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Der
Gegenstand der Erfindung ist ein durchstimmbarer Halbleiterlaser
mit thermisch abgeglichenen Komponenten. Die Anordnung weist eine
Laserdiode in einem äußeren oder
erweiterten Resonator auf. Die Frequenz des emittierten Lichtes
wird gleichzeitig durch lokale und von allen anderen Komponenten
weitgehend entkoppelte Einstellung der Halbleitertemperatur, durch
Steuerung des Injektionsstromes und durch mechanische, thermische
oder elektrische Einwirkung auf die Resonanzfrequenz bestimmende
optische Elemente so beeinflußt,
daß die Durchstimmung
mit großem
Frequenzhub monofrequent modensprungfrei, zeitlich weitgehend linear und
ohne wesentliche Änderung
der Strahlungsleistung erfolgen kann.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabenstellung entspringt vorwiegend dem Bereich der Laserdiagnostik
und der optischen Interferometrie sowie der Informationstechnik.
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In Betracht gezogene Druckschriften
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Stand der Technik
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Bekannt
sind Anordnungen mit Laserdioden in einem äußeren oder einem erweiterten
Resonator
- 1. in einfacher Fabry-Pérot-Anordnung
(d. h. 1 oder 2 Spiegel, die das Licht in die Diode reflektieren)
- 2. in Fabry-Pérot-Anordnung
mit einem Etalon im Resonator, dessen longitudinale Moden eine weitere
Frequenzselektion bewirken
- 3. in Littrow-Anordnung (d. h. mit einem Gitter als frequenzselektivem
Reflektor, wobei die erste Beugungsordnung in die Diode reflektiert
wird)
- 4. in Littman-Metcalf-Anordnung (d. h. mit einem Gitter und
einem Spiegel als frequenzselektivem Reflektor, wobei das Licht
das Gitter zweifach in streifendem Einfall passiert, z. B. nach
Druckschrift 1)
- 5. mit zwei Gittern nach Wandt et al. (OPTICS LETTERS 1997,
Vol 22, Iss 6, S. 390–392)
- 6. in Gestalt eines Michelson-Interferometers nach Zhang-T et
al. (ELECTRONICS LETTERS 1996, Vol 32, Iss 5, pp 460–461
- 7. Anordnungen mit einem Beugungsgitter, dessen Eigenschaften
auf opto-elektronischem Wege beeinflußbar sind
- 8. Anordnungen mit einer Laserdiode mit verteilter Rückkoplung
(DFB) nach Druckschrift 2)
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Die
Festlegung der Frequenz des emittierten Lichtes geschieht in den
Anordnungen 1.–7.
durch multiplikative Überlagerung
mehrerer einzelner Resonanzkurven. Diese ergeben eine Gesamtresonanzkurve,
die nur ein wesentliches möglichst schmales
Maximum im Verstärkungsbereich
des vorliegenden Halbleiters aufweist. Eine der Resonanzkurven ist
durch die optische Länge
des äußeren Resonators
gegeben. Diese weist schmale aber periodische Maxima auf. Eine weitere
ist durch den inneren Resonator der Laserdiode gegeben, wenn diese nicht
vollständig
entspiegelt ist. Auch diese weist periodische Maxima auf. Durch
Einführung
weiterer optischer Elemente ergeben sich weitere periodische oder
nichtperiodische Resonanzkurven. Diese führen zu einer Gesamtresonanzkurve,
die nur ein wesentliches Maximum aufweist. Modensprünge werden
dadurch erschwert.
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Sehr
wesentlich ist es, alle einzelnen Resonanzkurven so einzustellen,
daß sie
gemeinsam ein einzelnes herausragendes Maximum der Gesamtresonanzkurve
bilden. Das ist z. B. gegeben, wenn alle einzelnen Resonanzkurven
an derselben Stelle ein Maximum haben. Hieraus folgen Schwierigkeiten
des koordinierten Abgleichs der einzelnen Komponenten.
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In
der Anordung nach Druckschrift 2) erfolgt die Festlegung der Frequenz
des emittierten Lichts nur durch den durch die Diode selbst gebildeten
Resonator bzw. durch darin enthaltene Vorrichtungen.
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Nachteile der beschriebenen Verfahren
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Bei
den bekannten Anordnungen 1. bis 7. erweist sich der modensprungfreie
Durchstimmbereich häufig
als unzureichend. Die Ursache ist z. B., daß auf eine der Resonanzkurven
verzichtet wird.
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So
wird im Falle einer gut entspiegelten Laserdiode (Reflektivität < 10–4)
die Gesamtresonanzkurve nur durch die äußeren optischen Elemente bestimmt.
Dies ist zum Beispiel in der Anordnung nach Druckschrift 1) der
Fall. Dadurch vermindert sich die Frequenzselektivität, wodurch
das Auftreten von Modensprüngen
bei großem
Durchstimmbereich begünstigt
ist. Außerdem
besteht bei diesen Laserdioden keine Möglichkeit, Frequenzänderungen
durch Modulation des Injektionsstromes zu erzeugen, die mechanisch
bewirkte Frequenzmodulationen in ihrer Frequenz übertreffen. Z. B. können Mikrophonieeffekte
auf diese Weise nicht elektronisch kompensiert und keine technisch
relevanten Seitenbänder
aufgeprägt
werden. Bei Verwendung eines elektrooptisch gesteuerten Gitters
statt eines mechanisch bewegten ergibt sich zwar die Möglichkeit,
sehr viel schnellere Frequenzmodulationen zu erzeugen, so dass dann auch
die Kompensation von Mikrophonieeffekten sowie das Aufprägen von
Seitenbändern
möglich
erscheint. Es bleibt aber der Hauptnachteil der zu erwartenden Modensprünge.
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Im
Falle einer gering entspiegelten Laserdiode liegt ein weiterer Resonator
mit einer entsprechenden Resonanzkurve vor, die durch Änderung des
Injektionsstromes geeignet nachgeführt werden muß. Eine
Frequenzdurchstimmung geht in diesem Fall jedoch immer mit einer
unerwünschten Änderung
der Strahlungsleistung einher.
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In
der bekannten Anordnungen nach Druckschrift 2) ist wegen des fehlenden äußeren Resonators
die wirksame Resonatorlänge
gering und daher ist die spektrale Linienbreite der emittierten
Laserstrahlung für
viele Anwendungen zu groß.
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Erfindungsgemäßes Beheben
der Nachteile
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile der bekannten Lösungen zu
vermeiden und die Vorteile verschiedener bekannter Anordnungen zu kombinieren.
Technische Ausführungen,
die Erfindung betreffend, werden in den folgenden Beispielen beschrieben.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Dem
ersten Ausführungsbeispiel
liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung, die als Littrow-Laser
bekannt ist, erfinderisch so zu erweitern, dass die Laserfrequenz über einen größeren Frequenzbereich
modensprungfrei und ohne störende Änderung
der Ausgangsleistung durchgestimmt werden kann.
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Bild
1 beschreibt die Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel:
Als Lasermedium 1,
in dem das Laserlicht entsteht, dient der Chip einer herkömmlichen
Laserdiode, die bereits für
sich als innerer Resonator mit einem kammartigen Frequenzgang wirkt,
der zahlreiche Resonanzfrequenzen aufweist.
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Zusammen
mit dem mechanisch bewegten Beugungsgitter 5 ergibt sich
ein äußerer Resonator. Durch
Bewegen des Beugungsgitters 5 werden gleichzeitig zwei
Resonanzkurven des äußeren Resonators
eingestellt. Die eine ergibt sich durch die optische Länge des äußeren Resonators
mit einem kammartigen Frequenzgang, der zahlreiche Resonanzfrequenzen
aufweist, die andere durch die Beugung des Laserlichtes an der Gitterstruktur.
Der Einfallswinkel zwischen der Achse der Laserdiode und der Mittelsenkrechten
des Gitters muß so
eingestellt werden, daß die
erste Beugungsordnung auf die Laserdiode weist. Die hierdurch gegebene
dritte Resonanzkurve ist innerhalb der Verstärkungsbreite des Halbleiters
nichtperiodisch und weist ein relativ breites Maximum auf.
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Die
Abstimmung beider Resonatoren zueinander hat nun so zu erfolgen,
dass eine Gesamtresonanzkurve mit nur einer ausgezeichneten Resonanzfrequenz
durch Überlagerung
der einzelnen Resonanzkurven entsteht. Auf dieser Frequenz emittiert dann
die Anordnung.
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Durch
Bewegen des Beugungsgitters 5 wird die Resonanzfrequenz
des äußeren Resonators
eingestellt, durch thermische Längenänderung
des Lasermediums 1 die des inneren Resonators.
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Das
Lasermedium 1 ist auf einem Steg 3 befestigt,
der mit weiteren Elementen verbunden ist, die zusammen den Block 4 bilden,
der als Wärmesenke wirkt.
Vorteilhaft ist die Ausbildung des Blockes 4 als Wärmebad durch
eine Temperaturregelung mit einem Peltier-Element.
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Die
zu diesem Ausführungsbeispiel
oben beschriebene bereits bekannte Anordnung ist folgendermaßen erfinderisch
ergänzt,
um eine schnellere und modensprungfreie sowie nur mit geringer Variation
der Intensität
verbundene Frequenzeinstellung zu ermöglichen, die darüber hinaus
einen größeren Frequenzhub
erlaubt:
An den Steg 3 ist eine Wärmequelle 2 nahe dem
Lasermedium 1 angekoppelt. Die Wärmequelle 2 ist vorteilhafterweise
als ohmscher Widerstand realisiert und somit durch aufgeprägten Strom
steuerbar. Der Steg 3 stellt einen Wärmewiderstand dar, in dem sich ein
Tempera turgefälle
ausprägt,
das durch die Wärmeleistung
der Wärmequelle 2,
den Wärmewiderstand
des Steges 3 und die Temperatur des Blockes 4 bestimmt
ist. Da das Lasermedium 1, die Wärmequelle 2 und der
Steg 3 gegenüber
dem Block 4 geringe Wärmekapazitäten haben,
kann die Temperatur des Lasermediums 1 durch Steuerung
der Wärmequelle 2 vergleichsweise
schnell geändert
werden.
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Die
Ausführung
des Steges 3 ist so vorzunehmen, daß sein Wärmewiderstand die vorgesehene
Temperatur am Lasermedium 1 bei begrenzter Wärmeleistung
zuläßt. Hierdurch
ergibt sich eine untere Grenze des Wärmewiderstandes. Durch den möglichst
gering realisierten Wärmewiderstand
wird eine kleine thermische Zeitkonstante für die Abkühlung des Lasermediums 1 nach
Abschalten der Wärmequelle 2 erreicht.
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Der
Steg 3 braucht nicht aus homogenem Material gleichen spezifischen
Wärmewiderstandes zu
bestehen, sondern er kann vorteilhafterweise auch aus einen Metallstab
bestehen, der zur Wärmequelle
hin mit einem den Wärmefluß hemmenden Material
abgeschlossen ist, so dass der erforderliche gesamte Wärmewiderstand
erreicht wird. Hierdurch wird es möglich, bereits im Handel verfügbare Gehäuse für Laserdioden
inklusive des Halters für
den lasernden Chip zu verwenden, um eine Anordnung nach dem Ausführungsbeispiel
herzustellen.
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Die
durch die optische Länge
des Lasermediums 1 gegebenen Resonanzfrequenzen werden der
gewünschten
und durch die Stellung des mechanisch bewegten Beugungsgitters 5 gegebenen
Frequenz angepasst, indem eine gesteuerte thermische Ausdehnung
des Lasermediums 1 mit Hilfe der Wärmequelle 2 erzeugt
wird.
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Der
Betrieb der Anordnung geschieht in der Weise, dass die Anordnung
zunächst
angefahren wird, indem bei einem mittleren Injektionsstrom das Beugungsgitter 5 solange
bewegt wird, bis Laserlicht mit hoher Kohärenzlänge emittiert wird. In diesem Stadium
wird voraussichtlich nicht die gewünschte Frequenz erreicht. Sodann
wird das Beugungsgitter 5 so bewegt, dass sich eine Veränderung
der Frequenz hin zu der gewünschten
Frequenz ergibt. Sinkt die Intensität und/oder die Kohärenzlänge des
Lasers dabei ab, weil sich eine Fehlanpassung zwischen den Resonanzfrequenzen
des Lasermediums 1 und der durch das Beugungsgitter 5 einzustellenden
Frequenz ergibt, wird dieses beseitigt, indem durch Temperaturänderung
des Lasermediums 1 dessen Länge geändert und wieder ein angepasster Zustand
erreicht wird. Dieses Verfahren wird iterativ fortgesetzt, bis die
gewünschte
Frequenz mit guter Intensität
und Kohärenzlänge erreicht
ist.
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Vorteilhaft
ist auch eine Anordnung gemäß Bild 2,
bei der die Wärmequelle 2 zwischen
dem Laserelement 1 und dem Steg 3 angebracht ist.
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Diese
Anordnung ermöglicht
eine effizientere Temperatursteuerung des Lasermediums 1 als
in der Anordnung nach Bild 1. Die Wärmequelle 2 kann in
diesem Fall z. B. durch ein dünnes
Glas mit aufgedampftem Heizleiter bestehen. Ist der Heizleiter dem Steg
abgewandt, kann das Glas gleichzeitig den Wärmewiderstand repräsentieren,
der für
den Steg 3 erforderlich wäre.
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Vorteilhaft
ist weiterhin auch eine Anordnung gemäß Bild 3, bei der das Laserelement 1 zwischen der
Wärmequelle 2 und
dem Steg 3 angebracht ist. Diese Anordnung ermöglicht ebenfalls
eine effiziente Temperatursteuerung des Lasermediums 1.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Dem
zweiten Ausführungsbeispiel
liegt die Aufgabe zugrunde, eine zeitlich langsam linear veränderte Frequenz
zu erzeugen, d. h. den Laser zu modulieren. Zeitlich langsam heißt hier,
dass durch Heizvorgänge
oder Kühlvorgänge erzeugte
Transienten weitgehend ausgeglichen sind, so dass derartige dynamische
Vorgänge
keine Verzerrung von Kennlinien verursachen. Grundlage dieser Ausführung ist eine
Anordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ergänzend kommt
ein motorischer Antrieb des Gitters mit einer elektrischen Einrichtung
hinzu, die eine vorgegebene zeitliche Rampe für die Frequenz des Lasers in
eine Bewegung des Gitters umsetzt, die dem gewünschten zeitlichen Frequenzverlauf
adäquat
ist. Der Zusammenhang zwischen der zeitlichen Rampe für die Frequenz
des Lasers und dem Stellsignal für
den Gitterantrieb ist in einer elektronisch verfügbaren Tabelle niedergelegt,
die in einem Kalibriervorgang erzeugt wird. Bei diesem Kalibriervorgang
wird die Anordnung wie im ersten Ausführungsbeispiel betrieben.
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Ergänzend kommt
weiterhin die Ansteuerung der Wärmequelle 2 und
der Kühlleistung
des Blockes 4 hinzu.
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Der
Zusammenhang zwischen der zeitlichen Rampe für die Frequenz des Lasers und
den Stellsignalen für
die Ansteuerung der Wärmequelle 2 sowie für die Kühlleistung
des Blockes 4 ist ebenfalls in einer elektronisch verfügbaren Tabelle
niedergelegt, die in einem Kalibriervorgang erzeugt werden. Dadurch
wird die vorgegebene zeitliche Rampe für die Frequenz des Lasers so
umgesetzt, dass die Ansteuerungen der Wärmequelle 2 und der
Kühlleistung
des Blockes 4 adäquat
zu der zum jeweiligen Zeitpunkt zu erreichenden Frequenz sind.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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Dem
dritten Ausführungsbeispiel
liegt die Aufgabe zugrunde, eine zeitlich schnell veränderte Frequenz
zu erzeugen, d. h. den Laser schnell zu modulieren. In diesem Ausführungsbeispiel
liegen die thermischen Zeitkonstanten durchaus im Bereich der Periodendauer
eines die Laserfrequenz modulierenden Signals.
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Grundlage
dieser Ausführung
ist eine Anordnung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel. Ergänzt wird
das System durch die Anwendung dynamischer Kennlinien, die durch
Versuchsserien individuell bestimmt werden. Vorteilhaft ist auch
eine Variante dieses Ausführungsbeispiels,
bei der die Verstellung des Beugungsgitters 5 anders als
durch mechanische Bewegung erfolgt, z. B. durch gezielte Temperaturänderung
oder durch Ausnutzung eines elektrooptischen Effektes.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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Dem
vierten Ausführungsbeispiel
liegt die Aufgabe zugrunde, eine zeitlich langsam oder schnell veränderte Frequenz
zu erzeugen, d. h. den Laser innerhalb der technisch erreichbaren
Höchstgrenzen
für den
Frequenzhub und die Frequenzänderungsrate
zu modulieren. Der zeitliche Verlauf der Frequenz soll dabei wahlfrei
durch eine Führungsgröße vorgebbar
sein.
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Ergänzt wird
das schon in dem zweiten Ausführungsbeispiel
beschriebene System durch ein regelbasiertes System zur Erzeugung
der Stellgrößen aus
einer Führungsgröße. Weiterhin
sind Sensoren hinzugefügt,
die die momentane Frequenz des erzeugten Lichtes und dessen momentane
Intensität und/oder
Kohärenz
in Signale umwandeln, die in dem regelbasierten System verwendet
werden. In diesem Fall ist es wegen der Wahlfreiheit des Verlaufes
der Frequenzmodulation schwierig, die Stellgrößen durch Kennlinienfelder
zu erzeugen. Ersetzt wird die in den vorigen Ausführungsbeispielen
eingesetzte Kennliniensteuerung deshalb durch ein regelbasiertes
System, das z. B. in Fuzzy-Technik realisiert werden kann.
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Bild
4 zeigt eine Realisierung eines Systems nach diesem Ausführungsbeispiel.
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Gegenüber der
Anordnung nach Bild 2 ist zunächst
die Wärmequelle 2 ersetzt
durch eine Heizeinheit 7. Die Heizeinheit 7 wird
durch einen Heizstrom beaufschlagt und gibt dann entsprechend Wärme ab, so
wie ein Heizwiderstand. Gleichzeitig enthält die Heizeinheit 7 auch
einen Temperatursensor. Besondere Vorteile ergeben sich, wenn die
Heizeinheit 7 und das Lasermedium 1 bereits als
integriertes Teil zusammengefasst sind.
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Ein
optisches Auskoppelelement 10 lenkt einen Teilstrahl des
Lasers auf eine Einrichtung zur Erfassung der Qualität des Laserlichtes,
den Qualitätsmesser 6.
Der Qualitätsmesser 6 erfaßt die Laserfrequenz
sowie die Intensität
und registriert, wann die Kohärenzlänge so gering
wird, daß daraus
auf einen nicht bestimmungsgemäß ablaufenden
Laserprozeß geschlossen
werden kann.
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Ein
Gitterantrieb 8 bewegt das Gitter 5. Die gesamte
Anordnung wird durch das Steuergerät 9 gesteuert. Der
Block 4 enthält
ein Peltierelement und einen Temperatursensor.
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Sowohl
eine Veränderung
des Injektionsstromes als auch eine Temperaturänderung des Lasermediums 1 bewirken
eine vergleichbare Anpassung des Laserelements 1 an die
gewünschte
Frequenz des Lasers, wie schon im ersten Ausführungsbeispiel erwähnt. Beide
Effekte lassen sich einander ergänzend
benutzen. Ist eine schnelle Anpassung erforderlich, so kann die relativ
träge Anpassung
mit Hilfe der Temperaturänderung
durch eine Anpassung mit Hilfe einer transienten Änderung
des Injektionsstroms überlagert
werden.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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Dem
fünften
Ausführungsbeispiel
liegt wie im vierten Ausführungsbeispiel
die Aufgabe zugrunde, eine zeitlich langsam oder schnell veränderte Frequenz
zu erzeugen, d. h. den Laser innerhalb der technisch erreichbaren
Höchstgrenzen
für den
Frequenzhub und die Frequenzänderungsrate
zu modulieren. Abweichend von den Ausführungsbeispielen eins bis vier
liegt diesem Ausführungsbeispiel
jedoch nicht die Littrow-Anordnung zugrunde.
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Bild
5 zeigt eine Anordnung, bei der statt des Gitters 5 nun
ein teildurchlassiger Reflektor 12 verwendet wird, der
den größten Teil
des Lichtes durchläßt und nur
in einem engen Frequenzbereich eine für die Rückkopplung ausreichende Reflektivität aufweist.
Zusammen mit der Austrittsfläche
des Lasermediums 1 bildet der teildurchlässige Reflektor 12 den äußeren Resonator.
Die Überlagerung
einer kammartigen Resonanzkurve, die durch die optische Länge gegeben
ist, und die Frequenzselektivität
der Reflexion bestimmen dessen Resonanzkurve. Der mögliche Frequenzhub
der gesamten Anordnung ist wesentlich bestimmt durch die Frequenzselektivität der Reflexion.
Die Abstimmung des äußeren Resonators
geschieht durch Bewegung des teildurchlässigen Reflektors 12 entlang
der optischen Achse. Die weiteren Abstimmungsvorgänge sind
in dem vierten Ausführungsbeispiel
bereits beschrieben.
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Die
Anordnung nach Bild 5 kann hinsichtlich des Durchstimmbereiches
erheblich erweitert werden, wenn die Frequenzselektivität des teildurchlässigen Reflektors 12 so
steuerbar ist, daß die
Mittenfrequenz, bei der das Maximum des Reflexionsfaktors über der
Frequenz auftritt, einstellbar ist. Die Abstimmung des äußeren Resonators
geschieht dann durch Verschieben des teildurchlässigen Reflektors 12 und
Anpassung der Mittenfrequenz. Geschieht die Anpassung der Mittenfrequenz
mit Hilfe eines schnellen elektrischen Effektes, erweist es sich
als ungünstig,
wenn dann zum schnellen Durchstimmen der Gesamtanordnung noch eine
mechanische Bewegung des teildurchlässigen Reflektors 12 erforderlich
ist. Diese wird vermieden, wenn die optische Weglänge des äußeren Resonators
ebenfalls elektrooptisch veränderbar
ist. Eine solche Ausführung zeigt
Bild 6, bei der die optische Weglänge durch ein mittels elektrooptischen
Effektes steuerbares transparentes Element 11 im Strahlengang
geändert
wird.