Diode lasers with optical feedback and optical injection : applications in metrology
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
57, [41]
Series
TKK dissertations, 28
Abstract
The visible red near 633 nm is an important spectral region in length metrology. Iodine-stabilized He-Ne (HeNe/I2) laser stabilized on the hyperfine spectrum of the R(127)11-5 transition is one of the most used optical frequency standards for practical realization of the definition of the meter. Furthermore, the existence of much stronger transitions in the vicinity of R(127)11-5 motivates to develop new frequency standards based on tunable diode lasers. Both to improve already existing optical frequency standards and to develop new ones, precise absolute frequency measurements of the used iodine transitions are needed. At present, such measurements can be performed using an optical femtosecond frequency comb generator. In this thesis, diode laser systems for absolute frequency measurements with the optical frequency comb generator have been developed. In order to improve diode laser performance to the required level, optical feedback and optical injection locking techniques have been used. To facilitate the absolute frequency measurements of the HeNe/I2 laser, an optical amplifier has been constructed. The amplifier can be reliably operated over several hours with very low phase noise, and it has been successfully used in absolute frequency determination of an iodine-stabilized He-Ne laser. For absolute frequency determination of various iodine transitions in the vicinity of 633 nm, a laser spectrometer has been realized. The new spectrometer design has been made particularly for good frequency accuracy and reproducibility. It combines, through injection locking, good beam quality of a microlens-coupled diode laser with high spectral quality of a stable external-cavity diode laser. The spectrometer uses wavelength modulation technique for locking the laser frequency to an iodine hyperfine component. For this reason, the modulation transfer properties of injection-locked diode lasers have been investigated in detail. In particular, suppression of intensity modulation and reproduction of frequency modulation have been considered, for the first time, in terms of master-slave frequency detuning. Also the conversion of the master laser frequency modulation into slave laser intensity modulation has been considered. In addition to spectroscopy, the results are useful in optical communications.Eräs tärkeimmistä pituusmetrologiassa käytetyistä aallonpituusalueista on näkyvän punaisen valon alue. Esimerkkinä voidaan mainita jodin R(127)11-5 absorptioviivan ylihienorakenteeseen stabiloitu 633 nm helium-neonlaser (HeNe-laser), joka on yksi suosituimmista metrin määritelmän käytännön realisointiin käytetyistä optisista taajuusstandardeista. Jodimolekyylillä on absorptioviivan R(127)11-5 läheisyydessä myös muita paljon voimakkaampia viivoja, mikä osaltaan kannustaa kehittämään uusia, säädettäviin puolijohdelasereihin perustuvia taajuusstandardeja. Jodin absorptioviivojen tarkkoja taajuusmittauksia tarvitaankin sekä vanhojen jo olemassa olevien taajuusstandardien parantamiseen, että kokonaan uusien taajuusstandardien kehittämiseen. Nykyisin kyseisiä taajuusmittauksia voidaan tehdä optisen taajuuskampageneraattorin avulla. Tässä väitöskirjassa on tutkittu ja kehitetty diodilaserlaitteistoja joita voidaan käyttää optisiin absoluuttitaajuusmittauksiin yhdessä taajuuskampageneraattorin kanssa. Diodilasereiden ominaisuuksia on parannettu mittauksissa vaadittavalle tasolle käyttäen hyväksi optiseen takaisinkytkentään ja injektiolukitukseen perustuvia tekniikoita. Osana väitöskirjatyötä on rakennettu injektiolukitukseen perustuva optinen vahvistin, jonka avulla voidaan helpottaa ja yksinkertaistaa HeNe-lasereiden taajuusmittauksia. Vahvistinta on onnistuneesti käytetty jodistabiloidun HeNe-laserin absoluuttisen taajuuden määrittämiseen taajuuskampatekniikalla. Lisäksi työssä on kehitetty diodilaseriin perustuva laserspektrometri, jolla on mahdollista mitata useiden eri jodiviivojen absoluuttiset taajuudet 633 nm aallonpituuden ympäristössä. Uuden spektrometrin suunnittelussa on kiinnitetty erityistä huomiota hyvään taajuustarkkuuteen ja -toistettavuuteen. Spektrometrissä on hyödynnetty injektiolukitustekniikkaa, jonka avulla on voitu yhdistää mikrolinssillä varustetun diodilaserin ulostulosäteen hyvä spatiaalinen laatu toisen, voimakkaaseen optiseen takaisinkytkentään perustuvan diodilaserin hyviin taajuusominaisuuksiin. Lasertaajuus lukitaan tarkasteltavaan jodin ylihienorakennekomponenttiin aallonpituusmodulaatioon perustuvaa tekniikkaa käyttäen. Tästä syystä väitöskirjassa on tutkittu myös sitä kuinka eri modulaatiosignaalit siirtyvät ns. päälaserista (master) injektiolukittuun diodilaseriin (slave). Erityisesti on tarkasteltu intensiteettimodulaation vaimenemista ja taajuusmodulaation toistumista injektio-lukituksessa käytettyjen lasereiden taajuuseron suhteen. Saatuja tuloksia voidaan hyödyntää spektroskopian lisäksi mm. optisessa tietoliikenteessä.Description
Other note
Parts
- M. Vainio, M. Merimaa, Y. Sidorin, M. Kuittinen, and E. Ikonen, Miniaturized transmission grating laser at 1.55 µm with 128-nm tuning range, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 15, No. 7, pp. 990-992 (2003).
- M. Vainio, M. Merimaa, and E. Ikonen, Iodine spectrometer based on a 633 nm transmission-grating diode laser, Measurement Science and Technology, Vol. 16, No. 6, pp. 1305-1311 (2005).
- M. Vainio, M. Merimaa, and K. Nyholm, Modulation transfer characteristics of injection-locked diode lasers, Helsinki University of Technology, Metrology Research Institute Report, 29/2005, 14 pages.
- M. Vainio, M. Merimaa, and K. Nyholm, Optical amplifier for femtosecond frequency comb measurements near 633 nm, Applied Physics B: Lasers and Optics, Vol. 81, No. 8, pp. 1053-1057 (2005).
- M. Merimaa, K. Nyholm, and M. Vainio, MIKES frequency comb generator and absolute frequency measurements of iodine-stabilized lasers, Proceedings of the 12th International Conference on Metrology, Lyon, France, 20-23 June 2005, 6 pages.