Erforschung der physikalischen Grundlagen eines Fourier Domain Moden-gekoppelten (FDML) Lasers im Hinblick auf Feldeigenschaften und Kohärenz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
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.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Analysis of FDML lasers with meter range coherence, Proc. of SPIE Vol. 10053, Optical Coherence Tomography and Coherence Domain Optical Methods in Biomedicine XXI, 100531T-1 (2017)
Tom Pfeiffer, Wolfgang Draxinger, Wolfgang Wieser, Thomas Klein, Markus Petermann and Robert Huber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2254792) - Wavelength shifting of intra-cavity photons: Adiabatic wavelength tuning in rapidly wavelength-swept lasers. Biomedical Optics Express, no. 6, pp. 2448-2465, 2015
Jirauschek, Christian and Huber, Robert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/BOE.6.002448) - 1060nm FDML laser with centimeter coherence length and 1.67 MHz sweep rate for full eye length and retinal ultra-widefield OCT. in Proc. SPIE 10416, pp. 104160J-104160J-6, 2017
Kolb, J P; Klee, J; Pfeiffer, T and Huber, R
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2286854) - Efficient simulation of the swept-waveform polarization dynamics in fiber spools and Fourier domain mode-locked (FDML) lasers. Journal of the Optical Society of America B, no. 34, pp. 1135-1146, 2017
Jirauschek, Christian and Huber, Robert
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/JOSAB.34.001135) - Self-Stabilization Mechanism in Fourier Domain Mode-Locked (FDML) Lasers, EPS-QEOD Europhoton Conference Solid State, Fibre, and Waveguide Coherent Light Sources, Barcelona, Spain, Sep 02-07 2018 2018-09 , European Physical Society EPS (2018)
Schmidt, M.; Pfeiffer, T.; Grill, C.; Huber, R.; Jirauschek, C.
- Self-Stabilization Mechanism in Fourier Domain Mode-Locked (FDML) Lasers. in EPS-QEOD Europhoton Conference Solid State, Fibre, and Waveguide Coherent Light Sources, European Physical Society EPS, 2018
Schmidt, M. and Pfeiffer, T. and Grill, C. and Huber, R. and Jirauschek, C.
- Ultra low noise Fourier domain mode locked laser for high quality magahertz optical coherence tomography. Biomed Opt Expr 9(9), pp. 4130-4148, 2018
Pfeiffer, T; Petermann, M; Draxinger, W; Jirauschek, C and Huber, R
(Siehe online unter https://doi.org/10.1364/BOE.9.004130) - A real-time video-rate 4D MHz-OCT microscope with high definition and low latency virtual reality display. in Proc. SPIE 11078, Optical Coherence Imaging Techniques and Imaging in Scattering Media III, 1107802, no. 11078, (2019)
Wolfgang Draxinger, Yoko Miura, Christin Grill, Tom Pfeiffer, Robert Huber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/12.2527177) - Measurement of Inter-Sweep Phase Stability of an FDML Laser with a 10 kHz Tunable Ring Laser, in 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe and European Quantum Electronics Conference, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2019), paper cj_7_5
Dominic Kastner, Torben Blömker, Tom Pfeiffer, Christin Grill, Mark Schmidt, Christian Jirauschek, Robert Huber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/CLEOE-EQEC.2019.8872860)
