Diplomarbeit Alexander Rettenmaier

KAPITEL 4. STABILISIERUNG DES FLASCHENRESONATORS
konnten thermische Bistabilitäten beobachtet werden. Weiterhin trat bei manchen Flaschenresonatoren
eine Aufspaltung der Moden auf.
4.5.1 Modenaufspaltung
In Kapitel 1.4.3 wurde der Effekt der Modenaufspaltung behandelt, der bei Resonatoren
auftritt, die einen großen Anteil des eingekoppelten Lichts entgegen der Umlaufrichtung
zurückstreuen (z.B. durch Streuung an Inhomogenitäten der Oberfläche). Dadurch wird
die Entartung der beiden im und gegen den Uhrzeigersinn orientierten Moden aufgehoben,
was im Fall starker Kopplung der beiden Moden zu einer Aufspaltung der ursprünglichen
in zwei neue, symmetrisch um die ursprüngliche Frequenz liegende Resonanzfrequenzen
führt. Die Stärke und die Form der Aufspaltung ist dabei unabhängig von der verwendeten
Leistung. Bei den von uns benutzten Flaschenresonatoren mit sehr glatten Oberflächen und
Radien über 18 µm ist die Rückstreuung so gering, dass es nur selten zu Modenaufspaltung
kommt.
Bei dem in Abbildung 4.16 gezeigten Beispiel sieht man die Auswirkungen von leichter
und in Abbildung 4.17 von starker Modenaufspaltung auf das Fehlersignal. Durch die
Aufspaltung der Resonanzfrequenzen im Transmissionssignal kommt es auch zu einer Aufspaltung
im zentralen Bereich aller drei Flanken des Fehlersignals. Bei der in Abbildung
4.16 dargestellten Messung ist die Aufspaltung nur sehr gering ausgeprägt, so dass sich
eher Plateaus ergeben. Dies ist der Bereich auf den (beim Trägersignal) normalerweise die
Stabilisierung durchgeführt wird. Solch ein Verlauf des Fehlersignals ist zu vermeiden, da
sich im Fall der Plateaubildung der Wert des Fehlersignals bei kleinen Abweichungen der
Frequenz vom Sollwert so gut wie nicht ändert und man im Fall der starken Aufspaltung
mehrere Nulldurchgänge dicht nebeneinander hat, so dass man anhand des Vorzeichens
des Signals nicht mehr erkennen kann, ob die Resonanzfrequenz des Resonators unter oder
über der Laserfrequenz liegt. Durch das Auftreten von Flanken mit falschen Vorzeichen
droht der Regelkreis außerdem zu schwingen. Ein Resonator, der Modenaufspaltung zeigt,
kann jedoch einfach aussortiert werden, so dass das Problem beherrschbar ist.
Die Frequenzeichung wurde anhand des Abstands der Mitte der Aufspaltung (bzw. der
Plateaus) der Seitenbänder durchgeführt. Dies ist deutlich ungenauer als die sonst verwendete
steile Flanke, so dass ein Fehler von ±5% angenommen wird. Das asymmetrische
Aussehen der Seitenbänder liegt nicht an der aufgetretenen Modenaufspaltung, sondern an
einer nicht optimal eingestellten Phase zwischen Transmissionssignal und Lokaloszillator
(siehe Kapitel 4.1.3). Die Messung in Abbildung 4.16 wurde noch nicht mit der resonanten
APD, sondern mit einer gewöhnlichen Photodiode (Firma Osram, Modell SFH 2400-PA
mit einer Verstärkerplatine aus der Elektronikwerkstatt des Physikinstituts) bei einigen
zehn Mikrowatt durchgeführt, weswegen nur sehr geringes Rauschen auftrat. Die Messung
in Abbildung 4.17 wurde mit der resonanten APD bei 1 µW aufgenommen.
4.5.2 Thermische Bistabilitäten
Bei Resonatoren sehr hoher Güte können leicht thermische Bistabilitäten auftreten [57, 58].
Wird bei einem Resonator mit sehr hoher Güte die Resonanzfrequenz durchgestimmt, so
steigt im Resonanzfall die Intensität im Resonator äußerst stark an. Bei zu großer eingekoppelter
Leistung erwärmt sich der Resonator, was eine Änderung des Brechungsindex und
damit eine Verschiebung der Resonanzfrequenz nach sich zieht. Geschieht die thermische
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