Emmy Noether-Nachwuchsgruppe: Fourier Domain Mode Locking (FDML): Erforschung des Mechanismus der spektralen Moden-Kopplung in optischen Systemen für die Bildgebung und Spektroskopie

The mechanism of Fourier Domain Mode Locking (FDML) was proposed, developed and implemented during my postdoctoral visit at M.I.T.. It represents a completely new operation regime of lasers. Not the amplitude or phase, but the spectrum is modulated, complementary to standard mode locked lasers. A sequence of clean optical frequency sweeps is generated, which have the potential to be compressed to a train of ultrashort laser pulses. An entire sweep is optically stored within the cavity. FDML has the potential to revolutionize biomedical imaging in optical coherence tomography (OCT), overcome limitations of pulsed lasers and offer new possibilities in spectroscopy. In spite of the fact that a fully operational prototype does already exist, the mechanism of FDML itself is hardly understood yet. Goal of the proposed project is a complete theoretical understanding of FDML to investigate experimental limitations and problems and to do research on possible applications of FDML in biomedical imaging and spectroscopy. Research on the mechanism of Fourier Domain Mode Locking could have a lasting impact on the future of laser technology.

Die Zielsetzung des Emmy Noether-Projektes war die Erforschung der Fourier Domain Moden Kopplung (FDML) in Lasern im Hinblick auf ein physikalisches Verständnis und auf neue Anwendungen in der biomedizinischen Bildgebung und Sensorik. Fourier Domain Mode Locking (dt. Fourier Domänen Modenkopplung) ist ein neuartiger Betriebsmodus in Lasern, bei dem eine Sequenz sehr reiner, optischer Frequenzdurchläufe (engl. sweeps) erzeugt wird. Dazu wird das Licht in einer Kilometer-langen optischen Glasfaser „zwischengespeichert“. Mit den so erzeugten Lichtwellenformen kann, neben anderen Anwendungen, biologisches Gewebe mit sehr hoher Ortsauflösung nach dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie (OCT) „durchleuchtet“ werden, wobei FDML Laser eine vielfach höhere Abbildungsgeschwindigkeit erlauben. Im Laufe des Projektes wurden große Fortschritte sowohl beim Verständnis des FDML-Betriebs als auch bei der Anwendung für die OCT gemacht. Wir konnten mit Hilfe der FDML-Laser OCT-Systeme mit Tiefenabtastraten von bis zu 20 Millionen Linien pro Sekunde aufbauen. Dies ist etwa 50-mal schneller als derzeitige Forschungssysteme anderer Gruppen und 200-mal schneller als kommerzielle Systeme mit vergleichbarer Bildqualität. Bei einer Licht-Wellenlänge von 1050nm zum Einsatz in der Augenheilkunde war mit diesen schnellen OCT-Systemen erstmals die in vivo OCT-Abbildung menschlicher Netzhaut über einen Winkel von 70° mit hoher Auflösung möglich. Dieser technologische Fortschritt erlaubt völlig neue Untersuchungsprotokolle, Diagnosemöglichkeiten und Verlaufsstudien. Bei einer Licht-Wellenlänge von 1300nm zum Einsatz in der Kardiologie wurde FDML basiertes OCT für die Bildgebung an Herzkranzgefäßen erprobt. Mit einem völlig neuartigen Katheter eines Kooperationspartners konnten in vitro Messungen durchgeführt werden. Mit 3 Millionen Tiefenabtastungen pro Sekunde, und einer Spiralbewegung der Katheter-Optik mit 192000 Umdrehungen pro Minute kann eine Koronararterie in ihrer gesamten Länge in 0,8 Sekunden aufgenommen werden. Da diese Aufnahmezeit unter der Zeitdauer eines Herzschlages liegt, kann erwartet werden, dass in Zukunft damit die meisten Bildstörungen und Artekfakte derzeitiger intravaskulärer OCT Aufnahmen nicht mehr auftreten. Neben der Anwendung von FDML-Lasern für die OCT wurden auch erhebliche Fortschritte im Bereich der FDML-Laserphysik gemacht. In Zusammenarbeit mit einer Forschungsgruppe der Technischen Universität München wurde die erste theoretische Beschreibung des FDML-Betriebs entwickelt. Weiterhin wurde ein Kurzpuls-Laser aufgebaut, der erstmals hohe Impulsenergie direkt aus einem Halbleiter ermöglicht. Dabei macht man sich zu Nutze, dass im FDML-Laser die Kilometerlange Glasfaser optische Energie als Lichtfeld zwischenspeichert. Solche Laser könnten in Zukunft robuste und effiziente Kurzpulslichtquellen darstellen. Bei den Experimenten wurde darüber hinaus ein besonderer Betriebszustand des FDML-Lasers entdeckt, bei dem Intensitäts- und Phasenrauschen des emittierten Lichtfeldes nahezu verschwinden. Dieser sogenannte „Sweet-Spot“ und welche physikalischen Effekte dazu führen ist derzeit noch nicht verstanden.