DE19911103A1 - Erzeugung stabilisierter, ultrakurzer Lichtpulse und deren Anwendung zur Synthese optischer Frequenzen - Google Patents
Erzeugung stabilisierter, ultrakurzer Lichtpulse und deren Anwendung zur Synthese optischer FrequenzenInfo
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Abstract
In einer stabilisierten Lasereinrichtung (1), mit der in einer Resonatoranordnung (3) umlaufende Lichtpulse, die jeweils aus spektralen Komponenten entsprechend einer Vielzahl longitudinaler Moden der Resonatoranordnung (3) zusammengesetzt sind, erzeugt werden, wird durch eine vorbestimmte Einstellung der linearen Dispersion der Resonatoranordnung (3) jede Mode einer spektral spezifischen Frequenzänderung unterzogen. Es wird eine Regelung zur simultanen Einstellung der Dispersion und der Resonatorlänge beschrieben, mit der die Gruppen- und Phasenumlaufzeiten der im Resonator umlaufenden Lichtpulse geregelt wird. Die Lasereinrichtung eignet sich insbesondere zur hochgenauen Synthese optischer Frequenzen.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung ultrakurzer
Laser-Lichtpulse, insbesondere ein Verfahren zur Stabilisie
rung des Betriebs eines Pulslasers und ein Verfahren zur Er
zeugung hochgenauer optischer Frequenzen, und eine Laserein
richtung zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse, insbesondere
einen frequenzstabilisierten Pulslaser, und Verwendungen einer
derartigen Lasereinrichtung in der Spektroskopie, Zeit- oder
Frequenzmeßtechnik und Kommunikationstechnik.
Die seit den 70-er Jahren bekannte Erzeugung ultrakurzer
Laser-Lichtpulse (Lichtpulse mit charakteristischen Pulsdauern
im ns- bis fs-Bereich) basiert auf der sog. Modensynchroni
sation. In einem Lasermedium können bei genügender Bandbreite
des Laserübergangs im Resonator sehr viele Eigenschwingungen
mit verschiedenen Frequenzen angeregt werden. Wird durch einen
geeigneten Mechanismus zwischen den Eigenschwingungen eine
feste Phasenbeziehung eingestellt (Modensynchronisation) so
kommt es zur Abstrahlung kurzer Lichtpulse mit einem zeit
lichen Abstand τ, der gleich dem Quotienten aus doppelter Reso
natorlänge und Umlaufgeschwindigkeit der Pulse ist, und einer
spektralen Zusammensetzung entsprechend den im Resonator ange
regten, zur Pulsbildung beitragenden optischen Frequenzen.
Bei Fourier-Transformation des Intensitätsverlaufs der puls
förmigen Laserstrahlung vom Zeit- in den Frequenzraum ergibt
sich ein sogenannter Frequenzkamm, der durch δ-ähnliche Funk
tionen bei den zu jedem Puls beitragenden optischen Frequenzen
gebildet wird und dessen Einhüllende innerhalb der Bandbreite
des Laserübergangs im Lasermedium liegt. Die Breite der Ein
hüllenden ist im wesentlichen umgekehrt proportional zur Puls
dauer. Ein Beispiel für einen derartigen Frequenzkamm ist in
Fig. 5 schematisch gezeigt. Jeder Frequenzbeitrag zu einem
derartigen Frequenzkamm wird hier als Mode M bezeichnet. Die
Frequenzabstände der Elemente des Frequenzkammes sind entspre
chend den (longitudinalen) Lasermoden ganzzahlige Vielfache
der Pulswiederholfrequenz fr = τ-1 (Repetitionsrate). Die Kamm
struktur von fs-Pulsen im Frequenzraum wird beispielsweise in
"Femtosecond Laser Pulses" (Hrsg. C. Rullière, Springer-
Verlag, Berlin 1998) beschrieben.
Da die Pulswiederholfrequenz fr von der Resonatorlänge abhängt,
treten bei geringsten Instabilitäten des Resonators Verschie
bungen der idealerweise festen Modenabstände auf. Es sind
Techniken zur Stabilisierung der Resonatorlänge bekannt, die
eine Veränderung der Modenabstände unterdrücken. Hierzu wird
beispielsweise ein Resonatorendspiegel in Resonatorlängsrich
tung beweglich angeordnet und bei einer Modenverschiebung
unter Verwendung eines Regelkreises nachgestellt. Diese her
kömmliche Stabilisierung genügt jedoch nicht den aktuellen
Genauigkeitsanforderungen bei Anwendungen in der Spektroskopie
oder Zeitmeßtechnik.
Von J. N. Eckstein et al. (siehe "Physical Review Letters",
Bd. 40, 1978, S. 847 ff.) wurde erkannt, daß sich die
Aneinanderreihung der Moden als Skala für eine Frequenzkali
brierung eignen könnte. Gleichzeitig wurde aber auch auf die
ungenügende Stabilität des Pulslasers und auf rauschbedingte
Verschiebungen der Modenfrequenzen hingewiesen. Es wurde fest
gestellt, daß diese Verschiebungen trotz der Stabilisierung
der Resonatorlänge weiter auftreten. Gemäß L. Xu et al. in
"Optics Letters", Bd. 21, 1996, S. 2008 ff., wird dies dadurch
verursacht, daß die Gruppengeschwindigkeit eines Pulses, die
die Umlaufzeit im Resonator und damit die Wiederholfrequenz fr
bestimmt, in der Regel nicht mit der Phasengeschwindigkeit der
einzelnen Moden übereinstimmt. Die durch ganzzahlige Vielfache
der Wiederholfrequenz fr getrennten Moden lassen sich in ihrer
absoluten Frequenzlage nicht durch ganzzahlige Vielfache (n)
der Wiederholfrequenz fr darstellen, sondern durch die Summe
(n.fr + fp) aus n.Wiederholfrequenz fr und einer sogenannten
Phasenschlupffrequenz fp, die für alle Moden den gleichen Wert
entsprechend dem Quotienten aus der jeweiligen Phasendifferen
zen von Puls zu Puls durch die Umlaufzeit (2π)τ ist. Eine Be
stimmung dieser Phasendifferenzen ist bisher nicht verfügbar,
so daß die Anwendungen von Pulslasern für Meßzwecke oder als
Generatoren optischer Frequenzen beschränkt sind.
Im folgenden werden zwei Aufgabenfelder beschrieben, in denen
ein Interesse an hochgenauen optischen Frequenzen besteht. Die
erste Anwendung bezieht sich allgemein auf die Frequenzmes
sung, insbesondere auf die Bereitstellung von Zeit- oder Fre
quenznormalen. Die zweite Anwendung liegt im Bereich der
Spektroskopie, insbesondere in der Vermessung von atomaren
elektronischen Energieübergängen.
Ein verbreitet verwendetes Zeitnormal ist durch die sogenannte
Cäsium-Atomuhr mit einer Grundfrequenz von 9.2 GHz gegeben.
Die Zeitmessung erfolgt durch direktes Auszählen der Grund
schwingungen, was gegenwärtig mit einer Relativgenauigkeit von
z. B. 10-14 möglich ist. Wesentlich höhere Relativgenauigkeiten
bis zu Größenordnungen von 10-18 erwartet man von optischen
Frequenznormalen z. B. auf der Basis von gekühlten Ionen in
Feldkäfigen (siehe z. B. M. Roberts et al. in "Physical Review
Letters", Bd. 78, 1997, S. 1876 ff.) oder von extrem schmalen
atomaren Resonanzen wie dem 1S-2S-Übergang des Wasserstoffs
(siehe z. B. T. Udem et al. in "Physical Review Letters",
Bd. 79, 1997, S. 2646 ff.). Diese Frequenznormale besitzen
jedoch optische Frequenzen oberhalb von 80 THz, die nicht mehr
direkt elektronisch ausgezählt werden können. Für eine opti
sche Uhr benötigt man daher eine Einrichtung zur Frequenzum
setzung von der hohen Frequenz des Frequenznormals zu einer
niedrigen Frequenz, die mit elektronischen Mitteln auswertbar
ist. Eine derartige Einrichtung besitzt die Funktion eines
"Uhrwerks" für eine "optische Uhr".
Zur Überbrückung des großen Frequenzabstands zwischen opti
schen Frequenzen und (elektronisch zählbaren) Radiofrequenzen
werden harmonische Frequenzketten verwendet (siehe H. Schnatz
et al. in "Physical Review Letters", Bd. 76, 1996, S. 18 ff.).
Bei einer harmonischen Frequenzkette wird an einer Vielzahl
von Vervielfacherstufen eine Bezugsfrequenz mit ganzzahligen
Faktoren multipliziert, bis die angestrebte Frequenz erreicht
ist. Dies erfordert jedoch für jede Vervielfacherstufe einen
gesonderten Transfer-Oszillator mit einer Phasenkopplung an
das vorangehende harmonische Signal. Die Bereitstellung einer
Vielzahl von Oszillatoren bei verschiedenen Frequenzen macht
den Aufbau umfangreich, kompliziert und teuer.
Fig. 11 illustriert ein weiteres Prinzip einer an sich bekann
ten Teilerstufe für optische Frequenzen (siehe T. W. Hänsch in
"The Hydrogen Atom", Hrsg. G. F. Bassani et al., Springer-
Verlag, Berlin 1989, S. 93 ff.; H. R. Telle et al. in "Optics
Letters", Bd. 15, 1990, S. 532 ff.; und T. W. Hänsch in
"Physikalische Blätter", Bd. 54, 1998, S. 1007 ff.). Überla
gert man zwei Laserstrahlen, die sich in der Frequenz nur
wenig unterscheiden, auf einem Photodetektor, dann beobachtet
man eine Modulation der Lichtintensität bei der Differenzfre
quenz (Schwebungssignal). Dieses Schwebungssignal kann verwen
det werden, um die Frequenz einer der Teilstrahlen auf die
Frequenz des anderen Teilstrahls einzuregeln. Bei dem Schema
gemäß Fig. 11 werden zwei Laserfrequenzen f1 und f2 mit einer
dritten Laserfrequenz f3 nahe der Mittenfrequenz (f1 + f2)/2
verglichen. Mit einem nichtlinearen Kristall (+) wird die
Summenfrequenz f1 + f2 und mit einem weiteren nichtlinearen
Kristall (x2) die Oberschwingung 2f3 erzeugt. Das niederfre
quente Schwingungssignal am Photodetektor wird in der digita
len Regelschleife Φ dazu ausgenutzt, die Frequenz und Phase
des dritten Lasers so zu steuern, daß er präzise auf der mitt
leren Frequenz schwingt, d. h. f3 = (f1 + f2)/2. Mit einer Kette
von n Teilerstufen gemäß Fig. 11 läßt sich somit ein Frequenz
intervall Δf um einen Faktor 1/2n reduzieren. Beginnt man eine
solche Teilerstufenkette mit einer Laserfrequenz f und ihrer
zweiten harmonischen Oberschwingung 2f, also mit Δf = f, dann
erhält man nach n Teilerstufen einer Differenzfrequenz f/2n.
Das Problem der beschriebenen Teilerketten besteht nun darin,
daß das für die Überbrückung einer Frequenzlücke von optischen
Frequenzen (fopt < 300 THz) zu Radiofrequenzen (fradio < 100 GHz)
mindestens zwölf Teilerstufen erforderlich sind. Dies stellt
einen für Routineanwendungen unakzeptabel hohen Geräteaufwand
dar.
Zur Verringerung der Anzahl der erforderlichen Teilerstufen
ist vorgeschlagen worden, einen optischen Frequenzkammgenera
tor (OFC) zu verwenden (S. K. Imai et al. in "IEEE J. Quantum
Electron.", Bd. 34, 1998, S. 54 ff.). Bei einem OFC werden mit
einem für optische Frequenzen und Mikrowellenfrequenzen ausge
legten Resonator Seitenbänder auf einer optischen Trägerfre
quenz erzeugt, die einen durch eine gegebene Mikrowellenfre
quenz gelieferten Abstand besitzen. Für die genannte
Frequenzlücke sind allerdings auch bei Verwendung eines OFC
immer noch rd. fünf bis sechs Teilerstufen erforderlich. Ein
zelheiten eines OFC sind auch in der genannten Publikation von
T. W. Hänsch in "Physikalische Blätter", 1998, erläutert.
Mit Blick auf die Schaffung eines "Uhrwerks" für optische Fre
quenznormale besteht ein Interesse an einem optischen Fre
quenzgenerator, mit dem insbesondere große Frequenzdifferenzen
mit einer Relativgenauigkeit überbrückt werden, die deutlich
besser als 10-14 ist und insbesondere eine Verringerung der Zahl
der genannten Teilerstufen ermöglicht.
Die zweite Anwendung optischer Frequenzgeneratoren in der
Spektroskopie betrifft die hochgenaue Frequenzmessung des
Licht eines Spektroskopielasers. Die Absolutfrequenz z. B. der
D1-Resonanzlinie von Cäsium konnte bisher allerdings nur mit
einer Relativgenauigkeit von rd. 10-7 gemessen werden (siehe
K. H. Weber et al. in "Physical Review A", Bd. 35, 1987,
S. 4650). Es besteht ein Interesse an der Erhöhung der
Genauigkeit bei der Frequenzmessung elektronischer Zustände.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein neuartiges Verfahren zum
Betrieb eines Pulslasers mit definierten Pulsparametern, ins
besondere mit einer definierten Modenlage anzugeben, das eine
erhebliche Erhöhung der Genauigkeit bei der Erzeugung oder
Messung optischer Frequenzen und/oder optischer Differenzfre
quenzen ermöglicht. Mit diesem Verfahren soll insbesondere die
Möglichkeit einer Stabilisierung des Betriebs eines Pulslasers
geschaffen werden, die als einfache, zuverlässige, schnell
ansprechende und genaue Regelung realisierbar ist. Es ist auch
eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung oder
Messung optischer Frequenzen und/oder optischer Differenzfre
quenzen anzugeben. Die Aufgabe der Erfindung besteht auch
darin, eine Vorrichtung zur Implementierung der Verfahren an
zugeben. Ferner sollen mit der Erfindung neue Verwendungen
optischer Frequenzgeneratoren angegeben werden.
Diese Aufgaben werden mit Verfahren und Vorrichtungen mit den
Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1, 14, 15 bzw. 16 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Ver
fahren zum Betrieb eines Pulslasers angegeben, bei dem in
einer Resonatoranordnung umlaufende Lichtpulse erzeugt werden,
wobei eine vorbestimmte Einstellung verschiedener Phasenver
schiebungen für verschiedene spektrale Komponenten der Licht
pulse erfolgt. Jede Mode wird einer spektral spezifischen Fre
quenzänderung unterzogen. Die Einstellung spektral verschieden
wirksamer Resonatorlängen kann durch verschiedene Maßnahmen
zur Einführung einer linearen Dispersion in den Resonator er
folgen. Zu diesen zählen eine geometrische, spektral spezifi
sche Resonatorlängeneinstellung in einem Resonatorteil, in dem
die Pulse spektral räumlich getrennt umlaufen, eine Einführung
von Material mit einer linearen Dispersion in die Resona
toranordnung und/oder Maßnahmen zur Einstellung der Pump
leistung am Lasermedium. Der Resonatorteil, in dem die Pulse
spektral räumlich getrennt umlaufen, befindet sich auf der vom
Lasermedium des Pulslasers abgewandten Seite einer Einrichtung
zur Kompensation der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (Puls
kompressor).
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wird das erfindungsge
mäße Verfahren als Regelverfahren zur Stabilisierung des
Betriebs eines Pulslasers ausgeführt, bei dem in Abhängigkeit
von einer Frequenzabweichung mindestens einer ersten Bezugs
mode der Lichtpulse von einer Referenzfrequenz die Phasenum
laufzeit der Lichtpulse variiert wird. Der Pulslaser wird mit
einem Moden-Regelkreis in Bezug auf die Referenzfrequenz und
einem Wiederholfrequenz-Regelkreis in Bezug auf ein Frequenz
normal stabilisiert. Die Regelkreise wirken zur Einstellung
der Pulswiederholfrequenz fr und der Modenlage zusammen.
Der Pulslaser besitzt eine Dispersions-Stelleinrichtung zur
Einstellung der linearen Dispersion im Resonator und eine
Resonatorlängen-Stelleinrichtung zur Einstellung der Resona
torlänge. Aufgrund der unten im einzelnen erläuterten
Zusammenwirkung der beiden Regelkreise ist vorgesehen, daß
entweder im Moden-Regelkreis die Dispersions-Stelleinrichtung
und im Wiederholfrequenz-Regelkreis die Resonatorlängen-
Stelleinrichtung oder umgekehrt im Moden-Regelkreis die Reso
natorlängen-Stelleinrichtung und im Wiederholfrequenz-
Regelkreis die Dispersions-Stelleinrichtung geregelt werden.
Diese Regelkreise können gemäß einer Weiterbildung der Erfin
dung mit einem Referenzlaser-Regelkreis zusammenwirken, mit
dem die Referenzfrequenz in Bezug auf eine zweite Bezugsmode
des Frequenzkammes stabilisiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße
Verfahren als Regelverfahren zum Betrieb eines Referenzlasers
mit einer stabilisierten Referenzfrequenz ausgeführt. Der
Referenzlaser wird in Abhängigkeit von einer Frequenzabwei
chung der Referenzfrequenz (oder ganzzahligen Teilern oder
Vielfachen von dieser) von mindestens einer Bezugsmode der im
Pulslaser umlaufenden Lichtpulse, der in Bezug auf ein Fre
quenznormal stabilisiert ist, geregelt. Der Referenzlaser bil
det einen erfindungsgemäßen optischen Frequenz-Synthesizer.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine
Lasereinrichtung zur Erzeugung kurzer Lichtpulse angegeben,
bei der eine Resonatoranordnung mit einem aktiven Medium,
einer Vielzahl von Resonatorspiegeln und einer Kompensations
einrichtung zur Kompensation der Gruppengeschwindigkeitsdis
persion der Lichtpulse vorgesehen ist, wobei die Resona
toranordnung mindestens eine regelbare Dispersions-
Stelleinrichtung zur Einstellung der Phasenumlaufzeit der
Lichtpulse entsprechend einer der o. a. Maßnahmen aufweist.
Die Einstellung der Phasenumlaufzeit erfolgt vorzugsweise als
Regelung simultan zur Regelung der Wiederholfrequenz unter
Verwendung der Moden- und Wiederholfrequenz-Regelkreise.
Die Dispersions-Stelleinrichtung wird vorzugsweise in einem
Resonatorzweig auf der vom aktiven Medium abgewandten Seite
der Kompensationseinrichtung z. B. in Form einer Kippeinrich
tung an einem Resonatorendspiegel realisiert. Alternativ kann
die Dispersions-Stelleinrichtung als kippbare transparente
Platte oder einschiebbares Prismenpaar oder auch als Einrich
tung zur Variation der Pumpleistung für das Lasermedium ausge
bildet sein.
Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung
wird mit einer erfindungsgemäß stabilisierten Pulslaserein
richtung ein breiter Frequenzkamm erzeugt, der im niederfre
quenten Bereich die erste Bezugsmode enthält und bei dem im
höherfrequenten Bereich die zweite Bezugsmode im Rahmen eines
(dritten) Referenzlaser-Regelkreises zur Einstellung der
Referenzfrequenz des Moden-Regelkreises verwendet wird.
Gemäß einem weiteren wichtigen Gesichtspunkt der Erfindung
wird eine Lasereinrichtung unter Verwendung eines Frequenznor
mals, vorzugsweise einer Radiofrequenzreferenzquelle, derart
stabilisiert, daß die Lasereinrichtung und/oder ein mit dieser
gekoppelter Referenzlaser einen Generator optischer Frequenzen
(optischer Frequenz-Synthesizer) für Präzisionsanwendungen in
der Zeit- oder Frequenzmeßtechnik und Spektroskopie darstellt.
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden
unter Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer
erfindungsgemäßen Lasereinrichtung;
Fig. 2-4 Illustrationen von Ausführungsformen einer er
findungsgemäß stabilisierten Lasereinrichtung;
Fig. 5-8 Illustrationen zur Phasenkopplung bei der
erfindungsgemäßen Stabilisierung einer
Lasereinrichtung;
Fig. 9, 10 Illustrationen zur Anwendung der Erfindung
bei spektroskopischen Messungen und
Fig. 11 eine optische Frequenz-Teilerstufe (Stand der
Technik).
Obwohl der Betrieb eines stabilisierten Pulslasers unter Ver
wendung verschiedener stabilisierender Regelmechanismen eine
bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellt, wird die
obengenannte Aufgabe bereits durch eine Lasereinrichtung mit
einer Resonatoranordnung gelöst, bei der für die verschiedenen
spektralen Komponenten der umlaufenden Pulse verschiedene,
vorbestimmte Phasenverschiebungen wirksam sind. Eine derartige
Lasereinrichtung wird zunächst unter Bezug auf Fig. 1 erläu
tert. Anschließend werden die Einführung der Stabilisierungs
regelung illustriert und Anwendungen der Erfindung beschrie
ben.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer erfin
dungsgemäßen Lasereinrichtung 1 mit einem aktiven Lasermedium
2 in einer Resonatoranordnung 3, die einen Einkoppelspiegel
31, einen Auskoppelspiegel 32, eine Vielzahl von Umlenkspie
geln 33a, 33b, 33c und einen Endspiegel 34 umfaßt. Das aktive
Lasermedium 2 ist ein Ti:Al2O3-Kristall (mit einer Kerr-Linse
modengekoppelt, z. B. der kommerziell verfügbare "Coherent
Mira 900", Pulslänge 73 fs, Wiederholfrequenz fr = 75 MHz), der
durch den Einkoppelspiegel 31 mit einem diodengepumpten, fre
quenzverdoppelten Einzelfrequenz-Nd:YVO4-Laser (z. B. "Coherent
Verdi", nach Frequenzverdopplung: λ = 532 nm, Leistung 5 W)
gepumpt wird. Im Resonator 3 befindet sich ferner zwischen dem
Umlenkspiegel 33a und dem Endspiegel 34 eine Kompensationsein
richtung 4 zur Kompensation der Gruppengeschwindigkeitsdisper
sion der umlaufenden Lichtpulse (Pulskompressor). Beim darge
stellten Beispiel umfaßt die Kompensationseinrichtung 4 zwei
Prismen 41, 42, deren Position in Bezug auf den Strahlengang
in der Resonatoranordnung in an sich bekannter Weise einge
stellt ist. Die Funktion der Prismen 41, 42 könnte auch durch
andere spektral wirksame Elemente wie beispielsweise gechirpte
Resonatorspiegel übernommen werden (siehe auch "Femtosecond
Laser Pulses" von C. Rullière).
Die Resonatorlänge kann durch Verschiebung des Umlenkspiegels
33b entsprechend dessen Spiegelnormalen (Pfeilrichtung) einge
stellt werden. Hierzu ist der Umlenkspiegel 33b mit einem als
Resonatorlängen-Stelleinrichtung wirkenden Schubantrieb 5 ver
sehen. Der Schubantrieb 5 ist beispielsweise ein in an sich
bekannter Weise gesteuerter Piezoantrieb. Das Bezugszeichen 6
bezeichnet einen doppelt brechenden Filter (Lyot-Filter).
Die Resonatoranordnung 3 ist, soweit sie bis hier beschrieben
wurde, an sich bekannt und entsprechend den üblichen Maßnahmen
zur Pulsformung, Pulsmessung und dergleichen modifizierbar.
Die erfindungsgemäße Resonatoranordnung 3 unterscheidet sich
jedoch von herkömmlichen Resonatoren durch die Einführung
einer Stelleinrichtung zur Einstellung und/oder Änderung der
linearen Dispersion im Resonator. Diese Stelleinrichtung, die
in Bezug auf die unten erläuterten Regelkreise auch als Dis
persions-Stelleinrichtung bezeichnet wird, kann durch ver
schiedene Maßnahmen implementiert werden, für die beispielhaft
in Fig. 1 die Kipp- oder Schwenkbarkeit des Endspiegels 34
illustriert ist. Durch die Einführung der Dispersions-
Stelleinrichtung können bei Zusammenwirken mit dem Schuban
trieb 5 zur Verstellung des Umlenkspiegels 33b sowohl die
Wiederholfrequenz fr als auch die Modenfrequenzen durch
Steuerung der Gruppen- und Phasenumlaufzeiten der im Resonator
umlaufenden, solitonenähnlichen Pulse festgelegt werden.
Der schwenkbare Endspiegel 34 ist im Resonatorzweig auf der
vom aktiven Medium abgewandten Seite der Kompensationseinrich
tung 4 vorgesehen. Die Verschwenkbarkeit bedeutet, daß der
Endspiegel 34 um eine Achse verschwenkbar ist, die auf der
Bezugsebene senkrecht steht, in der die spektrale Pulsaufspal
tung in der Kompensationseinrichtung 4 erfolgt. Im unteren
Teil von Fig. 1 sind zwei vergrößerte Darstellungen des ver
schwenkbaren Endspiegels 34 gezeigt. Der Endspiegel 34 wird
mit einer schematisch dargestellten Schwenkeinrichtung 7 betä
tigt, die z. B. einen Piezoantrieb umfaßt. Bei Einstellung
einer bestimmten Ausrichtung des Endspiegels 34 wird die fol
gende Wirkung erzielt.
Auf der vom aktiven Lasermedium 2 abgewandten Seite der Kom
pensationseinrichtung 4 sind die Pulse spektral räumlich auf
gelöst. Die Moden laufen nebeneinander. Eine Mode trifft auf
den Spiegel 34 gerade bei der Schwenkachse der Schwenkeinrich
tung (oder am nächsten zu dieser Schwenkachse). Diese Mode
wird beim Verschwenken des Spiegels 34 nicht (oder kaum) ver
ändert. Alle anderen Moden besitzen einen räumlichen Abstand
von dieser Mode und werden durch das Verschwenken mit zuneh
mendem Schwenkwinkel auseinandergezogen. Die Modenabstände
ändern sich und damit auch die Wiederholfrequenz fr der Licht
pulse. Durch Verschwenken des Endspiegels wird somit geome
trisch eine Phasenverschiebung eingeführt, die proportional
zum Frequenzabstand von zwei Moden ist und einer Änderung der
linearen Dispersion entspricht. Die Phasenverschiebung liefert
eine zeitliche Verschiebung des Pulses und ändert damit die
wirksame Resonator-Umlaufzeit. Dadurch wird im Unterschied zur
Gruppengeschwindigkeitsdispersion (Dispersion zweiter Ord
nung), die die Pulse spektral zerfließen läßt, die Gruppenum
laufzeit verändert. Dies führt zu einer Einstellung (bzw. bei
einer Regelung gemäß den Fig. 2-4 zu einer Festlegung) der
Lage der Modenfrequenzen.
Der verschwenkbare Endspiegel 34 wird mit einer Schwenkachse
am Spiegelrand (Fig. 1, links unten) oder in der Spiegelmitte
(Fig. 1, rechts unten) auf einer Kugel gelagert. Die Lagerung
in der Spiegelmitte wird, da sich beim Schwenken keine Ände
rung der mittleren Resonatorlänge ergibt, und aus Gründen
einer vereinfachten Justierung bevorzugt. Bei Lagerung am
Spiegelrand ist ggf. eine Nachjustierung der Resonatorlänge am
Umlenkspiegel 33b vorgesehen. Der Schwenkwinkel wird anwen
dungsabhängig im Bereich von 0.005° bis 0.05° verschwenkt.
Dies entspricht z. B. bei einer Spiegelbreite von rd. 2 cm
einem Verschwenken des freien Spiegelrandes um rd. 5 µm. Das
Verschwenken mit der Schwenkeinrichtung 7 erfolgt stufenlos.
Gemäß einer alternativen Gestaltungsform der ersten Stellein
richtung ist der Endspiegel 34 fest angebracht. Zur optischen
Einführung der linearen Dispersion in den Resonator ist dann
in einem beliebigen Resonatorteil ein einschiebbares, transpa
rentes Prismenpaar oder eine verschwenkbare, transparente
Platte mit einer Schub- oder Schwenkeinrichtung 8', 8 (gepunk
tet dargestellt) vorgesehen. Das Prismenpaar besitzt vorzugs
weise einen Öffnungswinkel entsprechend dem Brewsterwinkel im
betrachteten Wellenlängenbereich (z. B. rd. 69°). Die Platte
besitzt z. B. eine Dicke von 2 mm. Die Funktion des Prismen
paares oder der Platte, die beispielsweise aus Glas bestehen,
entspricht der oben erläuterten Funktion des verschwenkbaren
Endspiegels 34, wobei jedoch wegen des zusätzlichen transpa
renten Mediums eine zusätzliche Nachregelung der optischen
Resonatorlänge erforderlich ist. Beim Verschieben des Prismen
paares (Größenordnung µm) oder Verkippen der Platte (Größen
ordnung µm) verläuft ein längerer oder kürzerer Lichtweg durch
das Glas (z. B. Kronglas SF10, Quarzglas), so daß die lineare
Dispersion entsprechend verändert wird. Die Platte kann durch
den Lyot-Filter 6 gebildet werden. Entsprechend kann das Pris
menpaar auch durch die Prismen 41, 42 der Kompensationsein
richtung gebildet werden. Die Platte kann zur Vermeidung von
Interferenzerscheinungen mit einem Keilwinkel ausgebildet
sein.
Es wird betont, daß die Schubeinrichtung 8' nicht mit den
bekannten Schubschlitten herkömmlicher Pulskompressoren zu
verwechseln ist. Die Schubeinrichtung 8' (z. B. mit Piezoan
trieb) ist für Verstellwege im µm-Bereich eingerichtet,
während die Schubschlitten im mm-Bereich zu verstellen sind.
Eine weitere Möglichkeit zur Einstellung der linearen Disper
sion im Resonator ist durch eine vorbestimmte Einstellung der
Pumpleistung für das aktive Lasermedium 2 gegeben. Das
Pumplicht wird außerhalb des Resonators (noch vor dem Einkop
pelspiegel 31) z. B. mit einem elektro-optischen Intensitätsmo
dulator 9 (gepunktet dargestellt) moduliert. Dadurch wird ins
besondere die lineare Dispersion im aktiven Medium 2 geändert.
Zur Variation der Pumpleistung genügen Modulationen im %-
Bereich.
Der Aufbau der Lasereinrichtung gemäß Fig. 1 kann in Bezug auf
die Wahl des aktiven Lasermediums und der Laserparameter (ins
besondere Pulsdauer, Leistung, spektrale Zusammensetzung der
Pulse) modifiziert sein. Die Lasereinrichtung 1 kann mit einer
nach dem Auskoppelspiegel 32 vorgesehenen optischen Faser 201
(s. Fig. 2) kombiniert sein, deren Funktion unten erläutert
wird. Es ist auch möglich, sowohl die Schubeinrichtung 5 als
auch die Schwenkeinrichtung 7 am Endspiegel 34 vorzusehen, so
daß an diesem sowohl die spektral unabhängige Einstellung der
Resonatorlänge als auch die Beeinflussung der linearen Disper
sion im Resonator erfolgt.
Die in Fig. 1 illustrierte Lasereinrichtung wird erfindungsge
mäß bevorzugt unter Implementierung mindestens drei Regelkrei
sen betrieben, die im folgenden unter Bezug auf die Fig. 2-4
erläutert werden. Die Stabilisierung eines Pulslasers ist
jedoch nicht auf die Lasereinrichtung 1 gemäß Fig. 1 be
schränkt, sondern in entsprechender Weise mit anderen Typen
von Lasern zur Erzeugung ultrakurzer Lichtpulse (z. B. Faserla
ser, Farbzentrenlaser, Gaslaser, Farbstofflaser) realisierbar.
Die Kombination mit einem kompakten Femtosekundenlaser (Faser
laser, Titan-Saphir-Laser) wird jedoch wegen der Stabilität
und Kompaktheit für praktische Anwendungen bevorzugt.
Fig. 2 illustriert schematisch den Aufbau von drei Regelkrei
sen, nämlich dem Moden-Regelkreis I, dem Wiederholfrequenz-
Regelkreis II und dem Referenzlaser-Regelkreis III, an einem
ersten Ausführungsbeispiel. Bei einer stabilisierten, geregel
ten Lasereinrichtung werden vorzugsweise alle drei Regelkreise
realisiert, ein Betrieb allein mit den Regelkreisen I und II
ist jedoch, insbesondere bei Bereitstellung eines genügend
stabilen Referenzlasers, auch möglich, dies ggf. sogar unter
Kombination beider Regelkreise I und II mit einem einzigen
Regelungsmechanismus.
Die Lichtpulse einer Lasereinrichtung 200 (modensynchronisier
ter Pulslaser) werden durch eine optische Faser 201 von den
Spiegeln 202 und 203 zu den signalgebenden Elementen 220 des
Wiederholfrequenz-Regelkreises II und vom Spiegel 204 zu den
signalgebenden Elementen 210 des Moden-Regelkreises I gelenkt.
Die in den Fig. 2-4 gezeigten Umlenkspiegel sind anwendungs
abhängig ausgewählte teildurchlässige und/oder dichroitische
Spiegel und werden im folgenden sämtlich kurz als Spiegel be
zeichnet. Die am Spiegel 204 durchtretenden Pulse werden am
Spiegel 206 teilweise auf die signalgebenden Elemente 230 des
Referenzlaser-Regelkreises III gelenkt bzw. als Ausgangslicht
pulse P durchgelassen.
In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung wird aus einem
Teil des Lichtwegs im dargestellten Schema Licht zum weiteren
Einsatz ausgekoppelt. Diese Auskopplung erfolgt z. B. wie dar
gestellt am Spiegel 206 oder zwischen dem Referenzlaser 240
für optische Frequenzen und dem Spiegel 207.
Der Referenzlaser 240 wird allgemein auch als optischer Refe
renzfrequenzgenerator 240 bezeichnet. Es ist vorzugsweise ein
schmalbandiger Dauerstrichlaser vorgesehen, dessen optische
Frequenz mit ausreichender Genauigkeit bekannt oder der mit
dem Referenzlaser-Regelkreis III stabilisiert ist. Falls der
Regelkreis III nicht implementiert wird, so umfaßt der Refe
renzlaser 240 beispielsweise einen methanstabilisierten
Helium-Neon-Laser. Beim dargestellten Beispiel besitzt die
erste Bezugsmode eine Frequenz von rd. 350 THz und der Helium-
Neon-Laser eine Frequenz von rd. 88 THz, so daß zwei nicht
dargestellte Vervielfacherstufen zur Frequenzanpassung (ge
samt: Faktor 4, siehe Bezugszeichen 92, 93 in Fig. 9) vorgese
hen sind. Fig. 2 zeigt ferner einen Referenzfrequenzgenerator
250 für Radiofrequenzen. Dieser umfaßt beispielsweise eine
Cäsium-Atomuhr 251 mit einer charakteristischen Frequenz von
9.2 GHz und einen Frequenzsynthesizer 252 zur Bereitstellung
von gegenüber der Atomuhr abgeleiteten Bezugsfrequenzen.
Die in Fig. 2 gezeigten Elemente wirken zur Stabilisierung der
Lasereinrichtung 200 wie folgt zusammen. Im Moden-Regelkreis I
werden die über den Spiegel 204 auf die Elemente 210 gelenkten
Ausgangspulse der Lasereinrichtung 200 auf das lichtempfind
liche Element 211 gerichtet. Des weiteren wird Licht mit einer
Referenzfrequenz fref entsprechend der Ausgangsfrequenz des
Referenzlasers 240 (oder mit ganzzahligen Vielfachen und/oder
Teilern der Ausgangsfrequenz) über den Spiegel 207 ebenfalls
auf das lichtempfindliche Element 211 gerichtet. Das licht
empfindliche Element 211 ist dazu vorgesehen, insbesondere
eine Schwebungsfrequenz zwischen einer Bezugsmode der Aus
gangspulse und der Referenzfrequenz zu erfassen. Hierzu werden
beide Anteile in an sich bekannter Weise unter Verwendung von
Polarisations-Teilern überlagert. Das lichtempfindliche Ele
ment 211 ist, insbesondere in Abhängigkeit vom jeweiligen
Spektralbereich, eine Photodiode oder ein Photomultiplier.
Das elektrische Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements
211 enthält das charakteristisches Schwebungssignal, das durch
die Überlagerung der optischen Frequenz der ausgewählten Be
zugsmode innerhalb des Frequenzkamms der Ausgangspulse der
Lasereinrichtung 200 und der Referenzfrequenz des Referenz
lasers 240 gebildet wird. Das Schwebungssignal wird als Regel
größe an den (Moden-)Regler 214 gegeben, der ein Ausgangs
signal zur Betätigung der Dispersions-Stelleinrichtung der
Lasereinrichtung 200 abgibt, die eine Schwenkeinrichtung 7
(oder der Einrichtungen 8, 8', s. Fig. 1) ist. Das Ausgangs
signal kann alternativ auch zur Regelung des Referenzlasers
(siehe Fig. 3 und 4) oder zur Einstellung der Schubeinrich
tung 5 (s. Fig. 1) verwendet werden. Der Regler 214 ist in an
sich bekannter Weise als analoger oder digitaler Regler aufge
baut. Der Moden-Regelkreis I bildet einen PLL-Regelkreis.
Zur Erzielung einer für die Regelung optimalen Schwebungs
signals wird einerseits eine geeignete (Bezugs-)Mode des Fre
quenzkamms der Ausgangspulse ausgewählt. Hierzu kann anwen
dungsabhängig ein frequenzselektives Element 212 (z. B. ein
optisches Gitter) vorgesehen sein, um eine bestimmte spektrale
Komponente der Ausgangspulse auf das lichtempfindliche Element
211 zu lenken. Dies dient jedoch nur der Verbesserung des
Signal-Rausch-Verhältnisses und ist nicht zwingend erforder
lich. Andererseits wird ggf. die Ausgangsfrequenz des Refe
renzlasers 240 nicht selbst als Referenzfrequenz verwendet,
sondern zusätzlich auf die zur Verfügung stehende Mode abge
stimmt.
Diese Abstimmung umfaßt, insbesondere in Zusammenhang mit der
unten erläuterten Referenzlaser-Regelung, eine Vervielfachung
und/oder eine Teilung der Ausgangsfrequenz zur Erzielung der
Referenzfrequenz fref. Die Vervielfachung ergibt eine Referenz
frequenz fref im Bereich des Frequenzkammes. Die Referenzlaser-
Regelung koppelt ein Vielfaches (z. B. Doppeltes) der Ausgangs
frequenz des Referenzlasers 240 an eine weitere Bezugsmode des
Frequenzkammes mit Abstand (z. B. Abstand fref) von der ersten
Bezugsmode. Die Teilung ist ggf. erforderlich, falls der Fre
quenzkamm nicht genügend breit ist und keine verwertbare Be
zugsmode bei 2fref aufweist. Die Teilung erfolgt mit der
Teilerstufe 213, die grundsätzlich wie die Teilerstufe gemäß
Fig. 11 aufgebaut ist.
Der Moden-Regler 214 wirkt so, daß das Schwebungssignal mini
miert wird oder eine feste Schwebungsfrequenz besitzt. Als
Führungsgröße wird im letzteren Fall beispielsweise das Signal
eines Lokaloszillators (z. B. vom Generator 250) oder ein davon
abgeleitetes Signal verwendet. Mit der Moden-Regelung wird die
ausgewählte erste Bezugsmode des Frequenzkamms auf einen
festen Frequenzabstand in Bezug auf die Referenzfrequenz fref
oder umgekehrt die Referenzfrequenz fref auf einen festen Fre
quenzabstand in Bezug auf die Bezugsmode fixiert. Die Fixie
rung einer Mode des Frequenzkamms kann mit einer außerordent
lich hohen Relativgenauigkeit erfolgen. Welches Vorzeichen der
Frequenzabstand der Bezugsmode von der Referenzfrequenz be
sitzt, läßt sich aus dem Verhalten des Reglers 214 ableiten.
Mit dem Moden-Regelkreis I wird bei Regelung der Dispersion
die Lage des Frequenzkammes relativ zur Referenzfrequenz durch
Fixierung einer ausgewählten Mode geregelt, dabei aber auch
der Modenabstand aller Moden des Ausgangspulses verändert. Um
nun den anwendungsabhängig gewünschten Modenabstand mit der
fixierten Bezugsmode einzustellen, erfolgt mit dem Wiederhol
frequenz-Regelkreis II die Einstellung der Gruppenumlaufzeit
bzw. der effektiven Resonatorlänge des Pulslasers. Im Wieder
holfrequenz-Regelkreis II werden die Ausgangspulse über den
Spiegel 202 zu den Elementen 220 gelenkt. Das elektrische Aus
gangssignal des lichtempfindlichen Elements 221 (Photodiode
oder Photomultiplier) wird als Basisfrequenz oder als höhere
Harmonische (z. B. 100. oder 200. Harmonische) von dieser am
Mischer 222 mit dem Signal des Referenzfrequenzgenerators 250
für Mikrowellen- oder Radiofrequenzen elektrisch gemischt,
wobei sich eine Differenz- oder Schwebungsfrequenz zwischen
der Pulswiederholfrequenz fr der Ausgangspulse (oder der höhe
ren Harmonischen) und der Radiofrequenz bildet, die beide im
GHz-Bereich liegen. Dieses Schwebungssignal wird als Regel
größe vom (Wiederholfrequenz-)Regler 224 zur Einstellung der
Resonatorlänge, z. B. am Schubantrieb 5 gemäß Fig. 1, oder bei
Kopplung des Modenreglers 214 mit der Resonatorlängen-
Stelleinrichtung zur Einstellung der Dispersion verwendet. Als
Führungsgröße dient wie beim Moden-Regler 214 das Signal des
Lokaloszillators. Alternativ erfolgt eine Minimierung des
Schwebungssignals. Über die fixierte Einstellung der Wieder
holfrequenz fr der Ausgangspulse und damit des Modenabstandes
einerseits und der Frequenz einer ausgewählten Mode anderer
seits erfolgt eine vollständige Stabilisierung der Ausgangs
pulse der Lasereinrichtung 200 relativ zum Referenzlaser 240.
Für das Zusammenwirken der Moden- und Wiederholfrequenz-
Regelkreise I und II ist deren gegenseitige Abhängigkeit von
Bedeutung. Während der Moden-Regelkreis I die absolute Ein
stellung einer ersten Bezugsmode erlaubt, können mit dem Wie
derholfrequenz-Regelkreis II über die Änderung der Resonator
länge sowohl die Pulswiederholfrequenz fr (entspricht dem
Modenabstand) als auch die Frequenzlage der Moden verändert
werden. Wenn mit dem Wiederholfrequenz-Regelkreis II die Puls
wiederholfrequenz fr festgehalten wird, so wird mit dem Moden-
Regelkreis I die Frequenzlage der Moden definiert. Wenn mit
dem Wiederholfrequenz-Regelkreis II die Frequenzlage der Moden
festgehalten wird, so wird mit dem Moden-Regelkreis I die
Pulswiederholfrequenz fr verändert. Abweichend von der oben
beschriebenen Gestaltung ist es daher alternativ möglich, daß
der Regler 214 die Resonatorlängen-Stelleinrichtung und der
Regler 224 die Dispersions-Stelleinrichtung regelt.
Die Regelkreise I und II erlauben zwar bereits eine vollstän
dige Laserstabilisierung relativ zum Referenzlaser 240. Diese
ist somit von der Genauigkeit des optischen Referenzfrequenz
generators und ggf. einer Frequenzvervielfachung abhängig. Der
Referenzlaser 240 stellt bei Präzisionsanwendungen ein geson
dert stabilisiertes und dennoch relativ ungenaues, platzauf
wendiges und empfindliches Gerät dar. Gemäß einer für prakti
sche Anwendungen, insbesondere außerhalb des Laborbereiches,
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, den
optischen Referenzfrequenzgenerator selbst mit den stabili
sierten Ausgangspulsen der Lasereinrichtung 200 zu stabilisie
ren. Hierzu wird der Referenzlaser-Regelkreis III eingerich
tet, der wie folgt funktioniert.
Das in Fig. 2 dargestellte Gesamtsystem besitzt drei Frei
heitsgrade in Bezug auf den Betrieb der Lasereinrichtung 200
und des Referenzlasers 240. Diese Freiheitsgrade umfassen
erstens die Lage der ersten Bezugsmode bei einer bestimmten
optischen Frequenz, zweitens den Modenabstand entsprechend der
Pulswiederholfrequenz fr im Radiofrequenzbereich und drittens
die Frequenz des Referenzlasers 240. Bei der Lasereinrichtung
200 können über die Resonatorlänge und/oder über die lineare
Dispersion die Pulswiederholfrequenz fr und die absolute Moden
lage im Resonator eingestellt werden. Eine höherfrequente
Bezugsmode des stabilisierten Frequenzkammes wird nun zur
Regelung des Referenzlasers 240 bzw. zur Ableitung eines Fre
quenznormals für diesen verwendet. Für jeden der drei Frei
heitsgrade ist also ein Regelkreis vorgesehen. Die Moden- und
Wiederholfrequenz-Regelkreise I bzw. II verwenden als Bezugs
größen die optische Referenzfrequenz bzw. die Radioreferenz
frequenz der Referenzfrequenzgeneratoren 240 bzw. 250. Im
dritten Regelkreis wird das Regelungsprinzip umgekehrt: die
optische Referenzfrequenz wird auf einen bestimmten Wert gere
gelt. Hierzu wird wiederum ein aus zwei optischen Frequenzen
abgeleitetes Schwebungssignal als Regelgröße verwendet. Die
erste Frequenz wird von der optischen Referenzfrequenz fref
selbst abgeleitet, während die zweite Frequenz durch eine
weitere Bezugsmode im Frequenzkamm der Ausgangspulse, die
einen vorbestimmten Referenzabstand von der im Moden-
Regelkreis I eingestellten Mode besitzt, oder eine höhere Har
monische oder ein Bruchteil der Frequenz dieser Bezugsmode
gegeben ist.
Der Referenzlaser-Regelkreis III enthält gemäß Fig. 2 als
signalgebende Elemente 230 das lichtempfindliche Element 231
und das frequenzselektive Element 232. Ausgangspulse der
Lasereinrichtung 200 werden über den Spiegel 206 und das fre
quenzselektive Element 232 (z. B. optisches Gitter) auf das
lichtempfindliche Element 231 gelenkt. Gleichzeitig empfängt
dieses ein frequenzverdoppeltes Signal vom Referenzlaser 240,
das nach Passage des Spiegels 207 in der SHG-Einrichtung 241
(Einrichtung zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, z. B. KDP-
oder KNbO3-Kristall) gebildet und über den Spiegel 208 zum
lichtempfindlichen Element 231 gelenkt wird. Das lichtempfind
liche Element 231 ist wiederum eine Photodiode oder ein Pho
tomultiplier. Da im Referenzlaser-Regelkreis III höhere opti
sche Frequenzen und damit kürzere Wellenlängen als im Moden-
Regelkreis I verarbeitet werden, wird jedoch als lichtempfind
liches Element 231 ein Photomultiplier bevorzugt.
Die Regelung im dritten Regelkreis III basiert erneut auf der
Beobachtung eines Schwebungssignals, das bei Überlagerung der
frequenzverdoppelten Referenzfrequenz mit der höherfrequenten
Bezugsmode der Ausgangspulse generiert wird. Wie in Fig. 5
schematisch illustriert ist, besitzt die höherfrequente Mode M2
der Ausgangspulse einen definierten Frequenzabstand gegenüber
der im Moden-Regelkreis I fest eingestellten Bezugsmode M1. Der
Frequenzabstand entspricht dem Produkt aus der Modenzahl N
zwischen den Bezugsmoden M1 und M2 im Moden- bzw. Referenz
laser-Regelkreis I bzw. III und dem Modenabstand zwischen zwei
einzelnen Moden fr, der durch den Wiederholfrequenz-Regelkreis
II festgelegt ist. Die Modenzahl zwischen den Bezugsmoden wird
durch einen Modenzähler 260 festgestellt. Die Funktion des
Modenzählers wird unten erläutert. Alternativ ist die Fest
stellung der Absolutlage der höherfrequenten Bezugsmode M2 auch
durch Vergleich mit einer nahe gelegenen, genau bekannten ato
maren Resonanz oder bei genügend großen Pulswiederholfrequen
zen (< 300 MHz) durch direktes Messen der Moden mit einem
Wavemeter (z. B. vom Typ Burleigh-WA1500) möglich.
Das elektrische Ausgangssignal des lichtempfindlichen Elements
231 besitzt einen mit der Differenz- oder Schwebungsfrequenz δf
aus der doppelten Referenzfrequenz [2fref = 2 (M1.fr + fp)] und
der Frequenz der Bezugsmode bei M2 (M2.fr + fp) oszillierenden
Signalanteil, der als Regelgröße im (Referenzlaser-)Regler 234
verarbeitet wird. Ändert sich die Referenzfrequenz fref um Δf,
so ändern sich die Beiträge zur Schwebung entsprechend um 2 Δf
bzw. Δf. Für δf gilt bei M2 = 2M1:
δf = 2fref - (M2.fr + fp) = 2 (M1.fr + fp) -(2M1.fr + fp) = fp
Die Schwebungsfrequenz ist also gerade gleich der Schlupffre
quenz fp. Zur Stabilisierung von fref ist somit das Schwebungs
signal δf auf Null zu minimieren oder auf einen Lokaloszillator
abzustimmen. Der Referenzlaser-Regler 234 ist beispielsweise
dazu eingerichtet, die optische Frequenz des Referenzlasers
240 mit einer Referenzlaser-Stelleinrichtung so einzustellen,
daß die Schwebungsfrequenz einem vorbestimmten Wert ent
spricht. Ist der Referenzlaser 240 ein Diodenlaser, so wird
dieser mit dem Regler 234 stromstabilisiert oder mit einem als
Stelleinrichtung dienenden externen beweglichen Gitter stabi
lisiert. Für den Fall eines diodengepumpten Festkörperlasers
als Referenzlaser 240 erfolgt eine Stabilisierung mit einem
als Stelleinrichtung dienenden Piezoregler der Resonatorlänge
oder einem elektro-optischen Modulator. Der besondere Vorteil
des Aufbaus mit den drei Regelkreisen besteht nun darin, daß
an den Referenzlaser 240 keine besonders hohe Eigenstabilität
gefordert wird. Der Referenzlaser 240 wird jedoch im Frequenz
raum durch die mit dem Radiofrequenzgenerator 250 vorgegebene
Genauigkeit von z. B. 10-14 stabilisiert. Bei Bezug auf optische
Frequenznormale könnte sogar eine Relativgenauigkeit der Sta
bilisierung bis zu 10-18 erwartet werden. Es kann ein Referenz
frequenzgenerator verwendet werden, dessen Frequenz an das
Meßproblem angepaßt ist. Damit wird mit der Gesamtanordnung
ein in der Praxis vielseitig anwendbarer, nicht auf den Labor
bereich beschränkter optischer Frequenzgenerator geschaffen.
Der Modenzähler 260 arbeitet nach dem folgenden Prinzip. Zur
Modenzählung erfolgt eine Ausdünnung der eng benachbarten
Moden innerhalb des Frequenzkammes in einen gestreckten Fre
quenzbereich, in dem die Moden mit einem kommerziell verfügba
ren Wavemeter meßbar sind. Hierzu enthält der Modenzähler 260
einen passiven Resonator mit einem gegenüber dem Resonator der
Lasereinrichtung 200 erweiterten freien Spektralbereich. Es
ist beispielsweise ein 20-fach erweiterter Spektralbereich
vorgesehen. In diesem Resonator werden entsprechend nur noch
beispielsweise jede zwanzigste Mode transmittiert, so daß ein
gestreckter Modenabstand ausgebildet wird (z. B. 1.5 GHz). Dies
entspricht im Zeitbild einem 20-fach erniedrigten Pulsabstand
τ. Mit dem ausgedünnten Frequenzkamm erfolgt die selbe Regelung
mit dem Referenzfrequenzgenerator 240 und dessen frequenzver
doppelten Signal (nach 241) wie mit dem ursprünglichen Kamm
entsprechend dem Referenzlaser-Regelkreis. Es ergeben sich
zwei Schwebungssignale, deren Abstand mit dem Wavemeter ausge
wertet werden kann. Aus dieser Frequenzermittlung und der be
kannten Modenausdünnung im passiven Resonator des Modenzählers
260 kann dann auf die Frequenzlage der Bezugsmoden und die
Anzahl der zwischen ihnen liegenden Moden rückgeschlossen wer
den.
In Fig. 2 ist dem Ausgang der Lasereinrichtung 200 nachgeord
net eine Einrichtung 201 zur Verbreiterung des Ausgangsspek
trums der Lasereinrichtung 200 durch Selbstphasenmodulation in
einem nichtlinearen Medium illustriert. Diese Einrichtung 201
ist beispielsweise eine optische Faser. Die Selbstphasenmodu
lation in optischen Fasern ist beispielsweise von K. Imai et
al. in "IEEE Journal of Quantum Electronics", Bd. 34, 1998,
S. 54 ff., beschrieben. Je nach der Leistung der Ausgangspulse
kann eine spektrale Verbreiterung bis hin zum quasi-Weißlicht
kontinuum erzielt werden. Dies ist insbesondere dann von Be
deutung, wenn der Frequenzkamm Moden der Frequenz f und von
deren zweiten Harmonischen 2f enthalten soll. In diesem Fall
wird der Aufbau der Regelkreise I, III vereinfacht, in dem
sich der erste Regelkreis I auf die Bezugsmode bei f und der
dritte Regelkreis III auf die Bezugsmode 2f bezieht. Falls die
Einrichtung 201 nicht eingesetzt wird, ist es zur Erzielung
der Referenzlaser-Regelkreises III gegebenenfalls erforder
lich, Teilerstufen einzuführen, um ein auswertbares Schwe
bungssignal zwischen der zweiten Harmonischen der optischen
Referenzfrequenz und einer Bezugsmode des Frequenzkamms oder
einer Teilfrequenz von dieser zu erzielen.
Beim Schema gemäß Fig. 2 wird die Lasereinrichtung unter Bezug
auf den Referenzlaser 240 stabilisiert. Umgekehrt besteht auch
die Möglichkeit, die Frequenz des Referenzlasers 240 oder da
von abgeleitete (geteilte oder vervielfachte) Frequenzen zu
messen, indem eine erfindungsgemäße Lasereinrichtung im stabi
lisierten Betrieb mit dem Referenzlaser 240 phasengekoppelt
und aus dem Schwebungssignal des (hier nicht geregelten) Refe
renzlaser-Regelkreises III die Frequenz des Referenzlasers 240
ermittelt wird. Damit wird unmittelbar und hochgenau die Fre
quenz des Referenzlasers 240 mit dem Radiofrequenzgenerator
250 (Relativgenauigkeit mindestens 10-16) in Bezug gesetzt und
das gewünschte "Uhrwerk" zur Überbrückung des Intervalls zwi
schen optischen Frequenzen und Radiofrequenzen geschaffen.
Abwandlungen des Schemas gemäß Fig. 2 sind in den Fig. 3 und
4 illustriert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen
versehen. Im folgenden werden lediglich die Unterschiede
gegenüber dem Aufbau gemäß Fig. 2 erläutert.
Der Moden-Regelkreis I ist gemäß Fig. 3 in zwei Teilregelungen
Ia und Ib aufgeteilt. Die eine Teilregelung Ia dient der Kopp
lung eines ersten Referenzlaser 240a, der z. B. ein Diodenlaser
ist und bei einer bestimmten Frequenz fref läuft, mit einem
ersten Moden-Regler 214a an eine Bezugsmode des Puls-
Frequenzkammes. Die andere Teilregelung Ib entspricht der oben
erläuterten Moden-Regelung der Lasereinrichtung 200 auf der
Basis eines Schwebungssignals aus der doppelten Bezugsfrequenz
fref und der Frequenz eines bei 2fref betriebenen und an eine
höherfrequente Bezugsmode im Frequenzkamm der Pulse angekop
pelten zweiten Referenzlasers 240b. Ein Bruchteil (z. B.
1/128) der Schwebungsfrequenz wird als Regelgröße dem zweiten
Moden-Regler 214b zugeführt. Durch diese Frequenzteilung des
Schwebungssignals, die auch bei der Gestaltung gemäß Fig. 2
vorgesehen sein kann, wird die Bandbreite der Regelung um den
Teilungsfaktor erhöht. Damit wird die relativ geringe Regelge
schwindigkeit (Bandbreite) der Piezoantriebe in der Laserein
richtung kompensiert. Die Kopplung des zweiten Referenzlasers
240b an den Modenkamm im Referenzlaser-Regelkreis III ist
symmetrisch zur Kopplung zwischen der unteren Bezugsmode und
dem ersten Referenzlaser 240a.
Der Moden-Regelkreis I ist entsprechend dem oben erläuterten
Prinzip auch gemäß Fig. 4 in zwei Teilregelungen Ia und Ib
aufgeteilt. Zusätzlich ist auch der Referenzlaser-Regelkreis
III in zwei Teilregelungen IIIa und IIIb aufgeteilt, von denen
eine Teilregelung IIIa der Überbrückung zwischen der höherfre
quenten Bezugsmode und dem bei 2fref betriebenen zweiten Refe
renzlaser 240b dient. Die andere Teilregelung IIIb entspricht
im wesentlichen der Referenzlaser-Regelung III gemäß Fig. 3.
Die Teilregelung IIIa umfaßt die Ankopplung des Referenzlasers
240c an die höherfrequente Bezugsmode des Frequenzkammes. Der
Referenzlaser 240c wird bei 3/2fref betrieben und umfaßt im
wesentlichen eine Tellerstufe gemäß Fig. 11. Nach Frequenzver
dopplung des Ausgangssignals des Referenzlasers 240c bei 242
und Summenbildung aus dem Ausgangssignal fref des ersten Refe
renzlasers 240 und dem Ausgangssignal 2fref des zweiten Refe
renzlasers 240b bei 243 wird am lichtempfindlichen Element 244
ein Schwebungssignal erzeugt, auf dessen Grundlage der zweite
Referenzlaser 240b stabilisiert wird.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf die Stabilisierung
eines Pulslasers beschränkt. Die unter Bezug auf die Fig. 2-4
erläuterten Prinzipien können auch verwendet werden, um mit
einer stabilisierten Lasereinrichtung eine unbekannte optische
Frequenz zu messen. Anwendungen der Erfindung zur Stabilisie
rung und/oder Messung optischer Frequenzen werden im folgenden
beispielhaft erläutert.
Mit einer erfindungsgemäß stabilisierten Lasereinrichtung kön
nen erstmalig optische Frequenzen oder Frequenzdifferenzen mit
einer Genauigkeit von mindestens 10-16 unmittelbar oder über
wenige Teilerstufen (2 oder 3) zu einem Frequenznormal (z. B.
zu einer Atomuhr) in Bezug gesetzt werden. Dies bedeutet ent
weder, von einer optischen Frequenz (z. B. Meßlicht eines
Spektroskopielasers) auszugehen und diese mit einem Radiofre
quenznormal in Beziehung zu setzen oder von einer Radiofre
quenz auszugehen und damit eine optische Frequenz zu stabili
sieren. Die Überbrückung der Frequenzdifferenz zwischen
optischer Frequenz und Radiofrequenz wird im folgenden unter
Bezug auf die Fig. 6-8 erläutert.
Das Ziel der Anwendung besteht beispielsweise in der Ermitt
lung oder Erzeugung der Frequenz f des Referenzlasers (siehe
Fig. 6). Der Referenzlaser entspricht dem Referenzfrequenzge
nerator 240 in Fig. 2. Im folgenden wird lediglich auf die
Ermittlung der Frequenz f Bezug genommen. Zur Erzeugung der
Frequenz f werden die angegebenen Prinzipien der Phasenkopp
lung lediglich umgekehrt durchlaufen.
Die Frequenz f wird gemäß Fig. 6 durch Erfassung der Frequenz
differenz zwischen f und 2f (2f - f = f) gemessen. Die Fre
quenzdifferenz f wird durch Vergleich mit einem Frequenzkamm
einer erfindungsgemäß stabilisierten Lasereinrichtung erfaßt.
Die mit einem Frequenzkamm überbrückbaren Frequenzdifferenzen
hängen von der Pulsdauer der Ausgangspulse der Lasereinrich
tung ab und betragen für das o. a. Beispiel (Laseraufbau gemäß
Fig. 1 mit rd. 73 fs) bis zu 20 THz, bei Einsatz der Faser 201
mindestens 50 THz oder bei Pulsdauern von rd. 10 fs bis zu 100 THz.
Die mit der Faser 201 erzielte Verbreiterung hängt auch
von der Pumpleistung am aktiven Medium des Pulslasers ab. Für
optische Frequenzen von rd. 300 THz muß daher mit der verfüg
baren Technik eine Teilung der Frequenzdifferenz f erfolgen,
bis sie innerhalb des Frequenzkammes liegt. Bei genügend kur
zen Pulsen kann bei optischen Frequenzen auf die Teilung ver
zichtet werden.
Mit den oben erläuterten Techniken wird der Referenzlaser mit
f mit einer unteren Bezugsmode M1 des Frequenzkammes in Bezug
gesetzt. Die Frequenzlücke zwischen f und 2f wird mit einer
Teilerstufe gemäß Fig. 11 auf eine Frequenzlücke zwischen f
und 3/2f geteilt. Die Frequenzdifferenz f/2 liegt innerhalb
des Frequenzkammes. Die Frequenz 3/2f wird mit einer oberen
Bezugsmode M2 des Frequenzkammes in Bezug gesetzt. Aus dem
erfindungsgemäß unter Bezug auf eine Atomuhr stabilisierten
und damit bekannten Modenabstand und den Schwebungsfrequenzen
wird erfaßt, welche Moden zu f bzw. 3/2f gehören, und nach
Auszählen der Moden die gesuchte Frequenz f ermittelt. Alter
nativ können anwendungsabhängig auch Intervalle z. B. zwischen
4f und 7/2f überbrückt werden.
Welche der Frequenzen f bzw. 2f oder der Bezugsmoden M1 bzw. M2
als Anknüpfung für die zu messende oder zu erzeugende Frequenz
verwendet wird, hängt von der konkreten Anwendung und den da
bei interessierenden Wellenlängen ab. Dies ist in den Fig. 7
und 8 illustriert. Gemäß Fig. 7 erreicht man bei der Messung
eines Referenzlasers bei λ = 972 nm nach Verdopplung und zwei
facher Teilung des Frequenzintervalls von rd. 300 THz eine
Wellenlänge λ = 778 nm, die von λ = 972 nm einen Abstand von 77 THz
besitzt. Je nach verfügbarem Frequenzkamm muß sich eine
weitere Teilung anschließen. Gemäß Fig. 8 besteht hingegen ein
Interesse an der Messung eines Referenzlasers mit λ = 1560 nm.
In diesem Fall wird an die verdoppelte Frequenz bei λ = 780 nm
angeknüpft. Nach zwei Teilerstufen ergibt sich ein Intervall
zwischen λ = 780 nm und λ = 891 nm mit 48 THz, das ohne weitere
Teilerstufen mit einem 50-THz-Kamm überbrückt werden kann.
Die Teilerkette kann sich somit auf die obere (2f) oder untere
(f) Startfrequenz beziehen. Ferner ist die Wahl der Startfre
quenz wichtig für die mit wenigen Teilerstufen erzielbare Fre
quenzdifferenz. Für Frequenzen z. B. in einem interessierenden
Wellenlängenbereich von rd. 700 nm bis 1700 nm können die Tei
lerstufen entsprechend so gewählt werden, daß die Anknüpfung
an den Frequenzkamm der Lasereinrichtung optimiert wird. Der
Bereich um λ = 1560 nm ist von besonderem Interesse für Anwen
dungen der Erfindung in der Telekommunikation.
Mit dem Bezug der Referenzfrequenz auf die mit einer Genauig
keit von 10-14 arbeitenden Atomuhr wird vorteilhafterweise
gegenüber dem Bezug auf einen stabilisierten Helium-Neon-Laser
mit einer Genauigkeit von 10-13 eine Größenordnung bei der
Genauigkeit bei der Einstellung der Lasereinrichtung bei
gleichzeitig erheblich vereinfachtem Aufbau erzielt.
Die Anwendung der Erfindung im Bereich der Präzisionsspek
troskopie basiert auf der Verwendung einer gemäß den Fig. 2-4
stabilisierten Lasereinrichtung mit den Moden- und Wieder
holfrequenz-Regelkreisen zur Vermessung der Frequenzlücke
zwischen einem Referenzlaser und einem Spektroskopielaser.
Hierzu ist der Referenzlaser-Regelkreis (III) nicht erforder
lich. Es wurde beispielsweise mit einer erfindungsgemäßen
Lasereinrichtung die D1-Linie von Cäsium bei 335 THz (895 nm)
vermessen. Dies erfolgte durch Ermittlung des Frequenzabstan
des zwischen der vervierfachten Frequenz eines methanstabili
sierten Helium-Neon-Lasers (4.88.4 THz = 354 THz) und der
D1-Linie unter Verwendung eines Frequenzkamms mit rd. 244.000
Moden eines stabilisierten Titan-Saphir-Lasers. Das Meßprinzip
ist in Fig. 9 illustriert. Im oberen Teil von Fig. 9 ist der
Frequenzkamm, der sich mit 244.000 Moden über 18,39 THz er
streckt, schematisch dargestellt. Am niederfrequenten Ende des
Frequenzkammes erfolgt dessen Phasenkopplung an eine genau
bekannte Mode M1 auf der Basis der Ausgangsfrequenz des Helium-
Neon-Lasers 91. Mit dem Helium-Neon-Laser 91 wird zunächst
nach dem oben erläuterten Schwebungssignal-Regelungsprinzip
ein Farbzentrenlaser 92 stabilisiert, dessen verdoppelte Aus
gangsfrequenz wiederum zur Stabilisierung eines Diodenlasers
93 benutzt wird. Simultan erfolgt über den Regler 94 (Φ) die
Einstellung des modengekoppelten Pulslasers 95 wie bei der
Stabilisierung gemäß Fig. 2.
Am hochfrequenten Ende des Frequenzkammes wird der Diodenlaser
96 an einer geeigneten Bezugsmode M2 phasengekoppelt, wobei die
Zahl der Moden in Bezug auf die niederfrequente Bezugsmode
nach dem obengenannten Verfahren ausgezählt ist. Durch Einfüh
rung einer definierten, im 100- bis 200-kHz-Bereich um 1 MHz
variierten Offsetfrequenz in Bezug auf die Frequenz des
Lasers 93 kann über die entsprechende Verschiebung des Moden
kammes die Frequenz des Diodenlasers 96 durchgestimmt werden.
Um die D1-Linie von Cäsium in einem Sättigungsspektrometer
(z. B. mit zwei linear polarisierten, entgegengesetzt laufenden
Laserstrahlen gleicher Intensität, z. B. 10 µW/cm2, Cäsiumzelle,
Länge: 7.5 cm, Raumtemperatur) zu vermessen, erfolgt ein
Durchstimmen des Diodenlasers 96 über den Linienverlauf. Ein
zelheiten der an sich bekannten Sättigungsspektroskopie werden
hier nicht angegeben. Fig. 10 zeigt beispielhaft den Verlauf
des Übergangs Fg = 4 → Fe = 4 der D1-Linie. Die Lage der Mit
tenfrequenz kann durch Einstellung der entsprechenden Schwe
bungsfrequenzen bei der Phasenkopplung des Frequenzkamms und
der Zahl der Moden zwischen den oberen und unteren Bezugsmoden
mit einer bisher nicht erreichten Genauigkeit angegeben wer
den. Dies ist sowohl für die hochgenaue Ermittlung von
Substanzeigenschaften als auch für eine genauere Messung der
Feinstrukturkonstanten α von Bedeutung.
Neben der Stabilisierung oder Messung optischer Frequenzen für
Frequenz- und/oder Zeitmeßzwecke bestehen auch Anwendungen der
erfindungsgemäßen Laserstabilisierung im Bereich der Tele
kommunikation. Bei der standardmäßigen Übertragung einer Viel
zahl von Trägerfrequenzen sind bisher bei der optischen Daten
übertragung Frequenzdifferenzen zwischen den Trägerfrequenz
bändern in der Größenordnung von 100 GHz erforderlich. Dieses
beschränkt die auf einem Träger plazierbaren Frequenzbänder
und damit die Übertragungskapazität. Eine engere Anordnung der
Frequenzbänder mit Abständen unterhalb 10 GHz wird durch eine
erfindungsgemäß stabilisierte Lasereinrichtung möglich, wobei
dieser Wert noch von der übertragenen Informationsmenge ab
hängt.
Ferner wird bei der zukünftigen Bereitstellung "optischer"
Atomuhren, die um mehrere Größenordnungen genauer laufen als
die bisherigen Cs-Atomuhren, ein neuer Bezugspunkt für die
Messung optischer Frequenzlücken geschaffen, der die Implemen
tierung des Referenzlaser-Regelkreises zur Messung optischer
Frequenzen überflüssig machen kann.
Mit einer kompletten Stabilisierung mit den Regelkreisen I, II
und III wird das gewünschte "Uhrwerk" bereitgestellt, mit dem
der Frequenzabstand zwischen Radiofrequenzen und optischen
Frequenzen überbrückt werden kann, insbesondere um eine opti
sche Frequenz bereitzustellen, die mit einem Radiofrequenznor
mal stabilisiert ist oder um eine Radiofrequenz zu erzeugen,
die in Bezug auf ein optische Frequenznormal stabilisiert ist.
Weitere Anwendungen bestehen in allen Bereichen der Frequenz-
und Zeitmeßtechnik, in denen bisher mit den eingangs erläuter
ten Frequenzteilerstufen gearbeitet werden mußte.
Claims (31)
1. Verfahren zum Betrieb einer Lasereinrichtung (1, 200), bei
dem in einer Resonatoranordnung (3) umlaufende Lichtpulse, die
jeweils aus spektralen Komponenten entsprechend einer Vielzahl
longitudinaler Moden (M, M1, M2) der Resonatoranordnung (3)
zusammengesetzt sind, erzeugt und einer Kompensation der Grup
pengeschwindigkeitsdispersion unterzogen werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
durch eine vorbestimmte Einstellung der linearen Dispersion
der Resonatoranordnung (3) jede Mode einer spektral spezifi
schen Frequenzänderung unterzogen wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Einstellung der
linearen Dispersion der Resonatoranordnung (3) durch eine
spektral spezifisch wirksame Änderung der Resonatorlänge in
einem Resonatorzweig erfolgt, den die Lichtpulse nach der Kom
pensation der Gruppengeschwindigkeitsdispersion spektral räum
lich getrennt durchlaufen.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Einstellung der
linearen Dispersion der Resonatoranordnung (3) durch Verkippen
eines Resonatorendspiegels (34) erfolgt.
4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Einstellung der
linearen Dispersion der Resonatoranordnung (3) durch ein Ver
kippen einer transparenten Platte, ein Einschieben eines Pris
menpaares in den Lichtweg in der Resonatoranordnung (3), oder
eine Einstellung der wirksamen Pumpleistung zum Pumpen des
aktiven Mediums der Lasereinrichtung (1) erfolgt.
5. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem die Einstellung der linearen Dispersion der Resonator
anordnung (3) im Rahmen eines Moden-Regelkreises (I) in Abhän
gigkeit von der Frequenzabweichung mindestens einer Bezugsmode
(M1) der Lichtpulse von einer Referenzfrequenz (fref) erfolgt,
die die Ausgangsfrequenz eines optischen Referenzfrequenzgene
rators (240) oder eine höhere Harmonische oder ein ganzzahli
ger Teil der Ausgangsfrequenz oder der höheren Harmonischen
ist.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem im Moden-Regelkreis
(I) Lichtpulse der Lasereinrichtung (1) und Licht mit der
Referenzfrequenz (fref) überlagert und auf ein lichtempfindli
ches Element (211) gerichtet werden, dessen elektrisches Aus
gangssignal eine Modulation bei einer Schwebungsfrequenz ent
sprechend der Abweichung der Frequenz der Bezugsmode (M1) von
der Referenzfrequenz (fref) aufweist, wobei ein Regler (214)
vorgesehen ist, der die lineare Dispersion der Resonatoranord
nung (3) so einstellt, daß das Schwebungssignal minimal ist
oder eine vorbestimmte Schwebungsfrequenz besitzt.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, bei dem der
optische Referenzfrequenzgenerator (240) in einem Referenz
laser-Regelkreis (III) in Bezug auf eine höherfrequente
Bezugsmode (M2) der Lichtpulse stabilisiert wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der
optische Referenzfrequenzgenerator (240) ein stabilisierter
Dauerstrichlaser ist.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die
Einstellung der linearen Dispersion der Resonatoranordnung (3)
im Rahmen eines Moden-Regelkreises (Ia, Ib) in Abhängigkeit
von der Abweichung der vervielfachten Frequenz eines ersten
Referenzlasers (240a), der mit einer niederfrequenten Bezugs
mode (M1) der Lichtpulse phasengekoppelt ist, von der Frequenz
eines zweiten Referenzlasers (240b) erfolgt, der in einem Re
ferenzlaser-Regelkreis (III) mit einer höherfrequenten Bezugs
mode (M2) der Lichtpulse phasengekoppelt ist.
10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem der zweite Referenz
laser (240b) mit der höherfrequenten Bezugsmode (M2) der Licht
pulse über eine Teilerstufe phasengekoppelt ist.
11. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei
dem die Resonatorlänge der Lasereinrichtung (1) im Rahmen
eines Wiederholfrequenz-Regelkreises (II) geregelt wird, in
dem die Wiederholfrequenz (fr) der Lichtpulse mit einer Radio
frequenz, die von einem Radioreferenzfrequenzgenerator (250)
abgeleitet ist, überlagert wird, wobei ein Regler (224) vorge
sehen ist, der die Resonatorlänge der Lasereinrichtung (1) so
einstellt, daß ein bei der Überlagerung gebildetes Schwebungs
signal minimal ist oder eine vorbestimmte Schwebungsfrequenz
besitzt.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die
Einstellung der linearen Dispersion der Resonatoranordnung (3)
im Rahmen eines Wiederholfrequenz-Regelkreises (II) geregelt
wird, in dem die Wiederholfrequenz (fr) der Lichtpulse mit
einer Radiofrequenz, die von einem Radioreferenzfrequenzgene
rator (250) abgeleitet ist, überlagert wird, wobei ein Regler
(224) vorgesehen ist, der die lineare Dispersion der Resona
toranordnung (3) so einstellt, daß ein bei der Überlagerung
gebildetes Schwebungssignal minimal ist oder eine vorbestimmte
Schwebungsfrequenz besitzt.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die Resonatorlänge
der Lasereinrichtung (1) im Rahmen eines Moden-Regelkreises
(I) in Abhängigkeit von der Frequenzabweichung mindestens
einer Bezugsmode (M1) der Lichtpulse von einer Referenzfrequenz
(fref) geregelt wird, die die Ausgangsfrequenz eines optischen
Referenzfrequenzgenerators (240) oder eine höhere Harmonische
oder ein ganzzahliger Teil der Ausgangsfrequenz oder der
höheren Harmonischen ist.
14. Verfahren zum Betrieb eines Referenzlasers (240) bei einer
stabilisierten optischen Frequenz, bei dem die Ausgangsfre
quenz des Referenzlasers (240) oder eine höhere Harmonische
oder ein ganzzahliger Teil der Ausgangsfrequenz oder der
höheren Harmonischen mit einer Bezugsmode (M1) von Lichtpulsen
phasengekoppelt wird, die mit einer Lasereinrichtung (1, 200)
nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13
erzeugt werden.
15. Verfahren zur Messung der Ausgangsfrequenz eines Referenz
lasers (240), bei dem eine Bezugsmode (M1) von Lichtpulsen,
die mit einer Lasereinrichtung (1, 200) nach einem Verfahren
gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 erzeugt werden, mit der
Ausgangsfrequenz des Referenzlasers (240) oder einer höheren
Harmonischen oder ein ganzzahliger Teil der Ausgangsfrequenz
oder der höheren Harmonischen phasengekoppelt wird und aus den
Regelparametern der Lasereinrichtung die Ausgangsfrequenz
ermittelt wird.
16. Lasereinrichtung (1, 200) zur Erzeugung kurzer Lichtpulse,
die eine Resonatoranordnung (3) mit
- - einem aktiven Medium (2),
- - einer Vielzahl von Resonatorspiegeln mit einem Einkoppel spiegel (31) zum Einkoppeln von Pumplicht für das aktive Medium (2), einem Auskoppelspiegel (32) zur Abgabe der Licht pulse und mehreren Umlenkspiegeln (33a-c, 34), und
- - einer Kompensationseinrichtung (4) zur Kompensation der Gruppengeschwindigkeitsdispersion der Lichtpulse, enthält,
17. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Disper
sions-Stelleinrichtung (7) in einem Resonatorzweig auf der vom
aktiven Medium (2) abgewandten Seite der Kompensationseinrich
tung (4) angeordnet ist.
18. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 17, bei der die Disper
sions-Stelleinrichtung (7) eine Schwenkeinrichtung (7) an
einem als Resonatorendspiegel (34) wirkenden Umlenkspiegel
ist.
19. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 16, bei der die Disper
sions-Stelleinrichtung eine transparente Platte mit einer
Kippeinrichtung (8), ein Prismenpaar mit einer Schubeinrich
tung (8'), die in der Resonatoranordnung (3) angeordnet sind,
oder eine Einrichtung (9) zur Variation der wirksamen Pump
leistung des Pumplasers umfaßt.
20. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei
der eine Resonatorlängen-Stelleinrichtung (5) zur Veränderung
der Resonatorlänge durch Verstellung der Position eines der
Umlenkspiegel (33b) vorgesehen ist.
21. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, bei
der ein Moden-Regelkreis (I, 210, 214) zur Regelung der Dis
persions-Stelleinrichtung (7, 8, 8') oder der Resonatorlängen-
Stelleinrichtung (5) in Abhängigkeit von der Frequenzabwei
chung mindestens einer Frequenzkomponente der Lichtpulse von
einer Referenzfrequenz (fref), die die Ausgangsfrequenz eines
optischen Referenzfrequenzgenerators (240) oder eine höhere
Harmonische oder ein ganzzahliger Teil der Ausgangsfrequenz
oder der höheren Harmonischen ist, vorgesehen ist.
22. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 21, bei der der Moden-
Regelkreis (I, 210, 214) eine Einrichtung (211) zur Erzeugung
eines Schwebungssignals aus der Frequenzkomponente der Licht
pulse und der Referenzfrequenz (fref) und einen Moden-Regler
(214) für die Dispersions-Stelleinrichtung (7) oder die Reso
natorlängen-Stelleinrichtung (5) umfaßt, wobei der Moden-
Regler dazu ausgebildet ist, die Dispersions-Stelleinrichtung
(7) oder die Resonatorlängen-Stelleinrichtung (5) so zu betä
tigen, daß das Schwebungssignal minimal ist oder eine vorbe
stimmte Schwebungsfrequenz besitzt.
23. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 21 oder 22, bei der ein
Referenzlaser (240) und ggf. Vervielfacher- und oder Teiler
stufen zur Erzeugung der Referenzfrequenz (fref) vorgesehen
sind und die Einrichtung zur Erzeugung des Schwebungssignals
ein lichtempfindliches Element (211) umfaßt.
24. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 23, bei der am licht
empfindlichen Element ein Filterelement (212) zur spektral
selektiven Erfassung der Lichtpulse vorgesehen ist.
25. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, bei
der ein Moden-Regelkreis (Ia, Ib, 210, 214) zur Regelung der
Dispersions-Stelleinrichtung (7, 8, 8')oder der Resonatorlän
gen-Stelleinrichtung (5) in Abhängigkeit von der Abweichung
der Frequenz eines ersten Referenzlasers (240a), der mit einer
niederfrequenten Bezugsmode der Lichtpulse phasengekoppelt
ist, von der Frequenz eines zweiten Referenzlasers (240b), der
mit einer höherfrequenten Bezugsmode der Lichtpulse phasenge
koppelt ist, vorgesehen ist.
26. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 25, bei
der ein Wiederholfrequenz-Regelkreis (II, 220, 224) zur Rege
lung der Resonatorlängen-Stelleinrichtung (5) oder der Disper
sions-Stelleinrichtung (7, 8, 8') in Abhängigkeit von der
Frequenzabweichung mindestens einer Differenzfrequenz zwischen
der Wiederholfrequenz der Lichtpulse von einer Radioreferenz
frequenz vorgesehen ist.
27. Lasereinrichtung gemäß Anspruch 26, bei der ein Radiofre
quenzreferenzgenerator (250) zur Erzeugung der Radioreferenz
frequenz vorgesehen ist und der Wiederholfrequenz-Regelkreis
eine Einrichtung zur Erzeugung eines Schwebungssignals aus dem
Signal eines lichtempfindlichen Elements (221), das die Licht
pulse erfaßt, und dem Signal eines Radiofrequenzreferenzgene
rators (250) und einen Wiederholfrequenz-Regler (224) für die
Resonatorlängen-Stelleinrichtung (5) oder die Dispersions-
Stelleinrichtung (7, 8, 8') umfaßt, wobei der Wiederholfre
quenz-Regler (224) dazu ausgebildet ist, die Resonatorlängen-
Stelleinrichtung oder die Dispersions-Stelleinrichtung (7, 8,
8') so zu betätigen, daß das zweite Schwebungssignal minimal
ist oder eine vorbestimmte Schwebungsfrequenz besitzt.
28. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 27, bei
der ferner ein Referenzlaser-Regelkreis (III, 231) zur Rege
lung des optischen Referenzfrequenzgenerators oder Referenz
lasers (240) vorgesehen ist, mit einer Einrichtung (231) zur
Erzeugung eines Schwebungssignals aus einer höherfrequenten
Frequenzkomponente der Lichtpulse oder eines Teiles dieser
Frequenzkomponente und einer Frequenz, die gleich einem Viel
fachen der Referenzfrequenz (fref) ist, und einer Stelleinrich
tung zur Einstellung des optischen Referenzfrequenzgenerators
oder Referenzlasers (240) derart, daß das Schwebungssignal
minimal ist oder eine vorbestimmte Schwebungsfrequenz besitzt.
29. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 28, bei
der das aktive Medium (4) ein Festkörper- oder ein Farbstoff
medium umfaßt.
30. Lasereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 16 bis 29, bei
der eine Einrichtung (201) zur Selbstphasenmodulation vorgese
hen ist.
31. Verwendung eines Verfahrens oder einer Lasereinrichtung
gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zur Messung optischer
Frequenzen oder Frequenzdifferenzen, Erzeugung optischer Fre
quenzen, Überbrückung großer Frequenzdifferenzen in optischen
Teilerketten, Erzeugung optischer Trägerfrequenzen in der
Telekommunikationstechnik, spektroskopischen Vermessung atoma
rer elektronischer Übergänge, oder Überbrückung der Frequenz
eines optischen Frequenznormals zu einer mit elektronischen
Mitteln zählbaren Meßfrequenz.
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