Die von Prof. Dr. Robert Huber et al. entwickelte Funktionsprinzip des Fourier Domänen modengekoppelten (FDML) Laser ermöglicht es die weltweit schnellsten, schmalbandig durchstimmbaren Laserlichtquellen zu bauen. Dabei können Durchstimmraten von mehreren Millionen Hertz bei optischen Bandbreiten von über 100 nm erzielt werden. Im Bereich der optischen Kohärenztomographie (OCT) mit durchstimmbaren Lichtquellen (SS-OCT) haben FDML-Laser die Bildgebung revolutioniert. FDML-Laser sind in der Lage vollständige Frequenzdurchläufe im Resonator zu speichern und damit mehrere Lasermoden gleichzeitig aktiv zu halten gegenüber konventionellen frequenzdurchstimmbaren Lichtquellen. Dadurch wird ein extrem rauscharmer Zug von Frequenzdurchläufen erzeugt dessen Lichtfeld eine besonders lange Kohärenzlänge aufweist. Dies sorgt gerade in der OCT für eine geringere Abnahme der Sensitivität mit der Eindringtiefe (roll-off) und besonders rauscharmen Aufnahmen.

Heutige Standard-Hochgeschwindigkeits-Durchstimmbare-Laserquellen bestehen typischerweise aus einem breitbandigen Verstärkungsmedium mit einem abstimmbaren optischen Bandpassfilter im Resonator (Abb. 1).

Die maximal erreichbare Frequenzabstimmrate wird durch die charakteristische Zeitkonstante für den Aufbau der Laseraktivität im Resonator begrenzt (Abb. 2).

Dieser nicht-stationäre Betrieb, der einer zeitlich variierenden Energieverteilung zwischen den longitudinalen Moden des Laserresonators entspricht, hat viele Nachteile, einschließlich eines erhöhten Amplitudenrauschens, niedriger Leistung, einer breiten instantanen Linienbreite oder einer kurzen instantanen Kohärenzlänge. Diese Probleme können überwunden werden, indem der Laserresonator erweitert und der optische Bandpassfilter periodisch synchron mit der optischen Umlaufzeit, der sich im Resonator ausbreitenden Lichtwelle angesteuert wird (Abb. 3).

Dies führt zu einem quasistationären Betrieb, bei dem sich das Licht von einem Frequenzdurchlaufdurch den Resonator ausbreitet und zum optischen Bandpassfilter genau zu dem Zeitpunkt zurückkehrt, zu dem sich die Transmission des Filters an der gleichen spektralen Position befindet. Im Frequenzbereich ergibt sich dadurch eine feste Phasenbeziehung zwischen den longitudinalen Resonatormoden, so dass das transiente elektrische Feld am optischen Bandpassfilter nur Frequenzkomponenten aufweist, die der Transmission des transienten Filters entsprechen, während alle anderen Frequenzkomponenten destruktiv interferieren. Wir bezeichnen diese Technik als Fourier Domänen Moden Kopplung (FDML). FDML ist komplementär zur Standard-Moden-Kopplung. Bei der FDML wird das Spektrum und nicht die Amplitude des Feldes moduliert. Es wird eine dynamische spektrale Fensterfunktion (Wellenlängenfenster, das sich zeitlich ändert) und nicht eine zeitliche (Zeitfenster ohne Wellenlängenabhängigkeit) angewendet. Als Ergebnis erzeugt der Laser eine Folge von schmalbandigen optischen Frequenzdurchläufen mit der inversen Lichtumlaufzeit im Resonator oder einer Harmonischen davon. Dieses frequenzdurchlaufende Ausgangssignal kann auch als eine Folge von stark auseinandergezogenen, langen Pulsen mit einer festen Phasenbeziehung zwischen aufeinanderfolgenden Frequenzdurchläufen betrachtet werden.

Eine für den FDML-Betrieb gut geeignete Konfiguration umfasst einen optischen Halbleiterverstärker (SOA) als Laserverstärkungsmedium, einen abstimmbaren Fabry-Perot-Filter als optischen Bandpass und eine mehrere hundert Meter lange optische Faser, um eine ausreichende Verzögerung zu erzielen.

Trotz der langen optischen Verzögerungsstrecke ist eine robuste Konfiguration mit geringem Platzbedarf möglich.

Veröffentlichungen über die Funktionsweise des FDML-Lasers können Sie der Publikationsliste entnehmen.