength of 200 m could be reached inside a laser cavity with only 10 cm length.
In contrast to spectroscopic methods based on passive cavities, the method presented in this thesis is almost insensitive to broadband losses inside the cavity affecting both modes in the same manner. Therefore it is well suited for measurements in hostile environments containing large amounts of dust or aerosol particles. As there is no need for any high-resolution spectral analysis of the lasers output spectrum, the new spectroscopic method is well adapted for the development of highly sensitive miniaturized spectroscopic measurement systems.

 

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.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-234148.html