DE102012023605A1

DE102012023605A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung

Info

Publication number: DE102012023605A1
Application number: DE102012023605.0A
Authority: DE
Inventors: Armin Zach; Thomas Puppe; Dr. Hellerer Thomas
Original assignee: Toptica Photonics AG
Current assignee: Toptica Photonics AG
Priority date: 2012-12-04
Filing date: 2012-12-04
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-12-05
Also published as: US20150303639A1; US10355440B2; JP2016502685A; JP6549989B2; WO2014086834A1; DE102012023605B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, wobei elektromagnetische Strahlung, deren Spektrum zwei oder mehr spektrale Komponenten aufweist, erzeugt wird und eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt. Die Erfindung schlägt vor, dass die Phasenstellung eine Phasenverschiebung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die relative Phasenbeziehung der spektralen Komponenten vorgebbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit einem Pulslaser (1), der eine Abfolge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen erzeugt, wobei das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers (1) das Spektrum eines optischen Frequenzkamms ist, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate charakterisiert ist. Weiterhin weist die Vorrichtung einen Phasensteller (5) auf, der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers (1) bewirkt. Gemäß der Erfindung ist mittels des Phasenstellers (5) die Offsetfrequenz der Spektrallinien des optischen Frequenzkamms durch zeitproportionale Phasenstellung verstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit den Verfahrensschritten

– Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, deren Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist,
– Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit

– einer Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung erzeugt, deren Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist,
– einem Phasensteller, der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung der Lichtquelle bewirkt.

Mittels eines modengekoppelten Lasers kann eine Abfolge von kurzen Lichtpulsen erzeugt werden. Dabei werden im Resonator des Lasers eine Mehrzahl von Eigenschwingungen mit verschiedenen Frequenzen angeregt. Diese Eigenschwingungen werden auch als Moden bezeichnet. Jede Mode stellt eine spektrale Komponente im Spektrum der erzeugten elektromagnetischen Strahlung dar. Durch geeignete Mechanismen kann zwischen den Moden eine feste Phasenbeziehung hergestellt werden. Dies wird auch als Modensynchronisation oder Modenkopplung bezeichnet. Aufgrund der Modenkopplung kommt es zur Abstrahlung der Lichtpulse mit einem zeitlichen Abstand, der einer Umlaufzeit eines Laserpulses im Resonator des Lasers entspricht. Aus der zeitlichen Äquidistanz der Lichtpulse folgt unmittelbar, dass das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung äquidistante Spektrallinien aufweist. Ein solches Spektrum wird auch als optischer Frequenzkamm bezeichnet. Der optische Frequenzkamm ist durch die Repetitionsrate, d. h. den inversen Wert der Umlaufzeit der Lichtpulse im Resonator, und eine Offsetfrequenz charakterisiert. Die Offsetfrequenz wird auch als CEO-Frequenz (Carrier-Envelope-Offset) bezeichnet. Die Frequenzen der einzelnen Spektrallinien des optischen Frequenzkamms sind dabei nicht ganzzahlige Vielfache der Repetitionsrate. Für die Frequenz f_i der Spektrallinie mit dem Index i des Frequenzkamms gilt f_i = f_CEO + iΔf. Dabei ist f_CEO die besagte Offsetfrequenz. Δf ist der Abstand der Spektrallinien im Frequenzkamm, d. h. die Repetitionsrate. Die Offsetfrequenz ist dadurch bedingt, dass die Gruppengeschwindigkeit der Lichtpulse von der Phasengeschwindigkeit der sich überlagernden Moden im Resonator des Lasers abweicht. Die Größe der Offsetfrequenz hängt dabei von Umgebungseinflüssen ab, z. B. von der Temperatur, aber auch von der Pumpleistung des Lasers usw. Dies führt dazu, dass die Offsetfrequenz zeitlich nicht stabil ist.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Techniken bekannt, um die Offsetfrequenz zu ermitteln und durch geeignete Regelung zu stabilisieren. So beschreibt beispielsweise die DE 199 11 103 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Lichtpulsen sowie deren Anwendung zur Synthese optischer Frequenzen. Bei dem vorbekannten Ansatz wird durch Einführung einer vorbestimmten linearen Dispersion in den Resonator des Lasers jede Mode einer spektral spezifischen Frequenzänderung unterzogen. Auf dieser Basis wird eine Regelung zur simultanen Einstellung der Dispersion und der Resonatorlänge vorgeschlagen, mit der die Gruppen- und Phasengeschwindigkeit geregelt werden können. Die Einstellung der Dispersion erfolgt beispielsweise über ein Einschieben eines linear dispersiven Elements (z. B. Glaskeil) in den Strahlengang des Resonators. Alternativ kann der Resonator einen schwenkbaren Endspiegel aufweisen. Ein Nachteil dieser Maßnahmen ist, dass jede Änderung der Dispersion zwangsläufig mit einer Änderung der optischen Weglänge im Resonator einhergeht, d. h. mit einer Änderung der Resonatorraumlaufzeit und damit mit einer Änderung des Linienabstands der Spektrallinien des Frequenzkamms. Dies macht eine zweite Regelung, beispielsweise der Resonatorlänge erforderlich. Somit sind bei dem vorbekannten Verfahren bzw. der vorbekannten Vorrichtung mindestens zwei sich gegenseitig beeinflussende Regelkreise vorhanden, um die Offsetfrequenz einerseits und die Repetitionsrate andererseits zu stabilisieren. Besonders nachteilig ist bei dem vorbekannten Ansatz, dass aufgrund der erforderlichen mechanischen Bewegungen von Komponenten im Resonator des Lasers die erreichbaren Regelbandbreiten auf wenige kHz beschränkt sind. Eine schnellere Regelung lässt sich bei dem vorbekannten Verfahren bzw. der vorbekannten Vorrichtung zwar über eine Variation der Pumpleistung des Lasers erreichen. Dadurch wird jedoch die Spitzenleistung der Lichtpulse beeinflusst, und es kann zu entsprechenden unerwünschten Amplitudenschwankungen und unerwünschten nichtlinearen Effekten kommen.
Aus der WO 2010/063051 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines selbstreferenzierten optischen Frequenzkamms bekannt, bei dem außerhalb des Laserresonators ein akustooptischer Modulator vorgesehen ist, der eine Frequenzverschiebung sämtlicher Spektrallinien des Frequenzkamms ermöglicht. Auf dieser Basis erfolgt eine Stabilisierung des Frequenzkamms. Ein Nachteil dieses vorbekannten Ansatzes ist, dass die Regelung der Offsetfrequenz mit dem außerhalb des Resonators angeordneten akustooptischen Modulator nur mit einem geringen Stellbereich von +/–1 MHz möglich ist. Driftet die Offsetfrequenz um mehr als 1 MHz, wird wiederum ein zusätzliches langsames Stellglied im Resonator benötigt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Phasenstellung eine Phasenverschiebung wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die relative Phasenbeziehung dieser spektralen Komponenten einen vorgebbaren, vorzugsweise stetigen Verlauf aufweist.
Gemäß der Erfindung kann die Phase zumindest einer spektralen Komponente der elektromagnetischen Strahlung (z. B. bei einer Arbeitsfrequenz) verschoben werden, wobei sich diese Phasenverschiebung in definierter und vorgebbarer Weise auf weitere spektrale Komponenten auswirkt. Insbesondere ist die Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung nicht von einem fest vorgegebenen Dispersionsverlauf eines einzelnen zur Phasenverschiebung verwendeten dispersiven Elementes (z. B. eines elektrooptischen Modulators) abhängig, sondern kann – je nach Anwendungsfall – davon abweichen. Hierdurch ergibt sich eine für zahlreiche Anwendungen vorteilhafte Flexibilität bei der Synthese elektromagnetischer Strahlung. Auf der anderen Seite ist eine völlig freie Vorgebbarkeit der relativen Phasenbeziehung im Sinne der Erfindung nicht erforderlich. Vorgebbarkeit der relativen Phasenbeziehung bedeutet im Sinne der Erfindung, mit anderen Worten, dass die Phasenverschiebung in auf die jeweilige Anwendung abgestimmter Art und Weise frequenzselektiv erfolgt.
Vorgebbar ist die relative Phasenbeziehung im Sinne der Erfindung insbesondere, wenn die Phasenstellung eine Phasenverschiebung wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bewirkt, wobei die relative Phasenbeziehung der betroffenen spektralen Komponenten im Wesentlichen unverändert bleibt. Ein Aspekt der Erfindung ist z. B., eine Phasenstellung der mittels eines Pulslasers erzeugten elektromagnetischen Strahlung durchzuführen, wobei die Phasenstellung in der Weise erfolgt, dass sämtliche Spektrallinien (oder eine Gruppe von Spektrallinien) des Frequenzkamms dieselbe, d. h. frequenzunabhängige Phasenverschiebung erfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Frequenz wenigstens einer der spektralen Komponenten durch eine zeitproportionale Phasenstellung zu stellen. Insbesondere kann die Frequenz geregelt werden, wobei die Phasenstellung abhängig von einer Stellgröße erfolgt. Dabei wird die Stellgröße zweckmäßig mittels eines Reglers aus der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet. Auf diese Weise wird eine geschlossene Regelschleife gebildet, die zur Erzeugung hinsichtlich der Frequenz geregelter, d. h. stabilisierter elektromagnetischer Strahlung nutzbar ist.
Bei einem optischen Frequenzkamm kann gemäß der Erfindung durch eine zeitproportionale Phasenverschiebung die Offsetfrequenz verstellt werden, wobei gleichzeitig die Repetitionsrate im Wesentlichen konstant bleibt. Zur Einstellung der Offsetfrequenz ist es vorteilhaft, dass bei einem entsprechenden Lichtpulszug die Phasenverschiebung modulo eines Vielfachen von 2π erfolgen kann, wobei der Phasenrücksprung ohne Einfluss auf die optischen Phasen im Dunkeln, d. h. während der Pulspausen erfolgen kann.
Der erfindungsgemäße Ansatz ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung eines stabilisierten Frequenzkamms, indem die Offsetfrequenz geregelt wird, wobei die (zeitproportionale) Phasenverschiebung Stellgröße ist. Hierzu kann die Stellgröße z. B. in an sich bekannter Weise durch f-2f-Interferometrie aus der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung, d. h. durch ein f-2f-Interferometer am Ausgang des Phasenstellers erfolgen. Bei der f-2f-Interferometrie wird ein Teil der elektromagnetischen Strahlung am Ausgang des Phasenstellers in ein Interferometer geleitet, in dem ein nicht-linearer optischer Prozess ausgenutzt wird, um die zweite Harmonische einer niederfrequenten Spektrallinie des Frequenzkamms zu erzeugen und zur Interferenz mit einer hochfrequenten Linie des Frequenzkamms zu bringen. Auf diese Weise kann ein Schwebungssignal erzeugt werden, dessen Frequenz gleich der Offsetfrequenz ist. Die Offsetfrequenz liegt im Radiofrequenzbereich. Eine Regelung der Offsetfrequenz ist dann z. B. mit einer herkömmlichen Phasenregelschleife unter Verwendung eines geeigneten Referenzsignals möglich.
Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber dem Ansatz der DE 199 11 103 A1 den Vorteil, dass die Phasenstellung vollständig außerhalb des optischen Resonators eines zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung verwendeten Pulslasers erfolgen kann. Ein störender Eingriff in den Resonator ist also nicht erforderlich. Gegenüber der in der WO 2010/063051 A1 beschriebenen Lösung ergibt sich der Vorteil der Möglichkeit eines wesentlich größeren Hubes bei der Phasen- bzw. Frequenzstellung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Phasenstellung mittels eines Phasenstellers, der wenigstens zwei Phasenstellglieder umfasst, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind und eine unterschiedliche Dispersion aufweisen. Die elektromagnetische Strahlung durchläuft z. B. zunächst ein erstes Phasenstellglied. Dieses bewirkt eine Phasenverschiebung. Die Dispersion des ersten Phasenstellgliedes führt jedoch dazu, dass die erzeugte Phasenverschiebung frequenzabhängig ist. Das bedeutet, dass jede der betroffenen Spektrallinien des Frequenzkamms eine andere, nicht beeinflussbare Phasenverschiebung erfährt. Dies kann gemäß der Erfindung vermieden werden. Um z. B. zu erreichen, dass gemäß der Erfindung die relative Phasenbeziehung der spektralen Komponenten bei der Phasenstellung möglichst unverändert bleibt, durchläuft die elektromagnetische Strahlung nach Passieren des ersten Phasenstellgliedes ein zweites Phasenstellglied, das so ausgelegt ist, dass die Gesamtdispersion der beiden Phasenstellglieder kompensiert wird. Nach der beiden Phasenstellglieder haben somit die relevanten spektralen Komponenten dieselbe Phasenverschiebung erfahren. Die Phasenverschiebung ist, anders ausgedrückt, frequenzunabhängig. Dabei kommt es nicht auf die Reihenfolge der beiden Phasenstellglieder im Strahlengang an. Erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise z. B. eine zeitproportionale und frequenzunabhängige Phasenstellung kann dadurch vorteilhaft die Offsetfrequenz des Frequenzkamms verstellt werden, ohne dass sich die Repetitionsrate ändert. Bei Bedarf ist es durch geeignete frequenzselektive Phasenstellung jedoch auch möglich, die Repetitionsrate zu stellen oder zu regeln. Die Repetitionsrate kann z. B. mittels eines entsprechenden Reglers nach Maßgabe einer aus der Repetitionsrate der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung und einem Referenzsignal abgeleiteten Regelabweichung geregelt werden.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung somit die Erzeugung eines optischen Frequenzkamms, der hinsichtlich der Offsetfrequenz und der Repetitionsrate stabilisiert ist. Hierfür sind zwei Regelkreise nötig, die nach dem zuvor beschriebenen Prinzip arbeiten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Phasenstellung eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Die elektromagnetische Strahlung kann dann zumindest in einem Phasenstellglied ein Medium mit zeitlich und/oder räumlich veränderlichem Brechungsindex durchlaufen. Die zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten ermöglicht es, mittels des betreffenden Phasenstellgliedes eine Phasenstellung spektral selektiv vorzunehmen, indem z. B. in dem Phasenstellglied ein Medium mit entsprechend zeitlich bzw. räumlich veränderlichem Brechungsindex verwendet wird. Dabei kommt es darauf an, dass die zeitlich oder räumlich separierten spektralen Komponenten jeweils eine vorgegebene Phasenverschiebung erfahren. Beispielsweise kann der zeitliche bzw. räumliche Brechungsindexverlauf des betreffenden Phasenstellgliedes in der Weise auf die zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung abgestimmt werden, dass in diesem Phasenstellglied die Gesamtdispersion, d. h. die frequenzabhängige Phasenverschiebung, die durch die Phasenstellglieder jeweils erzeugt wird (einschließlich der Materialdispersion der Phasenstellglieder), kompensiert wird. Beispielsweise kann den Lichtpulsen durch ein geeignetes dispersives Element (optischer Strecker, Faser-Bragg-Gitter usw.) ein Chirp aufgeprägt werden. Das bedeutet, dass die einzelnen spektralen Komponenten zeitlich auseinandergezogen werden. In dem zweiten Phasenstellglied treffen dann beispielsweise die niederfrequenten spektralen Komponenten früher ein als die hochfrequenten spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Eine geeignete zeitliche Variation der Phasenverschiebung in einem der Phasenstellglieder kann dann genutzt werden, um die Frequenzabhängigkeit der erzeugten Phasenverschiebung auszugleichen, so dass im Ergebnis alle spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung dieselbe Phasenverschiebung erfahren. Das bedeutet, dass in dem betreffenden Phasenstellglied die Phasenverschiebung verändert wird, beispielsweise über zeitliche Variation des Brechungsindex, während ein Lichtpuls dieses Phasenstellglied durchläuft. Bei räumlicher Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung kann die frequenzselektive Phasenverschiebung z. B. durch ein Phasenstellglied erfolgen, das ein Medium mit geeignetem räumlichem Brechungsindexverlauf oder mit geeigneter Geometrie (z. B. Keil- oder Prismenform) aufweist, so dass jede spektrale Komponente beim Durchlaufen des Mediums in dem für diese Komponente vorgesehenen räumlichen Bereich des Mediums die gewünschte Phasenverschiebung erfährt.
Zwei separate Phasenstellglieder sind zur praktischen Umsetzung der Erfindung nicht zwingend erforderlich. Ein einzelnes Element, wie z. B. ein elektrooptischer Modulator, kann bei geeigneter Ansteuerung die Funktion beider Phasenstellglieder übernehmen und im Ergebnis die gewünschte frequenzselektive bzw. frequenzunabhängige Phasenverschiebung bewirken.
Die erfolgte räumliche und/oder zeitliche Aufspaltung der spektralen Komponenten kann nach Durchlaufen der Phasenstellglieder ganz oder teilweise wieder aufgehoben, d. h. rückgängig gemacht werden, z. B. durch Kompression mittels geeigneter dispersiver Elemente.
Das zuvor beschriebene Konzept der frequenzselektiven Phasenstellung durch zeitliches Aufspalten der Lichtpulse ist im Zusammenhang mit der Erzeugung von optischen Frequenzkämmen an sich aus der DE 10 2011 012 749 A1 bekannt. Dort wird dieses Konzept jedoch nicht im Sinne der Erfindung zur Regelung der Offsetfrequenz und zur Erzielung einer im Ergebnis frequenzunabhängigen Phasenstellung genutzt, sondern zur Reduzierung von hochfrequentem Timing-Jitter eines Lichtpulszuges.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockdiagramm;
2: zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockdiagramm;
3: Illustration des Prinzips der Dispersionskompensation durch zwei Phasenstellglieder;
4: Illustration der frequenzselektiven Phasenstellung gemäß der Erfindung;
5: Illustration der Ansteuerung der bei den Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2 eingesetzten elektrooptischen Modulatoren.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen Pulslaser 1, der eine Abfolge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen erzeugt. Das Spektrum des Pulslasers 1 ist das Spektrum eines optischen Frequenzkamms, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate in der oben beschriebenen Weise charakterisiert ist. Der Pulslaser 1 umfasst einen modengekoppelten Laser, beispielsweise einen Erbium-Faserlaser 2, der hinsichtlich der Repetitionsrate in an sich bekannter Weise stabilisiert ist. Als Referenz für die Stabilisierung der Repetitionsrate dient eine Referenzsignalquelle 3, die ein Referenzsignal im Radiofrequenzbereich erzeugt, beispielsweise mit einer Frequenz von 10 MHz. Bei Bedarf kann das Referenzsignal auch aus dem Pulszug des Pulslasers 1 abgeleitet werden. Der von dem Pulslaser erzeugte Lichtpulszug wird über eine optische Faser 4 einem Phasensteller 5 zugeführt, der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers 1 bewirkt. Mittels des Phasenstellers 5 wird die Offsetfrequenz der Spektrallinien des optischen Frequenzkamms durch zeitproportionale Phasenstellung verstellt, wobei die Repetitionsrate konstant bleibt. Hierzu weist der Phasensteller 5 zwei Phasenstellglieder 6 und 7 auf, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind. Die Strahlung durchläuft zunächst das erste Phasenstellglied 6 und danach das zweite Phasenstellglied 7. Dabei sind die beiden Phasenstellglieder 6 und 7 in der Weise ausgelegt und aufeinander abgestimmt, dass das zweite Phasenstellglied 7 die Gesamtdispersion der beiden Phasenstellglieder 6, 7 kompensiert, so dass die elektromagnetische Strahlung am Ausgang 8 des Phasenstellers 5 eine frequenzunabhängige Phasenverschiebung aufweist. Das bedeutet, dass sämtliche relevanten Spektrallinien des Frequenzkamms um denselben Betrag phasenverschoben werden, wobei die relative Phasenbeziehung der Spektrallinien unverändert bleibt. Bei den beiden Phasenstellgliedern 6 und 7 handelt es sich um elektrooptische Modulatoren (EOM), die eine von der jeweiligen Spannung eines Eingangssignals der EOMs 6 und 7 abhängige und damit steuerbare und zeitlich variable Phasenverschiebung aufweisen. Der EOM 6 bewirkt eine Phasenverschiebung entsprechend dem zu einem bestimmten Zeitpunkt anliegenden Steuersignal. Aufgrund der Dispersion des EOMs 6 ist diese Phasenverschiebung frequenzabhängig. Das bedeutet, dass die verschiedenen spektralen Komponenten des optischen Frequenzkamms jeweils eine andere Phasenverschiebung erfahren. Diese Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung wird durch den zweiten EOM 7 kompensiert. Um dies zu ermöglichen, ist dem zweiten EOM 7 im Strahlverlauf ein Aufspaltungselement 9 vorgeschaltet, das bei dem Ausführungsbeispiel eine zeitliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bewirkt. Das Aufspaltungselement 9 prägt der elektromagnetischen Strahlung somit, anders ausgedrückt, einen Chirp auf, so dass die unterschiedlichen spektralen Komponenten zeitlich auseinandergezogen werden. Als Aufspaltungselement 9 eignet sich ein zeitlich dispersives Element an sich bekannter Art, wie z. B. ein optischer Strecker, ein Faser-Bragg-Gitter oder ähnliches. Denkbar wäre auch eine räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Hierzu könnte eine geeignete Prismen-Anordnung, ein räumlicher Lichtmodulator oder ein ähnliches Element dienen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kommt als zeitlich dispersives Element ein z. B. über einen Zirkulator angebundenes Faser-Bragg-Gitter zum Einsatz. Nach der zeitlichen Aufspaltung der spektralen Komponenten mittels des Aufspaltungselementes 9 durchlaufen die verschiedenen spektralen Komponenten den zweiten EOM 7 entsprechend zeitlich nacheinander. Zur Kompensation des durch den ersten EOM 6 bewirkten frequenzabhängigen Anteils der Phasenstellung wird dies gemäß der Erfindung ausgenutzt, um entsprechend eine entgegengesetzte frequenzabhängige Phasenverschiebung in dem zweiten EOM 7 zu bewirken. Hierzu wird der zweite EOM 7 in der Weise angesteuert, dass sich dessen Phasenverschiebung während des Zeitintervalls, in dem ein Lichtpuls den EOM 7 durchläuft, verändert. Es wird dadurch erreicht, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem eine bestimmte spektrale Komponente den EOM 7 durchläuft, der EOM 7 diejenige Dispersion aufweist, die erforderlich ist, um den unerwünschten frequenzabhängigen Anteil der Phasenverschiebung der jeweiligen spektralen Komponente rückgängig zu machen. Am Ausgang des EOMs 7 ist ein Kompensationselement 10 angeordnet, das die zeitliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung wieder rückgängig macht. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich wiederum um ein Faser-Bragg-Gitter. Dieses sorgt dafür, dass die verschiedenen spektralen Komponenten des Lichtpulszuges wieder zeitlich zusammengeführt werden. Die Aufspaltungs- und Kompensationselemente 9, 10 bewirken, anders ausgedrückt, eine zeitliche Verbreiterung, d. h. Streckung der Lichtpulse bzw. eine zeitliche Verkürzung, d. h. Kompression der Lichtpulse. Dabei kann, je nach Anforderungsprofil, die zeitliche Streckung und Kompression um mehrere Größenordnungen in der Zeit erfolgen.
Zur Stellung der Offsetfrequenz des optischen Frequenzkamms dient eine Steuerelektronik 11, die ein Serrodyn-Element 12 und einen steuerbaren Abschwächer 13 ansteuert. Das Serrodyn-Element 12 erhält an dessen Eingang von der Steuerungselektronik 11 ein Signal, das beispielsweise proportional zu einer gewünschten Verschiebung einer Arbeitsfrequenz, d. h. einer spektralen Komponente des Frequenzkamms ist. Am Ausgang erzeugt das Serrodyn-Element 12 eine zeitabhängige Steuerspannung zur Ansteuerung des EOMs 6. Das Serrodyn-Element 12 generiert die Steuerspannung in der Weise, dass entsprechend der gewünschten Verschiebung der Offsetfrequenz durch den EOM 6 eine zeitproportionale Phasenverschiebung modulo eines Vielfachen von 2π erfolgt. Die Verschiebung der Offsetfrequenz des Frequenzkamms ergibt sich nach Δν = Δf × (φ_i+1 – φ_i)/2π. Dabei ist Δf die Repetitionsrate und φ_i, φ_i+1 sind die erzeugten Phasenverschiebungen zweier aufeinanderfolgender Lichtpulse mit den Indizes i bzw. i + 1. Der Phasenrücksprung bei der Modulo-2π-Phasenverschiebung, d. h. die Rückstellung der Amplitude der Spannung U(t) nach Erreichen des Wertes U_n2π, erfolgt in der Dunkelphase zwischen zwei Lichtpulsen. Dies ist durch den dunkel hinterlegten Bereich in der 5 angedeutet. Der Rückstellvorgang wirkt sich auf die optischen Phasen entsprechend nicht aus.
Der Zeitverlauf der Steuerspannung U(t) des EOMs 6 ist im mittleren Diagramm der 5 illustriert. Die vertikalen gestrichelten Linien geben die Zeitpunkte an, zu denen die aufeinanderfolgenden Lichtpulse den EOM 6 durchlaufen. Die amplitudenmodulierte Sinus-Oszillation gibt den Verlauf der Steuerspannung des EOMs 6 wieder. Zu erkennen ist, dass die Steuerspannung jeweils zum Zeitpunkt der aufeinanderfolgenden Lichtpulse linear anwächst. Dies bewirkt eine zeitproportional anwachsende Phasenverschiebung, angedeutet durch die gestrichelten Geraden im mittleren Diagramm der 5. Diese zeitproportionale Phasenstellung bewirkt eine entsprechende Verschiebung der Arbeitsfrequenz. Wie in dem mittleren Diagramm der 5 zu erkennen ist, oszilliert die Spannung U(t) synchron mit der Repetitionsrate (bzw. eines Mehrfachen der Repetitionsrate) des Lichtpulszuges. Der Verlauf der Spannung U(t) in den Pausen zwischen den Lichtpulsen wirkt sich nicht aus. Es kommt nur darauf an, dass zum Zeitpunkt, zu dem ein Lichtpuls den EOM 6 durchläuft, der richtige momentane Spannungswert anliegt. Für diese Näherung muss die Dauer τ₀ der Lichtpulse signifikant kürzer sein als die Pause zwischen den Lichtpulsen, was bei den Lichtpulszügen üblicher Kurzpulslaser der Fall ist. Dieser Umstand wird im oberen Teil der 4 veranschaulicht. Die Pulsdauer liegt im Bereich von Femto- bis Pikosekunden, während die Repetitionsrate im Bereich von 10–100 MHz liegt.
Der zweite EOM 7 erhält als Steuersignal ein Radiofrequenzsignal, das über einen Frequenzmultiplizierer/-teiler 14 aus dem Signal der Referenzsignalquelle 3 abgeleitet wird. Das frequenzvervielfachte Radiofrequenzsignal wird mittels des steuerbaren Abschwächers 13 amplitudenmoduliert. Das untere Diagramm der 5 zeigt die Steuerspannung U(t), die an dem zweiten EOM 7 anliegt. Das Signal U(t) weist aufgrund der erhöhten Frequenz der Steuerspannung U(t) zum Zeitpunkt des Eintreffens der Lichtpulse (gestrichelte vertikale Linien) eine hohe Flankensteilheit auf. Wie in dem unteren Diagramm der 5 zu erkennen ist, variiert die Amplitude der Spannung U(t) von Lichtpuls zu Lichtpuls. Das bedeutet, dass bei den aufeinanderfolgend eintreffenden Lichtpulsen jeweils eine Spannungsflanke mit unterschiedlicher Steilheit aktiv ist. Die steilen Flanken sorgen dafür, dass sich die Phasenverschiebung in dem EOM 7 verändert, während der jeweilige (zeitlich gestreckte) Lichtpuls den EOM 7 durchläuft. Dieser Umstand wird im unteren Teil der 4 veranschaulicht. Dies erfolgt in der Weise, dass, wie oben erläutert, der unerwünschte frequenzabhängige Anteil der durch den EOM 6 bewirkten Phasenverschiebung kompensiert wird. Dies wird in 3 veranschaulicht. Für die erfindungsgemäße frequenzselektive bzw. frequenzunabhängige Phasenstellung kommt es somit auf die Amplitude der Steuerspannung U(t) des EOM 6 zum Zeitpunkt eines Lichtpulses und auf die Steigung (und Amplitude) der Steuerspannung U(t) des EOMs 7 zum Zeitpunkt des Lichtpulses an.
Das erfindungsgemäße Prinzip zur Phasenstellung wird im Folgenden näher anhand der Diagramme in den 3 und 4 erläutert:
Die 3 illustriert die Phasenverschiebung mittels des EOMs 6 und die Kompensation der Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung mittels des EOMs 7. In dem Diagramm ist ein spektraler Anteil des Frequenzkamms mit einer spektralen Bandbreite Δν um eine Arbeitsfrequenz ν₀ dargestellt. Der erste EOM 6 bewirkt, unter Vernachlässigung der Materialdispersion, eine frequenzproportionale Phasenverschiebung φ(ν) des spektralen Anteils, die durch die Gerade 31 wiedergegeben ist. Der EOM 7 wird nun in der zuvor beschriebenen Weise so angesteuert, dass dieser eine frequenzabhängige Phasenverschiebung φ(ν) mit entgegengesetzter Steigung bewirkt. Die frequenzabhängige Phasenverschiebung durch den zweiten EOM 7 gibt die Gerade 32 wieder. Im Ergebnis erfahren dann alle Spektrallinien innerhalb des Bereiches Δν, wie in dem Diagramm der 3 veranschaulicht, eine mittlere Phasenverschiebung φ(ν₀), die unabhängig von der Frequenz ν ist – entsprechend der Geraden 33. Anhand der 3 ist zu erkennen, wie die Frequenzverläufe der Phasenstellungen 31 und 32 hinsichtlich Steigung und Achsenabschnitt zu wählen sind und aufeinander abzustimmen sind, so dass die gewünschte frequenzunabhängige Phasenverschiebung φ(ν₀) resultiert.
Die 3 illustriert den idealisierten Fall einer linearen Dispersion. Bei signifikant nichtlinearem Verlauf der Dispersion sollten die Kurven 31 und 32 einen entsprechenden nichtlinearen Verlauf aufweisen, um die frequenzunabhängige Phasenverschiebung zu realisieren.
Die 4 illustriert die zeitliche bzw. räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Die Koordinate x steht in den Diagrammen im unteren Teil der 4 für den Ort (bei einer räumlichen Aufspaltung) oder für die Zeit (bei einer zeitlichen Aufspaltung). Bei Durchlaufen des ersten EOMs 6 sind die spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bei dem Ausführungsbeispiel nicht aufgespalten. Das bedeutet, bei dem Ausführungsbeispiel der 1, dass ein Lichtpuls mit sämtlichen spektralen Komponenten gleichzeitig den EOM 6 durchläuft. Durch das Aufspaltungselement 9 wird eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten erzeugt. Dies ist im unteren Teil der 4 illustriert. Zu erkennen ist, dass dem Spektralbereich Δν ein Zeit- bzw. Ortsintervall Δx zugeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel in der 1 bedeutet dies, dass die verschiedenen spektralen Komponenten des Lichtpulses, wie oben erläutert, zu unterschiedlichen Zeitpunkten den EOM 7 durchlaufen. Die Dispersionskurve 32 gemäß 3 wird durch entsprechende zeitliche Ansteuerung des zweiten EOMs 7, wie im unteren Diagramm der 4 und 5 illustriert, erzeugt.
Für die Erfindung eignen sich z. B. EOMs aus Lithiumniobat, die kommerziell verfügbar sind. Diese eignen sich für Lichtpulse bei einer Trägerwellenlänge von 1550 nm. Zur Erzeugung der frequenzabhängigen Phasenverschiebung gemäß 3 können die Lichtpulse z. B. mittels des Aufspaltungselements auf eine Pulsdauer von 1 ps „gechirpt” werden. Um den erforderlichen Zeitverlauf der Dispersion im EOM 7 zu erreichen, während der gechirpte Lichtpuls diesen durchläuft, kann der EOM 7 z. B. mit einer Spannung im Bereich von < 1 V bei einer Frequenz im Bereich von 10 GHz angesteuert werden.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel illustriert die Erzeugung eines stabilisierten und selbstreferenzierten optischen Frequenzkamms gemäß der Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung entspricht, soweit dieselben Bezugsziffern verwendet sind, der in der 1 dargestellten Vorrichtung. Am Ausgang des Phasenstellers 5 wird die elektromagnetische Strahlung auf zwei Wellenleiter aufgespalten. In jedem Zweig erfolgt eine Verstärkung mittels optischer Verstärker 15 und 16. Am Ausgang des Verstärkers 15 ist die erzeugte Nutzstrahlung verfügbar. Die am Ausgang des Verstärkers 16 emittierte Strahlung wird einem f-2f-Interferometer 17 zugeführt. Am Ausgang des f-2f-Interferometers 17 liegt ein Radiofrequenzsignal an, dessen Frequenz gleich der Offsetfrequenz ist. Dieses Signal wird in einem Mischer 18 mit einem Hochfrequenzsignal demoduliert, das über einen Frequenzmultiplizierer/-teiler 19 aus dem Ausgangssignal der Referenzsignalquelle 3 abgeleitet wird. Das so erzeugte Modulationssignal liegt am Eingang eines Frequenz-Spannungs-Wandlers 20 an. Dessen Ausgangssignal wird mittels eines Verstärkers 21 verstärkt und dient als Eingangssignal für das Serrodyn-Element 12 und den spannungsgesteuerten Abschwächer 13. Der gemäß 2 erzeugte Regelkreis bewirkt eine selbstreferenzierte Regelung der Offsetfrequenz auf einen Wert, der durch die Frequenz des Radiofrequenzsignals am Ausgang des Frequenzmultiplizierers/-teilers 19 bestimmt ist. Falls eine Einstellung der Offsetfrequenz gewünscht wird, kann, beispielsweise, die Ausgangsspannung am Frequenz-Spannungs-Wandler 20 um einen geeigneten Wert verschoben werden. Dies kann mittels eines einfachen Spannungsaddierers erfolgen.
Falls gewünscht, kann eine Verschiebung der Spektrallinien relativ zur Arbeitsfrequenz ν₀ durch eine Modifikation der zeitprogressiven Steigung des Spannungsverlaufs U(t) am EOM 7 erzielt werden (nicht dargestellt). Damit kann auch der relative Frequenzabstand, d. h. die Repetitionsrate gestellt oder geregelt werden.
Prinzipiell ist es möglich, die Funktionalitäten beider EOMs 6 und 7 in einem einzigen EOM zu vereinen (nicht dargestellt), indem z. B. durch Phasenverschiebung der Steuerspannung U(t) nach dem unteren Diagramm der 5 zusätzlich zur Flanke der Steuerspannung U(t) zum Zeitpunkt des Lichtpulses ein Spannungsoffset erzeugt wird. Die von der Zentralfrequenz des zeitlich aufgespaltenen Lichtpulses abgetastete Amplitude der Steuerspannung U(t) bestimmt dabei die effektive Phasenverschiebung.
Das erfindungsgemäße Prinzip der Phasen- und Frequenzstellung bzw. -regelung ist nicht zur Anwendung auf optische Frequenzkämme beschränkt. Ebenso lässt sich das Prinzip nutzen, um elektromagnetische Strahlung mit davon abweichenden Spektren zu synthetisieren, bei denen keine äquidistanten Spektrallinien auftreten. Das Prinzip kann z. B. auch angewandt werden auf elektromagnetische Strahlung, die durch Überlagerung der Strahlung mehrerer cw-Laser bei verschiedenen Frequenzen erzeugt wird.
Der Phasensteller 5 mit den EOMs 6 und 7, dem Aufspaltungselement 9 und dem Kompensationselement 10 kann durch separate optische Komponenten oder als einzelnes integriertes (faser-)optisches Element mit Wellenleiterstrukturen und EOM-Kristallen (Chip-Lösung) ausgeführt sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19911103 A1 [0004, 0013]
WO 2010/063051 A1 [0005, 0013]
DE 102011012749 A1 [0019]

Claims

Verfahren zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit den Verfahrensschritten – Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, deren Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist, – Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstellung eine Phasenverschiebung wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die relative Phasenbeziehung dieser spektralen Komponenten vorgebbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenbeziehung der spektralen Komponenten durch die Phasenstellung im Wesentlichen unverändert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zeitproportionale Phasenstellung eine Frequenzverschiebung der spektralen Komponenten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstellung mittels eines Phasenstellers (5) erfolgt, der wenigstens zwei Phasenstellglieder (6, 7) umfasst, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind und unterschiedliche Dispersion aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstellung eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung zumindest in einem Phasenstellglied des Phasenstellers (5) ein Medium mit zeitlich und/oder räumlich veränderlicher Phasenverschiebung durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche und/oder zeitliche Aufspaltung nach der Phasenstellung ganz oder teilweise kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und/oder Frequenz wenigstens einer der spektralen Komponenten geregelt wird, wobei die Phasenstellung abhängig von einer Stellgröße erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße mittels eines Reglers aus der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung das Spektrum eines optischen Frequenzkamms ist, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate charakterisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zeitproportionale Phasenstellung modulo eines Vielfachen von 2π eine Stellung der Offsetfrequenz erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung im Wesentlichen unverändert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße durch f-2f-Interferometrie aus der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Phasenstellung eine Stellung der Repetitionsrate bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate, nach Maßgabe einer aus der Repetitionsrate der elektromagnetischen Strahlung und einem Referenzsignal abgeleiteten Regelabweichung, geregelt wird.
Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit – einer Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung erzeugt, deren Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist, – einem Phasensteller (5), der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung der Lichtquelle bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Phasenstellers (5) die Phase wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung verschiebbar ist, wobei die relative Phasenbeziehung dieser spektralen Komponenten vorgebbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Pulslaser (1) ist, der eine Abfolge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen erzeugt, wobei das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers (1) das Spektrum eines optischen Frequenzkamms ist, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate charakterisiert ist, wobei mittels des Phasenstellers (5) die Offsetfrequenz der Spektrallinien des optischen Frequenzkamms durch zeitproportionale Phasenstellung verstellbar ist, wobei die Repetitionsrate im Wesentlichen konstant bleibt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen den Phasensteller ansteuernden Regler, der die Frequenz wenigstens einer spektralen Komponente des optischen Frequenzkamms stabilisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ein dem Phasensteller (5) nachgeschaltetes f-2f-Interferometer (17), wobei der Regler aus dem Ausgangssignal des f-2f-Interferometers (17) eine Stellgröße ableitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteller (5) wenigstens zwei Phasenstellglieder (6, 7) umfasst, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind und unterschiedliche Dispersion aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstellglieder (6, 7) elektrooptische Modulatoren sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteller (5) wenigstens ein Aufspaltungselement (9) umfasst, das eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bewirkt, wobei zumindest ein Phasenstellglied (7) des Phasenstellers (5) ein Medium aufweist, das eine zeitlich und/oder räumlich veränderliche Phasenverschiebung der elektromagnetischen Strahlung bewirkt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteller (5) wenigstens ein Kompensationselement (10) umfasst, das eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung ganz oder teilweise aufhebt.
Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspaltungselement (9) und das Kompensationselement (10) jeweils ein räumlich oder zeitlich dispersives Element aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Phasensteller (5) ganz oder teilweise außerhalb des optischen Resonators des Pulslasers (1) befindet.