Schwankungen der Laserleistung mit Quantenkorrelationen messen
Die hier untersuchte Technik der „Quantenkorrelationsmessung“ (QCM) stellt eine einfache Alternative für die Messung des Laserleistungsrauschens außerhalb eines Regelkreises dar.
Das Messen und Überwachen von technischen Schwankungen der Laserleistung ist für hochpräzise metrologische Anwendungen wie beispielsweise Gravitationswellen-Detektoren erforderlich. Da diese Instrumente oft mit hohen Laserleistungen (im Bereich von Hunderten Watt) arbeiten und die üblicherweise verwendeten Hochleistungs-Photodetektoren bei diesen großen thermischen Belastungen sättigen oder beschädigt werden, müssen die Strahlen für die Messung meist stark abgeschwächt werden.
Dadurch wird aber auch die gewünschte Information der Leistungsschwankungen im Vergleich zu den am Messeingang einkoppelnden Vakuumschwankungen reduziert, was zu einem erhöhten relativen Schrotrauschen führt. Dies wiederum begrenzt dann die Messung des Leistungsrauschens bei einer gegebenen gemessenen Leistung. Es gibt zwar Möglichkeiten, dieses Problem zu umgehen, beispielsweise durch Verwendung einer Anordnung aus mehreren Photodioden, um die gemessene Leistung zu erhöhen, oder auch durch Einsatz eines Filterresonators zur Trägerdämpfung („optische AC-Kopplung“), aber diese Lösungen sind mit relativ großem technischen Aufwand verbunden. Die hier untersuchte Methode der „Quantenkorrelationsmessung“ (QCM) stellt eine einfache Alternative für eine Leistungsrauschmessung außerhalb eines Regelkreises dar.
Bei einer traditionellen Messung lässt sich das Leistungsrauschen des Lasers mit einer Leistungsspektraldichtemessung (PSD) des Photodetektorsignals quantifizieren. Allerdings stellen in dieser Situation das Schrotrauschen und sogar das elektronische Detektor-Dunkelrauschen Nachweisgrenzen dar. Im Gegensatz dazu enthält der QCM-Aufbau einen 50:50-Strahlteiler, der im Messeingang platziert ist, so dass das Licht auf zwei Photodetektoren aufgeteilt wird, anstatt nur auf einen einzigen zu treffen.
Am offenen Eingang koppeln Schwankungen des quantenmechanischen Vakuums ähnlich wie am Abschwächer im traditionellen Schema ein, allerdings erscheint dieser Beitrag an den beiden Photodetektoren aufgrund der durch den Strahlteiler induzierten Phasenverschiebung gegenphasig. Das Laserleistungsrauschen kann dann über die Kreuzleistungsspektraldichte (CSD) der beiden Photodetektorsignale ermittelt werden. Dabei heben sich die Beiträge der vom ursprünglichen Strahl übertragenen Vakuumfluktuationen und der an den beiden offenen Eingängen im Messpfad einkoppelnden Fluktuationen aufgrund ihrer gegensätzlichen Phase auf, was die Messung unempfindlich gegenüber Schrotrauschen macht.
Daher kann man technische Leistungsschwankungen unterhalb der Schrotrauschgrenze des Messtrahls messen, was beim traditionellen Ansatz nicht möglich ist. Da die einzelnen Dunkelrauschbeiträge der Detektoren untereinander unkorreliert sind, ist man außerdem unempfindlich gegenüber elektronischem Dunkelrauschen.
Insgesamt stellt das QCM-Prinzip eine leistungsfähige und einfach anzuwendende Leistungsrauschmessung außerhalb eines Regelkreises dar.
Im QCM-Experiment soll die Machbarkeit der Technik unter realistischen Bedingungen für Anwendungen mit hoher Laserleistung quantifiziert werden. Zusätzlich soll untersucht werden, ob sich dieser Ansatz als zuverlässiger Detektor für helles Quetschlicht verwenden lässt.