DE102013009264B4

DE102013009264B4 - Optische Frequenzsynthese

Info

Publication number: DE102013009264B4
Application number: DE102013009264.7A
Authority: DE
Inventors: Yuriy MAYZLIN
Original assignee: Toptica Photonics AG
Current assignee: Toptica Photonics AG
Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2033-06-05
Also published as: US20140355631A1; US9036670B2; DE102013009264A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, mit den Verfahrensschritten – Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung bei einer Nutzfrequenz (21), – Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung in einen Nutzstrahl (3) und einen Nebenstrahl (4), – Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls (4), – Steuerung der Nutzfrequenz (21) nach Maßgabe einer Stellgröße, wobei die Stellgröße aus der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) abgeleitet wird, indem eine Regelung auf Basis eines Vergleichs der Frequenz (22) der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) mit der Frequenz (f1, f2, ..., fm) einer Spektrallinie eines mehrere Spektrallinien aufweisenden Referenzspektrums erfolgt, so dass der Frequenzabstand zwischen der Frequenz (22) der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) und der Frequenz (f1, f2, ..., fm) der Spektrallinie des Referenzspektrums vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzverschiebung in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt, wobei die Frequenzverschiebung (23) der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls (4) bei jedem Schritt von einem Anfangswert (fA) auf einen Endwert (fE), deren Differenz dem Hub der Frequenzverschiebung entspricht, geändert wird, wobei die Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls einen treppenförmigen Verlauf aufweist, wobei der Hub der Frequenzverschiebung des Nebenstrahls (4) größer oder gleich dem halben Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums, vorzugsweise im Wesentlichen gleich dem Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung. Außerdem betrifft die Erfindung einen optischen Frequenz-Synthesizer.
Für verschiedene Anwendungen, beispielsweise im Bereich der optischen Spektroskopie, besteht Bedarf nach Lichtquellen, die in der Lage sind, elektromagnetische Strahlung mit vorgebbarer Frequenz zu erzeugen. Dabei soll die Frequenz mit hoher Genauigkeit einstellbar sein. Insbesondere besteht Bedarf nach breitbandig durchstimmbaren Lichtquellen, bei denen innerhalb des zur Verfügung stehenden Abstimmbereichs die Frequenz frei vorgegeben werden kann, wobei die vorgegebene Frequenz mit hoher Genauigkeit bekannt ist.
Bekannt ist es beispielsweise, mittels einer geeigneten Regelung die Frequenz der Strahlung eines Dauerstrichlasers an die Frequenz einer Spektrallinie eines als Frequenznormal verwendeten optischen Frequenzkamms zu koppeln. Ein geeigneter Regler regelt die Frequenz mittels optischer Phasenregelung so, dass der Frequenzabstand zwischen der ausgewählten Spektrallinie des optischen Frequenzkamms und der verschobenen Frequenz des Hauptstrahls einen vorgegebenen Wert erhält. Dieser Frequenzabstand wird geändert, um eine gewünschte Frequenz zu erhalten. Wenn sich der Frequenzabstand dem halben Abstand der Spektrallinien des Frequenzkamms nähert, ist es unmöglich, die richtige Spektrallinie des Frequenzkamms zu selektieren. Damit ist auch die Einstellung einer beliebigen Frequenz im Abstimmbereich nicht möglich. Um dieses Problem zu lösen, kann ein optischer Frequenzschieber im Nutzstrahl des Dauerstrichlasers verwendet werden. Diese Vorgehensweise ermöglicht es zwar, mehr oder weniger beliebige Frequenzen mit hoher Genauigkeit einzustellen. Die kontinuierliche Abstimmung der Frequenz des Dauerstrichlasers ist aber nach wie vor nicht möglich. Außerdem ist nachteilig, dass zusätzliche Verluste, Amplitudenmodulationen und ein Strahlversatz im Hauptstrahl des Dauerstrichlasers entstehen.
Ein anderer bekannter Ansatz ist es, die Frequenz eines Dauerstrichlasers, ähnlich wie zuvor beschrieben, an eine Spektrallinie eines optischen Frequenzkamms zu koppeln, wobei dann zum Zwecke der Durchstimmung der Frequenz der optische Frequenzkamm verstimmt wird. Dadurch werden zwar die Möglichkeiten bei der Frequenzabstimmung verbessert. Allerdings macht es diese Vorgehensweise unmöglich, mehrere Lichtquellen unabhängig voneinander an einen einzigen optischen Frequenzkamm zu koppeln. Dadurch werden verschiedene interessante Anwendungsbereiche ausgeschlossen. Außerdem ist die Implementierung eines hochgenauen und durchstimmbaren Frequenzkamms aufwendig und schwierig.
Die DE 10 2010 022 585 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, bei dem elektromagnetische Strahlung bei einer Nutzfrequenz erzeugt und in einen Nutzstrahl und einen Nebenstrahl aufgeteilt wird. Die elektromagnetische Strahlung des Nebenstrahls wird frequenzverschoben, wobei die Nutzfrequenz nach Maßgabe einer Stellgröße gesteuert wird. Die Stellgröße wird aus der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls abgeleitet, indem eine Regelung auf Basis eines Vergleichs der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls mit der Frequenz einer Spektrallinie eines optischen Frequenzkamms erfolgt, so dass der Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls und der Frequenz der Spektrallinie des optischen Frequenzkamms vorgegeben ist. Dabei erfolgt die Frequenzverschiebung im Nebenstrahl durch zeitabhängige Phasenstellungen modulo eines Vielfachen von 2π.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur optischen Frequenzsynthese bereit zu stellen.
Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einen optischen Frequenz-Synthesizer nach Anspruch 11.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung wird zunächst elektromagnetische Strahlung bei einer Nutzfrequenz erzeugt, beispielsweise mittels eines durchstimmbaren Dauerstrichlasers. Die elektromagnetische Strahlung wird sodann in einen Nutzstrahl und in einen Nebenstrahl aufgeteilt. Hierzu können Strahlteiler bekannter Art dienen. Im Nebenstrahl wird die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung verschoben. Hierzu kann ein Frequenzschieber an sich bekannter Art, wie zum Beispiel ein akustooptischer Modulator verwendet werden, der mit veränderlicher Ultraschallfrequenz betrieben wird. Schließlich wird aus der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls mittels eines geeigneten Reglers eine Stellgröße abgeleitet, die dann verwendet wird, um die Nutzfrequenz zu steuern. Es ergibt sich eine Regelgröße, aus der der Regler dann die Stellgröße ableitet, aus einem Vergleich der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls mit der Frequenz einer Spektrallinie eines geeigneten Referenzspektrums. Die Regelgröße ist dabei der Frequenzabstand zwischen einer Spektrallinie des Referenzspektrums und der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls. Die Frequenzverschiebung im Nebenstrahl wird gemäß der Erfindung über die Regelung auf den Nutzstrahl zurückgekoppelt, da die Stellgröße am Ausgang des Reglers die Nutzfrequenz steuert.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Nutzfrequenz eindeutig durch die Frequenzverschiebung in Kombination mit der Art und Weise der Regelung im Nebenstrahl definiert. Eine gewünschte Nutzfrequenz kann beliebig vorgegeben werden, indem zum Beispiel die Frequenzverschiebung und die Frequenz der Strahlung einer Referenzstrahlungsquelle entsprechend eingestellt werden.
Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass diese eine beliebige Einstellung der Frequenz des Nutzstrahls ermöglicht. Dabei kommt insbesondere keine Frequenzverschiebung im Nutzstrahl zur Anwendung, so dass geringe Verluste und keine Amplitudenmodulationen sowie kein Strahlversatz im Nutzstrahl auftreten. Ein weiterer Vorteil ist, dass es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich ist, das Referenzspektrum zu variieren. Ein beispielsweise als Referenzstrahlungsquelle verwendeter optischer Frequenzkamm muss nicht verstimmt werden, um die Nutzfrequenz auf eine bestimmte Sollfrequenz einzustellen. Dies macht es vorteilhaft möglich, mehrere Nutzstrahlungsquellen zum Zwecke der gleichzeitigen Regelung der jeweiligen Frequenz an einen einzigen optischen Frequenzkamm anzukoppeln.
Gemäß der Erfindung erfolgt die Ableitung der Stellgröße durch eine Regelung auf Basis eines Vergleichs der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls mit der Frequenz einer Spektrallinie eines mehrere Spektrallinien aufweisenden Referenzspektrums. Die Regelung hält dabei den Frequenzabstand zwischen der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls und der Frequenz der ausgewählten Spektrallinie des Referenzspektrums auf einen vorgegebenen Wert ein. Da die Frequenz des Nebenstrahls zeitlich geändert wird, bewirkt die Regelung eine entsprechende Verschiebung der Nutzfrequenz. Somit ist der Frequenzabstand zwischen der Nutzfrequenz und der Frequenz der entsprechenden Spektrallinie des Referenzspektrums entsprechend dem aktuellen Wert der Frequenzverschiebung definiert.
Das Referenzspektrum kann beispielsweise durch eine Transferfunktion eines Filters bestimmt sein, in den die frequenzverschobene Strahlung des Nebenstrahls eingekoppelt wird. Das Referenzspektrum kann insbesondere das Transmissions- oder Reflexionsspektrum eines optischen Resonators oder eines Etalons sein. Ebenso ist es möglich, dass das Referenzspektrum ein Transmissions-, Absorptions- oder Lumineszenzspektrum eines gasförmigen, flüssigen oder festen Referenzmediums ist. Des Weiteren kann das Referenzspektrum ein Emissionspektrum einer Referenzstrahlungsquelle sein.
Ist das Referenzspektrum z. B. das Reflexions- oder Transmissionsspektrum eines Etalons, in das die frequenzverschobene Strahlung des Nebenstrahls eingekoppelt wird, kann die Stellgröße aus der Intensität oder Amplitude der aus dem Etalon ausgekoppelten Strahlung abgeleitet werden. Als Frequenznormal dient dabei das wohldefinierte Spektrum des Etalons. Die Frequenzregelung kann z. B. durch eine sog. „Side of Fringe”- oder eine „Peak Locking”-Regelung bekannter Art erfolgen.
Alternativ kann, wie oben bereits erwähnt, das Referenzspektrum das Spektrum eines optischen Frequenzkamms oder einer anderen Referenzstrahlungsquelle sein. Dabei wird vorzugsweise die frequenzverschobene Strahlung des Nebenstrahls mit der Strahlung des optischen Frequenzkamms überlagert, und die Regelung der Nutzfrequenz erfolgt mittels optischer Frequenz- oder Phasenregelung. In dieser Weise wird die Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls an eine Spektrallinie der Referenzstrahlungsquelle angekoppelt. Dabei bewirkt die Frequenzverschiebung im Nebenstrahl eine entsprechende Frequenzverschiebung des Nutzstrahls. Die optische Frequenz- oder Phasenregelung kann beispielsweise nach einem Heterodyn-Schema erfolgen, wobei durch Überlagerung der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls mit der Strahlung der Referenzstrahlungsquelle ein Überlagerungssignal erzeugt wird, das mit einem Radiofrequenzsignal vorgegebener Frequenz frequenz- oder phasengekoppelt wird. Bei diesem Regelungsschema ist die Nutzfrequenz eindeutig und mit hoher Genauigkeit durch die Frequenz der ausgewählten Spektrallinie der Referenzstrahlungsquelle, die Frequenz des Radiofrequenzsignals und die momentane Frequenzverschiebung im Nebenstrahl definiert. Zur Abstimmung der Frequenz kann das Spektrum der Referenzstrahlungsquelle unverändert bleiben, während nur die Frequenzverschiebung und gegebenenfalls die Radiofrequenz der heterodynen Frequenz- oder Phasenregelung entsprechend eingestellt werden.
Ein wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Verwendung eines Referenzspektrums mit mehreren (vorzugsweise äquidistanten) Spektrallinien, wie es mittels des Etalons oder auch mittels des optischen Frequenzkamms bereit gestellt wird, ist, dass ein geringer Hub der Frequenzverschiebung des Nebenstrahls ausreicht, um, im Rahmen des Abstimmbereichs der zur Erzeugung des Nutzstrahls verwendeten Strahlungsquelle, jede beliebige Nutzfrequenz einzustellen. Dabei ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren gleichsam, dass sich die Regelung entlang des Referenzspektrums von Spektrallinie zu Spektrallinie „hangelt”. Es wird erfindungsgemäß die Frequenzverschiebung im Nebenstrahl von einem Anfangswert auf einen Endwert verändert. Aufgrund der erfindungsgemäßen Regelung ändert sich dabei entsprechend die Nutzfrequenz. Wenn bei diesem Vorgang die Änderung der Nutzfrequenz gleich dem Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums ist, kann die Frequenzverschiebung nach Erreichen des Endwerts auf den Anfangswert zurückgesetzt werden, ohne dass sich dadurch die Frequenz des Nutzstrahls ändert. Dies liegt daran, dass sich bei der Rückstellung der Frequenzverschiebung auf den Anfangswert der für die Regelung maßgebliche Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung und einer der Spektrallinien des Referenzspektrums nicht ändert. Der für die Regelung maßgebliche Frequenzabstand ist nämlich nun nicht mehr der Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung und der ursprünglichen der Regelung zugrunde liegenden Spektrallinie des Referenzspektrums, sondern der Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls und der dieser Frequenz nach der Zurückstellung der Frequenzverschiebung nun am nächsten liegenden Spektrallinie des Referenzspektrums. Es reicht sogar aus, dass der Hub der Frequenzverschiebung des Nebenstrahls größer oder gleich der Hälfte des Frequenzabstandes zweier Spektrallinien des Referenzspektrums ist. Selbst wenn die Frequenz durch die Frequenzverschiebung nicht über den vollen Abstand zwischen zwei Spektrallinien des Referenzspektrums verschoben wurde, sorgt die Regelung dafür, dass der gegebene Frequenzabstand zur jeweils nächsten Spektrallinie des Referenzspektrums eingeregelt wird.
Um auf Basis der obigen Ausführungen die Nutzfrequenz auf einen beliebigen Wert einzustellen, erfolgt erfindungsgemäß die Frequenzverschiebung in mehreren zeitlich aufeinander folgenden Schritten, wobei die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls bei jedem Schritt von dem Anfangswert auf den Endwert, deren Differenz dem Hub der Frequenzverschiebung entspricht, geändert wird, wobei die Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls einen treppenförmigen Verlauf aufweist. Da bei jedem Schritt die Regelung auf die jeweils nächste Spektrallinie des Referenzspektrums einrasten soll, sollte die Zurückstellung der Frequenzverschiebung von den Endwert auf den Anfangswert am Ende des Schritts sprunghaft erfolgen, das heißt innerhalb eines Zeitintervalls, das jedenfalls kürzer ist als die Zeitkonstante (die inverse Bandbreite) der Regelung. In der Praxis bedeutet dies zum Beispiel, dass die Frequenzverschiebung, im Falle einer zeitlich linearen Frequenzänderung, mit einem sägezahnartigen Verlauf langsam, das heißt innerhalb eines Zeitintervalls, das größer als die Zeitkonstante der Regelung ist, von dem Anfangswert auf den Endwert geändert wird. Nach Erreichen des Endwerts springt die Frequenzverschiebung zurück auf den Anfangswert. Danach beginnt der nächste Schritt. Bei dieser Vorgehensweise ist die Nutzfrequenz eindeutig definiert durch den Frequenzabstand der Spektrallinien des Referenzspektrums, die Zahl der Schritte und die momentane Frequenzverschiebung.
Der Hub der Frequenzverschiebung muss bei dem zuvor beschriebenen Schema geeignet an das Referenzspektrum angepasst sein. Es ist problemlos möglich, diese Anpassung kontinuierlich nachzuregeln. Hierzu kann z. B. nach jedem Schritt der Hub automatisch angepasst werden, und zwar entsprechend einer festgestellten Fehlanpassung der Frequenz vor und nach Zurückstellung der Frequenzverschiebung auf den Anfangswert. Hierdurch kann auch eine etwaige Drift des Referenzspektrums automatisch ausgeglichen werden.
Bei dem zuvor beschriebenen Schema wird die Trägheit der Regelung nach jedem Schritt ausgenutzt, damit die jeweils nächste Spektrallinie des Referenzspektrums von der Regelung selektiert wird. Falls dies nicht möglich ist, zum Beispiel weil die Regelung eine zu hohe Bandbreite hat, kann vorgesehen sein, dass die Stellgröße am Ausgang des Reglers nach jedem Schritt, d. h. bei Zurückstellung der Frequenzverschiebung auf den Anfangswert, während eines vorgegebenen Zeitintervalls festgehalten, das heißt „eingefroren” wird. Dadurch wird die Nutzfrequenz auf dem letzten Wert festgehalten und die Regelung damit gleichsam gezwungen auf die nächste Spektrallinie des Referenzspektrums einzurasten, nachdem die Frequenzverschiebung wieder den Anfangswert erreicht hat.
Wenn die Nutzfrequenz eine vorgegebene Sollfrequenz erreicht hat, kann die Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls gestoppt werden. Die Nutzfrequenz bleibt dann mit hoher Genauigkeit, die der Genauigkeit des verwendeten Frequenznormals entspricht, auf dem eingestellten Wert stehen.
Ein optischer Frequenz-Synthesizer gemäß der Erfindung weist wenigstens einen durchstimmbaren Laser zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung bei einer Nutzfrequenz auf, sowie einen Strahlteiler zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung des durchstimmbaren Lasers in einen Nutzstrahl und in einen Nebenstrahl, wenigstens einen Frequenzschieber zur Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls, und wenigstens einen mit dem durchstimmbaren Laser verbundenen Regler, der eingerichtet ist, die Nutzfrequenz nach Maßgabe einer Stellgröße zu steuern, wobei der Regler die Stellgröße aus der Strahlung der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls ableitet.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Frequenz-Synthesizer ist der Regler eingerichtet, die Stellgröße durch Vergleich der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls mit der Frequenz einer Spektrallinie eines mehrere Spektrallinien aufweisenden Referenzspektrums abzuleiten, wobei der Regler den Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls und der Frequenz der Spektrallinie des Referenzspektrums auf einen vorgegebenen Wert regelt. Das Referenzspektrum kann dabei, wie oben erwähnt, das Spektrum eines Etalons sein, oder das Spektrum eines optischen Frequenzkamms, das mittels einer entsprechenden Kammerzeugungsvorrichtung erzeugt wird. Als Kammerzeugungsvorrichtung eignet sich ein modengekoppelter Laser an sich bekannter Art, der Strahlung mit einem Spektrum in Form eines optischen Frequenzkamms emittiert, wobei die Frequenzen der Spektrallinien des Frequenzkamms mit hoher Genauigkeit geregelt sind, beispielsweise durch Selbstreferenzierung an sich bekannter Art, ggf. in Kombination mit einer Ankopplung an ein anderweitiges hoch genaues Frequenznormal (z. B. Atomuhr). Der Regler ist weiter eingerichtet, die Frequenzverschiebung in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten durchzuführen, wobei die Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls bei jedem Schritt von einem Anfangswert auf einen Endwert, deren Differenz dem Hub der Frequenzverschiebung entspricht, geändert wird, wobei die Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls einen treppenförmigen Verlauf aufweist, wobei der Hub der Frequenzverschiebung des Nebenstrahls größer oder gleich dem halben Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums, vorzugsweise im Wesentlichen gleich dem Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums ist.
Die Erfindung ermöglicht es, einen optischen Frequenz-Synthesizer zu realisieren, der elektromagnetische Strahlung gleichzeitig bei verschiedenen Nutzfrequenzen emittiert. Hierzu weist der optische Frequenz-Synthesizer zwei oder mehr durchstimmbare Laser zu Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung bei jeweils einer anderen Nutzfrequenz auf, sowie zwei oder mehr Strahlteiler zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung jedes durchstimmbaren Lasers in einen Nutzstrahl und in einen Nebenstrahl. Dabei ist dann der Regler so eingerichtet, dass er für jeden durchstimmbaren Laser eine Stellgröße durch Vergleich der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des jeweiligen Nebenstrahls mit der Frequenz einer Spektrallinie des optischen Frequenzkamms ableitet, wobei der Regler den Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des jeweiligen Nebenstrahls und der Frequenz einer der Spektrallinie des Referenzspektrums auf einen vorgegebenen Wert regelt. Diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht es, mehrere durchstimmbare Laser an einen einzigen optischen Frequenzkamm zu koppeln, um auf diese Weise elektromagnetische Strahlung bei verschiedenen vorgebbaren Nutzfrequenzen mit hoher Genauigkeit der Frequenzregelung zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Regelungsschema kann, wie unmittelbar einleuchtet, vorteilhaft verwendet werden, um Strahlung mit spektralen Komponenten zu erzeugen, die einen definierten Frequenzabstand haben. Dies kann beispielsweise bei der Erzeugung von Terahertz-Strahlung sinnvoll eingesetzt werden. Der gewünschte Frequenzabstand kann dabei z. B. zwischen einer Spektrallinie der Referenzstrahlungsquelle und der Frequenz des Nutzstrahls eingeregelt und nach Bedarf variiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Blockdiagramm eines optischen FrequenzSynthesizers gemäß der Erfindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 Illustration des erfindungsgemäßen Frequenzregelungsschemas anhand von Diagrammen;
3 Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen optischen Frequenz-Synthesizers;
4 erfindungsgemäßer optischer Frequenz-Synthesizer mit zwei durchstimmbaren Lasern.
Die 1 zeigt schematisch in Form eines Blockdiagramms den Aufbau eines optischen Frequenz-Synthesizers gemäß der Erfindung. Der Frequenz-Synthesizer umfasst einen durchstimmbaren Laser 1, beispielsweise in Form eines Diodenlasers. Dieser emittiert elektromagnetische Strahlung bei einer Nutzfrequenz. Ein Strahlteiler 2 teilt die elektromagnetische Strahlung des Lasers 1 in einen Nutzstrahl 3 und einen Nebenstrahl 4 auf. Der Nebenstrahl 4 wird einem Frequenzschieber in Form eines akusto-optischen Modulators 5 zugeführt. Der akusto-optischer Modulator 5 weist ein Piezoelement (nicht dargestellt) auf, das mit einer Wechselspannung im Ultraschall-Frequenzbereich beaufschlagt wird. Diese Wechselspannung wird mittels eines Frequenzgenerators 6 erzeugt. Bei dem Frequenzgenerator 6 kann es sich um einen digitalen Synthesizer an sich bekannter Art handeln. Die Frequenz der Wechselspannung bestimmt eine Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls 4. Ein Frequenzmodulator 7 moduliert die Frequenz der von dem Frequenzgenerator 6 erzeugten Wechselspannung und damit die mittels des akusto-optischen Modulators 5 erzeugte Frequenzverschiebung der Strahlung des Nebenstrahls 4. Der akusto-optische Modulator 5 kann von dem Nebenstrahl 4 in einer Double-Pass-Anordnung, d. h. zweifach durchlaufen werden.
Die frequenzverschobene Strahlung des Nebenstrahls 4 wird in ein Etalon 8 eingekoppelt. Die aus dem Etalon 8 ausgekoppelte Strahlung wird auf eine Fotodiode 9 geführt. Diese liefert ein Signal, das proportional zur Intensität der aus dem Etalon ausgekoppelten Strahlung des Nebenstrahls ist. Das Ausgangssignal der Fotodiode 9 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Regelgröße eines Regelkreises. Entsprechend wird das Ausgangssignal der Fotodiode 9 einem Regler 10 zugeführt, der daraus eine Stellgröße ableitet, die auf den durchstimmbaren Laser 1 zurückgeführt ist. Dabei ist der Regler 10 so eingerichtet, dass die Regelgröße, das heißt die Intensität der auf die Fotodiode 9 auftreffenden Strahlung des Nebenstrahls, auf einen vorgegebenen festen Wert eingeregelt wird. Die Stellgröße kann ein Steuersignal sein, mit dem entsprechende Aktuatoren des durchstimmbaren Lasers gestellt werden, zum Beispiel um die Position eines Beugungsgitters des durchstimmbaren Lasers 1 zu variieren. Auf diese Weise wird die Nutzfrequenz, das heißt die Frequenz des Nutzstrahls 3 entsprechend der Stellgröße gesteuert. Anstelle der beschriebenen „Side-of-Fringe”-Regelung kann auch eine sog. „Peak-Locking”-Regelung eingesetzt werden.
Durch die Messung der Intensität der durch das Etalon 8 transmittierten Strahlung des Nebenstrahls 4 erfolgt ein Vergleich der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 mit der Frequenz einer Spektrallinie des mehrere äquidistante Spektrallinien aufweisenden Referenzspektrums des Etalons 8. Dabei hält der Regler 10 den Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 und der Frequenz der entsprechenden Spektrallinie des Referenzspektrums auf einem vorgegebenen Wert. Der dargestellte Regler 10 regelt, anders ausgedrückt, die Nutzfrequenz durch Ankopplung an eine Spektrallinie des Transmissionsspektrums des Etalons 8.
Wie weiterhin in 1 dargestellt, wird das Ausgangssignal des Reglers 10 mit einem externen Steuerungssignal (Führungsgröße) C in einem Glied 11 (z. B. Addierer) kombiniert. Das kombinierte Signal wird dem Laser 1 zugeführt. Außerdem wird das Steuerungssignal C bei dem Ausführungsbeispiel der 1 dem Frequenzmodulator 7 zugeführt, wobei dieser entsprechend dem Steuerungssignal C für eine bestimmte Frequenzverschiebung des Nebenstrahls 4 sorgt, so dass entsprechend dem Steuerungssignal C eine geeignete Spektrallinie des Transmissionsspektrums des Etalons 8 selektiert wird (Feed Forward-Regelung).
Das Vorgehen beim linearen Durchstimmen der Frequenz der Nutzstrahlung 3 gemäß der Erfindung ist in 2 illustriert.
Das obere Diagramm in 2 zeigt die Frequenz f als Funktion des Index n. n indiziert eine Mehrzahl von zeitlich aufeinanderfolgend ausgeführten Schritten. In dem Diagramm ist der Verlauf der Nutzfrequenz mit der Bezugsziffer 21 bezeichnet. Die Bezugsziffer 22 bezeichnet den Verlauf der Frequenz des frequenzverschobenen Nebenstrahls 4. Die Bezugsziffer 23 bezeichnet im unteren Diagramm der 2 die zeitabhängige Frequenzverschiebung Δf im Nebenstrahl 4. Im oberen Diagramm der 2 sind zusätzlich die Frequenzen f₁, f₂, ..., f_m der äquidistanten Spektrallinien des Referenzspektrums dargestellt.
Wie in dem unteren Diagramm in 2 zu erkennen ist, erfolgt die Frequenzverschiebung in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten, wobei der Frequenzschieber 5 eine Frequenzverschiebung Δf der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls 4 bewirkt, die sich während jedes Schritts von einem Anfangswert f_A auf einen Endwert f_E ändert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Änderung der Frequenzverschiebung Δf während jedes Schritts linear fallend. Der Hub entspricht dabei der Differenz von Endwert f_E und Anfangswert f_A. Der Regler 10 gleicht, wie oben erläutert, die Frequenzverschiebung aus, in dem er entsprechend die Frequenz des Lasers 1 kontinuierlich nachregelt. Dabei sorgt er dafür, dass der Frequenzabstand zwischen der Frequenz 22 der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 und der Frequenz der jeweils nächsten benachbarten Spektrallinie f₁, f₂, ..., f_m des Referenzspektrums zeitlich konstant bleibt. Dies ist in dem oberen Diagramm in 2 zu erkennen. Während jedes Schritts verläuft die Frequenz 22 horizontal, wobei der Abstand zwischen der Frequenz 22 und der jeweils benachbarten Spektrallinie f₁, f₂, ..., f_m konstant bleibt. Am Ende jedes Schritts springt die Frequenzverschiebung Δf vom Endwert f_E auf den Anfangswert f_A zurück, so dass sich das in der 2 im unteren Diagramm zu erkennende Sägezahnprofil ergibt. Bei diesem Sprung bleibt die Frequenz 21 des Nutzstrahls 3 konstant, und zwar aufgrund der Trägheit der Regelung oder weil für den Zeitraum des Sprungs der Frequenzverschiebung der Regler die Stellgröße an dessen Ausgang vorübergehend „einfriert”. Danach rastet die Regelung auf die nächste benachbarte Spektrallinie f₁, f₂, ..., f_m ein, so dass dann die Frequenz 22 der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 relativ zu dieser nächsten Spektrallinie konstant gehalten wird. Daraus resultiert der treppenförmige Verlauf der Frequenz 22, die im oberen Diagramm in 2 zu erkennen ist.
Die Diagramme in 2 illustrieren, wie die Frequenz 21 des Lasers 1 über viele Spektrallinien f₁, f₂, ..., f_m des Referenzspektrums hinweg abgestimmt werden kann, indem eine entsprechende Anzahl von Schritten durchlaufen wird. Dabei ist wesentlich, dass der Hub der Frequenzverschiebung Δf größer als die Hälfte des Frequenzabstandes zweier Spektrallinien f₁, f₂, ..., f_m ist.
Die Regelung kann an jedem beliebigen Punkt angehalten werden. Die momentane Frequenz 21 des Nutzstrahls 3 ist dann eindeutig definiert durch den Index n, die momentane Frequenzverschiebung Δf und die Lage der Spektrallinien f₁, f₂, ..., f_m des Referenzspektrums.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine weite Abstimmbarkeit des Lasers 1, und zwar mit einer Genauigkeit die derjenigen des Referenzspektrums entspricht.
In 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem anstelle des Etalons 8 eine Kammerzeugungsvorrichtung 31 zur Bereitstellung des Referenzspektrums verwendet wird. Die Kammerzeugungsvorrichtung 31 umfasst einen modengekoppelten Laser, der Strahlung mit einem Spektrum in Form eines optischen Frequenzkamms erzeugt. Derartige Kammerzeugungsvorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese werden bereits vielfältig als optische Frequenznormale eingesetzt. Die Frequenzen der Spektrallinien des Frequenzkamms sind mit hoher Genauigkeit definiert. Dabei sind die Frequenzen der Spektrallinien gegeben durch f_m = f_CEO + m × f_r. Der optische Frequenzkamm beginnt also bei der (fiktiven) ersten Kammlinie mit der Frequenz f_CEO („carrier envelope offset”). Jeder Kammlinie ist eine ganzzahlige Ordnungszahl m zugewiesen. Der Abstand der Kammlinien beträgt f_r. f_r ist die Repetitionsfrequenz des modengekoppelten Lasers.
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Strahlung 32 über einen Strahlteiler 33 mit der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 auf einer Fotodiode 34 überlagert. Das dabei entstehende hochfrequente Schwebungssignal wird (vorzugsweise nach einer Bandpassfilterung) einem Phasendetektor 35 zugeführt. Auf diese Weise wird eine optische Phasenregelung nach einem Heterodyn-Schema realisiert. Das hochfrequente Überlagerungssignal, das am Ausgang des Phasendetektors 35 anliegt, wird mit einem von einem Radiofrequenzgenerator 36 erzeugten Radiofrequenzsignal fester Frequenz phasengekoppelt. Die Frequenz des Radiofrequenzsignals bestimmt dabei den mittels des Reglers 10 eingeregelten Abstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 und der jeweils benachbarten Spektrallinie des Referenzspektrums.
Optional können der Frequenzgenerator 6 und/oder der Radiofrequenzgenerator 36 mit der Repetitionsfrequenz f_r der Kammerzeugungsvorrichtung 31 synchronisiert sein.
Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei durchstimmbare Laser 1 und 1' vorgesehen, die elektromagnetische Strahlung bei jeweils einer anderen Nutzfrequenz emittieren. Entsprechend sind zwei Strahlteiler 2 und 2' vorgesehen, die die Strahlung jedes Lasers 1, 1' in einen Nutzstrahl 3 bzw. 3' und einen Nebenstrahl 4 bzw. 4' aufteilen. In jedem Nebenstrahl 4 und 4' erfolgt eine Frequenzverschiebung, wie oben in Bezug auf die Ausführungsbeispiele der 1 und 3 beschrieben. Die beiden frequenzverschobenen Nebenstrahlen 4 und 4' werden mittels zweier Strahlteiler 33 und 33' mit der Strahlung einer Kammerzeugungsvorrichtung 31 überlagert, und zwar auf Fotodioden 34 und 34'. Auf diesem Wege erfolgt eine optische Phasendetektion der oben beschriebenen Art. Die sich daraus ergebenden Regelgrößen werden dem Regler 10 zugeführt. Der Regler 10 leitet daraus für jeden durchstimmbaren Laser 1 bzw. 1' eine individuelle Stellgröße ab, um den Frequenzabstand der Frequenzverschiebung in jedem Nebenstrahl 4 bzw. 4' zu einer jeweiligen Spektrallinie des optischen Frequenzkamms zeitlich konstant zu halten. Die 4 illustriert somit, wie das erfindungsgemäße Regelungsschema genutzt werden kann, um zwei (oder mehr) durchstimmbare Laser 1, 1' an einen einzigen optischen Frequenzkamm zu koppeln.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, mit den Verfahrensschritten – Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung bei einer Nutzfrequenz (21), – Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung in einen Nutzstrahl (3) und einen Nebenstrahl (4), – Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls (4), – Steuerung der Nutzfrequenz (21) nach Maßgabe einer Stellgröße, wobei die Stellgröße aus der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) abgeleitet wird, indem eine Regelung auf Basis eines Vergleichs der Frequenz (22) der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) mit der Frequenz (f₁, f₂, ..., f_m) einer Spektrallinie eines mehrere Spektrallinien aufweisenden Referenzspektrums erfolgt, so dass der Frequenzabstand zwischen der Frequenz (22) der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) und der Frequenz (f₁, f₂, ..., f_m) der Spektrallinie des Referenzspektrums vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzverschiebung in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten erfolgt, wobei die Frequenzverschiebung (23) der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls (4) bei jedem Schritt von einem Anfangswert (f_A) auf einen Endwert (f_E), deren Differenz dem Hub der Frequenzverschiebung entspricht, geändert wird, wobei die Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls einen treppenförmigen Verlauf aufweist, wobei der Hub der Frequenzverschiebung des Nebenstrahls (4) größer oder gleich dem halben Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums, vorzugsweise im Wesentlichen gleich dem Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung bei der Nutzfrequenz (21) mittels eines durchstimmbaren Dauerstrichlasers (1, 1') erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzspektrum durch eine Transferfunktion eines Filters bestimmt ist, in den die frequenzverschobene Strahlung des Nebenstrahls (4) eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzspektrum das Transmissions- oder Reflexionsspektrum eines optischen Resonators oder eines Etalons (8) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzspektrum ein Transmissions-, Absorptions- oder Lumineszenzspektrum eines gasförmigen, flüssigen oder festen Referenzmediums ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzspektrum ein Emissionspektrum einer Referenzstrahlungsquelle (31) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die frequenzverschobene Strahlung des Nebenstrahls (4) mit der Strahlung der Referenzstrahlungsquelle, deren Strahlung mit der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) überlagert wird, ein Schwebungssignal erzeugt und die Regelung der Nutzfrequenz (21) nach einem Heterodyn-Schema erfolgt, wobei das Schwebungssignal mit einem Referenzsignal vorgegebener Frequenz phasen- oder frequenzgekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzspektrum das Spektrum eines optischen Frequenzkamms ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach jedem Schritt die Stellgröße bei Zurückstellung der Frequenzverschiebung (23) von dem Endwert (f_E) auf den Anfangswert (f_A) konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls (4) gestoppt wird, sobald die Nutzfrequenz (21) gleich einer Sollfrequenz ist.
Optischer Frequenz-Synthesizer aufweisend – wenigstens einen durchstimmbaren Laser (1) zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung bei einer Nutzfrequenz (21), – wenigstens einen Strahlteiler (2) zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung des durchstimmbaren Lasers (1) in einen Nutzstrahl (3) und einen Nebenstrahl (4), – wenigstens einen Frequenzschieber (5) zur Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls (4), und – wenigstens einen mit dem durchstimmbaren Laser (1) verbundenen Regler (10), der eingerichtet ist, die Nutzfrequenz (21) nach Maßgabe einer Stellgröße zu steuern, wobei der Regler (10) die Stellgröße aus der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) ableitet, indem eine Regelung auf Basis eines Vergleichs der Frequenz (22) der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) mit der Frequenz (f₁, f₂, f_m) einer Spektrallinie eines mehrere Spektrallinien aufweisenden Referenzspektrums erfolgt, so dass der Frequenzabstand zwischen der Frequenz (22) der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls (4) und der Frequenz (f₁, f₂, ..., f_m) der Spektrallinie des Referenzspektrums vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (10) weiter eingerichtet ist, die Frequenzverschiebung in mehreren zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten durchzuführen, wobei die Frequenzverschiebung (23) der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls (4) bei jedem Schritt von einem Anfangswert (f_A) auf einen Endwert (f_E), deren Differenz dem Hub der Frequenzverschiebung entspricht, geändert wird, wobei die Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls einen treppenförmigen Verlauf aufweist, wobei der Hub der Frequenzverschiebung des Nebenstrahls (4) größer oder gleich dem halben _ Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums, vorzugsweise im Wesentlichen gleich dem Frequenzabstand zweier Spektrallinien des Referenzspektrums ist.
Optischer Frequenz-Synthesizer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) ein durchstimmbarer Dauerstrichlaser ist.
Optischer Frequenz-Synthesizer nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch – zwei oder mehr durchstimmbare (1, 1') Laser zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, bei jeweils einer anderen Nutzfrequenz, – zwei oder mehr Strahlteiler (2, 2') zur Aufteilung der elektromagnetischen Strahlung jedes durchstimmbaren Lasers (1, 1') in einen Nutzstrahl (3, 3') und einen Nebenstrahl (4, 4') wobei der Regler (10) eingerichtet ist, für jeden durchstimmbaren Laser (1, 1') eine Stellgröße durch Vergleich der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des jeweiligen Nebenstrahls (4, 4') mit der Frequenz einer Spektrallinie des Referenzspektrums abzuleiten, wobei der Regler (10) den Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des jeweiligen Nebenstrahls (4, 4') und der Frequenz einer der Spektrallinien des Referenzspektrums auf einen vorgegebenen Wert regelt.
Optischer Frequenz-Synthesizer nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzschieber (5) einen akusto-optischen Modulator umfasst.