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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtpulse, mit
- – einer ersten Lichtquelle, die eine erste Folge von Lichtpulsen bei einer ersten Repetitionsrate erzeugt,
- – einer zweiten Lichtquelle, die eine zweite Folge von Lichtpulsen bei einer zweiten Repetitionsrate erzeugt,
- – wenigstens einem Stellglied, das die erste und/oder die zweite Repetitionsrate beeinflusst, und
- – einem Steuerelement, das das Stellglied mit einem periodischen Modulationssignal zur periodischen Variation der ersten und/oder der zweiten Repetitionsrate beaufschlagt.
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Derartige Vorrichtungen werden z. B. für die ultraschnelle zeitaufgelöste Spektroskopie benutzt. Dabei kommen als Lichtquellen üblicherweise modengekoppelte Laser zum Einsatz. So genannte Pump-Probe-Techniken werden zur Messung und Untersuchung des Zeitverlaufs von physikalischen oder chemischen Vorgängen benutzt. Derartige Techniken haben zu bemerkenswerten Fortschritten in verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Bereichen geführt. Erwähnenswert sind Untersuchungen zur Relaxationsdynamik in Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen, die zeitaufgelöste Terahertz-Spektroskopie sowie auch die Signalanalyse in der optischen Kommunikationstechnik. In Synchrotron-Strahlungsquellen werden modengekoppelte Laser als Lichtimpulsquellen benutzt, um die Erzeugung von Elektronenbündeln zeitlich zu steuern und auch um das Zeitverhalten von Elektronen-, UV-Licht- oder Röntgenimpulsen zu analysieren. Alle diese Anwendungen haben gemeinsam, dass die Ankunftszeitpunkte der Lichtimpulse in einem Wechselwirkungszentrum des jeweiligen Experiments präzise steuerbar sein müssen. Meist müssen die Ankunftszeitpunkte bzw. die Zeitintervalle zwischen aufeinander folgend eintreffenden Lichtimpulsen innerhalb eines bestimmten Intervalls variierbar sein, um so den Zeitverlauf des zu untersuchenden physikalischen, technischen oder chemischen Vorgangs abtasten (scannen) zu können.
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Bekannt ist es, aufeinander folgende Lichtimpulse mit einstellbarem Zeitabstand mittels einer einzigen Lichtquelle zu erzeugen, deren Lichtstrahl auf zwei Teilstrahlen aufgeteilt und wieder zusammengeführt wird, wobei sich in einem Arm eine Verzögerungsstrecke variabler Länge befindet. Der variable Zeitabstand zwischen den Lichtimpulsen ergibt sich bei dieser Vorgehensweise durch die unterschiedlichen Laufzeiten in den Armen eines solchen Interferometers. Die variable Länge wird in der Regel mittels eines elektromechanisch bewegten Spiegels realisiert. Nachteilig ist, dass der Spiegel über den vollen der Variation des Zeitversatzes entsprechenden Weg bewegt werden muss. Dieser große erforderliche Hub steht einer schnellen Bewegung des Spiegels entgegen. Somit ist die Spiegelbewegung relativ langsam und der Zeitabstand zwischen den Lichtimpulsen kann nur entsprechend langsam variiert werden. Hieraus ergeben sich unerwünscht lange Scanzeiten. Nachteilig ist weiterhin, dass die mechanische Spiegelverstellung anfällig für Fehljustierungen ist. Damit die Zeitachse des jeweiligen Experimentes definiert ist, muss die Spiegelposition für jeden Wert des Zeitversatzes genau bestimmt werden. Außerdem bewirkt die Spiegelbewegung, bedingt durch die Divergenz des Lichtstrahles, eine unerwünschte Variation des Strahldurchmessers.
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Zur Überwindung der zuvor genannten Nachteile ist die sogenannte ASOPS-Technik bekannt geworden („Asynchronous Optical Sampling“). Hierbei werden zwei Lichtquellen benutzt, die periodische Folgen von Lichtimpulsen emittieren, wobei die Lichtimpulsfolgen in dem Wechselwirkungszentrum des jeweiligen Experiments überlagert werden. Die Lichtimpulsfolgen der beiden Lichtquellen weisen einen von Lichtpuls zu Lichtpuls zunehmenden Zeitversatz auf, der dadurch zustande kommt, dass die Wiederholfrequenzen der Lichtimpulsfolgen der beiden Lichtquellen geringfügig unterschiedlich sind. Dabei überstreicht der Zeitversatz zwischen den Lichtpulsen der beiden Lichtquellen den vollen Zeitabstand zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtpulsen einer der beiden Lichtquellen, d.h. das vollständige der inversen Wiederholfrequenz entsprechende Zeitintervall, und zwar bis die Lichtpulse der beiden Lichtquellen wieder koinzidieren. Dann beginnt der Vorgang von Neuem. Nachteilig ist vor diesem Hintergrund, dass der Scanbereich der ASOPS-Technik für die meisten praktischen Anwendungen viel zu groß ist. Dies liegt daran, dass, wie zuvor erläutert, der Zeitversatz zwischen aufeinander folgenden Lichtimpulsen stets zwischen Null und dem vollen Zeitabstand zwischen den Lichtimpulsen einer der Lichtimpulsfolgen variiert. Beträgt beispielsweise die Wiederholfrequenz der Lichtimpulsfolgen 100 MHz, variiert der Zeitversatz der Lichtimpulsfolgen automatisch zwischen 0 und 10 ns. Ein Scanbereich von 10 ns wird jedoch in der Praxis nicht benötigt. Für die meisten Anwendungen, z.B. für die zeitaufgelöste Spektroskopie, reicht, aufgrund der Zeitskala der untersuchten Dynamik, ein variabler Zeitversatz von einigen 10 ps völlig aus. Das bedeutet, dass bei der ASOPS-Technik während des größten Teils der Messzeit (über 90%) keine sinnvollen Messdaten gewonnen werden können. Ein wesentlicher Nachteil der ASOPS-Technik ist somit, dass Lichtquellen zur Erzeugung der Lichtimpulsfolgen benutzt werden müssen, deren Wiederholfrequenzen mindestens ein Gigahertz betragen. Nur so kann eine für die meisten Anwendungen ausreichende Zeitauflösung bei gleichzeitig praktikablen Abtastraten erzielt werden.
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Aus der
DE 20 2008 009 021 U1 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der aus den Lichtpulsfolgen der beiden Lichtquellen mittels eines Phasendetektors ein Regelsignal innerhalb eines Regelkreises gebildet wird, wobei der Regelkreis einen Regler umfasst, der ein Stellsignal erzeugt, welches die Repetitionsrate der Lichtpulsfolge einer der beiden Lichtquellen beeinflusst. Durch Änderung der Wiederholfrequenz, d.h. der Führungsgröße, wird mittels des Reglers gezielt ein Vorauseilen bzw. ein Nachfolgen der Lichtpulsfolge der einen Lichtquelle gegenüber der Lichtpulsfolge der anderen Lichtquelle erzeugt. Der Regler stellt die Repetitionsrate dabei so ein, dass der gewünschte Phasenwert, d.h. der gewünschte Zeitversatz eingestellt wird. Die vorbekannte Vorrichtung hat den Vorteil, dass der Zeitversatz zwischen den Lichtpulsfolgen nahezu beliebig vorgegeben werden kann. Der Scanbereich, d. h. der Bereich, über den, z. B. bei einem Pump-Probe-Experiment, der Zeitversatz variiert wird, kann nach Belieben vorgegeben werden. Dies bedeutet einen Vorteil gegenüber der herkömmlichen ASOPS-Technik insbesondere hinsichtlich der Anpassung des Scanbereiches an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung. Der Scanbereich und die Wahl der Messpunkte, d.h. der bei der Messung jeweils verwendeten Zeitversatzwerte, sind nämlich nicht, wie bei der ASOPS-Technik, prinzipbedingt festgelegt, sondern frei vorgebbar.
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Allerdings hat die Steuerung der Repetitionsrate einer der beiden Lichtquellen über den Regelkreis gemäß der
DE 20 2008 009 021 U1 auch Nachteile. So ist z.B. die Zeitauflösung bei der Variation des Zeitversatzes durch die Eigenschaften des Regelkreises bestimmt. Die Scangeschwindigkeit, d.h. die Geschwindigkeit bei der Variation des Zeitversatzes ist durch die Bandbreite des Regelkreises beschränkt. Bei schnellen Pump-Probe-Experimenten (z.B. in der zeitaufgelösten Terahertz-Spektroskopie) wird eine Scangeschwindigkeit im Bereich von 1 kHz angestrebt, d.h. dass der gesamte Scanbereich mit dieser Frequenz periodisch abzutasten ist. Bei einer derart großen Scangeschwindigkeit kommt es aufgrund der Eigenschaften des Regelkreises zu erheblichen Signalverzerrungen. Eine Folge davon ist, dass die Zeitachse des Experiments, d.h. der genaue Zeitabstand zwischen jedem einzelnen Pump- und Probe-Lichtpuls nicht mehr präzise rekonstruierbar ist. Bei der Phasenmodulation gemäß der vorbekannten Vorgehensweise, d.h. auf Basis zweier über eine Phasenregelschleife aneinander gekoppelter Lichtpulsfolgen, kommt es, anders ausgedrückt, grundsätzlich zu einer unerwünschten Wechselwirkung zwischen Modulation und Regelung. Die Regelschleife kann einer Modulation der Führungsgröße nur weit unterhalb der Regelbandbreite folgen. Mit zunehmender Modulationsfrequenz und -amplitude kommt es zu Signalverzerrungen. Wird alternativ die Modulation direkt auf das Stellglied aufgeprägt, so versucht die Regelschleife entgegen zu wirken. In Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz, d.h. der Scangeschwindigkeit erfolgt dies mit unterschiedlicher Phase. Die induzierte Verzerrung der Modulation variiert von einer Gegenregelung (unterhalb der Regelbandbreite des Regelkreises) bis zu einer Mitmodulation, d.h. einer Verstärkung der Modulation oberhalb der Bandbreite. Im Übergangsbereich bewirkt die Regelung eine Verzerrung der Modulation, die die Rekonstruktion der relativen Phase bzw. des relativen Zeitversatzes zwischen den Lichtpulsen und damit die notwendige Kalibierung der Zeitachse des jeweiligen Pump-Probe-Experimentes erschwert oder, in Abhängigkeit von der geforderten Genauigkeit, sogar unmöglich macht. Weiter nachteilig ist, dass die Regelung bei der vorbekannten Vorrichtung zusätzliche breitbandige Störungen durch die nicht-lineare Antwort der Regelschleife oder des Stellgliedes induzieren kann, d.h. es werden störende Harmonische der Modulationsfrequenz oder Rauschen erzeugt.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtpulse bereitzustellen.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs angegebenen Art durch einen Regelkreis mit einem Phasendetektor, der aus der ersten Lichtpulsfolge und der zweiten Lichtpulsfolge ein Regelsignal ableitet, einem Korrekturglied, das aus dem Regelsignal und dem Modulationssignal ein Regelabweichungssignal ableitet, und einem Regler, an dessen Eingang das Regelabweichungssignal anliegt, wobei das Stellglied mit einem aus dem Ausgangssignal des Reglers gebildeten Stellsignal beaufschlagt wird.
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Gemäß der Erfindung wird die Repetitionsrate einer der beiden Lichtpulsfolgen (oder gleichzeitig beider Lichtpulsfolgen) direkt beeinflusst. Das die Repetitionsrate beeinflussende Stellglied wird direkt mit dem periodisch variierenden Modulationssignal beaufschlagt, so dass unerwünschte Verzerrungen durch eine zwischengeschaltete Regelung, wie sie der Stand der Technik gemäß der oben genannten
DE 20 2008 009 021 U1 vorschlägt, vermieden werden. Die Erfindung ermöglicht somit eine hohe Scangeschwindigkeit, die insbesondere nicht durch die Bandbreite der Phasenregelung limitiert ist. Außerdem ermöglicht die Erfindung eine präzise Kalibrierung der Zeitachse, da aus dem Modulationssignal unmittelbar auf die jeweils momentan anliegenden Repetitionsraten und damit auf den Zeitversatz zwischen den Lichtpulsen der beiden Lichtquellen geschlossen werden kann. Die Zeitachse wird gemäß der Erfindung unabhängig von der Scangeschwindigkeit nicht von der Regelung beeinflusst.
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Der Regelkreis ist erfindungsgemäß vorgesehen, um eine stabile Phasenkopplung der beiden Lichtpulszüge zu gewährleisten. Der Regelkreis umfasst einen Phasendetektor, der aus der ersten Lichtpulsfolge und der zweiten Lichtpulsfolge ein Regelsignal ableitet, ein Korrekturglied, das aus dem Regelsignal und dem Modulationssignal ein Regelabweichungssignal ableitet, und einen Regler, an dessen Eingang das Regelabweichungssignal anliegt. Der Regler steuert das Stellglied an. Bevorzugt ist dafür ein Überlagerungsglied vorgesehen, das das Modulationssignal und das Ausgangssignal des Reglers überlagert und das Stellglied mit dem durch die Überlagerung erzeugten Stellsignal beaufschlagt. Das Korrekturglied bewirkt, mit anderen Worten, dass das Regelabweichungssignal entsprechend dem Modulationssignal kompensiert wird, so dass das Regelabweichungssignal von der durch die (schnelle) Modulation der Repetitionsrate bewirkten Modulation des Regelsignals im Wesentlichen befreit ist. Das Korrekturglied korrigiert, anders ausgedrückt, das Regelsignal um die Modulation, bevor es dem Regler als Regelabweichungssignal zugeführt wird. Das Regelabweichungssignal variiert (insofern abweichend von dem Regelungskonzept gemäß der oben zitierten
DE 20 2008 009 021 U1 ) dann nur noch innerhalb der Regelbandbreite des Regelkreises, und zwar entsprechend den sonstigen Störungen der relativen Phasenlage der beiden Lichtpulsfolgen (thermische Drift, Erschütterungen etc.). Diese langsamen Störungen werden eliminiert, indem das Stellglied mit dem aus dem Ausgangssignal des Reglers und dem Modulationssignal gebildeten Stellsignal beaufschlagt wird. Bei diesem Vorgehen ist der Regler von der (schnellen) Modulation der Repetitionsrate unbeeinflusst. Es kommt entsprechend nicht zu einer Wechselwirkung zwischen der Modulation und der Regelung, und die beschriebenen nachteiligen Verzerrungen treten nicht auf.
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Sofern die Variation der Repetitionsrate gemäß der Erfindung hinreichend klein ist, so dass entsprechend die Variation des Regelsignals am Ausgang des Phasendetektors kleiner ist als eine vollständige Phasenflanke, kann die Kompensation mittels des Korrekturgliedes linear erfolgen. Das Korrekturglied kann entsprechend ein Addierer sein, der zur Bildung des Regelabweichungssignals das Regelsignal und das Modulationssignal addiert. Vorzugsweise erfolgt bei der Bildung des Regelabweichungssignals mittels des Korrekturgliedes zusätzlich eine Anpassung der Phase und/oder der Amplitude des Modulationssignals. Eine genauere Kompensation lässt sich auf Basis einer entsprechenden Berechnung erzeugen, z.B. durch Entfaltung mit der Antwortfunktion des Phasendetektors. Optional kann der Phasendetektor in geeigneter Weise linearisiert sein, so dass das Regelsignal linear von der Phasendifferenz der beiden Lichtpulsfolgen abhängt. Die Kompensation mittels des Korrekturgliedes kann auch selbstadaptiv ausgestaltet sein. Die Amplituden- und/oder Phasenkorrektur des Modulationssignals bei der Kombination mit dem Regelsignal kann hierzu mittels einer entsprechenden zusätzlichen Regelung optimiert werden, z.B. indem die zeitlichen Schwankungen des Regelabweichungssignals hinsichtlich Frequenz und/oder Amplitude minimiert werden. Dies ermöglicht eine flexible Wahl der Modulationsfrequenz und -amplitude der Repetitionsrate bei automatischer Kompensation im Regelkreis.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist auch das Überlagerungsglied ein Addierer. Demgemäß wird das Stellglied mit dem Stellsignal als Summensignal aus dem Ausgangssignal des Reglers und dem Modulationssignal beaufschlagt.
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Grundsätzlich kann das Modulationssignal ein beliebiges periodisches Zeitsignal sein, das beispielsweise mittels eines Funktionsgenerators erzeugt wird, wobei die Amplitude und/oder die Frequenz des Modulationssignals einstellbar sind. Durch periodische Variation des Modulationssignals wird der Scanbereich bezüglich des Zeitversatzes der beiden Lichtpulsfolgen periodisch abgetastet. Das Modulationssignal kann beispielsweise ein Sinus- oder auch ein Rechtecksignal sein. Bei einem Rechtecksignal wird die Repetitionsrate zwischen zwei vorgegebenen Werten periodisch hin und her geschaltet. Die Modulation mittels eines Rechtecksignals ermöglicht ein zeitlich äquidistantes Abtasten, d.h. eine zeitlich äquidistante Variation des Zeitabstands der beiden Lichtpulsfolgen, sowie eine präzise Rekonstruktion der Zeitachse.
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Für die meisten Anwendungen von Vorrichtungen der erfindungsgemäßen Art, beispielsweise für die schnelle aufgelöste Spektroskopie, reicht ein maximaler Zeitversatz der Lichtimpulsfolgen von maximal 1 ns aus. Es ist problemlos möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung so einzurichten, dass der Zeitversatz bis zu 1 ns beträgt. Der Zeitversatz kann auch deutlich kleinere Werte von nur wenigen 10 ps betragen, so dass sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in idealer Weise an die Anforderungen der jeweiligen Anwendung anpassen lässt. Dies stellt insbesondere sicher, dass, wie oben bereits erläutert, während der gesamten Messzeit sinnvolle Messwerte gewonnen werden können. Beispielsweise bei der Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die schnelle zeitaufgelöste Spektroskopie kann der Scanbereich genau an die Zeitskala der untersuchten dynamischen Prozesse angepasst werden.
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Als Lichtquellen für die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich Pulslaser, insbesondere modengekoppelte Laser. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft mit Faserlasern realisiert werden. Bei Experimenten haben sich Faserlasersysteme auf der Basis von Erbium-dotierten Fasern bewährt. Derartige modengekoppelte Faserlaser, die Lichtpulsfolgen bei Wiederholfrequenzen im Bereich von 100 MHz emittieren, sind vorteilhafterweise als vorgefertigte Einheiten kommerziell erhältlich. Derartige Systeme haben sich als äußerst robust erwiesen. Ein wesentlicher Vorteil ist, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit modengekoppelten Faserlasern als Lichtquellen für sämtliche der eingangs erwähnten Anwendungen eingesetzt werden kann. Aufwendige, teure und außerdem justageintensive Titan-Saphir-Laser, wie sie üblicherweise bei ASOPS-Systemen zum Einsatz kommen, sind für die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht als Lichtquellen nötig.
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Zur praktischen Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann mittels des Stellgliedes die Resonatorlänge des Lasers der ersten und/oder zweiten Lichtquelle verstellt werden. Die Resonatorlänge beeinflusst unmittelbar die Wiederholfrequenz der Lichtpulsfolge. Das Stellelement kann z. B. ein handelsüblicher Piezo-Translator sein, der einen Endspiegel des Laserresonators bewegt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung bewirkt das Stellglied die Umschaltung der ersten Repetitionsrate zwischen zwei verschiedenen, diskreten Werten. Alternativ oder ergänzend kann das Stellglied die Umschaltung der zweiten Repetitionsrate zwischen zwei verschiedenen, diskreten Werten bewirken. Mit dieser Ausgestaltung lässt sich ein Verfahren zur Erzeugung zeitlich beabstandeter Lichtpulse realisieren, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- – Erzeugung einer ersten Folge von Lichtpulsen bei einer ersten Repetitionsrate mittels eines Pulslasers,
- – Erzeugung einer zweiten Folge von Lichtpulsen bei einer zweiten Repetitionsrate mittels eines weiteren Pulslasers, und
- – periodisches Umschalten zumindest einer der beiden Repetitionsraten zwischen zwei Werten, so dass der Pulsabstand der zweiten Lichtpulsfolge stets um einen betragsmäßig vorgegebenen, abwechselnd positiven und negativen Offsetwert von dem Pulsabstand der ersten Lichtpulsfolge abweicht, wobei das Umschalten durch Variation der Polarisation der im Resonator wenigstens eines der beiden Pulslaser umlaufenden Strahlung zwischen zwei verschiedenen Polarisationszuständen erfolgt, wobei jedem der Polarisationszustände jeweils eine andere wirksame Resonatorlänge des Pulslasers zugeordnet ist.
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Dieses Verfahren nutzt die inhärente Kurzzeitstabilität der beiden Lichtquellen (Laser) aus, so dass eine Phasenkopplung mittels Phasenregelschleife nicht zwingend erforderlich ist. Ggf. kann eine Langzeitstabilisierung der Repetitionsraten auf geeignete Weise sinnvoll sein.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren steigt aufgrund der um den Offsetwert unterschiedlichen Pulsabstände der Zeitversatz zwischen den Lichtpulsen der beiden Lichtquellen zunächst schrittweise (zeitlich linear) an. Nachdem z.B. innerhalb eines vorgegebenen Scanbereiches 1000 Messpunkte abgetastet wurden, wird umgeschaltet, so dass der Offset zwischen den Pulsabständen invertiert wird. Das heißt, dass z.B. die zweite Repetitionsrate, die bis zum Zeitpunkt des Umschaltens größer war als die erste Repetitionsrate, nach dem Umschalten entsprechend kleiner ist als die erste Repetitionsrate. Dies kann gleichermaßen erreicht werden durch Variation der ersten, der zweiten oder auch beider Repetitionsraten. Nach dem Umschalten vermindert sich der Zeitversatz zwischen den Lichtpulsen der beiden Lichtquellen wiederum schrittweise, so dass entsprechend eine Messung mit kleiner werdendem Zeitversatz erfolgen kann. Wenn z.B. eine zeitliche Koinzidenz der Lichtpulse der ersten und der zweiten Lichtquelle detektiert wird, erfolgt abermals eine Umschaltung der Repetitionsrate bzw. der Repetitionsraten, so dass der Zyklus dann von Neuem beginnen kann. Die Kalibrierung der Zeitachse ist bei diesem Verfahren entsprechend einfach und genau möglich.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die erste und die zweite Lichtquelle Laser, die gemeinsame Komponenten, wie ein gemeinsames Lasermedium, eine gemeinsame optische Faserstrecke, und/oder gemeinsame Spiegel aufweisen. Die Nutzung gemeinsamer Komponenten macht eine kostengünstige Realisierung möglich. Außerdem erhöht die Nutzung gemeinsamer Komponenten die Stabilität des Systems, da sich äußere Einflüsse (sei es thermischer oder mechanischer Art) auf die gemeinsamen Komponenten und damit auf beide Laser gleich auswirken. Die beiden Laser bleiben trotz gemeinsamer Komponenten unabhängig, indem z.B. die Strahlung des ersten Lasers zur Strahlung des zweiten Lasers orthogonal polarisiert ist. Die Strahlungen der beiden Laser wechselwirken somit nicht.
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Als Stellglied kommt erfindungsgemäß ein Polarisationsmodulator zum Einsatz. Gemäß der Erfindung ist jedem der beiden Pulslaser eine Repetitionsrate zugeordnet, diese kann jeweils einfach und mit kürzester Schaltzeit (d.h. in der Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtpulsen der betreffenden Lichtpulsfolge) im Sinne der Erfindung zwischen einem von zwei diskreten Werten umgeschaltet werden, indem periodisch eine Variation des Polarisationszustands der im Resonator des Lasers umlaufenden Strahlung mittels des Polarisationsmodulators erfolgt. Als Polarisationsmodulator kann z.B. ein elektrooptischer Modulator (EOM) zum Einsatz kommen.
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Bei der Ausgestaltung, bei der sich die beiden Laser gemeinsame Komponenten teilen, kann durch die Umschaltung der Polarisationsdrehung gleichsam abwechselnd ein „Tausch“ der Repetitionsraten der beiden Lichtquellen stattfinden.
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Zur Realisierung zweier verschiedener Repetitionsratenwerte, wobei jedem der beiden Polarisationszustände jeweils einer der beiden Repetitionsratenwerte zugeordnet ist, kann ein doppelbrechendes Element Verwendung finden. Aufgrund des je nach Polarisationsrichtung unterschiedlichen Brechungsindex (und der entsprechend unterschiedlichen optischen Weglängen) ergibt sich eine unterschiedliche effektive Resonatorlänge und damit eine (geringfügig) unterschiedliche Repetitionsrate.
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Gleichermaßen können die erste und/oder die zweite Lichtquelle einen Polarisationsstrahlteiler aufweisen, der die Strahlung der betreffenden Lichtquelle entsprechend dem jeweiligen Polarisationszustand auf zwei (unterschiedlich lange) Arme eines Interferometers aufteilt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 Darstellung von zeitlich versetzten Lichtpulsfolgen mit Variation der Repetitionsrate gemäß der Erfindung;
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2 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausgestaltung als Blockdiagramm;
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3 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausgestaltung als Blockdiagramm;
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4 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer dritten Ausgestaltung als Blockdiagramm;
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5 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vierten Ausgestaltung als Blockdiagramm;
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6 erfindungsgemäße Vorrichtung in einer fünften Ausgestaltung als Blockdiagramm.
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In dem Diagramm der 1 ist eine erste Folge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen I und eine zweite Folge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen II auf der Zeitachse t dargestellt. Die Lichtpulse sind jeweils durch einen durchgehenden vertikalen Balken symbolisiert. Die gestrichelten vertikalen Linien zeigen die Zeitpunkte der Lichtpulse der zweiten Folge II an, um die relative zeitliche Lage der Lichtpulse der ersten Folge I und der zweiten Folge II zu verdeutlichen. Der Pulsabstand T der Lichtpulse der ersten Folge I beträgt z.B. T = 12.5 ns (entsprechend einer Repetitionsrate von 80 MHz). Während eines ersten Zeitintervalls (oberes Diagramm) ist der Pulsabstand der Lichtpulse der zweiten Folge II um z.B. ∆ = 100 fs größer als T. Entsprechend steigt der Abstand zwischen den Lichtpulsen der ersten Folge I und den Lichtpulsen der zweiten Folge II von Pulspaar zu Pulspaar jeweils um 100 fs an. Dies erfolgt über z.B. 1000 Lichtpulse, bis der Abstand zwischen den aufeinander folgenden Lichtpulsen der ersten und zweiten Folge I bzw. II 100 ps beträgt. Dann wird die Repetitionsrate der zweiten Lichtpulsfolge umgeschaltet (unteres Diagramm), so dass der Pulsabstand der Lichtpulse der zweiten Folge II nun T – ∆ beträgt. Der Pulsabstand vermindert sich nun um 100 fs von Pulspaar zu Pulspaar, bis, wiederum nach 1000 Lichtpulsen, die Lichtpulse gleichzeitig erzeugt werden (letztes Pulspaar im Diagramm rechts unten). An dieser Stelle wird die Repetitionsrate der zweiten Lichtpulsfolge auf den ursprünglichen Wert zurück geschaltet, so dass der Pulsabstand der Lichtpulse der zweiten Folge II wieder T + ∆ beträgt und der dargestellte Ablauf von Neuem beginnt. Es sei angemerkt, dass der Zyklus nicht zwingend so durchlaufen werden muss, dass die Lichtpulse der beiden Folgen I und II jeweils am Anfang bzw. am Ende des Zyklus koinzidieren. Der minimale und der maximale zeitliche Abstand, zwischen denen variiert wird, kann gemäß der Erfindung prinzipiell beliebig vorgegeben werden.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der eine erste und eine zweite Lichtquelle in Form von modengekoppelten Faserlasern realisiert sind, wobei die beiden Lichtquellen zur maximalen Ausnutzung einer Gleichtaktunterdrückung (engl. „common mode“) gemeinsame Komponenten aufweisen, und zwar ein Lasermedium 21 in Form einer mit Erbiumionen dotierten Faser, die von einer Laserdiode 22 optisch gepumpt wird, einen Endspiegel des Laserresonators in Form eines sättigbaren Absorberspiegels (SESAM) 23, der gleichzeitig als passives Modenkopplungselement fungiert, und einen weiteren Endspiegel 24 des Laserresonators. Die Strahlung der zweiten Lichtquelle weist eine zur Strahlung der ersten Lichtquelle orthogonale Polarisation auf, so dass die Strahlungen der beiden Lichtquellen nicht wechselwirken. Die erzeugte Strahlung wird bei 25 ausgekoppelt. Gemäß der Erfindung erzeugt die erste Lichtquelle die erste Folge I von Lichtpulsen bei der ersten Repetitionsrate, während die zweite Lichtquelle die zweite Folge II von Lichtpulsen bei der zweiten Repetitionsrate erzeugt. Hierzu ist eine doppelbrechende Faser 26 vorgesehen, die eine unterschiedliche effektive Resonatorlänge der ersten und der zweiten Lichtquelle bewirkt. Als Stellglied 27 ist ein Polarisationsmodulator in Form eines fasergekoppelten EOM vorgesehen. Dieses beeinflusst durch Variation der Drehung der Polarisationsrichtung die erste und die zweite Repetitionsrate, und zwar in der Weise, dass die Repetitionsraten der beiden Lichtpulsfolgen getauscht werden. Ein Steuerelement 28 beaufschlagt das Stellglied 27 direkt mit einem periodischen Modulationssignal 29, um die Pulsabstände der Lichtpulse entsprechend periodisch zu variieren. Eine Photodiode 30 detektiert die erzeugten Lichtpulse, so dass z.B. alle 1000 Lichtpulse die Repetitionsrate umgeschaltet wird. Die einzelnen Faserabschnitte der dargestellten Vorrichtung sollten polarisationserhaltend ausgebildet sein, damit die Lichtpulse der beiden Lichtquellen an allen Stellen im Resonator über den Polarisationszustand separiert sind und nicht wechselwirken.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Vermeidung der Wechselwirkung der Lichtpulse der beiden Lichtquellen nicht zwingend nur durch zueinander orthogonale Polarisation zu erreichen ist. In einer alternativen Ausgestaltung können zwei Lichtpulse in einem ringförmigen Resonator räumlich hintereinander umlaufen, ohne zu koinzidieren, wobei durch geeignete schaltbare optische Elemente die Umlaufzeit jedes Lichtpulses selektiv moduliert werden kann, so dass sich der Zeitabstand der umlaufenden Lichtpulse vergrößert bzw. verkleinert.
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Das Ausführungsbeispiel der 2 ist vollständig faserbasiert. Demgegenüber ist bei den Ausführungsbeispielen der 3 und 4 ein Teil des Resonators als Freistrahlanordnung ausgebildet. Über einen Faserkoppler 31 wird die Strahlung jeweils einem EOM als Stellglied 27 im Freistrahl zugeführt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 ist zur Erzeugung der unterschiedlichen effektiven Resonatorlängen in den orthogonalen Polarisationsrichtungen ein doppelbrechender Kristall 32 (z.B. YVO4) in einer Freistrahlstrecke 33 vorgesehen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 kommt ein Polarisationsstrahlteiler 41 zum Einsatz, der die Strahlung entsprechend der jeweiligen Polarisation auf die zwei dargestellten, unterschiedlich langen Arme eines Interferometers aufteilt. Der weitere Endspiegel ist mit 24‘ bezeichnet. Die Photodiode 30 detektiert wiederum die erzeugten Lichtpulse. Sie kann in einer möglichen Ausgestaltung zur Detektion einer zeitlichen Koinzidenz der erzeugten Lichtpulse der ersten und zweiten Folge I bzw. II genutzt werden, um auf dieser Basis die Variation der Repetitionsraten zu synchronisieren und gleichzeitig hochgenau die Zeitachse zu kalibrieren. Hierzu kann z.B. eine 2-Photonen-Photodiode verwendet werden.
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Die Vorrichtung gemäß 5 umfasst als Lichtquellen zur Erzeugung der Lichtimpulsfolgen I und II zwei separate modengekoppelte Faserlaser 51 und 52. Über Strahlteiler 53 und 54 wird ein Teil des Laserlichts der Lichtpulsfolgen I und II auf Fotodioden 55 bzw. 56 geführt. Die von den Fotodioden 55 und 56 erzeugten Signale werden einem Phasendetektor (z.B. Mischer) 57 zugeführt. Dem Phasendetektor 57 können Filter (nicht dargestellt) vorgeschaltet sein, die Signalanteile bei Harmonischen der Repetitionsraten der Lichtpulsfolgen I und II herausfiltern. Ebenso können dem Phasendetektor 57 Phasenschieber (nicht dargestellt) vorgeschaltet sein. Der Phasendetektor 57 erzeugt an seinem Ausgang ein Regelsignal 58. Ein Addierer 59 und ein Amplitudensteller 60 bilden ein Korrekturglied im Sinne der Erfindung, das aus dem Regelsignal 58 und einem mittels eines Steuerelementes (Funktionsgenerator) 61 erzeugten, hier sinusförmigen Modulationssignal 62 ein Regelabweichungssignal 63 ableitet. Das Korrekturglied bewirkt, dass das Regelabweichungssignal 63 entsprechend dem Modulationssignal 62 kompensiert wird, so dass das Regelabweichungssignal 63 von einer (ggf. schnellen) Modulation des Regelsignals 58 im Wesentlichen befreit ist. Das Regelabweichungssignal 63 variiert entsprechend innerhalb der Regelungsbandbreite der Regelschleife. Das Regelabweichungssignal 63 liegt am Eingang eines PID-Reglers 64 an. Dieser erzeugt ein Ausgangssignal 65, das mittels eines Überlagerungsgliedes (weiterer Addierer) 66 mit dem Modulationssignal 62 überlagert und einem (in 5 nicht näher dargestellten) Stellglied des Faserlasers 52 zugeführt wird. Das durch die Überlagerung erzeugte Stellsignal 67 wirkt auf die Repetitionsrate der von dem Faserlaser 52 emittierten Lichtpulsfolge II. Hierzu steuert das Stellsignal 67 z.B. einen in den Faserlaser 52 integrierten Piezo-Translator an, mittels welchem die Resonatorlänge des Faserlasers 52 verstellt wird. Durch das bei dem Ausführungsbeispiel aus Addierer 59 und Amplitudensteller 60 bestehende Korrekturglied ist der Regelkreis von der (schnellen) Modulation der Repetitionsrate entsprechend dem Modulationssignal 62 unbeeinflusst. Es kommt entsprechend nicht zu einer Wechselwirkung zwischen der Modulation und der Regelung, und daraus resultierende, nachteilige Verzerrungen werden vermieden. Die Frequenz des Modulationssignals 62 bestimmt die Scanfrequenz der Vorrichtung, d. h. die Frequenz, mit welcher der Zeitversatz zwischen den Lichtpulsfolgen I und II periodisch variiert. Die mittels des Funktionsgenerators 61 frei einstellbare Amplitude des Modulationssignals 62 bestimmt die Breite des Scanbereichs hinsichtlich des Zeitversatzes.
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Es sei darauf hingewiesen, dass die Komponenten des in 5 dargestellten Regelkreises (Funktionsgenerator, Addierer, Phasensteller, Regler, Überlagerungsglied, Steuerelement etc.) durch diskrete elektronische Bauelemente oder auch durch Implementierung durch Software, z.B. in einem Mikrocontroller oder einem Signalprozessor, realisiert sein können.
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Bei der in 6 gezeigten alternativen Ausgestaltung erzeugt der Funktionsgenerator 61 an seinem Ausgang 61‘ ein Modulationssignal 62, so dass die Repetitionsrate der als Pulslaser ausgestalteten Lichtquelle 52 zwischen zwei diskreten Werten periodisch umgeschaltet wird. Der Pulslaser 52 ist ähnlich wie in 4 mit einem Stellglied 27 in Form eines EOM zur Erzeugung unterschiedlicher effektiver Resonatorlängen über den Polarisationszustand der im Laserresonator umlaufenden Strahlung ausgestattet. Der Pulsabstand der zweiten Lichtpulsfolge II weicht dann stets um einen betragsmäßig durch die Resonatorlängendifferenz ∆L vorgegebenen, abwechselnd positiven und negativen Offsetwert von dem Pulsabstand der ersten Lichtpulsfolge I ab. Um in diesem Fall zu erreichen, dass der Regelkreis von der Modulation der Repetitionsrate unbeeinflusst ist, kommt anstelle des Addierers 59 ein Ausgang 59‘ zum Einsatz, an dem ein aus dem Modulationssignal (z.B. per zeitlicher Integration) abgeleitetes Dreiecksignal anliegt. Das abwechselnd ansteigende und abfallende Dreiecksignal kompensiert im Regelkreis die durch die rechteckförmige Modulation der Repetitionsrate der Lichtquelle 52 erzeugte abwechselnd linear ansteigende bzw. abfallende Phasendifferenz der Lichtpulsfolgen I, II (siehe 1). Am Ausgang des Reglers 64 liegt direkt das Stellsignal 67 an, das einen Piezo-Translator (nicht dargestellt) ansteuert, der seinerseits einen Endspiegel 24‘‘ des Laserresonators des die Lichtquelle 51 bildenden Pulslasers bewegt. Auf diese Weise wird bei dem Ausführungsbeispiel der 6 die Phasenkopplung der beiden Lichtquellen 51, 52 hergestellt.
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In 6 ist der Pulslaser 51 wie der Pulslaser 52 ein modengekoppelter Faserlaser. Anders als in den 2 bis 4 teilen sich die beiden Laser 51, 52 jedoch keine gemeinsamen Komponenten, sondern sind als separate Einheiten realisiert. Der Pulslaser 51 weist ein Lasermedium 21‘ in Form einer mit Erbiumionen dotierten Faser auf, die von einer Laserdiode 22‘ optisch gepumpt wird, einen Endspiegel des Laserresonators in Form eines sättigbaren Absorberspiegels (SESAM) 23‘, der gleichzeitig als passives Modenkopplungselement fungiert, und den Endspiegel 24‘‘ des Laserresonators. Über einen Faserkoppler 31‘ wird die Strahlung dem beweglichen Endspiegel 24‘‘ zugeführt. Die erste Lichtquelle 51 erzeugt die erste Folge I von Lichtpulsen bei der ersten Repetitionsrate, während die zweite Lichtquelle 52 die zweite Folge II von Lichtpulsen bei der zweiten Repetitionsrate erzeugt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202008009021 U1 [0005, 0006, 0009, 0010]
