Nichtlineare Optik und Quantenoptik, IAP, WWU Münster

Arbeitsgruppe Lange und Ackemann Nichtlineare Optik und Quantenoptik Institut für Angewandte Physik WWU Münster

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Gekoppelte Laser

Arbeitsgebiet

Aufbau des Experiments

Experimentelle Beobachtungen

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Arbeitsgebiet

Räumliche Anordnungen von gekoppelten Lasern (Arrays), insbesondere von Halbleiterlasern, sind für eine Reihe technischer Anwendungen von Bedeutung. Für manche Zwecke ist es wünschenswert, daß alle Laser in ihren optischen Phasen synchronisiert sind, z.B. für die Erzeugung kohärenter Hochleistungslichtquellen mit stationärer Intensität. Für andere Zwecke möchte man hingegen jedes einzelne Element eines Arrays bei einer individuell variablen Leistung betreiben, z.B. für optische Bildanzeigen oder -projektionen oder für parallele optische Datenverarbeitung. Vom Standpunkt der Grundlagenforschung her gesehen, zeigt die Untersuchung gekoppelter nichtlinearer Oszillatoren eine faszinierende Vielzahl dynamischer Phänomene; hier sind gekoppelte Laser - oder gekoppelte Moden eines Lasers - gut geeignete Systeme um diese Phänomene theoretisch wie auch experimentell zu untersuchen. Dabei hat es sich gezeigt daß schon zwei Single-Mode-Laser, die einzeln dynamisch stabil sind, eine chaotische Instabilität zeigen können, wenn sie gekoppelt werden. Die Betrachtung von zwei Lasern kann so als ein erster Schritt zur Untersuchung größerer Anzahlen gekoppelter Laser gesehen werden.

Neodym-dotiertes Yttrium-Orthovanadat (Nd:YVO4) ist ein relativ neuartiges Lasermaterial das bei gleichem Volumen eine viel größere Verstärkung ermöglicht als weit verbreitete Materialien wie Nd:YAG. Bei Benutzung von sehr dünnen Laserkristallen (bis hinunter zu 100 µm), kann man sogenannte Microchip- oder Mikroresonator-Laser erzeugen. Durch den großen Modenabstand können diese Laser ohne weitere frequenzselektive Elemente bei einer einzelnen Frequenz betrieben werden. Unsere Untersuchungen befassen sich mit einem System von zwei oder drei gekoppelten Lasern in einem semimonolithischen Nd:YVO4-Microchip-Resonator, die von einem Titan:Saphir-Laser gepumpt werden.

Bei der Kopplung der Laser treten Instabilitäten in der Intensität auf, die auf der Wechselwirkung zwischen Phasen- und Intensitätsdynamik beruhen. Diese Instabilitäten können sowohl die Form synchroner Oszillationen oder Pulse der Intensitäten aller Laser haben, als auch nur in einem Laser ausgeprägt sein (sogenannte lokalisierte Synchronisation). Die Experimente befassen sich mit der Beobachtung dieser Phänomene und der Identifikation und Klassifikation der betreffenden Parameterbereiche. Die experimentellen Ergebnisse werden verglichen mit numerischen Simulationen geeigneter dynamischer Modelle.

Aufbau des Experiments - Experimental Setup

Aufbau des Experiments
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Laser System (Detail)
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Experimentelle Beobachtungen

Die Abbildungen zeigen eine Anordnung von drei gekoppelten Lasern. Die Abstände sind so gewählt daß die Kopplungsstärken zwischen je zwei Lasern ungefähr gleich sind. Während das Nahfeld unverändert bleibt, führen unterschiedliche Frequenzunterschiede zwischen den drei Lasern zu verschiedenen Phasenkopplungszuständen, die sich im Fernfeld unterscheiden lassen: einem ungekoppelten Zustand (die Gauss-förmige Verteilung zeigt eine Addition der Intensitäten der einzelnen Laser), der Phasenkopplung nur zweier Laser (Interferenzstreifen) oder der Kopplung von allen drei Lasern mit relativen Phasen von 120° (hexagonales Muster).