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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines schmalbandigen Lasers, der einen Laserresonator einer variierbaren Resonatorlänge mit einem aktiven Güteschalter zur Erzeugung von Laserpulsen aufweist, bei dem Laserstrahlung eines Seed-Lasers mit einer Wellenlänge, bei der die Laserpulse erzeugt werden sollen, in den Laserresonator eingekoppelt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Laseranordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Gütegeschaltete Laser haben im Allgemeinen eine spektrale Bandbreite, die viele longitudinale Moden des Laserresonators umfasst. Ausnahmen bilden z.B. Laserstrahlquellen, die bedingt durch einen kurzen Resonator einen so großen longitudinalen Modenabstand haben, dass nicht mehr als eine Mode im aktiven Medium verstärkt werden kann. Meist sind dies Quellen mit einem passiven Güteschalter, da alleine der Bauraum eines aktiven Güteschalters normalerweise eine Resonatorlänge erfordert, die die oben genannte Bedingung unerfüllbar macht.
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Erfordert die Anwendung spektrale Schmalbandigkeit, muss der Laser derart manipuliert werden, dass weniger longitudinale Moden angeregt und verstärkt werden. Dies erfolgt häufig durch das sogenannte Seeden des Laseroszillators mit einem schmalbandigen Laser, dem sogenannten Seed-Laser. Dieser Seed-Laser stellt im Resonator des in der Frequenz zu stabilisierenden Lasers eine wirksame Photonendichte der bevorzugten Wellenlänge bereit, die mehrere Größenordnungen über der natürlichen, fluoreszenzbedingten liegt und den Resonator bei dieser Wellenlänge anregt. Soll nur die eine longitudinale Mode im Resonator angeregt und verstärkt werden, die der Frequenz des Seed-Lasers entspricht, muss die Umlauflänge des Laserresonators ein Vielfaches der Wellenlänge des Seed-Lasers betragen. Der Seed-Laser muss dabei hinreichend schmalbandig sein, um bei gegebenem freiem Spektralbereich und Zeit-Bandbreitenlimit einen monofrequenten Betrieb des Lasers zu gewährleisten. In der Regel wird ein Seed-Laser mit einer Bandbreite eingesetzt, die unterhalb von ca. 10-20% des Zeit-Bandbreitenlimits des Oszillators liegt. Für einen stabilen monofrequenten bzw. schmalbandigen Betrieb eines gütegeschalteten Lasers bei Wellenlängen im VIS bis NIR von ca. 400 nm bis ca. 3 µm darf die Resonatorlänge also nur um Bruchteile eines Nanometers schwanken. Alleine schon natürliche thermische Drift, insbesondere aber Vibrationen, erzeugen allerdings schon größere Schwankungen. Es ist also erforderlich, die Resonatorlänge des Lasers aktiv zu regeln und damit zu stabilisieren.
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Stand der Technik
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Ein bewährtes Verfahren zur Regelung der Resonatorlänge für einen monofrequenten bzw. entsprechend schmalbandigen Betrieb eines gütegeschalteten Lasers ist das Ramp-Fire-Verfahren, wie es beispielsweise in
S. W. Henderson et al.,"Fast resonance-detection technique for single-frequency operation of injection-seeded Nd:YAG lasers", Optics Letters, Vol. 11, No. 11, Nov. 1986, beschrieben ist. Dabei wird einer der Spiegel des Laserresonators axial verschoben, so dass der Resonator als Scanning Fabry-Perot-Interferometer betrachtet werden kann. Bewährt haben sich dafür bspw. Piezoaktoren, mit denen ein Hub von einigen µm auf einer Zeitskala von 10 µs bis 500 µs möglich ist. Während des Seedens des Laserresonators wird beim Ramp-Fire-Verfahren die Resonatorumlauflänge um mindestens eine Wellenlänge annähernd linear verändert und die Transmittivität des Resonators bei der Wellenlänge des Seed-Lasers mit einer Photodiode (qualitativ) gemessen. Es ergibt sich das typische Transmissionssignal eines Scanning Fabry-Perot-Interferometers für ein monofrequentes Signal. In den Transmissionsmaxima ist der Resonator in Resonanz zum Seed-Signal, und der Güteschalter des Laserresonators kann ausgelöst werden. Wird beim Güteschalten die optische Resonatorlänge verändert, muss die daraus resultierende Längenänderung kompensiert werden, da der geschaltete Resonator bei gleicher geometrischer Länge zum resonanten ungeschalteten Resonator nicht mehr in Resonanz ist. Dies ist beispielsweise bei Verwendung einer Pockelszelle als Güteschalter der Fall, die aus einem doppelbrechenden Kristall besteht, der in einer Achse beim Schalten die Brechzahl ändert. Die Kompensation erfolgt mit einer festen Verzögerung des Schaltvorgangs zur vorher detektierten Resonanz, in der der Piezoaktor die entsprechende Änderung der optischen Resonatorlänge geometrisch verfährt und die beim Güteschalten hervorgerufenen Änderung kompensiert. Der Laserresonator emittiert dann einen entsprechend schmalbandigen bzw. monofrequenten Laserpuls. Andere Verfahren zur Abstimmung der optischen Weglänge des Resonators auf den Seed-Laser sind ebenfalls möglich, beispielsweise basierend auf akustooptischen oder elektrooptischen Modulatoren statt Piezoaktoren.
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Das Ramp-Fire-Verfahren hat den großen Vorteil, dass der Zeitraum zwischen der Information über die Resonanz und dem Laserpuls nur sehr klein ist. Er beträgt abhängig von der Konfiguration typischerweise nur wenige Nanosekunden bis einige Mikrosekunden. Dadurch haben störende äußere Einwirkungen nur eine sehr kleine Auswirkung auf das System, so dass das Ramp-Fire-Verfahren in der Regel einen sehr stabilen monofrequenten Betrieb ermöglicht. Des Weiteren wird mit dem Piezoaktor eine feste, annähernd lineare Rampe gefahren, die Aktorposition wird nicht als Regelgröße eingesetzt. Dadurch stellen die massebedingte Trägheit des Aktors und seine Hysterese keine direkte Begrenzung für die Regelgenauigkeit dar. Die Genauigkeit des Verfahrens steigt jedoch mit der Rampensteilheit, also der Geschwindigkeit der linearen Längenänderung durch den Piezoaktor, da mit größerer Geschwindigkeit zum einen der Zeitraum zwischen der Information über die Resonanz und dem Laserpuls kleiner ist und zum anderen die größere Schärfe des Resonanzsignals die (elektronische) Detektion genauer macht. Hier stellt allerdings die massebedingte Trägheit des Aktors indirekt eine Grenze für die Regelgenauigkeit dar, weil sie die Steilheit der Rampe begrenzt.
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Das Ramp-Fire-Verfahren hat aber auch grundsätzliche Nachteile. So ist der genaue Zeitpunkt der Resonanz und damit der genaue Zeitpunkt der Emission des Laserpulses a priori nicht bekannt. Er ist um einen freien Spektralbereich bzw. um das durch die Verfahrgeschwindigkeit des Piezoaktors gegebene entsprechende Zeitäquivalent, typischerweise ein Zeitraum von 10 µs und größer, variabel. Dies führt zum einen dazu, dass die Verstärkung im aktiven Medium im Allgemeinen für jeden Puls eine andere ist, da sie sich bei einem konstanten Pumpen oder Nicht-Pumpen auf einer µs-Zeitskala ändert. Die Folge sind unerwünschte Energieschwankungen von Puls zu Puls. Zum anderen wird die Synchronisation anderer zum Lasersystem zugehöriger Geräte erheblich erschwert oder gar unmöglich gemacht, insbesondere wenn diese anderen Geräte in einem festen Zeitbezug zum Laserpuls ausgelöst, aber durch interne Verzögerungen vor dem Laserpuls bereits getriggert werden müssen. Ein weiterer Nachteil besteht in der mechanischen Belastung des für die Längenänderung genutzten Aktors. Die lineare Rampe und insbesondere die starken Beschleunigungen beim Start und am Ende der Rampe belasten den Aktor mechanisch sehr stark. Diese Belastung wirkt Lebensdauer verkürzend und ist für Anwendungen, bei denen der Aktor nur mit großem Aufwand oder gar nicht auszutauschen ist, unerwünscht. Die Belastung des Aktors steigt mit der Rampensteilheit, mit der allerdings auch die Genauigkeit des Verfahrens und damit die Frequenzstabilität des Resonators steigen. Frequenzstabilität und Belastung für den Aktor stehen also im Zielkonflikt. Eine flachere Rampe erhöht ebenfalls das Problem der Pulsenergieschwankungen, da sich das Zeitintervall der Laserpulsauslösung mit fallender Rampensteilheit vergrößert.
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Insbesondere der zuletzt beschriebene Nachteil ist von großer Relevanz für Satellitenanwendungen. In einem elektrooptisch oder akustooptisch gütegeschalteten Laser mit Verstärker und Frequenzkonverter gibt es ohne Regelung der Resonatorlänge keine mechanisch beanspruchten oder bewegten Bauteile. Wird aber der Resonator mit einem Piezoaktor geregelt, so hat der Piezoaktor als einziges mechanisch bewegtes Element mit die höchste Ausfallwahrscheinlichkeit aller Bauteile des Lasers und stellt somit einen begrenzenden Faktor für die Dauer einer Satelliten-gestützten Mission dar. Redundanz durch Einbau eines weiteren Piezoaktors an einen anderen Resonatorspiegel ist aus Gründen der optomechanischen Stabilität des Oszillators unerwünscht.
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Aus dem Stand der Technik sind weitere Verfahren der Resonatorlängenregelung bekannt, die die oben beschriebenen Nachteile des Ramp-Fire-Verfahrens ganz oder teilweise, dabei aber auf Kosten der Frequenzstabilität, umgehen.
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So wird in der
DE 102007003759 B4 ein modifiziertes Ramp-Fire-Verfahren beschrieben, bei dem der Zeitpunkt des Auftretens der Resonanz beim Fahren der Piezorampe mit einer Vorlaufzeit von einigen 10 µs prognostiziert wird. Die Prognose erfolgt dabei anhand des gemessenen Zeitpunktes des Auftretens der ersten detektierten Resonanz, der in einer Beziehung zum Zeitpunkt des Auftretens einer nachfolgenden Resonanz steht, in der der Güteschalter ausgelöst wird. Dieser ist dann mit einer Vorlaufzeit von einigen 10 µs bekannt, so dass andere Geräte zum Laserpuls synchronisiert werden können. Ungelöst bleiben damit aber das Problem des im Verstärkungsverlauf ungewissen Auslösezeitpunkts und der großen Belastung des Piezoaktors. Weiterhin wird durch die Abweichung von der Linearität des Piezo-Verfahrwegs zur Spannung die Genauigkeit reduziert.
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Beim Pound-Drever-Hall (PDH)- und beim Hänsch-Couillaud (HC)-Verfahren, wie sie in Drever, R. W. P. et al., „Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator", Appl. Phys. B Photophysics and Laser Chemistry, Springer Science and Business Media LLC, 1983, 31, 97-105 und in Hänsch, T. et al., „Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity", Opt. Comm., Elsevier BV, 1980, 35, 441-444 beschrieben sind, wird das Fehlersignal (elektronische Detektion von aufmodulierten Seitenbändern (PDH) bzw. Polarisationsänderung (HC)) zur Regelung nahezu in Echtzeit erhalten. Der Piezoaktor wird hier kontinuierlich nachgeregelt, seine Trägheit stellt den begrenzenden Faktor dar für die Bandbreite der ausregelbaren Störungen. Diese liegt demnach in der Größen-ordnung einiger 100 Hz. Gerade in der Pumpphase ändert sich die optische Resonatorlänge dynamisch binnen einer Zeitgrößenordnung von 100 ps, so dass Regelfrequenzen deutlich größer 10 kHz erforderlich wären.
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Beim Ramp-Hold-Fire-Verfahren, wie es in T. Walther et al., „Generation of Fourier-transformlimited 35-ns pulses with a ramp-hold-fire seeding technique in a Ti:sapphire laser," Appl. Opt. 40, 3046-3050 (2001) beschrieben ist, fährt der Piezoaktor eine Rampe und wird beim Auftreten einer Resonanz gestoppt. Der Puls kann dann zu einem vorher bekannten Zeitpunkt ausgelöst werden. Bedingt durch Nachschwingen von Piezoelementen und Mechaniken müssen typischerweise einige 10 µs bis zum Auslösen des Güteschalters gewartet werden, was das Verfahren anfälliger gegen Störungen macht als das klassische Ramp-Fire-Verfahren. Hierbei kann auch nicht mehr der Einfluss der Resonatorlängenänderung durch die Gainänderung im Laserkristall bis zum Ende berücksichtigt werden, was eine schlechtere Stabilität zur Folge hat. Des Weiteren ist die Belastung für den Aktor genauso groß wie beim Ramp-Fire-Verfahren.
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Ein weiteres den Erfindern bekanntes Verfahren zur Regelung der Resonatorlänge ist das sogenannte Cavity-Dither-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird die Resonatorlänge durch die Piezobewegung ständig harmonisch verändert („dithern“). Die Regelelektronik bestimmt anhand des Transmissionssignals die Piezoposition, in der der Laserresonator resonant zum Seed-Signal ist. Der Güteschalter des Laserresonators wird zu einem festen, bekannten Zeitpunkt ausgelöst, wobei unmittelbar vor dem Güteschalten die Resonanzposition (plus Kompensationsoffset) angefahren werden muss. Dies funktioniert für einen stationären Zustand. Wird während des Ditherns gepumpt, muss das Dithern, also die harmonische Änderung der Resonatorlänge, die durch das Pumpen induzierte optische Resonatorlängenänderung ausregeln. Um die Belastung für den Piezoaktor gering zu halten, sollte die Dither-Frequenz die Größenordnung von 1 kHz nicht überschreiten. Wird der Resonator aufgrund des Verhältnisses der Speicherzeit des aktiven Mediums zur Pulswiederholrate gepulst gepumpt und ist die Speicherzeit viel kürzer als 1 ms (Beispiel: Nd:YAG-Oszillator, Speicherzeit 230 µs, Pulswiederholrate 100 Hz), kann der Einfluss des Pumpens dann allerdings nicht mehr mit Hilfe des Ditherns ausgeregelt werden. Der Einfluss des Pumpens auf die optische Resonatorlänge muss dann als (nahezu) konstant angesehen und bei der Bestimmung des oben genannten Kompensationsoffsets berücksichtigt werden. Die Belastung für den Piezoaktor ist verglichen mit dem Ramp-Fire-Verfahren deutlich geringer, allerdings auch die Frequenzstabilität, da der Zeitraum zwischen der Information über den Zustand des Resonators und dem Auslösen des Güteschalters bei Dither-Frequenzen um 1 kHz verhältnismäßig lang ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Frequenzstabilisierung eines gütegeschalteten, schmalbandigen oder longitudinal monofrequenten Lasers anzugeben, das eine verringerte mechanische Belastung des die Resonatorlänge regelnden Elementes bei hoher Frequenzstabilität ermöglicht und bei dem der Zeitpunkt der Emission des jeweiligen Laserpulses a priori bekannt ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Laseranordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Laseranordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Laserstrahlung eines schmalbandigen Seed-Lasers mit einer Wellenlänge, bei der die Laserpulse des in der Frequenz zu stabilisierenden Lasers erzeugt werden sollen, in den Laserresonator eingekoppelt. Ein zeitlicher Intensitätsverlauf von aus dem Laserresonator ausgekoppelter Laserstrahlung des Seed-Lasers wird erfasst und die optische Resonatorlänge des Laserresonators jeweils in einem Zeitraum zwischen zwei Laserpulsen, im Folgenden als Regelungszeitraum bezeichnet, auf Basis des erfassten zeitlichen Intensitätsverlaufs durch periodische Variation und Anpassung eines Offsets der Variation auf einen annähernd konstanten zeitlichen Mittelwert geregelt. Die Resonatorlänge wird im Regelungszeitraum also periodisch gedithert. Das transmittierte Seedsignal ist ebenfalls periodisch, driftet aber mit z.B. thermischen Resonatorlängenänderungen. Durch die Regelung des Offsets der Ditherbewegung wird das Antwortsignal und damit die Resonatorlänge stabilisiert. Die periodische Variation wird dabei so durchgeführt, dass die mechanische Belastung des Aktors möglichst gering ist, insbesondere geringer als beim Ramp-Fire-Verfahren. Vorzugsweise erfolgt die Variation harmonisch oder zumindest angenähert harmonisch. Die Ein- und Auskopplung der Laserstrahlung des Seed-Lasers kann dabei in gleicher Weise erfolgen, wie bei den bekannten Verfahren der Regelung der Resonatorlänge des in der Beschreibungseinleitung genannten Standes der Technik.
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Die optische Resonatorlänge des Laserresonators wird dann jeweils im zeitlichen Bereich der Erzeugung eines Laserpulses, im Folgenden auch als Auslösezeitraum bezeichnet, ausgehend von einem durch die vorangegangene Regelung bekannten Ausgangswert auf einen Wert (und darüber hinaus) verändert, im Folgenden als Resonanzwert bezeichnet, bei dem der Laserresonator nach Schalten des Güteschalters in Resonanz zur Wellenlänge des Seed-Lasers ist. Der Güteschalter wird bei Erreichen dieses Resonanzwertes zur Erzeugung eines Laserpulses geschaltet. Eine Resonanz vor dem Schalten des Güteschalters wird dabei anhand des transmittierten Seedsignals erkannt und der Güteschalter, eventuell mit einer zeitlichen Verzögerung zur Kompensation von schaltungsbedingten Änderungen der optischen Resonatorlänge, geschaltet. Die Veränderung bzw. Variation der optischen Resonatorlänge des Lasers erfolgt dabei vorzugsweise durch mechanische Bewegung eines Spiegels des Resonators. Hierzu wird vorzugsweise ein Piezoaktor eingesetzt. Der Auslösezeitraum kann bei einem Nd:YAG-Laser als zu stabilisierendem Laser beispielsweise im Bereich von 10µs bis 100ps liegen, der Regelungszeitraum beispielsweise im Bereich von 10ms bis 20ms, eine beispielhafte Ditherfrequenz beträgt ca. 1 kHz.
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Der Schaltzeitpunkt des Güteschalters sollte möglichst mit dem Zeitpunkt der maximalen Pumpinversion annähernd übereinstimmen. Zu Beginn der Auslösephase ist - aufgrund der Regelung - der Ausgangswert der optischen Resonatorlänge in Bezug auf den zu erreichenden Resonanzwert bekannt. Die Änderungsgeschwindigkeit oder die Variation der optischen Resonatorlänge wird dann in der Auslösephase so gewählt, dass der Resonanzwert zumindest annähernd zu dem gewünschten Schaltzeitpunkt erreicht wird. Dies kann, wie weiter unten näher ausgeführt, durch eine lineare Änderung der Resonatorlänge erfolgen, vorzugsweise jedoch durch geeignete Synchronisation der periodischen Variation derart, dass der Resonanzwert und damit der Schaltzeitpunkt jeweils in einer möglichst linearen Phase der vorzugsweise harmonischen Variation auftritt. Die entsprechenden Werte (Ausgangswert und Resonanzwert bzw. deren Differenz) können durch Vorversuche mit der Laseranordnung ermittelt werden. Änderungen der optischen Resonatorlänge, die gegebenenfalls beim Schalten auftreten, werden dabei berücksichtigt.
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Die Regelung der optischen Resonatorlänge erfolgt während der Regelungszeiträume vorzugsweise durch Aufrechterhalten einer festen Beziehung zwischen der Variation der optischen Resonatorlänge und dem zeitlichen Intensitätsverlauf der aus dem Laserresonator ausgekoppelten Laserstrahlung des Seed-Lasers. Dazu wird bei einer durch Verschieben eines Resonatorpiegels mittels Piezoaktor durchgeführten Variation der Spannungswert, um den die an den Piezoaktor angelegte Spannung entsprechend, vorzugsweise harmonisch, variiert wird, geeignet angepasst bzw. verändert.
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Die Veränderung der optischen Resonatorlänge in der Auslösephase kann linear erfolgen, die Resonatorlänge wird also wie beim eingangs beschriebenen Ramp-Fire-Verfahren rampenförmig verändert. Die Rampe kann hier flacher als beim Ramp-Fire-Verfahren gewählt werden, bei besserer Vorhersagbarkeit des Auslösezeitpunktes und bei geringerer Aktorbelastung. Alternativ kann die Veränderung der Resonatorlänge in dieser Phase auch in anderer Form erfolgen, vorzugsweise unter Beibehaltung einer harmonischen oder zumindest annähernd harmonischen Bewegung. Die harmonische Bewegung wird dann aber vorzugsweise so gewählt, dass der Resonanzwert im Bereich eines Wendepunktes der harmonischen Bewegung liegt.
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Unter einem schmalbandigen Laser wird dabei ein Laser mit einer Laseremission verstanden, deren Bandbreite geringer als der freie Spektralbereich des Laserresonators ist. Beispielsweise kann die Laseremission eine Halbwertsbreite von weniger als 50 MHz, bevorzugt weniger als 20 MHz aufweisen. Die Frequenzstabilisierung erfolgt dabei um die Mittenfrequenz dieser spektralen Emission. Im Folgenden wird ein derartiger Laser auch als monofrequenter Laser bezeichnet
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Es können zwei Fälle unterschieden werden, einmal der Fall des gepulsten Pumpens des Lasers und einmal der Fall des kontinuierlichen Pumpens (Dauerstrich) des Lasers.
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Wird der Laser gepulst gepumpt, so wird die Resonatorlänge während der Pausephase zwischen zwei Pumppulsen periodisch variiert, auch als Dithern bezeichnet. Der Regelungszeitraum entspricht also der Pausephase. Die periodische Variation erfolgt vorzugsweise durch eine entsprechende harmonische oder annähernd harmonische Bewegung eines der Spiegel per Spannungs- oder Strom- oder Ladungsmodulation mit einem Piezoaktor. Das durch den Laserresonator transmittierte Signal des schmalbandigen Seed-Lasers als Referenzlaser wird mit einem geeigneten Detektor, vorzugsweise einer Photodiode, detektiert. Ist die Dither-Amplitude, also die Amplitude der periodischen Variation der Resonatorlänge, kleiner als ein freier Spektralbereich des Laserresonators, oszilliert das Detektionssignal mit der doppelten Dither-Frequenz. Der Verlauf des Signals schwankt relativ zur Ditherbewegung aufgrund von Resonatorlängenänderungen, die z.B. durch Vibrationen oder durch thermische Drift hervorgerufen werden. Der Signalverlauf des Detektionssignals ist bei Nutzung eines Piezoaktors mittels des Spannungs-Offsets des Ditherns steuerbar. Er wird dabei mittels Regelelektronik auf die Ditherbewegung stabilisiert. Das Dithern, also die periodische Resonatorlängenänderung oder Bewegung eines der Spiegel, erfolgt somit um einen Wert, der während des Ditherns kontinuierlich angepasst wird, um eine konstante Beziehung zwischen der Dither-Bewegung und dem Photodiodensignal zu erhalten. Die Ditherfrequenz beträgt beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise nicht mehr als 10 kHz. Kurz vor dem angestrebten Auslösezeitpunkt des Güteschalters wird die Variation der Resonatorlänge, also insbesondere die Bewegung des Piezoaktors, vom Dithern beispielsweise zu einer linearen Rampe gewechselt. Das Spannungsintervall der Rampe muss mindestens einen Resonanzzustand enthalten. Der Güteschalter wird zum Zeitpunkt der Resonanz plus einer eventuellen zeitlichen Kompensation von schaltungsbedingten Änderungen der optischen Resonatorlänge ausgelöst.
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Im Falle eines Dauerstrich-gepumpten Lasers ändert sich die Verstärkung und damit die optische Resonatorlänge durch das Pumpen kontinuierlich. Entsprechend muss die Dither-Periode im Regelungzeitraum sinnvoll gewählt werden, um diese Änderungen ausregeln zu können. Bei konstanter Pumprate und damit bekannter Änderungsrate der optischen Resonatorlänge kann die Änderung gegebenenfalls unabhängig von der Dither-Regelung kompensiert werden, z.B. durch eine kontinuierliche, statische Offset-Anpassung. Die Auslösephase läuft dann in gleicher Weise ab wie im Fall des gepulsten Pumpens.
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Durch das Dithern ist der Zustand des Laserresonators zu Beginn der Auslösephase, insbesondere einer Rampenfahrt, sehr gut bekannt. Störungen mit Frequenzen unterhalb der Dither-Periode können ausgeregelt werden. Damit ist sehr gut prognostizierbar, wann der Resonator während der Rampenfahrt resonant zum Seed-Laser ist. Die Dither- und Rampenparameter können derartig gewählt werden, dass der Laserresonator genau im Verstärkungsmaximum resonant ist. Optische Resonatorlängenänderungen bedingt durch das Pumpen des aktiven Mediums während der Rampenfahrt sind in jeder Periode gleich und können leicht kompensiert werden. Die Rampe kann dann vergleichsweise flach und damit aktorschonend gefahren werden, ohne dass es zu zeitlichen Schwankungen und damit zu Energieschwankungen des Laserpulses kommt. Die Aktorschonung kann noch verbessert werden, indem die Übergänge vom Dithern zur linearen Bewegung und umgekehrt möglichst harmonisch erfolgen, um große Beschleunigungen zu vermeiden.
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In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann anstelle einer linearen Bewegung (Rampenfahrt) das Dithern auch in der Auslösephase beibehalten werden. Idealerweise werden die Dither-Parameter vor der Auslösephase derartig angepasst, dass die Dither-Bewegung zum Schaltzeitpunkt in der Auslösephase in einem Wendepunkt ist. In den Wendepunkten ist eine harmonische Bewegung für eine kurze Zeit näherungsweise linear. Außerdem ist die erste Ableitung nach der Zeit am größten, was die Resonanzsignalschärfe maximiert. Falls es aufgrund der Resonatorlängenänderung erforderlich ist, kann in der Auslösephase auch die Dither-Amplitude kurzzeitig vergrößert werden, um Steilheit im Wendepunkt und damit die Signalschärfe zu verbessern. Der dadurch erreichte steilere Abschnitt (im Wendepunkt) ist im Vergleich zur einer entsprechend steilen Rampe beim Ramp-Fire-Verfahren unkritisch, da aufgrund der harmonischen Bewegung die Beschleunigungen für den Aktor kleiner sind.
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Die vorgeschlagene Laseranordnung zur Durchführung des Verfahrens umfasst entsprechend einen Laserresonator mit aktivem Medium und aktivem Güteschalter sowie einen Aktor, über den die Resonatorlänge durch Verfahren eines der Spiegel des Laserresonators im Bereich einiger µm veränderbar ist. Vorzugsweise ist dies ein Piezoaktor. Im Laserresonator können natürlich bei Bedarf auch noch weitere optische Elemente angeordnet sein. Weiterhin umfasst die Laseranordnung einen schmalbandigen Seed-Laser, dessen Laserstrahlung in den Laserresonator eingekoppelt wird. Ein Teil der im Resonator umlaufenden Strahlung des Seed-Lasers wird wieder ausgekoppelt und auf einen geeigneten Photodetektor gelenkt. Hierzu können auch entsprechende Ein- und Auskoppelelemente im Laserresonator angeordnet sein, falls die Ein- und Auskopplung nicht über einen der Spiegel erfolgt. Die Anordnung umfasst eine Steuereinrichtung, die das vom Photodetektor erfasste Signal erhält und den Aktor gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in den Regelungszeiträumen zur Erzeugung einer Dither-Bewegung des betreffenden Spiegels und Regelung auf einen annähernd konstanten zeitlichen Mittelwert der optischen Resonatorlänge, und in den Auslösephasen zur Veränderung der Resonatorlänge auf den Resonanzwert ansteuert. Weiterhin steuert diese Steuereinrichtung den aktiven Güteschalter bei Erreichen des Resonanzwertes entsprechend zum Schalten an.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine gegenüber dem in der Einleitung genannten Stand der Technik geringere Belastung des die Resonatorlänge ändernden Elements eines schmalbandigen oder monofrequenten Lasers bei hoher Frequenzstabilität erreicht. Damit wird die Ausfallwahrscheinlichkeit frequenzstabiler schmalbandiger, gütegeschalteter Laser deutlich verringert, da das die Resonatorlänge ändernde Element erheblich geringer belastet wird als bei den bisher etablierten Verfahren. Insbesondere in Anwendungsbereichen, in denen ein Piezoaktor als die Resonatorlänge änderndes Element eingesetzt wird, und dieser nur mit sehr großem Aufwand oder gar nicht getauscht werden kann, spielt das vorgeschlagene Verfahren seine Vorteile aus. Beispiele für derartige Anwendungen sind Flugzeug- oder Satelliten-gestützte Lasersysteme, beispielsweise für LIDAR-Anwendungen. Die Kosten einer aufgrund eines Piezoaktor-Versagens abgebrochenen Flugmesskampagne sind sehr hoch. Bei einer Satellitenmission ist der Tausch des Piezoaktors quasi unmöglich. Damit können auch die Entwicklungs- bzw. Qualifizierungskosten für einen bei einer Satellitenmission eingesetzten Piezoaktor deutlich verringert werden, da die Anforderungen an ihn aufgrund der geringeren Belastung durch das vorgeschlagene Verfahren erheblich geringer sind. Das Verfahren lässt sich allgemein vorteilhaft für alle Anwendungen einsetzen, bei denen eine hohe Frequenzstabilität der emittierten Laserstrahlung in unruhiger Umgebung bei gleichzeitig geringer Belastung des die Resonatorlänge ändernden Elements gefordert ist. Bei dem Verfahren ist zusätzlich auch der Zeitpunkt der Emission des Laserpulses genauer bekannt, da eine entsprechende Regelung der Resonatorlänge zwischen den Auslösephasen erfolgt. Dies ermöglicht eine Synchronisation anderer zum Lasersystem gehöriger Geräte, die einen festen Zeitbezug zum Laserpuls haben müssen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Laseranordnung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 einen beispielhaften Aufbau der vorgeschlagenen Laseranordnung in stark schematisierter Darstellung; und
- 2 ein Beispiel für die Ansteuerung eines Piezoaktors zur Resonatorlängenänderung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren und einen beispielhaften Verlauf des Photodiodensignals des durch den Resonator transmittierten Seed-Lasers während des Regelungszeitraums.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein Beispiel der vorgeschlagenen Laseranordnung zur Frequenzstabilisierung eines schmalbandigen, gütegeschalteten Lasers. Der in der Frequenz zu stabilisierende Laser weist in diesem Beispiel einen linearen Laserresonator aus zwei Spiegeln 2 mit einem aktiven Medium 3 und einem Güteschalter 4 auf. Als Güteschalter 4 kann beispielsweise eine Pockelszelle eingesetzt werden. Die Pumpanordnung zum Pumpen des aktiven Mediums 3 ist in 1 nicht dargestellt. Das Pumpen kann je nach aktivem Medium beispielsweise optisch über geeignete Pumpdioden erfolgen. Die Laseranordnung weist auch einen Seed-Laser 5 auf, dessen schmalbandige Laserstrahlung in den Laserresonator des Lasers eingekoppelt wird. Die Mittenwellenlänge der schmalbandigen Seed-Laserstrahlung entspricht dabei der zu stabilisierenden Wellenlänge des Lasers. Die Resonatorlänge des Lasers muss auf diese zu stabilisierende Wellenlänge hinsichtlich der Resonanzbedingung abgestimmt sein. Durch äußere Einwirkungen, beispielsweise Vibrationen oder auch durch thermische Effekte verändert sich jedoch die Resonatorlänge des Lasers. Daher muss zur Stabilisierung eine geeignete Regelung der Resonatorlänge erfolgen. Hierzu wird im vorliegenden Beispiel einer der Spiegel 2 über einen Piezoaktor 6 axial bewegt. Zwischen dem Seed-Laser 5 und dem Laser ist im vorliegenden Beispiel ein optischer Isolator 7, beispielsweise ein Faraday-Isolator angeordnet, um eine Rückkopplung der aus dem Laser in Richtung des Seed-Lasers 5 austretenden Laserstrahlung in den Seed-Laser 5 zu vermeiden. Zusätzlich kann auch jeweils eine λ/4-Platte 1 auf beiden Seiten des aktiven Mediums 3 angeordnet werden, um ein räumliches Lochbrennen zu vermeiden. Über diesen optischen Isolator 7 wird ein durch den Laserresonator des Lasers transmittiertes Seed-Signal auf einen optischen Detektor 8 gerichtet, beispielsweise eine Photodiode, der den zeitlichen Intensitätsverlauf der durch den Laserresonator transmittierten Seed-Laserstrahlung erfasst.
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Bei der vorgeschlagenen Laseranordnung und dem zugehörigen Verfahren wird der Piezoaktor 6 über eine Steuereinrichtung 9 im Zeitraum zwischen zwei Laserpulsen harmonisch angesteuert, so dass die Resonatorlänge annähernd harmonisch vergrößert und verkleinert wird. Der Wert, um den die Resonatorlänge hierbei variiert, also um den die harmonische Bewegung erfolgt, wird während dieser Zeit über das Detektionssignal des Detektors 8, das der Steuereinrichtung 9 zugeführt wird, so geregelt, dass eine feste Beziehung zwischen dem Detektionssignal des Detektors 8 und der harmonischen Bewegung der Resonatorlänge erfolgt. Auf diese Weise lassen sich gegenüber der Frequenz der harmonischen Bewegung langsame Änderungen der optischen Resonatorlänge kompensieren. Im Bereich der Erzeugung eines Laserpulses, also in der Auslösephase, wird die Resonatorlänge über den Piezoaktor 6 dann im vorliegenden Beispiel annähernd linear auf einen Wert (und darüber hinaus) verändert, bei dem der Resonator - auch unter Berücksichtigung eventueller optischer Längenänderungen beim Schaltvorgang - in Resonanz zur Wellenlänge des Seed-Lasers ist. Bei Erreichen dieses Wertes, in der vorliegenden Patentanmeldung als Resonanzwert bezeichnet, wird der Güteschalter 4 geschaltet. Dieses Schalten des Güteschalters 4 erfolgt ebenfalls über die Steuereinrichtung 9.
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2 zeigt im oberen Teil beispielhaft die an den Piezoaktor 6 angelegte Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit, beginnend im Zeitraum zwischen zwei Laserpulsen (Regelungszeitraum) über die Auslösephase bis in den sich anschließenden weiteren Regelungszeitraum zum nächsten Laserpuls. Der harmonische Verlauf der Spannung 10 führt zu einer entsprechenden Variation der Resonatorlänge. Im Bereich des Auslösens eines Laserpulses wird dann eine Rampe 11, also ein annähernd linearer Anstieg der Spannung am Piezoaktor - entsprechend einer linearen Änderung der Resonatorlänge - gefahren und bei Erreichen des einer Resonanz entsprechenden Wertes (zum Zeitpunkt tp) innerhalb dieser Rampe ein Laserpuls ausgelöst. Anschließend wird nach Erreichen eines stationären Zustandes wieder in die harmonische Ansteuerung umgeschaltet. Im unteren Teil der Figur ist ein beispielhaftes Detektionssignal 12 zu erkennen, das mit dem Detektor 8 der Laseranordnung aufgezeichnet wird. Dieses durch die harmonische Bewegung erhaltene wellenförmige Detektionssignal wird herangezogen, um Veränderungen der Resonatorlänge, die nicht auf die harmonische Ansteuerung des Piezoaktors zurückzuführen sind, auszuregeln. Hierzu wird der Mittenwert der Spannung 10 am Piezoaktor, um den die harmonische Variation erfolgt, so geregelt, dass eine feste Beziehung zwischen dem Detektionssignal 12 und der Spannung 10 am Piezoaktor aufrechterhalten wird.
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Durch die harmonische Ansteuerung zwischen zwei Laserpulsen und die entsprechende Regelung der Resonatorlänge ist die Belastung des Piezoaktors in diesem Fall relativ gering und der Zustand des Laserresonators zu Beginn der Auslösephase sehr gut bekannt. Damit ist sehr gut prognostizierbar, wann der Resonator während der anschließenden Fahrt, insbesondere Rampenfahrt, resonant zum Seed-Laser ist. Die gute A-Priori-Kenntnis des Resonanzpunktes erlaubt eine flachere Rampe, so dass auch diese Bewegung aktorschonend gefahren werden kann, ohne dass es zu zeitlichen Schwankungen und damit zu Energieschwankungen des Laserpulses kommt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- λ/4-Platte
- 2
- Resonatorspiegel
- 3
- aktives Medium
- 4
- Güteschalter
- 5
- Seed-Laser
- 6
- Piezoaktor
- 7
- optischer Isolator
- 8
- optischer Detektor
- 9
- Steuereinrichtung
- 10
- harmonisches Spannungssignal
- 11
- rampenförmiges Spannungssignal
- 12
- Detektionssignal
- 13
- Polarisationsstrahlteiler
- tp
- Schaltzeitpunkt
