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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtpulse, mit
- - einem ersten Laser, der eine erste Folge von Lichtpulsen bei einer ersten Repetitionsrate erzeugt,
- - einem zweiten Laser, der eine zweite Folge von Lichtpulsen bei einer zweiten Repetitionsrate erzeugt, und
- - wenigstens einem Stellglied, das die erste oder die zweite Repetitionsrate beeinflusst.
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Derartige Vorrichtungen werden z. B. für die ultraschnelle zeitaufgelöste Spektroskopie benutzt. Dabei kommen üblicherweise modengekoppelte Laser zum Einsatz. So genannte Pump-Probe-Techniken werden zur Messung und Untersuchung des Zeitverlaufs von physikalischen oder chemischen Vorgängen benutzt. Derartige Techniken haben zu bemerkenswerten Fortschritten in verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen geführt. Erwähnenswert sind Untersuchungen zur Relaxationsdynamik in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen, die zeitaufgelöste Terahertz-Spektroskopie sowie auch die Signalanalyse in der optischen Kommunikationstechnik. In Synchrotron-Strahlungsquellen werden modengekoppelte Laser als Lichtimpulsquellen benutzt, um die Erzeugung von Elektronenbündeln zeitlich zu steuern und auch um das Zeitverhalten von Elektronen-, UV-Licht- oder Röntgenimpulsen zu analysieren. Alle diese Anwendungen haben gemeinsam, dass die Ankunftszeitpunkte der Lichtimpulse in einem Wechselwirkungszentrum des jeweiligen Experiments präzise steuerbar sein müssen. Meist müssen die Ankunftszeitpunkte bzw. die Zeitintervalle zwischen aufeinander folgend eintreffenden Lichtimpulsen innerhalb eines bestimmten Intervalls variierbar sein, um so den Zeitverlauf des zu untersuchenden physikalischen, technischen oder chemischen Vorgangs abtasten (scannen) zu können.
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Aus der
DE 20 2008 009 021 U1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der aus den Lichtpulsfolgen der beiden Laser mittels eines Phasendetektors ein Regelsignal innerhalb eines Regelkreises gebildet wird, wobei der Regelkreis einen Regler umfasst, der ein Stellsignal erzeugt, welches die Repetitionsrate der Lichtpulsfolge eines der beiden Laser beeinflusst. Durch Änderung der Wiederholfrequenz, d.h. der Führungsgröße, wird mittels des Reglers gezielt ein Vorauseilen bzw. ein Nachfolgen der Lichtpulsfolge des einen Lasers gegenüber der Lichtpulsfolge des anderen Lasers erzeugt. Der Regler stellt die Repetitionsrate dabei so ein, dass der gewünschte Phasenwert, d.h. der gewünschte Zeitversatz eingestellt wird.
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Die vorbekannte Vorrichtung hat zwar den Vorteil, dass der Zeitversatz zwischen den Lichtpulsfolgen frei vorgegeben werden kann, dies gilt aber nur innerhalb gewisser Grenzen. Zur Einstellung des Zeitversatzes kommt als Stellglied ein Piezoaktuator zum Einsatz, der ein reflektives optisches Element (einen Spiegel) trägt. Durch Translation des Spiegels mittels des Piezoaktuators wird die Resonatorlänge des Lasers verändert und dadurch der Zeitversatz der Lichtpulse eingestellt. Die maximale Auslenkung des Piezoaktuators bestimmt in Kombination mit dem Regelungskonzept dabei die maximal erreichbare Scangeschwindigkeit, d.h. die maximale Variationsgeschwindigkeit des Zeitversatzes der beiden Lichtpulsfolgen. Die maximale Auslenkung gängiger Piezoaktuatoren, die mit entsprechend gängigen Treibern betrieben werden, ist beschränkt. Entsprechend ist auch die mit der bekannten Vorrichtung maximal erreichbare Scangeschwindigkeit beschränkt. Die Steuerung der Repetitionsrate eines der beiden Laser gemäß der
DE 20 2008 009 021 U1 hat weiterhin den Nachteil, dass die Scangeschwindigkeit auch durch die Bandbreite des Regelkreises beschränkt ist. Bei schnellen Pump-Probe-Experimenten (wiederum z.B. in der zeitaufgelösten Terahertz-Spektroskopie) wird eine Scangeschwindigkeit im Bereich von 1 kHz oder mehr angestrebt, d.h. dass der gesamte Scanbereich mit dieser Frequenz periodisch abzutasten ist. Bei einer derart großen Scangeschwindigkeit kommt es aufgrund der Eigenschaften des Regelkreises zu erheblichen Signalverzerrungen. Eine Folge davon ist, dass die Zeitachse des Experiments, d.h. der genaue Zeitabstand zwischen jedem einzelnen Pump- und Probe-Lichtpuls nicht mehr präzise rekonstruierbar ist.
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Es existieren Anwendungen, bei denen ein großer maximaler Zeitversatz (von 1 ns oder sogar mehr) bei gleichzeitig großer Scangeschwindigkeit wünschenswert ist. Ein Beispiel ist die Dickenmessung von Werkstücken in industriellen Produktionslinien. Für solche Anwendungen ist die aus der
DE 20 2008 009 021 U1 bekannte Vorrichtung kaum geeignet.
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Die
DE 10 2005 050 151 B3 beschreibt eine gattungsgemäße Vorrichtung, bei der das Stellglied die erste oder die zweite Repetitionsrate kurzzeitig (pulsförmig) verstellt, wobei die Verstellung nach einer Zeitverzögerung erfolgt, getriggert durch eine Koinzidenz der Lichtpulsfolgen.
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Die
US 2008/0259988 A1 beschreibt einen optischen Aktuator bestehend aus einem Piezoaktuator, der ein reflektives optisches Element trägt. Durch Reduktion der Massen werden die Antwortzeit und der Betriebsfrequenzbereich des Aktuators vergrößert.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtpulse bereitzustellen.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art durch ein Steuerelement, das das Stellglied mit einem periodischen Modulationssignal zur periodischen Variation der ersten oder der zweiten Repetitionsrate beaufschlagt, wobei das Stellglied einen von dem Modulationssignal angeregten mechanischen Oszillator umfasst, dessen Auslenkung eine Verstellung der Resonatorlänge des ersten oder zweiten Lasers bewirkt, wobei der mechanische Oszillator bei der Frequenz des Modulationssignals resonant schwingt
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Gemäß der Erfindung wird also der die Resonatorlänge des Lasers verstellende mechanische Oszillator resonant betrieben.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst der mechanische Oszillator einen ersten Aktuator, insbesondere einen Piezoaktuator, der ein reflektives optisches Element trägt (oder bei dem der Piezokristall selbst verspiegelt ist) und durch Translation desselben die Resonatorlänge des ersten oder zweiten Lasers verstellt. Denkbar wäre auch ein mikromechanischer Aktuator oder ein Tauchspulenaktuator. Die Verstellung der Resonatorlänge könnte auch (ohne reflektives optisches Element) durch einen Faserstrecker bewirkt werden, auf den der mechanische Oszillator bzw. der Aktuator einwirkt.
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Für die meisten Anwendungen ist es von untergeordneter Bedeutung, bei welcher exakten Scangeschwindigkeit die Messung erfolgt, solange die Scangeschwindigkeit nur ausreichend groß ist. Eine Einstellung der Scangeschwindigkeit ist normalerweise nicht erforderlich. Die Erfindung nutzt diese Tatsache aus, indem der mechanische Oszillator bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, z.B. bei derjenigen Frequenz, die der Resonanzfrequenz des durch den Piezoaktuator und das von diesem getragene reflektive optische Element gebildeten mechanischen Oszillators entspricht.
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Im Sinne der Erfindung bedeutet resonant nicht zwingend, dass die Frequenz des Modulationssignals exakt gleich der Resonanzfrequenz des mechanischen Oszillators ist. Entscheidend kommt es darauf an, dass die Auslenkung gegenüber dem nicht-resonanten Betrieb (deutlich) überhöht ist. Durch die Resonanzüberhöhung können wesentlich größere Auslenkungen entstehen als im statischen Fall oder bei (kleinen) Frequenzen außerhalb der Resonanz. Dadurch werden ein entsprechend größerer Verstellbereich der Resonatorlänge und damit eine größere maximale Variationsgeschwindigkeit des Zeitversatzes der Lichtpulsfolgen erzielt.
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Die erreichbare Resonanzüberhöhung ist von der Bauart des Piezoaktuators (z.B. des darin verwendeten Keramikmaterials) abhängig und entspricht bei typischen Piezoaktuatoren bis zu einem Faktor von 10. Bei Piezoaktuatoren, die z.B. in Ultraschallschwingern hoher Güte zum Einsatz kommen, kann die Überhöhung bis zu einem Faktor von 1000 entsprechen. Bevorzugt sollten der von dem ersten Piezoaktuator und dem von diesem getragenen reflektiven optischen Element gebildete mechanische Oszillator eine Güte aufweisen, die wenigstens 5, vorzugsweise wenigstens 10, besonders bevorzugt wenigstens 100 beträgt.
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Grundsätzlich kann das Modulationssignal ein beliebiges periodisches Zeitsignal sein, das beispielsweise mittels eines Funktionsgenerators als Steuerelement erzeugt wird, wobei die Amplitude und/oder die Frequenz des Modulationssignals einstellbar sind.
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Der Piezoaktuator und die Masse des reflektiven optischen Elementes können vorteilhaft gezielt so ausgewählt werden, dass die Resonanzfrequenz dieses Feder-Masse-Dämpfer-Systems der gewünschten Scangeschwindigkeit entspricht.
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Gemäß der Erfindung wird die Repetitionsrate einer der beiden Lichtpulsfolgen (oder gleichzeitig beider Lichtpulsfolgen) direkt beeinflusst. Der die Repetitionsrate beeinflussende mechanische Oszillator wird direkt mit dem periodisch variierenden Modulationssignal beaufschlagt, so dass unerwünschte Verzerrungen durch eine zwischengeschaltete Regelung, wie sie der Stand der Technik vorschlägt, vermieden werden. Die Erfindung ermöglicht somit eine hohe Scangeschwindigkeit, die insbesondere nicht durch die Bandbreite einer Phasenregelung limitiert ist. Außerdem ermöglicht die Erfindung eine präzise Kalibrierung der Zeitachse, da aus dem Modulationssignal unmittelbar auf die jeweils momentan anliegenden Repetitionsraten und damit auf den Zeitversatz zwischen den Lichtpulsen der beiden Laser geschlossen werden kann. Die Zeitachse wird gemäß der Erfindung unabhängig von der Scangeschwindigkeit nicht von der Regelung beeinflusst. Ein besonderer Vorteil in diesem Zusammenhang ist, dass z.B. ein resonant betriebener Piezoaktuator als Oszillator sehr harmonisch schwingt.
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Erfindungsgemäß wird somit ein großer maximaler Zeitversatz der Lichtpulse bei gleichzeitig großer Scangeschwindigkeit ermöglicht.
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Ein Vorteil ist auch, dass die für die erfindungsgemäße Vorrichtung erforderlichen Piezoverstärker in Herstellung und Betrieb sehr günstig sind. Weitere Vorteile ergeben sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik geringere Baugröße des Systems und einen geringeren Wärmeeintrag.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein erster Regelkreis vorgesehen sein, um eine stabile Kopplung der beiden Lichtpulszüge aneinander zu gewährleisten. Dieser Regelkreis umfasst bevorzugt einen Phasendetektor, der aus der ersten Lichtpulsfolge und der zweiten Lichtpulsfolge ein Regelabweichungssignal ableitet, und einen ersten Regler, der aus dem Regelabweichungssignal ein erstes Stellsignal bildet, das Stellglied mit dem ersten Stellsignal beaufschlagt und so den über eine Periode des Modulationssignals gemittelten zeitlichen Versatz der ersten und der zweiten Lichtpulsfolge regelt. Der erste Regelkreis ist somit nichts anderes als eine Phasenregelschleife, die den mittleren zeitlichen Versatz, d.h. die mittlere Phasendifferenz der beiden Lichtpulsfolgen auf einem vorgebbaren, zeitlich konstanten Wert festhält. Die Bandbreite des ersten Regelkreises kann dabei deutlich unterhalb der Frequenz des Modulationssignals liegen. Bei einer möglichen Ausgestaltung ist dem ersten Regler ein Filterelement vorgeschaltet, das Signalanteile im Regelabweichungssignal bei höheren Frequenzen, d.h. insbesondere im Bereich der Frequenz des Modulationssignals herausfiltert, um zu erreichen, dass tatsächlich nur der gemittelte zeitliche Versatz der beiden Lichtpulsfolgen geregelt wird und die Regelung von der Ansteuerung des ersten Piezoaktuators mit dem Modulationssignal unbeeinflusst ist.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung der zuvor beschriebenen Regelung ist ein Überlagerungsglied vorgesehen, das das erste Stellsignal und das Modulationssignal überlagert und das Stellglied mit dem überlagerten Signal beaufschlagt. Bei dieser Ausgestaltung wird somit der erste Aktuator sowohl von dem durch die Regelung erzeugten ersten Stellsignal als auch von dem Modulationssignal angesteuert. Der erste Aktuator hat damit eine Doppelfunktion, nämlich die Phasenkopplung der beiden Lichtpulsfolgen und gleichzeitig die resonante Modulation der Repetitionsrate des ersten und/oder zweiten Lasers.
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Alternativ kann das Stellglied einen zweiten Aktuator (z.B. ebenfalls einen Piezoaktuator) umfassen, der ebenfalls die Resonatorlänge des ersten und/oder zweiten Lasers verstellt, wobei der Regler nur den zweiten Aktuator mit dem ersten Stellsignal beaufschlagt, während der erste Aktuator nur von dem Steuerelement mit dem Modulationssignal angesteuert wird. In diesem Fall ist der erste Aktuator nur für die resonante Modulation der Resonatorlänge zuständig, während der Aktuator nur für die Phasenkopplung der beiden Lichtpulsfolgen zuständig ist. Bei einer möglichen Ausgestaltung sind der erste und der zweite Aktuator im Stapel angeordnet, so dass z.B. die Translation eines reflektiven optischen Elementes der Summe der Auslenkungen der beiden Aktuatoren entspricht.
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Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen zweiten Regelkreis mit einem Auslenkungssensor, der die Amplitude der Schwingung des ersten Piezoaktuators erfasst, und einem zweiten Regler, der aus dem Signal des Auslenkungssensors ein zweites Stellsignal ableitet, das Steuerelement mit dem zweiten Stellsignal beaufschlagt und so die Amplitude, Phase und/oder Frequenz des Modulationssignals regelt. Der zweite Regelkreis dient dazu, den mechanischen Oszillator so anzusteuern, dass die Auslenkung des Aktuators die gewünschte Amplitude aufweist. Der Auslenkungssensor erfasst die momentane maximale Auslenkung des schwingenden Aktuators. Der zweite Regler vergleicht das Signal des Auslenkungssensors mit einem (vorgebbaren) Sollwert und variiert entsprechend durch Ansteuerung des Steuerelementes die Amplitude, Phase und/oder Frequenz des Modulationssignals, um die maximale Auslenkung auf den gewünschten Wert einzuregeln. Durch Vorgabe des Sollwertes der maximalen Auslenkung lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen. Beispielsweise bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die schnelle zeitaufgelöste Spektroskopie kann der Scanbereich genau an die Zeitskala der untersuchten dynamischen Prozesse angepasst werden.
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Als Laser für die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich z.B. modengekoppelte Laser. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft mit Faserlasern realisiert werden. Bei Experimenten haben sich Faserlasersysteme auf der Basis von Erbium-dotierten Fasern bewährt. Derartige modengekoppelte Faserlaser, die Lichtpulsfolgen bei Wiederholfrequenzen im Bereich von 100 MHz emittieren, sind vorteilhafterweise als vorgefertigte Einheiten kommerziell erhältlich. Derartige Systeme haben sich als äußerst robust erwiesen. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit modengekoppelten Faserlasern für sämtliche der eingangs erwähnten Anwendungen eingesetzt werden kann.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lässt sich ein Verfahren zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtpulse realisieren, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- - Erzeugung einer ersten Folge von Lichtpulsen bei einer ersten Repetitionsrate mittels eines ersten Lasers,
- - Erzeugung einer zweiten Folge von Lichtpulsen bei einer zweiten Repetitionsrate mittels eines zweiten Lasers, und
- - periodische Variation der ersten oder der zweiten Repetitionsrate mittels eines mechanischen Oszillators, dessen Auslenkung eine Verstellung der Resonatorlänge des ersten oder zweiten Lasers bewirkt, wobei der mechanische Oszillator resonant schwingt. Damit kann für die eingangs angesprochenen Anwendungen der Zeitversatz der beiden Lichtpulsfolgen periodisch variiert werden, und zwar mit einem großen maximalen Zeitversatz und gleichzeitig einer hohen Scangeschwindigkeit. Die Scangeschwindigkeit entspricht der Frequenz des Modulationssignals, d.h. der Resonanzfrequenz des mechanischen Oszillators aus Piezoaktuator und reflektivem optischem Element.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Illustration des Steuerungs- und Regelungskonzeptes der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockdiagramm;
- 2 schematische Darstellung eines der Laser der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Piezoaktuatoren zur Variation der Repetitionsrate durch Verstellung der Resonatorlänge;
- 3 schematische Darstellung einer Ausgestaltung mit zwei Piezoaktuatoren im Stapel;
- 4 schematische Darstellung einer Ausgestaltung mit einem einzelnen Piezoaktuator und mit Regelung der Resonanzfrequenz.
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Die Vorrichtung gemäß 1 umfasst zwei modengekoppelte Faserlaser 11 und 12, die Lichtpulsfolgen I und II emittieren. Über Strahlteiler 13 und 14 wird ein Teil des Laserlichts der Lichtpulsfolgen I und II auf Fotodioden 15 bzw. 16 geführt. Die von den Fotodioden 15 und 16 erzeugten Signale werden einem Phasendetektor (z.B. Mischer) 17 zugeführt. Dem Phasendetektor 17 können Filter (nicht dargestellt) vorgeschaltet sein, die Signalanteile bei Harmonischen der Repetitionsraten der Lichtpulsfolgen I und II herausfiltern. Ebenso können dem Phasendetektor 17 Phasenschieber (nicht dargestellt) vorgeschaltet sein. Der Phasendetektor 17 erzeugt an seinem Ausgang ein Phasensignal 18. Das Phasensignal 18 liegt am Eingang eines PID-Reglers 19 an. Zwischen Phasendetektor 17 und PID-Regler 19 kann ein weiteres frequenzselektives Filter (nicht dargestellt) vorgeschaltet sein, um unerwünschte (insbesondere höherfrequente) Komponenten des Regelabweichungssignals 18 herauszufiltern. Der PID-Regler 19 erzeugt entsprechend der Regelabweichung als Differenz des Phasensignals 18 von einem extern vorgebbaren Sollwert 20 ein Stellsignal 21. Dem Stellsignal 21 wird mittels eines Überlagerungsgliedes (Addierer) 22 ein von einem Steuerelement (Funktionsgenerator) 23 erzeugtes Modulationssignal 24 überlagert. Das so modifizierte Stellsignal 25 wird einem (in 1 nicht näher dargestellten) Stellglied des Faserlasers 12 zugeführt. Das durch die Überlagerung erzeugte Stellsignal 25 wirkt auf die Repetitionsrate der von dem Faserlaser 12 emittierten Lichtpulsfolge II. Hierzu steuert das Stellsignal 25 einen in den Faserlaser 12 integrierten Piezoaktuator an, mittels dem die Resonatorlänge des Faserlasers 12 verstellt wird. Der Piezoaktuator trägt einen Spiegel des Resonators des Faserlasers 12, so dass sich durch Translation des Spiegels die Resonatorlänge ändert. Die Frequenz des Modulationssignals 24 bestimmt die Scanfrequenz der Vorrichtung, d. h. die Frequenz, mit welcher der Zeitversatz zwischen den Lichtpulsfolgen I und II periodisch variiert. Die Anordnung aus Piezoaktuator und Spiegel schwingt erfindungsgemäß bei der Frequenz des Modulationssignals 24 resonant. Das bedeutet, dass der Piezoaktuator bei derjenigen Frequenz betrieben wird, die der Resonanzfrequenz des durch den Piezoaktuator und den von diesem getragenen Spiegel gebildeten mechanischen Oszillators (Masse-Feder-Dämpfer-System) entspricht. Dabei wird ausgenutzt, dass die Auslenkung des resonant schwingenden Piezoaktuators gegenüber dem nicht-resonanten Betrieb (deutlich) überhöht ist. Durch die Resonanzüberhöhung können, wie oben erläutert, wesentlich größere Auslenkungen des Piezoaktuators entstehen als außerhalb der Resonanz. Dadurch wird ein entsprechend großer Verstellbereich der Resonatorlänge und damit eine große Variationsgeschwindigkeit des Zeitversatzes der Lichtpulsfolgen I, II erzielt. Der Piezoaktuator und die Masse des verwendeten Spiegels sind gezielt so ausgewählt, dass die Resonanzfrequenz dieses Feder-Masse-Dämpfer-Systems die gewünschte Scangeschwindigkeit ergibt. Die durch den Phasendetektor 17 und den Regler 19 gebildete Phasenregelschleife ist hinsichtlich der Regelbandbreite (z.B. durch geeignete Tiefpassfilterung des Phasensignals 18 mit einer Grenzfrequenz unterhalb der Frequenz des Modulationssignals 24) so ausgelegt, dass sie den über eine Periode des Modulationssignals 24 gemittelten zeitlichen Versatz der ersten und der zweiten Lichtpulsfolge I, II regelt. Um diesen geregelten mittleren zeitlichen Versatz herum variiert dann entsprechend der zeitliche Versatz der beiden Lichtpulsfolgen I, II periodisch mit der Frequenz des Modulationssignals 24.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Komponenten des in 1 dargestellten Regelkreises (Funktionsgenerator, Phasensteller, Regler, Überlagerungsglied, Steuerelement etc.) durch diskrete elektronische Bauelemente oder auch durch Implementierung durch Software, z.B. in einem Mikrocontroller oder einem Signalprozessor, realisiert sein können.
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Die 2 zeigt schematisch den Laser 12 der in 1 dargestellten Vorrichtung. Der Laser 12 umfasst eine z.B. mit Erbiumionen dotierte lichtleitende Faser 26 als aktives optisches Medium, die von einer Laserdiode 27 gepumpt wird. Die Faser 26 bildet zusammen mit zwei Endspiegeln 28, 29 einen optischen Resonator. Bei dem Spiegel 29 handelt es sich um einen sättigbaren Absorberspiegel (SESAM), so dass insgesamt ein modengekoppelter Laser gebildet wird, der Femtosekundenpulse bei einer Repetitionsrate emittiert, die der Länge des Resonators und damit der Umlaufzeit der Lichtpulse im Resonator entspricht. Ein erster Piezoaktuator 30 trägt den Spiegel 28, während ein zweiter Piezoaktuator 31 den Spiegel 29 trägt. Sowohl die Translation des Spiegels 28 mittels des Piezoaktuators 30 als auch die Translation des Spiegels 29 mittels des Piezoaktuators 31 verstellen die Resonatorlänge und damit die Repetitionsrate des Lasers 12. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der erste Piezoaktuator 30 von dem Steuerelement 23 angesteuert und entsprechend mit dem Modulationssignal 24 beaufschlagt, so dass der erste Piezoaktuator 30 mit dem Spiegel 28 erfindungsgemäß resonant schwingt. Der zweite Piezoaktuator 31 wird von dem PID-Regler 19 angesteuert und bewirkt so die Phasenkopplung der Lichtpulsfolge II des Lasers 12 an die Lichtpulsfolge I des (in 2 nicht dargestellten) Lasers 11. Aufgrund der separaten Ansteuerung der beiden Piezoaktuatoren 30, 31 bei dieser Ausführungsform kann das in 1 dargestellte Überlagerungsglied 22 entfallen. Die Anforderungen an die beiden Piezoaktuatoren 30, 31 sind unterschiedlich. Der Aktuator 30 kann mit anderen Eigenschaften ausgewählt werden als der Aktuator 31, der z.B. mit größerem Verstellweg und höherer elektrischer Kapazität, oder auch mit kleinerer Kapazität für eine hohe Regelbandbreite ausgewählt werden kann. Der andere Aktuator 30 ist auf das resonante Schwingen optimiert.
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Bei der in 3 dargestellten Variante sind die beiden Piezoaktuatoren 30, 31 im Stapel angeordnet, so dass die Translation des Spiegels 28 der Summe der Auslenkungen der beiden Piezoaktuatoren 30, 31 entspricht. Bei dieser Ausgestaltung wird somit nur der Spiegel 28 bewegt, während der andere (in 3 nicht dargestellte) Spiegel 29 ortsfest bleibt. Bei dieser Variante werden die beiden Aktuatoren 30, 31 in ihren Eigenschaften so ausgewählt, dass der eine Aktuator 31 für die Regelung optimiert ist und der andere Aktuator 30 für das resonante Schwingen.
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Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel kommt nur ein einziger Piezoaktuator 30 zur Anwendung, der mit dem überlagerten Stellsignal 25 (siehe 1) beaufschlagt wird. Das Stellsignal 25 wird dabei entweder mit dem Generator 23 erzeugt, wobei die Frequenz des Stellsignals 25 auf die mechanische Resonanzfrequenz des aus Spiegel 28 und Piezoaktuator 30 gebildeten Oszillators eingestellt ist. Alternativ kann eine selbstschwingende Anordnung vorgesehen sein, wobei sich die Frequenz automatisch durch geeignete Rückkopplung auf die mechanische Resonanzfrequenz des Oszillators einstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Regelkreis vorgesehen, der einen Auslenkungssensor zur Erfassung der Amplitude der Schwingung des Piezoaktuators 30 aufweist. Der Auslenkungssensor umfasst eine Lichtquelle 32, deren Licht von dem Spiegel 28 reflektiert wird, eine Blende 33 sowie ein Fotodiode 34. Die Positionierung der Blende 33 relativ zum Lichtstrahl bewirkt, dass das Ausgangssignal 35 der Fotodiode 34 von der maximalen Auslenkung der schwingenden Anordnung aus Piezoaktuator 30 und Spiegel 28 abhängt. Das Signal 35 wird einem weiteren PID-Regler 36 zugeführt, der die erfasste Auslenkung des Piezoaktuators 30 mit einem extern vorgegebenen Sollwert 37 vergleicht und daraus ein Signal 38 zur Ansteuerung des Steuerelementes 23 ableitet. Damit steuert der PID-Regler 36 die Frequenz des Modulationssignals 24, um die gewünschte Auslenkung des Piezoaktuators 30 einzustellen. Alternativ kann der PID-Regler 36 die Amplitude des Modulationssignals 24 steuern, um die gewünschte Auslenkung einzustellen. Dies bietet sich bei der oben beschriebenen selbstschwingenden Anregung des mechanischen Oszillators an. Als Auslenkungssensor kommt alternativ ein kapazitiver Sensor oder ein akustischer Sensor in Frage, der den von dem schwingenden Piezoaktuator 30 abgegebenen Schallpegel erfasst, der direkt von der Auslenkungsamplitude des Piezoaktuators 30 abhängt.
