DE102008062139A1

DE102008062139A1 - Verfahren zum Bereitstellen einer Referenz-Frequenz

Info

Publication number: DE102008062139A1
Application number: DE200810062139
Authority: DE
Inventors: Gesine Dr. Grosche
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-06-24
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: DE102008062139B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Referenz-Frequenz (ν(A)), mit den Schritten Senden von Licht (14) eines Referenz-Lasers (12) mit der Referenz-Frequenz (ν(A)) von einem Referenz-Ort (A) aus, Reflektieren des Lichts (14) an einem Spiegel-Ort (Z), der vom Referenz-Ort (A) bezüglich seines Lichtpfads des Lichts (14) beabstandet ist, und Stabilisieren einer Frequenz (ν(Z)) des Lichts (14) am Spiegel-Ort (Z) auf die Referenz-Frequenz (ν(A)). Erfindungsgemäß ist ein Auskoppeln eines Teils des Lichts (14) an einem Ziel-Ort (C) im Lichtpfad zwischen dem Referenz-Ort (A) und dem Spiegel-Ort (Z) und Ermitteln einer Schwebung (D) zwischen Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, und Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) über den Ziel-Ort (C) zum Spiegel-Ort (Z) und vom Spiegel-Ort (Z) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, und Ermitteln der Referenz-Frequenz aus der Schwebung (D) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer Referenz-Frequenz mit den Schritten (a) Senden von Licht eines Referenz-Lasers mit der Referenz-Frequenz an einem Referenz-Ort, (b) Reflektieren des Lichts an einem Spiegel-Ort, der vom Referenz-Ort bezüglich eines Lichtpfads des Lichts beabstandet ist und (c) Stabilisieren einer Frequenz des Lichts am Spiegel-Ort auf die Referenz-Frequenz.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Referenz-Frequenz mit (i) einem Referenz-Laser zum Emittieren von Licht mit der Referenz-Frequenz an einem Referenz-Ort, (ii) einem Reflektor zum Reflektieren von Licht des Referenz-Lasers an einem Spiegel-Ort, der vom Referenz-Ort bezüglich eines Lichtpfads des Lichts beabstandet ist, und (iii) einer Stabilisierungsvorrichtung zum Stabilisieren einer Frequenz des Lichts am Spiegel-Ort auf die Referenz-Frequenz.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus Ma et. Al., "Delivering the same optical frequency at two places: accurate cancellation of phase noise introduced by an optical fiber or other time-varying path", Optics Letters, Vol. 19, No. 21, November 1994, bekannt.
Der technologische Hintergrund ist, dass beispielsweise bei der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt bestehende hochstabile Laser vorhanden sind, die als Frequenz-Normale dienen. Die Frequenz dieser Frequenz-Normale soll an beabstandente Orte übertragen werden. Es ist bekannt, dazu das Licht des hochstabilen Lasers in eine Glasfaserleitung einzukoppeln.
Durch Temperaturschwankungen oder akustische Schwingungen der Glasfaserleitung ändert sich aber die optische Länge der Glasfaser. Diese zeitabhängige Änderung der optischen Länge führt zu Änderungen in der Frequenz des Lichts, das an dem zweiten Ort gefangen wird. Diese zeitabhängigen Änderungen der Frequenz aufgrund der Änderungen der optischen Länge der Glasfaserleitung werden auch als Phasenrauschen bezeichnet.
Aus Ma et. al. ist bekannt, an dem zweiten Ort den Laserstrahl zu reflektieren und diese Strahlung mit der gesendeten Strahlung zu vergleichen. Wenn für den Hinweg zum Spiegel und den Rückweg vom Spiegel die gleiche Glasfaserleitung verwendet Wird, kann aus der zeitabhängigen Frequenzdifferenz, der so genannten Schwebung, die zeitabhängige Änderung der Phase des Laserlichts gemessen werden, die durch die zeitabhängigen Änderungen der optischen Länge der Glaserfaserleitung hervorgerufen werden.
Nachteilig an dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist, dass pro Frequenzstabilisierungseinheit die Frequenz des Präzisionsfrequenznormals nur an einem zusätzlichen Ort, nämlich dem zweiten Ort, bereitgestellt werden kann. Um die Referenzfrequenz an einer Vielzahl von Orten bereitzustellen, muss eine Vielzahl von Glaserfaserleitungen verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren anzugeben, die es erlauben, die Referenzfrequenz mit geringerem Aufwand bereitzustellen.
Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Verfahren, das die folgenden Schritte umfasst: (d) Auskoppeln eines Teils des Lichts an einen Ziel-Ort im Lichtpfad zwischen dem Referenz-Ort und dem Spiegel-Ort, (e) Er mitteln einer Schwebung bzw. einer Differenzfrequenz, zwischen Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, einerseits, und Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort und vom Ziel-Ort zum Spiegel-Ort und vom Spiegelort zum Ziel-Ort zurückgelaufen ist, andererseits sowie (f) Ermitteln der Referenzfrequenz aus der Schwebung bzw. der Differenzfrequenz.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch eine gattungsgemäße Vorrichtung, die (iv) eine Auskoppelvorrichtung zum Auskoppeln eines Teils des Lichts an einen Ziel-Ort im Lichtpfad zwischen dem Referenz-Ort und dem Spiegel-Ort und (v) eine Frequenzermittlungsvorrichtung umfasst, die eingerichtet ist zum Ermitteln einer Schwebung zwischen Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, einerseits und Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort oder vom Ziel-Ort zum Spiegel-Ort und vom Spiegel-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, andererseits zum Ermitteln der Referenz-Frequenz aus der Schwebung.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass die Referenz-Frequenz im Prinzip an jedem beliebigen Ort zwischen dem Referenz-Ort und dem Spiegel-Ort abgegriffen werden kann. Hierzu genügt ein einfacher Strahlteiler. Es ist prinzipiell möglich, an einer sehr großen Anzahl von verschiedenen Stellen die Referenz-Frequenz abzugreifen, ohne dass am Referenz-Ort oder am Spiegel-Ort Änderungen an der Vorrichtung zum Bereitstellen der Referenz-Frequenz vorgenommen werden müssten. So ist der apparative Aufwand zum Bereitstellen der Referenz-Frequenz am zweiten, dritten und jedem weiteren Ort gegenüber dem Verfahren bzw. der Vorrichtung aus dem Stand der Technik drastisch reduziert.
Vorteilhaft ist zudem, dass das Entnehmen der Referenz-Frequenz an dem mindestens einen Ziel-Ort mit Standardkomponenten durchgeführt werden kann. Das ermöglicht es, die Referenz-Frequenz einer Vielzahl von Nutzern ohne apparativen Aufwand zur Verfügung zu stellen.
Vorteilhaft an dem Verfahren ist zudem, dass es eine Übertragung der Referenz-Frequenz mit einer sehr hohen Genauigkeit erlaubt. Es kann gezeigt werden, dass dann, wenn über einen Tag gemittelt wird, der durch die Übermittlung der Referenz-Frequenz an den Ziel-Ort entstehende Fehler kleiner ist als 10^–18.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter dem Merkmal, dass das Licht mit der Referenz-Frequenz an den Referenz-Ort gesendet wird, insbesondere verstanden, dass dort das Licht in einen Lichtleiter, insbesondere eine Glaserfaserleitung, eingekoppelt wird.
Unter dem Reflektieren des Lichts wird insbesondere ein Umkehren der Laufrichtung des Lichts verstanden. Das Reflektieren des Lichts am Spiegel-Ort wird beispielsweise mit einem Spiegel durchgeführt. Alternativ ist aber auch möglich, ein Bauteil zu verwenden, das die Total-Reflektion ausnutzt und beispielsweise wie ein Katzenauge funktioniert. Alternativ ist es auch möglich, einen Laser am Spiegel-Ort auf die Frequenz am Spiegel-Ort zu stabilisieren und dieses Licht in den Lichtpfad vom Spiegel-Ort zum Referenz-Ort einzuspeisen.
Unter dem Merkmal, dass die Frequenz des Lichts am Spiegel-Ort auf die Referenz-Frequenz stabilisiert wird, wird insbesondere verstanden, dass zwischen der Referenz-Frequenz und der Frequenz am Spiegel-Ort eine feste Beziehung besteht. Es ist möglich, dass beispielsweise die Frequenz des Lichts am Spiegel-Ort um einen zeitlich im Wesentlichen konstanten Betrag oberhalb oder unterhalb der Referenz-Frequenz liegt und/oder ein zeitlich im Wesentlichen konstant bleibendes Vielfaches oder ein konstant bleibender Teil der Referenz-Frequenz ist. Darunter, dass die feste Beziehung im Wesentlichen konstant ist, wird insbesondere verstanden, dass relative Änderungen kleiner sind als 10^–13.
Unter der Referenz-Frequenz wird insbesondere jede Frequenz verstanden, die in dem Licht repräsentiert ist und mit hoher Genauigkeit konstant bleibt. Bei spielsweise liegt die relative Genauigkeit unterhalb von 10^–15. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Referenz-Frequenz die einzige Frequenz des Lichts ist. Bevorzugt ist zwar vorgesehen, dass der Referenz-Laser ein Dauerstrich-Laser ist, das ist aber nicht notwendig. Es ist vielmehr auch möglich, einen modulierten Laserstrahl zu verwenden, wobei die Modulations-Frequenz in diesem Fall die Referenz-Frequenz sein kann. Ebenso kann als Lichtquelle ein modengekoppelter Kurzpulslaser dienen. Die Referenz-Frequenz kann dann durch die Pulswiederholrate, eine optische Frequenz einer der Laser-Moden und/oder eine Kombination aus beiden sein.
Es ist zudem möglich, nicht aber notwendig, dass nur eine Frequenz bereitgestellt wird. Denkbar ist auch, dass zwei, drei oder mehr Frequenzen bereitgestellt werden. Werden zwei oder mehr Frequenzen verwendet, so kann es sich auch um eine Differenzfrequenz zwischen zwei oder mehr Laserquellen handeln.
Unter dem Merkmal, dass das Licht vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, wird verstanden, dass dieses Licht nicht vom Reflektor reflektiert worden ist.
Unter dem Merkmal, dass die Referenz-Frequenz aus der Schwebung ermittelt wird, wird insbesondere verstanden, dass ein Messwert generiert wird, mit dessen Hilfe auf die Referenz-Frequenz geschlossen werden kann. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass die Referenz-Frequenz kontinuierlich ermittelt wird. Es ist vielmehr auch möglich, dass die in der Schwebung kodierte Information, wie stark beispielsweise ein Ziel-Laser am Ziel-Ort in seiner Frequenz von der Referenz-Frequenz abweicht, über einen vorgegebenen Zeitraum gemittelt wird. In dem so erhaltenen Messwert ist die Information enthalten, um wie viel der Ziel-Laser vom Referenz-Laser in der vorgegebenen Zeitspanne abgewichen ist. Anhand der Frequenz des Ziel-Lasers vorgenommene Messungen können dann korrigiert werden. In anderen Worten kann die Referenz- Frequenz am Ziel-Ort anhand der Schwebung reproduziert werden.
Unter einer Schwebung wird insbesondere eine Differenzfrequenz verstanden. Die Schwebung kann beispielsweise durch Überlagern von zwei Frequenzen erzeugt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Licht vom Referenz-Laser zum Spiegel mittels einer durchgehenden Glaserfaserleitung gesendet und vom Spiegel mittels der gleichen Glasfaserleitung zum Ziel-Ort geleitet wird. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass sich der Referenz-Laser und der Spiegel in unmittelbarer örtlicher Nähe befinden. Die Glasfaserleitung beschreibt dann quasi eine Schleife, deren Enden zwar nicht miteinander verbunden, aber nahe beieinander angeordnet sind. In der Regel werden der Referenz-Laser und der Spiegel Teil einer örtlich zusammengefassten Versuchsanordnung in einem Gebäude sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schwebung ermittelt durch Überlagern von Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, einerseits, mit Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort, vom Ziel-Ort zum Spiegelort und vom Spiegel-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist. Es ergibt sich so ein besonders einfacher Aufbau. Dabei ist es möglich, das Licht, das vom Referenz-Ort über den Ziel-Ort zum Spiegel-Ort und zurück zum Ziel-Ort gelaufen ist, vor dem Überlagern zu verstärken, beispielsweise mittels eines Faserlasers oder eines Faserverstärkers.
Alternativ oder additiv umfasst das Ermitteln der Schwebung den Schritt eines Überlagerns von Licht, das vom Referenz-Ort über den Ziel-Ort zum Spiegel-Ort und vom Spiegel-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, mit Licht eines Ziel-Lasers am Ziel-Ort, so dass ein erster Überlagerungs-Laserstrahl entsteht. Dieser erste Überlagerungs-Lichtstrahl hat eine deutlich höhere Intensität, so dass die Schwebung aus diesem ersten Überlagerungs-Laserstrahl und Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, mit hoher Genauigkeit ermittelt werden kann.
Besonders bevorzugt umfasst das Ermitteln der Schwebung die Schritte eines Überlagerns von Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, mit Licht eines Ziel-Lasers oder des Ziel-Lasers, so dass ein zweiter Überlagerungs-Laserstrahl entsteht, wobei die Schwebung dann aus dem ersten Überlagerungs-Laserstrahl und dem zweiten Überlagerungs-Laserstrahl ermittelt wird. Da beide Überlagerungs-Laserstrahlen eindeutig höhere Intensität haben, kann die Schwebung so besonders einfach ermittelt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt eines Veränderns der Frequenz von Licht des Ziel-Lasers anhand der Schwebung, so dass ein Ziel-Laserstrahl entsteht, dessen Licht eine Frequenz hat, die der Referenz-Frequenz entspricht. Vorteilhaft hieran ist, dass so ein Laserstrahl mit hoher Intensität bereitgestellt wird, dessen Frequenz mit hoher Genauigkeit der Referenz-Frequenz entspricht.
Bei einer ordnungsgemäßen Vorrichtung beträgt ein Abstand zwischen dem Ziel-Ort und dem Referenz-Ort bevorzugt mindestens 500 m. Je größer der Abstand zwischen dem Referenz-Ort und dem Ziel-Ort ist, desto länger benötigt das Licht für seinen Weg vom Referenz-Laser zum Reflektor und wieder zurück. Änderungen der optischen Längen der Glaserfaserleitung, die eine Frequenz haben, die größer ist als ein Kehrwert aus der Zeit, die das Licht für einen Hin- und einen Rückweg benötigt, können zwar nicht kompensiert werden. Die außerordentlich hohe Genauigkeit, mit der der die Referenz-Frequenz am Ziel-Ort bereitgestellt werden kann, führt aber dazu, dass auch ein Abstand von mindestens 50 km noch immer zu einer am Ziel-Ort verfügbaren Referenz-Frequenz führt, die mit einer höheren Genauigkeit bereitgestellt werden kann als beispielsweise durch die Übermittlung via Satellit. Die Übermittlung einer Referenz-Frequenz via Satellit, beispielsweise über das GPS-System (Global Positioning System) muss im Moment noch eingesetzt werden, um eine Vielzahl von Nutzern die Referenz-Frequenz zur Verfügung zu stellen.
Bevorzugt sind der Referenz-Laser und der Reflektor in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet. Beispielsweise beträgt ein Abstand zwischen dem Referenz-Laser und dem Reflektor weniger als 1 km. In aller Regel wird der Abstand sogar deutlich geringer als 100 m sein. Beispielsweise können sowohl der Referenz-Laser als auch der Reflektor in einem Raum angeordnet sein, so dass die bevorzugt verwendete Glaserfaserleitung eine quasi-geschlossene Schleife bildet. Dies erlaubt eine regelmäßige Überprüfung der Genauigkeit der Frequenz am Spiegel-Ort, indem dieses Licht mit Licht am Referenz-Ort verglichen wird.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Ziel-Laser am Ziel-Ort und eine erste Überlagerungs-Vorrichtung, die angeordnet ist zum Überlagern von Licht, das vom Referenz-Ort über den Ziel-Ort zum Spiegel-Ort und von dort zurück zum Ziel-Ort gelaufen ist, mit Licht des Ziel-Lasers, so dass ein Erstüberlagerungs-Lichtlaserstrahl entsteht. Auf diese Weise wird das Licht, das bereits bis zum Reflektor gelaufen ist, verstärkt. Der Ziel-Laser kann zwar stabilisiert sein, das ist aber nicht notwendig. Insbesondere ist es möglich, einen unstabilisierten Ziel-Laser vorzusehen.
Zum Verstärken auch des Lichts, das direkt vom Referenz-Laser kommt, ist bevorzugt eine zweite Überlagerungs-Vorrichtung vorgesehen, die angeordnet ist zum Überlagern von Licht, das vom Referenz-Ort zum Ziel-Ort gelaufen ist, mit Licht des Ziel-Lasers, so dass ein Zweitüberlagerungs-Laserstrahl entsteht.
Günstig ist es zudem, eine dritte Überlagerungs-Vorrichtung vorzusehen, die angeordnet ist zum Überlagern von Erstüberlagerungs-Laserstrahl und Zweitüberlagerungs-Laserstrahl. Möglicherweise kann die Schwebung gut ermittelt werden, auch wenn das aus der Glasfaserleitung entnommene Lichtsignal sehr schwach ist.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung einen Frequenz-Modulator, der angeordnet ist zum Modulieren der Frequenz des Ziel-Lasers anhand der Schwebung, so dass ein frequenzstabilisierter Ziel-Laserstrahl entsteht. So wird erreicht, dass der Ziel-Laserstrahl in seiner Ganggenauigkeit im Wesentlichen dem Referenz-Laserstrahl entspricht.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung mindestens eine zweite Auskoppelvorrichtung an einem zweiten Ziel-Ort im Lichtpfad zwischen dem ersten Referenz-Ort und dem Spiegel-Ort, eine zweite Frequenz-Ermittlungsvorrichtung, die wie oben beschrieben aufgebaut ist. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Auskoppelvorrichtungen vorhanden sein, die alle über eine Glaserfaserleitung miteinander verbunden sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Referenz-Frequenz-Einstellvorrichtung 10 mit einem Referenz-Laser 12 zum Emittieren von Licht 14 in Form eines Laserstrahls mit einer Referenz-Frequenz ν(A). Der Referenz-Laser 12 befindet sich an einem Ort A.
Das Licht 14 des Referenz-Lasers 12 wird in eine Glasfaserleitung 16 eingekoppelt und von dieser zu einem Reflektor 17 geleitet, wo es reflektiert wird und durch die Glasfaserleitung 16 zum Ort A zurückgelangt. Vom Referenz-Laser 12 ausgehend wird am Ort A ein Teil-Laserstrahl 18 mittels eines Strahlteilers 20 ausgekoppelt und zum Heterodyn-Detektor 22 geleitet. Im Heterodyn-Detektor 22 wird der Teil-Laserstrahl 18, der direkt vom Referenz-Laser 12 kommt, mit einem zweiten Teil-Laserstrahl 24 gemischt, der bereits einmal bis zum Reflektor 17 und zurück gelaufen ist. Auf die im Folgenden beschriebene Weise wird am Ort Z die Frequenz ν(Z) des Lichts 14 auf die Frequenz ν(A) stabilisiert.
Das Licht 14 läuft vom Referenz-Laser 12 durch die Glasfaserleitung 16 an einem Ziel-Ort C vorbei, an einem zweiten Ziel-Ort E vorbei hin zum Reflektor 17. Auf seinem Weg vom Ort A zum Spiegel-Ort Z, an dem sich der Reflektor 17 befindet, ändert sich die Frequenz ν des Lichts zeitabhängig aufgrund von Änderungen einer optischen Länge der Glasfaserleitung 16 um den Betrag ϕ ._AZ. Auf dem Rückweg vom Reflektor 17 zu einem zweiten Strahlteiler 26, der den zweiten Teil-Laserstrahl 24 abgreift, ändert sich die Frequenz um ϕ ._ZA = ϕ ._AZ. Diese Gleichung gilt für Frequenzänderungen mit hinreichend kleiner Fourier-Frequenz, also Frequenzen, die hinreichend klein sind gegenüber der inversen Lichtumlaufzeit.
Die Frequenz ν ändert sich zudem durch Zuaddieren einer ersten Verschiebefrequenz ω_AOM1 durch einen ersten akustooptischen Modulator 28, der sich in unmittelbarer Nähe zum Referenz-Laser 12 befindet, und einen zweiten akustooptischen Modulator 30 in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Reflektor 17. Der zweite akustooptische Modulator 30 addiert eine zweite Verschiebefrequenz ω_AOM2 zur Frequenz ν, die Licht vom Reflektor-Ort Z von anderem Licht unterscheidbar macht. Es ergibt sich damit im Heterodyn-Detektor 22 die Schwebung DA = 2ωAOM1 + ϕ .AZ + ϕ .ZA + 2ωAOM2 = 2(ωAOM1 + ϕAZ + ωAOM2) (1).
Der Heterodyn-Detektor 22 ist mit einem Phasendetektor 32 und einem nachfolgenden steuerbaren Oszillator verbunden, der die Schwebung D_A mit einer von einem Frequenz-Generator 34 stammenden Frequenz ω_synth vergleicht und mit dem Fehlersignal ω_AOM1 so stellt, dass die Gleichung DA = 2(ωAOM1 + ϕ .AZ + ωAOM2) = ωsynth (2)erfüllt ist. Der Frequenz-Generator 34 läuft beispielsweise auf 10 MHz und hat eine Genauigkeit von unter 1 Hz.
Das Licht 14 hat dann unmittelbar vor dem Reflektor 17, also am Spiegel-Ort Z, die Frequenz ν(Z), für die gilt ν(Z) = ν(A) + ωAOM1 + ϕ .AZ + ωAOM2 = ν(A) + ωsynth/2 (3).
Der Heterodyn-Detektor 22, der Phasendetektor 32 und der nachfolgende steuerbare Oszillator, der Frequenz-Generator 34 und der erste akustooptische Modulator 28 sind Teil einer Stabilisierungsvorrichtung 36.
Die Referenzfrequenz-Bereitstellvorrichtung 10 besitzt am Ziel-Ort C eine Auskoppelvorrichtung 38 in Form eines Faserkopplers, die einen ersten Strahlteiler 40 und einen zweiten Strahlteiler 42 umfasst, und einen Ziel-Laser 44 aufweist. Der erste Strahlteiler 40 koppelt einen Teil des Lichts aus, das vom Referenz-Ort A über den Ziel-Ort C zum Spiegel-Ort Z und von dort zurück zum Ziel-Ort C gelaufen ist und führt dieses Licht einem ersten Detektor 46 zu. Der erste Detektor 46 detektiert eine Schwebung D_Cback von dem Licht, was vom Reflektor 17 zurückgelaufen ist, mit Laserlicht 50 vom Laser 44. Das Laserlicht 50 hat eine Frequenz ν_L.
Der zweite Strahlteiler 42 koppelt einen Teil des Lichts aus, das vom Referenz-Ort A direkt zum Ziel-Ort C gelangt ist, und leitet es einem zweiten Detektor 48 zu. Der zweite Detektor 48 detektiert eine Schwebung D_Cforw zwischen dem Laserlicht 50 und Licht, das vom zweiten Strahlteiler 42 aus der Glasfaserleitung 16 ausgekoppelt wurde und direkt vom Referenz-Laser 12 stammt, ohne über den Reflektor 17 gelaufen zu sein. Die beiden Schwebungen ergeben sich zu DCforw = ν(A) + ωAOM1 + ϕ .AC – νL (5)und DCback = ν(A) + ωAOM1 + ϕ .AZ + ϕ .ZC + 2ωAOM2 – νL (6).
Die Differenzfrequenz D_Cbeat der beiden Schwebungen D_Cback und D_Cforw ergibt sich zu DCbeat := DCback – DCforw = ϕ .AZ + ϕ .ZC + 2ωAOM2 – ϕ .AC = 2(ϕ .CZ + ωAOM2). (7).
Diese Differenzfrequenz D_Cbeat wird in einem Mischer 52 erzeugt, in einem Frequenzteiler 54 durch zwei geteilt, so dass sich die Korrektur-Frequenz D_corr,C ergibt.
Die Korrektur-Frequenz D_corr,C wird dem akustooptischen Modulator 56 zugeleitet, der die Frequenz ν(C) des direkt vom Referenz-Ort A kommenden, am Ort C ausgekoppelten Laserlichts um die Frequenz D_corr,C verändert. Es ergibt sich dann die am Ort C anliegende, korrigierte Frequenz ν_stabC zu νstabC = ν(C) + Dcorr,C = (ν(A) + ωAOM1 + ϕ .AC) + (ϕ .CZ + ωAOM2) = ν(A) + ωAOM1 + ϕ .AZ + ωAOM2 = ν(Z) (9).
Alternativ kann, wie gestrichelt eingezeichnet ist, die negative Korrektur-Frequenz – D_corr,C dem vom Ziel-Ort C kommenden Laserlicht hinzuaddiert werden.
Es ist zudem möglich, an weiteren Orten im Lichtpfad zwischen dem Referenz-Ort A und dem Spiegel Z eine zweite Auskoppelvorrichtung 38.2 und gegebenenfalls weitere Auskoppelvorrichtungen vorzusehen.

10: Referenzfrequenz-Bereitstellvorrichtung
12: Referenz-Laser
14: Licht
16: Glasfaserleitung
17: Reflektor
18: Teil-Laserstrahl
20: Strahlteiler
22: Heterodyn-Detektor
24: zweiter Teil-Laserstrahl
26: zweiter Strahlteiler
28: erster akustooptischer Modulator
30: zweiter akustooptischer Modulator
32: Phasendetektor mit steuerbarem Oszillator
34: Frequenzgenerator
36: Stabilisierungsvorrichtung
38: Auskoppelvorrichtung
40: erster Strahlteiler
42: zweiter Stahlteiler
44: Ziel-Laser
46: erster Detektor
48: zweiter Detektor
50: Laserlicht
52: Mischer
54: Frequenzteiler
56: Modulator
A: Ort des Referenz-Lasers
C: Ziel-Ort
E: zweiter Ziel-Ort
Z: Spiegel-Ort
ν: Frequenz
ν(A): Frequenz am Ort A
ν_L: Frequenz des Ziel-Lasers
ω_AOM1: erste Verschiebefrequenz
ω_AOM2: zweite Verschiebefrequenz
D: Schwebung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Ma et. Al., ”Delivering the same optical frequency at two places: accurate cancellation of phase noise introduced by an optical fiber or other time-varying path”, Optics Letters, Vol. 19, No. 21, November 1994 [0003]
- Ma et. [0006]

Claims

Verfahren zum Bereitstellen einer Referenz-Frequenz (ν(A)), mit den Schritten (a) Senden von Licht (14) eines Referenz-Lasers (12) mit der Referenz-Frequenz (ν(A)) von einem Referenz-Ort (A) aus, (b) Reflektieren des Lichts (14) an einem Spiegel-Ort (Z), der vom Referenz-Ort (A) bezüglich eines Lichtpfads des Lichts (14) beabstandet ist, und (c) Stabilisieren einer Frequenz (ν(Z)) des Lichts (14) am Spiegel-Ort (Z) auf die Referenz-Frequenz (ν(A)), gekennzeichnet durch die Schritte: (d) Auskoppeln eines Teils des Lichts (14) an einem Ziel-Ort (C) im Lichtpfad zwischen dem Referenz-Ort (A) und dem Spiegel-Ort (Z) und (e) Ermitteln einer Schwebung (D_Cbeat) zwischen – Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, und – Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) über den Ziel-Ort (C) zum Spiegel-Ort (Z) und vom Spiegel-Ort (Z) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, und (f) Ermitteln der Referenz-Frequenz aus der Schwebung (D_Cbeat).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (14) – vom Referenz-Laser (12) zum Spiegel mittels einer durchgehenden Glasfaserleitung (16) gesendet wird und – vom Spiegel mittels der gleichen Glasfaserleitung (16) zum Ziel-Ort (C) geleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwebung (D_Cbeat) ermittelt wird durch Überlagern – von Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, – mit Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum Ziel-Ort (C), vom Ziel-Ort (C) zum Spiegel-Ort (Z) und vom Spiegel-Ort (Z) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Schwebung (D_Cbeat) den Schritt – Überlagern von Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) über den Ziel-Ort (C) zum Spiegel-Ort (Z) und vom Spiegel-Ort (Z) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, mit Licht (14) eines Ziel-Lasers (44), so dass ein erster Überlagerungs-Laserstrahl entsteht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ermitteln der Schwebung (D_Cbeat) die Schritte umfasst, – Überlagern von Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, mit Licht (14) eines Ziel-Lasers (44), so dass ein zweiter Überlagerungs-Laserstrahl entsteht, und – Ermitteln der Schwebung aus dem ersten Überlagerungs-Laserstrahl und dem zweiten Überlagerungs-Laserstrahl.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit dem Schritt: – Verändern der Frequenz des Ziel-Lasers (44) anhand der Schwebung (D_Cbeat), so dass ein Ziel-Laserstrahl entsteht, dessen Frequenz der Referenz-Frequenz (v(A)) entspricht.
Vorrichtung zum Bereitstellen einer Referenz-Frequenz mit (i) einem Referenz-Laser (12) zum Emittieren von Licht (14) mit der Referenz-Frequenz (ν(A)) an einem Referenz-Ort (A), (ii) einem Reflektor (17) zum Reflektieren von Licht (14) des Referenz-Lasers (12) an einem Spiegel-Ort (Z), der vom Referenz-Ort (A) bezüglich eines Lichtpfads des Lichts (14) beabstandet ist, und (iii) einer Stabilisierungsvorrichtung (36) zum Stabilisieren einer Frequenz des Lichts (14) am Spiegel-Ort (Z) auf die Referenz-Frequenz (ν(A)), gekennzeichnet durch (iv) eine Auskoppelvorrichtung zum Auskoppeln eines Teils des Lichts (14) an einem Ziel-Ort (C) im Lichtpfad zwischen dem Referenz-Ort (A) und dem Spiegel-Ort (Z) und (v) eine Frequenzermittlungs-Vorrichtung, die eingerichtet ist zum – Ermitteln einer Schwebung (D_Cbeat) zwischen Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, und Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) über den Ziel-Ort (C) zum Spiegel-Ort (Z) und vom Spiegel-Ort (Z) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist und – Ermitteln der Referenz-Frequenz (ν(A)) aus der Schwebung (D_Cbeat).
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Glasfaserleitung (16) zum Leiten des Lichts (14) vom Referenz-Laser (12) zum Reflektor (17), wobei die Glasfaserleitung (16) angeordnet ist zum Leiten des Lichts (14) vom Reflektor (17) zur Stabilisierungsvorrichtung (36).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen dem Ziel-Ort (C) und dem Referenz-Ort (A) größer als 500 m ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenz-Laser (12) und der Reflektor (17) in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch – einen Ziel-Laser (44) am Ziel-Ort und – eine erste Überlagerungs-Vorrichtung, die angeordnet ist zum Überlagern von Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) über den Ziel-Ort (C) zum Spiegel-Ort (Z) und vom Spiegel-Ort (Z) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, mit Licht (14) des Ziel-Lasers (44), so dass ein erster Überlagerungs-Laserstrahl entsteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch – eine zweite Überlagerungs-Vorrichtung, die angeordnet ist zum Überlagern von Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum Ziel-Ort (C) gelaufen ist, mit Licht (14) des Ziel-Lasers (44), so dass ein zweiter Überlagerungs-Laserstrahl entsteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch – eine dritte Überlagerungs-Vorrichtung, die angeordnet ist zum Überlagern von erstem Überlagerungs-Laserstrahl und zweitem Überlagerungs-Laserstrahl zum Ermitteln der Schwebung (D_Cbeat).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, gekennzeichnet durch einen Frequenzmodulator, der angeordnet ist zum Modulieren der Frequenz des Ziel-Lasers anhand der Schwebung (D_Cbeat), so dass ein frequenzstabilisierter Ziel-Laserstrahl entsteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, mit – mindestens einer zweiten Auskoppelvorrichtung an mindestens einem zweiten Ziel-Ort (E) im Lichtpfad zwischen dem Referenz-Ort (A) und dem Spiegel-Ort (Z) zum Auskoppeln eines Teils des Lichts (14) und – einer zweiten Frequenzermittlungs-Vorrichtung, die eingerichtet ist zum Ermitteln der Schwebung (D_Cbeat) zwischen Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) zum zweiten Ziel-Ort (E) gelaufen ist und Licht (14), das vom Referenz-Ort (A) über den zweiten Ziel-Ort (E) zum Spiegelort (Z) und vom Spiegel-Ort (Z) zum zweiten Ziel-Ort (E) gelaufen ist und Ermitteln der Referenz-Frequenz aus der Schwebung (D_Cbeat).