The physics of Fourier Domain Mode Locked (FDML) lasers: Electric field properties and coherence

Fourier domain mode locking (FDML) is a new operating regime of continuous wave, rapidly wavelength swept laser light sources. In an FDML laser, a length of several kilometers of optical fiber inside a laser resonator is used to synchronize the tuning frequency of an optical bandpass filter with the roundtrip time of light inside the laser cavity. Typical tuning ranges are up to 200nm at center wavelengths of 1000-1700nm, line widths of 10-100pm, and sweep repetition rates of up to 5 MHz. In optical coherence tomography (OCT) FDML lasers enable record imaging speeds at depth scan rates of up to 20MHz with good image quality. With respect to the underlying laser physics, FDML lasers are light sources with the unique feature that they, in principle, allow a very direct access and direct measurement of the electric field of the light wave in real time. Because of their optical bandpass filter with about 20GHz spectral width, no faster (i.e. higher frequency) amplitude or phase fluctuations can occur. Therefore, the core of all experiments described in this research proposal is the direct electronic measurement of the FDML wavelength sweep with an electronic bandwidth which is higher than the instantaneous optical bandwidth of the light wave; this means a measurement with a detection system, fast enough to detect all phase and amplitude fluctuations of the light field in real time. The measurements should be the basis to answer the following questions: (a) How pronounced is the frequency comb spectrum of the FDML laser? (b) Can the optical frequency sweep, which is equivalent to a highly chirped pulse, be compressed to a femtosecond laser pulse? (c) How narrow is the currently immeasurable instantaneous linewidth of the most recent FDML laser and (d) what are currently the limiting physical effects?

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.