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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, mit den folgenden Verfahrensschritten:
- - Erzeugung von Referenz-Laserstrahlung, deren Spektrum eine oder mehrere Spektrallinien bei einer oder mehreren Referenzfrequenzen aufweist,
- - Erzeugung von Nutz-Laserstrahlung, deren Spektrum eine Spektrallinie bei einer Nutzfrequenz aufweist,
- - Spektrale Filterung der Referenz-Laserstrahlung mittels eines Bandpassfilters, wobei der spektrale Transmissionsbereich des Bandpassfilters an die Nutzfrequenz angepasst wird, wobei das Bandpassfilter als spektral selektives Element ein winkeldispersives Element aufweist,
- - Erzeugung eines Schwebungssignals durch Überlagerung der Referenz-Laserstrahlung mit der Nutz-Laserstrahlung,
- - Ableitung einer ersten Stellgröße aus dem Schwebungssignal, und
- - Steuerung der Nutzfrequenz nach Maßgabe der ersten Stellgröße.
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Außerdem betrifft die Erfindung einen optischen Frequenz-Synthesizer aufweisend
- - einen Referenz-Laser, der Referenz-Laserstrahlung emittiert, deren Spektrum eine oder mehrere Spektrallinien bei einer oder mehreren Referenzfrequenzen aufweist,
- - einen durchstimmbaren Nutz-Laser, der Nutz-Laserstrahlung emittiert, deren Spektrum eine Spektrallinie bei einer Nutzfrequenz aufweist,
- - ein optisches Bandpassfilter, das die Referenz-Laserstrahlung filtert, wobei der spektrale Transmissionsbereich des Bandpassfilters durchstimmbar ist,
- - einen dem optischen Bandpassfilter nachgeordneten Fotodetektor, auf dem zur Erzeugung eines Schwebungssignals die Referenz-Laserstrahlung mit der Nutz-Laserstrahlung überlagert wird, und
- - einen mit dem durchstimmbaren Nutz-Laser verbundenen ersten Regler, der eine erste Stellgröße aus dem Schwebungssignal ableitet, und den Nutz-Laser zur Regelung der Nutzfrequenz mit der ersten Stellgröße ansteuert.
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Für verschiedene Anwendungen, beispielsweise im Bereich der optischen Spektroskopie, besteht Bedarf nach Lichtquellen, die in der Lage sind, elektromagnetische Strahlung mit präzise vorgebbarer Frequenz zu erzeugen. Dabei soll die Frequenz mit hoher Genauigkeit einstellbar sein. Insbesondere besteht Bedarf nach breitbandig durchstimmbaren Lichtquellen, bei denen innerhalb des zur Verfügung stehenden Abstimmbereichs die Frequenz frei vorgegeben und mit hoher Genauigkeit eingestellt werden kann.
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Bekannt ist es beispielsweise, mittels einer geeigneten Regelung die Frequenz der Strahlung eines Nutz-Lasers, z.B. eines durchstimmbaren Dauerstrichlasers, an die Frequenz einer Spektrallinie eines als Referenz dienenden optischen Frequenzkamms zu koppeln. Die Referenz-Laserstrahlung wird mit der Nutz-Laserstrahlung auf einem Fotodetektor überlagert, um ein Schwebungssignal zu erzeugen. Aus dem Schwebungssignal leitet ein geeigneter Regler mittels heterodyner Detektion eine Stellgröße zur Ansteuerung des Nutz-Lasers ab, um so dessen Frequenz zu regeln, und zwar so, dass der Frequenzabstand zwischen der ausgewählten Spektrallinie des optischen Frequenzkamms und der Frequenz der Nutz-Laserstrahlung einen vorgegebenen Wert erhält.
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Aus der
DE 10 2010 022 585 A1 ist ein Ansatz bekannt, die Frequenz eines Dauerstrich-Nutz-Lasers, ähnlich wie zuvor beschrieben, an eine Spektrallinie eines als Referenz dienenden optischen Frequenzkamms zu koppeln, wobei zum Zwecke der Durchstimmung der Nutzfrequenz die Referenz-Laserstrahlung mittels eines elektro-optischen Modulators frequenzverschoben wird.
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Eine weitere Methode beschreibt die
DE 10 2013 009 264 A1 . Dort wird vorgeschlagen, von dem Nutz-Laserstrahl einen Nebenstrahl abzuteilen, der dann mit der Referenz-Laserstrahlung, deren Spektrum wiederum ein optischer Frequenzkamm ist, zum Zwecke der Regelung der Nutzfrequenz überlagert wird. Zur Durchstimmung der Nutzfrequenz erfolgt im Nebenstrahl eine Frequenzverschiebung mittels eines akusto-optischen Modulators.
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Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist bei den zuvor beschriebenen Verfahren, bei denen eine Heterodyn-Detektion der Frequenzkamm/Dauerstrichlaser-Überlagerung erfolgt, sehr wichtig, weil es die Genauigkeit bei der Erfassung der für die Regelung verwendeten Phasen- und Frequenzinformationen begrenzt. Es hat sich vor diesem Hintergrund als sinnvoll erwiesen, bei der Erfassung des Schwebungssignals weiter von der Nutzfrequenz entfernte Spektrallinien des Frequenzkamms zu unterdrücken. Anderenfalls tragen diese Spektrallinien nicht zu dem für die Regelung relevanten Signal, wohl aber zum Rauschen und zur Sättigung des verwendeten Fotodetektors bei und limitieren dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis. Das Herausfiltern der unerwünschten Spektrallinien erfolgt zweckmäßig mittels eines optischen Bandpassfilters. Wenn bei der optischen Frequenzsynthese der gewünschte Durchstimmbereich der Nutzfrequenz größer ist als der Transmissionsbereich des optischen Bandpassfilters, muss das optische Bandpassfilter hinsichtlich seines Transmissionsbereiches durchstimmbar sein, wobei der spektrale Transmissionsbereich des Bandpassfilters an die Nutzfrequenz angepasst wird, d.h. die Transmissionskurve des Bandpassfilters folgt der Nutzfrequenz während des Durchstimmvorgangs.
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Hierzu schlagen Bergeron et al. (Optics Letters, Bd. 41, Nr. 18, S. 4253, 2016) die Verwendung eines optischen Bandpassfilters vor, dessen Transmissionsbereich mittels eines akusto-optischen Modulators durchstimmbar ist. Die Referenz-Laserstrahlung und die Nutz-Laserstrahlung durchlaufen den akusto-optischen Modulator entlang unterschiedlicher Strahlverläufe. Der Transmissionsbereich wird mittels eines aus dem Nutz-Laserstrahls abgeteilten Nebenstrahls abgefragt. Hierzu wird der Nebenstrahl nach Durchlaufen des akusto-optischen Modulators unter einem bestimmten Winkel detektiert. Daraus wird eine Stellgröße abgeleitet, um den akusto-optischen Modulator anzusteuern. Auf diese Weise wird das optische Bandpassfilter auf die Nutzfrequenz geregelt. Das Filter selektiert im Bereich der Nutzfrequenz ca. 1400 Spektrallinien des als Referenz verwendeten optischen Frequenzkamms, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis über einen weiten Durchstimmbereich signifikant verbessert wird. Nachteilig ist, dass die optische Anordnung des optischen Bandpassfilters aufwendig ist und eine große Anzahl von Komponenten erfordert. Es ist notwendig, die Filteranordnung in den separaten Strahlwegen der Referenz-Laserstrahlung und der Nutz-Laserstrahlung zu justieren und aufeinander abzustimmen, was unpraktisch ist und die Anordnung anfällig in Bezug auf Fehljustierung macht.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur optischen Frequenzsynthese und einen entsprechenden optischen Frequenz-Synthesizer bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einem Verfahren bzw. einem optischen Frequenz-Synthesizer der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Referenz-Laserstrahlung und die Nutz-Laserstrahlung das Bandpassfilter mit parallelem Strahlverlauf durchlaufen.
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Als winkeldispersives Element eignet sich z.B. ein Beugungsgitter (als Reflexions- oder Transmissionsgitter), ein akustooptischer Modulator (AOM), ein Prisma oder ein dielektrisches Filter/ein dielektrischer Spiegel.
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Gemäß der Erfindung basiert das optische Bandpassfilter auf einem winkeldispersiven Element als schmalbandig spektral selektives Element. Die Filterung erfolgt durch Selektion der Strahlung, die unter einem bestimmten Winkel an dem winkeldispersiven Element in einer bestimmten Richtung abgelenkt wird. Zur Durchstimmung kann beispielsweise ein Beugungsgitter um eine senkrecht zur Ebene des Strahlverlaufs orientierte Achse verdreht werden. Zur Selektion kann eine geeignete Filterapertur, beispielsweise ein Spalt, eine Blende, eine Einkoppeloptik einer lichtleitenden Faser oder ähnliches verwendet werden. Erfindungsgemäß durchlaufen die Referenz-Laserstrahlung und die Nutz-Laserstrahlung das optische Bandpassfilter mit parallelem Strahlverlauf, so dass die Referenz- und die Nutz-Laserstrahlung unter demselben Winkel abgelenkt und entsprechend automatisch in gleicher Weise gefiltert werden.
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Dies ermöglicht es, aus der Transmission der Nutz-Laserstrahlung, d.h. aus der Nutz-Laserstrahlung, nachdem diese das Filter durchlaufen hat, eine zweite Stellgröße abzuleiten, um auf diese Weise den Transmissionsbereich des Bandpassfilters der Nutzfrequenz folgen zu lassen, damit, insofern ähnlich wie in dem oben zitierten Artikel von Bergeron et al., die Referenz-Laserstrahlung um die Nutzfrequenz herum bandpassgefiltert wird und das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Heterodyn-Detektion zum Zwecke der Ankopplung der Nutzfrequenz an eine der Spektrallinien der Referenz-Laserstrahlung verbessert wird. Hierzu hat der Transmissionsbereich des optischen Bandpassfilters z.B. eine Breite von weniger als 50 GHz, vorzugsweise weniger als 20 GHz, weiter bevorzugt weniger als 5 GHz, wobei im Idealfall das Maximum der Transmission durch die erfindungsgemäße Regelung bei der Nutzfrequenz gehalten wird.
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Das erfindungsgemäß verwendete optische Bandpassfilter kann in Transmission oder in Reflexion verwendet werden. Mit Transmissionsbereich des Filters ist in beiden Fällen der von dem Filter - in Transmissions- bzw. Reflexionsrichtung - jeweils durchgelassene Spektralbereich der Referenz- und Nutzstrahlung gemeint, die dann zur Erzeugung des Schwebungssignals überlagert werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass das optische Bandpassfilter mit deutlich weniger Komponenten auskommt als die von Bergeron et al. vorgeschlagene Anordnung. Eine Justierung in unterschiedlichen Strahlwegen ist nicht erforderlich und eine Anpassung der beiden Strahlverläufe aufeinander entfällt. Dadurch funktioniert die Filterung deutlich präziser, einfacher und robuster.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass auch die Nutz-Laserstrahlung eine schmalbandige Bandpassfilterung erfährt, so dass z.B. ein Untergrund aus verstärkter spontaner Emission in der Nutz-Laserstrahlung ebenfalls unterdrückt wird. Dadurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis weiter verbessert.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Referenz-Laserstrahlung oder die Nutz-Laserstrahlung vor der spektralen Filterung frequenzverschoben. Im ersten Fall erfolgt die Frequenzregelung der Nutz-Laserstrahlung wie in der oben zitierten
DE 10 2010 022 585 A1 beschrieben. Im zweiten Fall erfolgt die Frequenzregelung wie in der ebenfalls oben zitierten
DE 10 2013 009 264 A1 beschrieben. Hinsichtlich der Einzelheiten des jeweiligen Frequenzregelungsschemas wird auf die jeweilige Druckschrift voll inhaltlich Bezug genommen.
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Bevorzugt wird zur Steuerung der Nutzfrequenz die erste Stellgröße über eine Phasenregelschleife aus dem Schwebungssignal abgeleitet. Hierzu wird, nach dem bekannten heterodynen Detektionsverfahren, das elektrische Schwebungssignal zur Ableitung der Stellgröße mit einem hochfrequenten elektrischen Signal bei einer Zwischenfrequenz gemischt.
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Die zweite Stellgröße zum Nachführen des optischen Bandpassfilters wird vorzugsweise aus der durch das Bandpassfilter transmittierten Nutz-Laserstrahlung durch Lock-In-Regelung abgeleitet, wozu die Nutz-Laserstrahlung vor der spektralen Filterung mit einer Modulationsfrequenz moduliert wird. Die Stellgröße wird dann als elektrisches Signal durch Demodulation bei der Modulationsfrequenz (und nachfolgende Filterung) gebildet. Dabei sollte sich die Zwischenfrequenz von der Modulationsfrequenz unterscheiden, damit die beiden Stellgrößen über die unterschiedlichen Frequenzen der elektrischen Signale voneinander separiert aus dem Schwebungssignal abgeleitet werden können.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Referenz-Laserstrahlung und die Nutz-Laserstrahlung in dem Bandpassfilter einen kollinearen Strahlverlauf auf. Dadurch wird in idealer Weise sichergestellt, dass das optische Bandpassfilter in seiner Filterwirkung in Bezug auf die Referenz-Laserstrahlung und die Nutz-Laserstrahlung identisch ist, so dass das nach Maßgabe der Transmission der Nutz-Laserstrahlung nachgeführte optische Filter die Referenz-Laserstrahlung präzise bei der Nutzfrequenz filtert.
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Alternativ können der Strahlverlauf der Referenz-Laserstrahlung und der Strahlverlauf der Nutz-Laserstrahlung in einer Richtung senkrecht zur Strahlverlaufsebene in dem Bandpassfilter voneinander beabstandet sein. Dabei liegt die Annahme zugrunde, dass die Geometrie des Strahlverlaufs innerhalb der Filteranordnung in der Richtung senkrecht zur Strahlverlaufsebene translationsinvariant ist, so dass die Filterwirkung auf die Referenz-Laserstrahlung und die Nutz-Laserstrahlung im Wesentlichen gleich ist. Bei dieser Ausgestaltung verlaufen die Referenz- und die Nutzlaserstrahlung bis zur Überlagerung zur Erzeugung des Schwebungssignals voneinander räumlich getrennt, so dass die Ableitung der zweiten Stellgröße direkt aus der Nutz-Laserstrahlung erfolgen kann. Das oben beschriebene Lock-In-Verfahren zur Trennung der beiden Stellgrößen über die Frequenz kann dabei entfallen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Frequenzsynthesizers ist der Referenz-Laser ein Pulslaser, z.B. ein modengekoppelter Faserlaser, dessen Emissionsspektrum ein Frequenzkamm ist. Dies erlaubt die freie Vorgabe der Nutzfrequenz bei gleichzeitiger Ankopplung an einen stabilisierten Frequenzkamm als hoch genaues Frequenznormal.
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Bei einer praktischen Ausgestaltung kann der Nutz-Laser des erfindungsgemäßen optischen Frequenzsynthesizers ein durchstimmbarer Diodenlaser mit externem Resonator (ECDL) sein. Dies ermöglicht es, die Nutz-Laserstrahlung über einen weiten Spektralbereich schmalbandig durchstimmbar zu erzeugen. Geeignete ECDLs sind kommerziell verfügbar.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das winkeldispersive Element des optischen Bandpassfilters gleichzeitig das wellenlängenselektive Element des externen Resonators des Diodenlasers. Bei dieser Ausgestaltung wird, mit anderen Worten, der externe Resonator des Diodenlasers, der zwangsläufig auf die Nutzfrequenz abgestimmt ist, gleichzeitig zur Bandpassfilterung der Referenz-Laserstrahlung bei der Nutzfrequenz verwendet. Beim Durchstimmen des Diodenlasers folgt die Transmissionskurve des Bandpassfilters automatisch der Nutzfrequenz. Diese Variante der Erfindung kommt in vorteilhafter Weise mit besonders wenigen Komponenten aus.
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Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist eine dem winkeldispersiven Element im Strahlverlauf nachgeordnete Apertur (z.B. ein Spalt) vorgesehen, durch die der Referenz-Laserstrahl und/oder der Nutz-Laserstrahl aus dem optischen Bandpassfilter austreten, wonach der Referenz-Laserstrahl und/oder der Nutz-Laserstrahl auf eine segmentierte Fotodiode auftreffen. Dabei kann die erste Stellgröße zur Regelung der Nutzfrequenz aus dem Summensignal der Einzelsegmente der Fotodiode abgeleitet werden, während die zweite Stellgröße aus dem Differenzsignal der Einzelsegmente abgeleitet werden kann. Das Summensignal entspricht dem herkömmlich verwendeten Schwebungssignal zur Ankopplung der Nutzfrequenz an die Referenzfrequenz. Das Differenzsignal gibt die Güte der Anpassung des optischen Bandpassfilters an die Nutzfrequenz an. Es kann auch eine unsegmentierte Fotodiode verwendet werden, wobei die beiden Stellgrößen aus dem Signal der Fotodiode abgeleitet wird.
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Bei weiteren möglichen Ausgestaltungen weist das optische Bandpassfilter eine Littrow-Konfiguration oder eine Littman-Konfiguration auf, wobei zur Durchstimmung des Transmissionsbereichs entweder das winkeldispersive Element (i.d.R. Beugungsgitter) oder ein Reflektor, an dem die gebeugte Laserstrahlung reflektiert wird, verdreht werden, und zwar mittels eines geeigneten Stellantriebs, der nach Maßgabe der zweiten Stellgröße angesteuert wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Blockdiagramm eines optischen Frequenz-Synthesizers gemäß der Erfindung;
- 2 Illustration der Bandpassfilterung der Referenz-Laserstrahlung im Bereich der Nutzfrequenz;
- 3 schematische Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Bandpassfilters mit Beugungsgitter im Sinne der Erfindung;
- 4 schematische Illustration eines zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Bandpassfilters mit Beugungsgitter im Sinne der Erfindung.
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Die 1 zeigt schematisch in Form eines Blockdiagramms den Aufbau eines optischen Frequenz-Synthesizers gemäß der Erfindung. Der Frequenz-Synthesizer umfasst einen durchstimmbaren Nutz-Laser 1, beispielsweise in Form eines Diodenlasers. Dieser emittiert Nutz-Laserstrahlung 3 bei einer Nutzfrequenz. Ein Strahlteiler 2 teilt die Nutz-Laserstrahlung in einen Hauptstrahl und einen Nebenstrahl 4 auf. Der Nebenstrahl 4 wird einem Frequenzschieber in Form eines akusto-optischen Modulators 5 zugeführt. Der akusto-optische Modulator 5 weist ein Piezoelement (nicht dargestellt) auf, das mit einer Wechselspannung im Ultraschall-Frequenzbereich beaufschlagt wird, um ein optisches Gitter bildende Schallwellen in einem transparenten Festkörper (nicht dargestellt) zu erzeugen. Alternativ kann auf ein separates Piezoelement verzichtet werden und stattdessen der Piezoeffekt im Medium des akusto-optischen Modulators 5 genutzt werden. Diese Wechselspannung wird mittels eines Frequenzgenerators 6 erzeugt. Bei dem Frequenzgenerator 6 kann es sich um einen digitalen Synthesizer an sich bekannter Art handeln. Die Frequenz der Wechselspannung bestimmt eine Frequenzverschiebung der elektromagnetischen Strahlung des Nebenstrahls 4. Ein Frequenzmodulator 7 moduliert die Frequenz der von dem Frequenzgenerator 6 erzeugten Wechselspannung und damit die mittels des akusto-optischen Modulators 5 erzeugte Frequenzverschiebung der Strahlung des Nebenstrahls 4. Der akusto-optische Modulator 5 kann von dem Nebenstrahl 4 in einer Double-Pass-Anordnung, d.h. zweifach durchlaufen werden.
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Ein Referenz-Laser 8, z.B. ein modengekoppelter Faserlaser, erzeugt einen Referenz-Laserstrahl 9, dessen Spektrum ein optischer Frequenzkamm ist. Derartige Referenz-Laser sind aus dem Stand der Technik bekannt. Diese werden bereits vielfältig als optische Frequenznormale eingesetzt. Die Frequenzen der Spektrallinien des Frequenzkamms sind mit hoher Genauigkeit definiert. Dabei sind die als Referenz dienenden Frequenzen der Spektrallinien gegeben durch fm = fCEO+m × fr. Der optische Frequenzkamm beginnt also bei der (fiktiven) ersten Kammlinie mit der Frequenz fCEO („carrier envelope offset“). Jeder Kammlinie ist eine ganzzahlige Ordnungszahl m zugewiesen. Der Abstand der Kammlinien beträgt fr. fr ist die Repetitionsfrequenz des modengekoppelten Lasers.
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Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Referenz-Laserstrahlung 9 über einen Strahlteiler 10 mit der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 auf einer Fotodiode 11 überlagert.
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Zuvor durchlaufen der Nebenstrahl 4 und der Referenz-Laserstrahl 9 ein optisches Bandpassfilter 12, das die Referenz-Laserstrahlung in einem Spektralbereich um die frequenzverschobene Nutzfrequenz herum filtert. Dies ist in 2 illustriert. Die 2 zeigt das Spektrum 21 der Referenz-Laserstrahlung 9. Es ist zu erkennen, dass das Spektrum 21 ein optischer Frequenzkamm mit einer Vielzahl von äquidistanten Spektrallinien ist. Weiterhin gezeigt ist das Spektrum der Nutz-Laserstrahlung im Nebenstrahl 4 mit einer Spektrallinie 22 bei der frequenzverschobenen Nutzfrequenz. Der Transmissionsbereich 23 des optischen Bandpassfilters ist bei der frequenzverschobenen Nutzfrequenz zentriert. Die Breite des Transmissionsbereichs beträgt in dem Ausführungsbeispiel 10 GHz. Somit werden diejenigen Spektrallinien des Frequenzkamms 21, die einen größeren Abstand von der frequenzverschobenen Nutzfrequenz haben als die halbe Breite des Transmissionsbereiches 23 am Ausgang des Bandpassfilters 12 ausgeblendet.
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Die Fotodiode 11 erzeugt ein hochfrequentes elektrisches Schwebungssignal, das einem Phasendetektor (Mischer) 13 zugeführt wird. Auf diese Weise wird eine optische Phasenregelung nach einem Heterodyn-Schema realisiert. Das hochfrequente Schwebungssignal, das am Ausgang der Fotodiode 11 anliegt, wird mit einem von einem Radiofrequenzgenerator 14 erzeugten Radiofrequenzsignal fester Frequenz gemischt. Die Frequenz des Radiofrequenzsignals (Zwischenfrequenz) bestimmt dabei den mittels eines ersten Reglers 15 eingeregelten Abstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 und der jeweils benachbarten Spektrallinie des Referenzspektrums. Das Ausgangssignal der Fotodiode 11 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel Regelgröße eines ersten Regelkreises. Daraus leitet der erste Regler 15 in der beschriebenen Weise eine erste Stellgröße 16 ab, die auf den durchstimmbaren Laser 1 zurückgeführt ist. Die Stellgröße 16 ist ein Steuersignal, mit dem entsprechende Aktuatoren des durchstimmbaren Lasers gestellt 1 werden, zum Beispiel um die Position eines Beugungsgitters des durchstimmbaren Lasers 1 und/oder den Injektionsstrom einer Laserdiode des Lasers 1 zu variieren. Auf diese Weise wird die Nutzfrequenz, das heißt die Frequenz im Hauptstrahl 3 entsprechend der Stellgröße gesteuert. Durch die Regelung der Nutzfrequenz nach Maßgabe des Vergleichs der frequenzverschobenen Nutz-Strahlung im Nebenstrahl 4 mit der Frequenz einer Spektrallinie des Frequenzkamms hält der erste Regler 15 den Frequenzabstand zwischen der Frequenz der frequenzverschobenen Strahlung des Nebenstrahls 4 und der Frequenz der entsprechenden Spektrallinie des Frequenzkamms auf einem vorgegebenen Wert (entsprechend der Zwischenfrequenz). Die Filterung der Referenz-Laserstrahlung 9 und der Nutz-Laserstrahlung (im Nebenstrahl 4) bei der mittels des akusto-optischen Modulators 5 frequenzverschobenen Nutzfrequenz erhöht signifikant das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Detektion des Schwebungssignals mittels der Fotodiode 11 und damit die Genauigkeit der Regelung der Nutzfrequenz.
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Gemäß der Erfindung folgt der Transmissionsbereich 23 des Bandpassfilters 12 bei der Durchstimmung des Nutz-Lasers 1 der Nutzfrequenz 22 (s. 2). Hierzu ist ein zweiter Regler 17 vorgesehen, der ebenfalls das Ausgangssignal der Fotodiode 11 als Regelgröße verwendet und daraus eine zweite Stellgröße 18 zur Ansteuerung des optischen Bandpassfilters 12 und damit zur entsprechenden Durchstimmung des Transmissionsbereichs 23 ableitet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die zweite Stellgröße 18 mittels des zweiten Reglers 17 aus der durch das Bandpassfilter 12 transmittierten Nutz-Laserstrahlung durch Lock-In-Regelung abgeleitet. Hierzu wird die Nutz-Laserstrahlung im Nebenstrahl 4 mittels eines optischen Amplitudenmodulators 19 bei einer Modulationsfrequenz moduliert. Das Ansteuersignal des Frequenzmodulators 19 (z.B. steuerbares Filter) wird mittels eines Frequenzgenerators 20 erzeugt. Der zweite Regler 17 demoduliert das Ausgangssignal der Fotodiode 11 entsprechend mit der Modulationsfrequenz gemäß dem bekannten Lock-In-Schema, um auf diese Weise die Transmission des Nebenstrahls 4 bei der frequenzverschobenen Nutzfrequenz durch das optische Bandpassfilter 12 als Regelgröße für die Regelung des Transmissionsbereichs heranzuziehen. Um Interferenzen zwischen der Regelung der Nutzfrequenz mittels des ersten Reglers 15 und der Regelung des Transmissionsbereichs mittels des zweiten Reglers 17 zu vermeiden, sollte sich die Zwischenfrequenz des Radiofrequenzgenerators 14 von der Modulationsfrequenz des Frequenzgenerators 20 unterscheiden.
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Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass das optische Bandpassfilter 12 als spektral selektives Element ein winkeldispersives Element aufweist, wobei die Referenz-Laserstrahlung 9 und die Nutz-Laserstrahlung (bei dem Ausführungsbeispiel im Nebenstrahl 4 frequenzverschoben) das Bandpassfilter 12 mit parallelem Strahlverlauf durchlaufen. Dies ist in 3 illustriert.
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3 zeigt das optische Bandpassfilter 12 detaillierter. Der frequenzverschobene Nutz-Laserstrahl als Nebenstrahl 4 und der Referenz-Laserstrahl 9 durchlaufen das optische Bandpassfilter 12 hinter dem Strahlteiler 10 mit kollinearem Strahlverlauf. Die beiden Laserstrahlen 4, 9 fallen auf ein Beugungsgitter 31 als winkeldispersives Element. Der in einer bestimmten Beugungsordnung gebeugte Strahl wird an einem Retroreflektor 32 reflektiert und erneut an dem Gitter gebeugt, dabei laufen die Laserstrahlen 4, 9 entlang desselben Strahlverlaufs in Rückrichtung bis zu einem Strahlteiler 33, der die in Rückrichtung laufenden Laserstrahlen 4, 9 in Richtung auf eine Filterapertur (einen Spalt) 34 ablenkt. Das Beugungsgitter 31 ist mittels eines (nicht dargestellten) Aktuators um eine zur Ebene des Laserstrahlverlaufs senkrechte Achse drehbar, um den Transmissionsbereich 23 (s. 2) durchzustimmen. Aus den durch die Beugung winkelabhängig separierten Frequenzen selektiert die Filterapertur 34 einen schmalen Bereich (Breite des Transmissionsbereichs ca. 10 GHz, s. 2). Die durch die Filterapertur 34 austretenden Referenz- und Nutz-Laserstrahl 4, 9 treffen auf die segmentiert ausgebildete Fotodiode 11 auf und werden dort überlagert, wie oben beschrieben. Die elektrischen Ausgänge der beiden räumlich nebeneinander liegenden Segmente der Fotodiode 11 sind mit einem Verknüpfungsglied 35 verbunden, an dessen Ausgängen ein Summensignal, das der Summe der Ausgangssignale beider Segmente der Fotodiode 11 entspricht, und ein Differenzsignal, das der Differenz der Ausgangssignale der beiden Segmente entspricht, anliegen. Die Regelgröße, auf deren Basis der erste Regler 15 arbeitet, d.h. das Schwebungssignal zur Regelung der Nutzfrequenz, ist dabei das Summensignal. Das Differenzsignal dient (in Kombination mit dem oben beschriebenen Lock-In-Schema) als Regelgröße zur Nachführung des Transmissionsbereiches des optischen Bandpassfilters 12 mittels des zweiten Reglers 17. Bei Übereinstimmung der Frequenz des im Nebenstrahl 4 verschobenen Nutzstrahls mit dem Maximum der Transmissionskurve des optischen Bandpassfilters 12 treffen die Laserstrahlen 4, 9 am Ausgang des Bandpassfilters 12 mittig auf die segmentierte Fotodiode 11 auf. In dieser Situation weist das Differenzsignal in Abhängigkeit von der Stellung des Beugungsgitters 31 einen Nulldurchgang auf, worauf die Regelung entsprechend erfolgt.
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Bei der in 4 schematisch gezeigten Variante ist der Nutz-Laser 1 ein durchstimmbarer Diodenlaser mit externem Resonator. Zu erkennen ist eine Laserdiode 41, eine Kollimationslinse 42 sowie das Beugungsgitter 31 und der Reflektor 32 in Littman-Konfiguration. Die Anordnung aus Rückfacette der Laserdiode 41, dem Beugungsgitter 31 und dem Reflektor 32 bilden einen schmalbandig durchstimmbaren externen Resonator des Diodenlasers 1 in an sich üblicher und aus dem Stand der Technik bekannter Weise. Der Nutz-Laserstrahl 3 wird in einer weiteren Beugungsordnung ausgekoppelt. Zu erkennen ist weiterhin, dass der Referenz-Laserstrahl 9 bei diesem Ausführungsbeispiel parallel beabstandet von dem Nutz-Laserstrahl 3 auf das Beugungsgitter 31 fällt und an dem Reflektor 32 in sich selbst zurück reflektiert wird. Mittels des Strahlteilers 33 und der Filterapertur 34 erfolgt eine schmalbandige Bandpassfilterung des Referenz-Laserstrahls 9. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist also das Beugungsgitter 31 des optischen Bandpassfilters 31 gleichzeitig das wellenlängenselektive Element des externen Resonators des Diodenlasers. Der externe Resonator des Diodenlasers, der zwangsläufig auf die Nutzfrequenz abgestimmt ist, wird somit gleichzeitig zur Bandpassfilterung der Referenz-Laserstrahlung 9 bei der Nutzfrequenz verwendet. Beim Durchstimmen des Diodenlasers folgt die Transmissionskurve des Bandpassfilters automatisch der Nutzfrequenz. Diese Variante der Erfindung kommt in vorteilhafter Weise mit besonders wenigen Komponenten aus. Am Ausgang weisen der Nutz-Laserstrahl 3 und der Referenz-Laserstrahl 9 einen räumlich getrennten Strahlverlauf auf. Die beiden Strahlen 3, 9 werden in geeigneter Art und Weise zur Überlagerung gebracht (nicht dargestellt), um ein Schwebungssignal zu erzeugen und die Nutz-Frequenz zu regeln, z.B. wiederum nach einem heterodynen Detektionsschema, wie oben beschrieben. Eine separate Regelung des Transmissionsbereiches des Bandpassfilters kann bei diesem Ausführungsbeispiel entfallen.
