Modenkopplung

Modenkopplung (englisch: mode locking) ist die Synchronisation der im Laser schwingenden Eigenzustände (Moden) zur Erzeugung von extrem kurzen Lichtpulsen bis in den Femtosekunden-Bereich. Der Begriff Modenkopplung rührt daher, dass bei einer möglichst großen Anzahl von Moden eine konstante Phasenbeziehung zueinander angestrebt wird. Die einzelnen Moden sind dann phasengekoppelt.

Bandbreite und Modenanzahl

Die Bandbreite eines Lasers wird in erster Linie vom verwendeten Lasermedium bestimmt. Die Verstärkungsbandbreite eines Helium-Neon-Lasers (Wellenlänge λ=632,8 nm) liegt bei ca. 0,002 nm. Es existieren aber auch extrem breitbandige Lasermedien wie z.B. der Titan-Saphir-Laser, der eine Bandbreite von ca. 400 nm aufweist (670-1070 nm).

In einem einfachen 2-Spiegel-Resonator ist der Abstand der Spiegel im Vergleich zur Wellenlänge meist sehr groß. Die Anzahl der möglichen Longitudinalmoden in diesem Resonator entspricht den Eigenfrequenzen des Resonators und ist ebenfalls sehr groß.

Die Frequenz zwischen zwei benachbarten Moden kann mit f = c / 2L berechnet werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L die Resonatorlänge ist. In einem Resonator von 1 Meter Länge beträgt diese Frequenz 0,15 GHz. Bei einem Helium-Neon-Laser (0,002 nm Bandbreite bei einer Zentralwellenlänge λ=632,8 nm entsprechen 1,5 GHz Bandbreite) würde dies bedeuten, dass 10 Moden gleichzeitig existieren könnten. Bei einem Titan-Saphir-Laser mit einer Bandbreite von umgerechnet ca. 128 THz wären ca. 850.000 Moden gleichzeitig möglich.

Prinzip

Falls in einem Laser mehrere Moden anschwingen, haben diese ohne weitere Maßnahmen keine feste Phasenbeziehung. Es liegt ein kontinuierlicher Multi-Mode-Betrieb vor.

Durch Modulation der Lichtleistung im Resonator mit einer Frequenz, die der Umlaufzeit des Lichts im Resonator entspricht, bilden sich Seitenbänder aus, die den Resonatormoden entsprechen und zueinander in Phase schwingen (vgl. Amplitudenmodulation). Durch die Modulation werden entsprechend weitere Seitenbänder erzeugt, die sich phasenstarr über das gesamte Modenspektrum ausbreiten. Durch die konstruktive Interferenz der Einzelmoden bilden sich kurze Pulse aus. Der Pulsabstand beträgt dabei T = 2L / c, wobei L die Resonatorlänge ist.

Modenanzahl, Kohärenz und Pulsdauer

Modengekoppelter Pulszug: mit steigender Modenanzahl werden die Pulse immer schmaler

Je mehr Eigenzustände (Moden) des Resonators kohärent zueinander im Resonator schwingen, desto kürzer werden im Prinzip die Laserpulse. Dabei müssen zwei Dinge gewährleistet werden:

1. Die einzelnen Moden müssen trotz ihrer unterschiedlichen Frequenz kohärent zueinander bleiben, das heißt, die Dispersion des Resonators muss kompensiert werden. Jeder Puls ist ein Soliton.
2. Die normalerweise stabilere cw-Strahlung muss gegenüber den instabilen Pulsen unterdrückt werden (s. „Erzeugung“).

Für den zeitlichen Verlauf der Intensität eines modengekoppelten Pulszugs gilt:

$I(t) \propto \frac{\sin^2(\frac{N\omega t}{2})}{\sin^2(\frac{\omega t}{2})}$

(ω: Repetitionsrate, N: Zahl der Moden, t: Zeit). Die Maximalintensität dieser Funktion steigt quadratisch mit der Zahl der Moden. Im selben Maß nimmt die Breite der Peaks ab (s. Abbildung).

Die minimal erreichbare Pulsdauer hängt von der erreichbaren Bandbreite der Laserstrahlung und der Konstanz der Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Moden ab (möglichst kleine Restdispersion / Chirp). Daher gilt für ultrakurze Laserpulse die Unschärferelation

$\Delta\nu \Delta t \geq K$.

Δν ist die Frequenzbandbreite des Pulses, Δt die Pulsdauer. K ist eine Zahl, die von der Pulsform abhängt. Die Pulsform wird von einigen Faktoren bestimmt, z. B. der Bauform des Resonators. Wenn der Puls ein gaussförmiges Profil hat, ist z. B. $K=\frac{2 \ln 2}{\pi}\approx 0,441$.

In der Ungleichung gilt das Gleichheitszeichen, wenn kein Chirp (keine Verzögerungsdispersion oder Frequenzmodulation) mehr auf dem Puls ist. Der Puls heißt dann bandbreitenlimitiert.

Erzeugung

Man unterscheidet aktive Modenkopplung durch akustooptische Modulatoren (AOM) oder elektrooptische Modulatoren (EOM) wie die Pockels-Zelle und passive Modenkopplung durch den Kerr-Linsen-Effekt, sowie durch sättigbare Absorber. Die kürzesten Pulse lassen sich hierbei mit den passiven Verfahren erzielen. Der verbreitetste Ultrakurzpulslaser ist der Titan:Saphir-Laser, in dem die Modenkopplung mit Hilfe des Kerr-Linsen-Effekts hervorgerufen wird.

Die erzeugten Kurzzeitpulse sind Voraussetzung für den Bau eines Frequenzkamms.

Weblinks

• Kurzes interaktives Lernprogramm der Uni Würzburg zur Modenkopplung und Erzeugung von Femtosekunden-Laserpulsen (Abgerufen am 2. Januar 2011)