Experiments with a single-mode laser diode pumped NPRO

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1 LIGO-G Z Experiments with a single-mode laser diode pumped NPRO LSC-meeting Livingston Michèle Heurs, Tobias Meier, Benno Willke and Karsten Danzmann Max-Planck-Institute for and Institute for atomic- and gravitational physics molecular physics (Albert-Einstein-Institute) (section spectroscopy) Callinstr. 38, Hannover

2 Simultaneous stabilisation NPRO Non-planar ring oscillator (NPRO) pump current pump laser diode int noise NPRO RRO f NoiseEater feedback detection int noise Current lock pump current pump laser diode NPRO RRO PNPRO freq noise Ipump Ppump f NPRO 1/f f f

3 Simultaneous stabilisation Mode overlap in NPRO Pump- and laser mode in multi-mode pumped NPRO overlap: pump noise couples into NPRO frequency and intensity noise pump mode T n L Lopt f NPRO PNPRO NPRO mode n f NPRO outside overlap region: pump noise couples into NPRO frequency noise only 1,6cm 1/e² absorption length T n L Lopt f NPRO

4 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO schematic setup Single-mode laser diode pumped NPRO

5 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO pump light stabilisation current Pump light stabilisation: experimental setup ModeCleaner ETRNPRO MC Lock RIN pump light stab

6 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO pump light stabilisation Pump light stabilisation: intensity noise reduction of the pump laser diode relative intensity noise free running with pump light stabilisation detection noise frequency

7 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO pump light stabilisation relative intensity noise Pump light stabilisation: intensity noise reduction of the NPRO free running with pump light stabilisation detection noise frequency

8 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO pump light stabilisation Pump light stabilisation: simultaneous frequency noise reduction frequency noise (lin. spectral density) free running with pump light stabilisation detection noise demodulation noise frequency Heurs et al., Intensity and frequency noise reduction of a Nd:YAG NPRO via pump light stabilisation, to be submitted to Appl. Phys. B

9 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO current lock Current lock: experimental setup Reference current Current lock Cavity ModeCleaner ETRNPRO MC Lock RIN

10 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO current lock Current lock: frequency noise reduction (in loop) frequency noise (lin. spectral density) free running with current lock (in loop) demodulation noise frequency

11 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO current lock Current lock: frequency noise reduction (out of loop) frequency noise (lin. spectral density) free running demodulation noise detection noise with current lock (out of loop) frequency

12 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO current lock Current lock: simultaneous intensity noise reduction relative intensity noise free running with current lock detection noise frequency Heurs et al., Simultaneously suppressing frequency and intensity noise in a Nd:YAG nonplanar ring oscillator by means of the current-lock technique, Opt. Lett. 29, 2148 (2004)

13 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO increasing the bandwidth Increasing the bandwidth: a NoiseEater for the single-mode pumped NPRO current NoiseEater ModeCleaner ETRNPRO MC Lock RIN

14 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO increasing the bandwidth Increasing the bandwidth: intensity noise reduction of the single-mode NPRO relative intensity noise detection noise with NoiseEater without NoiseEater frequency

15 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO increasing the bandwidth Increasing the bandwidth: frequency noise reduction of the single-mode NPRO frequency noise (lin. spectral density) without NoiseEater with NoiseEater control signal noise demodulation noise frequency

16 Simultaneous stabilisation Single-mode pumped NPRO résumé Résumé Pump light stabilisation: Reduction of NPRO intensity noise + simultaneous reduction of NPRO frequency noise ~ 20 db Current Lock: Reduction of NPRO frequency noise + simultaneous reduction of NPRO intensity noise ~ 30 db NE-Experiment: Reduction of NPRO intensity noise + simultaneous reduction of NPRO frequency noise with a bandwidth above the RRO

17 FIN!

18 Anhang Reservefolien Weitere Folien zur näheren Erläuterung

19 Ausblick Wie geht es weiter...? Ausblick Current Lock am single-mode gepumpten NPRO über RRO Erhöhung der Pumpleistung single-mode gepumpter NPRO Einsatz als Master Laser! Non-Demolition Messungen durch Korrelationen im single-mode gepumpten NPRO!?

20 Simultane Stabilisierung Der Gravitationswellendetektor GEO 600 schematischer Aufbau Überblick: Schematischer Aufbau von GEO 600 PumpLaserdioden MC1 MC2 PRM BS Slave Laser SRM NPRO PZT Temp Master Laser

21 Simultane Stabilisierung Korrelation Frequenz Leistung Korrelation zwischen Frequenz und Leistung im NPRO Weißes Pump-Leistungsrauschen treibt 1/f Frequenzrauschen im NPRO. (Day 1990) Ppump n Lopt f NPRO~ 1/ f Unterhalb der RRO treibt weißes PumpLeistungsrauschen auch weißes NPROLeistungsrauschen. (Harb et al. 1997) Ipump Ppump PNPRO für f RRO

22 Simultane Stabilisierung Problemstellung simultane Rauschunterdrückung RIN (1/rtHz) Frequenzrauschen (Hz/rtHz) Frequenzstabilisierung (Current Lock) am NPRO Frequenz (Hz) Frequenz (Hz) (Willke et al.,opt. Lett. 2000)

23 Laserstabilisierung Exkurs: Experimente mit Diodenarray Modenüberlapp von Pump- und Lasermode im NPRO

24 Laserstabilisierung Exkurs: Experimente mit Diodenarray Intensitätsverteilung von NPRO und Laserdiodenarray

25 Laserstabilisierung Current Lock Transferfunktionen Wirkungsweise des Current Lock Es gibt beim NPRO definierte Transferfunktionen: TF Pumpstrom -> NPRO-Frequenz TF Pumpstrom -> NPRO-Leistung 10 1 Transferf unktion Strom - Frequenz Ampitude (db) Transferfunktion [MHz/mA] Frequenz (Hz) Frequenz [Hz]

26 Laserstabilisierung Current Lock Messungen NPRO Frequenzrauschen (Hz/rtHz) Frequenzrauschen im Current Lock am NPRO Frequenz (Hz)

27 Laserstabilisierung Current Lock Messungen NPRO RIN (1/rtHz) Leistungsrauschen im Current Lock am NPRO Frequenz (Hz)

28 Simultane Stabilisierung Single-mode gepumpter NPRO Current Lock Wirkungsweise des Current Lock Leistungsrauschen PumpLaserdiode Pumpstrom RRO NPRO PNPRO f f NPRO Frequenzrauschen Ipump Ppump 1/f f

29 Simultane Stabilisierung Multi-mode gepumpter NPRO schematischer Aufbau Multi-mode laserdiodenarray-gepumpter NPRO

30 Simultane Stabilisierung Multi-mode gepumpter NPRO Schema Pumplichtstabilisierung Schema der Pumplichtstabilisierung am multi-mode laserdiodenarray-gepumpten NPRO

31 Simultane Stabilisierung Multi-mode gepumpter NPRO Leistungsrauschen Laserdiode Pumplichtstabilisierung: Leistungsrauschen des Laserdiodenarrays in loop

32 Simultane Stabilisierung Multi-mode gepumpter NPRO Leistungsrauschen Laserdiode (out of loop) Pumplichtstabilisierung: Leistungsrauschen des Laserdiodenarrays out of loop

33 Simultane Stabilisierung Multi-mode gepumpter NPRO Leistungsrauschen NPRO (out of loop) Pumplichtstabilisierung: Leistungsrauschen des NPRO

34 Simultane Stabilisierung multi-mode gepumpter NPRO Résumé Résumé: Pumplichtstabilisierung des multi-mode laserdioden-gepumpten NPRO Stabilisierung PPump Reduktion PNPRO wg. Apertureffekt!

35 Simultane Stabilisierung Single-mode gepumpter NPRO schematischer Aufbau Single-mode laserdioden-gepumpter NPRO

36 Simultane Stabilisierung Single-mode gepumpter NPRO Experimentelles Vorgehen Experimentelle Pfade: Pumplichtstabilisierung Current Lock Detektion und Stabilisierung der Pumpleistung (Rückkopplung auf Pumpstrom) Reduktion des NPROLeistungsrauschens? Reduktion des NPROFrequenzrauschens?!? Detektion und Stabilisierung der NPRO-Frequenz (Rückkopplung auf Pumpstrom) Reduktion des NPROFrequenzrauschens Reduktion des NPROLeistungsrauschens?!?

37 Simultane Stabilisierung Korrelation Frequenz Leistung Korrelation zwischen Frequenz und Leistung im NPRO Weißes Pump-Leistungsrauschen treibt 1/f Frequenzrauschen im NPRO. (Day 1990) Ppump n Lopt f NPRO~ 1/ f Unterhalb der RRO treibt weißes Pump-Leistungsrauschen auch weißes NPRO-Leistungsrauschen. (Harb et al. 1997) Ipump Ppump PNPRO für f RRO Wie stark sind beide Prozesse korreliert?!?

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