DE102016107501B3

DE102016107501B3 - Wellenlängenmessvorrichtung und Verfahren zur Messung der Wellenlänge

Info

Publication number: DE102016107501B3
Application number: DE102016107501.9A
Authority: DE
Inventors: Markus Leidinger; Jens Kiessling; Frank Kühnemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-05-24
Anticipated expiration: 2036-04-23

Abstract

Es wird eine Wellenlängenmessvorrichtung für elektromagnetische Fundamentalstrahlung mit einer Fundamentalwellenlänge vorgeschlagen mit einem nichtlinearen Verdopplerkristall, der derart ausgestaltet ist, dass er die Fundamentalstrahlung in elektromagnetische Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge wandelt, einer Temperiereinrichtung, die derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie eine Temperatur des Verdopplerkristalls einstellt, einem Temperatursensor, der derart ausgestaltet ist, dass er in dem Betrieb der Vorrichtung die Temperatur des Verdopplerkristalls erfasst, und einem Detektor zum Erfassen der Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge, wobei der Verdopplerkristall und der Detektor derart angeordnet sind, dass in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung der Detektor die von dem Verdopplerkristall erzeugte Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge erfasst, und mit einer Regel- und Auswerteeinrichtung, die wirksam mit der Temperiereinrichtung, dem Temperatursensor und dem Detektor verbunden ist, wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung die Temperiereinrichtung in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur regelt, sodass der Verdopplerkristall eine vorgegebene Temperatur aufweist, und wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung aus der erfassten Temperatur des Verdopplerkristalls diejenige Wellenlänge bestimmt, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz gewandelt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenlängenmessvorrichtung für elektromagnetische Fundamentalstrahlung mit einer Fundamentalwellenlänge sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Wellenlänge elektromagnetischer Fundamentalstrahlung mit einer Fundamentalwellenlänge.
Für viele Anwendungen von Quellen für elektromagnetische Strahlung ist es erforderlich, die genaue Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung, welche von der Strahlungsquelle abgestrahlt wird, zu kennen. Dabei ist bei vielen Quellen für elektromagnetische Strahlung, insbesondere bei Laserquellen, die mit nur einer Frequenz arbeiten, wie beispielsweise Gaslaser, die Frequenz durch die Physik der Strahlungsemission festgelegt. Insbesondere bei abstimmbaren Strahlungsquellen ist die Wellenlänge der erzeugten und abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung jedoch nicht notwendigerweise bekannt.
Bei abstimmbaren Laserquellen, zum Beispiel Titan-Saphir-Lasern, und Frequenzwandlern, zum Beispiel optisch-parametrischen Oszillatoren, erfolgt eine grobe Wahl der gewünschten Wellenlänge durch Einstellung einzelner Resonatorkomponenten, zum Beispiel eines Lyot-Filters, oder Parameter des Verstärkungsmediums oder des nichtlinearen Kristalls, zum Beispiel dessen Temperatur. Dabei ist zumeist in irgendeiner Weise in der Strahlungsquelle eine Zuordnungsvorschrift zwischen der Einstellung einer Resonatorkomponente oder eines Parameters und der bei dieser Einstellung erzeugten ungefähren Wellenlänge hinterlegt. Diese Hinterlegung kann beispielsweise durch eine Gravur auf einer Skala einer Mikrometerschraube erfolgen oder aber auch elektronisch in Form einer Kalibrationsfunktion oder einer gespeicherten Nachschlagetabelle. In Abhängigkeit vom Typ der Strahlungsquelle werden dabei Genauigkeiten von maximal 0,5 nm erreicht.
Höhere Genauigkeiten für die Bestimmung der Wellenlänge der von der Strahlungsquelle erzeugten elektromagnetischen Strahlung können nur erzielt werden, wenn zusätzlich eine Wellenlängenmessvorrichtung verwendet wird. Diese Wellenlängenmessvorrichtungen basieren in der Regel auf Interferometern, zum Beispiel Michelson- oder Fizeau-Interferometern. Derartige Interferometer sind jedoch technisch aufwändig und entsprechend teuer.
Die DE 42 05 587 A1 offenbart einen Laser, welcher aufweist: eine Quelle optischer Pumpstrahlung, einen lasernden Stab, einen Eingangsspiegel, zwei λ/4-Platten, Polarisationsvorrichtungen benachbart zu einer λ/4-Platte, zur Polarisation des lasernden Lichtes, das von dem Stab abgestrahlt wird, sowie Erzeugungsvorrichtungen für die zweite harmonische, zur Erzeugung eines Ausgangsstrahls bei der doppelten Frequenz, bei der der Stab lased, und schließlich einen Ausgagskoppler.
Die DE 689 09 228 T2 betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Wellenlänge einer optischen Strahlung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: es wird die Strahlung mehreren wellenlängenabhängigen Phasenmodulationen zusammen mit einem Gesamtphasenmodulationseffekt unterworfen, der die Wellenlänge ändert und bei einer vorbestimmten Wellenlänge 0 ist; und es wird dann die Gesamtphasenmodulation der Strahlung bestimmt, sodass die Differenz zwischen seiner Wellenlänge und der vorbestimmten Wellenlänge bestimmt wird.
Die DE 10 2006 014 568 B4 offenbart eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Wellenlänge aufweisend: ein Mittel zur Messung einer Referenzwellenlänge, das eine Wellenlänge von Licht mit einer zweiten Referenzwellenlänge misst, basierend auf einer Anzahl von Interferenzstreifen, welche durch eine Differenz des optischen Weges von Licht mit einer ersten Referenzwellenlänge erzeugt werden, und auf einer Anzahl von Interferenzstreifen, welche durch die Differenz des optischen Weges des Lichts mit einer zweiten Referenzwellenlänge erzeugt werden; ein Mittel zur Messung der Eingangslichtwellenlänge, das eine Wellenlänge von Eingangslicht misst, basierend auf einer Anzahl von Interferenzstreifen, welche durch die Differenz des optischen Weges des Lichts mit einer ersten Referenzwellenlänge erzeugt werden und auf einer Anzahl von Interferenzstreifen, welche durch die Differenz des optischen Weges des Eingangslichts erzeugt werden; ein Mittel zur Bestimmung eines Korrekturkoeffizienten, das einen Korrekturkoeffizienten bestimmt, basierend auf der gemessenen Wellenlänge des Lichts mit einer zweiten Referenzwellenlänge und der gemessenen Wellenlänge des Eingangslichts; und ein Mittel zur Korrektur der Eingangslichtwellenlänge, das die gemessene Wellenlänge des Eingangslichts korrigiert, durch Multiplizieren der gemessenen Wellenlänge des Eingangslichts mit dem Korrekturkoeffizienten.
Ferner offenbart die US 6,812,452 B2 ein Lichtwellenlängenmessgerät, das in der Lage ist, Licht in einem Lichtablenker aufzunehmen, der diesem eine Querablenkeigenschaft aufprägt, die von einer mit einem Prozessor verbundenen Lichterfassungseinheit erfasst werden kann.
Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellenlängenmessvorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Wellenlänge elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen, welche eine höhere Auflösung aufweisen als die auf typischen Kalibrierungen beruhenden Zuordnungen zwischen der Einstellung einer Komponente oder eines Parameters der Strahlungsquelle und der Wellenlänge. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wellenlängenmessvorrichtung bereitzustellen, die preiswerter ist als die Wellenlängenmessvorrichtungen aus dem Stand der Technik.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch eine Wellenlängenmessvorrichtung für elektromagnetische Fundamentalstrahlung mit einer Fundamentalwellenlänge gelöst mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, der derart ausgestaltet ist, dass er in einem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung die Fundamentalstrahlung in elektromagnetische Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge wandelt, einer Temperiereinrichtung, die derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung eine Temperatur des Verdopplerkristalls einstellt, einem Temperatursensor, der derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in dem Betrieb der Vorrichtung die Temperatur des Verdopplerkristalls erfasst, und einem Detektor zum Erfassen der Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge, wobei der Verdopplerkristall und der Detektor derart angeordnet sind, dass in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung der Detektor die von dem Verdopplerkristall erzeugte Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge erfasst, und mit einer Regel- und Auswerteeinrichtung, die wirksam mit der Temperiereinrichtung, dem Temperatursensor und dem Detektor verbunden ist, wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung die Temperiereinrichtung in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur regelt, sodass der Verdopplerkristall eine vorgegebene Temperatur aufweist, und wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung aus der erfassten Temperatur des Verdopplerkristalls diejenige Wellenlänge bestimmt, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird. Die so von der Regel- und Auswerteeinrichtung bestimmte Wellenlänge ist die von der Wellenlängenmessvorrichtung bestimmte Fundamentalwellenlänge der elektromagnetischen Fundamentalstrahlung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zu Grunde, dass zur Frequenzverdopplung (Second Harmonic Generation; SHG) verwendete nichtlinear optische Kristalle typischerweise eine sehr geringe Phasenanpassungsbandbreite aufweisen. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist für ein gegebenes Material bzw. eine gegebene Struktur des Verdopplerkristalls und für einen gegebenen Winkel zwischen der Kristallachse oder der Gitterachse des Kristalls und der einfallenden Fundamentalstrahlung sowie eine vorgegebene Temperatur die Erzeugung der zweiten harmonischen, d. h. elektromagnetischer Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge, nur für elektromagnetische Fundamentalstrahlung innerhalb eines vergleichsweise kleinen Frequenzbands effizient möglich. Dies führt andererseits auch dazu, dass für einen gegebenen Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung und der Kristallachse oder der Gitterrichtung eines vorgegebenen Kristalls für jede Temperatur des Kristalls eindeutig eine Wellenlänge der Fundamentalstrahlung ein Maximum der Effizienz der Wandlung in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge aufweist. Daher gibt es für einen definierten Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung und der Kristallachse eine eineindeutige Relation zwischen der Temperatur des Kristalls und derjenigen Fundamentalwellenlänge, die bei dieser Temperatur mit maximaler Effizienz in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird. Daher erlaubt die Kenntnis der Temperatur des Verdopplerkristalls eine sehr genaue Bestimmung der Fundamentalwellenlänge der Fundamentalstrahlung.
Die Temperiereinrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann in Ausführungsformen ganz unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Eine Möglichkeit zum Heizen eines Verdopplerkristalls ist ein Ofen als Temperiereinrichtung, in welchem der Kristall angeordnet ist. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann die Temperiereinrichtung eine Kühleinrichtung, beispielsweise ein Peltier-Element, sein. Auch ist eine Ausführungsform denkbar, in der es die Temperiereinrichtung, beispielsweise durch Kombination einer Heizeinrichtung, z. B. eines Ofens, und einer Kühleinrichtung, ermöglicht, den Verdopplerkristall alternativ zu heizen oder zu kühlen.
Auch der Temperatursensor kann ganz unterschiedliche Ausgestaltungen aufweisen, da es lediglich darauf ankommt, die Temperatur des Kristalls möglichst präzise zu erfassen. Zum Einsatz können beispielsweise Widerstandsthermometer oder auch Strahlungsdetektoren kommen. In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Temperatursensor eine Genauigkeit von ±0,2 K, vorzugsweise von ±0,1 K auf. Eine solche Genauigkeit für die Kenntnis der Absoluttemperatur des Verdopplerkristalls ist ausreichend, da sich beispielsweise wenn der Verdopplerkristall in einer Ausführungsform ein periodisch gepolter Lithium-Niobat-Kristall ist, die Wellenlänge der Fundamentalstrahlung, welche bei einer gegebenen Temperatur eine maximale Wandlung in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge erfährt, um 10 GHz pro K verschiebt.
Es versteht sich, dass sowohl die Regel- und Auswerteeinrichtung als auch die Temperiereinrichtung entsprechend ausgelegt sein müssen, um eine korrespondierende Temperaturstabilität des Kristalls durch die entsprechende Regelung zu gewährleisten.
Im Hinblick auf den Detektor zum Erfassen der Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge ist es wichtig, dass dieser derart ausgestaltet ist, dass er den zu erwartenden Wellenlängenbereich der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge erfassen kann. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Detektor ein Halbleiterdetektor auf Basis von Silizium. Dieser kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung einen Wellenlängenbereich zwischen 350 nm und 1100 nm erfassen. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kommt ein Halbleitersensor auf Basis von InGaAs mit einem detektierbaren Wellenlängenbereich zwischen 800 nm und 1750 nm bzw. 1000 nm und 1250 nm zum Einsatz.
Die Regel- und Auswerteeinrichtung ist in einer Ausführungsform der Erfindung ein Rechner mit einer entsprechenden Software zum Ausführen der erforderlichen Regel- sowie Auswerteschritte. Allerdings ist es auch möglich, die Regel- und Auswerteeinrichtung hart verdrahtet, beispielsweise in Form einer Analogelektronik, auszugestalten.
In Abhängigkeit von der Anwendung bzw. der gestellten Messaufgabe kann die Steuer- und Regeleinrichtung in einer Ausführungsform zudem eine Schnittstelle aufweisen, über welche sie einen Parameter bzw. bzw. eine Einstellungen einer Strahlungsquelle für die Fundamentalstrahlung erfasst.
Die Regel- und Auswerteeinrichtung ist wirksam mit der Temperiereinrichtung, dem Temperatursensor und dem Detektorverbunden. Eine solche Verbindung erfolgt insbesondere drahtgebunden mit Hilfe einer Mehrzahl von Kabeln. Auf diese Weise lassen sich die Temperiereinrichtung betreiben bzw. regeln und die Signale des Temperatursensors und des Detektors auslesen und weiterverarbeiten.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Regel- und Auswerteeinrichtung einen Speicher auf, wobei in dem Speicher ein für den Verdopplerkristall vorbestimmter funktionaler Zusammenhang zwischen der Temperatur des Verdopplerkristalls und der Fundamentalwellenlänge, die bei dieser Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird, abgelegt ist, wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung weiterhin so ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung aus einer erfassten Temperatur des Verdopplerkristalls mit Hilfe des abgelegten vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs die Fundamentalwellenlänge berechnet, die bei der erfassten Temperatur mit maximaler Effizienz in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird.
Alternativ zum Ablegen eines vorbestimmten funktionalen Zusammenhangs zwischen Temperatur und Fundamentalwellenlänge kann die Regel- und Auswerteeinrichtung einen Speicher aufweisen, wobei in dem Speicher eine Nachschlagetabelle abgelegt ist, in der für eine Mehrzahl von erfassten Temperaturen des Verdopplerkristalls jeweils eine Fundamentalwellenlänge gespeichert ist, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die elektromagnetische Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird, und die Regel- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung für eine erfasste Temperatur des Verdopplerkristalls die Fundamentalwellenlänge in der Nachschlagetabelle nachschlägt, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die elektromagnetische Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Verdopplerkristall ein periodisch gepolter nichtlinear optischer Kristall, insbesondere ein periodisch gepolter LiNbO₃-Kristall. Derartig periodisch gepolte Kristalle weisen den Vorteil auf, dass sie eine durch die Periodenlänge, die Temperatur des Kristalls und gegebenenfalls einen räumlichen Temperaturgradienten in Ausbreitungsrichtung festgelegte für den speziellen Anwendungsfall auswählbare Phasenanpassungsbandbreite aufweisen.
Dabei wird unter der Phasenanpassungsbandbreite im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Wellenlängenbandbreite verstanden, über welche hinweg die Phasenanpassungsbedingungen des Kristalls zur effizienten Erzeugung der zweiten harmonischen erfüllt ist. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Phasenanpassungsbandbreite gegeben als Halbwertsbreite einer Auftragung der Effizienz der Frequenzwandlung gegen die Fundamentalwellenlänge.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Temperiereinrichtung derart ausgestaltet, dass die Temperatur des Verdopplerkristalls in dem Betrieb der Vorrichtung derart einstellbar ist, dass der Kristall in Strahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung mit der Fundamentalwellenlänge einen Temperaturgradienten aufweist.
Ein periodisch gepolter nichtlinear optischer Kristall, welcher in Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung einen Temperaturgradienten aufweist, hat eine größere Phasenanpassungsbandbreite als der gleiche Kristall mit einer in Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung konstanten Temperatur. Ist der Temperiereinrichtung so ausgestaltet, dass die die Temperatur des Kristalls auswählbar so einstellen kann, dass dieser in Strahlrichtung entweder einen Temperaturgradienten oder aber eine konstante Temperatur aufweist, so lässt sich auf diese Weise auch die Phasenanpassungsbandbreite steuern. Eine derartige Steuerung bzw. Einstellung der Phasenanpassungsbandbreite weist den Vorteil auf, dass sich damit die Genauigkeit der Wellenlängenmessung bzw. -bestimmung einstellen lässt.
Daher ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Regel- und Auswerteeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie in dem Betrieb den Temperaturgradienten in Ausbreitungsrichtung und damit die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls der Wellenlängenmessvorrichtung einstellt und regelt.
Es versteht sich, dass der Verdopplerkristall und der Detektor derart angeordnet sind, dass in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung der Detektor die von dem Verdopplerkristall erzeugte bzw. gewandelte Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge erfasst.
Die Effizienz der Wandlung der Fundamentalstrahlung in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge hängt maßgeblich auch von dem Winkel ab, den die Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung mit einer der Kristallachsen oder der Gitterrichtung einschließt. Bei einem periodisch gepolten nichtlinear optischen Kristall kommt es statt des Winkels zwischen der Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung und einer Kristallachse auf den Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung und der Fundamentalstrahlung und einer Senkrechten auf den Fassetten der einzelnen Kristallabschnitte an. Diese Senkrechte auf den Fassetten der Kristallabschnitte wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung als Gitterrichtung bezeichnet. Es ist unmittelbar klar, dass sich durch die Einstellung dieses Winkels auch die effektive Periodenlänge der Polung ändert, welche die Fundamentalstrahlung vor der Ausbreitung in dem periodisch gepolten Kristall erfährt.
Daher ist es in einer Ausführungsform der Erfindung erforderlich, den Winkel zwischen der Gitterrichtung und der Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung genau festzulegen bzw. zu definieren, bevor die Messung erfolgt. Daher weist in einer Ausführungsform der Erfindung die Wellenlängenmessvorrichtung eine Einrichtung auf, mit Hilfe derer eine axiale Ausrichtung der Fundamentalstrahlung in Bezug auf eine Kristallachse des Verdopplerkristalls oder die Gitterrichtung einstellbar ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung besteht eine solche Einrichtung beispielsweise aus Spiegeln oder Blenden. Insbesondere sind in einer Ausführungsform der Erfindung zwei Blenden vorgesehen, mit Hilfe derer sich die Strahlachse der Fundamentalstrahlung in dem Verdopplerkristall einjustieren lässt.
Dabei ist es erforderlich, dass der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung zwischen einer Kristallachse bzw. der Gitterrichtung des Verdopplerkristalls auf ±0,5° oder weniger genau eingestellt ist. Auf diese Weise lässt sich in einer Ausführungsform der Erfindung eine Genauigkeit des Maximums der Wandlung der Fundamentalwellenlänge in elektromagnetische Strahlung mit der halbe Fundamentalwellenlänge von 4 GHz oder weniger erreichen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Wellenlängenmessvorrichtung zudem ein Filter für die Fundamentalstrahlung auf, wobei das Filter derart hinter dem Verdopplerkristall angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Fundamentalstrahlung nicht auf den Detektor fällt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Wellenlängenmessvorrichtung einen Resonator für die Fundamentalstrahlung auf, wobei der Verdopplerkristall in dem Resonator angeordnet ist. Die Anordnung des Verdopplerkristalls innerhalb eines Resonators für die Fundamentalstrahlung erhöht die Konversionseffizienz der Fundamentalstrahlung in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn in einer Ausführungsform der Erfindung in dem Resonator zusätzlich zu dem Verdopplerkristall ein Bandpassfilter mit einer Mittenwellenlänge und einer Bandbreite vorgesehen ist und das Bandpassfilter derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass die Mittenwellenlänge gleich der Fundamentalwellenlänge ist und die halbe Fundamentalwellenlänge außerhalb der Bandbreite des Bandpassfilters liegt. Auf diese Weise lässt sich eine Rückkonversion von elektromagnetischer Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge zurück in die Fundamentalstrahlung bzw. in Strahlung mit zu der Fundamentalwellenlänge ähnlicher Wellenlänge verhindern.
Damit die Genauigkeit der Wellenlängenmessvorrichtung möglichst hoch ist, weist in einer Ausführungsform der Erfindung der Verdopplerkristall für eine gegebene Temperatur des Kristalls und bei einem gegebenen Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung und einer Gitterachse oder der Gitterrichtung des Kristalls eine Phasenanpassungsbandbreite von 0,5 nm oder weniger, vorzugsweise von 0,1 nm oder weniger und besonders bevorzugt von 0,05 nm oder weniger auf. Dabei wird die Phasenanpassungsbandbreite im Sinne der vorliegenden Anmeldung als die Halbwertsbreite der Intensität der Anpassungskurve in Abhängigkeit von der Wellenlänge verstanden.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Wellenlängenmessvorrichtung, so wie sie in Ausführungsformen der Erfindung zuvor beschrieben wurde, Teil eines Systems zum Erzeugen der Fundamentalstrahlung mit einem Laser und/oder einem optisch parametrischen Oszillator, wobei das System so ausgestaltet ist, dass in einem Betrieb des Systems zumindest ein Teil der von dem Laser oder dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten elektromagnetischen Fundamentalstrahlung in die Wellenlängenmessvorrichtung geleitet wird.
Ein derartiges System umfasst beispielsweise einen abstimmbaren Festkörper- oder Halbleiterlaser, wobei die Wellenlängenmessvorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, sowie sie zuvor beschrieben wurden, dazu verwendet wird, die exakte Wellenlänge des Lasers zu bestimmen oder das Einstellen der Wellenlänge des Lasers auf einen exakten vorgegebenen Wert zu ermöglichen. In gleicher Weise kann die Wellenlängenmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem System verwendet werden, in dem ein optisch parametrischer Oszillator die Fundamentalstrahlung im Sinne der vorliegenden Anmeldung generiert.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Wellenlänge elektromagnetischer Fundamentalstrahlung mit einer Fundamentalwellenlänge aus einer Strahlungsquelle mit dem Schritt Wandeln der Fundamentalstrahlung in elektromagnetische Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge in einem nichtlinear optischen Kristall und zudem weiterhin mit den Schritten

A. Auswählen der Wellenlänge der Fundamentalstrahlung,
B. Bestimmen einer Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls, wobei der Verdopplerkristall bei der Optimaltemperatur Fundamentalstrahlung mit der ausgewählten Wellenlänge mit einer maximalen Effizienz in Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge wandelt,
C. Einstellen der in Schritt B. bestimmten Optimaltemperatur als Temperatur des Verdopplerkristalls,
D. Ändern eines Parameters der Strahlungsquelle über einen vorgegebenen Parameterbereich, sodass die Wellenlänge der Fundamentalstrahlung variiert wird,
E. Erfassen der Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von dem in Schritt D. geänderten Parameter der Strahlungsquelle und
F. Einstellen des Parameters der Strahlungsquelle innerhalb des vorgegebenen Parameterbereichs, sodass die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist.

Ebenso wird zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben durch ein Verfahren zum Bestimmen einer Wellenlänge elektromagnetischer Fundamentalstrahlung mit einer Fundamentalwellenlänge aus einer Strahlungsquelle gelöst mit dem Schritt Wandeln der Fundamentalstrahlung in elektromagnetische Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge in einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall, wobei das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist

a. Auswählen und Einstellen eines Parameters der Strahlungsquelle, sodass die Wellenlänge der Fundamentalstrahlung zeitlich konstant ist,
b. Variieren der Temperatur des Verdopplerkristalls über einen vorgegebenen Temperaturbereich,
c. Erfassen der Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls,
d. Bestimmen einer Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls, für die innerhalb des Temperaturbereichs die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist und
e. Bestimmen derjenigen Fundamentalwellenlänge, die bei der in Schritt d. bestimmten Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls ein Maximum der Effizienz der Wandlung in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge aufweist, als Wellenlänge der Fundamentalstrahlung.

Den beiden hier beschriebenen Verfahren liegt das gleiche physikalische Messprinzip zu Grunde, nämlich die Schmalbandigkeit der Phasenanpassungsbedingungen für die Frequenzverdopplung bzw. Wellenlängenhalbierung in einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall. Zudem beruhen beide Verfahren darauf, dass es eine eineindeutige Zuordnung gibt zwischen der Temperatur des Verdopplerkristalls und genau einer Wellenlänge der Fundamentalstrahlung, die bei dieser Temperatur ein Maximum der Effizienz der Wandlung von der Fundamentalwellenlänge in die halbe Wellenlänge aufweist. Daher liegt beiden Verfahren die gleiche Erfindung zu Grunde.
Soweit nachstehend Aspekte der Erfindung im Hinblick auf diese Verfahren beschrieben werden, so gelten diese auch für die zuvor beschriebene Wellenlängenmessvorrichtung und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einer Wellenlängenmessvorrichtung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird oder ausführbar ist, so weist die Wellenlängenmessvorrichtung die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere aber sind Ausführungsformen der Wellenlängenmessvorrichtung zum Ausführen des hier offenbarten Verfahrens zum Bestimmen einer Wellenlänge elektromagnetischer Fundamentalstrahlung geeignet.
Den Alternativen der Schritte A. bis F. und a. bis e. liegen unterschiedliche Anwendungsfälle des Verfahrens zu Grunde.
Im Fall der Schritte A. bis F. wird die Wellenlänge der zu generierenden Fundamentalstrahlung zunächst abstrakt ausgewählt, um damit beispielsweise eine bestimmte Halbleiteranregung vornehmen zu können. Mit anderen Worten ausgedrückt, soll die Strahlungsquelle genau diese ausgewählte Wellenlänge der Fundamentalstrahlung generieren und abstrahlen. Daher gilt es zunächst in Schritt B. diejenige Temperatur des Verdopplerkristalls zu bestimmen, bei welcher der Verdopplerkristall Fundamentalstrahlung bei der in Schritt A. ausgewählten Wellenlänge mit einer maximalen Effizienz in Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge wandelt. Diese Temperatur wird als Optimaltemperatur im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezeichnet. Diese Optimaltemperatur wird sodann in Schritt C. als Temperatur des Verdopplerkristalls eingestellt. Zumeist wird dafür der Verdopplerkristall beheizt.
Nun gilt es, die Strahlungsquelle derart einzustellen, dass die von ihr generierte Fundamentalstrahlung zu einer maximalen Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge auf einem Detektor führt. Diese Optimierungsstrategie kann gewählt werden, da bei der eingestellten Optimaltemperatur als Temperatur des Verdopplerkristalls genau eine Wellenlänge der Fundamentalstrahlung ein Maximum der Effizienz für die Wandlung in dem Verdopplerkristall aufweist. Diese Optimierungsstrategie funktioniert in einer Ausführungsform unter der Annahme, dass die Intensität der, generierten und in die Wellenlängenmessvorrichtung fallenden Fundamentalstrahlung wellenlängenunabhängig ist.
Daher wird in Schritt D. ein Parameter der Strahlungsquelle über einen vorgegebenen Parameterbereich geändert, sodass die Wellenlänge der Fundamentalstrahlung variiert wird. In Schritt E. wird die Intensität der Strahlung der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von dem in Schritt D. geänderten Parameter der Strahlungsquelle erfasst und sodann in Schritt F. der Parameter der Strahlungsquelle innerhalb des vorgegebenen Parameterbereichs so eingestellt, dass die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist. Es versteht sich, dass dazu das Maximum der Intensität in Abhängigkeit von dem Parameter der Strahlungsquelle zunächst bestimmt werden muss.
Alternativ kann in Schritt a. zunächst ein Parameter der Strahlungsquelle ausgewählt und eingestellt werden, sodass die Wellenlänge der Fundamentalstrahlung zeitlich konstant ist. Es gilt dann mit den weiteren Verfahrensschritten gemäß der vorliegenden Erfindung die Absolutwellenlänge der von der Strahlungsquelle abgestrahlten Fundamentalstrahlung zu bestimmen. Dazu wird in Schritt b. die Temperatur des Verdopplerkristalls über einen vorgegebenen Temperaturbereich variiert. Gleichzeitig wird in Schritt c. die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls erfasst und in Schritt d. eine Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls, für die innerhalb des Temperaturbereichs die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist, bestimmt. Aufgrund der eineindeutigen Zuordnung zwischen der Temperatur des Verdopplerkristalls und der bei dieser Temperatur mit maximaler Effizienz gewandelten Fundamentalwellenlänge lässt sich die Wellenlänge, d. h. die Fundamentalwellenlänge unmittelbar aus der Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls bestimmen. Die derart bestimmte Fundamentalwellenlänge ist die gemessene bzw. bestimmte Wellenlänge der Fundamentalstrahlung.
Es versteht sich, dass in einer Ausführungsform in einer Kalibrationsmessung die Zuordnung zwischen der Temperatur des Verdopplerkristalls und der Wellenlänge der Fundamentalstrahlung für einen gegebenen Aufbau mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall und einem Detektor erfasst, d. h. vorbestimmt wird, um beim Bestimmen der Wellenlänge der Fundamentalstrahlung eine Absolutmessung zu ermöglichen. Diese Information über die Relation zwischen der Temperatur des Verdopplerkristalls und der Wellenlänge der Fundamentalstrahlung kann entweder in Form einer Funktion oder einer Nachschlagetabelle abgelegt werden.
Daher umfasst das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dass das Bestimmen einer Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls in Schritt B. mittels einer vorbestimmten Funktion der Optimaltemperatur in Abhängigkeit von der Fundamentalwellenlänge oder mittels einer vorbestimmten Nachschlagetabelle, in der für eine Mehrzahl von Fundamentalwellenlängen die Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls abgelegt ist, erfolgt oder das Bestimmen der Fundamentalwellenlänge in Schritt e. mittels einer vorbestimmten Funktion der Fundamentalwellenlänge, die bei einer Temperatur des Verdopplerkristalls ein Maximum der Effizienz der Wandlung in die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge aufweist, in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls oder mittels einer vorbestimmten Nachschlagetabelle, in der für eine Mehrzahl von Temperaturen bei jeder dieser Temperaturen mit maximaler Effizienz die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelte Fundamentalwellenlänge abgelegt ist, erfolgt.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schritt C., d. h. das Einstellen der in Schritt B. bestimmten Optimaltemperatur als Temperatur des Verdopplerkristalls, ein Einstellen der Temperatur des Verdopplerkristalls, sodass der Verdopplerkristall einen Temperaturgradienten in einer Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung aufweist, sodass die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls breiter ist als die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls, wenn dieser keinen Temperaturgradienten in der Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung aufweist, wobei zusätzlich nach dem Ausführen der Schritte B. bis F. die folgenden Schritte ausgeführt werden:

C'. Einstellen der in Schritt B. bestimmten Optimaltemperatur als Temperatur des Verdopplerkristalls, wobei der Verdopplerkristall in der Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung keinen Temperaturgradienten aufweist,
D'. Ändern des Parameters der Strahlungsquelle über einen vorgegebenen Parameterbereich, sodass die Fundamentalwellenlänge variiert wird,
E'. Erfassen der Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von dem in Schritt D'. geänderten Parameter der Strahlungsquelle und
F'. Einstellen des Parameters der Strahlungsquelle innerhalb des vorgegebenen Parameterbereichs, sodass die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist.

Durch die Vergrößerung der Phasenanpassungsbandbreite beim Anlegen eines Temperaturgradienten in der Längserstreckung des Verdopplerkristalls bzw. in Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung lässt sich zunächst eine Grobeinstellung vornehmen, die dann dadurch verfeinert wird, dass statt dem Temperaturgradienten die Optimaltemperatur über die gesamte Kristalllänge eingestellt wird, sodass die Phasenanpassungsbandbreite verringert wird.
Es versteht sich, dass das gleiche Konzept auch dann zur Anwendung kommen kann, wenn die Absolutwellenlänge der Fundamentalstrahlung nicht ausgewählt und festgelegt wird, sondern für eine gegebene, d. h. abgestrahlte, Fundamentalstrahlung zu bestimmen ist.
In diesem Fall umfasst in einer Ausführungsform der Erfindung der Schritt b., d. h. das Variieren der Temperatur des Verdopplerkristalls über einen vorgegebenen Temperaturbereich, ein Variieren der Temperatur des Verdopplerkristalls, sodass der Verdopplerkristall zu jedem Zeitpunkt einem Temperaturgradienten in einer Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung aufweist, sodass die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls breiter ist als die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls, wenn dieser keinen Temperaturgradienten in Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung aufweist, wobei nach dem Ausführen der Schritte c. bis d. und vor dem Schritt e. die folgenden Schritte ausgeführt werden:

b'. Variieren der Temperatur des Verdopplerkristalls über einen vorgegebenen Temperaturbereich, um die in Schritt d. bestimmte Optimaltemperatur, wobei der Verdopplerkristall zu jedem Zeitpunkt in einer Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung eine über den Verdopplerkristall konstante Temperatur aufweist,
c'. Erfassen der Intensität der Strahlung der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls und
d'. erneutes Bestimmen der Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls, für die innerhalb des Temperaturbereichs die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen davon sowie der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenlängenmessvorrichtung.
2 zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wellenlängenmessvorrichtung.
In den Figuren sind identische Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
Zum einfacheren Verständnis sind in den Figuren die Strahlengänge der elektromagnetischen Fundamentalstrahlung 1 mit der Fundamentalwellenlänge und der elektromagnetischen Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge 2 parallel zueinander versetzt dargestellt und nicht wie sachlich richtig kollinear. Dabei ist die Fundamentalstrahlung 1 als durchgezogene Linie gezeigt, während die Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge 2 mit einer Strichpunktlinie dargestellt ist.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform besteht die Wellenlängenmessvorrichtung 3 im Wesentlichen aus drei Elementen, nämlich einem Verdopplerkristall 4, einem Detektor 5 und einem in Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung 1 zwischen dem Verdopplerkristall 4 und dem Detektor 5 angeordneten Filter 6. Bei dem Verdopplerkristall 4 handelt es sich um einen periodisch gepolten Lithium-Niobat-Kristall mit einer Länge von 2 cm. Dieser hat in der gezeigten Ausführungsform eine Phasenanpassungsbandbreite, betrachtet als die Halbwertsbreite der Phasenanpassungskurve, von 15 GHz oder 0,044 nm bei 900 nm und von 50 GHz oder 0,275 nm bei 1300 nm, für eine über die Erstreckung des Kristalls in Strahlrichtung konstante Temperatur.
Der Detektor 5 ist ein Halbleiterdetektor auf Siliziumbasis, welcher für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von etwa 350 nm bis etwa 1100 nm sensitiv ist. Das Filter 6 ist so ausgestaltet, dass es die Fundamentalstrahlung 1 herausfiltert, sodass diese nicht auf den Detektor 5 fällt.
Der Verdopplerkristall 4 ist in einem in den Figuren nur schematisch dargestellten Ofen 7 als Temperiereinrichtung angeordnet, wobei die durch den Ofen 7 eingestellte Temperatur des Verdopplerkristalls 4 mit Hilfe einer Mehrzahl von Thermometern 8 erfasst wird. Dabei sind die Thermometer 8 in der Ansicht aus den 1 und 2 nur schematisch dargestellt. Die Thermometer 8 erfassen die Temperatur des Verdopplerkristalls 4 an verschiedenen Positionen entlang seiner Längserstreckung in Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung 1.
Der Detektor 5 dient der Erfassung der in dem Verdopplerkristall 4 generierten elektromagnetischen Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge. Der Detektor 5, der Ofen 7 und die Thermometer 8 sind mit einer Regel- und Auswerteeinrichtung 9 wirksam verbunden, wobei diese wirksame Verbindung in der dargestellten Ausführungsform drahtgebunden, d. h. elektrisch, ist. Die Regel- und Auswerteeinrichtung regelt zum einen die Temperatur des Verdopplerkristalls auf einen von der Regel- und Auswerteeinrichtung vorgegebenen Sollwert, erfasst zum anderen aber auch die mit dem Detektor 5 gemessene Intensität der Strahlung 2 mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur des Kristalls oder in Abhängigkeit von einem Parameter einer Strahlungsquelle.
Der Ofen 7, die Thermometer 8 und die Regel- und Auswerteeinrichtung 9 sind derart gewählt, dass sich die Absoluttemperatur des Verdopplerkristalls 4 bei einer Genauigkeit von ±0,1 K einregeln lässt. Geht man davon aus, dass die Verschiebung derjenigen Fundamentalwellenlänge, die bei einer gegebenen Temperatur eine Konversion mit maximaler Effizienz erfährt, 10 GHz pro K beträgt, führt dies zu einer Genauigkeit der Fundamentalwellenlänge bei den mit den Wellenlängenmessvorrichtungen durchgeführten Messungen von deutlich weniger als 1 nm.
Beide in den 1 und 2 gezeigten Varianten der erfindungsgemäßen Wellenlängenmessvorrichtung weisen jeweils zwei Pinholes 13, 14 auf zum Justieren der axialen Orientierung des Kristalls 4 relativ zur Strahlachse der Fundamentalstrahlung 1. Für einen periodisch gepolten nichtlinear optischen Kristall gilt es dabei, den Winkel, welcher zwischen der Strahlachse der Fundamentalstrahlung 1 und der Gitterrichtung des Kristalls 4 eingeschlossen wird, auf 0,5° besser einzujustieren. Dies da beispielsweise eine Änderung dieses Winkels von 1° bei einer Wellenlänge von 1300 nm zu einer Verschiebung des Effizienzmaximums um ca. 8 GHz führt.
Die Phasenanpassungskurven der Verdopplerkristalle 4 variieren deutlich von Kristall zu Kristall und hängen zudem vom konkreten Aufbau bzw. dessen Justierung der Wellenlängenmessvorrichtung ab. Daher ist es erforderlich, für die mit den gezeigten Wellenlängenmessvorrichtungen durchgeführten Verfahren Kalibrationsmessungen durchzuführen, deren Ergebnisse in den dargestellten Ausführungsformen als Nachschlagetabellen bzw. Lookup-Tables in der Regel- und Auswerteeinrichtung 9 abgelegt bzw. gespeichert sind.
Die Nachschlagetabellen enthalten dann eine eineindeutige Zuordnung zwischen der Temperatur des Kristalls 4 und der jeweiligen bei dieser Temperatur mit einer maximalen Konversionseffizienz in Strahlung mit der Halbfundamentalwellenlänge gewandelte Fundamentalwellenlänge.
In Abhängigkeit von der Anwendung bzw. der gestellten Messaufgabe weist die Steuer- und Regeleinrichtung zudem eine Schnittstelle auf, über welche sie Parameter bzw. Einstellungen einer Strahlungsquelle für die Fundamentalstrahlung 1 erfasst. Diese Schnittstelle ist in den Figuren mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Der Aufbau der Wellenlängenmessvorrichtung aus 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform aus 1 darin, dass sie zusätzlich einen Resonator für die Fundamentalstrahlung 1 mit zwei Resonatorspiegeln 11, 12 aufweist. Dafür ist in der Ausführungsform aus 2 kein Filter vorgesehen.
Um die Resonanzbedingung für ein effizientes Betreiben der Verdopplerkristalls 4 über eine breite Abstimmbandbreite zu erfüllen, sind die beiden Spiegel 11, 12 des Resonators über einen Wellenlängenbereich der Fundamentalwellenlänge von 900 nm bis 1300 nm hochreflektierend. Die Anordnung des Verdopplerkristalls 4 innerhalb des Resonators führt zu einer Erhöhung der Konversionseffizienz und damit zur Erhöhung der Ausgangsleistung der Strahlung 2 mit der halben Fundamentalwellenlänge.
Nachstehend werden nun die beiden wichtigsten Messanwendungen der erfindungsgemäßen Wellenlängenmessvorrichtungen im Detail beschrieben. Für die Beispiele wird davon ausgegangen, dass die Fundamentalstrahlung 1 von einem Titan:Saphir-(Ti:Sa)Laser mit abstimmbarer Emissionswellenlänge erzeugt wird. Dieser Laser ist mit Hilfe einer Kombination aus einem automatisiert angetriebenen Lyot-Filter und einem Fabry-Perot-Etalon mit einer automatisiert einstellbaren Resonatorlänge abstimmbar. Die genaue Orientierung des Lyot-Filters sowie die Resonatorlänge des Lyot-Filters werden in einer Ausführungsform des Messverfahrens über die Schnittstelle 10 der Regel- und Auswerteeinrichtung 9 zur Verfügung gestellt.
Zunächst wird ein Fall betrachtet, bei dem mit einer der Anordnungen aus den 1 oder 2 der Laser so eingestellt wird, dass er eine abstrakt vorgegebene absolute Wellenlänge abstrahlt, um damit beispielsweise eine bestimmte Halbleiteranregung vornehmen zu können. Dabei werden die Ist-Position des Lyot-Filters sowie die Ist-Länge des Resonators des Etalons über die Schnittstelle 10 an die Regel- und Auswerteeinrichtung bereitgestellt.
Die Fundamentalwellenlänge der zu generierenden Fundamentalstrahlung wird zunächst abstrakt ausgewählt. Zunächst bestimmt die Regel- und Auswerteeinrichtung 9 diejenige Temperatur des Verdopplerkristalls 4, bei welcher dieser Fundamentalstrahlung mit der ausgewählten Wellenlänge mit einer maximalen Effizienz in Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge wandelt. Diese Optimaltemperatur wird sodann als Temperatur des Verdopplerkristalls 4 eingeregelt.
Dabei wird die Optimaltemperatur so eingeregelt, dass der Verdopplerkristall 4 an einer Position in Richtung der Ausbreitungsrichtung diese Temperatur aufweist und ansonsten ein Temperaturgradient von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende des Verdopplerkristalls 4 anliegt. Auf die Weise ist die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls 4 breiter ist als wenn dieser keinen Temperaturgradienten in der Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung aufweist.
Nun wird das Lyot-Filter der Ti:Sa-Lasers über einen vorgegebenen Winkelbereich (dieser ist ein Parameter der Strahlungsquelle im Sinne der vorliegenden Anmeldung) verdreht, die Resonatorlänge des Etalons geändert oder beide Filter gleichzeitig geändert, und damit die abgestrahlte Fundamentalwellenlänge variiert. Die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge wird in Abhängigkeit von den Einstellungen des Lyot-Filters und des Fabry-Perot-Etalons erfasst und das Maximum der Intensität bestimmt. Sodann werden der Winkel des Lyot-Filters und/oder die Resonatorlänge des Etalons so eingestellt, dass die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist. Somit ist eine Grobeinstellung der vorgegebenen Fundamentalwellenlänge erfolgt.
Im nächsten Schritt wird dann die Optimaltemperatur über die ganze Länge des Verdopplerkristalls 4 in Strahlrichtung eingestellt, so dass dieser keinen Temperaturgradienten mehr aufweist. Dadurch verringert sich die Phasenanpassungsbandbreite und die Winkelposition des Lyot-Filters bzw. die Resonatorlänge des Etalons können erneut um die zuletzt eingestellte Position herum variiert werden, um eine Feineinstellung auszuführen.
In einer Variante wird eine der beiden Wellenlängenmessvorrichtungen aus den 1 oder 2 dazu verwendet, die von dem Ti:Sa-Laser abgestrahlte und unbekannte Wellenlänge absolut so genau wie möglich zu bestimmen. Dazu werden die Winkelposition des Lyot-Filters und die Resonatorlänge des Fabry-Perot-Etalons zunächst eingestellt und dann nicht mehr variiert, so dass sich auch die Fundamentalwellenlänge zeitlich konstant ist.
Stattdessen wird die Temperatur des Verdopplerkristalls 4 über einen vorgegebenen Temperaturbereich variiert. Dabei wird wie zuvor ein Temperaturgradient in Strahlrichtung an den Kristall 4 angelegt.
Die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls 4 an einer ausgezeichneten Position in Längsrichtung des Kristalls 4 erfasst. Eine Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls 4, für die innerhalb des Temperaturbereichs die Intensität der Strahlung mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist, wird bestimmt. Aufgrund der eineindeutigen Zuordnung zwischen der Temperatur des Verdopplerkristalls und der bei dieser Temperatur maximaler Effizienz gewandelten Fundamentalstrahlung lässt sich die Wellenlänge, d. h. die Fundamentalwellenlänge unmittelbar aus der Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls 4 durch Nachschlagen in der Nachschlagetabelle bestimmen.
So wie zuvor für die erste Variante des Messverfahrens beschrieben wird dann die Temperatur des Kristalls 4 so eingeregelt, dass die Temperatur in Längsrichtung des Kristalls 4 konstant ist und dann erneut innerhalb eines zweiten, kleineren Temperaturbereichs variiert, um die Optimaltemperatur ein zweites Mal mit einer noch höheren Genauigkeit zu bestimmen. Dann wird die zu dieser erneut bestimmen Optimaltemperatur gehörende Fundamentalwellenlänge aus der Nachschlagetabelle ausgelesen. Die derart ermittelte Fundamentalwellenlänge ist die gemessene bzw. bestimmte Wellenlänge der Fundamentalstrahlung.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt die Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen” nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „eine” oder „ein” schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
Bezugszeichenliste

1: elektromagnetische Fundamentalstrahlung mit Fundamentalwellenlänge
2: elektromagnetische Strahlung mit halber Fundamentalwellenlänge
3: Wellenlängenmessvorrichtung
4: Verdopplerkristall
5: Detektor
6: Filter
7: Ofen
8: Thermometer
9: Regel- und Auswerteeinrichtung
10: Schnittstelle
11, 12: Spiegel
13, 14: Pinhole

Claims

Wellenlängenmessvorrichtung (3) für elektromagnetische Fundamentalstrahlung (1) mit einer Fundamentalwellenlänge mit einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall (4), der derart ausgestaltet ist, dass er in einem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung (3) die Fundamentalstrahlung (1) in elektromagnetische Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge wandelt, einer Temperiereinrichtung, die derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass sie in dem Betrieb der Vorrichtung (3) eine Temperatur des Verdopplerkristalls (4) einstellt, einem Temperatursensor, der derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass er in dem Betrieb der Vorrichtung (3) die Temperatur des Verdopplerkristalls (4) erfasst, einem Detektor (5) zum Erfassen der Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge, wobei der Verdopplerkristall (4) und der Detektor (5) derart angeordnet sind, dass in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung (3) der Detektor (5) die von dem Verdopplerkristall (4) erzeugte Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge erfasst, und mit einer Regel- und Auswerteeinrichtung (9), die wirksam mit der Temperiereinrichtung, dem Temperatursensor und dem Detektor (5) verbunden ist, wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung (9) derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung (3) die Temperiereinrichtung in Abhängigkeit von der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur regelt, so dass der Verdopplerkristall (4) eine vorgegebene Temperatur aufweist, und wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung (9) derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung (3) aus der erfassten Temperatur des Verdopplerkristalls (4) diejenige Wellenlänge bestimmt, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird, und wobei die Regel- und Auswerteeinrichtung (9) einen Speicher und einen Rechner umfasst, wobei in dem Speicher ein für den Verdopplerkristall (4) vorbestimmter funktionaler Zusammenhang zwischen der erfassten Temperatur des Verdopplerkristalls (4) und der Fundamentalwellenlänge, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die elektromagnetische Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird, abgelegt ist und der Rechner aus einer erfassten Temperatur die Fundamentalwellenlänge berechnet, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die elektromagnetische Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird.
Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und Auswerteeinrichtung (9) einen Speicher umfasst, wobei in dem Speicher eine Nachschlagetabelle abgelegt ist, in der für eine Mehrzahl von Temperaturen des Verdopplerkristalls (4) jeweils eine vorbestimmte Fundamentalwellenlänge abgelegt ist, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird, und die Regel- und Auswerteeinrichtung (9) derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb der Wellenlängenmessvorrichtung (3) für eine erfasste Temperatur des Verdopplerkristalls (4) die Fundamentalwellenlänge nachschlägt, die bei dieser erfassten Temperatur mit einer maximalen Effizienz in die Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelt wird.
Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperiereinrichtung so ausgestaltet ist, dass die Temperatur des Verdopplerkristalls (4) in dem Betrieb der Vorrichtung (3) derart einstellbar ist, dass der Verdopplerkristall (4) in Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung (1) einen Temperaturgradienten aufweist.
Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regel- und Auswerteeinrichtung (9) derart ausgestaltet ist, dass sie in dem Betrieb den Temperaturgradienten und damit die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls (4) der Wellenlängenmessvorrichtung (3) einstellt.
Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung aufweist, die so ausgestaltet ist, dass mit ihr ein Winkel zwischen einer Ausbreitungsrichtung der Fundamentalstrahlung (1) in dem Verdopplerkristall (4) und einer Kristallachse des Verdopplerkristalls (4) oder einer Gitterrichtung des Verdopplerkristalls (4) justierbar ist.
Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Filter (6) für die Fundamentalstrahlung (1) aufweist, wobei das Filter (6) derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Fundamentalstrahlung (1) nicht auf den Detektor (5) fällt.
Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Resonator für die Fundamentalstrahlung (1) aufweist, wobei der Verdopplerkristall (4) in dem Resonator angeordnet ist.
Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdopplerkristall (4) für eine gegebene Temperatur des Verdopplerkristalls (4) eine Phasenanpassungsbandbreite von 1 nm oder weniger, vorzugsweise von 0,8 nm oder weniger und besonders bevorzugt von 0,5 nm oder weniger aufweist.
System zum Erzeugen der Fundamentalstrahlung (1) mit einem Laser und/oder einem optisch parametrischen Oszillator und einer Wellenlängenmessvorrichtung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das System so ausgestaltet ist, dass in dem Betrieb des Systems zumindest ein Teil der von dem Laser oder dem optisch parametrischen Oszillator erzeugten Fundamentalstrahlung (1) in die Wellenlängenmessvorrichtung (3) geleitet wird.
Verfahren zum Bestimmen einer Wellenlänge elektromagnetischer Fundamentalstrahlung (1) mit einer Fundamentalwellenlänge aus einer Strahlungsquelle mit Wandeln der Fundamentalstrahlung (1) in elektromagnetische Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge in einem nichtlinear optischen Verdopplerkristall (4), wobei das Verfahren weiterhin die Schritte aufweist entweder A. Auswählen der Fundamentalwellenlänge, B. Bestimmen einer Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls (4), wobei der Verdopplerkristall (4) bei der Optimaltemperatur Fundamentalstrahlung (1) mit der in Schritt A. ausgewählten Fundamentalwellenlänge mit einer maximalen Effizienz in Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge wandelt, C. Einstellen der in Schritt B. bestimmten Optimaltemperatur als Temperatur des Verdopplerkristalls (4), D. Ändern eines Parameters der Strahlungsquelle über einen vorgegebenen Parameterbereich, so dass die Fundamentalwellenlänge variiert wird, E. Erfassen der Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von dem in Schritt D. geänderten Parameter der Strahlungsquelle und F. Einstellen des Parameters der Strahlungsquelle innerhalb des vorgegebenen Parameterbereichs, so dass die Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist, oder a. Auswählen und Einstellen eines Parameters der Strahlungsquelle so dass die Fundamentalwellenlänge zeitlich konstant ist, b. Variieren der Temperatur des Verdopplerkristalls (4) über einen vorgegebenen Temperaturbereich, c. Erfassen der Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls (4), d. Bestimmen einer Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls (4), für die innerhalb des Temperaturbereichs die Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist, e. Bestimmen derjenigen Fundamentalwellenlänge, die bei der zu der zuvor bestimmten Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls (4) ein Maximum der Effizienz der Wandlung in die Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge aufweist, als Absolutwert der Fundamentalwellenlänge.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen einer Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls (4) in Schritt B. mittels einer vorbestimmten Funktion der Optimaltemperatur in Abhängigkeit von der Fundamentalwellenlänge oder mittels einer vorbestimmten Nachschlagetabelle, in der für eine Mehrzahl von Fundamentalwellenlängen die Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls (4) abgelegt ist, erfolgt oder das Bestimmen der Fundamentalwellenlänge in Schritt e. mittels einer vorbestimmten Funktion der Fundamentalwellenlänge, die bei einer Temperatur des Verdopplerkristalls (4) ein Maximum der Effizienz der Wandlung in die Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge aufweist, in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls (4) oder mittels einer vorbestimmten Nachschlagetabelle, in der für eine Mehrzahl von Temperaturen die bei jeder dieser Temperaturen mit maximaler Effizienz in die Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge gewandelte Fundamentalwellenlänge abgelegt ist, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt C. des Einstellens der in Schritt B. bestimmten Optimaltemperatur als Temperatur des Verdopplerkristalls (4) ein Einstellen der Temperatur des Verdopplerkristalls, so dass der Verdopplerkristall einen Temperaturgradienten in einer Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung (1) aufweist, so dass die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls (4) breiter ist als die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls (4), wenn dieser keinen Temperaturgradienten in der Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung (1) aufweist, umfasst und nach dem Ausführen der Schritte D. bis F. die folgenden Schritte ausgeführt werden: C'. Einstellen der in Schritt B. bestimmten Optimaltemperatur als Temperatur des Verdopplerkristalls (4), wobei der Verdopplerkristall (4) in der Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung (1) keinen Temperaturgradienten aufweist, D'. Ändern des Parameters der Strahlungsquelle über einen vorgegebenen Parameterbereich, so dass die Fundamentalwellenlänge variiert wird, E'. Erfassen der Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von dem in Schritt D. geänderten Parameter der Strahlungsquelle und F'. Einstellen des Parameters der Strahlungsquelle innerhalb des vorgegebenen Parameterbereichs, so dass die Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt b. des Variierens der Temperatur des Verdopplerkristalls (4) über einen vorgegebenen Temperaturbereich ein Variieren der Temperatur des Verdopplerkristalls (4), so dass der Verdopplerkristall (4) zu jedem Zeitpunkt einen Temperaturgradienten in einer Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung (1) aufweist, so dass die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls (4) breiter ist als die Phasenanpassungsbandbreite des Verdopplerkristalls (4) wenn dieser keinen Temperaturgradienten in der Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung (1) aufweist, umfasst und dass nach dem Ausführen der Schritte c. bis d. und vor dem Schritt e. die folgenden Schritte ausgeführt werden: b'. Variieren der Temperatur des Verdopplerkristalls (4) über einen vorgegebenen Temperaturbereich um die in Schritt d. bestimmte Optimaltemperatur, wobei der Verdopplerkristall (4) zu jedem Zeitpunkt in einer Strahlrichtung der Fundamentalstrahlung (1) eine über den Verdopplerkristall (4) konstante Temperatur aufweist, c'. Erfassen der Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge in Abhängigkeit von der Temperatur des Verdopplerkristalls (4) und d'. erneutes Bestimmen einer Optimaltemperatur des Verdopplerkristalls (4), für die innerhalb des Temperaturbereichs die Intensität der Strahlung (2) mit der halben Fundamentalwellenlänge maximal ist.