WO2002021644A2 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von stabilisierten ultrakurzen laser-lichtpulsen - Google Patents

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WO2002021644A2
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Thomas Udem
Theodor HÄNSCH
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    • H01S5/0683—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/06835—Stabilising during pulse modulation or generation

Definitions

  • the invention relates to a method for generating ultrashort laser light pulses, in particular a method for stabilizing the operation of a pulse laser and a method for producing highly accurate optical frequencies, and a laser device for generating ultrashort light pulses, in particular a frequency-stabilized pulse laser.
  • ultra-short laser light pulses (light pulses with characteristic pulse durations in the ns to fs range), which has been known since the 1970s, is based on so-called mode synchronization.
  • mode synchronization With a sufficient bandwidth of the laser transition in the resonator, a large number of natural vibrations with different frequencies can be excited in a laser medium. If a suitable phase relationship is set between the natural vibrations (mode synchronization), short light pulses are emitted with a time interval ⁇ that is equal to the quotient of twice the resonator length and the rotational speed of the pulses, and a spectral composition corresponding to that excited in the resonator , optical frequencies contributing to pulse formation.
  • a Fourier transformation of the field course of the pulsed laser radiation from time to frequency space results in a so-called frequency comb, which is formed by ⁇ -like functions at the optical frequencies contributing to each pulse and whose envelope lies within the bandwidth of the laser transition in the laser medium.
  • the width of the envelope is essentially inversely proportional to the pulse duration.
  • Each frequency contribution to such a frequency comb is referred to here as a frequency component or mode M.
  • the comb structure of fs pulses in the frequency domain is described, for example, in "Femtosecond Laser Pulses" (ed. C. Rulliere, Springer-Verlag, Berlin 1998).
  • a resonator end mirror is arranged to be movable in the longitudinal direction of the resonator and is readjusted in the event of a mode shift using a control loop.
  • this conventional stabilization does not meet the current accuracy requirements for applications in spectroscopy or time measurement technology.
  • the absolute frequency position of the frequency components separated by integer multiples of the repetition frequency f r cannot be represented by integer multiples of the repetition frequency f r , but rather by the sum (n • f r + f 0 ) of n • repetition frequency f r and a so-called offset or phase slip frequency f 0 , which have the same value for all frequency components according to the quotient of the respective phase differences from pulse to pulse by the round trip time ( 2 ⁇ ) ⁇ .
  • a determination of these phase differences has so far not been available, so that the use of pulse lasers for measurement purposes or as generators of optical frequencies is restricted.
  • the offset frequency is set.
  • a linear dispersion is introduced into the light path of the resonator arrangement of the pulse laser, which has a spectrally specific influence on the frequency components of the laser pulses.
  • Linear dispersion is introduced by a spectrally specific effective change in the resonator length in a resonator branch, through which the light pulses pass spatially separated after compensation for the group velocity dispersion, or by other mechanical means (tilting a transparent plate, inserting a pair of prisms or inserting a wedge (e.g. B. 1 ° wedge) in the light path of the resonator arrangement) or electro-optical (setting the effective pump power for pumping the active medium of the pulse laser) measures.
  • the repetition and offset frequency are set in control loops based on the following principle.
  • One or more frequency components of the pulse mode spectrum are directed at the same time with an optical reference frequency to a detector, the output signal of which contains a beat signal corresponding to the deviation between the frequency components and the reference frequency.
  • the beat signal is used as a control signal to regulate the repetition or offset frequency used.
  • the reference frequency is generated by a stabilized frequency generator.
  • control circuits for pulse laser stabilization described in PCT / EP00 / 02135 have a relatively complex structure due to the provision of the reference generators. There is an interest in stabilizing pulse lasers with a simplified structure without having to accept restrictions in the stabilization accuracy.
  • a method for high-resolution 2-photon spectroscopy with ps laser pulses is known from the publication by JN Eckstein, AI Ferguson and TW Hänsch in "Physical Review Letters", volume 40, 1978, page 847 ff.
  • the laser pulses pass through a measuring cell Sodium vapor in two opposite directions in such a way that when two light pulses meet, a two-photon transition can be stimulated, the total energy of which is composed of two partial amounts that correspond to two complementary frequency components in the mode spectrum of the light pulses, which enables high-resolution spectroscopy , since the Doppler broadening of the observed transitions is avoided.
  • the object of the invention is also to provide an improved laser device which is designed for generating stabilized laser pulses and has a simple, compact and low-maintenance structure.
  • the starting point of the invention is the operation of a pulse laser with two control loops corresponding to the two degrees of freedom, repetition frequency and offset frequency of the mode spectrum.
  • a first control signal for setting the repetition frequency is generated in a repetition frequency control loop.
  • an offset frequency control circuit is used to generate a second actuating signal for setting the offset frequency.
  • the control signal is derived from the output signal of a detector device, with which a spectroscopic signal (preferably the fluorescent radiation) can be detected from a reference cell.
  • a spectroscopic signal preferably the fluorescent radiation
  • the output signal of the detector device is therefore characteristic for the occurrence or absence of the spectroscopic signal and thus for the setting of the repetition and offset frequencies.
  • the respective other control loop is formed by comparing a frequency component of the laser pulses with an optical reference frequency, which is derived from a further frequency component of the laser pulses, or a frequency spacing of frequency components of the laser pulses with a microwave reference frequency and deriving a corresponding actuating signal.
  • a fluorescence signal, an absorption signal, photoionization signal (detected with a photoelectron detector), or an opto-galvanic or opto-acoustic signal is processed as the spectroscopic signal.
  • the stabilization technique according to the invention has the advantage over the conventional techniques that no separate reference lasers have to be provided to stabilize the pulse laser.
  • the construction of the laser device stabilized according to the invention is thereby considerably simplified. Integration into a compact, portable laser system is possible, which has new applications in spectroscopy, time measurement technology and telecommunications.
  • the invention also relates to a laser device for generating ultrashort laser light pulses, which is equipped with the repetition frequency and offset frequency control loops.
  • a laser device for generating ultrashort laser light pulses which is equipped with the repetition frequency and offset frequency control loops.
  • at least one of the control loops is equipped with the reference cell and is set up to set the repetition frequency or the offset frequency depending on the detection of the spectroscopic signal from the reference cell.
  • the laser light pulses are broadened by self-phase modulation, preferably with an optical fiber, such that the mode spectrum of the laser pulses spans a frequency octave in which a low-frequency component f n and a higher-frequency component correspond to twice the value 2f n are included.
  • a phase coupling takes place in the respective control loop between a low-frequency frequency component and a frequency-halved, higher-frequency frequency component of the mode spectrum (or vice versa).
  • the reference cell is formed by a reference vapor cell which is designed for optical excitation without Doppler broadening of the optical transitions (2-photon spectroscopy, polarization spectroscopy, saturation spectroscopy). This is sits the advantage that the fluorescence can be excited in an extremely narrow-band manner, so that the detection of the occurrence or absence of the fluorescence provides a sensitive means for monitoring the repetition and / or offset frequencies.
  • FIG. 1 shows a schematic overview of a laser device according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a schematic overview of a laser device according to another embodiment of the invention.
  • the invention is described below with reference to a laser device with two control loops, which are referred to as repetition frequency or offset frequency control loops.
  • the invention is not limited to the function explained here according to the respective designation, but can also be implemented by regulating the offset frequency with the repetition frequency control loop and vice versa.
  • the only decisive factor is that two control loops are provided for the two degrees of freedom of the frequency components of the laser pulses.
  • the principle of setting the repetition and offset frequencies with control loops as a function of beat signals from a frequency component and a reference frequency is per se in the unpublished PCT application PCT / EP00 / 02135 or, for example, in the publication by T. Udem et al. in "Physical Review Letters", Volume 82, 1999, page 3568 ff.
  • control loops are designed with the reference cell and the other control loop is designed to adjust frequency components relative to the reference frequency.
  • both control loops can also be implemented with separate reference cells which are designed to excite different optical transitions.
  • the pulse laser 10 is preferably a compact and portable, possibly battery-operated, device.
  • the pulse laser 10 is optionally connected to a device for broadening the laser pulses by means of self-phase modulation (shown in broken lines, reference number 11).
  • the device 11 for pulse broadening is, for. B. an optical single-mode fiber.
  • the self-phase modulation is described by K. Imai in “IEEE Journal of Quantum Electronics” Volume 34, 1998, page 54 ff.
  • a particularly strong broadening of the mode comb is achieved when using structured optical fibers that have a fiber core and thin axial air channels around it own (see D. Mogilevtsev et al. in "Optics Letters", volume 23, 1998, page 1662 ff., TA Burks in "Optics Letters", volume 22, 1997, page 961 ff.
  • the laser pulses A which are subjected to the pulse laser 10, possibly the self-phase modulation 11, are divided in the offset frequency control circuit 20 with the beam splitters or deflecting mirrors 22 to 25 into different spectral components B, C.
  • the mirrors 22, 25 is designed for the spectrally selective deflection of radiation components of the light pulses A.
  • the component B contains higher-frequency components of the mode spectrum
  • the component C contains low-frequency components of the mode spectrum.
  • the frequencies of the components B and C are matched to one another using a frequency multiplier or controller 26.
  • component 26 is a frequency multiplier.
  • the component 26 is a multiplier or sub-stage for optical frequencies, as is known per se from the prior art.
  • component 26 is an optically nonlinear crystal for frequency doubling (or halving).
  • component 26 After passing through the frequency multiplication (component 26), there is a frequency-shifted radiation component D.
  • the radiation components B and D are simultaneously directed onto the detector device 21. With simultaneous incidence of the radiation components, an electrical output signal is generated on the detector device 21 in accordance with the frequency deviation of the frequency component (s) of the radiation components B, D, which contains frequency components with a certain beat frequency.
  • the output signal is sent to the first control amplifier 27, with which a device (known per se) for setting the offset frequency of the pulse laser 10 is actuated. This device (not shown) is operated so that the beat signal becomes zero or a predetermined reference owns frequency.
  • the device for setting the offset frequency can be implemented by the abovementioned measures which are described in the PCT application PCT / EP00 / 02135.
  • component B can also contain low-frequency frequency components and component C can contain higher-frequency frequency components, component 26 then being designed for frequency division.
  • the device for frequency multiplication or division can also be provided in the other branch of the beam splitter 22 to 25.
  • the mirrors 22 to 25 can also be replaced by other beam splitters (eg prisms) having the same effect.
  • optical filters and, if appropriate, a time delay path for adapting the time run-in of the radiation components in the detector device 21 can be provided in the beam path shown for the components B, C and D.
  • the detector device 21 is a light-sensitive element, such as. B. a photodiode or a photomultiplier. Further devices for signal shaping can be arranged downstream of the detector device. Signal shaping can include filtering of the output signals and / or amplification, for example.
  • Another radiation component E of the, possibly self-phase-modulated, laser pulses is transmitted to the repetition frequency control circuit 30.
  • the radiation component G which corresponds to the spectral composition of the laser pulses, is provided on the one hand as a result of stabilized output pulses P and on the other hand is directed onto the reference cell 33.
  • the reference cell 33 is preferably implemented as a reference vapor cell, which is designed for double-free optical excitation (eg 2-photon spectroscopy, polarization spectroscopy, saturation spectroscopy).
  • the reference steam cell 33 is a temperature-controlled steam cell which contains the steam of a suitably fluorescent substance (e.g. iodine, rubidium, sodium or the like) during operation. Adjusting the cell temperature results in a defined vapor pressure in the reference cell, which defines the position and width of the atomic transitions.
  • the radiation component G of the laser pulses passes through the reference steam cell in a first reference direction (arrow direction) and strikes a flat mirror 34 on the rear side, which reflects the passing pulses back in the opposite direction (double arrow).
  • the distance of the mirror 34 from the center of the reference steam cell 33 is set in such a way that the laser pulses overlap constructively in the cell. As described by J.N. Eckstein et al.
  • the complementary frequency components in the mode spectrum of the laser pulses just provide the energy contributions z. B. for optical 2-photon excitation. Only the steam atoms or molecules are excited that do not move in relation to the direction of propagation of the laser pulses. This prevents a Doppler broadening. The fluorescence excited in the vapor is directed to the detector device 31 as a spectroscopic signal.
  • An output signal corresponding to the fluorescence of the reference steam cell 33 is generated on the detector device 31 and is sent to the control amplifier 35 as an electrical output signal, optionally filtered and / or amplified, with which a device for setting the repetition frequency in the pulse laser 10 is actuated.
  • This device (not shown) comprises, for example, a device for changing the resonator length of the pulse laser 10. When the resonator length is amplified, the repetition frequency also changes accordingly. The repetition frequency of the pulse laser 10 is adjusted until a fluorescence signal is detected by the reference steam cell 33 with the detector device 31.
  • an open cell with an atomic beam can also be used as a system for narrow-band optical excitation.
  • FIG. 2 illustrates a modified embodiment of a laser device according to the invention, which in turn contains an offset frequency control circuit 50 and a repetition frequency control circuit 40.
  • the offset frequency control circuit 50 functions analogously to the repetition frequency control circuit 30 explained above, with the output frequency of the detector device 51 and the control amplifier 55 regulating the offset frequency of the pulse laser 10 depending on the absence of fluorescence from the cell 53.
  • the repetition frequency control circuit 40 is based on the phase coupling of a frequency spacing from the mode spectrum of the laser pulses with a reference frequency in the radio frequency range supplied by a microwave generator.
  • a radiation component B is coupled out of the laser pulses A into the repetition frequency control circuit 40 and directed onto the detector device 42.
  • the output signal C of the detector device 42 is a radio frequency signal with frequency components corresponding to the frequency spacings occurring in the mode spectrum of the laser pulses.
  • the output signal C is sent to an electrical mixer device 43, which at the same time receives the microwave reference frequency from the microwave generator 44.
  • the additive superposition of both signals provides a beat signal, which is used as a control signal via the control amplifier 45 for setting the repetition frequency of the pulse laser 10.
  • the laser device according to the invention can advantageously be used in telecommunications, spectroscopy and time measurement technology analogously to the applications described in the PCT application PCT / EP00 / 02135.

Abstract

Zum Betrieb eines Pulslasers (10), der zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Wiederholfrequenz (fR) eingerichtet ist, die ein Spektrum aus N Frequenzkomponenten fn mit fn= n*fR+f0 (n=1-N) enthalten (f0: Offsetfrequenz), bei dem mit einem Wiederholfrequenz-Regelkreis ein erstes Stellsignal zur Wiederholfrequenzeinstellung und mit einem Offsetfrequenz-Regelkreis ein zweites Stellsignal zur Offsetfrequenzeinstellung erzeugt wird, werden die Laserpulse auf eine Referenzzelle (33) gerichtet, in der bei einer vorbestimmtem Wiederholfrequenz und einer vorbestimmten Offsetfrequenz ein atomarer Übergang angeregt und ein spektroskopisches Signal induziert werden kann, das mit einer Detektoreinrichtung (31) erfassbar ist, mit der ein für das Auftreten oder Fehlen des spektroskopischen Signals charakteristisches Ausgangssignal erzeugt wird, das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (31) zur Erzeugung entweder des ersten oder des zweiten Stellsignals verwendet, und die Wiederholfrequenz oder die Offsetfrequenz des Pulslasers (10) so eingestellt, dass das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (31) das Auftreten des spektroskopischen Signals anzeigt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von stabilisierten ultrakurzen Laser-Lichtpulsen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laser-Lichtpulse, insbesondere ein Verfahren zur Stabilisierung des Betriebs eines Pulslasers und ein Verfahren zur Erzeugung hochgenauer optischer Frequenzen, und eine Lasereinrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse, insbesondere einen frequenzstabilisierten Pulslaser.
Die seit den 70-er Jahren bekannte Erzeugung ultrakurzer Laser-Lichtpulse (Lichtpulse mit charakteristischen Pulsdauern im ns- bis fs-Bereich) basiert auf der sog. Modensynchronisation. In einem Lasermedium können bei genügender Bandbreite des Laserübergangs im Resonator sehr viele Eigenschwingungen mit verschiedenen Frequenzen angeregt werden. Wird durch einen geeigneten Mechanismus zwischen den Eigenschwingungen eine feste Phasenbeziehung eingestellt (Modensynchronisation) so kommt es zur Abstrahlung kurzer Lichtpulse mit einem zeitlichen Abstand τ, der gleich dem Quotienten aus doppelter Resonatorlänge und Umlaufgeschwindigkeit der Pulse ist, und einer spektralen Zusammensetzung entsprechend den im Resonator angeregten, zur Pulsbildung beitragenden optischen Frequenzen.
Bei Fourier-Transformation des Feldverlaufs der pulsförmigen Laserstrahlung vom Zeit- in den Frequenzraum ergibt sich ein sogenannter Frequenzkamm, der durch δ-ähnliche Funktionen bei den zu jedem Puls beitragenden optischen Frequenzen gebildet wird und dessen Einhüllende innerhalb der Bandbreite des Laserübergangs im Lasermedium liegt. Die Breite der Einhüllenden ist im wesentlichen umgekehrt proportional zur Pulsdauer. Jeder Frequenzbeitrag zu einem derartigen Frequenzkamm wird hier als Frequenzkomponente oder Mode M bezeichnet. Die Frequenzab- stände der Elemente des Frequenzkammes sind entsprechend den (longitudinalen) Lasermoden ganzzahlige Vielfache der Wiederholfrequenz fr = τf1 (Repetitionsrate) der Laserpulse. Die Kammstruktur von fs-Pulsen im Frequenzraum wird beispielsweise in "Femtosecond Laser Pulses" (Hrsg. C. Rulliere, Springer- Verlag, Berlin 1998) beschrieben.
Da die Pulswiederholfrequenz fr von der Resonatorlänge abhängt, treten bei geringsten Instabilitäten des Resonators Verschiebungen der idealerweise festen Modenabstände auf. Es sind Techniken zur Stabilisierung der Resonatorlänge bekannt, die eine Veränderung der Modenabstände unterdrücken. Hierzu wird beispielsweise ein Resonatorendspiegel in Resonatorlängsrichtung beweglich angeordnet und bei einer Modenverschiebung unter Verwendung eines Regelkreises nachgestellt. Diese herkömmliche Stabilisierung genügt jedoch nicht den aktuellen Genauigkeitsanforderungen bei Anwendungen in der Spektroskopie oder Zeitmeßtechnik.
Von J. N. Eckstein et al . (siehe "Physical Review Letters", Bd. 40, 1978, S. 847 ff.) wurde erkannt, dass sich die Aneinanderreihung der Moden als Skala für eine Frequenzkalibrierung eignen könnte. Gleichzeitig wurde aber auch auf die ungenügende Stabilität des Pulslasers und auf Verschiebungen der Modenfrequenzen hingewiesen. Es wurde festgestellt, dass diese Verschiebungen trotz der Stabilisierung der Resonatorlänge weiter auftreten. Gemäß L. Xu et al . in "Optics Letters", Bd. 21, 1996, S. 2008 ff., wird dies dadurch verursacht, dass die Gruppengeschwindigkeit eines Pulses, die die Umlaufzeit im Resonator und damit die Wiederholfrequenz fr bestimmt, in der Regel nicht mit der Phasengeschwindigkeit der einzelnen Moden übereinstimmt. Die durch ganzzahlige Vielfache der Wiederholfrequenz fr getrennten Frequenzkomponenten lassen sich in ihrer absoluten Frequenzlage nicht durch ganzzahlige Vielfache (n) der Wiederholfrequenz fr darstellen, sondern durch die Summe (n • fr + f0) aus n • Wiederholfrequenz fr und einer sogenannten Offset- oder Phasenschlupffrequenz f0, die für alle Frequenzkomponenten den gleichen Wert entsprechend dem Quotienten aus der jeweiligen Phasendifferenzen von Puls zu Puls durch die Umlaufzeit (2π)τ ist. Eine Bestimmung dieser Phasendifferenzen ist bisher nicht verfügbar, so dass die Anwendungen von Pulslasern für Messzwecke oder als Generatoren optischer Frequenzen beschränkt sind.
In der unveröffentlichten PCT-Anmeldung PCT/EP00/02135 sind Techniken zum stabilisierten Betrieb von Pulslasern beschrieben. Bei diesen ist vorgesehen, neben der Regelung der Wiederholfrequenz auch eine Einstellung der Offsetfrequenz durchzuführen. Zur Einstellung der Offsetfrequenz f0 wird in den Lichtweg der Resonatoranordnung des Pulslasers eine lineare Dispersion eingeführt, die die Frequenzkomponenten der Laserpulse spektral spezifisch beeinflusst. Die Einführung der linearen Dispersion erfolgt durch eine spektral spezifisch wirksame Änderung der Resonatorlänge in einem Resonatorzweig, den die Lichtpulse nach Kompensation der Gruppengeschwindigkeitsdispersion spektral räumlich getrennt durchlaufen, oder durch andere mechanische (Verkippen einer transparenten Platte, Einschieben eines Prismenpaares oder Einschieben eines Keiles (z. B. 1°-Keil) in den Lichtweg der Resonatoranordnung) oder e- lektro-optische (Einstellung der wirksamen Pumpleistung zum Pumpen des aktiven Mediums des Pulslasers) Maßnahmen. Die Einstellung der Wiederhol- und der Offsetfrequenz erfolgt in Regelkreisen, die auf dem folgenden Prinzip basieren.
Eine oder mehrere Frequenzkomponenten des Pulsmodenspektrums werden gleichzeitig mit einer optischen Referenzfrequenz auf einen Detektor gerichtet, in dessen Ausgangssignal ein Schwe- bungssignal entsprechend der Abweichung zwischen den Frequenzkomponenten und der Referenzfrequenz enthalten ist. Das Schwe- bungssignal wird als Stellsignal zur Regelung der Wiederhol- oder Offsetfrequenz verwendet. Die Referenzfrequenz wird durch einen stabilisierten Frequenzgenerator erzeugt.
Die in PCT/EP00/02135 beschriebenen Regelkreise zur Pulslaserstabilisierung besitzen durch die Bereitstellung der Referenzgeneratoren einen relativ komplexen Aufbau. Es besteht ein Interesse, Pulslaser mit einem vereinfachten Aufbau zu stabilisieren, ohne dabei Einschränkungen der Stabilisierungsgenauigkeit hinnehmen zu müssen.
Aus der Publikation von J. N. Eckstein, A. I. Ferguson und T. W. Hänsch in „Physical Review Letters", Band 40, 1978, Seite 847 ff. ist ein Verfahren zur hochauflösenden 2-Photonen- Spektroskopie mit ps-Laserpulsen bekannt. Die Laserpulse durchlaufen eine Messzelle mit Natriumdampf in zwei entgegengesetzten Richtungen derart, dass beim Zusammentreffen von zwei Lichtpulsen gerade ein 2-Photonen-Übergang angeregt werden kann, dessen Gesamtenergie sich aus zwei Teilbeträgen zusammensetzt, die gerade zwei sich ergänzenden Frequenzkomponenten im Modenspektrum der Lichtpulse entsprechen. Diese Messtechnik ermöglicht eine hochauflösende Spektroskopie, da die Dopplerverbreiterung der beobachteten Übergänge vermieden wird.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung stabilisierter Laser-Lichtpulse anzugeben, das mit einem vereinfachten apparativen Aufbau umsetzbar ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, eine verbesserte Lasereinrichtung bereitzustellen, die zur Erzeugung stabilisierter Laserpulse ausgelegt ist und einen einfachen, kompakten und wartungsarmen Aufbau besitzt.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Lasereinrichtung mit den Merkmalen gemäß den Patenansprüchen 1 bzw. 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist der Betrieb eines Pulslasers mit zwei Regelkreisen entsprechend den zwei Freiheitsgraden Wiederholfrequenz und Offsetfrequenz des Modenspektrums. In einem Wiederholfrequenz-Regelkreis wird ein erstes Stellsignal zur Einstellung der Wiederholfrequenz erzeugt. Entsprechend dient ein Offsetfrequenz-Regelkreis zur Erzeugung eines zweiten Stellsignals zur Einstellung der Offsetfrequenz . Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens in einem von beiden Regelkreisen das Stellsignal aus dem Ausgangssignal einer Detektoreinrichtung abgeleitet wird, mit ein spektroskopisches Signal (vorzugsweise der Fluoreszenzstrahlung) aus einer Referenzzelle erfassbar ist. In der Referenzzelle wird mit Pulsen des Pulslasers ein schmalbandiger atomarer Übergang optisch angeregt und das spektroskopische Signal induziert, wenn die Laserpulse eine vorbestimmte Wiederholfrequenz und eine vorbestimmte Offsetfrequenz besitzen. Wenn Abweichungen von den vorbestimmten Werten auftreten, wird kein spektroskopisches Signal induziert. Das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung ist damit für das Auftreten oder Fehlen des spektroskopischen Signals und damit für die Einstellung der Wiederhol- und Offsetfrequenzen charakteristisch. Der jeweils andere Regelkreis wird durch Vergleich einer Frequenzkomponente der Laserpulse mit einer optischen Referenzfrequenz, die von einer weiteren Frequenzkomponente der Laserpulse abgleitet ist, oder eines Frequenzabstandes von Frequenzkomponenten der Laserpulse mit einer Mikrowellenreferenzfrequenz und Ableitung eines entsprechenden Stellsignals gebildet.
Als spektroskopisches Signal wird beispielsweise ein Fluoreszenzsignal, ein Absorptionssignal, Photoionisationssignal (mit einem Photoelektronendetektor erfaßt) , oder ein opto- galvanisches oder opto-akustisches Signal verarbeitet. Die erfindungsgemäße Stabilisierungstechnik besitzt gegenüber den herkömmlichen Techniken den Vorteil, dass zur Stabilisierung des Pulslasers keine gesonderten Referenzlaser vorgesehen sein müssen. Der Aufbau der erfindungsgemäß stabilisierten Lasereinrichtung wird dadurch erheblich vereinfacht. Es wird eine Integration in ein kompaktes, transportables Lasersystem ermöglicht, das neue Anwendungen in der Spektroskopie, Zeitmesstechnik und Telekommunikation besitzt.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Lasereinrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Laser-Lichtpulse, die mit den Wiederholfrequenz- und Offsetfrequenz-Regelkreisen ausgestattet ist. Entsprechend den oben erläuterten Prinzipien ist mindestens einer der Regelkreise mit der Referenzzelle ausgestattet und zur Einstellung der Wiederholfrequenz oder der Offsetfrequenz in Abhängigkeit von der Erfassung des spektroskopischen Signals von der Referenzzelle eingerichtet.
Gemäß einer bevorzugten Aufführungsform der Erfindung erfolgt eine Verbreiterung der Laser-Lichtpulse durch Selbstphasenmodulation, vorzugsweise mit einer optischen Faser, derart, dass das Modenspektrum der Laserpulse eine Frequenzoktave überspannt, in der eine niederfrequente Komponente fn und eine hö- herfrequente Komponente entsprechend dem doppelten Wert 2fn enthalten sind. In diesem Fall erfolgt im jeweiligen Regelkreis eine Phasenkopplung zwischen einer niederfrequenten Frequenzkomponente und einer frequenzhalbierten, höherfrequenten Frequenzkomponente des Modenspektrums (oder umgekehrt) .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Referenzzelle durch eine Referenz-Dampfzelle gebildet, die zur optischen Anregung ohne Dopplerverbreiterung der optischen Übergänge ausgelegt ist (2-Photonen-Spektroskopie, Polarisationsspektroskopie, Sättigungsspektroskopie) . Dies be- sitzt den Vorteil, dass die Fluoreszenz extrem schmalbandig angeregt werden kann, so dass durch die Erfassung des Auftretens oder Fehlens der Fluoreszenz ein sensitives Mittel zur Überwachung der Wiederhol- und/oder Offsetfrequenzen gegeben ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Lasereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und
Figur 2 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Lasereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf eine Lasereinrichtung mit zwei Regelkreisen beschrieben, die als Wiederholfrequenz- bzw. Offsetfrequenz-Regelkreise bezeichnet werden. Die Erfindung ist nicht auf die hier erläuterte Funktion entsprechend der jeweiligen Benennung beschränkt, sondern kann auch durch Regelung der Offsetfrequenz mit dem Wiederholfrequenz-Regelkreis und umgekehrt implementiert werden. Entscheidend ist lediglich, dass für die zwei Freiheitsgrade der Frequenzkomponenten der Laserpulse zwei Regelkreise vorgesehen sind. Das Prinzip der Einstellung der Wiederhol- und Offsetfrequenzen mit Regelkreisen in Abhängigkeit von Schwebungssig- nalen aus einer Frequenzkomponente und einer Referenzfrequenz ist an sich in der unveröffentlichten PCT-Anmeldung PCT/EP00/02135 oder bspw. in der Publikation von T. Udem et al. in „Physical Review Letters", Band 82, 1999, Seite 3568 ff. beschrieben. Auf Einzelheiten zum Aufbau der Regelkreise wird daher hier nicht eingegangen. Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsformen ist jeweils einer der Regelkreise mit der Referenzelle und der andere Regelkreis zum Abgleich von Frequenzkomponenten relativ zur Referenzfrequenz ausgelegt. Gemäß einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform können auch beide Regelkreise mit getrennten Referenzzellen, die zur Anregung verschiedener optischer Übergänge ausgelegt sind, umgesetzt werden.
In Figur 1 ist die Lasereinrichtung 100 zur Erzeugung von stabilisierten Laserpulsen P mit dem Pulslaser 10, dem Wiederholfrequenz-Regelkreis 30 und dem Offset-Regelkreis 20 dargestellt. Der Pulslaser 10 wird bspw. durch einen Titan-Saphier- Laser (z. B. „Coherent Mira 900", Pulslänge 73 fs, Wiederholfrequenz fr = 75 MHz) , einen entsprechenden Ringlaser, fr = 1 GHz, oder einen diodengepumpten Festkörperlaser (z. B. Chrom- Li-SAF-Laser) gebildet. Der Pulslaser 10 ist vorzugsweise ein kompaktes und transportables, ggf. batteriebetriebenes, Gerät.
Der Pulslaser 10 ist optional mit einer Einrichtung zur Verbreiterung der Laserpulse durch Selbstphasenmodulation (gestrichelt eingezeichnet, Bezugszeichen 11) verbunden. Die Einrichtung 11 zur Pulsverbreiterung ist z. B. eine optische Einmodenfaser. Die Selbstphasenmodulation wird von K. Imai in „IEEE Journal of Quantum Electronics" Band 34, 1998, Seite 54 ff. beschrieben. Eine besonders starke Verbreiterung des Modenkamms erzielt man bei Verwendung strukturierter optischer Fasern, die einen Faserkern und um diesen axial verlaufende dünne Luftkanäle besitzen (siehe D. Mogilevtsev et al . in „Op- tics Letters", Band 23, 1998, Seite 1662 ff., T. A. Burks in „Optics Letters", Band 22, 1997, Seite 961 ff. oder T. A. Burks in „IEEE Photonics Letters", Band 11, 1999, Seite 674 ff .) . Die vom Pulslaser 10, ggf. der Selbstphasenmodulation 11 unterzogenen, Laserpulse A werden im Offsetfrequenz-Regelkreis 20 mit den Strahlteilern bzw. Umlenkspiegeln 22 bis 25 in verschiedene spektrale Anteile B, C aufgeteilt. Hierzu ist mindestens einer der Spiegel 22, 25 zur spektral selektiven Ablenkung von Strahlungsanteilen der Lichtpulse A ausgelegt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Anteil B höherfrequen- te Frequenzkomponenten des Modenspektrums und der Anteil C niederfrequente Komponenten des Modenspektrums enthält. Zur Bereitstellung eines ausreichend starken Schwebungssignals an der Detektoreinrichtung 21 werden die Frequenzen der Anteile B und C mit einem Frequenzvervielfacher oder -teuer 26 aneinander angepasst. Beim genannten Beispiel (C: niederfrequenter Anteil) ist das Bauteil 26 ein Frequenzvervielfacher. Das Bauteil 26 ist eine Vervielfacher- oder Teilstufe für optische Frequenzen, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, falls im Modenspektrum der Laserpulse eine ganze Frequenzoktave überspannt wird. In diesem Fall ist das Bauteil 26 ein optisch nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdoppelung (oder -halbierung) . Nach Durchlauf der Frequenzvervielfachung (Bauteil 26) liegt ein frequenzverschobener Strahlungsanteil D vor. Die Strahlungsanteile B und D werden gleichzeitig auf die Detektoreinrichtung 21 gerichtet. Bei gleichzeitigem Einfall der Strahlungsanteile wird an der Detektoreinrichtung 21 entsprechend der Frequenzabweichung der Frequenzkomponente (n) der Strahlungsanteile B, D ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das Frequenzanteile mit einer bestimmten Schwebungsfrequenz enthält. Das Ausgangssignal wird an den ersten Regelverstärker 27 gegeben, mit dem eine (an sich bekannte) Einrichtung zur Einstellung der Offsetfrequenz des Pulslasers 10 betätigt wird. Diese (nicht dargestellte) Einrichtung wird so betätigt, dass das Schwebungssignal Null wird oder eine vorbestimmte Bezugs- frequenz besitzt. Die Einrichtung zur Einstellung der Offsetfrequenz kann durch die o. g. Maßnahmen realisiert wird, die in der PCT-Anmeldung PCT/EP00/02135 beschrieben sind.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann auch der Anteil B niederfrequente Frequenzkomponenten und der Anteil C hö- herfrequente Frequenzkomponenten enthalten, wobei das Bauteil 26 dann zur Frequenzteilung ausgelegt ist. Alternativ kann auch die Einrichtung zur Frequenzvervielfachung oder -teilung im jeweils anderen Zweig des Strahlteilers 22 bis 25 vorgesehen sein. Gemäß einer weiteren Abwandlung können die Spiegel 22 bis 25 auch durch andere, gleichwirkende Strahlteiler (z. B. Prismen) ersetzt werden. Zusätzlich können im dargestellten Strahlengang der Anteile B, C und D optische Filter und ggf. eine Zeitverzögerungsstrecke zur Anpassung des zeitlichen Einlaufens der Strahlungsanteile bei der Detektoreinrichtung 21 vorgesehen sein.
Die Detektoreinrichtung 21 ist ein lichtempfindliches Element, wie z. B. eine Photodiode oder ein Photomultiplier . Der Detektoreinrichtung können weitere Einrichtungen zur Signalformung nachgeordnet sein. Eine Signalformung kann bspw. eine Filterung der Ausgangssignale und/oder eine Verstärkung umfassen.
Ein weiterer Strahlungsanteil E der, ggf. selbstphasenmodu- lierten, Laserpulse wird zum Wiederholfrequenz-Regelkreis 30 übertragen. Am Strahlteiler 32 wird der Strahlungsanteil G, der der Spektralzusammensetzung der Laserpulse entspricht, einerseits als Folge von stabilisierten Ausgangspulsen P bereitgestellt und andererseits auf die Referenzzelle 33 gerichtet.
Als Referenzzelle 33 ist allgemeine jede Zelle oder Probenkammer verwendbar, die eine Substanz enthält, die bei optischer Anregung ein spektroskopisches Signal entsprechend mindestens einer Frequenzkomponente des Strahlungsanteils G zeigt. Das Anregungsspektrum kann zur Erzielung der gewünschten Regelstabilität eine extreme Schmalbandigkeit zeigen. Daher wird die Referenzzelle 33 vorzugsweise in der dargestellten Ausführungsform als Referenz-Dampfzelle implementiert, die zur dopp- lerfreien optischen Anregung (z. B. 2-Photonen-Spektroskopie, Polarisationsspektroskopie, Sättigungsspektroskopie) ausgelegt ist.
Die Referenz-Dampfzelle 33 ist eine temperierbare Dampfzelle, die bei Betrieb den Dampf einer geeignet fluoreszierenden Substanz (z. B. Jod, Rubidium, Natrium oder dergleichen) enthält. Durch Einstellung der Zellentemperatur ergibt sich in der Referenzzelle ein definierter Dampfdruck, der die Lage und Breite der atomaren Übergänge festlegt. Der Strahlungsanteil G der Laserpulse tritt in einer ersten Bezugsrichtung (Pfeilrichtung) durch die Referenz-Dampfzelle hindurch, und trifft auf der Rückseite auf einen ebenen Spiegel 34, der die durchtretenden Pulse in entgegengesetzter Richtung (Doppelpfeil) rückreflektiert. Der Abstand des Spiegels 34 von der Mitte der Referenz-Dampfzelle 33 ist so eingestellt, dass sich die Laserpulse in der Zelle konstruktiv überlagern. Wie von J. N. Eckstein et al. (siehe oben) beschrieben, liefern die sich ergänzenden Frequenzkomponenten im Modenspektrum der Laserpulse gerade die Energiebeiträge z. B. zur optischen 2-Photonen- Anregung. Es werden nur die Dampfatome oder Moleküle angeregt, die sich in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der Laserpulse nicht bewegen. Dadurch wird eine Dopplerverbreiterung vermieden. Die im Dampf angeregte Fluoreszenz wird als spektroskopisches Signal auf die Detektoreinrichtung 31 gelenkt.
An der Detektoreinrichtung 31 wird ein Ausgangssignal entsprechend der Fluoreszenz der Referenz-Dampfzelle 33 erzeugt und als elektrisches Ausgangssignal, ggf. gefiltert und/oder zwischenverstärkt, an den Regelverstärker 35 gegeben, mit dem eine Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz im Puls- laser 10 betätigt wird. Diese (nicht dargestellte) Einrichtung umfasst bspw. eine Einrichtung zur Änderung der Resonatorlänge des Pulslasers 10. Bei einer Verstärkung der Resonatorlänge ändert sich entsprechend auch die Wiederholfrequenz. Die Wiederholfrequenz des Pulslasers 10 wird solange verstellt, bis mit der Detektoreinrichtung 31 ein Fluoreszenzsignal von der Referenz-Dampfzelle 33 erfasst wird.
Anstelle der geschlossenen Referenz-Dampfzelle 33 kann auch eine offene Zelle mit einem Atomstrahl als System zur schmalbandigen optischen Anregung verwendet werden.
In Figur 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lasereinrichtung illustriert, die wiederum einen Offsetfrequenz-Regelkreis 50 und einen Wiederholfrequenz- Regelkreis 40 enthält. Der Offsetfrequenz-Regelkreis 50 funktioniert analog zum oben erläuterten Wiederholfrequenz- Regelkreis 30, wobei hier mit dem Ausgangssignal der Detektoreinrichtung 51 und dem Regelverstärker 55 die Offsetfrequenz des Pulslasers 10 je nach Vorliegen der Fehlen der Fluoreszenz von der Zelle 53 geregelt wird.
Der Wiederholfrequenz-Regelkreis 40 basiert auf der Phasenkopplung eines Frequenzabstandes aus dem Modenspektrum der Laserpulse mit einer von einem Mikrowellengenerator gelieferten Referenzfrequenz im Radiofrequenzbereich. Von den Laserpulsen A wird ein Strahlungsanteil B in den Wiederholfrequenz- Regelkreis 40 ausgekoppelt und auf die Detektoreinrichtung 42 gerichtet. Das Ausgangssignal C der Detektoreinrichtung 42 ist ein Radiofrequenzsignal mit Frequenzanteilen entsprechend den im Modenspektrum der Laserpulse auftretenden Frequenzabstände. Das Ausgangssignal C wird an eine elektrische Mischereinrichtung 43 gegeben, die gleichzeitig die Mikrowellen- Referenzfrequenz vom Mikrowellengenerator 44 erhält. Die additive Überlagerung beider Signale liefert ein Schwebungssignal, das als Stellsignal über den Regelverstärker 45 zur Einstellung der Wiederholfrequenz des Pulslasers 10 verwendet wird.
Die erfindungsgemäße Lasereinrichtung ist mit Vorteil in der Telekommunikation, Spektroskopie und Zeitmesstechnik analog zu den Anwendungen einsetzbar, die in der PCT-Anmeldung PCT/EP00/02135 beschrieben sind.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Pulslasers (10), der zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Wiederholfrequenz (fR) eingerichtet ist, die ein Spektrum aus N Frequenzkomponenten fn mit fn = n'fR + fo (n = 1,..., N) enthalten, wobei (f0) eine Offsetfrequenz darstellt, bei dem mit einem Wiederholfrequenz-Regelkreis ein erstes Stellsignal zur Einstellung der Wiederholfrequenz und mit einem Offsetfrequenz- Regelkreis ein zweites Stellsignal zur Einstellung der Offsetfrequenz erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Laserpulse auf eine Referenzzelle (33, 53) gerichtet werden, in der bei Einstellung einer vorbestimmten Wiederholfrequenz und einer vorbestimmten Offsetfrequenz ein atomarer Übergang optisch angeregt und ein spektroskopisches Signal induziert werden kann, das mit einer ersten Detektoreinrichtung (31, 51) erfassbar ist, mit der ein für das Auftreten oder Fehlen des spektroskopischen Signals charakteristisches Ausgangssignal erzeugt wird,
- das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) zur Erzeugung entweder des ersten oder des zweiten Stellsignals verwendet wird, und
- die Wiederholfrequenz oder die Offsetfrequenz des Pulslasers (10) so eingestellt werden, dass das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) das Auftreten des spektroskopischen Signals anzeigt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) zur Erzeugung des ersten Stellsignals im Wiederholfrequenz-Regelkreis verwendet wird und im Offsetfrequenz-Regelkreis die Erzeugung des zweiten Stellsignal zur Einstellung der Offsetfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung einer ersten Frequenzkompo- nente (fn,ι) der Laserpulse von einer optischen Referenzfrequenz (fref, opt) oder in Abhängigkeit von der Abweichung eines Abstandes von Frequenzkomponenten (fn,ι, fn,2) der Laserpulse von einer Mikrowellen-Referenzfrequenz (fref, rf) erfolgt.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) zur Erzeugung des zweiten Stellsignals im Offsetfrequenz-Regelkreis verwendet wird und im Wiederholfrequenz-Regelkreis die Erzeugung des ersten Stellsignal zur Einstellung der Wiederholfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung einer ersten Frequenzkompo- nente (fn,ι) der Laserpulse von einer optischen Referenzfrequenz (fref, opt) oder in Abhängigkeit von der Abweichung eines Abstandes von Frequenzkomponenten (fn,ι, fn,2) der Laserpulse von einer Mikrowellen-Referenzfrequenz (fref, rf) erfolgt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem zur Erzeugung des ersten oder zweiten Stellsignals in Abhängigkeit von der Abweichung einer ersten Frequenzkomponente (fn, I) der Laserpulse von einer optischen Referenzfrequenz eine weitere Frequenzkomponenten (fn,3) der Laserpulse zur Anpassung an die erste Frequenzkomponente (fn,ι) einer Frequenzvervielfachung oder -teilung unterzogen und gleichzeitig mit der ersten Frequenzkomponente auf eine zweite Detektoreinrichtung (21) gerichtet wird, deren Ausgangssignal entsprechend als erstes oder zweites Stellsignal verwendet wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem zur Erzeugung des ersten oder zweiten Stellsignals in Abhängigkeit von der Abweichung eines Abstandes von Frequenzkomponenten
(fn,i fn,2) der Laserpulse von einer Mikrowellen- Referenzfrequenz (fref, rf) die Laserpulse auf eine dritte Detektoreinrichtung (42) gerichtet werden, deren Ausgangssignal eine Schwebungsfrequenz entsprechend dem Abstand der Frequenzkomponenten (fn,ι, fn,2) enthält, und das Ausgangssignal der dritten Detektoreinrichtung (42) an einer Mischeinrichtung (43) mit der Mikrowellen-Referenzfrequenz (fref, rf) von einem Mikrowellengenerator (44) gemischt wird, wobei das Mischsignal der Mischeinrichtung (43) entsprechend als erstes oder zweites Stellsignal verwendet wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Verbreiterung des Spektrums der Frequenzkomponenten der Lichtpulse durch Selbstphasenmodulation erfolgt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Selbstphasenmodulation erzeugt wird, indem die Laserpulse eine optische Faser (11) durchlaufen.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 7, bei dem zur Erzeugung der optischen Referenzfrequenz die Laserpulse einer Frequenzverdopplung oder -halbierung unterzogen werden.
9. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Referenzzelle eine temperierbare Referenz- Dampfzelle (33, 53) oder eine Zelle mit einem freien Atomstrahl verwendet wird.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem in der Referenz- Dampfzelle (36) eine dopplerfreie Anregung erfolgt, die jeweils durch zwei entgegengesetzt durch die Referenz- Dampfzelle (36) laufende Laserpulse ausgelöst wird.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als spektroskopisches Signal eine Fluoreszenzemission, eine Absorptionsänderung, ein Photoionisationssignal oder ein galvano- oder akusto-optisches Signal induziert wird.
12. Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Wiederholfrequenz ( fn) , die ein Spektrum aus N Frequenzkomponenten (fn) mit fn = n"fR + fo (n = 1, ... , N) enthalten, wobei (f0) eine Offsetfrequenz darstellt, mit einem Pulslaser (10) , einem Wiederholfrequenz-Regelkreis zur Einstellung der Wiederholfrequenz des Pulslasers (10) und einem Offsetfrequenz-Regelkreis zur Einstellung der Offsetfrequenz, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Referenzzelle (33, 53) und eine erste Detektoreinrichtung (31, 51) vorgesehen sind, wobei in der Referenzzelle (33, 53) bei Einstellung einer vorbestimmten Wiederholfrequenz und einer vorbestimmten Offsetfrequenz mit den Laserpulsen ein atomarer Übergang optisch angeregt und ein spektroskopisches Signal induziert werden kann, das mit der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) erfassbar ist, die dazu eingerichtet ist, ein für das Auftreten oder Fehlen des spektroskopischen Signals charakteristisches Ausgangssignal zu erzeugen,
- das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) entweder das erste oder das zweite Stellsignal entsprechend entweder im Wiederholfrequenz-Regelkreis oder im
Offsetfrequenz-Regelkreis bildet, und
- eine Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz oder der Offsetfrequenz des Pulslasers (10) vorgesehen ist, mit der die Wiederholfrequenz oder die Offsetfrequenz so einstellbar sind, dass das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) das Auftreten des spektroskopischen Signals anzeigt.
13. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) das erste Stellsignal im Wiederholfrequenz-Regelkreis bildet und im Offsetfrequenz-Regelkreis eine Strahlteileranordnung (22 - 25) , eine Frequenzvervielfacher- oder -teilerein- richtung (26) , eine zweite Detektoreinrichtung (21) und ein Regelverstärker (27) vorgesehen sind, der mit einer Ein- richtung zur Einstellung der Offsetfrequenz des Pulslasers (10) verbunden ist, wobei der Offsetfrequenz-Regelkreis (20) zur Erzeugung des zweiten Stellsignal zur Einstellung der Offsetfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung einer ersten Frequenzkomponente (fn,ι) der Laserpulse von einer mit der Strahlteileranordnung (22 - 25) und der Frequenzvervielfacher- oder -teilereinrichtung (26) erzeugten optischen Referenzfrequenz (fref, opt) eingerichtet ist.
14. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) das erste Stellsignal im Wiederholfrequenz-Regelkreis bildet und im Offsetfrequenz-Regelkreis eine dritte Detektoreinrichtung (42) zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Schwebungsfrequenz entsprechend dem Abstand der Frequenzkomponenten (fn,ι, fn,2) t eine Mischereinrichtung (43) zur Mischung der von einem Mikrowellengenerator (44) gelieferten Mikrowellen-Referenzfrequenz (fref, rf) und ein Regelverstärker (27) vorgesehen sind, der mit einer Einrichtung zur Einstellung der Offsetfrequenz des Pulslasers (10) verbunden ist, wobei der Offsetfrequenz-Regelkreis (20) zur Erzeugung des zweiten Stellsignal zur Einstellung der
Offsetfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung vom Abstand der Frequenzkomponenten (fn,ι, fn,2) von der Mikrowellen-Referenzfrequenz (fref, rf) eingerichtet ist.
15. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) das zweite Stellsignal im Offsetfrequenz-Regelkreis bildet und im Wiederholfrequenz-Regelkreis eine Strahlteileranordnung (22 - 25) , eine Frequenzvervielfacher- oder -teilereinrichtung (26) , eine zweite Detektoreinrichtung (21) und ein Regelverstärker (27) vorgesehen sind, der mit einer Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz des Pulslasers (10) verbunden ist, wobei der Wiederholfrequenz- Regelkreis (20) zur Erzeugung des ersten Stellsignals zur Einstellung der Wiederholfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung einer ersten Frequenzkomponente (fn,ι) der Laserpulse von einer mit der Strahlteileranordnung (22 - 25) und der Frequenzvervielfacher- oder -teilereinrichtung (26) erzeugten optischen Referenzfrequenz (fref, opt) eingerichtet ist.
16. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung (31, 51) das zweite Stellsignal im Offsetfrequenz-Regelkreis bildet und im Wiederholfrequenz-Regelkreis eine dritte Detektoreinrichtung (42) zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Schwebungsfrequenz entsprechend dem Abstand der Frequenzkomponenten (fn,ι, fn,2) , eine Mischereinrichtung (43) zur Mischung der von einem Mikrowellengenerator (44) gelieferten Mikrowellen-Referenzfrequenz (fref, rf) und ein Regelverstärker (27) vorgesehen sind, der mit einer Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz des Pulslasers (10) verbunden ist, wobei der Wiederholfrequenz-Regelkreis (20) zur Erzeugung des ersten Stellsignals zur Einstellung der Wiederholfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung vom Abstand der Frequenzkomponenten (fn,ι, fn,2) von der Mikrowellen-Referenzfrequenz (fref, rf) eingerichtet ist.
17. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 16, bei der eine Einrichtung (11) zur Selbstphasenmodulation der Laserpulse vorgesehen ist.
18. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 17, bei der die Einrichtung zur Selbstphasenmodulation durch eine optische Faser (11) gebildet wird.
19. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, bei der die Referenzzelle eine Referenz-Dampfzelle (36) ist, die zur dopplerfreien Anregung ausgelegt ist.
20. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 19, bei der die Referenzzelle eine Referenz-Dampfzelle (36) ist, die zur Anregung des spektroskopischen Signals als Fluoreszenzemission, Absorptionsänderung, Photoionisationssignal oder galvano- oder akusto-optisches Signal ausgelegt ist.
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