DE102010023362A9

DE102010023362A9 - Verfahren und Vorrichtung zur präzisen Leistungsbestimmung unterhalb der Quantenrauschgrenze

Info

Publication number: DE102010023362A9
Application number: DE102010023362A
Authority: DE
Inventors: Christian Grebing; Sebastian Koke; Dr. Steinmeyer Günter
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-06-12
Also published as: DE102010023362B9; DE102010023362A1; DE102010023362B4

Abstract

Verfahren zur präzisen Messung einer Strahlungsleistung eines Signalstrahls (2) umfassend die Schritte: Einkoppeln des Signalstrahls (2) in einen Resonator (4), so dass in dem Resonator (4) ein Messstrahl (7) umläuft, wobei in dem Resonator (4) an einem nichtlinearen optischen Element (8) eine Selbstphasenmodulation des Messstrahls (7) ausgeführt wird, die proportional zur Leistung des Messstrahls (7) in dem nichtlinearen optischen Element ist, Auskoppeln zumindest eines Teils des Messstrahls (7) als Nachweisstrahl (10) aus dem Resonator (4) und Ermitteln eines durch die Selbstphasenmodulation bewirkten Phasenversatzes gegenüber einer Phasenreferenz und Ableiten der Leistung aus dem ermittelten Phasenversatz.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präzisen Leistungsbestimmung eines Signalstrahls mit einer Genauigkeit unterhalb der Quantenrauschgrenze.
Die Messung der Leistung einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere einer Lichtstrahlung im sichtbaren, ultravioletten oder infraroten Wellenlängenbereich, kann durch verschiedene physikalische Effekte erfolgen. Die Messung kann beispielsweise mittels eines Thermoelements vorgenommen werden, welches eine Erwärmung eines absorbierenden Festkörpers misst. Eine solche Messvorrichtung wird als Bolometer bezeichnet. Andere Messverfahren nutzen einen pyroelektrischen Effekt oder auch einen inneren oder äußeren photoelektrischen Effekt. Vorrichtungen, die dieses nutzen, umfassen beispielsweise Photodioden oder Sekundärelektronenvervielfacher. Allen Verfahren ist gemeinsam, dass primär eine Absorption von Lichtquanten erfolgt, die eine Energie E = hν aufweisen, wobei ν = c/λ die Frequenz des Lichts angibt, die über die Lichtgeschwindigkeit c mit der Wellenlänge λ in funktionalem Zusammenhang steht. Die Lichtquanten werden auch als Photonen bezeichnet. Viele Lichtquellen, insbesondere auch die meisten Laser, emittieren Lichtquanten (Photonen) in zeitlich unkorrelierter Art und Weise.
Eine Folge der nicht vorhandenen zeitlichen Korrelation zwischen den emittierten Photonen ist, dass eine auf Absorption der Photonen basierende Leistungsbestimmung hinsichtlich ihrer Genauigkeit durch ein so genanntes Quantenrauschlimit (auch als Quantenrauschgrenze bezeichnet) begrenzt ist. Werden in einem Zeitintervall zur Bestimmung der Lichtleistung N Photonen registriert, so ist die maximal erreichbare Genauigkeit dieser Messung durch die statistische Varianz σ = (N)^1/2 gegeben. Dies folgt aus der Statistik, die die zeitlich unkorrelierte Abgabe von Photonen eines Lasers beschreibt, welches die Poisson-Statistik ist. Hieraus ergibt sich unmittelbar, dass ein maximal erzielbares Signal-zu-Rausch-Verhältnis bei einer Messung der Lichtleistung, die auf Absorption von Photonen basiert, durch (N)^1/2 gegeben ist.
Diese Begrenzung des erreichbaren Signal-zu-Rausch-Verhältnisses bzw. der Messgenauigkeit führt zu weitreichenden technischen Beschränkungen. So ist es prinzipiell unmöglich, eine schwache Modulation auf einem starken optischen Signal nachzuweisen, wenn die Modulationsamplitude unterhalb des Quantenrauschlimits liegt. Anders ausgedrückt kann bei bekannter Modulationsamplitude die minimal erforderliche Anzahl N an nachgewiesenen Photonen berechnet werden. Aufgrund eines quadratischen Zusammenhangs zwischen einer Messzeit und der Modulationsamplitude verhundertfacht sich die erforderliche Messzeit bei einer Verringerung der Amplitude um einen Faktor 10. Um solche Beschränkungen zu umgehen, sind unterschiedliche Ansätze verfolgt worden.
Ein Ansatz beruht darauf, eine zeitliche Korrelation der Photonen zu erzeugen, um eine geringere Varianz als bei zeitlich unkorrelierten Photonen zu erhalten. Idealisiert wird durch diesen Ansatz versucht, eine Photonenemission in gleichmäßigen zeitlichen Abständen zueinander zu erreichen. Eine zeitliche Korrelation zwischen den Photonen lässt sich über nicht lineare optische Effekte herstellen. Licht, bei dem die zeitliche Korrelation in der angegebenen Weise von der unkorrelierten Abfolge der Photonen abweicht, wird als ”gequetschtes Licht” (engl. squeezed light) bezeichnet. Auf diese Art konnte das Quantenrauschlimit um einen Faktor 10 unterboten werden.
Ein zweiter Ansatz beruht darauf, eine Leistung ohne eine Zerstörung der Quanten zu messen. Daher werden solche Messungen auch als zerstörungsfreie Quantenmessungen oder engl. quantum non-demolition measurements bezeichnet. Eine Grundidee bei der zerstörungsfreien Quantenmessung ist es, die Anzahl der Quanten N bei der Messung zu erhalten, insbesondere absorptive Effekte zu vermeiden. Zur Durchführung zerstörungsfreier Quantenmessungen werden nichtlineare optische Effekte, beispielsweise der optische Kerreffekt oder parametrische optische Prozesse genutzt. Durch eine solche nicht lineare Wechselwirkung wird einer Phase einer elektromagnetischen Strahlung (eines Messlichtstrahls) Information aufgeprägt, die von einer Leistung eines zu vermessenden Lichtstrahls abhängt. Ein Beispiel für eine solche Messmethode stellt das Haus-Yamamoto-Interferometer dar, das von Imoto et al. in Physical Review A, Bd. 32, Seiten 2287–2292 (1985) beschrieben ist und bei dem ein starker Pumpstrahl mit einem Probestrahl in einem nicht absorbierenden Kerrmedium, beispielsweise einer Glasfaser, überlagert wird. Aufgrund des Kerreffekts tritt ein Kreuzphasenmodulationseffekt auf, bei dem der starke Pumpstrahl eine optische Phasenverschiebung des Probestrahls bewirkt. Die Stärke des Kreuzphasenmodulationseffekts, d. h. der bewirkten Phasenverschiebung, hängt von der Leistung des Pumpstrahls ab. In beiden Strahlen, dem Pumpstrahl und dem Probestrahl, bleibt jedoch die Anzahl der Quanten (Photonen) trotz der nichtlinearen Wechselwirkung erhalten. Die eingetretene Kreuzphasenmodulation kann in einem Interferometer nachgewiesen werden. Hierzu wird ein Lichtstrahl in den Probestrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Der Probestrahl wird gemeinsam mit dem Pumpstrahl durch ein Kerrmedium geführt, so dass durch die Kreuzphasenmodulation eine Phasenveränderung in dem Probestrahl verursacht wird. Anschließend wird der Probestrahl in einem Interferometer mit dem Referenzstrahl überlagert, der ohne Wechselwirkung mit dem Pumpstrahl zu dem Interferometer geführt wird. Aus dem sich ergebenden Interferenzsignal wird die Phasenverschiebung ermittelt. Durch solche Messverfahren konnte zwar eine Empfindlichkeit unterhalb des konventionellen Quantenrauschlimits erreicht werden, jedoch waren die Resultate deutlich schlechter als bei Messverfahren, die eine zeitliche Korrelation der Photonen herstellen.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere aus dem Bereich der Informationstechnologie verschiedene Druckschriften bekannt, die zerstörungsfreie Quantenmessungen ausnutzen, um insbesondere eine Information aus einem Signalstrahl zu entnehmen, ohne diesen zu verändern. Beispielhaft sei hier auf die WO 2005/034032 A2 , die WO 2005/110021 A2 oder die WO 2006/023067 A2 hingewiesen. Alle diese Systeme nutzen eine nicht lineare Kopplung zwischen zwei unterschiedlichen Strahlen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Verbesserung der Leistungsmessung zu noch höheren Empfindlichkeiten unterhalb des Quantenrauschlimits zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 geschaffen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine nichtlineare Selbstphasenmodulation, welche ebenfalls leistungsabhängig ist, auszunutzen und eine hierdurch bewirkte Phasenveränderung relativ zu einer Phasenreferenz zu ermitteln. Um eine messbare Phasenverschiebung zu bewirken, ist es vorgesehen, einen Signalstrahl in einen Resonator einzukoppeln, so dass in diesem ein Messstrahl umläuft. In dem Resonator ist ein nichtlineares optisches Element angeordnet, welches für den Messstrahl eine Selbstphasenmodulation bewirkt. Dadurch, dass der Messstrahl in dem Resonator oszilliert oder umläuft, wird das nichtlineare optische Medium von den Photonen des Messstrahls häufig durchlaufen, bis ein Anteil des Messstrahls als Nachweisstrahl aus dem Resonator ausgekoppelt wird. An diesem wird die durch die Selbstphasenmodulation erzeugte Phasenverschiebung bezüglich einer Phasenreferenz ermittelt. Anhand des ermittelten Phasenversatzes kann auf die Leistung des Signalstrahls bzw. Leistungsschwankungen des Signalstrahls sehr präzise zurückgeschlossen werden.
Insbesondere wird ein Verfahren zur präzisen Messung einer Strahlungsleistung eines Signalstrahls vorgeschlagen, welches die Schritte umfasst: Einkoppeln eines Signalstrahls in einen Resonator, so dass in dem Resonator ein Messstrahl umläuft, wobei in dem Resonator an einem nichtlinearen optischen Element eine Selbstphasenmodulation des Messstrahls ausgeführt wird, die proportional zur Leistungsdichte des Messstrahls in dem nichtlinearen optischen Element ist, Auskoppeln zumindest eines Teils des Messstrahls als Nachweisstrahl aus dem Resonator und Ermitteln eines durch die Selbstphasenmodulation bewirkten Phasenversatzes gegenüber einer Phasenreferenz und Ableiten der Leistung aus dem ermittelten Phasenversatz. Das Ableiten der Leistung umfasst auch das Erzeugen eines Signals, welches die ermittelte Leistung repräsentiert, um dieses beispielsweise für eine Regelung und/oder als Referenz zu verwenden, ohne dass diesem Signal eine konkrete absolute Leistung zuordenbar sein muss. Zusätzlich zu dem ausgekoppelten Anteil des Messstrahls, der als Referenzstrahl genutzt wird kann ein weiterer Anteil für eine andere Verwendung aus dem Resonator ausgekoppelt werden. Dieses kann kollinear und gemeinsam mit dem Anteil erfolgen, der als Nachweisstrahl genutzt wird. Somit kann auch ein Teil des Nachweisstrahls vor einer Ermittlung des Phasenversatzes aus dem Nachweisstrahl ausgekoppelt und anderweitig verwendet werden, beispielsweise als Experimentierstrahl.
Eine entsprechende Vorrichtung zur Leistungsmessung eines Signalstrahls unterhalb des Quantenrauschlimits umfasst: einen Resonator, ein nichtlineares optisches Element in dem Resonator, welches eine Selbstphasenmodulation bewirkt, sowie eine Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung, wobei in den Resonator ein Signalstrahl einkoppelbar ist, so dass in dem Resonator ein Messstrahl umläuft und ein aus dem Resonator ausgekoppelter Anteil des Messstrahls als Nachweisstrahl der Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung zuführbar ist, wobei die Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, einen durch die Selbstphasenmodulation bewirkten Phasenversatz gegenüber einer Phasenreferenz zu ermitteln. Ein deutlicher Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass bei der Selbstphasenmodulation der durch den nichtlinearen optischen Effekt beeinflusste Strahl bzw. die beeinflusste Welle zwangsläufig überlagert mit dem die Phasenverschiebung auslösenden Signal ist, da dieses jeweils derselbe Strahl ist. Missjustierungen oder ein unterschiedliches Ausbreitungsverhalten der beiden Strahlen in dem Resonator oder dem nichtlinearen optischen Medium kann somit ausgeschlossen werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Phasenversatz mittels einer Frequenzmessung außerhalb des Resonators zu ermitteln. Hierzu umfasst eine erfindungsgemäße Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung ein Interferometer, um ein elektronisches Interferenzsignal zu bilden und eine Demodulations- und Zählereinheit zum Ermitteln einer Frequenz des elektronischen Interferenzsignals.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird als Phasenreferenz ein Referenzstrahl verwendet. Dieser wird bevorzugt kollinear mit dem Messstrahl in dem Resonator geführt, wobei der Referenzstrahl eine von dem Messstrahl abweichende Polarisation und/oder Frequenz aufweisen kann. Der Referenzstrahl ist vorzugsweise so gewählt, dass dieser in dem nichtlinearen optischen Medium, welches die Selbstphasenmodulation bewirkt, selbst keine Phasenverschiebung aufgrund einer Selbstphasenmodulation oder einer Kreuzphasenmodulation erfährt oder nur eine sehr geringe Phasenverschiebung erfährt. Der Phasenversatz kann bei einer solchen Ausführungsform in dem Interferometer der Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung so ausgeführt werden, dass der ausgekoppelte Anteil des Referenzstrahls und der als Nachweisstrahl ausgekoppelte Anteil des Messstrahls zur Überlagerung gebracht werden und ein Referenzsignal erzeugen, welches ein Schwebungssignal zeigt, welches mittels eines klassischen Photonendetektors, beispielsweise einer Avalanche-Photodiode in ein elektronisches Signal gewandelt werden kann. Dieses elektronische Signal liegt bei geeigneter Wahl des Referenzstrahls im Hochfrequenzbereich, beispielsweise im Bereich zwischen 1 MHz und einigen 100 MHz.
Die Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung umfasst somit in dem Interferometer einen Photodetektor sowie eine Demodulations- und Zählereinheit, die das erfasste elektronische Signal so aufbereitet, dass das erfasste elektronische Signal hinsichtlich des Schwebungssignals demoduliert werden kann, so dass die Schwebungsfrequenz ermittelt und/oder gezählt werden kann. Die Demodulation kann numerisch erfolgen oder in einfachen Ausführungsformen über geeignete Hochfrequenzfilter und einen Zähler erfolgen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Messstrahl aus einer Folge zeitlich äquidistanter kurzer Lichtpulse besteht. Dies kann bei einer Ausführungsform dadurch erreicht werden, dass als Messstrahl der Signalstrahl genutzt wird und dieser (der Signalstrahl) in Form eines Strahls äquidistanter kurzer Lichtpulse bereitgestellt wird. Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Signalstrahl als Pumpstrahl für ein Lasermedium verwendet wird, welches in dem Resonator angeordnet ist. Wird der Resonator als modengekoppelter Kurzpulslaser ausgebildet, so bildet sich ein entsprechender Messstrahl in dem Resonator aus, so dass in dem ausgekoppelten Anteil des Messstrahls, dem Nachweisstrahl, zeitlich äquidistant kurze Laserpulse vorhanden sind. Die Leistung des Messstrahls ist hierbei linear von der eingesetzten Pumpleistung abhängig. Dies gilt für Änderungen der Pumpleistung mit Frequenzen, die kleiner sind als die Frequenz f_relax der Relaxationsoszillation.
Unabhängig davon, ob der Signalstrahl als Pumpstrahl verwendet wird oder originär gepulst in den Resonator eingekoppelt oder sogar in dem Resonator als Signalstrahl erzeugt wird, der dann identisch mit dem Messstrahl ist, lässt sich eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zur Leistungsmessung durchführen, indem die Propagation einer Einhüllenden als Phasenreferenz genutzt wird. Bei einem modengekoppelten Laser bzw. Resonator wird ein kurzer Lichtpuls durch die Überlagerung durch Einzellinien gebildet, die im Frequenzraum einen äquidistanten Frequenzabstand aufweisen. Diese überlagern sich und bilden die zeitlich äquidistanten kurzen Lichtpulse. Der Frequenzabstand der einzelnen Linien entspricht dem Inversen der Umlaufzeit im Resonator. Die Frequenzen der einzelnen Linien f_i sind keine ganzzahligen Vielfachen dieser Differenzfrequenz Δf. Vielmehr gilt für die einzelnen Frequenzlinien folgender Zusammenhang: f_i = f_CEO + iΔf. Der Term f_CEO stellt hierbei die so genannte Carrier-Envelope-Offset-Frequenz dar, die dadurch bedingt ist, dass die Phasengeschwindigkeiten der Einzellinie von einer Gruppengeschwindigkeit des Laserpulses abweicht. Typischerweise propagiert das elektrische Feld der einzelnen Einzellinien (Lasermoden) mit einer leicht höheren Phasengeschwindigkeit durch die elektrischen Medien im Resonator als die Einhüllende des Lichtpulses. Die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO lässt sich auch ausdrücken durch den Term f_CEO = f_rep(Δφ_GPOmod2π)/2π. Hierbei ist f_rep die Frequenz, mit der die Pulse des Messstrahls im Resonator umlaufen. Diese ist nahezu konstant. Δφ_GPO gibt die Phasenverschiebung zwischen der Einhüllenden und dem darunterliegenden elektrischen Feld pro Umlauf an. Die Phasenverschiebung pro Resonatorumlauf Δφ_GPO, die mit der Änderung zwischen der Verzögerung eines Gruppenumlaufs und einer Verzögerung der Phase bei einem Umlauf korrespondiert, errechnet sich aus der Differenz Δt zwischen Gruppen- und Phasenumlaufzeit. Hierbei gilt Δφ_GPO = 2πcΔt/λ₀, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und λ₀ die Wellenlänge der Trägerwelle des Messstrahls angeben. Die Selbstphasenmodulation bewirkt eine Phasenverschiebung im elektrischen Feld des Messstrahls. Die Phase des elektrischen Felds wird somit zu einem Anteil aufgrund der Selbstphasenmodulation gegenüber der Einhüllenden verändert. Ein Anteil der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO ist somit durch die im nichtlinearen optischen Medium auftretende Selbstphasenmodulation bewirkt. Die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kann also auch geschrieben werden als f_CEO = f_x + κP_sig(t), wobei P_sig(t) die Leistung des Signalstrahl bezeichnet. Die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO stellt also ein Maß für die Leistung dar.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz ist in der noch nicht offengelegten Druckschrift DE 10 2008 059 902 ausführlich beschrieben.
Eine besonders einfache Messung der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, deren Änderung wie oben gezeigt von einer Leistungsänderung abhängig ist, ist möglich, indem unterschiedliche Frequenzkomponenten des Nachweissignals in einem Interferometer überlagert werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, Frequenzkomponenten zu nutzen, die ein ganzzahliges Frequenzverhältnis aufweisen. Dies bedeutet, dass die n-te Harmonische einer Frequenzkomponente, die eine Frequenz f_i = f_CEO + iΔf aufweist, mit einer zweiten Frequenzkomponente zur Interferenz gebracht wird, die eine Frequenz f_ni = f_CEO + n·iΔf aufweist, wobei n eine natürliche Zahl größer 1 ist, d. h. n = 2, 3, 4, ... ist. In einem solchen Fall ergibt sich ein Schwebungssignal in dem Interferenzsignal, welches mit dem (n – 1)-fachen der Frequenz der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz schwingt. Im einfachsten Fall von n = 2 spricht man von einem f-zu-2f-Interferometer. Über Frequenzmessungen dieses Schwebungssignals können somit Leistungsänderungen detektiert werden, die sich als Frequenzänderungen des ermittelten Carrier-Envelope-Offset-Frequenzsignals darstellen. Die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO ist ohne ein Auftreten der leistungsabhängigen Selbstphasenmodulation von der Repetitionsfrequenz der einzelnen Lichtpulse abhängig, welche als nahezu konstant angenommen werden kann. Diese kann zur Kontrolle ebenfalls auf einfache Art und Weise gemessen werden und liegt in der Regel in einem Frequenzbereich, der einer direkten Zählung einfach zugänglich ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Interferometer der Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung so ausgelegt, dass eine Interferenz zwischen unterschiedlichen Frequenzkomponenten des Nachweisstrahls herbeigeführt wird, wobei Frequenzen der Frequenzkomponenten in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.
Ist die spektrale Breite des Nachweisstrahls nicht ausreichend, d. h. überspannt die spektrale Breite nicht mindestens eine Oktave, so kann eine Frequenzverbreiterung des Nachweisstrahls ausgeführt werden, bevor dieser dem Interferometer zugeführt wird. In einem solchen Fall wird der Nachweisstrahl spektral verbreitert. Hierfür kann beispielsweise eine mikrostrukturierte photonische Kristallfaser genutzt werden. Über Vierwellenmischung können so höher- und niederenergetische Linien in dem Frequenzkamm erzeugt werden, wobei für die Einzellinien und deren Frequenzen f_i ebenfalls gilt: f_i = i·Δf + f_CEO.
Das die Selbstphasenmodulation erzeugende optische Element ist bei einer bevorzugten Ausführungsform ein Kerrmedium. Es können jedoch auch andere parametrische nichtlineare Effekte genutzt werden, um eine Selbstphasenmodulation zu bewirken. Diese tritt beispielsweise auch in atomaren Dämpfen auf. Das optische Element muss eine nichtlineare Suszeptibilität dritter Ordnung aufweisen.
Die ermittelte Leistung, die aus dem Phasenversatz, beispielsweise der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, abgeleitet ist, kann genutzt werden, um auf die Lichtquelle zurückzuwirken, um eine Leistungsstabilisierung zu bewirken. Hierzu kann eine optische Komponente einer Lichtquelle oder eine der Lichtquelle nachgeschaltete optische Komponente in Abhängigkeit von der ermittelten Frequenz des Schwebungssignals von einer Steuereinheit gesteuert werden. Bei dem optischen Element kann es sich beispielsweise um einen akustooptischen Modulator oder einen elektrooptischen Modulator handeln.
Die ermittelte Leistung, die aus dem Phasenversatz abgeleitet ist, kann darüber hinaus genutzt werden, um die in einer Messstrecke auftretenden Leistungsmodulationen zu messen. Dazu ist bei einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Nachweisstrahl über einen Strahlteiler geteilt wird und beide Teile jeweils einer Leistungsmessvorrichtung zugeführt werden, wobei zwischen dem Strahlteiler und einer der Leistungsmessvorrichtungen eine Messstrecke angeordnet wird, in der die Messung ausgeführt wird. Die Leistungsmessvorrichtungen sind vorzugsweise identisch oder sehr ähnlich aufgebaut und vorzugsweise mittels eines f-zu-2f Interferometer realisiert. Über eine Auswerteeinrichtung können Differenzen zwischen den beiden ermittelten Leistungen bzw. Frequenzen genutzt werden, um kleinste relative Leistungsänderungen verursacht durch die Messstrecke aufzulösen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Leistungsmessvorrichtung;
2 eine weitere Ausführungsform einer Leistungsmessvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung einer Leistungsmessvorrichtung, die genutzt wird, um eine Strahlungsleistung einer Lichtquelle zu stabilisieren; und
4 eine Messanordnung mit zwei Leistungsmessvorrichtungen.
In 1 ist schematisch eine Leistungsmessvorrichtung 1 zum Messen der Strahlungsleistung eines Signalstrahls 2 dargestellt, der von einer Lichtquelle 3 erzeugt ist. Der Signalstrahl 2, der hinsichtlich seiner Leistung vermessen werden soll, wird in einen Resonator 4 eingekoppelt, der beispielsweise durch zwei teildurchlässige Spiegel 5, 6 gebildet ist. In dem Resonator 4 läuft der eingekoppelte Signalstrahl als Messstrahl 7 um. Hierbei wird der Messstrahl durch ein nichtlineares optisches Element 8 geführt, welches eine Selbstphasenmodulation des Messstrahls 7 bewirkt. Bei dem nichtlinearen optischen Element kann es sich beispielsweise um ein Kerrmedium handeln. Zusätzlich zu dem Messstrahl 7 läuft in dem Resonator 4 ein Referenzstrahl 9 um. Dieser ist bei einer bevorzugten Ausführungsform kollinear mit dem Messstrahl 7 geführt. Der Referenzstrahl 9 ist hinsichtlich seiner Frequenz und Polarisation so gewählt, dass dieser in dem nichtlinearen optischen Medium keine oder eine geringere Selbstphasen- oder Kreuzphasenmodulation als der Messstrahl 7 erfährt. Ein Teil des Messstrahls 7 wird als Nachweisstrahl 10 aus dem Resonator ausgekoppelt und mit einem Teil des Referenzstrahls einer Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung 11 zugeführt. Die Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung 11 umfasst ein Interferometer 12, in dem der Nachweisstrahl mit dem ausgekoppelten Teil des Referenzstrahls 9 überlagert und zur Interferenz gebracht wird. Das sich ergebende Interferenzsignal zeigt eine Schwebung, die in ein elektronisches Schwebungssignal 13 beispielsweise mittels eines als Avalanche-Photodiode ausgebildeten Photodetektors umgewandelt wird. Das elektronische Schwebungssignal 13 wird einer Demodulations- und Zähleinrchtung 14 zugeführt und die Frequenz des elektronischen Schwebungssignals 13 ermittelt. Diese Frequenz, die im Hochfrequenzbereich liegt, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und einigen 100 MHz, kann mit hoher Präzision ermittelt werden. Die Frequenz des elektronischen Schwebungssignals 13 stellt ein Maß für die Leistung des Signalstrahls 2 und hierüber des hieraus abgeleiteten Messstrahls 7 in dem Resonator 4 dar, da die Phasendifferenz, die durch die Selbstmodulation verursacht ist, von der Leistung des Messstrahls 7 in dem nichtlinearen optischen Element 8 abhängig ist. Über eine Kalibrationsmessung ist es somit möglich, Frequenzänderungen mit Leistungsänderungen zu assoziieren. Eine Leistungsermittlung kann in die Demodulations- und Zähleinrichtung 14 oder einer getrennt ausgebildeten Auswerteeinrichtung 19 erfolgen. Bei einigen Ausführungsformen, wie der gerade beschriebenen, ist der Resonator (4) ausgebildet, so dass ein Referenzstrahl (9) kollinear mit dem Messstrahl (7) umlaufen und ausgekoppelt werden kann.
In 2 ist eine weitere Ausführungsform einer Leistungsmessvorrichtung 1' schematisch dargestellt. Gleiche oder ähnliche technische Merkmale sind in allen Figuren mit demselben Bezugszeichen versehen. Bei der Ausführungsform nach 2 stellt eine Lichtquelle 3 als Signalsstrahl 2 beispielsweise einen Dauerstrichlaserstrahl bereit. Beispielsweise kann es sich bei der Lichtquelle 3 um einen hochstabilisierten Laser handeln, der bei 532 nm in einer einzigen longitudinalen Lasermode mit einer Leistung von etwa 4,6 W arbeitet. Messungen haben gezeigt, dass das relative Intensitätsrauschen, engl. relative intensity noise (RIN), für eine solche Quelle auf einige 10^–7/(Hz)^1/2 im Frequenzbereich von 1 bis 100 kHz beträgt. Dies liegt immer noch um einen Faktor 100 = +20 dBq über dem Standardquantenrauschlimit. (Die Angabe „dBq” bedeutet „Dezibel relativ zum Standardquantenrauschlimit”.) Für das relative Intensitätsrauschen ist das Quantenrauschlimit zu RIN ~ 10^–9/(Hz)^1/2 abgeschätzt.
Der Signalstrahl 2 wird durch einen Einkoppelstrahlteiler 15 in einen Resonator 4 eingekoppelt. Der Resonator 4 ist als Laserresonator ausgebildet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist das nichtlineare optische Element 8 sowohl als Lasermedium als auch als Kerrmedium ausgebildet. Das nichtlineare optische Element bewirkt somit zum einen eine Verstärkung und Ausbildung eines Messstrahls 7 als auch eine Selbstphasenmodulation des Messstrahls 7. Bei dem nichtlinearen optischen Element kann es sich beispielsweise um einen Ti:Saphir-Kristall handeln. Wird der Resonator 4 in Modenkopplung betrieben, so bildet sich beispielsweise ein Zug von Femtosekundenpulsen aus, die eine mittlere Wellenlänge von 775 nm bei einer Wiederholrate von 88 MHz und 10 fs Pulsbreite aufweisen. Der Resonator 4 und das nichtlineare optische Element 8 können so ausgebildet werden, dass die Leistungen des Signalstrahls 2 und des im Resonator umlaufenden Messstrahls 7 in etwa gleich groß sind. Der Auskoppelstrahlteiler 16 wird beispielsweise so gewählt, dass er 20% der in dem Resonator umlaufenden Intensität des Messstrahls 7 als Nachweisstrahl 10 auskoppelt. Bei einer Pumpleistung im grünen Licht von 4,6 W werden beispielsweise in der Kavität ungefähr 3 W rotes Licht bei 775 nm erzeugt. Ein Photonenstrom innerhalb des Resonators entspricht somit ungefähr dem Pumpphotonenfluss, der zu 1,2 × 10¹⁹ Photonen pro Sekunde abgeschätzt werden kann. Hieraus ergibt sich ein (einseitiges) Quantenrauschlimit von 4,1 × 10^–10/(Hz)^1/2. Die Leistung des gepumpten Lasers folgt Änderungen der Pumpleistung bis zu Frequenzen, die der Frequenz der Relaxationsoszillation entsprechen, die im Falle eines Ti:Saphir-Lasers beispielsweise zu etwa 1 MHz abgeschätzt werden kann. Messungen haben gezeigt, dass die Leistung des gepumpten roten Lasers in dem Resonator 4 einer Änderung in der Pumpleistung auf einer Zeitskala folgt, die etwa einer μs entspricht.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird die Propagation der Einhüllenden der Laserpulse als Phasenreferenz genutzt. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Einhüllenden, welche mit der Gruppengeschwindigkeit in dem Resonator übereinstimmt, von der Phasengeschwindigkeit abweicht, mit der die gekoppelten Moden umlaufen, tritt eine so genannte Carrier-Envelope-Offset-Frequenz auf, die an dem Zug ultrakurzer Laserpulse gemessen werden kann. Wird durch eine Selbstphasenmodulation, die leistungsabhängig ist, die Phase des Messstrahls verändert, so führt dies zwangsläufig zu einer Änderung der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz. Die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz wird durch eine Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung 11 anhand des Nachweisstrahls ermittelt. Hierzu werden unterschiedliche Frequenzkomponenten des Zugs ultrakurzer Laserpulse in einem Interferometer zur Interferenz gebracht. Die unterschiedlichen Frequenzkomponenten werden so gewählt, dass die Frequenzen f₁ und f₂ der beiden Komponenten bis auf das (n – 1)-fache der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz in einem ganzzahligen Verhältnis stehen, d. h. f₂ = n·f₁ ± (n – 1)·f_CEO mit n = 2, 3, 4, 5 ... Die Überlagerung der Komponenten erfolgt in einem so genannten f-zu-2f-Interferometer (n = 2) bzw. f-zu-nf-Interferometer 17. Werden die beiden ein ganzzahliges Frequenzverhältnis aufweisenden Frequenzkomponenten des Nachweisstrahls zur Interferenz gebracht, so entsteht ein Schwebungssignal, welches der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz entspricht oder zumindest mit dieser korrespondiert.
Das optische Interferenzsignal kann mittels eines photoempfindlichen Detektors mit ausreichender zeitlicher Dynamik in ein elektronisches Schwebungssignal 13 gewandelt werden. Ist die erforderliche Bandbreite des Nachweissignals 10 nicht ausreichend, d. h. überspannt die Bandbreite nicht mindestens eine Oktave für den Fall n = 2, so kann eine spektrale Verbreiterungseinheit 18, beispielsweise eine mikrostrukturierte photonische Kristallfaser, eingesetzt werden, die über Vierwellenmischung höher- und niederenergetische Linien erzeugt und somit eine Frequenzverbreiterung in dem Nachweisstrahl bewirkt. Zu beachten ist, dass diese Frequenzverbreiterung die zu messende Phaseninformation, d. h. die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, nicht beeinflusst.
Das elektronisch gewonnene Schwebungssignal 13 wird erneut einer Demodulations- und Zähleinrichtung 14 zugeführt, so dass man ein Signal erhält, welches die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz angibt. Diese lässt sich durch eine lineare Gleichung darstellen: f_CEO = f_X + κP(t) wobei κ eine Kalibrierungskonstante und P(t) die Leistung des Messstrahls und hierüber des Signalstrahls repräsentiert. Bei dem beschriebenen Beispiel mit einer Laserspitzenleistung von ≈ 3 MW und einem Strahltailenparameter von ω₀ ≈ 8 μm kann eine nichtlineare Phasenverschiebung pro Umlauf φ_nl = 4n_2lP/ω₀ ²λ ≈ 20 rad angenommen werden. Dies übersetzt sich in eine bedingte Varianz ΔX_s|m = (1 + g²)^–1/2 = 0,025 = –16 dBq, wobei g = 2φ_nl = 40 angenommen ist. Die bedingte Varianz schätzt das Rauschlimit ab, welches erreichbar sein sollte. Eine Auswerteeinrichtung 19 ermittelt aus dem Signal der Demodulations- und Zähleinrichtung 14 die Leistung, sofern dieses nicht bereits in der Demodulations- und Zähleinrichtung 14 erfolgt.
In 3 wird eine Leistungsmesseinrichtung 1'' eingesetzt, um den Signalstrahl 2 hinsichtlich der Strahlungsleistung zu stabilisieren. Die Leistungsmessvorrichtung 1'' ist analog zu der nach 2 aufgebaut. Das von der Demodulations- und Zähleinrichtung 14 gelieferte Signal 20 wird von einer Steuerungseinrichtung 21 in ein Steuersignal 22 für ein steuerbares optisches Element 23 umgesetzt. Das steuerbare optische Element 23 ist zwischen der Lichtquelle 3 und dem Einkoppelstrahlteiler 15 angeordnet. Das steuerbare optische Element 23 ist beispielsweise als Amplitudenmodulator ausgebildet. Beispielsweise kann es sich um einen akustooptischen Modulator handeln. Der aus dem steuerbaren optischen Element austretende Signalstrahl wird an einem Strahlteiler 24 in einen Nutzanteil 2a und den zur Messung und Regelung verwendeten Korrekturanteil 2b geteilt, der der Messeinrichtung 1'' als Signalstrahl 2'' zugeführt wird. Der Nutzsignalanteil 2a kann hinsichtlich seiner Leistung unterhalb des klassischen Quantenrauschlimits in seiner Leistung stabilisiert werden.
In 4 ist eine weitere Anwendungsmöglichkeit für zwei Leistungsmesseinrichtungen 1''' und 1 ^IV dargestellt. Die beiden Leistungsmesseinrichtungen sind analog der Ausführungsform nach 2 aufgebaut. Der Signalstrahl 2 der Lichtquelle wird an einem Strahlteiler 24 in einen Nutzteil 2a und einen Referenzteil 2b, der als Signalstrahl 2''' der Leistungsmesseinrichtung 1''' zugeführt wird, aufgeteilt. Der Nutzanteil 2a des Signalstrahls 2 wird einem Messobjekt 25 zugeführt und nach dem Passieren des Messobjekts 25 als Signalstrahl 2 ^IV der zweiten Leistungsmessvorrichtung 1 ^IV als Signalstrahl zugeführt. Von den Messstrahlen 7''' und 7 ^IV wird jeweils die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CE''' bzw. f_CE ^IV bestimmt und in einer Vergleichereinrichtung 26 verglichen. Hierdurch ist es möglich, die an dem Messobjekt 25 vorgenommenen Messungen hinsichtlich Leistungsschwankungen der Lichtquelle bzw. des Signalstrahls 2 und somit des Nutzanteils 2a zu kompensieren.
Es versteht sich, dass lediglich beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind und die in den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale miteinander kombiniert werden können, um die Erfindung in anderen Ausführungsformen umzusetzen.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'', 1''', 1^IV: Leistungsmessvorrichtung
2, 2'', 2''', 2^IV: Signalstrahl
2a: Nutzstrahl
2b: Korrektur- bzw. Referenzanteil des Signalstrahls
3: Lichtquelle
4: Resonator
5: Strahlteiler
6: Strahlteiler
7, 7''', 7^IV: Messstrahl
8, 8''', 8^IV: nichtlineares optisches Element
9: Referenzstrahl
10, 10''', 10^IV: Nachweisstrahl
11, 11''', 11^IV: Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung
12: Interferometer
13, 13''', 13^IV: elektronisches Schwebungssignal
14, 14''', 14^IV: Demodulations- und Zähleinrichtung
15, 15''', 15^IV: Einkoppelstrahlteiler
16, 16''', 16^IV: Auskoppelstrahlteiler
17, 17''', 17^IV: f-zu-2f-Interferometer bzw. f-zu-nf-Interferometer
18, 18''', 18^IV: spektrale Verbreiterungseinrichtung
19, 19''', 19^IV: Auswerteeinrichtung
20, 20''', 20^IV: Signal
21: Steuerungseinrichtung
22: Steuersignal
23: steuerbares optisches Element
24: Strahlteiler
25: Messobjekt
26: Vergleichereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2005/034032 A2 [0007]
WO 2005/110021 A2 [0007]
WO 2006/023067 A2 [0007]
DE 102008059902 [0018]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Imoto et al. in Physical Review A, Bd. 32, Seiten 2287–2292 (1985) [0006]

Claims

Verfahren zur präzisen Messung einer Strahlungsleistung eines Signalstrahls (2) umfassend die Schritte: Einkoppeln des Signalstrahls (2) in einen Resonator (4), so dass in dem Resonator (4) ein Messstrahl (7) umläuft, wobei in dem Resonator (4) an einem nichtlinearen optischen Element (8) eine Selbstphasenmodulation des Messstrahls (7) ausgeführt wird, die proportional zur Leistung des Messstrahls (7) in dem nichtlinearen optischen Element ist, Auskoppeln zumindest eines Teils des Messstrahls (7) als Nachweisstrahl (10) aus dem Resonator (4) und Ermitteln eines durch die Selbstphasenmodulation bewirkten Phasenversatzes gegenüber einer Phasenreferenz und Ableiten der Leistung aus dem ermittelten Phasenversatz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasenversatz mittels einer Frequenzmessung außerhalb des Resonators (4) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenreferenz ein Referenzstrahl (9) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Propagation einer Signaleinhüllenden des Messstrahls (7) als die Phasenreferenz genutzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Phasenversatzes die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz des Messstrahls (7) oder eine hierzu proportionale Größe ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Frequenzkomponenten des ausgekoppelten Teils des Messstrahls überlagert werden, wobei die Frequenzen der unterschiedlichen Frequenzkomponenten in einem ganzzahligen Verhältnis ungleich 1 stehen, und eine sich ergebende Schwebungsfrequenz als Hochfrequenzsignal vermessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Signalstrahl (2) als Pumpstrahl in den Resonator (4) eingekoppelt wird und eine in einem Lasermedium erzeugte Laserstrahlung als der Messstrahl verwendet wird.
Vorrichtung (1) zur Leistungsmessung eines Signalstrahls unterhalb des Quantenrauschens umfassend einen Resonator (4), ein nichtlineares optisches Element in dem Resonator (4), welches eine Selbstphasenmodulation bewirkt, eine Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung (11), und eine Auswerteeinrichtung (19), wobei in den Resonator (4) der Signalstrahl einkoppelbar ist, so dass in dem Resonator (4) ein Messstrahl (7) umläuft, und ein aus dem Resonator (4) ausgekoppelter Anteil des Messstrahls (7) als Nachweisstrahl (10) der Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung zuführbar ist, wobei die Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung ausgebildet ist, einen durch die Selbstphasenmodulation bewirkten Phasenversatz gegenüber einer Phasenreferenz zu ermitteln und wobei die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet ist, aus dem ermittelten Phasenversatz eine Leistung zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (4) als ein Resonator eines modengekoppelten Kurzpulslasers ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenversatz-Ermittlungseinrichtung (11) ein Interferometer (12) zum Messen eines elektronischen Schwebungssignal und eine Demodulations- und Zählereinheit (14) zum Ermitteln einer Frequenz des elektronischen Schwebungssignals umfasst.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuereinheit (21) vorgesehen ist, die eine optische Komponente einer Lichtquelle (3) in Abhängigkeit von der ermittelten Frequenz des Schwebungssignals regelt, um die Leistung des Signalstrahls (2) zu stabilisieren.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare optische Element (8) eine nichtlineare Suszeptibilität dritter Ordnung aufweist, insbesondere ein Kerrmedium ist.