DE10044404A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von stabilisierten ultrakurzen Laser-Lichtpulsen - Google Patents

Abstract

Zum Betrieb eines Pulslasers (10), der zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Wiederholfrequenz (f¶R¶) eingerichtet ist, die ein Spektrum aus N Frequenzkomponenten f¶n¶ mit f¶n¶ = n È f¶R¶ + f¶0¶ (n = 1 - N) enthalten (f¶0¶ : 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 vorbestimmten 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 wird, dass das Ausgangssignal der Detektoreinrichtung (31) das Auftreten des spektroskopischen Signals anzeigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer Laser-Lichtpulse, insbesondere ein Verfahren zur Stabilisie­ rung des Betriebs eines Pulslasers und ein Verfahren zur Er­ zeugung hochgenauer optischer Frequenzen, und eine Laserein­ richtung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse, insbesondere einen frequenzstabilisierten Pulslaser.

Die seit den 70-er Jahren bekannte Erzeugung ultrakurzer La­ ser-Lichtpulse (Lichtpulse mit charakteristischen Pulsdauern im ns- bis fs-Bereich) basiert auf der sog. Modensynchronisa­ tion. 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 zeitli­ chen Abstand τ, der gleich dem Quotienten aus doppelter Resona­ torlänge und Umlaufgeschwindigkeit der Pulse ist, und einer spektralen Zusammensetzung entsprechend den im Resonator ange­ regten, 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 La­ serübergangs im Lasermedium liegt. Die Breite der Einhüllenden ist im wesentlichen umgekehrt proportional zur Pulsdauer. Je­ der Frequenzbeitrag zu einem derartigen Frequenzkamm wird hier als Frequenzkomponente oder Mode M bezeichnet. Die Frequenzabstände der Elemente des Frequenzkammes sind entsprechend den (longitudinalen) Lasermoden ganzzahlige Vielfache der Wieder­ holfrequenz f_r = τ^-1 (Repetitionsrate) der Laserpulse. Die Kamm­ struktur von fs-Pulsen im Frequenzraum wird beispielsweise in "Femtosecond Laser Pulses" (Hrsg. C. Rullière, Springer- Verlag, Berlin 1998) beschrieben.

Da die Pulswiederholfrequenz f_r von der Resonatorlänge abhängt, treten bei geringsten Instabilitäten des Resonators Verschie­ bungen 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 Resonatorlängsrich­ tung beweglich angeordnet und bei einer Modenverschiebung un­ ter Verwendung eines Regelkreises nachgestellt. Diese herkömm­ liche Stabilisierung genügt jedoch nicht den aktuellen Genau­ igkeitsanforderungen 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 Frequenzkalib­ rierung 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 Resonator­ länge weiter auftreten. Gemäß L. Xu et al. in "Optics Let­ ters", Bd. 21, 1996, S. 2008 ff., wird dies dadurch verur­ sacht, dass die Gruppengeschwindigkeit eines Pulses, die die Umlaufzeit im Resonator und damit die Wiederholfrequenz f_r be­ stimmt, in der Regel nicht mit der Phasengeschwindigkeit der einzelnen Moden übereinstimmt. Die durch ganzzahlige Vielfache der Wiederholfrequenz f_r getrennten Frequenzkomponenten lassen sich in ihrer absoluten Frequenzlage nicht durch ganzzahlige Vielfache (n) der Wiederholfrequenz f_r darstellen, sondern durch die Summe (n.f_r + 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 An­ wendungen 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 beschrie­ ben. Bei diesen ist vorgesehen, neben der Regelung der Wieder­ holfrequenz auch eine Einstellung der Offsetfrequenz durchzu­ führen. Zur Einstellung der Offsetfrequenz f₀ wird in den Lichtweg der Resonatoranordnung des Pulslasers eine lineare Dispersion eingeführt, die die Frequenzkomponenten der Laser­ pulse spektral spezifisch beeinflusst. Die Einführung der li­ nearen Dispersion erfolgt durch eine spektral spezifisch wirk­ same Änderung der Resonatorlänge in einem Resonatorzweig, den die Lichtpulse nach Kompensation der Gruppengeschwindigkeits­ dispersion spektral räumlich getrennt durchlaufen, oder durch andere mechanische (Verkippen einer transparenten Platte, Ein­ schieben eines Prismenpaares oder Einschieben eines Keiles (z. B. 1°-Keil) in den Lichtweg der Resonatoranordnung) oder e­ lektrooptische (Einstellung der wirksamen Pumpleistung zum Pumpen des aktiven Mediums des Pulslasers) Maßnahmen. Die Ein­ stellung der Wiederhol- und der Offsetfrequenz erfolgt in Re­ gelkreisen, 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 Frequenz­ komponenten und der Referenzfrequenz enthalten ist. Das Schwe­ bungssignal wird als Stellsignal zur Regelung der Wiederhol- oder Offsetfrequenz verwendet. Die Referenzfrequenz wird durch einen stabilisierten Frequenzgenexator erzeugt.

Die in PCT/EP00/02135 beschriebenen Regelkreise zur Pulslaser­ stabilisierung besitzen durch die Bereitstellung der Referenz­ generatoren einen relativ komplexen Aufbau. Es besteht ein In­ teresse, Pulslaser mit einem vereinfachten Aufbau zu stabili­ sieren, ohne dabei Einschränkungen der Stabilisierungsgenauig­ keit hinnehmen zu müssen.

Aus der Publikation von J. N. Eckstein, A. I. Ferguson und T. W. Hänsch in "Physical Review Lettets", 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 entgegen­ gesetzten Richtungen derart, dass beim Zusammentreffen von zwei Lichtpulsen gerade ein 2-Photonen-Übergang angeregt wer­ den kann, dessen Gesamtenergie sich aus zwei Teilbeträgen zu­ sammensetzt, die gerade zwei sich ergänzenden Frequenzkompo­ nenten 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 Laserein­ richtung bereitzustellen, die zur Erzeugung stabilisierter La­ serpulse ausgelegt ist und einen einfachen, kompakten und war­ tungsarmen Aufbau besitzt.

Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Laserein­ richtung 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 zwei­ ten Stellsignals zur Einstellung der Offsetfrequenz. Erfin­ dungsgemäß ist vorgesehen, dass mindestens in einem von beiden Regelkreisen das Stellsignal aus dem Ausgangssignal einer De­ tektoreinrichtung abgeleitet wird, mit ein spektroskopisches Signal (vorzugsweise der Fluoreszenzstrahlung) aus einer Refe­ renzzele 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 vorbe­ stimmte 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 Off­ setfrequenzen 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 entspre­ chenden Stellsignals gebildet.

Als spektroskopisches Signal wird beispielsweise ein Fluores­ zenzsignal, 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 Stabilisie­ rung des Pulslasers keine gesonderten Referenzlaser vorgesehen sein müssen. Der Aufbau der erfindungsgemäß stabilisierten La­ sereinrichtung wird dadurch erheblich vereinfacht. Es wird ei­ ne Integration in ein kompaktes, transportables Lasersystem ermöglicht, das neue Anwendungen in der Spektroskopie, Zeit­ messtechnik und Telekommunikation besitzt.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Lasereinrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Laser-Lichtpulse, die mit den Wiederhol­ frequenz- 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 Sig­ nals von der Referenzzelle eingerichtet.

Gemäß einer bevorzugten Aufführungsform der Erfindung erfolgt eine Verbreiterung der Laser-Lichtpulse durch Selbstphasenmo­ dulation, vorzugsweise mit einer optischen Faser, derart, dass das Modenspektrum der Laserpulse eine Frequenzoktave über­ spannt, in der eine niederfrequente Komponente f_n und eine hö­ herfrequente Komponente entsprechend dem doppelten Wert 2f_n enthalten sind. In diesem Fall erfolgt im jeweiligen Regel­ kreis eine Phasenkopplung zwischen einer niederfrequenten Fre­ quenzkomponente und einer frequenzhalbierten, höherfrequenten Frequenzkomponente des Modenspektrums (oder umgekehrt).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Referenzzelle durch eine Referenz-Dampfzelle gebil­ det, die zur optischen Anregung ohne Dopplerverbreiterung der optischen Übergänge ausgelegt ist (2-Photonen-Spektroskopie, Polarisationsspektroskopie, Sättigungsspektroskopie). Dies besitzt den Vorteil, dass die Fluoreszenz extrem schmalbandig angeregt werden kann, so dass durch die Erfassung des Auftre­ tens 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 zei­ gen:

Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer La­ sereinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Übersichtsdarstellung einer La­ sereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf eine Laserein­ richtung mit zwei Regelkreisen beschrieben, die als Wiederhol­ frequenz- bzw. Offsetfrequenz-Regelkreise bezeichnet werden. Die Erfindung ist nicht auf die hier erläuterte Funktion ent­ sprechend der jeweiligen Benennung beschränkt, sondern kann auch durch Regelung der Offsetfrequenz mit dem Wiederholfre­ quenz-Regelkreis und umgekehrt implementiert werden. Entschei­ dend ist lediglich, dass für die zwei Freiheitsgrade der Fre­ quenzkomponenten der Laserpulse zwei Regelkreise vorgesehen sind. Das Prinzip der Einstellung der Wiederhol- und Offset­ frequenzen 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 Re­ gelkreis zum Abgleich von Frequenzkomponenten relativ zur Re­ ferenzfrequenz ausgelegt. Gemäß einer weiteren (nicht darge­ stellten) Ausführungsform können auch beide Regelkreise mit getrennten Referenzzellen, die zur Anregung verschiedener op­ tischer Übergänge ausgelegt sind, umgesetzt werden.

In Fig. 1 ist die Lasereinrichtung 100 zur Erzeugung von sta­ bilisierten Laserpulsen P mit dem Pulslaser 10, dem Wiederhol­ frequenz-Regelkreis 30 und dem Offset-Regelkreis 20 darge­ stellt. Der Pulslaser 10 wird bspw. durch einen Titan-Saphier- Laser (z. B. "Coherent Mira 900", Pulslänge 73 fs, Wiederhol­ frequenz f_r = 75 MHz), einen entsprechenden Ringlaser, f_r = 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 Ver­ breiterung der Laserpulse durch Selbstphasenmodulation (ge­ strichelt eingezeichnet, Bezugszeichen 11) verbunden. Die Ein­ richtung 11 zur Pulsverbreiterung ist z. B. eine optische Ein­ modenfaser. Die Selbstphasenmodulation wird von K. Imai in "IEEE Journal of Quantum Electronics" Band 34, 1998, Seite 54 ff. beschrieben. Eine besonders starke Verbreiterung des Mo­ denkamms 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 20, ggf. der Selbstphasenmodulation 11 un­ terzogenen, Laserpulse A werden im Offsetfrequenz-Regelkreis 20 mit den Strahlteilern bzw. Umlenkspiegeln 22 bis 25 in ver­ schiedene spektrale Anteile B, C aufgeteilt. Hierzu ist min­ destens einer der Spiegel 22, 25 zur spektral selektiven Ab­ lenkung 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 -teiler 26 aneinan­ der angepasst. Beim genannten Beispiel (C: niederfrequenter Anteil) ist das Bauteil 26 ein Frequenzvervielfacher. Das Bau­ teil 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 Moden­ spektrum der Laserpulse eine ganze Frequenzoktave überspannt wird. In diesem Fall ist das Bauteil 26 ein optisch nicht­ linearer Kristall zur Frequenzverdoppelung (oder -halbierung). Nach Durchlauf der Frequenzvervielfachung (Bauteil 26) liegt ein frequenzverschobener Strahlungsanteil D vor. Die Strah­ lungsanteile B und D werden gleichzeitig auf die Detektorein­ richtung 21 gerichtet. Bei gleichzeitigem Einfall der Strah­ lungsanteile wird an der Detektoreinrichtung 21 entsprechend der Frequenzabweichung der Frequenzkomponente(n) der Strah­ lungsanteile B, D ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das Frequenzanteile mit einer bestimmten Schwebungsfrequenz ent­ hält. Das Ausgangssignal wird an den ersten Regelverstärker 27 gegeben, mit dem eine (an sich bekannte) Einrichtung zur Ein­ stellung der Offsetfrequenz des Pulslasers 10 betätigt wird. Diese (nicht dargestellte) Einrichtung wird so betätigt, dass das Schwebungssignal Null wird oder eine vorbestimmte Bezugsfrequenz besitzt. Die Einrichtung zur Einstellung der Offset­ frequenz 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 vorgese­ hen 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 Ein­ laufens der Strahlungsanteile bei der Detektoreinrichtung 21 vorgesehen sein.

Die Detektoreinrichtung 21 ist ein lichtempfindliches Element, wie z. B. eine Photodiode oder ein Photomultiplier. Der Detek­ toreinrichtung können weitere Einrichtungen zur Signalformung nachgeordnet sein. Eine Signalformung kann bspw. eine Filte­ rung 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, ei­ nerseits als Folge von stabilisierten Ausgangspulsen P bereit­ gestellt und andererseits auf die Referenzzelle 33 gerichtet.

Als Referenzzelle 33 ist allgemeine jede Zelle oder Probenkam­ mer 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 Regelsta­ bilität eine extreme Schmalbandigkeit zeigen. Daher wird die Referenzzelle 33 vorzugsweise in der dargestellten Ausfüh­ rungsform 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 Sub­ stanz (z. B. Jod, Rubidium, Natrium oder dergleichen) enthält. Durch Einstellung der Zellentemperatur ergibt sich in der Re­ ferenzzelle ein definierter Dampfdruckr der die Lage und Brei­ te der atomaren Übergänge festlegt. Der Strahlungsanteil G der Laserpulse tritt in einer ersten Bezugsrichtung (Pfeilrich­ tung) durch die Referenz-Dampfzelle hindurch, und trifft auf der Rückseite auf einen ebenen Spiegel 34, der die durchtre­ tenden Pulse in entgegengesetzter Richtung (Doppelpfeil) rück­ reflektiert. Der Abstand des Spiegels 34 von der Mitte der Re­ ferenz-Dampfzelle 33 ist so eingestellt, dass sich die Laser­ pulse in der Zelle konstruktiv überlagern. Wie von J. N. Eck­ stein et al. (siehe oben) beschrieben, liefern die sich ergän­ zenden Frequenzkomponenten im Modenspektrum der Laserpulse ge­ rade 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 vermie­ den. Die im Dampf angeregte Fluoreszenz wird als spektroskopi­ sches Signal auf die Detektoreinrichtung 31 gelenkt.

An der Detektoreinrichtung 31 wird ein Ausgangssignal entspre­ chend der Fluoreszenz der Referenz-Dampfzelle 33 erzeugt und als elektrisches Ausgangssignal, ggf. gefiltert und/oder zwi­ schenverstärkt, an den Regelverstärker 35 gegeben, mit dem ei­ ne Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz im Pulslaser 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 Wie­ derholfrequenz 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 Fig. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Lasereinrichtung illustriert, die wiederum einen Offsetfrequenz-Regelkreis 50 und einen Wiederholfrequenz- Regelkreis 40 enthält. Der Offsetfrequenz-Regelkreis 50 funk­ tioniert analog zum oben erläuterten Wiederholfrequenz- Regelkreis 30, wobei hier mit dem Ausgangssignal der Detektor­ einrichtung 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 Phasen­ kopplung eines Frequenzabstandes aus dem Modenspektrum der La­ serpulse 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 Mischereinrich­ tung 43 gegeben, die gleichzeitig die Mikrowellen- Referenzfrequenz vom Mikrowellengenerator 44 erhält. Die addi­ tive Überlagerung beider Signale liefert ein Schwebungssignal, das als Stellsignal über den Regelverstärker 45 zur Einstel­ lung 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 Verwirkli­ chung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (20)

1. Verfahren zum Betrieb eines Pulslasers (10), der zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Wiederholfrequenz (fR) eingerichtet ist, die ein Spektrum aus N Frequenzkomponen­ ten f_n mit f_n = n.f_R + f₀ (n = 1, . . ., N) enthalten, wobei (f₀) eine Offsetfrequenz darstellt, bei dem mit einem Wiederhol­ frequenz-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 Wieder­ holfrequenz und einer vorbestimmten Offsetfrequenz ein atomarer Übergang optisch angeregt und ein spektroskopi­ sches 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 Pulsla­ sers (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 verwen­ det wird und im Offsetfrequenz-Regelkreis die Erzeugung des zweiten Stellsignal zur Einstellung der Offsetfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung einer ersten Frequenzkomponente (f_n,1) der Laserpulse von einer optischen Referenzfre­ quenz (f_ref,_opt) oder in Abhängigkeit von der Abweichung eines Abstandes von Frequenzkomponenten (f_n,1, f_n,2) der Laserpulse von einer Mikrowellen-Referenzfrequenz (f_ref,_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 (f_n,1) der Laserpulse von einer optischen Referenzfre­ quenz (f_ref,_opt) oder in Abhängigkeit von der Abweichung eines Abstandes von Frequenzkomponenten (f_n,1, f_n,2) der Laserpulse von einer Mikrowellen-Referenzfrequenz (f_ref,_rf) erfolgt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem zur Erzeu­ gung des ersten oder zweiten Stellsignals in Abhängigkeit von der Abweichung einer ersten Frequenzkomponente (f_n,1) der Laserpulse von einer optischen Referenzfrequenz eine weitere Frequenzkomponenten (f_n,3) der Laserpulse zur Anpassung an die erste Frequenzkomponente (f_n,1) einer Frequenzvervielfachung oder -teilung unterzogen und gleich­ zeitig mit der ersten Frequenzkomponente auf eine zweite Detektoreinrichtung (21) gerichtet wird, deren Ausgangssig­ nal entsprechend als erstes oder zweites Stellsignal verwendet wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem zur Erzeu­ gung des ersten oder zweiten Stellsignals in Abhängigkeit von der Abweichung eines Abstandes von Frequenzkomponenten (f_n,1, f_n,2) der Laserpulse von einer Mikrowellen- Referenzfrequenz (f_ref,_rf) die Laserpulse auf eine dritte Detektoreinrichtung (42) gerichtet werden, deren Ausgangs­ signal eine Schwebungsfrequenz entsprechend dem Abstand der Frequenzkomponenten (f_n,1, f_n,2) enthält, und das Ausgangs­ signal der dritten Detektoreinrichtung (42) an einer Mischeinrichtung (43) mit der Mikrowellen-Referenzfrequenz (f_ref,_rf) von einem Mikrowellengenerator (44) gemischt wird, wobei das Mischsignal der Mischeinrichtung (43) entspre­ chend als erstes oder zweites Stellsignal verwendet wird.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Verbreiterung des Spektrums der Frequenzkompo­ nenten der Lichtpulse durch Selbstphasenmodulation erfolgt.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem die Selbstphasen­ modulation 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 Fluoreszenzemis­ sion, eine Absorptionsänderung, ein Photoionisationssignal oder ein galvano- oder akusto-optisches Signal induziert wird.

12. Lasereinrichtung zur Erzeugung von Laserpulsen mit einer Wiederholfrequenz (f_R), die ein Spektrum aus N Fre­ quenzkomponenten (f_n) mit f_n = n.f_R + f₀ (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 Detektorein­ richtung (31, 51) vorgesehen sind, wobei in der Referenz­ zelle (33, 53) bei Einstellung einer vorbestimmten Wieder­ holfrequenz 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 entspre­ chend 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 spektrosko­ pischen 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 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 einer ersten Frequenzkomponente (f_n,1) der Laserpulse von einer mit der Strahlteileranordnung (22-25) und der Frequenz­ vervielfacher- oder -teilereinrichtung (26) erzeugten optischen Referenzfrequenz (f_ref,_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 Detektorein­ richtung (42) zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Schwebungsfrequenz entsprechend dem Abstand der Frequenz­ komponenten (f_n,1, f_n,2), eine Mischereinrichtung (43) zur Mischung der von einem Mikrowellengenerator (44) geliefer­ ten Mikrowellen-Referenzfrequenz (f_ref,_rf) und ein Regelver­ stärker (27) vorgesehen sind, der mit einer Einrichtung zur Einstellung der Offsetfrequenz des Pulslasers (10) verbun­ den ist, wobei der Offsetfrequenz-Regelkreis (20) zur Erzeugung des zweiten Stellsignal zur Einstellung der Offsetfrequenz in Abhängigkeit von der Abweichung vom Abstand der Frequenzkomponenten (f_n,1, f_n,2) von der Mikro­ wellen-Referenzfrequenz (f_ref,_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 -teilerein­ richtung (26), eine zweite Detektoreinrichtung (21) und ein Regelverstärker (27) vorgesehen sind, der mit einer Ein­ richtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz des Pulsla­ sers (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 (f_n,1) der Laserpulse von einer mit der Strahlteileranordnung (22- 25) und der Frequenzvervielfacher- oder -teilereinrichtung (26) erzeugten optischen Referenzfrequenz (f_ref,_opt) einge­ richtet 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 Detektorein­ richtung (42) zur Erzeugung eines Ausgangssignals mit einer Schwebungsfrequenz entsprechend dem Abstand der Frequenz­ komponenten (f_n,1, f_n,2), eine Mischereinrichtung (43) zur Mischung der von einem Mikrowellengenerator (44) geliefer­ ten Mikrowellen-Referenzfrequenz (f_ref,_rf) und ein Regelver­ stärker (2'7) 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 (f_n,1, f_n,2) von der Mikro­ wellen-Referenzfrequenz (f_ref,_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, Photoionisations­ signal oder galvano- oder akusto-optisches Signal ausgelegt ist.