DFB-Diodenlaser für die Präzisionsspektroskopie von Kalium (767 nm)
Abb. 1: Single-Quantum-Well DFB-RW-Laser mit 1,5 mm Chiplänge, der bei 767 nm emittiert: Ausgangsleistung, Spannung und Konversionseffizienz vs. Eingangsstrom bei 20°C Mounttemperatur.
Abb. 2: Ausgangsspektrum vs. Eingangsstrom desselben Diodenlasers. Individuelle Spektren werden auf ihre Spitzen normiert, sodass die Farbkodierung die Seitenmodenunterdrückung im Bereich von 0 … 40 dB anzeigt.
Abb. 3: FWHM und intrinsische Linienbreite (FWHM) desselben Diodenlasers gemessen nach der self-delayed heterodyne Methode. Die intrinsische Linienbreite wird aus dem weißen Rauschuntergrund im Leistungsspektrum des Frequenzrauschens abgeleitet.
Das FBH hat Distributed Feedback (DFB) Diodenlaser für quantenoptische Experimente mit ultra-kalten Ensembles von Kaliumatomen entwickelt. Basierend auf aktuellen Ergebnissen, die mit DFB-Diodenlasern für die Bose-Einstein Kondensation und die Atominterferometrie mit Rubidium Atomen erzielt wurden [1], hat das FBH nun DFB-Laser entwickelt, die für ebensolche, auf Kalium basierende Anwendungen geeignet sind. Diese Arbeiten wurden im Rahmen eines von der Deutschen Luft- und Raumfahrt-Agentur (DLR) finanzierten Projektes durchgeführt. Langfristiges Ziel dieser Aktivitäten ist der Test des Einsteinschen Äquivalenzprinzips. Dazu soll mithilfe von Materiewelleninterferometern, die auf Rubidium und Kalium basieren, sehr genau der freie Fall von Atomen beider Spezies im Weltraum untersucht werden [2].
Bei schmalbandigen DFB-Lasern hoher Ausgangsleistung steigen die Anforderungen an das Laserdesign und die Halbleitertechnologie, je weiter die Emissionswellenlänge von 780 nm nach kürzeren Wellenlängen geschoben werden soll. Grund hierfür ist, dass die Absorption in den überwachsenen Gitterschichten zu kürzeren Wellenlängen hin stark ansteigt. Mit einem verbesserten Design der Vertikalstruktur ist es nun gelungen, verlustarme Gitter auch bei 767 nm DFB-Lasern zu implementieren.
Die Ergebnisse, die am FBH mit Single-Quantum-Well DFB-Rippenwellenleiterlasern erreicht wurden, zeigen eine elektro-optische Performance, die mit der Leistungsfähigkeit der entsprechenden, für 780 nm entwickelten Laser vergleichbar ist. Mit einem 1,5 mm langen Laserchip wird eine Ausgangsleistung von mehr als 150 mW bei Injektionsströmen oberhalb von 250 mA erreicht, siehe Abb. 1. Die Strom-Leistungskonversion beträgt 0,68 W/A und ist damit vergleichbar mit den entsprechenden Werten für 780 nm DFB-Laser, die zwischen 0,6 und 0,8 W/A liegen. In Abhängigkeit von der Chiptemperatur kann die Emissionswellenlänge über den Injektionsstrom kontinuierlich um mehr als einen Nanometer durchgestimmt werden, siehe Abb. 2. Die Seitenmodenunterdrückung erreicht dabei Werte von 40 dB für Injektionsströme oberhalb von 150 mA. Eine Linienbreitenmessung nach der Self-Delayed Heterodyne Methode zeigt eine Kurzzeitlinienbreite (10 µs) von etwa 1 MHz (Full-Width-at-Half-Maximum, FWHM) sowie eine intrinsische Linienbreite von wenigen 10 kHz FWHM bei hohen Injektionsströmen, siehe Abb. 3. Die intrinsische Linienbreite wird dabei aus dem weißen Rauschuntergrund im Leistungsspektrum des Frequenzrauschens bestimmt und ist daher um technisches Rauschen insbesondere der Diodenlaserstromtreiber bereinigt.
Diese Arbeit wird gefördert durch die Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) unter der Fördernummer 50WM0940.
Publikationen
[1] T.-P. Nguyen, M. Schiemangk, S. Spießberger, H. Wenzel, A. Wicht, A. Peters, G. Erbert, G. Tränkle, "Optimization of 780 nm DFB diode lasers for high-power narrow linewidth emission", accepted for publication in Appl. Phys. B
[2] T. van Zoest, et al., "Bose-Einstein Condensation in Microgravity", Science, 328, 1540-1543 (2010)
FBH-Forschung: 07.05.2012