Miniaturisierte Diodenlaser mit externem Resonator, die bei 633 nm emittieren – ideale Quellen für die absolute Abstandsinterferometrie und Atomspektroskopie
Abb. 1: Modell der mikrooptischen Bank
Abb. 2: Prinzipskizze der Wellenlängedurchstimmbarkeit im ECDL
Abb. 3: (a) Strom-Leistungs-Kennlinien, (b) optisches Spektrum, (c) Linienbreite ECDL bei Eingangsströmen bis 80 mA
Interferometrische Messung von absoluten Abständen erfordern monomodige, durchstimmbare Lichtquellen und, je nach Messbereich und/oder Frequenzstabilität, eine geringere Linienbreite. So ermöglichen beispielsweise rote Laser mit einem Durchstimmbereich von 25 GHz und einer Linienbreite von 10 MHz Entfernungsmessungen mit hoher Präzision im nm-Bereich. Aufgrund von Laserschutzvorschriften für Abstandsmessungen ist der sichtbare Wellenlängenbereich um 635 nm überaus interessant. Laser mit den genannten Eigenschaften werden zudem für die Atomspektroskopie (z.B. 127I2-Spektroskopie) benötigt.
Für diese Anwendungen wurde am Ferdinand-Braun-Institut ein mikrointegrierter durchstimmbarer Diodenlaser im externen Resonator (engl. External Cavity Diode Laser – ECDL) mit einem reflektierenden Volumen-Bragg-Gitter (RBG) entwickelt. Als aktives Medium kommt eine Laserdiode (LD) zum Einsatz, die im Wellenlängenbereich um 633 nm emittiert. Der optische Resonator wird zwischen der vorderen Facette der Laserdiode und der Oberfläche des RBG gebildet. Zwei Gradienten-Index-Linsen, GRIN 1 und 2 kollimieren den Strahl im Resonator beziehungsweise am Ausgang des Bauelements. Der Diodenlaser verfügt dank eines Mikro-Peletier-Elements über ein integriertes Wärmemanagement. Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau der Mikrobank, die auf einer 10 mm x 5 mm großen AlN-Grundplatte montiert wird. Die Montage des Lasermoduls erfolgt sowohl durch passives Ausrichten und Bonden mit einem Flip-Chip-Bonder (Stromschienen, Peltier-Element, Submounts, Laser, Thermistor, Glaskörper) als auch durch aktives Ausrichten und Kleben mit UV-härtendem Klebstoff (Linsen, RBG).
Für den monomodigen Betrieb muss der freie spektrale Bereich des optischen Resonators (Δlres) größer sein als die Bandbreite des RBG (ΔlRBG) – vergleiche Prinzipskizze in Abb. 2. Das Reflektionsspektrum des RBG bleibt konstant, während die Fabry-Pérot-Moden mittels Variation des Eingangsstroms durch die Diode durchgestimmt werden.
Das ECDL-Konzept und die Aufbautechnologie wurden im Hinblick auf eine kommerzielle Produktrealisierung entwickelt. Des Weiteren lässt sich das Konzept auch auf andere Wellenlängen übertragen; durch die Verwendung kürzerer Laserchips und Linsen kann die Durchstimmbarkeit unkompliziert angepasst werden. Um die Linienbreite des ECDL genau bestimmen zu können, wurde erstmals ein Linienbreiten-Messplatz für den roten Spektralbereich am Ferdinand-Braun-Institut aufgebaut.
Publikationen
A. Bawamia, G. Blume, B. Eppich, A. Ginolas, S. Spießberger, M. Thomas, B. Sumpf, G. Erbert, "Miniaturized Tunable External Cavity Diode Laser with Single-Mode Operation and a Narrow Linewidth at 633 nm", accepted for publication in IEEE Photonics Technology Letters (2011).
B. Sumpf, A. Bawamia, G. Blume, B. Eppich, A. Ginolas, S. Spießberger, M. Thomas, G. Erbert, "Continuously current-tunable, narrow line-width miniaturized external cavity diode laser at 633 nm", submitted to SPIE Photonics West Conference 2012, San Francisco, California, US.
FBH-Forschung: 30.08.2011