Fourier Domain Mode Locking

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Der englischsprachige Begriff Fourier domain mode locking (englisch, FDML) bezeichnet eine Laser-Modenkopplung-Technik, mit der Chirps erzeugt werden, also Wellenzüge mit kontinuierlich variierender Wellenlänge.

Die Technik wird insbesondere in der optischen Kohärenztomografie angewandt.

Idee

Abstimmbare Laser bestehen im einfachsten Fall aus einem breitbandigen laseraktiven Medium (Gain-Element) und einem Bandpassfilter für die Auswahl der Wellenlänge. Die Abstimmfrequenz ist dabei durch die Zeit limitiert, die benötigt wird, um bei der jeweiligen Wellenlänge aus dem ASE-Untergrund (von engl. amplified spontaneous emission) Lasing aufzubauen. Um diese Limitation zu umgehen, wurde das FDML-Konzept entwickelt. Das Besondere ist dabei, dass die Laser-Cavity um einige Kilometer verlängert wird, um die Umlaufzeit des Lichts mit der Filterfrequenz abstimmen zu können. Licht mit einer bestimmten Wellenlänge, das aus dem Filter kommt, benötigt für den Umlauf in der Cavity dann genau die Zeit, die der Filter benötigt um einmal den gesamten Filterbereich zu durchlaufen. Somit können viele Lichtpuls mit unterschiedlichen Wellenlängen die Cavity mehrmals durchlaufen und werden immer weiter verstärkt, da der einkommende Puls als Seed für stimulierte Emission im Gain-Medium dient.

Prinzipieller Aufbau eines FDML-Lasers

Aufbau und Funktion

Ein FDML-Laser besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: einem optischen Speicherring als Resonator der Länge $L$, einem abstimmbaren optischen Bandpassfilter und einem Gain-Element. Für den FDML-Betrieb ist es nötig die Filterabstimmungsfrequenz $f$ auf die inverse Umlaufzeit von Licht im optischen Speicherring einzustellen $1/\tau =c/L$,

$f_{i}=i{\frac {c}{L}}$,

wobei $c$ die Gruppengeschwindigkeit von Licht im Speicherring ist und $i$ die $i$-te Oberschwingung darstellt.

Ein einfacher FDML-Laser-Aufbau, wie in der Grafik dargestellt, besteht aus:

• einem optischen Halbleiterverstärker (SOA) als Lichtquelle
• einem Faser-Fabry-Perot-Filter (FFP-TF) als optischen Bandpassfilter
• Polpaddels (PC) um die Polarisation für den SOA zu optimieren
• einer optischen Verzögerungsstrecke (DELAY), dessen Länger so angepasst werden muss, dass die Lichtumlaufzeit einem Vielfachen der inversen Filter-Treiberfrequenz entspricht
• einem Faserkoppler (FC) um einen Teil des umlaufenden Laserlichts auszukoppeln
• optischen Isolatoren (ISO)