Diodenlaser für quantenoptische Präzisionsmessungen im Weltraum

Das FBH hat mikro-integrierte Master-Oscillator-Power-Amplifier (MOPA)-Laser und Extended-Cavity-Diodenlasermodule (ECDL) für Experimente mit ultrakalten Rubidium-Atomen an Bord einer Höhenforschungsrakete entwickelt. Diese soll 2013 vom Startplatz Esrange in Schweden starten. Das MOPA-Konzept basiert auf einem in Hinblick auf eine geringe Linienbreite optimierten Distributed-Feedback- (DFB) oder Distributed-Bragg-Reflector (DBR)-Laser mit geringer Ausgangsleistung und Nachverstärkung mit einem separaten Verstärkerchip. Das ECDL-Konzept benutzt die optische Rückkopplung eines externen optischen Gitters. Damit können mehrere Zentimeter lange Resonatoren realisiert werden, die eine Reduktion der linearen spektralen Dichte des Frequenzrauschens um 1 bis 2 Größenordnungen im Verhältnis zu monolithischen Lasern ermöglichen.

Mithilfe von hybriden Mikro-Integrationsverfahren werden Laserchip, Optiken und elektronische Komponenten auf einer Aluminiumnitrid-Keramik aufgebaut. Diese nimmt ein Volumen von nur 8 x 2,5 x 1,5 cm³ ein und besitzt damit einen um drei Größenordnungen geringeren Formfaktor. Beide Modultypen vermeiden strikt den Einsatz beweglicher Komponenten, die in kommerziellen Systemen üblich sind. Damit erreichen sie die hohen Anforderungen an die mechanische Stabilität der Systeme, die der Einsatz an Bord einer Höhenforschungsrakete stellt. Die MOPA-Module haben bereits Vibrationstests bis 8 g_RMS überstanden, was einer vergleichbaren Belastung beim Start einer Höhenforschungsrakete entspricht. Tests mit noch höherer Belastung sind in Vorbereitung.

Die MOPA-Module liefern Ausgangsleistungen von über 1 W bei 780,24 nm. In Abhängigkeit vom verwendeten Master-Oscillator-Chip werden Kurzzeitlinienbreiten (10 µs) von unter 1 MHz und intrinsische Linienbreiten von einigen 10 KHz erreicht. Der ECDL liefert Ausgangsleistungen von typisch 50 mW mit einer Kurzzeitlinienbreite von deutlich unter 100 kHz und intrinsischen Linienbreiten von nur wenigen kHz. Das Modul ist damit auch für Anwendungen geeignet, die höchste Anforderungen an die spektrale Stabilität stellen. Der Laser kann thermisch mit Zeitkonstanten unter 1 Sekunde um etwa 80 GHz grob durchgestimmt werden, die spektrale Feinabstimmung erfolgt über den Injektionsstrom.

Die MOPA- und ECDL-Technologie kann auf andere Wellenlängen zwischen 650 nm und 1100 nm übertragen werden. Zurzeit wird der Einsatz dieser Technologie für die Realisierung portabler optischer Uhren genutzt.

Publikationen:

E. Luvsandamdin, G. Mura, A. Wicht, A. Sahm, S. Spießberger, H. Wenzel, G. Erbert and G. Tränkle, "Micro-integrated ECDLs for precision spectroscopy in space", Int. Conf. on Space Optical Systems and Applications (ICSOS 2011), Santa Monica, USA, May 11-13, pp. 383-385 (2011).

FBH-Forschung: 13.03.2012