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 (˜ 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.

Abstract
Ultrafast low-noise lasers are used in optical frequency metrology and various
other applications. Although ultrafast fiber lasers have unfavorable noise characteristics
compared to commonly used Titanium-sapphire lasers, they offer a
variety of essential advantages. Fiber lasers are alignment insensitive and cost
effective. However, in fiber lasers the pulse energy is limited due to the strong
nonlinear effects inside the fiber. This drawback can be overcome by generating
wave-breaking free pulses in all-normal dispersion fiber lasers. This class
of fiber lasers enables one order of magnitude higher pulse energies compared
to conventionally used fiber lasers. But so far, there have been no detailed
investigations on the noise characteristics of all-normal dispersion fiber lasers.
In this thesis an all-normal dispersion Ytterbium fiber laser operating in the
wave-breaking free pulse regime was realized. The experimentally determined
timing jitter of the fiber laser excellently agrees with the results of a numerical
model for the quantum noise of the laser, whereas a simple analytical model
underestimates the noise spectral density by ˜14 dB. The excellent agreement
between the numerical model and experimental results proves that the phase
noise of the laser system was dominated by quantum noise sources instead of
technical noise sources.
To achieve a complete noise characterization, the phase noise of an optical
line and the noise of the carrier-envelope-offset (CEO) frequency were measured,
which are both closely connected by the rubber-band model. Due to
the dominating quantum noise, the optical phase noise was much smaller than
the CEO-phase noise leading to a fixpoint of the rubber-band within the optical
spectrum. Therefore, the power spectral density of the CEO-phase noise
was larger by a factor of (?opt/fRep)2 (˜ 140 dB) compared the power spectral
density of the timing phase noise resulting in a CEO-frequency linewidth of
˜3MHz.
In conclusion, it was experimentally as well as theoretically demonstrated that
fiber lasers in general underlie stronger influence of quantum noise leading a
high timing jitter and to CEO-frequency linewidths of several MHz. The major
quantum noise sources in these laser systems were identified to be the limited
pulse energy, the long pulse durations and high cavity losses. Based on the results
and theoretical considerations of this thesis, a novel concept for an ultra
low-noise fiber laser is proposed.