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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur hybriden Frequenzstabilisierung eines Lasers, insbesondere eines Lasers zur Untersuchung von Raum und Zeit. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur hybriden Frequenzstabilisierung eines Lasers.
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Bei Anwendungen die einen Laser verwenden, wie beispielsweise Metrologie- und Positionierungssystemen oder Spektroskopie, ist zumeist die Genauigkeit des Lasers und damit einhergehend dessen Frequenzstabilität besonders wichtig. Die Frequenz eines nicht stabilisierten Lasers schwankt und driftet in Abhängigkeit von der Zeit, so dass der Laser für die jeweilige Anwendung unbrauchbar werden kann. Daher nimmt in jedem System, das eine Laserquelle zur Untersuchung des Raumes oder Zeit verwendet, die Stabilisierung der Laserfrequenz eine Schlüsselstellung ein. Derartige Systeme finden in einer Vielzahl von Bereichen Anwendung, beispielsweise bei der Gravitationsastronomie, Test der speziellen Relativitätstheorie, hochauflösender Spektroskopie, Atomuhren, globale Navigations- und Positionierungssysteme, Geodäsie, Laserkommunikation oder Metrologiestandards.
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Im Stand der Technik wird das Problem gelöst, indem die Laser auf eine externe Frequenzreferenz stabilisiert werden. Hierfür werden derzeit vor allem die Spektroskopie und optische Resonatoren verwendet. Diese Methoden beruhen auf unterschiedlichen physikalischen Prozessen und werden jeweils extern und in Abhängigkeit der Anwendung durchgeführt.
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Bei der Methode der Spektroskopie werden zumeist Dampfzellen oder gefangene Atome respektive Moleküle verwendet, wobei die Absorptionslinien eines Referenzmediums als absolute Frequenzreferenz zur Stabilisierung des Lasers dienen. Diese absolute Frequenzreferenz weist dabei eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Umgebungsvariablen, wie Temperatur, Druck, elektromagnetische Felder oder Vibrationen, auf. Aus diesem Grund ist die Spektroskopie ideal für Anwendungen, bei denen eine Langzeitstabilität, also über Stunden bis Tage, erforderlich ist. Jedoch ist aufgrund der geringen Menge an optischer Energie ihre Kurzzeitstabilität meist zu gering.
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Optische Resonatoren dienen zum einen der Festlegung einer bevorzugten Lichtausbreitungs-Richtung. Zum anderen können sie als Frequenzreferenz genutzt werden, wobei hier die Stehwellenbeziehung der im Resonator stattfindenden Mehrfachinterferometrie zum Tragen kommt. Hierfür weisen optische Resonatoren Spiegel auf, zwischen denen sich die Photonen bewegen können. Aufgrund der höheren optischen Energie aufgrund des hohen Reflexionsvermögens der Spiegel wird im Resonator mehr Leistung aufgebaut. Dadurch wird ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis ermöglicht, welches zusammen mit einer geringen Linienbreite zu einer höheren Frequenzstabilität führt. Jedoch sind optische Resonatoren sehr anfällig gegenüber Umgebungsvariablen, insbesondere gegenüber der Temperatur. Temperaturschwankungen können das System jedoch so beeinflussen, dass dessen dynamische Grenzen erreicht werden, so dass eine Stabilisierung des Lasers nicht mehr möglich ist bzw. ein größerer dynamischer Bereich verwendet werden muss, welcher wiederum zur Nicht-Linearität des Systems führen kann. Um daher den optischen Resonator weites gehend vor diesen zu schützen, ist die Verwendung von großen Vakuumkammern mit einer zumeist sperrigen und verschachtelten Abschirmung und aktiven Temperaturreglern notwendig. Die Schwierigkeit, Temperaturfluktuationen und Driften zu dämpfen macht einen Resonator als Frequenzreferenz für lange Zeitskalen ungeeignet. Ferner kann durch den Resonator keine absolute Frequenzreferenz zur Verfügung gestellt werden.
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Bisher war es nicht möglich, eine Frequenzstabilisierung eines Lasers durchzuführen, die sowohl eine Langzeitstabilisierung als auch eine Kurzzeitstabilisierung zulässt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, welche auf einfache Art und Weise eine Frequenzstabilisierung eines Lasers mit sehr hoher Kurzzeitstabilität bei gleichzeitiger sehr hoher Langzeitstabilität ermöglicht. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren für diese hybride Frequenzstabilisierung eines Lasers anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8. Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 10 und 11.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur hybriden Frequenzstabilisierung eines Lasers, umfasst eine Laserspektroskopie zur Langzeitstabilisierung des Lasers und einen optischen Resonator zur Kurzzeitstabilisierung des Lasers. Dabei ist die Laserspektroskopie mit dem optischen Resonator verbunden und der optische Resonator weist einen akustooptischen Modulator und einen elektrooptischen Modulator zur Frequenzmodulation auf. Hierbei dient der akustooptischen Modulator als Hochfrequenzaktuator für den optischen Resonator und des elektrooptischen Modulators zur Stabilisierung des optischen Resonators bei niedrigen Frequenzen. Durch die erfindungsgemäße Kombination der Laserspektroskopie und des optischen Resonators erhält der Laserstrahl die Stabilität der Spektroskopie auf langen Zeitskalen und die Stabilität des optischen Resonators auf kurzen Zeitskalen. Ferner wird dadurch eine absolute Frequenzreferenz mit ausgezeichneter Langzeit- und Kurzzeitstabilität erreicht. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist einerseits der vereinfachte Aufbau, und andererseits die Kostenreduktion des Aufbaus, da akustooptische und elektrooptische Modulatoren eine geringe Komplexität aufweisen und daher günstig in der Anschaffung sind.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders für die Anwendung bei Navigation und Positionsbestimmung mittels Zeitmessung, Gravitationswellenastronomie, Lorentz Invarianztests, sowie für die Verbesserung von Navigationssysteme durch besseres Timing, beispielsweise für autonomes Fahren, oder für die Laser-Interferometer für Dilatometer in Mach-Zender Konfigurationen geeignet. Des Weiteren kann eine derartige Vorrichtung auch bei der Messung des Gravitationsfelds der Erde für Forschung im Bereich der Geodäsie und des Klimawandels zum Einsatz kommen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Laser im Laserspektrometer mittels einer Frequenzmodulationsspektroskopie oder einer Modulations-Transfer-Spektroskopie stabilisiert. Bei beiden Stabilisierungen handelt es sich um eine Doppler-freie Sättigungsspektroskopie. Jedoch ist zur Stabilisierung des Lasers mittels eines Laserspektrometers jegliche Methode denkbar, bei welcher ein Laser auf eine Frequenzreferenz eingestellt werden kann.
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Der Laser wird mit einem Stabilisierungsverfahren auf den optischen Resonator der Vorrichtung stabilisiert, wobei das Stabilisierungsverfahren das Pound-Drever-Hall-Verfahren oder das Hänsch-Couillaud- Verfahren oder das Side-of-Fringe-Lock-Verfahren ist. Bei einem Lock-In Verfahren wird der Laser auf eine Resonanz einer Kavität oder eines Resonators in Reflexion und/oder Absorption mittels geeigneter Lock-In-Techniken stabilisiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der elektrooptische Modulator ein Breitband-elektrooptischer Modulator, wodurch Materialeffekte, wie Temperatureffekte oder Materialkriechen, kompensiert werden können. Als Breitband-elektrooptischer Modulator wird dabei ein Frequenzmodulator verstanden, der die Lücke zwischen der spektroskopischen Frequenzreferenz und dem optischen Kavitätsmodus schließt. Beispielsweise muss dabei bei einer Kavität von 10cm eine Lücke von 1,5GH überbrückt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der elektrooptische Modulator eine Pockelszelle oder eine Kerr-Zelle ist. Sowohl die Pockelszelle als auch die Kerr-Zelle dienen dabei zunächst dem schnellen Schalten des elektrooptischen Modulators. Jedoch können mit beiden Zellen Licht und Laserstrahlung auch kontinuierlich in Phase, Polarisation und Intensität moduliert werden. Dabei können sowohl transversale als auch longitudinale Pockelszellen zum Einsatz kommen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der optische Resonator als Stehwellenresonator oder Ringresonator ausgebildet. Bei einem Stehwellenresonator bildet sich aufgrund der Interferenz der optischen Wellenlänge des Resonators und der Wellenlänge des eingestrahlten optischen Lichts eine stehende Welle im Resonator aus. Wohingegen ein Ringresonator zumeist vier Spiegel aufweist, die den Laser auf einen geschlossenen Weg lenken.
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Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn ein Spiegelaufbau des optischen Resonators so gewählt ist, dass der optische Resonator instabil oder stabil ist. Bei einem instabilen Resonator kann der Lichtstrahl nach einigen Reflexionen aus dem Aufbau entkommen. Wohingegen der Lichtstrahl in einem stabilen Resonator immer wieder in den optischen Resonator zurückläuft.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Spiegel des Spiegelaufbaus des optischen Resonators so zu wählen, dass der optische Resonator ein planarer Resonator oder ein konzentrischer Resonator oder ein konfokaler Resonator oder ein semikonfokaler Resonator ist. Bei einem planaren Resonator sind zumeist beide Spiegel eben ausgebildet. Ein konzentrischer Resonator zeichnet sich dahingehend durch zwei sphärische Spiegel aus, deren Radien gleich der halben Resonatorlänge entsprechen. Bei einem konfokalen Resonator sind die Spiegel, wie auch beim konzentrischen Resonator sphärisch, jedoch sind ihre Radien hier gleich der Resonatorlänge und so angeordnet, dass sie jeweils im Fokus des anderen sind. Ein semikonfokaler Resonator weist einen ebenen und sphärischen Spiegel auf, wobei der Radius des sphärischen Spiegels der Länge des Resonators entspricht und der ebene Spiegel in dessen Fokus angeordnet ist.
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Bei dem erfinderischen Verfahren zur hybriden Frequenzstabilisierung eines Lasers mittels einer vorhergehend beschriebenen Vorrichtung werden die folgenden Schritte ausgeführt:
- 1. Langzeitstabilisieren eines Lasers zu einem langzeitstabilisierten Laser mittels der Laserspektroskopie;
- 2. Korrigieren des langzeitstabilisierten Lasers (202) im akustooptischen Modulator (500) über eine Kurzzeitstabilisation zu einem lang- und kurzzeitzeitstabilisierten Laser (200);
- 3. Optimierung der Kurzzeitstabilität mittels eines optischen Resonators (400), wobei zumindest der elektrooptische Modulator (600) ein Stabilisierungsverfahren (700) durchführt.
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Dabei wird unter der Korrektur des langzeitstabilisierten Lasers in Schritt 2 verstanden, dass ein Teil des in Schritt 1 erzeugten langzeitstabilisierten Lasers nach dem Durchlauf des akustooptischen Modulators als langzeitstabilisierter Laser weiterläuft, und ein anderer Teil des Lasers den optischen Resonator durchläuft, wobei in Schritt 3 die Kurzzeitstabilität optimiert wird.
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In einem zusätzlichen Schritt kann, wenn notwendig, in vorteilhafterweise das niederfrequente Rauschen des akustooptischen Modulators bzw. des spannungsgesteuerten Oszillators des akustooptischen Modulators stabilisiert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens dient das akustooptische Modul als Hochfrequenzaktuator und korrigiert das Hochfrequenzrauschen der Spektroskopie. Hierdurch wird die Hochfrequenzstabilität der Resonatorstabilisierung erreicht.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Modulationsfrequenz des elektrooptischen Modulators über den optischen Resonator gesteuert wird. Hierdurch wird der Laser im Niederfrequenzbereich auf den Resonator stabilisiert.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Modulationsfrequenz nach dem akustooptischen Modulator über den elektrooptischen Modulator moduliert wird. Dabei wird die Modulationsfrequenz langsam angepasst, um sie innerhalb der Kavitätenlinie zu halten.
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Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
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Es zeigen
- 1 schematisches Konzept einer Ausführungsform der Vorrichtung zur hybriden Frequenzstabilisierung eines Lasers;
- 2 Ausschnitt des Stabilisierungsverfahrens aus 1;
- 3 Blockdiagramm des Verfahrens zur Frequenzstabilisierung eines Lasers.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur hybriden Frequenzstabilisierung 100 eines Lasers 201. Diese umfasst eine Laserspektroskopie 300 und einen optischen Resonator 400, welche mittels des elektrooptischen Modulators 600 und einem Offset-Sideband-Locking-Verfahren miteinander verbunden sind. Dabei ist die Laserspektroskopie 300 zur Langzeitstabilisierung des Lasers 201 zu einem langzeitstabilisierten Laser 202 und der optischen Resonator 400 zur Optimierung der Kurzzeitstabilisation des Lasers 202 vorgesehen. Zur Frequenzmodulation des Lasers 201 weist der optische Resonator 400 einen akustooptischen Modulator 500 und einen elektrooptischen Modulator 600 auf. Hierbei dient der akustooptischen Modulator 500 als Hochfrequenzaktuator für die Stabilisierung mittels des optischen Resonators 400 und der elektrooptische Modulator 600 zur Frequenz- und Phasenmodulation, so dass der Laserstrahl 200 zusätzlich in der Kurzzeitstabilität optimiert ist. Erst diese Kombination aus Laserspektroskopie 300 und optischem Resonator 400 ermöglicht eine Stabilität des Lasers 201 und eine absolute Frequenzreferenz mit ausgezeichneter Langzeit- und Kurzzeitstabilität auf langen Zeitskalen durch die Laserspektroskopie 300 und auf kurzen Zeitskalen durch den optischen Resonator 400. Aufgrund der Tatsache, dass akustooptische 500 und elektrooptische 600 Modulatoren eine geringe Komplexität aufweisen sind sie einerseits einfach zu beschaffen und andererseits günstig. Ferner wird durch sie der gesamte Aufbau der Vorrichtung zur hybriden Frequenzstabilisierung 100 einfach und kostengünstig gestaltet.
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Vorliegend ist der Laser 201 im Laserspektrometer 300 mittels der Frequenzmodulationsspektroskopie stabilisiert. Dabei ist dem Laseraktuator 301 ein Servoregelung 302 zur Modulation der Frequenz vorgeschalten (1). Dabei wird der Laser 201 durch die Servoregelung 301 stabilisiert, der die Laserfrequenz an der Übergangslinie des Laserspektrometers 300 hält. Die Servoregelung 301 wird wiederum durch das Fehlersignal des Laserspektrometers 300 gesteuert. Bei dieser Stabilisierung handelt es sich um eine Doppler-freie Sättigungsspektroskopie. Jedoch ist es auch denkbar, den Laser 202 der Laserspektroskopie 300 mit der Modulations-Transfer-Spektroskopie oder einer anderen Spektroskopiemethode zu stabilisieren.
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Der optische Resonator 400 in 1 ist mit dem Pound-Drever-Hall-Verfahren als Stabilisierungsverfahren 700 stabilisiert. Ferner ist für die Kurzzeitstabilisierung, wie in 1 und 2 dargestellt; ein Signalerzeuger 701, ein Photodetektor 702, ein Mixer 703, ein Tiefpassfilter 704 und ein Hochpassfilter 705, sowie jeweils einem dem Hochpassfilter 705 bzw. Tiefpassfilter 704 nachgeschalteten Regler 706 (bzw. 707) vorgesehen. Bei der Stabilisierung mittels dem Pound-Drever-Hall-Verfahren 700 wird das Licht des zu stabilisierenden Lasers phasenmoduliert und die Reflexion vom optischen Resonator 400 mit Hilfe eines schnellen Photodetektors 702 gemessen. Die Modulationsfrequenz ist durch einen Lokaloszillator vorgegeben. Das Signal des Photodetektors 702 wird mit dem Lokaloszillatorsignal elektronisch im Mixer 703 gemischt und mit einem Tiefpass 704 gefiltert. Jedoch ist es auch möglich, den optischen Resonator 400 anstelle des Pound-Drever-Hall-Verfahren mittels dem Hänsch-Couillaud-Verfahren oder dem Side-of-Fringe-Lock-Verfahren zu stabilisieren.
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Für die Hochfrequenzaktuation des stabilisierten Lasers aus dem optischen Resonator 400 ist der Stabilisierung des optischen Resonators 400 mittels der Pound-Drever-Hall-Methode 700 ein Hochpassfilter 705 nachgeschalten. Dieser ist gemäß 1 dem akustooptischen Modulator 500 vorgeschalten.
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Bei der Vorrichtung zur hybriden Frequenzstabilisierung 100 gemäß 1 ist ein Breitband-elektrooptischer Modulator 600 vorgesehen, um Materialeffekte, wie Temperatureffekte oder Materialkriechen, kompensieren zu können. Der hier verwendete Breitband-elektrooptische Modulator 600 schließt die Lücke zwischen der spektroskopischen Frequenzreferenz und der optischen Kavität. Bei dem Ausführungsbeispiel in 1 liegt eine optische Kavität von 10cm vor, so dass der Breitband-elektrooptische Modulator eine Lücke von 1,5GH überbrückt.
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Die elektrooptische Modulationsfrequenz wird durch den optischen Resonator 400 gesteuert, um den Laser 202 auf diesen im Niederfrequenzbereich zu stabilisieren. Der elektrooptische Modulator 600 weist eine Pockelszelle zum Schalten auf, diese moduliert weiterhin die Laserstrahlung 202 kontinuierlich in seiner Phase. Denkbar ist auch die zusätzliche Modulation in Polarisation und Intensität. Die Schaltung des elektrooptischen Modulators 600 kann auch mit einer Kerr-Zelle durchgeführt werden.
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Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der optische Resonator 400 ein Stehwellenresonator der sich in einem stabilen Zustand befindet. Bei diesem Überlagern sich die Wellenlängen des optischen Resonators 400 und die des eingestrahlten optischen Lichts, so dass sich aufgrund der Interferenz eine stehende Welle im optischen Resonator 400 ausbildet. Bei einem stabilen optischen Resonator 400 läuft der Lichtstrahl immer wieder in den optischen Resonator zurück.
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Es ist jedoch auch denkbar, dass der in 1 dargestellte optische Resonator 400 als Ringresonator ausgestaltet ist. In dieser Bauform sind vier Spiegel 402 vorgesehen, die den Laserstrahl 200 auf einem geschlossenen Weg lenken. Es ist denkbar, dass der Ringresonator drei, zwei oder mehr als vier Spiegel 402 aufweist.
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Die Stabilität des optischen Resonator 400 wird über dessen Spiegelaufbau 401 bestimmt. Wie weiter oben bereits erwähnt ist der Spiegelaufbau 401 hier so gewählt, dass der optische Resonator 400 stabil ist. Jedoch können die Spiegel 402 auch so angeordnet sein, dass dieser instabil wird, so dass der Lichtstrahl nach einigen Reflexionen aus dem Aufbau entkommen kann.
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Auch die Art der Spiegel 402 spielt bei der Stabilität bzw. bei der Größe des optischen Resonators 400 eine Rolle. Vorliegend handelt es sich um einen konzentrischen Resonator, das heißt, dass es sich bei den zwei Spiegeln 402 um sphärische Spiegel 402 handelt. Die Spiegel 402 des optischen Resonators sind identisch und ihr jeweiliger Radius entspricht der halben Länge des optischen Resonators 400.
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Jedoch ist es auch denkbar, dass der Spiegelaufbau 401 des optischen Resonators 400 so gewählt ist, dass der optische Resonator 400 ein planarer Resonator oder ein konfokaler Resonator oder ein semikonfokaler Resonator ist. Bei einem planaren Resonator sind die Spiegel 402 eben ausgebildet. Bei einem konfokalen Resonator sind die Spiegel 402, wie auch beim konzentrischen Resonator sphärisch, jedoch sind ihre Radien hier gleich der Resonatorlänge und die Spiegel 402 so angeordnet, dass sie jeweils im Fokus des anderen sind. Ein semikonfokaler Resonator weist zumindest einen ebenen und sphärischen Spiegel 402 auf, wobei der Radius des sphärischen Spiegels 402 der Länge des Resonators entspricht und der ebene Spiegel 402 in dessen Fokus angeordnet ist.
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Bei dem in 3 dargestellten Verfahren 800 zur hybriden Frequenzstabilisierung eines Lasers 200 mittels einer vorhergehend beschrieben Vorrichtung 100 wird der Laser 201 im Laserspektrometer 300 zu einem langzeitstabilisierten Laser 202 stabilisiert und an den akustooptischen Modulator 500 gesendet. Nach dem akustooptischen Modulator 500 wird ein Teil des langzeitstabilisierten Laserstrahls 202 zur Optimierung der Kurzzeitstabilität des Laserstrahls 202 in Richtung des optischen Resonators 400 gelenkt. Dabei läuft ein Teil des erzeugten langzeitstabilisierten Lasers nach dem Durchlauf des akustooptischen Modulators 500 als langzeitstabilisierter Laser weiter, und einem anderen Teil des Lasers wird die Information zur Resonanzfrequenz des optischen Resonators 400 aufgeprägt, wobei die Kurzzeitstabilisation optimiert wird.
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In einem weiteren Schritt wird der langzeitstabilisierte Laser 202 der Laserspektroskopie 300 mittels des optischen Resonators 400 in der Kurzzeitstabilität optimiert und dafür über den elektrooptischen Modulator 600 mit dem vorgeschalteten Tiefpassfilter 704 und dem akustooptischen Modulator 500 mit einem vorgeschalteten Hochpassfilter 705 in einem Offset-Sideband-Locking-Verfahren miteinander verbunden, um den Lang- und Kurzzeit stabilisierten Laser 200 zu erzeugen. Genauer gesagt passiert der langzeitstabilisierte Laser 202 zumindest einen elektrooptischen Modulator 600, der die Seitenbänder für das Sideband-Locking-Verfahren erzeugt. Dies ist zum einen ein Seitenband, welches in Resonanz mit der Resonatormode des optischen Resonators 400 ist und die Frequenzdifferenz zwischen spektroskopischer Frequenzreferenz und Resonatormode überbrückt, sowie ein weiteres Seitenband für die Erzeugung des Fehlersignals mittels der Pound-Drever-Hall-Stabilisierungstechnik. Hierfür können, wie in 1 dargestellt, auch zwei elektrooptische Modulatoren 600 vorgesehen werden. Der erste elektrooptischen Modulator 600 moduliert die Frequenz des Lasers 201, um Seitenbänder zu erzeugen, die in Resonanz mit einer Resonatormode des optischen Resonators 400 sind, während ein zweiter elektrooptischer Modulator 600 kleine Seitenbänder erzeugt, um die Pound-Drever-Hall-Stabilisierungstechnik zu ermöglichen. Dabei wird das vom optischen Resonator 400 reflektierte Signal von einem Photodetektor 702 gemessen (in 3 nicht dargestellt).
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Wie in 1 bzw. der Ausschnittvergrößerung der 2 dargestellt, wird der Ausgang des Photodetektors 702 mit einem Mixer 703 bei der Frequenz des zweiten elektrooptischen Modulators 600 demoduliert. Der Ausgang des Mixers 703 ist ein Signal, das proportional zur Differenz zwischen der Laserstrahlfrequenz und der Resonatorresonanzlinie des optischen Resonators 400 ist. Dieses Signal wird aufgeteilt. Eines wird an einen Tiefpassfilter 704 und eine Servoregelung 706 gesendet, um das Frequenzmodulationssignal des Signalerzeugers 701 bei der Resonatorresonanzfrequenz bei langen Zeitskalen zu halten. Der andere Teil des Signals wird im Hochpassfilter 705 hochpassgefiltert und an die Servoregelung 707 gesendet, die den akustooptischen Modulator 500 zur Verfolgung der Resonatorresonanz bei kurzen Zeitskalen antreibt.
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In einem weiteren Schritt beeinflusst der akustooptische Modulator 500 im allgemeinen die Frequenz des Lasers 201 und korrigiert das freilaufende Laserrauschen 203, so dass der kombinierte lang- und kurzzeitstabilisierte Laser 200 entsteht und ausgegeben werden kann. Vorliegend dient also der akustooptische Modulator 500 als Hochfrequenzaktuator für den Laser 201 und korrigiert das Hochfrequenzrauschen des langzeitstabilisierten Laser 202 der Laserspektroskopie 300. Hierdurch wird die Hochfrequenzstabilität der Laserspektroskopie erreicht.
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Zusätzlich ist es auch möglich in einem weiteren Schritt das niederfrequente Rauschen des akustooptischen Modulators 400 bzw. des spannungsgesteuerten Oszillators des akustooptischen Modulators 400 zu stabilisieren.
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Des Weiteren wird die Modulationsfrequenz des elektrooptischen Modulators 600 über den optischen Resonator 400 gesteuert. Hierdurch wird das durch den elektrooptischen Modulator 600 aufmodulierte Seitenband im Niederfrequenzbereich auf den optischen Resonator 400 stabilisiert.
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Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung zur hybriden Frequenzstabilisierung
- 200
- kombinierter stabilisierter Laser
- 201
- Laser
- 202
- Laser stabilisiert durch Laserspektroskopie
- 203
- freilaufendendes Laserrauschen
- 204
- Laser stabilisiert durch optischen Resonator
- 300
- Laserspektroskopie
- 301
- Laser Aktuator
- 302
- Servoregelung der Laserspektroskopie
- 400, 401, 402
- optischer Resonator
- 500
- akustooptischer Modulator
- 600
- elektrooptischer Modulator
- 700
- Stabilisierungsverfahren
- 701
- Signalerzeuger
- 702
- Photodetektor
- 703
- Mixer
- 704
- Tiefpassfilter
- 705
- Hochpassfilter
- 706
- Servoregelung für Niedrigfrequenzbereich
- 707
- Servoregelung für Hochfrequenzbereich
- 800
- Verfahren zur Frequenzstabilisierung
