@phdthesis{Brunner2005,
  author    = {Brunner, Raimund},
  title     = {Analyse optischer Heterodynsignale zur dynamischen Charakterisierung von Diodenlasern},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-17195},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2005},
  abstract  = {Die stetige Degradation von Halbleiterlasern, speziell bei Bleichalkogenidlasern, erfordert in spektroskopischen Systemen eine regelm{\"a}ßige {\"U}berwachung typischer Eigenschaften wie Abstimmcharakteristik und Linienbreite. Im Hinblick auf einen m{\"o}glichst hohen Automatisierungsgrad wird langfristig eine Online-Analysemethode zur {\"U}berwachung notwendig sein. Die {\"u}blicherweise verwendete Methode, den Laserarbeitspunkt {\"u}ber zugrunde liegende Modenkarten einzustellen, hat den gravierenden Nachteil, dass solche Modenkarten in der Regel nicht unter dynamischen Modulationsbedingungen vermessen wurden. Gerade im dynamischen Fall sind diese Karten empfindlich abh{\"a}ngig gegen{\"u}ber Ver{\"a}nderungen durch Zyklieren und Degradieren des Lasers. Etalons (Etalonsignale) sind bez{\"u}glich der Abstimmcharakteristik nicht zuverl{\"a}ssig genug und von daher f{\"u}r eine w{\"u}nschenswerte Automatisierung nicht ausreichen. Modenspr{\"u}nge oder schwache R{\"u}ckkopplungseffekte lassen sich im Interferogramm nicht ohne weiteres identifiziert. Eine erweiterte Analyse der St{\"o}rungen dieser Interferogramme im Zeit-Frequenzbereich mittels einer AOK(Adaptive Optimal Kernel)-Transformation erwies sich speziell bei Signalen mit wenigen Perioden als deutlich aussagekr{\"a}ftiger. Mittels optischer Homodynmischung wurde die Linienbreite von Bleichalkogenidlasern ermittelt. Bei inkoh{\"a}renter {\"U}berlagerung entspricht die spektrale Verteilung der Mischung der Faltung der urspr{\"u}nglichen Verteilung mit sich selbst. Der Laser wird dabei nicht abgestimmt, die optische Laufzeitverz{\"o}gerung wurde mittels integrierter White-Zelle realisiert. Es wurde beobachtet, dass je nach Grad des Rauschens des Injektionsstroms, das Linienbreitenprofil von Lorentz nach Gauß {\"u}berging. Mit einem externen CO2-Laser als lokalen Oszillator wurden Heterodynmessungen durchgef{\"u}hrt. Die Linienbreite eines CO2-Lasers ist mit wenigen kHz im Vergleich zu derjenigen eines Bleichalkogenidlasers vernachl{\"a}ssigbar und die {\"U}berlagerung erfolgt absolut inkoh{\"a}rent. Gemessen wurden spektrale Verteilungen mit typischem Lorentzprofil von 10 MHz bis zu 100 MHz und dar{\"u}ber hinaus. Auff{\"a}llig waren h{\"a}ufig symmetrische Nebenpeaks, die in den Bereichen der Seitenflanken des Lorentzprofils auftraten. Anhand einer numerischen Simulation eines Modells einer Laserdiode, basierend auf Ratengleichungen mit f{\"u}r Bleichalkogenidlasern typischen Parameterwerten, konnte verdeutlicht werden, dass sich durch das nichtlineare Lasermodell ausgepr{\"a}gte Vielfache von Resonanzen bereits im Abstand von 25 MHz ausbilden k{\"o}nnen. Derartige Resonanzen tauchen im E-Feld-Spektrum als typische Relaxationsoszillationen in den Seitenb{\"a}ndern wieder auf und erkl{\"a}ren die in der Messung beobachteten Nebenpeaks innerhalb der spektralen Verteilung. Die St{\"a}rke der Seitenb{\"a}nder ist ein Maß f{\"u}r die Korrelation zwischen Phasen- und Amplitudenfluktuationen. Das Modell f{\"u}r die numerische Berechnung des E-Feldes wurde mit einem thermischen Verhalten erweitert. Eine umfassende Charakterisierungsmethode zur automatisierten Einstellung eines modulierten Lasersystems muss dynamisch und zeitaufgel{\"o}st erfolgen. Die Auswertung optischer Mischfrequenzen beschr{\"a}nkt sich dabei nicht mehr auf die direkte Interpretation von einzelnen Spektren, sondern erweitert sich auf die Analyse im Zeit-Frequenzraum. F{\"u}r eine direkte und schnelle Zeitfrequenztransformation bietet sich ein „Gefensterte Fouriertransformation" (STFT) an, die sich außerdem relativ einfach in moderne Signalprozessortechnik implementieren l{\"a}sst. Sie erweist sich als sehr robust und f{\"u}r die hier erforderliche Analyse von Heterodynsignalen als ausreichend. Mit der Festlegung des Analysefensters innerhalb einer STFT ist die Aufl{\"o}sung in Zeit und Frequenz fest definiert. Analysen von Mischsignalen mit einer kontinuierlichen Wavelettransformation haben vergleichsweise gezeigt, dass Details im Zeitfrequenzraum zwar besser herausgearbeitet werden k{\"o}nnen, jedoch ist der Rechenaufwand durch die variable Skalierung und somit stark redundante Analyse und ihre Darstellung unverh{\"a}ltnism{\"a}ßig gr{\"o}ßer. Eine Analyse des Linienbreitenprofils erfolgt dabei {\"u}ber die Entwicklung der Skalierung eines Signals. Die {\"u}ber Heterodynsignale ermittelte effektive Linienbreite bei einer modulierten Abstimmung sollte eher als „dynamische" oder „intrinsische" Laserlinienbreite bezeichnet werden. Eine direkte Korrelation der Frequenzvariation des Lasers mit dem Stromrauschen des Injektionsstroms ist offensichtlich. Die wirksame Bandbreite des Stromrauschens wird durch die Systemelektronik einerseits und die Modulationsbandbreite des Lasers andererseits begrenzt. Außer den wichtigen Parametern wie Abstimmung und Linienbreite lassen sich {\"u}ber die dynamische Zeitfrequenzanalyse von Heterodynsignalen dar{\"u}ber hinaus weitere Ph{\"a}nomene wie R{\"u}ckkopplung, Moden{\"u}berlagerung oder Einschwingverhalten aufgrund direkter Kopplung zwischen Intensit{\"a}ts­ und Frequenzmodulation beobachten.},
  subject      = {Laserdiode},
  language  = {de}
}