DE102015200668A1

DE102015200668A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement zur Carrier-Envelope-Phasenstabilisierung

Info

Publication number: DE102015200668A1
Application number: DE102015200668.9A
Authority: DE
Inventors: Florian Bach; Mark Merö; Günter Steinmeyer
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-07-21
Anticipated expiration: 2035-01-17
Also published as: DE102015200668B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (100) zum Erzeugen eines Treibersignals (72) für ein akusto-optisches Bauelement (70), mit dem eine Carrier-Envelope-Phase der Laserpulse eines Lasersignal (12) stabilisiert wird, sowie ein System und ein Verfahren zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase. Das System umfasst eine Auskoppeleinrichtung (30) zum Erzeugen des Repetitionssignals, dessen Frequenz die Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals oder eine ganzzahlige Harmonische der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals ist, eine weitere Auskoppeleinrichtung (40) um das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal zu erzeugen, dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, eine Vorrichtung (100) zum Erzeugen eines Treibersignals (72), das ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz-kohärent sind, wobei die Vorrichtung mit dem Repetitionssignal und dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal beschickt ist, sowie ein akusto-optisches Element, auf welches das Lasersignal geführt wird und welches mit dem Treibersignal betrieben wird, so dass die Carrier-Envelope-Phase der kurzen Laserpulse mittels der akusto-optischen Wechselwirkung kompensiert wird, wobei nach einem Aspekt eine optische Verzögerungseinrichtung (60) vor dem akusto-optischen Bauelement (70) angeordnet ist, die so ausgebildet ist, dass die Laserpulse so verzögert werden, dass zumindest die Gruppenlaufzeitverzögerung des akustischen Signals in dem akusto-optischen Bauelement (70) bis zur einer Wechselwirkungszone mit dem Lasersignal kompensiert wird. Nach einem zweiten Aspekt ist eine Verzögerungseinrichtung (400) mit einem Repetitionssignaleingang und dem Pulsgenerator (120) verknüpft, um ein Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber dem Impulsen des Repetitionssignals zu bewirken, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird. Nach einem dritten Aspekt ist der der Bandpassfilter (300) hinsichtlich der Mittenfrequenz steuerbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optischen Bauelement, mit dem eine Carrier-Envelope-Phase der Laserpulse eines Zug zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse stabilisiert wird, sowie ein System und ein Verfahren zum Stabilisieren der Carrier-Envelope-Phase der Laserpulse eines Zug zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse.
Ein Zug zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse lässt sich mit einem so genannten modengekoppelten Laser erzeugen. In einem Lasermedium können bei genügender Bandbreite eines Laserübergangs im Resonator des Lasers sehr viele Eigenschwingungen mit verschiedenen Frequenzen angeregt werden. Die Eigenschwingungen werden auch als Moden bezeichnet. Durch geeignete Mechanismen kann zwischen den Eigenschwingungen eine feste Phasenbeziehung hergestellt werden. Dies nennt man Modensynchronisation oder Modenkopplung. Aufgrund der Modenkopplung kommt es zu einer Abstrahlung kurzer Lichtpulse mit einem zeitlichen Abstand τ_REP, der einer Umlaufzeit eines Laserpulses im Resonator des Lasers entspricht. Aus der zeitlichen Äquidistanz der Pulse folgt unmittelbar, dass das Frequenzspektrum eines solchen Lasers aus äquidistanten Einzellinien besteht, einem so genannten Frequenzkamm. Aufgrund dieses Zusammenhangs können ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung, die einen solchen Zug kurzer Laserpulse erzeugt oder einen modifizierten Zug kurzer Laserpulse erzeugt, auch als Verfahren bzw. Vorrichtung zum Erzeugen eines optischen Frequenzkamms bezeichnet werden. Der Abstand im Frequenzraum zwischen den einzelnen Linien ∆f entspricht einem Inversen der Umlaufzeit im Resonator τ_REP. Somit gilt: ∆f = 1/τ_REP.
Aus dem Artikel "Route to phase control of ultrashort light pulses" von L. Xu et al., Optics Letters 21, 2008 ff. (1996) ist es bekannt, dass die Frequenzen f_i der Einzellinien i keine ganzzahligen Vielfachen der Differenzfrequenz ∆f sind. Vielmehr gilt für die Frequenzen f_i der Einzellinien i folgender Zusammenhang: f_i = f_CEO + i·∆f. Hierbei gibt f_CEO eine in der Literatur als Carrier-Envelope-Offset-Frequenz bezeichnete Versatz- oder Offset-Frequenz an. Diese Offset-Frequenz ist dadurch bedingt, dass eine Gruppengeschwindigkeit der Laserpulse von einer Phasengeschwindigkeit der einzelnen sich überlagernden Lasermoden bzw. Einzellinien abweicht. Typischerweise propagiert das elektrische Feld der einzelnen Lasermoden mit einer leicht höheren Phasengeschwindigkeit durch dielektrische Medien im Resonator des Lasers als die Einhüllende des Laserpulses. Hierdurch entsteht ein Phasenversatz ∆φ_CEO = 2πf_CEOτ_REP zwischen der Einhüllenden und den einzelnen Moden bei jedem Umlauf im Resonator. Im Zeitbild bedeutet dieser Versatz, dass ein Zeitversatz zwischen einem Auftreten einer maximalen Amplitude des elektrischen Felds und einem Auftreten der maximalen Amplitude der Einhüllenden auftritt. Dieser der Carrier-Envelope-Phasendifferenz ∆φ_CEO entsprechende zeitliche Versatz ist gegeben durch ∆T_CEO = ∆φ_CEO/2πν₀, wobei ν₀ die Trägerfrequenz des Laserpulses ist.
Da die Größe der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO empfindlich von Umweltfaktoren, z.B. einer Temperatur, einem Luftdruck, einer Pumpleistung des Lasermediums usw. abhängt, um einige, jedoch nicht alle Faktoren aufzuzählen, ist die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darüber hinaus zeitlich nicht stabil. Im Folgenden werden zwei verschieden Arten der Instabilität unterschieden. Zum einen beobachtet man sehr schnelle Schwankungen der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz in einem kleinen Frequenzbereich, deren Ausgleich eine große Regelbandbreite erfordert. Zum anderen driftet die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz langsam über Bereiche von vielen Megahertz.
Im Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen worden, um die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO zu ermitteln. In der Veröffentlichung "Carrier-envelope offset phase control: A novel concept for absolute optical frequency measurement and ultrashort pulse generation" von H.R. Telle et al., Appl. Phys. B 69, 327 ff. (1999) sind einige mögliche Verfahren beschrieben. Am häufigsten eingesetzt werden so genannte f-zu-2f-Interferenzverfahren, bei denen ein Teil des Lasersignals in ein Interferometer geleitet wird. In dem Interferometer wird ein nicht linearer optischer Prozess ausgenutzt, um die zweite Harmonische einer niederenergetischen Lasermode bzw. einer niederenergetischen Einzellinie des Frequenzkamms zu erzeugen und zur Interferenz mit einer hochenergetischen (hochfrequenten) Einzellinie des Frequenzkamms des Laserpulses zu bringen. Sei f_i die Frequenz aus dem niederenergetischen Bereich des Frequenzkamms f_i = i·∆f + f_CEO, so gilt nach der Frequenzverdoppelung, die man als Summenfrequenzerzeugung zwischen Einzelfrequenzen f_i und f_j eines Kamms verstehen kann, f_i+j = (i + j)·∆f + 2f_CEO. Wird somit diese frequenzverdoppelte Einzellinie f_i+j mit einer Einzellinie f_k = k·∆f + f_CEO, zur Interferenz gebracht, wobei k = i + j gewählt sei, so ergibt sich für die Frequenz des Schwebungssignals f_i+j – f_k = (i + j)·∆f + 2f_CEO – (k·∆f + f_CEO) = f_CEO. Die Frequenz des Schwebungssignals gibt somit direkt die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz an.
Für einige Anwendungen ist es ausreichend, die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz zu kennen. Für andere Anwendungen ist es hingegen notwendig, den Phasenversatz zwischen dem unterliegenden elektrischen Feld und der Einhüllenden des Laserpulses konstant zu halten, vorzugsweise auf Null zu minimieren. Dies ist beispielsweise bei einer Erzeugung ultrakurzer Pulse mit Pulslängen im Attosekundenbereich von Vorteil bzw. notwendig.
Aus der DE 199 11 103 ist ein Verfahren bekannt, das auf den Laser zurückwirkt, um dessen Carrier-Envelope-Offset-Frequenz auf eine vorgegebene feste Frequenz mittels einer phasenstarren Regelschleife zu stabilisieren. Hierzu ist ein Eingriff in den Laser erforderlich, um seine Carrier-Envelope-Offset-Frequenz aktiv zu beeinflussen, was beispielsweise durch Änderung der Laserpumpleistung erfolgen kann.
Ein alternativer Weg wurde in DE 10 2008 059 902 A1 beschrieben. Das dort vorgestellte Verfahren kommt ohne Eingriff in den Laser aus und kompensiert die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz des Laserpulszugs mittels eines akusto-optischen Frequenzschiebers (AOFS), der alle Frequenzen im optischen Frequenzkamm gleichmäßig genau um die gemessene Carrier-Envelope-Frequenz verschiebt. Hierzu ist es vorgesehen, die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz zu bestimmen und diese Frequenz zu nutzen, um hiermit einen akusto-optischen Frequenzschieber zu betreiben. Der sich ergebende kompensierte Zug kurzer Laserpulse besitzt einen Frequenzkamm, dessen Einzellinien ganzzahlige Vielfache der Repetitionsfrequenz der einzelnen Lichtpulse in dem Zug kurzer Laserpulse sind. Der sich ergebende Frequenzkamm hat nun die Carrier-Envelope-Offset Frequenz Null, und alle Pulse im sich ergebenden Pulszug weisen somit die gleiche Phasenlage des Trägersignals relativ zur zeitlichen Einhüllenden auf.
Das Verfahren in DE 10 2008 059 902 A1 ist mittlerweile vielfach erprobt worden, wie in der Literatur dokumentiert. Beispielhaft seien die Veröffentlichungen von S. Koke et al., Nature Photonics 4, 462 (2010), B. Borchers et al., Optics Letters 36, 4146 (2011), sowie F. Lücking et al., Optics Letters 37, 2076 (2012), genannt. Von B. Borchers et al., Optics Letters 36, 4146 (2011) konnte eine kurzzeitige zeitliche Stabilität der Carrier-Envelope-Phase von 15 mrad demonstriert werden. Zur Ermittlung dieses Wertes wurden Phasenmessungen über 5 Sekunden einbezogen. Erhöht man die Messzeit auf Minuten oder Stunden, so macht sich eine langsame Drift der Carrier-Envelope-Frequenz zunehmend negativ bemerkbar. Wird diese Drift so groß, dass die Treiberfrequenz des akusto-optischen Frequenzschiebers aus dessen Arbeitsbereich herausgeschoben wird, so bricht die Stabilisierung zusammen, und ein justierender oder regelnder Eingriff in den Laser wird erforderlich, um die Treiberfrequenz wieder in Richtung der Mittenfrequenz des Frequenzschiebers zurückzustellen.
Schon vor dem Versagen der Carrier-Envelope-Phasenstabilisierung werden jedoch bereits störende Auswirkungen bemerkbar. So führt eine Änderung der Treiberfrequenz des Frequenzschiebers unweigerlich zu einer Änderung des Beugungswinkels der zur Kompensation in dem akusto-optischen Frequenzschieber ausgeführten Beugung und somit zu einer Strahlrichtungsänderung des Ausgangsstrahls. Dieses kann beispielsweise durch eine Strahllagenstabilisierung kompensiert werden oder durch einen doppelten Durchgang durch den Frequenzschieber in Vor- und Rücklauf ausgeglichen werden.
Des Weiteren haben B. Borchers et al. in Optics Letters 36, 4146 (2011) beschrieben, dass eine Änderung der Frequenz des Signals, mit dem der akusto-optische Frequenzschieber betrieben wird, innerhalb des Frequenzschiebers zu einer Phasenverschiebung des akustischen Signals im Bereich der Wechselwirkungszone mit dem optischen Feld führt. Da die Laufzeit des akustischen Signals in diese Wechselwirkungszone mindestens einige hundert Nanosekunden beträgt, führt schon eine Frequenzänderung (Frequenzdrift) von wenigen Megahertz zu einer Phasenänderung (Phasendrift) des akustischen Signals in der Wechselwirkungszone um Pi. Diese Phasendrift überträgt sich direkt auf die Carrier-Envelope-Phase der optischen Laserpulse im Ausgangssignal. Es kommt zu einer Carrier-Envelope-Phasendrift.
Derartige Driftprobleme der Carrier-Envelope-Phase sind bisher oftmals durch eine zweite Regelschleife kompensiert worden, die entweder direkt auf den Laser zurückwirkt oder aber in nachfolgenden optischen Verstärkerstufen eine Nachkompensation der langsam driftenden Carrier-Envelope-Phase durchführt. Derartige Maßnahmen erhöhen jedoch die Komplexität der Stabilisierung durch zwei ineinander verschachtelte Stabilisierungen und verlieren ihre Wirksamkeit, wenn die auftretende Drift der Carrier-Envelope-Phase zu einer Frequenzänderung des Treibersignals des akusto-optischen Frequenzschiebers führt, so dass dessen Frequenz aus dem Arbeitsbereich des Frequenzschiebers herausführt. Der Arbeitsbereich umfasst jene Frequenzen, die der akusto-optische Frequenzschieber in akustische Schwingungen umwandeln kann.
Ein weiterer Nachteil des aus der DE 10 2008 059 902 A1 genannten Verfahrens ist es, dass die stabilisierten Pulse in der ersten Beugungsordnung eines akusto-optischen Frequenzschiebers erzeugt werden. Der hierdurch erzeugte räumliche Chirp muss wiederum durch zusätzliche Maßnahmen ausgeglichen werden.
Canova et.al haben in Optics Letters 34, 1333 (2009) gezeigt, dass eine Stabilisierung oder gezielte Beeinflussung der Carrier-Envelope-Phase auch mit einem sogenannten akusto-optischen programmierbaren dispersiven Filter (engl. „ acusto-optic programmable dispersive filter – AOPDF), wie er beispielsweise von der Firma Fastlite, Valbonne, Frankreich, unter der Marke „Dazzler“ mit der Typenbezeichnung HR800 vertrieben wird, möglich ist. Ein solches Filter ist auch als akusto-optisches dispersives Filter (AODF) bezeichnet. Ein AODF umfasst einen doppelbrechenden Kristall, in dem ein akustisches Signal eingekoppelt wird, das sich in der Wechselwirkungszone kollinear mit dem Licht, welches beeinflusst wird, ausbreitet. Je nach ermittelter Carrier-Envelope-Offset-Frequenz sind unterschiedliche Treibersignale für die Kompensation notwendig.
Für einen Teil dieser Probleme sind Lösungen aus der DE 10 2013 209 848 B3 bekannt, die eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines Treibersignals beschreibt, mit dem ein akusto-optisches Bauelement angesteuert werden kann, so dass mittels des akusto-optischen Bauelements die Carrier-Envelope-Phase für jeden N-ten Laserpuls des Zugs zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse auf denselben festen Phasenwert korrigiert wird. Hierfür ist vorgesehen, dass das Treibersignal als ein elektrisches offsetbehaftetes Frequenzkammsignal gebildet wird, dessen Frequenzspektrum zeitgleich eine Mehrzahl diskreten Frequenzkomponenten aufweist, wobei benachbarte. Frequenzkomponenten in dem Frequenzspektrum einen Frequenzabstand (∆f = f_REP/N) aufweisen, der einem N-ten Teil der Repetitionsrate (f_REP) entspricht, und jeder der diskreten Frequenzkomponenten individuell eine ganze Zahl M zuordenbar ist, so dass sich die Frequenz f_M dieser individuellen diskreten Frequenzkomponente K_M mathematisch als Summe aus der für alle Frequenzkomponenten gleichen Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO und einem für jede Frequenzkomponente individuellen Produkt ausdrücken lässt, das aus dieser individuell zugeordneten ganzen Zahl M und dem N-ten Teil der Repetitionsrate (f_REP) der Laserpulse in dem Zug kurzer Laserpulse gebildet ist. Dort ist ferner vorgeschlagen das Treibersignal für das akusto-optisches Bauelement so zu erzeugen, dass man zunächst einen sehr breitbandigen und dichten elektronischen Frequenzkamm mit allen möglichen Frequenzkomponenten f_AOFS = f_CEO + (M/N)·f_REP im Frequenzbereich von 0 bis mindestens zur Repetitionsrate der Laserpulserzeugung des Lasers f_rep erzeugt und aus diesem dann ein kleineres Frequenzintervall herausfiltert. Man erhält so ein zeitlich gepulstes Treibersignal.
Bei dem in der DE 10 2013 209 848 B3 beschriebenen Ansatz hat es sich gezeigt, dass Gruppenlaufzeitverzögerungen, welches durch die Bandpassfilterung bedingt sind, eine Regelbreite eines mit diesem Treibersignal betriebenen System zur Carrier-Envelope-Phasen-Stabilisierung begrenzen. Lasersysteme bei denen die kurzzeitigen Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase bzw. Carrier-Envelope-Frequenz groß sind, können nicht adäquat stabilisiert werden. Auch eine langsame Drift der Carrier-Envelope-Phase, welche beispielsweise einer Carrier-Envelope-Frequenz-Änderung von einigen Megahertz entsprechen kann, ist mit dem bekannten System nicht über längere Zeiträume zu stabilisieren oder kompensieren, ohne in den Laser einzugreifen.
Der Erfindung liegt somit das technische Problem zugrunde, ein System und Verfahren für eine Kompensation oder Stabilisierung schneller und langsamer Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase oder Carrier-Envelope-Offset-Frequenz sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement zu schaffen, dass eine Kompensation schneller und langsamer Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase oder Carrier-Envelope-Offset-Frequenz besser ausführbar ist, ohne dass hierzu ein Eingriff in den Laser erforderlich ist.
Drei selbstständige erfinderische Aspekte, tragen einzeln und in Kombination zur Lösung der angesprochenen Probleme bei. Gemäß dem einen Aspekt wird eine optische Verzögerung der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden oder kompensierenden Laserpulse vor einem Führen auf das akusto-optische Bauelement vorgeschlagen. Hierdurch wird erreicht, dass die aus dem optischen Signal abgeleiteten Informationen über die aktuelle Carrier-Envelope-Phase Eingang in die optischen Schwingungen des akusto-optischen Bauelements finden, mit denen die zu kompensierenden Laserpulse jeweils wechselwirken. Schnelle Änderungen der Carrier-Envelope-Phase haben somit einen geringeren oder gar keinen Einfluss auf die [Stabilität] oder Kompensation der Carrier-Envelope-Phase, da das Korrekturrsignal schnell der Carrier-Envelope-Phasenänderung folgen kann und so dafür gesorgt ist, dass das akustische Korrektursignal, welches mittels des Treibersignals erzeugt wird, immer mit dem entsprechenden optischen Signal wechselwirkt, aus dem auch die Carrier-Envelope-Phase abgeleitet ist.
Nach einem zweiten Aspekt wird das elektronische Treibersignal so erzeugt, dass eine durch die Bandpassfilterung verursachte Gruppenlaufzeitverzögerung kompensiert wird, indem eine Erzeugung eines offsetfreien Basisfrequenzkammsignals, aus dem das Treibersignal über die Bandpassfilterung und die Korrekturmischung erzeugt wird, zeitlich vor dem „Eintreffen“ des Laserpulses an der oder den Auskoppeleinrichtungen, an denen die Carrier-Envelope-Phase bzw. die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz erfasst wird, erzeugt wird. Dieses ist möglich, da die hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu korrigierenden oder stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals zeitlich gleich beabstandet erzeugt werden.
Durch diese „Vorverzögerung“ kann ebenfalls erreicht werden, dass kurzzeitige Schwankungen in der Carrier-Envelope-Phase besser kompensiert werden können. Einflüsse der Gruppenlaufzeitverzögerung der Bandpassfilterung auf das Stabilisierungsschema werden deutlich verringert.
Ein dritter Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Frequenzverschiebung, die aufgrund einer Langzeitdrift der Carrier-Envelope-Phase bzw. Carrier-Envelope-Offset-Frequenz durch die Korrekturmischung im Treibersignal bewirkt wird, durch eine Anpassung der Mittenfrequenz des Bandpassfilters kompensiert wird. Die Bandpassfilterung wird somit über einen steuerbaren Bandpassfilter ausgeführt, dessen Mittenfrequenz abhängig von der zur Korrektur verwendeten Carrier-Envelope-Phase bzw. Carrier-Envelope-Offset-Frequenz ist. Hierbei ist der anpassbare Bandpassfilter so steuerbar, dass lediglich Langzeitdriften der Carrier-Envelope-Phase bzw. Carrier-Envelope-Offset-Frequenz gefolgt wird. Auf kurzer Zeitskala auftretende Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Schwankungen muss der Bandpassfilter nicht folgen. Diese Schwankungen werden bereits direkt vom Korrekturmischsignal kompensiert, so lange die Frequenzschwankungen des Treibersignals kleiner als die Bandbreite des akusto-optischen Bauelements sind.
Definitionen
Ein Frequenzspektrum, welches eine Mehrzahl von gleich beabstandeten Linien oder Komponenten aufweist, wird als Frequenzkammspektrum bezeichnet. Die gleich beabstandeten, d.h. die gleich entfernten, Linien bilden einen Frequenzkamm. Lassen sich die Frequenzen der einzelnen Linien oder Komponenten mathematisch als ganzzahliges Vielfaches der Differenzfrequenz zwischen den benachbarten Linien bzw. Komponenten ausdrücken, wird der Frequenzkamm als offsetfreier Frequenzkamm bezeichnet. Ein zeitlich gepulstes Signal mit kurzen zeitlich gleich entfernten Impulsen weist ein Frequenzspektrum mit einem Frequenzkamm auf. Ein solches Signal wird daher auch als Frequenzkammsignal bezeichnet. Ist der Frequenzkamm offsetfrei, wird es als offsetfreies Frequenzkammsignal bezeichnet. Die Begriffe „gleich beabstandet“ und „gleich entfernt“ werden hier als Synonyme verwendet.
Ein Frequenzkamm, der nur in einem begrenzten Frequenzbereich existiert und dessen untere Grenzfrequenz größer als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Linien ist, in der Regel um ein Vielfaches größer als der Differenzabstand der Linien ist, wird als bandbreitenbegrenzter Frequenzkamm bezeichnet. Ein entsprechendes Signal wird daher als bandbreitenbegrenztes Frequenzkammsignal bezeichnet.
Aufgrund von Mischprozessen ist es möglich, dass aus einem Frequenzkammsignal, welches lediglich einen einzigen Frequenzkamm aufweist, ein Frequenzkammsignal wird, welches mehrere Frequenzkämme aufweist. Auch ein solches Signal wird hier als Frequenzkammsignal bezeichnet. Entsprechendes gilt für ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammsignal.
Als Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal (CEO-Frequenzsignal) wird ein Signal bezeichnet, dessen Frequenzspektrum eine oder mehrere Komponenten aufweist, deren Frequenz der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz entspricht oder deren Frequenz sich als ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsfrequenz der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu kompensierenden oder stabilisierenden Laserpulse und einem additiven oder subtraktiven linearen Term der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz ausdrücken lässt. Vorzugsweise umfasst ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal nur eine Frequenzkomponente, besonders bevorzugt nur die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz selber.
In der Regel wird das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal oder Carrier-Envelope-Phasensignal als elektronisch gewandeltes Schwebungssignal eines optischen Interferenzprozesses, beispielsweise eines f-2f-Interferometers oder eines 0-f-Interferometers, welches Interkammdifferenzinterferometrie nutzt, etc. erfasst. Wie oben bereits erwähnt ist, sind verschiedene Möglichkeiten bei H.R. Telle et al., Appl. Phys. B 69, 327 ff. (1999) beschrieben. Grundsätzlich können auch andere Verfahren zum Ableiten der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz bzw. des elektronischen Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals genutzt werden.
Als Korrekturmischsignal wird ein Signal bezeichnet, das mindestens eine Frequenzkomponente aufweist, welche kohärent zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz ist.
Eine Frequenz wird als kohärent zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz bezeichnet, wenn sie entweder genau der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz entspricht oder sich als Summe oder Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsfrequenz der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden oder kompensierenden Laserpulse und der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darstellen lässt. Wesentlich ist, dass für die Stabilisierung eines Pulszugs mit der Pulsfolgefrequenz f_AMP nicht nur die Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO des modengekoppelten Lasers selbst in Frage kommt, sondern dass jede Frequenz, die sich als Summe der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz und einem Produkt einer natürlichen Zahl und der Repetitionsrate (f_AMP) der zu stabilisierenden Laserpulse schreiben lasst, geeignet ist. Das heißt es ist jede Frequenz geeignet, für die gilt: f_CEO ± M·f_AMP,, wobei M eine natürliche Zahl oder null ist.
Eine Korrekturmischung ist der Vorgang, bei dem ein Signal mit dem zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-kohärenten Korrekturmischsignal gemischt wird.
Die typischen Repetitionswerte von Laserpulsen bei modengekoppelten Kurzpulslasern liegen im Mhz-Bereich. Eine Stabilisierung hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase wird häufig jedoch nur bei jedem N-ten Laserpuls benötigt. Eine Repetitionsrate f_AMP der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpuls kann somit deutlich geringer sein. In jedem Fall besteht jedoch ein mathematischer Zusammenhang der Art, dass gilt f_REP = N·f_AMP, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich eins ist. Im Folgenden wird f_AMP ganz allgemein als die Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden oder kompensierenden Laserpulse verwendet und aufgefasst, wobei dieses als Spezialfall (N = 1) die direkte Stabilisierung eines Laseroszillators bei voller Repetitionsrate f_REP, d.h. f_AMP = f_REP, mit einschließt.
Bevorzugte Ausführungsformen
Es wird zum einen ein Verfahren zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase geschaffen, welches die Schritte umfasst:
Erzeugen eines zeitlich gepulsten Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, welches ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz kohärent sind, indem
ein Repetitionssignal, dessen Frequenz die Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und
ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal, dessen Frequenzspektrum eine Frequenzkomponente umfasst, welche zur Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist,
aus dem Lasersignal abgeleitet werden, und unter Verwendung des Repetitionssignals ein offsetfreies Basisfrequenzkammsignal mit einem offsetfreien Frequenzkamm erzeugt wird, dessen Frequenzkammlinienabstand die Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse ist, wobei das Treibersignal aus dem offsetfreien Basisfrequenzkammsignal abgeleitet wird, wobei das Ableiten eine Bandpassfilterung und eine Korrekturmischung mit dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal umfasst,
Betreiben des akusto-optischen Bauelements mit dem Treibersignal,
Führen des Lasersignals mit dem Zug kurzer zu kompensierender Laserpulse auf das akusto-optische Bauelement und Bewirken der Carrier-Envelope-Phasen-Korrektur.
Dieses Verfahren wird gemäß den drei Aspekten alternativ weitergebildet.
Nach dem ersten Aspekt der Erfindung wird das Verfahren dadurch weitergebildet, dass das Lasersignal mit dem Zug kurzer zu kompensierender Laserpulse vor dem Führen auf das akusto-optische Bauelement optisch verzögert wird, um zumindest die Gruppenlaufzeitverzögerung des akustischen Signals in dem akusto-optischen Bauelement bis zur einer Wechselwirkungszone mit dem Lasersignal zu kompensieren. Hierdurch können schnelle Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase besser kompensiert werden. Eine Regelbandbreite wird erhöht.
Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird das Verfahren dadurch weitergebildet, dass das Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber den Impulsen des Repetitionssignals erfolgt, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird. Auch diese Weiterbildung ermöglicht es schnelle Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase besser zu kompensieren und eine Regelbandbreite zu erhöhen.
Nach dem dritten Aspekt der Erfindung wird das Verfahren dadurch weitergebildet, dass eine Mittenfrequenz der Bandpassfilterung an langsame Drifteffekte der Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als jene Zeitspanne ist, die mit Gruppenlaufzeitverzögerung der Elektronik zum Erzeugen und/oder Verstärken des Treibersignals verknüpft sind, angepasst wird. Hierdurch können insbesondere Langzeitdrifteffekte kompensiert werden und so eine Zeitspanne, in der das Lasersignal stabilisiert werden kann, deutlich ausgedehnt werden. Insgesamt wird hierdurch die Regelbandbreite der Kompensation bzw. Stabilisierung sehr stark erweitert.
Ferner wird eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, mit dem ein Zug zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert wird, vorgeschlagen, die umfasst:
einen Repetitionssignaleingang zum Erfassen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse ist,
ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signaleingang zum Erfassen eines Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals (CEO-Signals), dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist,
einen Pulsgenerator zum Erzeugen kurzer Pulse mit steilen Flanken,
einen Bandpassfilter und
einen Offset-Mischer und einen
Treibersignalausgang,
wobei der Pulsgenerator gesteuert durch das Repetitionssignal zeitlich gleich entfernte kurze Pulse erzeugt, so dass von dem Pulsgengerator ein Basisfrequenzkammsignal erzeugt wird, dessen Frequenzspektrum einen offsetfreien Frequenzkamm aufweist,
wobei im Signalgang zwischen dem Pulsgenerator und dem Treibersignalausgang, ein Bandpassfilter und einen Korrekturmischer angeordnet sind, wobei der Bandpassfilter vorgesehen ist, das Treibersignal als bandbreitengegrenztes Frequenzkammsignal zu erzeugen, welches nur in einem begrenzten Frequenzbereich Frequenzkammlinien aufweist, und der Korrekturmischer vorgesehen ist, um eine offsetfreies Frequenzkammsignal in ein zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz kohärentes Frequenzkammsignal zu überführen, dessen Frequenzspektrum Kammlinien mit Frequenzen aufweist, die sich jeweils mathematisch als Summe oder Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse und der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darstellen lassen.
Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Vorrichtung zum Erzeugen des Treibersignals erfahren dadurch weitergebildet, dass eine Verzögerungseinrichtung mit dem Repetitionssignaleingang und dem Pulsgenerator verknüpft ist, um ein Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber dem Impulsen des Repetitionssignals zu bewirken, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
Nach dem dritten Aspekt der Erfindung wird die Vorrichtung alternativ oder zusätzlich dadurch weitergebildet, dass der Bandpassfilter hinsichtlich der Mittenfrequenz steuerbar ist. Der Bandpassfilter ist somit als variabler, hinsichtlich der Mittenfrequenz steuerbarer Bandpassfilter ausgebildet.
Ferner wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, mit dem ein Zug zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert wird, vorgeschlagen, wobei das Treibersignal einen bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz kohärent sind, umfassend die Schritte:
Erfassen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und
Erfassen eines Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals, dessen Frequenzspektrum eine Frequenzkomponente umfasst, welche mit der Carrier-Envelope-Phase und zur damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist,
Erzeugen eines offsetfreien Basisfrequenzkammsignals mit einem offsetfreien Frequenzkamm unter Verwendung des Repetitionssignals, wobei der Frequenzkammlinienabstand des offsetfreien Frequenzkamms des Basisfrequenzkammsignal die Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und
Ausführen einer Bandpassfilterung und einer Korrekturmischung mit dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal im weiteren Signalweg der Verarbeitung des Basisfrequenzkammsignals, so dass über die Bandpassfilterung eine Überführung in ein bandbreitenbegrenztes Signal erreicht wird und über die Korrekturmischung ein Überführen von einem offsetfreien Frequenzkammsignals in ein zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz-köharentes Frequenzkammsignal bewirkt wird, dessen Frequenzspektrum Kammlinien mit Frequenzen aufweist, die sich mathematisch jeweils als Summe oder Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse und der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darstellen lassen.
Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird das Verfahren dadurch weitergebildet, dass das Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber dem Impulsen des Repetitionssignals erfolgt, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
Nach dem dritten Aspekt der Erfindung wird das Verfahren alternativ oder zusätzlich dadurch weitergebildet, dass eine Mittenfrequenz der Bandpassfilterung an langsame Drifteffekte der Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als jene Zeitspanne ist, die mit Gruppenlaufzeitverzögerung der Elektronik zum Erzeugen und/oder Verstärken des Treibersignals verknüpft sind, angepasst wird.
Es wird somit ein System zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase geschaffen, welches eine Auskoppeleinrichtung zum Erzeugen eines Repetitionssignals umfasst, welches wiederum ein ganzzahliges Vielfaches der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals ist,
eine weitere Auskoppeleinrichtung, um ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal (CEO-Signals) zu erzeugen, dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist,
eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals, das ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten kohärent zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz sind, sowie
ein akusto-optisches Element, auf welches das Lasersignal geführt wird und welches mit dem Treibersignal betrieben wird, so dass die Carrier-Envelope-Phase der kurzen Laserpulse mittels der akusto-optischen Wechselwirkung kompensiert wird.
Das System zur Stabilisierung oder Kompensierung der Carrier-Envelope-Phase wird nach dem ersten Aspekt dadurch weitergebildet, dass eine optische Verzögerungseinrichtung vor dem akusto-optischen Bauelement angeordnet ist, die so ausgebildet ist, dass das Lasersignal so verzögert wird, dass zumindest die Gruppenlaufzeitverzögerung des akustischen Signals in dem akusto-optischen Bauelement bis zur einer Wechselwirkungszone mit dem Lasersignal kompensiert wird.
Nach dem zweiten Aspekt der Erfindung wird das System alternativ oder zusätzlich dadurch weitergebildet, dass eine Verzögerungseinrichtung mit dem Repetitionssignaleingang und dem Pulsgenerator verknüpft ist, um ein Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber dem Impulsen des Repetitionssignals zu bewirken, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
Nach dem dritten Aspekt der Erfindung wird das System alternativ oder zusätzlich zu einem oder beiden anderen Aspekten dadurch weitergebildet, dass der Bandpassfilter hinsichtlich der Mittenfrequenz steuerbar ist.
Die einzelnen erfinderischen Aspekte können jeweils paarweise oder alle gemeinsam verwendet werden, um die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, Vorrichtungen oder Systeme zu verbessern. Die Aspekte weisen für die Unterschiedlichen Gegenstände, d.h. das System zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase, das Verfahren zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase, die Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement sowie das Verfahren zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement weisen jeweils dieselben Vorteile auf.
Die beste Regelungsbandbreite erreicht man durch ein gemeinsames Anwenden aller drei Aspekte gemeinsam. So lassen sich auch Faserlasersysteme, welche eine schnellschwankende Carrier-Envelope-Phase aufweisen, überhaupt und zusätzlich noch über lange Zeiträume hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisieren und kompensieren.
Eine optische Verzögerung des Lasersignals gemäß dem ersten Aspekt kann über das Führen des Lasersignals über eine lange optische Wegstrecke erreicht werden.
Bei einer Ausführungsform wird optische Verzögerung mittels einer Multipassvorrichtung realisiert. Eine solche Multipasseinrichtung kann als eine White-Zelle, benannt nach John U. White, oder als eine Herriot-Zelle, benannt nach Donald. R. Herriott, oder ähnlich einer dieser Zellentypen ausgebildet sein. Vorteil solcher Multipassvorrichtungen ist es, dass ein kompakter Aufbau möglich ist und dass Propagationseffekte, die auf den Chirp des Pulses einwirken, minimiert werden können, was beispielsweise durch Evakuierung der Zelle oder durch Heliumfüllung erreicht werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann als optische Verzögerungseinrichtung eine optische Faser genutzt werden. Vorzugsweise wird eine gruppendispersionsfreie optische Faser verwendet. Alternativ kann der Impuls bei negativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion als Soliton verzerrungsfrei über lange Strecken geführt werden. Als weitere Möglichkeit bietet insbesondere bei positiver Gruppengeschwindigkeitsdispersion eine Kompensation der Dispersion beispielsweise durch ein Faser-Bragg-Gitter an.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Bandpassfilterung vor der Korrekturmischung ausgeführt wird. Somit ist die Frequenz des zur Korrekturmischung verwendeten Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal zeitlich eng korreliert mit der Carrier-Envelope-Phase desjenigen Laserpulses, der mit dem anschließend aus dem Treibersignal erzeugten akustischen Signal hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert oder kompensiert wird. Auch Lasersignale, bei denen schnellen Änderungen der Carrier-Envelope-Phase auftreten, können somit hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert oder kompensiert werden.
Die Gruppenlaufzeitverzögerungseinflüsse einer elektronischen Bandpassfilterung können eliminiert werden, insbesondere wenn zusätzlich ein Zeitversatz in Form einer „Vorverzögerung“ bei der Erzeugung des Basisfrequenzkammsignals gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung genutzt wird.
Eine Anpassung der Mittenfrequenz der Bandpassfilterung wird bei einer bevorzugten Ausführungsform erreicht, indem das offsetfreie Basisfrequenzkammsignal über einen elektronischen Kantenfilter, einen ersten Versatzmischer, einen Bandpassfilter mit fester Mittenfrequenz, einen zweiten Versatzfilter und einen zweiten elektronischen Kantenfilter geführt wird, wobei der erste Versatzmischer und der zweite Versatzmischer mit einem Versatzsignal beschickt werden, welches aus von einer Ableitungseinrichtung aus dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal abgeleitet ist, wobei die Ableitung so erfolgt, dass die Frequenz des Versatzsignals der Frequenz des Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal folgt. Es wird nur jenen Frequenzänderungen gefolgt, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als die Gruppenlaufzeitverzögerung sind, welche der Bandpassfilter mit fester Mittenfrequenz verursacht. Frequenzänderungen des Versatzsignals auf einer Zeitskala der Gruppenlaufzeitverzögerung des Bandpassfilters mit fester Mittenfrequenz werden unterbunden oder auf eine vorgegebene Frequenzänderung beschränkt. Bei einer solchen Ausgestaltung des variablen, steuerbaren Bandpassfilters wird die Anpassung der Mittenfrequenz dadurch erreicht, dass die Frequenz des Versatzsignals, an die langsame Drift der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz des Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals gekoppelt wird. Der erste Versatzmischer wählt abhängig von der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz einen Frequenzkammbereich des Frequenzkamms des Basisfrequenzkammsignals aus, der in den Frequenzbereich des Bandpassfilter mit fester Mittenfrequenz frequenzversetzt oder „verschoben“ wird. Dieses ist bei geeigneter Wahl der Pulsgeneratorpulse möglich, da der Frequenzkamm des Basisfrequenzkammsignals, wenn diese Pulse des Pulsgenerators ausreichend steile Flanken aufweisen, den Frequenzbereich von Null bis zur Mittenfrequenz des Bandpassfilter mit fester Mittenfrequenz oder sogar darüber hinaus überdeckt. Der erste elektronische Kantenfilter, welcher vorzugsweise ein Tiefpassfilter ist, grenzt den Frequenzbereich ein, so dass keine Anteile des nicht frequenzversetzten Basisfrequenzkammsignals den frequenzfesten Bandpassfilter passieren. Durch den zweiten Versatzmischer wird das nun bandbreitenbegrenzte Frequenzkammsignal wieder bezüglich der Frequenz zurückversetzt. Dieses sich ergebende Signal wird über einen weiteren elektronischen Kantenfilter geführt, der vorzugsweise von demselben Typ wie der elektronische Kantenfilter vor dem ersten Versatzmischer ist. Vorzugsweise handelt es sich somit um einen Tiefpassfilter. Dieser beseitigt unerwünschte Spiegelfrequenzen der Mischprozesse. Das sich ergebende hinsichtlich der Bandbreite begrenzte oder eingeschränkte Signal, weist einen offsetfreien Frequenzkamm auf. Abweichungen können durch eine Frequenzveränderung des Versatzsignals hervorgerufen werden, die in der Zeitspanne auftreten, die der Gruppenlaufzeitverzögerung des frequenzfesten Bandpassfilters entsprechen. Daher ist diese Frequenzänderung durch eine Ausgestaltung der Ableitungseinrichtung oder eines Ableitungssynthesizers zu begrenzen oder zu unterdrücken.
Das Ableiten des Versatzsignals erfolgt vorzugsweise mittels eines Langsamfolgers, der einen spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) umfasst, der das Versatzsignal bereitstellt, wobei das Versatzsignalsignal über eine Phasenkopplungseinrichtung an das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal gekoppelt ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Versatzsignalfrequenz der langsamen Drift der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz folgt, den kurzzeitigen Schwankungen der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz jedoch nicht.
Bevorzugt umfasst die Phasenkopplungseinrichtung zwei Teiler, die das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal und das von dem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugte Referenzsignal entsprechend teilen und auf ein Exklusiv-Oder-Gatter führen, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Reglers, vorzugsweise eines PID-Reglers, verbunden ist, dessen Ausgang zwischen den spannungsgesteuerten Oszillator ansteuert. „PID“ steht hierbei für „Proportional-Integral-Differenzial“. In der Regel sind nur die Proportional- und Integralstufe des Reglers notwendig, um eine stabile Regelung zu realisieren. Somit reicht meist ein „PI-Regler“. Über die Wahl des Teilerverhältnisses wird ein maximaler Phasenbereich festgelegt, in dem die Phase des Ausgangssignals des Langsamfolgers der Phase des Eingangssignals vorauseilen oder nachfolgen kann. Beträgt das Teilerverhältnis beispielsweise 1000, so beträgt der Phasenfolgebereich 1000 π. Dieser Bereich gibt die maximal tolerierbare Phasenabweichung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal des Langsamfolgers vor, welche innerhalb der Zeitkonstante des Reglers auftreten darf. Wird der Regler nun beispielsweise so eingestellt, dass sich ein mittleres quadratisches Phasenrauschen (rms-(rms-root mean square)Phasenrauschen) von π innerhalb einer Filterlaufzeit von 1 µs ergibt, so entspricht dieses einer halben Periode Abweichung innerhalb von 1 µs und somit einer Abweichung der Ausgangsfrequenz um 500 kHz von der Eingangsfrequenz. Gleichzeitig ändern sich die Ausgangsfrequenz und damit auch die Ausgangsphase des Langsamfolgers praktisch nicht innerhalb der Filterlaufzeit, wenn beispielsweise eine Zeitkonstante des PID Reglers im Millisekundenbereich gewählt wurde. Die Zeitkonstante des Reglers wird daher vorzugsweise so eingestellt, dass die sich aus den Frequenzschwankungen des Ausgangsignal ergebenden Phasenschwankungen innerhalb der Filterlaufzeit einen bestimmten Wert sicher unterschreiten. Ist beispielsweise ein Zielwert von 100 mrad für die Carrier-Envelope-Phasenstabilität vorgegeben, so erscheint ein Wert der Restschwankungen von 10 mrad einen störenden Einfluss auf die erreichbare Stabilität sicher auszuschließen
Zum Erzeugen des Treibersignals wird auf das bandbreitenbegrenzte offsetfreie Frequenzkammsignal in einem Korrekturmischer das zu der Carrier-Envelope-Phase kohärente Korrektursignal gemischt.
Um Spiegelfrequenzen des Korrekturmischvorgangs zu beseitigen wird das Ausgangsignal des Korrekturmischers auf einen Korrekturfilter geführt. Dieser ist vorzugsweise als Hochpassfilter ausgeführt.
Bei einem bevorzugten Schema wird im ersten Versatzmischer die additive Frequenzmischung, im zweiten Versatzmischer die subtraktive Frequenzmischung und im Korrekturmischer erneut die additive Frequenzmischung ausgeführt, bzw. jeweils die anderen Anteile der Mischvorgänge durch die Filter beseitigt.
Die einander entsprechenden Merkmale des Systems zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase, des Verfahrens zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase, der Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement sowie des Verfahrens zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, weisen jeweils dieselben Vorteile auf.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems zur Stabilisierung der Carrier-Envelope-Phase kurzer zeitlich gleich beabstandeter Laserpulse eines Lasersignals;
2 eine schematische Darstellung einer Ableitungsvorrichtung zum Erzeugen eines Versatzsignals zum Steuern des anpassbaren Bandpassfilters;
3 eine schematische Darstellung eines weiteren Systems zur Stabilisierung der Carrier-Envelope-Phase von kurzen zeitlich gleich beabstandeten Laserpulsen;
4a eine schematische Darstellung eines variablen steuerbaren Bandpassfilters mit einer elektronischen Verzögerungseinrichtung; und
4b eine schematische Darstellung eines variablen steuerbaren Bandpassfilters mit einer zugleich als Pulsgenerator wirkenden elektronischen Verzögerungseinrichtung.
In 1 ist schematisch ein System 1 zum Stabilisieren eines Zugs 14 zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse 16 eines Lasersignals 12 gezeigt. Das System umfasst einen Laser 10, der das Lasersignal 12 mit dem Zug 14 zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse 16 erzeugt. Diese Laserpulse weisen eine Carrier-Envelope-Phase auf, welche zumindest für jeden N-ten Laserpuls kompensiert werden soll, wobei N eine natürliche Zahl ist. Ist N ungleich 1, so ist eine Selektionseinrichtung 20 beispielsweise in Form einer Pockelszelle vorgesehen, welche aus dem Lasersignal 12 mit dem Zug 14 zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse 16 ein Lasersignal 12‘ mit einem Zug 14‘ zeitlich äquidistanter zu stabilisierender kurzer Laserpuls 16‘ erzeugt. Während die kurzen Laserpulse 16 mit einer Repetitionsrate f_REP erzeugt werden, ist die Repetitionsfrequenz f_AMP der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse 16‘ gegeben durch f_AMP = f_REP/N. Zur Stabilisierung wird der Zug 14‘ der zu stabilisierenden Laserpulse 16‘ auf ein akusto-optisches Bauelement 70 geführt. Dieses wird mit einem elektronischen Treibersignal 72 angetrieben, so dass über eine akusto-optische Wechselwirkung eine Kompensation hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase an den zeitlich äquidistanten kurzen Laserpulsen 16‘ ausgeführt wird, so dass sich ein Zug 14‘‘ zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse 16‘‘ ergibt, die hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert oder kompensiert sind.
Um akustische Laufzeiteffekte in dem akusto-optischen Bauelement 70 zu kompensieren, wird der Zug 14‘ zeitlich äquidistanter zu stabilisierender Laserpulse 16‘ durch eine optische Verzögerungseinrichtung 60 geführt, welche beispielsweise als Multipasszelle 62, beispielsweise als Herriott-Zelle oder als passive Lichtleitfaser ausgebildet ist. Bei der Herriott-Zelle wird das Lasersignal 12‘ mehrfach zwischen verspiegelten Oberflächen 64, 65 hin und her reflektiert, um eine optische Weglänge in der Multipasszelle 62 zu erhöhen. Die zeitliche Verzögerung des optischen Signals 12‘ wird so gewählt, dass diese eine Laufzeit des akustischen Signals in dem akusto-optischen Bauelement 70 bis zu einer Wechselwirkungszone mit dem Lasersignal 12‘ zuzüglich eventuell vorhandener Gruppenlaufzeiten in der Treiberelektronik und in Kabeln kompensiert.
Das Treibersignal 72 wird mittels einer Vorrichtung zum Erzeugen des Treibersignals 100 erzeugt und ggf. über einen Verstärker 50 vor dem Einspeisen in das akusto-optische Bauelement 70 verstärkt. Die Vorrichtung zum Erzeugen des Treibersignals 100 weist einen Repetitionssignaleingang 102, einen Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal-Eingang 104 sowie einen Treibersignalausgang 106 auf.
An dem Repetitionssignaleingang 102 wird ein elektronisches Signal, welches Repetitionssignal 36 genannt wird, erfasst, dessen Frequenz die Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz zu kompensierenden Laserpuls f_AMP oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz zu kompensierenden Laserpuls f_AMP ist. In der Regel wird dieses Signal dadurch gewonnen, dass aus dem Lasersignal 12 ohne vorherige Selektion von Laserpulsen über eine Auskoppeleinrichtung 30 das Signal aus dem Lasersignal 12 abgeleitet wird. Die Auskoppeleinrichtung 30 umfasst hierfür einen Strahlteiler 32 und einen Wandler 34, vorzugsweise in Form einer Photodiode. Das Repetitionssignal 36 weist somit in der Regel eine Frequenz f_REP auf, die den N-fachen der Repetitionsrate der zu kompensierenden Laserpulse f_AMP entspricht. Das an der Photodiode erzeugte Signal wird als Repetitionssignal 36 bezeichnet, dessen Frequenz die Repetitionsrate hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden kurzen Laserpulse 16‘ oder eine ganzzahlige Harmonische der Repetitionsrate hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden kurzen Laserpulse 16‘ ist. Über eine weitere Auskoppeleinrichtung 40, welches ebenfalls einen Strahlteiler 42 umfasst, wird mittels eines Interferometers 44 mit einem elektronischen Wandler, beispielsweise in Form eines f-2f-Interferometers oder eines 0-f-Interferometers, ein sogenanntes Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal 46 erzeugt, dessen Frequenz aus einer optischen Schwebung über elektronische Wandlung gewonnen wird.
Das Treibersignal 72 wird aus einem sogenannten Basisfrequenzkammsignal 122 erzeugt, welches mittels eines Pulsgenerators 120 erzeugt wird. Dieser erzeugt in zeitlichen gleichen Abständen kurze Pulse mit sehr steilen Flanken. Die Erzeugungsrate dieser kurzen elektronischen Pulse wird durch das erfasste Repetitionssignal 36 gesteuert, und zwar so, dass diese mit der Repetitionsrate f_AMP der zeitlich hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse erzeugt werden. Das Basisfrequenzkammsignal 122 wird so erzeugt, dass dieses einen offsetfreien Frequenzkamm aufweist, dessen Kammlinien einen Frequenzabstand aufweisen, der mit der Frequenz der Repetitionsrate f_AMP der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu kompensierenden Laserpulse identisch ist. Um die entsprechende zeitliche Steuerung des Pulsgenerators 120 mit Hilfe des Repetitionssignals 36 zu erreichen, kann die Vorrichtung 100 eine Teilereinrichtung 110 aufweisen. Je nach Ausgestaltung des Pulsgenerators 120 oder einer Anordnung der Auskoppeleinrichtung 30 kann die Teilereinrichtung 110 entfallen. Mit Hilfe eines Bandpassfilters 300 wird aus dem offsetfreien Frequenzkamm des Basisfrequenzkammsignals ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammsignal 172 erzeugt, dessen Frequenzspektrum nur einen Frequenzkamm aufweist, der auf einen bestimmten Frequenzbereich beschränkt ist. Diese Bandpassfilterung wird so ausgeführt, dass auch das bandpassgefilterte Frequenzkammsignal, welches als bandbreitenbegrenztes Frequenzkammsignal 172 bezeichnet wird, Frequenzkammlinien aufweist, welche offsetfrei sind, d.h. dass zu jeder der Frequenzkammlinien eine individuelle ganze Zahl existiert, so dass sich die Frequenz der entsprechenden Frequenzkammlinie als Produkt dieser ganzen Zahl und der Differenzfrequenz zwischen benachbarten Frequenzkammlinien ausdrücken lässt. Um das Treibersignal 72 zu erhalten, ist es notwendig, diesen Frequenzkammlinien eine Frequenzkomponente aufzumischen, welche der zu kompensierenden Carrier-Envelope-Offset-Frequenz entspricht. Hierzu wird in einem Korrekturmischer 180 ein Korrektursignal 185, welches das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal 46 oder ein hieraus abgeleitetes, beispielsweise gefiltertes, vorzugsweise tiefpassgefiltertes, Signal ist, als Mischsignal verwendet. Die Filterung kann beispielsweise über einen optionalen Filter, z. B. einen Tiefpassfilter 186 erfolgen. Um Spiegelfrequenzanteile aus dem Korrekturmischsignal 182 zu entfernen, wird das Signal über einen elektronischen Kantenfilter, beispielsweise einen Hochpassfilter, geschickt, so dass Frequenzkomponenten, die aufgrund einer Differenzfrequenzmischung in dem Korrekturmischsignal 182 enthalten sind, entfernt werden. Das hochpassgefilterte Signal 192 entspricht somit dem noch nicht verstärkten Korrektursignal 72‘, welches nach der Verstärkung in dem Verstärker 50 das Treibersignal 72 ergibt.
Da bei der Bandpassfilterung mit dem Bandpassfilter 300 eine Gruppenlaufzeitverzögerung auftritt, ist es vorteilhaft, diese Gruppenlaufzeitverzögerung ∆GD „vorzukompensieren“. Hierfür ist eine Verzögerungseinrichtung 400 vorgesehen, welche eine zeitliche Verzögerung erzeugt, welche der durch den Bandpassfilter 300 erzeugten Gruppenlaufzeitverzögerung entspricht. Um diese Zeit wird beispielsweise die Erzeugung des Basisfrequenzkammsignals gegenüber den Pulsen des Repetitionssignals bzw. des geteilten Repetitionssignals und somit den zu stabilisierenden optischen Pulsen an eine Auskoppeleinrichtung 30, 40 versetzt. Bei einer Ausführungsform ist daher die Verzögerungseinrichtung 400 zwischen dem Repetitionssignaleingang 102 und einem Trigereingang 124 des Pulsgenerators 120 angeordnet. Alternativ könnte die Verzögerungseinrichtung auch im Signalgang zwischen dem Ausgang des Pulsgenerators 120 und dem Eingang des Bandpassfilters 300 angeordnet sein.
Sowohl die optische Verzögerungseinrichtung 60 als auch die elektronische Verzögerungseinrichtung 400 wirken jeweils einzeln und in Kombination dahingehend, dass kurzzeitige Schwankungen der Carrier-Envelope-Phase besser kompensiert werden können. Um jedoch auch eine Kompensation der Langzeitdrift der Carrier-Envelope-Phase bzw. der sich hieraus ergebenden Carrier-Envelope-Offset-Frequenz zu erreichen, ist der Bandpassfilter 300 bei der gezeigten Ausführungsform als variabler und steuerbarer Bandpassfilter ausgebildet. Der variable Bandpassfilter besitzt einen elektronischen Kantenfilter 130, einen ersten Versatzmischer 140, einen frequenzfesten Bandpassfilter 50, der eine feste unveränderliche Mittenfrequenz f_B aufweist, einen zweiten Versatzmischer 160 und einen zweiten elektronischen Kantenfilter 170 in der angegebenen Reihenfolge im Signalverarbeitungspfad zum Erzeugen des Treibersignals 72. Über den ersten elektronischen Kantenfilter 130 wird eine Eingrenzung des Frequenzspektrums des Basisfrequenzkammsignals 122 in der Weise vorgenommen, dass im Frequenzbereich, welcher den durch den frequenzfesten Bandpassfilter transmittierten Bereich entspricht, keine Frequenzkammkomponenten mehr enthalten sind.
Der erste Versatzmischer 140 wird mit einem Versatzsignal 290 beschickt, welches bewirkt, dass sämtliche Linien des kantengefilterten Basisfrequenzkammsignals 132 additiv und subtraktiv in der Frequenz versetzt werden. Hierdurch wird abhängig von der Frequenz des Versatzsignals 290 ein Bereich des Frequenzkamms des Basisfrequenzkammsignals in den Transmissionsbereich des frequenzfesten Bandpassfilters 150 verschoben. Dieser selektiert diesen Frequenzkammbereich und über den zweiten Versatzmischer, der ebenfalls mit dem Versatzsignal 290 beschickt wird, wird eine erneute Frequenzversetzung in additiver und subtraktiver Weise ausgeführt. Über den weiteren elektronischen Kantenfilter 170, vorzugsweise einen Tiefpassfilter, werden die hochenergetischen Spiegelkomponenten aus dem bandpassgefilterten und frequenzversetzten Signal 162 entfernt. Bei dem dargestellten Bandpassfilter 300 wird der in dem ersten Versatzmischer 140 die additive Frequenzmischung und im zweiten Versatzmischer 160 die subtraktive Frequenzmischung genutzt.
Eine Mittenfrequenz f_M des fertig bandpassgefilterten Signals 172, welches hinter dem zweiten elektronischen Kantenfilter 170 anliegt, ist abhängig von der Mittenfrequenz des frequenzfesten Bandpassfilters f_B und der Frequenz des Versatzsignals 290. Da der erste Versatzmischer 140 und der zweite Versatzmischer 160 mit demselben Versatzsignal 290 betrieben werden, weist das Frequenzspektrum des bandpassgefilterten Frequenzkammsignals 172 immer noch einen offsetfreien, jedoch frequenzbeschränkten Frequenzkamm auf. Da zwischen der ersten Versatzmischung in dem ersten Versatzmischer 140 und der zweiten Versatzmischung in dem zweiten Versatzmischer 160 eine Zeitspanne vergeht, die der Gruppenlaufzeitverzögerung des frequenzfesten Bandpassfilters 150 entspricht, muss sichergestellt werden, dass keine Frequenzänderung im Versatzsignal 290 auftritt oder diese stark eingeschränkt ist. Über die Frequenz des Versatzsignals ist jedoch die Mittenfrequenz f_M des bandpassgefilterten Signals über große Bereiche variabel einstellbar.
Um zu erreichen, dass das Versatzsignal 290 zwar der Langzeitdrift der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz folgt, jedoch kurzzeitigen Schwankungen der Carrier-Envelope-Offset-Phase nicht folgt, ist eine Ableitungsvorrichtung 200 vorgesehen, die das Versatzsignal 290 erzeugt. Diese Ableitungseinrichtung 200, welche auch als Langsamfolger bezeichnet wird, weist einen Carrier-Envelope-Offset-Signal-Eingang 202 und einen Versatzsignalausgang 204 auf, an dem das Versatzsignal 290 anliegt. Die Ableitungseinrichtung 200 ist so ausgestaltet, dass das Versatzsignal 290 auf einer Zeitskala, welche wesentlich größer als die Gruppenlaufzeitverzögerung des frequenzfesten Bandpassfilters 150 ist, der Frequenz des Eingangssignals, d.h. des Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals 46 folgt, jedoch auf einer Zeitskala, welche der Gruppenlaufzeitverzögerung des frequenzfesten Bandpassfilters 150 entspricht, nahezu konstant hinsichtlich der Frequenz bleibt, so dass die sich entsprechend ergebenden Phasenschwankungen des Ausgangssignals 172 gegenüber einer absolut konstanten Frequenz unterhalb eines durch die erzielte Carrier-Envelope-Stabilisierung vorgegebenen Schwellwertes bleiben.
In 2 ist eine schematische Darstellung einer Ableitungseinrichtung 200 darstellt. Gleiche technische Merkmale sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. An dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal-Eingang 202 liegt das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal 46 an. Das Versatzsignal 290 an dem Versatzsignalausgang 204 wird von einem spannungsgesteuerten Oszillator 210 erzeugt. Sowohl das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal als auch das Versatzsignal 290 sind jeweils auf einen Verstärker 220 bzw. 230 geführt und werden anschließend jeweils über einen Teiler 240 und 250 geführt. Die Verstärkung wird ausgeführt, um sicherzustellen, dass jede Schwingung Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal und des Versatzsignals 290 an dem Eingang des jeweiligen Teilers 240, 250 einen Wechsel zwischen zwei Logikzuständen auslöst. An den Eingängen der Teiler 240, 250 werden die beiden Signale, das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal und das Versatzsignal 290 somit in Rechtecksignale überführt. Bei einigen Ausführungsformen kann es nötig sein, einem oder beiden Signalen einen Gleichtaktanteil zu überlagern, um diese Wandlung in ein Rechtecksignal am Eingang des jeweiligen Verstärkers 240, 250 zu erreichen. Die Teiler 240 und 250 teilen jeweils die die Frequenz der Signale jeweils um den gleichen ganzzahligen Faktor, welches vorzugsweise eine Potenz von 2 ist. Die Teilerausgänge sind auf ein Exklusiv-Odergatter 260 geführt, dessen Ausgang wiederum an einen Regler 270, welches beispielsweise ein PID-Regler ist, geführt ist, dessen Regelcharakteristik wird über eine Sollspannung 280 festgelegt. Der Ausgang des PID-Reglers ist mit dem spannungsgesteuerten Oszillator verbunden und regelt hierüber die Frequenz des Versatzsignals. Die gezeigte Anordnung mit den beiden Teilern, deren Ausgänge auf ein Exklusiv-Oder-Gatter geführt sind, ist ähnlich einer Phase-Lock-Loop-Schaltung, d. h. ähnlich eines phasenstarren Koppelkreises, ausgebildet und bewirkt eine Phasenkopplung der beiden Signale. Über die Größe des Teilers kann festgelegt werden, wie groß eine Phasenänderung in dem Versatzsignal während einer Zeitdauer auftreten kann, die der Gruppenlaufzeitverzögerung in dem frequenzfesten Bandpassfilter entspricht. Geht man von einer Carrier-Envelope-Offset-Frequenz im Bereich von 20 bis 40 MHz aus und benutzt als Teilungsfaktor M, den Wert 256, so wird ein Fangbereich bei 20 bis 40 MHz Signalfrequenz ungefähr 256 π. Die Regelung wird so eingestellt, dass bei einer Gruppenlaufzeitverzögerung von etwa 500 ns, die maximale Phasenänderung in 1 ms wesentlich kleiner als π/1000 innerhalb einer Mikrosekunde (µs) Verzögerungszeit ist.
Über eine solche Schaltung kann somit erreicht werden, dass zwar der langsamen Drift der Carrier-Envelope-Frequenz gefolgt wird, dass das Versatzsignal jedoch schnellen Frequenzänderungen nicht folgt.
In 3 ist ein vereinfachtes Schema eines zur Stabilisierung der Carrier-Envelope-Offset-Phase eines Lasersignals 12 gezeigt. Gleiche technische Merkmale sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Laser 10 erzeugt ein Lasersignal 12 mit einem Zug 14 zeitlich äquidistanter kurzer Laserpulse 16. Über zwei Auskoppeleinrichtungen 30, 40 werden das Repetitionssignal 36 und das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal 46 erzeugt, welches bei dieser Ausführungsform über einen Tiefpassfilter gefiltert wird, so dass dieses nach Möglichkeit nur noch die reine Carrier-Envelope-Offset-Frequenz als Frequenzkomponente aufweist. Über einen geeigneten Teiler, der als Pulsgenerator wirken kann, wird das Basisfrequenzkammsignal erzeugt, welches in dem variablen Bandpassfilter 300 so gefiltert wird, dass die Mittenfrequenz f_M des bandpassgefilterten Frequenzkammsignals 302 eine Mittenfrequenz des Frequenzkamms aufweist, die einen Frequenzabstand zur Mittenfrequenz des Arbeitsbereichs des akusto-optischen Bauelements 70 aufweist, die in etwa der aktuellen Carrier-Envelope-Offset-Frequenz f_CEO des Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals 46 entspricht. Über den Korrekturmischer 180 wird somit der bandbreitenbegrenzte Frequenzkamm des Treibersignals genau in den Arbeitsbereich des akusto-optischen Bauelements 70, beispielsweise eines akusto-optischen Frequenzschiebers verschoben. Die über eine Differenzfrequenzmischung entstandenen niedrigerfrequenten Linien bzw. der niedrigerfrequente Frequenzkammanteil wird durch einen Hochpassfilter 190 vor dem Verstärker 50 aus dem Treibersignal 72 herausgefiltert, welches in dem Verstärker 50 verstärkt wird, um beispielsweise das als akusto-optischen Frequenzschieber ausgebildete akusto-optische Bauelement 70 anzutreiben. Auch bei dieser Ausführungsform ist eine optische Verzögerungseinrichtung 60 vorgesehen, so dass eine optimale Kompensierung sowohl kurzzeitiger Carrier-Envelope-Schwankungen als auch der langsamen Drift mit dieser Ausführungsform möglich ist.
In 4a ist erneut das Schema eines variablen Bandpassfilters exemplarisch erklärt, der eine elektronische Verzögerungseinrichtung 400 umfasst. Zum einen wird ein Basisfrequenzkammsignal mit der Frequenz der Repetitionsrate f_AMP der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse bereitgestellt, welches über die Verzögerungseinrichtung 400 so vorverzögert wird, dass eine Gruppenlaufzeitverzögerung des frequenzfesten Bandpassfilters 150 kompensiert wird. Die Verzögerungseinrichtung 400 kann in einer einfachen Ausführungsform durch eine angepasste Leitungsstrecke realisiert werden. Bevorzugt werden jedoch einstellbare elektronische Verzögerungsschaltungen. Es wird hier erneut angemerkt, dass für den Fall, dass jeder Laserpuls des Lasers stabilisiert werden, die Repetitionsfrequenz des bereitgestellten Basisfrequenzkammsignals 122 der Repetitionsfrequenz f_REP entsprechen kann. Die elektronische Verzögerungseinrichtung 400 überführt das Basisfrequenzkammsignals 122 in ein vorverzögertes Basisfrequenzkammsignals 122‘.
Eine als Langsamfolger ausgebildete Ableitungseinrichtung 200 leitet aus dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal das Versatzsignal ab, mit welchem ein erster Versatzmischer 140 und ein zweiter Versatzmischer 160, wie oben erläutert, betrieben werden. Hierzwischen ist der frequenzfeste Bandpassfilter 150 angeordnet, dessen Mittenfrequenz f_B gegenüber dem Arbeitsbereich des akusto-optischen Bauelements um eine Frequenz versetzt ist, die in etwa dem Frequenzbereich entspricht, in dem die zu kompensierenden Carrier-Envelope-Offset-Frequenzen f_CEO erwartet werden. Der abschließende Tiefpassfilter ist vorgesehen, um die hochfrequent verschobenen Anteile des bandbreitenbegrenzten Frequenzkammsignals 162 herauszufiltern, um das bandpassgefilterte Frequenzkammsignal 172 zu erhalten.
In 4b eine schematische Darstellung eines variablen steuerbaren Bandpassfilters mit einer zugleich als Pulsgenerator wirkenden elektronischen Verzögerungseinrichtung 400. Die Verzögerungseinrichtung 400 bei dieser Ausführungsform erzeugt abhängig von dem bereitgestellten Repetitionssignal 36 mit der Repetitionsfrequenz f_REP kurze Pulse mit steilen Flanken. Diese Pulse werden jeweils vorverzögert um die Gruppenlaufzeitverzögerung des Signalwegs in dem Rest des variablen Bandpassfilters erzeugt. Ist die Repetitionsfrequenz höher als die Wiederholfrequenz f_AMP der zu stabilisierenden Pulse, so ist die Verzögerungseinrichtung nicht in der Lage, für jeden zeitlich kurzen Puls im Repetitionssignal einen kurzen Puls im am Ausgang der Verzögerungseinrichtung 400 bereitgestellten Basisfrequenzkammsignals 122 zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform wird die Funktion des optionalen Teilers 110 nach 1 oder 2 durch die elektronische Verzögerungseinrichtung mit übernommen.
Ansonsten gleicht die Ausführungsform der 4b der Ausführungsform der 4a.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, um die unterschiedlichen Aspekte der Erfindung zu realisieren. Insbesondere sind nur beispielhafte Ausführungsformen für funktionelle Komponenten, wie den regelbaren Bandpassfilter angegeben. Andere funktionelle Ausgestaltungen sind möglich.
Bezugszeichenliste

1: System
10: Laser
12: Lasersignal
12‘, 12‘‘: Lasersignal
14: Zug kurzer Laserpulse
14‘, 14‘‘: Zug kurzer Laserpulse
16: Laserpulse
16‘, 16‘‘: Laserpulse
20: Selektionseinrichtung
30: Auskoppelvorrichtung
32: Strahlteiler
34: Wandler (Photodiode)
36: Repetitionssignal
40: weitere Auskoppeleinrichtung
42: Strahlteiler
44: Interferometer mit Wandler
46: Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal
50: Verstärker
60: optische Verzögerungseinrichtung
62: Multipasszelle
64, 65: verspiegelte Oberflächen
70: akusto-optisches Bauelement
72, 72‘: Treibersignal
80: gebeugter Strahl
100: Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals
102: Repetitionseingang
104: Carrier-Envelope-Frequenz-Signal-Eingang
106: Treibersignalausgang
110: Teiler
120: Pulsgenerator
122: Basisfrequenzkammsignal
122‘: vorverzögertes Basisfrequenzkammsignal
124: Triggersignal
130: elektronischer Kantenfilter (vorzugsweise Tiefpass)
140: erster Versatzmischer
150: frequenzfester Bandpassfilter
160: zweiter Versatzmischer
170: zweiter elektronischer Kantenfilter (vorzugsweise Tiefpassfilter)
172: bandpassgefilterte Signal
180: Korrekturmischer
182: Korrekturmischsignal
185: Korrektursignal
186: optionaler Filter (z.B. Tiefpassfilter)
190: Korrekturfilter (vorzugsweise Hochpassfilter)
192: hochpassgefiltertes Signal
200: Ableitungseinrichtung (Langsamfolger)
202: Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal-Eingang
204: Versatzsignalausgang
210: spannungsgesteuerter Oszillator (VCO)
220: Verstärker
230: Verstärker
240: Teiler
250: Teiler
260: Exklusiv-Odergatter (EOR)
270: Regler
280: Sollspannung
290: Versatzsignal
300: anpassbarer Bandpassfilter
302: bandpassgefiltertes Frequenzkammsignal
400: elektronische Verzögerungseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19911103 [0007]
DE 102008059902 A1 [0008, 0009, 0013]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

"Route to phase control of ultrashort light pulses" von L. Xu et al., Optics Letters 21, 2008 ff. (1996) [0003]
H.R. Telle et al., Appl. Phys. B 69, 327 ff. (1999) [0005]
S. Koke et al., Nature Photonics 4, 462 (2010) [0009]
B. Borchers et al., Optics Letters 36, 4146 (2011) [0009]
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B. Borchers et al. in Optics Letters 36, 4146 (2011) [0011]
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H.R. Telle et al., Appl. Phys. B 69, 327 ff. (1999) [0026]

Claims

Verfahren zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase umfassend die Schritte: Erzeugen eines zeitlich gepulsten Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, wobei das Treibersignal ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent sind, indem ein Repetitionssignal, dessen Frequenz die Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse oder eine ganzzahlige Harmonische der Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal, dessen Frequenzspektrum eine Frequenzkomponente umfasst, welche zur Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, aus dem Lasersignal abgeleitet werden, und unter Verwendung des Repetitionssignals ein offsetfreies Basisfrequenzkammsignal mit einem offsetfreien Frequenzkamm erzeugt wird, dessen Frequenzkammlinienabstand der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse oder einer ganzzahligen Harmonischen der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse entspricht, wobei das Treibersignal aus dem offsetfreien Basisfrequenzkammsignal abgeleitet wird, wobei das Ableiten eine Bandpassfilterung und eine Korrekturmischung mit dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal oder mit einem daraus abgeleiteten zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärenten Korrektursignal umfasst, Betreiben des akusto-optischen Bauelements mit dem Treibersignal, Führen des Lasersignals mit dem Zug kurzer zu kompensierender Laserpulse auf das akusto-optische Bauelement und Bewirken der Carrier-Envelope-Phasen-Korrektur, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasersignal mit dem Zug kurzer zu kompensierender Laserpulse vor dem Früheren auf das akusto-optische Bauelement optisch verzögert wird, um zumindest die Gruppenlaufzeitverzögerung des akustischen Signals in dem akusto-optischen Bauelement bis zur einer Wechselwirkungszone mit dem Lasersignal zu kompensieren.
Verfahren zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase umfassend die Schritte: Erzeugen eines zeitlich gepulsten Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, wobei das Treibersignal ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent sind, indem ein Repetitionssignal, dessen Frequenz die Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal, dessen Frequenzspektrum eine Frequenzkomponente umfasst, welche mit der Carrier-Envelope-Phase und zur damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, aus dem Lasersignal abgeleitet werden, und unter Verwendung des Repetitionssignals ein offsetfreies Basisfrequenzkammsignal mit einem offsetfreien Frequenzkamm erzeugt wird, dessen Frequenzkammlinienabstand der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse oder einer ganzzahligen Harmonischen der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse entspricht, wobei das Treibersignal aus dem offsetfreien Basisfrequenzkammsignal abgeleitet wird, wobei das Ableiten eine Bandpassfilterung und eine Korrekturmischung mit dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal oder mit einem daraus abgeleiteten zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärenten Korrektursignal umfasst, Betreiben des akusto-optischen Bauelements mit dem Treibersignal, Führen des Lasersignals mit dem Zug kurzer zu kompensierender Laserpulse auf das akusto-optische Bauelement und Bewirken der Carrier-Envelope-Phasen-Korrektur, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber den Impulsen des Repetitionssignals erfolgt, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
Verfahren zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase umfassend die Schritte: Erzeugen eines zeitlich gepulsten Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, wobei das Treibersignal ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz kohärent sind, indem ein Repetitionssignal, dessen Frequenz die Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal, dessen Frequenzspektrum eine Frequenzkomponente umfasst, welche zur Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, aus dem Lasersignal abgeleitet werden, und unter Verwendung des Repetitionssignals ein offsetfreies Basisfrequenzkammsignal mit einem offsetfreien Frequenzkamm erzeugt wird, dessen Frequenzkammlinienabstand der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse oder einer ganzzahligen Harmonischen der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse entspricht, wobei das Treibersignal aus dem offsetfreien Basisfrequenzkammsignal abgeleitet wird, wobei das Ableiten eine Bandpassfilterung und eine Korrekturmischung mit dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal oder einem zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärenten Korrektursignal umfasst, Betreiben des akusto-optischen Bauelements mit dem Treibersignal, Führen des Lasersignals mit dem Zug kurzer zu kompensierender Laserpulse auf das akusto-optische Bauelement und Bewirken der Carrier-Envelope-Phasen-Korrektur, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittenfrequenz der Bandpassfilterung an langsame Drifteffekte der Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als jene Zeitspanne ist, die mit Gruppenlaufzeitverzögerung der Elektronik zum Erzeugen und/oder Verstärken des Treibersignals verknüpft sind, angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber den Impulsen des Repetitionssignals erfolgt, so dass eine Gruppenlaufzeitverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittenfrequenz der Bandpassfilterung an langsame Drifteffekte der Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als jene Zeitspanne ist, die mit Gruppenlaufzeitverzögerung der Elektronik zum Erzeugen und/oder Verstärken des Treibersignals verknüpft sind, angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Lasersignal verzögert wird, indem es durch eine Multipassvorrichtung geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4 oder 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Lasersignal verzögert wird, indem das Lasersignal durch eine optische Faser geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandpassfilterung vor der Korrekturmischung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anpassung der Mittenfrequenz der Bandpassfilterung erreicht wird, indem das offsetfreie Basisfrequenzkammsignal über einen elektronischen Kantenfilter, einen ersten Versatzmischer einen Bandpassfilter mit fester Mittenfrequenz, einen zweiten Versatzfilter und einen zweiten elektronischen Kantenfilter geführt wird, wobei der erste Versatzmischer und der zweite Versatzmischer mit einem Versatzsignal beschickt werden, welches von einer Ableitungseinrichtung aus dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal abgeleitet ist, wobei die Ableitung so erfolgt, das die Frequenz des Versatzsignals der Frequenz des Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal folgt, wobei nur den Frequenzänderungen gefolgt wird, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als die Gruppenlaufzeitverzögerung sind, welche der Bandpassfilter mit fester Mittenfrequenz verursacht, und Frequenzänderungen der Versatzsignals auf einer Zeitskala der Gruppenlaufzeitverzögerung des Bandpassfilters mit fester Mittenfrequenz unterbunden oder auf eine vorgegebene Frequenzänderung beschränkt werden.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, mit dem ein Zug zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert wird, umfassend: einen Repetitionssignaleingang zum Erfassen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse oder einem ganzzahligen Vielfachen der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse ist, ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signaleingang zum Erfassen eines Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals, dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, einen Pulsgenerator zum Erzeugen kurzer Pulse mit steilen Flanken, einen Bandpassfilter und einen Korrekturmischer und einen Treibersignalausgang, wobei der Pulsgenerator gesteuert durch das Repetitionssignal zeitlich gleich entfernte kurze Pulse erzeugt, so dass von dem Pulsgengerator ein Basisfrequenzkammsignal erzeugt wird, dessen Frequenzspektrum einen offsetfreien Frequenzkamm aufweist, und wobei im Signalgang zwischen dem Pulsgenerator und dem Treibersignalausgang ein Bandpassfilter, und einen Korrekturmischer angeordnet sind, wobei der Bandpassfilter vorgesehen ist, das Treibersignal als bandbreitengegrenztes Frequenzkammsignal zu erzeugen, welches nur in einem begrenzten Frequenzbereich Frequenzkammlinien aufweist, und der Korrekturmischer vorgesehen ist, um eine offsetfreies Frequenzkammsignal in ein zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärentes Frequenzkammsignal zu überführen, dessen Frequenzspektrum Kammlinien mit Frequenzen aufweist, die sich mathematisch als Summe oder Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse und der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darstellen lassen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzögerungseinrichtung mit dem Repetitionssignaleingang und dem Pulsgenerator verknüpft ist, um ein Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber den Impulsen des Repetitionssignals zu bewirken, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, mit dem ein Zug zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert wird, vorgeschlagen, welche umfasst: einen Repetitionssignaleingang zum Erfassen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse oder eine ganzzahlige Harmonische der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse ist, ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signaleingang zum Erfassen eines Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals, dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, einen Pulsgenerator zum Erzeugen kurzer Pulse mit steilen Flanken, einen Bandpassfilter und einen Korrekturmischer und einen Treibersignalausgang, wobei der Pulsgenerator gesteuert durch das Repetitionssignal zeitlich gleich entfernte kurze Pulse erzeugt, so dass von dem Pulsgengerator ein Basisfrequenzkammsignal erzeugt wird, dessen Frequenzspektrum einen offsetfreien Frequenzkamm aufweist, und wobei im Signalgang zwischen dem Pulsgenerator und dem Treibersignalausgang ein Bandpassfilter, und einen Korrekturmischer angeordnet sind, wobei der Bandpassfilter vorgesehen ist, das Treibersignal als bandbreitengegrenztes Frequenzkammsignal zu erzeugen, welches nur in einem begrenzten Frequenzbereich Frequenzkammlinien aufweist, und der Korrekturmischer vorgesehen ist, um eine offsetfreies Frequenzkammsignal in ein zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-kohärentes Frequenzkammsignal zu überführen, dessen Frequenzspektrum Kammlinien mit Frequenzen aufweist, die sich mathematisch als Summe oder Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse und der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darstellen lassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter hinsichtlich der Mittenfrequenz steuerbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter ein hinsichtlich der Mittenfrequenz steuerbar variabler Bandpassfilter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturmischer im Signalweg hinter dem Bandpassfilter angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Bandpassfilter einen elektronischen Kantenfilter, einen ersten Versatzmischer, einen hinsichtlich der Mittenfrequenz festen Bandpassfilter, einen zweiten Versatzmischer und einen weiteren elektronischen Kantenfilter in dieser Reihenfolge im Signalweg umfasst, wobei der erste Versatzmischer und der zweite Versatzmischer mit einem Versatzsignal beschickt sind, welches in einer Ableitungseinrichtung aus dem Carrier-Envelope-Offset-Signal abgeleitet ist, so dass die Frequenz des Versatzsignals Frequenzänderungen des Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal linear folgt, die auf einer Zeitskale auftreten, welche größer als die Gruppenlaufzeitverzögerung des Bandpassfilters mit fester Mittenfrequenz ist, und Frequenzänderungen des Versatzsignals in einer Zeitspanne, welcher der Gruppenlaufzeitverzögerung des Bandpassfilters mit fester Mittenfrequenz entspricht, unterbunden sind oder auf eine vorgegebene Frequenzänderung beschränkt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Versatzsignal mittels eines Langsamfolgers erzeugt wird, der einen spannungsgesteuerten Oszillator umfasst, der das Versatzsignal bereitstellt, wobei das Versatzsignalsignal über eine Phasenkopplungseinrichtung an das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenkopplungseinrichtung zwei Teiler umfasst, die das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal und das von dem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugte Versatzsignal entsprechend teilen und auf ein Exklusiv-Oder-Gatter führen, dessen Ausgang mit dem Eingang eines Proportionalreglers, Integralreglers oder einer Kombination aus beiden verbunden ist, dessen Ausgang den spannungsgesteuerten Oszillator ansteuert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Kantenfilter und der weitere elektronische Kantenfilter jeweils ein Tiefpassfilter sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Signalgang hinter dem Korrekturmischer ein Korrekturfilter, der vorzugsweise als Hochpassfilter ausgebildet ist, angeordnet ist, um Spiegelfrequenzen im Treibersignal zu eliminieren.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturfilter ein Hochpassfilter ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, mit dem ein Zug zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert wird, wobei das Treibersignal einen bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz kohärent sind, umfassend die Schritte: Erfassen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse oder eine ganzzahlige Harmonische der Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und Erfassen eines Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals, dessen Frequenzspektrum eine Frequenzkomponente umfasst, welche zur Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, Erzeugen eines offsetfreies Basisfrequenzkammsignals mit einem offsetfreien Frequenzkamm unter Verwendung des Repetitionssignals, wobei der Frequenzkammlinienabstand des Frequenzkamms des Basisfrequenzkammsystems der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse oder einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse entspricht, und Ausführen einer Bandpassfilterung und einer Korrekturmischung mit dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal oder mit einem daraus abgeleiteten zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärenten Korrektursignal im weiteren Signalweg der Verarbeitung des Basisfrequenzkammsignals, so dass über die Bandpassfilterung eine Überführung in ein bandbreitenbegrenztes Signal erreicht wird und über die Korrekturmischung ein Überführen von einem offsetfreien Frequenzkammsignals in ein zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-kohärentes Frequenzkammsignal bewirkt wird, dessen Frequenzspektrum Kammlinien mit Frequenzen aufweist, die sich mathematisch jeweils als Summe oder Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse und der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darstellen lassen, dadurch gekennzeichnet, dass das Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber dem Impulsen des Repetitionssignals erfolgt, so dass eine Gruppenlaufzeitverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
Verfahren zum Erzeugen eines Treibersignals für ein akusto-optisches Bauelement, mit dem ein Zug zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase stabilisiert wird, wobei das Treibersignal ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz kohärent sind, umfassend die Schritte: Erfassen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse oder ein ganzzahliges Vielfaches der Repetitionsrate der zu stabilisierenden Laserpulse ist, und Erfassen eines Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signals, dessen Frequenzspektrum eine Frequenzkomponente umfasst, welche zur Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, Erzeugen eines offsetfreies Basisfrequenzkammsignals mit einem offsetfreien Frequenzkamm unter Verwendung des Repetitionssignals, wobei ein Frequenzkammlinienabstand des Frequenzkamms des Basisfrequenzkammsystems der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse oder einem ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsfrequenz der zu stabilisierenden Laserpulse entspricht, und Ausführen einer Bandpassfilterung und einer Korrekturmischung entweder mit dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal oder mit einem dazu kohärentem Korrektursignal im weiteren Signalweg der Verarbeitung des Basisfrequenzkammsignals, so dass über die Bandpassfilterung eine Überführung in ein bandbreitenbegrenztes Signal erreicht wird und über die Korrekturmischung ein Überführen von einem offsetfreien Frequenzkammsignals in ein zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-kohärentes Frequenzkammsignal bewirkt wird, dessen Frequenzspektrum Kammlinien mit Frequenzen aufweist, die sich mathematisch jeweils als Summe oder Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Repetitionsrate der hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase zu stabilisierenden Laserpulse und der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz darstellen lassen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittenfrequenz der Bandpassfilterung an langsame Drifteffekte der Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als jene Zeitspanne ist, die mit Gruppenlaufzeitverzögerung der Elektronik zum Erzeugen und/oder Verstärken des Treibersignals verknüpft sind, angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mittenfrequenz der Bandpassfilterung an langsame Drifteffekte der Carrier-Envelope-Phase und der damit verknüpften Carrier-Envelope-Offset-Frequenz, die auf einer Zeitskala auftreten, welche größer als jene Zeitspanne ist, die mit Gruppenlaufzeitverzögerung der Elektronik zum Erzeugen und/oder Verstärken des Treibersignals verknüpft sind, angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisfrequenzkammsignal zur Bandpassfilterung in dieser Reihenfolge auf einen elektronischen Kantenfilter, einen ersten Versatzmischer, einen hinsichtlich der Mittenfrequenz festen Bandpassfilter, einen zweiten Versatzmischer und einen weiteren elektronischen Kantenfilter geführt wird und hierdurch ein bandbreitenbeschränktes Frequenzkammsignal erzeugt wird, dessen Mittefrequenz linear Änderungen der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz folgt, wobei der erste Versatzmischer und der zweite Versatzmischer mit einem Versatzsignal beschickt werden, welches in einer Ableitungseinrichtung aus dem Carrier-Envelope-Offset-Signal abgeleitet wird, so dass die Frequenz des Versatzsignals Frequenzänderungen des Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal linear folgt, die auf einer Zeitskale auftreten, welche größer als die Gruppenlaufzeitverzögerung des Bandpassfilters mit fester Mittenfrequenz ist, und Frequenzänderungen des Versatzsignals in einer Zeitspanne, welcher der Gruppenlaufzeitverzögerung des Bandpassfilters mit fester Mittenfrequenz entspricht, unterbunden werden oder auf eine vorgegebene Frequenzänderung beschränkt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass Versatzsignal mittels eines Langsamfolgers erzeugt wird, der einen spannungsgesteuerten Oszillator umfasst, der das Versatzsignal bereitstellt, wobei das Versatzsignalsignal über eine Phasenkopplungseinrichtung an das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal gekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenkopplungseinrichtung zwei Teiler umfasst, mit denen das Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal und das von dem spannungsgesteuerten Oszillator erzeugte Versatzsignal entsprechend geteilt werden und anschließend auf ein Exklusiv-Oder-Gatter geführt werden, dessen Ausgangssignal auf einen Eingang eines Reglers geführt wird, mit dessen Ausgangssignal wiederum der spannungsgesteuerte Oszillator angesteuert wird.
System zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase umfassend eine Auskoppeleinrichtung erzeugen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals oder ein ganzzahliges Vielfaches der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals ist, eine weitere Auskoppeleinrichtung um ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal zu erzeugen, dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals, das einen bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-kohärent sind, wobei die Vorrichtung mit dem Repetitionssignal und dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal beschickt ist, sowie ein akusto-optisches Element, auf welches das Lasersignal geführt wird und welches mit dem Treibersignal betrieben wird, so dass die Carrier-Envelope-Phase der kurzen Laserpulse mittels der akusto-optischen Wechselwirkung kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Verzögerungseinrichtung vor dem akusto-optischen Bauelement angeordnet ist, die so ausgebildet ist, dass das Lasersignal so verzögert wird, dass zumindest die Gruppenlaufzeitverzögerung des akustischen Signals in dem akusto-optischen Bauelement bis zur einer Wechselwirkungszone mit dem Lasersignal kompensiert wird.
System zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse eines Lasersignals hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase umfassend eine Auskoppeleinrichtung erzeugen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals oder eine ganzzahlige Harmonische der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals ist, eine weitere Auskoppeleinrichtung um ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal zu erzeugen, dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals, das ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-kohärent sind, wobei die Vorrichtung mit dem Repetitionssignal und dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal beschickt ist, sowie ein akusto-optisches Element, auf welches das Lasersignal geführt wird und welches mit dem Treibersignal betrieben wird, so dass die Carrier-Envelope-Phase der kurzen Laserpulse mittels der akusto-optischen Wechselwirkung kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verzögerungseinrichtung mit einem Repetitionssignaleingang der Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals und dem Pulsgenerator verknüpft ist, um ein Erzeugen des Basisfrequenzkammsignals zeitlich versetzt gegenüber dem Impulsen des Repetitionssignals zu bewirken, so dass eine Gruppenverzögerung der Bandpassfilterung kompensiert wird.
System zur Stabilisierung eines Zugs zeitlich gleich entfernter kurzer Laserpulse hinsichtlich der Carrier-Envelope-Phase umfassend eine Auskoppeleinrichtung erzeugen eines Repetitionssignals, dessen Frequenz die Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals oder eine ganzzahlige Harmonische der Wiederholrate der kurzen zu stabilisierenden Laserpulse des Lasersignals ist, eine weitere Auskoppeleinrichtung um ein Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal zu erzeugen, dessen Frequenz oder dessen zumindest eine Frequenzkomponente zur Carrier-Envelope-Offset-Frequenz kohärent ist, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines Treibersignals, das ein bandbreitenbegrenztes Frequenzkammspektrum aufweist, dessen Frequenzkomponenten zur Carrier-Envelope Offset-Frequenz-kohärent sind, wobei die Vorrichtung mit dem Repetitionssignal und dem Carrier-Envelope-Offset-Frequenz-Signal beschickt ist, sowie ein akusto-optisches Element, auf welches das Lasersignal geführt wird und welches mit dem Treibersignal betrieben wird, so dass die Carrier-Envelope-Phase der kurzen Laserpulse mittels der akusto-optischen Wechselwirkung kompensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Bandpassfilter hinsichtlich der Mittenfrequenz steuerbar ist.
System nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des Treibersignals nach einem der Ansprüche 11 bis 19 ausgebildet ist.
System nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Verzögerungseinrichtung vor dem akusto-optischen Bauelement angeordnet ist, die so ausgebildet ist, dass das Lasersignal so verzögert wird, dass zumindest die Gruppenlaufzeitverzögerung des akustischen Signals in dem akusto-optischen Bauelement bis zur einer Wechselwirkungszone mit dem Lasersignal kompensiert wird.