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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
solches Lasersystem beinhaltet als wesentliches Bestandteil einen
Frequenzkammgenerator, wie er aus der
DE 199 11 193 A1 , der dazu
parallelen
EP 1 161
782 B1 oder der
DE
100 44 404 C2 bekannt ist. Als Frequenzkammgenerator ist
dort jeweils ein Kurzpuls- oder
Ultrakurzpuls-Oszillator vorgesehen, d. h. ein modengekoppelter
Laser mit Pulsdauern im Bereich von Femto- (fs) bis zu Nanosekunden
(ns). Führt
man eine Fourier-Transformation
vom Zeitraum in den Frequenzraum durch, entspricht der Folge von
Laserpulsen im Frequenzraum ein „Frequenzkamm". Er setzt sich zusammen
aus einer Vielzahl von scharfen δ-ähnlichen
Funktionen bei verschiedenen diskreten Frequenzen, Moden f
n genannt. Benachbarte Moden haben voneinander
einen Abstand Δf,
der genau der Pulswiederholfrequenz (= Repetitionsrate) des Oszillators
entspricht und der daher durch die optische Weglänge der Pulse im Oszillator
bestimmt ist.
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Allerdings
liegen die Moden des Frequenzkamms im Normalfall nicht exakt bei
einem ganzzahligen Vielfachen von Δf, sondern der gesamte Frequenzkamm
ist um eine so genannte Offset-Frequenz f0 verschoben.
Rechnerisch lässt
sich der Frequenzkamm daher beschreiben als fn =
f0 + n Δf.
Die Ursache für
die Offset-Frequenz f0 besteht darin, dass
sich die Gruppengeschwindigkeit für die im Oszillator umlaufenden
Pulse, die die Repetitionsrate und damit den Modenabstand Δf bestimmt,
von der Phasengeschwindigkeit der einzelnen Moden unterscheidet.
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In
der
DE 199 11 193
A1 , der
EP
1 161 782 B1 und der
DE 100 44 404 C2 sind Verfahren beschrieben,
wie die beiden Freiheitsgrade des Frequenzkamms, d. h. die Offset-Frequenz
f
0 und der Modenabstand Δf, auf feste Werte fixiert bzw.
eingestellt werden können.
Zu diesem Zweck ist je ein Stabilisator oder Regelkreis vorgesehen.
Ein erster Stabilisator betrifft den Modenabstand. Als Messwert
für diesen
Stabilisator kann die (ggf. in besser erfassbare Bereiche geteilte
oder multiplizierte) Pulswiederholfrequenz dienen, die – wie erläutert – dem Modenabstand
entspricht. Eine Auswerte- und Vergleichseinheit vergleicht den
gemessenen Wert mit einem vorgegebenen Referenzwert für die Pulswiederholfrequenz.
Um den Modenabstand zu verändern oder
um ihn bei festgestellter Abweichung auf den vorge gebenen Referenzwert
einzustellen, steuert der Stabilisator ein Stellglied an, das die
optische Weglänge
des Oszillators und damit die Pulswiederholfrequenz ändert. Beispielsweise
kann das Stellglied ein Linearantrieb oder ein Piezoaktuator für einen
Resonatorspiegel des Oszillators sein.
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Ein
zweiter Stabilisator regelt die Offset-Frequenz f0 auf
einen bestimmten Wert. Zu diesem Zweck wird z. B. eine bestimmte
Mode fn des Frequenzkamms auf einem Detektor
(z. B. einer Photodiode oder einem Photomultiplier) entweder mit
einer externen, exakt bekannten Referenzfrequenz (z. B. von einem
Dauerstrich-Laser) oder mit einer frequenzkonvertierten zweiten
Mode aus dem gleichen Frequenzkamm überlagert. Die Überlagerung
erzeugt auf dem Detektor eine Schwebungsfrequenz im Radiofrequenzbereich.
Eine Auswerte- und Vergleichseinheit vergleicht die Schwebungsfrequenz mit
einer vorgegebenen, ggf. variabel einstellbaren Referenzfrequenz.
Stellt sich dabei eine Abweichung heraus, steuert der zweite Stabilisator
ein Stellglied, das die lineare Dispersion im Oszillator verändert. Geschehen
kann dies beispielsweise, indem ein Resonatorendspiegel in einem
von den Moden räumlich getrennt
durchlaufenen Resonatorzweig leicht verkippt wird, um die optische
Weglänge
des Oszillators frequenzabhängig
zu ändern.
Alternativ könnte
die Pumpleistung für
den Oszillator verändert
oder ein dispersives Element wie ein Prismenpaar oder eine transparente,
kippbare Platte in den Strahlengang des Oszillators eingeführt und
in seiner Lage verändert
werden.
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Mit
den in der
DE 199
11 193 A1 , der
EP
1 161 782 B1 oder der
DE 100 44 404 C2 beschriebenen Mitteln wird
insgesamt ein vollständig
stabilisierter Frequenzkamm erzeugt, dessen einzelne Moden bei exakt
bekannten Frequenzen liegen und zueinander kohärent sind. Hinsichtlich der
detaillierten Beschreibung dieser Mittel wird auf die drei genannten Dokumente
verwiesen. Besonders wichtig ist dabei die Kohärenz des Frequenzkammes. Anders
ausgedrückt
ergibt sich eine feste Phasenbeziehung zwischen den einzelnen Moden
des Frequenzkammes. Dies ist z. B. bei der Verwendung von gütegeschalteten
Lasern nicht gegeben. Weiter sind viele nichtlineare Prozesse insbesondere
in Fasern bekannt, die zum Verlust der Kohärenzeigenschaften führen.
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Der
stabilisierte Frequenzkamm hat Eigenschaften, die eine Vielzahl
einzigartiger Anwendungen ermöglichen.
Da die Position seiner Moden im Frequenzraum absolut festgelegt
ist, können
einzelne Moden als Frequenzstandard oder zur exakten Messung einer
unbekann ten, externen optischen Frequenz dienen. Außerdem ist
es möglich,
einzelne oder auch mehrere Moden zur Spektroskopie zu verwenden.
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Der
Einsatzbereich des stabilisierten Frequenzkamms wird jedoch dadurch
beschränkt,
dass nur eine endliche Anzahl der Moden eine gewisse Mindest-Amplitude überschreitet.
Welche Moden dies sind, hängt
vom Lasermedium des Osziliators ab. Wird als Oszillator beispielsweise
ein Faserlaser mit einer Erbium-dotierten Faser verwendet, liegt
seine Ausgangswellenlänge
bei etwa 1550 nm. Je kürzer
die vom Oszillator abgegebenen Pulse, desto größer ist ihr Spektrum. Bei fs-Pulsen
beträgt
die Halbwertsbreite (FWHM) des Spektrums einige Nanometer bis einige
10 nm oder sogar einige 100 nm bei sub-10 fs-Pulsen.
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Äußerst interessant
wäre es,
einen stabilisierten Frequenzkamm mit seinen vollen Kohärenzeigenschaften
nicht nur bei 1550 nm, sondern auch bei einer möglichst großen Bandbreite anderer Spektralbereiche
mit hoher spektraler Leistungsdichte zur Verfügung zu haben, um auch in diesen
anderen Spektralbereichen exakte Frequenzmessungen oder Spektroskopie
durchführen
zu können.
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Verfahren,
mit denen die Zentralwellenlänge kurzer
Laserpulse verändert
werden soll, sind aus der
EP
1 118 904 A1 oder der
US
6,014,249 A bekannt. Allerdings bezieht sich keines dieser
Dokumente auf einen Frequenzkamm. Würden bei den dort beschriebenen
nichtlinearen Prozessen jedoch die Kohärenzeigenschaften des Kamms
und/oder die Information über
die Offset-Frequenz verloren gehen, wäre die Lage der Moden nicht
mehr exakt bekannt, so dass der Frequenzkamm für hochgenaue Messungen wertlos
würde.
Die exakte Kenntnis der Lage einer Mode ist jedoch weder bei der
EP 1 118 904 A1 , noch
bei der
US 6,014,249
A ein angestrebtes Ziel.
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Vor
Kurzem wurde ein erstes Verfahren zum Übertragen eines stabilisierten
Frequenzkamms vom infraroten in den sichtbaren Spektralbereich vorgeschlagen.
Dabei wird die Frequenz der aus dem Oszillator erhaltenen, stabilisierten
Frequenzkamm-Moden in einem Verdoppler-Kristall verdoppelt und so die
Zentralwellenlänge
von 1560 nm auf 780 nm halbiert. Anschließend durchläuft der Frequenzkamm eine Photonische
Kristallfaser (photonic crystal fibre, PCF, auch mikrostrukturierte
Faser), die den Frequenzkamm auf über eine Oktave verbreitert.
Der Kamm umfasst hinter der Faser also eine Frequenz f und auch
die doppelte Frequenz 2f. Bei der spektralen Verbreiterung sinkt
jedoch die mittlere Leistung der Folge von Frequenzkämmen von
zum Beispiel ca. 100 mW auf ca. 50 mW. Zudem verteilt sich diese geringere
Leistung nun auf einen sehr breiten Spektralbereich von bis zu 400
oder 500 nm Breite. Die spektrale Leistungsdichte, d. h. die Leistung
für eine einzelne
Wellenlänge
oder Frequenz, zeigt außerdem
eine ausgeprägte
Strukturierung und ist dabei an einigen Stellen so gering, dass
eine Messung einer unbekannten externen Referenzfrequenz nicht mehr
möglich
ist.
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Die
US 2005/0238070 A1 beschreibt
den Einsatz einer optisch-parametrischen Verstärkung (OPA) zum Erzeugen ultrakurzer
Pulse bei verschiedenen Wellenlängen
zwischen 900 nm und 2100 nm. Eine Stabilisierung auf bestimmte Moden
gibt es hier nicht. Mit der Vorrichtung der
US 2004/0213302 A1 soll
aus einem Frequenzkamm mittels einer nichtlinearen Faser ein Kontinuum
erzeugt werden, wobei Ramaneffekte als unerwünscht erklärt werden. Auch die
US 2004/0057682 A1 erläutert eine
Möglichkeit
zur Kontinuumserzeugung aus einem Frequenzkamm. Erwähnt wird
dort ein „Raman
shift", aber es
gibt keine Aussage darüber,
auf welche Weise die Modenstabilität des Frequenzkamms bei der
Kontinuumserzeugung beeinträchtigt
wird. Die
DE 10
2004 009 068 A1 behauptet, dass bei extremen nicht-linearen
Effekten in einer Faser die Kammstruktur eines Frequenzkamms nicht
verloren gehe. Diese sehr allgemeine Aussage ist jedoch wenig hilfreich,
da es bei Fasern eine Reihe von nichtlinaren Effekten gibt, die bekanntermaßen die
Kohärenz
zerstören,
wie z. B. modulation instability oder Brillouin-Streuung. Der Artikel "Coherent properties
of supercontinuum containing clearly defined solitons" von S. Kobtsev und
S. Smirnov in Optics Express, Vol. 14, No. 9, S. 3968–3980, 01.
Mai 2006, beschreibt schließlich
ein theoretisches Modell der Kohärenzeigenschaften
eines Weißlicht-Superkontinuums
aus klar unterscheidbaren Solitonen. Diesem Artikel kann unter anderem
entnommen werden, dass nichtlineare Effekte in optischen Fasern
in der Regel zu einem Auseinanderbrechen eines Laserpulses in mehrere
voneinander unterscheidbare Solitonen führt, und dass die Kohärenzeigenschaften
des ursprünglichen
Laserpulses bzw. des Frequenzkamms dabei vergleichsweise schnell
verloren gehen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein System vorzusehen, mit dem
ein Frequenzkamm unter vollständigem
Erhalt seiner Kohärenzeigenschaften
und mit ausreichend hoher Leistung insbesondere durchstimmbar auf
andere Frequenzen übertragen
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Lasersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Im
erfindungsgemäßen Lasersystem
ist ein optischer Verstärker,
dessen Verstärkungsfaktor
variabel ist, zum Verstärken
des aus dem Frequenzkammgenerator ausgekoppelten Frequenzkammes vorgesehen,
und dem Verstärker
ist ein Raman-Medium nachgeordnet, das zum Erzeugen einer Raman-Verschiebung
des Frequenzkamms derart konfiguriert ist, dass sich aus dem Frequenzkamm
im Raman-Medium ein Soliton bildet, das durch einen „soliton
self-frequency shift" frequenz-verschoben wird. Überraschenderweise
hat sich bei entsprechenden Messungen herausgestellt, dass ein optischer Verstärker und
ein solches Raman-Medium die Kohärenzeigenschaften
des Frequenzkamms nicht negativ beeinflussen. Insbesondere hinsichtlich
des Raman-Mediums konnte dies nicht erwartet werden, da es sich
bei der Raman-Verschiebung um „inelastische" Lichtstreuung handelt,
bei der durchaus – wie z.
B. bei modulation instability oder Brillouin-Streuung – die Kohärenz der
Moden oder die Information über
die Offset-Frequenz hätten
verloren gehen können.
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Das
erfindungsgemäße Lasersystem
zeichnet sich dadurch aus, dass dem Raman-Medium ein frequenzabhängiger Abschwächer nachgeordnet
ist, dessen frequenzabhängiger
Abschwächungsgrad
so eingerichtet ist, dass unabhängig
vom Verstärkungsfaktor
des Verstärkers
und dem dadurch hervorgerufenen Ausmaß der Raman-Verschiebung hinter
dem Abschwächer
stets eine konstante mittlere Leistung zur Verfügung steht. Die sich daraus
ergebenden Vorteile werden weiter unten erläutert.
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Mit
der Soliton-Raman-Verschiebung schafft es das erfindungsgemäße Lasersystem,
den Frequenzkamm auf andere Frequenzbereiche zu verschieben. Je
nach Wahl und Konfiguration des Raman-Mediums kann es sich bei der
Raman-Verschiebung um einen Stokes-Prozess handeln, bei dem die Moden des
Kamms zu niedrigeren Frequenzen verschoben werden, oder um einen
Anti-Stokes-Prozess, bei dem die Moden des Kamms zu höheren Frequenzen
verschoben werden.
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Ein
großer
Vorteil des erfindungsgemäßen Lasersystems
liegt darin, dass es sich ggf. den „soliton self-frequency shift" zu Nutze machen
kann, der in „Discovery
of the soliton selffrequency shift", Mitschke und Mollenauer, Optics Letters
Vol. 11 No. 10, 1986, beschrieben ist. Bei diesem Prozess ist das Ausmaß der Raman-Verschiebung
proportional zu der Leistung der in das Raman-Medium eingestrahlten
Laserpulse. Im erfindungsgemäßen System
erlaubt der Verstärker
eine Variation seines Verstärkungsfaktors.
Je größer der
Verstärkungsfaktor,
desto größer ist
die anschließende
Raman-Verschiebung. Über
den Verstärkungsfaktor
des Verstärkers kann
daher auf einfache Weise die Lage des Maximums des Frequenzkamms
stufenlos verändert
und sehr schnell und präzise
eingestellt werden. Darüber hinaus
hat der Verstärker
den zusätzlichen
Vorteil, dass die Leistung der zur Verfügung gestellten Strahlung zunimmt.
Da die Frequenzverschiebung zudem ohne eine enorme spektrale Verbreiterung
wie in einer Photonischen Kristallfaser erfolgt, steht am Ausgang
des Lasersystems ein Frequenzkamm mit einer sehr hohen spektralen
Leistungsdichte zur Verfügung,
die sich hervorragend für
hochgenaue, äußerst rauscharme
Frequenzmessungen eignet. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn
durchstimmbare cw-Laserquellen hochpräzise vermessen werden sollen.
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In
ersten Experimenten zur vorliegenden Erfindung wurde als Frequenzkammgenerator
ein Diodenlaser-gepumpter Faserlaser mit einer Erbium-dotierten
Faser und einer Ausgangswellenlänge
bei etwa 1560 nm eingesetzt. Mit einem optischen Verstärker und
einem sich daran anschließenden
Raman-Medium konnte die Zentralwellenlänge des Frequenzkamms unter
vollständigem
Erhalt der Kohärenzeigenschaften
von ca. 1550 nm bis hin zu 2,0 μm und
sogar bis zu 2,2 μm
verschoben werden, d. h. um mehr als 40%. Nach oben (also zu längeren Wellenlängen) wird
das Ausmaß der
Raman-Verschiebung offenbar nur durch die Transmission der verwendeten
Optiken begrenzt, insbesondere der verwendeten Glasfasern.
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Die
Vorzüge
des erfindungsgemäßen Lasersystems
kommen besonders dann zur Geltung, wenn es wenigstens einen Stabilisator
zum Stabilisieren des Frequenzkamms auf eine bestimmte Offset-Frequenz
(f0) und/oder einen bestimmten Modenabstand (Δf) aufweist,
weil dann die Moden des Kamms absolut festgelegt und bekannt sind,
und weil diese Kenntnis durch den vollständigen Erhalt der Kohärenz auch auf
die Moden des spektral verschobenen Kamms übertragen wird.
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Bevorzugt
umfasst der optische Verstärker eine
optisch gepumpte, mit Erbium und/oder Ytterbium dotierte optische
Faser. Ein solcher Verstärker
ist kompakt, robust und gut in seinem Verstärkungsfaktor regelbar.
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Als
Pumpquelle für
den Verstärker
kann ein (oder mehrere) Diodenlaser vorgesehen sein. Sie haben eine
lange Lebensdauer und sind entsprechend wartungsarm.
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Ist
als Pumpquelle für
den Verstärker
ein Diodenlaser vorgesehen, kann der Verstärkungsfaktor des Verstärkers in
einfacher Weise über
die Stromstärke
am Diodenlaser einstellbar sein. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors
kann dabei insbesondere stufenlos erfolgen.
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In
einer günstigen
Variante der Erfindung ist mittels des Verstärkers bereits vor dem Raman-Medium
eine erste Raman-Verschiebung des Frequenzkammes erzeugbar. Durch
die zweifache Raman-Verschiebung (im Verstärker und im Raman-Medium) kann
das Ausmaß der
gesamten Frequenzverschiebung vergrößert werden. Der Beitrag des
Verstärkers
zur Raman-Verschiebung kann dabei beispielsweise in der Größenordnung
von 10 bis 30 nm liegen.
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Vorzugsweise
umfasst das Raman-Medium eine optische Faser, insbesondere eine
polarisationserhaltende Faser. Die Faser hat den Vorteil, dass sie
sich raumsparend im Lasersystem unterbringen lässt. Darüber hinaus ist die mit ihr
erzeugte Raman-Verschiebung proportional zur Länge der Faser. Daher kann über die
Länge der
Faser eine Grobabstimmung der Raman-Verschiebung vorgenommen werden,
während
die Feinabstimmung anhand des Verstärkungsfaktors des Verstärkers erfolgt.
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Besonders
zweckmäßig ist
es, wenn das Raman-Medium bzw. eine dafür verwendete optische Faser
durch eine Spleißverbindung
mit einer optischen Faser des Verstärkers verbunden ist. Da das Anspleißen bereits
vor dem Einbau der Elemente in das Lasersystem erfolgt, müssen der
Verstärker
und das Raman-Medium im Lasersystem nicht mehr zueinander justiert
werden. Auch im Betrieb des Lasersystems können sie auf diese Weise nie
ihre Ausrichtung relativ zueinander verlieren, so dass der Wartungsaufwand
für das
Lasersystem geringer wird.
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Besondere
Vorteile entfaltet das erfindungsgemäße Lasersystem in einer Variante,
bei der dem Raman-Medium ein frequenzabhängiger Abschwächer nachgeordnet
ist. Dies mag zunächst
nachteilig erscheinen, da für
die meisten Anwendungen eine möglichst
hohe Ausgangsleistung gewollt ist. – Wie erläutert, kann im erfindungsgemäßen Lasersystem das
Ausmaß der
Raman-Verschiebung des Frequenzkamms über eine Variation der Verstärkerleistung
verändert
werden. Das bedeutet gleichzeitig, dass die Ausgangsleistung des
Systems um so höher ist,
je größer die
Zentralwellenlänge
des Kamms ist. Für
einige Anwendungen könnte
es nun jedoch vorteilhaft sein, wenn die Ausgangsleistung des Lasersystems
zumindest weitgehend unabhängig
von der Zentralwellenlänge
des Kamms wäre.
Vor allem bei einer Untersuchung empfindlicher, z. B. biologischer Proben
mit dem Frequenzkamm könnte
die Probe nachteilig beeinflusst oder sogar zerstört werden, wenn
die eingestrahlte Lichtleistung zu stark zunimmt. Auch in einem
Anwendungsfall, bei dem die Zentralwellenlänge einmal oder mehrfach nacheinander
rampenartig vergrößert oder
verringert wird, d. h. bei einem „Scannen" über
das erfassbare Spektrum, kann ein ggf. periodisches Schwanken der
Laserleistung unerwünscht
sein.
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Mit
einem frequenzabhängigen
Abschwächer
kann eine Änderung
der Ausgangsleistung unterdrückt
werden. Vorteilhaft ist es dabei vor allem, wenn der Abschwächungsgrad
des Abschwächers zu
niedrigeren Frequenzen hin zunimmt, und wenn darüber hinaus die Änderung
der Abschwächung
pro Frequenzintervall möglichst
gut mit der Änderung
der Laserleistung vor dem Abschwächer
korreliert ist. Steigt beispielsweise die Laserleistung vor dem
Abschwächer
linear mit abnehmender Frequenz, wäre es günstig, wenn auch der Abschwächungsgrad
des Abschwächers
mit abnehmender Frequenz linear zunimmt. Auf diese Weise kann die
Ausgangsleistung des Lasersystems stabilisiert werden.
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Denkbar
wäre es,
dass der Abschwächer
ein „aktives" Element ist, dessen
Abschwächungsgrad mittels
eines Stellgliedes bei einer Änderung
des Verstärkungsfaktors
des Verstärkers
synchron verändert wird.
Allerdings ist dazu ein erheblicher Regelungsaufwand notwendig,
und ohne eine sehr genaue Synchronisation sind Schwankungen in der
Ausgangsleistung immer noch möglich.
Besser ist es daher, wenn der Abschwächer ein "passives" Element ist, d. h. ohne ein ansteuerbares
Stellglied auskommt. Sein Abschwächungs verhalten
sollte dann in Anpassung an den vorgeschalteten Verstärker bereits
vorab so festgelegt sein, dass eine Änderung der Ausgangsleistung
auf Grund einer Änderung
des Verstärkungsfaktors
und einer dadurch bedingten Frequenzverschiebung möglichst
gut kompensiert wird. Auf diese Weise bleibt die Ausgangsleistung
immer konstant, auch wenn der Frequenzkamm verschoben wird. Falls
dies gewünscht
wird, könnte
der Abschwächer selbstverständlich auch
so eingestellt werden, dass die Ausgangsleistung des Lasersystems
nicht konstant bleibt, sondern sich mit einer festgelegten Rate pro
Frequenzintervall der Raman-Verschiebung ändert.
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Ein
einfaches Ausführungsbeispiel
für einen „passiven" Abschwächer kann
dadurch realisiert werden, dass der Abschwächer einen Spiegel umfasst, dessen
Reflexions- oder Transmissionsgrad – je nach Ausrichtung des Spiegels – zu niedrigen
Frequenzen hin zu- oder
abnimmt. Es könnte
sich dabei um einen entsprechend beschichteten, z. B. dichroitischen
Spiegel handeln.
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Ein
anderes Ausführungsbeispiel
für einen „passiven" Abschwächer kann
dadurch realisiert werden, dass der Abschwächer eine optische Faser umfasst,
in der frequenzabhängige
Verluste auftreten. Dieses Ausführungsbeispiel
hat unter anderem den Vorteil, dass es sich noch einfacher herstellen
lässt und
dass die Justage vereinfacht wird.
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Die
frequenzabhängigen
Verluste in der optischen Faser könnten dadurch erzeugt werden,
dass in der Faser entsprechende Absorber eingelagert sind. Absorption
hätte jedoch
den Nachteil, dass die Temperatur der Faser zunehmen würde. Einfacher und
besser ist eine Variante, bei der die Faser mit einem vergleichsweise
kleinen Krümmungsradius
gewickelt angeordnet ist. In den Krümmungsbereichen werden höhere Frequenzkomponenten
besser in der Faser geführt,
während
für niedrigere
Frequenzkomponenten die Verluste zunehmen. Da die Verluste nicht über Absorption
erzeugt werden, nimmt die Temperatur der Faser bei dieser Variante
nicht zu.
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Je
nach der gewünschten
Stärke
der Abschwächung
und nach der Charakteristik der Einheit von Verstärker und
Raman-Medium könnte
der Krümmungsradius
der optischen Faser wenigstens abschnittsweise 15 bis 100 mm betragen,
insbesondere 25 bis 40 mm. Die Länge
der Faser könnte
z. B. zwischen 0,5 und 50 Metern liegen.
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Besonders
günstig
ist eine Ausführungsform, bei
der der Abschwächungsgrad
des Abschwächers pro
Frequenzintervall veränderbar
ist, um das Abschwächungsverhalten
an andere Umgebungsbedingungen oder andere experimentelle Anforderungen anpassen
zu können.
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Beispielsweise
könnte
dazu der Krümmungsradius
der optischen Faser variabel einstellbar sein. Realisiert werden
könnte
dies durch eine aus mehreren Zylindersegmenten zusammengesetzten, zylindrischen
Spule, auf die die Faser aufgewickelt ist. Werden die Zylindersegmente
radial bezüglich der
Zylinderachse nach außen
gefahren, vergrößert sich
der Krümmungsradius
der Faser. Werden umgekehrt die Zylindersegmente radial bezüglich der
Zylinderachse nach innen gefahren, und steht die Faser gleichzeitig
unter einer gewissen Vorspannung, so verringert sich der Krümmungsradius
der Faser und die Änderung
des Abschwächungsgrades
pro Frequenzintervall nimmt zu. Eine andere Ausführungsform stellt das Einbringen
eines kreisförmig
aufgewickelten Fasersegmentes zwischen 2 Backen dar. Werden die
Backen aufeinander zu gefahren, wird der Kreis zu einer Ellipse
verformt, was mit einer streckenweisen Änderung des Biegungsradius
einher geht.
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Ist
der Abschwächer
durch eine optische Faser realisiert, so ist diese Faser vorzugsweise
durch eine Spleißverbindung
mit einer optischen Faser des Raman-Mediums verbunden. Da das Anspleißen bereits
vor dem Einbau der Elemente in das Lasersystem erfolgt, müssen der
Abschwächer
und das Raman-Medium im Lasersystem nicht mehr zueinander justiert
werden. Auch im Betrieb des Lasersystems können sie auf diese Weise nie
ihre Ausrichtung relativ zueinander verlieren, so dass der Wartungsaufwand
für das
Lasersystem geringer wird. Besonders einfach und wartungsarm wird
das Lasersystem, wenn sowohl der Verstärker und das Raman-Medium,
als auch das Raman-Medium und der Abschwächer über Spleißverbindungen miteinander verbunden
sind.
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Um
weitere Frequenzbereiche für
den Frequenzkamm zu erschließen,
könnte
dem Raman-Medium
und/oder ggf. dem Abschwächer
eine Frequenzkonversionsstufe, z. B. ein Frequenzverdoppler, nachgeordnet
sein. Mit seiner Hilfe könnte
der Frequenzkamm auf eine Zentralwellenlänge zwischen ca. 800 und 1100
nm verschoben werden, wobei weiterhin alle Kohärenzeigenschaften des Kamms
erhalten bleiben. Als Frequenzverdoppler eignen sich z. B. ein BBO-Kristall
(Beta-Barium-Borat) oder ein periodisch gepolter Lithium-Niobat-Kristall
(PPLN). Die Bereiche unterschiedlicher Polung können im Kristall in Form paralleler
Schichten oder fächerförmig angeordnet
sein.
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Bevorzugte
Werte für
die Repetitionsrate des Frequenzkammgenerators betragen zwischen
80 und 500 MHz, vorzugsweise zwischen 150 und 300 MHz oder noch
höher.
Eine hohe Repetitionsrate, die sich mit einem „kurzen" Resonator des Oszillators realisieren
lässt,
hat den Vorteil, dass der Modenabstand Δf groß wird und sich die einzelnen
Moden spektral gut voneinander trennen lassen. Sie hat jedoch auch
noch einen weiteren Vorteil. Bei Pulsenergien von 0.1 bis 0.2 Nanojoule
(nJ) ist die Verstärkung
im optischen Verstärker
besonders effizient. Bei Pulsenergien von 1 bis 3 Nanojoule (nJ)
ist die Ramanverschiebung besonders effizient. Eine hohe Repetitionsrate
erlaubt es, unter Beibehaltung der moderaten Pulsenergien und somit
einer effizienten Verstärkung
und Verschiebung die mittlere Ausgangsleistung des Lasersystems
zu erhöhen.
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Neben
dem Lasersystem an sich erfasst die Erfindung auch die Verwendung
eines mit dem erfindungsgemäßen Lasersystem
erzeugten Frequenzkammes zum Messen einer optischen Frequenz, zur Erzeugung
optischer Referenzfrequenzen, als optisches Uhrwerk, sowie eine
Verwendung des Frequenzkammes in der Telekommunikation oder in der Mikroskopie,
insbesondere in der Fluoreszenzmikroskopie oder der Zweiphotonen-Mikroskopie.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand einer Zeichnung näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Lasersystems,
und
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2 eine
Darstellung des Frequenzkamms an unterschiedlichen Stellen im erfindungsgemäßen Lasersystem.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lasersystems 1.
Ausgangspunkt des Lasersystems 1 ist ein Frequenzkammgenerator 2 zum
Erzeugen eines Frequenzkamms optischer Frequenzen mit einer Offset-Frequenz
f0 und einer Vielzahl äquidistanter Moden fn = f0 + n Δf. Der Frequenzkammgenerator 2 oder
Oszillator kann ein diodengepumpter Ultrakurzpuls-Faserlaser sein,
z. B. ein Femtosekunden-Er+-Faserlaser mit
einer Zentralwellenlänge
von ca. 1550 nm. Die Repetitionsrate des Oszillators und damit der
Modenabstand Δf
kann z. B. auf etwa 100 MHz oder 200 MHz eingestellt sein. Der aus
dem Frequenzkammgenerator 2 bei (a) ausgekoppelte Frequenzkamm
ist schematisch in der ersten „Zeile" in 2 dargestellt.
Er setzt sich zusammen aus den äquidistanten
Moden, deren jeweilige Amplituden von einer Einhüllenden E bestimmt sind.
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Ein
Strahlteiler
3 teilt den Frequenzkamm in einen ersten Anteil,
der später
einem Ausgang
4 des Lasersystems
1 zugeführt werden
soll, und einen zweiten Anteil, der einem oder mehreren Stabilisatoren
5 zugeführt wird.
In der aus der
DE
199 11 193 A1 , der
EP
1 161 782 B1 oder der
DE 100 44 404 C2 bekannten Weise ist der
Stabilisator
5 bzw. sind die Stabilisatoren
5 dazu
eingerichtet, den Frequenzkamm auf eine bestimmte Offset-Frequenz
f
0 und/oder einen bestimmten Modenabstand Δf zu stabilisieren,
z. B. durch Vergleich mit einer externen, bekannten Referenzfrequenz.
Dazu kann der Stabilisator
5 auch eine zusätzliche
Verstärkung
des optischen Signals und eine spektrale Verbreiterung in nichtlinearen
Elementen auf eine optische Oktave enthalten, wie in
DE 199 11 193 A1 ,
EP 1 161 782 81 und
DE 10044404 C2 ausgeführt. Über ein
oder mehrere Stellglieder
6 erfolgt eine Rückkopplung
derart, dass der Frequenzkammgenerator
2 auf die gewünschte Offset-Frequenz f
0 und/oder den gewünschten Modenabstand Δf eingestellt
wird. Zu Einzelheiten dieser absoluten Stabilisierung des Frequenzkammes
wird auf die
DE 199
11 193 A1 , die
EP 1
161 782 B1 und
DE
100 44 404 C2 verwiesen.
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Der
für den
Ausgang 4 des Lasersystems 1 bestimmte Anteil
des Frequenzkamms tritt in einen optischen Verstärker 7 ein. Die Energie
der einzelnen Laserpulse beträgt
beim Eintritt in den Verstärker 7 etwa
0.1 nJ, weil bei solch einer Pulsenergie die Verstärkung besonders
effizient ist. Bei einer Repetitionsrate von 100 MHz entspricht
dies einer mittleren Laserleistung von 10 mW; bei einer Repetitionsrate von
200 MHz entspräche
dies einer mittleren Laserleistung von 20 mW.
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Als
Verstärker 7 wird
vorzugsweise eine durch einen Diodenlaser (nicht dargestellt) optisch gepumpte,
mit Erbium- und/oder Ytterbium-Ionen dotierte optische Faser verwendet.
Der Verstärkungsfaktor,
um den die Amplituden des Frequenzkamms verstärkt werden, ist variabel einstellbar,
indem die an dem oder den Diodenlasern angelegte Stromstärke verändert wird.
Die Faser des Verstärkers 7 erzeugt
eine erste Stokes-Raman-Verschiebung des Frequenzkamms in der Größenordnung
von 10 bis 20 nm.
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Nach
dem Verstärker 7 durchlaufen
die Frequenzkämme
ein Raman-Medium 8, bei dem es sich um eine an die Faser
des Verstärkers 7 angespleißte, polarisationserhaltende
Faser handeln kann. Das Raman-Medium 8 erzeugt eine starke
Stokes-Raman-Verschiebung des Frequenzkamms in der Größenordnung
von 40 bis 600 nm, d. h. bis zu Wellenlängen von 2,0 μm oder sogar
2,2 μm.
In der polarisationserhaltenden Faser bildet sich nach kurzer Wegstrecke
ein Soliton. Der „self-frequency
shift" im Raman-Medium 8 führt zu einer
Frequenzverschiebung des Solitons. Sie ist um so größer, je
länger
die Wegstrecke im Raman-Medium 8 ist
und je höher
die Amplituden des das Raman-Medium 8 durchlaufenden Frequenzkamms
sind. Daher kann über
die Länge
der Faser eine Grobabstimmung der erzeugten Raman-Verschiebung vorgenommen
werden, während
die Feinabstimmung anhand des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 7 erfolgt.
Eine variable Abstimmung durch Verändern des Verstärkungsfaktors (z.
B. mittels der Pumpleistung am Verstärker 7) ist dabei über mehrere
100 nm möglich.
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An
dieser Stelle, d. h. unmittelbar hinter dem Raman-Medium 8,
könnte
der verschobene, aber immer noch auf die ursprüngliche Offset-Frequenz f0 und/oder den ursprünglichen Modenabstand Δf stabilisierte
Frequenzkamm direkt einem Ausgang 4' des Lasersystems 1 zugeführt werden.
Damit steht ein Lasersystem 1 zur Verfügung, das im Frequenzraum durchstimmbare,
stabilisierte Frequenzkämme
erzeugen kann, deren Zentralwellenlängen bei vollem Erhalt der
Kohärenz
zwischen 1550 nm und 2,2 μm variabel
sind.
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In
dem in 1 dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispiel
schließt
sich an das Raman-Medium 8 jedoch ein (optionaler) Abschwächer 9 an,
dessen Abschwächungsgrad
frequenzabhängig
ist und zu niedrigeren Frequenzen hin zunimmt. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel
handelt es sich beim Abschwächer 9 um
eine an die Faser des Raman-Mediums 8 angespleißte optische
Faser, die mit vergleichsweise kleinem Krümmungsradius von ca. 3 cm auf
eine Spule aufgewickelt ist. Je niedriger die Frequenz einer Mode,
desto höher
sind ihre Verluste im Abschwächer 9.
Der frequenzabhängige
Abschwächungsgrad
des Abschwächers 9 ist über die Faserkrümmung genau
so eingestellt, dass eine eine Raman-Verschiebung hervorrufende
Leistungssteigerung möglichst
genau kompensiert wird, so dass unabhängig vom Ausmaß der Raman-Verschiebung hinter
dem Abschwächer 9 stets
eine konstante mittlere Leistung zur Verfügung steht. Durch eine kontinuierliche Än derung
des Verstärkungsfaktors
im Verstärker 7 könnte nun
ein Frequenz-Scan durchgeführt
werden, ohne dass sich die Ausgangsleistung des Lasersystems 1 ändern würde.
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Als
weiteres optionales Element kann im Lasersystem 1 ein als
Frequenzkonversionsstufe ein Frequenzverdoppler 10 vorgesehen
sein, durch den die Moden des Frequenzkamms frequenzverdoppelt werden.
Der Verdoppler 10 kann mit oder ohne einen vorgeschalteten
Abschwächer 9 vorgesehen
werden. Beim Verdoppler kann es sich um einen BBO- oder einen PPLN-Kristall
handeln, mit dem die Zentralwellenlänge der den Frequenzkamm bildenden
Laserpulse in Abhängigkeit
von der vorangegangenen Raman-Verschiebung auf ca. 800 nm bis 1100
nm halbiert wird. Bei der Frequenzverdopplung verdoppelt sich auch
die Offset-Frequenz von f0 auf 2f0. Eine rechnerisch zu erwartende Verdopplung
des Modenabstands Δf
tritt hingegen nicht auf; vielmehr bleiben der Modenabstand und
damit gleichbedeutend auch die Repetitionsrate erhalten; die entsprechenden
Moden des neuen Frequenzkammes werden durch Summenfrequenzbildung
aus den Moden des ursprünglichen
gebildet. Wenn der ursprüngliche
Frequenzkamm auf eine Offset-Frequenz von f0 stabilisiert
war, ist der frequenzverdoppelte Kamm automatisch auf eine Offset-Frequenz
von 2f0 stabilisiert, d. h. die Frequenzstabilität und damit
die Kohärenz selbst
gehen nicht verloren.
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In
diesem Fall kann besonders vorteilhaft der Abschwächer 9 so
angepasst werden, dass er eine sich mit der Frequenz ändernde
Effizienz der Harmonischengenerierung ausgleicht.
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Des
weiteren kann eine zweite Frequenzverdopplungsstufe vorgesehen werden,
für die
sinngemäß das gleiche
gilt wie für
die erste Stufe 10. Alternativ kann auch eine andere Frequenzkonversionsstufe
vorgesehen werden, die z. B. auf Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung
beruht.
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Am
Ausgang 4 des Lasersystems 1 steht nun ein zu
längeren
Wellenlängen
oder (nach Frequenzverdopplung) in den sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich
verschobener Frequenzkamm zur Verfügung, der genau so kohärent und
frequenzstabilisiert ist wie der im Frequenzgenerator erzeugte, ursprüngliche
Frequenzkamm. Durch das Erschließen weiterer, neuer Spektralbereiche
eröffnet
das erfindungsgemäße Lasersystem 1 eine
Vielzahl neuer Anwendungen. Die Strahlung am Ausgang 4 des
Lasersystems kann mittels geeigneter Detektoren überwacht werden, beispielsweise
mit Photodioden oder Photomultipliern 11, einem Leistungsmesser
oder einem (Gitter-)Spektrometer. Denkbar wäre auch eine Rückkopplung
an den Frequenzkammgenerator 2 über einen geeigneten Regelkreis.
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Die
Verlagerung des Frequenzkamms ist in 2 schematisch
dargestellt. 1 gibt an, an welchen Stellen
im Lasersystem 1 die in 2 dargestellten
Frequenzkämme
auftreten. – Die
erste „Zeile" in 2 zeigt
den aus dem Frequenzkammgenerator 2 bei (a) ausgekoppelten
Frequenzkamm, der sich aus den äquidistanten
Moden fn = f0 +
n Δf zusammensetzt,
deren jeweilige Amplituden von einer Einhüllenden E bestimmt sind. Die
höchste
Amplitude hat der Kamm bei einer „Zentralfrequenz fZ",
die der Zentralwellenlänge
(z. B. 1550 nm) entspricht.
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Bei
einem ersten, niedrigen Verstärkungsfaktor
des Verstärkers 7,
der Situation (b), wird das Maximum der Einhüllenden E mittels des Raman-Mediums 8 zu
einer niedrigeren Frequenz fR1 verschoben,
wobei jedoch die Offset-Frequenz f0 und
der Modenabstand Δf
erhalten bleiben. Bei einem größeren Verstärkungsfaktor,
der strichliert dargestellten Situation (b'), vergrößert sich auch der Betrag der
Raman-Verschiebung, so dass das Maximum der Einhüllenden E zu einer noch niedrigeren
Frequenz fR2 verschoben wird. Wegen des
größeren Verstärkungsfaktors
erhöht
sich jedoch gleichzeitig auch die Amplitude der Einhüllenden
E.
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Ist
im Lasersystem 1 ein Abschwächer 9 vorhanden und
ist sein frequenzabhängiger
Abschwächungsgrad
so eingestellt, dass ein zum Zweck einer größeren Raman-Verschiebung erzeugter
Intensitätszuwachs
gerade kompensiert wird, hat der Frequenzkamm nach dem Abschwächer die
mit (b'') bezeichnete Einhüllende.
Ihr Maximum nimmt diese neue Einhüllende ebenfalls etwa bei der
Frequenz fR2 an, aber die Amplitude stimmt
mit der Situation (b) bei geringerem Verstärkungsfaktor überein.
Durch das aufeinander abgestimmte Zusammenspiel von Verstärker 1,
Raman-Medium 8 und Abschwächer 9 gelingt es
also, den Frequenzkamm unter Beibehaltung seiner Amplitude durchstimmbar über einen
ggf. weiten Frequenzbereich zu verschieben, d. h. unter Beibehaltung
einer konstanten mittleren Laserleistung.
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Verfügt das Lasersystem
noch über
einen Verdoppler 10, wird der Frequenzkamm bzw. die Einhüllende je
nach eingestelltem Verstärkungsfaktor des
Verstärkers 7 zu
einer neuen, höheren
Zentralfrequenz 2fR1 bzw. 2fR2 verschoben.
Diese Situation (c), die am Ausgang des Lasersystems 1 gemäß 1 vorliegt,
ist in der dritten „Zeile" in 2 dargestellt.
Wegen der Verdopplung aller Frequenzen des Kamms ist auch die Offset-Frequenz
auf 2f0 verdoppelt worden.
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Ausgehend
von dem dargestellten Ausführungsbeispiel
kann das erfindungsgemäße Lasersystem
auf vielfache Weise abgewandelt werden. Wie erläutert, kann es auch ohne Abschwächer 9 oder Verdoppler 10 realisiert
werden, oder auch nur mit einem dieser Elemente. Als Frequenzkammgenerator können andere,
an sich bekannte Kurzpuls- oder Ultrakurzpulslaser eingesetzt werden,
z. B. ein Kerr-Linsen-modengekoppelter Titan-Saphir-Laser. Zudem kann
wahlweise kein Stabilisator, ein oder auch mehrere Stabilisatoren
5 zum Stabilisieren der Freiheitsgrade des erzeugten Frequenzkamms
vorgesehen sein. Für
den optischen Verstärker 7 und das
Raman-Medium 8 können
ebenfalls eine Vielzahl geeigneter Elemente verwendet werden. Der
Verstärker 7 sollte über Bedienelemente
verfügen,
mit denen der Verstärkungsfaktor
manuell oder elektronisch verändert
werden kann. Falls das Lasersystem 1 für eine bestimmte Anwendung
konzipiert ist, bei der nur eine einzige, vorbestimmte Lage des
Frequenzkamms benötigt
wird, könnte
der Verstärker 7 auch
auf einen festen Verstärkungsfaktor
fixiert sein, bei dem stets die gewünschte Raman-Verschiebung erzeugt
wird. Der Verstärkungsfaktor
wäre dann
also nicht mehr variabel. Denkbar wäre es eventuell auch, eine
Mode des am Ausgang 4 des Lasersystems 1 frequenzverdoppelten
Kamms zum Zweck der Stabilisierung des Frequenzkammgenerators 2 in
den Stabilisator 5 zu führen.