DE102015008652A1

DE102015008652A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Laserfrequenzmessung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms

Info

Publication number: DE102015008652A1
Application number: DE102015008652.9A
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Kawasaki
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2014-07-10
Filing date: 2015-07-03
Publication date: 2016-01-14
Also published as: JP6448236B2; US20180224335A1; US20160011055A1; US10161805B2; JP2016017892A; US9995634B2

Abstract

Zum Messen der Frequenz eines Lasers wird die Frequenz eines Schwebungssignals mit Erzeugung durch die Überlagerung zwischen einem als Messreferenz verwendeten optischen Frequenzkammm (100) und dem zu messenden Laser (150) gemessen. Bei einer derartigen Laserfrequenzmessung unter Verwendung des optischen Frequenzkamms (100) wird wenigstens eine von einer Wiederholungsfrequenz frep und einer CEO-Frequenz fCEO des optischen Frequenzkamms (100) derart geändert, dass die Frequenz fB des Schwebungssignals zu einem vorbestimmten Wert wird, und es wird die Frequenz fB des Schwebungssignals gemessen, wodurch die Frequenz des Lasers (150) gemessen wird. Dies ermöglicht eine Messung der Frequenz eines Lasers (150) mit großer Frequenzvariation und niedrigerer Stabilität.

Description

Die Offenbarung der am 10. Juli 2014 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2014-141965 einschließlich der Beschreibung, der Zeichnung und der Ansprüche wird hiermit in Gänze durch Bezugnahme mit aufgenommen.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserfrequenzmessung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laserfrequenzmessung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms mit Eignung zum Messen der Frequenz eines Lasers mit großer Frequenzvariation und niedrigerer Stabilität.
Hintergrund
Zum Messen einer Laserfrequenz ist in den vergangenen Jahren ein Verfahren des Verwendens eines optischen Frequenzkamms vorgeschlagen worden. Wie beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 2007-256365 (nachstehend als Patentdruckschrift 1 bezeichnet) beschrieben ist, erleichtert die Verwendung der Vorrichtung mit optischem Frequenzkamm die Messung der Oszillationsfrequenz eines Lasers mit hoher Genauigkeit. Diese Vorrichtung mit optischem Frequenzkamm ist eine Vorrichtung, die einen Laser ausgibt, der ein kammförmiges Spektrum mit einer Wiederholungsfrequenz (Längsmodenbeabstandung) von f_rep aufweist und zudem über die Eigenschaft verfügt, genau das gleiche f_rep in einem beliebigen Frequenzband aufzuweisen (siehe beispielsweise „Frequency Measurement Capability of a Fiber-Based Frequency Comb at 633 nm" von H. Inaba, Y. Nakajima, F. L. Hong, K. Minoshima, J. Ishikawa, A. Onae, H. Matsumoto, M. Wouters, B. Warrington and N. Brown, veröffentlicht bei „IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement", Band 58, Seiten 1234 bis 1240, April 2009, was nachstehend als Nichtpatentdruckschrift 1 bezeichnet wird.)
1 zeigt die Frequenzspektren eines optischen Frequenzkamms (auch optischer Kamm genannt) und eines zu messenden Lasers.
Eine Oszillationsfrequenz v_n im n-ten Kammmodus des optischen Kamms kann durch die nachfolgende Formel dargestellt werden: v_n = n·f_rep + f_CEO (1)
In der Formel bezeichnet f_CEO eine Trägerhüllenversatzfrequenz (nachstehend CEO-Frequenz genannt), während „n” eine Modusordnung bezeichnet, die die Nummer einer Modusordnung angibt, wobei der Anfangsmodus als 0-ter Modus gewählt ist.
Bei Überlagerung zwischen dem zu messenden Laser (mit einer Frequenz V_laser) und dem optischen Kamm wird eine Frequenzdifferenz f_B als Schwebungssignal (beat signal) zwischen beiden beobachtet, die durch die nachfolgende Formel (2) dargestellt wird: f_B = v_laser – v₀ (2)
Damit kann die Frequenz V_laser durch die nachfolgende Formel 3 unter Verwendung der Formeln (1) und (2) ermittelt werden: v_laser = n·f_rep + f_CEO + f_B (3)
Wenn daher die Wiederholungsfrequenz f_rep und die CEO-Frequenz f_CEO des optischen Frequenzkamms mit einer Standardfrequenz (beispielsweise einer Frequenz, die mit einer koordinierten Universalzeit synchronisiert ist) synchronisiert werden und die Schwebungsfrequenz (beam frequency) f_B gemessen wird, ist es möglich, die Absolutfrequenz V_laser des zu messenden Lasers durch geeignete Wahl der ganzen Zahl „n” genau zu messen (berechnen).
2 ist eine schematische Ansicht eines Spektrums eines Schwebungsfrequenzsignals, das auftritt, wenn ein Fotodetektor die Überlagerung zwischen dem optischen Frequenzkamm und dem zu messenden Laser empfängt. Das Schwebungsfrequenzsignal zeigt Extrema bei der Wiederholungsfrequenz f_rep infolge der Überlagerung zwischen den Moden des optischen Frequenzkamms selbst und einer Frequenz f_B' (= f_rep – f_B), die zu der Schwebungsfrequenz f_B konjugiert ist, zusätzlich zu einem Extremum bei der zu messenden Schwebungsfrequenz f_B. Darüber hinaus tritt relativ zu Fundamentalen dieser drei Frequenzen wiederholt bei jeder Frequenz f_rep eine Harmonische auf. Daher ist, um die Schwebungsfrequenz f_B mit hoher Genauigkeit zu messen, erforderlich, überflüssige Frequenzkomponenten, die nicht gleich der Schwebungsfrequenz f_B sind, unter Verwendung eines Bandpassfilters (BPF) für ein HF-Frequenzsignal abzuschneiden.
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Das Bandpassfilter extrahiert ein Frequenzsignal in einem Frequenzband in Abhängigkeit von Spezifikationen eines jeden Bauteils. So lässt beispielsweise ein Bandpassfilter zum Extrahieren einer Frequenzkomponente von 30 MHz im Allgemeinen ein Frequenzsignal mit einer Frequenz der Größenordnung von 30 MHz ± 3 MHz durch. Variiert in diesem Fall die zu messende Schwebungsfrequenz f_B um 3 MHz oder mehr, so wird die Schwebungsfrequenz f_B durch das Bandpassfilter abgeschnitten und kann nicht gemessen werden.
Entsprechend wird es schwierig, die Frequenz eines kostengünstigen stabilen Lasers, wie er oftmals in der Industrie verwendet wird und bei dem die Oszillationsfrequenz des Lasers einfach durch eine Temperatursteuerung bzw. Regelung oder dergleichen stabilisiert wird, zu messen. Mit anderen Worten, die Vorrichtung mit optischem Frequenzkamm ist just eine solche Vorrichtung, die für das Messen der Frequenz eines derartigen hochgenauen Lasers mit Stabilisierung in einer Molekülabsorptionslinie spezifisch ist.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorbeschriebene Problem bei der herkömmlichen Technik zu lösen, wobei eine Aufgabe hiervon in der Messung der bei der herkömmlichen Technik schwer zu messenden Frequenz eines Lasers mit großer Frequenzvariation und niedrigerer Stabilität besteht.
Lösung des Problems
Zur Lösung des vorbeschriebenen Problems wird entsprechend der vorliegenden Erfindung bei einem Laserfrequenzmessverfahren unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms, bei dem die Frequenz eines Lasers durch Messen einer Frequenz einer Schwebungssignals mit Erzeugung durch die Überlagerung zwischen dem als Messreferenz verwendeten optischen Frequenzkamm und dem zu messenden Laser gemessen wird, wenigstens eine von einer Wiederholungsfrequenz f_rep und einer CEO-Frequenz f_CEO des optischen Frequenzkamms derart geändert, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu einem vorbestimmten Wert wird, und es wird die Frequenz des Lasers durch Messen der Frequenz des Schwebungssignals gemessen.
Hierbei können die Wiederholungsfrequenz f_rep und die CEO-Frequenz f_CEO gemessen werden, wobei wenigstens eine von der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO derart geändert werden kann, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Des Weiteren kann eine Absolutfrequenz v_laser des Lasers aus Messwerten der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO und dem vorbestimmten Wert oder gemessenen Wert des Schwebungssignals gemessen werden.
Zudem kann die Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit einer f_rep-Referenzfrequenz stabilisiert werden, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird, und es kann die CEO-Frequenz f_CEO durch Phasensynchronisierung mit einer f_CEO-Referenzfrequenz stabilisiert werden, die zur Stabilisierung der CEO-Frequenz f_CEO erzeugt wird. Zudem kann wenigstens eine von der f_rep-Referenzfrequenz und der f_CEO-Referenzfrequenz derart geändert werden, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Zudem kann die Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit der f_rep-Referenzfrequenz stabilisiert werden, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird, und es kann die CEO-Frequenz f_CEO gemessen und derart geändert werden, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert zum Messen der Oszillationsfrequenz des Lasers wird.
Die Referenzfrequenzen können unter Verwendung eines Frequenzsynthesizers erzeugt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Laserfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms bereit, bei der die Frequenz eines Lasers durch Messen einer Frequenz eines Schwebungssignals mit Erzeugung durch die Überlagerung zwischen dem als Messreferenz verwendeten optischen Frequenzkamm und dem zu messenden Laser gemessen wird. Die Laserfrequenzmessvorrichtung beinhaltet Mittel zum Ändern wenigstens einer von einer Wiederholungsfrequenz f_rep und einer CEO-Frequenz f_CEO des optischen Frequenzkamms derart, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu einem vorbestimmten Wert wird, sowie Mittel zum Messen der Frequenz des Schwebungssignals zum Messen der Frequenz des Lasers.
Beinhalten kann die Laserfrequenzmessvorrichtung daher Mittel zum Messen der Wiederholungsfrequenz f_rep, Mittel zum Messen der CEO-Frequenz f_CEO und Mittel zum Ändern wenigstens einer von der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO derart, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Beinhalten kann die Laserfrequenzmessvorrichtung darüber hinaus Mittel zum Messen einer Absolutfrequenz v_laser des Lasers aus Messwerten der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO und dem vorbestimmten Wert oder gemessenen Wert der Schwebungsfrequenz.
Beinhalten kann die Laserfrequenzmessvorrichtung zudem Mittel zum Stabilisieren der Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit einer f_rep Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird, Mittel zum Stabilisieren der CEO-Frequenz f_CEO durch Phasensynchronisierung mit einer f_CEO-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der CEO-Frequenz f_CEO erzeugt wird, und Mittel zum Ändern wenigstens einer von der f_rep-Referenzfrequenz und der f_CEO-Referenzfrequenz derart, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Beinhalten kann die Laserfrequenzmessvorrichtung zudem Mittel zum Stabilisieren der Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit der f_rep-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird, Mittel zum Messen der CEO-Frequenz f_CEO und Mittel zum Ändern der CEO-Frequenz f_CEO derart, dass die Frequenz des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Beinhalten kann die Laserfrequenzmessvorrichtung zudem Mittel zum Erzeugen der Referenzfrequenzen unter Verwendung eines Frequenzsynthesizers.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird, wenn die Schwebungsfrequenz aus dem vorbestimmten Bereich herausvariiert, eine Stabilisierungssteuerung bzw. Regelung durchgeführt, indem eine oder beide von der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO des optischen Frequenzkamms in Richtung des Ausgleichs einer Variation der Schwebungsfrequenz geändert werden. Es ist daher möglich, die Frequenz eines Lasers, der in einem breiten Bereich variiert, unabhängig von Bandbeschränkungen eines Bandpassfilters, das bei der Messung der Schwebungsfrequenz verwendet wird, zu messen. Diese Ausgestaltung kann die Messung der Frequenz eines kostengünstigen stabilen Lasers, wie er in der Industrie oftmals verwendet wird, verwirklichen.
Diese und weitere neuartige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung von bevorzugten Ausführungsformen.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Die bevorzugten Ausführungsformen werden anhand der Zeichnung beschrieben, wo gleiche Elemente durchweg in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und die sich wie folgt zusammensetzt.
1 ist ein Graph zur Darstellung von Beispielen von Spektren eines optischen Frequenzkamms und eines Lasers.
2 ist ein Graph zur Darstellung eines Beispiels eines Spektrums eines Schwebungsfrequenzsignals.
3 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Ausgestaltung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine Darstellung eines Beispiels des optischen Frequenzkamms, der bei der ersten Ausführungsform verwendet wird.
5A bis 5C sind Graphen zur Darstellung eines Spektrums des Schwebungsfrequenzsignals nach Durchtritt durch ein Bandpassfilter bei der ersten Ausführungsform.
6 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Ausgestaltung einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Ausgestaltung einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung der Ausgestaltung einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend detailliert anhand der Zeichnung beschrieben. Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Beschreibungen der nachstehenden Ausführungsformen und praktischen Beispiele beschränkt ist. Komponenten der Ausführungsformen und praktischen Beispiele enthalten in der nachstehenden Beschreibung dasjenige, was von einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet leicht erfasst werden kann, was im Wesentlichen gleich ist und was im so genannten Äquivalenzbereich liegt. Darüber hinaus können die Komponenten aus der Offenbarung bei den Ausführungsformen und den praktischen Beispielen in der nachstehenden Beschreibung geeignet miteinander kombiniert oder geeignet selektiv verwendet werden.
3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Laserfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Ein optischer Frequenzkamm 100 wird durch ein f_rep-Steuer- bzw. Regelsignal und ein f_CEO-Steuer- bzw. Regelsignal aus einer Steuerung bzw. Regelung 110 stabilisiert. Ein Frequenzzähler 120 misst eine stabilisierte Wiederholungsfrequenz f_rep, und ein Frequenzzähler 130 misst eine stabilisierte CEO-Frequenz f_CEO. Ein Personalcomputer (PC) 140 empfängt die Messewerte hiervon und überwacht die Oszillationsfrequenz des optischen Frequenzkamms 100.
Ein Fotodetektor 160 erfasst ein Schwebungssignal mit Erzeugung durch einen zu messenden Laser 150 und den optischen Frequenzkamm 100. Ein Frequenzzähler 170 misst die Frequenz des Schwebungssignals, und der PC 140 empfängt einen Messwert hiervon.
Wenn die Schwebungsfrequenz einem vorbestimmten Bereich übersteigt, wird ein Frequenzänderungsbefehl an die Steuerung bzw. Regelung 110 gesendet, wodurch die Steuerung bzw. Regelung 110 das f_rep-Steuer- bzw. Regelsignal und/oder das f_CEO-Steuer- bzw. Regelsignal an den optischen Frequenzkamm 100 sendet.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 152 einen Spiegel, während das Bezugszeichen 154 einen Halbspiegel bezeichnet.
Ein Beispiel des optischen Frequenzkamms 100 wird anhand 4B beschrieben, wobei auf 1 von Patentdruckschrift 1 verwiesen wird. Bei einem Oszillator 10 mit optischem Frequenzkamm erzeugt zunächst Licht, das von einer LD (Laserdiode) 12 erzeugt wird, in einem Ringresonator einen Laser, der eine Mehrzahl von Längsmoden unterstützt. Durch Anpassen einer Polarisierungsebene des Lasers mit Umlauf in dem Ringresonator unter Verwendung von Polarisierungselementen (14, 15 und 16), so beispielsweise einer Wellenplatte und einer Polarisierungsplatte mit Anordnung in dem Ringresonator, tritt sodann eine Phasensynchronisierung unter der Mehrzahl von Längsmoden auf, und es wird ein gepulster Laser erzeugt. Das Frequenzspektrum des gepulsten Lasers liegt zu diesem Zeitpunkt in Form eines Kamms mit einer Wiederholungsfrequenz f_rep vor. Die Wiederholungsfrequenz f_rep kann durch Variieren der Länge des Resonators variieren. Damit wird bei der Technik von 4 die Wiederholungsfrequenz f_rep durch Anpassen des Erstreckungsausmaßes einer optischen Faser 11 durch ein PZT 13 geändert. Demgegenüber kann die CEO-Frequenz f_CEO durch Variieren der Anregungsleistung variiert werden und wird daher durch Ändern eines injizierten Stromes von einem Treiber zu der LD 12 gesteuert bzw. geregelt.
In der Zeichnung bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Laserlichtquelle. Die Bezugszeichen 17 und 18 bezeichnen jeweils einen optischen Isolator. Die Bezugszeichen 21A und 21B bezeichnen jeweils eine λ/4-Platte. Die Bezugszeichen 22A und 22B bezeichnen jeweils eine λ/2-Platte. Die Bezugszeichen 30A und 30B bezeichnen jeweils einen optischen Faserverstärker. Die Bezugszeichen 31A und 31B bezeichnen jeweils eine optische Faser zur Verstärkung. Die Bezugszeichen 32A und 32B bezeichnen jeweils eine Anregungslichtquelle. Die Bezugszeichen 42A und 40B bezeichnen jeweils eine hochgradig nichtlineare optische Faser. Die Bezugszeichen 41A und 41B bezeichnen jeweils eine optische Faser mit Einzelmodus (single mode). Die Bezugszeichen 51A, 51B und 51C bezeichnen jeweils eine Linse. Das Bezugszeichen 52A bezeichnet ein nichtlineares optisches Medium. Das Bezugszeichen 53B bezeichnet einen Spiegel. Die Bezugszeichen 54A und 54B bezeichnen jeweils einen Halbspiegel. Das Bezugszeichen 55A bezeichnet ein Bandpassfilter. Das Bezugszeichen 56A bezeichnet einen CEO-Frequenzdetektor. Das Bezugszeichen 56B bezeichnet einen heterodynen Detektor. Das Bezugszeichen 56C bezeichnet einen Wiederholungsfrequenzdetektor. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet einen CEO-Frequenzstabilisierer. Das Bezugszeichen 70 bezeichnet einen Wiederholungsfrequenzstabilisierer.
Bei dem optischen Frequenzkamm aus der Offenbarung in Patentdruckschrift 1 werden der CEO-Frequenzstabilisierer 60 und der Wiederholungsfrequenzstabilisierer 70 zum Stabilisieren der Frequenzen verwendet. Bei dieser Ausführungsform jedoch werden der CEO-Frequenzstabilisierer 60 und der Wiederholungsfrequenzstabilisierer 70 zu einem gegenteiligen Zweck, nämlich zum Ändern der Frequenzen verwendet.
Wenn bei dieser Ausführungsform die Oszillationsfrequenz des Lasers 150 variiert und die Schwebungsfrequenz den messbaren Frequenzbereich überschreitet oder eine solche Überschreitung wahrscheinlich ist (in einem Fall, in dem ein Zustand von 5A zu einem Zustand von 5B geändert wird, wo schematisch Spektren des Schwebungsfrequenzsignals gezeigt sind), sendet der PC 140 den Oszillationsfrequenzänderungsbefehl. In Reaktion auf den Befehl sendet die Steuerung bzw. Regelung 110 die f_rep- und/oder f_CEO-Steuer- bzw. Regelsignale zur Durchführung einer Frequenzsteuerung bzw. Regelung, um so eine Variation der Schwebungsfrequenz f_B auszugleichen.
Betrachtet man eine Schwebungsfrequenz, die durch die Überlagerung zwischen dem optischen Frequenzkamm und dem zu messenden Laser mit den Spektren von 1 als Beispiel erzeugt wird, so wird, wenn die Schwebungsfrequenz f_B infolge einer Zunahme der Frequenz v_laser zunimmt, die Wiederholungsfrequenz f_rep vergrößert, oder es wird die CEO-Frequenz f_CEO gesteuert bzw. geregelt derart vergrößert, dass die Schwebungsfrequenz f_B auf eine Weise geändert wird, dass sie in dem vorbestimmten Wertebereich ist und beispielsweise zur BPF-Mitte zurückverschoben wird. In dem Spektrum der Schwebungsfrequenz wird der Zustand von 5B zu dem Zustand von 5C geändert.
Das Messen der Wiederholungsfrequenz f_rep und/oder der CEO-Frequenz f_CEO mit Änderung zu diesem Zeitpunkt durch die Frequenzzähler 120 und 130 erleichtert die Ermittlung der Absolutfrequenzen des optischen Frequenzkamms 100, weshalb es möglich ist, die Absolutfrequenz v_laser des zu messenden Lasers 150 ohne Probleme zu messen.
Zum Stabilisieren der Oszillationsfrequenzen des optischen Frequenzkamms ist ein Verfahren gegeben, bei dem die Wiederholungsfrequenz f_rep und/oder die CEO-Frequenz f_CEO in Phase zu f_rep- und/oder F_CEO-Referenzfrequenzen bezugsrichtig synchronisiert werden, von denen jede entsprechend der Wiederholungsfrequenz f_rep und/oder der CEO-Frequenz f_CEO erzeugt wird. Bei einem Verfahren zum Erzeugen der Referenzfrequenzen wird in diesem Fall ein Frequenzsynthesizer verwendet. Eine Eingabe einer hochgradig genauen Standardfrequenz von 10 MHz ermöglicht es, die Referenzfrequenzen mit großer Genauigkeit zu erzeugen. Damit bildet der optische Frequenzkamm, der durch eine Phasensynchronisierung mit den Referenzfrequenzen stabilisiert wird, die hochgenaue Laserfrequenzmessvorrichtung. 6 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Verwirklichung dieses Verfahrens.
Bei Empfang des Messwertes des Schwebungsfrequenzsignals sendet der PC 140 einen Referenzfrequenzänderungsbefehl an die Frequenzsynthesizer 200 und/oder 210, die die f_rep- oder f_CEO-Referenzfrequenzen bezugsrichtig erzeugen, sodass die Schwebungsfrequenz derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass sie in den vorbestimmten Frequenzbereich fällt. Die Art, wie die Wiederholungsfrequenz f_rep und/oder die CEO-Frequenz f_CEO entsprechend einer aktuellen Änderung der Schwebungsfrequenz f_B geändert wird, ist die gleiche wie diejenige bei der ersten Ausführungsform.
Entsprechend der zweiten Ausführungsform ist es, da die Genauigkeit der Frequenzstabilisierung durch die Phasensynchronisierung viel höher als die Genauigkeit der Frequenzmessung durch die Frequenzzähler ist, möglich, eine Frequenzmessung mit höherer Genauigkeit als bei der ersten Ausführungsform durchzuführen.
7 zeigt eine Systemausgestaltung, die auf einfache Weise eine Genauigkeit erreicht, die für den praktischen Gebrauch ausreichend ist, entsprechend einer dritten Ausführungsform.
Ein Fehler, der bei der Stabilisierungssteuerung bzw. Regelung der Wiederholungsfrequenz f_rep vorhanden ist, wird mit der Nummer „n” der Ordnungen hiervon multipliziert.
Da „n” ein Wert von mehreren Millionen ist, ist eine extrem hohe Genauigkeit der Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erforderlich. Demgegenüber ist die Wirkung eines Fehlers, der in der Stabilisierungssteuerung bzw. Regelung der CEO-Frequenz f_CEO vorhanden ist, viel kleiner als die Genauigkeit, die für die Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erforderlich ist. Entsprechend wird bei dieser Ausführungsform die Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit der f_rep-Referenzfrequenz mit hoher Genauigkeit unter Verwendung des Frequenzsynthesizers 200 stabilisiert. Demgegenüber wird die CEO-Frequenz f_CEO durch Senden eines Befehlssignals von dem PC 140 an die LD-Steuerung bzw. Regelung 300 gesteuert bzw. geregelt, sodass die Schwebungsfrequenz f_B mit Messung durch den Frequenzzähler 170 in den vorbestimmten Bereich fällt. Der Frequenzzähler 130 misst die gesteuerte bzw. geregelte CEO-Frequenz f_CEO. Variiert die Schwebungsfrequenz f_B infolge einer Variation der Oszillationsfrequenz des Lasers 150, so wird die CEO-Frequenz f_CEO derart geändert, dass eine Variation der Schwebungsfrequenz f_B ausgeglichen wird.
Dies deutet auf eine Wirkung des Erweiterns des messbaren Bereiches ±Δf_B der Schwebungsfrequenz f_B auf einen Bereich von –Δf_CEO – Δf_B bis +Δf_CEO + Δf_B sogar innerhalb der Beschränkungen eines f_CEO-Oszillationsfrequenzbereiches von ±Δf_CEO hin.
Man beachte, dass bei der in 8 gezeigten vierten Ausführungsform ein Verfahren kombiniert bzw. zusammengestellt werden kann, bei dem der PC 140 befiehlt, dass der Frequenzsynthesizer 200 die f_rep-Referenzfrequenz erzeugt und die f_rep-Referenzfrequenz derart ändert, dass die Schwebungsfrequenz f_B variiert. Die Kombination ermöglicht eine Messung einer variablen Laserfrequenz in einem weiten Bereich aus dem Bereich –Δf_CEO – Δf_B bis +Δf_CEO + Δf_B.
Es sollte für einen Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet einsichtig sein, dass die vorbeschriebenen Ausführungsformen rein illustrativ sind und die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen. Zahlreiche abgewandelte weitere Anordnungen können von einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet ohne Weiteres konzipiert werden, ohne vom Wesen und Umfang der Erfindung abzugehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014-141965 [0001]
JP 2007-256365 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Frequency Measurement Capability of a Fiber-Based Frequency Comb at 633 nm” von H. Inaba, Y. Nakajima, F. L. Hong, K. Minoshima, J. Ishikawa, A. Onae, H. Matsumoto, M. Wouters, B. Warrington and N. Brown, veröffentlicht bei „IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, Band 58, Seiten 1234 bis 1240, April 2009 [0003]

Claims

Laserfrequenzmessverfahren unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) zum Messen einer Frequenz eines Lasers (150) durch Messen einer Frequenz eines Schwebungssignals mit Erzeugung durch Überlagerung zwischen dem als Messreferenz verwendeten optischen Frequenzkamm (100) und dem zu messenden Laser (150), wobei das Verfahren die nachfolgenden Schritte umfasst: Ändern wenigstens einer von einer Wiederholungsfrequenz f_rep und einer CEO-Frequenz f_CEO des optischen Frequenzkamms (100) derart, dass die Frequenz F_B des Schwebungssignals zu einem vorbestimmten Wert wird; und Messen der Frequenz f_B des Schwebungssignals zum Messen der Frequenz des Lasers (150).
Laserfrequenzmessverfahren unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 1, umfassend die nachfolgenden Schritte: Messen der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO; und Ändern wenigstens einer von der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO derart, dass die Frequenz f_B des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Laserfrequenzmessverfahren unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 2, umfassend die nachfolgenden Schritte: Messen einer Absolutfrequenz V_laser des Lasers (150) aus Messwerten der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO und dem vorbestimmten Wert oder gemessenen Wert des Schwebungssignals.
Laserfrequenzmessverfahren unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 1, umfassend die nachfolgenden Schritte: Stabilisieren der Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit einer f_rep-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird; Stabilisieren der CEO-Frequenz f_CEO durch Phasensynchronisierung mit einer f_CEO-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der CEO-Frequenz f_CEO erzeugt wird; und Ändern wenigstens einer von der f_rep-Referenzfrequenz und der f_CEO-Referenzfrequenz derart, dass die Frequenz f_B des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Laserfrequenzmessverfahren unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 1, umfassend die nachfolgenden Schritte: Stabilisieren der Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit der f_rep-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird; Messen der CEO-Frequenz f_CEO; und Ändern der CEO-Frequenz f_CEO derart, dass die Frequenz f_B des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert zum Messen der Frequenz des Lasers (150) wird.
Laserfrequenzmessverfahren unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 4 oder 5, umfassend: den Schritt des Erzeugens der Referenzfrequenzen durch Verwendung eines Frequenzsynthesizers (200).
Laserfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) zum Messen einer Frequenz eines Lasers (150) durch Messen einer Frequenz eines Schwebungssignals mit Erzeugung durch Überlagerung zwischen dem als Messreferenz verwendeten optischen Frequenzkamm (100) und dem zu messenden Laser (150), wobei die Laserfrequenzmessvorrichtung umfasst: Mittel (140) zum Ändern wenigstens einer von einer Wiederholungsfrequenz f_rep und einer CEO-Frequenz f_CEO des optischen Frequenzkamms (100) derart, dass die Frequenz f_B des Schwebungssignals zu einem vorbestimmten Wert wird; und Mittel (170) zum Messen der Frequenz des Schwebungssignals zum Messen einer Oszillationsfrequenz des Lasers (150).
Laserfrequenmessvorrichtung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 7, umfassend: Mittel zum Messen der Wiederholungsfrequenz f_rep; Mittel (130) zum Messen der CEO-Frequenz f_CEO; und Mittel (140) zum Ändern wenigstens einer von der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO derart, dass die Frequenz f_B des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Laserfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 8, umfassend: Mittel zum Messen von Absolutfrequenzen v_laser des Lasers (150) aus Messwerten der Wiederholungsfrequenz f_rep und der CEO-Frequenz f_CEO und dem vorbestimmten Wert oder gemessenen Wert des Schwebungssignals.
Laserfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 7, umfassend: Mittel (200) zum Stabilisieren der Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit einer f_rep-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird; Mittel (210) zum Stabilisieren der CEO-Frequenz f_CEO durch Phasensynchronisierung mit einer f_CEO-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der CEO-Frequenz f_CEO erzeugt wird; und Mittel (140) zum Ändern wenigstens einer von der f_rep-Referenzfrequenz und der f_CEO-Referenzfrequenz derart, dass die Frequenz f_B des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Laserfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung eines optischen Frequenzkamms (100) nach Anspruch 7, umfassend: Mittel (200) zum Stabilisieren der Wiederholungsfrequenz f_rep durch Phasensynchronisierung mit der f_rep-Referenzfrequenz, die zur Stabilisierung der Wiederholungsfrequenz f_rep erzeugt wird; Mittel (130) zum Messen der CEO-Frequenz f_CEO; und Mittel (140) zum Ändern der CEO-Frequenz f_CEO derart, dass die Frequenz f_B des Schwebungssignals zu dem vorbestimmten Wert wird.
Laserfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung eines Kamms (100) der optischen Frequenz f_B nach Anspruch 10 oder 11, umfassend: Mittel (200, 210) zum Erzeugen der Referenzfrequenzen durch Verwendung eines Frequenzsynthesizers.