DE102019129337A1 - Laservorrichtung zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms - Google Patents

Laservorrichtung zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einer Laserquelle (1), die dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung (2) mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien zu emittieren, einem optischen Modulator (3), der dazu eingerichtet ist, die Frequenz der Laserstrahlung (2) zu verschieben, und einer Steuereinheit (10), die dazu eingerichtet ist, den Modulator (3) mittels eines Steuersignals (6) anzusteuern. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit aufzuzeigen, einen hinsichtlich der CEO-Frequenz stabilisierten optischen Frequenzkamm zu erzeugen, bei dem außerdem die CE-Phase einstellbar ist. Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass die von der Laserquelle (1) emittierte Laserstrahlung (2) hinsichtlich der Träger-Einhüllenden-Frequenz stabilisiert ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit
    • - einer Laserquelle, die dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien zu emittieren,
    • - einem optischen Modulator, der dazu eingerichtet ist, die Phase und/oder die Frequenz der Laserstrahlung zu verschieben, und
    • - einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, den Modulator mittels eines Steuersignals anzusteuern.
  • Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms, mit den Verfahrensschritten:
    • - Erzeugung von gepulster Laserstrahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien, und
    • - Verschiebung der Phase und/oder der Frequenz der Laserstrahlung nach Maßgabe eines Steuersignals.
  • Optische Frequenzkämme erfahren seit Jahren große Aufmerksamkeit. Es existieren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten z.B. in der Präzisionsspektroskopie und der Frequenzmetrologie.
  • Ultrakurze optische Pulse im Piko- und Femtosekundenbereich können mit modengekoppelten Lasern erzeugt werden. Das Frequenzspektrum eines regelmäßigen Pulszugs, wie er von einem modengekoppelten Laser emittiert wird, besteht aus äquidistanten diskreten Spektrallinien. Ein solches Spektrum wird als Frequenzkamm bezeichnet. Die einzelnen Spektrallinien sind im Vergleich zu ihrem Abstand im Spektrum sehr schmal. Ihr Abstand entspricht dabei der Repetitionsfrequenz der Pulse, die typischerweise im Bereich zwischen 10 MHz und 10 GHz liegt. Dazu korrespondieren Pulsabstände zwischen 100 ns und 100 ps. Das gesamte Spektrum kann viele THz breit sein. Bei solchen mittels modengekoppelten Lasern erzeugten Frequenzkämmen ist es allerdings nicht so, dass die absoluten Frequenzen aller Spektrallinien ganzzahlige Vielfache, d.h. Harmonische einer Grundfrequenz sind. Dies resultiert daraus, dass das elektrische Trägerfeld der Laserstrahlung von Puls zu Puls eine Veränderung der Phase in Bezug auf die Einhüllende der Pulse erfährt. Die Phasendifferenz zwischen der Trägerwelle und der Intensitätseinhüllenden des einzelnen Pulses wird als Träger-Einhüllenden-Phase (engl. Carrier Envelope Phase oder kurz CE-Phase) bezeichnet. Die Veränderung der CE-Phase von Puls zu Puls wird auch als CE-Phase Slip bezeichnet. Dieser resultiert aus den voneinander abweichenden Phasen- und Gruppengeschwindigkeiten der im Laserresonator umlaufenden Pulse und hängt von verschiedenen dispersiven und nichtlinearen Effekten im Laser ab. Aufgrund des CE-Phase Slip ist das gesamte Spektrum um eine entsprechende Träger-Einhüllenden-Frequenz (CEO-Frequenz) gegenüber dem Frequenzursprung verschoben. Die Frequenzen der einzelnen Spektrallinien des Frequenzkamms ergeben sich somit als Summe aus der CEO-Frequenz und einem ganzzahligen Vielfachen der Pulsrepetitionsfrequenz des Lasers. Die CEO-Frequenz ist in der Metrologie sehr wichtig, denn die absoluten Frequenzen fn aller Spektrallinien sind erst durch die Angabe des ganzzahligen Vielfachen n der Repetitionsrate df und der CEO-Frequenz fCEO eindeutig bestimmt: f n = f CEO + n ∗ df
    Figure DE102019129337A1_0001
    Die Pulsrepetitionsfrequenz df und die CEO-Frequenz fCEO sind ohne besondere Maßnahmen Fluktuationen aufgrund äußerer Einflüsse auf das Lasersystem (Temperatur, Luftdruck, Pumpleistung etc.) unterworfen. Für die meisten Anwendungen bedarf es entsprechend der Stabilisierung dieser beiden Größen.
  • Die Pulsrepetitionsfrequenz kann vergleichsweise einfach stabilisiert werden, z.B. durch Regelung der Resonatorlänge des Laser und damit der Umlaufzeit der Laserpulse im Resonator. Dies kann mittels geeigneter mechanischer Stellelemente (z.B. per Piezo-Aktor zur Verstellung der Position eines Endspiegels im Resonator) und Ankopplung der Regelung an ein Frequenznormal im Hochfrequenzbereich erfolgen.
  • Die Stabilisierung der CEO-Frequenz ist in der Regel aufwendiger.
  • Aus der DE 10 2004 022 037 A1 ist eine Laservorrichtung bekannt, bei welcher zur Erzeugung eines CEO-freien optischen Frequenzkamms (d.h. mit fCEO=0) ein Differenzfrequenzerzeuger zum Einsatz kommt. Dieser Differenzfrequenzerzeuger wandelt die Laserstrahlung eines modengekoppelten Lasers in der Weise um, dass Spektrallinien erzeugt werden, deren Frequenz jeweils gleich der Differenzfrequenz zweier Spektrallinien der ursprünglichen Strahlung des modengekoppelten Lasers ist. Durch die Differenzbildung wird die CEO-Frequenz eliminiert, d.h. die Träger-Einhüllenden-Frequenz ist gleich Null (fCEO=0). Das Ergebnis ist ein CEO-freier Frequenzkamm, bei dem die Frequenzen der Spektrallinien allein durch ein ganzzahliges Vielfaches der Pulsrepetitionsfrequenz des modengekoppelten Lasers eindeutig definiert sind, da die CEO-Frequenz den Wert Null annimmt: f n = n ∗ df
    Figure DE102019129337A1_0002
    Die durch Differenzfrequenzerzeugung umgewandelte Strahlung hat also wiederum die Form eines Frequenzkamms, wobei die Frequenzen der Spektrallinien im Spektrum der umgewandelten Strahlung Harmonische der Grundfrequenz df sind. Die Differenzfrequenzerzeugung bewirkt somit eine passive Stabilisierung der CEO-Frequenz auf null. Prinzipbedingt können andere Werte der CEO-Frequenz mit diesem vorbekannten Ansatz nicht realisiert werden. Dies ist im Hinblick auf einige Anwendungen von Nachteil.
  • Die DE 10 2008 059 902 B3 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines selbstreferenzierenden optischen Frequenzkamms. Dabei erzeugt eine Laserquelle zunächst einen hinsichtlich der CEO-Frequenz nicht stabilisierten Frequenzkamm. Der Laserquelle ist im Strahlungsverlauf ein akustooptischer Modulator als Frequenzschieber nachgeschaltet. Aus dem unstabilisierten Pulszug wird ein Teilstrahl ausgekoppelt und einer Steuereinheit zugeführt. Diese umfasst ein f-2f-Interferometer, das ein Schwebungssignal, dessen Frequenz gleich der momentanen CEO-Frequenz der Laserstrahlung ist, erzeugt. Der andere Teil der Laserstrahlung durchläuft den akustooptischen Modulator, dessen Medium mittels eines aus dem Schwebungssignal abgeleiteten hochfrequenten Steuersignals angeregt wird. Dies hat den Effekt, dass alle Spektrallinien des Frequenzkamms exakt um die momentane CEO-Frequenz in der Frequenz erniedrigt werden. Das Resultat ist somit wiederum ein CEO-freier und damit hinsichtlich fCEO stabilisierter optischer Frequenzkamm. Vorgeschlagen wird in der genannten Druckschrift des Weiteren, das Steuersignal zur Ansteuerung des akustooptischen Modulators durch Mischung des Schwebungssignals des f-2f-Interferometers mit einem hochfrequenten Offsetfrequenz-Signal zu erzeugen. Diese Variante ermöglicht es, die CEO-Frequenz auf einen von Null verschiedenen Wert (entsprechend der Offsetfrequenz) zu stabilisieren.
  • Nachteilig bei diesem Ansatz ist, dass die Erzeugung des Schwebungssignals per f-2f-Interferometer vergleichsweise aufwendig ist. Außerdem zeigt es sich, dass Bedarf nach optischen Frequenzkämmen besteht, bei denen auch die CE-Phase eingestellt werden kann. Hierzu ist die aus der zuvor zitierten Druckschrift bekannte Laservorrichtung nicht in der Lage.
  • Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit aufzuzeigen, einen hinsichtlich der CEO-Frequenz stabilisierten optischen Frequenzkamm zu erzeugen, bei dem außerdem die CE-Phase einstellbar ist.
  • Diese Aufgabe löst die Erfindung ausgehend von einer Laservorrichtung der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die von der Laserquelle emittierte Laserstrahlung hinsichtlich der Träger-Einhüllenden-Frequenz (und optional auch hinsichtlich der Pulsrepetitionsfrequenz) stabilisiert ist.
  • Anders als im Stand der Technik geht der Ansatz der Erfindung von einem stabilisierten Frequenzkamm aus. Die Erkenntnis der Erfindung ist, dass aus dem stabilisierten Laserpulszug sehr einfach ein Steuersignal zur Ansteuerung des optischen Modulators abgeleitet werden kann, und zwar ohne den Einsatz eines f-2f-Interferometers, so dass durch Frequenzverschiebung der Laserstrahlung in dem optischen Modulator wiederum ein stabilisierter Frequenzkamm mit vorgebbarer CEO-Frequenz und/oder vorgebbarer CE-Phase resultiert.
  • Der optische Modulator der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ist vorzugsweise ein akustooptischer Modulator, in dessen Medium durch das Steuersignal eine akustische Welle angeregt wird. Die Erfindung kann aber auch unter Verwendung eines elektrooptischen Modulators (z.B. Pockels-Zelle) oder mittels eines Mach-Zehnder-Modulators realisiert werden.
  • Zweckmäßig ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, das Steuersignal als Hochfrequenzsignal bei der Pulsrepetitionsfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen davon zu erzeugen. Im einfachsten Fall wird ein Teil des Laserpulszuges auf eine Fotodiode gelenkt, an deren Ausgang dann ein elektrisches Signal bei der Pulsrepetitionsfrequenz anliegt. Alternativ kann das Steuersignal aus der zur Stabilisierung der Pulsrepetitionsfrequenz dienenden Regelungselektronik der Laserquelle abgeleitet werden. Das Steuersignal kann unmittelbar (ggf. nach einer geeigneten Signalaufbereitung und/oder Verstärkung) als Steuersignal zur Ansteuerung des optischen Modulators verwendet werden. Dieser verschiebt entsprechend die Frequenz der Laserstrahlung, d.h. die Frequenz jeder einzelnen Spektrallinie des Frequenzkamms, um die Pulsrepetitionsfrequenz (oder ein ganzzahliges Vielfaches davon). Das Resultat ist, dass der Frequenzkamm gleichsam in sich selbst überführt wird. Jede Spektrallinie wird so frequenzverschoben, dass ihre Lage mit einer Spektrallinie des ursprünglichen Frequenzkamms übereinstimmt.
  • Bei Bedarf kann das Steuersignal, z.B. durch Mischen mit einem Offsetfrequenz-Signal einstellbarer Frequenz, bei einer gegenüber der Pulsrepetitionsfrequenz (oder einem ganzzahligen Vielfachen davon) um einen entsprechend einstellbaren Frequenz-Offset verschobenen Frequenz erzeugt werden. Somit wird der Frequenzkamm nicht in sich selbst überführt. Stattdessen weicht die Lage der Spektrallinien des Frequenzkamms nach Durchlaufen des Modulators um eine Frequenz entsprechend dem Frequenz-Offset von der ursprünglichen Lage ab. Auf diese Weise kann die CEO-Frequenz auf einen gewünschten Wert flexibel eingestellt werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinheit weiter dazu eingerichtet, die Phase des Steuersignals zu stellen. Die Stellung der Phase des Steuersignals bewirkt eine korrespondierende Stellung der CE-Phase. Die Stellung der Phase des Steuersignals mittels der Steuereinheit ist auf einfache Weise z.B. mittels eines Hochfrequenz-Phasenschiebers möglich. Dabei kann die Phasenstellung des Steuersignals von Laserpuls zu Laserpuls, d.h. mit der Pulsrepetitionsfrequenz erfolgen. Z.B. kann die CE-Phase im Takt der Laserpulse zwischen zwei oder mehr Werten hin und her geschaltet werden. Ebenso kann die CE-Phase von Laserpuls zu Laserpuls um einen vorgebbaren Wert inkrementiert werden, was wiederum auf eine Stellung der CEO-Frequenz hinausläuft.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Träger-Einhüllenden-Frequenz der von der Laserquelle emittierten Laserstrahlung (d.h. vor Durchlaufen des Modulators) gleich Null. Bei dieser Ausgestaltung kann ein per Differenzfrequenzerzeugung passiv hinsichtlich fCEO stabilisierter optischer Frequenzkamm als Ausgangspunkt verwendet werden, um durch die erfindungsgemäße Frequenzverschiebung dann die gewünschte CEO-Frequenz und/oder CE-Phase einzustellen. Als Laserquelle der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann somit z.B. ein System zum Einsatz kommen, wie es aus der oben zitierten DE 10 2004 022 037 A1 bekannt ist. In Kombination mit der erfindungsgemäßen Frequenzverschiebung lässt sich so ein vollständig stabilisierter optischer Frequenzkamm mit vorgebbarer (von Null verschiedener) CEO-Frequenz und/oder -Phase (ggf. modulo einer Anfangsphase) realisieren, und zwar ohne die Notwendigkeit einer f-2f-Interferometrie.
  • Bei einer möglichen Ausgestaltung umfasst die Laserquelle einen modengekoppelten Oszillator, zwei voneinander separate Strahlungswege für die von dem modengekoppelten Oszillator emittierte Laserstrahlung, wobei sich der optische Modulator in einem der beiden Strahlungswege befindet, und einen Differenzfrequenzerzeuger, in dem die über die beiden Strahlungswege zugeführte Laserstrahlung überlagert wird. Bei dieser Ausgestaltung ist der optische Modulator nicht der Laserquelle nachgeschaltet (und stellt die Phase und/oder die Frequenz der hinsichtlich der CEO-Frequenz stabilisierten Laserstrahlung), sondern in die Laserquelle integriert. Die gepulste Laserstrahlung des modengekoppelten Oszillators wird auf die beiden voneinander separaten Strahlungswege aufgeteilt (z.B. per Strahlteiler), wobei sich der optische Modulator in einem der Strahlungswege befindet und somit nur die entlang dieses Strahlungsweges propagierende Laserstrahlung hinsichtlich der Phase und/oder Frequenz verschiebt. Die entlang der beiden Strahlungswege propagierende Laserstrahlung wird schließlich wieder zusammengeführt und kommt in dem Differenzfrequenzerzeuger zur Überlagerung. Dabei wird die CEO-Frequenz, wie zuvor beschrieben, stabilisiert. Die mittels des optischen Modulators in einem der beiden Strahlungswege aufgeprägte Phase und/oder Frequenz bleibt bei der Differenzfrequenzerzeuger in der die Laserquelle verlassenden Laserstrahlung jedoch erhalten, da nur ein Teil der in den Differenzfrequenzerzeuger gelangenden Laserstrahlung hinsichtlich Phase bzw. Frequenz verschoben wurde. Somit bewirkt der optische Modulator eine Phasen- bzw. Frequenzstellung der hinsichtlich der CEO-Frequenz stabilisierten Laserstrahlung, obwohl er sich an einer Stelle im Strahlungsverlauf befindet, an der die Laserstrahlung tatsächlich noch nicht hinsichtlich fCEO stabilisiert ist.
  • Die obige Aufgabe löst die Erfindung außerdem durch ein Verfahren der eingangs angegeben Art, bei dem die erzeugte Laserstrahlung hinsichtlich der Träger-Einhüllenden-Frequenz stabilisiert ist. Dabei wird die Frequenz der Laserstrahlung zweckmäßig mittels eines optischen Modulators, insbesondere eines akustooptischen Modulators, und zwar, wie oben erläutert, um die Pulsrepetitionsfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches davon oder um eine Frequenz, die sich von der Pulsrepetitionsfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen davon um einen Frequenz-Offset unterscheidet, verschoben. Die Träger-Einhüllenden-Phase der Laserstrahlung kann dabei vorteilhaft durch Phasenstellung des Steuersignals eingestellt werden, und zwar, falls es die Anwendung erfordert, von Laserpuls zu Laserpuls.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1: schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung mit Stellung der CE-Phase;
    • 2: Laservorrichtung mit Stellung der CEO-Frequenz und CE-Phase;
    • 3: Laservorrichtung mit Regelung der CE-Phase;
    • 4: Laservorrichtung mit Regelung der CE-Phase in zwei oder mehr Armen;
    • 5: Laservorrichtung mit Integration des optischen Modulators in die Laserquelle.
  • Die Zeichnungen sind schematisch. Sie zeigen die optischen Aufbauten der Ausführungsbeispiele als Blockdiagramme, wobei sich die Darstellung auf die für die Erfindung maßgeblichen Komponenten beschränkt. Übliche optische Komponenten sind der besseren Übersichtlichkeit halber weggelassen, auch wenn diese für die praktische Realisierung der Ausführungsbeispiele notwendig sind.
  • Die in den Figuren jeweils dargestellte Laservorrichtung weist eine Laserquelle 1 auf. Die Einzelheiten der Laserquelle 1 sind nur in 5 für ein im Übrigen von den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 abweichendes Ausführungsbeispiel dargestellt. Sie umfasst z.B. einen modengekoppelten Erbium-Faserlaser 16 als Oszillator, der hinsichtlich der Pulsrepetitionsfrequenz in üblicher Weise stabilisiert ist. Dieser emittiert ultrakurze optische Pulse bei einer Wellenlänge von 1,5 µm. Die Laserstrahlung wird in eine hoch nichtlineare optische Faser 17 eingekoppelt. Mittels der hoch nichtlinearen Faser 17 wird ein spektrales Kontinuum erzeugt, das bei dem Ausführungsbeispiel mehr als eine optische Oktave überspannt (z.B. von ca. 0,86 - 1,86 µm). Das Kontinuum wird einem Differenzfrequenzerzeuger 18 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen geeigneten nichtlinearen Kristall. Das resultierende Spektrum am Ausgang des Differenzfrequenzerzeugers weist Spektrallinien auf, deren Frequenzen gleich den Differenzen der Frequenzen der in dem Kontinuum an dessen Rändern enthaltenen Spektrallinien sind. Mittels des Differenzfrequenzerzeugers wird somit im Ergebnis ein Spektrum in Form eines CEO-freien Frequenzkamms bei der ursprünglichen Wellenlänge von 1,5 µm erzeugt. Somit emittiert die Laserquelle 1 insgesamt an deren Ausgang Laserstrahlung 2 mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms, der hinsichtlich der Pulsrepetitionsfrequenz und der Träger-Einhüllenden-Frequenz (fCEO=0) stabilisiert ist.
  • Der Laserquelle 1 ist bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 im Strahlungsverlauf ein akustooptischer Modulator 3 nachgeschaltet. Dieser besteht aus einem transparenten Medium, in dem mittels eines Piezooszillators 4 Körperschall (Ultraschall) in Form einer durch das Medium laufenden Schallwelle erzeugt wird. Es kann bei einer vollständig faserbasierten Realisierung prinzipiell auch ein faseroptischer akustooptischer Modulator zum Einsatz kommen. Die Ablenkung des Lichts in dem akustooptischen Modulator 3 funktioniert nach dem Prinzip der Beugung an einem optischen Gitter. Das optische Gitter besteht aus den Dichteschwankungen der das Medium durchlaufenden Schallwelle. Die Dichteschwankungen bewirken im Medium eine periodische Änderung der Dichte und damit eine periodische Modulation des Brechungsindex. Die den akustooptischen Modulator 3 unter z.B. der ersten Beugungsordnung verlassende Laserstrahlung 5 hat eine Doppler-Frequenzverschiebung mit der Frequenz der Schallwelle, d.h. der Frequenz des Steuersignals 6, mit dem der Piezooszillator 4 angesteuert wird, erfahren. Die Laserstrahlung 5 wird in den 1 und 2 an einem Retroreflektor 7 reflektiert und durchläuft den akustooptischen Modulator 3 ein zweites Mal in Rückrichtung (Double Pass). Anstelle des Retroreflektors 7 könnte auch ein gekrümmter Spiegel oder eine Kombination aus Linse und Spiegel verwendet werden. Bei dem Durchlauf des akustooptischen Modulators 3 erfolgt die Frequenzverschiebung um die Frequenz des Steuersignals ein weiteres Mal. Mittels eines Strahlteilers 8 wird die so zweifach frequenzverschobene Laserstrahlung 9 aus der Vorrichtung ausgekoppelt und der gewünschten Anwendung zugeführt.
  • Eine Steuereinheit 10 ist vorgesehen, die das Steuersignal 6 aus der von der Laserquelle 1 emittierten Laserstrahlung 2 ableitet. Hierzu wird die Laserstrahlung 2 über den Strahlteiler 8 auf eine Fotodiode 11 geführt. An deren Ausgang liegt dann ein elektrisches Signal bei der Pulsrepetitionsfrequenz der Laserquelle 1 an.
  • Aus diesem Signal wird bei dem Ausführungsbeispiel der 2 durch Mischen im Mischer 12 mit einem per Hochfrequenzoszillator 13 erzeugten Offsetfrequenz-Signal einstellbarer Frequenz das Steuersignal 6 bei einer gegenüber der Pulsrepetitionsfrequenz entsprechend verschobenen Frequenz erzeugt. Dabei ist das Steuersignal 6 phasenstarr an den Pulszug der Laserstrahlung 2 gekoppelt.
  • Die Phase des Steuersignals 6 wird mittels eines Phasenschiebers 14 gestellt. Nach Verstärkung mittels eines Hochfrequenzverstärkers 15 wird das Steuersignal 6 dann auf den Piezooszillator 4 gegeben. Dadurch verschieben sich in der gebeugten Laserstrahlung 5 die Spektrallinien des Frequenzkamms in ihrer optischen Frequenz und damit die CEO-Frequenz, und zwar aufgrund der Energieerhaltung um die Frequenz des Steuersignals 6.
  • Bei einer Frequenz des Steuersignals 6, die bei dem Ausführungsbeispiel der 1 gleich der Pulsrepetitionsfrequenz der Laserquelle 1 ist, d.h. ohne Mischung mit einem Offsetfrequenz-Signal, geht der Frequenzkamm in sich selbst über, was wiederum fCEO=0 ergibt. Die Verschiebung der CE-Phase im Vergleich zur einlaufenden Laserstrahlung 2 ist hierbei nur von der Phase der akustischen Welle im Medium des akustooptischen Modulator 3 abhängig. Diese kann über die Phase des Steuersignals 6, d.h. über den Phasenschieber 14 kontrolliert werden. Die erreichbare Bandbreite zur Einstellung der CE-Phase ist hierbei nur durch die Schaltgeschwindigkeit des akustooptischen Modulators 3 und die elektrischen/elektronischen Signallaufzeiten limitiert. Der Phasenschieber 14 kann synchronisiert mit dem Laserpulszug angesteuert werden, was eine Variation der CE-Phase in der Laserstrahlung 9 am Ausgang der Vorrichtung von Laserpuls zu Laserpuls zwischen frei vorgebbaren Werten ermöglicht.
  • Bei einer Frequenz des Steuersignals 6, die, bei dem Ausführungsbeispiel der 2, entsprechend der Frequenz des Offsetfrequenz-Signals gegenüber der Pulsrepetitionsfrequenz (oder einem ganzzahligen Vielfachen davon) verschoben ist, wird der Frequenzkamm nicht in sich selbst überführt. Stattdessen weicht die Lage der Spektrallinien des Frequenzkamms in der Laserstrahlung 9, d.h. nach Durchlaufen des akustooptischen Modulators 3 entsprechend dem (in der Double-Pass-Anordnung der 1 zweifachen) Frequenz-Offset von der ursprünglichen Lage (modulo frep) ab. Auf diese Weise kann die CEO-Frequenz auf einen gewünschten Wert flexibel eingestellt werden. Anders ausgedrückt, entspricht fCEO der Laserstrahlung 9 dem (wegen der Double-Pass-Anordnung) Doppelten der Differenz der Frequenz des Steuersignals 6, d.h. der Modulationsfrequenz des akustooptischen Modulators, und der Pulsrepetitionsfrequenz. Die CE-Phase verschiebt sich entsprechend um 2π fCEO/frep von Puls zu Puls. Abhängig von der Einstellung des Phasenschiebers 14 und der daraus resultierenden Phase der akustischen Welle im Medium des akustooptischen Modulators 3 wird zusätzlich auf die CE-Phase ein konstanter, vorgebbarer Phasenoffset aufgeprägt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 durchläuft die Laserstrahlung 2 den akustooptischen Modulator 3 nur einfach. Die Strahlung wird nach Verstärkung in einem Erbium-dotierten Faserverstärker EDFA und spektraler Verbreiterung in einer hoch nichtlinearen Faser HNF bei 5 ausgekoppelt. Ein Teil der Strahlung wird (möglichst nahe der jeweiligen Anwendung) auf einen Phasendetektor 19 gelenkt, der die CE-Phase des Laserpulszuges detektiert (z.B. per spektral aufgelöster f-2f-Interferometrie). Die detektierte Phase wird als Regelgröße einem Regler 20 zugeführt, der seinerseits den Phasenschieber 14 mit einer aus der Regelgröße abgeleiteten Stellgröße beaufschlagt, um so die CE-Phase auf den gewünschten Wert oder Verlauf zu stabilisieren. Durch die Regelung werden durch äußere Einflüsse erzeugte Fluktuationen der CE-Phase kompensiert. In entsprechender Weise kann auch eine Regelung für fCEO realisiert werden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 4 wird die hinsichtlich fCEO stabilisierte Laserstrahlung 2 der Laserquelle 1 zunächst auf zwei oder mehr Zweige aufgeteilt und durchläuft dort jeweils eine Anordnung 21, 21', ... zur Einstellung und Stabilisierung der CE-Phase, die wie in 3 aufgebaut ist. Die CE-Phase (bzw. die CEO-Frequenz) der Ausgangsstrahlung 5, 5', ... kann dabei jeweils auf einen anderen Sollwert stabilisiert sein. Die Ausgangsstrahlungen 5, 5', ... können schließlich wieder in einem einzigen Strahl zur Überlagerung kommen, jeweils mit einer anderen zeitlichen Verzögerung, so dass ein Laserpulszug resultiert, bei dem die aufeinander folgenden Pulse die in den einzelnen Zweigen 21, 21', ... eingestellten CE-Phasenwerte zyklisch durchlaufen. Alternativ kann die Ausgangsstrahlung 5, 5' mit einem weiteren Ausgangsstrahl 22 in einem Differenzerzeuger kombiniert werden.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 5 umfasst die Laserquelle 1 den modengekoppelten Oszillator 16, dessen gepulste Laserstrahlung nach der spektralen Verbreiterung in der hoch nichtlinearen Faser 17 zunächst auf zwei voneinander separate Strahlungswege aufgespalten wird. Der akustooptische Modulator 3 befindet sich in dem oberen der beiden Strahlungswege. Der akustooptische Modulator 3 ist also, anders als bei den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4, in die Laserquelle 1 integriert. Die Erzeugung des Steuersignals per Detektion der Pulsrepetitionsfrequenz ist in 5 nicht gezeigt. Diese kann prinzipiell wie in den 1 bis 4 dargestellt erfolgen, wobei das Steuersignal aus der Laserstrahlung des modengekoppelten Oszillators 16 (oder aus dessen Regelelektronik) in geeigneter Weise abgeleitet wird. In dem Differenzfrequenzerzeuger 18 wird die über die beiden Strahlungswege zugeführte Laserstrahlung wieder zusammengeführt. Der akustooptische Modulator 3 verschiebt nur die Phase bzw. die Frequenz der entlang des oberen Strahlungsweges propagierenden Laserstrahlung. Durch die Differenzfrequenzerzeugung wird die CEO-Frequenz, wie zuvor beschrieben, prinzipiell stabilisiert. Die mittels des akustooptischen Modulators 3 in dem einen Strahlungsweg aufgeprägte Phase bzw. Frequenz bleibt bei der Differenzfrequenzerzeugung in der die Laserquelle 1 verlassenden Laserstrahlung 2 jedoch erhalten. Der Differenzfrequenzerzeuger 18 kompensiert nur den (nicht stabilisierten) Anteil der CE-Phase bzw. -Frequenz in der von dem Oszillator 16 emittierten Laserstrahlung. Somit bewirkt der akustooptische Modulator 3 - nach demselben Prinzip wie in den 1 bis 4 - eine CE-Phasen- bzw. CEO-Frequenzstellung der stabilisierten Laserstrahlung 2. Alternativ ist eine Stellung der CEO-Frequenz der Laserstrahlung 2 auch möglich, indem die CE-Phase mittels des akustooptischen Modulators 3 von Laserpuls zu Laserpuls inkrementiert wird. Für die Differenzfrequenzerzeugung kann es zweckmäßig sein, in dem Ausführungsbeispiel der 5 eine spektrale Separation bei der Aufspaltung der Laserstrahlung auf die beiden Strahlwege vorzusehen (nicht dargestellt), wobei z.B. nur ein langwelliger Anteil des Spektrums den einen Strahlungsweg und nur ein kurzwelliger Anteil des Spektrums den anderen Strahlungsweg passiert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004022037 A1 [0007, 0017]
    • DE 102008059902 B3 [0008]

Claims (15)

  1. Laservorrichtung mit - einer Laserquelle (1), die dazu eingerichtet ist, gepulste Laserstrahlung (2) mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien zu emittieren, - einem optischen Modulator (3), der dazu eingerichtet ist, die Phase und/oder die Frequenz der Laserstrahlung (2) zu verschieben, und - einer Steuereinheit (10), die dazu eingerichtet ist, den optischen Modulator (3) mittels eines Steuersignals (6) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Laserquelle (1) emittierte Laserstrahlung (2) hinsichtlich der Träger-Einhüllenden-Frequenz stabilisiert ist.
  2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die von der Laserquelle (1) emittierte Laserstrahlung (2) auch hinsichtlich der Pulsrepetitionsfrequenz stabilisiert ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der optische Modulator (3) ein akustooptischer Modulator ist, wobei das Steuersignal (6) eine akustische Welle in dem Medium des akustooptischen Modulators anregt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerichtet ist, das Steuersignal (6) als Hochfrequenzsignal bei der Pulsrepetitionsfrequenz der Laserstrahlung (2) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon zu erzeugen.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuereinheit (10) dazu eingerichtet ist, das Steuersignal (6) als Hochfrequenzsignal bei einer gegenüber der Pulsrepetitionsfrequenz der Laserstrahlung (2) oder einem ganzzahligen Vielfachen davon um einen vorgebbaren Frequenz-Offset verschobenen Frequenz zu erzeugen.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Steuereinheit (10) weiter dazu eingerichtet ist, die Phase des Steuersignals (6) zu stellen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Steuereinheit (10) weiter dazu eingerichtet ist, die Phasenstellung des Steuersignals (6) von Laserpuls zu Laserpuls zu variieren.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Träger-Einhüllenden-Frequenz der von der Laserquelle (1) emittierten Laserstrahlung gleich Null ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Laserquelle (1) umfasst: - einen modengekoppelten Oszillator (16), - zwei voneinander separate Strahlungswege für die von dem modengekoppelten Oszillator (16) emittierte Laserstrahlung, wobei sich der optische Modulator (3) in einem der beiden Strahlungswege befindet, und - einen Differenzfrequenzerzeuger (18), in dem die über die beiden Strahlungswege zugeführte Laserstrahlung überlagert wird.
  10. Verfahren zur Erzeugung eines optischen Frequenzkamms, mit den Verfahrensschritten: - Erzeugung von gepulster Laserstrahlung mit einem Spektrum in Form eines Frequenzkamms mit einer Mehrzahl von äquidistanten Spektrallinien, und - Verschiebung der Phase und/oder der Frequenz der Laserstrahlung nach Maßgabe eines Steuersignals, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte Laserstrahlung hinsichtlich der Träger-Einhüllenden-Frequenz stabilisiert ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Frequenz der Laserstrahlung mittels eines optischen Modulators, insbesondere eines akustooptischen Modulators, verschoben wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Frequenz der Laserstrahlung um die Pulsrepetitionsfrequenz oder ein ganzzahliges Vielfaches davon verschoben wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Frequenz der Laserstrahlung um eine Frequenz verschoben wird, die sich von der Pulsrepetitionsfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen davon um einen Frequenz-Offset unterscheidet.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Träger-Einhüllenden-Phase der Laserstrahlung durch Phasenstellung des Steuersignals eingestellt wird.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Phasenstellung des Steuersignals von Laserpuls zu Laserpuls variiert wird.
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