Stabilisierte Zweiwellenlängen-Zweifrequenzlaser auf Nd:YAG Basis für die brechzahlkorrigierte interferometrische Längenmessung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für das im DFG Antrag vorgeschlagene Konzept wurden zahlreiche technisch-konstruktive Lösungen entwickelt, aufgebaut und erprobt. Kern der Arbeiten war die Konzeption und Fertigung eines kurzen Nd:YAG Kristalls durch dessen Verwendung die mögliche Bandbegrenzung des Laserprozesses nachgewiesen werden konnte. Um zunächst einen zuverlässigen Einmodenbetrieb zu erreichen waren, im Gegensatz zum ursprünglichen Ansatz (3 mm) deutlich kürzere Kristalle erforderlich (< 1mm). Dadurch entstand einer der Hauptprobleme für die weiteren Arbeiten. Es zeigte sich eine geringe Effizienz des Laserprozesses und die Notwendigkeit eines Einsatzes leistungsstarker Pumplichtquellen. Infolge der geringen Laser-Ausgangsleistungen konnte keine stabile Methode einer resonatorexternen Frequenzverdopplung gefunden werden. Schwierig zu lösende Probleme waren deshalb auch die Lagerung der kurzen Kristalle und die Krafteinleitung. Hierfür wurden mehrere Varianten erprobt und eine Lösung gefunden bei der sich mit geringem Fertigungsaufwand reproduzierbare Ergebnisse erzielen lassen. Zur Versorgung des Lasers mit einer stabilen, gut dosierbaren Pumpleistung wurde eine glasfaserbasierte Pumplichtquelle entwickelt und getestet. Die erzielbare Frequenzstabilität war unter Nutzung des Messaufbaus besser als bei den im Vergleich getesteten Nd:YVO4 Lasern. Für das komplizierte thermische Management des Laserprozesses in Verbindung mit kraftindizierter Doppelbrechung konnte dagegen keine befriedigende Lösung gefunden werden. Die unter Nutzung langer, hemisphärischer Kristalle nachgewiesene Generierung einer stabilen Beatfrequenz konnte bei Einsatz der kurzen Kristalle experimentell nicht belegt werden. Für den Nachweis der Frequenzkonstanz und deren Regelung hat sich der Einsatz selbstgefertigter Low-Finesse Etalons als praktikable Möglichkeit erwiesen. Im Ergebnis der Untersuchungen ist festzustellen dass eine Nutzung der kurzen Laserkristalle zur Realisierung einer stabilen Zweifrequenzlichtquelle, mit den metrologisch erforderlichen Eigenschaften, derzeitig nicht absehbar ist. Als mögliche Alternative zum ursprünglichen Ansatz wurden am Markt verfügbare Nd:YVO4 Laser mit interner Frequenzverdopplung getestet. Hier konnte über einen eingeschränkten Arbeitsbereich die schmalbandige Emission einer frequenzverdoppelten Laserlinie parallel zur Grundfrequenz nachgewiesen werden. Die im Rahmen der Arbeit untersuchten Nd:YVO4 Laser zeigen das Potenzial zur Entwicklung einer preiswerten 2-Wellenlängen Lichtquelle mit guter Frequenzstabilität und Kohärenz. Die zeitliche und exemplarbedingte Streuung der untersuchten Exemplare war jedoch für die geplante Anwendung noch zu groß. Hier sollen weitere Vorarbeiten das Potenzial dieser Bauelemente genauer analysieren und verbessern bevor es zu einem neuen DFG-Antrag kommt. Der Einsatz einfach aufgebauter, thermisch stabilisierter Low-Finesse Etalons zur Stabilisierung von Präzisionslaserquellen hat sich im Rahmen der Arbeit als gute Alternative zur Verwendung von Absorptionszellen erwiesen. Durch weitere konstruktive Verbesserung und Optimierung des Materials ist hier trotz kompakter Abmessungen (<100mm) eine Frequenzstabilität deutlich besser als 10-8 zu erwarten. Durch die Kombination verfügbarer frequenzverdoppelter Nd:YVO4 Lasermodule mit einem stabilen Low-Finesse Etalon ist die Entwicklung einer metrologisch geeigneten Zweiwellenlängenlichtquelle nach den in der Arbeit gewonnen Erkenntnissen mit den größten Erfolgsaussichten realisierbar. Hier sollte der Ansatzpunkt für weitere Arbeiten liegen.
