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 (ż 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.