AT395497B - Einrichtung zur stabilisierung einer laserlichtquelle - Google Patents

Description

AT 395 497 B

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung einer Laserlichtquelle, bei der die Lichtintensität im Laserresonator dessen optische Länge verändert, insbesondere zur Stabilisierung einer Laserdiode, wobei die Einrichtung umfaßt: 5 - einen außerhalb des Laserresonators angeordneten, externen und in seiner Resonanzfrequenz vorzugsweise durchstimmbaren Resonator zur frequenzselektiven Rückkoppelung von aus der Laserlichtquelle stammendem Licht in den Laseresonator, - eine Regeleinrichtung zur Regelung zumindest eines die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle verändernden Betriebsparameters, insbesondere des Injektionsstroms einer Laserdiode, mit einer 10 Modulationsfrequenz - eine Regeleinrichtung zur Regelung der Phasenlage (Rückkoppelphase) des vom externen Resonator in den Laserresonator zurückgekoppelten Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresonator, - eineModulationseinrichtungzurModulationeinesdieEmissionsfrequenzderfreilaufendenLaserlichtquelle verändernden Betriebsparameters, insbesondere des Injektionsstroms einer Laserdiode. 15 Für zahlreiche Anwendungen, insbesondere zur Realisierung eines absolute Entfernungen messenden Interferometers, ist man an schmalbandigen und kontinuierlich über einen möglichst großen Frequenzbereich durchstimmbaren Laserlichtquellen interessiert. Hierzu eignen sich im Prinzip Laserdioden sehr gut, da sie einen großen Verstärkungsbereich auf weisen, und auch auf einer einzelnen longitudinalen Mode laufen können. Aller-20 dings lassen sich freilaufende Laserdioden, also Laserdioden, die ohne externe optische Rückkoppelung lediglich über ihre Betriebsparameter (Injektionsstrom bzw.Lasertemperatur)durchgestimmtwerden,nichtübereinengroßen Frequenzbereich (in der Größenordnung von 100 GHz und darüber) durchstimmen. Vielmehr kommt es bei einem derartigen Durchstimmen über die Laserbetriebsparameter zu sprunghaften, nicht phasenverfolgbaren Veränderungen der Emissionsfrequenz. Außerdem liegt aufgrund des hohen Frequenzrauschens (große Linienbreite) die 25 Kohärenzlärige typischer, freilaufenderEinmoden-Laserdiodendeutlich unter einemMeter.womitdiese Laserdioden beispielsweise für Entfernungsmessungen über längere Strecken nicht geeignet sind.

Es ist bereits bekannt, daß sich durch schwache frequenzselektive optische Rückkopplung aus einem externen Resonator das Frequenzrauschen von Laserdioden breitbandig reduzieren läßt, womit man eine wesentlich schmälere Linienbreite und damit eine höhere Kohärenzlänge erhält. Durch eine derartige frequenzselektive optische 30 Rückkopplung aus einem externen Resonator, wie sie beispielsweise in der Arbeit „Frequency stabilization of semiconductor lasers by resonant optical feedback“, B. Dahmani et al., Optics Letters, Vol. 12, No. 11, November 1987, Seiten 876 bis 878, beschrieben ist, erzielt man in einem um die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators liegenden Einrastbereich ein Einrasten der tatsächlich von der Laserdiode emittierten Frequenz auf die Resonanzmittenfrequenz. Mit anderen Worten sorgt die frequenzselektive optische Rückkopplung dafür, daß auch 35 bei Betriebsparametem, bei denen die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode (also ohne optische Rückkopplung von außen), innerhalb eines bestimmten Bereichs (nämlich dem Einrastbereich) neben der Resonanzmittenfrequenz liegt, eine tatsächliche Emissionsfrequenz, die praktisch auf der Resonanzmittenfrequenz liegt. Prinzipiell reicht die frequenzselektive optische Rückkopplung alleine aus, um die Emission der Laserdiode zu stabilisieren, d. h. eine schmalbandige Emissionslinie auf der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators zu 40 halten. Durch äußere Störeinflüsse sowie Alterung der Laserdiode läßt sich eine Langzeitstabilität jedoch nur durch zusätzliche elektronische Regelungen erzielen. Solche elektronische Regelungen sind beispielsweise in der Arbeit „Design of an Optically Pumped Cs Laboratory Frequency Standard“, E. de Clercq et al., Frequency Standards and Metrology, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1989, Seiten 120 bis 124, beschrieben. Zunächst ist eine Regeleinrichtung zur Regelung eines die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode verändernden Betriebsparameter, 45 insbesondere des Injektionsstromes vorgesehen. Diese Regelung stellt sicher, daß sich die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode zumindest in dem um die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators liegenden Einrastbereich liegt, sodaß die frequenzselektive optische Rückkopplung in der Lage ist, die tatsächliche EmissionsfrequenzaufdieResonanzmittenfrequenzdesextemenResonatorszufuhren.Stimmtdiedenmomentanen Betriebsparametem entsprechende Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode nicht exakt mit der Resonanz-50 mittenfrequenz des externen Resonators überein, so weicht die tatsächliche Emissionsfrequenz (wegen der frequenzselektiven optischenRückkopplung zwar nur geringfügig) doch etwas von der Resonanzmittenfrequenz ab. Diese Abweichung kann erfaßt und daraus ein Regelsignal gewonnen werden, um die Betriebsparameter der Laserdiode so zu regeln, daß die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer genau mit der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators übereinstimmt. 55 Neben der oben beschriebenen Regelung der Betriebsparameter der Laserdiode ist auch noch eine Regelein richtung zur Regelung der Phasenlage des vom externen Resonator indenLaserresonator zurückgekoppelten Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresonator notwendig. Diese Regelung der Rückkoppelphase kann in an -2-

AT 395 497 B sich bekannter Weise durch Regelung des Abstandes von der Laserdiode zum externen Resonator, beispielsweise durch Führung des Lichtstrahles über einen piezoelektrisch verstellbaren Spiegel geschehen. Bei diesem Abstand kommt es weniger auf die absolute Größe als vielmehr auf den von einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge abweichenden Anteil (Rückkoppelpbase) an. Zur weiter oben beschriebenen Regelung der 5 Betriebsparameter und der erwähnten Regelung der Rückkoppelphase sind zwei unabhängige Regelkreise erforder lich. Die erwähnte Arbeit von E. de Clercq et al. schlägt dazu vor, den Injektionsstrom der Laserdiode zu modulieren. Diese Modulation induziert eine Frequenzmodulation in dem von der Laserdiode emittierten Licht Diese Frequenzmodulation wird in der Transmission des externen Resonators detektiert und daraus ein Regelsignal für die RegehingderRückkoppelphaseeimittelt Umein davon unabhängigesRegelsignalzurRegelung der Betriebsparameter 10 der Laserdiode zu erzielen (Regelung der Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode auf den Einrastbereich bzw. genau auf die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators) wird gemäß dem Vorschlag von de Clercq das in den Laserresonator zurückgekoppelte Licht über einen akustooptischen Modulator mit einer zweiten Freguenz amplitudenmoduliert. Durch Demodulation des vom externen Resonator transmittierten Lichtes bei der Summenfrequenz (Injektionsstrom-Modulationsfirequenz plus Modulationsfrequenz des akustooptischen Modulators) erhält IS man ein Regelsignal zur Regelung des Injektionsstromes und damit der Emissionsfrequenz der ffeilaufenden Laserdiode. Versuche des Anmelders haben gezeigt, daß selbst mit teuren akustooptischen Modulatoren nur sehr geringe Signal-Rauschabstände für das Regelsignal zu erreichen sind. Man kann damit nur geringeRegelbandbreiten erzielen, die allenfalls ausreichen, um einen Festfiequenzlaser zu stabilisieren, wie es auch in dem erwähnten Artikel von de Clercq et al. der Fall ist. 20 Man ist jedoch insbesondere an über einen großen Frequenzbereich kontinuierlich (phasenverfolgbar) durch- stimmbaren Lichtquellen interessiert. Dazukann dieResonanzmittenfiequenzdesextemenResonatorsdurchgestimmt werden. Damit die optische Rückkopplung in der Lage ist, die tatsächliche Emissionsfrequenz der Laserdiode immer auf dieser Resonanzmittenfrequenz zu halten, muß über dieoben beschriebene ersteRegelung dieEmissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode (beispielsweise über den Injektionsstrom) mitgeregelt werden, damit die 25 Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer in dem um die Resonanzmittenfrequenz liegenden Einrast bereich liegt Außerdem ist es nötig, meinem unabhängigen, zweitenRegelkreis die Rückkoppelphase zuregeln (vgl. die eingangs erwähnte Arbeit von Dahmani). Während die Bildung eines Regelsignals aus der Abweichung der tatsächlichen Emissionsfrequenz der Laserdiode von der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators und damit die Regelung der Frequenz der freilaufenden Laserdiode (beispielsweise über den Injektionsstrom) kein 30 Problem darstellt, ist die Bereitstellung eines zweiten, unabhängigen Regelsignals für die Rückkoppelphase zur Realisierung eines schnell,breitbandig und vor allemphasenverfolgbar (d. h. ohne Modensprünge) durchstimmbaren Lichtquellensystems bisher nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Stabilisierung einer Laserlichtquelle der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der sich eine langzeitstabile bzw. schnell, breitbandig und phasenverfolgbar 35 durchstimmbare Lichtemission geringer Linienbreite erzielen läßt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Detektoreinrichtung zur Detektion einer Modulation mit der doppelten Modulationsfrequenz in dem von der Laserlichtquelle emittierten Licht vorgesehen ist, wobei diese Detektoreinrichtung ein vom Modulationshub der genannten Modulation abhängiges Regelsignal an die Regeleinrichtung zur Regelung der Rückkoppelphase abgibt 40 Die erfindungsgemäße Maßnahme erlaubt es, neben der Regelung der Emissionsfrequenz der fteilaufenden

Laserlichtquelle über Veränderung eines Betriebsparameters ein unabhängiges Regelsignal zur Regelung der Rückkoppelphase zu gewinnen, und damit eine langzeitstabile bzw. rasch und breitbandig phasenverfolgbar durchstimmbare Laserlichtquelle zu realisieren.

Die Grundidee ist dabei die folgende: Durch Modulation eines Betriebsparameters der Laserlichtquelle, der die 45 Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle beeinflußt, erzeugt man eine Frequenzmodulation in dem von der Laserlichtquelle emittierten Licht. Bei Verwendung einer Laserdiode kann man beispielsweise den Injektions-Strom einem kleinen hochfrequenten Wechselstrom überlagern. Der Hub dieser Frequenzmodulation wird im Vergleich zu einer freilaufenden Lasardiode durch die frequenzselektive optische Rückkopplung aus dem externen Resonator stark unterdrückt, beispielsweise um etwa den Faktor 50. Die dem Injektionsstrom überlagerte 50 Wechselstromamplitude kann beispielsweise so gewählt werden, daß der Modulationsindex, also das Verhältnis Modulationshub zu Modulationsfrequenz,bei optimaler Einstellung der Rückkoppelparameter klein gegenüber 1 ist. In diesem Fall besteht das optische Frequenzspektrum der Laserlichtquelle aus einem zentralen Träger und symmetrisch dazu angeordneten Seitenbändem im Abstand der Modulationsfrequenz und ganzzahligen Vielfachen davon. Die relative Stärke der Seitenbänder wird bestimmt durch das Quadrat der Besselfunktion entsprechender 55 Ordnung, wobei der Modulationsindex das Argument der Besselfunktion ist

Bei perfekter Frequenzmodulation gibt es im Photostrom einer Photodiode (Photodetektor), die das von der Laserlichtquelle emittierte Licht detektiert, keine Wechselkomponente mit der Modulationsfrequenz oder Vielfa- -3-

AT 395 497 B chen davon. Dieser Umstandrührt daher, daß sich die aus der Überlagerung der einzelnen Seitenbänder untereinander bzw. mit dem Träger ergebenden Schwebungskomponenten gerade zu Null addieren. Bei den Seitenbändem erster Ordnung sind die Schwebungssignale zwischen Träger und rechtem Seitenband und Träger und linken Seitenband vom Betrag her gleich, haben jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen. Die Kompensation der Schwebungssignale 5 mit der doppelten Modulationsfrequenz kann man sich folgendermaßen vorstellen: Das Schwebungssignal zwischen den beiden Seitenbändem erster Ordnung wird durch die konstruktive Superposition der beiden Schwebungssignale des rechten und linken Seitenbandes zweiter Ordnung mit dem Träger kompensiert. Diese Kompensation ist allerdings nicht mehr gegeben, wenn die Stärke eines der beiden Seitenbänder zweiter Ordnung von dem Wert abweicht, den die Besselfunktion zweiter Ordnung für den betreffenden Modulationsindex vorschreibt. 10 Wenn bei der Regelung der tatsächlich von der Laserdiode emittierten Frequenz (Systemfrequenz) auf die

Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators die Rückkoppelphase von ihrem optimalen Wert (bei dem der Feldvektor des zurückgekoppelten Lichtes senkrecht zum Feldvektor des Lichtes im Laserresonators steht) wegdriftet, taucht in dem (vom externen Resonator reflektierten) Licht eine Amplitudenmodulation mit der doppelten Modulationsfrequenz auf. Eine mögliche Erklärung dafür besteht darin, daß bei nicht optimaler 15 Rückkoppelphase zumindest ein Seitenband zweiter Ordnung außerhalb des Einrastbereiches gerät (wie bereits erwähnt, ist der Einrastbereich durch jene maximale Abweichung der Laserdiodenfrequenz von der Resonatormittenfrequenz des externen Resonators definiert, für die es bei geeigneter Rückkoppelphasenoch zu einer effektiven Rauschverminderung bzw. Verschmälerung der Linienbreite kommt). Wenn ein Seitenband zweiter Ordnung außerhalb des Einrastbereiches gerät, wird das betreffende Seitenband zweiter Ordnung durch die optische 20 Rückkopplung aus dem externen Resonator nicht mehr so effizient unterdrückt, die bei einer idealen Frequenzmodulation vorhandene Kompensation der Seitenbandbeiträge ist nicht mehr möglich, und es entsteht in dem von der Laserdiode emittiertem Licht eine Amplitudenmodulation mit der doppelten Modulationsfrequenz, die im Photostrom nachweisbar ist. Erfindungsgemäß kann nun eine Detektoreinrichtung zur Detektion dieser Amplitudenmodulation mit der doppelten Modulationsfrequenz vorgesehen sein, wobei aus der Größe dieser 25 Amplitudenmodulation (Modulationshub) einRegelsignal fürdieRegeleinrichtungzurRegelungderRückkoppelphase gewonnen wird. Die Regeleinrichtung verstellt dann immer die Rückkoppelphasebis die Amplitudenmodulation bei der doppelten Modulationsfrequenz einen vorbestimmten Wert bzw. ein Minimum annimmt, bei dem die Rückkoppelphase optimal steht.

Zu der in dem vom externen Resonator auftauchenden Amplitudenmodulation mit der doppelten 30 Modulationsfrequenz könnte noch ein anderer Effekt beitragen: Das von der Laserdiode emittierteLichtistaufgrund der Modulation des Injektionsstroms frequenzmoduliert, wobei die Intensität der Seitenbänder erster und zweiter Ordnung auch von der Rückkoppelphase abhängt. Bei optimaler Rückkoppelphase sind alle Seitenbänder stark unterdrückt. Weicht die Rückkoppelphase vom optimalen Wert ab, so wird sich die Intensität der Seitenbänder erhöhen und damit auch der Modulationshub der Frequenzmodulation. Selbst wenn die Beeinflussung der Seiten-35 bänder erster und zweiter Ordnung durch eine sich verändernde Rückkoppelphase der optischen Rückkopplung so „gleichmäßig“ erfolgte, daß es bei einer reinen Frequenzmodulation in dem von der Laserdiode emittierten Licht bliebe, könnte man in dem vom externen Resonator reflektierten Licht eine von der Rückkoppelphase abhängige Amplitudenmodulation bei der doppelten Modulationsfrequenz sehen. Dies rührt daher, daß der externe Resonator einen auf seine Resonanzmittenfrequenz stehenden Träger des frequenzmodulierten Lichtes schwächer reflektiert 40 als die Seitenbänder. Während dies im reflektierten Licht bei der einfachen Modulationsfrequenz keine Auswirkun gen hat, taucht durch die Abschwächung des Trägers eine Amplitudenmodulation mit der zweiten Modulationsfrequenz im reflektierten Licht auf. Der Modulationshub dieser Amplitudenmodulation spiegelt den Modulationshub der auf den Resonator aus der Laserdiode auftreffenden Frequenzmodulation wider, welcher seinerseits von der Rückkoppelphase abhängt. 45 Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Detektoreinrichtung einen Photodetektor und eine diesem nachgeschalteten Mischer umfaßt, der neben einem Signaleingang für den gegebenenfalls verstärkten Photostrom aus dem Photodetektor einen Referenzeingang zum Empfang eines aus der Modulationseinrichtung stammenden, und über einen Frequenzverdoppler geführten Referenzsignals mit der doppelten Modulationsfrequenz auf weist. Damit ist es möglich, das vom Photodetektor abgegebene Wechselstrom-50 signal ins Basisband umzusetzen und als Fehlersignal für den Rückkoppelphasen-Regelkreis zu verwenden. Man muß dabei berücksichtigen, daß dieses Fehlersignal bezüglich der Rückkoppelphase eine gerade Symmetrie auf weist, weil die beiden Schwebungssignale Träger - rechtes bzw. linkes Seitenband zweiter Ordnung gleichphasig sind. Das Experiment zeigt zwar, daß es zusätzlich zu dem symmetrischen einen unsymmetrischen Anteil gibt, der es erlauben würde, ein Regelsignal durch eine Flankenstabilisierung vorzunehmen, günstiger ist es aber, zur 55 Ermittlung einesRegelsignalsfürdieRückkoppelphasenregelungeineModulationsmethode vorzunehmen. Dazuist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß eine Phasenmodulationseinrichtung zur kleinhubigen Modulation der Rückkoppelphase vorgesehen ist, und daß weiters eine phasensensitive Detektorein- -4-

AT 395 497 B richtung vorgesehen ist, die aus einem mit der Phasenmodulationsfrequenz oszillierenden, den momentanen Modulationshub der (Amplituden)Modulation bei der doppelten Modulationsfrequenz wiedergebenden Signal ein Regelsignal ungerader Symmetrie für die Regeleinrichtung zur Regelung der Rückkoppelphase bereitstellt. Unter einem Regelsignal ungerader Symmetrie wird ein solches verstanden, das ein unterschiedliches Vorzeichen aufweist, je nachdem, in welche Richtung sich die Rückkoppelphase von ihrem Optimalwert entfernt. Während die Strommodulationsfrequenz vorteilhaft in der Größenordnung von 10 bis 100 MHz liegt, ist die durch die Phasenmodulationseinrichtung hervorgerufene Phasenmodulationsfrequenz der Rückkoppelphase wesendich kleiner und vorzugsweise im kHz-Bereich angesiedelt. Die Modulation der Rückkoppelphase ist auf einfache Weise dadurch möglich, daß der Laserstrahl zwischen Laserdiode und externem Resonator über einen piezoelektrisch verstellbaren Spiegel geführt wird, der mit der Phasenmodulationsfrequenz periodisch um kleine Bruchteile einer Wellenlänge verstellt wird. Durch phasensensitive Detektion (beispielsweise mit einem Lock-in-Verstärker) dieser niederfrequenten Wechselkomponente im Basisbandsignal, das den momentanen Modulationshub der (Amplituden)Modulation bei der doppelten Modulationsfrequenz wiedergibt, erhält man ein Regelsignal (Fehlersignal) mit ungerader Symmetrie, das der Regeleinrichtung zur Regelung der Rückkoppelphase zugeführt wird. Dieses Regelsignal tritt als Produkt zweier von außen vorgenommenen Modulationen auf und ist damit weitgehend immun gegenüber technischen Störungen, Offsets usw. Die Regeleinrichtung für die Rückkoppelphase kann dann in Abhängigkeit von diesem Regelsignal beispielsweise den erwähnten piezoelektrisch verstellbaren Spiegel so nachfahren, daß die Rückkoppelphase optimal steht.

Die soeben beschriebene Regelung der Rückkoppelphase unter Auswertung einer bei der zweifachen Modulationsfrequenz auftauchenden (Amplitudenmodulation weist eine hohe Regelbandbreite auf und ist damit insbesondere für Systeme geeignet, bei denen die Emissionsfrequenz über einen Durchstimmbeieich in der Größenordnung von 100 GHz und darüber phasenverfolgbar (und möglichst schnell) durchgestimmt werden soll. Eine solche Durchstimmung kann durch Durchstimmen der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators durchgeführt werden, wobei eine erste Regeleinrichtung dafür sorgt, daß die Betriebsparameter der Laserlichtquelle gerade so synchron mitgeführt werden,daß dieEmissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer innerhalbdes sich nun mit der Resonanzmittenfrequenz mitbewegenden Einrastbereichs liegt

Ein zweiter Regelkreis hält während des Durchstimmens der Frequenz dieRückkoppelphase auf ihrem optimalen Wert

Die erfindungsgemäße Regelung der Rückkoppelphase durch Auswertung der bei der doppelten Modulationsfrequenz auftauchenden (Amplituden)Modulation setzt eine Modulation der dieEmissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiodebestimmenden Betriebsparameterbzw. eines dieser Betriebsparameter (beispielsweise des Injektionsstroms) voraus. Mit dieser Modulation kommt es, wie bereits erwähnt, zu einer Frequenzmodulation des von der Laserdiode emittierten Lichts, wobei das Frequenzspektrum neben der Trägerfrequenz natürlich auch symmetrisch dazu liegende Seitenbänder erster Ordnung aufweist Bei einer idealen Frequenzmodulation heben sich die Schwebungssignale zwischen dem Träger und dem linken Seitenband erster Ordnung und zwischen dem Träger unddemrechten SeitenbandersterOrdnunggenauauf.Durchdiese„Balance“istzunächstkeine Amplitudenmodulation sichtbar. Weicht jedoch die Trägerfrequenz von der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators ab, so kommt es in dem vom Resonator reflektierten Licht zu einer Störung der genannten „Balance“ zwischen Träger und Seitenbändem erster Ordnung und es ergibt sich eine für einen Photodetektor nachweisbare Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz. Durch eine phasenempfindliche Gleichrichtung kann man gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein vom Modulationshub und der Phasenlage der genannten Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz abhängiges Regelsignal zur Regelung zumindest eines Betriebsparameters der Laserlichtquelle äbgeben.

Zur Regelung eines oder mehrerer Betriebsparameter der Laserdiode in Abhängigkeit von einer Abweichung der tatsächlich emittierten Frequenz von der Resonanzmittenfrequenz des Resonators gibt es mehrere Möglichkeiten, z. B. ein polarisationsoptisches Phasenbrückenverfahren oder ein Intensitätsdifferenzverfahren. Das obengenannte Modulationsverfahren, bei dem man eine Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz in dem vom Resonator reflektierten Licht auswertet, ist im vorliegenden Fall jedoch besonders günstig, weil man erfindungsgemäß ohnehin die Frequenz der freilaufenden Laserdiode über die Betriebsparameter moduliert, um die erfrndungsgemäße Rückkoppelphasenregelung durchführen zu können. Dabei treten automatisch auch die Seitenbänder erster Ordnung auf, die letztlich zusammen mit dem Träger in dem vom Resonator reflektierten Licht zu einer Amplitudenmodulation führen, wenn die tatsächliche Emissionsfrequenz der Laserdiode von der Resonanzmitten-frequenz des externen Resonators ab weicht, wobei man für den Modulationshub der genannten Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz einen dispersionskurvenähnlichen Verlauf über der Frequenz erhält.

Mit einem noch nicht optimierten Versuchsaufbau der erfindungsgemäßen konnte bereits ein kontinuierlich phasenverfolgbarer Frequenzabstimmbereich von über 100 GHz erreicht werden. Durch Optimierung der verwen-deten Komponenten und insbesondere durch Verwendung eines sogenannten Modenselektors kann der Abstimmbereich -5-

AT 395 497 B noch um ein Mehrfaches erweitert werden. Ein solcher Modenselektor ist ein externer Reflektor, der in der Nähe des Laserdiodenresonators angeordnet ist. Soll die Frequenz durchgestimmt werden, so muß auch der Abstand dieses Reflektors zum Laserdiodemesonator mitgefahren werden. Dazu ist ein dritter Regelkreis erforderlich (Der erste Regelkreis regelt ja beispielsweise den Injektionsstrom, sodaß die Frequenz der freilaufenden Laserdiode in dem um 5 die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators liegenden Einrastbereich liegt; die zweite Regelung regelt die Rückkoppelphase). Für die dritte Regelung des externen Reflektors (Modenselektor) kann dieser auf einer Piezo-Keramik montiert sein und der Abstand zur Laserdiode moduliert werden, wobei die Modulationsfrequenz in der Größenordnung von etwa 100 Hz liegt. Es wurde beobachtet, daß dieLeistung des vom teildurchlässig ausgebildeten Modenselektor transmittierten Lichts von der Position des Modenselektors abhängt und daß man beim Modulieren 10 eine einer Resonanzlinie ähnliche Transmissionskurve erhält Das transmittierte Licht ist also moduliert, und es läßt sich über eine phasenempflndliche Gleichrichtung ein Regelsignal für das Nachfahren des Modenselektors gewinnen.

Das Modulieren des Modenselektors induziert eine geringe Frequenzmodulation in der Laserlichtquelle. Um dies zu vermeiden, kann vorgesehen sein, daß eine Einrichtung zur Modulation mindestens eines Betriebsparameters der 15 Laserlichtquelle mit der Reflektormodulationsfrequenz vorgesehen ist, um die durch den im Abstand von der Laserlichtquelle modulierten Reflektor in der Laserlichtquelle induzierte Frequenzmodulation zu kompensieren.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbesciueibung näher erläutert.

DieFig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung. 20 DieFig. 2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Frequenzverhaltens einer Laserdiode mit und ohne frequenzselektive optische Rückkopplung und zur Darstellung des Einrastbereiches. Die Fig. 3 zeigt die wesentlichen Komponenten eines Frequenzspektrums einer frequenzmodulierten Schwingung. Die Fig. 4 zeigt einen piezoelektrisch verstellbaren externen Modenselektor und dessen Regelkreis.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das eigentliche optische Lasersystem in dem von 25 strichlierten Linien umgebenen Bereich (1) angeordnet und umfaßt im wesentlichen eine Laserdiode (LD) und einen V-förmigen Resonator mit Spiegel (Ml, M2) und (M3), wobei im Strahlengang des Lichtes zwischen Laserdiode (LD) und externem Resonator ein Spiegel (3) und eine Kollimationslinse (L) angeordnet ist. Die Laserdiode kann beispielsweise eine GaAlAs-Laserdiode mit einer Emissionswellenlänge von ca. 830nm und einer Ausgangsleistung von ca. 15 mW sein. Der externe Resonator (Ml, M2, M3) ist ein sogenannter Fox-Smith-Resonator, bei dem nur 30 das durch den Faltspiegel (M2) durchtretende interne Feld in die Laserlichtquelle (LD) zurückgekoppelt wird, während das am Faltspiegel reflektierte Licht in den eigentlichten Ausgangslichtstrahl des optischen Lasersystems geht. Alternativ könnten auch andereResonatoien verwendet werden, bei denen das am Einkoppelspiegelreflektierte Licht nicht direkt zurück in die Laserdiode gelangt Beispielsweise würde sich ein verkipptes konvokales Fabry-Perot-Etalon eignen. Bei einem experimentellen Aufbau war die Resonatorlänge ca. 30 cm, der freie Spektralbereich 35 ca. 500 MHz und die Finesse ca. 250. Der Rückkoppel-Pegel lag bei etwa -45 dB. Der Resonatorspiegel (Ml) ist auf einem Miniaturlautsprecher (LS) montiert, womiteineLängenänderang und damit eine Veränderungder Resonanz-mittenfrequenz des externen Resonators (Ml, M2, M3) möglich ist, ohne den Resonator wesentlich zu dejustieren. Grundsätzlich eignen sich auch andere Verstellmechanismen für einen Resonatorspiegel, beispielsweise piezoelektrische Verstellelemente. 40 Für die vorliegende Anmeldung werden folgende wesentliche Frequenzen definiert: (fp) bezeichnet die Frequenz der freilaufenden Laserdiode, also jene Frequenz, mit der die Laserdiode bei gegebenen Betriebsparametem (Injektionsstrom, Temperatur) ohne optische Rückkopplung aus einem externen Resonator laufen würde. (fg) bezeichnet die Systemfrequenz, d. h. die bei vorhandener Rückkopplung aus dem externen Resonator und 45 den eingestellten Betriebsparametem tatsächlich emittierte Frequenz. (Da die tatsächlich emittierte Frequenz trotz optischer Rückkopplung aus dem externen Resonator leicht frequenzmoduliert ist, bezeichnet (fg) genauer gesagt die zentrale Trägerfrequenz des von der Laserdiode tatsächlich emittierten Lichtes.) (fp) bezeichnet die durch die Länge des Resonators (und gegebenenfalls durch die Brechzahl des darin befindlichen Mediums) definierte Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators. 50 Die frequenzselektive optische Rückkopplung aus dem externen Resonator (Ml, M2, M3) ist prinzipiell ohne zusätzliche elektronische Regelkreise in der Lage, die Systemfrequenz (fg) auf der Resonatormittenfrequenz (fp) zu halten, sofern die Betriebsparameter (Injektionsstrom und Temperatur der Laserdiode) derart eingestellt sind, daß die dadurch definierte Frequenz der freilaufenden Laserdiode in dem um die Resonanzmittenfrequenz (fp) des externen Resonators liegenden Einrastbereich liegt, also nicht zu weit von der Resonanzmittenfrequenz des externen 55 Resonators abweicht. Dies wird im folgenden anhand der Fig. 2 näher erläutert.

In Fig. 2 ist die Systemfrequenz (fg) (also die tatsächlich emittierte Frequenz) gegenüber der Frequenz der freilaufenden Laserdiode aufgetragen. Der Ursprung des in Fig. 2 gezeigten Achskreuzes liegt bei der Resonanz- -6-

AT 395 497 B mittenfrequenz (fp) des externen Resonators. Ohne frequenzselektive optische Rückkopplung ändert sich die Systemfrequenz linear mit der Frequenz der freilaufenden Laserdiode, wie dies durch die strichlierte Linie (4) angedeutet ist Die Gerade (4) läuft in Fig. 2 nur deshalb nicht genau unter 45° zu den beiden Achsen, weil auf der X-Achse und der Y-Achse eine unterschiedliche Teilung verwendet ist Eine Längeneinheit auf der X-Achse S entspricht einem Fünffachen der Frequenz derselben Längeneinheit auf der Y-Achse.

Durch eine frequenzselektive optische Rückkopplung aus einem externen Resonator erhält man den durch die Linie (5) angedeuteten Frequenzverlauf. Sind alle Komponenten des Systems optimal „eingerastet“, so stimmt die Systemfrequenz (fg) mit der Frequenz der freilaufenden Laserdiode (fp) und der Resonanzmittenfrequenz (fp) des externen Resonators überein. Man befindet sich also im Koordinatenursprung der Fig. 2. Weicht nun die Frequenz 10 der freilaufenden Laserdiode beispielsweise durch eine geringe Veränderung des Injektionsstroms oder der Temperatur von der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators ab, so ändert sich durch die frequenzselektive optische Rückkopplung die tatsächlich emittierte Systemfrequenz innerhalb des mit (1) Einrastbereichs kaum. Die frequenzselektive optische Rückkopplung sorgt also dafür, daß die tatsächlich emittierte Systemfrequenz (fg) auch bei geringen Abweichungen der Frequenz der freilaufenden Laserdiode im wesentlichen auf der Resonanzmitten-15 frequenz des externen Resonators gehalten wird. Der Effekt der frequenzselektiven optischen Rückkopplung läßt sich vereinfacht wie folgt erklären: Stimmen alle Frequenzen (fg, fp) und (fp) überein, so steht der Feldvektor des zurückgekoppelten Lichtes unter 90° zum Feldvektor im Laserresonator und es kommt dabei zu keiner wesentlichen Veränderung der Intensität im Laserresonator. Die Rückkoppelphase beträgt also 90°. Weicht nun die Systemfrequenz von der Resonanzmittenfrequenz ab, so kommt es zu einer Veränderung der Rückkoppelphase, wobei nun 20 der Feldvektor des zurückgekoppelten Lichtes mehr in bzw. gegen die Phase des Feldvektors des Laserresonatorlichtes steht. Damit kommt es zu einer Intensitätsänderung im Laserresonator. Diese verändert die Brechzahl des Laserresonators und damit dessen optische Länge, wobei sich die Emissionsfrequenz gerade so ändert, daß sie sich wieder in Richtung der Resonanzmittenfrequenz (fp) bewegt und wieder die Phasenlage von 90° zwischen Laserdiodenresonatorfeld und zurückgekoppeltem Feld hergestellt ist. 25 In der Praxis reicht diese rein optische ffequenzselektive Rückkopplung jedoch nicht aus, um die Laserdiode über längere Zeit auf der Resonanzmittenfrequenz zu halten. Insbesondere, wenn man die Resonanzmittenffequenz durchstimmt und möchte, daß die frequenzselektive optische Rückkopplung bei diesem Durchstimmen die Systemfrequenz „mitzieht“, sind zusätzliche elektronische Regelkreise erforderlich, um einerseits sicherzustellen, daß sich die über die Betriebsparameter festgelegte Frequenz (fp) der freilaufenden Laserdiode zumindest im 30 Einrastbereich (1) liegt (vorzugsweise auf die Resonanzmittenfrequenz (fp) geregelt wird). Andererseits ist auch eine zusätzliche Regelung der Rückkoppelphase nötig, die die durch die optische Rückkopplung aus dem externen Resonator an sichautomatisch vorsich gehendePhasenregelungunterstütztundsicherstellt,daßdieRückkoppelphase gerade so ist, daß das zurückgekoppelte Feld unter 90° zum Feld im Resonator der Laserdiode steht

Eine erste Regeleinrichtung regelt über die Stromregelung (SR) den Injektionsstrom der Laserdiode (LD) gerade 35 so, daß die Systemfrequenz (fg) auf der Resonatormittenfrequenz (fR) des externen Resonators (Ml, M2, M3) gehalten wird. (Die Temperatur der Laserdiode braucht nur grob vorgesteuert zu werden.) Diese Regeleinrichtung umfaßteine Modulationseinrichtung zur Modulation des Injektionsstroms der Laserdiode. Die Modulationseinrichtung besteht im wesendichen aus dem HF Synthesizer (SY), der eine kleine Wechselstromkomponente mit einer Modulationsfrequenz von 35 MHz liefert. Die Modulationsfrequenz ist mit (fmo{j) bezeichnet Durch diese 40 Injekdonsstrommodulation wird eine Frequenzmodularion des von der Laserdiode emittierten Lichtes erzeugt, sodaß das Emissionsspektrum im wesendichen so aussieht, wie es in Fig. 3 dargestellt ist: neben der Systemträgerfrequenz (fig) liegen symmetrische Seitenbänder erster und zweiter Ordnung im Abstand der einfachen und doppelten Modulationsfrequenz (fm(Mj)· Seitenbänder höherer Ordnung können vernachlässigt werden und sind daher nicht näher dargestellt. Eine reine Frequenzmodulation ist- wie bereits eingangs erwähnt - durch einen Photodetektor nicht 45 nachweisbar. Der externe Resonator (Ml, M2, M3) wirkt jedoch als Frequenzdiskriminator, wobei in dem vom Einkoppelspiegel (M2) reflektierten Licht eine mit der einfachen Modulationsfrequenz (fmo^) oszillierende Amplitudenmodulation auftritt, wenn die Systemträgerfrequenz (fg) neben der Resonatormittenfrequenz (fp) liegt. Diese Amplitudenmodulation kann vom Photodetektor (beispielsweise einer Si-PIN-Photodiode (PD1)) detektiert werden, wobei der entstehende Photostrom die Amplitudenmodulationen des detektierten Lichtes wiedergibt. An 50 dieser Stelle wäre zu erwähnen, daß das eigentliche Nutzlicht beispielsweise über einen nicht dargestellten Strahlteiler vor dem Photodetektor (PD1) abgezweigt werden kann.

Der Photostrom aus dem Photodetektor (PD1) wird im Verstärker (AMPI) verstärkt und in einem doppeltbalancierten Mischer DBM1 synchron-demoduliert. Das dazu benötigteReferenzsignal mitder Modulationsfrequenz (fmod) wird dabei ebenfalls dem HF-Synthesizer (SY) entnommen. Ein HF-Phasenschieber (PSI) dient dazu, die 55 benötigte Quadratur-Relation zwischen den beiden Mischereingängen herzustellen. (PSI) kann auch durch die Wahl richtiger Kabellängen ersetzt werden. Das am Mischerausgang anliegende Regelsignal (Fehlersignal) welches proportional zur Abweichung der Systemfrequenz (fg) von der Resonatormittenfrequenz (fp) ist, wird nach -7-

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Durchlaufen eines elektronischen Integrators (INT1) über die Stromregelung (SR) auf dieLaserdiode geführt. Damit ist der erste Regelkreis geschlossen.

Neben der eben beschriebenen Regelung der Systemfrequenz auf die Resonatormittenfrequenz folgt erfindungs-gemäß eine Regelung der Rückkoppelphase des vom externen Resonator in den Lasenesonator zurückgekoppelten 5 Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresonator, wobei zur Gewinnung des dafür nötigen zweiten Regelsignals in dem von der Laserdiode emittierten Licht nach einer Amplitudenmodulation bei der zweifachen Modulationsfrequenz (2fmo<j) geschaut wird. Wie bereits weiter oben ausgeführt, enthält die mit der zweifachen Modulationsfrequenz oszillierende Komponente eine Information über die Abweichung der Rückkoppelphase von ihrem optimalen Wert. Die Detektoreinrichtung zur Detektion dieser Amplitudenmodulation mit der doppelten 10 Modulationsfrequenz umfaßt als wesentliche Elemente den Photodetektor (PD1) und den Mischer (DBM2), dem über den Frequenzverdoppler (FD) aus dem HF-Synthesizer (SY) ein mit der zweifachen Modulationsfrequenz ^fmod^OMHzJoszillierendesReferenzsignalzngeführtwird.ZurEinstellimgdernötigenQuadratur-Phasenrelation zwischen den beiden Eingängen des Mischers (DBM2) ist ein Phasenschieber (PS2) vorgesehen. Das Ausgangssignal des Mischers (DBM2) spiegelt den Modulationshub der Amplitudenmodulation mit der doppelten 15 Modulationsfrequenz (2fm(Kj) wieder und wird erfindungsgemäß zur Regelung der Rückkoppelphase verwendet.

Bevor diese Regeleinrichtung der Rückkoppelphase beschrieben wird, sei noch erwähnt, daß vor dem Mischer (DBM2) ein elektronisches Filter (FI1) vorgesehen ist, das im wesentlichen nur die mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fm(Mj) schwingende Komponente des vom Verstärker (AMP2) verstärkten Photostroms durchläßt. Verwendet man ein sehr selektives Filter, so könnte an Stelle des Mischers (DBM2) auch eine 20 Quadriereinrichtung vorgesehen sein (nicht gezeigt), in der das mit der doppelten Modulationsfrequenz modulierte

Signal mit sich selbst multipliziert wird, um ein dem Modulationshub dieser Amplitudenmodulationskomponcnie entsprechendes Ausgangssignal zu liefern.

Zur Regelung der Rückkoppelphase wird der Piezo-Steller (PZT2), auf dem da- Spiegel (3) angebracht ist, mit einer aus dem Phasenmoduliergenerator stammenden Frequenz von etwa 1 kHz kleinhubig moduliert, womit auch 25 die Rückkoppelphase mit dieser Phasenmodulationsfrequenz kleinhubig moduliert wird. Die Phasenmodulationsfrequenz ist wesentlich kleiner als die Strom-Modulationsfrequenz (fmo(j) womit es zu keiner störenden gegenseitigen Beeinflussung kommt Der Modulationshub liegt beispielsweise in lOnm-Bereich, was einem Rückkoppelphasenhub von ca. 100 mrad entspricht Die lkHz-Komponente im DBM2-Ausgangssignal, das den momentanten Modulationshub der Amplitudenmodulation bei der doppelten Modulationsfrequenz (2fmo<j) 30 wiedergibt wird nun mit Hilfe einer phasensensitiven Detektoreinrichtung synchron-demoduliert, um ein Regcl-signal ungerader Symmetrie zur RegelungderRückkoppelphasezu erhalten. Beim vorliegenden Ausführungsbeispicl ist die phasensensitive Detektoreinrichtung ein Lock-in-Verstärker, der auf einem Signaleingang das aus dem Mischer (DBM2) stammende Signal empfängt und der weiters einen Referenzeingang aufweist, über den ein mit der Phasenmodulationsfrequenz oszillierendes Referenzsignal aus dem Phasenmodulationsgenerator empfangen wird. 35 Das über den Lock-in-Verstärker erzeugte Signal wird nach Durchlaufen eines Summierers (S) und eines Integrators (INT2) auf denEingang des nicht näher dargestellten Hochspannungsverstärkers des Piezo-Stellers (PZT2) geleitet, um den Spiegel (3) und damit die Rückkoppelphase auf den optimalen Wert zu verstellen. Damit ist der Rückkoppelphasenregelkreis geschlossen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Detektoreinrichtung zur Detektion der mit der doppelten Modulationsfrequenz 40 oszillierenden Komponente des modulierten Lichtes im Strahlengang des vom externen Resonators (Ml, M2, M3) reflektiertenLichtes angeordnet. Damitistes möglich, fürdieRegelung der Systemfrequenz über dieBetriebsparameter und die Regelung der Rückkoppelphase ein und denselben Photodetektor (PD1) zu verwenden.

Durch die beiden beschriebenen Regelkreise bleibt das System praktisch unbegrenzt auf die Resonatormittenfrequenz des externen Resonators eingerastet und zwar auch dann, wenn die Resonanzmitten-45 frequenz des Resonators schnell (in der Größenordnung von einigen GHz pro Sekunde) und weit (in der Größenordnung von 100 GHz und darüber) durchgestimmt wird. Da der Regelhub des ersten Regelkreises (auf den Injektionsstrom) beschränkt ist, muß bei einem weiteren Durchstimmen der Resonatormittenfrequenz die Temperatur der Laserdiode grob mitgesteuert werden. Der erste Regelkreis stellt dann durch genaue Regelung des Injektionsstromes sicher, daß die Frequenz der freilaufenden Laserdiode exakt auf der Resonatormittenfrequenz 50 bleibt. Damit läßt sich eine schmalbandige und phasenverfolgbar (also ohne Modensprünge) durchstimmbare Laserlichtquelle realisieren, wie sie beispielsweise in Interferometern zur absoluten Entfernungsmessung verwendet wird. Bei einem solchen Absolut-Interferometer entspricht der Aufbau einem Zweistrahlinterferometer, wobei ein Arm die Meßstrecke darstellt. Die Anzahl der am Ort des Empfängers als Folge der Durchstimmung der Emissionsfrequenz durchlaufenden Interferenzstreifen wird gezählt. Simultan mißt man, um welchen Betrag sich die 55 im Umgebungsmedium vorhandeneLuftwellenlängederemittiertenStrahlungbeimDurchstimmvorgangverändert.

Der Absolutbetrag derMeßentfemung ergibt sich dann geradeaus der halben Anzahl der gezählten Interferenzstreifen dividiert durch die Differenz der Luftwellenzahlen (1/Luftwellenlänge) vor und nach dem Durchstimmen der Emissionsfrequenz. -8-

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Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung »folgt die Verstellung der Resonanzmittenfiequenz des externen Resonators (Ml, M2, M3) über einen beweglichen Spiegel (Ml), der auf einem Lautsprecher (LS) montiert ist Bei der Durchstimmung der Resonatormittenfrequenz des externen Resonators (Ml, M2, M3) müssen die Betriebsparameter der Laserdiode geregelt bzw. mitgesteuert weiden, damit die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer im Mitziehbereich der sich nun ändernden Resonanzmittenfrequenz bleibt Zur Durchstimmung über einen großen Frequenzbereich eignet sich zur groben Mitsteuerung insbesondere die Laserdiodentemperatur, die beispielsweise über ein Peltier-Element (6) festgelegt wird. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel wird übereinen Generator(G)beispielsweiseein periodischeroder linearerTemperatursollwertverlauf vorgegeben. Der Temperaturregler nimmt dann eine synchrone Verstellung der Temperatur der Laserdiode und der Lage des Resonatorspiegels (Ml) vor. Eine solche synchrone Verstellung (Mitsteuerung) ist natürlich nicht perfekt möglich.Die verbleibendenkleinen AbweichungenzwischenSystemfrequenz(fg)undder Resonanzmittenfrequenz (fg) des externen Resonators kann jedoch über die weiter oben beschriebene Regelung des Injektionsstroms schnell und exakt ausgeregelt werden.

Zu erwähnen wäre noch, daß man durch die Wahl ein»: speziellen Geometrie, bei der der Abstand der Laserdiode zum Einkoppelspiegel (M2) gerade dem Abstand der Spiegel (M2) und (M3) entspricht, erzielen kann, daß eine einmal eingestellte Rückkoppelphase auch bei der Bewegung von (Ml) erhalten bleibt. In der Praxis arbeitet diese „feed-forward“-Kompensation natürlich nicht perfekt. Die verbleibenden Fehler, die zum Beispiel durch Dispersionseffekte oder durch kleine temperaturabhängige Änderung»! der Laserdioden-Emissionsachse entstehen können, sind dagegen so klein, daß sie leicht von der Rückkoppelphasenregelung ausgeregelt werden können. Bei einem Experiment hat sich beispielsweise gezeigt, daß bei einem Durchstimmen der Systemfrequenz über einen Bereich von 200 GHz die Rückkoppelweglänge zwischen externem Resonator und Laserdiode nur um weniger als eine halbe Wellenlänge nachgeregelt werden mußte, was mit einem einfach»i piezo-elektrischen Stellelement (PZT2) leicht möglich ist.

Um den phasen verfolgbaren Durchstimmbereich der Einrichtung noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, daß zusätzlich zum externen Resonator (Ml, M2, M3) außerhalb des Resonators der Laserlichtquelle (LD) ein als Modenselektor wirkender externer Reflektor (MS) angeordnet ist, der zumindest einen Teil des Lichtes in den Laserresonator zurückreflektiert.

Insbesondere wenn man die Frequenz des Gesamtsystems durchstimmen möchte, muß auch der Abstand dieses Modenselektors vom Laserresonator mitgeregelt werden. Dazu ist ein dritter Regelkreis vorgesehen, der in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Die Lage des Modenselektors (MS) wird dabei durch die über den Operationsverstärker (OP2) zugeführte Spannung festgelegt. Über eine an den Eingang dieses Operationsverstärkers (OP2) angelegte V orspannung (U^ jas) kann eine Mode (m) manuell ausgewählt werden. Zur Gewinnung eines Regelsignals, mit dem sich der Abstand des Modenselektors von der Laserdiode regeln läßt, wird dieser Vorspannung eine Reflektormodulationsfrequenz in der Größenordnung von etwa 100 Hz überlagert Damit wird der Abstand des Reflektors (Modenselektor (MS)) moduliert. Der Reflektor (MS) ist teildurchlässig ausgebildetunddietransmittierte Leistung hängt vom Abstand des Reflektors von der Laserdiode ab. Damit istauch das vom Reflektor transmittierte Licht mit der Reflektormodulationsfrequenz in der Größenordnung von 100 Hz amplitudenmoduliert Der Photodetektor (PD2) delektiert und diese Amplitudenmodulation führt ein entsprechendes Stromsignal dem Signaleingang (Sl) eines Lock-in-Verstärkers zu. Die Reflektormodulationsfrequenz (Um(Kj) wird dem Referenzeingang (RI) zugeführt. Der Lock-in-Verstärker demoduliert nun die Amplitudenmodulationkomponente bei der Reflektormodulationsfrequenz (phasenempfindliche Gleichrichtung) und gibt ein Regelsignal ab, das nach Integration in dem entsprechend beschatteten Operationsverstärker (OP2) dem Eingang des Operationsverstärkers (OP2) zugeführt wird, der dann über das Piezo-Element (PZT) dem Modenselektor auf den richtigen Abstand von der Laserlichtquelle einstellt Damit ist der Modenselektorregelkreis geschlossen.

Da die Modulation des Modenselektors-Reflektors (MS) eine unter Umständen störende Frequenzmodulation in der Laserdiode induziert, kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die den Strom der Laserdiode geringfügig mit der Reflektormodulationsfrequenz moduliert und damit die durch den moduli»t»i Reflektor (MS) induzierte Frequenzmodulation gerade zu kompensieren. DieseEinrichtung(CC) zur Strommodulation liefert einen Ausgangsstrom, der dem Injektionsstrom der in Fig. 1 gezeigten Regelungen überlagert wird.

Ein Neutralfilter (NF) verhindert störende Reflexion vom Photodetektor in die Laserdiode (LD).

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vorteilhafte Laserlichtquellen sind sicherlich Laserdioden. Wesentlich ist aber die Eigenschaft der Lichtquelle, daß sich bei einer Lichtintensitätsänderung im Las»resonator dessen optische Länge verändert Dies ist die Voraussetzung dafür, daß durch eine frequenzselektive optischeRückkoppelung ein Einiasten der Emissionsfrequenz auf die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators möglich ist. Wie bereits erwähnt können anstelle des gezeigten V-förmigen Resonators auch andere Resonatoren beispielsweise gekippte konfokale Fabry-Perot-Etalons verwendet werden. Die Verstellung der Rückkoppelphase könnte beispielsweise auch über ein geregeltes Phasenschieberelement im Strahlengang zwischen externem Resonator und Laserlichtquelle geschehen. -9-

Claims (13)

1. AT 395 497 B PATENTANSPRÜCHE 5 1. Einrichtung zur Stabilisierung einer Laserlichtquelle, bei der die Lichtintensität im Laserresonator dessen optische 10 Länge verändert, insbesondere zur Stabilisierung einer Laseidiode, wobei die Einrichtung umfaßt: - einen außerhalb des Laserresonators angeordneten, externen und in seiner Resonanzfrequenz vorzugsweise durchstimmbaren Resonator zur frequenzselektiven Rückkopplung von aus der Laserlichtquelle stammendem Licht in den Laserresonator, 15 - eine Regeleinrichtung zur Regelung zumindest eines die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle verändernden Betriebsparameters, insbesondere des Injektionsstroms einer Laserdiode, - eine Regeleinrichtung zur Regelung der Phasenlage (Rückkoppelphase) des vom externen Resonator in den Laserresonator zurückgekoppelten Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresonator, - eine Modulationseinrichtung zur Modulation eines die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle 20 verändernden Betriebsparameters, insbesondere des Injektionsstroms einer Laserdiode, mit einer Modulationsfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektoreinrichtung (PD1, AMP2, FI1, DBM2, PS2, FD) zur Detektion einer Modulation mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fm(Kj) in dem von der Laserlichtquelle emittierten Licht 25 vorgesehen ist, wobei diese Detektoreinrichtung ein vom Modulationshub der genannten Modulation abhängiges Regelsignal an die Regeleinrichtung (PMG; LIA; S; INT2; PZT2; 3) zur Regelung der Rückkoppelphase abgibt.
2. 2. Einrichtungnach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem Photodetektor (PD1) der Detektoreinrichtung gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Verstärkers (AMP2) ein elektronisches Frequenzfilter (FI1) zur 30 Ausfilterung der mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fm(Kj) schwingend») Komponente des aus der Laserlichtquelle (LD) stammenden Lichtes nachgeschaltet ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Frequenzfilter eine Quadriereinrichtung nachgeschaltet ist, in der das mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fmod) modulierte Signal mit sich selbst 35 multipliziert wird.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen Photodetektor (PD1) und einen diesem nachgeschalteten Mischer (DBM2) umfaßt, der neben einem Signaleingang für den gegebenenfalls verstärkten Photostrom aus dem Photodetektor (PD1) einen Referenzeingang zum Empfang eines 40 aus der Modulationseinrichtung (SY) stammenden, und über einen Frequenzverdoppler (FD) geführten Referenzsignals mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fm(Kj) aufweist.
5. 5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz (fmo<|) in der Größenordnung von 10 bis 100 MHz liegt. 45
6. 6. Einrichtungnach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,daß einePhasenmodulationseinrichtung (PMG) zur kleinhubigen Modulation der Rückkoppelphase vorgesehen ist, und daß weiters eine phasensensitive Detektoreinrichtung (LIA) vorgesehen ist, die aus einem mit der Phasenmodulationsfrequenz oszillierenden, den momentanen Modulationshub der Modulation bei der doppelten Modulationsfrequenz (2fm(Kj) wiedergebenden 50 Signal ein Regelsignal ungerader Symmetrie zur Regelung der Rückkoppelphase bereitstellt.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die phasensensitive Detektoreinrichtung, vorzugsweise ein Lock-in-Verstärker (LIA), einen Signaleingang zum Empfang eines den Modulationshub der Modulation bei der doppelten Modulationsfrequenz (2fmo^) wiedergebenden Signals aufweist und weiters einen Referenzein- 55 gang zum Empfang eines mit der Phasenmodulationsfrequenz oszillierenden Referenzsignals aufweist. -10- AT 395 497 B
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsfrequenz wesentlich kleiner ist als die Modulationsfrequenz (fm(Mj) eines oder mehrerer Betriebsparameter der Laseriichtquelle und vorzugsweise im kHz-Bereich liegt
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (PD1, AMP2, FI1, DBM2, PS2, FD) zur Detektion der mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fmotj) oszillierenden Komponente des modulierten Lichtes im Strahlengang des vom externen Resonator (Ml, M2, M3) reflektierten Lichtes aus der Laserlichtquelle (LD) angeordnet ist
10. 10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Resonator ein an sich bekannter V-förmiger Fox-Smith-Resonator (Ml, M2, M3) ist, bei dem nur das den Faltspiegel (Einkoppelspiegel (M2)) durchtretende interne Feld in die Laserlichtquelle (LD) zurückgekoppelt wird, während das aus der Laserlichtquelle stammende und am Faltspiegel (M2) reflektierte Licht auf einen Photodetektor (PD1) der Detektoreinrichtung zur Detektion der doppelten Modulationsfrequenz gelangt.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Resonatorspiegel (M3), der nicht senkrecht zur Licht-Einkoppelrichtung durch den Faltspiegel (M2) steht, und dem Faltspiegel (M2) gleich der Entfernung vom Faltspiegel (M2) zur Laserlichtquelle (LD) ist.
12. 12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Regeleinrichtung zur Regelung zumindest eines Betriebsparameters der Laserlichtquelle eine Detektoreinrichtung zur Detektion einer Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz in dem vom externen Resonator reflektierten Licht umfaßt, wobei diese Detektoreinrichtung ein vom Modulationshub und der Phasenlage der genannten Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz abhängiges Regelsignal zur Regelung zumindest eines Betriebsparameters der Laserlichtquelle abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß für die Detektoreinrichtung (PD1, AMPI, DBM1, PSI) zur Detektion einer Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz (fm(M|) und für die Detektoreinrichtung (PD1,AMP2,FU, DBM2,PS2,FD)zur Detektion einer Modulationmitder doppelten Modulationsfrequenz (2fmod) e'n und derselbe Photodetektor (PD1) verwendet ist.
13. 13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (G, TR) zur synchronen Veränderung der Resonanzmittenfrequenz (fR) des externen Resonators (Ml, M2, M3) einerseits und wenigstens eines der die Frequenz (fp) der freilaufenden Laserlichtquelle (LD) verändernden Betriebsparameter, vorzugsweise der Temperatur, andererseits vorgesehen ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen -11-