DE19633569A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Wellenlänge monochromatischer Lichtquellen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Wellenlänge monochromatischer Lichtquellen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Wellenlänge monochromatischer Lichtquellen, die mit einem Monomode-Lichtleitfaserausgang versehbar sind, sowie eine Anordnung zur Realisierung dieses Verfahrens. Monochromatische Lichtquellen, auf die diese Erfindung angewendet werden kann, sind vorzugsweise Laserlichtquellen mit spektralen Bandbreiten unter einem Nanometer, deren Wellenlänge durch Stellparameter steuerbar ist.
Laserlichtquellen werden in der optischen Meßtechnik zur hochgenauen Messung von Weglängen, Geschwindigkeiten und daraus abgeleiteten Meßgrößen benutzt. Üblicherweise werden zwei Lichtstrahlen zur Überlagerung gebracht, deren Phasendifferenz (Wegmessung) oder Frequenzdifferenz (Doppler-Geschwindigkeitsmessung) die gewünschte Meßgröße ergeben. Das Vergleichsnormal der Messung bildet dabei die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Darum wird an die Stabilität dieser Wellenlänge in Abhängigkeit von der Meßaufgabe bestimmte Anforderungen gestellt.
Zur Regelung und Stabilisierung der ausgestrahlten Wellenlänge einer Laserlichtquelle zu Meßzwecken werden häufig interne Wellenlängennormale im Resonator des Lasers eingesetzt. Diese internen Normale sind z. B. Fabry-Perot-Etalons, Gitterstrukturen oder Gasabsorptionszellen und bieten die Möglichkeit einer extrem niedrigen Abweichung und Schwankung der Wellenlänge des emittierten Lichtes vom gewählten Wert. Es sind relative Fehler unter 10-12 bekannt. Der Aufwand ist aber für die industrielle Längenmeßtechnik zu hoch. Die Verfahren eignen sich außerdem jeweils nur für die spezielle Laserlichtquelle, für die das gesamte Stabilisierungsverfahren entwickelt worden ist. Einer Anwendung hochauflösender Phasenmeßverfahren, die auf einer indirekten Phasenmodulation im vom Auswertegerät räumlich abgesetzten Meßinterferometer beruhen, steht die meistens fehlende Modulierbarkeit der Lichtwellenlänge entgegen.
Andere bekannte Lösungen realisieren eine externe spektroskopische Analyse des emittierten Lichtes, z. B. mit holografischen Gittern zur spektralen Zerlegung und mit Photoelementzeilen oder wenigstens Differenz-Photoelementen zur Diskriminierung einer vorgegebenen Wellenlänge. Diese Verfahren sind relativ universell einsetzbar, aber mechanisch aufwendig und empfindlich gegen Stoß, Druck und Schwingungen. Die einstufige spektrale Analyse begrenzt die erzielbare Stabilisierung der Wellenlänge außerdem auf minimale Fehler um 10-5.
Weit verbreitet ist als Standardverfahren zur Wellenlängenstabilisierung die passive Stabilisierung der Betriebsparameter des Lasers, z. B. Temperatur und Treiberstrom einer als Fabry-Perot-Resonator ausgeführten Halbleiter-Laserdiode. Die thermische Stabilisierung solcher selbst wärmeerzeugender Laser mit dynamischem Gleichgewicht der Energiebilanz und statistischen Schwankungen der Ladungsträgerkonzentration ist allerdings gegenüber den Stabilisierungsparametern gleichartiger passiver Bauelemente, die außerhalb des Lasers als Wellenlängennormale genutzt werden, erheblich eingeschränkt und liefert in der Praxis relative Wellenlängenabweichungen bis 10-3.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufgezeigten Mängel der bekannten Verfahren und Vorrichtungen zu beseitigen und ein Verfahren und eine Anordnung zur Regelung und Stabilisierung der Wellenlänge monochromatischer Lichtquellen anzugegeben, welche mit einem vergleichsweise niedrigem Aufwand realisierbar ist. Wegen der gleichzeitig zu ermöglichenden schnellen elektronischen Modulierbarkeit der Wellenlänge soll das Stabilisierungsverfahren sich insbesondere für Halbleiterlaserdioden eignen, aber grundsätzlich auf beliebige steuerbare Laserlichtquellen anwendbar sein.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1, 4 und 9, 12 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind durch die jeweils nachgeordneten Ansprüche erfaßt.
Erfindungsgemäß wird dabei unter Verwendung von Komponenten aus Monomode-Lichtleitfasern als wellenlängenbestimmende Bauelemente und als Übertragungselemente grundsätzlich folgendermaßen vorgegangen:
Ein Teil des emittierten Lichtes wird in zwei faseroptische Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge eingekoppelt und das von den beiden Bragg-Gittern transmittierte Licht wird in der Intensität verglichen und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf gleiche Intensität stabilisiert.
Eine Erhöhung des Stabilisierungsgrades wird erreicht, wenn die von den beiden Gittern reflektierten Teilstrahlen zum Teil wieder in einem faseroptischem Monomodekoppler vereinigt werden und die Intensität des Interferenzsignales durch die gleiche oder eine weitere Rückführung auf die Laserlichtquelle auf einen konstanten Wert stabilisiert wird.
Dabei wird zweckmäßigerweise, um die Stabilisierung unabhängig von Intensitätsdriften zu betreiben, das Licht der Laserlichtquelle in der Wellenlänge moduliert und die modulierte Intensität des Interferenzsignales einer bekannten optischen Phasenmessung unterworfen und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf konstante optische Phase stabilisiert.
Es kann aber auch das von den beiden Bragg-Gittern reflektierte Licht in der Intensität verglichen werden und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf gleiche Intensität stabilisiert werden.
Ein anderer Teil des reflektierten Lichtes beider Teilstrahlen kann wiederum vereinigt werden, wobei zur Erhöhung des Stabilisierungsgrades die Intensität des Interferenzsignales durch die gleiche oder eine weitere Rückführung auf die Laserlichtquelle auf konstante Intensität stabilisiert wird. Dabei wird wiederum zweckmäßigerweise, um die Stabilisierung unabhängig von Intensitätsdriften zu betreiben, das Licht der Laserlichtquelle in der Wellenlänge moduliert und die modulierte Intensität des Interferenzsignales einer bekamen optischen Phasenmessung unterworfen und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf konstante optische Phase stabilisiert.
Zur Änderung der zu stabilisierenden Wellenlänge können beide Gitter gemeinsam einer Dehnung oder Stauchung unterworfen werden. Zur Änderung der Steilheit und Geschwindigkeit der Rückführung kann eines der beiden Gitter einer gesonderten Dehnung oder Stauchung unterworfen werden.
Anordnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind im folgenden gekennzeichnet:
Das Licht einer Laserlichtquelle wird über einen faseroptischen Nutzstrahlteiler in einen faseroptischen Haupt-Strahlteiler eingekoppelt, in diesem in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und diese beiden Teilstrahlen auf je ein faseroptisches Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge geleitet, deren transmittiertes Licht fällt auf je ein Photoelement eines Differenz-Photoempfängers und dessen Ausgangssignal steuert einen elektrischen Regelverstärker an, der die Temperatur oder den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis so verändert, daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
Das von den Bragg-Gittern unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge reflektierte Licht kehrt zum Teil über den faseroptischen Haupt-Strahlteiler zurück und fällt zum Teil auf einen Photoempfänger, dessen Ausgangssignal steuert einen elektrischen Regelverstärker an, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis verändert. Das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers steuert einen zweiten elektrischen Regelverstärker an, der die Temperatur verändert, so daß das Ausgangssignal des Photoempfängers auf einen konstanten Wert geregelt wird und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
Die Laserlichtquelle wird um die mittlere Wellenlänge symmetrisch, vorzugsweise sinusförmig im Betriebsstrom moduliert, aus dem modulierten Ausgangssignal des Photoempfängers wird die optische Phasenlage bestimmt und davon ein elektrischer Regelverstärker angesteuert, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis so verändert, daß die optische Phasenlage auf einen konstanten Wert geregelt wird. Das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers wird über die Modulationsperiode geglättet und steuert dann einen zweiten elektrischen Regelverstärker an, der die Temperatur so verändert, daß das geglättete Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
Bei ausschließlicher Nutzung der faseroptischen Bragg-Gitter in Reflexion werden folgende erfindungsgemäßen Anordnungen beansprucht:
Das Licht einer Laserlichtquelle wird über eine Monomode-Lichtleitfaser in einen ersten Eingang eines ersten faseroptischen Kopplers eingekoppelt, in diesem in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und diese beiden Teilstrahlen treffen auf je ein faseroptisches Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge, und deren transmittiertes Licht fällt auf je ein Photoelement eines Differenz-Photoempfängers, dessen Ausgangssignal einen elektrischen Regelverstärker ansteuert, der die Temperatur oder den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis so verändert, daß das Ausgangssignal des Differenz- Photoempfängers auf Null geregelt wird und das in wenigstens einem der Teilstrahlen über einen Nutzstrahlkoppler ein Teil des transmittierten Lichtes ausgekoppelt wird.
Das von den Bragg-Gittern unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge reflektierte Licht kehrt zum Teil über den jeweils ersten Eingang der beiden faseroptischen Monomode-Koppler in den faseroptischen Haupt-Strahlteiler zurück und zum Teil über den zweiten Eingang diesen faseroptischen Haupt-Strahlteilers auf einen Photoempfänger fällt und dessen Ausgangssignal einen elektrischen Regelverstärker ansteuert, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem schnelleren Regelkreis verändert, und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers einen zweiten elektrischen Regelverstarker geringerer Regelsteilheit ansteuert, der die Temperatur verändert, so daß das Ausgangssignal des Photoempfängers auf einen konstanten Wert geregelt wird und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
Die Laserlichtquelle wird um die mittlere Wellenlänge symmetrisch, vorzugsweise sinusförmig im Betriebsstrom moduliert, aus dem modulierten Ausgangssignal des Photoempfängers wird die optische Phasenlage bestimmt und davon ein elektrischer Regelverstärker angesteuert, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem schnelleren Regelkreis so verändert, daß die optische Phasenlage auf einen konstanten Wert geregelt wird. Das Ausgangssignal des Differenz- Photoempfängers wird über die Modulationsperiode geglättet und steuert dann einen zweiten elektrischen Regelverstärker geringerer Regelsteilheit an, der die Temperatur so verändert, daß das geglättete Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
Zur Veränderung der zu stabilisierenden Wellenlänge können die Bragg-Gitter gemeinsam gedehnt oder gestaucht werden. Dazu werden diese Gitter auf ein piezoelektrisches Substrat aufgebracht.
Der Regelverstärker zur Stabilisierung gleicher Intensitäten der durch die Bragg-Gitter durchtretenden bzw. von den Bragg-Gittern reflektierten Teilstrahlen besitzt vorzugsweise eine integrierende Charakteristik und beeinflußt die Lasertemperatur.
Der Regelverstärker zur Stabilisierung des Interferometerausgangs­ signales besitzt im Wesentlichen proportionale und zu einem kleinerem Anteil integrierende Charakteristik und beeinflußt den Laserstrom innerhalb vorgegebener Grenzen.
Die Verwendung des Regelungs- und Stabilisierungs-Verfahrens für monochromatische Lichtquellen bedeutet, daß die Bandbreite des ausgesendeten Lichtes deutlich geringer als die Flanke der Reflexions­ bzw. Transmissionscharakteristik faseroptischer Gitterstrukturen ist. Technisch sinnvoll ist deren Anwendung bis zu Halbwertsbreiten der Lichtquelle von wenigen Nanometern. In diesem Sinne wird der Begriff "monochromatisches Licht" für den Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen Lösung verwendet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von für schematischen Zeichnungen von sechs Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit Auswertung des Transmissionsspektrums zweier Fasergitter,
Fig. 2 ein zum ersten Ausführungsbeispiel gehörendes Diagramm der Wellenlängencharakteristik,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit Auswertung des Transmissionsspektrums zweier Fasergitter und mit zusätzlicher Auswertung der Ausgangssignale des bereits implizit vorhandenen unsymmetrischen Michelson-Interferometers
Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung mit Auswertung des Reflexionsspektrums zweier Fasergitter und der Ausgangssignale des unsymmetrischen Michelson-Interferometers,
Fig. 5 ein zum dritten Ausführungsbeispiel gehörendes Diagramm der Wellenlängencharakteristik.
In Fig. 1 ist der optische Aufbau einer erfindungsgemaßen Anordnung dargestellt. Die Laserlichtquelle 1 ist eine Halbleiterlaserdiode mit transversal und longitudinal monomodiger Charakteristik und emittiert in Abhängigkeit vom Betriebsstrom und der Betriebstemperatur im Wellenlängenbereich von 781,0 nm bis 784,0 nm. Das emittierte Licht wird zu einem Anteil von 90% über den Nutzstrahlteiler 2 als Nutzstrahl 3 für die Anwendung zur Verfügung gestellt. Der Teil von 10% wird in einen Haupt-Strahlteiler 4 aus für diese Wellenlängen monomodiger Lichtleitfaser und Teilungsverhältnis 1 : 1 eingekoppelt. Die beiden Teilstrahlen am Ausgang von 4 treffen auf je ein faseroptisches Bragg-Gitter 5 und 6. Die Transmissionscharakteristiken 14 und 15 beider Gitter sind in Fig. 2 angegeben. Das Gitter 5 des ersten Teilstrahles hat eine Bragg-Wellenlänge von 780,9 nm, das Gitter 6 des zweiten Teilstrahles hat eine Bragg-Wellenlänge von 784,1 nm, die Halbwertsbreite beider Gitter beträgt 0,8 nm, der Reflexionsgrad beträgt bei der Bragg-Wellenlänge jeweils 60%. Das transmittierte Licht fällt gemäß Fig. 1 auf einen Differenz-Photoempfänger mit den Photoelementen 7 und 8. Ein Regelverstärker 9 ändert die Betriebstemperatur der Laserlichtquelle in der Ansteuerung 10 so lange, bis die Teilintensitäten auf den Photoelementen 7 und 8 einander gleich und gleich dem Sollwert 17 (Fig. 2) sind. Damit wird die Wellenlänge 16 zwischen den Bragg-Wellenlängen der beiden Gitter 5 und 6 stabilisiert. Bei symmetrischen Transmissionscharakteristiken beträgt diese Wellenlänge 782,5 nm. Diese Wellenlänge hängt in charakteristische Weise von der Temperatur ab, bei der sich die Bragg-Gitter 5 und 6 gemeinsam befinden. Bei Änderung dieser Temperatur um 1 K verändert sich die stabilisierte Wellenlänge um 0,005 nm. Entsprechend den Anforderungen an die zu erreichende Wellenlängenkonstanz muß eventuell diese Temperatur stabilisiert werden. In diesem und allen weiteren Ausführungsbeispielen sind jeweils Faserenden 13 vorgesehen, die als nichtreflektierende Faserendflächen ausgebildet sind.
Fig. 3 zeigt in einem zweiten Ausführungsbeispiel die zusätzliche Stabilisierung der Wellenlänge durch Auswertung des Ausgangssignales des bereits in Fig. 1 implizit vorhandenen Michelson-Interferometers. Das durch die Gitter 5 und 6 tretende Laserlicht wird im Differenzphotoempfänger 7, 8 in der Intensität verglichen, nach Maßgabe des verbleibenden Intensitätsunterschiedes wird über einen integrierenden Regelverstärker 9 die Temperatur der Halbleiterlaserdiode 1 nachgestellt. Restliche kleinere Sollwertabweichungen der emittierten Wellenlänge werden anhand des Intensitätssignales am Ausgang des Michelson- Interferometers durch eine der Wellenlängenabweichung direkt proportionale und einem einstellbarem Anteil dem Integral der Wellenlängenabweichung proportionale Stromregelung der Laserdiode ausgeglichen.
Das Michelson-Interferometer ist gebildet aus dem Haupt-Strahlteiler 4 und den als teilreflektierende Spiegel wirkenden Bragg-Gittern 5 und 6 und erzeugt ein vom Cosmus der optischen Phasenverschiebung abhängiges Intensitätssignal an einem Photoempfänger 21. Im Ausführungsbeispiel wird für dieses Intensitätssignal ein Sollwert von etwa halbem maximal möglichen Intensitätssignal vorgegeben, den die angegebene Stromregelung stabilisiert. 1% Schwankung der Beiträge zum Intensitätssignal bewirken Wellenlängenänderungen unter 0,001 nm. Temperaturänderungen am gesamten Michelson-Interferometer um 1 K führen zu Änderungen der stabilisierten Wellenlänge um 0,004 nm. Differentielle Temperaturänderungen um 1 K zwischen beiden Interferometerarmen führen bei durchschnittlichen Armlängen von 50 mm zu Änderungen der stabilisierten Wellenlänge um 0,2 nm. Entsprechend den Anforderungen an die zu erreichende Wellenlängenkonstanz muß also diese Temperatur stabilisiert werden und besonders auf konstante Bedingungen für die beiden Interferometerarme geachtet werden.
Der Abstand der Bragg-Wellenlängen der Gitter 5 und 6 ist in diesen Ausführungsbeispielen so gewählt, daß der Ausgang des Differenz- Photoelements um den Stabilisierungspunkt gleicher transmittierter Intensitäten die geringere Empfindlichkeit als bei größeren Abweichungen vom Sollwert nahe dem Transmissionsminiinum eines der beiden Gitter aufweist. Der Abstand der Bragg-Wellenlängen der Gitter 5 und 6 ist darüber hinaus immer so gewählt, daß die Wellenlänge der unstabilisiert betriebenen Laserdiode sich im Wellenlängenbereich zwischen den Transmissionsminima der beiden Gitter befindet. Der freie Spektralbereich des Michelson-Interferometers wird durch die Armlängendifferenz 20 bestimmt und ist so groß, daß er diesen Bereich geringster Empfindlichkeit und die den zufälligen Schwankungen im Intensitätsvergleich am Differenzphotoelement entsprechenden Schwankungen der Istwellenlänge überdeckt. Im Ausführungsbeispiel ist der freie Spektralbereich des Michelson-Interferometers 0,1 nm, damit beträgt die Armlängendifferenz 1,1 mm.
Die maximal mögliche Änderung der Größe des Laserdiodenstroms ist auf 3 mA begrenzt und wird so gewählt, daß die Wellenlänge des emittierten Lichtes nur innerhalb des freien Spektralbereiches des Michelson-Interferometers verändert werden kann.
In einem dritten Ausführungsbeispiel wird eine sinusförmige Wellenlängenmodulation der Laserdiode um den zu stabilisierenden Mittelwert und eine mit dieser Modulation arbeitende Messung der optischen Phasenverschiebung am Ausgang des Michelson-Interferometers einbezogen. Anstelle eines Sollwertes für das Intensitätssignal wird ein Sollwert für die zu stabilisierende Phasenverschiebung vorgegeben.
Die Bragg-Gitter 5 und 6 sind in einem vierten Ausführungsbeispiel auf eine piezokeramische Platte 12 aufgeklebt. Zur Abstimmung der stabilisierten Wellenlänge wird an nicht dargestellte Elektroden der piezoelektrischen Keramikplatte 12 eine Steuerspannung angelegt. Eine Spannungsänderung von bspw. 100 V ergibt eine Änderung der Wellenlänge um 0,1 nm.
In einem fünften Ausführungsbeispiel ist das Bragg-Gitter 5 auf eine piezokeramische Platte 12 und das Bragg-Gitter 6 auf eine piezokeramische Platte 11 aufgeklebt. Eine Spannungsänderung an den Elektroden von 12 von bspw. +1000 V und gleichzeitig an den Elektroden von 11 von bspw. -1000 V (Dehnung von 5 und Stauchung von 6) ergibt eine Zunahme der Steilheit der Regelung um 50%.
In Fig. 4 ist der optische Aufbau eines sechsten Ausführungsbeispieles dargestellt. Ein kleinerer Teil des emittierte Licht der Laserdiode 1 wird über den Nutzstrahlteiler 2 in einen Haupt-Strahlteiler 4 eingekoppelt, der als faseroptischer Monomode-Schmelzkoppler aus für diese Wellenlängen monomodiger Lichtleitfaser und Teilungsverhältnis 1 : 1 ausgeführt ist. Die beiden Teilstrahlen am Ausgang von 4 werden in die faseroptischen Monomodekoppler 23 und 24 (gleiche Parameter wie 4) für den ersten und den zweiten Teilstrahl weitergeleitet. Diese Teilstrahlen treffen in je einem Ausgang von 23 bzw. 24 auf je ein faseroptisches Bragg-Gitter 5 und 6. Die Reflexionscharakteristiken 25 und 26 beider Gitter sind in Fig. 5 angegeben. Das Gitter 5 des ersten Teilstrahles hat eine Bragg-Wellenlänge von 780,9 nm, das Gitter 6 des zweiten Teilstrahles hat eine Bragg-Wellenlänge von 784,1 nm, die Halbwertsbreite beider Gitter beträgt 0,8 nm, der Reflexionsgrad beträgt bei der Bragg-Wellenlänge jeweils 60%. Das reflektierte Licht fällt gemäß Fig. 4 auf den Differenz-Photoempfänger mit den Photoelementen 7 und 8. Im Differenzphotoempfänger werden die Intensitäten verglichen, nach Maßgabe des verbleibenden Intensitätsunterschiedes wird über einen integrierenden Regelverstarker 9 die Temperatur der Halbleiterlaserdiode 1 in der Ansteuerung 10 so lange nachgestellt, bis die Teilintensitäten auf den Photoelementen 7 und 8 einander gleich und gleich 19 (Fig. 5) sind. Damit wird die Wellenlänge 18 zwischen den Bragg-Wellenlängen der beiden Gitter 5 und 6 stabilisiert. Bei symmetrischen Reflexionscharakteristiken beträgt diese Wellenlänge 782,5 nm.
Der Haupt-Strahlteiler 4 wird als Strahlteiler eines Michelson- Interferometers genutzt, an dem Teile der von den beiden Bragg-Gittern reflektierten Lichtanteile zur Überlagerung gebracht werden. Restliche kleinere Sollwertabweichungen der emittierten Wellenlänge werden anhand des Intensitätssignales an dem Photoempfänger 21 am Ausgang des Michelson-Interferometers durch eine der Wellenlängenabweichung direkt proportionale und einem einstellbarem Anteil dem Integral der Wellenlängenabweichung proportionale Stromregelung der Laserdiode wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ausgeglichen.
Es gelten sinngemäß die gleichen Abschätzungen zur erreichbaren Wellenlängenkonstanz und zur Abstimmbarkeit über Längenänderungen der Fasergebiete mit den Bragg-Gittern, z. B. über piezoelektrisch betriebene Dehnungseinrichtungen 11 und 12.
Die erfindungsgemäße Lösung ist nicht auf die Anwendung bei Halbleiterlaserdioden beschränkt. Durch Wahl einer geeigneten Stellgröße können auch andere monochromatische Lichtquellen geregelt und stabilisiert werden. Solche Stellgrößen sind beispielsweise, neben dem Laserstrom oder der Temperatur in Halbleiterlaserdioden, die Kristalltemperatur in Neodym-dotierten YAG-Lasern und die piezoelektrisch veränderbare Resonatorlänge in Gaslasern oder in entspiegelten Halbleiterlasern mit externem Resonator.
Bezugszeichenliste
1 - Laserlichtquelle
2 - Nutzstrahlteiler
3 - Nutzstrahl
4 - Haupt-Strahlteiler
5 - erstes faseroptisches Bragg-Gitter
6 - zweites faseroptisches Bragg-Gitter
7 - erstes Photoelement des Differenz-Photoempfängers
8 - zweites Photoelement des Differenz-Photoempfangers
9 - Regelverstärker des Differenz-Photoempfängers
10 - Ansteuerung der Betriebsparameter der Laserlichtquelle
11 - piezokeramische Platte mit Elektroden für erstes faseroptisches Bragg-Gitter
12 - piezokeramische Platte mit Elektroden für erstes und zweites faseroptisches Bragg-Gitter
13 - entspiegelte Faserendflächen
14 - Transmissionsspektrum des ersten faseroptischen Bragg-Gitters
15 - Transmissionsspektrum des zweiten faseroptischen Bragg-Gitters
16 - Wellenlänge am Punkt gleicher Intensitäten der Transmissionsspektren des ersten und zweiten faseroptischen Bragg-Gitters im Bereich der Überlappung
17 - Transmissionsintensität bei der zu stabilisierenden Wellenlänge 16
18 - Wellenlänge am Punkt gleicher Intensitäten der Reflexionsspektren des ersten und zweiten faseroptischen Bragg-Gitters im Bereich der Überlappung
19 - Reflexionsintensität bei der zu stabilisierenden Wellenlänge 18
20 - Armlängendifferenz des Interferometers
21 - Photoempfänger des Interferometers
22 - Bestimmung der optischen Phase und Regelverstarker des Ausgangssignales
23 - faseroptischer Monomodekoppler im ersten Teilstrahl
24 - faseroptischer Monomodekoppler im zweiten Teilstrahl
25 - Reflexionsspektrum des ersten faseroptischen Bragg-Gitters
26 - Reflexionsspektrum des zweiten faseroptischen Bragg-Gitters.

Claims (17)

1. Verfahren zur Regelung und Stabilisierung der Wellenlänge von Laserlichtquellen, die mit einem Monomode-Lichtleitfaserausgang versehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierte Licht in zwei faseroptische Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge eingekoppelt wird und das von den beiden Bragg-Gittern transmittierte Licht in der Intensität verglichen wird und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf gleiche Intensität stabilisiert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den beiden Gittern reflektierten Teilstrahlen zum Teil wieder in einem faseroptischem Monomodekoppler vereinigt werden und die Intensität des Interferenzsignales durch die gleiche oder eine weitere Rückführung auf die Laserlichtquelle auf einen konstanten Wert stabilisiert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Laserlichtquelle in der Wellenlänge moduliert wird und die modulierte Intensität des Interferenzsignales einer optischen Phasenmessung unterworfen wird und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf konstante optische Phase stabilisiert wird.
4. Verfahren zur Regelung und Stabilisierung der Wellenlänge von Laserlichtquellen, die mit einem Monomode-Lichtleitfaserausgang versehbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das emittierte Licht in zwei faseroptische Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge eingekoppelt wird, und daß das von den beiden Bragg-Gittern reflektierte Licht in der Intensität verglichen wird und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf gleiche Intensität stabilisiert wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das von den beiden Gittern reflektierte und zu einem anderen Teil im faseroptischen Hauptstrahlteiler vereinigt wird und die Intensität des so gebildeten Interferenzsignales durch die gleiche oder eine weitere Rückführung auf die Laserlichtquelle auf konstante Intensität stabilisiert wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Laserlichtquelle in der Wellenlänge moduliert wird und die modulierte Intensität des Interferenzsignales einer optischen Phasenmessung unterworfen wird und durch eine Rückführung auf die Laserlichtquelle auf konstante optische Phase stabilisiert wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der zu stabilisierenden Wellenlänge beide Gitter gemeinsam einer Dehnung oder Stauchung unterworfen werden.
8. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung der Steilheit und Geschwindigkeit der Rückführung eines der beiden Gitter einer Dehnung oder Stauchung unterworfen wird.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Licht einer Laserlichtquelle über einen faseroptischen Nutzstrahlteiler in einen faseroptischen Haupt-Strahlteiler eingekoppelt wird, in diesem in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und diese beiden Teilstrahlen auf je ein faseroptisches Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge treffen, deren transmittiertes Licht auf je ein Photoelement eines Differenz- Photoempfängers fällt und dessen Ausgangssignal einen elektrischen Regelverstärker ansteuert, der die Temperatur oder den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis so verändert, daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Bragg-Gittern unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge reflektierte Licht zum Teil über den faseroptischen Haupt-Strahlteiler zurückkehrt und zum Teil auf einen Photoempfänger fällt und dessen Ausgangssignal einen elektrischen Regelverstärker ansteuert, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis verändert, und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers einen zweiten elektrischen Regelverstärker ansteuert, der die Temperatur verändert, so daß das Ausgangssignal des Photoempfängers auf einen konstanten Wert geregelt wird und daß das Ausgangssignal des Differenz- Photoempfängers auf Null geregelt wird.
11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle um die mittlere Wellenlänge symmetrisch, vorzugsweise sinusförmig im Betriebsstrom moduliert wird und daß aus dem modulierten Ausgangssignal des Photoempfängers die optische Phasenlage bestimmt wird und davon einen elektrischen Regelverstarker ansteuert, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis so verändert, daß die optische Phasenlage auf einen konstanten Wert geregelt wird, und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers über die Modulationsperiode geglättet wird und dann einen zweiten elektrischen Regelverstärker ansteuert, der die Temperatur so verändert, daß das geglättete Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
12. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht einer Laserlichtquelle über eine Monomode-Lichtleitfaser in einen ersten Eingang eines ersten faseroptischen Kopplers eingekoppelt wird, in diesem in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und diese beiden Teilstrahlen auf je ein faseroptisches Bragg-Gitter unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge treffen, und deren transmittiertes Licht auf je ein Photoelement eines Differenz-Photoempfängers fallen und dessen Ausgangssignal einen elektrischen Regelverstarker ansteuert, der die Temperatur oder den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem Regelkreis so verändert, daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird und das in wenigstens einem der Teilstrahlen über einen Nutzstrahlkoppler ein Teil des transmittierten Lichtes ausgekoppelt wird.
13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 4, 5 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Bragg-Gittern unterschiedlicher Bragg-Wellenlänge reflektierte Licht zum Teil über den jeweils ersten Eingang der beiden faseroptischen Monomode-Koppler in den faseroptischen Haupt-Strahlteiler zurückkehrt und zum Teil über den zweiten Eingang dieses faseroptischen Haupt-Strahlteilers auf einen Photoempfänger fällt und dessen Ausgangssignal einen elektrischen Regelverstarker ansteuert, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem schnelleren Regelkreis verändert, und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers einen zweiten elektrischen Regelverstärker geringerer Regelsteilheit ansteuert, der die Temperatur verändert, so daß das Ausgangssignal des Photoempfängers auf einen konstanten Wert geregelt wird und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers auf Null geregelt wird.
14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle um die mittlere Wellenlänge symmetrisch, vorzugsweise sinusförmig im Betriebsstrom moduliert wird und daß aus dem modulierten Ausgangssignal des Photoempfängers die optische Phasenlage bestimmt wird und davon einen elektrischen Regelverstarker ansteuert, der den Betriebsstrom der Laserlichtquelle in einem schnelleren Regelkreis so verändert, daß die optische Phasenlage auf einen konstanten Wert geregelt wird, und daß das Ausgangssignal des Differenz-Photoempfängers über die Modulationsperiode geglättet wird und dann einen zweiten elektrischen Regelverstärker geringerer Regelsteilheit ansteuert, der die Temperatur so verändert, und daß das geglättete Ausgangssignal des Differenz Photoempfängers auf Null geregelt wird.
15. Anordnung zur Durchführung der Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dehnung oder Stauchung der Gitter diese Gitter auf ein piezoelektrisches Substrat aufgebracht werden.
16. Anordnung zur Durchführung der Verfahren 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstärker zur Stabilisierung gleicher Intensitäten der durch die Bragg-Gitter durchtretenden bzw. von den Bragg-Gittern reflektierten Teilstrahlen integrierende Charakteristik besitzt und die Lasertemperatur beeinflußt.
17. Anordnung zur Durchführung der Verfahren 2, 3, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelverstarker zur Stabilisierung des Interferometerausgangssignales im wesentlichen proportionale und zu einem kleinerem Anteil integrierende Charakteristik besitzt und den Laserstrom innerhalb vorgegebener Grenzen beeinflußt.
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