DE202007017492U1

DE202007017492U1 - Vorrichtungen zum Stabilisieren der Träger-Einhüllenden-Phase (Carrier-Envelope Phase) eines Laserimpulses durch Benutzen des Direkt-Lock-Verfahrens

Info

Publication number: DE202007017492U1
Application number: DE202007017492U
Authority: DE
Original assignee: Gwangju Institute of Science and Technology
Current assignee: Gwangju Institute of Science and Technology
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2017-12-15
Also published as: JP2009130347A; US7701982B2; US20090135859A1; JP4709823B2; KR20090053640A; KR100942380B1

Abstract

Vorrichtung zum Stabilisieren einer Carrier-Envelope Phase bzw. Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) eines Laserimpulses, welcher durch einen Mode-gelockten gepulsten Laser basierend auf einem Direkt-Lock-Verfahren erzeugt wird, wobei die Vorrichtung aufweist:
einen Laseroszillator, welcher den Mode-gelockten gepulsten Laser beinhaltet, welcher den Laserimpuls erzeugt;
ein Interferometer, welches Laserimpulse erzeugt, welche erste und zweite Frequenzkomponenten des Laserimpulses besitzen, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt werden, um erste und zweite Interferenzsignale zu erzeugen, welche im Wesentlichen einander in einer Zeitdomäne und in einer Raumdomäne entsprechen;
einen Detektor, welcher die ersten und zweiten Interferenzsignale empfängt, um dritte und vierte Interferenzsignale durch Invertieren einer Phase des zweiten Interferenzsignals auszugeben; und
eine Doppel-Rückkopplungsschaltung, welche den Laseroszillator steuert, so dass die Träger-Einhüllende-Phase (CEP) des Laserimpulses, welche durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, im Wesentlichen einen konstanten Wert bezüglich der Zeit besitzt, wobei ein Träger-Einhüllende-Phase-(CEP-)Signal benutzt wird, welches von den dritten und vierten Interferenzsignalen erhalten...

Description

Anspruch für die Priorität
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität für die koreanische Patentanmeldung 2007-120547 , ausgestellt am 23. November im koreanischen Intellectual Property Office (KIPO), wobei der gesamte Inhalt derselben hier als Referenz beinhaltet ist.
Hintergrund
1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum Stabilisieren einer Carrier-Envelope Phase bzw. einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses. Spezieller ausgedrückt, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Vorrichtungen zum Stabilisieren der Carrier-Envelope-Phase eines Laserimpulses durch Benutzen eines direkten Lock-Verfahrens.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Seit den späten 1990ern wird die Carrier-Envelope-Phasen-(CEP-)Stabilisierung von Femtosekunden-Laserimpulsen intensiv als eine Schlüsseltechnologie für hochpräzises Frequenzmessen und für die Attosekunden-Wissenschaft untersucht. Die CEP-Stabilisationstechnik in Mode-gelockten Femtosekunden-Lasern wurde zuerst von Wissenschaftlern auf dem Gebiet ultraschneller Laser vorgeschlagen und experimentell durch Forscher auf dem Gebiet der Frequenzmesstechnik realisiert.
In jüngster Zeit wurde die CEP-Stabilisationstechnik erfolgreich auf Chirped-Pulse-Amplification- bzw. Chirp-Puls-Verstärkungs-(CPA-)Lasersysteme für das Erzeugen von CEP-stabilisierten Impulsen mit hoher Energie und hoher Intensität ausgedehnt. Der CEP-stabilisierte Laser wurde zu einer revolutionären Lichtquelle für die Frequenzmesstechnik, wohingegen die CEP-stabilisierten CPA-Laser ein wesentliches Werkzeug für das Erzeugen von reproduzierbaren Attosekunden-XUV-Impulsen wurden, welche ultraschnelle Elektronendynamik in Atomen und Molekülen sondieren können.
Für zuverlässige Anwendungen der CEP-Stabilisierungstechnik sind niedriges Phasenrauschen und eine exzellente Langzeitstabilität entscheidend, so dass große Anstrengungen für das Erhöhen bzw. Verbessern dieser Parameter in den CEP-stabilisierten Femtosekunden-Lasern durchgeführt wurden.
Da sich die Technik zum Reduzieren der Pulsbreite eines Laserimpulses schnell entwickelt, wurde ein Mode-gelockter gepulster Laser entwickelt. Entsprechend dieses Mode-gelockten gepulsten Lasers entspricht eine Laserpulsbreite nur zwei Laseroszillationswellenlängen, um die Pulsbreite zu reduzieren. In Bezug auf den Mode-gelockten gepulsten Laser zieht die Technik zum Reproduzieren einer Pulsform das Interesse vieler Leute an.
1 zeigt einen Pulszug, welcher durch einen Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wurde. Mit Bezug auf 1 schwingt der Mode-gelockte gepulste Laser in Form eines Pulszuges entsprechend einer Zeit. Ein Zeitintervall τ bedeutet eine Umlaufzeit, welche für das Kommen und Gehen in einem Laserresonator benötigt wird. Mit anderen Worten, das Zeitintervall τ wird durch 2L/c repräsentiert, wobei L die Länge des Resonators und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Das Zeitintervall τ entspricht dem Reziprokwert der Wiederholungsrate f_rep.
Der Phasenunterschied zwischen einem Spitzenwert der Trägerwelle eines Laserimpulses und einem Spitzenwert der Einhüllenden wird als die CEP bezeichnet. D.h., die CEP ist der Phasenunterschied zwischen einem Spitzenwert der Trägerwelle eines Laserimpulses und einem Spitzenwert einer Einhüllenden.
Entsprechend der Pulsform des Mode-gelockten gepulsten Lasers verändern sich die Einhüllenden der Laserimpulse in dem Laserresonator nicht, wie dies in 1 gezeigt wird. Jedoch ändern sich die Gruppengeschwindigkeit und die Phasengeschwindigkeit der Impulse aufgrund der Dispersion in dem Laserresonator, so dass sich die Spitzenwerte der Einhüllenden der Laserimpulse und die Spitzenwerte der Trägerwellen der Laserimpulse zu jeder Zeit ändern, so dass sich die absoluten Phasen der Laserimpulse entsprechend mit der Zeit als Φ₁, Φ₂, Φ₃ und Φ₄ ändern.
In 1 ist die jeweilige CEP des Laserimpulses als Φ₁, Φ₂, Φ₃ und Φ₄, und ein Phasenunterschied zwischen den Laserimpulsen ist ein Offset der Carrier-Envelope-Phase (CEO), welche ΔΦ_cep ist. Wenn der CEO null ist, besitzt die gesamte CEP, welche durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, den gleichen Wert. Wenn der CEO π/4 ist, besitzt jede achte CEP den gleichen Wert.
2 zeigt Laserimpulse, welche eine Veränderung der CEP in einer Zeitdomäne besitzen, wenn der CEO einen konstanten Wert besitzt, und 3 zeigt Laserimpulse, welche eine Veränderung der CEP in einer Frequenzdomäne besitzen, wenn der CEO einen konstanten Wert besitzt.
Mit Bezug auf 2 sind die Lichtfrequenz der Laserimpulse in der Frequenzdomäne der 3 von der Position (dargestellt durch gepunktete Linien) aus entsprechend zu Vielfachen der Wiederholrate f_rep um den Betrag der Carrier-Envelope-Offset-Frequenz δ (oder f_ceo) aufgrund der Konstanten CEO ΔΦ_cep versetzt.
Im herkömmlichen Mode-gelockten gepulsten Laser ist der CEO nicht konstant. Mit anderen Worten, der CEO ist variabel, während die Laserimpulse erzeugt werden. Deshalb verändert sich die Laserfrequenz des herkömmlichen Mode-gelockten gepulsten Lasers, und sie ist instabil. Entsprechend einem Verfahren, welches im US-Patent Nr. 6,724,788 (Method and Device for Generating Radiation with Stabilized Frequency bzw. Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen von Strahlung mit stabilisierter Frequenz) von Dr. Hänsch, welcher Nobelpreisträger von 2005 ist, und der US-Patentveröffentlichung Nr. 2004/0017833 (Mode-Locked Pulsed Laser System and Method bzw. Mode-gelocktes Pulslasersystem und Verfahren) von Dr. John L. Hall, welcher auch Nobelpreisträger von 2005 ist, veröffentlicht wird, wird die Laserfrequenz stabil durch das Steuern des CEO gesteuert. Dank der evolutionären Laserfrequenz-Stabilisierungstechnik, welche in dem obigen US-Patent Nr. 6,724,788 und der US-Patentveröffentlichung Nr. 2004/0017833 veröffentlicht wird, wurde die Präzision des Messens von Zeit, Raum und Masse tausendmal erhöht, und ein Messverfahren wurde vereinfacht.
Beispielsweise kann dank der CEP-Stabilisierungstechnik eine Uhr, welche eine Präzision bis herab zu achtzehn Dezimalstellen und nur einen Fehler von einer Sekunde während des Alters des Universums von ungefähr vierzehn Billionen Jahren hat, erhalten werden.
In jüngster Zeit wurde die CEP-Stabilisierungstechnik in anderen Gebieten als der Physik angewendet, um z.B. einen Attose kunden-(10^–18-Sekunden-)Impuls zu erzeugen. Wenn ein ultrakurzer Impuls bei Gas angewendet wird, um ein Plasma zu erzeugen, wird zu jeder Zeit die Form der Laseroszillation geändert, so dass ein Betrag des erzeugten Plasmas aufgrund des Effektes der CEP verändert wird. Daher kann ein spezielles Licht, wie z.B. der Attosekundenimpuls, in dem Plasma durch Steuern der CEP erzeugt werden. Dies ist ähnlich zum Erzeugen einer Blitzlampe mit ultrahoher Geschwindigkeit, welche in der Lage ist, ein Bild in einer ultrakurzen Zeit aufzunehmen. Mit Hilfe dieser Technik kann ein Bewegungsbild eines Elektrons in einem Atom aufgenommen werden. Entsprechend einem Verfahren, welches 2003 im Journal von "Nature" veröffentlicht wurde, wird der Laser, welcher durch die CEP gesteuert wird, bei einem Gas angewendet, es wird Plasma erzeugt, und dann wird ein Attosekundenimpuls erhalten, und ein Bewegungsbild eines Elektrons wurde in einem Atom aufgenommen, wobei der Attosekundenimpuls verwendet wurde. Danach wurden viele Forschungsarbeiten in der ganzen Welt durchgeführt.
Die CEP-Stabilisierungstechniken, welche in dem obigen US-Patent Nr. 6,724,788 und der US-Patentveröffentlichung Nr. 2004/0017833 veröffentlicht wurden, basieren auf dem Phase-locked Loop bzw. Phasen-gelockten Umlauf (PLL), welcher einen CEP-Offset der Frequenz stabilisiert, um so wie ein Wächter einem Referenz-RF-Signal zu folgen.
Die CEP-Stabilisierungstechniken, welche in dem obigen US-Patent Nr. 6,724,788 und der US-Patentveröffentlichung Nr. 2004(0017833 veröffentlicht sind, stabilisieren nur den CEO ΔΦ_cep, so dass er einen konstanten Wert besitzt, um eine Laserfrequenz zu stabilisieren, dies gestattet jedoch nicht, dass der CEP einen konstanten Wert besitzt.
Deshalb ist die Laserfrequenz, wie in den 2 und 3 gezeigt wird, in der Frequenzdomäne um einen Betrag der CEP-Offset-Frequenz δ aufgrund des CEO ΔΦ_cep versetzt.
D.h., entsprechend den CEP-Stabilisierungstechniken, welche in dem obigen US-Patent Nr. 6,724,788 und der US-Patentveröffentlichung Nr. 2004/0017833 veröffentlicht sind, verändern sich die CEP der Laserimpulse zu jeder Zeit, so dass die Laserimpulsformen in der Zeitdomäne voneinander unterschiedlich sind. Als Ergebnis sollten nur Impulse in den verschiedenen Laserimpulsen ausgewählt werden, welche die gleiche CEP besitzen, wenn ein Laser-Plasma-Experiment durchgeführt wird.
Neulich wurde in dem Aufsatz "Novel method for carrierenvelope Phase stabilization of femtosecond laser pulses" bzw. "Neues Verfahren für die Träger-Einhüllende-Phasen-Stabilisierung von Femtosekunden-Laserimpulsen", veröffentlicht am 18. April 2005 im Journal "OPTICS Express", eine CEP-Stabilisierungstechnik basierend auf einem Direct-Locking-bzw. Direkt-Lock-(DL-)Verfahren vorgeschlagen, um die CEP-Stabilisierungstechnik zu ersetzen, welche auf dem herkömmlichen PLL-Verfahren beruht.
Das DL-Verfahren besitzt spezielle Merkmale im Vergleich zum herkömmlichen PLL-Verfahren. Als Erstes ist das Referenz-RF-Signal nicht erforderlich, da das Rückkopplungssignal in der Zeitdomäne vom f-zu-2f-Beat-bzw. Schwebungs-Signal durch Benutzen einer einfachen DC- bzw. Gleichstrom-Referenz erzeugt wird. Als Zweites werden die CEP-Veränderungen so gelockt, dass sie null sind. Als Drittes kann der CEP-Wert nach Intuition und einfach auf elektronische Weise moduliert werden, indem ein geformtes externes Signal benutzt wird.
Jedoch kann die CEP-Störung, welche durch einen Detektier-Ausgleichprozess induziert ist, um ein Hintergrund-DC-Rauschen zu entfernen, trotz der oben beschriebenen Vorteile erzeugt werden, wenn das DL erstellt wird. Zusätzlich kann ein langsames Driften eines Rückkopplungssignals einen Einfluss auf einen Ausgang eines Laserimpulses ausüben, um ein Übersprechen zwischen dem Ausgang des Laserimpulses und der CEP-Offset-Frequenz δ oder dem CEP zu erzeugen. Deshalb kann ein Umlaufring einer Rückkopplung aufgebrochen werden, um die CEP-Stabilisierung langfristig zu zerstören.
Zusammenfassung
Entsprechend wird die vorliegende Erfindung geliefert, um im Wesentlichen eines oder mehrere Probleme aufgrund der Begrenzungen und Nachteile entsprechend dem Stand der Technik zu beseitigen.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern eine Vorrichtung zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses, welcher ein verbessertes DL-Verfahren anwendet, in Bezug auf die Langzeit.
In einigen beispielhaften Ausführungsformen beinhaltet eine Vorrichtung zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) eines Laserimpulses, welcher durch einen Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, welcher auf einem Direkt-Lock-Verfahren beruht: einen Laseroszillator, welcher den Mode-gelockten gepulsten Laser beinhaltet, welcher den Laserimpuls erzeugt; ein Interferometer, welches Laserimpulse erzeugt, welche erste und zweite Frequenzkomponenten aus dem Laserimpuls besitzen, welcher durch einen Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt werden, um erste und zweite Interferenzsignale zu erzeugen, welche im Wesentlichen einander in einer Zeitdomäne und in einer Raumdomäne entsprechen; einen Detektor, welcher erste und zweite Interferenzsignale empfängt, um dritte und vierte Interferenzsignale durch Umkehren einer Phase des zweiten Interferenzsignals auszugeben; und eine doppelte Ruckkopplungsschaltung, welche den Laseroszillator steuert, so dass die Träger-Einhüllende-Phase (CEP) des Laserimpulses, welche durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, einen im Wesentlichen konstanten Wert bezüglich der Zeit besitzt, wobei ein Träger-Einhüllende-Phasen-(CEP-)Signal benutzt wird, welches von den dritten und vierten Interferenzsignalen erhalten wird. Das Interferometer kann beinhalten: ein Zeitverzögerungsglied, welches die erste Frequenzkomponente um eine gegebene Zeit verzögert, um die erste Frequenzkomponente mit der zweiten Frequenz in der Zeitdomäne zu überlagern; und ein Frequenzverdopplungsglied, welches eine Frequenz der zweiten Frequenzkomponente verdoppelt. Das Interferometer kann ferner beinhalten: ein erstes Polarisationssteuerglied, welches die erste Frequenzkomponente in einen S-Polarisationsanteil und einen P-Polarisationsanteil aufteilt, wobei der S-Polarisationsanteil und der P-Polarisationsanteil der ersten Frequenzkomponente jeweils den gleichen Betrag besitzen; ein zweites Polarisationssteuerglied, welches die zweite Frequenzkomponente in einen S-Polarisationsanteil und einen P-Polarisationsanteil aufteilt, wobei der S-Polarisationsanteil und der P-Polarisationsanteil der zweiten Frequenzkomponente jeweils den gleichen Betrag besitzen; und ein Strahlkombinierglied, welches die ersten und zweiten Frequenzkomponenten jeweils überlagert, welche durch die ersten und zweiten Polarisationssteuerglieder in der Zeitdomäne aufteilt, um die ersten und zweiten Interferenzsignale zu erzeugen. Der Detektor kann beinhalten: einen ersten Detektor, welcher eine photoelektrische Umwandlung an dem ersten Interferenzsignal durchführt; ein Polarisations-Phasen-Schiebeglied, welches eine Phase des zweiten Interferenzsignals umkehrt; und einen zweiten Detektor, welcher die photoelektrische Umwandlung an dem Ausgangssignal des Polarisationsphase-Verschiebeglieds durchführt. Der erste und der zweite Detektor können jeweils dritte und vierte Polarisationssteuerglieder beinhalten, welche die Polarisationsachsen der ersten und zweiten Interferenzsignale so justieren, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander sind. Die doppelte Rückkopplungsschaltung kann beinhalten: eine erste Rückkopplungsschaltung, welche Rauschfaktoren der dritten und vierten Interferenzsignale aufhebt und welche ein Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal erzeugt, um ein Ausgangssignal eines Laserimpulses zu steuern, welches von dem Mode-gelockten gepulsten Laser ausgegeben wird; und eine zweite Rückkopplungsschaltung, welche das Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal empfängt, um ein Rückkopplungssignal mit niedriger Geschwindigkeit zu erzeugen, um eine Einfügetiefe eines Prismas des Laseroszillators zu steuern. Das Ausgangssignal des Laserimpulses, welches durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, kann basierend auf dem Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal gesteuert werden, indem ein akustooptischer Modulator benutzt wird, und die Einfügetiefe des Prismas des Laseroszillators kann basierend auf dem Rückkopplungssignal mit niedriger Geschwindigkeit gesteuert werden, indem ein Piezoübersetzungssteuerglied benutzt wird. Eine Träger-Einhüllende-Phase-(CEP)Offset-Frequenz des Laserimpulses, welcher durch den Laseroszillator erzeugt wird, kann durch Verändern eines Ausgangssignals des Laserpulses verändert werden, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, basierend auf dem Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungs signal, und die Träger-Einhüllende-Phasen-(CEP-)Offset-Frequenz des Laserimpulses, welche durch den Laseroszillator erzeugt wird, kann durch das Erhöhen der Einfügetiefe des Prismas verändert werden, basierend auf dem Rückkopplungssignal mit niedriger Geschwindigkeit. Die erste Rückkopplungsschaltung kann einen Differenzverstärker beinhalten, welcher die Rauschfaktoren der dritten und vierten Interferenzsignale aufhebt. Das Träger-Einhüllende-Phasen-(CEP-)Signal, welches von den dritten und vierten Interferenzsignalen erhalten wird, kann einem Ausgangssignal des Differenzverstärkers entsprechen.
Wie oben beschrieben, entsprechend den Vorrichtungen zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses, welche ein verbessertes Direkt-Lock-Verfahren anwendet, kann ein externer Rauschfaktor, welcher in dem Laserimpuls beinhaltet ist, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, aufgehoben werden, es kann ein reines CEP-Signal erhalten werden, und die CEP-Offset-Frequenz kann so gesteuert werden, dass sie während der Rückkopplung des CEP-Signals null wird, so dass die CEP des Laserimpulses, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, einen konstanten Wert besitzen kann.
Deshalb kann das CEP-Rauschen des Laserimpulses, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, reduziert werden, wodurch die Stabilität der CEP des Laserimpulses, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, erhöht wird.
Die Vorrichtung zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses, welche ein verbessertes direktes Lock-Verfahren anwendet, kann als eine Lichtquelle benutzt werden, um einen stabilen Impf- bzw. Keimstrahl eines großen Ausgangslasers von mehreren Zyklen zu liefern, bei welchem die CEP stabilisiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden durch das detaillierte Beschreiben beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen offensichtlicher werden, in welchen:
1 einen Pulszug zeigt, welcher durch einen Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt ist;
2 Laserimpulse zeigt, welche eine Veränderung der CEP in einer Zeitdomäne besitzen, wenn die CEO einen konstanten Wert besitzt;
3 Laserimpulse zeigen, welche eine Veränderung der CEP in einer Frequenzdomäne besitzen, wenn die CEO einen konstanten Wert besitzt;
4 ein Blockdiagramm ist, welches eine Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses, bei welcher ein verbessertes DL-Verfahren angewendet wird, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ein Schaltdiagramm ist, welches eine Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses, bei welchem ein verbessertes DL-Verfahren angewendet wird, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ein Graph ist, welcher ein Spektrum, welches eine Oktave umfasst, zeigt, wobei eine f_n-Frequenzkomponente und eine f_2n-Frequenzkomponente beinhaltet sind, welche Ausgangssignale eines Bandbreiten-Verbreiterungsgliedes sind;
7 ein Graph ist, welcher eine Beziehung zwischen Ausgangssignalen eines Laserimpulses und einer CEP-Offset-Frequenz f_ceo entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Graph ist, welcher eine Beziehung zwischen der Einfügetiefe eines Prismas und der CEP-Offset-Frequenz f_ceo entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ein Graph ist, welcher ein Beispiel eines in der Phase gestörten Fehlersignals bei einem herkömmlichen Direkt-Lock-Verfahren zeigt;
10 ein Graph ist, welcher ein Fehlersignal von einem Interferenzsignal eines ersten Lichtdetektors und einem zweiten Lichtdetektor zeigt, welche ausgeglichen sind, wobei ein verbessertes Direkt-Lock-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
11 ein Graph ist, welcher die Veränderungen eines Ausgangssignals eines Differenzverstärkers einer ersten Rückkopplungsschaltung vor und nach dem Aktivieren eines direkten Lock-Umlaufs bzw. -Loops, wenn die Zeit verstreicht, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ein Graph ist, welcher die Kurve des Spektrums der Leistungsdichte und des akkumulierten Phasenrauschens zeigt, welches von einem Beat- bzw. Schwebungs-Signal in einem CEP-gelockten Zustand ausgegeben wird, welches von dem Differenzverstärker der ersten Rückkopplungsschaltung ausgegeben wird;
13 ein Graph ist, welcher ein Simulationsergebnis zeigt, wenn eine langsame Rückkopplungsschleife entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nicht im verbesserten direkten Lock-Verfahren arbeitet;
14 ein Graph ist, welcher ein Simulationsergebnis entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn die langsame Rückkopplungsschleife in dem verbesserten Direkt-Lock-Verfahren arbeitet; und
15 ein Simulationsergebnis ist, wenn eine doppelte Rückkopplungsschleife entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier veröffentlicht. Jedoch sind die speziellen strukturellen und funktionellen Details, welche hier veröffentlicht werden, nur für Zwecke des Beschreibens der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung repräsentativ, jedoch können beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in vielen anderen Formen ausgeführt werden und sollten nicht als eingrenzend auf beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufgefasst werden, wie sie hier aufgeführt sind.
Entsprechend werden, während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen aufnahmefähig ist, spezielle Ausführungsformen derselben beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden hier im Detail beschrieben. Es sollte jedoch davon ausgegangen werden, dass es keine Absicht gibt, die Erfindung auf die hier veröffentlichten einzelnen Formen zu beschränken, im Gegenteil soll die Erfindung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, welche in den Geist und den Umfang der Erfindung fallen. In der Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Zahlen auf gleiche Elemente.
Es ist davon auszugehen, dass, obwohl die Terme erstes, zweites, etc. hier benutzt werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Elemente nicht durch diese Terme eingegrenzt werden sollen. Die Terme werden nur dazu benutzt, um ein Element vom anderen zu unterscheiden. Beispielsweise könn te ein erstes Element auch als ein zweites Element bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise könnte ein zweites Element auch als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Wie hier benutzt, so beinhaltet der Term "und/oder" sämtliche Kombinationen einer oder mehrerer der zugehörigen aufgelisteten Zeichnungen.
Es ist davon auszugehen, dass, wenn ein Element als "verbunden" oder "gekoppelt" mit einem anderen Element ist, es direkt angeschlossen oder gekoppelt an das andere Element sein kann oder dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu, wenn ein Element bezeichnet wird, dass es "direkt angeschlossen" oder "direkt gekoppelt" zu einem anderen Element ist, sind keine anderen dazwischenliegenden anderen Elemente vorhanden. Andere Wörter, welche benutzt werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in einer ähnlichen Weise interpretiert werden (d.h. "zwischen" im Gegensatz zu "direkt zwischen", "benachbart" gegenüber "direkt benachbart", etc.).
Die hier benutzte Terminologie dient nur dem Zweck des Beschreibens spezieller Ausführungsformen und soll nicht dazu dienen, die Erfindung einzugrenzen. Wie hierin benutzt, sollen die Singularformen "ein, eine" und "der, die, das" ebenso die Pluralformen beinhalten, es sei denn, der Kontext zeigt dies in klarer Weise anders an. Es ist ferner davon auszugehen, dass die Terme "weist auf", "wobei es aufweist", "beinhaltet" und/oder "wobei beinhaltet ist", wenn sie hier benutzt werden, das Vorhandensein von aufgeführten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen derselben ausschließen.
Wenn nicht in anderer Weise definiert, besitzen alle Terme, wobei technische und wissenschaftliche Terme eingeschlossen sind, welche hier benutzt werden, die gleiche Bedeutung, wie dies gewöhnlicherweise von einem Fachmann auf dem Gebiet verstanden wird, wozu diese Erfindung gehört. Es ist ferner davon auszugehen, dass die Terme, wie z.B. jene, welche gewöhnlich in Wörterbüchern definiert werden, so interpretiert werden sollten, dass sie eine Bedeutung besitzen, welche konsistent mit ihrer Bedeutung entsprechend dem Kontext des diesbezüglichen Standes der Technik ist, und sie sollen nicht in einem idealisierten oder in einem übermäßig formalen Sinne interpretiert werden, es sei denn, dies wird ausdrücklich hier so definiert.
Es sollte auch beachtet werden, dass in einigen alternativen Implementierungen die Funktionen/Handlungen, welche in den Blöcken aufgezeichnet sind, außerhalb der Reihenfolge auftreten können, wie sie in den Ablaufdiagrammen notiert sind. Beispielsweise können zwei Blöcke, welche in der Aufeinanderfolge gezeigt werden, tatsächlich im Wesentlichen gegenläufig ausgeführt werden, oder die Blöcke können manchmal in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden, abhängig von der Funktionalität/den Handlungen, welche involviert sind.
4 ist ein Blockdiagramm, welches eine Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses, bei welchem ein verbessertes DL-Verfahren angewendet wird, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 5 ist ein Schaltdiagramm, welches eine Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses, bei welchem ein verbessertes DL-Verfahren angewendet wird, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 6 ist ein Graph, welcher ein Spektrum zeigt, welches eine Oktave umspannt, wobei eine f_n-Frequenzkomponente und eine f_2n-Frequenzkomponente beinhaltet sind, welche Ausgangs signale eines Bandbreiten-Verbreiterungsgliedes sind. 7 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen Ausgangssignalen eines Laserimpulses und einer CEP-Offset-Frequenz f_ceo entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. 8 ist ein Graph, welcher eine Beziehung zwischen der Einfügetiefe eines Prismas und der CEP-Offset-Frequenz f_ceo entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
Mit Bezug auf 4 beinhaltet eine Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses: einen Mode-gelockten gepulsten Laser 410, ein Interferometer 430, einen Detektor 450, eine Doppelrückkopplungsschaltung 460 und einen CEP-Stabilisierungssteuerbereich 470. Der Detektor 450 führt eine Operation einer Homodyne Balance Detection bzw. einer Homodyn-Ausgleichs-Detektierung (HBD) durch. Der Detektor 450 beinhaltet einen ersten Detektor 445 und einen zweiten Detektor 440.
Der Mode-gelockte gepulste Laser 410 erzeugt Laserimpulse, welche eine gegebene Wiederholrate besitzen.
Das Interferometer 430 beinhaltet: ein Bandbreite-Verbreiterungsglied 420, einen harmonischen Strahlteiler 422, ein Zeitverzögerungsglied 425, ein Frequenzverdopplungsglied 426 und ein Strahlkombinierglied 438. Das Interferometer 430 erzeugt Laserimpulse, welche eine f_n-Frequenzkomponente und eine f_2n-Frequenzkomponente besitzen, um die CEP von Laserimpulsen zu detektieren, welche von dem Mode-gelockten Laser 410 ausgegeben werden, um ein erstes Interferenzsignal 431 und ein zweites Interferenzsignal 433 zu erzeugen. Der Laserimpuls, welcher eine f_n-Frequenz besitzt, entspricht im Wesentlichen dem Laserimpuls, welcher eine f_2n-Frequenz in der Zeitdomäne und in der Raumdomäne besitzt.
Das Bandbreite-Verbreiterungsglied 420 empfängt einen Laserimpuls 403, um ein Spektrum, welches eine Oktave umspannt, zu erzeugen, wobei die f_n-Frequenzkomponente und die f_2n-Frequenzkomponente beinhaltet sind, um die CEP zu detektieren.
Mit Bezug auf 6 wird der Laserimpuls 403, welcher an dem Bandbreite-Verbreiterungsglied 420 angelegt ist, von dem Bandbreite-Verbreiterungsglied 420 als das die Oktave umspannende Spektrum ausgegeben, wobei die f_n-Frequenz und die f_2n-Frequenz beinhaltet sind.
Der harmonische Strahlteiler 422 spaltet das die Oktave umspannende Spektrum auf, um die f_n-Frequenzkomponente 425 und die f_2m-Frequenzkomponenten 423 in einer Raumdomäne zu trennen. Die f_n-Frequenzkomponenten 425 werden an dem Frequenzverdopplungsglied 426 angelegt, und die f_2n-Frequenzkomponenten 423 werden an dem Zeitverzögerungsglied 424 angelegt.
Das Frequenzverdopplungsglied 426 wandelt die f_n-Frequenzkomponenten 425 in 2f_n-Frequenzkomponenten 429 um, welche eine Frequenz besitzen, welche zweimal größer als die f_n-Frequenz ist.
Das Zeitverzögerungsglied 424 verzögert die f_2n-Frequenzkomponenten 423 um eine gegebene Periode, um den Laserimpuls der 2f_n-Frequenzkomponente mit dem Laserimpuls der f_2n-Frequenzkomponente in einer Zeitdomäne zu überlagern.
Ein erstes Polarisationssteuerglied 432 teilt die f_2n-Frequenzkomponenten 427 in eine S-Polarisationskomponente und eine P-Polarisationskomponente auf, so dass der Betrag der S-Polarisationskomponente und der Betrag der P-Polarisationskomponente gleich zueinander sind. Dann werden die S-Polarisationskomponente und die P-Polarisationskomponente der f_2n-Frequenzkompon enten an dem ersten Detektor 445 und dem zweiten Detektor 440 jeweils angelegt.
Ein zweites Polarisationssteuerglied 434 teilt die 2f_n-Frequenzkomponenten 429 in die S-Polarisationskomponente und die P-Polarisationskomponente derart auf, dass ein Betrag der S-Polarisationskomponente und ein Betrag der P-Polarisationskomponente gleich zueinander sind. Dann werden die S-Polarisationskomponente und die P-Polarisationskomponente der 2f_n-Frequenzkomponenten an den ersten Detektor 445 und den zweiten Detektor 440 jeweils angelegt.
Das Strahlkombinierglied 438 überlagert den Laserimpuls der 2f_n-Frequenzkomponente mit dem Laserimpuls der f_2n-Frequenzkomponente in einer Raumdomäne, um die ersten und zweiten Interferenzsignale 431 und 433 zu erzeugen. Die ersten und zweiten Interferenzsignale 431 und 433 werden durch das Zeitverzögerungsglied 424 justiert, wobei die ersten und zweiten Polarisationssteuerglieder 432 und 434 einander in der Zeitdomäne und der Raumdomäne überlagern, und an die ersten und zweiten Detektoren 445 und 440 jeweils angelegt sind.
Der Detektor 450 beinhaltet den ersten Detektor 445, den zweiten Detektor 440 und das Polarisationsphasenschiebeglied 439.
Wenn sich die 2f_n-Frequenzkomponenten und die f_2n-Frequenzkomponenten einander in der Zeitdomäne und in der Raumdomäne durch das Zeitverzögerungsglied 424, das erste Polarisationssteuerglied 432, das zweite Polarisationssteuerglied 434 und das Strahlkombinierglied präzise 438 überlagern, detektiert der Detektor 450 ein Interferenzsignal, welches Rauschfaktoren und ein CEP-Signal, welche darin vermischt sind, besitzt. Die Rauschfaktoren werden durch eine erste Rückkopplungsschaltung 432 entfernt, so dass reine CEP-Signale erhalten werden.
Der erste Detektor 445 in 4 kann ein erstes Polarisationsglied 553 und einen ersten Lichtdetektor 555 in 5 enthalten, und der zweite Detektor 440 in 4 kann ein zweites Polarisierglied 559 und einen zweiten Lichtdetektor 561 in 5 enthalten. Die ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 empfangen ein Lichtsignal, um ein elektrisches Signal zu erzeugen.
Das Polarisationsphasen-Schiebeglied 439 invertiert eine Phase des Interferenzsignals des zweiten Lichtdetektors 561 in dem zweiten Detektor 440. Das Polarisationsphase-Schiebeglied 439 kann als ein π-Phasen-Verzögerer arbeiten, bei welchem die Hauptachse ohne Drehung der Polarisation auf eine S-Polarisation oder eine P-Polarisation gesetzt wird.
Die Interferenzsignale, welche Rauschfaktoren mit niedriger Frequenzänderung und CEP-Signale, welche darin gemischt sind, besitzen, können in dem Ausgangssignal der ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 in 5 detektiert werden.
Ein Unterschied zwischen dem Interferenzsignal des ersten Lichtdetektors 555 und dem Interferenzsignal des zweiten Lichtdetektors 561 kann so justiert werden, dass er ein reines CEP-Signal ergibt, indem das HBD-Verfahren zum Zwecke des Entfernens der Rauschfaktoren des Laserimpulses entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
Damit der Unterschied zwischen dem Interferenzsignal des ersten Lichtdetektors 555 und dem Interferenzsignal des zweiten Lichtdetektors 561 ein reines CEP-Signal wird, sind zwei Bedingungen erforderlich.
Entsprechend der ersten Bedingung teilt das Strahlkombinierglied 438 die 2f_n-Frequenzkomponenten, welche durch das zweite Polarisationssteuerglied 434 laufen, in eine erste aufgeteilte 2f_n-Frequenzkomponente, welche in Richtung des ersten Detektors 445 vorwärtsläuft, und eine zweite aufgeteilte 2f_n-Frequenzkomponente, welche in Richtung des zweiten Detektors 440 vorwärtsläuft, so dass ein Betrag der ersten aufgeteilten 2f_n-Frequenzkomponente und ein Betrag der zweiten aufgeteilten 2f_n-Komponente zueinander gleich sind, und das Strahlkombinierglied 438 teilt die f_2n-Frequenzkomponenten, welche durch das erste Polarisationssteuerglied 432 laufen, in eine erste aufgeteilte f_2n-Frequenzkomponente, welche in Richtung des ersten Detektors 445 vorwärtsläuft, und eine zweite aufgeteilte f_2n-Frequenzkomponente, welche in Richtung des zweiten Detektors 440 vorwärtsläuft, so dass ein Betrag der ersten aufgeteilten f_2n-Frequenzkomponente und ein Betrag der zweiten aufgeteilten f_2n-Frequenzkomponente zueinander gleich sind. Wenn die erste Bedingung erfüllt ist, werden die Größe des Interferenzsignals der ersten und zweiten Detektoren 445 und 440 exakt die gleiche, so dass ein Unterschied zwischen einem ersten Interferenzsignal 441, welches von dem ersten Detektor 445 ausgegeben wird, und einem zweiten Interferenzsignal 443, welches von dem zweiten Detektor 440 ausgegeben wird, immer null wird.
Entsprechend einer zweiten Bedingung, in welcher der Unterschied zwischen dem Interferenzsignal des ersten Lichtdetektors 555 und dem Interferenzsignal des zweiten Lichtdetektors 561 die reinen CEP-Signale sind, ist das Polarisationsphase-Schiebeglied 439 in einem der ersten und zweiten Lichtdetektoren 445 und 440 so angeordnet, dass es die Phase des Interferenzsignals eines der ersten und zweiten Lichtdetektoren 445 und 440 umgekehrt macht. Beispielsweise kann die Phase des Interferenzsignals des zweiten Lichtdetektors 561 in dem zweiten Detektor 440 invertiert werden, und die Phase des CEP-Signals wird invertiert, während die Rauschfaktoren verbleiben. Als Ergebnis kann ein reines CEP-Signal durch die erste Rückkopplungsschaltung 462 erhalten werden.
Die Doppel-Rückkopplungsschaltung 460 beinhaltet eine erste Rückkopplungsschaltung 462 und eine zweite Rückkopplungsschaltung 465. Die Doppel-Rückkopplungsschaltung 460 stabilisiert die CEP des Laserimpulses durch das Kombinieren der ersten und zweiten Rückkopplungsschaltungen 462 und 465. Die Doppel-Rückkopplungsschaltung 460 erzeugt ein Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal, wie z.B. ein Hochgeschwindigkeitssteuersignal 461 und ein Rückkopplungssignal mit niedriger Geschwindigkeit, wie z.B. ein Steuersignal 467 mit niedriger Geschwindigkeit, um den Phasenunterschied zwischen den Laserimpulsen zu entfernen, so dass der CEP-Wert der Laserimpulse den gleichen Wert besitzt.
Die erste Rückkopplungsschaltung 462 kann einen Differenzverstärker 571 und einen Hochgeschwindigkeitsservo 573 in 5 beinhalten. Die erste Rückkopplungsschaltung 432 empfängt das reine CEP-Signal, welches durch den Differenzverstärker 571 erzeugt wird, um das Hochgeschwindigkeitssteuersignal 461 zu erzeugen, um das Ausgangssignal des Mode-gelockten gepulsten Lasers zu steuern.
Die zweite Rückkopplungsschaltung 465 kann einen Servo 575 mit niedriger Geschwindigkeit in 5 beinhalten. Die zweite Rückkopplungsschaltung 465 erzeugt das Steuersignal 467 mit niedriger Geschwindigkeit, um einen Einfügebetrag eines Prismas 519 zu steuern, um einen Grad an zurückgelegter Entfernung eines Laserimpulses zu steuern, welcher sich in den Laserresonatoren 511, 513 und 526 ausgebreitet hat.
Das CEP-Stabilisierungssteuerglied 470 beinhaltet ein erstes CEP-Stabilisierungssteuerglied 472 und ein zweites CEP-Stabilisierungssteuerglied 474.
Das erste CEP-Stabilisierungssteuerglied 472 steuert ein Ausgangssignal eines Laserimpulses, um die CEP des Laserimpulses in dem Mode-gelockten gepulsten Laser 410 basierend auf dem Hochgeschwindigkeitssteuersignal 461 zu steuern. Das erste CEP-Stabilisierungssteuerglied 472 kann das Ausgangssignal eines Laserimpulses steuern, indem ein akustooptischer Modulator (AOM) benutzt wird.
Das zweite CEP-Stabilisierungssteuerglied 474 steuert den Grad an zurückgelegter Entfernung eines Laserimpulses, welcher sich in dem Laserresonator ausgebreitet hat, indem die Einfügetiefe des Prismas 519 basierend auf dem Steuersignal 467 mit niedriger Geschwindigkeit gesteuert wird.
Die Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung misst den Unterschied zwischen den ersten und zweiten Interferenzsignalen 441 und 443, welche von dem Detektor 450 ausgegeben werden, um direkt das CEP-Signal über das Homodyne Balanced Detection- bzw. das Homodyn-Ausgleichungs-Detektier-(HBD-)Verfahren zu erhalten, bei welchem die ersten und zweiten Detektoren 445 und 440 benutzt werden. Als Ergebnis kann eine Veränderung der CEP eines Laserimpulses in Echtzeit überwacht werden.
Um die CEP jedes der Laserimpulse in dem Mode-gelockten gepulsten Laser 410 zu steuern, wird das Ausgangssignal eines Lasers durch das Benutzen des ersten CEP-Stabilisierungssteuergliedes 472 gesteuert, oder die Einfügetiefe des Prismas 519 zum Steuern der zunehmenden Entfernung des Laserimpulses, welcher sich in einem Laserresonator ausgebreitet hat, wird durch Benutzen des zweiten CEP-Stabilisierungssteuergliedes 474 gesteuert.
Das erste CEP-Stabilisierungssteuerglied 472 kann den AOM 503 beinhalten, wie dies in 5 gezeigt wird. Der AOM 503 kann einen Kristall beinhalten. Wenn das Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal, welches eine gegebene Spannung, z.B. eine Spannung im Bereich von ungefähr null Volt bis ein Volt besitzt, an einem ersten Treiber 578 angelegt ist, liefert der erste Treiber 578 dem AOM 503 die RF-Leistung, und eine Ausgangsintensität von Ultraschallwellen wird entsprechend zu dieser Intensität der RF-Leistung gesteuert. Wenn sich die Ausgangsintensität der Ultraschallwellen erhöht, nimmt die Ausgangsleistung eines Laserimpulses ab. D.h., die Ausgangsleistung eines Laserimpulses kann durch das Steuern des Ausgangssignals der Ultraschallwelle des AOM 503 gesteuert werden, indem der RF-Leistungspegel gesteuert wird, welcher an dem AOM 503 angelegt ist.
Das Prisma 519 kann ein Prisma innerhalb des Resonators sein. Das Volumen des Piezo-Übersetzungs-(PZT-)Steuergliedes nimmt abhängig von einer externen Spannung, welche an diesem angelegt ist, zu. Die Einfügetiefe des Prismas 519 kann durch Variieren der externen Spannung gesteuert werden, wobei das zweite CEP-Stabilisierungssteuerglied 474 benutzt wird.
Im Vergleich zu einem Verfahren des Steuerns der CEP durch das Benutzen des PZT-Steuergliedes ist ein Verfahren des Steuerns der CEP durch das Benutzen der Ausgangsleistung des Laserimpulses über den AOM 503 in der Lage, eine Hochgeschwindigkeitssteuerung durchzuführen.
Wenn die CEP-Offset-Frequenz f_ceo eines Laserimpulses null ist, besitzt die CEP des Laserimpulses einen konstanten Wert. Deshalb ist es vorzuziehen, die CEP-Offset-Frequenz f_ceo so zu steuern, dass sie null ist.
Deshalb kann die CEP-Offset-Frequenz f_ceo eines Laserimpulses so gesteuert werden, dass sie in dem Mode-gelockten gepulsten Laser 410 null ist, indem die Ausgangsleistung der Laserleistung gesteuert wird, indem das erste CEP-Stabilisierungssteuerglied 472 benutzt wird oder durch das Steuern des zunehmenden Abstandes des Laserimpulses, welcher sich in einem Laserresonator ausgebreitet hat, indem das zweite CEP-Stabilisierungssteuerglied 474 benutzt wird.
Mit Bezug auf 7 entspricht eine horizontale Achse der Pulsenergie einem Ausgangssignal eines Laserimpulses, und eine vertikale Achse entspricht der CEP-Offset-Frequenz f_ceo. Die CEP-Offset-Frequenz f_ceo ist im Wesentlichen null, wenn die Frequenz der vertikalen Achse ungefähr 485 MHz ist. Wie in 7 gezeigt wird, nimmt die CEP-Offset-Frequenz f_ceo ab, wenn das Ausgangssignal eines Laserimpulses zunimmt.
Mit Bezug auf 8 entspricht eine Horizontalachse einer Einfügetiefe eines Prismas, und eine Vertikalachse entspricht der CEP-Offset-Frequenz f_ceo. Wie in 8 gezeigt wird, nimmt auch die CEP-Offset-Frequenz f_ceo zu, wenn die Einfügetiefe eines Prismas zunimmt.
Wenn eine übermäßig hohe RF-Leistung an dem AOM 503 angelegt wird, während der AOM 503 benutzt wird, indem die Ansprechgeschwindigkeit zum Steuern des CEP berücksichtigt wird, wird das Ausgangssignal eines Lasers verändert, so dass das Fehlersignal der ersten Rückkopplungsschaltung 462 die Vorspannung erhöht. Deshalb ist es sehr schwierig, die CEP für mehr als eine Stunde zu stabilisieren.
Das Verfahren zum Steuern der CEP durch das Benutzen der Einfügetiefe des Prismas hat den Vorteil, keinen Einfluss auf die Ausgangsleistung eines Lasers zu nehmen. Das Verfahren des Steuerns der CEP durch das Benutzen des AOM 503 hat den Vor teil eines breiten Operationsbereiches, besitzt jedoch die Schwierigkeit, die CEP stabil aufgrund des langsamen Ansprechens des PZT zu steuern.
Entsprechend dem Verfahren der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zwei Vorteile der oben beschriebenen Verfahren kombiniert. D.h., der AOM 503 wird benutzt, um die CEP schnell zu stabilisieren, und der PZT wird benutzt, um die CEP langsam wiederherzustellen, trotz des Veränderns der Ausgangsleistung des Laserimpulses. Deshalb wird die CEP eines Laserimpulses trotz der umgebenden Veränderungen, wie z.B. Änderungen der Temperatur, der Feuchtigkeit etc., für eine lange Zeit stabilisiert.
Nachfolgend wird die Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses, bei welcher das DL-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird, mit Bezug auf 5 erklärt.
Mit Bezug auf 5 beinhaltet die Vorrichtung zum Stabilisieren der CEP eines Laserimpulses entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung: einen Laseroszillator 510, einen Isolator 502, ein Dispersions-Kompensationsglied 515, ein Interferometer 530, einen Detektor 550 und eine Doppelrückkopplungsschaltung 570.
Der Laseroszillator 510 beinhaltet optische Einrichtungen, wie z.B. einen Nd:YVO4-Laser 501, Laserresonatoren 511, 513 und 526, Spiegel 505, 507 und 523, eine Linse 509, Prismen 519 und 521, ein Ausgangskoppelglied 525, etc. Das Prisma kann beispielsweise ein Prisma innerhalb des Resonators sein.
Der Laseroszillator 510 kann ferner beinhalten: einen AOM 503 zum Steuern eines Ausgangssignals eines Lasers unter der Steuerung des ersten Treibers 578 und einen zweiten Treiber 517 zum Steuern der zunehmenden Entfernung eines Laserimpulses, welcher sich in den Laserresonatoren ausgebreitet hat, durch Steuern der Einfügetiefe des Prismas 519.
Ein über eine Spiegeldispersion gesteuerte Kerr-Linse Mode-gelockter Ti: Saphirlaser erzeugt beispielsweise Femtosekunden-Laserimpulse, welche eine Wiederholrate von 75 MHz besitzen.
Der Isolator 502 wird benutzt, um die Rückreflexion der Femtosekunden-Laserimpulse 527 zu verhindern, welche durch den Laseroszillator 510 von einer mikrostrukturierten Faser (MSF) 535 entsprechend zu dem Bandbreite-Verbreiterungsglied 420 erzeugt werden. Der Isolator 502 kann der Faraday-Isolator sein.
Da der Isolator 502 Dispersionscharakteristika besitzt, wird ein Laserimpuls so verbreitert, dass ein nicht linearer Effekt ineffektiv in dem Bandbreite-Verbreiterungsglied 420 erzeugt wird. Als Ergebnis daraus, ist es schwierig, f_n-Frequenzkomponenten und f_2n-Frequenzkomponenten zu erzeugen. Deshalb kompensiert das Dispersionskompensationsglied 515 Impulse, welche durch den Isolator 502 verbreitert sind, um eine Original-Impulsform zu besitzen. Das Dispersionskompensationsglied 515 beinhaltet beispielsweise Prismen 512 und 514 und Reflexionsspiegel 508 und 516. Das Dispersionskompensationsglied 515 ist zwischen den Laseroszillatoren 511, 513 und 526 und dem Interferometer 530 angeordnet, empfängt die Ausgangssignale des Isolators 502 und kompensiert die Ausgangssignale des Isolators 502.
Das Interferometer 530 beinhaltet die MSF 535, einen nicht linearen Kristall 545 und ein Zeitverzögerungsglied 424. Der nicht lineare Kristall 545 kann beispielsweise ein KTP-(Kalium-Titanoxid-Phosphat-)Kristall sein. Das Zeitverzöge rungsglied 424 beinhaltet beispielsweise eine Vielzahl an Reflexionsspiegeln 534, 536, 538 und 540.
Die MSF 535 empfängt das Ausgangssignal des Strahlteilers 518 über ein Polarisationssteuerglied 531 und eine Linse 533, um das die Oktave umspannende Spektrum zu erzeugen, wobei sowohl die f_n-Frequenzkomponenten (1064 nm) als auch die f_2n-Frequenzkomponenten (532 nm) beinhaltet sind. Das Polarisationssteuerglied 531 kann das die Oktave umspannende Spektrum optimieren.
Die f_n-Frequenzkomponenten und die f_2n-Frequenzkomponenten laufen sequenziell durch die Linse 537 und über den Reflexionsspiegel 539, um voneinander durch einen Spiegel mit harmonischer Trennung (HS) 541 getrennt zu werden. Die f_n-Frequenzkomponenten laufen durch die Linse 543, und der KTP-Kristall 545 ändert die f_n-Frequenzkomponenten in f_2n-Frequenzkomponenten, welche eine zweimal größere Frequenz als die f_n-Frequenzkomponenten besitzen. Der KTP-Kristall 545 besitzt eine Dicke von ungefähr 1 mm. Das Ausgangssignal des KTP-Kristalls 545 läuft sequenziell durch eine Linse 547, ein Bandpassfilter 548, ein Polarisationssteuerglied 549 und über einen Reflexionsspiegel 546, welcher an einem Polarisationsstrahlteiler (PBS) 551 anzuwenden ist. Die f_2n-Frequenzkomponenten werden durch die Reflexionsspiegel 532, 536, 534, 538 und 540 verzögert und laufen über ein Bandpassfilter 542 und ein Polarisationssteuerglied 544, welches an dem PBS 551 anzubringen ist. Der PBS 551 kann die f_2n-Frequenzkomponenten in einen ersten Teil aufteilen, welcher in Richtung des ersten Detektors 445 fortschreitet, und einen zweiten Teil, welcher in Richtung des zweiten Detektors 440 fortschreitet, so dass der Betrag des ersten und zweiten Teils zueinander durch das Steuern des Polarisationssteuerglieds 544 gleich bleibt. Der PBS 551 teilt auch die 2f_n-Frequenzkomponenten in einen ersten Teil auf, welcher sich in Richtung des ersten Detektors 445 fortbewegt, und einen zweiten Teil, welcher sich in Richtung des zweiten Detektors 440 fortbewegt, so dass ein Betrag des ersten Teils und ein Betrag des zweiten Teils der 2f_n-Frequenzkomponenten durch das Steuern des Polarisationssteuergliedes 549 gleich zueinander beibehalten werden.
Der PBS arbeitet als ein Strahlkombinierglied, welches die f_2n-Frequenzkomponenten und die 2f_n-Frequenzkomponenten wieder vereinigt.
Der Detektor 550 entspricht dem Detektor 450 in 4 und führt die HBD-Operation durch.
Der Detektor 550 beinhaltet ein erstes Polarisationsglied 553, einen ersten Lichtdetektor 555, eine Halbwellenplatte (HWP) 557, ein zweites Polarisationsglied 559 und einen zweiten Lichtdetektor 561. Die ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 können eine Avalanche-Photodiode (APD) beinhalten.
Die f_2n-Frequenzkoponenten und die 2f_n-Frequenzkomponenten von dem Interferometer 530 werden durch den PBS 551 derart remergiert bzw. wiedervereinigt, dass die f_2n-Frequenzkomponenten und die 2f_n-Frequenzkomponenten in einer Zeitdomäne und in einer Raumdomäne miteinander überlagert werden können und dann in erste und zweite Interferenzsignale für die HBD-Operation aufgeteilt werden können.
Damit die ersten und zweiten Interferenzsignale (2f_n und f_2n) miteinander interferieren, sollten die ersten und zweiten Interferenzsignale die gleiche Polarisationsrichtung besitzen, während die ersten und zweiten Interferenzsignale in einer Zeitdomäne und in einer Raumdomäne überlagert werden. Wenn die Polarisationsrichtung der ersten und zweiten Interferenzsignale im Wesentlichen senkrecht zueinander ist, interferieren die ersten und zweiten Interferenzsignale nicht miteinander. Die ersten und zweiten Interferenzsignale können die gleiche Polarisationsrichtung durch das Anordnen der ersten und zweiten Polarisierglieder 553 und 559 besitzen, so dass die Polarisationsachsen der ersten und zweiten Polarisationsglieder 553 und 559 einen Winkel von ungefähr fünfundvierzig Grad bilden. Die ersten und zweiten Interferenzsignale können simultan durch die ersten und zweiten Detektoren 555 und 561 detektiert werden, da die ersten und zweiten Interferenzsignale die gleichen Polarisationsachsen durch die ersten und zweiten Polarisationsglieder 553 und 559 besitzen, um miteinander zu interferieren. Die folgende Gleichung 1 und Gleichung 2 zeigen jeweils Interferenzsignale der ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561. Gleichung 1
Gleichung 2
wobei V₁(t) und V₂(t) die Eingangssignale 554 und 556 der ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 jeweils darstellen. Die V₁(t) und V₂(t) sind Interferenzsignale, welche unterschiedliche Rauschfaktoren besitzen. Die ersten zwei Elemente V^S _f2n(t) + V^P _2fn(t) und V^P _f2n(t) + V^S _2fn(t) in den Gleichungen 1 und 2 entsprechen den sich ändernden Rauschfaktoren, und die letzten AC-Komponenten entsprechen dem CEP-Signal.
Die Polarisationssteuerglieder 544 und 549 und die HWP 557 sind benachbart zu dem PBS 551 angeordnet, zum Zwecke des präzisen Ausgleichens der beiden Interferenzsignale, welche von den ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 ausgegeben werden. Durch das Steuern der Polarisationssteuerglieder 544 und 549 können die ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 gesteuert werden, um Interferenzsignale auszugeben, welche die gleiche Stärke besitzen. Mit anderen Worten, die ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 können so gesteuert werden, dass die Ausgangssignale der ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 ausgeglichen werden, so dass das Ausgangssignal des Differenzverstärkers null ist.
Bei dem HBD-Detektierverfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine HWP 557, welche als ein Polarisationsphasen-Verzögerungsglied arbeitet, zusätzlich vor dem zweiten Lichtdetektor 561 angeordnet werden, so dass das Interferenzsignal des zweiten Lichtdetektors die gleiche Intensität besitzt wie das Interferenzsignal des ersten Lichtdetektors 555.
Dann, wie in der folgenden Gleichung 3 gezeigt wird, wird die Phase der CEP-Signale in dem Ausgangssignal des zweiten Lichtdetektors 561 durch die HWP 557 invertiert, welche als das Polarisationsphasen-Verzögerungsglied arbeitet, während die Rauschfaktoren in dem Ausgangssignal des zweiten Lichtdetektors 561 verbleiben.
Gleichung 3
Wenn die Hauptachse der HWP 557 so eingestellt ist, dass sie die S-Polarisationsrichtung oder die P-Polarisationsrichtung ist, arbeitet die HWP 557 als der π-Phasenverzögerer, so dass das Rauschen mit niedriger Frequenzfluktuation des ersten und zweiten Lichtdetektors 555 und 561 entfernt werden kann.
Die V_f2n(t) und V_2fn(t) entsprechen jeweils dem f_2n-Arm und dem 2f_n-Arm des Interferometers 530. Die V_f2n(t) kann als V^S _f2n(t) und V^P _f2n(t) klassifiziert werden, und die V_2fn(t) kann als V^S _2fn(t) und V^P _2fn(t) entsprechend einer Richtung der Polarisationsachse klassifiziert werden.
Wenn in dem f_2n-Arm und in dem 2f_n-Arm zwei Polarisationssteuerglieder 544 und 549 benutzt werden, können die S-Polarisationskomponenten so gesteuert werden, dass sie den gleichen Betrag wie die P-Polarisationskomponenten besitzen. Die beiden Polarisationssteuerglieder 655 und 549 in dem Interferometer 530 können so eingestellt werden, während einer der f_2n-Arme und 2f_n-Arme blockiert ist (oder inaktiviert ist), dass die Interferenzsignale der ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 einander gleich sein können. Zusätzlich können die Verstärkung und der Offset der ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 auf den gleichen Wert eingestellt werden. Deshalb kann die Intensität der Signale, welche durch die ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 detektiert werden, einander gleich gemacht werden.
Als Ergebnis kann das Ausgangssignal 572 des Differenzverstärkers 571 entsprechend der folgenden Gleichung 4 erhalten werden, und das Rauschen, wie z.B. das Rauschen mit niedriger Frequenzfluktuation, kann entfernt werden, so dass ein CEP-Signal, welches zweimal größer als das CEP-Signal ist, welches von dem herkömmlichen DL-Verfahren erhalten wird, aus dem Unterschied zwischen dem dritten Interferenzsignal, welches von dem ersten Lichtdetektor 55 ausgegeben wird, und dem vierten Interferenzsignal, welches von dem zweiten Lichtdetektor 561 ausgegeben wird, erhalten werden kann.
Gleichung 4
Die Doppelrückkopplungsschaltung 570 beinhaltet die erste Rückkopplungsschaltung 462 und die zweite Rückkopplungsschaltung 465. Die erste Rückkopplungsschaltung 462 beinhaltet einen Differenzverstärker 571 und einen Hochgeschwindigkeitsservo 573. Die zweite Rückkopplungsschaltung 465 beinhaltet einen Niedriggeschwindigkeitsservo 575.
Der Differenzverstärker 571 empfängt das Interferenzsignal, welches von dem ersten Lichtdetektor 555 über einen Nicht-Inversionseingangsanschluss ausgegeben wird, und das Interferenzsignal, welches von dem zweiten Lichtdetektor 561 über einen Inversionseingangsanschluss ausgegeben wird. Der Differenzverstärker 571 löscht die Interferenzsignale, welche von den ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 ausgegeben werden, so dass das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 571 null wird, wenn die Interferenzsignale, welche von den ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 ausgegeben werden, so justiert sind, dass sie den gleichen Wert zueinander besitzen.
Der Hochgeschwindigkeitsservo 573 kann eine proportionale Integral-Derivativ-(PID-)Steuerschaltung beinhalten. Der Hochgeschwindigkeitsservo 573 kann nur durch ein Integrierglied implementiert sein. Sogar wenn der Hochgeschwindigkeitsservo 573 nur durch ein Integrierglied implementiert ist, kann die CEP-Stabilisierungsoperation stabil durchgeführt werden. Der Hochgeschwindigkeitsservo 573 empfängt das Ausgangssignal 572 des Differenzverstärkers 571 und integriert das Ausgangssignal 572, um ein Spannungssignal als das Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal 577 auszugeben, um den ersten Treiber 578 zu treiben. Der erste Treiber 578 steuert den RF-Leistungspegel des Ausgangssignals entsprechend der Ausgangsspannung des Hochgeschwindigkeitsservos 573 und liefert dann dem AOM 503 das Ausgangssignal, von welchem der RF-Leistungspegel gesteuert wird.
Der Niedriggeschwindigkeitsservo 575 kann eine PID-Steuerschaltung beinhalten. Der Niedriggeschwindigkeitsservo 575 kann beispielsweise ein Integrier (I-) und ein proportionales (P-)Element beinhalten. Der Niedriggeschwindigkeitsservo 575 empfängt das Ausgangssignal des Hochgeschwindigkeitsservo 573, um ein Spannungssignal als ein Niedriggeschwindigkeits-Rückkopplungssignal 570 auszugeben, um den zweiten Treiber 517 zu treiben. Der zweite Treiber 517 steuert die Einfügetiefe des Prismas 519 durch Verstärken des Spannungsausgangssignals des Niedriggeschwindigkeitsservo 575.
Die folgenden Gleichungen 5 und 6 zeigen die Interferenzsignale, welche durch den APD1 und APD2 detektiert werden, welche in 1 des Aufsatzes "Novel method for carrier-envelope Phase stabilization of femtosecond laser pulses" für ein einfaches DL-Verfahren veröffentlicht sind, welches am 18. April 2005 im Journal von OPTICS Express veröffentlicht ist, um das einfache DL-Verfahren und das verbesserte DL-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu vergleichen. Gleichung 5
Gleichung 6
wobei G₁ und G₂ Verstärkungen der APD1 und APD2 darstellen, welche in 1 des obigen Aufsatzes jeweils veröffentlicht sind, und V₁ und V₂ die Intensität der Ausgangssignale der APD1 und APD2 darstellen, welche in 1 des obigen Aufsatzes veröffentlicht sind. Die Hochzeichen 'S' und 'P' stellen den Polarisationszustand dar. Das Φ_cep(t) stellt eine Veränderung der CEP entsprechend der Zeit dar. Speziell stellt V₂(t) die Rauschfaktoren dar, welche durch das Interferometer 530 erzeugt werden, welches die Instabilität eines Laserausgangssignals und eines CEP-Signals detektiert, und cos²(π/4) ist ein Faktor, welcher durch die Polarisationsachse des Polarisationsgliedes erzeugt wird, welches vor dem APD1 in 1 des Aufsatzes angeordnet ist.
Entsprechend den herkömmlichen CEP-Stabilisierungstechniken, welche in dem obigen US-Patent Nr. 6,724,788 und der US-Patentveröffentlichung Nr. 2004/0017833 veröffentlicht werden, welche auf dem herkömmlichen PLL-Verfahren beruhen, besitzt die CEP-Offset-Frequenz f_ceo einen festen Wert von f_rep/N, wobei f_cep die Wiederholrate ist. Die Tatsache, dass die CEP-Offset-Frequenz f_ceo einen festen Wert besitzt, bedeutet, dass die CEO Φ_cep (= 2π·f_ceo/f_rep) auch einen festen Wert besitzt. Die Tatsache, dass CEO Φ_cep einen festen Wert besitzt, bedeutet, dass Impulse, welche durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt werden, alle N Pulse wiederholt werden.
In dem DL-Verfahren bedeutet die linke Seite in Gleichung 5 das Interferenzsignal, und der erste Term auf der rechten Seite in Gleichung 5 bedeutet einen Rauschfaktor, und der zweite Term sinΦ_cep(t) auf der rechten Seite in Gleichung 5 bedeutet die reinen AC-Komponenten oder das CEP-Signal. In dem zweiten Term auf der rechten Seite in Gleichung 5 ist die sin-Funktion in einem Gebiet von –π/2 bis π/2 nichtlinear, sie kann jedoch als linear in einem engen Bereich angesehen werden, welcher benachbart zu null liegt, um ein lineares Fehlersignal für die Rückkopplung zu erzeugen.
Um das CEP-Signal, welches der reinen AC- bzw. Wechselstrom-Komponente von dem Interferenzsignal entspricht, zu extrahie ren, werden die DC-bzw. Gleichstrom-Komponenten jeweils durch Benutzen des APD2 in 1 des Aufsatzes gemessen.
Die Vorrichtung zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses entsprechend einem Beispiel der vorliegenden Erfindung entfernt den Rauschfaktor in dem V1-Signal des ersten Lichtdetektors 555 durch Benutzen des Differenzverstärkers 571 in 5, um das CEP-Signal von dem Interferenzsignal direkt zu extrahieren, ohne das elektrische Phasendetektierglied zu benutzen, welches in dem einfachen DL-Verfahren angewendet wird, welches in dem Aufsatz veröffentlicht ist.
Das CEP-Lock-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entfernt den Rauschfaktor, um das CEP-Signal durch Benutzen der Interferenzsignale V₂ und V₁ zu extrahieren. Dank des ersten Polarisationsgliedes 553, welches vor dem ersten Lichtdetektor 555 angeordnet ist, beträgt die Intensität des Signals V₂ die Hälfte der Intensität des Signals V₁, werden die Verstärkungsparameter G₁ und G₂ der ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 gesteuert, um die DC-Variation (V^S _f2n(t) + V^P _2fn(t)) zu entfernen. D.h., der Verstärkungsparameter G₁ sollte so justiert werden, dass die Intensität des Verstärkungsparameters G₁ zweimal größer ist als die Intensität des Verstärkungsparameters G₂. Jedoch kann der Verstärkungsparameter G₁ nicht exakt zweimal größer als die Intensität des Verstärkungsparameters G₂ gemacht werden, und die Ansprechkurven sind geringfügig unterschiedlich zueinander, da der Lichtdetektor, welcher den APD beinhaltet, in dem nichtlinearen Sättigungsbereich arbeitet. Diese Art von Ungewissheit kann einen geringfügigen Fehler in einem Rückkopplungsprozess beinhalten.
Außerdem kann das Rauschsignal nicht perfekt nur durch eine Verstärkungssteuerung zwischen dem APD1 und APD2 entfernt wer den, welche in 1 des Aufsatzes des herkömmlichen DL-Verfahrens veröffentlicht ist, da die Beziehung zwischen V_fn(t) und V_2fn(t) (∞|V_fn(t)|²) in einer Zeitdomäne nichtlinear ist, da sich V_2fn(t) auf den zweiten harmonischen Vorgang von V_fn(t) bezieht. Sogar durch die Tatsache, dass das Rauschen an einem Zeitpunkt entfernt zu sein scheint, wenn der Verstärkungsfaktor des APD1 und des APD2 justiert ist, kann das Rauschen erscheinen, das CEP-Signal zu sein, wenn entsprechend eine Zeit verstrichen ist. Das experimentelle Ergebnis in 9 zeigt die oben erwähnte Erklärung.
9 ist ein Graph, welcher ein Beispiel eines in der Phase gestörten Fehlersignals in einem herkömmlichen Direkt-Lock-Verfahren zeigt.
Wenn das Interferometer 430 und das Zeitverzögerungsglied 424 an falschen Positionen angeordnet sind, so dass die CEP nicht gemessen wird, werden nur die Rauschfaktoren in dem Interferenzsignal, welches mit den Rauschfaktoren und den CEP-Signalen gemischt ist, gemessen. Wenn die ersten und zweiten Detektoren 445 und 440 perfekt ausgeglichen sind, sollte das Interferenzsignal immer null sein, ungeachtet des Rauschsignals. Jedoch wird das gestörte Signal gezeigt, wie es in 9 aufgrund der oben beschriebenen Probleme gezeigt wird.
Deshalb wurde das HBD-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingeführt, um die Probleme zu lösen, welche durch die Störung des CEP-Signals induziert sind.
Die Vorrichtung zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher das verbesserte DL-Verfahren angewendet wird, teilt die 2f_n-Fre quenzkomponenten in erste und zweite Teile auf, welche den gleichen Betrag zueinander durch das zweite Polarisationssteuerglied 434 besitzen, und die ersten und zweiten Teile der 2f_n-Frequenzkomponenten sind an die ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 jeweils angelegt. Die Vorrichtung zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung teilt auch die f2n-Frequenzkomponenten in erste und zweite Teile auf, welche den gleichen Betrag zueinander besitzen, und die ersten und zweiten Teile der f2n-Frequenzkomponenten werden an die ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 jeweils angelegt. Die Phase des Interferenzsignals des zweiten Lichtdetektors 561 wird durch das Polarisationsphase-Schiebeglied 439 invertiert, welches vor dem zweiten Detektor eingefügt ist, so dass die Phase des CEP-Signals invertiert wird, während die Rauschfaktoren verbleiben. Schließlich entfernt die Vorrichtung zum Stabilisieren einer Träger-Einhüllenden-Phase eines Laserimpulses entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Rauschfaktoren des V₁-Signals des ersten Lichtdetektors 555, um das reine CEP-Signal sinΦ_cep(t) aus dem Interferenzsignal zu extrahieren.
10 ist ein Graph, welcher ein Fehlersignal von einem Interferenzsignal eines ersten Lichtdetektors und eines zweiten Lichtdetektors zeigt, welche ausgeglichen sind, indem ein verbessertes Direkt-Lock-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung benutzt wird. Das Fehlersignal stellt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 571 dar. Das reine Interferenzsignal besitzt eine sehr hohe Frequenz und wird demnach durch ein Bandpassfilter des APD gefiltert, so dass das reine Interferenzsignal nicht in 10 gezeigt wird.
Mit Bezug auf 10 werden die elektrischen Verstärkungen der Lichtdetektoren 555 und 561 so eingestellt, dass sie einander gleich sind, so dass die Phasenstörung, welche durch das Rauschen induziert ist, perfekt entfernt ist.
Außerdem ist die Intensität des CEP-Signals zweimal größer als die des herkömmlichen DL-Verfahrens, wie in Gleichung 4 gezeigt wird. Deshalb kann das Signal-Rausch-Verhältnis verstärkt werden, und die CEP-Stabilität kann in einem Lock-Zustand verstärkt werden.
Die Annahme des Obigen kann durch ein Experiment auf der Basis des HBD-Verfahrens entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bestätigt werden. Die CEP der Interferenzsignale, welche von den ersten und zweiten Lichtdetektoren 555 und 561 ausgegeben wurden, wurde gemessen, und die CEP-Offset-Frequenz f_ceo wurde durch manuelles Steuern, z.B. des Prismas 519, innerhalb des Resonators auf null eingestellt. Wenn die CEP-Offset-Frequenz f_ceo unterhalb des Betriebs- bzw. Arbeitsbereiches kommt (oder gleich zu oder geringer als ungefähr 100 kHz ist), beginnt ein direkt gelockter Umlauf zu starten.
11 ist ein Graph, welcher Kurzzeitveränderungen des Ausgangssignals eines Differenzverstärkers einer ersten Rückkopplungsschaltung vor und nach dem Aktivieren eines direkt gelockten Umlaufs zeigt, wenn die Zeit verstreicht, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Oszillationsstruktur in einem nicht gelockten Zustand verschwindet und wird in ein DC-Signal in einem gelockten Zustand verändert.
Nur eine Arbeitsweise des AOM durch den Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungsbetrieb des Hochgeschwindigkeitsservo 573 bezieht sich auf das CEP-Locken in einem Zeitbereich von weniger als einer Sekunde.
Im Vergleich zu dem CEP-Stabilisierungsverfahren, welches auf dem herkömmlichen PLL beruht, kann das verbesserte Direkt-Lock-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die CEP-Information an einem Ausgangsanschluss des Differenzverstärkers 571 über ein digitales Oszilloskop liefern. Im Falle der stabilisierten CEP kann die CEP-Veränderung durch Messen der rms-Spannung erfasst werden. Im Falle der Zeitentwicklung der reinen CEP kann die CEP-Veränderung durch Messen der Spitze-zu-Spitze-Spannung einfach erfasst werden.
Das CEP-Histogramm, welches auf der rechten Seite der 11 gezeigt wird, zeigt klar die Charakteristika der stabilisierten CEP. Der rms-Phasen-Jitter, welcher in 11 berechnet ist, beträgt ungefähr 29 mrad entsprechend zu 13 Attosekunden.
12 ist ein Graph, welcher die Kurve einer Leistungsspektrumsdichte und akkumuliertes Phasenrauschen zeigt, welche von einem Beat- bzw. Schwebungs-Signal in einem CEP-gelockten Zustand zeigt, welcher von dem Differenzverstärker der ersten Rückkopplungsschaltung ausgegeben wird.
Mit Bezug auf 12 beträgt das Phasenrauschen in einem Bereich von einigen Mikrosekunden bis zu einer Sekunde ungefähr 30 mrad. Dieses Ergebnis stimmt mit dem Ergebnis der 11 überein. In dem Aufsatz, welcher sich auf das herkömmliche DL-Verfahren bezieht, betrug das Phasenrauschen eines In-Loops bzw. In-Umlaufs 50 mrad. Im Vergleich zu dem herkömmlichen DL-Verfahren, entsprechend dem verbesserten DL-Verfahren der vorliegenden Erfindung, wird das Phasenrauschen des verbesserten DL-Verfahrens um zweimal so viel reduziert, was durch Gleichung 5 vorher beschrieben wurde. Das reduzierte Phasenrau schen zeigt, dass der Betrieb des direkten DL durch das Anwenden des HBD-Verfahrens erhöht werden kann.
In der vorliegenden Erfindung wird das Doppelrückkopplungsverfahren für das Stabilisieren der Langzeit-CEP eingeführt. Ein Pumpleistungs-Modulationsverfahren, welches nur den AOM benutzt, hat Nachteile bezüglich der Langzeitstabilität. Die Drift der CEP-Offset-Frequenz f_ceo, welche im Langzeitbetrieb erzeugt wird, kann in großem Maße die Ausgangsleistung eines Pumplasers verändern, so dass das Mode-Locken eines Laseroszillators ausgeschaltet werden kann, um gestoppt zu werden. Die CEP-Offset-Frequenz f_ceo ist in dem herkömmlichen DL-Verfahren auf null fixiert und ist bei dem herkömmlichen PLL-Verfahren so fixiert, dass sie f_ceo = f_rep/N ist, so dass die Probleme, welche durch die CEP-Offset-Frequenz f_ceo-Drift eingeführt werden, in dem herkömmlichen DL-Verfahren und dem herkömmlichen PLL-Verfahren auftreten. Wenn das Mode-Locken nicht existiert, besitzt die akkumulierte Impuls-zu-Impuls-CEP-Variation (Φ_cep = 2π·f_ceo/f_rep) einen Wert von einigen Radians, der Rückkopplungsprozess für das Locken der CEP kann das Mode-Locken aufgrund der exzessiven Veränderung der Pumpleistung stoppen.
Um die obigen Probleme zu lösen, wird entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Niedriggeschwindigkeitsservo 575, welcher den PZT treibt, um die Einfügetiefe des Prismas 519 zu steuern, benutzt, wie dies in 5 gezeigt wird.
Das Prisma 519 kann die Impuls-zu-Impuls-CEP-Variation Φ_cep steuern, ohne einen Einfluss auf die Ausgangsleistung eines Pumplasers hervorzurufen oder ohne einen Einfluss auf den Mode-Lock-Zustand auszuüben, wenn die Dispersionsvariation klein genug ist. Deshalb gestattet das Steuern der Einfügetiefe des Prismas als ein Rückkopplungsverfahren mit niedriger Geschwindigkeit das Driften der CEP in einem hochdynamischen Bereich und ist für einen Langzeitbetrieb geeignet.
Durch das Kombinieren des Hochgeschwindigkeitsservos 573 mit dem Niedriggeschwindigkeitsservo 575 kann der Langzeit-CEP-Stabilisierungsbetrieb erhöht werden. Um das Doppel-Rückkopplungsverfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung anzuwenden, können zwei integrierte Schaltungen, welche unterschiedliche Cut-off- bzw. Abschneidefrequenzen besitzen, nach der Subtraktionsschaltung 571 angeordnet werden. Beispielsweise beträgt die Cut-off-Frequenz des Hochgeschwindigkeitsservos 573 ungefähr 30 kHz, und die Cut-off-Frequenz des Niedriggeschwindigkeitsservos 575 beträgt ungefähr 0,3 kHz. Deshalb arbeitet die Rückkopplungsschleife mit geringer Geschwindigkeit nur in einem Langzeitbereich von mehr als einer Sekunde.
13 ist ein Graph, welcher ein Simulationsergebnis zeigt, wenn eine langsame Rückkopplungsschleife nicht in dem verbesserten Direkt-Lock-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet, und 14 ist ein Graph, welcher ein Simulationsergebnis zeigt, wenn die Schleife mit langsamer Rückkopplung in dem verbesserten Direct-Lock-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet.
Mit Bezug auf 13 wird das Locken der CEP nur durch den AOM aufrechterhalten, und die Drift mit langsamer Geschwindigkeit des AOM-Signals übersteigt einen steuerbaren Bereich, und dadurch ist das CEP-Locken nach ungefähr 4 Minuten unterbrochen. Wie in 13 gezeigt wird, wenn die Durchschnittsleistung, welche durch den AOM 503 geliefert wird, langsam verschoben ist, ist das Pumpstrahl-Pointing langsam aufgrund einer Änderung der Temperatur des AOM 503 verschoben, und die Pumpstrahl-Pointing-Verschiebung verursacht die Instabilität des Femtosekunden-Laseroszillators. Als Ergebnis kann das CEP-Locken nicht aufrechterhalten werden. Im Falle der 13 kann das CEP-Locken nicht für mehr als ungefähr vier Minuten aufrechterhalten werden.
Wenn jedoch die langsame Drift des Pumpstrahl-Pointing durch den PZT gesteuert wird, wird ein Langzeitbetrieb möglich, wie dies in 14 gezeigt wird.
Mit Bezug auf 14 ist die Durchschnitts-RF-Leistungsverschiebung, welche an dem AOM 503 angelegt ist, wesentlich kleiner als die der 13. Als Ergebnis kann der Laseroszillator ohne die Pumpstrahl-Pointing-Drift, welche durch die Temperaturänderung des AOM 503 induziert ist, stabil arbeiten. Eine reguläre langsame Modulation des Rückkopplungssignals mit niedriger Geschwindigkeit in einem Bereich von weniger als ungefähr dreißig Sekunden kann detektiert werden. Wenn ein Niedrigfrequenzrauschen sorgfältig geprüft wird, kann gezeigt werden, dass die Variation der Pumpleistung, welche durch die Variation einer Kühlelement-Kühlung des Pumplasers induziert wird, sehr klein für die obige Zeitperiode ist. Jedoch zeigt die Drift der Pumpleistung, dass das Doppel-Rückkopplungsschleife-Verfahren für einen stabilen Langzeitbetrieb erforderlich ist.
Der CEP-Lock-Betrieb wird durch die strenge Bedingung aufgrund der Doppel-Rückkopplungsschleife entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhöht.
15 ist ein Simulationsergebnis, wenn eine Doppel-Rückkopplungsschleife entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Mit Bezug auf 15, wenn der Kühler bzw. das Kühlelement so ersetzt wird, dass er eine kleinere Temperaturveränderung im Vergleich zu der Vorrichtung für das Stabilisieren der CEP besitzt, welche für die Simulation benutzt wird, und der AOM, welcher eine erhöhte thermische Leitfähigkeit für das Stabilisieren der CEP besitzt, gebildet wird, kann der Langzeit-(mehr als zwölf Stunden)CEP-Lock-Betrieb erhalten werden, wie er in 15 gezeigt ist. Die CEP-Stabilisierungszeit betrug ungefähr neun Stunden aufgrund des Nichtvorhandenseins des dynamischen Bereichs des PZT-Servo. Als Ergebnis wird die RF-Pumpleistungsdrift auf den AOM induziert, und die Durchschnitts-Laserleistung variiert, wie in 15 gezeigt wird. Als Ergebnis ist das CEP-Locken aufgrund der thermischen Probleme des AOM unterbrochen. Jedoch wurde das CEP-Locken für drei Stunden dank des erhöhten AOM aufrechterhalten. Das CEP-Locken kann aufrechterhalten werden, wenn die Rückkopplungsschleife mit niedriger Geschwindigkeit im Bereich des PZT-Servos liegt.
Das HBD-Verfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das CEP-Rauschen zweimal so hoch reduzieren, und das Doppel-Rückkopplungsverfahren entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann den CEP-Stabilisierungsbetrieb für Langzeit (mehr als ungefähr zwölf Stunden) aufrechterhalten.
Während beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben wurden, sollte davon ausgegangen werden, dass verschiedene Veränderungen, Substitutionen und Änderungen hier durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Vorrichtung zum Stabilisieren einer Carrier-Envelope Phase bzw. Träger-Einhüllenden-Phase (CEP) eines Laserimpulses, welcher durch einen Mode-gelockten gepulsten Laser basierend auf einem Direkt-Lock-Verfahren erzeugt wird, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Laseroszillator, welcher den Mode-gelockten gepulsten Laser beinhaltet, welcher den Laserimpuls erzeugt; ein Interferometer, welches Laserimpulse erzeugt, welche erste und zweite Frequenzkomponenten des Laserimpulses besitzen, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt werden, um erste und zweite Interferenzsignale zu erzeugen, welche im Wesentlichen einander in einer Zeitdomäne und in einer Raumdomäne entsprechen; einen Detektor, welcher die ersten und zweiten Interferenzsignale empfängt, um dritte und vierte Interferenzsignale durch Invertieren einer Phase des zweiten Interferenzsignals auszugeben; und eine Doppel-Rückkopplungsschaltung, welche den Laseroszillator steuert, so dass die Träger-Einhüllende-Phase (CEP) des Laserimpulses, welche durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, im Wesentlichen einen konstanten Wert bezüglich der Zeit besitzt, wobei ein Träger-Einhüllende-Phase-(CEP-)Signal benutzt wird, welches von den dritten und vierten Interferenzsignalen erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Interferometer aufweist: ein Zeitverzögerungsglied, welches die erste Frequenzkomponente um eine gegebene Zeit verzögert, um die erste Frequenzkomponente mit der zweiten Frequenzkomponente in der Zeitdomäne zu überlagern; und ein Frequenzverdopplungsglied, welches eine Frequenz der zweiten Frequenzkomponente verdoppelt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Interferometer ferner aufweist: ein erstes Polarisationssteuerglied, welches die erste Frequenzkomponente in einen S-Polarisationsanteil und einen P-Polarisationsanteil aufteilt, wobei der S-Polarisationsanteil und der P-Polarisationsanteil der ersten Frequenzkomponente jeweils den gleichen Betrag besitzen; ein zweites Polarisationssteuerglied, welches die zweite Frequenzkomponente in einen S-Polarisationsanteil und einen P-Polarisationsanteil aufteilt, wobei der S-Polarisationsanteil und der P-Polarisationsanteil der zweiten Frequenzkomponente jeweils den gleichen Betrag besitzen; und ein Strahlkombinierglied, welches die ersten und zweiten Frequenzkomponenten jeweils überlagert, welche durch die ersten und zweiten Polarisationssteuerglieder in der Raumdomäne aufgeteilt sind, um die ersten und zweiten Interferenzsignale zu erzeugen.
Gerät nach Anspruch 1, wobei der Detektor aufweist: einen ersten Detektor, welcher eine photoelektrische Wandlung an dem ersten Interferenzsignal durchführt; ein Polarisationsphasen-Verschiebeglied, welches eine Phase des zweiten Interferenzsignals invertiert; und einen zweiten Detektor, welcher die photoelektrische Wandlung an dem Ausgangssignal des Polarisationsphasen-Verschiebegliedes durchführt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die ersten und zweiten Detektoren jeweils dritte und vierte Polarisationssteuerglieder aufweisen, welche die Polarisationsachsen der ersten und zweiten Interferenzsignale so justieren, dass sie im Wesentlichen parallel zueinander sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Doppel-Rückkopplungsschaltung aufweist: eine erste Rückkopplungsschaltung, welche die Rauschfaktoren der dritten und vierten Interferenzsignale auslöscht und welche ein Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal erzeugt, um ein Ausgangssignal eines Laserimpulses zu steuern, welches von dem Mode-gelockten gepulsten Laser ausgegeben wird; und eine zweite Rückkopplungsschaltung, welche das Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal empfängt, um ein Rückkopplungssignal mit niedriger Geschwindigkeit zu erzeugen, um eine Einfügetiefe eines Prismas des Laseroszillators zu steuern.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Ausgangssignal des Laserimpulses, welches durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt wird, basierend auf dem Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssignal gesteuert wird, indem ein akustooptischer Modulator benutzt wird, und die Einfügetiefe des Prismas des Laseroszillators basierend auf dem Rückkopplungssignal mit langsamer Geschwindigkeit gesteuert wird, indem ein Piezoübersetzungssteuerglied benutzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine Träger-Einhüllende-Phase-(CEP-)Offset-Frequenz des Laserimpulses, welche durch den Laseroszillator erzeugt wird, durch Verändern eines Ausgangssignals des Laserimpulses verändert wird, welcher durch den Mode-gelockten gepulsten Laser erzeugt ist, basierend auf dem Rückkopplungssignal mit hoher Geschwindigkeit, und die Träger-Einhüllende-Phase-(CEP-)Offset-Frequenz des Laserimpulses, welche durch den Laseroszillator erzeugt ist, durch Erhöhen der Einfügetiefe des Prismas verändert wird, basierend auf dem Rückkopplungssignal mit niedriger Geschwindigkeit.
Gerät nach Anspruch 6, wobei die erste Rückkopplungsschaltung einen Differenzverstärker aufweist, welcher die Rauschfaktoren der dritten und vierten Interferenzsignale auslöscht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Träger-Einhüllende-Phase-(CEP-)Signal, welches von den dritten und vierten Interferenzsignalen erhalten wird, einem Ausgangssignal des Differenzverstärkers entspricht.