Injection of a quantum cascade laser into a high-finesse optical resonator : using Pound-Drever-Hall frequency stabilization

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde die experimentelle Realisierung der Frequenzstabilisierung eines Quantenkaskadenlasers durch die Pound-Drever-Hall Technik anhand eines optischen Resonators mit hoher Finesse als stabile optische Referenz untersucht. Als Konsequenz dieser Frequenzstabilisierung hätte der Anstieg der Lichtintensität im Inneren des Resonators auf seine praktische Anwendbarkeit in spektroskopischen Anwendungen untersucht werden sollen. Nach dem Studium der einschlägigen Literatur und der Auswahl passender Komponenten wurde der experimentelle Aufbau im Labor vorgenommen. Einige Anpassungen wurden dabei gemacht, um die Vorgaben der Literatur an die Erfordernisse eines Quantenkaskadenlasers anzupassen, welcher im mittleren Infrarot emittiert. Aufgrund des vorhandenen elektronischen Rauschens und der nicht erzeugbaren Resonanz innerhalb des Resonators auf reproduzierbarer Basis, wurde der Fokus auf die Untersuchung dieses Rauschens gelegt, was zu einer Verbesserung des System-Rauschens führte. Am Ende war es möglich, schwache Signale zu erfassen, welche auf einen teilweisen und kurzzeitigen Aufbau resonanter Bedingungen schließen lassen. Die Kohärenzzeit des Lasers wurde als kritischster Parameter identifiziert, um Resonanz innerhalb eines optischen Resonators zu erzeugen. Die Resultate dieser Arbeit ebnen den Weg für weitere praktische Ansätze. Ohne Zweifel müssen zusätzliche Nachforschungen angestellt werden, welche jedoch den Umfang und zeitlichen Rahmen dieser Diplomarbeit übersteigen würden.

In this work the experimental realization of frequency stabilizing a mid-infrared continuous wave distributed feedback quantum cascade laser by use of the Pound-Drever- Hall technique with a high-finesse optical resonator as a stable optical reference was investigated. As a consequence of this frequency stabilization the build-up of light intensity within the resonator should have been investigated for its practical purpose in spectroscopic applications. After some research of the respective literature and the selection of some specific components for the setup it was built up in the lab. Some adaptations were made compared to the suggestions of the literature in order to comply with the requirements of a mid-infrared quantum cascade laser. Due to the presence of electronic noise and ongoing failure of resonant conditions on a repeatable basis, the focus was set on noise investigation, which led to an improvement of the laser system-s noise performance. Finally, it was possible to acquire weak signals that indicated the partial emergence of resonant conditions on a short time-scale. The coherence time of the laser was identified to be the most critical parameter for producing resonance when injecting laser light into an optical resonator. The results of this work pave the way for further practical approaches. With no doubt additional investigations have to be carried out but would exceed the extent and time-efforts of this master thesis.