DE10310076A1

DE10310076A1 - Stabilisierungssystem mit einem Oszillator und einem Resonator und Stabilisierungsverfahren

Info

Publication number: DE10310076A1
Application number: DE2003110076
Authority: DE
Inventors: Holger Müller; Sven Hermann; Achim Peters
Original assignee: Universitaet Konstanz
Current assignee: Universitaet Konstanz
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stabilisierungssystem mit DOLLAR A - einer Oszillatoreinrichtung (10), welche zum Erzeugen eines periodischen Oszillatorausgangssignals mit Oszillatorfrequenz omega¶L¶ ausgelegt ist; DOLLAR A - einer Resonatoreinrichtung (14) mit einer Resonanzfrequenz omega¶res¶, in welche das erzeugte Oszillatorausgangssignal zuführbar ist und welche zur Ausgabe eines Resonatorausgangssignals ausgelegt ist; DOLLAR A - einer Modulatoreinrichtung (28), welche im Signalweg des Oszillatorausgangssignals zwischen der Oszillatoreinrichtung (10) und der Resonatoreinrichtung (14) angeordnet ist, um das Oszillatorausgangssignal zu modulieren, wobei die Modulatoreinrichtung (28) zu einer zeitvariablen Modulation des Oszillatorausgangssignals mit vorbestimmtem Modulationszeitverhalten ausgelegt ist; DOLLAR A - einer Fehlersignalerzeugungseinrichtung (12, 18), welche zur Erzeugung eines frequenzabhängigen Fehlersignals U¶f¶·Stör·(omega¶L¶) ausgelegt ist, wobei bei Abwesenheit von Störungen DOLLAR I1 das Fehlersignal U¶f¶·Stör·(omega¶L¶) ein Maß für die Frequenzverstimmung zwischen der Oszillatorfrequenz omega¶L¶ und der Resonatorfrequenz omega¶res¶ ist und bei omega¶L¶ gleich omega¶res¶ einen Nulldurchgang aufweist; DOLLAR A - einer Regeleinrichtung (22, 24), welche zu einer derartigen Regelung entweder der Oszillatorfrequenz omega¶L¶ oder der Resonatorfrequenz omega¶res¶ ausgelegt ist, daß ein korrigiertes Fehlersignal U¶f¶(omega¶L¶) = U¶f¶·Stör·(omega¶L¶) - U¶korr¶ verschwindet; DOLLAR A wobei DOLLAR I2 ein Störungskorrektursignal bezeichnet, welches von einer ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Stabilisierungssystem zur Stabilisierung einer Oszillatoreinrichtung auf eine Resonatoreinrichtung bzw. eine Resonatoreinrichtung auf eine Oszillatoreinrichtung sowie ein dazugehöriges Verfahren.

Stabilisierungssysteme zur Stabilisierung einer Oszillatoreinrichtung auf eine Referenzresonatoreinrichtung sind bekannt und dienen insbesondere der Erstellung von hochgenauen Frequenzstandards. So werden für unterschiedliche Anwendungsgebiete oftmals hochstabile Lasersysteme benötigt, deren Laserfrequenz mittels eines Regelkreises auf eine genau bekannte Referenz stabilisiert wird. Bei derartigen Referenzen handelt es sich oftmals um Resonatoren, beispielsweise um Fabry-Perot-Interferometer. Für gewisse Anwendungen ist es ebenfalls notwendig, eine Resonatoreinrichtung auf eine hochgenaue Oszillatoreinrichtung zu stabilisieren. Beispielsweise werden zum Nachweis von Gravitationswellen hochgenaue Längenmeßsysteme verwendet, welche auf Fabry-Perot-Interferometern beruhen, die auf hochgenaue Lasersysteme stabilisiert werden.

Im allgemeinen sind hochgenaue Frequenzstandards bzw. Zeitgeber mit Stabilitäten bis zu 10^–15 Voraussetzung für zahlreiche Anwendungsgebiete, insbesondere Navigationssysteme (global positioning system, GPS), weltweite Datenübertragungen und nicht zuletzt für verbesserte Messungen von Naturkonstanten. Hochgenaue Frequenzstandards ermöglichen auch fundamentale Test der Physik, z.B. der Relativitätstheorie. Somit besteht sowohl aus wirtschaftlichen als auch Grundlagen-physikalischen Motivationen ein stetig anwachsendes Interesse an verbesserten Stabilisierungssystemen bzw. Stabilisierungsverfahren.

Der Frequenzstandard soll eine Schwingung mit genau bekannter Oszillatorfrequenz abgeben. Ein Frequenzstandard kann dadurch bereitgestellt werden, daß in einem Stabilisierungssystem eine Oszillatoreinrichtung auf eine genau bekannte Referenzresonatoreinrichtung stabilisiert wird. Grundsätzlich umfaßt ein Frequenzstandard somit eine Oszillatoreinrichtung, bei welcher es sich um einen elektronischen Oszillator, einen Laser oder eine andere Oszillationsquelle handeln kann, sowie eine Referenz bzw. einen Referenzresonator, bei welchem es sich beispielsweise um einen Schwingquarz, einen Hohlraumresonator oder Resonanzen bzw. Übergänge in Atomen bzw. Molekülen handeln kann. Ferner umfaßt ein Frequenzstandard eine Regeleinrichtung, mit welcher die Oszillatorfrequenz an die Referenzresonatortrequenz angeglichen wird. Zu dieser Angleichung bzw. Regelung wird ein sogenanntes Fehlersignal benötigt, welches die Abweichung der Oszillatortrequenz von der Resonatortrequenz, d.h. die Verstimmung, wiedergibt.

Als Referenz bzw. Referenzresonatoreinrichtung sind grundsätzlich alle Systeme geeignet, die bei einer bestimmten Frequenz eine Resonanz aufweisen. Im allgemeinen zeigt sich eine Resonanz durch ein Amplituden-Extremum (Maximum oder Minimum) der Schwingung bei einer bestimmten Frequenz. Im Resonanzfall weist die Phasenverschiebung zwischen der Oszillatoreinrichtung und der angeregten Schwingung der. Referenz einen bestimmten Wert, zumeist gleich Null, auf. Bei Abweichungen der Oszillator- von der Resonatorfrequenz (Frequenzverstimmung) zeigt sich eine starke Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung, welche als Dispersion bezeichnet wird. Die Dispersion ist für kleine Frequenzverstimmungen symmetrisch, so daß eine kleine positive Verstimmung dieselbe Phasenverschiebung erzeugt, wie eine gleich große negative Verstimmung erzeugt, jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen. Bei sehr großer Verstimmung verschwindet die Phasenverschiebung wieder.

Um ein Stabilisierungssystem bzw. ein Stabilisierungsverfahren, insbesondere zum Aufbau eines Frequenzstandards zu erstellen, wird – wie eingangs dargestellt – ein sogenanntes Fehlersignal benötigt. Zur Erzeugung eines derartigen Fehlersignals, welches die Verstimmung zwischen der Oszillatorfrequenz und Resonatorfrequenz angibt, sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Oftmals kommt das sogenannte Pound-Drever-Hall-Verfahren zum Einsatz. Dieses Verfahren wurde von Ron Drever basierend auf einer älteren Mikrowellentechnik von R.V. Pound erfunden, wobei die praktische Implementierung im Einsatzgebiet optischer Frequenzen entscheidend auf J. Hall zurückging. Das Pound-Drever-Hall-Verfahren dient zur Erzeugung eines Fehlersignals, welches zur Regelung der Oszillatorfrequenz auf die Referenzresonatorfrequenz verwendet wird. Hierzu wird die frequenzabhängige Phasenverschiebung zwischen der Oszillatoreinrichtung und der Referenzresonatoreinrichtung in der Umgebung der Resonanz benutzt, um ein frequenzabhängiges Signal zu erzeugen, daß bei Übereinstimmung von Oszillator- und Resonatorfrequenz verschwindet.

Die Funktionsweise des Pound-Drever-Hall-Verfahrens wird später detailliert beschrieben. Zusammengefaßt wird beim Pound-Drever-Hall-Verfahren zur Erzeugung des Fehlersignals eine Frequenz- bzw. Phasenmodulation des Ausgangssignals der Oszillatoreinrichtung vorgenommen, wodurch Seitenbänder entstehen, die eine feste Phasenbeziehung untereinander und zum Träger haben. Wird diese Phasenbeziehung verändert, so liegt keine reine Frequenz- bzw. Phasenmodulation (FM) mehr vor, sondern ein Gemisch einer FM und einer Amplitudenmodulation (AM).

Die Referenzresonatoreinrichtung wird durch die frequenzmodulierte Oszillatorschwingung angeregt. Die Dispersion der Resonatoreinrichtung verändert im allgemeinen die Phasenbeziehung des Trägers zu den Seitenbändern. Bei Verschwinden der Verstimmung jedoch verschwindet die Phasenverschiebung für den Träger und die Phasenverschiebungen für die nun symmetrisch zur Resonanz liegenden Seitenbänder sind negativ gleich. In diesem speziellen Fall liegt wiederum eine reine FM vor. Bei zunehmender Verstimmung nimmt jedoch die Phasenverschiebung des Trägers von Null an zu, was zu einer zunehmenden AM führt. Die AM kann somit als Maß für die Verstimmung angesehen werden, wobei die Phasenlage der AM relativ zur FM das Vorzeichen der Verstimmung angibt. Mittels einer Detektoreinrichtung kann diese AM mit einem phasenempfindlichen Gleichrichter phasenempfindlich detektiert werden, um auf diese Weise das Fehlersignal zu erhalten.

Das Pound-Drever-Hall-Verfahren findet seine Hauptanwendung im Mikrowellen- und im optischen Frequenzbereich, wobei lediglich die technische Ausführung des Resonators sowie des Oszillators (beispielsweise Gunn-Diode/Klystron/Laser) und die Erzeugung der Phasenmodulation angepaßt werden müssen. Es gibt jedoch neben dem Pound-Drever-Hall-Verfahren zahlreiche weitere Verfahren zur Fehlersignalerzeugung, welche ebenfalls in Zusammenhang mit der Erfindung verwendet werden können.

Durch wesentliche Fortschritte beim Aufbau von Referenzresonatoren, insbesondere Atomfontänen und kryogene Saphirresonatoren, konnte deren Stabilität derart erhöht werden, daß häufig andere Ursachen die Stabilität des gesamten Frequenzstandards begrenzen, Als Beispiel ist in diesem Zusammenhang eine Restamplitudenmodulation (Rest-AM) zu nennen: Sie entsteht bei der Frequenzmodulation der Oszillatoreinrichtung durch Unvollkommenheiten der Modulatoreinrichtung. Das Pound-Drever-Hall-Verfahren beruht aber gerade auf einer AM als Fehlersignal für die Verstimmung. Eine (parasitäre) Rest-AM gaukelt somit der Regeleinrichtung eine Frequenzverstimmung vor, wodurch die Oszillatoreinrichtung nicht mehr exakt auf die Referenzresonatorfrequenz geregelt wird.

Ein weiterer wesentlicher Störeinfluß bei der Gewinnung des Fehlersignals ist eine ungewollte Frequenzabhängigkeit der Übertragungsstrecke von der Oszillatoreinrichtung zur Resonatoreinrichtung. Diese Frequenzabhängigkeit kann ebenfalls zu einer Umwandlung einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation (FM) in eine parasitäre Amplitudenmodulation (AM) führen. Der Regeleinrichtung wird aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Übertragungsstrecke daher wiederum eine vermeintliche Frequenzverstimmung vorgegaukelt, welche zu einer Fehlregelung führt. Ferner können Temperaturschwankungen, insbesondere des phasenempfindlichen Gleichrichters, sowie zahlreiche weitere Störeinflüsse die Stabilität des Frequenzstandards verschlechtern.

Im allgemeinen werden Störeinflüsse bei der Erstellung des Fehlersignals bzw. der Regelung der Oszillatorfrequenz auf die Referenzresonatortrequenz an drei Stellen wirksam: Bei der Erzeugung der modulierten Schwingung (beispielsweise Rest-AM), bei der Übertragung der Schwingung zur Referenzresonatoreinrichtung (FM-AM-Unwandlung) sowie bei der Auswertung der Reaktion der Referenzresonatoreinrichtung (beispielsweise Temperatureinflüsse). Die Störungen begrenzen die Genauigkeit, mit welcher die Frequenzgleichheit zwischen Oszillator- und Resonatoreinrichtung festgestellt werden kann.

Im Stand der Technik wurden zahlreiche Lösungsansätze verfolgt, um die Störeinflüsse bei der Herstellung eines Frequenzstandards (oder eines Längenstandards) auszuschließen bzw. zu minimieren. Ein Lösungsweg bestand darin, die parasitäre Rest-AM durch Verwendung einer besseren Modulatoreinrichtung zu verringern, welche eine kleinere Rest-AM erzeugt. Der Einfluß von Temperaturabhängigkeiten wurde durch Einbau des Stabilisierungssystems in eine temperaturkonstante Umgebung verringert. Daneben wurden zahlreiche Verbesserungen einzelner Komponenten, welche die Genauigkeit des Stabilisierungssystems nachteilig beeinflussen können, vorgenommen. Zwar ist es gelungen, durch Anwendung der oben genannten Verfahren zur Minimierung der Störeinflüsse zu einer erheblich verbesserten Stabilisierung zu gelangen. Jedoch ist eine vollständige Identifizierung sämtlicher Störeinflüsse in der Praxis kaum realisierbar, so daß Störeinflüsse unbekannter Ursache bestehen bleiben, welche die Genauigkeit des Stabilisierungssystems nachteilig beeinflussen.

Angesichts der oben genannten Nachteile ist es somit eine Aufgabe der Erfindung, ein Stabilisierungssystem mit einer Oszillatoreinrichtung und einer Resonatoreinrichtung anzugeben, welche auch bei Vorliegen von Störeinflüssen zu einer hochgenauen Stabilisierung der Oszillatoreinrichtung auf die Resonatoreinrichtung bzw. umgekehrt führt. Aufgabe der Erfindung ist ferner, ein entsprechendes Stabilisierungsverfahren anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch ein Stabilisierungssystem mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie durch ein Verfahren zur Stabilisierung mit den in Anspruch 17 genannten Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Stabilisierungssystem

– eine Oszillatoreinrichtung, welche zum Erzeugen eines periodischen Oszillatorausgangssignals mit Oszillatortrequenz ω_L ausgelegt ist;
– eine Resonatoreinrichtung mit einer Resonanzfrequenz ω_res, in welche das erzeugte Oszillatorausgangssignal zuführbar ist und welche zur Ausgabe eines Resonatorausgangssignals ausgelegt ist;
– eine Modulatoreinrichtung, welche im Signalweg des Oszillatorausgangssignals zwischen der Oszillatoreinrichtung und der Resonatoreinrichtung angeordnet ist, um das Oszillatorausgangssignal zu modulieren, wobei die Modulatoreinrichtung zu einer zeitvariablen Modulation des Oszillatorausgangssignals mit vorbestimmtem Modulationszeitverhalten ausgelegt ist;
– eine Fehlersignalerzeugungseinrichtung, welche zur Erzeugung eines frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) ausgelegt ist, wobei bei Abwesenheit von Störungen ΣU Str / o das Fehlersignal U Str / f(ω_L) ein Maß für die Frequenzverstimmung zwischen der Oszillatortrequenz ω_L und der Resonatorfrequenz ω_resist und bei ω_L gleich ω_res einen Nulldurchgang aufweist;
– eine Regeleinrichtung, welche zu einer derartigen Regelung entweder der Oszillatortrequenz ω_L oder der Resonatrfrequenz ω_res ausgelegt ist, daß ein korrigiertes Fehlersignal U_f(ω_L) = U Str / f(ω_L) – U_kor _r verschwindet;

wobei U_kor _r = –ΣU Str / o ein Störungskorrektursignal bezeichnet, welches von einer Störungskorrektureinrichtung ausgebbar ist, welche zur Messung der Oszillatortrequenz ω_L und zu einer derartigen Bemessung des Störungskorrektursignals U_korr ausgelegt ist, daß eine Abhängigkeit der gemessenen Oszillatorfrequenz ω_L von dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zeitvariablen Modulation im wesentlichen verschwindet.

Bei dem erfindungsgemäßen Stabilisierungssystem wird ein grundsätzlich neuer Ansatz zu einer weiteren Verbesserung der Stabilisierungsgenauigkeit verfolgt. Anstelle zu versuchen, mögliche Störeinflüsse einzeln zu identifizieren und durch Verbesserung von Komponenten bzw. Einflußfaktoren zu minimieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Störeinflüsse zu messen, und zwar unabhängig davon, ob ihre Ursache bekannt ist oder nicht. Nach erfolgter Messung der Störeinflüsse, welche sich in einer Offsetspannung ΣU Str / o äußern, wird ein Störungskorrektursignal U_korr, erzeugt, welches die Wirkungen der Störeinflüsse kompensiert. Der Nulldurchgang des Fehlersignals U Str / f(ω_L) liegt dann wieder bei ω_res.

Das erfindungsgemäße Stabilisierungssystem umfaßt eine Fehlersignalerzeugungseinrichtung, welche ein frequenzabhängiges Fehlersignal U Str / f(ω_L) in bekannter Weise erzeugt. Die Fehlersignalerzeugungseinrichtung kann das Fehlersignal U Str / f(ω_L) beispielsweise gemäß dem Pound-Drever-Hall Verfahren erzeugen. Jedoch sind auch sämtliche weiteren Fehler- bzw. Regelsignalerzeugungsverfahren anwendbar, so daß die Erfindung nicht auf das Pound-Drever-Hall Verfahren begrenzt ist. Bei dem so erzeugten Fehlersignal U Str / f(ω_L) wird es sich typischerweise um ein Regelsignal handeln, welches zumindest in Teilen durch Störeinflüsse ΣU str / o fehlerbehaftet ist.

Gegebenenfalls ist das Fehlersignal jedoch durch geeignete, inbesondere eingangs genannte bekannte Maßnahmen in Teilen bereits fehlerbereinigt. Beispielhaft wird im folgenden die Erfindung anhand einer Fehlersignalerzeugungseinrichtung beschrieben, welche zur Erzeugung des Fehlersignals U Str / f(ω_L) gemäß dem Pound-Drever-Hall Verfahren ausgelegt ist, wobei jedoch zu beachten ist, daß auch beliebige andere Fehlersignalerzeugungseinrichtungen verwendet werden können.

Vorzugsweise ist die Modulatoreinrichtung, inbesondere im obigen Fall, zu einer ersten Frequenz- und/oder Phasenmodulation des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_m zusätzlich zu der zweiten zeitvariablen Modulation mit vorbestimmten Modulationszeitverhalten ausgelegt und die Fehlersignalerzeugungseinrichtung umfaßt eine phasenempfindliche Detektoreinrichtung, welche zur Erzeugung des frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) durch Detektion einer mit ω_m modulierten Signalkomponente des Resonatorausgangssignals ausgelegt ist. Die für das Pound-Drever-Hall Verfahren typische Frequenz- und/oder Phasenmodulation des Oszillatorausgangssignals wird im folgenden als erste Modulation bezeichnet, während die hinzukommende zeitvariable Modulation demgegenüber als zweite Modulation bezeichnet wird.

Das erfindungsgemäße Stabilisierungssystem verwendet zum Messen der (insbesondere unbekannten) Störeinflüsse somit zusätzlich zu einer im Rahmen des Pound-Drever-Hall Verfahrens auch herkömmlich verwendeten, ersten Signalmodulation des Oszillatorausgangssignals eine weitere Signalmodulation bzw. die erste Signalmodulation wird zeitabhängig gemacht. Der erste Modulator ist ausgelegt, das Oszillatorausgangssignal der Oszillatoreinrichtung bezüglich Frequenz- und/oder Phase zu modulieren, und zwar mit einer Modulationsfrequenz ω_m. Herkömmlicherweise (klassisches Pound-Drever-Hall-Verfahren) wird durch phasenempfindliche Detektion der ω_m-modulierten Signalkomponente des Ausgangssignals der Resonatoreinrichtung ein frequenzabhängiges Fehlersignal U Str / f(ω_L) generiert, welches oftmals auch als das Pound-Drever-Hall-Fehlersignal bezeichnet wird. Wären keine Störeinflüsse ΣU Str / f vorhanden, so würde dieses frequenzabhängige Fehlersignal U Str / f(ω_L) genau dann verschwinden, wenn die Oszillatorfrequenz ω_L gleich der Resonatorfrequenz ω_res ist. Die Anwesenheit von Störeinflüssen ΣU str / o bewirkt jedoch eine Verschiebung bzw. einen Offset des frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L), sodaß das frequenzabhängige Fehlersignal U Str / f(ω_L) nicht bei ω_res einen Nulldurchgang aufweist, sondern bei einer Frequenz ω str / o.

Wenn die Oszillatorfrequenz ω_L von der Regeleinrichtung geregelt wird, würde in diesem Fall eine Regelung der Oszillatorfrequenz ω_L auf die Frequenz ω str / o erfolgen und nicht auf ω_res. Wenn alternativ eine Regelung der Resonatorfrequenz ω_res durchgeführt wird, wird diese bei Vorhandensein von Störungen ΣU str / o nicht auf ω_L geregelt, sondern auf ω str / o.

Um den durch die Störeinflüsse generierten Offset ΣU str / o zu messen wird erfindungsgemäß eine zweite bzw. weitere Modulation des Oszillatorausgangssignals der Oszillatoreinrichtung verwendet. Die zweite Modulation kann auch dadurch erzeugt werden, daß die erste Modulation mit Modulationfrequenz ω_m mit einem vorbestimmten Modulationszeitverhalten zeitabhängig gemacht wird. Das Stabilisierungssystem kann auch einen zweiten Modulator aufweisen, welcher zu einer Frequenz-, Phasen- und/oder Amplitudenmodulation des Oszillatorausgangssignals, welches eventuell bereits den ersten Modulator durchlaufen hat, führt. Der zweite Modulator wird vorzugsweise als getrenntes Bauelement, vorzugsweise als elektrooptisches Bauelement, vorgesehen. Gleichermaßen ist es jedoch möglich, den ersten und zweiten Modulator in einer gemeinsamen Modulatoreinrichtung als einziges Bauelement vorzusehen. Der erste und/oder der zweite Modulator können auch Teil der Oszillatoreinrichtung selbst sein, was insbesondere von Vorteil ist, wenn die Oszillatoreinrichtung eine Halbleiterlaserdiode ist, welche durch geeignetes Modulieren eines elektrischen Parameter ein moduliertes Oszillatorausgangssignal liefern kann.

Der zweite Modulator moduliert das Oszillatorausgangssignal mit einer Modulationsfrequenz ω_EOM und vorbestimmten Modulationszeitverhalten.

Beispielsweise kann ein Modulationszeitverhalten vorgesehen sein, gemäß welchem die Signalmodulation durch den zweiten Modulator mit einem vorbestimmten Zeitmuster aus- und eingeschaltet wird bzw. in der Modulationsamplitude verändert wird. Die Signalmodulation durch den zweiten Modulator wird derart vorgenommen, daß bei Abwesenheit von Störungen die zweite Modulation entweder keinen Effekt auf das Resonatorausgangssignal hat oder es nur in seiner Amplitude verändert. Bei Vorliegen von Störeinflüssen ändert jedoch die zweite Modulation des Oszillatorausgangssignals das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignal. Dieses Verhältnis wird wegen dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der Modulation mittels des zweiten Modulators nun ebenfalls zeitabhängig, und zwar auf eine vorbestimmt bekannte Weise. Während die Störungen normalerweise einen konstanten Fehler bewirken, welcher schlecht zu identifizieren ist, können sie nunmehr anhand der Zeitabhängigkeit des Fehlers mit dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten erkannt werden. Die so identifizierten Störungen ΣU str / o können dann durch ein Störungskorrektursignal U_korr kompensiert werden, welches ebenfalls der Regeleinrichtung zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein korrigiertes Fehlersignal U_f(ω_L) erhalten werden, welches hinsichtlich möglicher auftretende Störeinflüsse korrigiert ist.

Vorzugsweise ist die Modulatoreinrichtung Teil der Oszillatoreinrichtung. Die Modulatoreinrichtung kann insbesondere in die Oszillatoreinrichtung integriert sein bzw. einen Teil von dieser bilden. Ist beispielsweise die Oszillatoreinrichtung eine Halbleiterlaserdiode, so kann eine Modulation des Oszillatorausgangssignals dadurch erfolgen, daß insbesondere ein elektrischer Parameter der Halbleiterlaserdiode geeignet moduliert wird, um die optische Modulation zu bewirken. Die Modulatoreinrichtung kann jedoch auch außerhalb . der Oszillatoreinrichtung im optischen Signalweg des Oszillatorausgangssignals untergebracht sein.

Vorzugsweise umfaßt die Modulationseinrichtung einen einen ersten und einen zweiten Modulator, wobei der zweite Modulator zu einer Modulation des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_EOM und vorbestimmten Modulationszeitverhalten ausgelegt ist. Der erste Modulator, welcher zu einer Phasen- bzw. Frequenzmodulation des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_m führt, wird gleichermaßen beim klassischen Pound-Drever-Hall-Verfahren zur Generation eines frequenzabhängigen Fehlersignals eingesetzt. Der zweite Modulator, welcher dem ersten vor- oder nachgeschaltet sein kann, ist zu einer zusätzlichen, zweiten Modulation des Oszillatorausgangssignals ausgelegt. Vorzugsweise erfolgt die zweite Modulation des Oszilatorausgangssignals mit einer Modulationsfrequenz ω_EOM mit vorbestimmtem Modulationszeitverhalten. Beispielsweise kann die zweite Modulation mit einem vorbestimmten Modulationszeitverhalten ein- bzw. ausgeschaltet werden bzw. mit bekanntem Modulationszeitverhalten in der Modulationsamplitude verändert werden.

Es ist jedoch nicht notwendig, die zweite Modulation als Modulation des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_EOM und vorbestimmten Modulationszeitverhalten durchzuführen. Möglich ist beispielsweise ebenfalls, die zusätzliche, zweite Modulation dadurch zu bewerkstelligen, daß beispielsweise die Modulationsamplitude der ersten Modulation mit Modulationsfrequenz ω_m mit vorbestimmten Modulationszeitverhalten variiert wird. Somit wird die zweite Modulation dadurch durchgeführt, daß lediglich eine bereits vorhandene Modulation, und zwar die erste Modulation des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_m, mit einem vorbestimmten Modulationszeitverhalten zeitvariabel gemacht wird. Auch auf diese Weise kann die Signalamplitude des Fehlersignals geändert werden, ohne daß die Störeinflüsse hierdurch beeinflußt werden. Bei Vorliegen von Störeinflüssen ändert jedoch die zweite Modulation des Oszillatorausgangssignals das Verhältnis zwischen Nutz- und Störsignal.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Resonatoreinrichtung eine Referenzresonatoreinrichtung und die Regeleinrichtung regelt die Oszillatorfrequenz ω_L. Bei einer Regelung der Oszillatorfrequenz des Oszillatoreinrichtung wird die Oszillatorfrequenz auf die genau bekannte Resonatorfrequenz der Referenzresonatoreinrichtung stabilisiert, so daß insbesondere ein Frequenzstandard erstellbar ist.

Gemäß einer bevorzugten alternativen Ausführungsform ist die Oszillatoreinrichtung eine Referenzoszillatoreinrichtung und die Regeleinrichtung regelt die Resonatorfrequenz ω_res, um auf diese Weise beispielsweise einen Längenstandard beispielsweise für Gravitationswellenexperimente bereitzustellen.

Vorzugsweise gilt ω_EOM/ω_m ≥ 2, vorzugsweise ω_EOM/ω_m ≥ 10, wobei B die Resonatorlinienbreite der Resonatoreinrichtung bezeichnet. Die Resonatorlinienbreite B ist die FWHM-Breite (Full Width Half Maximum) des Resonators. Wird für die zweite Modulation des Oszillatorausgangssignals ein zweiter Modulator mit Modulationsfrequenz ω_EOM eingesetzt, wird diese Modulationsfrequenz ω_EOM derart gewählt, daß sie größer als die Modulationsfrequenz ω_m der ersten Modulation ist. Diese Wahl der zweiten Modulationsfrequenz ω_EOM beruht auf dem Gedanken, daß die zusätzliche, zweite Modulation zwar die Amplitude des Fehlersignals U Str / f(ω_L) verändert, nicht aber die Stärke der Störungen ΣU str / o. Das liegt daran, daß die Störeinflüsse verglichen mit der Resonatoreinrichtung eine sehr geringe Frequenzselektivität aufweisen. Somit sind die Störeinflüsse nicht in der Lage, die bei der zusätzlichen Frequenzmodulation erzeugten Seitenbänder als solche zu "erkennen". Daher verändert die zusätzliche (zweite) Modulation (Frequenzmodulation oder auch Amplitudenmodulation) die Stärke der Störspannungen ΣU str / o nicht. Das vorbestimmte Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation weist ebenfalls eine typische Frequenz ω_Mod _ulat _or2 auf, welche wesentlich größer als die Modulationsfrequenz ω_m ist.

Vorzugsweise ist die Oszillatoreinrichtung ein Laser. Bei dem Laser kann es sich um einen Gas- oder um einen Halbleiterlaser handeln. Die Modulatoreinrichtung kann als Teil des Lasers ausgebildet sein. Soll der Laser an eine Referenzresonatoreinrichtung gekoppelt werden, weist der Laser zusätzlich ein Stellglied auf, mit welchem die Laserfrequenz ω_L variiert werden kann.

Vorzugsweise ist die Resonatoreinrichtung ein optischer Resonator, insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometer.

Die Resonatoreinrichtung kann auch auf einer Resonanz auf Grund eines Übergangs zwischen verschiedenen Energieniveaus in einem atomaren, molekularen oder nuklearen Sytem beruhen.

Vorzugsweise umfaßt die Modulatoreinrichtung zumindest ein elektrooptisches Bauelement. Die Modulatoreinrichtung wird somit vorzugsweise als elektrooptischer Modulator ausgebildet mit welchem eine Phasenmodulation des Oszillatorausgangssignals möglich ist. Jedoch können auch andere Modulatoreinrichtungen vorgesehen werden, welche zu einer Frequenz-, Phasen- und/oder Amplitudenmodulation des Oszillatorausgangssignals geeignet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die phasenempfindliche Detektoreinrichtung einen optischen Detektor, insbesondere eine Photodiode, sowie eine Mischereinrichtung, welche zum Mischen eines elektrischen Ausgangssignals des optischen Detektors mit einem Modulationssignal mit Modulationsfrequenz ω_m der ersten Modulation ausgelegt ist. Dem optischen Detektor wird beispielsweise mittels eines Stahlteilers ein Teil des Resonatorausgangssignals zugeführt und in ein intensitätsproportionales elektrisches Ausgangssignal gewandelt. Dieses elektrische Ausgangssignal des optischen Detektors wird mit einer Mischereinrichtung mit einem Modulationssignal mit Modulationsfrequenz ω_m der ersten Modulation gemischt, d.h. multipliziert. Der Mischvorgang kann analog über ein Mischelement oder nach Digitalisierung der Daten digital erfolgen.

Vorzugsweise ist das Fehlersignal U Srr / f(ω_L) ein tiefpaßgefiltertes Ausgangssignal der Mischereinrichtung. Das Ausgangssignal der Mischereinrichtung wird vorzugsweise einem Tiefpaß zugeführt, welche die hochfrequenten Signalkomponenten entfernt. Die tiefpaßgefilterte und eventuell zusätzlich verstärkte bzw. signalaufbereitete Ausgangssignal stellt das (gestörte) Fehlersignal U Srr / f(ω_L) dar und kann der Regeleinrichtung zugeführt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Störungskorrektureinrichtung einen Frequenzmesser, z.B. einen Frequenzzähler, insbesondere einen Frequenz-Spannungswandler, sowie eine weitere phasenempfindliche Detektoreinrichtung, welche zu einer Detektion einer mit dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation modulierten Signalkomponente eines Ausgangssignal des Frequenzzählers ausgelegt ist. Der Frequenzzähler ist zur Detektion der Oszillatorfrequenz ω_L ausgelegt und gibt als Ausgangssignal vorzugsweise ein frequenzproportionales Spannungsignal aus. Mittels einer weiteren phasenempfindlichen Detektoreinrichtung wird diejenige Signalkomponente des Ausgangssignals des Frequenzzählers detektiert, welche das vorbestimmte Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation aufweist. Wenn das Ausgangsignal des Frequenzzählers eine derartige Abhängigkeit von dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation hat, liegen Störeinflüsse vor, welche zu kompensieren sind. Durch eine geeignete Regelung entweder der Oszillatorfrequenz oder der Resonatorfrequenz kann erreicht werden, daß das Ausgangssignal des Frequenzzählers keine Signalkomponente aufweist, welche das vorbestimmte Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation hat.

Vorzugsweise umfaßt die weitere phasenempfindliche Detektoreinrichtung eine weitere Mischereinrichtung, welche zum Mischen des Ausgangssignals des Frequenzzählers mit einem Signal, welches das vorbestimmte Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation wiederspiegelt, ausgelegt ist. Zur phasenempfindlichen Detektion der Signalkomponente, welche das vorbestimmte Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation aufweist, wird somit vorzugsweise ein Multiplizierer bzw. eine weitere Mischereinrichtung eingesetzt, mittels welcher das Ausgangssignal des Frequenzzählers mit einem Signal, welches das Modulationszeiterhalten darstellt, multipliziert wird. Der Mischvorgang bzw. die Multiplikation der Signale kann analog oder nach Digitalisierung digital erfolgen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Modulator zu einer Modulation des Oszillatorausgangssignals mit derartigem Modulationszeitverhalten ausgelegt, daß die Modulationsamplitude der Modulation mit Modulationsfrequenz ω_EOM mit einen rechtecks-, sägezahn- oder sinusförmigen Modulationszeitverlauf mit Zeitverlaufsfrequenz ω_Modulator2 erfolgt.

Erfolgt die zweite Modulation mittels eines zweiten Modulators, welcher das Oszillatorausgangssignal mit einer Modulationsfrequenz ω_EOM moduliert, wird der zweite Modulator vorzugsweise derart ausgelegt, daß die Modulationsamplitude der ω_EOM-Modulation einen einfachen, vorbestimmten Modulationszeitverlauf aufweist. Vorzugsweise wird die Modulationsamplitude der ω_EOM-Modulation mit einem rechtecks-, sägezahn- oder sinusförmigen Modulationszeitverlauf moduliert, wobei die Frequenz des Modulationszeitverlaufs ω_Modulator2 beträgt. Die Frequenz ω_Modulator2 ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Modulationsfrequenz ω_EOM und kleiner las die Resonatorlinienbreite B.

Vorzugsweise erzeugt der zweite Modulator eine Phasen- und/oder Frequenzmodulation mit ienem rechtecksförmigen Modulationszeitverhalten und einem Modulationsindex von etwas 2. Dies stellt eine besonders rauscharme Erzeugung des Störungskorrektursignals sicher.

Gemäß der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Stabilisierung einer Oszillatortrequenz einer Oszillatoreinrichtung oder einer Resonatorfrequenz einer Resonatoreinrichtung die Schritte:

– Bereitstellen einer Oszillatoreinrichtung, welche zum Erzeugen eines periodischen Oszillatorausgangssignals mit Oszillatorfrequenz ω_L ausgelegt ist;
– Bereitstellen einer Resonatoreinrichtung mit einer Resonanzfrequenz ω_res, in welche das erzeugte Oszillatorausgangssignal zuführbar ist und welche zur Ausgabe eines Resonatorausgangssignals ausgelegt ist;
– zeitvariables Modulieren des Oszillatorausgangssignals mit vorbestimmten Modulationszeitverhalten;
– Erzeugen eines frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L), wobei bei Abwesenheit von Störungen ΣU str / o das Fehlersignal U Str / f(ω_L) ein Maß für die Frequenzverstimmung zwischen der Oszillatorfrequenz ω_L und der Resonatorfrequenz ω_res ist und bei ω_L gleich ω_res einen Nulldurchgang aufweist;
– Regeln entweder der Oszillatorfrequenz ω_L oder der Resonatortrequenz ω_res derart, daß ein korrigiertes Fehlersignal U_f(ω_L) = U Str / f(ω_L) – U_korr verschwindet; wobei U_korr = –ΣU Str / o ein Störungskorrektursignal bezeichnet, welches derart bemessen ist, daß eine Abhängigkeit der gemessenen Oszillatortrequenz ω_L von dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zeitvariablen Modulation im wesentlichen verschwindet.

Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens treffen die eingangs in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Stabilisierungssystem getroffenen Feststellungen, Erklärungen und Ausführungsvarianten sinngemäß in gleicher Weise zu. Hinsichtlich von Begriffsdefinitionen und weiteren erklärenden Ausführungen wird auch auf die Beschreibung zum Stand der Technik verwiesen.

Vorzugsweise erfolgt das Erzeugen des frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) gemäß dem Pound-Drever-Hall Verfahren. Weiter vorzugsweise umfaßt das Erzeugen des frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) ein erstes Frequenz- und/oder Phasenmodulieren des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_m und phasenemfindliches Detektieren einer mit ω_m modulierten Signalkomponente des Resonatorausgangssignals.

Vorzugsweise erfolgt die zweite Modulation des Oszillatorausgangssignals mit einer Modulationsfrequenz ω_EOM und vorbestimmten Modulationszeitverhalten. Vorzugsweise ist die Resonatoreinrichtung eine Referenzresonatoreinrichtung ist und die Oszillatorfrequenz ω_L wird geregelt. Alternativ ist die Oszillatoreinrichtung eine Referenzoszillatoreinrichtung und die Resonatorfrequenz ω_res wird geregelt.

Vorzugsweise gilt ω_EOM/ω_m ≥ 2 , vorzugsweise ω_EO _M/ω_m ≥ 10 , wobei B die Resonatorlinienbreite der Resonatoreinrichtung bezeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform mittels begleitender Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der optischen Reflexion und Transmission bzw. Mehrstrahlinterferenz in einem Fabry-Perot-Resonator;
2 ein schematisches Blockschaltbild eines herkömmlichen Stabilisierungssystems;
3a einen Graph, welcher die typische Abhängigkeit eines (ungestörten) Pound-Drever-Hall-Fehlersignals (ϕ = 0) als Funktion der Verstimmung darstellt;
3b einen Graph, welcher den typischen Verlauf eines Pound-Drever-Hall-Absorptionssignal (ϕ = π/2) als Funktion der Verstimmung darstellt;
4a einen Graph, welcher schematisch ein gestörtes Pound-Drever-Hall-Fehlersignal als Funktion der Verstimmung darstellt;
4b einen Graph, welche das gestörte Fehlersignal U Str / f(ω_L) mit Störungen ΣU Str / o als Funktion der Verstimmung darstellen (durchgezogene Linie) sowie einen Graph, welcher das korrigierte Fehlersignal U_f(ω_L) als Funktion der Verstimmung zeigt (gestrichelte Linien);
5 ein Blockschaltbild, welches schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stabilisierungssystems zeigt; und
6 einen Graph, welcher den schematisch und vereinfacht den zeitlichen Verlauf der Oszillatorfrequenz ω_L bei erfolgender Störungskompensation als Funktion der Zeit darstellt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft näher beschrieben, in welcher die Oszillatoreinrichtung einen Laser umfaßt, dessen Laserfrequenz ω_L einem Referenzresonator (Fabry-Perot-Resonator) nachgeregelt wird.
Zur besseren Verständlichkeit der späteren mathematischen Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsvariante werden zunächst allgemeine Eigenschaften von optischen Resonatoren bzw. Resonatoreinrichtungen, insbesondere deren Transferfunktion, beschrieben. Die Transferfunktionen eines optischen Resonators bildet die Grundlage eines Verfahrens zur Erzeugung eines Fehlersignals, beispielsweise des Pound-Drever-Hall-Verfahrens. Ein Beispiel für eine Resonatoreinrichtung ist ein optischer Fabry-Perot-Resonator.
In einem einfachen Modell besteht ein optischer Resonator, beispielsweise ein Fabry-Perot-Resonator, aus zwei parallelen Spiegeln mit dem Amplituden-Reflexionskoeffizienten r und r' , die im Abstand 1 voneinander montiert sind. t und t' seien die Transmissionskoeffizienten der Spiegel (vgl. 1). Die Subskripte der vorgenannten Größen geben jeweils an, ob sich die Größen auf den ersten, eingangsseitigen oder den zweiten Spiegel beziehen. Die Absorption bei einem halben Umlauf des Lichtes im Resonator ist mit dem Amplituden-Absorptionskoeffizienten a berücksichtigt. In 1 sind die Amplitudenverhältnisse bei einer an den Resonatorspiegeln auftretenden Mehrstrahlinterferenz dargestellt.
Die Feldstärken im Resonator lassen sich als Summe der k-mal (k = 0...∞) reflektierten Komponenten darstellen. Bei der Summation der einzelnen Komponenten müssen alle Phasenverschiebungen berücksichtigt werden. Insbesondere tritt bei innerer Reflexion des optischen Strahls ein Phasensprung um π auf. Desweiteren kommt es aufgrund des optischen Weglängenunterschiedes zu einer Phasenverschiebung δ = 2nlω_L/c pro Umlauf durch den Resonator, wobei c die Lichtgeschwindigkeit, ω_L die Frequenz des optischen Strahls, d.h. die Oszillatorfrequenz, und n den Brechungsindex im Resonator bezeichnet.
Zunächst soll das vom Resonator reflektierte Feld berechnet werden, um das Resonatorausgangssignal bestimmen zu können. Das einfallende Feld wird durch den Ansatz
mit einer Amplitude E₀ und einer Kreisfrequenz ω_L beschrieben. Das direkt reflektierte Feld ist um den Reflexionskoeffizienten r der vorderen Spiegelschicht 1 abgeschwächt. Zu diesem Feld addiert sich das Feld
, welches einmal im Resonator umgelaufen ist. Das negative Vorzeichen berücksichtigt den Phasensprung bei der inneren Reflexion. Der Faktor t² berücksichtigt die zweimalige Transmission durch die vordere Spiegelschicht, der Faktor r die Reflexion am hinteren Spiegel 2, a² die Absorption beim Umlauf, sowie e^iδ die Phasenverschiebung pro Umlauf. Dazu kommen die 2,3,4,... mal umgelaufenen Felder. Insgesamt ergibt sich:
wobei der Summationsindex k die Zahl der Umläufe bezeichnet. Das reflektierte Feld ist somit die Summe aus den k-mal umgelaufenen Feldern. Dieser Ausdruck kann durch k → k – 1 in die folgende Form gebracht werden:
Dieser Ausdruck kann noch durch die Relation r² + t² = 1 auf die Form
gebracht werden. Da die Phasenverschiebung δ pro Umlauf abhängig von der Frequenz des Oszillatorausgangssignals ω_L ist, hat das vom Resonator reflektierte Feld (Resonatorausgangssignal) eine frequenzabhängige Intensität I = |E_r|² und eine frequenzabhängige Phasenverschiebung zum einfallenden Feld
Im Resonanzfall δ = 0,2π,4π, ..., d.h. bei der Resonanzfrequenz
(m = 1,2,3, ...), ist die reflektierte Intensität minimal
sowie die Phasenverschiebung Null. Gleichzeitig ist die transmittierte Intensität maximal. Bei verschwindender Absorption a = 1 verschwindet die reflektierte Intensität in Resonanz. Bewegt sich die Oszillatorfrequenz ω_L von der Resonanz weg, d.h. liegt eine Frequenzverstimmung vor, so steigt die reflektierte Intensität des Resonatorausgangssignals wieder auf eins an. Als Linienbreite B wird der Frequenzabstand derjenigen Frequenzen definiert, bei welchen die Intensität die Hälfte des Wertes erreicht, den sie bei sehr weiter Verstimmung erreicht. Für t,r ≈ 1 findet man B = A + 2T mit den Koeffizienten A und T, die durch r = 1 – T/2 und a²= 1 – A/2 definiert sind.
Nachfolgend wird beispielhaft das Pound-Drever-Hall Verfahren zur Erzeugung eines Fehlersignals für Stabilisierungssysteme sowie dessen Nachteile bzw. Unzulänglichkeiten beschrieben. Das erfindungsgemäße Konzept ist jedoch nicht auf das Pound-Drever-Hall Verfahren beschränkt und läßt sich auch bei anderen Fehlersignalerzeugungsverfahren einsetzen.
Um die Frequenz von Lasern oder anderen Oszillatoreinrichtungen, insbesondere Mikrowellenoszillatoren, stabilisieren zu können, muß die tatsächliche Oszillatorfrequenz mit einer möglichst stabilen Referenzfrequenz, dem Diskriminator bzw. dem Referenzresonator, verglichen werden. Eine häufig verwendete Technik hierzu ist das Pound-Drever-Hall-Verfahren. Es erzeugt ein Regelsignal (das sogenannte Fehlersignal), welches der Abweichung der Laserfrequenz von der Referenzfrequenz, d.h. der Frequenzverstimmung, proportional ist. Mit dessen Hilfe wird die Oszillator- bzw. Laserfrequenz so lange gezielt verändert, bis sie mit der Referenzfrequenz übereinstimmt. Somit ist es möglich, die Frequenzschwankungen des Lasers wirksam zu unterdrücken. Alternativ ist es möglich, die Resonatorfrequenz eines Resonators einer Oszillatorfrequenz nachzuführen, um die Resonatorfrequenz einer stabilen (Referenz-)Oszillatorfrequenz nachzureglen.
Bei dem Pound-Drever-Hall-Verfahren handelt es sich um eine Seitenbandmodulationstechnik zur aktiven Stabilisierung beispielsweise der Oszillatorfrequenz ω_L (im folgenden auch als Laserfrequenz bezeichnet) auf die Resonatorfrequenz ω_res (im folgenden auch als Referenzfrequenz bezeichnet) einer Resonatormode.
2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines typischen, prinzipieller Aufbaus eines bekannten Stabilisierungssystems gemäß dem Pound-Drever-Hall-Verfahren. Optische Signalwege sind mittels dicker Linien, elektrische Signalwege mittels dünner Linien dargestellt. Die Oszillatoreinrichtung 10, bei welcher es sich beispielsweise um einen Laser handeln kann, gibt ein Oszillatorausgangssignal aus, welches mittels eines Modulators 12, beispielsweise eines elektrooptischen Modulators (EOM) mit einer Modulationsfrequenz ω_m phasenmoduliert wird. Der Modulator 12 kann auch in der Oszilltoreinrichtung 10 integriert sein (beispielsweise als schneller Piezomodulator des Lasers). Dem Oszillatorausgangssignal, d.h. dem Laserlicht, werden im Modulator 12 Seitenbänder aufmoduliert. Das optische Ausgangssignal des Modulators 12 trifft über einen Strahlteiler BS auf eine Resonatoreinrichtung bzw. einen Resonator 14, bei welchem es sich beispielsweise um einen Fabry-Perot-Resonator handeln kann. Das vom Resonator 14 reflektierte Signal, welches als Resonatorausgangssignal bezeichnet wird, wird vom Strahlteiler BS reflektiert und mittels eines optischen Detektors 16 detektiert. Der optische Detektor 16 ist Teil einer phasenemfindlichen Detektoreinrichtung 18, welche zu einer Detektion der mit ω_m-modulierten Signalkomponente des Resonatorausgangssignals ausgelegt ist.
Hierzu weist die phasenempfindliche Detektoreinrichtung 18 ferner eine Mischereinrichtung 20 auf, welche das elektrische Ausgangssignal des optischen Detektors 16 mit der Modulationsfrequenz ω_m mischt. Bei richtiger Phasenlage ϕ des Modulators 12 wird ein Dispersionssignal, das sogenannte Fehlersignal, erhalten, welches nach Anpassung durch einen Servoverstärker 22 die Laserfrequenz ω_L der Resonatorfrequenz ω_res über ein Stellglied 24 nachregeln kann. Vorzugsweise ist zwischen dem Ausgang der Mischereinrichtung 20 und dem Servoverstärker 22 ein Tiefpaßfilter 26 angeordnet.
Die Phase des elektrischen Laserfeldes wird harmonisch mit einem Signal der Form βsinω_mt moduliert, wobei β den Modulationsindex und ω_m die Kreisfrequenz der Phasenmodulation bezeichnet. Eine Fourierentwicklung ergibt:
Es werden somit Seitenbänder im Abstand der Modulationsfrequenz ω_m und deren Vielfachen erzeugt. Dieses modulierte Signal wird in den Resonator 14 eingekoppelt. Mit Gleichung (3) erhält man für das vom Resonator 14 reflektierte Signal (Resonatorausgangssignal)
Im Vergleich zu dem auf den Resonator 14 treffenden Signal werden die Amplituden und Phasen der einzelnen Fourierkomponenten durch den in Klammern stehenden Ausdruck verändert. Das Resonatorausgangssignal ist somit im allgemeinen nicht mehr rein frequenzmoduliert (FM), sondern weist zusätzlich eine Amplitudenmodulation (AM) auf. Der Detektor 16 mißt die Intensität, also das Betragsquadrat der Feldstärke |E_r|² und ist somit auf die AM empfindlich. Das Pound-Drever-Hall Fehlersignal U_f(ω_L,ϕ) wird gebildet als
wobei der Strich die Mittelung über eine Periode der Modulationsfrequenz ω_m bedeutet. Das Fehlersignal ist somit das gemittelte Produkt der vom Resonator 14 reflektierten Intensität mit einer (um ϕ phasenverschobenen) Sinusschwingung der Frequenz ω_m . Das Multiplizieren wird technisch von der Mischereinrichtung 20 ausgeführt oder auch nach Digitalisieren des elektrischen Ausgangssignals des Detektors 16 numerisch. Die Mittelung kann durch den Tiefpaßfilter 26 vorgenommen werden.
Das Berechnen des Betragsquadrats |E_r|² sowie von U_f(ω_L,ϕ) ist mit elementarer Algebra möglich, aber umständlich. Als Ergebnis erhält man für ϕ = 0 und ϕ = π/2 die beiden in 3 über der Laserfrequenz ω_L aufgetragenen Signale. Hierbei ist die Modulationsfrequenz beispielhaft ω_m = 500kHz und die Linienbreite B = 50kHz. Der Modulationsindex β ist beispielsweise gleich Eins. Mit der Phasenverschiebung ϕ kann zwischen dem absorptiven Signal (ϕ = 0; vgl. 3(b)) und dem dispersiven Signal (ϕ = π/2; vgl. 3(a), sogenanntes Pound-Drever-Hall Fehlersignal) gewählt werden. Für andere Phasenverschiebungen ist das Signal eine Mischform aus absorptiven und dispersiven Anteilen. In 3 sind das absorptive und dispersive Signal als Funktion der Verstimmung (Detuning) der Laserfrequenz ω_L von der Resonatrfrequenz ω_res aufgetragen. Zur Regelung der Laserfrequenz ω_L eignet sich das Dispersionssignal (3(a)). Wenn das Fehlersignal in 3(a) gegen die absolute Frequenz aufgetragen wird, weist das Fehlersignal bei einer Frequenz ω₀ einen Nulldurchgang auf. Diese Frequenz w₀ ist bei optimalem Funktionieren (ohne Störeinflüsse) des Stabilisierungssystems gleich der Resonanzfrequenz ω_res des Resonators 14. Das Fehlersignal wird vom Servoverstärker 22 geeignet verstärkt und regelt über das Stellglied 24 die Laserfrequenz ω_L zur Referenzfrequenz ω_res hin. Wie eingangs beschrieben kann alternativ eine Regelung der Resonatrfrequenz auf die Laserfrequenz vorgenommen werden.
Es läßt sich zeigen, daß für β = 1,08 die Flanke des Fehlersignals am steilsten ist, weshalb ein Modulationsindex um Eins technisch bevorzugt verwendet wird. Auf analoge Weise erhält man auch ein Fehlersignal bei Detektion in Transmission; allerdings wird dieses nur in Ausnahmefällen verwendet, weil der Resonator hier Seitenbänder, die einen höheren Abstand vom Träger haben, als die Resonatorlinienbreite, stark abschwächt. Daher sind in Transmission nur niedrige Modulationsfrequenzen möglich. Die Benutzung hoher Modulations- und Detektionsfrequenzen ist aber erwünscht, weil hier das technische 1/f-Rauschen des Lasers weniger ins Gewicht fällt.
Bei der Ausführung des Pound-Drever-Hall-Verfahrens können sich jedoch aus verschiedenen Ursachen sowohl in der Elektronik als auch in der Optik Fehler bzw. Störungen einschleichen. Ein Beispiel ist die parasitäre Rest-Amplitudenmodulation (Rest-AM), welche bei der Frequenzmodulation des Oszillatorausgangssignals durch Unvollkommenheiten des Modulators 12 entsteht. Diese Rest-AM wird vom Detektor registriert und erzeugt einen ungewollten Beitrag zum Fehlersignal. Als Folge dessen wird der Oszillator nicht mehr genau auf die Referenzfrequenz geregelt. Am Ende der Figurenbeschreibung wird dieses Problem beispielhaft detailliert behandelt.
Weitere wesentliche Störeinflüsse, welche die Stabilität des Stabilisierungssytems negativ beeinflussen, sind insbesondere die ungewollte Frequenzabhängigkeit der Übertragungsstrecke von der Oszillatoreinrichtung 10 zur Resonatoreinrichtung 14 (sogenannte „parasitäre Etalons"). Diese Frequenzabhängigkeit kann ebenfalls FM in AM umwandeln und bewirkt dann Störungen analog zur Rest-AM. Sie entstehen innerhalb der Optik, z.B. durch parasitäre Reflexionen an Linsenoberflächen, die zu stehenden Wellen führen. Wegen der Wärmeausdehnung der Optik selbst sowie des Tisches, auf dem die Optik montiert ist, ist die FM – AM Umwandlung zudem temparaturabhängig. Fehler können auch entstehen in der Mischereinrichtung 20 oder dem Detektor 16, beispielsweise einem Ringmischer, entstehen. So erzeugt dieser im allgemeinen eine temperaturabhängige Offsetspannung. Des weiteren stören die Temperaturabhängigkeit der Elektronik, Thermospannungen sowie Einstreuungen vom Modulator 12 in die Mischereinrichtung 20 durch elektromagnetische Felder. Schlußendlich führt die mechanische Instabilität der Resonatoraufhängung zu einer schwankenden Effizienz bei der Ankopplung des Resonators an den Laser. Damit schwankt auch das Verhältnis der Amplituden des vom Resonator wahrgenommenen Nutzsignals und störenden Streulichtes.
Allgemein werden Störungen an drei Stellen wirksam werden:

1. Bei der Erzeugung der modulierten Schwingung (z.B. Rest-AM),
2. bei der Übertragung der Schwingung zur Referenz (FM-AM-Umwandlung), sowie
3. bei der Auswertung der Reaktion der Referenz (z.B. Temperatureinflüsse).

Die Störungen begrenzen die Genauigkeit, mit der die Gleichheit der Oszillator- und der Referenzfrequenz festgestellt werden kann.
Als Beispiel für eine Fehlerursache und dessen Störungsmechanismus der Beeinflussung des Fehlersignals wird am Ende der vorliegenden Beschreibung die "Rest-AM" exemplarisch behandelt. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist aber gerade darin zu sehen, daß für ihr Funktionieren die einzelnen Fehlerursachen nicht bekannt sein müssen, um kompensiert werden zu können. Daher ist es hier nicht erforderlich, auf weitere Mechanismen detailliert einzugehen.
In 4 ist das gestörte Pound-Drever-Hall-Fehlersignal U str / f bei Vorhandensein von Störeinflüssen dargestellt. Auf der x-Achse ist die Laserfrequenz ω_L aufgetragen, auf der y-Achse das Fehlersignal U str / f. Die Störeinflüsse äußern sich im Vorhandensein einer Offsetspannung. Beispielsweise ist in 4(a) das gestörte Fehlersignal U AM / f aufgrund einer Störung durch "Rest-AM" dargestellt. Das Fehlersignal U AM / f ist um die Offestspannung U₀ nach oben verschoben. In Folge der endlichen Steigung des Fehlersignals U AM / f in der Nähe der Resonanzfrequenz ω_res (durch die gestrichelte Linie in 4(a) angedeutet) verschiebt sich der Nulldurchgang des Fehlersignals von wo (ungestörter Fall) zu wo (gestörter Fall). In 4b ist der allgemeine Fall eines gestörten Pound-Drever-Hall Fehlersignals U str / f dargestellt, wobei zusätzlich das ungestörte Pound-Drever-Hall Signal U_f gestrichelt eingezeichnet ist. Die verschiedenen Störeinflüsse bewirken eine Gesamoffsetspannung U str / o, welche zu einer Verschiebung der Frequenz des Nulldurchganges von ω_o = ω_res für das ungestörte Signal U_f zu ω str / o ≠ ω_res für das gestörte Fehlersignal U str / f führen. Störeinflüsse äußern sich somit in einer unerwünschten Frequenzverschiebung.
Als Folge dieser Störungen wird nicht das ungestörte Fehlersignal U_f, sondern ein gestörtes Fehlersignal
welches die Summe der durch die verschiedenen Einflüsse erzeugten Offsetspannungen U_o enthält, erzeugt (vgl. 4(b)). Das ungestörte Fehlersignal U_f hat einen Nulldurchgang U_f(ω_L) = 0 , wenn die Laserfrequenz ω_L mit der Resonanzfrequenz ω_res des Resonators übereinstimmt. Aus 4(b) ist es ersichtlich, daß das gestörte Fehlersignal U str / f bei einer anderen Laserfrequenz ω str / O ≠ ω_res seinen Nulldurchgang U str / f(ω_L,ϕ) = 0 hat, welches eine Folge der endlichen Steilheit dU_f(ω_L)/dω_L des Fehlersignals am Nulldurchgang ist.
Die Laserfrequenz stellt sich im geschlossenen Regelkreis auf den Wert
ein, der nicht mehr genau der Resonanzfrequenz ω_res entspricht. (Dieser . Ausdruck gilt, falls die Abhängigkeit der Störsignale U str / o von der Laserfrequenz ω_L gegen die Abhängigkeit des Fehlersignals U_f von ω_L vernachlässigt werden kann. Dies ist in der Praxis meist sehr gut erfüllt.) Der Term im Nenner bezeichnet die Ableitung nach der Laserfrequenz an der Stelle ω_L = ω_res.
Herkömmlich wurde versucht, einzelne Ursachen für die Störungen zu identifizieren und nach Möglichkeit zu verringern. Da aber jedes technische Gerät immer nur eine Annäherung an ein gewünschtes Ideal darstellt, bleiben in der Praxis immer Fehlerursachen übrig, welche dann die Genauigkeit des Systems limitieren.
Die Erfindung verfolgt in diesem Zusammenhang einen grundsätzlich anderen Weg. Ausgegangen wird hierbei von der Erkenntnis, daß eine grundsätzliche Verbesserung dann möglich wäre, wenn die Offsetspannungen U str / o gemessen werden könnten, unabhängig davon, ob ihre Ursache bekannt ist oder nicht. So wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Summe der Offsetspannungen ΣU str / o gemessen und anschließend eine Korrekturspannung U_korr = –ΣU str / o zu U str / f addiert, welche die Wirkung der Störungen kompensiert.
Der Nulldurchgang der Summe liegt dann wieder bei ω_res.
Die Erfindung benutzt dazu vorzugsweise eine zusätzliche Frequenz- bzw. Phasenmodulation des Oszillatorausgangssignals bei einer Frequenz ω_EOM mit einem Modulationsindex β_EOM vorzugsweise von der Größenordnung 1, welche vor, gleichzeitig oder nach der ersten Modulation erfolgen kann. Diese wird vorzugsweise von einem zusätzlichen Modulator erzeugt. Besonders bevorzugt wird ein Modulationsindex β_EOM ≈ 2, um ein besonders rauscharmes Störungskorrektursignal U_korr zu erzeugen.
5 zeigt ein schematisches Blockschaltdiagramm einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Bereits in Zusammenhang mit dem zuvor beschriebenen Stand der Technik, insbesondere 2, beschriebene Elemente sind in 5 mit identischen Bezugszeichen versehen, wobei auf die bereits erfolgte Beschreibung verwiesen wird.
Das Ozillatorausgangssignal der Oszillatoreinrichtung 10, bei welchem es sich beispielsweise um einen Laser handelt, durchläuft einen zusätzlichen (zweiten) Modulator 28, der mit der Frequenz ω_EOM betrieben wird. Der erste Modulator 12 und der zweite Modulator 28 bilden gemeinsam eine Modulationseinrichtung. Der zweite Modulator 28 ist vorzugsweise zu einer Phasenmodulation mit Modulationsfrquenz ω_EOM des vom ersten Modulator 12 modulierten Oszillatorausgangssignals ausgelegt, wobei die Modultion mit einem vorbestimmten Modulationszeitverhalten erfolgt. Beispielsweise wird der zweite Modulator 28 mit einer Modulationsfrequenz ω_EOM aus einem Funktionsgenerator (dargestellt als Kreis mit Bezugszeichen ω_EOM in 5) von etwa 25MHz betrieben. Diese Frequenz ist nicht gleich der für das Pound-Drever-Hall-Verfahren verwendeten Frequenz ω_m (z.B. ω_m = 500kHz), so daß die zusätzliche Modulation nicht zum Fehlersignal beiträgt. Die Frequenz von 25MHz ist groß gegen die Breite B der Resonanz des Resonators 14 (kleiner als 100kHz), so daß der Resonator von den bei der zusätzlichen FM entstandenen Seitenbändern nicht zu Schwingungen angeregt wird. Beim Zuschalten der zusätzlichen Modulation verringert sich daher die Amplitude der Resonatorschwingungen und damit wiederum die Amplitude des Fehlersignals.
Beispielsweise wird die zweite Modulation mit einer Frequenz ω_Modulator2 (beispielsweise 1 kHz) periodisch ein- und ausgeschaltet, d.h. der Modulationsindex der zweiten Modulation wird periodisch geändert. Die Frequenz ω_L des Laserlichtes bzw. des Oszillatorausgangssignals wird vorzugsweise mit einem Frequenzzähler, insbesondere mit einem Frequenz-Spannungswandler 30, vorzugsweise in eine dazu proportionale Spannung umgesetzt. Das Ausgangssignal des Frequenz-Spannungswandlers 30 wird einer weiteren phasenempfindlichen Detektoreinrichtung zugeführt, welche diejenige Signalkomponente des Ausgangssignals detektiert, welche mit dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation moduliert ist. Hierzu umfaßt die weitere phasenempfindliche Detektoreinrichtung vorzugsweise einen Multiplizierer bzw. eine weitere Mischeinrichtung 32, welche das Ausgangssignal des Frequenzählers 30 mit einem Signal mischt, welches das Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation wiederspiegelt (beispielsweise ein Rechteckssignal mit Frequenz ω_Modulator2). Der Multiplikations- bzw.
Mischvorgang kann analog oder digital erfolgen. In 5 ist dies anhand einer Doppellinie, welche von einem Schalter im Signalweg zwischen dem ω_EOM-Oszillator und dem zweiten Modulator 28 zu der weiteren Mischeinrichtung 32 führt, angedeutet. Die weitere phasenempfindliche Detektoreinrichtung und der Frequenzzähler 30 sind Teil einer Störungskorrektureinrichtung, dessen eventuell zu verstärkendes Ausgangssignal das Störungskorrektursignal U_korr = –ΣU str / o ist, welches vorzugsweise dem Servoverstärker 22 zugeführt wird. Das Ausgangssignal ist somit den Störungen ΣU str / o proportional. Das Störungskorrektursignal kompensiert genau den Störungsoffset ΣU str / o des gestörten Fehlersignals U str / f.
Vorzugsweise wird die Frequenz ω_EOM sehr viel größer als die Linienbreite B des Resonators 14 gewählt. An Stelle des nur mit der Frequenz ω_m modulierten Feldes E(t) trifft nun das Feld
auf den Resonator 14, wobei β_EOM die Modulationsamplitude der zweiten Modulation darstellt. Eine Umformung ergibt
Der zweite Term auf der rechten Seite enthält nur Terme mit Frequenzen ω_L + mω_m + nω_EOM, wobei n und m natürliche Zahlen sind mit n ≠ 0. Da ω_L ≈ ω_res (bei Abwesenheit von Störungen gälte hier ein Gleichheitszeichen) und ω_EOM>> B sind diese Frequenzen stark von der Resonanzfrequenz ω_res des Resonators 14 verschieden und regen diesen nicht zu Schwingungen an. Nach Detektion durch den optischen Detektor 18 ergeben sie hochfrequente Signalkomponenten, die herausgefiltert werden können und dann nicht mehr zum Fehlersignal beitragen. Das Fehlersignal entsteht daher nur aus dem ersten Term auf der rechten Seite. Das entstandene Fehlersignal ergibt sich somit zu Umf (ωL + ϕ) = J20 (βEOM)Uf(ωL + ϕ) (12)
Gegenüber dem "klassischen" Pound-Drever-Hall-Fehlersignal U_f tritt ein Vorfaktor J 2 / 0(β_EOM) hinzu, wobei sich das Quadrat dadurch ergibt sich, daß das Signal des optischen Detektors 16 das Betragsquadrat der Feldstärke ist. Für β_EOM > 0 ist J 2 / 0(β_EOM) < 1; durch Variieren von β_EOM mit vorbestimmten Modulationzeitverhalten läßt sich also die Fehlersignalamplitude mit diesem Modulationszeitverhalten modulieren.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, daß die zusätzliche (zweite) Modulation zwar die Amplitude des Fehlersignals U_f verändert, nicht aber die Stärke der Störungen U str / o. Das liegt daran, daß die Störeinflüsse verglichen mit dem Resonator 14 eine sehr geringe Frequenzselektivität haben und somit nicht in der Lage sind, die bei der zusätzlichen Frequenzmodulation erzeugten Seitenbänder als solche zu „erkennen". Im Vergleich zur optischen Laserfrequenz ω_L (beispielsweise 288THz) ist die Modulationsfrequenz ω_EOM von beispielsweise 25MHz verschwindend gering. Nur der Resonator 14 kann die Seitenbänder vom Träger unterscheiden. Die Störungen wirken sich daher auf Träger und Seitenband gleich aus. Daher verändert die zusätzliche Frequenzmodulation die Stärke der Störspannungen U str / o nicht. Folglich bewirkt das Ein- und Ausschalten der Modulation keine Variation der Störungen. Da die Amplitude des Nutzsignals variiert, ändert sich das Verhältnis des Nutzsignals zu den Störungen. Der Einfluß der Störungen ist proportional zu diesem Verhältnis; somit bewirken die Störungen nun eine periodische Verschiebung der geregelten Laserfrequenz ω_L.
Die von den Störungen beeinflußte Frequenz des Nulldurchgangs errechnet sich jetzt zu
Für β_EOM = 0 ist J 2 / 0(β_EOM) = 1. Sei zunächst das Störungskorrektursignal bzw. die Korrekturspannung U_korr = 0. Erhöht man β_EOM, so wird J 2 / 0(β_EOM) kleiner, womit der Einfluß der Störungen ΣU str / o auf die Frequenz des Nulldurchganges ω m,str / 0. steigt. Durch Variation von β_EOM mit einem charakteristischen, vorbestimmten Modulationszeitverhalten (z.B. periodisches Ein- und Ausschalten der zusätzlichen Modulation) erhält auch ω m,str / O dieses charakteristische Zeitverhalten und damit auch die Laserfrequenz ω_L , da im geschlossenen Regelkreis die Laserfrequenz ω_L = ω m,str / O. Weist eine Messung der Laserfrequenz ω_L das charakteristische Modulationszeitverhalten auf, so ist das Vorliegen von Störungen ΣU str / o nachgewiesen. In der Ausführungsform gemäß 5 wird diese Messung mit Hilfe des Frequenz-Spannungswandlers 30 und anschließendem Multiplizieren mit dem ein/ausschaltenden Signal mittels der Mischeinrichtung 32 vorgenommen.
Die Erfindung wandelt somit die konstanten (oder in unkontrollierter Weise schwankenden) Störungen ΣU str / o, welche daher schwer nachzuweisen sind, in ein Signal mit einem charakteristischen Zeitverhalten um, das leicht nachgewiesen werden kann. Die Amplitude dieses Störungskorrektursignals wird nun als Eingangssignal für einen Regler umfassend den Servoverstärker 22 und das Stellglied 24 benutzt, der diese Amplitude zum Verschwinden bringt. Das ist der Fall, wenn U_korr = –ΣU str / o womit die Störungen kompensiert sind. Es ist günstig, diesen Regler als I (Integral-)Regler auszuführen, da er dann langzeitige Störungen theoretisch ganz zum Verschwinden bringen kann.
In 6 ist in einfacher, schematischer Form die Regelung der Oszillatorfrequenz ω_L auf die Resonatorfrequenz ω_res gemäß der erfindungsgemäßen Ausführungsform gegen die Zeit dargestellt. Bei noch unkompensierten Störungen ΣU str / o erfolgt die Regelung der Oszillatorfrequenz ω_L nicht auf die Resonatorfrequenz ω_res, sondern auf die Frequenz ω m,str / 0 des Nulldurchgangs des gestörten Fehlersignals U str / f. Die Addition des Störungskorrektursignals U_korr bewirkt eine Annäherung der Frequenz ω m,str / 0 an die Resonatorfrequenz ω_res. Wenn U_korr = –ΣU str / o gilt, ist ω_L = ω_res und die zweite Modulation mit vorbestimmten Modulationszeitverhalten äußert sich nicht mehr in einem Springen der nachgeregelten Oszillatorfrequenz ω_L, da der Zähler des Bruchterms von Gleichung (13) in diesem Fall verschwindet. Die Oszillatorfrequenz ω_L weist in diesem Fall keinen Signalanteil mehr auf, welcher das vorbestimmte Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation hat.
Von Vorteil ist, daß für das Funktionieren der Erfindung die zusätzliche Modulation nicht mit einem „perfekten" Modulator erzeugt werden muß, der reine FM ohne Rest-AM erzeugt. Eine Rest-AM bei der Frequenz ω_EOM ergibt hinter dem Detektor 16 nur hochfrequente Signalkomponenten, die herausgefiltert werden. Es wäre sogar möglich, die zusätzliche Modulation mit der Frequenz ω_EOM als Amplitudenmodulation auszuführen. Technisch wird eine AM aber durch gesteuertes Abschwächen des Laserstrahls erzeugt – ist also mit einem Leistungsverlust verbunden – während FM theoretisch ohne Leistungsverlust erzeugt werden kann. Daher wird man in der Praxis normalerweise FM vorziehen. Da die Frequenz, mit der die zusätzliche Modulation ein und ausgeschaltet wird, beispielsweise etwa 1 kHz ist, muß der zweite Standard nur auf Millisekunden-Zeitskala stabil sein. Als zweite Referenz wäre daher sogar die Frequenz des freilaufenden Lasers ausreichend.
Möglich ist ferner eine Ausführungsform der Erfindung, welche ohne einen zusätzlichen zweiten Modulator auskommt. Anstelle einer zeitlich veränderlichen zusätzlichen Modulation kann auch eine bereits vorhandene Modulation ausgenutzt werden. Im obigen Ausführungsbeispiel könnte beispielsweise die für das Pound-Drever-Hall-Verfahren verwendete Modulation mit Modulationsfrequenz ω_m zeitlich variiert werden. Das würde die Fehlersignalamplitude ebenfalls ändern, ohne die Störungen zu beeinflussen.
Wenn das Fehlersignal im obigen Fall durch das Pound-Drever-Hall-Verfahren erzeugt wird, kann man sich folgende Eigenschaft zunutze machen: Erhöht man den Modulationsindex β (Maß für die Stärke einer FM) der beim Pound-Drever-Hall-Verfahren verwendeten Modulation von Null an, so steigt die Amplitude des Fehlersignals zunächst, bis sie ein erstes Maximum erreicht. Anschließend nimmt sie wieder auf Null ab, wechselt das Vorzeichen und erreicht dann ein zweites Maximum. Die Erfindung kann nun so ausgestaltet werden, daß für die nötige zeitlich veränderliche Modulation der Modulationsindex der Pound-Drever-Hall-Modulation zwischen zwei Maxima hin- und hergeschaltet wird. Das Vorzeichen des so erhal-tenen Fehlersignals wird im gleichen Takt umgeschaltet wie der Modulationsindex, so daß das letzten Endes erhaltene Fehlersignal immer das gleiche Vorzeichen hat und damit zur Regelung geeignet ist. Bei der Umschaltung der Polarität wechseln aber die im Fehlersignal enthaltenen Störungen das Vorzeichen und beeinflussen die Frequenz abwechselnd in umgekehrter Weise. Das führt zu einem periodischen Frequenzversatz, mit dessen Hilfe wie oben die Störungen identifiziert werden können. Im hier vorliegenden Fall schwankt die Frequenz aber symmetrisch um den Wert, den sie ohne Störungen hätte, d.h., die Schwankungen mitteln sich über eine genügend lange Zeit heraus. In Anwendungen, bei denen es auf Einfachheit ankommt, kann also auf eine Kompensation der Störungen verzichtet werden, wenn die periodischen Schwankungen in Kauf genommen werden können; ein bleibender Frequenzversatz aber stört.
Die Erfindung verwandelt die Auswirkungen einer zeitlich konstanten Störung (die deswegen schwer zu erkennen ist) in eine variable Frequenzverschiebung. Zur Detektion derselben wird vorzugsweise eine zweite Frequenzreferenz im Rahmen einer Frequenzzähleinrichtung 30 eingesetzt. Im obigen Beispiel ist dies vorzugsweise ein zweiter vollständiger Resonatorfrequenzstandard. Da die zeitliche Variation der Modulation schnell gemacht werden kann, brauchen an die Langzeitkonstanz der zweiten Referenz jedoch keine besonderen Anforderungen gestellt werden. Als Alternative mit geringem Aufwand kann daher z.B. der Oszillator selber als Frequenzreferenz auf kurzen Zeitskalen verwendet werden. Wenn durch das Vorliegen von Störungen eine periodische Frequenzverschiebung entsteht, so gleicht gemäß dem Funktionsprinzip eines Frequenzstandards der Regler die Oszillatorfrequenz fortwährend an diese Verschiebungen an. Das bedeutet aber, daß an das Stellglied für die Oszillatorfrequenz ein periodisches Signal angelegt wird, das den Oszillator zu diesen Verschiebungen veranläßt. Durch Korrelation dieses Signals mit der zeitlichen Variation der Modulation, die für die Erfindung benutzt wird, kann das Vorliegen eines solchen periodischen Signals als Zeichen für das Vorliegen von Störungen benutzt werden.
Abschließend soll anhand der Rest-Amplitudenmodulation der Wirkungseinfluß einer Störung exemplarisch diskutiert werden. An Stelle des rein frequenzmodulierten Signals
trete durch technische Unvollkommenheiten des Modulators ein teilweise frequenz- und amplitudenmoduliertes Signal
wobei μ,ν die Stärke der AM angeben. Da die AM klein ist, also μ,ν << 1, gilt
und daher
mit =: β – iμ. Umsortieren der Terme ergibt mit m = k + 1
Da ν << 1, kann man J₀(–iν) = 1,J_±1(–iν) = ∓iν/2 und J_n(–iν) = 0für n
{–1,0,1} nähern. Man erhält
Wegen 2J'_m(z) = J_m–1(z) – J_m+1(z) (der Strich bezeichnet die Ableitung nach dem Argument) ist
Vergleicht man diesen Ausdruck mit der Fouriertransformierten des rein frequenzmodulierten Lichtes, so sieht man, daß die geschweifte Klammer an Stelle der Besselfunktion J_m(β) getreten ist. Das bedeutet eine Amplituden- und -Phasenänderung der Fourierkomponenten. Da ansonsten nichts verändert wurde, kann man den Ausdruck für das vom Resonator reflektierte Feld erhalten, indem man in Gleichung (7) J_m(β) durch die geschweifte Klammer ersetzt:
Berechnet man hieraus das Fehlersignal nach
so erhält man ein neues Signal, bestehend aus dem alten Signal ohne Rest-AM U_f(ω_L,ϕ) plus Zusatzterme proportional zu μ,ν.
Dieses Signal ist in 4(a) dargestellt. Es ähnelt dem ungestörten Fehlersignal (ohne Rest-AM), weist aber eine Verschiebung der Nullinie um eine Offsetspannung U_o auf. Wegen der endlichen Steigung des Fehlersignals in der Nähe der Resonator-Resonanzfrequenz ω_res entsteht dadurch auch eine Verschiebung des Nulldurchgangs hin zu einer Frequenz ω AM / 0 ≠ ω_res.

10: Oszillatoreinrichtung, z.B. Laser
12: (erster) Modulator
14: Resonatoreinrichtung, z.B. Fabry-Perot-Resonator
16: optischer Detektor (Teil von 18)
18: (erste) phasenempfindliche Detektoreinrichtung
20: Mischereinrichtung (Teil von 18)
22: Servoverstärker
24: Stellglied
26: Tiefpaßfilter
28: zweiter Modulator
30: Frequenzzähler
32: zweite Mischereinrichtung (Teil der zweiten phasenempfindlichen
: Detektoreinrichtung)
BS: Strahlteiler
ω_m: Lokaloszillator zur Erzeugung einer Schwingung mit Frequenz ω_m (Teil
: der ersten phasenempfindlichen Detektoreinrichtung 18)
ω_EOM: Lokaloszillator zur Erzeugung einer Schwingung mit Frequenz ω_EOM
: (Teil der zweiten phasenempfindlichen Detektoreinrichtung)
^ωModulator2: Schalter im Signalweg zwischen Lokaloszillator ω_EOM und dem zweiten
: Modulator 28; Schalter ^ωModulator2 moduliert ω_EOM-Schwingung des
: Lokaloszillators ω_EOM mit vorbestimmten Modulationszeitverhalten mit
: Frequenz ω_Modu _lator2 (Teil der zweiten phasenempfindlichen
: Detektoreinrichtung)

Claims

Stabilisierungssystem mit – einer Oszillatoreinrichtung (10), welche zum Erzeugen eines periodischen Oszillatorausgangssignals mit Oszillatorfrequenz ω_L ausgelegt ist; – einer Resonatoreinrichtung (14) mit einer Resonanzfrequenz ω_res, in welche das erzeugte Oszillatorausgangssignal zuführbar ist und welche zur Ausgabe eines Resonatorausgangssignals ausgelegt ist; – einer Modulatoreinrichtung (28), welche im Signalweg des Oszillatorausgangssignals zwischen der Oszillatoreinrichtung (10) und der Resonatoreinrichtung (14) angeordnet ist, um das Oszillatorausgangssignal zu modulieren, wobei die Modulatoreinrichtung (28) zu einer zeitvariablen Modulation des Oszillatorausgangssignals mit vorbestimmtem Modulationszeitverhalten ausgelegt ist; – einer Fehlersignalerzeugungseinrichtung (12, 18), welche zur Erzeugung eines frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) ausgelegt ist, wobei bei Abwesenheit von Störungen ΣU str / o das Fehlersignal U Str / f(ω_L) ein Maß für die Frequenzverstimmung zwischen der Oszillatorfrequenz ω_L und der Resonatorfrequenz ω_res ist und bei ω_L gleich ω_res einen Nulldurchgang aufweist; – einer Regeleinrichtung (22, 24), welche zu einer derartigen Regelung entweder der Oszillatorfrequenz ω_L oder der Resonatorfrequenz ω_res ausgelegt ist, daß ein korrigiertes Fehlersignal U_f(ω_L) = U Str / f(ω_L) – U_korr verschwindet; wobei U_korr = –ΣU str / o ein Störungskorrektursignal bezeichnet, welches von einer Störungskorrektureinrichtung ausgebbar ist, welche zur Messung der Oszillatorfrequenz ω_L und zu einer derartigen Bemessung des Störungskorrektursignals U_korr ausgelegt ist, daß eine Abhängigkeit der gemessenen Oszillatorfrequenz ω_L von dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zeitvariablen Modulation im wesentlichen verschwindet.
Stabilisierungssystem nach Anspruch 1, wobei die Fehlersignalerzeugungseinrichtung (12, 18) zu einer Erzeugung des Fehlersignals U Str / f(ω_L) als Pound-Drever-Hall Fehlersignal U Str / f(ω_L) ausgelegt ist.
Stabilisierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Modulatoreinrichtung (12, 28) zu einer ersten Frequenz- und/oder Phasenmodulation des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_m zusätzlich zu der zweiten zeitvariablen Modulation mit vorbestimmten Modulationszeitverhalten ausgelegt ist und die Fehlersignalerzeugungseinrichtung (12, 18) eine phasenempfindliche Detektoreinrichtung (18) umfaßt, welche zur Erzeugung des frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) durch Detektion einer mit ω_m modulierten Signalkomponente des Resonatorausgangssignals ausgelegt ist.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Modulatoreinrichtung (12, 28) Teil der Oszillatoreinrichtung ist.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Modulationseinrichtung einen einen ersten (12) und einen zweiten (28) Modulator umfaßt, wobei der zweite Modulator (28) zu einer Modulation des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_EOM und vorbestimmten Modulationszeitverhalten ausgelegt ist.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Resonatoreinrichtung (14) eine Referenzresonatoreinrichtung ist und die Regeleinrichtung (22, 24) die Oszillatorfrequenz ω_L regelt.
Stabilisierungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Oszillatoreinrichtung (10) eine Referenzoszillatoreinrichtung ist und die Regeleinrichtung (22, 24) die Resonatorfrequenz ω_res regelt.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ω_EOM/ω_m ≥ 2, vorzugsweise ω_EOM/ω_m ≥ 10, gilt, wobei B die Resonatorlinienbreite der Resonatoreinrichtung (14) bezeichnet.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangen Ansprüche, wobei die Oszillatoreinrichtung (10) ein Laser ist.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Resonatoreinrichtung (14) ein optischer Resonator, insbesondere ein Fabry-Perot-Interferometer ist.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Modulatoreinrichtung (12, 28) zumindest ein elektrooptisches Bauelement umfaßt.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche und Anspruch 2 oder 3, wobei die phasenempfindliche Detektoreinrichtung (18) einen optischen Detektor (16), insbesondere eine Photodiode, sowie eine Mischereinrichtung (20) umfaßt, welche zum Mischen eines elektrischen Ausgangssignals des optischen Detektors (16) mit einem Modulationssignal mit Modulationsfrequenz ω_m der ersten Modulation ausgelegt ist.
Stabilisierungssystem nach Anspruch 12, wobei das Fehlersignal U Str / f(ω_L) ein tiefpaßgefiltertes Ausgangssignal der Mischereinrichtung (20) ist.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Störungskorrektureinrichtung einen Frequenzmesser, insbesondere einen Frequenzzähler (30), vorzugsweise einen Frequenz-Spannungswandler, sowie eine weitere phasenempfindliche Detektoreinrichtung umfaßt, welche zu einer Detektion einer mit dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation modulierten Signalkomponente eines Ausgangssignal des Frequenzzählers (30) ausgelegt ist.
Stabilisierungssystem nach Anspruch 14, wobei die weitere phasenempfindliche Detektoreinrichtung eine weitere Mischereinrichtung (32) umfaßt, welche zum Mischen des Ausgangssignals des Frequenzzählers (30) mit einem Signal (ω_Modulator2), welches das vorbestimmte Modulationszeitverhalten der zweiten Modulation wiederspiegelt, ausgelegt ist.
Stabilisierungssystem nach einem der vorangegangenen Ansprüche und Anspruch 5, wobei der zweite Modulator (28) zu einer Modulation des Oszillatorausgangssignals mit derartigem Modulationszeitverhalten ausgelegt ist, daß die Modulationsamplitude der Modulation mit Modulationsfrequenz ω_EOM mit einen rechtecks-, sägezahn- oder sinusförmigen Modulationszeitverlauf mit Zeitverlaufsfrequenz Frequenz ω_Modulator2 aufweist.
Verfahren zur Stabilisierung einer Oszillatorfrequenz einer Oszillatoreinrichtung (10) oder einer Resonatrfrequenz einer Resonatoreinrichtung (14) mit den Schritten: – Bereitstellen einer Oszillatoreinrichtung (10), welche zum Erzeugen eines periodischen Oszillatorausgangssignals mit Oszillatorfrequenz ω_L ausgelegt ist; – Bereitstellen einer Resonatoreinrichtung (14) mit einer Resonanzfrequenz ω_res, in welche das erzeugte Oszillatorausgangssignal zuführbar ist und welche zur Ausgabe eines Resonatorausgangssignals ausgelegt ist; – zeitvariables Modulieren des Oszillatorausgangssignals mit vorbestimmten Modulationszeitverhalten; – Erzeugen eines frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L), wobei bei Abwesenheit von Störungen ΣU str / o das Fehlersignal U Str / f(ω_L) ein Maß für die Frequenzverstimmung zwischen der Oszillatorfrequenz ω_L und der Resonatorfrequenz ω_res ist und bei ω_L gleich ω_res einen Nulldurchgang aufweist; – Regeln entweder der Oszillatorfrequenz ω_L oder der Resonatorfrequenz ω_res derart, daß ein korrigiertes Fehlersignal U_f(ω_L) = U Str / f(ω_L) – U_korr verschwindet; wobei U_korr = –ΣU str / o ein Störungskorrektursignal bezeichnet, welches derart bemessen ist, daß eine Abhängigkeit der gemessenen Oszillatorfrequenz ω_L von dem vorbestimmten Modulationszeitverhalten der zeitvariablen Modulation im wesentlichen verschwindet.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Erzeugen des frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) gemäß dem Pound-Drever-Hall Verfahren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Erzeugen des frequenzabhängigen Fehlersignals U Str / f(ω_L) ein erstes Frequenz- und/oder Phasenmodulieren des Oszillatorausgangssignals mit Modulationsfrequenz ω_m und phasenemfindliches Detektieren einer mit ωm modulierten Signalkomponente des Resonatorausgangssignals umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 17 bis 19, wobei die zeitvariable zweite Modulation des Oszillatorausgangssignals mit einer Modulationsfrequenz ω_EO _M und vorbestimmten Modulationszeitverhalten erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 17 bis 20, wobei die Resonatoreinrichtung (14) eine Referenzresonatoreinrichtung ist und die Oszillatorfrequenz ω_L geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, wobei die Oszillatoreinrichtung (10) eine Referenzoszillatoreinrichtung ist und die Resonatorfrequenz ω_res geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, wobei ω_EOM/ω_m ≥ 2, vorzugsweise ω_EOM/ω_m ≥ 10 , gilt, wobei 8 die Resonatorlinienbreite der Resonatoreinrichtung (14) bezeichnet.