Erforschung der physikalischen Grundlagen eines Fourier Domain Moden-gekoppelten (FDML) Lasers im Hinblick auf Feldeigenschaften und Kohärenz

Projekt: DFG-ProjekteDFG Einzelförderungen

Projektdetails

Projektbeschreibung

Die Fourier Domain Modenkopplung (FDML) in Lasern stellt einen neuartigen Betriebsmodus schnell abstimmbarer Dauerstrich Laser-Lichtquellen dar. In einem FDML-Laser wird durch eine km-lange Glasfaser im Laserresonator die Lichtumlaufzeit mit der Abstimmperiode eines schmalbandigen spektralen Filters synchronisiert. Daraus ergeben sich Abstimmbereiche von bis zu 200nm bei Zentral-Wellenlängen von 1000-1700nm, Linienbreiten von 10-100pm und Durchstimmraten von bis zu 5MHz. Die Anwendung von FDML-Lasern für die optische Kohärenztomographie (OCT) ermöglicht Rekord-Tiefenabtastraten von bis zu 20MHz bei guter Bildqualität. Aus Laser-physikalischer Sicht stellen FDML-Laser breitbandige Lichtquellen mit der einzigartigen Eigenschaft dar, dass sie prinzipiell einen sehr direkten Zugang zum elektrischen Lichtfeld in Echtzeit erlauben. Aufgrund ihres optischen Bandpassfilters mit etwa 20GHz spektraler Breite können keine schnelleren d.h. höherfrequenten Amplituden- und Phasenfluktuationen auftreten. Daher ist Kern aller Experimente in diesem Forschungsantrag die direkte elektronische Messung des FDML-Wellenzuges mit einer höheren elektronischen Bandbreite als die instantane optische Bandbreite des Lichtfeldes, das heißt, eine Messung mit einer Detektion die schnell genug ist, um alle Phasen- und Amplituden-Änderungen des Lichtfeldes zu verfolgen. Dadurch sollen derzeit offene Fragen geklärt werden, z.B. (a) wie gut das optische Frequenzkamm-Spektrum eines FDML-Lasers ausgeprägt ist, (b) ob sich der sehr energiereiche Frequenzdurchlauf eines FDML-Lasers, welcher äquivalent zu einem hoch dispersiven Laserpuls ist, zu einem Femtosekundenpuls komprimieren ließe, (c) wie schmal die derzeit nicht mehr messbare instantane Linienbreite ist und (d) welche physikalischen Effekte derzeit noch einen störenden Einfluss auf das Feld eines FDML-Lasers haben?

Ergebnisbericht

Fourier Domain Moden gekoppelte (FDML) Laser sind sehr schnell abstimmbare Laser, hauptsächlich angewandt für die optische Kohärenztomographie (OCT). Mit optischen Längen im Bereich von Kilometern stellen sie einen sehr ungewöhnlichen Typus von Lasern dar. In ihnen wird das Lichtfeld eines kompletten Wellenlängen-Durchlaufes auf einer langen optischen Glasfaserspule gleichsam zwischengespeichert bildhaft ähnlich einem „Regenbogen in der Warteschleife“. Aus diesem Betriebsmodus ergeben sich eine Reihe Laser-physikalischer Fragestellungen. Obwohl FDML-Laser mit 120nm Abstimmbereich bei 1300nm Wellenlänge und 3 Millionen Repetitionen pro Sekunde für OCT bereits hervorragende Leistungsdaten lieferten, waren vor Projektbeginn viele Fragestellungen der zugrundeliegenden Laserphysik nicht geklärt. Diese können schlagworthaft auf die folgenden beiden Punkte zurückgeführt werden: (1) Warum beobachtet man bei einem so langen Laser einen so stabilen Betriebsmodus? (2) Inwieweit weisen die Lichtwellen-Züge untereinander eine stabile optische Phase auf. Hierbei ergab sich für dieses Projekt insbesondere das Problem, dass viele klassische Methoden Laser Charakterisierung aufgrund des bis zu 20 THz weiten Abstimm-Bereichs hier nicht möglich sind. Neue Methoden zur Analyse mussten entwickelt, entsprechende Datenauswert-Methoden implementiert und angewandt werden. Im Anschluss nahm und nimmt deren Interpretation einen dominanten Teil der Arbeit ein. Für die Erforschung wurden zwei FDML Laser selbst entwickelt und implementiert, wobei einer über eine automatische Längenanpassung verfügt, die im closed-loop Betrieb Genauigkeiten bis 10^-9 erreicht. Diese Laser wurden zum einen mit einem sehr schmalbandige Laser, zum anderen gegeneinander überlagert. Die Herausforderung, dass dazu sowohl die Wiederholrate als auch das zeitliche Abstimmverhalten extrem genau angepasst werden müssen konnte bewältigt werden. Bei der Auswertung der Daten konnte nun ein neuer physikalischer Mechanismus identifiziert werden, welcher den Laser selbst stabilisiert und dadurch eine gewisse Toleranz gegenüber störenden äußeren Einflüssen und Restdispersion erzeugt. Dies ist der Grund, warum der Laser stabiler läuft als man erwarten würde. Der zweite zentrale Punkt ist die Erkenntnis, dass aufeinanderfolgende Wellenlängen-Durchläufe eine starke Korrelation in der Phase ihres Lichtfeldes aufweisen. Dies weist einerseits nach, dass der Laser über eine echte Modenstruktur aber auch über einen effektiven und stabilen Modenkopplungs-Mechanismus verfügt. Weitere Arbeiten zum vollständigen Verständnis der Beobachtungen sind nötig. In Bezug auf die Anwendung konnten wir beobachten, dass das verbesserte Rauschverhalten des Lasers zu einem dramatischen Anstieg des möglichen Abbildungsbereiches in OCT führt, wodurch erstmals die Implementierung eines virtuellen OCT-Mikroskops für chirurgische Eingriffe möglich wurde, welches die Darstellung über eine getrackte VR-Brille zur Einbindung in eine augmentierte Umgebung ermöglichte. Erste chirurgische Tests an Kadaver-Schweineaugen wurden erfolgreich durchgeführt. Das Projekt lieferte also neben einer substantiellen Verbesserung des Verständnisses des FDML-Betriebes auch Ansatzpunkte für neue biomedizinische Anwendungen.
Statusabgeschlossen
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende01.01.1531.12.19

UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung

2015 einigten sich UN-Mitgliedstaaten auf 17 globale Ziele für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs) zur Beendigung der Armut, zum Schutz des Planeten und zur Förderung des allgemeinen Wohlstands. Die Arbeit dieses Projekts leistet einen Beitrag zu folgendem(n) SDG(s):

  • SDG 9 – Industrie, Innovation und Infrastruktur

Strategische Forschungsbereiche und Zentren

  • Forschungsschwerpunkt: Biomedizintechnik

DFG-Fachsystematik

  • 308-01 Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen

Fingerprint

Erkunden Sie die Forschungsthemen zu diesem Projekt. Diese Zuordnungen werden Bewilligungen und Fördermitteln entsprechend generiert. Zusammen bilden sie einen einzigartigen Fingerprint.