DE112011103954T5

DE112011103954T5 - Frequenzkamm-Quelle mit großem Abstand der Kammlinien

Info

Publication number: DE112011103954T5
Application number: DE112011103954T
Authority: DE
Inventors: Martin Fermann; Ingmar Hartl
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-08-29
Also published as: US9252561B2; US20160097963A1; US20120133931A1; CN103460526A; US8571075B2; WO2012074623A1; JP2013546189A; US9759983B2; US20140022533A1

Abstract

Ein Frequenzkamm-Laser, der einen großen Kammlinienabstand bereitstellt, wird offenbart. Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem. Der modengekoppelte Wellenleiterlaser umfasst einen Laserresonator, der einen Wellenleiter und ein Dispersionssteuerungselement (DCU) in dem Resonator aufweist. Die DCU gibt an den Strahl, der sich im Resonator ausbreitet, eine Winkel-Dispersion, eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) und einen räumlichen Chirp mit. Die DCU ist fähig, eine Netto-GVD in einem Bereich von einem positiven Wert bis zu einem negativen Wert zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen wird ein durchstimmbares faserbasiertes Frequenzkamm-System bereitgestellt, das als ein optischer Frequenz-Synthesizer konfiguriert ist. In mindestens einer Ausführungsform kann eine Mikrowellen-Quelle mit niedrigem Phasenrauschen implementiert werden mit einem faserbasierten Kammlaser, der einen Kammlinienabstand von größer als ungefahr 1 GHz aufweist. Das Lasersystem ist geeignet für serienmäßig herstellbare faserbasierte Kammquellen mit großem Kammlinienabstand und niedrigem Rauschen. Anwendungen umfassen hochauflösende Spektroskopie.

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 12/895,127, die am 30. September 2010 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Optical signal processing with modelocked lasers”.
Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 12/630,550, die am 3. Dezember 2009 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Highly rare-earth-doped optical fibers for fiber lasers and amplifiers”.
Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 12/399,435, die am 6. März 2009 eingereicht worden ist, mit dem Titel „Optical scanning and imaging systems based an dual pulsed laser systems”.
Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 11/546,998, die am 13. Oktober 2006 eingereicht worden ist und nun das US-Patent 7,809,222 ist, mit dem Titel „Laser based frequency standards and their application”.
Diese Anmeldung steht in Beziehung zur US-Patentanmeldung Nr. 11/372,859, die am 10. März 2006 eingereicht worden ist und nun das US-Patent 7,649,915 ist, mit dem Titel „Pulsed laser sources”.
Die Offenbarungen der Anmeldungen mit den Nummern 12/895,127, 12/630,550, 12/399,435, 11/546,998 und 11/372,859 werden hiermit in ihrer Gänze durch Bezugnahme eingeschlossen.
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf faserbasierte Quellen und Verstärker für Frequenzkämme mit großem Abstand zwischen den Kammlinien, die eine Steuerung der Wiederholrate und der Phase der Trägerwelle erlauben, wie auch auf ihre Anwendung bei Präzisionsmessungen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Faserlaser, die als Kamm-Quellen dienen, werden zunehmend die Laser der Wahl für Anwendungen in der Präzisionsspektroskopie. Viele dieser Anwendungen verlangen einen großen Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen in der Ordnung von einem GHz oder mehreren GHz, eine präzise Kammsteuerung über anpassbare Wiederholraten wie auch eine Steuerung der Phase der Trägerwelle. Darüber hinaus sollte das zeitliche Verwackeln (timing jitter) und das Rauschen der Trägerwellenphase bei diesen faserbasierten Kämmen minimal sein.
Viele Anwendungen für Kamm-Quellen sind tatsächlich gefunden worden und können zum Beispiel hochpräzise Frequenzsynthese, alle Arten von optischen Uhren (wie beschrieben in T. Udem et al., „Optical frequency metrology", Nature, Bd. 416, S. 233 (2002)) und Frequenzlineale für die Kalibrierung eines Spektrographen umfassen (wie beschrieben in C. H. Li et al., „A laser frequency comb that enables radial velocity measurements with a precision of 1 cm/s", Nature, Bd. 452, S. 610 (2008)). Andere Anwendungen sind von I. Hartl und M. E. Fermann im US-Patent 7,809,222 „Laser based frequency standards and their applications” gefunden worden.
Eine andere wichtige Anwendung betrifft Mikrowellen- oder Radiofrequenz-Quellen mit niedrigem Phasenrauschen für atomare Frequenzstandards, Radar und Fernerkundung, wie es in A. Bartels et al., Femtosecond-laser-based synthesis of ultrastable microwave signals from optical frequency references, Optics Letters, Bd. 30, Heft 6, S. 667–669 (2005) beschrieben wird.
Trotz vieler praktischer Fortschritte bei der faserbasierten Frequenzkamm-Technologie, sind faserbasierte Kamm-Quellen mit einem großen Abstand zwischen den Kammlinien noch immer schwer herzustellen und nicht leicht geeignet für eine Serienfertigung. Darüber hinaus ist die Erzeugung von breiten Frequenzspektren mit weit beabstandeten Kammlinien herausfordernd. Die Entwicklung von praktischen Kamm-Quellen für die Verwendung im mittleren Infrarot-Spektralbereich bleibt besonders schwierig.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung auf in Serie herstellbare, faserbasierte Kamm-Quellen mit großem Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen und niedrigem Rauschen und ihre Anwendungen gerichtet. Die Kamm-Quellen basieren auf modengekoppelten Wellenleiter-Oszillatoren.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst einen modengekoppelten Wellenleiter-Kammlaser, der eine kompakte Einheit zur Dispersionssteuerung (dispersion control unit, DCU) im Laserresonator aufweist. Die DCU kann fähig sein, eine effektive Gruppengeschwindigkeitsdispersion (group velocity dispersion, GVD) im Bereich von einem positiven Wert zu einem negativen Wert zu erzeugen und liefert vorzugsweise eine kontinuierliche Anpassung der Dispersion. In verschiedenen Implementierungen kann eine DCU einen viel geringeren Verlust liefern, als er mit Dispersionskompensatoren, die auf Faser-Bragg-Gittern basieren, erreichbar ist.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verwendung eines einzigen Winkel-dispersiven (angularly dispersive) optischen Elements ein sehr kompaktes und einfach anpassbares Element zur Dispersionskompensation liefern. Das dispersive Element kann in einen modengekoppelten Wellenleiter-Resonator integriert werden, was eine Steuerung von sowohl der Wiederholrate und der Trägerwellenphase als auch ein niedriges Rauschen der Trägerwellenphase erlaubt. Zusätzlich ist eine Steuerung der Bandbreite mit niedrigem Verlust integriert, was vorteilhaft für die Konstruktion von Pulsquellen mit hohen Pulsenergien ist.
Durch die Auswahl von großen Werten an negativer Dispersion innerhalb eines modengekoppelten Wellenleiter-Resonators mit hoher Wiederholrate wird eine gute Pulsstabilität erhalten.
Eine breitbandige Super-Kontinuum-Erzeugung wird weiterhin erleichtert mit einer verringerten Leistungsanforderung über eine Amplitudenmodulation des Outputs des Wellenleiter-Oszillators.
Eine Differenzfrequenz-Erzeugung wird weiterhin erleichtert mit einer verringerten Leistungsanforderung über eine Amplitudenmodulation des Outputs des Wellenleiter-Oszillators.
Die einzelnen Kammlinien sind schnell durchstimmbar durch die Implementierung eines Durchstimmens der Resonatorlänge (cavity length tuning). Der Output des Faserlasers kann weiterhin mit einem Einzelfrequenz-Laser wie einem Quantenkaskade-Laser gekoppelt werden, um einen schnell durchstimmbaren optischen Frequenz-Synthesizer zu erzeugen, der im mittleren Infrarot-Spektralbereich arbeitet. Schnell abstimmbare Frequenz-Synthesizer können weiterhin bei der Absorptionsspektroskopie verwendet werden.
Ein großer Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen ermöglicht die Auflösung von einzelnen Kammlinien durch die Verwendung von Standard-Spektroskopietechniken und die Implementierung von Breitband-Absorptionsspektroskopie.
Mikrowellen-Quellen mit niedrigem Phasenrauschen können konstruiert werden unter Verwendung von faserbasierten Kammlasern mit einem großen Abstand der Kammlinien, indem der Kammlaser mit einer präzisionsoptischen Referenzfrequenz gekoppelt wird unter Verwendung eines Mikrowellen-Schwebungssignals zwischen der optischen Referenz und dem Kammlaser. Die Frequenz des Schwebungssignals kann weiterhin mit der gemessenen Phasenschlupf-Frequenz (carrier envelope offset frequency) des Kammlasers gemischt werden, um eine sekundäre Schwebungsfrequenz zu erzeugen, die unabhängig von den Fluktuationen der Phasenschlupf-Frequenz des Kammlasers ist. Die Rauscheigenschaften der Mikrowellen-Quelle können weiterhin verbessert werden, indem die Output-Leistung des Kammlasers mit einem Rückkopplungsschaltkreis, welcher mit der Pumpleistung des Kammlasers verbunden ist, aktiv stabilisiert wird.
Eine Multi-Heterodynspektroskopie kann durchgeführt werden durch Verwendung eines modengekoppelten Lasers mit Duale-Wellenlänge-Output.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines auf einem Wellenleiter basierenden modengekoppelten Kammlasers, der einen durchstimmbaren Abstand der Kammlinien aufweist.
1A ist eine schematische Darstellung eines kompakten Dispersionssteuerungselements, das in Verbindung mit Wellenleitern verwendet werden soll.
1B ist ein Graph, der die Dispersion des kompakten Elements gemäß 1A veranschaulicht.
2 ist eine schematische Illustration der generischen Komponenten eines Dispersionssteuerungselements mit niedrigem Verlust, das in Verbindung mit Wellenleitern eingesetzt werden soll.
3 ist eine schematische Darstellung eines modengekoppelten faserbasierten Kammlasers, der ein kompaktes Dispersionssteuerungselement aufweist.
4 ist eine schematische Darstellung eines modengekoppelten faserbasierten Kammlasersystems mit einem großen Abstand der Kammlinien, welches einen externen Modulator für Superkontinuum- und Differenzfrequenz-Erzeugung mit verringerten Leistungsanforderungen umfasst.
5 ist eine schematische Darstellung eines bezüglich der Wiederholrate durchstimmbaren Lasersystems, das mit einem Einzelfrequenz-Laser kohärent gekoppelt ist.
6 ist eine schematische Darstellung eines bezüglich der Wiederholrate durchstimmbaren Kammlasersystems zur Verwendung in der Breitband-Präzisionsspektroskopie.
7 ist eine schematische Darstellung einer Mikrowellen-Quelle mit niedrigem Phasenrauschen, die auf einem Faserlaser mit großem Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen basiert.
8 ist eine schematische Darstellung eines Multi-Heterodynspektroskopiesystems, welches einen modengekoppelten Laser verwendet, der gleichzeitig bei zwei Wellenlängen betrieben wird.
Detaillierte Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
1 stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines bezüglich der Wiederholrate durchstimmbaren Wellenleiter-Lasers 100 mit einem großen Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen dar zur Verwendung in einem Wellenleiter-Lasersystem. Der durchstimmbare Wellenleiter-Laser 100 kann auch eine Steuerung von sowohl der Wiederholrate als auch der Trägerwellenphase umfassen und auch eine Dispersionssteuerungseinheit (DCU). In diesem Beispiel wird ein Design eines Fabry-Perot-Resonators mit zwei Resonatorspiegeln gezeigt, wobei der erste Resonatorspiegel (rechte Seite) auf einem piezoelektrischen Wandler montiert ist, was eine Steuerung nach der Art eines Kolbens erlaubt. Der andere Resonatorspiegel (linke Seite) wird zum Auskoppeln des Outputs verwendet und grenzt in diesem Beispiel an den Wellenleiter. Der erste Resonatorspiegel ist ebenfalls Teil der Dispersionssteuerungseinheit, was das Einstellen der Gruppengeschwindigkeitsdispersion über den gesamten Resonator erlaubt, wobei die Gruppengeschwindigkeitsdispersion über den gesamten Resonator vorzugsweise kontinuierlich von negativen zu positiven Werten eingestellt werden kann. Die Trägerwellenphase kann zum Beispiel gesteuert werden durch Steuern der optischen Pumpleistung an den Wellenleiter-Laser. Eine optische Pumpe kann über geeignete Strahlteiler integriert werden und wird nicht separat gezeigt. In verschiedenen Ausführungsformen können andere Techniken zum Steuern der Trägerwellenphase verwendet werden, allein oder in Kombination mit der Pumpsteuerung. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent 7,649,915 , 8–10 und der zugehörige Text verschiedene Techniken, welche Anordnungen umfassen, die Druck- und/oder Temperatursteuerung von Elementen innerhalb des Resonators bereitstellen.
Die 1A stellt eine beispielhafte Ausführungsform eines kompakten Teilsystems zur Dispersionssteuerung dar, welches in Verbindung mit einem Wellenleiter verwendet werden soll. Solch eine Dispersionssteuerungseinheit (DCU) wird bereitgestellt, die ein voluminöses optisches Element (bulk optical element) 103 einschließen kann, welches Winkel-Dispersion liefert, wie zum Beispiel ein voluminöses Beugungsgitter, ein Prisma oder ein Grism. In einer Konfiguration umfasst das System weiter zwei Linsen 101, 105 und einen Spiegel 107. Die Linse 101 auf der linken Seite kollimiert näherungsweise den Output des Wellenleiters (nicht gezeigt). Das voluminöse optische Element, in diesem Beispiel ein Beugungsgitter 103, beugt die blauen und roten spektralen Anteile des kollimierten Strahls, 113 bzw. 111 (entsprechend der Linie mit kurzem Strich und langem Strich bzw. der gepunkteten Linie) in verschiedene Winkelrichtungen und stellt demnach eine Winkel-Dispersion bereit. Die Fokussierlinse 105 fokussiert den Strahl auf einen Spiegel 107, welcher den Strahl über die Fokussierlinse 101 zurück zum Gitter 103 und zum Wellenleiter-Eingang lenkt. Da der Strahl, der zum Wellenleiter zurückgelenkt wird, einen räumlichen Chirp besitzt, hat der Strahl, welcher in den Wellenleiter zurückkommt, eine begrenzte Bandbreite. Jedoch kann eine solche Begrenzung der Bandbreite sehr hilfreich sein, um die Laserstabilität zu vergrößern, wenn eine solche Dispersionssteuerung als Teil eines modengekoppelten Wellenleiter-Laserresonators verwendet wird.
Im Beispiel der 1A wird eine Konfiguration gezeigt, die eine negative Gruppengeschwindigkeitsdispersion oder einfach eine negative Dispersion erzeugt. Die Gruppengeschwindigkeitsdispersion, die durch diese Konfiguration erzeugt wird, ist in erster Näherung bestimmt durch 1) die Gitterstrich-Zahl und 2) durch den Abstand zwischen der hinteren Brennebene der Fokussierlinse 105 (der Punkt 115, an dem sich rote und blaue Strahlen zwischen dem Gitter und der Fokussierlinse kreuzen) und der Gitterebene. Der Einfachheit halber bezeichnen wir diesen Abstand als den effektiven Gitterabstand (effective grating separation, EGS). Hier bezeichnet EGS > 0 den Fall, wenn der Strahlkreuzungspunkt auf der rechten Seite der Gitterebene liegt und EGS < 0 den Fall, wenn der Strahlkreuzungspunkt auf der linken Seite der Gitterebene liegt.
Es kann gezeigt werden, dass der angenäherte Wert, der durch den effektiven Gitterabstand induzierten Gruppengeschwindigkeitsdispersion dann nahe bei dem Wert der Gruppengeschwindigkeitsdispersion liegt, der durch ein klassisches Gitterpaar mit demselben Abstand eingeführt wird. Durch Anpassen dieses effektiven Gitterabstands kann dann die Dispersion von einem positiven zu einem negativen Wert angepasst werden, wobei eine positive Dispersion erhalten wird, wenn EGS < 0 und eine negative Dispersion erhalten wird für EGS > 0. Jedoch ist der Vorteil des Verwendens eines einzigen Gitters (im Vergleich zu einem klassischen Gitterpaar) der, dass weniger Verlust bei einer zentralen Wellenlänge eingeführt wird, was sehr wichtig für die Konstruktion von faserbasierten Frequenzkämmen in Resonatoren hoher Güte (high Q cavities) ist. Auf der anderen Seite werden Resonatoren hoher Güte benötigt für einen Betrieb mit niedrigem Rauschen.
In diesem Beispiel und wie in 1B gezeigt wird, wird ein Gitter mit 600 Linien/mm bei einer Wellenlänge von 1050 nm verwendet, welches eine Umlaufdispersion von ungefähr –7000 fs² bei einem effektiven Gitterabstand von 5 mm erzeugt. Beugungsgitter können eine Beugungseffizienz von 98–99% besitzen, wenn man Reflektionsverluste bei den Linsen berücksichtigt, so dass ein anpassbares Dispersionssteuerungselement einen Verlust von nur 5–10% haben kann.
Noch niedrigere Verluste können erreicht werden, wenn die Linsen durch Spiegel ersetzt werden oder wenn das Beugungsgitter durch ein Prisma, welches aus einem Material wie beispielsweise ZnS gefertigt ist, ersetzt wird. Die Gleichwertigkeit von Linsen und Spiegeln und von Gittern und Prismen für Anwendungen zur Kompensierung von Gruppengeschwindigkeitsdispersion ist aus der klassischen Optik bekannt und benötigt keine weitere Erklärung.
Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen statt der Verwendung von zwei Linsen nur eine Linse oder ein Spiegel in Verbindung mit einem eine Winkel-Dispersion einführenden Element oder einem Prisma verwendet werden, um eine kontrollierte Menge von Dispersion in einen Resonator einzuführen. In der einfachsten Konfiguration kann ein in einem Winkel geschnittener (angeschrägter) oder polierter Wellenleiter als ein Prisma verwendet werden in Verbindung mit einer oder zwei Linsen oder Spiegeln, um eine steuerbare Dispersion in einen Resonator einzuführen.
Einige Komponenten einer Dispersionssteuereinheit mit niedrigem Verlust werden weiterhin in 2 beispielhaft dargestellt. In diesem Beispiel umfassen die Elemente eine Dispersionssteuerungseinheit, die an einem Output des Wellenleiters gezeigt wird, zumindest ein Kollimations- oder fokussierendes optisches Element und ein einziges optisches Element, das eine Winkel-Dispersion erzeugt. Darüber hinaus kann optional ein räumlicher Chirp eingeführt werden an der Endfläche des Wellenleiters bei der Rückreflexion. Eine Gruppengeschwindigkeitsdispersion kann in den Resonator eingeführt werden mit irgendeiner optischen Struktur, die Winkel-Dispersion erzeugt und kann ein Prisma (wie schematisch dargestellt), ein Gitter oder irgendeine geeignete Kombination von beugenden, reflektierenden oder brechenden Strukturen in einer voluminösen und/oder integrierten Konfiguration sein, die im Volumen eines optischen Materials und/oder an oder nahe einer Oberfläche konfiguriert ist.
Ein Dispersionssteuerungselement, wie es in einem kompakten Frequenzkammlaser mit einem großen Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen verwendet wird, wird weiterhin in 3 gezeigt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine Yb-dotierte Faser verwendet werden. Beispielhaft offenbart die US-Patentanmeldung Nr. 12/630,550 mit dem Titel „Highly rare-earth-doped optical fibers for fiber lsers and amplifiers” einige Faserlaser- und -verstärker-Konfigurationen mit hohem Gain, die für Faserlaser mit einer GHz-Wiederholrate geeignet sind. Diese Faser kann einen Kerndurchmesser von 4 μm besitzen und kann mit einem Yb-Dotierniveau konstruiert werden, das eine Absorption von ungefähr 50 dB/cm bei 976 nm bereitstellt. Solche Fasern können einen Gain von bis zu 5 dB/cm bei 1030 nm erzeugen, wenn sie mit einigen hundert mW bei 976 nm gepumpt werden. Die Pumpseite der Faser kann direkt mit einem dielektrischen Überzug beschichtet werden, der beinahe 100% Transmission bei 976 nm bereitstellt und ungefähr 0,1–10% Reflektivität bei 1050 nm. Die in einem Winkel polierte oder in einem Winkel geschnittene Seite der Faser kann antireflektierend beschichtet sein. Der Spiegel des sättigbaren Absorbers kann entworfen werden, um Schaden durch ein Güte-Schalten des Lasers (laser Q-switching) als eine verteilte Struktur mit vergrößerter Zwei-Photonen-Absorption zu begrenzen, wie es in dem US-Patent 6,956,887 , „Resonant Fabry-Perot semiconductor saturable absorbers and two photon absorption power limiters” von Jiang et al. offenbart ist. Vorzugsweise wird ein auf einem Halbleiter basierender Spiegel des sättigbaren Absorbers implementiert, aber ein auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder auf Graphen basierender sättigbarer Absorber, wie er im Stand der Technik bekannt ist, kann ebenfalls verwendet werden.
Die Linse 303 auf der linken Seite kollimiert den Output der Faser und kann eine Brennweite von 0,45 mm besitzen, und die Linse 305 auf der rechten Seite fokussiert den Output auf den Spiegel des sättigbaren Absorbers und kann eine Brennweite von ungefähr 1,12 mm besitzen. Ein Viertel-Wellenlänge-Plättchen kompensiert mögliche Polarisationsverluste innerhalb des Resonators. Wenn die Fasern mit niedriger Spannung montiert sind, kann die Depolarisierung innerhalb der im Resonator angeordneten Faser ausgeschaltet werden und das Viertel-Wellenlänge-Plättchen kann ebenfalls weggelassen werden. Alternativ kann, wie im Stand der Technik bekannt ist, die Polarisation innerhalb der Faser geeignet angepasst werden durch die Verwendung von externen Spannungen.
Ein Transmissionsgitter mit einer Gitterstrichdichte von 1000 Linien/mm mit einer Beugungseffizienz > 98% bei 1050 nm kann zur Dispersionssteuerung verwendet werden. Die Linsen 303, 305 können eine kombinierte optische Weglänge bei doppeltem Durchgang (double pass optical path length) von 7 mm aufweisen, während das Gitter eine optische Weglänge von 3 mm bei einem Umlauf aufweist. In einer Littrow-Konfiguration erzeugt das Gitter eine Dispersion von ungefähr –6700 fs² pro mm effektivem Gitterabstand. Demnach ist ein effektiver Gitterabstand von nur 0,5 mm erforderlich, um die Umlaufdispersion von ungefähr 4 cm Quarzglasfaser, welche bei 1050 nm arbeitet, zu kompensieren.
Die typische optische Weglänge bei einem Umlauf in freier Luft (free space round trip) bei einem effektiven Gitterabstand von 0,5 mm gemäß dem obigen Beispiel wird demnach als 15 mm berechnet. Wenn man eine Faserlänge von 5 mm annimmt, kann die optische Weglänge eines gesamten Umlaufs ungefähr 30 mm sein. Demnach kann ein modengekoppelter Faserlaser mit einer Wiederholrate von bis zu 10 GHz in dieser Weise konstruiert werden. Der modengekoppelte Faserlaser wird außerdem im Bereich negativer Dispersion betrieben. Der Resonatorverlust eines Gesamtumlaufs kann so klein wie 10% oder kleiner sein.
Ein Vorteil des Verwendens eines Dispersionssteuerungselements wie gezeigt ist es, dass der Verlust innerhalb des Resonators gering ist, was einen Resonator mit hoher Güte (high Q cavity) und niedrigem Rauschen der Trägerwellenphase erzeugt, während Flexibilität zur Anpassung bereitgestellt wird. Die Phasenschlupf-Frequenz (carrier envelope Offset frequency) kann leicht angepasst werden durch entweder Kippen des Spiegels, welcher den sättigbaren Absorber enthält, oder durch Bewegen von einer oder zwei Linsen senkrecht zur Strahlrichtung in der Ebene der Zeichnung der 1. Alternativ kann ein Schlitz oder eine Kante entlang derselben Richtung bewegt werden. Die Wiederholrate kann außerdem angepasst werden durch Anwenden einer kolbenartigen Bewegung auf den Spiegel des sättigbaren Absorbers. Darüber hinaus können andere Verfahren zur Steuerung von Wiederholrate und Trägerwellenphase implementiert werden, wie sie zum Beispiel in den US-Patenten 7,649,915 von Fermann et al. und 7,809,222 von Hartl et al. beschrieben werden.
Ein modengekoppelter Kammlaser wurde konstruiert gemäß den schematischen Darstellungen, die in den 1 und 3 gezeigt werden, wobei eine Wiederholrate von 1,5 GHz erhalten wurde mit einer Yb-Faserlänge von 4 cm, wobei der Verlust innerhalb des Resonators ungefähr 30–40% betrog. Das System arbeitete mit einer Peak-Leistung innerhalb des Resonators von 75 W an der Modenkopplungsschwelle bei einer Pulsbreite von 400 fs. Die entsprechende minimale Menge von Selbstphasenmodulation, um Modenkoppeln zu erreichen, wurde als 0,06 abgeschätzt. Der Laser arbeitete mit einer Dispersion innerhalb des Resonators von ungefähr –2000 fs² und erzeugte Solitonpulse. Die entsprechende Faserdispersion war ungefähr +3200 fs². Wenn man dieselbe Selbstphasenmodulation und Peakleistungsanforderungen bei 10 GHz annimmt, wird die für stabiles Modenkoppeln in solch einem Laser erforderliche resonatorinterne Peak-Leistung bei 10 GHz zu 600 W berechnet, was einer durchschnittlichen Leistung innerhalb des Resonators von 2,4 W entspricht, die erreichbar ist, wenn mit Einzelmoden-Diodenlaser-Pumpquellen gepumpt wird. Im Allgemeinen ist eine Dispersion des gesamten Resonators von –0,1 FD < –FD < –10 FD oder bevorzugt im Bereich –0,3 FD < –FD < –6 FD wünschenswert für die Erzeugung von stabilen Solitonpulsen bei Wiederholraten von > 1 GHz, wobei FD der absolute Wert der Faserdispersion ist. Die untere Grenze (bezüglich des Absolutwerts) wird durch Betrachtungen zur Laserstabilität bestimmt, während die obere Grenze durch das Ziel bestimmt wird, die kürzestmöglichen Pulse für die nachfolgende kohärente Superkontinuum-Erzeugung zu produzieren. Für eine spätere Bezugnahme bezeichnen wir diese Werte als Soliton-Stabilitätsbereich.
Zusätzlich zu einer Yb-dotierten Faser können auch andere Seltenerddotierte Fasern, die Dotierstoffe wie Er, Er/Yb, Tm, Ho/Tm, Ho, Nd oder Pr verwenden, ebenfalls für die Konstruktion von faserbasierten Frequenzkämmen mit großem Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen verwendet werden. Statt einer Anordnung von voluminösen optischen Elementen, wie sie hier für Dispersionssteuerung gezeigt wird, können auch gechirpte Spiegel, Gires-Tournois-Spiegel wie auch dispersive sättigbare Absorberspiegel verwendet werden, um anpassbare Mengen von Dispersion in dem Resonator bereitzustellen. Schemata für eine angemessene Steuerung der Dispersion und der Phasenschlupffrequenz bei GHz-Wiederholraten wurden zum Beispiel im US-Patent 7,649,915 diskutiert. Wenn Fasern mit insgesamt negativer Dispersion verwendet werden, ist Dispersionskompensierung nicht erforderlich und Wiederholraten > 10 GHz können erhalten werden mit keinem oder wenigen „free space”-optischen Elementen.
Zusätzlich zum Wertvollsein beim Design von Lasern mit hoher Wiederholrate kann die kompakte Dispersionssteuereinheit aus 1 ebenfalls als ein die Bandbreite begrenzendes Gerät beim Design von Faserlasern verwendet werden, die im Bereich positiver Dispersion arbeiten und bei Similariton-Faserlasern, wie sie zum Beispiel in den US-Patenten 6,885,683 und 7,782,910 offenbart sind. Im Gegensatz zu einem optischen Filter oder einem Faser-Bragg-Gitter kann die Dispersionssteuereinheit aus 1 verwendet werden, um einen kontinuierlich anpassbaren Bandbreitenfilter mit null oder anpassbarer Dispersion bereitzustellen. Solch eine Anordnung ist vorteilhaft für die Erzeugung von hochenergetischen Pulsen. Solch ein Bandbreitenfilter kann am Ende eines Fabry-Perot-Resonators oder als Teil eines Ringresonators oder eines sogar noch komplizierteren Resonatordesigns, welches geeignete optische Komponenten verwendet, verwendet werden. Polarisationserhaltende Designs sind ebenfalls möglich. Im Fall eines Fabry-Perot-Resonators kann ein Resonator-Design, wie es in 3 gezeigt wird, implementiert werden. Im Fall eines Ringresonators könnte die kompakte Dispersionssteuereinheit über einen geeignet eingefügten Polarisationsstrahlteiler integriert werden. Viele Resonator-Designs für modengekoppelte Laser oder passiv modengekoppelte Laser sind bekannt, und das vorliegende Design kann in jedes von ihnen integriert werden.
Ein Problem bei Kammlasern, die große Abstände zwischen den Kammlinien/Kammfrequenzen besitzen, ist die Anforderung an eine erhöhte Durchschnittsleistung für nichtlineares, spektrales oder Frequenz-Verbreitern, welche auftritt, wenn die Wiederholrate des Kamms oder des modengekoppelten Lasers in den Multi-GHz-Bereich erhöht wird. Eine Möglichkeit, um eine solche Begrenzung zu vermeiden, wird in 4 gezeigt. Hier wird nach der Frequenzkamm-Quelle ein Amplitudenmodulator eingefügt, um den Output des Kammlasers langsam bezüglich der Amplitude zu modulieren. Zum Beispiel kann solch ein Amplitudenmodulator bei einer Frequenz von 1 kHz arbeiten und ein Puls-Pausen-Verhältnis (mark to space ratio) von 1 zu 10 erzeugen, das heißt eine Transmissionsöffnung für ungefähr 100 μs und blockierte Transmission für ungefähr 900 μs. Einer oder mehr Faserverstärker können stromabwärts vom Modulator angeordnet werden. Die Anforderungen an die Pumpleistung für einen Leistungs-Faserverstärker, um Pulse mit einer bestimmten Peak-Leistung zu erzeugen, können demnach um ungefähr den Faktor zehn verringert werden. Nach der Verstärkung können die Pulse dann in eine oder mehrere nichtlineare Frequenzverbreiterungsstufen gekoppelt werden, welche zum Beispiel Superkontinuum-Erzeugung und Differenzfrequenz-Erzeugung umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine hochgradig nichtlineare Faser (highly non-linear fiber, HNLF) in einer oder mehreren Stufen eingesetzt werden. Solche Anordnungen wurden in der US-Patentanmeldung Nr. 12/895,127 und anderen Anmeldungen, die hier durch Bezugnahme eingeschlossen sind, diskutiert. Wegen der verringerten Anforderung an die Durchschnittsleistung in dieser Implementierung ist das thermische Management der gesamten Anordnung ebenfalls viel einfacher. Irgendein Amplitudenmodulator kann implementiert werden; besonders nützlich sind elektro-optische Modulatoren, die außerdem gesteuert werden können, um die zeitabhängigen Antworten (responses) des Leistungsfaserverstärkers zu kompensieren, das heißt durch geeignet gesteuerte Modulation kann ein quadratischer Puls am Output des Leistungsverstärkers erzeugt werden, und ein Schwingen (ringing) oder ein Überschießen im Faserverstärker kann vermieden werden. Solche Designs sind wohlbekannt in der gewöhnlichen Faserverstärker-Technologie und brauchen keine weitere Erklärung.
Indem eine relativ niedrige Amplitudenmodulationsfrequenz und ein relativ langes Öffnungsfenster verwendet werden, wird die spektrale Bandbreite der einzelnen Kammlinien nur minimal beeinflusst, da die erreichbare Bandbreite einer einzelnen Kammlinie ungefähr das Inverse des Transmissionsfensters ist. Für ein Transmissionsfenster von 100 μs kann demnach eine Kammlinienbreite von ungefähr 10 kHz erreicht werden. Die Wiederholrate wie auch die Phasenschlupf-Frequenz (carrier envelope Offset frequency) des Kammlasers können gesteuert werden, wenn man z. B. mindestens einen Dauerstrich-Referenzlaser verwendet. Solche Schemata sind im Stand der Technik wohlbekannt.
Alternativ kann ein f – 2f-Interferometer (nicht gezeigt) nach der nichtlinearen Frequenzverbreitungsstufe über einen Strahlteiler eingefügt werden. Die Phasenschlupf-Frequenz kann auf diese Weise direkt gemessen werden; darüber hinaus kann die Phasenschlupf-Frequenz gesteuert werden, wenn eine geeignete elektronische Rückkopplung an den Oszillator-Pumpstrom oder an andere Komponenten innerhalb des Resonators, wie sie mit Bezug auf 1 diskutiert worden sind, verwendet wird. Kammlaser mit niedrigem Rauschen sind vorteilhaft für solche Schemata, da sie Fluktuationen der Trägerwellenphase zwischen separaten zeitlichen Transmissionsfenstern des Amplitudenmodulators minimieren. Irgendein geeigneter mit Seltenen Erden dotierter Verstärker kann in solchen Schemata implementiert werden; darüber hinaus können hier Festkörper-basierte, Halbleiter-basierte oder auf einem Mikroring-Resonator basierende Multi-GHz-Oszillatoren in Verbindung mit Faserverstärkern eingesetzt werden. Geeignete Mikroring-Resonatoren wurden z. B. in P. Del'Haye et. al. „Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator", Nature, vol. 450, S. 1214–1217 (2007) beschrieben. Solche faserbasierten Kamm-Quellen können weitreichend angewendet werden als Frequenzlineale, wie sie z. B. bei der Kalibrierung von astronomischen Spektrographen erforderlich sind.
Einige Anwendungen können sogar höhere Wiederholraten erfordern und diese können z. B. durch die Integration von Wiederholratenmultiplikationsresonatoren erzeugt werden, d. h. Resonatoren, die mit einer optischen Umlauf-Weglänge bei genau einer Harmonischen der Umlauf-Weglänge des Oszillators konfiguriert sind. Wiederholraten-Multiplikation mit Faktoren 2–100 können ohne weiteres erhalten werden, wie im Stand der Technik wohlbekannt ist und wurde z. B. bei T. Sizer in „Increase in laser repetition rate by spectral selection" IEEE. J. Quantum Electronics, vol. 25, S. 97–103 (1989) und in der US-Patentanmeldung 12/895,127 „Optical signal processing with modelocked lasers” von Fermann et. al. vorgeschlagen und wird hier nicht weiter beschrieben.
Eine Kombination von den Systemen, die in den 3 und 4 dargestellt werden, erlaubt die Konstruktion von schnell durchstimmbaren Frequenz-Synthesizern. Solch ein Design wird schematisch in 5 gezeigt. Unter Bezugnahme auf 5 umfasst das Synthesizer-System einen durchstimmbaren GHz-Kammlaser 500, der an eine Kamm-Steuerungseinheit zur Steuerung der Wiederholrate gekoppelt ist. Ein durchstimmbares faserbasiertes Multi-GHz-Kammsystem kann konstruiert werden unter Verwendung eines in 3 gezeigten Designs durch Anordnung des Spiegels des sättigbaren Absorbers auf einem piezoelektrischen Wandler (nicht gezeigt) mit Kolbensteuerung, die die Wiederholrate des Lasers modifiziert. Wegen des räumlichen Chirps des Strahls auf dem sättigbaren Absorber kann solch ein Schema auch einige Variationen in der Phasenschlupf-Frequenz erzeugen.
Alternativ kann ein modengekoppelter Faserlaser mit Wiederholraten-Steuerung und niedriger Variation in der Phasenschlupf-Frequenz aus dem in 3 gezeigten Design abgeleitet werden durch Anwenden einer kolbenartigen Steuerung auf einen Resonatorspiegel, bei dem es keinen räumlichen Chirp gibt. Zum Beispiel könnte das Pumplicht in die dotierte optische Faser eingekoppelt werden durch Entfernen der dichroitischen Beschichtung auf der linken Seite der in 3 gezeigten Faser und durch Ersetzen derselben mit einem voluminösen optischen (bulk optics) dichroitischen Strahlteiler. Das Pumplicht kann dann über den Strahlteiler in die Faser eingekoppelt werden, und das Licht innerhalb des Resonators kann auf einen separaten Spiegel mit Kolben-Steuerung gerichtet werden. Zusätzliche Strahlteiler könnten für das Output-Koppeln eingefügt werden, oder einfach der restliche Output nullter Ordnung des resonatorinternen Gitters könnte zum Output-Koppeln verwendet werden. Andere Resonator-Designs wurden z. B. in 17a und 17b der US-Patentanmeldung 12/895,127 „Optical signal processing with modelocked lasers” von Fermann et. al. diskutiert und werden hier nicht weiter erläutert. Andere Implementierungen und Variationen sind möglich.
Wieder auf 5 Bezug nehmend wird nach dem durchstimmbaren Kamm-Generator 500 eine optionale nicht-lineare spektral- oder frequenzverbreiternde Stufe (wie sie oben mit Bezug auf 4 diskutiert worden ist) eingeschlossen zur erhöhten spektralen Abdeckung. Eine einzelne Linie aus dem breitbandigen spektralen Output wird dann mit dem Output eines bzgl. der Wellenlänge durchstimmbaren Einzelfrequenz-Slave-Lasers, z. B. einem Quantenkaskade-Laser, gemischt. Ein Quantenkaskade-Laser kann eine nominale Wellenlänge im mittleren bis entfernten Infrarot (IR)-Wellenlängenbereich haben. Durch Richten des Kamm-Outputs und des Outputs des Quantenkaskade-Lasers auf einen Detektor und Begrenzen der Detektionsbandbreite des Detektors unter Verwendung einer Detektor/Filter-Anordnung (z. B. Fotodetektor und Radiofrequenz-Filter) kann eine bestimmte Kammlinie ausgewählt werden, wie dargestellt wird. Zusätzliche optische Filter können ebenfalls zur Kammlinien-Selektion implementiert werden oder um das Schrotrauschen auf dem Detektor zu verringern. Radiofrequenz- und optische Filtertechniken sind wohlbekannt im Stand der Technik und werden hier nicht weiter erläutert. Durchstimmbare Einzelfrequenz-Laser, die vom Koppeln der optischen Frequenz des Einzelfrequenz-Lasers an den Output eines durchstimmbaren Kammlasers abgeleitet werden, wurden z. B. diskutiert in B. R. Washburn et. al. „Fiber-laserbased frequency comb with a tunable repetition rate", Opt. Expr, vol. 12, S. 4999 (2004). Jedoch wurde nur ein Kammlinienabstand von 50 MHz verwendet.
Der Output von dem Detektor-/Filter-Modul kann verwendet werden, um den Slave-Laser in einer Rückkopplungsanordnung zu regeln. Das Schwebungssignal zwischen dem Kontinuum-Output aus der Verbreiterungsstufe und dem versklavten Einzelfrequenz-Laser, der vorzugsweise ein Quantenkaskade-Laser sein kann, kann dann in der Rückkopplungsschleife verwendet werden, um die Wellenlänge des Einzelfrequenz-Slave-Lasers zu regeln, wie in 5 dargestellt. Analoges und/oder digitales Signalverarbeiten (nicht gezeigt) kann ebenfalls im Rückkopplungssystem verwendet werden, um verschiedene Parameter zu überwachen und/oder zu regeln. Zum Beispiel kann während des Durchstimmens der Wiederholrate des Kammlasers die Output-Wellenlänge des Quantenkaskade-Slave-Lasers ebenfalls durchgestimmt werden, indem einfach die Frequenz des Schwebungssignals konstant gehalten wird. Dies kann z. B. gemacht werden durch angemessenes Steuern des Antriebsstroms an den Quantenkaskade-Laser oder durch Steuern seiner Temperatur, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Andere Schemata zum Durchstimmen der Wellenlänge von Quantenkaskade-Lasern wurden z. B. diskutiert in S. Bartaline et. al. „Frequency metrology with quantum cascade lasers", Proceedings of SPIE, Vol. 7222, S. 72220C1-1–7222c1-10 und werden hier nicht weiter diskutiert.
Ein Vorteil eines faserbasierten Kammlasers mit großem Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen ist es, dass Wellenlängen-Kalibrierung vereinfacht wird wegen der verringerten Zahl von Spektrallinien; darüber hinaus ist die erforderliche Kolbenbewegung δL für eine bestimmte Frequenzverschiebung δf proportional zum Quadrat der Wiederholrate des Kammlasers, d. h. δf = cf² δL. Die Verwendung eines Kammlasers mit niedrigem Rauschen und hoher Wiederholrate erlaubt eine schnelle Frequenzsynthese mit einem Quantenkaskade-Laser, während die Anforderung für die Stabilisierung der Phasenschlupf-Frequenz des Kammlasers minimiert wird. Für Anwendungen, die nur eine moderate Frequenzauflösung von 10–100 MHz erfordern kann sogar die kontinuierliche Steuerung der Phasenschlupf-Frequenz ausgeschaltet werden. Kammlaser-Wiederholraten für eine Frequenzsynthese mit Quantenkaskade-Lasern von > 1 GHz sind besonders wünschenswert; für einige Anwendungen können Wiederholraten > 250 MHz ausreichend sein. Wenn Differenzfrequenz-Mischen verwendet wird, um einen spektralen Output in der Nähe des Quantenkaskade-Lasers zu erzeugen, wird die Phasenschlupf-Frequenz auf null gesetzt, wie es dem Fachmann wohlbekannt ist und z. B. im US-Patent 6,724,788 von Holzwarth. et al. diskutiert wird. Dies erlaubt die Bestimmung der optischen Frequenz des Einzelfrequenz-Lasers nur aus der Wiederholrate des Kammlasers wie auch der Frequenzkamm-Ordnung.
Frequenzkamm-Laser mit großem Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen können weiterhin implementiert werden in Spektroskopie-Anwendungen mit hoher Auflösung in Kombination mit konventionellen spektroskopischen Elementen, wie in 6 gezeigt wird. Hier ist ein bezüglich der Wiederholrate durchstimmbarer faserbasierter Frequenzkamm-Laser mit einem Kammlinienabstand > 1 GHz, der auf Seltenerd-Dotiermitteln wie Yb, Tm, Nd, Pr, Er, Er/Yb oder Ho oder Ho/Yb basiert, dargestellt. Der Kammlaser kann weiterhin ein Mittel zur Kontrolle der Wiederholrate und der Phasenschlupf-Frequenz umfassen, wie z. B. in Bezug auf 1 und 3 diskutiert worden ist. Weiterhin empfängt, wie in 6 dargestellt wird, ein Detektor D1 Outputs aus einem Referenzlaser und einem durchstimmbaren Kammlaser und leitet ein Schwebungssignal ab, welches zur Frequenzüberwachung oder zur Steuerung eines durchstimmbaren GHz-Lasers über eine Rückkopplungsschleife (nicht gezeigt) nützlich ist. Optisches Referenzieren kann z. B. das Interferieren des Kamms mit einem festen Dauerstrich-Referenzlaser umfassen, wie es ebenfalls in 6 gezeigt wird, unter Verwendung von zwei Strahlteilern BS1 und BS2 wie auch des Detektors D1 zur Detektion des Schwebungssignals. Die beobachtete Schwebungsfrequenz ist dann direkt proportional zur Distanz im Frequenzraum zwischen einer Kammlinie und dem Einzelfrequenz-Laser.
Wie in 6 dargestellt wird, kann eine optische Frequenz- oder Spektralverbreiterungsstufe verwendet werden und kann stromabwärts von dem Amplitudenmodulator angeordnet werden. Diese Spektralverbreiterungsstufe kann Differenzfrequenz-Mischen verwenden, um in dem Kamm-Output die Unsicherheit bzgl. der Phasenschlupf-Frequenz aufzuheben. Ein zusätzlicher Amplitudenmodulator kann ebenfalls verwendet werden, wie in Bezug auf 4 diskutiert worden ist, um so die Anforderung an die Durchschnittsleistung für das nichtlineare Spektralverbreitern zu reduzieren. Ebenfalls können zusätzliche Faserverstärker (nicht gezeigt) nach dem Amplitudenmodulator implementiert werden, wie in Bezug auf 4 diskutiert worden ist.
Der Output von der Pulsquelle durchläuft dann ein Testobjekt, z. B. eine Gaszelle, bevor er mit einem Gitter-Spektrometer und einem virtuell abgebildeten Phase-Array (Virtually Imaged Phase Array, VIPA) in einer oder zwei Richtungen verteilt wird, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Bei einem ausreichenden Abstand der Kammlinien können einzelne Kammlinien in einer oder zwei Dimensionen auflöst werden bzw. auf einen ein- oder zweidimensionalen Detektor-Array abgebildet werden. Eine optische Auflösung von ungefähr 1–10 GHz pro Pixel des Detektors ist demnach erreichbar.
Ein Schema mit einem auf einem Festkörperlaser basierenden Kammsystem mit Multi-GHz-Wiederholrate und einem zweidimensionalen Winkel-Dispersionselement wie auch einem zweidimensionalen Detektor-Array wurde früher in S. Diddams et al. „Molecular fingerprinting with the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb", Nature, vol. 445, S. 627 (2007) beschrieben. Jedoch wurde kein System mit einem auf einem Faserlaser basierenden Kammlaser mit Multi-GHz-Wiederholrate in Betracht gezogen. Mit den hier beschriebenen Fortschritten können Frequenzkamm-Laser mit niedrigem Rauschen, die bei Wiederholraten von 10 GHz und höher arbeiten, konstruiert werden, was solche Schemata sehr attraktiv macht. Darüber hinaus kann eine zur Breite der Kammlinie äquivalente Frequenzauflösung erhalten werden durch langsames Scannen der Wiederholrate des Frequenzkamm-Lasers, während die Modulation des Signals auf jedem einzelnen Pixel des Detektor-Arrays detektiert wird. Bei Frequenzkamm-Abständen, die größer als ungefähr 10 GHz sind, wird ein zweidimensionaler Detektor-Array nicht benötigt, da einzelne Kammlinien z. B. aufgelöst werden können unter Verwendung von zwei oder mehr konventionellen Beugungsgittern in Serie oder mehrfachen Durchläufen oder Reflektionen von einem einzelnen Gitter. Die Verwendung eines eindimensionalen Detektor-Array verringert im Allgemeinen die Kosten des Detektionssystems, während die Aufnahmegeschwindigkeit erhöht wird.
Außerdem kann die Position der Kammlinien langsam durchgescannt und gleichzeitig bei hohen Frequenzen im Frequenzraum moduliert werden, um eine breitbandige differenzielle Absorptions-Spektroskopie bei mehreren Absorptionsbanden gleichzeitig zu ermöglichen. Solche Schemata sind wohlbekannt aus der Spektroskopie mit einem einzelnen Laser. Viele andere spektroskopische Techniken können auf die breitbandige Detektion angepasst werden, wobei die Hauptanforderung die optische Auflösung von einzelnen Kammlinien ist.
Der generische Aufbau von solchen Detektionsschemata beinhaltet eine Multi-Kammlinien-Frequenzanalyse, bei der ein durchstimmbarer faserbasierter Frequenzkamm-Erzeuger bereitgestellt wird, eine Probe mit einer Mehrzahl von Kammlinien bestrahlt wird und die einzelnen Kammlinien durch die Probe transmittiert werden oder von dieser reflektiert werden und optisch aufgelöst und abgebildet werden auf einen ein- oder zweidimensionale Detektor-Array, und eine physikalische Charakteristik der Probe wird bestimmt aus der Antwort des Detektor-Arrays auf die physikalische Charakteristik der Probe.
Die einzelnen Frequenzen der einzelnen Kammlinie können bestimmt werden oder gesteuert werden durch Messungen der momentanen Wiederholrate des Frequenzkammes wie auch der momentanen Phasenschlupf-Frequenz unter Verwendung von z. B. einem f – 2f-Interferometer (nicht gezeigt), wie es im Stand der Technik bekannt ist. Andere Verfahren zum Bestimmen der momentanen Frequenzen der Kammlinie sind ebenfalls möglich und können z. B. ein optisches Referenzieren beinhalten. Wie oben diskutiert kann das optische Referenzieren z. B. das Interferieren des Kammes mit einem festen Dauerstrich-Referenzlaser umfassen, wie es auch in 6 gezeigt wird unter Verwendung von zwei Strahlteilern BS1 und BS2 und des Detektors D1 zur Detektion des Schwebungssignals. Die beobachtete Schwebungsfrequenz ist dann direkt proportional zur Distanz im Frequenzraum zwischen einer Kammlinie und dem Einzelfrequenz-Laser. Optische Hybride (wie sie im Stand der Technik bekannt sind) können weiterhin implementiert werden, um zu bestimmen, auf welcher Seite des Dauerstrich-Lasers die Kammlinie sich befindet. Mehr als ein Dauerstrich-Referenzlaser kann außerdem implementiert werden, um den absoluten Ort des abtastenden Kamms im Frequenzraum zu messen. Das optische Referenzieren hat den Vorteil, dass keine präzise Steuerung der aktuellen Phasenschlupf-Frequenz oder Wiederholrate des durchstimmbaren Kammlasers erforderlich ist. Optisches Referenzieren wurde z. B. in der US-Patentanmeldung 12/895,127 „Optical signal processing with modelocked lasers” von Fermann et al. diskutiert. Verschiedene andere Schemata zur Messung der momentanen optischen Frequenz eines bzgl. der Frequenz durchgefahrenen (frequency swept) Einzelfrequenz-Lasers wurden in F. R. Giorgetta et al. „Fast highresolution spectroscopy of dynamic continuous-wave laser sources" Nature Photonics (2010) diskutiert und werden hier nicht weiter erläutert. Wenn diese Verfahren angewendet werden, ist es vorteilhaft, eine individuelle Kammlinie herauszufiltern, wie es leicht möglich ist bei weit beabstandeten Kammlinien, indem z. B. Fasergitter verwendet werden.
Eine andere attraktive Anwendung von faserbasierten Frequenzkamm-Lasern mit großem Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen sind Mikrowellen-Quellen mit niedrigem Phasenrauschen. Eine beispielhafte Ausführungsform einer Mikrowellen-Quelle, die auf einem Faser-Kamm mit niedrigem Phasenrauschen basiert, wird in 7 gezeigt. Im Beispiel der 7 werden optische Wege mit gestrichelten Linien dargestellt und elektrische Rückkopplungssignalwege mit durchgezogenen Linien.
Ein faserbasierten Kammlaser mit einem Kammlinienabstand > 1 GHz wird in 7 gezeigt. Eine der Kammlinien aus dem Kammlaser wird mit dem Output eines optischen Dauerstrich-Referenzlasers kombiniert und mit dem Detektor D1 detektiert, wie früher diskutiert worden ist z. B. mit Bezug auf 5. Der Detektor D1 aus 7 erzeugt eine entsprechende erste Schwebungsfrequenz S1.
Die Phasenschlupf-Frequenz (carrier envelope Offset frequency) des Kammlasers wird auch mit dem f – 2f-Interferometer detektiert (wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist). Die Phasenschlupf-Frequenz kann mit einer Radiofrequenz-Quelle phasengekoppelt werden oder kann freilaufend gelassen werden, wie es in J. Millo et al. „Ultra-lownoise microwave extraction from fiber-based optical frequency comb" Opt. Lett., vol. 34, S. 3707 (2009) beschrieben wird. Wie bei J. Millo et al. beschrieben wird, kann die gemessene Phasenschlupf-Frequenz weiterhin mit der ersten Schwebungsfrequenz gemischt werden, um eine sekundäre Schwebungsfrequenz zu erzeugen, die unabhängig von Fluktuationen der Phasenschlupf-Frequenz ist. 7 stellt schematisch eine Rückkopplungsanordnung dar mit Rückkopplungssignalen von sowohl dem Output des f – 2f-Interferometers (CEO) und dem Output des Detektors D1 (S1). Der Radiofrequenz-Mischer 705 liefert einen Output bei einer zweiten Schwebungsfrequenz S2, die an das Kamm-Steuerungsmodul übertragen wird, welches konfiguriert ist für die Steuerung von zumindest der Wiederholrate des Kammlasers.
Die sekundäre Schwebungsfrequenz (S2) wird dann phasengekoppelt mit einem Radiofrequenz-Referenzsignal mit niedrigem Rauschen (nicht gezeigt), welches wiederrum die Wiederholrate des Kammlasers unabhängig von Fluktuationen der Phasenschlupf-Frequenz stabilisiert. Demnach kann dann ein Mikrowellen-Signal mit niedrigem Phasenrauschen extrahiert werden durch Richten des optischen Outputs des Kammlasers auf den Detektor D2. Andere Modifikationen sind ebenfalls möglich.
Um das Phasenrauschen der Mikrowellen-Quelle weiter zu reduzieren, können die Amplitudenfluktuationen des Lasers minimiert werden durch Stabilisieren der Output-Leistung des faserbasierten Kammlasers über eine sekundäre Rückkopplungsschleife, die mit der Laserpumpe (nicht gezeigt) verbunden ist. Wegen der großen Modulationsbandbreiten von Yb- und Tm-Faserlasern kann eine Minimierung von Amplitudenrauschen über die Steuerung der Pumpleistung viel effektiver sein als bei Er-Faserlasern, wie sie von J. Millo et al. verwendet werden. Darüber hinaus sind Wiederholraten > 1 GHz außerdem sehr vorteilhaft zum Detektieren eines Mikrowellensignals mit niedrigem Phasenrauschen im Detektor D2, da sie Schrotrauschen in den Detektoren minimieren. Vorzugsweise wird für eine 10 GHz-Mikrowellen-Referenz ein optischer Kammlaser mit einem 10 GHz-Kammlinienabstand verwendet, wobei ungefähr 1 GHz oder größer verwendbar ist.
Obwohl die optische Trennung von Frequenzkammlinien attraktiv für einige Anwendungen ist, werden andere Anwendungen besser bedient durch gleichzeitige Detektion von allen Kammlinien und Unterscheiden derselben über Schwebungssignale, wie es z. B. in der Multi-Heterodyn-Spektroskopie gemacht wird, wie es beschrieben wird in der US-Patentanmeldung 12/895,127 „Optical signal processing with modelocked lasers” von Fermann et al. Eine gemeinsame konstruktive Begrenzung von solchen Systemen ist die Anforderung nach kohärenten Pulspaaren, die langsam durcheinander scannen, wodurch eine Pulstrennung erzeugt wird, die als eine Funktion der Zeit variiert. Solche kohärenten Scanning-Verzögerungslinien (scanning delay lines) werden bequem erzeugt, wenn z. B. zwei Kammlaser, die bei leicht verschiedenen Wiederholraten arbeiten, verwendet werden oder alternativ ein bzgl. der Wiederholrate durchstimmbarer Kammlaser in Verbindung mit ungleichmäßigen Mach-Zehnder-Interferometern verwendet wird. Beide Systeme sind relativ kompliziert, und das letztere System benötigt außerdem mechanische, sich bewegende Teile, die in einigen Anwendungen nicht erlaubt sind.
Auf der anderen Seite ist es jedoch schon lange bekannt, dass nur ein Laser als eine Scanning-Verzögerungslinie konfiguriert werden kann, wie es z. B. im US-Patent 5,479,422 „Controllable dual-wavelength Operation of modelocked lasers” von Fermann et al. beschrieben wird. Das hiesige, in 3 beschriebene Kammlaser-System macht die Konstruktion von solchen Scanning-Verzögerungslinien viel einfacher, wie mit Bezug auf 1 beschrieben wird. Mit einer Anordnung, wie sie in 1A gezeigt wird, und nach einer Winkel-Trennung und einem Fokussieren des Strahls, der durch das im Resonator angeordnete Gitter gebeugt wird, können die roten und blauen Anteile des optischen Pulsspektrums auf dem sättigbaren Absorber gut getrennt werden. Deswegen kann ein Betrieb mit dualer Wellenlänge induziert werden durch Einbauen einer geeigneten Furche (groove) auf dem Spiegel des sättigbaren Absorbers oder Anordnen eines dünnen Drahts vor dem Spiegel des sättigbaren Absorbers. Darüber hinaus kann die Wiederholrate von jeder Farbe separat gesteuert werden durch Aufteilen des sättigenden Absorbers in zwei Hälften und Setzen der einen der beiden Hälften auf ein piezo-elektrisches Steuerelement, das Kolbenbewegung integriert.
Ein beispielhaftes Kammsystem mit dualer Wellenlänge wird in 8 gezeigt. Es ist ähnlich zu dem in 3 gezeigten Design, aber umfasst nun den geteilten Spiegel des sättigbaren Absorbers, wobei eine Hälfte unbeweglich ist und die andere Hälfte auf einem piezo-elektrischen Wandler mit kolbenartiger Steuerung montiert ist, um die Differenz in den Wiederholraten zwischen den beiden Wellenlängen anzupassen. Die zwei Wellenlängen können weiterhin getrennt werden durch Einbauen eines dünnen Drahtes, der zwischen der Fokussierlinse vor dem Spiegel des sättigbaren Absorbers und dem Spiegel des sättigbaren Absorbers selbst eingefügt wird, wobei der Draht die Schnittlinie zwischen dem sich bewegenden und dem unbeweglichen Spiegel überspannt.
Andere kohärente Scanning-Verzögerungslinien, die auf Zwei-Wellenlängen-Lasern basieren, können ebenfalls konstruiert werden; z. B. können die Winkel-dispersive Komponenten oder andere optische Elemente, die in 1A gezeigt sind, auch vor einen gewöhnlichen Resonatorspiegel, der keinen sättigbaren Absorber umfasst, eingefügt werden. Ebenso können gewöhnliche dispersionskompensierende Elemente wie voluminöse (bulk) Gitterpaare zur Wellenlängentrennung verwendet werden. Weiterhin sind – wie im US-Patent 5,479,422 beschrieben – Gain-Medien mit inhomogenem Verbreitern wie beispielsweise Nd besonders attraktiv für einen Duale-Wellenlängen-Betrieb, da sie Effekte gegenseitiger Sättigung (cross saturation effects) minimieren. Jedoch ist das in 8 gezeigte Design besonders attraktiv wegen der geringen Zahl von Komponenten, was einen stabilen Betrieb über einen langen Zeitraum sicherstellt.
Solche Duale-Wellenlänge-Laser, die bei leicht verschiedenen Wiederholraten arbeiten, können für eine Multi-Heterodynspektroskopie verwendet werden durch Implementieren von zusätzlichen spektralverbreiternden Stufen nach dem Oszillator, die einen spektralen Überlapp zwischen den Outputs der Oszillatoren erzeugen. Sobald ein spektraler Überlapp zwischen den beiden Kämmen existiert, können Schwebungssignale zwischen Kammpaaren, die zu den beiden verschiedenen Wiederholraten gehören, detektiert werden und für die Multi-Heterodynspektroskopie verwendet werden. Darüber hinaus können die beiden Wiederholraten miteinander gekoppelt werden bei minimalen relativen Variationen der relativen Phasenschlupf-Frequenzen. Alternativ kann optisches Referenzieren implementiert werden, um Variationen der Wiederholrate zwischen den beiden Kämmen präzise zu messen. Solche Schemata wurden z. B. in der US-Patentanmeldung 12/895,127 „Optical signal processing with modelocked lasers” von Fermann et al. diskutiert und werden hier nicht weiter erläutert.
Demnach haben die Erfinder eine Erfindung offenbart, bei der mindestens eine Ausführungsform ein modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem umfasst, was z. B. einen Faserlaser einschließt. Der Wellenleiter-Laser umfasst einen Laserresonator, welcher einen Wellenleiter umfasst. Ein innerhalb des Resonators liegender Strahl wird von dem Wellenleiter emittiert. Eine Dispersionssteuerungseinheit (DCU) ist in dem Resonator und im optischen Weg des innerhalb des Resonators befindlichen Strahls angeordnet. Der Laserresonator wird in einer solchen Weise konfiguriert, dass ein innerhalb des Resonators liegender Strahl auf den Wellenleiter zurückgeleitet wird, wenn er zumindest die DCU durchquert hat. Die DCU vermittelt Winkel-Dispersion und Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) an den innerhalb des Resonators liegenden Strahl während der Ausbreitung in dem Resonator. Die DCU vermittelt auch einen räumlichen Chirp an den zurückgeleiteten Strahl. Die DCU ist fähig, eine Netto-GVD im Bereich von einem positiven Wert bis zu einem negativen Wert zu erzeugen.
Ein modengekoppelter Wellenleiter-Laser kann einen modengekoppelten Faserlaser umfassen.
Die DCU kann ein Beugungsgitter und ein Linsensystem umfassen.
Die DCU kann ein Linsensystem umfassen und kann ein Prisma oder Grism umfassen.
Die DCU kann eines oder mehrere aus der Gruppe Beugungsgitter, Prisma, Grism und angeschrägte Wellenleiter-Endfläche umfassen, und kann eines oder mehrere aus der Gruppe von optischer Linse und Spiegel umfassen.
Ein Mittel zur Steuerung der Phasenschlupf-Frequenz des Lasers kann umfasst sein.
Das Mittel zur Steuerung der Phasenschlupf-Frequenz kann ein optisches Element und einen Mechanismus zum Verschieben des optischen Elements entlang einer Achse umfassen. In einigen Ausführungsformen kann ein Druck- und/oder Temperatursteuerungssystem für innerhalb des Resonators liegende Elemente mit einer oder mehreren Rückkopplungsschleifen implementiert werden.
Der modengekoppelte Wellenleiter-Laser kann als ein Soliton-Laser konfiguriert sein.
Der modengekoppelte Wellenleiter-Laser kann bei einer Wiederholrate von größer als ungefähr 1 GHz arbeiten.
Das modengekoppelte Wellenleiter-Lasersystem kann konfiguriert werden, um gleichzeitig bei dualen Wellenlängen zu arbeiten, und die DCU kann konfiguriert werden, um eine Wellenlängentrennung der dualen Wellenlängen bereitzustellen.
Der Wellenleiter-Laser kann einen Faserlaser umfassen und kann konfiguriert werden, um eine verschiedene Wiederholrate für jede der beiden Wellenlängen zu liefern.
Das modengekoppelte Lasersystem kann für Multi-Heterodynspektros kopie konfiguriert werden.
Der modengekoppelte Wellenleiter-Laser kann einen geteilten Spiegel umfassen.
Der modengekoppelte Wellenleiter-Laser kann eine spektrale Verbreiterungsstufe umfassen.
Der modengekoppelte Wellenleiter-Laser kann einen Wiederholraten-Multiplizierer umfassen.
Das modengekoppelte Wellenleiter-Lasersystem kann umfassen: einen optischen Modulator, der eine Pulsfolge mit einem Puls-Pausen-Verhältnis (mark/space ratio) > 2 liefert; mindestens einen Faserverstärker; und eine oder mehrere Frequenzverbreiterungsstufen stromabwärts von dem modengekoppelten Wellenleiter-Laser.
Der modengekoppelte Wellenleiter-Laser kann konfiguriert werden, so dass eine zeitliche Bandbreite des modengekoppelten Wellenleiter-Lasers zumindest teilweise begrenzt wird durch den räumlichen Chirp.
Die DCU kann konfiguriert werden, um zumindest ein optisches Element der DCU zu verschieben, um so die Netto-GVD auf einen Wert innerhalb des Bereichs anzupassen.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein durchstimmbares faserbasiertes Frequenzkamm-System, das als ein optischer Frequenz-Synthesizer konfiguriert ist. Das durchstimmbare Kammsystem umfasst einen faserbasierten Kammlaser und ein Kammsteuerungselement, um den Kammlaser zu steuern und um einen abstimmbaren Abstand der Kammlinien/Kammfrequenzen bereitzustellen. Das System umfasst einen Einzelfrequenz-Laser, z. B. einen Quantenkaskade-Laser, der einen optischen Output bei im Wesentlichen einer einzigen optischen Frequenz, die eine Wellenlänge im mittleren bis entfernten Infrarot-Wellenlängenbereich entspricht, erzeugt. Eine Frequenzverbreiterungsstufe empfängt einen Output des Faserkamm-Lasers, und die Frequenzverbreiterungsstufe kann konfiguriert werden, um einen spektralen Überlapp mit einem optischen Output-Spektrum des Quantenkaskade-Lasers zu erzeugen. Ein Kammlinien-Selektor kann umfasst sein, um mindestens eine Kammlinie aus dem faserbasierten Kammlaser zu selektieren und zu isolieren, wobei der Kamm einen Kammlinien/Kammfrequenz-Abstand von größer als ungefähr 250 MHz hat. Eine Rückkopplungsschleife koppelt die ausgegebene optische Frequenz des Quantenkaskade-Lasers mit der ausgewählten Kammlinie. Die optische Frequenz des Quantenkaskade-Lasers wird eine Funktion des durchstimmbaren Kammlinien-/Kammfrequenz-Abstands.
Der Kammlinien-Selektor kann eines oder beide aus der Gruppe von einem Radiofrequenz-Filter und einen optischen Filter umfassen.
Eine Rückkopplungsschleife kann konfiguriert werden, um eine Temperatur oder einen Betriebsstrom des Quantenkaskade-Lasers selektiv anzupassen.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst ein Spektroskopiesystem mit hoher Auflösung. Das System umfasst einen faserbasierten Kammlaser, der eine Wiederholrate von größer als 1 GHz aufweist. Ein optisches Sub-System kann stromabwärts von dem faserbasierten Kammlaser angeordnet werden und konfiguriert werden, um die einzelnen Kammlinien aus dem Kammsystem optisch aufzulösen. Das optische Sub-System kann umfassen: mindestens eines oder beide aus der Gruppe von einem Beugungsgitter und einem VIPA, und einen ein- oder zweidimensionalen Detektor-Array. Die einzelnen Elemente des Detektor-Arrays können in solch einer Weise beabstandet sein, dass jedes Element für ein optischen Frequenzband empfindlich ist, das ungefähr gleich dem Kammlinien-Abstand ist.
Das Spektroskopiesystem mit hoher Auflösung kann ein faserbasiertes Frequenzkamm-System umfassen, das einen abstimmbaren Kammlinien/Karnrnfrequenz-Abstand, eine abstimmbare Phasenschlupf-Frequenz oder beides hat.
Das Spektroskopiesystem mit hoher Auflösung kann umfassen: mindestens einen Referenzlaser und mindestens einen Detektor, der zum Messen der momentanen optischen Frequenzen des Kammsystems konfiguriert ist.
Mindestens eine Ausführungsform umfasst eine Mikrowellen-Quelle mit niedrigem Phasenrauschen. Das System umfasst: einen faserbasierten Kammlaser mit einem Kammlinien/Kammfrequenz-Abstand von größer als ungefähr 1 GHz; einen Referenzlaser; einen ersten Detektor, um ein erstens Mikrowellen-Schwebungssignal (S1) zwischen einer Linie des Kammlasers und dem optischen Referenzlasers zu messen. Das System umfasst außerdem ein Sub-System, um eine Phasenschlupf-Frequenz (carrier envelope Offset frequency) des faserbasierten Kammlasers zu messen, wobei das Sub-System einen Output von dem Kammlaser empfängt und ein Output-Signal (CEO), das die Phasenschlupf-Frequenz repräsentiert, erzeugt. Ein Mischer empfängt das erste Mikrowellen-Schwebungssignal und das Output-Signal (CEO) und erzeugt ein zweites Schwebungssignal (S2). Eine Kamm-Steuerungseinheit steuert den Kammlaser, z. B. die Wiederholrate und die Trägerwellenphase. Die Kamm-Steuerungseinheit empfängt auch das zweite Schwebungssignal, und ein Teil der Kamm-Steuerungseinheit ist konfiguriert, um über eine Modulation des Laser-Kammlinienabstands das zweite Schwebungssignal mit einer Mikrowellen-Referenz bzgl. der Phase zu koppeln. Ein zweiter Detektor-Output liefert ein Mikrowellen-Outputsignal mit niedrigem Rauschen.
Einige Ausführungsformen des modengekoppelten Wellenleiter-Lasersystem und/oder einer Mikrowellen-Quelle mit niedrigem Phasenrauschen können zusätzliche elektronische Rückkopplungsschaltkreis(e) umfassen, die konfiguriert sind, um die Output-Leistung des Kammlasers zu stabilisieren.
Einige Ausführungsformen eines modengekoppelten Wellenleiter-Lasersystems und/oder einer Mikrowellen-Quelle mit niedrigem Phasenrauschen können eine mit Seltenerd-Ionen hochdotierte Gain-Faser umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann ein modengekoppelter Wellenleiter-Laser als ein Ringlaser oder mit einem Fabry-Perot-Resonator konfiguriert werden.
Während demnach nur bestimmte Ausführungsformen hier spezifisch beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, dass zahlreiche Modifizierungen an diesen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Darüber hinaus sollen Abkürzungen nur die Lesbarkeit der Beschreibung und der Ansprüche erhöhen. Es sollte bemerkt werden, dass diese Abkürzungen nicht beabsichtigt sind, um die Allgemeinheit der verwendeten Begriffe zu verringern und sie sollten nicht so verstanden werden, dass sie den Umfang der Ansprüche auf die hier beschreibenden Ausführungsformen beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7809222 [0004, 0009, 0044]
US 7649915 [0005, 0032, 0044, 0046]
US 6956887 [0040]
US 6885683 [0047]
US 7782910 [0047]
US 6724788 [0056]
US 5479422 [0070, 0072]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

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A. Bartels et al., Femtosecond-laser-based synthesis of ultrastable microwave signals from optical frequency references, Optics Letters, Bd. 30, Heft 6, S. 667–669 (2005) [0010]
P. Del'Haye et. al. „Optical frequency comb generation from a monolithic microresonator”, Nature, vol. 450, S. 1214–1217 (2007) [0050]
T. Sizer in „Increase in laser repetition rate by spectral selection” IEEE. J. Quantum Electronics, vol. 25, S. 97–103 (1989) [0051]
B. R. Washburn et. al. „Fiber-laserbased frequency comb with a tunable repetition rate”, Opt. Expr, vol. 12, S. 4999 (2004) [0054]
S. Bartaline et. al. „Frequency metrology with quantum cascade lasers”, Proceedings of SPIE, Vol. 7222, S. 72220C1-1–7222c1-10 [0055]
S. Diddams et al. „Molecular fingerprinting with the resolved modes of a femtosecond laser frequency comb”, Nature, vol. 445, S. 627 (2007) [0060]
F. R. Giorgetta et al. „Fast highresolution spectroscopy of dynamic continuous-wave laser sources” Nature Photonics (2010) [0063]
J. Millo et al. „Ultra-lownoise microwave extraction from fiber-based optical frequency comb” Opt. Lett., vol. 34, S. 3707 (2009) [0066]

Claims

Ein modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem (100), umfassend: einen modengekoppelten Wellenleiterlaser, der einen Laserresonator mit einem Wellenleiter aufweist; einen resonatorinternen Strahl, der vom Wellenleiter emittiert wird; eine Dispersionssteuerungseinheit (DCU), die in dem Resonator und in einem optischen Weg des resonatorinternen Strahls angeordnet ist, wobei der Laserresonator in solch einer Weise konfiguriert ist, dass der resonatorinterne Strahl nach dem Durchlaufen von zumindest der Dispersionssteuerungseinheit in den Wellenleiter zurückgeleitet wird, wobei die Dispersionssteuerungseinheit Winkel-Dispersion und Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) an den resonatorinternen Strahl während seiner Ausbreitung in dem Resonator vermittelt und einen räumlichen Chirp an den zurückgeleiteten Strahl vermittelt, wobei die Dispersionssteuerungseinheit fähig ist, eine Netto-Gruppengeschwindigkeitsdispersion im Bereich von einem positiven bis zu einem negativen Wert zu erzeugen.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der modengekoppelte Wellenleiterlaser einen modengekoppelten Faserlaser aufweist.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei die Dispersionssteuerungseinheit ein Beugungsgitter (103) und ein Linsensystem (101, 105) umfasst.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei die Dispersionssteuerungseinheit ein Linsensystem umfasst und weiterhin ein Prisma oder Grism umfasst.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei die Dispersionssteuerungseinheit eines oder mehrere aus der Gruppe von Beugungsgitter, Prisma, Grism und angeschrägter Wellenleiter-Endfläche umfasst, und weiterhin eines oder mehrere aus der Gruppe von optischer Linse und Spiegel umfasst.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: Mittel zur Steuerung der Phasenschlupf-Frequenz des modengekoppelten Wellenleiterlasers.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 6, wobei die Mittel zur Steuerung der Phasenschlupf-Frequenz ein optisches Element und einen Mechanismus zum Verschieben des optischen Elements entlang einer Achse umfassen.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der modengekoppelte Wellenleiterlaser als ein Soliton-Laser konfiguriert ist.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der modengekoppelte Wellenleiterlaser bei einer Wiederholrate von größer als ungefähr 1 GHz arbeitet.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der modengekoppelte Wellenleiterlaser konfiguriert ist, um gleichzeitig bei dualen Wellenlängen zu arbeiten, und wobei die Dispersionssteuerungseinheit konfiguriert ist, um eine Wellenlängentrennung der dualen Wellenlängen bereitzustellen.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 10, wobei der Wellenleiterlaser einen Faserlaser umfasst, und wobei der Wellenleiterlaser konfiguriert ist, um eine verschiedene Wiederholrate für jede der dualen Wellenlängen bereitzustellen.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 11, wobei der modengekoppelte Laser weiterhin für Multi-Heterodynspektroskopie konfiguriert ist.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 11, wobei der modengekoppelte Wellenleiterlaser einen geteilten Spiegel umfasst.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: eine Frequenzverbreiterungsstufe.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: einen Wiederholraten-Multiplizierer.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, weiterhin umfassend: einen optischen Modulator, der eine Pulsfolge mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von größer als 2 liefert; mindestens einen Faserverstärker; und ein oder mehrere frequenzverbreitende Stufen stromabwärts von dem modengekoppelten Wellenleiterlaser.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der modengekoppelte Wellenleiterlaser konfiguriert ist, so dass eine zeitliche Bandbreite des modengekoppelten Wellenleiterlasers begrenzt wird durch zumindest teilweise den räumlichen Chirp.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei die Dispersionssteuerungseinheit konfiguriert ist, um zumindest ein optisches Element der Dispersionssteuerungseinheit zu verschieben, um die Netto-Gruppengeschwindigkeitsdispersion auf einen Wert innerhalb dieses Bereichs anzupassen.
Ein durchstimmbares faserbasiertes Frequenzkamm-System, das als ein optischer Frequenzsynthesizer konfiguriert ist, wobei das durchstimmbare Kamm-System umfasst: einen faserbasierten Kammlaser (500); ein Kamm-Steuerungselement, um den Kammlaser zu steuern und um einen abstimmbaren Abstand der Kammlinien bereitzustellen; einen Quantenkaskade-Laser, der einen optischen Output bei im Wesentlichen einer einzigen optischen Frequenz erzeugt, die einer Wellenlänge im mittleren bis fernen Infrarot-Wellenlängenbereich entspricht; eine Frequenzverbreiterungsstufe, die einen Output aus dem faserbasierten Kammlaser empfängt, wobei die Frequenzverbreiterungsstufe konfiguriert ist, um einen spektralen Überlapp mit dem optischen Output-Spektrum des Quantenkaskade-Lasers zu erzeugen; einen Kammlinien-Selektor, um mindestens eine Kammlinie aus dem faserbasierten Kammlaser zu selektieren und zu isolieren, wobei der Kamm einen Kammlinienabstand von größer als ungefähr 250 MHz besitzt; eine Rückkopplungsschleife, um die ausgegebene optische Frequenz des Quantenkaskade-Lasers mit der ausgewählten Kammlinie zu koppeln, wobei die optische Frequenz des Quantenkaskade-Lasers eine Funktion des abstimmbaren Kammlinienabstands wird.
Durchstimmbares faserbasiertes Frequenzkamm-System, das als ein optischer Frequenz-Synthesizer konfiguriert ist, gemäß Patentanspruch 19, wobei der Kammlinien-Selektor eines oder beides aus der Gruppe von einem Radiofrequenz-Filter und einem optischen Filter umfasst.
Durchstimmbares faserbasiertes Frequenzkamm-System, das als ein optischer Frequenz-Synthesizer konfiguriert ist, gemäß Patentanspruch 19, wobei die Rückkopplungsschleife konfiguriert ist, um eine Temperatur oder einen Betriebsstrom des Quantenkaskade-Lasers selektiv anzupassen.
Ein Spektroskopiesystem mit hoher Auflösung, umfassend: einen faserbasierten Kammlaser, der eine Wiederholrate von größer als ungefähr 1 GHz besitzt; ein optisches Subsystem, das stromabwärts von dem faserbasierten Kammlaser angeordnet ist und konfiguriert ist, um die einzelnen Kammlinien von dem Kammsystem aufzulösen, wobei das optische Subsystem umfasst: mindestens eine oder beide aus der Gruppe eines Beugungsgitters und eines VIPA (virtually imaged Phase array), und einen ein- oder zweidimensionalen Detektor-Array, wobei die einzelnen Elemente des Detektor-Arrays einen solchen Abstand haben, dass jedes Element bei einem optischen Frequenzband empfindlich ist, welches näherungsweise dem Kammlinien-Abstand entspricht.
Spektroskopiesystem mit hoher Auflösung gemäß Patentanspruch 22, wobei das Frequenzkamm-System weiterhin umfasst: einen abstimmbaren Kammlinienabstand, eine abstimmbare Phasenschlupf-Frequenz oder beides.
Spektroskopiesystem mit hoher Auflösung gemäß Patentanspruch 22, weiterhin umfassend: mindestens einen Referenzlaser und mindestens einen Detektor, der konfiguriert ist, um die momentanen optischen Frequenzen des Kamm-Systems zu messen.
Eine Mikrowellenquelle mit niedrigem Phasenrauschen, umfassend: einen faserbasierten Kammlaser mit einem Kammlinienabstand von größer als ungefähr 1 GHz; einen Referenzlaser; einen ersten Detektor, um ein erstes Mikrowellen-Schwebungssignal (S1) zwischen einer Linie des Kammlasers und dem optischen Referenzlaser zu messen; ein Subsystem, um eine Phasenschlupf-Frequenz des faserbasierten Kammlasers zu messen, wobei das Subsystem einen Output aus dem Kammlaser empfängt und ein Output-Signal (CEO) erzeugt, welches die Phasenschlupf-Frequenz darstellt; einen Mischer (705), der das erste Mikrowellen-Schwebungssignal (S1) und das ausgegebene Signal (CEO) empfängt und ein zweites Schwebungssignal (S2) ausgibt; ein Kamm-Steuerungselement, um den Kammlaser zu steuern, wobei das Kamm-Steuerungselement das zweite Schwebungssignal (S2) empfängt, wobei ein Teil des Kamm-Steuerungselements konfiguriert ist, um über eine Modulation des Laser-Kammlinienabstands das zweite Schwebungssignal (S2) mit einer Mikrowellenreferenz bezüglich der Phase zu verkoppeln; und einen zweiten Detektor, der ein Mikrowellen-Outputsignal mit niedrigem Phasenrauschen liefert.
Mikrowellenquelle mit niedrigem Rauschen gemäß Patentanspruch 25, umfassend: einen zusätzlichen elektronischen Rückkopplungsschaltkreis, der konfiguriert ist, um die Output-Leistung des Kammlasers zu stabilisieren.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der modengekoppelte Wellenleiterlaser eine mit Seltenen Erden hochdotierte Gain-Faser umfasst.
Mikrowellenquelle mit niedrigem Phasenrauschen gemäß Patentanspruch 25, wobei der faserbasierte Kammlaser eine mit Seltenen Erden hochdotierte Gain-Faser umfasst.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, wobei der Wellenleiterlaser als ein Ringlaser oder mit einem Fabry-Perot-Resonator konfiguriert ist.
Modengekoppeltes Wellenleiter-Lasersystem gemäß Patentanspruch 1, umfassend: einen zusätzlichen elektronischen Rückkopplungsschaltkreis, der konfiguriert ist, um die Output-Leistung des Kammlasers zu stabilisieren.