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Biedermann, Benjamin (2010): Fourierdomänen modengekoppelte Laser: Aufklärung der Funktionsweise und Erschließung neuer Anwendungsbereiche. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Mit der Fourierdomänen Modenkopplung (FDML) wurde vor kurzem ein neuer Operationsmodus für sehr schnell in der Wellenlänge abstimmbare Laser entdeckt, bei dem ein schmalbandiger Spektralfilter resonant zur Lichtumlaufzeit im Resonator abgestimmt wird. Diese FDML-Laser, deren genaue Funktionsweise noch unverstanden ist, gehören zu den schnellsten weit abstimmbaren Lichtquellen und eignen sich besonders für die optische Kohärenztomografie (OCT), die ein junges dreidimensionales Bildgebungsverfahren darstellt. In dieser Arbeit wurden zwei Ziele parallel verfolgt. Zum einen sollten durch Optimierungen und Erweiterungen des Lasers neue Anwendungsmöglichkeiten insbesondere in der OCT ermöglicht, gleichzeitig aber auch neue Erkenntnisse über die genaue Funktionsweise der Fourierdomänen Modenkopplung auf physikalischer Ebene gewonnen werden. In dem eher anwendungsorientierten Teil dieser Arbeit wurde zunächst eine neue Methode entwickelt, mit der es in der OCT mit schnell abstimmbaren Lasern möglich ist, zweidimensionale Schnitte bei einer bestimmten Tiefe, sogenannte en face Schnitte, ohne aufwändige Computerberechnung zu erhalten. Während diese Schnitte bisher nur sehr rechenintensiv durch Nachbearbeitung und Extraktion aus einem vollständig aufgenommenen dreidimensionalen Datensatz gewonnen werden konnten, lassen diese sich nun um ein Vielfaches schneller aufnehmen und darstellen. Weiterhin wurde durch den Eigenbau eines auf Abstimmgeschwindigkeit optimierten Spektralfilters die Aufnahmegeschwindigkeit eines mit einem FDML-Laser betriebenen OCT-Systems um über eine Größenordnung erhöht, so dass dieses nun mit Abstand zu den schnellsten Systemen gehört. Obwohl bei diesen hohen Geschwindigkeiten das Signal-Rausch-Verhältnis durch Schrotrauschen bereits limitiert wird, konnten Aufnahmen sehr hoher Qualität erzeugt werden, was a priori nicht selbstverständlich war. Im Grundlagenteil dieser Arbeit wurde das Verständnis der Operationsweise der Fourierdomänen Modenkopplung erweitert. Da FDML-Laser vollständig aus Glasfaserkomponenten aufgebaut sind und Längen von mehreren Kilometern aufweisen, wurde der Einfluss der Faserdispersion auf sowohl Linienbreite und Rauschverhalten untersucht. Mit einer speziellen dispersionskompensierten Resonatorgeometrie konnte dabei ein einfaches Modell des Einflusses der Dispersion auf die Kohärenzlänge validiert und eine deutliche Erhöhung dieser erreicht werden. Ein umfassenderes Modell der Operationsweise von FDML-Lasern ist wünschenswert, um experimentell schwer zugängliche Fragestellungen beantworten zu können. Auf dem Weg dahin müssen zunächst alle physikalischen Effekte im Resonator, welche zur Lasertätigkeit beitragen, aufgeklärt werden. Hierzu wurde die zeitabhängige Leistung eines FDML-Lasers durch verschiedene Terme in der nichtlinearen Schrödingergleichung modelliert, numerisch ausgewertet und mit experimentellen Daten verglichen. Dadurch konnten wichtige an der Laseroperation beteiligte Prozesse aufgeklärt und eine Basis für weitergehende Simulationen geschaffen werden.