Experiments with a single-mode
laser diode pumped NPRO

LSC-meeting Livingston

20.-24.03.2005

Michèle Heurs, Tobias Meier, Benno Willke and Karsten Danzmann

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Max-Planck-Institute for	and	Institute for atomic- and
gravitational physics	molecular physics
(Albert-Einstein-Institute)	(section spectroscopy)

Callinstr. 38, 30167 Hannover

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

NPRO

Non-planar ring oscillator (NPRO)

Simultaneous stabilisation

pump current

pump laser diode

NPRO

int noise

f

RRO

f

1/f

freq noise

Current lock

pump current

pump laser diode

NPRO

int noise

f

RRO

feedback

detection

NoiseEater

overlap: pump noise couples into NPRO frequency and intensity noise

outside overlap region:

pump noise couples into NPRO frequency noise only

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Mode overlap in NPRO

Pump- and laser mode in multi-mode pumped NPRO

Simultaneous stabilisation

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Single-mode laser diode pumped NPRO

Simultaneous stabilisation

Single-mode pumped NPRO
schematic setup

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Single-mode pumped NPRO
pump light stabilisation

Pump light stabilisation: experimental setup

Simultaneous stabilisation

current

ETR-NPRO

MC Lock

RIN

pump light stab

ModeCleaner

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Pump light stabilisation:
intensity noise reduction of the pump laser diode

Simultaneous stabilisation

Single-mode pumped NPRO
pump light stabilisation

relative intensity noise

frequency

free running

with pump light stabilisation

detection noise

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultaneous stabilisation

Single-mode pumped NPRO
pump light stabilisation

Pump light stabilisation:
intensity noise reduction of the NPRO

relative intensity noise

frequency

free running

with pump light stabilisation

detection noise

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultaneous stabilisation

Heurs et al., “Intensity and frequency noise reduction of a Nd:YAG NPRO via pump light	stabilisation”, to be submitted to Appl. Phys. B

Pump light stabilisation:
simultaneous frequency noise reduction

Single-mode pumped NPRO
pump light stabilisation

frequency noise (lin. spectral density)

frequency

free running

with pump light stabilisation

detection noise

demodulation noise

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Current lock: experimental setup

Simultaneous stabilisation

Current lock

Reference

Cavity

current

ETR-NPRO

MC Lock

RIN

ModeCleaner

Single-mode pumped NPRO
current lock

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Current lock:
frequency noise reduction (in loop)

Simultaneous stabilisation

Single-mode pumped NPRO
current lock

frequency

frequency noise (lin. spectral density)

free running

with current lock (in loop)

demodulation noise

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultaneous stabilisation

Current lock:
frequency noise reduction (out of loop)

Single-mode pumped NPRO
current lock

frequency

frequency noise (lin. spectral density)

free running

demodulation noise

detection noise

with current lock (out of loop)

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Current lock:
simultaneous intensity noise reduction

Simultaneous stabilisation

Heurs et al., “Simultaneously suppressing frequency and intensity noise in a Nd:YAG nonplanar ring oscillator by means of the current-lock technique”, Opt. Lett. 29, 2148 (2004)

Single-mode pumped NPRO
current lock

frequency

relative intensity noise

free running

with current lock

detection noise

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Increasing the bandwidth:
a NoiseEater for the single-mode pumped NPRO

Simultaneous stabilisation

current

ETR-NPRO

MC Lock

RIN

NoiseEater

ModeCleaner

Single-mode pumped NPRO
increasing the bandwidth

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultaneous stabilisation

Single-mode pumped NPRO
increasing the bandwidth

Increasing the bandwidth:
intensity noise reduction of the single-mode NPRO

frequency

relative intensity noise

detection noise

with NoiseEater

without NoiseEater

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultaneous stabilisation

Single-mode pumped NPRO
increasing the bandwidth

Increasing the bandwidth:
frequency noise reduction of the single-mode NPRO

frequency

frequency noise (lin. spectral density)

without NoiseEater

with NoiseEater

control signal noise

demodulation noise

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Résumé

Simultaneous stabilisation

Pump light stabilisation:
Reduction of NPRO intensity noise + simultaneous reduction of NPRO frequency noise ~ 20 dB

Current Lock:
Reduction of NPRO frequency noise + simultaneous reduction of NPRO intensity noise	~ 30 dB

NE-Experiment:
Reduction of NPRO intensity noise + simultaneous reduction of NPRO frequency noise with a bandwidth above the RRO

Single-mode pumped NPRO
résumé

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

FIN!

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Reservefolien

“Anhang”

Weitere Folien zur näheren Erläuterung

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Ausblick

Ausblick

Wie geht es weiter...?

Current Lock am single-mode gepumpten NPRO über RRO

Erhöhung der Pumpleistung single-mode gepumpter NPRO
→ Einsatz als Master Laser!

Non-Demolition Messungen durch Korrelationen im single-mode gepumpten NPRO!?

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Überblick: Schematischer Aufbau von GEO 600

Simultane Stabilisierung

Der Gravitationswellendetektor GEO 600
schematischer Aufbau

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Korrelation Frequenz ↔ Leistung

Simultane Stabilisierung

Korrelation zwischen Frequenz und Leistung im NPRO

“Weißes Pump-Leistungsrauschen treibt 1/f Frequenzrauschen im NPRO.”
(Day 1990)

“Unterhalb der RRO treibt weißes Pump-Leistungsrauschen auch weißes NPRO-Leistungsrauschen.” (Harb et al. 1997)

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Problemstellung
“simultane Rauschunterdrückung”

Frequenzstabilisierung (Current Lock) am NPRO

Simultane Stabilisierung

(Willke et al.,Opt. Lett. 2000)

Frequenzrauschen (Hz/rtHz)

Frequenz (Hz)

Frequenz (Hz)

RIN (1/rtHz)

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Exkurs:

Experimente mit Diodenarray

Laserstabilisierung

Modenüberlapp von Pump- und Lasermode im NPRO

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Exkurs:

Experimente mit Diodenarray

Laserstabilisierung

Intensitätsverteilung von NPRO und Laserdiodenarray

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Current Lock

Transferfunktionen

Laserstabilisierung

Wirkungsweise des Current Lock

Es gibt beim NPRO definierte Transferfunktionen:

TF Pumpstrom -> NPRO-Leistung

TF Pumpstrom -> NPRO-Frequenz

Frequenz (Hz)

Ampitude (dB)

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Current Lock

Messungen NPRO

Laserstabilisierung

Frequenzrauschen im Current Lock am NPRO

Frequenzrauschen (Hz/rtHz)

Frequenz (Hz)

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Current Lock

Messungen NPRO

Laserstabilisierung

Leistungsrauschen im Current Lock am NPRO

Frequenz (Hz)

RIN (1/rtHz)

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultane Stabilisierung

Wirkungsweise des Current Lock

Pumpstrom

Pump-Laserdiode

NPRO

Leistungsrauschen

f

RRO

Frequenzrauschen

f

1/f

Single-mode gepumpter NPRO
Current Lock

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Multi-mode gepumpter NPRO
schematischer Aufbau

Multi-mode laserdiodenarray-gepumpter NPRO

Simultane Stabilisierung

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Multi-mode gepumpter NPRO
Schema Pumplichtstabilisierung

Schema der Pumplichtstabilisierung am multi-mode laserdiodenarray-gepumpten NPRO

Simultane Stabilisierung

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Multi-mode gepumpter NPRO
Leistungsrauschen Laserdiode

Simultane Stabilisierung

Pumplichtstabilisierung:
Leistungsrauschen des Laserdiodenarrays in loop

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultane Stabilisierung

Multi-mode gepumpter NPRO
Leistungsrauschen Laserdiode (out of loop)

Pumplichtstabilisierung:
Leistungsrauschen des Laserdiodenarrays out of loop

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Simultane Stabilisierung

Pumplichtstabilisierung: Leistungsrauschen des NPRO

Multi-mode gepumpter NPRO
Leistungsrauschen NPRO (out of loop)

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

multi-mode gepumpter NPRO
Résumé

Résumé: Pumplichtstabilisierung des multi-mode laserdioden-gepumpten NPRO

Simultane Stabilisierung

Stabilisierung DPPump ≠ Reduktion DPNPRO wg. → Apertureffekt!

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Single-mode laserdioden-gepumpter NPRO

Simultane Stabilisierung

Single-mode gepumpter NPRO
schematischer Aufbau

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Single-mode gepumpter NPRO
Experimentelles Vorgehen

Experimentelle Pfade:
Pumplichtstabilisierung ↔ Current Lock

Simultane Stabilisierung

Detektion und Stabilisierung der Pumpleistung (Rückkopplung auf Pumpstrom)

↓

Reduktion des NPRO-Leistungsrauschens?

↓

Reduktion des NPRO-Frequenzrauschens?!?

Detektion und Stabilisierung der NPRO-Frequenz (Rückkopplung auf Pumpstrom)

↓

Reduktion des NPRO-Frequenzrauschens

↓

Reduktion des NPRO-Leistungsrauschens?!?

ZENTRUM FÜR GRAVITATIONSPHYSIK

UNIVERSITÄT HANNOVER	ALBERT-EINSTEIN-INSTITUT

Korrelation Frequenz ↔ Leistung

Simultane Stabilisierung

Korrelation zwischen Frequenz und Leistung im NPRO

“Weißes Pump-Leistungsrauschen treibt 1/f Frequenzrauschen im NPRO.” (Day 1990)

→ Wie stark sind beide Prozesse korreliert?!?

“Unterhalb der RRO treibt weißes Pump-Leistungsrauschen auch weißes NPRO-Leistungsrauschen.” (Harb et al. 1997)

Begrüßung

Ich komme vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik, wo wir uns mit dem Betrieb des interferometrischen GWDs GEO 600 beschäftigen. In der Lasergruppe beschäftigen wir uns mit der Stabilisierung der Lichtquelle für GEO 600, einem injection gelockten diodengepumpten Festkörperlasersystem.

Heute möchte ich Ihnen über einige Experimente zur simultanen Stabilisierung an einem Prototyp-Lasersystem berichten, an dem wir neuartige Stabilisierungskonzepte verwirklicht haben.

Zunächst jedoch ein kurzer Überblick über die Historie.

Im Rahmen dieser Stabilisierungen haben wir in unserer Gruppe interessante Korrelationen zwischen Meßgrößen entdeckt und auch ein neues Verfahren zur Frequenzstabilisierung, den sogenannten Current Lock, entwickelt. Beim Current Lock wird die Frequenz des NPRO auf z.B. Einen Resonator stabilisiert durch Rückkopplung auf den Pumpstrom der Pump-Laserdioden. Auf diese Weise können die bereits intrinsisch sehr guten Frequenzrauscheigenschaften des NPRO verbessert werden. Hierbei zeigte es sich, daß zusätzlich zur Frequenzrauschreduktion eine kleine Reduktion des Leistungsrauschens in einem kleinen Frequenzband erreicht werden konnte. Diese war jedoch nur sehr klein.

Der Masterlaser des GEO-Lasersystems ist von einem sog. NPRO Design (Akronym erklären). Bei den Untersuchungen an diesem System fiel eine Kopplung zwischen dem Pumpstrom der Pumplaserdioden und der Frequenz des NPROs auf, welche zur Entwicklung einer neuartigen Frequenzstabilisierung, des Current Locks, führte. Bei dieser wird der Pumpstrom als Aktuator für die Laserfrequenz genutzt. Veränderung des Pumpstromes resultiert jedoch auch in einer Änderung der Laserleistung. Beim Current Lock führte diese Kopplung sogar zu einer geringfügigen simultanen Unterdrückung des Leistungsrauschens. Der geringe Grad der simultanen Unterdrückung beruht auf den folgenden Effekten im NPRO-Kristall: (Erklärung Argumentationskette)

Um das Maß der simultanen Unterdrückung zu erhöhen und mögliche Stabilisierungstechniken zu testen, haben wir ein Lasersystem im NPRO Design entworfen, welches eine single-mode Pumplaserdiode verwendet. Durch diese Maßnahme wird der Überlapp von Pump- und Lasermode optimiert. Hier sehen sie das Schema des neuen Lasersystem, dem sog. Single-mode laserdioden-gepumpten NPRO.

(Erklärung Schema)

Im Photo erkennen Sie...

Die Stabilisierungen, die wir an diesem Laser durchgeführt haben, zeige ich Ihnen im folgenden:

Als ersten Schritt haben wir eine Stabilisierung des Pumplichtes der single-mode Pumplaserdiode vorgenommen; dies bezeichnen wir als PLS. Zu überprüfen war, ob diese Maßnahme in einer Reduktion des Leistungsrauschens des damit gepumpten NPROs resultierte. Konventionelle NPROs werden mit multi-mode Laserdiodenarrays gepumpt – bei ihnen funktioniert eine PLS nicht!

Um die Kopplungseffekte zwischen Pumpleistung und NPRO-Leistung sowie -Frequenz zu untersuchen, wurde dann bei aktiver PLS das Frequenzrauschen des NPROs mit einem Analyseresonator gemessen.

Die Ergebnisse sehen Sie im hier:

Der zweite experimentelle Pfad, den wir verfolgt haben, ist eine Frequenzstabilisierung des single-mode gepumpten NPROs mit der in unserer Gruppe entwickelten Technik des Current Locks. Hierbei wird der Pumpstrom der Pump-Laserdiode als Aktuator für die NPRO-Frequenz verwendet.

Der SMNPRO wird mittels Current Lock auf einen optischen Referenzresonator stabilisiert. Mittels eines unabhängigen Analyseresonators wird dann das out-of-loop-FR des NPROs gemessen. Ein Photodetektor dient zur Messung des Leistungsrauschens des NPROs mit und ohne Current Lock.

Das dritte Experiment verwendet eine NoiseEater-Elektronik, um das Leistungsrauschen des NPROs zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird ein Teil der Leistung mit einem PD detektiert und auf den Pumpstrom der Pump-Laserdiode zurückgekoppelt. Ein unabhängiger PD dient zur Messung des out-of-loop erzielten Leistungsrauschens.

Mittels des Analyseresonators wird dann das Frequenzrauschen des NPROs mit und ohne aktiven NE gemesssen.

Die Lichtquelle dieses GWDs ist ein diodengepumptes Festkörperlasersystem, bestehend aus einem nicht-planaren Ringoszillator (kurz NPRO) als Masterlaser und einem Hochleistungslaser als Slave. Das Lasersystem muß in seinen Observablen aktiv stabilisiert werden, um den Anforderungen des GWDs gerecht zu werden.

Michèle Heurs

2004-11-29T15:04:21

Michèle Heurs