DE102012008456B4 - Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle und Verfahren zur Frequenzstabilisierung von Licht - Google Patents

Abstract

Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) mit: (a) einer langfristig stabilen, ersten Frequenzquelle (12), die ausgebildet ist zum Aussenden von erster Strahlung (18) mit zumindest einer langfriststabilen Frequenz (f18), (b) einer kurzfristig stabilen, kontinuierlichen zweiten Frequenzquelle (30), die ausgebildet ist zum kontinuierlichen Aussenden von zweiter Strahlung (36) mit zumindest einer kurzfriststabilen Frequenz (f36) aufgrund von stimulierter Emission, und (c) einer Strahlungs-Mischvorrichtung (28), die angeordnet ist zum Erzeugen zumindest eines elektrischen Hochfrequenzsignals (46), anhand dessen ein Frequenzunterschied zwischen der langfriststabilen Frequenz (f18) und der kurzfriststabilen Frequenz (f36) bestimmbar ist, gekennzeichnet durch (d) eine Frequenztrennvorrichtung (54), die angeordnet ist zum Trennen eines Tief-Frequenzanteils (NF) zumindest eines elektrischen Hochfrequenzsignals (46) von einem Rest-Frequenzanteil (nNF) des elektrischen Hochfrequenzsignals (46), und (e) zumindest eine Frequenz- und/oder Phasenmoduliervorrichtung (20, 38) zum Erhöhen einer Frequenzstabilität zumindest einer der Strahlungen (18, 36) anhand zumindest eines der Frequenzanteile (NF, nNF) (f) wobei die Frequenz- und/oder Phasenmoduliervorrichtung ausgebildet ist – zum Verändern der ersten Strahlung (18) anhand des Rest-Frequenzanteils (nNF), so dass eine Kurzfriststabilität der lang-frist-stabilen Strahlung erhöhbar ist und/oder – zum Verändern der zweiten Strahlung (36) anhand des Tief-Frequenzanteils (NF), so dass eine Langfriststabilität der kurz-frist-stabilen Strahlung (36) erhöhbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine frequenzstabilisierte optische Lichtquelle gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erzeugen von Licht.
• Derartige Lichtquellen werden als optische Frequenznormale oder Zeitnormale verwendet. Es ist das Ziel, eine möglichst hohe Ganggenauigkeit zu erzielen. Diese Genauigkeit wird in der Regel durch die Allan-Abweichung charakterisiert. Die Allan-Abweichung kann als Maß für die relative Messunsicherheit in Abhängigkeit von der Mittelungszeit, über die das Frequenzsignal gemittelt wird, angesehen werden und gibt an, wie sehr aufeinanderfolgende Messintervalle im Durchschnitt voneinander abweichen.
• Aus der DE 103 53 908 A1 ist ein Regelungssystem zur Frequenzstabilisierung von Lasern bekannt, bei dem ein abstimmbarer Laser an einen Referenzlaser angekoppelt wird, so dass die Regelung einen besonders großen Einfangbereich hat. Hierzu wird das direkte Schwebungssignal zweier Laser mittels eines Frequenzfilters und einem Gleichrichter in ein Fehlersignal überführt, das im Vergleich zu der Schwebungsfrequenz der Laser niederfrequent ist. Eine Trennung dieses Fehlersignals in hoch- und niederfrequente Rauschanteile erfolgt nicht. Es wird so eine relative Stabilisierung eines Lasers auf einen Referenzlaser erreicht, dessen Eigenschaften möglichst breitbandig und vollständig auf den zweiten Laser übertragen werden sollen. Die mit diesem System erreichbare Stabilität kann jedoch die Stabilität des Referenzlasers nicht übertreffen.
• Aus der DE 12 99 783 A ist ein homodynes Detektorsystem bekannt, bei dem ein erster unstabilisierter Helium-Neon-Laser phasenstarr an einen zweiten unstabilisierten Helium-Neon-Laser angekoppelt wird. Die Erfindung zielt darauf ab, die Phasen- und Frequenzeigenschaften des ersten Lasers möglichst umfassend auf den zweiten Laser zu übertragen. Die mit diesem System erreichbare Stabilität kann jedoch die Stabilität des Helium-Neon-Laser nicht übertreffen. Um die Anregung von Resonanzen bei den Piezoaktoren der Stellantriebe zu vermeiden, wird das elektrische Stellsignal tiefpassgefiltert, eine Trennung des Fehlersignals in hoch- und niederfrequente Anteile zur Verbesserung der absoluten Stabilität erfolgt nicht.
• Eine Art von bekannten frequenzstabilisierten optischen Lichtquellen sind Laser, die eine Kavität aufweisen. Die Kavität wird üblicherweise durch zwei parallele Spiegel gebildet, die mit sehr hoher Genauigkeit bekannte Abmessungen haben, so dass die Wellenlänge mit Hilfe dieser Kavität hochgradig selektiv gewählt werden kann. Nachteilig an derartigen Systemen ist, dass sie driften, das heißt, dass die Allan-Abweichung zunächst mit zunehmender Mittelungszeit fällt, dann aber ein Minimum in einer optimalen Mittelungszeit durchläuft und für lange Mittelungszeiten streng monoton ansteigt. Eine derartige Lichtquelle ist daher beispielsweise für die Darstellung der gesetzlichen Zeit nicht geeignet.
• Bekannt sind zudem Kammlaser, das heißt Femtosekunden-Laser, die auf einen Wasserstoff-Maser stabilisiert sind. Da die Frequenz des Masers in erster Näherung ausschließlich von den quantenmechanischen Eigenschaften des Wasserstoffatoms abhängt und damit zeitlich unveränderbar ist, ist die Allan-Abweichung für große Mittelungszeiten sehr klein. Nachteilig an Wasserstoff-Masern ist jedoch, dass sie bei kleinen Mittlungszeiten relativ große Allan-Abweichungen haben, so dass für Präzisionsmessungen eine lange Mittelungszeit erforderlich ist.
• Als frequenzstabilisierte Frequenzquellen, die für lange Mittelungszeiten eine kleine Allan-Abweichung aufweisen und daher als Zeitnormale beispielsweise für die Darstellung der gesetzlichen Zeit in Betracht kommt, werden vorzugsweise Mikrowellen-Oszillatoren verwendet, deren Frequenz in regelmäßigen kurzen Abständen mit Anregungslinien von Cäsium-Atomen abgeglichen wird. Nachteilig an derartigen Frequenzquellen ist, dass der Abgleich mit den Linien der Cäsium-Atome nicht kontinuierlich erfolgen kann und die Frequenz des Oszillators zwischen zwei Abgleichen frei driftet, was die erreichbare Genauigkeit vermindert.
• Es ist zudem wünschenswert, eine hochstabile optische Frequenz zur Verfügung zu stellen, die per Glasfasernetz über weite Strecken verteilt werden kann.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Nachteile im Stand der Technik zu vermindern.
• Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Lichtquelle mit den Merkmalen von Anspruch 1. Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren gemäß Anspruch 8.
• Vorteilhaft an einer erfindungsgemäßen Lichtquelle ist, dass sie sowohl für kleine Mittelungszeiten als auch für lange Mittelungszeiten eine geringe Allan-Abweichung aufweisen. So ist es möglich, dass die Lichtquelle sowohl für eine Mittelungszeit von τ = 1 Sekunde als auch von τ = 1000 Sekunden eine Allan-Abweichung von weniger als 2 × 10^–14 besitzt.
• Ein weiterer Vorteil der Lichtquelle ist, dass sie relativ kompakt gebaut werden kann, so dass sie sich auch für mobile Anwendungen eignet. So ist die Lichtquelle relativ unempfindlich gegenüber Verkippung. Es ist dabei daher möglich, eine derartige Uhr in einem Satelliten eines Satellitennavigationssystems einzusetzen. Die Erfindung bezieht sich auch auf einen Satelliten mit einer erfindungsgemäßen Lichtquelle. Die Genauigkeit der Positionsbestimmung mit Hilfe eines Satellitennavigationssystems hängt maßgeblich von der Stabilität der verwendeten Uhr ab. Dabei sind sowohl kurzfristige Abweichungen als auch ein längerfristiges Driften unerwünscht.
• Vorteilhaft ist zudem, dass die Lichtquelle dazu verwendet werden kann, einen Frequenzkamm zu erzeugen, dessen Kammmoden auf kurzen Zeitskalen kaum rauschen. Das ermöglicht eine höhere Genauigkeit bei der Spektroskopie.
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Zeitskalen, auf denen die Abweichungen relativ zu einer idealen Lichtquelle erfolgen, sich so stark voneinander unterscheiden, dass sie durch eine Frequenzweiche quasi vollständig voneinander getrennt werden können. Die erhaltenen Frequenzanteile können dann verwendet werden, um die Frequenz der beiden Frequenzquellen zu korrigieren. Man erhält so Licht mit einer Frequenz, die die sowohl für kurze als auch für längere Mittelungszeiten eine geringe relative Abweichung hat.
• Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einer Frequenzquelle eine Vorrichtung verstanden, die elektromagnetische Strahlung einer bis auf geringe Abweichungen gleichbleibenden Frequenz abgibt. Die optische Lichtquelle könnte entsprechend auch als Frequenzquelle bezeichnet werden.
• Unter einer langfristig stabilen Frequenzquelle wird eine Frequenzquelle verstanden, die bei einer Mittelungszeit von mehr als 100 Sekunden eine relative Unsicherheit von weniger als 10^–13, insbesondere 10^–14, besitzt.
• Bei der ersten Frequenzquelle handelt es sich insbesondere um eine Radiofrequenzquelle. Es kann sich bei der ersten Frequenzquelle um eine Frequenzquelle handeln, die auf stimulierter Emission basiert. Beispielsweise umfasst die erste Frequenzquelle einen Maser, insbesondere einen Wasserstoff-Maser. Es ist aber auch möglich, dass die Frequenzquelle ein absorbierender Standard ist. Beispielsweise kann die erste Frequenzquelle eine Teilchenfalle enthalten, in der Atome, beispielsweise ultrakalte Atome wie Cäsiumatome gespeichert sind. Bei dem absorbierenden Standard kann es sich aber auch um ein Kristall handeln, der ein scharfes Absorptionsminimum aufweist. Voraussetzung hierfür ist, dass die Umgebungsparameter des Standards präzise einstellbar sind. Besonders günstig ist es, wenn die erste Frequenzquelle so ausgebildet ist, dass mit ihr eine Frequenz reproduziert werden kann, die nur von Naturkonstanten abhängt.
• Unter der kurzfristig stabilen kontinuierlichen Frequenzquelle wird insbesondere ein stabilisierter Laser verstanden, der beispielsweise eine Kavität umfasst.
• Bei der Frequenz-Trennvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine analoge Frequenz-Trennvorrichtung, beispielsweise einem Tiefpass oder einem Hochpass. Der Tief-Frequenzanteil enthält Frequenzen, die in der Regel sehr klein sind, beispielsweise höchstens 10 Hertz, insbesondere höchstens 1 Hertz. Der Rest-Frequenzanteil enthält die übrigen Frequenzanteile.
• Unter den Hochfrequenzsignalen wird insbesondere ein elektrisches Signal verstanden, das eine Frequenz von mehr als 100 kHz hat. Die genaue Frequenz des Hochfrequenzsignals ist jedoch nicht entscheidend, maßgeblich ist lediglich, dass sich anhand des Hochfrequenzsignals der Frequenzunterschied zwischen den Frequenzen der Lichtquellen ermitteln lässt. Das setzt aber nicht voraus, dass dieser Frequenzunterschied tatsächlich bestimmt wird. Maßgeblich ist nur, dass zumindest einer der Frequenzanteile, also der Tief-Frequenzanteile und/oder der Rest-Frequenzanteile dazu verwendet wird, um die Frequenzstabilität der jeweils entsprechenden Frequenzquellen zu erhöhen. Beispielsweise ist die Frequenzmoduliervorrichtung so eingerichtet, dass sie unter Verwendung des Rest-Frequenzanteils Licht der zweiten, kurzfristig stabilen Frequenzquelle mittels des Tief-Frequenzanteils so in seiner Frequenz verändert, dass es auch für lange Mittelungszeiten eine geringe relative Abweichung besitzt.
• Unter einer Frequenzmoduliervorrichtung wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die so angeordnet ist, dass durch Beaufschlagen der Frequenzmoduliervorrichtung mit einem Wechselstromsignal die Frequenz zumindest einer der Strahlungen modulierbar ist. Es ist möglich, dass die Frequenzmoduliervorrichtung Teil zumindest einer der Frequenzquellen ist. So kann die Frequenzmoduliervorrichtung ein frequenzstellendes Glied eines Femtosekundenlasers umfassen, so dass die Frequenzmoden des erzeugten Frequenzkamms im Frequenzraum verschiebbar sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Frequenzmoduliervorrichtung auch außerhalb der Frequenzquellen angeordnet und beispielsweise zumindest einen akusto-optischen Modulator umfassen.
• Unter dem kontinuierlichen Aussenden von Strahlung wird auch das Aussenden eines Frequenzkamms verstanden. Zwar lässt sich der Frequenzkamm im Zeitbild als Folge kurzer Intensitätsspitzen beschreiben, im Frequenzbild entspricht dem aber eine Überlagerung mehrerer, kontinuierlich ausgesendeter Frequenzen, die sich aber zwischen zwei Intensitätsspitzen jeweils zu null addieren.
• Die zweite Frequenzquelle umfasst zum Aussenden der zweiten Strahlung in der Regel ein Medium, das durch eine Pumpvorrichtung optisch gepumpt und so zu stimulierter Emission angeregt werden kann, sowie eine zugeordnete Pumpvorrichtung.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Frequenzquelle ausgebildet zum kontinuierlichen Aussenden erster Strahlung mit zumindest einer langfriststabilen Frequenz aufgrund von stimulierter Emission. Insbesondere umfasst die erste Frequenzquelle einen Maser. Vorteilhaft daran ist, dass die Strahlung und damit deren Frequenz permanent zur Verfügung steht. Ein freies Driften zwischen zwei Frequenzabgleichen, wie es bei Oszillatoren bekannt ist, die an Cäsium-Atome angekoppelt sind, kann nicht stattfinden. Vorteilhaft ist zudem, dass kontinuierliche Frequenzquellen für lange Mittelungszeiten die höchsten Genauigkeiten ermöglichen.
• Vorzugsweise hat die (i) erste, langfriststabile Frequenzquelle eine erste Allan-Abweichung, die ein Minimum in einer ersten Minimal-Abweichung besitzt eine Plateauanfangs-Mittelungszeit hat, die die kleinste Mittelungszeit ist, bei der die erste Allan-Abweichung kleiner ist als das Doppelte der Erstminimal-Abweichung, wobei (ii) die zweite kurzfristig stabile Frequenzquelle eine zweite Allan-Abweichung hat, die ein globales Minimum für eine optimale Mittelungszeit in einer zweiten Minimal-Abweichung durchläuft, und wobei (iii) die Frequenztrennvorrichtung eine Grenzfrequenz hat, für die gilt, dass alle Frequenzanteile mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz zumindest überwiegend in den Rest-Frequenzanteil eingehen und alle Frequenzanteile mit einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz zumindest überwiegend in die Tiefen-Frequenzanteile eingehen und dass der Reziprokwert der Grenzfrequenz zwischen der optimalen Mittelungszeit und der Plateauanfangs-Mittelungszeit liegt. Hierdurch kann eine besonders hohe Genauigkeit sowohl für kurze als auch für lange Mittelungszeiten erreicht werden.
• Vorzugsweise ist die Plateauanfangs-Mittelungszeit größer als 100 Sekunden, insbesondere größer als 1000 Sekunden. Vorzugsweise ist zudem die optimale Mittelungszeit kleiner als 10 Sekunden. Die Grenzfrequenz liegt folglich vorzugsweise zwischen 1 Millihertz und 1 Hertz. Die genannten Merkmale hinsichtlich der ersten Allan-Abweichung und der zweiten Allan-Abweichung haben zur Folge, dass die Zeitbereiche, auf denen die höchsten Genauigkeiten mit den beiden Frequenzquellen erreicht werden können, hinreichend weit voneinander beabstandet sind. Das wiederum ermöglicht es, durch Trennung des Hochfrequenzsignals in die beiden Frequenzanteile genau die Frequenzanteile zu bestimmen, die zur Korrektur der jeweiligen Frequenzquelle notwendig ist.
• Günstig ist es, wenn die langfristig stabile, kontinuierliche erste Frequenzquelle einen Maser und einen Frequenzkammlaser, der phasenstarr an den Maser gekoppelt ist, aufweist. Auf diese Weise wird Licht erhalten, das gut mit dem Licht der zweiten Frequenzquelle gemischt werden kann.
• Vorzugsweise umfasst die zweite Frequenzquelle einen stabilisierten Laser. Insbesondere umfasst der stabilisierte Laser einen internen Frequenzselektor. Dabei kann es sich um einen passiven Resonator, wie einen Fabry-Pérot-Resonator handeln. Es ist auch möglich, dass der stabilisierte Laser ein Kristall mit linienförmigem Minimum in dem Absorptionsspektrum (spectral hole burnt crystal) umfasst. Derartige Laser haben auf kurze Zeitskalen eine besonders geringe Allan-Abweichung.
• Die Frequenzmoduliervorrichtung ist ausgebildet zum Verändern der ersten Strahlung anhand des Rest-Frequenzanteils, so dass eine Kurzfriststabilität der langfristigen Strahlung erhöhbar ist. Unter dem Erhöhen der Kurzfriststabilität wird verstanden, dass die Allan-Abweichung für Mittelungszeiten von unter 100 Sekunden verringert wird.
• Alternativ oder zusätzlich ist die Frequenzmoduliervorrichtung ausgebildet zum Verändern der zweiten Strahlung anhand des Tief-Frequenzanteils, so dass eine Langfriststabilität der kurzfriststabilen Strahlung erhöhbar ist. Unter dem Erhöhen der Langfriststabilität der kurzfristigen Stabilität wird insbesondere verstanden, dass die Allan-Abweichung für Mittelungszeiten oberhalb von 10 Sekunden verbessert, das heißt verringert wird.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (a) einen Hilfslaser zum Aussenden von Hilfslaserstrahlung, wobei (b) die Strahlungs-Mischvorrichtung angeordnet ist zum Mischen von Hilfslaserstrahlung der ersten Strahlung, so dass ein erstes Hilfs-Hochfrequenzsignal entsteht und vor allem Hilfslaserstrahlung mit der zweiten Strahlung, so dass ein zweites Hilfs-Hochfrequenzsignal entsteht, (c) eine erste Hilfs-Radiofrequenzquelle zum Abgeben von erster Hilfs-Radio-Frequenzstrahlung (d) eine zweite Hilfs-Radio-Frequenzquelle zum Abgeben zweiter Hilfs-Radio-Frequenzquelle zum Abgeben von zweiter Hilfs-Radio-Frequenzstrahlung, (e) einen ersten Phasenkomparator, der angeordnet ist zum Mischen der ersten Hilfs-Radio-Frequenzstrahlung mit dem ersten Hilfs-Hochfrequenzsignal, so dass ein Fehlersignal erhalten wird, (f) einen zweiten Phasenkomparator, der angeordnet ist zum Mischen der zweiten Radio-Frequenzstrahlung mit dem zweiten Hilfs-Hochfrequenzsignal, so dass ein elektrisches Stellsignal entsteht, umfasst, wobei (g) die Frequenz-Trennvorrichtung angeordnet ist zum Trennen des Tief-Frequenzanteils des ersten elektrischen Hochfrequenzsignals vom Rest-Frequenzanteil des ersten elektrischen Hochfrequenzsignals, wobei (h) die erste Hilfs-Radio-Frequenzquelle mit der Frequenztrennvorrichtung zum Regeln mittels des Rest-Frequenzanteils verbunden ist und wobei (i) die zweite Hilfs-Radio-Frequenzquelle mit der Frequenztrennvorrichtung zum Regeln mittels des Tief-Frequenzanteils verbunden ist.
• Es ist möglich, dass die Hilfs-Radio-Frequenzquelle die erste Frequenzquelle ist oder an diese angekoppelt ist.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
• 1 ein Schema einer erfindungsgemäßen optischen Lichtquelle gemäß einer ersten Ausführungsform,
• 2 ein Schema einer erfindungsgemäßen frequenzstabilisierten optischen Lichtquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform,
• 3 eine Detailansicht einer Frequenztrennvorrichtung für die Lichtquelle nach einer der vorstehenden Figuren,
• 4 einen Versuchsaufbau aus zwei erfindungsgemäßen optischen Lichtquellen und
• 5 Teilfiguren 5a, 5b und 5c die für die erste Frequenzquelle, die zweite Frequenzquelle und die erfindungsgemäße frequenzstabilisierte optische Lichtquelle erreichbaren Allan-Abweichungen.
• 1 zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen frequenzstabilisierten optischen Lichtquelle 10, die eine erste Frequenzquelle 12 besitzt, die einen Maser 14 in Form eines Wasserstoff-Masers und einen Frequenzkammlaser 16 in Form eines Femtosekunden-Lasers, der an den Maser 14 bevorzugt phasenstarr gekoppelt ist, aufweist. Im Betrieb gibt die erste Frequenzquelle 12 erste Strahlung 18 in Form eines Frequenzkamms ab. Die erste Strahlung 18 besitzt unter anderem einen Frequenzanteil mit der Frequenz f₁₈.
• Die erste Strahlung 18 tritt in Form eines Laserstrahls zunächst durch einen akusto-optischen Modulator 20 und wird dann mittels eines Strahlteilers 22 in einen ersten Nutzstrahl 24 und einen ersten Nebenstrahl 26 aufgespalten. Der erste Nebenstrahl 26 fällt auf eine Strahlungs-Mischvorrichtung 28.
• Die Lichtquelle 10 umfasst zudem eine zweite Frequenzquelle 30 mit einem Laser 32. Der Laser 32 ist mittels eines Fabry-Pérot-Resonators 34 frequenzstabilisiert. Nicht eingezeichnet ist eine Temperatur-Stabilisierungsvorrichtung, mittels der die Temperatur des Lasers 32 konstant gehalten wird. Je genauer die Temperatur gehalten werden kann, umso höher ist die Frequenzstabilität der zweiten Frequenzquelle 30. Beispielsweise ist die Temperatur-Stabilisierungsvorrichtung eingerichtet zum Stabilisieren der Temperatur mit einer zeitlichen Temperaturschwankung von unter einem Mikrokelvin pro Sekunde.
• Der Resonator 34 ist vorzugsweise aus einem Material gefertigt, das bei der Betriebstemperatur des Lasers 32 einen Nulldurchgang des thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Günstig ist es zudem, wenn die Spiegel des Resonators 34 so montiert sind, dass sie bei thermischer Ausdehnung keine Wölbung zeigen.
• Beim Betrieb gibt die zweite Frequenzquelle 30 zweite Strahlung 36 in Form eines Laserstrahls mit einer Frequenz f₃₆ ab, der zunächst durch einen zweiten akusto-optischen Modulator 38 tritt und danach mittels eines zweiten Strahlteilers 40 in einen zweiten Nutzstrahl 42 und einen zweiten Nebenstrahl 44 aufgespalten wird. Der zweite Nebenstrahl 44 wird in der Strahlungs-Mischvorrichtung 28 mit dem ersten Nebenstrahl 26 gemischt, so dass ein elektrisches Hochfrequenzsignal 46 entsteht. Eine dominante Frequenz f₄₆, also die Frequenz mit der höchsten Spektralintensität liegt beispielsweise bei mehreren 10 Megahertz. Das elektrische Hochfrequenzsignal 46 wird mit einer Hilfs-Radiofrequenzstrahlung 48 in einem Phasenkomparator 50 verglichen, so dass ein Fehlersignal 52 entsteht.
• Das Fehlersignal 52 umfasst ein Frequenzgemisch und wird zu einer Frequenztrennvorrichtung 54 geführt, die auch als Frequenzweiche 54 bezeichnet werden kann. Die Frequenzweiche 54 hat eine Grenzfrequenz f_grenz von im vorliegenden Fall f_grenz = 0,03 Hz. Die Frequenzanteile, deren Frequenz größer ist als die Grenzfrequenz f_grenz werden an einen ersten spannungsgesteuerten Oszillator 56 geleitet.
• Das verbleibende Signal, das den Rest-Frequenzanteil nNF enthält, wird auf einen zweiten Oszillator 58 geleitet. Es ist zwar möglich, dass die Frequenzweiche 54 keine scharfe Trennung der Frequenzen vornimmt, besonders günstig ist es aber, wenn die Frequenzanteile oberhalb der Grenzfrequenz f_grenz vollständig auf den ersten Oszillator und die verbleibenden Frequenzanteile der Frequenzen die höchstens die Grenzfrequenz f_grenz haben, auf den zweiten Oszillator 58 geleitet werden.
• Der Rest-Frequenzanteil nNF fungiert als variable Steuerspannung, mit der die Mittenfrequenz des ersten Oszillators 56, die im Megahertzbereich liegt, variiert wird. Der erste Oszillator 56 erzeugt ein erstes Steuersignal 60, das am ersten akusto-optischen Modulator 20 anliegt. Der akusto-optischen Modulator 20 moduliert die erste Strahlung 18 so, dass die kurzfristigen Frequenzfluktuationen des Masers 14 kompensiert werden. Der erste Nutzstrahl 24, der beispielsweise in eine Glasfaser 64 eingekoppelt werden kann, hat durch die oben beschriebene Schaltung eine höhere Frequenzstabilität für kurze Mittelungszeiten τ als ohne Fehlerkompensation.
• Der Tief-Frequenzanteil NF fungiert als variable Steuerspannung, mit der die Mittenfrequenz des zweiten Oszillators 58, die ebenfalls im Megahertzbereich liegt, variiert wird. Das zweite Steuersignal 62 liegt am zweiten akusto-optischen Modulator 38 an und korrigiert die langfristige Drift der zweiten Frequenzquelle 30. Der zweite Nutzstrahl 42, der ebenfalls in eine Glasfaser 64 eingekoppelt werden kann, hat damit eine höhere Frequenzstabilität für lange Mittelungszeiten als es ohne die Rückführung des Fehlersignals 52 möglich wäre. Es werden damit zwei Nutzsignale 24, 42 erhalten. Der erste Nutzstrahl 24 enthält einen Frequenzkamm mit mehreren optischen Kammmoden. Der zweite Nutzstrahl 42 enthält eine optische Frequenz.
• Die Hilfs-Radiofrequenzstrahlung 48 kommt von einer Hilfs-Radio-Frequenzquelle 66, die beispielsweise über einen Teiler 68, beispielsweise einen 1:100-Teiler, mit dem Maser 14 verbunden ist. Wenn es sich bei dem Maser 14 um einen Wasserstoff-Maser handelt, so läuft dieser auf einer Frequenz von f₁₄ = 1,42 GHz. Die Hilfs-Radiofrequenzquelle 66 läuft dann auf f₁₄/100 = 14,2 MHz. Es ist aber gemäß einer weiteren Ausführungsform auch möglich, dass der Maser 14 beispielsweise auf einer Frequenz von 100 MHz läuft und der Teiler 68 ein 1:10-Teiler ist, so dass Hilfs-Radiofrequenzquelle 66 auf f₁₄/100 = 10 MHz läuft.
• 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lichtquelle 10 mit der ersten Frequenzquelle 12, der zweiten Frequenzquelle 30 und der Strahlungs-Mischvorrichtung 28, die im vorliegenden Fall zwei Photodetektoren 28a und 28b umfasst. Die Strahlungsmischvorrichtung 28 erzeugt zwei Hochfrequenzsignale 46a und 46b.
• Die Lichtquelle 10 umfasst die ersten Hilfs-Radiofrequenzquelle 66 zum Abgeben der ersten Hilfs-Radiofrequenzstrahlung 48, die im ersten Phasenkomparator 50 mit dem ersten Hilfs-Hochfrequenzsignal 46 gemischt wird. Es entsteht das erste Fehlersignal 52.
• Die Lichtquelle 10 umfasst zudem eine zweite Hilfs-Radiofrequenzquelle 74 zum Abgeben einer Hilfs-Radiofrequenzstrahlung 76, die im zweiten Phasenkomparator 51 mit dem zweiten elektrischen Hochfrequenzsignal 46b gemischt wird, so dass ein elektrisches Stellsignal 78 entsteht. Die Hilfs-Radiofrequenzquelle 74 ist beispielsweise abgeleitet aus der Frequenz eines Wasserstoff-Masers oder einer Atomuhr, wie einer Cäsium-Atomuhr. Alternativ kann auch das Zeitsignal eines Satellitennavigationssystems wie GPS, Glonas oder Galilei verwendet werden.
• Das elektrische Stellsignal 78 wird zum Hilfslaser 70 geleitet und kompensiert dort sowohl kurzfristige als auch langfristige Frequenzänderungen, so dass die Hilfslaserstrahlung 72 eine hohe Frequenzstabilität sowohl für kurze als auch für lange Ermittlungszeiten aufweist und damit die gewünschten Frequenzeigenschaften hat. Es ist möglich, mittels eines Strahlteilers 80 die Hilfslaserstrahlung 72 als Nutzstrahlung auszukoppeln.
• Die Frequenztrennvorrichtung 54 trennt den Tief-Frequenzanteil NF des ersten elektrischen Hochfrequenzsignals 46b vom Rest-Frequenzanteil nNF. Der Rest-Frequenzanteil nNF wird auf die Hilfs-Radiofrequenzquelle 66 geschaltet, so dass die Hilfs-Radiofrequenzstrahlung 48 die gleichen hochfrequenten Abweichungen (Rauschen) hat wie die erste Frequenzquelle 12. Der Tief-Frequenzanteil NF wird zur zweiten Hilfs-Radiofrequenzquelle 74 geleitet, so dass diese betragsmäßig die gleiche Drift besitzt wie die zweite Frequenzquelle 30
• 3 zeigt eine Detailansicht der Frequenztrennvorrichtung 54. Es ist zu erkennen, dass die Frequenztrennvorrichtung 54 einen Tiefpass 82 besitzt, der den Tief-Frequenzanteil NF aus dem Fehlersignal 52 erzeugt. Durch eine Subtraktionsschaltung 84 wird dann das Rest-Frequenzanteil nNF durch Subtraktion erzeugt.
• 4 zeigt einen Versuchsaufbau aus zwei erfindungsgemäßen optischen Lichtquellen 10.1, 10.2 zur Messung der Frequenzstabilität der beiden Lichtquellen 10.1, 10.2. Es ist zu erkennen, dass die beiden ersten Frequenzquellen 12.1, 12.2 durch Wasserstoff-Maser gebildet sind. Die zweite Frequenzquelle 30.1 des ersten Systems ist über eine Siliziumkavität in Form eines Fabry-Pérot-Resonators aus Silizium stabilisiert. Die zweite Frequenzquelle 30.2 der zweiten Lichtquelle 10.2 ist über eine Fabry-Pérot-Kavität mit ultrakleinem Ausdehnungskoeffizienten (ULE, ultra low expension) stabilisiert.
• 5 zeigt in seiner Teilfigur 5a die Schwebungsfrequenz f₇₂ der Hilfslaserstrahlung 72 der beiden Hilfslaser 70.1, 70.2 sowie die Summe Σ der Schwebungsfrequenzen jedes der Hilfslaser 70.1, 70.2 gegenüber der nächsten Kammode des Frequenzkamms 18.1, 18.2.
• Die Teilfigur 5b zeigt die Schwebungsfrequenz f_S,70 der beiden Hilfslaser 70.1, 70.2 und die Schwebungsfrequenz f_S,30 der zweiten Frequenzquellen 30.1, 30.2 zu zwei verschiedenen y-Achsen.
• 5c zeigt die Allan-Abweichungen der Frequenzquellen 12, 30 sowie der Hilfslaser 70. Es ist zu erkennen, dass die ersten Frequenzquellen 12 eine erste Allan-Abweichung σ_y,1(τ) haben, die ein Minimum in einer ersten Minimal-Abweichung A_1,min besitzt. Diese erste Minimal-Abweichung A_1,min kann, wie im vorliegenden Fall, am Rande des Intervalls der Mittlungszeiten τ liegen.
• Es existiert eine Plateauanfangs-Mittlungszeit τ_1,PA, bei der die erste Allan-Abweichung σ_Y,1(τ) kleiner ist als das Doppelte der ersten Minimal-Abweichung A_1,min. Es gilt also σ_Y,1(τ_1,PA) = 2 A_1,min. Die Plateauanfangs-Mittlungszeit τ_1,PA, kann daher als diejenige Mittlungszeit τ angesehen werden, ab der die Frequenzstabilität der ersten Frequenzquelle 12 kaum noch durch längere Mittlungszeiten τ verbesserbar ist.
• Die zweite Frequenzquelle 30 besitzt eine zweite Allan-Abweichung σ_Y,2(τ), die ein globales Minimum für eine optimale Mittelungszeit τ_2,opt in einer zweiten Minimal-Abweichung A_2,min durchläuft. Die Grenzfrequenz f_grenz der Frequenztrennvorrichtung 54 ist so gewählt, dass der Kehrwert zwischen der optimalen Mittlungszeit τ_2,opt und der Plateauanfangs-Mittlungszeit τ_1,PA liegt. Auf diese Weise werden Fehlereinflüsse optimal separiert. Im vorliegenden Fall gilt 1/τ_1,PA (= 0,4 msec) < f_grenz < 1/τ_2,opt (= 2 sec).
• 2 zeigt ergänzend eine mögliche Abwandlung dahingehend, dass die Lichtquelle 10 einen zweiten Hilfslaser 86 umfasst, der phasenstarr an den Hilfslaser 70 angekoppelt ist. Es ist möglich, dass der zweite Hilfslaser 86 auf einer anderen Frequenz läuft als der Hilfslaser 86. Auf diese Weise kann Licht 88 einer weiteren Frequenz mit hoher Frequenzstabilität zur Verfügung gestellt werden.
• Bezugszeichenliste

10

Lichtquelle

12

erste Frequenzquelle

14

Maser

16

fs-Laser

18

erste Strahlung

20

akusto-optischer Modulator

22

Strahlteiler

24

erster Nutzstrahl

26

erster Nebenstrahl

28

Strahlungs-Mischvorrichtung

28a, b

Photodetektor

30

zweite Frequenzquelle

32

Laser

34

Resonator

36

zweite Strahlung

38

zweiter akusto-optischer Modulator

40

zweiter Strahlteiler

42

zweiter Nutzstrahl

44

zweiter Nebenstrahl

46

el. Hochfrequenzsignal

48

Hilfs-Radiofrequenzstrahlung

50

Phasenkomparator

51

zweiter Phasenkomparator

52

Fehlersignal

54

Frequenztrennvorrichtung, Frequenzweiche

56

erster Oszillator

58

zweiter Oszillator

60

erstes Steuersignal

62

zweites Steuersignal

64

Glasfaser

66

Hilfs-Radiofrequenzquelle

68

Teiler

70

Hilfslaser

72

Hilfslaserstrahlung

74

zweite Hilfs-Radiofrequenzquelle

76

Hilfs-Radiofrequenzstrahlung

78

Stellsignal

80

Strahlteiler

82

Tiefpass

84

Subtraktionsschaltung

86

zweiter Hilfslaser

88

Licht

f_46,dom

dominantes Signal

f_Grenz

Grenzfrequenz

f₁₄

dominantes Signal

NF

Tief-Frequenzanteil

nNF

Rest-Frequenzanteil

τ

Mittelungszeit

Claims (8)

1. Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) mit: (a) einer langfristig stabilen, ersten Frequenzquelle (12), die ausgebildet ist zum Aussenden von erster Strahlung (18) mit zumindest einer langfriststabilen Frequenz (f₁₈), (b) einer kurzfristig stabilen, kontinuierlichen zweiten Frequenzquelle (30), die ausgebildet ist zum kontinuierlichen Aussenden von zweiter Strahlung (36) mit zumindest einer kurzfriststabilen Frequenz (f₃₆) aufgrund von stimulierter Emission, und (c) einer Strahlungs-Mischvorrichtung (28), die angeordnet ist zum Erzeugen zumindest eines elektrischen Hochfrequenzsignals (46), anhand dessen ein Frequenzunterschied zwischen der langfriststabilen Frequenz (f₁₈) und der kurzfriststabilen Frequenz (f₃₆) bestimmbar ist, gekennzeichnet durch (d) eine Frequenztrennvorrichtung (54), die angeordnet ist zum Trennen eines Tief-Frequenzanteils (NF) zumindest eines elektrischen Hochfrequenzsignals (46) von einem Rest-Frequenzanteil (nNF) des elektrischen Hochfrequenzsignals (46), und (e) zumindest eine Frequenz- und/oder Phasenmoduliervorrichtung (20, 38) zum Erhöhen einer Frequenzstabilität zumindest einer der Strahlungen (18, 36) anhand zumindest eines der Frequenzanteile (NF, nNF) (f) wobei die Frequenz- und/oder Phasenmoduliervorrichtung ausgebildet ist – zum Verändern der ersten Strahlung (18) anhand des Rest-Frequenzanteils (nNF), so dass eine Kurzfriststabilität der lang-frist-stabilen Strahlung erhöhbar ist und/oder – zum Verändern der zweiten Strahlung (36) anhand des Tief-Frequenzanteils (NF), so dass eine Langfriststabilität der kurz-frist-stabilen Strahlung (36) erhöhbar ist.
2. Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenzquelle (12) ausgebildet ist zum kontinuierlichen Aussenden von erster Strahlung (18) mit zumindest einer langfriststabilen Frequenz (f₁₈) aufgrund von stimulierter Emission.
3. Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (i) die erste, langfristig stabile Frequenzquelle (12) eine erste Allan-Abweichung (σ_y,1(τ)) hat, – wobei die erste Allan-Abweichung (σ_y,1(τ)) ein Minimum in einer ersten Minimal-Abweichung (A_1,min) besitzt und – wobei die erste Allan-Abweichung (σ_y,1(τ)) eine Plateauanfangs-Mittelungszeit (τ_1,PA) hat, die die kleinste Mittelungszeit (τ) ist, bei der die erste Allan-Abweichung (σ_y,1(τ)) kleiner ist als das Doppelte der ersten Minimal-Abweichung (A_1,min), (ii) die zweite, kurzfristig stabile Frequenzquelle (30) eine zweite Allan-Abweichung (σ_y,2(τ)) hat, die ein globales Minimum für eine optimale Mittelungszeit (τ_2,opt) in einer zweiten Minimal-Abweichung (A_2,min) durchläuft, und dass (iii) die Frequenztrennvorrichtung (54) eine Grenzfrequenz (f_Grenz) hat, für die gilt, dass – alle Frequenzanteile mit einer Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz (f_Grenz) zumindest überwiegend in den Rest-Frequenzanteil eingehen und alle Frequenzanteile mit einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz (f_Grenz) zumindest überwiegend in den Tief-Frequenzanteil eingehen, und dass – der Reziprokwert der Grenzfrequenz (f_Grenz) zwischen der optimalen Mittelungszeit (τ_2,opt) und der Plateauanfangs-Mittelungszeit (τ_1,PE) liegt.
4. Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die langfristig stabile, kontinuierliche erste Frequenzquelle (12) einen Maser (14) und einen Frequenzkammlaser (16), der phasenstarr an den Maser (14) gekoppelt ist, aufweist.
5. Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Frequenzquelle (30) einen stabilisierten Laser (32) umfasst.
6. Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzmoduliervorrichtung (20, 38) im Lichtpfad vor der Strahlungs-Mischvorrichtung (28) angeordnet ist.
7. Frequenzstabilisierte optische Lichtquelle (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch (a) einen Hilfslaser (70) zum Aussenden von Hilfslaserstrahlung (72), (b) wobei die Strahlungs-Mischvorrichtung (28) angeordnet ist zum Mischen von – Hilfslaserstrahlung (72) mit der ersten Strahlung (18), so dass ein erstes Hilfs-Hochfrequenzsignal (46a) entsteht, und – Hilfslaserstrahlung (72) mit der zweiten Strahlung (36), so dass ein zweites Hilfs-Hochfrequenzsignal (46b) entsteht, (c) eine ersten Hilfs-Radiofrequenzquelle (66) zum Abgeben von erster Hilfs-Radiofrequenzstrahlung (48), (d) eine zweite Hilfs-Radiofrequenzquelle (74) zum Abgeben von zweiter Hilfs-Radiofrequenzstrahlung (76), (e) einen erste Phasenkomparator (50), der angeordnet ist zum Mischen der ersten Hilfs-Radiofrequenzstrahlung (48) mit dem ersten Hilfs-Hochfrequenzsignal (46a), so dass ein Fehlersignal (52) erhalten wird, und (f) einen zweiten Phasenkomparator (51), der angeordnet ist zum Mischen der zweiten Hilfs-Radiofrequenzstrahlung (76) mit dem zweiten Hilfs-Hochfrequenzsignal (46b), so dass ein elektrisches Stellsignal (78) entsteht, (g) wobei die Frequenztrennvorrichtung (54) angeordnet ist zum Trennen des Tief-Frequenzanteils (NF) des ersten elektrischen Hochfrequenzsignals (46a) vom Rest-Frequenzanteil (nNF) des ersten elektrischen Hochfrequenzsignals (46a), (h) wobei die erste Hilfs-Radiofrequenzquelle (66) mit der Frequenztrennvorrichtung (54) zum Regeln mittels des Rest-Frequenzanteils (nNF) verbunden ist, (i) wobei die zweite Hilfs-Radiofrequenzquelle (74) mit der Frequenztrennvorrichtung (54) zum Regeln mittels des Tief-Frequenzanteils (NF) verbunden ist.
8. Verfahren zum Erzeugen von Licht (88) mit einer Allan-Abweichung (σ_y,1(τ)) von weniger als 10^–14 für Mittelungszeiten (τ) zwischen 1 Sekunde und 1000 Sekunden, mit den Schritten: (a) kontinuierliches Aussenden von erster Strahlung (18) mit zumindest einer langfriststabilen Frequenz (f₁₈), insbesondere aufgrund von stimulierter Emission, mittels einer langfristig stabilen, kontinuierlichen ersten Frequenzquelle (12), (b) kontinuierliches Aussenden von zweiter Strahlung (36) mit zumindest einer kurzfriststabilen Frequenz (f₃₆) aufgrund von stimulierter Emission mittels einer kurzfristig stabilen, kontinuierlichen zweiten Frequenzquelle (30), (c) Erzeugen zumindest eines elektrischen Hochfrequenzsignals (46, 46a), anhand dessen ein Frequenzunterschied zwischen der langfriststabilen Frequenz (f₁₈) und der kurzfriststabilen Frequenz (f₃₈) bestimmbar ist, mittels einer Strahlungs-Mischvorrichtung (28), (d) Trennen des elektrischen Hochfrequenzsignals (46, 46a) in einen Tief-Frequenzanteil (NF) und einen Rest-Frequenzanteil (nNF) mittels einer Frequenztrennvorrichtung (54) und (e) Modulieren zumindest einer der Strahlungen (18, 36) anhand zumindest eines der Frequenzanteile (nNF, NF), so dass die Frequenzstabilität der zumindest einen Strahlung (18, 36) erhöht wird.

Images