DE102020115877B9

DE102020115877B9 - Schnelle Modulation der Resonanzfrequenz eines optischen Resonators

Info

Publication number: DE102020115877B9
Application number: DE102020115877.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Enderlein; Manfred Hager; Thomas A. Puppe; Frank Lison
Original assignee: Toptica Photonics AG
Current assignee: Toptica Photonics AG
Priority date: 2020-06-16
Filing date: 2020-06-16
Publication date: 2022-10-06
Anticipated expiration: 2040-06-17
Also published as: US20210391690A1; US11881682B2; DE102020115877A1; DE102020115877B4

Abstract

Verfahren zur Modulation der Resonanzfrequenz eines optischen Resonators (1) nach Maßgabe eines periodischen Modulationssignals (Umod(t)), mit den folgenden Verfahrensschritten:- Ableiten eines Fehlersignals (E(t)) aus einem in dem Resonator (1) umlaufenden Lichtfeld, wobei das Fehlersignal (E(t)) die Abweichung der optischen Frequenz des Lichtfelds von einem durch das Modulationssignal (Umod(t)) vorgegebenen momentanen Sollwert angibt,- Ableiten eines ersten Stellsignals (S1(t)) aus dem Fehlersignal (E(t)) mittels eines Reglers (6), wobei das Modulationssignal (Umod(t)) und/oder das Fehlersignal (E(t)) Frequenzanteile bei Harmonischen der Grundfrequenz (fmod) des Modulationssignals (Umod(t)) aufweisen, deren Frequenzen außerhalb der Regelungsbandbreite des durch den Regler (6) gebildeten Regelkreises liegen,- Erzeugen eines zweiten Stellsignals (S2(t)), das Stellsignalkomponenten bei mindestens zwei Harmonischen (fmod, 2fmod, ...) der Grundfrequenz (fmod) des Modulationssignals (Umod(t)) aufweist, und- Beaufschlagung eines die optische Weglänge des Resonators (1) ändernden Aktors (3) mit einem Überlagerungssignal aus dem ersten und dem zweiten Stellsignal (S1(t), S2(t)), sodass die Resonanzfrequenz des optischen Resonators (1) dem Modulationssignal Umod(t) folgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modulation der Resonanzfrequenz eines optischen Resonators. Außerdem betrifft die Erfindung ein System mit einem optischen Resonator, wenigstens einem Aktor, der dazu eingerichtet ist, die optische Weglänge des Resonators zu ändern, einem Modulationssignalgenerator, der dazu eingerichtet ist, ein periodisches Modulationssignal zur Modulation der Resonanzfrequenz des Resonators zu erzeugen, einem Fehlersignaldetektor, der dazu eingerichtet ist, ein Fehlersignals aus einem in dem Resonator umlaufenden Lichtfeld abzuleiten. Das Fehlersignal gibt die Abweichung der optischen Frequenz des Lichtfeldes von einem Sollwert an. Darüber hinaus betrifft die Erfindung einen Regler, der dazu eingerichtet ist, ein Stellsignal aus dem Fehlersignal abzuleiten.
Die schnelle Frequenzmodulation von schmalbandig emittierenden Laserquellen mit externen optischen Resonatoren ist technisch anspruchsvoll.
Der externe Resonator kann zum Beispiel der Laserresonator der Laserquelle selbst sein, der das optische Verstärkungsmedium sowie andere diskrete optische Elemente (wie z.B. bei einen VECSEL) enthält. Ebenso kann der optische Resonator ein zusätzlicher Resonator zur Frequenzstabilisierung sein (wie z.B. bei einem ECDL), oder es kann sich um einen Überhöhungsresonator für die resonante nichtlineare Frequenzkonversion handeln, in den das Licht einer frequenzmodulierten Laserquelle eingekoppelt wird, um entsprechend modulierte frequenzkonvertierte Laserstrahlung zu erzeugen.
Gewünscht ist üblicherweise, dass die Resonanzfrequenz des optischen Resonators mit möglichst geringer zeitlicher Verzögerung einem vorgegebenen Modulationssignal folgt. Dies kann mittels eines Regelkreises implementiert werden, wobei eine Regelabweichung in Form eines Fehlersignals erfasst wird, das die Abweichung der Resonanzfrequenz von dem durch das Modulationssignal vorgegebenen momentanen Frequenz-Sollwert angibt. Ein Regler erzeugt aus dem Fehlersignal ein Stellsignal und koppelt dieses auf ein Stellglied des optischen Resonators zurück, so dass die Resonanzfrequenz dem Modulationssignal folgt.
Die Frequenzmodulation impliziert eine Änderung der optischen Weglänge des Resonators. Daher wird als Stellglied üblicherweise ein mechanischer Aktor (oder mehrere Aktoren) verwendet. Z.B. trägt der Aktor einen Endspiegel des Resonators, wobei eine Auslenkung des Aktors die geometrische Länge und damit die optische Weglänge verändert. Bei der Auslegung des Aktors muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen Hub, Baugröße und erreichbarer Stellgeschwindigkeit des Aktors, wobei letztere die Regelbandbreite des Regelkreises limitiert. Die Regelbandbreite ist definiert als der Frequenzbereich von null bis zu einer maximalen Frequenz, bis zu der die Phasenverzögerung zwischen Stellsignal und Aktorauslenkung unter 90° bleibt. Selbst für optimierte Aktoren, wie z.B. kleine piezoelektrische Elemente oder MEMS/MOEMS-basierte Aktoren, ist die Regelbandbreite herkömmlich auf einen Bereich von 1 kHz bis maximal 100 kHz begrenzt.
Dabei ist zu beachten, dass die Resonanzverstärkung in dem optischen Resonator die optische Leistungsdichte vergrößert. Die Bewältigung der entsprechenden Wärmeableitung erfordert vergleichsweise massive optische Elemente und damit Aktoren hoher Masse. Dies wirkt sich wiederum in Richtung einer reduzierten Regelbandbreite aus. Zusätzlich erfordert die Kompensation thermischer Driften einen vergleichsweise großen Aktorhub und somit abermals einen vergleichsweise großen und damit langsamen Aktor.
In Lasersystemen würde das Lasermedium selbst eine deutlich höhere Modulationsfrequenz erlauben. In einem Festkörperlaser z.B. kann die effektive optische Weglänge des Laserresonators und damit die Emissionsfrequenz durch die Ladungsträgerdichte und damit durch den Betriebsstrom verändert werden. Eine Modulation des Betriebsstroms und damit der momentanen Emissionsfrequenz ist prinzipiell bis in den GHz-Bereich hinein möglich.
Es existieren Anwendungen (zu denen weiter unten noch nähere Angaben gemacht werden), die eine schnelle Modulation der Resonanzfrequenz eines optischen Resonators verlangen, wobei das Modulationssignal periodisch, aber nicht unbedingt harmonisch (z.B. sägezahnförmig) sein kann. Ein solches Modulationssignal weist ein ausgeprägtes Oberwellenspektrum auf, das aus dem Bereich herkömmlich erreichbarer Regelbandbreiten herausfällt, selbst wenn die Grundfrequenz der Modulation noch im mit herkömmlichen Methoden zugänglichen Bereich liegt. Auch bei einem harmonischen Modulationssignal kann das detektierte Fehlersignal und das entsprechend auf den Aktor zurückgekoppelte Stellsignal ein ausgeprägtes Oberwellenspektrum aufweisen, das aus Nichtlinearitäten der verwendeten mechanischen, optischen und elektronischen Komponenten resultiert. Auch in solchen Fällen kann die herkömmliche Regelung eine präzise Modulation nicht sicherstellen. Der zeitliche Verlauf der optischen Weglänge ist gegenüber dem Modulationssignal verzögert und verzerrt.
Damit gibt es Bedarf, eine schnelle Modulation eines optischen Resonators zu ermöglichen, bei der die momentane Resonanzfrequenz einem periodischen, nicht unbedingt harmonischen Modulationssignal möglichst präzise folgt, und zwar bei einer Grundfrequenz des Modulationssignals im kHz-Bereich.
Aus der DE 103 10 076 A1 ist ein erweitertes Pound-Drever-Hall-Verfahren (PDH-Verfahren) zur Stabilisierung eines optischen Resonators bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird die in den Resonator eingekoppelte Laserstrahlung bei nicht nur einer Frequenz (wie bei üblichen PDH-Verfahren), sondern zusätzlich mit einer weiteren Frequenz phasenmoduliert. Die zweite Modulation führt zu einer Änderung der Amplitude des Ausgangssignals des Resonators, so dass durch Ein- und Ausschalten der zweiten Modulation das Fehlersignal hinsichtlich der Amplitude moduliert wird, nicht jedoch ein dem Fehlersignal überlagertes Störsignal. Dies wird dazu ausgenutzt, ein Störungskorrektursignal abzuleiten und auf dieser Basis das Störsignal durch entsprechende kompensierende Ansteuerung der Laserquelle zu eliminieren.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Modulation der Resonanzfrequenz eines optischen Resonators nach Maßgabe eines periodischen Modulationssignals mit den im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensschritten vor.
Außerdem schlägt die Erfindung ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 14 vor.
Der Sollwert kann die Resonanzfrequenz des optischen Resonators oder, falls es sich bei der optischen Frequenz des Lichtfeldes bereits um die Resonanzfrequenz des optischen Resonators handelt, die optische Frequenz eines weiteren (Referenz-)Lichtfeldes oder die Resonanzfrequenz eines zweiten Resonators sein.
Die Ableitung des Fehlersignals und des ersten Stellsignals mittels des Reglers erfolgt z.B. mittels der sogenannten Pound-Drever-Hall- oder Hänsch-Couillaud-Technik. Hierzu kann z.B. die von einer Laserquelle (z.B. von einem Festkörperlaser) emittierte, nach Maßgabe des Modulationssignals frequenzmodulierte Laserstrahlung in den Resonator eingekoppelt werden. Das Fehlersignal gibt dann die Abweichung der Resonanzfrequenz des Resonators von der momentanen Frequenz der in dem Resonator umlaufenden Laserstrahlung der Laserquelle an. Der Regler (z.B. PID-Regler) steuert auf Basis des Fehlersignals den Aktor in der Weise an, dass die Resonanzfrequenz der momentanen Frequenz der frequenzmodulierten Laserstrahlung folgt.
Um die gewünschte schnelle Modulation der Resonanzfrequenz zu erzielen, wird im Rahmen einer Vorsteuerung (hier als Feedforward-Steuerung bezeichnet) zusätzlich das zweite Stellsignal erzeugt, das Stellsignalkomponenten bei mehreren, d.h. mindestens zwei, bevorzugt mindestens drei, Harmonischen der Grundfrequenz des Modulationssignals aufweist. Der Aktor wird dann mit einem Überlagerungssignal aus dem ersten Stellsignal (des Reglers) und dem zweiten Stellsignal (der Feedforward-Steuerung) beaufschlagt. Die Bandbreite des Regelkreises reicht aus den oben angeführten Gründen bei den hohen Frequenzen der Harmonischen des Modulationssignals nicht aus. Der Ansatz der Erfindung besteht darin, den sich bei diesen hohen Frequenzen ergebenden Phasenversatz der optischen Weglänge des Resonators gegenüber dem Modulationssignal durch gezielte Beaufschlagung des Aktors mit Stellsignalkomponenten bei den Harmonischen im Wege der Feedforward-Steuerung zu kompensieren.
Bei einer möglichen Ausgestaltung werden die Phase und die Amplitude jeder Stellsignalkomponente des zweiten Stellsignals individuell so eingestellt, dass die Amplitude des Fehlersignals bei der zugeordneten Harmonischen minimal ist. Das bedeutet, mit anderen Worten, dass die Feedforward-Steuerung so ausgelegt wird, das der sich bei jeder Harmonischen einstellende Phasenversatz der optischen Weglänge individuell adressiert und kompensiert wird. Um Schwankungen und Driften auszugleichen, werden die Einstellungen der Phasen und Amplituden der Stellsignalkomponenten dabei vorzugsweise kontinuierlich, automatisch adaptiert, so dass das Fehlersignal weiter minimal gehalten wird. Diese Adaptation kann mit gegenüber dem Frequenzspektrum des Modulationssignals deutlich niedrigerer Frequenz erfolgen. Bei dieser Ausgestaltung wird auch das zweite Stellsignal aus dem Fehlersignal abgeleitet, allerdings nicht im Rahmen einer Regelung, wie bei dem ersten Stellsignal, sondern zur (langsamen) Adaptation der Feedforward-Steuerung.
Die vorgeschlagene Lösung kann somit als adaptives Feedforward-Schema zur Unterdrückung von schmalbandigen Störungen, die durch die hochfrequente periodische Modulation induziert werden, bezeichnet werden. Hochfrequenz bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Modulationssignal und/oder das Fehlersignal Anteile bei Harmonischen der Grundfrequenz enthalten, die bei höheren Frequenzen liegen als diejenigen, die mit einer klassischen Regelung mit Rückkopplung adäquat behandelt werden können. Mechanische Resonanzen oder Tiefpasscharakteristiken des Aktors führen zu einem Frequenzgang, der bei Verwendung einer reinen Regelschleife mit kontinuierlichem, breitbandigem Frequenzgang (z.B. PID-Regler) die Regelbandbreite begrenzt. Das vorgeschlagene Schema ist ein kombiniertes Regelungs- und adaptives Feedforward-Regelschema. Die Feedforward-Steuerung bietet bei den Harmonischen der Grundfrequenz des Modulationssignals eine hohe, schmalbandige Verstärkung. Die Feedforward-Steuerung ergänzt die primäre (breitbandige) Regelschleife, so dass die Kombination eine spektral modulierte Charakteristik aufweist, die es erlaubt, dem Spektrum der Störungen und des Rauschens effektiv entgegenzuwirken.
Bei einer möglichen Ausgestaltung wird jede Stellsignalkomponente des zweiten Stellsignals erzeugt durch

- phasenempfindliche Demodulation des Fehlersignals bei der zugeordneten Harmonischen,
- Übertragung des resultierenden komplexen Detektionssignals in ein komplexes Steuersignal nach Maßgabe einer Übertragungsfunktion und
- Modulation der zugeordneten Harmonischen (f_mod, 2f_mod, ...) gemäß dem komplexen Steuersignal. Bei dieser Ausgestaltung werden die Stellsignalkomponenten des zweiten Steuersignals mehrkanalig, d.h. separat bei den diskreten Frequenzen der Harmonischen des Modulationssignals erzeugt. In jedem Kanal wird das Fehlersignal bei der zugeordneten Harmonischen zunächst demoduliert, um schmalbandig den Fehlersignalanteil bei der entsprechenden Frequenz zu erhalten. Die Demodulation erfolgt dabei phasenempfindlich, so dass das erhaltene Detektionssignal komplexwertig ist. Der Kern der Feedforward-Steuerung ist in dieser Ausgestaltung die Übertragung des Detektionssignals in das (ebenfalls komplexwertige) Steuersignal. Diese Übertragung bestimmt die Antwort der Feedforward-Steuerung auf das Fehlersignal bei der jeweiligen Harmonischen. Die Übertragung erfolgt nach einer vorgegebenen Übertragungsfunktion. Die Übertragungsfunktion ordnet jedem möglichen Amplituden- und Phasenwert des Detektionssignals einen Amplituden- und Phasenwert des Steuersignals zu, so dass die Fehlersignalkomponente bei der zugeordneten Harmonischen, d.h. das jeweilige Detektionssignal minimiert wird. Die Übertragungsfunktion kann z.B. in Form einer Lookup-Tabelle hinterlegt sein oder durch eine geeignete mathematische Funktion vorgegeben sein. Vorzugsweise ist jeder Stellsignalkomponente, d.h. jedem Kanal der Feedforward-Steuerung eine individuelle Übertragungsfunktion zugeordnet. Die zugeordnete Harmonische wird dann wiederum gemäß dem Steuersignal in Amplitude und Phase moduliert, so dass in jedem Kanal schmalbandig eine Stellsignalkomponente des zweiten Stellsignals bei der Frequenz der zugeordneten Harmonischen erzeugt wird, bevor dieses mit dem ersten Stellsignal kombiniert und dem Aktor zugeführt wird.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Übertragungsfunktion automatisch (langsam, d.h. mit gegenüber der Grundfrequenz des Modulationssignals geringerer Frequenz) adaptiert (z.B. durch Anpassung der Lookup-Tabelle oder durch Variation der Parameter der verwendeten mathematischen Funktion), um Änderungen des/im Regelkreis durch äußere Einflüsse (Druck, Temperatur, Alterung) zu kompensieren. Für die Adaptierung der Feedforward-Steuerung kann, z.B. unter Verwendung eines Mikrocontrollers, ein geeigneter Optimierungsalgorithmus implementiert werden, wie z.B. ein Gradientenverfahren.
Zur Realisierung der beschriebenen adaptiven Feedforward-Steuerung in dem System kann eine Feedforward-Steuereinrichtung vorgesehen sein, die einen mehrkanaligen Aufbau aufweist, wobei jeder Kanal einer Stellsignalkomponente des zweiten Stellsignals, d.h. einer Harmonischen der Grundfrequenz des Modulationssignals zugeordnet ist. Dabei umfasst jeder Kanal einen IQ-Demodulator, der dazu eingerichtet ist, ein komplexes Detektionssignal durch phasenempfindliche Demodulation des Fehlersignals bei der zugeordneten Harmonischen zu erzeugen. Der IQ-Demodulator arbeitet nach dem bekannten IQ-Verfahren (auch als Quadraturdetektion bezeichnet), bei dem die Phaseninformation des Fehlersignals bei der zugeordneten Harmonischen erhalten bleibt. Das Fehlersignal wird dazu mit einem Signal bei der zugeordneten Harmonischen und mit einem demgegenüber um 90° phasenverschobenen Signal gemischt, um den Realteil bzw. den Imaginärteil des Detektionssignals zu erhalten. Weiter ist in jedem Kanal ein IQ-Controller vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, das komplexe Detektionssignal nach Maßgabe der Übertragungsfunktion in das komplexe Steuersignal umzusetzen, wie zuvor beschrieben. Die IQ-Controller der einzelnen Kanäle werden zweckmäßig durch einen Mikrocontroller oder ein geeignetes FPGA implementiert. Schließlich umfasst jeder Kanal einen dem IQ-Controller nachgeschalteten IQ-Modulator. Der IQ-Modulator mischt, wiederum nach dem Quadraturverfahren, das komplexe Steuersignal mit einem Signal bei der zugeordneten Harmonischen. Die so erzeugten Stellsignalkomponenten sind mittels des IQ-Controllers nach Phase und Amplitude in jedem Kanal d.h. für jede Harmonische der Grundfrequenz des Modulationssignals individuell steuerbar. Ein Addierer überlagert sämtliche Stellsignalkomponenten zu dem zweiten Stellsignal, das dann zusammen mit dem ersten Stellsignal dem Aktor des optischen Resonators zugeführt wird.
Das Modulationssignal gibt die beabsichtigte Resonanzfrequenz des optischen Resonators vor. Um das Fehlersignal für das vorgeschlagene Verfahren zu erzeugen, ist ein Maß für die tatsächliche, momentane optische Weglänge des Resonators erforderlich. Das Fehlersignal kann, abhängig von der Anwendung, auf verschiedene Arten erzeugt werden:

In einer möglichen Ausgestaltung ist der optische Resonator ein Laserresonator, d.h. mit einem in dem Resonator befindlichen Verstärkungsmedium, eines nach Maßgabe des Modulationssignals frequenzmodulierten Lasers, wobei das Fehlersignal durch Ankopplung des frequenzmodulierten Lasers an einen bei fester Frequenz emittierenden Referenzlaser erzeugt wird. Die Ankopplung kann durch Überlagerung der Laserstrahlung des Referenzlasers mit der aus dem Laserresonator des frequenzmodulierten Lasers ausgekoppelten Laserstrahlung auf einem Fotodetektor erfolgen, wobei das Schwebungssignal mit einem Hochfrequenzsignal eines Lokaloszillators gemischt wird, das nach Maßgabe des Modulationssignals frequenzmoduliert wird, z.B. durch Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO). Das so modulierte Schwebungssignal liegt als Fehlersignal der vorgeschlagenen Kombination aus Regelung und Feedforward-Steuerung zugrunde, so dass sich die Modulation auf den Laserresonator überträgt, dessen Resonanzfrequenz im Ergebnis dann dem Modulationssignal folgt.

In einer alternativen Ausgestaltung ist der optische Resonator wiederum ein Laserresonator eines frequenzmodulierten Lasers, wobei das Fehlersignal durch Ankopplung des frequenzmodulierten Lasers an einen weiteren, passiven optischen Resonator erzeugt wird, dessen Resonanzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals moduliert wird. Bei dieser Ausgestaltung ist also bereits ein passiver optischer Resonator vorhanden, dessen Resonanzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals moduliert wird. Die optische Weglänge dieses optischen Resonators soll durch das vorgeschlagene Verfahren auf den Laserresonator übertragen werden. Hierzu wird der Laserresonator an den passiven optischen Resonator angekoppelt. Dies erfolgt zweckmäßig durch Einkopplung der aus dem Laserresonator ausgekoppelten Laserstrahlung in den passiven Resonator. Das Fehlersignal kann dann aus der an dem passiven Resonator reflektierten oder aus der durch den Resonator transmittierten Laserstrahlung abgeleitet werden, z.B. durch eine Pound-Drever-Hall- oder eine Hänsch-Couillaud-Technik.
In einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist der optische Resonator ein passiver optischer Resonator, wobei das Fehlersignal durch Ankopplung an einen nach Maßgabe des Modulationssignals frequenzmodulierten Laser erzeugt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist die frequenzmodulierte Laserstrahlung bereits vorhanden und die Resonanzfrequenz des optischen Resonators soll der Frequenz der Laserstrahlung folgen. Der optische Resonator kann dabei ein passiver Resonator sein, in dem sich z.B. ein nichtlineares Medium zur resonanten, nichtlinearen Frequenzvervielfachung der von dem frequenzmodulierten Laser emittierten Laserstrahlung befindet. Oder es kann sich ein Verstärkungsmedium in dem optischen Resonator befinden, um die frequenzmodulierte Laserstrahlung resonant zu verstärken. Die Ankopplung erfolgt zweckmäßig durch Einkopplung der von dem Laser emittierten Laserstrahlung in den optischen Resonator. Das Fehlersignal kann dann aus der an dem Resonator reflektierten oder aus der durch den Resonator transmittierten Laserstrahlung abgeleitet werden, z.B. wiederum durch eine Pound-Drever-Hall- oder eine Hänsch-Couillaud-Technik.
In einer möglichen vorteilhaften Anwendung der zuvor und im Weiteren näher beschriebenen Modulationstechnik kann der optische Resonator ein externer Resonator eines VECSEL oder eines ECDL sein. Die optische Weglänge des externen Resonators kann mit einer Frequenz von 1-100 kHz moduliert werden.
Eine weitere mögliche Anwendung der zuvor und nachfolgend näher beschriebenen Modulationstechnik ergibt sich im Bereich der Lasersysteme zur Erzeugung künstlicher Leitsterne als Referenz für adaptive Optiken von astronomischen Großteleskopen.
Derartige Lasersysteme emittieren mit einer hohen Leistung von 20 W oder mehr, und zwar bei einer Linienbreite von wenigen GHz bis zu weniger als 5 MHz bei der Natriumresonanz von 589 nm (Natrium-D-Linie). Das Laserlicht wird dabei in der Weise erzeugt, dass sein Spektrum zwei Linien umfasst, nämlich bei der Fluoreszenzfrequenz und einer Rückpumpfrequenz. Die Fluoreszenzfrequenz regt die Fluoreszenz der entsprechenden Natriumresonanz an. Die Rückpumpfrequenz ist gegenüber der Fluoreszenzfrequenz um den der Hyperfeinaufspaltung der betreffenden Natriumlinie entsprechenden Betrag verstimmt und bewirkt, dass das Anregungselektron aus dem nicht resonanten Zustand „zurückgepumpt“ wird und somit wieder dem Fluoreszenzprozess zur Verfügung steht. Auf diese Weise lässt sich die Intensität des Fluoreszenzlichts erhöhen (vgl. R. Holzlöhner et al., „Optimization of CW sodium laser guide star efficiency“, Astronomy & Astrophysics, 510, A20, 2010).
Ein für die Erzeugung eines künstlichen Leitsterns grundsätzlich geeignetes Lasersystem beschreibt die DE 10 2011 011 290 A1 . Bei diesem System erfolgt eine Modulation der von einer Laserlichtquelle emittierten elektromagnetischen Strahlung, bevor diese auf die erforderliche Leistung verstärkt wird. Dabei erhält das Spektrum der unverstärkten Strahlung Komponenten bei der Trägerfrequenz und bei wenigstens einem Seitenband. Das wenigstens eine Seitenband wird durch den nachfolgenden optischen Verstärker, bei dem es sich vorzugsweise um einen Raman-Faserverstärker handelt, mitverstärkt, da die Bandbreite der Verstärkung des Raman-Faserverstärkers größer ist als der Frequenzabstand des Seitenbandes von der Trägerfrequenz. Bei der anschließenden Frequenzvervielfachung wird der freie Spektralbereich des resonanten Frequenzvervielfachers auf die Frequenz der zu erzeugenden spektralen Komponenten abgestimmt. Somit wird nach der Umwandlung der Strahlung mittels des Frequenzvervielfachers verstärkte Strahlung erhalten, deren Spektrum Komponenten bei der Fluoreszenzfrequenz und der Rückpumpfrequenz umfasst. Dabei stimmt die Trägerfrequenz mit der gewünschten Fluoreszenzfrequenz überein, während der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz mit der Hyperfeinaufspaltung der atomaren Linie übereinstimmt. Für die Erzeugung eines künstlichen Leitsterns ist damit hinreichend, wenn mit dieser Methode der Verstärkung mittels des Raman-Faserverstärkers und nach der Frequenzvervielfachung die Leistung der erhaltenen Strahlung im Bereich von 20 W liegt, da eine effektive Intensitätssteigerung der Fluoreszenz aufgrund der im Spektrum der Strahlung enthaltenen Rückpumpfrequenz eintritt.
Um die Helligkeit des künstlichen Leitsterns weiter zu erhöhen, kann zusätzlich zu der beschriebenen Seitenbandmodulation eine weitere Frequenzmodulation der Trägerfrequenz der Laserstrahlung (auch als Laser-Chirping bezeichnet) angewendet werden. Die mesosphärischen Natriumatome, die die Laserphotonen absorbieren und in Richtung Boden re-emittieren, werden durch den dabei entstehenden Rückstoß beeinflusst und erhalten daher eine Dopplerverschiebung von durchschnittlich 50 kHz pro Photonenemission. Nach einer Reihe von Absorptionen und Re-Emissionen können die Laserphotonen aufgrund der akkumulierten Doppler-Verschiebung nicht mehr mit dem betreffenden Natriumatom wechselwirken, das Atom hat sich in eine andere Geschwindigkeitsklasse bewegt. Bei dem Laser-Chirping wird die Trägerfrequenz der bei der Rückpumpfrequenz seitenbandmodulierten Laserstrahlung so moduliert, dass sie den Atomen in die jeweils nächste Geschwindigkeitsklasse folgt. In dieser sind dann auch andere Natriumatome vorhanden, die vorher nicht mit der Laserstrahlung wechselwirken konnten. Die Gesamtzahl der Natriumatome, die mit der Laserstrahlung wechselwirken, steigt also, während die Frequenz der Laserstrahlung der Dopplerverschiebung der Natriumatome folgt. Dadurch wird die Intensität der Fluoreszenzstrahlung, d.h. die Helligkeit des Leitsterns entsprechend erhöht. Die Doppler-Verschiebung der Natriumatome ist für Zeiträume wirksam, die der mittleren Kollisionszeit der Natriumatome in der Mesosphäre entsprechen. Diese kann auf 150-200 µs abgeschätzt werden. Daraus folgt, dass beim Laser-Chirping die Laserfrequenz näherungsweise sägezahnförmig variiert werden sollte, und zwar mit einer Wiederholungsrate von 1-20 kHz und mit einem Modulationshub von etwa 200 MHz. Für die Effizienz ist entscheidend, dass die Laserfrequenz nach Durchlaufen des linearen Chirps sehr schnell wieder zurück auf den Anfangswert gebracht wird (vertikale Flanke des Sägezahns). Um dies zu erreichen, kann das beschriebene Modulationsverfahren mit Vorteil eingesetzt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird entsprechend die Laserstrahlung des frequenzmodulierten Lasers (vorzugsweise nach Verstärkung der Laserstrahlung) mittels eines in dem optischen Resonator befindlichen nichtlinearen optischen Kristalls durch resonante Frequenzvervielfachung und/oder Summenfrequenzerzeugung umgewandelt. Das Spektrum der umgewandelten Laserstrahlung weist dann eine Fluoreszenzfrequenz, die mit einem optischen Übergang in einem Atom, d.h. einer Linie im elektronischen Anregungsspektrum des Atoms übereinstimmt, und eine Rückpumpfrequenz, deren Abstand von der Fluoreszenzfrequenz mit der Hyperfeinaufspaltung des optischen Übergangs übereinstimmt, auf. Dabei wird die Fluoreszenzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals sägezahnförmig moduliert, wobei die Grundfrequenz des Modulationssignals 1-20 kHz, vorzugsweise 5-10 kHz und der Modulationshub der Fluoreszenzfrequenz 5-500 MHz, vorzugsweise 100-300 MHz, besonders bevorzugt 200 MHz beträgt. Bei der Erzeugung des künstlichen Leitsterns durch Fluoreszenzanregung von mesosphärischen Natriumatomen entspricht die Fluoreszenzfrequenz der Wellenlänge der Natriumlinie bei 589 nm und der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz +/- 1,7 GHz.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: Darstellung eines Lasersystems in einer ersten Ausführungsform als Blockdiagramm;
2: schematische Darstellung der Ansteuerung der Aktoren eines optischen Resonators;
3: Darstellung eines Lasersystems in einer zweiten Ausführungsform als Blockdiagramm;
4: Darstellung eines Lasersystems in einer dritten Ausführungsform als Blockdiagramm;
5: schematische Darstellung eines mehrkanaligen Feedback-Controllers;
6: Darstellung eines Lasersystems zur Erzeugung eines Laser Guide Stars als Blockdiagramm;
7: schematische Darstellung einer Phasenregelschleife zur Frequenzmodulation der Laserquelle in dem Lasersystem der 6.

Gleiche oder einander entsprechende Elemente sind in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In sämtlichen Ausführungsbeispielen soll die Resonanzfrequenz, d.h. die optische Weglänge eines optischen Resonators 1 moduliert werden, und zwar nach Maßgabe eines Modulationssignals U_mod(t), das periodisch, jedoch nicht harmonisch ist. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Modulationssignal U_mod(t) sägezahnförmig. Das Modulationssignal U_mod(t) wird mittels eines Modulationssignalgenerators 2 erzeugt. Der optische Resonator kann z.B., wie in den 1 und 4 dargestellt, ein Laserresonator mit einem Verstärkungsmedium sein, wobei die Frequenz der emittierten Laserstrahlung nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) moduliert werden soll. Die optische Weglängenmodulation wird durch ein an einen Aktor 3, bei dem es sich z.B. um ein Piezo-Stellelement handelt, angelegtes Signal U_act(t) erzeugt, das (optional) mittels eines geeigneten Leistungsverstärkers 4 verstärkt wird.
Ein Fehlersignaldetektor 5 ist dazu vorgesehen, ein Fehlersignal E(t) aus einem in dem optischen Resonator 1 umlaufenden Lichtfeld abzuleiten, wobei das Fehlersignal E(t) die Abweichung der optischen Frequenz des Lichtfeldes von einem Sollwert angibt. Der Sollwert kann die Resonanzfrequenz des optischen Resonators selbst (3), eines zweiten Resonators (4) oder die optische Frequenz eines weiteren Lichtfeldes, das als Referenz dient, (1), sein. Ein Regler 6, z.B. ein PID-Regler, erzeugt ein erstes Stellsignal S₁(t), das auf den Aktor 3 des optischen Resonators 1 zurückgekoppelt wird. Die durch den Fehlersignaldetektor 5 und den Regler 6 gebildete Regelschleife entspricht einer üblichen Regelung zur Stabilisierung eines optischen Resonators auf die Frequenz eines Lichtfeldes, z.B. gemäß einem Pound-Drever-Hall- oder einem Hänsch-Couillaud-Verfahren.
Das Modulationssignal U_mod(t) und das an dem Aktor 3 anliegende Signal U_act(t) enthalten Frequenzanteile bei Harmonischen f_mod, 2f_mod, 3f_mod, ... der Grundfrequenz f_mod des Modulationssignals U_mod(t). Gerade bei dem dargestellten sägezahnförmigen Signalverlauf mit vertikalem Signalabfall enthält das Modulationssignal U_mod(t) ausgeprägte Frequenzanteile bei höheren Harmonischen. Die Frequenzen dieser Harmonischen liegen außerhalb der Regelungsbandbreite des durch den Regler 6 gebildeten Regelkreises. Die Gründe hierfür sind z.B. mechanische Resonanzen und/oder eine Tiefpasscharakteristik des Aktors 3.
Um das auf den Aktor 3 angewendete Signal U_act(t) so zu erzeugen, dass sich die gewünschten optische Weglänge des Resonators 1 gemäß dem Modulationssignal U_mod(t) ergibt, wird der durch den Regler 6 gebildete Regelkreis ergänzt durch eine Feedforward-Steuereinrichtung 7. Diese erzeugt ein zweites Stellsignal S₂(t), das Stellsignalkomponenten bei (einigen) Harmonischen f_n=nxf_mod, d.h. f_mod, 2f_mod, 3f_mod, ... der Grundfrequenz f_mod des Modulationssignals U_mod(t) aufweist. Die Feedforward-Steuereinrichtung 7 weist, anders ausgedrückt, eine schmalbandige Verstärkung bei den Harmonischen f_n des Modulationssignals Umod(t) auf. Die Leistung des Regelkreises mit dem Regler 6 ist begrenzt, wenn es um schmalbandige Störungen geht, insbesondere bei Frequenzen nahe oder oberhalb der mechanischen Resonanzfrequenzen des Aktors 3. Daher ist die zusätzliche Feedforward-Steuereinrichtung 7 so ausgelegt, dass sie bei den Oberwellen der Grundfrequenz des Modulationssignals U_mod(t) eine hohe Verstärkung aufweist. Das kombinierte Verstärkungsverhalten des Regelkreises und der Feedforward-Steuerung entspricht demjenigen eines einzigen Schleifenfilters, dessen spektral modulierte Verstärkung, abhängig von dem Modulationssignal U_mod(t) und dem Ansprechverhalten des Aktors 3, es erlaubt, dem Störspektrum wirksam entgegenzuwirken.
Der Regler 6 und die Feedforward-Steuereinrichtung 7 sind über einen Addierer 8 mit dem Aktor 3 (optional mit zwischengeschaltetem Verstärker 4) verbunden, sodass der Aktor 3 mit dem Signal U_act(t) als Überlagerungssignal aus dem ersten Stellsignal S₁(t) und dem zweiten Stellsignal S₂(t) beaufschlagt wird. Alternativ kann es vorteilhaft sein, für den Regler 6 und die Feedforward-Steuereinrichtung 7 jeweils separate Aktoren 3a und 3b zu verwenden, wie in 2 dargestellt, z.B. einen langsamen „Tieftöner“ 3a für den Regler 6 und einen schnelleren „Hochtöner“ 3b für die Feedforward-Steuereinrichtung 7.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind der Modulationssignalgenerator 2 und die Feedforward-Steuereinrichtung 7 zu einer Modulationseinheit 9 zusammengefasst. Der Modulationssignalgenerator 2 erzeugt das Modulationssignal U_mod(t) und außerdem phasensynchrone Signale bei den Frequenzen f_mod, 2f_mod, 3f_mod, ..., die der Feedforward-Steuereinrichtung 7 zugeführt werden.
Das Fehlersignal E(t) wird in den dargestellten Ausführungsbeispielen, abhängig von der Anwendung, auf verschiedene Arten erzeugt:

In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der optische Resonator 1 ein Laserresonator, d.h. mit einem in dem Resonator befindlichen Verstärkungsmedium, eines nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) frequenzmodulierten Lasers, wobei das Fehlersignal E(t) durch Ankopplung an einen bei fester Frequenz emittierenden Referenzlaser 10 erzeugt wird. Die Ankopplung erfolgt durch Überlagerung der Laserstrahlung des Referenzlasers 10 mit der aus dem Laserresonator 1 des frequenzmodulierten Lasers ausgekoppelten Laserstrahlung auf einem Fotodetektor (nicht dargestellt) des Fehlersignaldetektors 5, wobei das Schwebungssignal mit einem Hochfrequenzsignal eines Lokaloszillators (nicht dargestellt) gemischt wird, das nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) frequenzmoduliert wird, z.B. durch Verwendung eines spannungsgesteuerten Oszillators (VCO). Hierzu wird in 1 das Modulationssignal U_mod(t) dem Fehlersignaldetektor 5 zugeführt. Das so modulierte Schwebungssignal liegt als Fehlersignal E(t) der beschriebenen Kombination aus Regelung per Regler 6 und Feedforward-Steuerung per Feedforward-Steuereinrichtung 7 zugrunde, so dass sich die Modulation auf den Laserresonator überträgt, dessen Resonanzfrequenz im Ergebnis dann dem Modulationssignal U_mod(t) folgt.

In dem Ausführungsbeispiel der 3 ist der optische Resonator 1 ein passiver optischer Resonator, wobei das Fehlersignal E(t) durch Ankopplung an einen nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) frequenzmodulierten Laser 11 erzeugt wird. Bei dieser Ausgestaltung ist die frequenzmodulierte Laserstrahlung bereits vorhanden und die Resonanzfrequenz des optischen Resonators 1 soll der Frequenz der Laserstrahlung folgen. Die Ankopplung erfolgt durch Einkopplung der von dem Laser 11 emittierten Laserstrahlung in den optischen Resonator 1. Das Fehlersignal E(t) kann dann mittels des Fehlersignaldetektors 5 aus der an dem Resonator 1 reflektierten oder aus der durch den Resonator transmittierten Laserstrahlung abgeleitet werden, z.B. durch eine Pound-Drever-Hall- oder eine Hänsch-Couillaud-Technik.
In dem Ausführungsbeispiel der 4 ist der optische Resonator 1 wiederum ein Laserresonator, wobei das Fehlersignal E(t) durch Ankopplung an einen weiteren, passiven optischen Resonator 12 erzeugt wird, dessen Resonanzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) moduliert wird. Bei dieser Ausgestaltung ist also bereits ein passiver optischer Resonator 12 vorhanden, dessen Resonanzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) moduliert wird. Die optische Weglänge dieses optischen Resonators soll auf den Laserresonator 1 übertragen werden. Die Ankopplung erfolgt zweckmäßig durch Einkopplung der aus dem Laserresonator 1 ausgekoppelten Laserstrahlung in den passiven Resonator 12. Das Fehlersignal E(t) wird dann mittels des Fehlersignaldetektors 5 aus der an dem passiven Resonator 12 reflektierten oder aus der durch den Resonator 12 transmittierten Laserstrahlung abgeleitet, z.B. wiederum durch eine Pound-Drever-Hall- oder eine Hänsch-Couillaud-Technik.
5 illustriert den mehrkanaligen Aufbau der Feedforward-Steuereinrichtung 7. Das Fehlersignal E(t) wird in die Feedforward-Steuereinrichtung 7 eingespeist und in den einzelnen Kanälen, die jeweils bei einer Harmonischen f_n arbeiten, schmalbandig analysiert, um in jedem Kanal eine Stellsignalkomponente zu erzeugen, d.h. eine Frequenzkomponente des zweiten Stellsignals bei der jeweils zugeordneten Harmonischen f_n. Wenn das Fehlersignal E(t) Frequenzanteile enthält, die der Regler 6 nicht in der Lage ist zu kompensieren, werden daraus in den betreffenden Kanälen der Feedforward-Steuereinrichtung 7 Stellsignalkomponenten schmalbandig, d.h. bei genau diesen Frequenzen erzeugt, die hinsichtlich Phase und Amplitude so angepasst sind, dass den störenden Frequenzanteilen im Fehlersignal E(t) entgegengewirkt wird. Wie die 5 zeigt, umfasst hierzu jeder Kanal einen IQ-Demodulator 13, der dazu eingerichtet ist, ein komplexes Detektionssignal durch phasenempfindliche Demodulation des Fehlersignals bei der zugeordneten Harmonischen f_n zu erzeugen. Ein entsprechendes Signal 14₁, 14₂, ...14_n wird jedem Kanal der Feedforward-Steuereinrichtung 7 von dem Modulationssignalgenerator 2 zugeführt. Der IQ-Demodulator 13 jedes Kanals arbeitet nach dem bekannten IQ-Verfahren. Weiter ist in jedem Kanal ein IQ-Controller 15 vorgesehen, der dazu eingerichtet ist, das komplexwertige Detektionssignal des IQ-Demodulators 13, d.h. mit Real- (I-Signal) und Imaginärteil (Q-Signal), nach Maßgabe einer Übertragungsfunktion in ein ebenfalls komplexes Steuersignal umzusetzen. In jedem Kanal befindet sich zusätzlich ein Vorkompensationsglied 16, das dazu eingerichtet ist, auf Basis vorab hinterlegter Parameter in jedem Kanal eine individuelle Phasenkorrektur des Steuersignals anzuwenden. Um die Konvergenz der kombinierten Regelung und Feedforward-Steuerung zu gewährleisten, kann eine grobe Kenntnis des Phasenganges des Gesamtsystems hilfreich oder sogar notwendig sein. Dies umfasst jede Komponente vom Ausgang des Modulationssignalgenerators 2 bis einschließlich zu dem Aktor 3, insbesondere Komponenten mit nicht-trivialem Phasenverhalten, wie z.B. den Verstärker 4. Diese Information wird verwendet, um den Real- und Imaginärteil des Steuersignals in jedem Kanal (vor oder nach dem IQ-Controller 15) einer Vorkompensation zu unterziehen. Diese Vorkompensation erfolgt mittels des Vorkompensationsgliedes 15 zweckmäßig durch eine Rotation jedes IQ-Koordinatensystems. Die system- und frequenzabhängigen Drehwinkel können dabei vorab als Ergebnis einer Vektornetzwerkanalyse des Gesamtsystems ermittelt werden. Schließlich umfasst jeder Kanal einen dem IQ-Controller 15 nachgeschalteten IQ-Modulator 17. Der IQ-Modulator 17 mischt, wiederum nach dem Quadraturverfahren, das komplexe (und vorkompensierte) Steuersignal mit dem entsprechenden Signal 14₁, 14₂, ...14_n. Die so erzeugten Stellsignalkomponenten sind mittels des IQ-Controllers 15 nach Phase und Amplitude in jedem Kanal individuell steuerbar. Ein weiterer Addierer 18 überlagert sämtliche Stellsignalkomponenten zu dem zweiten Stellsignal S₂(t), das dann zusammen mit dem ersten Stellsignal S₁(t) dem Aktor 3 des optischen Resonators 1 zugeführt wird.
Die Funktion und Wirkung der in 5 gezeigten mehrkanaligen Feedforward-Steuereinrichtung 7 wird bestimmt durch die Umsetzung des Detektionssignals in das Steuersignal in jedem Kanal. Diese Umsetzung bestimmt die Antwort der Feedforward-Steuerung auf das Fehlersignal E(t). Die Umsetzung erfolgt zweckmäßig nach einer vorgegebenen Übertragungsfunktion.
Optional kann die Übertragungsfunktion automatisch (langsam, d.h. mit gegenüber der Grundfrequenz des Modulationssignals geringerer Frequenz) adaptiert werden, um Änderungen des/im Regelkreis durch äußere Einflüsse (Druck, Temperatur, Alterung) zu kompensieren. Für diese Adaptierung kann ein Mikrocontrollers oder FPGA verwendet werden, der bzw. das für die Implementierung der gesamten Modulationseinheit 9 verwendet wird. Auf diese Weise ergibt sich eine Kombination aus Regelung per Regler 6 und adaptiver Feedforward-Steuerung per mehrkanaliger Steuereinrichtung 7, die insgesamt eine effektive Kompensation von unerwünschten Frequenzkomponenten bei der Modulation der optischen Weglänge des Resonators 7 nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) erreicht.
Das Lasersystem in 6 zur Erzeugung eines künstlichen Leitsterns ist ähnlich aufgebaut wie das System der 3. Es verwendet einen frequenzmodulierten Laser 11. Die Erzeugung der frequenzmodulierten Laserstrahlung bei 1178 nm erfolgt mittels einer optischen Phasenregelschleife 19, deren Einzelheiten in 7 gezeigt sind. Diese arbeitet mit einer Ankopplung des Lasers 11 an einen Festfrequenz-Referenzlaser 20 mit modulierter Offset-Frequenz, d.h. die optischen Frequenz des Lasers 11 wird auf die optische Frequenz des Festfrequenz-Referenzlasers mit einem Frequenzversatz gelockt, der nach Maßgabe des sägezahnförmigen Modulationssignals U_mod(t) der gewünschten Frequenzmodulation entspricht. Die optische Frequenz des Lasers 11 kann auf diese Weise auf ein Frequenznormal bezogen werden (indem der Festfrequenz-Referenzlaser 20 auf ein Frequenznormal, z.B. ein kalibriertes Wellenlängenmessgerät oder eine Atom- oder Molekülresonanz bezogen wird). Zur Ankopplung werden die Laserstrahlung des Lasers 11 und die Laserstrahlung des Festfrequenz-Referenzlasers 20 auf einem Fotodetektor 21 überlagert. Frequenz und Phase des entstehenden Schwebungssignals werden (optional nach Durchlaufen einer Frequenzteilerstufe 22) mittels eines geeigneten Phasen-/Frequenzdetektors (PFD) 23 erfasst. Die Frequenzteilerstufe 22 kann vorteilhaft sein, um den Eindeutigkeitsbereich des PFD 23 zu erhöhen und damit eine stabile Ankopplung auch bei Laserlinienbreiten im MHz-Bereich zu erzielen. Ein gemäß dem Modulationssignal U_mod(t) um eine definierte Offset-Frequenz herum frequenzmoduliertes Hochfrequenzsignal wird mittels eines HF-Signalgenerators 24 erzeugt, der von dem Modulationssignalgenerator 2 angesteuert wird. Bei der Bemessung des Modulationshubs des Hochfrequenzsignals ist eine etwaige Frequenzteilung in der Frequenzteilerstufe 22 zu berücksichtigen. Ein PID-Regler 25 stabilisiert das Detektionssignal des PFD 23, so dass im Ergebnis die Laserstrahlung des Lasers 11 relativ zu dem Festfrequenz-Referenzlaser 20 nach Maßgabe des Modulationssignals U_mod(t) frequenzmoduliert ist. Dabei gibt der HF-Signalgenerator 24 den Modulationshub und die Offset-Frequenz gegenüber der Frequenz des Festfrequenz-Referenzlasers 20 vor.
Bei dem Laser 11 handelt es sich z.B. um einen Diodenlaser, wobei der PID-Regler 25 den Injektionsstrom der (nicht dargestellten) Laserdiode steuert, um die Frequenz zu modulieren.
Es erfolgt zusätzlich eine weitere, der zuvor beschriebenen Frequenzmodulation überlagerte Frequenzmodulation, wobei die zugehörigen Einzelheiten in den 6 und 7 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Diese weitere Modulation erfolgt bei zwei Frequenzen gleichzeitig. Eine Modulationsfrequenz beträgt 1,7 GHz. Durch diese Modulationsfrequenz erhält das Spektrum der von der Laserlichtquelle 11 emittierten Strahlung ein Seitenband bei 1,7 GHz relativ zu der gemäß dem Modulationssignal U_mod(t) sägezahnförmig modulierten Trägerfrequenz. Dieses Seitenband ist letztlich Grundlage für die Erzeugung von Strahlung bei der Rückpumpfrequenz entsprechend der Hyperfeinaufspaltung der Natrium-D-Linie. Die weitere Modulationsfrequenz liegt im Bereich zwischen 5 und 100 MHz. Durch diese Modulation wird noch ein weiteres Seitenband erzeugt, welches der Ankopplung an den optischen Resonator 1 gemäß dem Pound-Drever-Hall Verfahren mittels des Fehlersignaldetektors 5 dient.
Die so frequenzmodulierte Laserstrahlung des Lasers 11 wird in einem optischen Verstärker 26 verstärkt. Es eignet sich z.B. ein Raman-Faserverstärker, wie er in der EP 2 081 264 A1 beschrieben ist. Der Raman-Faserverstärker 26 verstärkt die frequenzmodulierte Strahlung des Lasers 11. Die Verstärkungsbandbreite des Raman-Faserverstärkers 26 ist entsprechend groß. Am Ausgang des Raman-Faserverstärkers 26 beträgt die Leistung der Laserstrahlung ca. 30 bis 40 W.
Das vorgeschlagene Regelungs- und adaptive Feedforward-Steuerungsverfahren wird nun verwendet, um die Resonanzfrequenz des optischen Resonators 1 der sägezahnförmig gechirpten Frequenz des Lasers 11 präzise folgen zu lassen. Die verstärkte Laserstrahlung wird resonant frequenzvervielfacht. Hierzu wird ein nichtlinearer Kristall (nicht dargestellt) verwendet, der sich innerhalb des optischen Resonators 1 befindet. Dabei wird die verstärkte Laserstrahlung durch Frequenzvervielfachung und Summenfrequenzerzeugung umgewandelt. Das Spektrum der Laserstrahlung am Ausgang des optischen Resonators umfasst Intensitäten bei der (gechirpten) Natrium-Fluoreszenzfrequenz und der Rückpumpfrequenz in festem relativem Frequenzabstand dazu.
Eine weitere Anwendung der vorgeschlagenen kombinierten Regelung und adaptiven Feedforward-Steuerung ergibt sich bei der Modulation der Resonanzfrequenz eines ECDL- oder VECSEL-Resonators. Bei einem VECSEL können Effekte wie spektrales Lochbrennen das Erreichen von hoher Ausgangsleistung im Einfrequenzbetrieb erschweren. Durch eine Modulation der optischen Weglänge des Resonators können solche Effekte reduziert werden. Insofern kann die vorgeschlagene Methode für eine definierte periodische Modulation (bei Grundfrequenzen 1-100 kHz) der optischen Weglänge des VECSEL-Resonators verwendet werden, z.B. durch periodisches Kippen, Drehen oder anderweitiges Bewegen eines frequenzselektiven Resonatorelementes, wie z.B. eines Etalons.

Claims

Verfahren zur Modulation der Resonanzfrequenz eines optischen Resonators (1) nach Maßgabe eines periodischen Modulationssignals (U_mod(t)), mit den folgenden Verfahrensschritten: - Ableiten eines Fehlersignals (E(t)) aus einem in dem Resonator (1) umlaufenden Lichtfeld, wobei das Fehlersignal (E(t)) die Abweichung der optischen Frequenz des Lichtfelds von einem durch das Modulationssignal (U_mod(t)) vorgegebenen momentanen Sollwert angibt, - Ableiten eines ersten Stellsignals (S₁(t)) aus dem Fehlersignal (E(t)) mittels eines Reglers (6), wobei das Modulationssignal (U_mod(t)) und/oder das Fehlersignal (E(t)) Frequenzanteile bei Harmonischen der Grundfrequenz (f_mod) des Modulationssignals (U_mod(t)) aufweisen, deren Frequenzen außerhalb der Regelungsbandbreite des durch den Regler (6) gebildeten Regelkreises liegen, - Erzeugen eines zweiten Stellsignals (S₂(t)), das Stellsignalkomponenten bei mindestens zwei Harmonischen (f_mod, 2f_mod, ...) der Grundfrequenz (f_mod) des Modulationssignals (U_mod(t)) aufweist, und - Beaufschlagung eines die optische Weglänge des Resonators (1) ändernden Aktors (3) mit einem Überlagerungssignal aus dem ersten und dem zweiten Stellsignal (S₁(t), S₂(t)), sodass die Resonanzfrequenz des optischen Resonators (1) dem Modulationssignal U_mod(t) folgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Phase und die Amplitude jeder Stellsignalkomponente des zweiten Stellsignals (S₂(t)) individuell so eingestellt werden, dass die Amplitude des Fehlersignals (E(t)) bei der zugeordneten Harmonischen (f_mod, 2f_mod, ...) minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Stellsignal (S₂(t)) aus dem Fehlersignal (E(t)) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei jede Stellsignalkomponente erzeugt wird durch - phasenempfindliche Demodulation des Fehlersignals (E(t)) bei der zugeordneten Harmonischen, - Übertragung des resultierenden komplexen Detektionssignals in ein komplexes Steuersignal nach Maßgabe einer Übertragungsfunktion und - Modulation der zugeordneten Harmonischen (f_mod, 2f_mod, ...) gemäß dem komplexen Steuersignal.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei jeder Stellsignalkomponente eine individuelle Übertragungsfunktion zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion adaptiert wird, so dass die Amplitude des Fehlersignals (E(t)) bei der zugeordneten Harmonischen minimiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der optische Resonator (1) ein Laserresonator und der Sollwert eine mit einem gemäß Modulationssignal (U_mod(t)) variierenden Offset beaufschlagte feste Frequenz eines Referenzlasers (10) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der optische Resonator (1) ein Laserresonator eines in der Frequenz zu modulierenden Lasers ist und wobei das Fehlersignal (E(t)) durch Ankopplung des in der Frequenz zu modulierenden Lasers an einen weiteren, passiven optischen Resonator (12) erzeugt wird, dessen Resonanzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals (U_mod(t)) moduliert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der optische Resonator (1) ein passiver optischer Resonator ist und wobei das Fehlersignal (E(t)) durch Ankopplung an einen nach Maßgabe des Modulationssignals (U_mod(t)) frequenzmodulierten Laser (11) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Laserstrahlung des frequenzmodulierten Lasers (11) verstärkt und mittels eines in dem optischen Resonator (1) befindlichen nichtlinearen optischen Kristalls durch resonante Frequenzvervielfachung und/oder Summenfrequenzerzeugung umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Spektrum der umgewandelten Laserstrahlung eine Fluoreszenzfrequenz, die mit einem optischen Übergang in einem Atom, d.h. einer Linie im elektronischen Anregungsspektrum des Atoms übereinstimmt, und eine Rückpumpfrequenz, deren Abstand von der Fluoreszenzfrequenz mit der Hyperfeinaufspaltung des optischen Übergangs übereinstimmt, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Fluoreszenzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals (U_mod(t)) sägezahnförmig moduliert wird, wobei die Grundfrequenz des Modulationssignals (U_mod(t)) 1-50 kHz, vorzugsweise 5-10 kHz und der Modulationshub der Fluoreszenzfrequenz 5-500 MHz, vorzugsweise 100-300 MHz beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Fluoreszenzfrequenz der Wellenlänge der Natriumlinie bei 589 nm entspricht und der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz +/- 1,7 GHz beträgt.
System mit - einem optischen Resonator (1), - wenigstens einem Aktor (3), der dazu eingerichtet ist, die optische Weglänge des Resonators (1) zu ändern, - einem Modulationssignalgenerator (2), der dazu eingerichtet ist, ein periodisches Modulationssignal (U_mod(t)) zu erzeugen, - einem Fehlersignaldetektor (5), der dazu eingerichtet ist, ein Fehlersignal (E(t)) aus einem in dem Resonator (1) umlaufenden Lichtfeld abzuleiten, wobei das Fehlersignal (E(t)) die Abweichung der optischen Frequenz des Lichtfeldes von einem durch das Modulationssignal (U_mod(t)) vorgegebenen momentanen Sollwert angibt, - einem Regler (6), der dazu eingerichtet ist, ein erstes Stellsignal (S₁(t)) aus dem Fehlersignal (E(t)) abzuleiten, wobei das Modulationssignal (U_mod(t)) und/oder das Fehlersignal (E(t)) Frequenzanteile bei Harmonischen der Grundfrequenz (f_mod) des Modulationssignals (U_mod(t)) aufweisen, deren Frequenzen außerhalb der Regelungsbandbreite des durch den Regler (6) gebildeten Regelkreises liegen, - einer Feedforward-Steuereinrichtung (7), die dazu eingerichtet ist, eine zweites Stellsignal (S₂(t)) zu erzeugen, das Stellsignalkomponenten bei mindestens zwei Harmonischen (f_mod, 2f_mod, ...) der Grundfrequenz (f_mod) des Modulationssignals (U_mod(t)) aufweist, wobei der Regler (6) und die Feedforward-Steuereinrichtung (7) mit dem Aktor (3) verbunden sind, so dass dieser mit einem Überlagerungssignal (U_act(t)) aus dem ersten und dem zweiten Stellsignal (S₁(t), S₂(t)) beaufschlagt wird und die Resonanzfrequenz des optischen Resonators (1) dem Modulationssignal U_mod(t) folgt.
System nach Anspruch 14, wobei die Feedforward-Steuereinrichtung (7) einen mehrkanaligen Aufbau aufweist, wobei jeder Kanal einer Stellsignalkomponente des zweiten Stellsignals (S₂(t)) zugeordnet ist und wobei jeder Kanal umfasst: - einen IQ-Demodulator (13), der dazu eingerichtet ist, ein komplexes Detektionssignal durch phasenempfindliche Demodulation des Fehlersignals (E(t)) bei der zugeordneten Harmonischen (f_mod, 2f_mod, ...) zu erzeugen, - einen dem IQ-Demodulator (13) nachgeschalteten IQ-Controller (15), der dazu eingerichtet ist, das komplexe Detektionssignal nach Maßgabe einer Übertragungsfunktion in ein komplexes Steuersignal umzusetzen, - einen dem IQ-Controller (15) nachgeschalteten IQ-Modulator (17), der dazu eingerichtet ist, die Stellsignalkomponente durch Modulation der zugeordneten Harmonischen (f_mod, 2f_mod, ...) gemäß dem komplexen Steuersignal zu erzeugen, wobei die Feedforward-Steuereinrichtung (7) einen Addierer (18) aufweist, der mit den IQ-Modulatoren (17) aller Kanäle verbunden und dazu eingerichtet ist, das zweite Stellsignal (S₂(t)) durch Addition der Stellsignalkomponenten zu erzeugen.
System nach Anspruch 15, wobei der IQ-Controller (15) jedes Kanals dazu eingerichtet ist, die Übertragungsfunktion in der Weise zu adaptieren, dass die Amplitude des Detektionssignals minimiert wird.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der optische Resonator (1) ein Laserresonator ist und wobei der Fehlersignaldetektor (5) dazu eingerichtet ist, das Fehlersignal (E(t) durch Ankopplung des Laserresonators an einen bei fester Frequenz emittierenden Referenzlaser (10) zu erzeugen, wobei der Sollwert eine mit einem gemäß Modulationssignal (U_mod(t)) variierenden Offset beaufschlagte feste Frequenz eines Referenzlasers (10) ist.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der optische Resonator (1) ein Laserresonator eines in der Frequenz zu modulierenden Lasers ist und wobei der Fehlersignaldetektor (5) dazu eingerichtet ist, das Fehlersignal (E(t)) durch Ankopplung des Laserresonators des in der Frequenz zu modulierenden Lasers an einen weiteren, passiven optischen Resonator (12) zu erzeugen, dessen Resonanzfrequenz nach Maßgabe des Modulationssignals (U_mod(t)) moduliert ist.
System nach Anspruch 17 oder 18, wobei der optische Resonator (1) der externe Resonator eines VECSEL oder ECDL ist.
System nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der optische Resonator (1) ein passiver optischer Resonator ist und wobei der Fehlersignaldetektor (5) dazu eingerichtet ist, das Fehlersignal (E(t)) durch Ankopplung des passiven optischen Resonators (1) an einen nach Maßgabe des Modulationssignals frequenzmodulierten Laser (11) zu erzeugen.
System nach Anspruch 20, wobei sich in dem passiven optischen Resonator (1) ein nichtlinearer optischer Kristall befindet, der dazu eingerichtet ist, die Laserstrahlung des frequenzmodulierten Lasers (11) durch resonante Frequenzvervielfachung und/oder Summenfrequenzerzeugung umzuwandeln.
System nach Anspruch 21, wobei das Spektrum der umgewandelten Laserstrahlung eine Fluoreszenzfrequenz, die mit einem optischen Übergang in einem Atom, d.h. einer Linie im elektronischen Anregungsspektrum des Atoms übereinstimmt, und eine Rückpumpfrequenz, deren Abstand von der Fluoreszenzfrequenz mit der Hyperfeinaufspaltung des optischen Übergangs übereinstimmt, aufweist.
System nach Anspruch 22, wobei das Modulationssignal (U_mod(t)) sägezahnförmig ist, wobei die Grundfrequenz des Modulationssignals (U_mod(t)) 1-50 kHz, vorzugsweise 5-10 kHz und der resultierende Modulationshub der Fluoreszenzfrequenz 5-500 MHz, vorzugsweise 100-300 MHz beträgt.
System nach Anspruch 23, wobei die Fluoreszenzfrequenz der Wellenlänge der Natriumlinie bei 589 nm entspricht und der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz +/- 1,7 GHz beträgt.