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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Auswahl einer Referenzlinie eines referenzgebenden Elements in einer solchen Vorrichtung.
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Die Emissionswellenlänge einer Laserdiode ist abhängig von verschiedenen Parametern. Diese umfassen die Temperatur der Laserdiode, den Laserstrom und Alterungseffekte im Halbleitermaterial. Eine Änderung dieser Parameter kann zu einer Änderung der Emissionswellenlänge einer Laserdiode führen, so dass diese nicht mehr die gewünschte Wellenlänge emittiert.
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Um einer spektralen Verschiebung der Laserstrahlung entgegenzuwirken, ist es bekannt, den Laser durch eine Regelung aktiv spektral zu stabilisieren. Hierzu wird eine stabile spektrale Referenz verwendet und eine Wechselwirkung der Laserstrahlung mit dieser spektralen Referenz gemessen. Das Ergebnis der Messung stellt eine Eingangsgröße für eine Regelung zur Verfügung, die abhängig ist von der spektralen Abweichung der Laseremission von der spektralen Referenz. Es erfolgt eine Regelung auf einen Soll-Wert, indem die Emissionswellenlänge der Laserdiode durch Zugriff auf die Betriebsbedingungen der Laserdiode verändert wird. Ein entsprechender Regelkreis ist beispielsweise in dem Datenblatt Nr. 1012: „Diode Laser Locking and Linewidth Narrowing“ der Toptica Photonics AG beschrieben.
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Dabei ist es bekannt, als spektrale Referenz in einem solchen Regelkreis mit Gas gefüllte Glaszellen zu verwenden, in denen sich Elemente befinden, deren Absorptionslinien von der zu stabilisierenden Laserstrahlung getroffen werden. Eingesetzt werden Elemente wie Cäsium, Rubidium oder Jod, deren spektral schmale Absorptionslinien eine stabile spektrale Referenz darstellen. Die Messung der Laserintensität nach Transmission der Zelle liefert eine Eingangsgröße für eine Regelung. Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei den verwendeten Gasen um wenig mit der Umgebung wechselwirkende Referenzsysteme handelt, kann die Emissionswellenlänge eines Lasers sehr akkurat eingestellt werden.
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Des Weiteren sind, wenn auch mit geringerer spektraler Auflösung, schmalbandige Filter wie Kanten- oder Interferenzfilter aufgrund ihrer spektralen Charakteristik als spektrale Referenz einsetzbar. Bei einem Kantenfilter stellt dessen Absorptionskante und bei einem Interferenzfilter dessen typischerweise sehr schmaler Transmissionsbereich (Durchlassbereich) die spektrale Referenz dar.
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Weiter sind Fabry-Perot-Etalons (Fabry-Perot-Interferometer mit festem Spiegelabstand) bekannt. Ihre Transmissionsspektren zeigen schmale Transmissionsmaxima für Wellenlängen, welche die Resonanzbedingung des Etalons erfüllen, was eine präzise Stabilisierung der entsprechenden Wellenlänge möglich macht. Als spektrale Referenz weisen Fabry-Perot-Etalons allerdings den Nachteil auf, dass eine akkurate Stabilisierung der Emissionswellenlänge über einen längeren Zeitraum nicht möglich ist, da es aufgrund der Periodizität der Transmissionsmaxima nicht möglich ist, die genaue Wellenlänge eines aktuellen Transmissionsmaximums zu erkennen und ein eventuelles Springen der Transmission von einem Transmissionsmaxima zu einem benachbarten Transmissionsmaxima zu erfassen.
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Aus R. L. Cone et al.: „Semiconductor lasers stabilized to spectral holes in rare earth crystals”, 2001, Proceedings of SPIE, Vol. 4283, S. 335–346 ist es bekannt, die Stabilisierung von Lasern mit Hilfe von spektralem Lochbrennen (“spectral hole burning”) durchzuführen, wobei ein solches spektrales Lochbrennen innerhalb von Absorptionslinien von Selten-Erd-dotierten Kristallen auftreten kann. Die feinen Strukturen des spektralen Lochbrennens treten jedoch nur unter besonders kontrollierten Bedingungen wie extrem starker Kühlung auf.
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Aus der
DE 34 21 851 C2 ist eine Vorrichtung zur Wellenlängenregelung eines Lasers bekannt, die als Transmissionsfilter ein Fabry-Perot-Interferometer oder alternativ Filter auf Basis von seltenen Erden oder Filter mit opto-galvanischem Effekt einsetzt.
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Aus der
US 6 198 757 B1 ist eine Vorrichtung zur Wellenlängenregelung eines Lasers bekannt, bei der die von einem Laser emittierte Strahlung in einem optischen Modulator moduliert und die modulierte Strahlung als erstes und zweites Modulations-Ausgangssignal abgestrahlt wird. Das erste Modulations-Ausgangssignal durchstrahlt einen Filter und wird von einem ersten optischen Detektor erfasst. Der Filter gibt dabei ein gefiltertes Signal ab, dessen Amplitude eine Funktion der Frequenzänderung der vom Laser emittierten Strahlung ist. Das zweite Modulations-Ausgangssignal wird von einem zweiten optischen Detektor erfasst. Die erfassten Signale werden in einem Kontroll-Schaltkreis ausgewertet und es wird ein Steuersignal für die Laserdiode zur Wellenlängenstabilisierung erzeugt.
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Die
US 8 351 473 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur Wellenlängenregelung eines Lasers, die zwei komplementäre optische Etalonfilter umfasst, deren Ausgangssignal jeweils durch einen optischen Detektor erfasst und einer Steuereinheit zur Regelung der Laserwellenlänge zugeführt wird.
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Aus der
US 5 127 731 ist ein Interferometer bekannt, in dem ein Etalon zur gleichzeitigen Wellenlängenstabilisierung von zwei Laserdioden eingesetzt wird.
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Die
US 6 389 046 B1 beschreibt eine gattungsgemäße Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode bereitzustellen. Dabei soll eine gute Handhabbarkeit erreicht werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode mit dem Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach geht die vorliegende Erfindung von einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode aus, die eine Laserdiode und eine Regelungsvorrichtung zur Regelung der Wellenlänge der emittierten Strahlung der Laserdiode aufweist. Die Regelungsvorrichtung umfasst ein referenzgebendes Element, mindestens ein lichtempfindliches Element und eine Regelungseinheit. Eine Transmissionsmessung an dem referenzgebenden Element, das die spektrale Referenz bereitstellt, wird als Regelgröße für eine aktive stabilisierende Regelung verwendet.
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Das referenzgebende Element wird von emittierter Strahlung der Laserdiode durchstrahlt und weist mindestens eine Referenzlinie auf. Die Referenzlinie kann eine Absorptionslinie, eine Absorptionskante oder ein Transmissionsbereich sein. Das mindestens eine lichtempfindliche Element misst die Intensität der Strahlung der Laserdiode nach Transmission durch das referenzgebende Element und liefert eine Eingangsgröße für eine Regelung. Das von dem mindestens einen lichtempfindlichen Element erfasste Signal ist abhängig von der spektralen Abweichung zwischen der emittierten Strahlung der Laserdiode und der spektralen Referenzlinie.
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Die Regelungseinheit ist dazu ausgebildet und vorgesehen, das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elementes als Regelgröße (Ist-Wert) für eine Regelung der Laserdiode zu erhalten und die Laserdiode auf der Grundlage dieser Regelgröße dahin zu regeln, dass die Wellenlänge der emittierten Strahlung der Laserdiode einem gewünschten Soll-Wert entspricht. Hierzu werden Betriebsparameter der Laserdiode wie z.B. Strom und/oder Temperatur der Laserdiode geregelt. Weiter wird darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass ein Teil der von der Laserdiode emittierten Strahlung als Nutzstrahlung abgestrahlt wird.
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Es ist weiter vorgesehen, dass das referenzgebende Element durch eine Filterkombination gebildet ist, die einen ersten Filter und einen zweiten Filter umfasst. Dabei ist der erste Filter derart ausgebildet, dass mindestens eine Referenzlinie des ersten Filters spektral im Bereich der Wellenlänge der durch die Laserdiode emittierten Strahlung liegt. Der zweite Filter ist ein Fabry-Perot-Etalon und derart ausgebildet, dass mindestens ein Transmissionsmaximum, ein Transmissionsminimum oder eine Transmissionsflanke des Fabry-Perot-Etalons im spektralen Bereich der Referenzlinie des ersten Filters liegt. Die beiden Filter und das mindestens eine lichtempfindliche Element sind derart angeordnet, dass emittierte Strahlung der Laserdiode beide Filter durchstrahlt und die transmittierte Strahlung durch das mindestens eine lichtempfindliche Element erfasst wird. Die Regelungseinheit ist dafür eingerichtet, als Soll-Wert für die Regelung der Laserdiode eine Wellenlänge zu verwenden, die im spektralen Bereich der Referenzlinie des ersten Filters liegt und die gleich einem der Transmissionsmaxima oder Transmissionsminima oder die gleich einem Punkt auf einer der Transmissionsflanken des Fabry-Perot-Etalons ist. Dabei werden die transmittierten Signale der beiden Filter optisch oder alternativ in der Regelungseinheit elektrisch überlagert.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Filter ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement ist, das als Festkörper ausgebildet ist, wobei mindestens eine Absorptionslinie des Selten-Erd-dotierten Bauelements spektral im Bereich der Wellenlänge der durch die Laserdiode emittierten Strahlung liegt, wobei mindestens zwei Transmissionsmaxima oder Transmissionsminima des Fabry-Perot-Etalons im spektralen Bereich der Referenzlinie des ersten Filters liegen.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, durch den ersten Filter in Kombination mit dem Fabry-Perot-Etalon das periodische Transmissionsspektrum des Etalons so zu verändern, dass einzelne Minima oder Maxima im Transmissionsspektrum des Etalons durch die zusätzliche Einhüllende des ersten Filters unterscheidbar sind, beispielsweise bei einem Durchstimmen der Laser-Wellenlänge. Da mindestens ein Transmissionsmaximum oder Transmissionsminimum des Fabry-Perot-Etalons im spektralen Bereich der Referenzlinie des ersten Filters liegt, wird die Referenzlinie des ersten Filters bzw. deren Verlauf den Minima oder Maxima im Transmissionsspektrum des Etalons gewissermaßen aufgeprägt und sind letztere dadurch voneinander unterscheidbar.
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Die Regelung kann auch auf eine Flanke erfolgen, was unter Umständen aufgrund der Steilheit der Flanke Vorteile gegenüber einer Regelung auf ein Maximum oder Minimum bietet.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die spektrale Identifikationsmöglichkeit der Transmissionseigenschaften des ersten Filters mit der höheren Auflösungsmöglichkeit der periodischen Transmissionsstruktur eines Fabry-Perot-Etalons verbunden wird, um ein gleichzeitig akkurates und präzises Referenzsystem zu realisieren. Zusätzlich kann solch ein Filter-Etalon sehr kompakt bereitgestellt werden.
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Die spektrale Referenz ist als Festkörper ausgeführt, der sich in sehr kleine Aufbauten integrieren lässt und zudem eine hohe Robustheit aufweist. Möglich wird dadurch die Integration der spektralen Referenz zusammen mit der Laserdiode und den lichtempfindlichen Elementen in kleine Gehäuse-Bauformen für elektrooptische Komponenten, die als quasi Industrie-Standard in großer Zahl auf dem Markt eingesetzt werden. Dadurch sind alle elektrooptischen Bauteile vereint in einem Gehäuse, das wiederum auf eine Platine montiert werden kann, auf der sich die elektronischen Komponenten für die Regelung befinden. Dieses Konzept erlaubt einen sehr kompakten und kostengünstigen Aufbau.
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Gemäß der Erfindung liegen mindestens zwei Transmissionsmaxima oder Transmissionsminima des Fabry-Perot-Etalons im spektralen Bereich der Referenzlinie des ersten Filters liegen. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Referenzlinie des ersten Filters den Verlauf der Minima oder Maxima im Transmissionsspektrum des Etalons ändern und diese dadurch identifizierbar machen kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass mindestens fünf, insbesondere mindestens zehn, insbesondere mindestens zwanzig Transmissionsmaxima oder Transmissionsminima des Fabry-Perot-Etalons im spektralen Bereich der Referenzlinie des ersten Filters liegen
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Eine hohe Anzahl von Transmissionsmaxima oder Transmissionsminima im spektralen Bereich der Referenzlinie, beispielsweise ein Anzahl zwischen zehn und zwanzig, ermöglicht in besonderer Weise eine exakte Kurzzeit-Stabilisierung einer Laserdiode.
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Als spektrale Breite der Referenzlinie des ersten Filters wird dabei im Falle eines Absorptionsfilters die Breite der betrachteten Absorptionslinie (bzw. der entsprechenden Transmissionslinie), im Falle eines Transmissionsfilters (z.B. einem Interferenzfilter) die Breite des Durchlassbereichs und bei einem Kantenfilter die Breite des Kantenübergangs betrachtet. Die spektrale Breite wird dabei beispielsweise in an sich bekannter Seite über die Halbswertsbreite bestimmt.
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Im Hinblick auf die Anordnung der beiden Filter der Filterkombination sind mehrere Ausgestaltungen möglich. Gemäß einer ersten Ausgestaltung sind der erste Filter und der zweite Filter bezogen auf den Strahlengang der Laserdiode hintereinander angeordnet.
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Die Transmissionscharakteristika der beiden Filter werden somit optisch addiert bzw. überlagert, so dass grundsätzlich nur ein lichtempfindliches Element erforderlich ist, um eine Regelgröße (Ist-Wert) für eine Regelung der Laserdiode bereitzustellen.
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Dabei sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass der erste Filter und der zweite Filter in einem Bauteil integral ausgebildet sind, so dass ein kompakter und robuster Aufbau bereitgestellt wird. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Grundsätzlich können die beiden Filter als gesonderte Bauteile ausgeführt sein.
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Gemäß einer zweiten Ausgestaltung sind der erste und der zweite Filter derart angeordnet, dass ein Teil der von der Laserdiode emittierten Strahlung den ersten Filter durchläuft und auf ein erstes lichtempfindliches Element fällt, und ein Teil der von der Laserdiode emittierten Strahlung den ersten Filter und den zweiten Filter durchläuft und auf ein zweites lichtempfindliches Element fällt, und wobei die von den lichtempfindlichen Elementen bereitgestellten Signale in der Regelungseinheit ausgewertet werden.
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Der erste Filter ist ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement. Ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement weist typischerweise eine große Anzahl schmaler spektraler Absorptionslinien auf. Dabei ist vorgesehen, dass mindestens eine der Absorptionslinien spektral im Bereich der Wellenlänge der durch die Laserdiode emittierten Strahlung liegt.
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Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zu Grunde, dass als Element für die spektrale Stabilisierung eines Halbleiterlasers auch ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement benutzt werden kann. Dabei werden die Absorptionslinien der Selten-Erd-Ionen genutzt. Selten-Erd-Ionen weisen in Festkörpern schmale Absorptionslinien auf, weil bei ihnen die 4f-Schale durch die 5p-Schale abgeschirmt ist und sie somit nicht so stark einer inhomogenen Linienverbreiterung ausgesetzt sind. Eine üblicherweise in Festkörpern auftretende inhomogene Linienverbreiterung erfolgt daher nicht oder nicht in erheblichem Maße. Aufgrund einer geringen inhomogenen Linienverbreiterung lässt sich das Selten-Erd-dotierte Bauelement als Festkörper ausführen, der sich in kleiner Bauform in den Aufbau integrieren lässt und eine hohe Robustheit aufweist.
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Die Absorptionslinien von Selten-Erd-Ionen in Festkörpern sind gut dokumentiert und erforscht. Zu einer betrachteten emittierten Wellenlänge, die stabilisiert werden soll, stehen eine Vielzahl von Absorptionslinien zur Verfügung. Eine Übersicht hierzu ist beispielsweise in G. H. Dieke and H. M. Crosswhite: „The Spectra of the Doubly and Triply Ionized Rare Earths“, Appl. Optics, Juli 1963, Vol. 2, No. 7, S. 675–686 gegeben, wobei insbesondere auf die Darstellung auf Seite 680 hingewiesen wird. Die Linienbreite der Absorptionslinien von Selten-Erd-Ionen in Festkörpern kann beispielsweise im Bereich von 1 nm liegen. Beispiele für Selten-Erd-dotierte Bauelemente sind mit Erbium oder Neodym dotierte YAG-Kristalle (YAG = Yttrium-Aluminium-Granat).
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Das Selten-Erd-dotiertes Bauelement weist mindestens ein Selten-Erd-Element auf. Selten-Erd-Elemente sind: Scandium (Ordnungszahl 21), Lanthan (Ordnungszahl 57), Cer (Ordnungszahl 58), Praseodym (Ordnungszahl 59), Neodym (Ordnungszahl 60), Promethium (Ordnungszahl 61), Samarium (Ordnungszahl 62), Europium (Ordnungszahl 63), Yttrium (Ordnungszahl 39), Gadolinium (Ordnungszahl 64), Terbium (Ordnungszahl 65), Dysprosium (Ordnungszahl 66), Holmium (Ordnungszahl 67), Erbium (Ordnungszahl 68), Thulium (Ordnungszahl 69), Ytterbium (Ordnungszahl 70) und Lutetium (Ordnungszahl 71). Dabei kann vorgesehen sein, dass das Selten-Erd-dotierte Bauelement mehrere Selten-Erd-Elemente enthält.
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Das Selten-Erd-dotierte Bauelement ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als Kristall mit einer Dotierung von Seltenen Erden ausgeführt. Bei dem Kristall handelt es sich beispielsweise um YAG (Yttrium Aluminium Granat), YLF (Yttrium Lithium Fluorid), YSAG (Yttrium Scandium Aluminium Granat), YGG (Yttrium Gallium Granat) oder LuGG (Lutetium Gallium Granat). Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist das Selten-Erd-dotierte Bauelement als Glas mit einer Dotierung von Seltenen Erden ausgeführt. In beiden Fällen liegt eine einfache Handhabbarkeit und Robustheit aufgrund der Realisierung des Referenzelementes als Festkörper vor.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der erste Filter und das Fabry-Perot-Etalon in einem Bauteil integriert ausgebildet sind und der erste Filter dabei ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement ist. Beispielsweise wird das Fabry-Perot-Etalon durch einen Kristall oder ein Glas mit planparallelen Flächen und das Selten-Erd-dotierte Bauelement durch eine Dotierung des Kristalls oder Glases mit Seltenen Erden ausgebildet.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Laserdiode oder ein der Laserdiode zugeordneter Modulator derart betreibbar ist, dass die Laserstrahlung eine Modulation aufweist, derart, dass eine Referenzlinie des zweiten Filters, d.h. des Fabry-Perot-Etalons periodisch abgefahren wird. Die Modulation ist derart gewählt, dass sie innerhalb einer betrachteten Referenzlinie des zweiten Filters liegt. Dies erlaubt es, periodisch die betrachtete spektrale Referenz, d.h. ein Transmissionsmaximum oder -minimum oder eine Transmissionsflanke des Fabry-Perot-Etalons zu durchfahren und dadurch die spektrale Referenz genau zu bestimmen. Alternativ wird eine solche Modulation durch ein externes, hinter der Laserdiode angeordnetes Element bereitgestellt, beispielsweise einen elektrooptischen Modulator oder einen akustooptischen Modulator, den die Strahlung der Laserdiode durchstrahlt. Dabei kann vorgesehen sein, dass nicht die Nutzstrahlung, sondern nur die auf den ersten Filter fallende Strahlung mittels eine solchen externen Elementes moduliert wird. Dies kann durch eine geeignete Platzierung des externen Elementes, beispielsweise hinter einem Strahlteiler, erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist die Vorrichtung ein weiteres lichtempfindliches Element auf, das die Intensität eines Anteils der emittierten Strahlung der Laserdiode erfasst, der nicht die Filterkombination durchlaufen hat. Dabei erhält die Regelungseinheit sowohl das Ausgangssignal des mindestens einen lichtempfindlichen Elementes als auch das Ausgangssignal des weiteren lichtempfindlichen Elementes und nimmt auf der Grundlage dieser beiden Größen eine Regelung der Laserdiode vor. Eine solche Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass Intensitätsschwankungen der Laserdiode auf die Regelung keinen Einfluss haben, da diese durch das Signal des weiteren lichtempfindlichen Elementes berücksichtigt werden können. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Regelungseinheit das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements und das Ausgangssignal des weiteren lichtempfindlichen Elements auf ein konstantes Verhältnis regelt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich die Temperatur des Fabry-Perot-Etalons geregelt wird. Hierdurch wird die Stabilität der spektralen Referenz weitergehend erhöht. Statt oder zusätzlich zu einer Regelung der Temperatur des Fabry-Perot-Etalons kann auch die Temperatur des Fabry-Perot-Etalons – beispielsweise durch einen Thermistor – lediglich gemessen werden. Die Kenntnis dieser Temperatur erlaubt es, die durch die thermische Ausdehnung des Etalons bedingte kleine spektrale Verschiebung der Transmissionsmaxima und –minima zu berechnen und bei der Regelung entsprechend zu berücksichtigen bzw. zu korrigieren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zusätzlich die Temperatur des Selten-Erd-dotierten Bauelementes geregelt wird. Hierdurch wird die Stabilität der spektralen Referenz weitergehend erhöht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Laserdiode, die Filterkombination und das lichtempfindliche Element in ein Gehäuse eingebaut. Aus dem Gehäuse werden einerseits Nutzstrahlung der Laserdiode und andererseits Ausgangssignale des lichtempfindlichen Elementes herausgeführt. Hierdurch lässt sich eine kleine, kompakte und geschützte Bauform realisieren. Im Falle der Verwendung eines weiteren lichtempfindlichen Elementes kann vorgesehen sein, dass auch dieses in dem Gehäuse angeordnet ist.
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Die Erfindung kann grundsätzlich für beliebige Laserdioden-Bauformen eingesetzt werden. In einer Ausgestaltung werden Laserdioden verwendet, die mit einem externen Resonator ausgebildet sind. Eine praktisch vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Laserdiode einen Resonator aufweist, aus dem aus zwei gegenüberliegenden Seiten Strahlung emittiert wird. Die aus der einen Seite austretende Strahlung wird dabei auf die Filterkombination gelenkt und die aus der anderen Seite austretende Strahlung wird als Nutzsignal verwendet. Bei dieser Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, mit Strahlteilern zu arbeiten.
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Die erfindungsgemäße Filterkombination ist derart ausgebildet und wird derart betrieben, dass die Absorptionslinie, an der emittierte Strahlung der Laserdiode absorbiert wird, nicht nach den Prinzipien des spektralen Lochbrennens erzeugt wurde. Aspekte des spektralen Lochbrennens spielen für die vorliegende Erfindung keine Rolle. Dementsprechend ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Komponenten der Vorrichtung einschließlich des Selten-Erd-dotierten Bauelementes bei nichtkryogenen Temperaturen betrieben werden (ohne eine extrem starke Kühlung, wie sie bei spektralem Lochbrennen erforderlich ist).
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher dargestellt. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode, die ein referenzgebendes Element in Form einer Filterkombination umfasst, wobei der eine Filter ein Selten-Erd-dotierter Filter und der andere Filter ein Fabry-Perot-Etalon;
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2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 1, bei dem das referenzgebende Element vor einem Strahlteiler angeordnet ist;
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3 ein Emissionsspektrum einer Laserdiode und ein Absorptionsspektrum eines Erbium-YAG-Bauelements;
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4 ein Ausführungsbeispiel eines referenzgebenden Elements, das integriert in einem Bauteil einen ersten Filter, der ein Selten-Erd-dotierter Filter ist, und einen zweiten Filter, der ein Fabry-Perot-Etalon ist, realisiert;
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5 schematisch die Transmissionslinie eines Selten-Erd-dotierten Bauelementes in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
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6 schematisch die Transmissionslinie eines Fabry-Perot-Etalons in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
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7 schematisch die Transmissionslinie eines kombinierten Filters, der ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement und einen Fabry-Perot-Etalon umfasst, in Abhängigkeit von der Wellenlänge;
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8 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode gemäß dem Ausführungsbeispiel der 1 unter Darstellung zusätzlicher Details zur Regelung der Betriebsbedingungen der Laserdiode;
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9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode, die zwei lichtempfindliche Elemente umfasst, deren Ausgangssignale auf ein konstantes Verhältnis geregelt werden;
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10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode, wobei das referenzgebende Element durch zwei Filter gebildet ist, die als gesonderte Bauteile hergestellt sind;
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11 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode, wobei das referenzgebende Element durch zwei Filter gebildet ist, die als gesonderte Bauteile hergestellt sind, und wobei ein weiteres lichtempfindliches Element zur Erfassung des Transmissionssignals nur des ersten Filters vorgesehen ist;
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12 ein Ausführungsbeispiel entsprechend der 11, wobei die Nutzstrahlung vor Transmission durch die Filter ausgekoppelt wird;
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13 ein Ausführungsbeispiel entsprechend der 11, wobei eine rückwärtige Laserstrahlung der Laserdiode als Nutzstrahlung verwendet wird; und
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14 ein nicht die Erfindung betreffendes Beispiel einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode, wobei das referenzgebende Element durch zwei Filter gebildet ist, die parallel angeordnet sind, wobei der eine Filter ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement und der andere Filter ein Fabry-Perot-Etalon ist.
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Die 1 zeigt beispielhaft und schematisch den Aufbau einer Vorrichtung zur spektralen Stabilisierung einer Laserdiode. Die Vorrichtung umfasst eine Laserdiode 1, einen Strahlteiler 2, ein referenzgebendes Element 3, ein lichtempfindliches Element 4 und eine Regelungseinheit 5.
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Die Laserdiode 1 kann ein beliebiger Halbleiterlaser sein. Die Laserdiode 1 emittiert Strahlung 10 einer bestimmten Wellenlänge, die auf den Strahlteiler 2 fällt. Ein Teilstrahl 11 des Strahlteilers 2 stellt die Nutzstrahlung dar. Der andere Teilstrahl 12 wird auf das referenzgebende Element 3 gelenkt. Der Strahlteiler 2 kann dabei ein beliebiges optisches Bauelement sein, das einen einzelnen Lichtstrahl in mehrere Teilstrahlen aufteilt.
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Beispielsweise ist der Strahlteiler 2 ein Strahlteilerwürfel oder ein halbdurchlässiger Spiegel.
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Das referenzgebende Element 3 wird durch eine Filterkombination 30 gebildet, die einen ersten Filter und einen zweiten Filter umfasst. Der erste Filter ist ein Selten-Erd-dotierte Bauelement und der zweite Filter ist ein Fabry-Perot-Etalon. Die Filterkombination 30 ist als Festkörper ausgebildet und beispielsweise als Kristall oder als Glas mit einer Dotierung von Seltenen Erden ausgeführt.
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Ein Ausführungsbeispiel eines solchen referenzgebenden Elementes 3 mit einer Filterkombination 30 zeigt die 4. Die Filterkombination 30 besteht aus einem Festkörper 37, beispielsweise einem Kristall oder einem Glas, mit Selten-Erd-Dotierung. Die Vorderseite 35 und die Rückseite 36 des Festkörpers 37 sind planparallel ausgerichtet und poliert. Sie bilden den Resonator des Fabry-Perot-Etalons 30. Der vom Strahlteiler 2 umgelenkte Lichtstrahl 12 wird senkrecht zu diesen Flächen 35, 36 transmittiert.
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Das Selten-Erd-Element ist dabei derart ausgewählt, dass die Wellenlänge der aus der Laserdiode 1 emittierten Strahlung 10 spektral im Bereich einer Absorptionslinie des Selten-Erd-Elementes liegt, mit dem der Festkörper 37 dotiert ist. Hierzu kann aus einer großen Anzahl von Selten-Erd-Elementen ausgewählt werden. Beispielsweise werden als Selten-Erd-Elemente Erbium oder Neodym verwendet. Die Dotierung erfolgt beispielsweise in einem YAG-Kristall.
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Grundsätzlich können beliebige Selten-Erd-Elemente eingesetzt werden. Entsprechende Übersichten über Selten-Erd-Elemente und deren Absorptionslinien sind beispielsweise in G. H. Dieke and H. M. Crosswhite: „The Spectra of the Doubly and Triply Ionized Rare Earths“, Appl. Optics, Juli 1963, Vol. 2, No. 7, S. 675–686 aufgelistet.
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Der Umstand, dass die Wellenlänge der aus der Laserdiode 1 emittierten Strahlung spektral im Bereich einer Absorptionslinie des Selten-Erd-dotierten Bauelementes 3 liegt, wird anhand der 3 weitergehend erläutert. Die 3 zeigt auf der linken Seite ein Laser-Emissionsspektrum einer Laserdiode, wobei die Signalstärke über der Wellenlänge aufgetragen ist. Im Wellenlängenbereich X, der in etwa bei 662 nm, folgt eine Laser-Emission. Die 3 zeigt rechts das Absorptionsspektrum eines Erbium-YAG-Bauelementes 3. Das Selten-Erd-Element weist in einem Wellenlängenbereich zwischen etwa 630 nm und 670 nm ein definiertes Absorptionsspektrum Y auf, das bei etwa 660 nm ein Absorptions-Peak umfasst. Die emittierte Wellenlänge X der Laserdiode ist dabei zusätzlich in das Absorptionsspektrum eingezeichnet. Es ist ersichtlich, dass die Wellenlänge X der emittierten Strahlung spektral im Absorptionsbereich des Erbium-YAG-Elementes liegt.
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Das transmittierte Licht der Laserdiode 1 erfährt eine erste Filterung in dem Selten-Erd-dotierten Bauelement bzw. Filter und eine zweite Filterung in dem Fabry-Perot-Etalon. Dies wird anhand der 5 bis 7 weitergehend erläutert.
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Die 5 zeigt schematisch eine Transmissionslinie 61 des Selten-Erd-dotierten Bauelements in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die Transmissionslinie 61 verläuft invers zur entsprechenden Absorptionslinie des Selten-Erd-dotierten Bauelements und stellt insofern eine Referenzlinie des Selten-Erd-dotierten Bauelements dar. Sie weist ein Minimum 61a auf, das bei einem spektralen Durchstimmen des Lasers eindeutig auffindbar ist. Die Transmissionslinie 61 weist dabei eine spektrale Breite auf, die beispielsweise über die Halbwertsbreite H bestimmbar ist. Diese ist definiert als der spektrale Abstand zwischen zwei Werten, zwischen denen die Transmission von einem Wert, der bei 50% der Summe der Transmissionswerte am Minimum und am Maximum liegt, auf das Minimum abgefallen ist, wobei als Maximum der Transmission der Wert definiert wird, der vorliegen würde, wenn keine Absorption aufgrund der Selten-Erd-Dotierung stattfände.
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Für sich genommen ist die durch die Transmissionslinie 61 bereitgestellte spektrale Auflösung jedoch relativ gering. Die Erfindung sieht daher die Kombination des ersten Filters mit dem Fabry-Perot-Etalon vor.
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Die 6 zeigt die Transmission des Fabry-Perot-Etalons in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Das Fabry-Perot-Etalon weist naturgemäß eine Transmissionskurve 62 auf, die in periodischer Abfolge Transmissionsmaxima 62a und Transmissionsminima 62b aufweist. Der spektrale Abstand zwischen zwei Transmissionsmaxima bzw. zwischen zwei Transmissionsminima wird als Δλ bezeichnet. Die spektrale Auflösung des Fabry-Perot-Etalons ist bei geeigneter Auslegung deutlich höher als die spektrale Auflösung der Absorptionslinie 61 des Selten-Erd-dotierten Bauelements. So liegen in dem spektralen Bereich, in dem die Transmissionslinie 61 des ersten Filters ausgebildet ist, etwa 17 Maxima und Minima. In anderen Ausgestaltungen liegen mindestens 2, insbesondere mindestens 5, insbesondere mindestens 10 Maxima und Minima in dem Wellenlängenbereich, in dem die Transmissionslinie 61 ausgebildet ist.
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Aufgrund der Periodizität der Transmission ist es bei Verwendung nur eines Fabry-Perot-Etalons jedoch nicht möglich, einzelne Minima oder Maxima im Hinblick auf ihre Wellenlänge eindeutig zu identifizieren.
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Die 7 stellt die Transmission des integrierten Kombinationsfilters 30 aus Fabry-Perot-Etalon und Selten-Erd-dotiertem Bauelement dar. Die Transmissionskurve 63 zeigt die Transmission in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Die gleiche Transmissionskurve ergibt sich, wenn die beiden Filter als gesonderte Bauteile in serieller Anordnung angeordnet sind.
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Durch die optische Addition der beiden Filter ergibt sich, dass das periodische Transmissionsspektrum des Fabry-Perot-Etalons derart verändert ist, das seinen Minima und Maxima das Transmissionsspektrum des Selten-Erd-dotierten Bauelements aufgeprägt ist. Hierdurch wird es möglich, die einzelnen Minima und Maxima der Transmission des Fabry-Perot-Etalons sowie die dazwischen liegenden Transmissionsflanken zu identifizieren. So ist das Minimum 63a der Transmissionskurve 63 nunmehr eindeutig identifizierbar, was beispielsweise durch ein Durchstimmen der Laserwellenlänge des Lasers – einen Scan des Spektrums – detektierbar ist. Nach diesem Scan-Modus kann eine Regelung z.B. auf das identifizierte Minimum 63a spektral lokal sehr fein abgestimmt werden. Da die Linienbreite der einzelnen Maxima 63b bzw. Minima 63a sehr gering und ihre Steilheit sehr groß ist im Vergleich zur Linienbreite und zur Steilheit der Transmissionskurve 61 des Selten-Erd-dotierten Bauelements, kann die Regelung der Wellenlänge des Lasers auf eine gewünschte Referenzwellenlänge mit wesentlich höherer Genauigkeit erfolgen, wobei diese gewünschte Referenzwellenlänge bei dem Minimum 63a, alternativ einem anderen der identifizierbaren Minima oder Maxima der Kurve 63 oder auf einer der jeweils zwischen Minimum und Maximum und zwischen Maximum und Minimum liegenden Flanken der Transmissionskurve liegt.
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Damit kann eine Regelung der Wellenlänge grundsätzlich auf einen beliebigen Punkt im spektralen Bereich der Referenzlinie des ersten Filters 31 erfolgen, wobei dieser Punkt ein Maximum, ein Minimum oder ein Punkt auf einer der Flanken der Transmissionskurve 63 sein kann. In letzterem Fall wird bevorzugt ein Punkt gewählt, in dem die Flanke steil verläuft, so dass eine hohe Sensitivität der Regelung vorliegt.
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Sollten sich zufällig durch die Dicke des Etalons bei einer Überlagerung der beiden Filter zwei gleich starke Minima ausbilden, so lassen sich auch diese durch einen Scan identifizieren. Durch die gezielte Auswahl eines der beiden Minima ist auch in diesem Fall eine eindeutige spektrale Referenz gegeben.
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Die Flankensteilheit der Transmissionssignale von Selten-Erd-dotiertem Filter und Fabry-Perot-Etalon kann sehr unterschiedlich sein. In dem gezeigten Beispiel wird die Auflösung der Regelgenauigkeit des Lasers durch den zusätzlichen Einsatz des Fabry-Perot-Etalons um etwa eine Größenordnung erhöht.
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Die Transmissionsspektren von Selten-Erd-Filter und Fabry-Perot-Etalon sind extrem unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen und bieten damit eine sehr stabile spektrale Referenz. Durch den kompakten Aufbau der Teile ist zusätzlich eine thermische Stabilisierung der Filter möglich, was die Stabilität der spektralen Referenz weiter erhöht.
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Wieder Bezug nehmend auf die 1, wird nach Transmission des Kombinationsfilters 30 die Intensität der Laserstrahlung mit dem lichtempfindlichen Element 4 gemessen. Hierbei handelt es sich beispielsweise um eine Fotodiode. Das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elementes 4 ist dabei abhängig von der spektralen Abweichung zwischen der emittierten Strahlung der Laserdiode 1 und der als Referenz dienenden Transmissionslinie (z.B. der Transmissionslinie 63 ader 7) der Filterkombination 3.
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Das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elementes 4 wird der Regelungseinheit 5 als Regelgröße für die Regelung der Laserdiode 1 zugeführt. Die Regelung der Emissionswellenlänge der Laserdiode erfolgt dabei durch Zugriff auf die Betriebsbedingungen der Laserdiode, insbesondere durch Einstellung des Stroms und der Temperatur des Halbleiterlasers, wie in Bezug auf die 4 noch beispielhaft erläutert werden wird.
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Die 2 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung der 1, bei der die Filterkombination 3 sich vor dem Strahlteiler 2 befindet und die von der Laserdiode 1 emittierte Strahlung 10 dementsprechend vollständig die Filterkombination 3 durchstrahlt. Ansonsten gelten die Erläuterungen zu dem Ausführungsbeispiel der 1 in entsprechender Weise.
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Die 8 zeigt beispielhaft eine Konkretisierung des Ausführungsbeispiels der 1. Es sind wiederum eine Laserdiode 1, ein Strahlteiler 2, eine Filterkombination 3 und ein lichtempfindliches Element 4 vorhanden. Diese Elemente können in ein schematisch dargestelltes Gehäuse 50 eingebaut sein. Des Weiteren ist wiederum eine Regelungseinheit 5 vorgesehen.
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Zusätzlich dargestellt sind ein Treiber 6, der die Laserdiode 1 mit einem Vorstrom Ibias und mit einem Modulationsstrom Imod beaufschlagt, und ein thermoelektrischen Kühler 7, wie z. B. ein Peltier-Element.
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Die Regelungseinheit 5 kontrolliert die Wellenlänge der Laserdiode 1, indem sie im Rahmen der vorgenommenen Regelung zum einen den Strom und zum anderen die Temperatur TLD der Laserdiode 1 einstellt. Die Einstellung des Stroms erfolgt über den Treiber 6. Die Einstellung der Temperatur TLD erfolgt über den thermoelektrischen Kühler 7.
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In der 8 ist schematisch auch der Intensitätsverlauf Z der durch das lichtempfindliche Element 4 detektierten Intensität dargestellt. Der Verlauf entspricht dem Verlauf der 7.
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In dem Ausführungsbeispiel der 9 ist die Anordnung erweitert durch ein weiteres lichtempfindliches Element 40, das die Intensität der Laserstrahlung vor Transmission der Filterkombination 3 misst. Hierzu ist ein weiterer Strahlteiler 21 vor einem Strahlteiler 22 vorgesehen. Die Anordnung von Strahlteiler 22, Filterkombination 3 und lichtempfindlichem Element 4 ist die gleiche wie bei der 1. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich die Filterkombination 3 zwischen den beiden Strahlteilern 21, 22 befindet, wie beim Ausführungsbeispiel der 2.
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Das Ausgangssignal des weiteren lichtempfindlichen Elementes 40 stellt eine weitere Regelgröße für die Regelungseinheit 5 dar. Das weitere lichtempfindliche Element 40 stellt dabei (abgesehen von einem eventuellen Schwanken der Laserleistung) ein konstantes Signal bereit. Dabei ist vorgesehen, dass das Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elementes 4 und das Ausgangssignal des weiteren lichtempfindlichen Elementes 40 auf ein konstantes Verhältnis geregelt werden. Dadurch wird verhindert, dass ein eventuelles Schwanken der Laserleistung die Regelung fälschlicherweise beeinflusst.
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Die 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, dass vom Grundsatz dem Ausführungsbeispiel der 9 entspricht. Davon abweichend ist einerseits die Filterkombination zwischen den beiden Strahlteilern 21, 22 angeordnet. Andererseits ist die Filterkombination nicht als integrales Bauteil, sondern durch zwei gesonderte Bauteile 31, 32 realisiert, die seriell angeordnet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 31, das das Selten-Erd-dotierte Bauelement bildet, vor dem Bauteil 32, das durch das Fabry-Perot-Etalon gebildet ist, angeordnet. Die Reihenfolge kann jedoch auch umgekehrt sein.
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Im Ausführungsbeispiel der 11 ist ein zusätzliches lichtempfindliches Element 42 vorgesehen, dass nur das transmittierte Licht des ersten Filters 31 erfasst. Das zweite lichtempfindliche Element 41 erfasst dagegen Licht, das sowohl den ersten Filter 31 als auch den zweiten Filter 32 passiert hat. Hierdurch ist eine separate Erfassung der Transmissionssignale des ersten Filters 31, der beispielsweise der Selten-Erd-dotierte Filter ist, möglich. Dies kann dazu dienen, die Signale der beiden Filter in der Regeleinheit 5 elektrisch zu überlagern und die Genauigkeit zu verbessern.
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Das Ausführungsbeispiel der 12 entspricht im Grundsatz dem Ausführungsbeispiel der 11, wobei jedoch beim Ausführungsbeispiel der 12 das Nutzsignal, das ausgekoppelt wird, nicht wie bei dem Ausführungsbeispiel der 11 hinter dem Strahlteiler 22 ausgekoppelt wird, nachdem es die Filter 31, 32 durchlaufen hat, sondern durch einen Strahlteiler 26 ausgekoppelt wird, bevor es die Filter 31, 32 durchläuft.
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Auch das Ausführungsbeispiel der 13 entspricht im Grundsatz dem Ausführungsbeispiel der 11. Hier ist der Laser 1 derart ausgebildet, dass er einen Resonator aufweist, aus dem aus zwei gegenüberliegenden Seiten Strahlung emittiert wird, wobei die aus der einen Seite austretende Strahlung auf die Filter 31, 32 gelenkt wird und die aus der anderen Seite austretende Strahlung als Nutzsignal verwendet wird.
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Die 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden Filter 31, 32 in einem parallel verlaufenden Strahlenverlauf angeordnet sind. Durch Strahlteiler 21, 27, 28 und einen reflektierenden Spiegel 25 wird ein Teil des emittierten Lichts durch den ersten Filter 31 geführt und die transmittierte Amplitude oder Intensität von einer Fotodiode 42 detektiert. Durch Strahlteiler 21, 27 und einen reflektierenden Spiegel 25 wird ein paralleler Lichtstrahl durch den zweiten Filter 32 geleitet und die transmittierte Amplitude oder Intensität von der Fotodiode 41 detektiert. Eine weitere Fotodiode 40 erfasst entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 9 einen Anteil der emittierten Strahlung, der keinen Filter durchlaufen hat und dient zur Bereitstellung eines Referenzwerts. Da bei dem Ausführungsbeispiel der 14 keine optische Überlagerung der Transmission durch die beiden Filter 31, 32 erfolgte, werden die entsprechenden, durch die Fotodioden 41, 42 bereitgestellten Signale z.B. in der Regelungseinheit 5 elektronisch addiert bzw. überlagert, so dass auf diese Weise entsprechend der 7 ein Transmissionsminimum 63a (oder ein Transmissionsmaximum 63b) als Referenzwert der Regelung bestimmt und anschließend eine Regelung auf diesen Referenzwert durchgeführt werden kann.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausgestaltung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele, die lediglich beispielhaft zu verstehen sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der erste Filter nicht durch ein Selten-Erd-dotiertes Bauelement, sondern durch einen Kantenfilter oder einen Interferenzfilter bereitgestellt wird.
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Des Weiteren wird darauf hingewiesen, dass die Merkmale der einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander kombiniert werden können.
