DE102004020265A1 - Laserüberwachung unter Verwendung sowohl der reflektierten als auch der durchgelassenen Interferenzstrukturen eines Etalons - Google Patents
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Abstract
Ein Lasersignal wird überwacht. Das Lasersignal wird zu einem Etalon weitergeleitet. Licht, das durch das Etalon durchgelassen wird, wird erfaßt. Licht, das von dem Etalon reflektiert wird, wird erfaßt. Von dem erfaßten Licht, das durch das Etalon durchgelassen wird, und dem Licht, das von dem Etalon reflektiert wird, wird ein Verhältnis berechnet.
Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Signal-Test und -Messung und bezieht sich insbesondere auf Laserüberwachung unter Verwendung sowohl der reflektierten als auch der durchgelassenen Interferenzstrukturen eines Etalons.
- Wenn Geräte verwendet werden, die die Wellenlänge oder Frequenz von optischen Signalen messen, wie z. B. optische Spektrumanalysatoren oder Wellenlängenmeßgeräte, ist eine Kalibrierung wichtig, um sicherzustellen, daß genaue Messungen durchgeführt werden. Wenn eine Kalibrierung durchgeführt wird, werden Kalibrierungsreferenzen verwendet, um einen Satz von genauen bekannten Frequenzen oder Wellenlängen zu liefern.
- Fabry-Perot-Etalons wurden als Kalibrierungsreferenz verwendet, um einzelne Referenzpunkte über einen größeren Bereich von Wellenlängen zu liefern, als typischerweise verfügbar ist, wenn eine Gasabsorptionszelle verwendet wird. Siehe beispielsweise USPN 6,421,120 B1, erteilt am 6. Juli 2002 an Kenneth R. Wildnauer für EXTENDED WAVE-LENGTH CALIBRATION REFERENCE.
- Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Überwachen eines Lasersignals und ein verbessertes System zum Überwachen eines Lasersignals zu schaffen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie ein System gemäß Anspruch 7 und 17 gelöst.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Lasersignal überwacht. Das Lasersignal wird an ein Etalon weitergeleitet. Licht, das durch das Etalon durchgelassen wird, wird erfaßt. Licht, das von dem Etalon reflektiert wird, wird erfaßt. Von dem erfaßten Licht, das durch das Etalon durchgelassen wird, und dem Licht, das von dem Etalon reflektiert wird, wird ein Verhältnis berechnet.
- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Blockdiagramm, das Laserwellenlängenüberwachung darstellt, unter Verwendung sowohl der reflektierten als auch der durchgelassenen Interferenzstrukturen eines Etalons gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
2 beispielhafte Diagramme von Signalverhältnissen für reflektierte und durchgelassene Interferenzstrukturen eines Etalons während Laserwellenlängenüberwachung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
3 ein beispielhaftes Diagramm des verbesserten Dynamikbereichs der Übertragungsspitze, wenn ein Verhältnis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird; und -
4 ein Blockdiagramm, das Laserwellenlängenüberwachung unter Verwendung sowohl der reflektierten als auch durchgelassenen Interferenzstrukturen eines Etalons gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. -
1 zeigt ein Etalon23 , das verwendet wird, um einen abstimmbaren Laser21 zu überwachen. Das Etalon23 ist beispielsweise ein Fabry-Perot-Etalon. Ein Fabry-Perot- Etalon umfaßt zwei reflektierende Oberflächen mit einem Übertragungsmedium zwischen den beiden reflektierenden Oberflächen. Ein Detektor25 erfaßt Licht, das durch das Etalon23 durchgelassen wird. Ein Detektor26 erfaßt Licht, das von dem Etalon23 reflektiert wird. - Wenn das Etalon ein wenig kompliziertes Fabry-Perot-Etalon ist, kann das Licht, das durch den Detektor
25 und durch den Detektor26 erfaßt wird, beinahe wie eine Sinuswelle aussehen, aber mit einem schlechten Randkontrast. Wenn das Etalon23 ein hochkompliziertes Fabry-Perot-Etalon ist, kann das Licht, das durch den Detektor25 und durch den Detektor26 erfaßt wird, sehr steile Spitzen oder Senken aufweisen, die einzelne Referenzpunkte liefern. - Eine Überwachungsvorrichtung
27 verwendet ein Verhältnis des reflektierten Lichts, das durch den Detektor26 erfaßt wird, und des durchgelassenen Lichts, das durch den Detektor26 erfaßt wird, um die Wellenlänge des abstimmbaren Lasers21 zu verfolgen. Die Übertragungsspitzen des Etalons23 werden größer und schmaler, wenn das Übertragungssignal, das durch den Detektor25 erfaßt wird, durch die reflektierten Signale dividiert wird, die durch den Detektor26 erfaßt werden. Die steileren Spitzen können verwendet werden, um das Etalon23 zu sperren oder mit anderen Referenzen zu vergleichen, um absolute Wellenlängenmessungen zu liefern. - Das Dividieren des reflektierten Signals, das durch den Detektor
26 erfaßt wird, durch das übertragene Signal, das durch den Detektor25 erfaßt wird, erzeugt ein sinusförmiges Signal, das ideal ist zum Verfolgen der relativen Wellenlänge des abstimmbaren Lasers21 . Das sinusförmige Signal liefert einen guten Kontrast zum Interpolieren zwischen Spitzen. - Obwohl das Etalon
23 ein hochkompliziertes Fabry-Perot-Etalon oder ein anderer Etalontyp sein kann, gibt es Vor teile beim Verwenden eines wenig komplizierten Fabry-Perot. Beispielsweise sind wenig komplizierte Fabry-Perot-Etalons normalerweise weniger aufwendig als hochkomplizierte Fabry-Perot-Etalons, da wenig komplizierte Fabry-Perot-Etalons leichter auszurichten sind, im allgemeinen nur einen Hohlraum erfordern und keine äußerst hohen reflektiven Beschichtungen erfordern. - Das durchgelassene Signal (Pt[λ]), das durch den Detektor
25 erfaßt wird, kann beschrieben werden, wie es nachfolgend durch die Gleichung 1 ausgeführt ist: - Bei der Gleichung 1 stellt Pt[λ] die erfaßte Leistung dar, T stellt den Durchlässigkeitsgrad dar, F ist der Kompliziertheitskoeffizient, n der Brechungsindex in dem Hohlraum des Etalons
23 , d die Hohlraumlänge, θ der Winkel, in dem der einfallende Strahl durch den Hohlraum verläuft, und λ ist die Wellenlänge. - Das reflektierte Signal Pt[λ], das durch den Detektor
26 erfaßt wird, kann beschrieben werden, wie es nachfolgend in der Gleichung 2 ausgeführt ist: - Bei der Gleichung 2 stellt Pt[λ] die erfaßte Leistung dar, R stellt das Reflexionsvermögen dar, F ist der Kompliziertheitskoeffizient, n der Brechungsindex in dem Hohlraum des Etalons
23 , d ist die Hohlraumlänge, θ ist der Winkel, in dem der Einfallsstrahl durch den Hohlraum verläuft, und λ ist die Wellenlänge. - Die Überwachungseinrichtung
27 verwendet das Verhältnis, das gebildet wird, wenn das durchgelassene Signal, das durch den Detektor25 erfaßt wird, durch die reflektierten Signale dividiert wird, die durch den Detektor26 erfaßt werden, um das Etalon23 zu sperren oder mit einer anderen Referenz zu vergleichen, um absolute Wellenlängenmessungen zu liefern. Dieses Verhältnis ist in der nachfolgenden Gleichung 3 gezeigt: - In
2 gibt der Signalverlauf33 ein beispielhaftes Diagramm des Verhältnisses der Gleichung 3, wobei die x-Achse32 die Wellenlänge in Nanometern (nm) darstellt und die y-Achse31 Dezibel (dB) darstellt. - Die Überwachungseinrichtung
27 verwendet das Verhältnis, das gebildet wird, wenn die reflektierten Signale, die durch den Detektor26 erfaßt werden, durch das gesendete Signal dividiert werden, das durch den Detektor25 erfaßt wird, beispielsweise für die Interpolation, wenn die relative Wellenlänge verfolgt wird. Dieses Verhältnis ist in der nachfolgenden Gleichung 4 gezeigt: - In
2 ist der Signalverlauf36 ein beispielhaftes Diagramm des Verhältnisses von Gleichung 4, wobei die x-Achse34 die Wellenlänge in Nanometern (nm) darstellt und die y-Achse35 Dezibel (dB) darstellt. Der Signalverlauf36 kann durch die Überwachungseinrichtung27 beispielsweise auf einer Anzeige28 (in1 gezeigt) angezeigt werden. -
3 zeigt ein Beispieldiagramm des verbesserten Dynamikbereichs der Übertragungsspitze, wenn ein Verhältnis verwendet wird. Das Diagramm stellt den Fall dar, wo die Kompliziertheit (F) gleich 10 ist, und das Reflexionsvermögen (R) gleich dem Durchlässigkeitsgrad (T) ist. In4 stellt der Signalverlauf44 das Verhältnis Pt/Pr dar. Der Signalverlauf43 stellt Pt dar. Die X-Achse43 stellt ∂/π dar. Die Y-Achse35 stellt Dezibel (dB) dar. - Die steileren Spitzen können verwendet werden, um ein Etalon zu sperren oder mit einer anderen Referenz zu vergleichen, um absolute Wellenlängenmessungen zu liefern. Dies ist durch
4 dargestellt.4 zeigt ein Etalon13 , das verwendet wird, um einen abstimmbaren Laser11 zu überwachen. Das Etalon13 ist beispielsweise ein Fabry-Perot-Etalon. Ein Detektor15 erfaßt Licht, das durch das Etalon13 durchgelassen wird. Ein Detektor16 erfaßt Licht, das von dem Etalon13 reflektiert wird. Ein Detektor14 erfaßt Licht durch eine Gasabsorptionszelle12 . Die Gasabsorptionszelle12 liefert Absorptionsleitungen in einem speziellen Teil des Spektrums, das zumindest einen Teil der periodischen Antwort des Etalons13 überlappt. Die Gasabsorptionszelle12 ist beispielsweise mit Acetyl, Methan, Hydrogencyanid, Kohlenstoffmonoxid, Hydrogeniodid oder Wasserdampf gefüllt. Die Gasabsorptionszelle12 wirkt als eine Referenz zum Liefern absoluter Wellenlängenmessungen. - Eine Überwachungseinrichtung
17 verwendet ein Verhältnis des reflektierten Lichts, das durch den Detektor16 erfaßt wird, und des durchgelassenen Lichts, das durch den Detektor16 erfaßt wird, um die Wellenlänge des abstimmbaren Lasers11 zu verfolgen. Die Übertragungsspitzen des Etalons13 werden größer und schmaler, wenn das durchgelassene Signal, das durch den Detektor15 erfaßt wird, durch die reflektierten Signale dividiert wird, die durch den Detektor16 erfaßt werden. Die steileren Spitzen können verwendet werden, um das Etalon13 zu sperren oder mit dem Signal zu vergleichen, das durch den Detektor14 erfaßt wird.
Claims (20)
- Verfahren zum Überwachen eines Lasersignals (
11 ,21 ), das folgende Schritte umfaßt: (a) Weiterleiten des Lasersignals (11 ,21 ) an ein Etalon (13 ,23 ); (b) Erfassen von Licht, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird; (c) Erfassen von Licht, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird; und (d) Berechnen eines Verhältnisses von erfaßtem Licht, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird, zu dem Licht, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird. - Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem bei (d) das Verhältnis gleich ist der Leistung des Lichts, das durch das Etalon (
13 ,23 ) durchgelassen wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird. - Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem bei (d) das Verhältnis gleich ist der Leistung des Lichts, das von dem Etalon (
13 ,23 ) reflektiert wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem bei (d) das Verhältnis nachfolgend dargestellt ist: wobei Pt[λ] die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das durch das Etalon (
13 ,23 ) durchgelassen wird, Pr[λ] die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird, T den Durchlässigkeitsgrad des Etalons (13 ,23 ) darstellt, R das Reflexionsvermögen des Etalons (13 ,23 ) darstellt, F ein Kompliziertheitskoeffizient des Etalons (13 ,23 ) ist, n ein Brechungsindex in einem Hohlraum des Etalons (13 ,23 ) ist, d eine Hohlraumlänge ist, θ ein Winkel ist, in dem ein einfallender Strahl durch den Hohlraum verläuft, und λ eine Wellenlänge des Lasersignals (11 ,21 ) ist. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem bei (d) das Verhältnis nachfolgend dargestellt ist: wobei Pt[λ] die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das durch das Etalon (
13 ,23 ) durchgelassen wird, Pr[λ] die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird, T den Durchlässigkeitsgrad des Etalons (13 ,23 ) darstellt, R das Reflexionsvermögen des Etalons (13 ,23 ) darstellt, F ein Kompliziertheitskoeffizient des Etalons (13 ,23 ) ist, n ein Brechungsindex in einem Hohlraum des Etalons (13 ,23 ) ist, d eine Hohlraumlänge ist, θ ein Winkel ist, in dem ein einfallender Strahl durch den Hohlraum verläuft, und λ eine Wellenlänge des Lasersignals (11 ,21 ) ist. - Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Etalon (
13 ,23 ) ein Fabry-Perot-Etalon ist. - System, das ein Lasersignals (
11 ,21 ) überwacht, wobei das System folgende Merkmale umfaßt: ein Etalon (13 ,23 ), das das Lasersignal (11 ,21 ) empfängt; einen ersten Detektor (15 ,25 ), der Licht erfaßt, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird; einen zweiten Detektor (16 ,26 ), der Licht erfaßt, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird; und eine Überwachungseinrichtung (17 ,27 ), die ein Verhältnis berechnet von dem erfaßten Licht, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird, zu dem Licht, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird. - System gemäß Anspruch 7, bei dem das Verhältnis gleich der Leistung des Lichts ist, das durch das Etalon (
13 ,23 ) durchgelassen wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird. - System gemäß Anspruch 7, bei dem das Verhältnis gleich der Leistung des Lichts ist, das von dem Etalon (
13 ,23 ) reflektiert wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird. - System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem bei das Verhältnis nachfolgend dargestellt ist: wobei Pt[λ] die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das durch das Etalon (
13 ,23 ) durchgelassen wird, Pr[λ) die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird, T den Durchlässigkeitsgrad des Etalons (13 ,23 ) darstellt, R das Reflexionsvermögen des Etalons (13 ,23 ) darstellt, F ein Kompliziertheitskoeffizient des Etalons (13 ,23 ) ist, n ein Brechungsindex in einem Hohlraum des Etalons (13 ,23 ) ist, d eine Hohlraumlänge ist, θ ein Winkel ist, in dem ein einfallender Strahl durch den Hohlraum verläuft, und λ eine Wellenlänge des Lasersignals (11 ,21 ) ist. - System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem bei das Verhältnis nachfolgend dargestellt ist: wobei Pt[λ] die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das durch das Etalon (
13 ,23 ) durchgelassen wird, Pr[λ] die erfaßte Leistung des Lichts darstellt, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird, T den Durchlässigkeitsgrad des Etalons (13 ,23 ) darstellt, R das Reflexionsvermögen des Etalons (13 ,23 ) darstellt, F ein Kompliziertheitskoeffizient des Etalons (13 ,23 ) ist, n ein Brechungsindex in einem Hohlraum des Etalons (13 ,23 ) ist, d eine Hohlraumlänge ist, θ ein Winkel ist, in dem ein einfallender Strahl durch den Hohlraum verläuft, und λ eine Wellenlänge des Lasersignals (11 ,21 ) ist. - System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem das Etalon (
13 ,23 ) ein Fabry-Perot-Etalon ist. - System gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem das System zusätzlich folgende Merkmale umfaßt: eine Referenzvorrichtung (
12 ), die das Lasersignal (11 ,12 ) empfängt; und einen Detektor (16 ), der Licht erfaßt, das durch die Referenzvorrichtung (12 ) durchgelassen wird. - System gemäß Anspruch 13, bei dem die Referenzvorrichtung (
12 ) eine Gaszelle ist. - System gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die Überwachungseinrichtung (
17 ,27 ) ein Verhältnis verwendet, das gleich der Leistung des Lichts ist, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird, um das Etalon (13 ,23 ) mit der Referenzvorrichtung (12 ) zu vergleichen. - System gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem die Überwachungseinrichtung (
17 ,27 ) ein Verhältnis verwendet, das gleich der Leistung des Lichts ist, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird, um das Etalon (13 ,23 ) mit der Referenzvorrichtung (12 ) zu vergleichen, und die Überwachungseinrichtung (17 ,27 ) ein Verhältnis verwendet, das gleich der Leistung des Lichts ist, das von dem Etalon (13 ,23 ) reflektiert wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das durch das Etalon (13 ,23 ) durchgelassen wird, zum Interpolieren zwischen Spitzen. - System, das ein Lasersignal überwacht, wobei das System folgende Merkmale umfaßt: eine Meßeinrichtung zum Empfangen des Lasersignals (
11 ,21 ); eine erste Erfassungseinrichtung (15 ,25 ) zum Erfassen von Licht, das durch die Meßeinrichtung durchgelassen wird; eine zweite Detektoreinrichtung (16 ,26 ) zum Erfassen von Licht, das von der Meßeinrichtung (11 ,21 ) reflektiert wird; und eine Vorrichtungseinrichtung zum Berechnen eines Verhältnisses von dem erfaßtem Licht, das durch die Meßeinrichtung durchgelassen wird, zu dem Licht, das von der Meßeinrichtung reflektiert wird. - System gemäß Anspruch 17, bei dem das Verhältnis gleich ist wie die Leistung des Lichts, das durch die Meßeinrichtung durchgelassen wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, das von der Meßeinrichtung (
11 ,21 ) reflektiert wird. - System gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem das Verhältnis gleich der Leistung des Lichts ist, das von der Meßeinrichtung (
11 ,21 ) reflektiert wird, dividiert durch die Leistung des Lichts, die durch die Meßeinrichtung (11 ,21 ) durchgelassen wird. - System gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, bei dem das System zusätzlich folgende Merkmale umfaßt: eine Referenzeinrichtung (
12 ) zum Empfangen des Lasersignals (11 ,21 ); und eine dritte Detektoreinrichtung zum Erfassen von Licht, das durch die Referenzvorrichtung (12 ) durchgelassen wird.
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