Optische Frequenzkämme (engl. optical frequency combs (OFCs)) haben sich in zahlreichen Bereichen – von der Umweltüberwachung bis hin zur grundlegenden Metrologie – zu einem unverzichtbaren Werkzeug entwickelt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Kohärenz, eine präzise Frequenzgenauigkeit und eine große spektrale Bandbreite aus. Die größte Herausforderung besteht jedoch weiterhin darin, OFCs zu realisieren, die robust, zuverlässig und äußerst rauscharm sind. Eine Doppelkamm-Architektur ist hierbei besonders interessant, da sie hochauflösende Messungen ohne bewegliche Bauteile ermöglicht und gleichzeitig eine schnelle und genaue Datenerfassung erlaubt. Damit eignet sich ein Doppelkammsystem für feldeinsatzfähige Anwendungen, wobei es als Lichtquelle dient und die Detektionseinheit aus einer schnellen Photodiode besteht. Konventionell bestehen Doppelkammsysteme aus zwei unabhängigen OFCs, was jedoch zu komplexen und sperrigen Aufbauten führt. Eine vielversprechende Alternative ist der sogenannte Einkavitäts-DoppelKamm (engl. single-cavity dual-comb (SCDC)), bei dem beide Frequenzkämme aus derselben Laserkavität erzeugt werden. Dieser Ansatz erhöht die gegenseitige Kohärenz der beiden Kämme, da gemeinsames Rauschen weitgehend kompensiert wird. Dadurch bietet ein SCDC-System ein breitbandiges und hochauflösendes Spektrum bei gleichzeitig hoher gegenseitiger Kohärenz, und dies ohne komplexe bewegliche Komponenten, was es zu einem idealen Kandidaten für Anwendungen im Feld macht. Das Hauptziel dieser Dissertation besteht darin, neue SCDC-Architekturen zu entwerfen, umzusetzen und zu charakterisieren, die speziell für Entfernungs- und spektroskopische Messungen ausgelegt sind. Die vorgestellten Doppelkammsysteme basieren vollständig auf polarisationserhaltenden (engl. polarization-maintaining (PM)) Fasern und werden mittels eines nichtlinearen verstärkenden Schleifenspiegels (engl. nonlinear amplifying loop mirror (NALM)) modengekoppelt. Faserlaser, die auf NALM-Modenkopplung beruhen, zeichnen sich durch eine hohe Stabilität und Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen aus. Im ersten Teil der Arbeit untersuchen wir daher die Leistungsfähigkeit NALM-basierter Faserlaser im nahen Infrarot. Der Schwerpunkt liegt auf Frequenzkämmen bei 1.5 μm, da diese Wellenlänge geringe Verluste in Silicafasern aufweist und zudem im augensicheren Bereich liegt. Wir analysieren insbesondere, wie Kavitätsverluste das modengekoppelte Spektrum sowie das gesamte Rauschverhalten beeinflussen. Aufbauend auf diesen Untersuchungen entwickeln wir eine neue, umweltstabile SCDC-Architektur, die die beiden Polarisationsachsen der PM-Faser nutzt. Dieses System zeigt eine äußerst rauscharme Performance, übertrifft bestehende NALM-basierte Faserlaser, erreicht eine Qualität vergleichbar mit Festkörper-SCDC-Systemen und ist sogar mit Einkamm-Faserlasern konkurrenzfähig. Darüber hinaus präsentieren wir einen faserbasierten Verstärker mit gemeinsamem Strahlengang sowie eine Erweiterung des SCDC-Prinzips auf andere Wellenlängenbereiche. Neben der Laserentwicklung werden in dieser Arbeit zwei Anwendungen demonstriert, die auf Doppelkämmen basieren: Distanz- und Spektroskopiemessungen. Für die Distanzmessung wurde ein zweifarbiges SCDC-System eingesetzt. Durch die Nutzung der intrinsischen Modulationen des Lasersystems konnte der Eindeutigkeitsbereich auf 150 km erweitert werden. Diese Erweiterung wurde ohne zusätzliche Komponenten erreicht, was die Gesamtkomplexität des Systems deutlich reduziert. Damit ermöglicht das System Einzelschussmessungen der absoluten Distanz mit hoher Präzision über einen stark vergrößerten Eindeutigkeitsbereich. Für das spektroskopische Experiment wurden die Absorptionslinien von Kohlenmonoxid in einer Referenzzelle mithilfe des polarisationsgemultiplexten SCDC erfasst. Diese Messung erfolgte im freilaufenden Betrieb des Doppelkamms. Die Absorptionsmerkmale wurden dabei mit einer spektralen Auflösung von 0.03 nm bei einer zentralen Wellenlänge von 1570 nm aufgezeichnet. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf die zukünftige Entwicklung kompakter und zuverlässiger SCDC-Systeme. Sie bietet einen umfassenden Rahmen für die Nutzung von SCDC-Architekturen in der Doppelkamm-Distanzmessung und der Spektroskopie. Abschließend werden offene Herausforderungen und künftige Forschungsfragen diskutiert, insbesondere im Hinblick auf die effiziente Erzeugung von SCDC-Systemen im mittleren Infrarot.
Collin Aldia Pulickal Edwin (Wed,) studied this question.