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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit
abstimmbarer Wellenlänge, mit einem optischen Resonator,
einem optischen Verstärker zur Verstärkung des
in dem Resonator umlaufenden Lichts, und einem hinsichtlich der
Filterwellenlänge abstimmbaren optischen Filter.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung von periodisch
abstimmbarem Licht.
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Aus
dem Stand der Technik sind schnell abstimmbare Laser bekannt. Diese
enthalten als optischen Verstärker ein Lasermedium, welches
das in dem Resonator umlaufende Licht über einen breiten Wellenlängenbereich
verstärkt. In den Resonator ist ein abstimmbares optisches
Bandpassfilter eingekoppelt, dessen Filterwellenlänge,
d. h. die Wellenlänge, bei der das Bandpassfilter durchlässig
ist, periodisch variiert. Ein derartiger schnell abstimmbarer Laser
ist z. B. in dem Artikel von R. Huber et al. „Amplified
frequency swept lasers for frequency domain reflectometry and OCT
imaging: design and scaling principles", in der Zeitschrift
Optics Express, Mai 2005, Band 13, Nr. 9, beschrieben.
Der vorbekannte Laser hat den wesentlichen Nachteil, dass die Umlaufzeit
des Lichts im Resonator die Geschwindigkeit, mit der die Filterwellenlänge
variiert werden kann, begrenzt. Bei einer Erhöhung der
Frequenz der Variation der Filterwellenlänge über
einen bestimmten Grenzwert hinaus wird die Laseraktivität
unterbunden. Der Grund hierfür ist, dass das Licht im Resonator
nicht mehr genügend Umläufe absolvieren kann, um
eine Laseraktivität aufzubauen.
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Aus
der
WO 2006/079078
A2 ist eine Vorrichtung bekannt, durch die der vorgenannte
Nachteil überwunden wird. Die aus der genannten Druckschrift
vorbekannte Lichtquelle arbeitet nach dem Konzept der spektralen
Modenkopplung (englisch: „Fourier Domain Mode Locking”,
abgekürzt FDML). Das optische Filter wird bei dieser vorbekannten
Laserlichtquelle zeitlich synchron zur Umlaufzeit des Lichts in
dem Resonator periodisch variiert. Derartige FDML-Laser haben gegenüber
herkömmlichen schnell abstimmbaren Lasern den Vorteil,
dass keine Beschränkung der Abstimmgeschwindigkeit durch die
Umlaufzeit des Lichts im Resonator besteht. FDML-Laser haben allerdings
den Nachteil, dass zur Synchronisation der Umlaufzeit des Lichts
in dem Resonator mit der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge
eine lange optische Verzögerungsstrecke benötigt
wird. Hierzu kommt üblicherweise eine sehr lange, d. h.
mehrere Kilometer lange Glasfaser zum Einsatz. Aus diesem Grund
ist die praktische Realisierung von FDML-Lasern aufwendig und teuer.
Außerdem bauen FDML-Laser wegen der langen optischen Verzögerungsstrecke
vergleichsweise groß.
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Vor
diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte
schnell abstimmbare Lichtquelle bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art durch eine Schalteinrichtung, die zwei
Schaltzustände aufweist, wobei in einem ersten Schaltzustand das
optische Filter aktiv ist, so dass das optische Filter das in dem
Resonator umlaufende Licht wellenlängenselektiv filtert,
und in einem zweiten Schaltzustand das optische Filter inaktiv ist,
so dass das Licht ohne wellenlängenselektive Filterung
in dem Resonator umläuft.
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Wesentliches
Merkmal der Erfindung ist, dass das optische Filter nicht dauernd
an den Resonator angekoppelt ist, sondern nur zeitweise, nämlich während
sich die Schalteinrichtung in dem ersten Schaltzustand befindet.
Solange sich die Schalteinrichtung in dem zweiten Schaltzustand
befindet, kann das Filter das in dem Resonator umlaufende Licht nicht
blockieren. Das Licht kann frei in dem Resonator umlaufen und entsprechend
verstärkt werden. Demzufolge kann die Umlaufzeit des Lichts
im Resonator sehr kurz sein. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
lässt sich eine hohe Abstimmgeschwindigkeit bei gleichzeitig
schmaler momentaner Bandbreite der Lichtwellenlänge erzielen.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche das optische
Filter in der Weise ansteuert, dass die Filterwellenlänge
periodisch variiert. Dabei ist die Periodendauer der Variation der
Filterwellenlänge zweckmäßigerweise ein ganzzahliges
Vielfaches der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator. Weiterhin
steuert die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung an, und zwar
in der Weise, dass die Schalteinrichtung zeitlich synchronisiert
mit der Variation der Filterwellenlänge zwischen dem ersten
und dem zweiten Schaltzustand hin- und hergeschaltet wird. Die Schalteinrichtung
bewirkt dementsprechend, dass das optische Filter während
bestimmter Zeitintervalle zeitlich synchron mit der Variation der
Filterwellenlänge aktiv, d. h. an den Resonator angekoppelt
ist. Während der übrigen Zeit ist das Filter inaktiv,
und das Licht läuft im Resonator frei um. Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung steuert die Steuereinrichtung die Schalteinrichtung
in der Weise an, dass die Schalteinrichtung periodisch zwischen
dem ersten und dem zweiten Schaltzustand hin- und hergeschaltet
wird, wobei die Periodendauer des Schaltvorgangs ein ganzzahliges
Vielfaches der Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge
ist. Das bedeutet, dass das optische Filter immer mit derselben
Phase der Variation der Filterwellenlänge an den Resonator
angekoppelt wird. Da außerdem die Periodendauer der Variation
der Filterwellenlänge ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit
des Lichts im Resonator ist, wird erreicht, dass im ersten Schaltzustand,
d. h. während das optische Filter aktiv ist, die momentane
Filterwellenlänge immer gleich der momentanen Wellenlänge
des im Resonator umlaufenden Lichts ist. Dabei sollte die Dauer
des ersten Schaltzustands stets kleiner oder gleich der Umlaufzeit
des Lichts im Resonator sein. Die Periodendauer des Schaltvorgangs
zwischen dem ersten und dem zweiten Schaltzustand muss im Sinne
der Erfindung nicht zwingend ein Mehrfaches der Periodendauer der
Variation der Filterwellenlänge sein. Die Periodendauer
des Schaltvorgangs kann auch gleich der Periodendauer der Variation
der Filterwellenlänge sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann vollständig
durch faseroptische Komponenten realisiert werden. Dementsprechend
ist der optische Resonator bevorzugt ein durch wenigstens eine optische
Faser gebildeter Ringresonator. Bei dem optischen Verstärker
kann es sich um eine optisch gepumpte Verstärkerfaser handeln.
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Als
optisches Filter kommt bevorzugt ein abstimmbares Fabry-Perot-Filter
zum Einsatz. Solche Filter sind, beispielsweise durch Piezo-Antrieb,
effizient durchstimmbar und weisen eine hohe Güte auf.
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Die
Schalteinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann beispielsweise mittels eines optischen Umschalters realisiert
werden, über den das optische Filter wahlweise in den optischen
Resonator einkoppelbar oder aus diesem auskoppelbar ist. Derartige
optische Umschalter sind als faseroptische Komponenten mit beispielsweise
zwei Eingängen und einem Ausgang kommerziell erhältlich
und können gut für die erfindungsgemäße
Vorrichtung genutzt werden. Dabei wird über den optischen
Umschalter sinnvollerweise entweder das optische Filter oder ein
optisches Verzögerungsglied in den optischen Resonator
eingekoppelt. Das bedeutet, dass im ersten Schaltzustand das optische
Filter und im zweiten Schaltzustand das optische Verzögerungsglied
in den Resonator eingekoppelt ist. Das optische Verzögerungsglied
stellt sicher, dass die Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator in
dem ersten und in dem zweiten Schaltzustand im Wesentlichen gleich ist.
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Die
oben angegebene Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch
ein Verfahren zur Erzeugung von periodisch abstimmbarem Licht gelöst,
wobei in einem optischen Resonator umlaufendes Licht optisch verstärkt
und mittels eines optischen Filters, dessen Filterwellenlänge
periodisch variiert, gefiltert wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter zeitlich
synchronisiert mit der Variation der Filterwellenlänge
periodisch aktiviert wird. Dabei sollte die Periodendauer der Variation
der Filterwellenlänge ein ganzzahliges Vielfaches der Umlaufzeit
des Lichts in dem Resonator und gleichzeitig die Periodendauer der
Aktivierung des optischen Filters ein ganzzahliges Vielfaches der
Periodendauer der Variation der Filterwellenlänge sein.
Darunter fallen auch Ausgestaltungen, bei denen die Periodendauer
der Variation der Filterwellenlänge gleich der Umlaufzeit
des Lichts in dem Resonator ist und/oder die Periodendauer der Aktivierung
des optischen Filters gleich der Periodendauer der Variation der
Filterwellenlänge ist. Die Dauer jeder Aktivierung des
optischen Filters sollte kleiner oder gleich der Umlaufzeit des
Lichts in dem Resonator sein. Während der übrigen
Zeit ist das optische Filter, wie oben beschrieben, inaktiv, d.
h. von dem optischen Resonator abgekoppelt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Dabei zeigen:
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1:
Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Blockdiagramm;
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2:
diagrammatische Darstellung des Zeitverlaufs der Filterwellenlänge λF und der Wellenlänge λR des erzeugten Lichts.
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Die
in der 1 dargestellte Vorrichtung umfasst einen durch
eine optische Faser 1 gebildeten Ringresonator 2.
In den optischen Resonator 2 ist ein optischer Verstärker 3 eingebunden.
Bei diesem kann es sich um eine optisch gepumpte Verstärkerfaser,
d. h. z. B. um eine mit Ionen der seltenen Erden dotierte Glasfaser
handeln. Der optische Verstärker 3 verstärkt
das in dem Resonator 2 umlaufende Licht. Vor und hinter
dem optischen Verstärker 3 sind optische Isolatoren 4 vorgesehen,
die die Umlaufrichtung des Lichts in dem Resonator 2 festlegen.
Ein Verzögerungsglied 5 ist vorgesehen, um die
Umlaufzeit anpassen zu können. Weiterhin weist die erfindungsgemäße
Vorrichtung ein hinsichtlich der Filterwellenlänge abstimmbares
optisches Filter 6 auf. Bei diesem handelt es sich z. B.
um ein Piezo-gesteuertes Fabry-Perot-Filter. Insoweit handelt es
sich bei der in der 1 dargestellten Vorrichtung
um einen abstimmbaren Faserlaser, wobei der optische Verstärker 3 das
in dem Resonator 2 umlaufende Laserlicht breitbandig verstärkt.
Das Filter 6 sorgt für die Wellenlängenselektion,
d. h. für die Abstimmung. Wesentliche Komponente der in
der 1 dargestellten Vorrichtung ist ein optischer
Umschalter 7, der eine Schalteinrichtung im Sinne der Erfindung
bildet. Die Schalteinrichtung weist zwei optische Eingänge
und einen optischen Ausgang auf. Der eine Eingang ist mit dem optischen
Filter 6 verbunden. Der andere Eingang ist mit einem Verzögerungsglied 8 verbunden.
Das Filter 6 und das Verzögerungsglied 8 sind über
einen optischen Koppler 9 mit der den Ringresonator 2 bildenden
Faser 1 verbunden. Die Schalteinrichtung 7 weist zwei
Schaltzustände auf. In einem ersten Schaltzustand ist das
optische Filter 6 aktiv, d. h. der optische Umschalter 7 sorgt
dafür, dass das optische Filter 6 an den Resonator 2 angekoppelt
ist. In einem zweiten Schaltzustand ist das optische Filter 6 inaktiv.
In dem zweiten Schaltzustand ist statt des optischen Filters 6 das
optische Verzögerungsglied 8 an den Resonator 2 angekoppelt.
Dabei ist das Verzögerungsglied 8 so ausgelegt,
dass die Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator 2 in beiden
Schaltzuständen gleich ist. Durch die Schalteinrichtung 7 wird
ein kommutierbarer Ringresonator 2 realisiert, der zwischen
den genannten zwei Schaltzuständen umschaltbar ist. In dem
ersten Schaltzustand sorgt das optische Filter 6 für
eine wellenlängenselektive Filterung des in dem Resonator 2 umlaufenden
Lichts. In dem zweiten Schaltzustand durchläuft das Licht
statt des Filters 6 das Verzögerungsglied 8.
In dem zweiten Schaltzustand läuft das Licht in dem Ringresonator 2 somit ungefiltert
um. Zur Ansteuerung des abstimmbaren optischen Filters 6 und
des optischen Umschalters 7 dient eine elektronische Steuereinrichtung 10.
Die Steuereinrichtung 10 steuert das optische Filter 6 und die
Schalteinrichtung 7 in der Weise an, dass die Schalteinrichtung 7 zeitlich
synchronisiert mit der Variation der Filterwellenlänge
des optischen Filters 6 zwischen den beiden Schaltzuständen
hin- und hergeschaltet wird. Zur Auskopplung des Lichts aus dem Resonator 2 dient
ein weiterer optischer Koppler 11.
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Die
Funktionsweise der in der 1 dargestellten
Vorrichtung wird im Folgenden anhand der Diagramme der 2 näher
erläutert. Das obere Diagramm der 2 zeigt
die Filterwellenlänge λF des optischen
Filters 6 als Funktion der Zeit. Die Steuereinrichtung 10 steuert
das optische Filter 6 in der Weise an, dass, wie in dem
oberen Diagramm in 2 zu sehen ist, die Filterwellenlänge λF Sinus-artig periodisch variiert. In dem
unteren Diagramm der 2 ist die momentane Wellenlänge λR des in dem Resonator 2 umlaufenden
Lichts als Funktion der Zeit gezeigt. Während der mit A
bezeichneten Zeitintervalle befindet sich die Schalteinrichtung 7 im
ersten Schaltzustand. Während der Zeitintervalle A ist
somit das optische Filter 6 an den Resonator 2 angekoppelt.
Wie in den Diagrammen der 2 zu erkennen ist,
bestimmt der Wellenlängenverlauf λF(t)
den Verlauf der Wellenlänge λR(t)
im Resonator während des ersten Schaltzustands. Während
der mit B bezeichneten Zeitintervalle befindet sich die Schalteinrichtung 7 im
zweiten Schaltzustand. Während der Intervalle B ist somit
das optische Filter 6 von dem Resonator 2 abgekoppelt.
Während der Zeitintervalle B läuft der optische
Resonator 2 frei, d. h. entsprechend der Umlaufzeit des
Lichts im Resonator wiederholt sich der zeitliche Wellenlängeverlauf λR(t). bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Dauer des Zeitintervalls A, d. h. die Dauer der Aktivierung des
optischen Filters 6, gleich der Umlaufzeit des Lichts im
Resonator. Während dieser Zeit wird die Wellenlänge λR im Resonator aktiv durch das Filter 6 erzwungen.
Das Zeitintervall B ist fünfmal so lang wie das Zeitintervall
A. D. h. das Licht läuft fünfmal frei im Resonator
um, währenddessen wiederholt sich der zeitliche Frequenzverlauf λR(t). Nach fünf freien Umläufen
wird das optische Filter 6 wieder aktiviert. Zum Zeitpunkt
der Aktivierung ist, wie in den Diagrammen der 2 zu
sehen, die momentane Wellenlänge λR im
Resonator 2 gleich der momentanen Filterwellenlänge λF. Hierzu beträgt die Periodendauer
der Variation der Filterwellenlänge λF ein
ganzzahliges Vielfaches, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Sechsfaches, der Umlaufzeit des Lichts in dem Resonator 2,
und die Periodendauer der Aktivierung des optischen Filters 6 beträgt
ein ganzzahliges Vielfaches der Periodendauer der Variation der
Filterwellenlänge λF.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Periodendauer
der Aktivierung des optischen Filters gleich der Periodendauer der
Variation der Filterwellenlänge λF.
Damit die Amplitude des im Resonator 2 umlaufenden Lichts
während der Zeitintervalle B gleich bleibt, muss die Verstärkung
im Resonator entsprechend gewählt werden. Durch die wiederholte
Aktivierung des optischen Filters 6 in den Zeitintervallen
A wird die momentane Linienbreite des im Resonator 2 umlaufenden
Lichts verschmälert.
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Anhand
der in der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele
wird deutlich, dass durch die Erfindung die Erzeugung von Licht
mit abstimmbarer Wellenlänge ermöglicht wird,
und zwar mit hoher Abstimmgeschwindigkeit bei gleichzeitig schmaler Bandbreite.
Dabei kommt es entscheidend darauf an, das optische Filter 6 nur
zeitweise an den Resonator 2 zu koppeln, wobei die Periode
der Variation der Filterwellenlänge und die Umlaufzeit
des Lichts in dem Resonator 2 in einem festen, d. h. ganzzahligen
Verhältnis stehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2006/079078
A2 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - R. Huber et
al. „Amplified frequency swept lasers for frequency domain
reflectometry and OCT imaging: design and scaling principles”,
in der Zeitschrift Optics Express, Mai 2005, Band 13, Nr. 9 [0003]