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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich beabstandeter
Lichtimpulse, mit einer Lichtquelle, die eine Folge von Lichtimpulsen emittiert.
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Derartige
Vorrichtungen werden z. B. für
die ultraschnelle zeitaufgelöste
Spektroskopie benutzt. Dabei kommen als Lichtquellen üblicherweise
modengekoppelte Laser zum Einsatz. So genannte Pump-Probe-Techniken
werden zur Messung und Untersuchung des Zeitverlaufs von physikalischen oder
chemischen Vorgängen
benutzt. Derartige Techniken haben zu bemerkenswerten Fortschritten in
verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen geführt. Erwähnenswert
sind Untersuchungen zur Relaxationsdynamik in Festkörpern, Flüssigkeiten
und Gasen, die zeitaufgelöste
Terahertz-Spektroskopie sowie auch die Signalanalyse in der optischen
Kommunikationstechnik. In Synchrotron-Strahlungsquellen werden modengekoppelte Laser
als Lichtimpulsquellen benutzt, um die Erzeugung von Elektronenbündeln zeitlich
zu steuern und auch um das Zeitverhalten von Elektronen-, UV-Licht-
oder Röntgenimpulsen
zu analysieren. Alle diese Anwendungen haben gemeinsam, dass die Ankunftszeitpunkte
der Lichtimpulse in einem Wechselwirkungszentrum des jeweiligen
Experiments präzise
steuerbar sein müssen.
Meist müssen
die Ankunftszeitpunkte bzw. die Zeitintervalle zwischen aufeinander
folgend eintreffenden Lichtimpulsen innerhalb eines bestimmten Intervalls
variierbar sein, um so den Zeitverlauf des zu untersuchenden physikalischen,
technischen oder chemischen Vorgangs abtasten (scannen) zu können.
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Bekannt
ist es, aufeinander folgende Lichtimpulse mit einstellbarem Zeitabstand
mittels einer einzigen Lichtquelle zu erzeugen, deren Lichtstrahl
auf zwei Teilstrahlen aufgeteilt und wieder zusammengeführt wird,
wobei sich in einem Arm eine Verzögerungsstrecke variabler Länge befindet.
Der variable Zeitabstand zwischen den Lichtimpulsen ergibt sich
bei dieser Vorgehensweise durch die unterschiedlichen Laufzeiten
in den Armen eines solchen Interferometers. Die variable Länge wird
in der Regel mittels eines elektromechanisch bewegten Spiegels realisiert.
Nachteilig ist, dass die Spiegelbewegung relativ langsam ist, so
dass der Zeitabstand zwischen den Lichtimpulsen nur entsprechend
langsam variiert werden kann. Hieraus ergeben sich unerwünscht lange
Scanzeiten. Nachteilig ist weiterhin, dass die mechanische Spiegelverstellung
anfällig
für Fehljustierungen
ist. Außerdem
bewirkt die Spiegelbewegung, bedingt durch die Divergenz des Lichtstrahles,
eine unerwünschte
Variation des Strahldurchmessers.
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Zur Überwindung
der zuvor genannten Nachteile ist die sogenannte ASOPS-Technik bekannt geworden
(„Asynchronous
Optical Sampling"). Hierbei
werden zwei Lichtquellen benutzt, die periodische Folgen von Lichtimpulsen
emittieren, wobei die Lichtimpulsfolgen in dem Wechselwirkungszentrum
des jeweiligen Experiments überlagert
werden. Die Lichtimpulsfolgen der beiden Lichtquellen weisen einen
periodisch variierenden Zeitversatz auf, der dadurch zustande kommt,
dass die Wiederholfrequenzen der Lichtimpulsfolgen der beiden Lichtquellen geringfügig unterschiedlich
sind. Ein wesentlicher Nachteil der ASOPS-Technik ist, dass Lichtquellen zur
Erzeugung der Lichtimpulsfolgen benutzt werden müssen, deren Wiederholfrequenzen
mindestens ein Gigahertz betragen. Nur so kann eine für die meisten Anwendungen
ausreichende Zeitauflösung
bei gleichzeitig praktikablen Abtastraten erzielt werden. Nachteilig
ist weiterhin, dass der Scanbereich der ASOPS-Technik für die meisten
praktischen Anwendungen viel zu groß ist. Dies liegt daran, dass
prinzipbedingt der Zeitversatz zwischen aufeinander folgenden Lichtimpulsen
stets zwischen 0 und dem vollen Zeitabstand zwischen den Lichtimpulsen
einer der Lichtimpulsfolgen periodisch variiert. Beträgt beispielsweise
die Wiederholfrequenz der Lichtimpulsfolgen 100 MHz, variiert der
Zeitversatz der Lichtimpulsfolgen automatisch zwischen 0 und 10
ns. Ein Scanbereich von 10 ns wird jedoch in der Praxis nicht benötigt. Für die meisten
Anwendungen, z. B. für
die zeitaufgelöste
Spektroskopie, reicht, aufgrund der Zeitskala der untersuchten Dynamik,
ein variabler Zeitversatz von einigen 10 ps völlig aus. Das bedeutet, dass
bei der ASOPS-Technik während
des größten Teils
der Messzeit (über
90%) keine sinnvollen Messdaten gewonnen werden können.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtimpulse bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe löst
die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs angegebenen
Art dadurch, dass aus einem Taktsignal und der Lichtimpulsfolge
der Lichtquelle mittels eines Phasendetektors ein Regelsignal innerhalb
eines Regelkreises gebildet wird, wobei der Regelkreis einen Regler
umfasst, der ein Stellsignal erzeugt, welches die Wiederholfrequenz
der Lichtimpulsfolge der Lichtquelle beeinflusst.
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Gemäß der Erfindung
ist die Lichtquelle über eine
Phasenregelschleife mit einer Taktsignalquelle gekoppelt. Das Taktsignal
kann ein beliebiges periodisches oder aperiodisches Zeitsignal sein,
das beispielsweise mittels eines Funktionsgenerators erzeugt wird.
Das Taktsignal dient als zeitliches Referenzsignal. Mittels des
Phasendetektors wird der momentane Zeitversatz zwischen der Lichtimpulsfolge und
dem Taktsignal als Phasenwert ermittelt. Dieser wird als Regelsignal
innerhalb eines Regelkreises genutzt. Durch Änderung der Wiederholfrequenz wird
mittels des Reglers gezielt ein Vorauseilen bzw. ein Nachfolgen
der Lichtimpulsfolge gegenüber
dem Taktsignal erzeugt. Der Regler stellt die Wiederholfrequenz
der Lichtimpulsfolge der Lichtquelle dabei so ein, dass der gewünschte Phasenwert,
d. h. der gewünschte
Zeitversatz eingestellt wird.
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Gemäß einer
sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung ist das Taktsignal eine weitere
Lichtimpulsfolge, die mittels einer weiteren Lichtquelle erzeugt wird.
In diesem Falle sind die beiden Lichtquellen gemäß der Erfindung über die
Phasenregelschleife aneinander gekoppelt, wobei der Zeitversatz
zwischen den beiden Lichtimpulsfolgen einstellbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
hat den Vorteil, dass der Zeitversatz zwischen den Lichtimpulsfolgen
bzw. zwischen dem Taktsignal und der Lichtimpulsfolge nahezu beliebig
vorgegeben werden kann. Die Zeitauflösung bei der Variation des Zeitversatzes
ist im Wesentlichen nur durch die Impulsbreiten der Lichtimpulse
sowie durch die Eigenschaften des Regelkreises bestimmt. Der Scanbereich,
d. h. der Bereich, über
den, z. B. bei einem Pump-Probe-Experiment,
der Zeitversatz variiert wird, kann nach Belieben vorgegeben werden.
Somit ist die erfindungsgemäße Technik
zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtimpulse der herkömmlichen
ASOPS-Technik sowohl hinsichtlich der Zeitauflösung als auch hinsichtlich
der Anpassung des Scanbereiches an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung überlegen.
Insbesondere stellt die erfindungsgemäße Vorrichtung sicher, dass
die gesamte Messzeit zur Erzeugung sinnvoller Messdaten genutzt
werden kann. Der Scanbereich ist nämlich nicht, wie bei der ASOPS-Technik,
prinzipbedingt festgelegt, sondern frei vorgebbar.
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Gemäß einer
sinnvollen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst der
Regelkreis ein Glied zur Bildung eines Regelabweichungssignals aus
dem Regelsignal und einem Führungssignal.
Das Führungssignal
kann benutzerseitig eingestellt werden, um die gewünschte Phasendifferenz bzw.
den gewünschten
Zeitversatz zwischen den Lichtimpulsfolgen vorzugeben. Das aus dem
Regelsignal und dem Führungssignal
gebildete Regelabweichungssignal wird dem Regler zugeführt. Der Regler
ist dann zweckmäßigerweise
so ausgebildet, dass das Regelabweichungssignal durch entsprechende
Variation des Stellsignals auf einen festen Wert, beispielsweise
auf 0 Volt, eingeregelt wird.
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Zweckmäßigerweise
ist das Glied zur Bildung des Regelabweichungssignals ein Addierer. Dieser
addiert das Führungssignal
zu dem Regelsignal hinzu. Auf diese Weise kann über das Führungssignal der einzuregelnde
Phasenwert bzw. der einzuregelnde Zeitversatz zwischen den Lichtimpulsfolgen direkt
vorgegeben werden. Der Regler sorgt, wie zuvor erläutert, dafür, dass
das Regelabweichungssignal auf einen festen Wert eingeregelt wird.
Da das Regelabweichungssignal die Summe aus dem Regelsignal und
dem Führungssignal
ist, bestimmt das Führungssignal
den tatsächlich
eingeregelten Phasenwert bzw. Zeitversatz.
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Grundsätzlich kann
das Führungssignal
ein beliebiges, ggf. auch aperiodisches Zeitsignal sein. Gemäß einer
sinnvollen Ausgestaltung ist das Führungssignal allerdings ein
periodisches Signal, das beispielsweise mittels eines Funktionsgenerators
erzeugt wird, wobei die Amplitude und/oder die Frequenz des Führungssignals
einstellbar sind. Durch periodische Variation des Führungssignals
wird der Scanbereich bezüglich
des Zeitversatzes periodisch abgetastet. Durch die Amplitude des
Führungssignals
kann unmittelbar die Breite des Scanbereichs, d. h. das Intervall
von minimalem bis maximalem Zeitversatz eingestellt werden. Die
Frequenz des Führungssignals
bestimmt die Scangeschwindigkeit. Das Führungssignal kann beispielsweise
ein Sinus- oder auch ein Dreiecksignal sein.
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Für die meisten
Anwendungen von Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art, beispielsweise für die schnelle
aufgelöste
Spektroskopie, reicht ein maximaler Zeitversatz der Lichtimpulsfolgen
von maximal 1 ns aus. Es ist problemlos möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung
so einzurichten, dass der Zeitversatz periodisch variiert und bis
zu 1 ns beträgt. Der
Zeitversatz kann auch deutlich kleinere Werte von nur wenigen 10
ps betragen, so dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in idealer Weise
an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen lässt. Dies
stellt insbesondere sicher, dass, wie oben bereits erläutert, während der
gesamten Messzeit sinnvolle Messwerte gewonnen werden können. Beispielsweise
bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die schnelle
zeitaufgelöste
Spektroskopie kann der Scanbereich genau auf die Zeitskala der untersuchten
dynamischen Prozesse angepasst werden.
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Als
Regler kommt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßigerweise
ein PID-Regler zum Einsatz. Die Parameter des PID-Reglers können so
optimiert werden, dass der Zeitversatz der Lichtimpulsfolgen über die
Verstellung der Wiederholfrequenz präzise geregelt wird, was sich
positiv auf die Zeitauflösung
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beispielsweise für Pump-Probe-Experimente
auswirkt. Experimente haben gezeigt, dass es möglich ist, durch Optimierung der
Regelparameter zu erreichen, dass die durch die Regelung bedingten
Schwankungen des Zeitversatzes („Timing Jitter”) nur etwa
der Pulsdauer der einzelnen Lichtimpulse entsprechen.
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Als
Lichtquellen für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
eignen sich modengekoppelte Laser. Insbesondere kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft
mit Faserlasern realisiert werden. Bei Experimenten haben sich Faserlasersysteme
auf der Basis von Erbium-dotierten Fasern bewährt. Derartige modengekoppelte
Faserlaser, die Lichtimpulsfolgen bei Wiederholfrequenzen im Bereich
von 100 MHz emittieren, sind vorteilhafterweise als vorgefertigte
Einheiten kommerziell erhältlich.
Derartige Systeme haben sich als äußerst robust erwiesen. Ein
wesentlicher Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit modengekoppelten
Faserlasern als Lichtquellen für
sämtliche
der eingangs erwähnten Anwendungen
eingesetzt werden kann. Aufwendige, teure und außerdem justageintensive Titan-Saphir-Laser, wie sie üblicherweise
bei ASOPS-Systemen zum Einsatz kommen, sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht als Lichtquellen nötig.
Die Phasenregelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sorgt dafür, dass
für die
meisten Anwendungen die Anforderungen hinsichtlich der Scanfrequenz, des
Scanbereichs und auch der Zeitauflösung mit modengekoppelten Faserlasersystemen
als Lichtquellen erfüllt
werden können.
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Zur
praktischen Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung steuert das
von dem Regler erzeugte Stellsignal ein mechanisches Stellelement
an, mittels welchem die Resonatorlänge des Lasers verstellt wird.
Die Resonatorlänge
beeinflusst unmittelbar die Wiederholfrequenz der Lichtimpulsfolge.
Das Stellelement kann z. B. ein handelsüblicher Piezo-Translator sein.
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Eine
sinnvolle Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass aus den Lichtimpulsfolgen
mittels eines Korrelators ein Kreuzkorrelationssignal gebildet wird.
Beispielsweise bei Pump-Probe-Experimenten kann das Kreuzkorrelationssignal
(statt des Taktsignals) genutzt werden, um damit die Datenaufnahme zu
triggern. Damit lassen sich kleinere zeitliche Verschiebungen („Drifts") eliminieren. Solche
Drifts können
entstehen, wenn sich die optischen Wegstrecken im Experiment, d.
h. außerhalb
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
unbeabsichtigt ändern,
z. B. aufgrund von Temperaturschwankungen. Das Kreuzkorrelationssignal
kann z. B. das im Experiment zu messende Pump-Probe-Signal selbst
sein.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 schematische
Darstellung von zeitlich versetzten Lichtimpulsfolgen;
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2 Darstellung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
als Blockdiagramm;
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3 Ausgangssignal
(Regelsignal) des Phasendetektors gemäß der Erfindung;
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4 Zeitversatz
als Funktion der Zeit (4a), Resonatorlänge der
Laserlichtquelle als Funktion der Zeit (4b).
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Die 1 zeigt
schematisch zwei Lichtimpulsfolgen 1 und 2. Die
Lichtimpulsfolgen 1 und 2 bestehen jeweils aus
einer Abfolge von zeitlich äquidistanten
Lichtimpulsen 3 bzw. 4. Die Lichtimpulsfolgen 1 und 2 weisen
einen Zeitversatz Δ auf.
Die Dauer eines einzelnen Lichtimpulses 3 bzw. 4 beträgt beispielsweise
75 fs. Die Wiederholfrequenzen der Lichtimpulsfolgen 1 und 2 liegen
beispielsweise im Bereich von 100 MHz. Der zeitliche Versatz Δ variiert bei
typischen Anwendungen erfindungsgemäßer Vorrichtungen im Bereich
von 0 bis zu 1 ns. Eine geringere Variationsbreite (Scanbereich)
von bis zu einigen 10 ps ist für
die meisten Anwendungen allerdings ausreichend. Die Lichtimpulsfolgen 1 und 2 werden
bei einer typischen Anwendung (z. B. Pump-Probe-Experiment) in einem Wechselwirkungszentrum
(z. B. einer untersuchten Probe) räumlich überlagert.
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Die 2 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
schematisch als Blockdiagramm. Die Vorrichtung umfasst als Lichtquellen
zur Erzeugung der Lichtimpulsfolgen 1 und 2 zwei
modengekoppelte Femtosekunden-Laser 5 und 6. Beispielsweise
handelt es sich um Faserlaser auf der Basis von mit Erbiumionen
dotierten Fasern als aktives Medium. Über Strahlteiler 7 und 8 wird
ein Teil des Laserlichts der Lichtimpulsfolgen 1 und 2 auf
Fotodioden 9 bzw. 10 geführt. Die von den Fotodioden 9 und 10 erzeugten
Fotoströme
werden einem Phasendetektor 11 zugeführt. Der Phasendetektor 11 erzeugt
an seinem Ausgang ein Regelsignal 12. Ein Addierer 13 ist
vorgesehen, welcher aus dem Regelsignal 12 und einem Führungssignal 14 ein
Regelabweichungssignal 15 bildet. Das Führungssignal 14 wird
mittels eines Funktionsgenerators 16 erzeugt, wobei die
Amplitude und die Frequenz des Führungssignals 14 einstellbar
sind. Das Regelabweichungssignal 15 liegt am Eingang eines
PID-Reglers 17 an.
Dieser erzeugt ein Stellsignal 18, das mittels eines Verstärkers 19 verstärkt und
der Lichtquelle 6 zugeführt
wird. Das Stellsignal wirkt auf die Wiederholfrequenz der von dem
Laser 6 emittierten Lichtimpulsfolge 2. Hierzu steuert
das verstärkte
Stellsignal 18 einen in den Laser 6 integrierten
Piezo-Translator
an, mittels welchem die Resonatorlänge des Lasers 6 verstellt
wird.
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Die
Frequenz des Führungssignals 14 bestimmt
die Scanfrequenz der Vorrichtung, d. h. die Frequenz, mit welcher
der Zeitversatz Δ periodisch variiert.
Die mittels des Funktionsgenerators 16 frei einstellbare
Amplitude des Führungssignals 14 bestimmt
die Breite des Scanbereichs hinsichtlich des Zeitversatzes Δ. Denkbar
ist es, zusätzlich
eine Offset-Korrektur mittels des Funktionsgenerators 16 durchzuführen. Auf
diese Weise kann der Scanbereich so justiert werden, dass der Zeitversatz Δ zwischen
einem von 0 verschiedenen Minimalwert und einem Maximalwert periodisch
variiert. Insgesamt lässt
sich auf diese Weise ein „Zoomen" in einen bestimmten
Wertebereich des Zeitversatzes Δ realisieren.
Auch besteht die Möglichkeit,
die Variation des Führungssignals
mit anderen Signalen eines Experiments zu synchronisieren. Dies
kann z. B. bei bildgebenden Messungen (z. B. bei der konfokalen
Mikroskopie) dazu genutzt werden, für jeden Bildpunkt genau einmal
den gewünschten
Scanbereich zu durchfahren.
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Die 3 zeigt
das Regelsignal V, d. h. das Ausgangssignal des Phasendetektors 11,
als Funktion der relativen Phasenlage der Signale der Fotodioden 9 und 10.
Voffset markiert zu Illustrationszwecken einen
bestimmten Wert des Führungssignals 14. Durch
Addition von Voffset zu dem Regelsignal 12 wird erreicht,
dass der Regler 17 den Phasenwert Φoffset einjustiert.
Die Phasendifferenz ΔΦ entspricht
einem bestimmten Zeitversatz Δ der
Lichtimpulsfolgen 1 und 2.
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Das
Diagramm der 4a zeigt den Zeitversatz Δ (in Pikosekunden)
als Funktion der Zeit t in Millisekunden. Dem Diagramm ist zu entnehmen,
dass der Zeitversatz zwischen 0 ps und 400 ps periodisch bei einer
Sequenz von 50 Hz variiert wird, und zwar gemäß einer Sinus-Funktion (durchgezogene
Kurve) oder einer Dreieckfunktion (gestrichelte Kurve). Die Scanfrequenz
des Zeitversatzes Δ,
d. h. die Frequenz des Führungssignals 14,
beträgt
bei dem dargestellten Beispiel 50 Hz. Das Diagramm der 4b illustriert die zugehörige Verstellung
L der Resonatorlänge
des Lasers 6 in Nanometern. Zu erkennen ist, dass entsprechend
dem sinusförmigen
Verlauf des Zeitversatzes Δ die
Resonatorlänge
zwischen –200 nm
und 200 nm sinusförmig
verstellt wird. Zu dem dreieckförmigen
Verlauf des Zeitversatzes Δ korrespondiert
die rechteckförmige
Verstellung der Resonatorlänge
L (gestrichelte Kurve). Bemerkenswert ist, wie man anhand der Diagramme
der 4 erkennt, dass zur Variation des Zeitversatzes
um 400 ps lediglich eine Verstellung der Resonatorlänge um +/-
200 nm erforderlich ist. Mit einem herkömmlichen Interferometer müsste zur
Erzielung eines Zeitversatzes von 400 ps eine mechanische Längenverstellung
eines Interferometerarms um über
6 cm erfolgen. Der Verstellweg von 200 nm kann mit einem Piezostellglied
sehr robust bei gleichzeitig kurzer Reaktionszeit realisiert werden.