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TECHNISCHER HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Regeln der Folgefrequenz eines Laserlichtpulses.
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2. Stand der Technik
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Ein System, welches eine Differenz zwischen den Folgefrequenzen zweier Laser konstant aufrechterhält, indem es die Folgefrequenzen der beiden Laser unabhängig regelt, ist gemeinhin bekannt (siehe z. B.
18 und [0077] eines Patentdokuments 1 (
japanisches Patent Nr. 4565198 )).
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Jedoch erhöht die unabhängige Regelung der Folgefrequenzen zweier Laser die Komplexität eines Regelsystems.
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Differenz zwischen den Folgefrequenzen der zwei Laser konstant zu halten, ohne die Folgefrequenzen der beiden Laser unabhängig zu regeln.
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Ein Folgefrequenzregelgerät gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet: einen Slave-Laser, welcher einen Slave-Laserlichtpuls ausgibt; eine photoelektrische Slave-Konversionseinheit, welche den Slave-Laserlichtpuls empfängt und den Slave-Laserlichtpuls in ein elektrisches Slave-Signal konvertiert; einen Master-Laser, welcher einen Master-Laserlichtpuls ausgibt; eine photoelektrische Master-Konversionseinheit, welche den Master-Laserlichtpuls empfängt und den Master-Laserlichtpuls in ein elektrisches Master-Signal konvertiert; eine Frequenzänderungseinheit, welche die Folgefrequenz des elektrischen Master-Signals um einen vorgegebenen Wert ändert; einen Phasendifferenzdetektor, welcher eine Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Slave-Signal und der Ausgabe der Frequenzänderungseinheit detektiert; und einen Schleifenfilter, welcher eine Hochfrequenzkomponente einer Ausgabe des Phasendifferenzdetektors entfernt, wobei: die Folgefrequenz des Master-Lasers keine Regelung basierend auf dem elektrischen Master-Signal oder dem elektrischen Slave-Signal oder beiden Signalen erfährt; und sich die Folgefrequenz des Slave-Laserlichtpulses gemäß einer Ausgabe des Schleifenfilters ändert.
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Gemäß dem so aufgebauten Folgefrequenzregelgerät gibt ein Slave-Laser einen Slave-Laserlichtpuls aus. Eine photoelektrische Slave-Konversionseinheit empfängt den Slave-Laserlichtpuls und konvertiert den Slave-Laserlichtpuls in ein elektrisches Slave-Signal. Ein Master-Laser gibt einen Master-Laserlichtpuls aus. Eine photoelektrische Master-Konversionseinheit empfängt den Master-Laserlichtpuls und konvertiert den Master-Laserlichtpuls in ein elektrisches Master-Signal. Eine Frequenzänderungseinheit ändert die Folgefrequenz des elektrischen Master-Signals um einen vorbestimmten Wert. Ein Phasendifferenzdetektor detektiert eine Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Slave-Signal und der Ausgabe der Frequenzänderungseinheit. Ein Schleifenfilter entfernt eine Hochfrequenzkomponente einer Ausgabe des Phasendifferenzdetektors. Die Folgefrequenz des Master-Lasers erfährt keine Regelung basierend auf dem elektrischen Master-Signal oder dem elektrischen Slave-Signal oder beiden Signalen. Die Folgefrequenz des Slave-Laserlichtpulses ändert sich gemäß einer Ausgabe des Schleifenfilters.
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Die Resonatorlänge des Slave-Lasers gemäß dem Folgefrequenzregelgerät der vorliegenden Erfindung kann sich gemäß der Ausgabe des Schleifenfilters ändern.
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Der Slave-Laser gemäß dem vorliegenden Folgefrequenzregelgerät der vorliegenden Erfindung kann ein Piezo-Element beinhalten; die Ausgabe des Schleifenfilters kann dem Piezo-Element zugeführt werden; und die Resonatorlänge des Slave-Lasers kann durch Expansion und Kontraktion des Piezo-Elements verändert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches eine Konfiguration eines Folgefrequenzregelgeräts 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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2 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches eine Konfiguration der Frequenzänderungseinheit 28 zeigt.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun wird eine Beschreibung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Figuren gegeben.
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1 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches eine Konfiguration eines Folgefrequenzregelgeräts 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Das Folgefrequenzregelgerät 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst einen Slave-Laser 12, einen Motortreiber 12m, einen optischen Slave-Koppler 14, eine Photodiode (photoelektrische Slave-Konversionseinheit) 16, einen Master-Laser 23, einen optischen Master-Koppler 24, eine Photodiode (photoelektrische Master-Konversionseinheit) 26, eine Frequenzänderungseinheit 28, einen Phasenkomparator (Phasendifferenzdetektor) 32, einen Schleifenfilter 34 und einen Piezo-Treiber 36.
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Der Slave-Laser 12 gibt einen Laserlichtpuls (im weiteren „Slave-Laserlichtpuls” genannt) aus. Es soll angemerkt werden, dass die Folgefrequenz des Slave-Laserlichtpulses z. B. in etwa 50 MHz ist.
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Der Slave-Laser 12 umfasst ein Piezo-Element 12p. Das Piezo-Element 12p expandiert und kontrahiert in einer X-Richtung (horizontale Richtung in 1), als Ergebnis einer Einwirkung einer Spannung einer Ausgabe des Schleifenfilters 34 nach der Verstärkung durch den Piezo-Treiber 36. Die Expansion/Kontraktion in der X-Richtung des Piezo-Elements 12p verändert die Laserresonatorlänge des Slave-Lasers 12. Die Änderung der Laserresonatorlänge verändert die Folgefrequenz des Slave-Laserlichtpulses.
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Der Motortreiber 12m stellt die Laserresonatorlänge des Slave-Lasers 12 grob ein, indem ein Schrittmotor (nicht gezeigt) in dem Slave-Laser 12 angesteuert wird. Nachdem die Einstellung durch den Motortreiber 12m abgeschlossen ist, führt das Piezo-Element 12p eine Feineinstellung aus.
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Der optische Slave-Koppler 14 empfängt den Slave-Laserlichtpuls, welcher von dem Slave-Laser 12 ausgegeben wurde, und gibt den Slave-Laserlichtpuls an die Photodiode 16 und die Umgebung aus, z. B. in einem Energieverhältnis von 1:9. Die optische Energie des Slave-Laserlichtpulses, welche der Photodiode 16 zugeführt wird, ist daher z. B. 10% der optischen Energie des Slave-Laserlichtpulses, welcher von dem Slave-Laser 12 ausgegeben wird.
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Die Photodiode (photoelektrische Slave-Konversionseinheit) 16 empfängt den Slave-Laserlichtpuls von dem optischen Slave-Koppler 14 und konvertiert den Slave-Laserlichtpuls in ein elektrisches Signal (im weiteren „elektrisches Slave-Signal” genannt).
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Der Master-Laser 23 gibt einen Laserlichtpuls aus (im weiteren „Master-Laserlichtpuls” genannt). Es soll angemerkt werden, dass die Folgefrequenz f1 des Master-Laserlichtpulses z. B. ungefähr 50 MHz ist.
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Des Weiteren wird die Folgefrequenz f1 des Master-Lasers 23 vorab auf ungefähr 50 MHz eingestellt, bevor die Anwendung des Folgefrequenzregelgeräts 1 beginnt. Z. B. wird eine Ausgabe eines OCXO (ofengeregelter Kristall-Oszillator, oven-controlled crystal oscillator) (nicht gezeigt), welcher mit 100 MHz oszilliert, halbiert, und mit der Ausgabe des Master-Lasers 23 durch einen Phasenkomparator (nicht gezeigt) verglichen. Die Folgefrequenz der Ausgabe des Master-Lasers 23 wird so eingestellt, dass die Folgefrequenzen beider Laser in etwa identisch sind (mit einem Unterschied von etwa 10 Hz). Die Anpassung der Folgefrequenz der Ausgabe des Master-Lasers 23 wird erreicht durch das Ansteuern des Schrittmotors (nicht gezeigt) in dem Master-Laser 23, wodurch die Laseroszillatorlänge des Master-Lasers 23 eingestellt wird.
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Die Anpassung der Folgefrequenz f1 des Master-Lasers 23 wird für einige Sekunden in einem Intervall von einigen zehn Minuten ausgeführt, wenn das Folgefrequenzregelgerät 1 nicht verwendet wird.
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Der optische Master-Koppler 24 empfängt den Master-Laserlichtpuls, welcher von dem Master-Laser 23 ausgegeben wurde, und gibt den Master-Laserlichtpuls an die Photodiode 24 und die Umgebung aus in einem Energieverhältnis von z. B. 1:9. Die optische Energie des Master-Laserlichtpulses, welche der Photodiode 24 zugeführt wird, ist daher 10% der optischen Energie des Master-Laserlichtpulses, welche von dem Master-Laser 23 ausgegeben wurde.
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Die Photodiode (photoelektrische Master-Konversionseinheit) 26 empfängt den Master-Laserlichtpuls von dem optischen Master-Koppler 24 und konvertiert den Master-Laserlichtpuls in ein elektrisches Signal (im weiteren „elektrisches Master-Signal” genannt).
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Die Frequenzänderungseinheit 28 ändert die Folgefrequenz f1 des elektrischen Master-Signals um einen vorgegebenen Wert Δ (z. B. 10–20 Hz.). Die Frequenzänderungseinheit 28 ändert die Folgefrequenz f1 des elektrischen Master-Signals z. B. auf f2 = f1 – Δ.
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2 ist ein Funktionsblockdiagramm, welches eine Konfiguration der Frequenzänderungseinheit 28 zeigt. Die Frequenzänderungseinheit 28 umfasst ein DDS 28a, ein OCXO 28b, einen Phasenkomparator 28c und einen Schleifenfilter 28d.
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Der DDS (Direkter Digital-Synthesizer – Direct Digital Synthesizer) 28a empfingt das elektrische Master-Signal (Folgefrequenz f1) und gibt das elektrische Master-Signal (Folgefrequenz f2) aus. Der OCXO 28b ist ein ofengeregelter Kristall-Oszillator, dessen Oszillationsfrequenz ungefähr 50 MHz ist. Der Phasenkomparator 28c vergleicht die Ausgabe des DDS 28a und die Ausgabe des OCXO 28b hinsichtlich der Phase, detektiert eine Phasendifferenz zwischen diesen und gibt diese Phasendifferenz aus. Der Schleifenfilter 28d entfernt eine Hochfrequenzkomponente der Ausgabe des Phasenkomparators 28c, Ein Ausdruck „entfernen” bedeutet nicht notwendigerweise nur das vollständige Entfernen, und ein Fall, in welchem die Hochfrequenzkomponente in geringem Maße vorhanden ist, ist ebenfalls durch den Ausdruck „entfernen” mitumfasst. In dem folgenden Abschnitt hat der Ausdruck „entfernen” dieselbe Bedeutung.
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Es soll angemerkt werden, dass der OCXO 28b eine Ausgabe (Vcont) von dem Schleifenfilter 28d empfingt und die Oszillationsfrequenz gemäß Vcont ändert. Es soll angemerkt werden, dass der OCXO 28b die Oszillationsfrequenz so ändert, dass die Phasendifferenz, welche von dem Phasenkomparator 28c ausgegeben wird, ein konstanter Wert ist (wie z. B. 0 Grad, 90 Grad, oder –90 Grad).
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Als Ergebnis wird das elektrische Master-Signal (Folgefrequenz f2) von dem OCXO 28b als Ausgabe der Frequenzänderungseinheit 28 bezogen.
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Der Phasenkomparator (Phasendifferenzdetektor) 32 vergleicht das elektrische Slave-Signal und die Ausgabe der Frequenzänderungseinheit 28 (elektrisches Mastersignal, Folgefrequenz f2) miteinander hinsichtlich der Phase, detektiert die Phasendifferenz zwischen diesen und gibt die Phasendifferenz aus.
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Der Schleifenfilter 34 entfernt eine Hochfrequenzkomponente der Ausgabe des Phasenkomparators 32.
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Der Piezo-Treiber 36 ist z. B. ein Leistungsverstärker und verstärkt die Ausgabe des Schleifenfilters 34. Die Ausgabe des Piezo-Treibers 36 wird dem Piezo-Element 12p zugeführt. Als Ergebnis expandiert/kontrahiert das Piezo-Element 12p in der X-Richtung. Es soll angemerkt werden, dass das Piezo-Element 12p so expandiert/kontrahiert wird, dass die Phasendifferenz, welche von dem Phasenkomparator 32 detektiert wird, ein konstanter Wert ist (wie z. B. 0 Grad, 90 Grad oder –90 Grad). Als ein Ergebnis kann die Folgefrequenz des Slave-Laserlichtpulses präzise auf die Folgefrequenz f2 eingestellt werden (= f1 – Δ).
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Es soll angemerkt werden, dass die Folgefrequenz f1 des Master-Lasers keine Regelung, basierend auf dem elektrischen Master-Signal oder dem elektrischen Slave-Signal oder beiden Signalen erfährt. Mit anderen Worten, der Master-Laser 23 ist in einem Freilaufzustand. Als Ergebnis präsentiert die Folgefrequenz f1 des Master-Lasers üblicherweise eine Frequenzfluktuation von einigen zehn Hz für zehn Minuten. Dies steht im Gegensatz zu der Tatsache, dass die Folgefrequenz des Slave-Lasers 12 die Regelung basierend auf dem elektrischen Master-Signal und dem elektrischen Slave-Signal erfährt.
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Nun wird eine Beschreibung eines Betriebs der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.
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Zuerst, bevor die Anwendung des Folgefrequenzregelgeräts 1 beginnt, wird die Folgefrequenz f1 des Master-Lasers 23 vorab auf ungefähr 50 MHz eingestellt. Hierbei erfährt die Folgefrequenz des Slave-Lasers 12 keine Regelung basierend auf dem elektrischen Master-Signal oder dem elektrischen Slave-Signal oder beiden Signalen. Mit anderen Worten, der Slave-Laser 12 befindet sich in einem Freilaufzustand.
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Dann beginnt die Anwendung des Folgefrequenzregelgeräts 1.
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Ein Teil des Slave-Laserlichtpulses, welcher von dem Slave-Laser 12 ausgegeben wurde, wird durch den optischen Slave-Koppler 14 der Photodiode 16 zugeführt, erfährt die photoelektrische Konversion, wird zu dem elektrischen Slave-Signal und wird dem Phasenkomparator 32 zugeführt.
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Ein Teil des Master-Laserlichtpulses (Folgefrequenz f1), welcher von dem Master-Laser 23 ausgegeben wurde, wird durch den optischen Master-Koppler 24 der Photodiode 26 zugeführt, erfährt die photoelektrische Konversion und wird das elektrische Master-Signal. Die Folgefrequenz des elektrischen Master-Signals wird durch die Phasenänderungseinheit 28 von f1 zu f2 = f1 – Δ geändert und das elektrische Master-Signal wird dann dem Phasenkomparator 32 zugeführt.
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Der Phasenkomparator 32 vergleicht die Phase des elektrischen Slave-Signals und die Phase der Ausgabe der Frequenzänderungseinheit 28 (elektrisches Master-Signal, Folgefrequenz f2) miteinander, detektiert die Phasendifferenz zwischen diesen und gibt die Phasendifferenz aus. Die Hochfrequenzkomponente wird aus der Ausgabe des Phasenkomparators 32 durch den Schleifenfilter 34 entfernt, die resultierende Ausgabe wird von dem Piezo-Treiber 36 verstärkt und dem Piezo-Element 12p zugeführt. Das Piezo-Element 12p kontrahiert/expandiert in einer Weise, dass die von dem Phasenkomparator 32 detektierte Phasendifferenz einen konstanten Wert besitzt (z. B. 0 Grad, 90 Grad oder –90 Grad). Als ein Ergebnis kann die Folgefrequenz des Slave-Laserlichtpulses präzise auf die Folgefrequenz f2 (= f1 – Δ) eingestellt werden.
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Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch das Regeln der Folgefrequenz des Slave-Lasers 12 die Differenz in der Folgefrequenz zwischen zwei Lasern konstant sein (vorgegebener Wert Δ), anstatt einer unabhängigen Regelung der Folgefrequenzen der zwei Laser (des Master-Lasers 23 und des Slave-Lasers 12).
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Es soll angemerkt werden, dass der Master-Laserlichtpuls (Folgefrequenz f1) und der Slave-Laserlichtpuls (Folgefrequenz f2 (= f1 – Δ)) in einem Messgerät eingesetzt werden kann, welches THz-Licht verwendet.
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Zum Beispiel wird der Master-Laserlichtpuls einem THz-Lichtgenerator (wie z. B. einem photoleitenden Schalter) zugeführt, wodurch THz-Licht erzeugt wird und das THz-Licht auf ein Prüfobjekt einstrahlt. Das THz-Licht, welches durch das Prüfobjekt hindurch übertragen wurde oder von dem Prüfobjekt reflektiert wurde, wird einem THz-Lichtdetektor (wie z. B. einem photoleitenden Schalter) zugeführt. Hierbei kann das THz-Licht detektiert werden, indem der Slave-Laserlichtpuls dem THz-Lichtdetektor zugeführt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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