DE3643553A1

DE3643553A1 - Schaltung zum erzeugen bzw. wobbeln optischer frequenzen bzw. halbleiter-laser-wellenlaengen-stabilisator

Info

Publication number: DE3643553A1
Application number: DE19863643553
Authority: DE
Inventors: Hideto Iwaoka; Akira Ohte; Koji Akiyama
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1986-12-19
Publication date: 1987-06-25
Anticipated expiration: 2006-12-20
Also published as: DE3643553C2; GB2185619B; US4912526A; GB2185619A; US4893353A; GB8630374D0

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung zum Erzeugen bzw. Wobbeln optischer Frequenzen bzw. einen Halbleiter-Laser- Wellenlängen-Stabilisator, die/der kohärentes Licht emittiert, dessen Frequenz, Phase, Amplitude sowie Polarisation gesteuert sind.

Es gibt folgende bekannte Typen von Laser-Lichtquellen mit einer Wellenlängenkippfunktion:

(A)Bei einer Art Schaltung wird die Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge eines Halbleiter-Lasers ausgenutzt und die Wellenlänge durch Variation der Temperatur einer Laser-Diode verändert. Fig. 1 zeigt eine erläuternde Darstellung dieses Prinzips. Ein Ofen TB konstanter Temperatur wird von einer Temperatursteuereinrichtung TC gesteuert und damit die Ausgangswellenlänge einer Laser-Diode LD verändert. Der Änderungsbereich beträgt einige zig Nanometer.

(B)Bei einer anderen Anordnung wird ein Prisma in einem Resonator in eine rotierende Bewegung versetzt und die Oszillationswellenlänge über einen weiten Bereich der Verstärkung eines Farb-Lasers verändert. In Fig. 2 wird mit dem Bezugszeichen M ein Spiegel, mit CC eine Farbzelle (Couloring Cell), mit LS eine Linse, mit P ein Prisma und mit HM ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet. Der Änderungsbereich beträgt etwa 100 nm.

Die so aufgebauten abstimmbaren Laser-Lichtquellen haben jedoch den Nachteil, daß die Genauigkeit der Wellenlänge max. 1 nm (300 GHz) beträgt. Bei der zukünftigen Kommunikation mit kohärentem Licht und optischen Messungen mit Hilfe des Photoeffekts sind Frequenzmessungen mit einer Genauigkeit unterhalb des MHz-Bereichs nötig. Die o. g. Laser-Lichtquellen sind daher für mit kohärentem Licht arbeitende Messvorrichtungen nicht geeignet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Schaltung zum Erzeugen bzw. Wobbeln optischer Frequenzen zu schaffen, deren Ausgangssignal kohärentes Licht mit einer sehr genauen und sehr stabilen Frequenz und mit einem schmalen Spektralbereich ist. Dazu erzeugt eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle Licht mit einer stabilen Wellenlänge und ein optisch phasenstarrer Regelkreis, ein optischer PLL, Licht mit einer Wellenlänge, die mit der Ausgangswellenlänge in einem vorherbestimmbaren Zusammenhang steht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Darstellungen, die das Funktionsprinzip herkömmlicher abstimmbarer Laser-Lichtquellen erläutern;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines grundsätzlichen Aufbaus eines ersten Ausführungsbeispiels;

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Aufbaus eines zweiten Ausführungsbeispiels der Schaltung mit einer bestimmten Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 3;

Fig. 5 ein Diagramm mit charakteristischen Betriebskurven der Vorrichtung nach Fig. 4;

Fig. 6 eine erläuternde Darstellung der Funktionen der Vorrichtung gemäß Fig. 4;

Fig. 7 und 9-11 andere Ausführungsbeispiele der abstimmbaren Laser-Diode gemäß Fig. 4;

Fig. 8 eine Erläuterung der Funktionen der Vorrichtung gemäß Fig. 7;

Fig. 12 ein Blockdiagramm einer teilweise gegenüber der Vorrichtung gemäß Fig. 4 abgewandelten Vorrichtung;

Fig. 13 ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 14 ein Blockdiagramm eines grundsätzlichen Aufbaus von optische Frequenzen abgebenden Mehrfachlichtquellen eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 15 ein Diagramm mit der charakteristischen Kurve des Frequenzspektrums des von der Vorrichtung gemäß Fig. 14 abgegebenen Lichts;

Fig. 16 ein Blockdiagramm ein praktisches Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltung;

Fig. 17 ein die Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 16 darstellendes Diagramm;

Fig. 18 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils einer Abwandlung der Vorrichtung gemäß Fig. 16;

Fig. 19 ein Blockdiagramm eines optischen Spektralanalysators, der ein praktisches Beispiel einer eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 16 oder 18 darstellt;

Fig. 20 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung, die als Lichtquelle eines herkömmlichen optischen Spektralanalysators (eines Spektroskops) verwendet wird;

Fig. 21 ein Blockdiagramm eines optischen Netzanalysators, der ein drittes Ausführungsbeispiel der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge darstellt;

Fig. 22 eine Darstellung eines weiteren praktischen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung, bei der eine sehr genaue eine Markierungseinrichtung aufweisende Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge durch die Verwendung einer Absorptionszelle verwirklicht wird;

Fig. 23 ein Blockdiagramm einer eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle gemäß Fig. 22 zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, bei der die gesättigte Absorption angewandt wird;

Fig. 24 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils einer zweiten Abwandlung der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, bei der die gesättigte Absorption Verwendung findet;

Fig. 25 ein Blockdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Halbleiter-Lasers mit stabilisierter Frequenz als weiteres konkretes Ausführungsbeispiel der Referenzwellenlängen-Lichtquelle;

Fig. 26 die Infinitesimalstruktur der Energieniveaus eines Cs-Atoms;

Fig. 27 die von einem Cs-Atom verursachte optische Absorption;

Fig. 28 eine Ansicht zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 25;

Fig. 29 ein Diagramm mit einer zweiten charakteristischen Betriebskurve der Vorrichtung gemäß Fig. 25;

Fig. 30 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines zweiten realisierten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 31 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils des optischen Systems eines dritten realisierten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 32 ein Blockdiagramm eines vierten realisierten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 33 eine Darstellung des Ausgangssignals eines Lock-in-Verstärkers der Vorrichtung gemäß Fig. 32;

Fig. 34 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 35 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines sechsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 36 ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines siebten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 37 einen Schnitt durch den wesentlichen Teil eines achten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 38 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 37;

Fig. 39 ein Blockschaltbild eines neunten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei der die Absorption einer unterkritischen Wellenlänge verwendet wird;

Fig. 40 eine Ansicht zur Erläuterung der Funktion der Vorrichtung gemäß Fig. 39;

Fig. 41 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem die Vorrichtung gemäß Fig. 39 teilweise modifiziert wurde;

Fig. 42 ein Blockdiagramm eines elften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 43 eine Ansicht zur Verdeutlichung der Funktionen der Vorrichtung gemäß Fig. 42;

Fig. 44 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zwölften Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 45 ein Blockdiagramm eines dreizehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 46 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines vierzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 47 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 48 ein Blockdiagramm eines sechzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 49 und 50 zeigen ein Ausgangssignal des Lock- in-Verstärkers gemäß Fig. 48;

Fig. 51 ein Blockdiagramm eines siebzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 52 ein Blockdiagramm eines achtzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers;

Fig. 53 ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines neunzehnten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers;

Fig. 54-56 zeigen die Zeeman-Trennung der Energieniveaus der Cs-Atoms;

Fig. 57 ein Blockdiagramm eines zwangzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers, dessen Schaltung integriert ausgeführt ist;

Fig. 58 eine Tabelle, welche konkrete Verfahren zur Verwirklichung der entsprechenden Bauteile der Vorrichtung gemäß Fig. 57 zeigt;

Fig. 59 und 60 zeigen jeweils perspektivische Ansichten des wesentlichen Teils eines weiteren Ausführungsbeispiels der in Fig. 57 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 61-63 Schnitte durch die wesentlichen Teile der Vorrichtung;

Fig. 64 eine Ansicht des Aufbaus eines einundzwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter-Lasers, bei dem das Spektrum der Vorrichtung gemäß Fig. 57 noch enger gewählt wurde;

Fig. 65 und 66 Ansichten des wesentlichen Bereichs eines weiteren Ausführungsbeispiels der in Fig. 64 dargestellten Vorrichtung;

Fig. 67 ein Blockdiagramm eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels des frequenzstabilisierten Halbleiter- Lasers und

Fig. 68 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktion der in Fig. 67 dargestellten Vorrichtung.

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Schaltung zum Erzeugen bzw. Wobbeln optischer Frequenzen, eines optischen Frequenz-Generators/ Sweepers bzw. eines Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators. Mit dem Bezugszeichen 1 s wird eine Referenzwellenlängen- Lichtquelle mit stabilisierter Wellenlänge bezeichnet, mit 2 s ein optischer phasenverriegelter Regelkreis, ein optischer PLL, in den das Ausgangslicht der Referenzwellen-Lichtquelle 1 s eingegeben wird, mit 3 s ein Photo-Modulator, der das Ausgangslicht des optischen PLL 2 s moduliert, und mit 4 s ein Photo-Verstärker zur Verstärkung des Ausgangslichts des Photo-Modulators 3 s. Der optische PLL 2 s umfaßt folgende Elemente: einen optischen Interferenz-Detektor 21 s, der das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s als Eingangssignal an einer Seite empfängt, eine Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Lichtausgangssignals mittels des Ausgangssignals des Interferenz-Detektors 21 s gesteuert wird, eine optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s zur Verschiebung der Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge und schließlich eine optische Frequenz-Multiplikationseinrichtung bzw. Frequenz-Multiplier 24 s zur Vervielfachung der Frequenz des Ausgangslichts der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s und zur Weiterleitung des Ausgangslichts von der anderen Seite als Eingangssignal für den Interferenz- Detektor 21 s.

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden beschrieben. Wenn das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s in den optischen PLL 2 s eingegeben wird, so verriegelt dieser eine Wellenlänge des optischen Ausgangssignals mit einer der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 2 s entsprechenden Wellenlänge. Genauer gesagt vergleicht der Interferenz- Detektor 21 s das von der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s abgestrahlte Licht und das Licht von dem Frequenz- Multiplier 24 s und steuert die Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge so, daß die anhand des Vergleichs festgestellte Differenz vermindert wird. Die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s stellt eine Rückkopplungsschaltung dar, die dem Ausgangslichtsignal der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge eine verschobene Frequenz hinzuaddiert. Der optische Frequenz-Multiplier 24 s bestimmt das Verhältnis der Frequenz des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s zur Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht verschiedener Wellenlänge. Der Photo- Modulator 3 s moduliert das Ausgangslicht des optischen PLL 2 s. Der Photo-Verstärker 4 s leitet das Ausgangssignal des optischen Frequenz-Generators/Sweepers weiter, indem er das Ausgangslicht des Photo-Modulators 3 s verstärkt.

Fig. 4 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten Auführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schaltung, bei dem der Aufbau gemäß Fig. 3 näher bestimmt wird. Die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s weist folgende Elemente auf: eine Laser-Diode LD 1 s, ein Absorptionselement CL 1 s, das dem Licht ausgesetzt ist, welches von der Laser-Diode LD 1 s abgegeben wird und in dem Rb-Gas oder Cs-Gas eingeschlossen ist; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s, auf den das von dem Absorptionselement CL 1 s abgegebene Licht fällt, eine Photo-Diode PD 1 s, in die das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s reflektierte Licht eigegeben wird; eine Steuer-Schaltung A 1 s, in die das elektrische Ausgangssignal der Photo-Diode PD 1 s eingegeben wird und die einen elektrischen Strom der Laser-Diode LD 1 s durch ein Ausgangssignal steuert, welches dem elektrischen Ausgangssignal der Photo-Diode PD 1 s entspricht; einen Isolator IS 1 s zur Unterbindung von reflektiertem Licht, durch den durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s fallendes Licht hindurchtritt, und ein Photo-Verstärkungselement, in das durch den Isolator IS 1 s tretendes Licht eingegeben wird. Der optische PLL 2 s weist auf: einen halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s, auf den das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s fällt; eine Photo-Diode PD 2 s, die den optischen Interferenz-Detektor 21 s darstellt und eine pin-Photo-Diode sowie eine Lawinen-Photo- Diode aufweist, in die das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s durchtretende Licht einfällt; einen Oszillator ECs, der durch Eingabe einer durch einen Kristall erzeugten Referenzfrequenz ein elektrisches Signal mit vorgegebener Frequenz erzeugt, sowie eine Mischstufe MX 1 s, die mit dem elektrischen Ausgang sowie des Oszillators ECs als auch des optischen Interferenz- Detektors PD 2 s verbunden ist. In der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht verschiedener Wellenlänge, die mit dem Ausgang der Mischstufe MX 1 s verbunden ist, finden sich folgende Elemente: Eine optische Frequenz- Modulationsschaltung FCs, in die das Ausgangssignal der Michststufe MX 1 s eingegeben wird; einen Isolator IS 2 s, der aus YIG (Yttriumgadolinium-Aluminium-Eisengranat) zusammengesetzt ist, sowie einen optischen Schalter OS 1 s, auf den das durch mehrere (in Fig. 43) Isolatoren IS 2 s hindurchgetretene Licht trifft. Mit HM 3 s wird ein halbdurchlässiger Spiegel bezeichnet, auf den das Licht des optischen Schalters OS 1 s fällt; mit OA 2 s ein Photo-Verstärkungselement, in welches das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 3 s reflektierte Licht eingegeben wird; mit UM 1 s ein Ultraschall-Modulator, in den das Licht aus dem Photo-Verstärkungselement OA 2 s eingegeben wird, wobei der Ultraschall-Modulator UM 1 s die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s darstellt; NLs bezeichnet einen Lichtleiter aus nicht-linearem Material, in den das Ausgangslicht der optischen Frequenz- Verschiebeschaltung 23 s eingegeben wird, und der den optischen Frequenz-Multiplier 24 s darstellt. Schießlich wird ein Photo-Verstärkungselement zur Verstärkung des Ausgangslichts aus dem Lichtleiter NLs mit OA 3 s bezeichnet. In dem Photo-Modulator 3 s, in den das Ausgangslicht des optischen PLL 2 s eingegeben wird, finden sich folgende Elemente: ein Amplituden-Modulator AM 1 s sowie ein Phasen-Modulator PM 1 s jeweils mit einem elektro- optischen Kristall beispielsweise LiNbO₃; ein Polarisations- Modulator LM 1 s mit einem magneto-optischen Kristall beispielsweise YIG. Ein Photo-Verstärkungselement OA 4 s bildet den Photo-Verstärker 4 s und verstärkt das Ausgangslichtsignal des Photo-Modulators 3 s.

Die Funktion der Vorrichtung wird im folgenden genauer beschrieben:

Die Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s stimmt, wie unten genauer erläutert wird, die Oszillationswellenlänge der Laser-Diode auf die Absorptionslinien von Rb-Atomen (oder Cs-Atomen) ab, wobei eine hohe Genauigkeit und Stabilität, nämlich mehr als 10^-12 bei einer absoluten Wellenlänge erreicht werden. Wenn die Wellenlänge des von der Laser-Diode LD 1 s abgegebenen Lichts beim Durchtreten durch das Absorptionselement CL mit den Absorptionslinien von Rb-Gas (oder Cs-Gas) übereinstimmt, wird das Licht der Laser-Diode LD 1 s absorbiert. Auf diese Weise ergeben sich die Absorptionseigenschaften, die anhand des eine charakteristische Kurve wiedergebenden Diagramms gemäß Fig. 5 (A) gezeigt werden. In Fig. 6 werden die Energieniveaus von Rb-Gas dargestellt. Für die Absorptionslinien von Rb ergibt sich beispielsweise, daß ein D₂-Balken 780 nm und ein D₁-Balken 795 nm beträgt; werden diese multipliziert, ergeben sich Werte von 1560 nm bzw. 1590 nm. Diese Zahlenwerte fallen in den Bereich von 1500 nm, der als optische Faserkommunikationswellenlänge definiert und daher vorteilhaft ist. Dieser Wellenlängenbereich ist für Photo-Messungen verfügbar. Ein Teil des Lichtstroms des Absorptionselements CL 1 s wird von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s reflektiert und dann von einer als Photo-Detektor dienenden Photo-Diode PD 1 s erfaßt. Dann wird die Ausgangswellenlänge der Laser-Diode LD 1 s auf die Mitte der Absorption verriegelt, indem der elektrische Strom der Laser-Diode LD 1 s in der Steuer-Schaltung A 1 s entsprechend dem Ausgangssignal des Photo-Detektors PD 1 s gesteuert wird. Wenn beispielsweise die oben bebeschriebene Ausgangswellenlänge an einer Stelle a _s in Fig. 5 (A) verriegelt werden soll, so wird sie in der Steuer-Schaltung A 1 s mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers an der Stelle b _s in Fig. 5 (B) fixiert, an der die Differenzialkurve den Wert 0 annimmt, wobei in Fig. 5 (B) die Differenzialkurve der in Fig. 5 (A) dargestellten Wellenform ist. Dies wird als lineares Absorptionsverfahren bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird das Absorptionsspektrum wie in dem in Fig. 5 (A) dargestellten Fall breit, jedoch werden Absorptionsbalken bzw. -linien sehr kleiner Größe, die aufgrund einer Doppler-Verschiebung verdeckt sind, mit Hilfe der gesättigten Absorptions-Spektroskopie erfaßt (siehe T. Yabuzaki, A. Hori, M. Kitano und T. Ogawa: Frequency Stabilization of Diode Lasers Using Doppler- Free Atomic Spectra, Proc. Int. Conf. Laser′s 83). Wenn die Oszillationswellenlänge der Laser-Diode LD 1 s auf die so erfaßten Absorptionslinien verriegelt wird, ist die Stabilität noch höher. Die Laser-Diode LD 1 s ist mit Hilfe eines Konstant-Temperatur-Ofens stabilisiert. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 1 s tretende Licht fällt auf den Isolator IS 1 s. Der Isolator verhindert, daß von außen einfallendes Licht reflektiert wird und Störungen erzeugt. Das Ausgangslicht des Isolators IS 1 s wird mit Hilfe des Photo-Verstärkungselements UA 1 s verstärkt.

Der optische PLL 2 s kann, wie unten erläutert, eine Oszillationswellenlänge der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge mit einer bestimmten Verschiebung und einem bestimmten Verhältnis zur Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s verriegeln. Das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s durchdringt den halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s und fällt auf die Photo-Diode PD 2 s des optischen Interferenz-Detektors 21 s. Das von dem Frequenz-Multiplier 24 s zurückgeführte Licht wird an dem halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s reflektiert, nachdem es durch das dazwischengeschaltete Photo-Verstärkungselement OA 3 s getreten ist, und fällt dann auf die Photo-Diode PD 2 s. Unter Annahme, daß die optische Frequenz des Ausgangssignals der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s und die des rückgeführten Lichts ω s bzw. ω ₁ ist, wird die Frequenz l ₂ des Ausgangssignals des Interferenz-Detektors 21 s durch folgende Gleichung gegeben: ω ₂ = | ω s - l ₁|. Unter der Annahme, daß die Ausgangsfrequenz des Oszillators ECs ω ₃ ist, so wird die Ausgangsfrequenz ω ₄ der Mischstufe MX 1 s (Phasendetektorschaltung) durch die Gleichung ω ₄ = ω ₂ - ω ₃ ausgedrückt, wenn die verschobene Frequenz zur Ausgangsfrequenz ω ₂ des optischen Interferenz-Detektors 21 s addiert wird. Das elektrische Ausgangssignal ω ₄ der Mischstufe MX 1 s wird einer optischen Frequenz-Modulationsschaltung FCs der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eingegeben. Die optische Frequenz-Modulationsschaltung FCs steuert die optischen Frequenzen der abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s, so daß sich die Gleichung ω ₄ = 0 ergibt. Da der Resonator so aufgebaut ist, daß die maximale Reflexion an einem in ein Laserdioden- Chip eingebrachtes Beugungsgitter erfolgt, und die Oszillationsfrequenz durch den Gitterabstand des Beugungsgitters bestimmt wird, kann im Zusammenhang mit den abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s ein DSB (Distributed Feedback) -Laser und ein ADFB (Acoustic DFB) -Laser verwendet werden, der als eine Art von DBR (Distributed Bragg Reflector) bezeichnet wird. (Yamanishi M, et al.: GaAs Acoustic Distributed Feedback Lasers. Jpn. J. Appl. Phys. , Suppl. 18-1, P. 335, 1979). Diese Laser haben eine vergleichsweise stabile Wellenlänge. Der ADFB-Laser erzeugt eine akustische Oberflächenwelle (im folgenden SAW), die senkrecht auf dem innerhalb des DBR-Lasers vorgesehenen Beugungsgitter steht und bildet einen optischen Ringresonator, der auf Bragg-Beugung beruht; dazu sind das in das Chip integrierte Beugungsgitter und die akustische Oberflächenwelle (SAW) notwendig. Wenn die Wellenlänge der SAW verändert bzw. gewobbelt wird, ändert sich die Resonanzwellenlänge des Ringresonators; dadurch ist es möglich, die Oszillationswellenlänge zu verändern. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt die Oszillationswellenlänge im Bereich von 1560 nm. Der DFB-Laser und der DBR-Laser sowie der ADFB-Laser, jeweils einen länglichen Resonator umfassend, haben den Vorteil, daß das Oszillationsspektrum schmal und sehr rein ist. Wenn der Bereich variabler Wellenlänge eines einzigen ADFB-Lasers nicht ausreicht, können gemäß Fig. 4 mehrere ADFB-Laser (VL 1 s bis VL 3 s) verwendet werden, wobei eine Umschaltfunktion mit Hilfe eines optischen Schalters oder eines Lichtwellen-Synthesizers möglich ist. Die Ausgangslichtströme der abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s werden über den reflektiertes Licht verhindernden Isolator IS 2 s in den optischen Schalter OS 1 s geleitet, wobei Licht mit einem gewünschten variablen Wellenlängenbereich ausgewählt wird. Der Ausgangslichtstrom des optischen Schalters OS 1 s wird zum Teil an dem halbdurchlässigen Spiegel HM 3 s reflektiert und dann dem Photo- Verstärkungselement OA 2 s eingegeben.

Das aus dem Photo-Verstärkungselement OA 2 s austretende Licht wird der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s eingegeben und fällt auf den Ultraschall-Modulator UM 1 s, wodurch Bragg′sches s-dimensional gebeugtes Licht abgegeben wird. Wenn die Frequenz des Ultraschalls, der von einer Referenzfrequenzquelle, beispielsweise einem Kristalloszillator, abgegeben wird, ω ₅ ist, verschiebt sich die optische Frequenz des gebeugten Lichts um s l ₅.

Das Ausgangssignal der optischen Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s fällt auf den optischen Frequenz-Multiplier 24 s und eine sekundäre Oberwelle höheren Grades des einfallenden Lichtes wird an den Lichtleiter NLs abgegeben. D. h. das Ausgangssignal einer abstimmbaren Laserdiode von 1560 nm wird über den dazwischengeschalteten Photo-Verstärker eingegeben und dadurch eine sekundäre Oberwelle höheren Grades mit 780 nm abgegeben. Zur Wellenleitung wird ein Plattenleiter mit 4 Schichten aus Luft, TiO₂, ZnS und Glas verwendet, bei dem ein nichtlinearer dünner Film aus ZnS und ein linearer dünner Film aus TiO₂ verwendet werden, um nichtlineare Effekte mit hoher Wirksamkeit zu erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die sekundäre harmonische Welle höherer Ordnung verwendet, es können jedoch auch diskrete harmonische Wellen höherer n-ter Dimension verwendet werden.

Das Ausgangslicht des optischen Frequenz-Multipliers 24 s wird durch das Photo-Verstärkungselement OA 3 s verstärkt. Wie oben gesagt, wird das Licht des Frequenz- Multipliers 24 s als Rückkoppelungssignal bzw. -licht am halbdurchlässigen Spiegel HM 2 s mit dem von der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s ausgehenden Ausgangslicht zusammengebracht.

Aufgrund der oben beschriebenen Funktionen wird die optische Frequenz ω ₀ des Ausgangslichts des optischen PLL 2 s durch folgende Gleichung ausgedrückt:

ω ₀ = (ω s ± ω ₃)/n ± s ω ₅

(Die Symbole sind allerdings anders angeordnet als oben). Bei diesem Ausführungsbeispiel hat der optische Frequenzvervielfachungsfaktor n den Wert 2. D. h., ω ₀ ist bei einem vorgegebenen Wert von n mit der optischen Frequenz l s verriegelt, die bei der absoluten Wellenlänge eine hohe Genauigkeit und hohe Stabilität annimmt und eine Versetzung um eine willkürliche Frequenz ω ₃/n oder ω ₅ annimmt. Wenn ω ₃ oder ω ₅ verändert bzw. gewobbelt werden, kann die optische Frequenz sehr genau verändert oder gewobbelt werden. Da ω ₃ und ω ₅ elektrische Signale sind, lassen sich die hohe Genauigkeit und die hohe Stabilität leicht erreichen.

Das Ausgangslichtsignal des optischen PLL 2 s wird dem Photo-Modulator 3 s eingegeben und dessen Amplitude mit Hilfe des Amplituden-Modulators AM 1 s moduliert. Überdies wird dessen Phase durch einen Phasen-Modulator PM 1 s moduliert und dann dessen Polarisationsrichtung mit Hilfe eines Polarisations-Modulators LM 1 s variiert. Das Ausgangslichtsignal des Photo-Modulators 3 s wird mit Hilfe eines Photo-Verstärkungselements OA 4 s eines Photo-Verstärkers 4 s verstärkt und ist damit das Ausgangssignal des Synthesizers, also der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel umfassen die Photo-Verstärkungselemente OA 1 s bis OA 4 s GaAlAs-Laser (780 nm-Bereich) und einem InGaAsP-Laser (1500 nm-Bereich). Folgende drei Arten sind verwendbar:

(A) Der erste ist ein sogenannter Fabry-Pèrot-Hohlraum- Verstärker, in dem man einen elektrischen Vorspannungsstrom nahe der Oszillationsschwelle fließen und ein Signallicht auf die Laserdiode fallen läßt, wodurch lineare Photoverstärkung durch induktive Freisetzung erfolgt.

(B) Der zweite ist ein sogenannter Injektionsverstärker (injection locking amplifier), bei dem das Signallicht auf die Laserdiode fällt, die weiter oszilliert, und bei dem sowohl die optische Frequenz als auch die Phase des oszillierenden Lichts gesteuert werden.

(C) Der dritte ist ein sogenannter Wanderwellen-Verstärker, bei dem beide Endflächen des Laserdiodenchips nicht reflektierend beschichtet sind und die Photo-Verstärkung lediglich durch die Übertragung des Signallichts erfolgt.

Bei dem oben genannten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der optischen Frequenzverschiebeschaltung 23 s und des Frequenz-Multipliers 24 s gegeneinander vertauscht. Die Frequenz ω ₀ des Lichtausgangssignals des optischen PLL 2 s kann durch folgende Gleichung angegeben werden:

ω ₀ = (ω s ± ω ₃ ± s ω ₅)/ n.

Bei dem optischen PLL 2 s sind sowohl die Mischstufe MX 1 s als auch die optische Frequenz-Verschiebeschaltung 23 s zur Addition der verschobenen Frequenzen ausgelegt und jeder von ihnen kann weggelassen werden.

Wenn darüber hinaus in dem optischen PLL 2 s der Vervielfachungsfaktor n den Wert 1 annimmt, kann der optische Frequenz-Multiplier 24 s weggelassen werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Absorptionslinien von Rb oder Cs in der Referenzwellenlängen- Lichtquelle verwendet. Die Absorptionslinien sind nicht auf Cs oder Rb beschränkt, sondern können auch NH₃ oder H₂O umfassen. Die wählbaren Absorptionslinien (1500 nm-Bereich) von NH₃ oder H₂O sind bei der absoluten Wellenlänge sehr genau und stabil. In diesem Fall ist der optische Frequenz-Multiplier 24 s nicht notwendig. Die Wellenlänge kann dann durch die Verwendung eines bekannten Fabry-Pèrot Resonators als Wellenlängendetektor stabilisiert werden. Jedoch weist das Verfahren, bei dem die oben genannten Absorptionslinien, deren Quanten standardisiert sind, bessere Eigenschaften auf.

Die Wahl der abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s ist nicht auf die im oben beschriebenen Ausführungsbeispiel gewählten ADFB-Laser beschränkt, vielmehr können auch solche verwendet werden, bei denen ein externer Resonator mit einem Beugungsgitter außen auf das Laserdiodenchip angefügt ist, wobei das Beugungsgitter rotiert und eine variable Wellenlänge erhalten wird, indem die Wellenlängenselektivität optimal ausgenutzt wird. Das enge Spektrum ist besonders charakteristisch für Laserdioden mit externem Resonator.

Darüber hinaus können bei den abstimmbaren Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s gemäß Fig. 7 wellenlängenselektive Teile in den Resonator eingebracht werden. Fig. 7 zeigt einen Halbleiterlaser LD 2 s, mit einer nicht reflektierenden Schicht beschichtete Elemente 51 s, 52 s an beiden Enden des Halbleiterlasers LD 2 s, eine Linse LS 1 s, die die aus dem nicht reflektierenden Element 51 s tretenden Lichtstrahlen parallel ausrichtet, einen Spiegel M 1 s, auf den das durch die Linse LS 1 s tretende Licht trifft und reflektiert wird, eine Linse LS 2 s, die so angeordnet ist, daß sie die Lichtstrahlen, die aus dem nicht reflektierenden Element 52 s austreten, parallel ausrichtet, einen ersten akusto-optischen Modulator UM 2 s, auf den das durch die Linse LS 2 s durchtretende Licht fällt, einen zweiten akusto-optischen Modulator UM 3 s, auf den das aus dem ersten opto-akustischen Modulator UM 2 s tretende Licht fällt, einen Spiegel M 2 s auf den das Licht fällt und reflektiert wird, welches aus dem zweiten akusto-optischen Modulator bzw. Ultraschall-Modulator UM 3 s tritt, einen Oszillator DR 1 s zur Anregung der akusto-optischen Modulatoren bzw. Ultraschall-Modulatoren UM 2 s und UM 3 s mit der Frequenz F. In Fig. 8 wird die Funktion der Ultraschall- Modulatoren UM 2 s, UM 3 s gemäß Fig. 7, nämlich die Wellenlängenselektion und die Frequenzänderung beschrieben. Die aus dem nicht reflektierenden Element 51 s der Halbleiterdiode LD 2 s tretenden Lichtstrahlen passieren die Linse LS 1 s, wo sie parallel ausgerichtet werden, und werden dann von dem Spiegel M 1 s reflektiert. Das von dem Spiegel M 1 s reflektierte Licht folgt demselben Lichtweg und fällt wieder auf den Halbleiterlaser LD 2 s. Lichtstrahlen der Frequenz fo ₁, die aus dem nicht reflektierenden Element 52 s treten, werden beim Durchtritt durch die Linse LS 2 s parallel ausgerichtet und treffen auf den ersten Ultraschall-Modulator UM 2 s. Unter solchen Umständen gilt unter Berücksichtigung der Beugebedingungen die folgende Gleichung (1), wobei R i ₁ der Einfallswinkel gegenüber einem Beugungsgitter 63 s ist, welches durch Ultraschall 61 s erzeugt wird, und der Ausfallswinkel R o ₁ nach der Beugung eingeschlossen wird und λ o die Wellenlänge des Lichts und Λ o die Wellenlänge des Ultraschalls ist.

sin R i ₁ + sin R o ₁ = λ o/ Λ o (1)

Die Wellenlänge λ o von Licht, das sich auf einem Lichtpfad mit einem Einfallswinkel von R i ₁ und einem Ausfallswinkel von R o ₁ bewegt, wird proportional zur Wellenlänge Λ o einer Ultraschallquelle verändert. Das austretende Licht wird einer von dem Ultraschall hervorgerufenen Doppler-Verschiebung unterworfen. In diesem Fall handelt es sich um +1-dimensionales Beugungslicht, bei dem eine Richtung der Ultraschallstrahlung mit der Beugungsrichtung übereinstimmt; die Frequenz ergibt sich daher fo ₁ + F. Das aus dem ersten Ultraschall-Modulator UM 2 s tretende Licht wird wiederum in dem zweiten Ultraschall-Modulator UM 3 s gebeugt. Wie oben ergibt sich eine Gleichung (2) für einen Einfallswinkel R i ₂ gegenüber einem Beugungsgitter 64 s, welches mit Hilfe von Ultraschall 62 s erzeugt wird, und für einen Ausfallswinkel R o ₂, der sich nach der Beugung einstellt, sowie für die Lichtwellenlänge g und die Ultraschallwellenlänge Λ o:

sin R i ₂ + sin R o ₂ = λ o/ Λ o (2)

In der Gleichung (2) ist die Änderung der Wellenlänge λ o auf Grund der Doppler-Verschiebung des Ultraschall- Modulators UM 2 so klein, daß sie vernachlässigt werden kann. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel mit dem Ultraschall-Modulator UM 2 s ist das Verhältnis zwischen der sich fortbewegenden Welle 62 s der Ultraschallquelle und dem gebeugten Licht umgekehrt, d. h. es liegt -1-dimensionales Beugungslicht vor und die Doppler-Verschiebung beträgt -F, wodurch die Frequenz des aus dem Ultraschall-Modulator UM 3 s tretenden Lichts sich ergibt zu fo ₁ + F - F = fo ₁. Das aus dem zweiten Ultraschall-Modulator UM 3 s tretende Licht wird an dem Spiegel M 2 s reflektiert, läuft zurück über den vorher eingeschlagenen Lichtpfad und trifft dann wieder auf den Halbleiterlaser LD 2 s. Auf dem Rückweg wird die Frequenz des aus dem Ultraschall-Modulator UM 3 s tretenden Lichts zu fo ₁ - F auf Grund der Doppler-Verschiebung, während sich die Frequenz des aus dem Ultraschall- Modulator UM 2 s tretenden Lichts zu fo ₁ - F + F = fo ₁ ergibt. Bei der Rückkehr zu dem Halbleiterlaser LD 2 s wird also die Originalfrequenz fo ₁ erreicht, wodurch der Resonanzzustand aufrecht erhalten wird. Um die Beugewirksamkeit zu erhöhen wird die Bragg′sche Einfallsbedingung erfüllt, und wenn die Wellenlänge der Ultraschallstrahlung Λ o ist, ergibt sich folgende Gleichung für den Einfallswinkel R i ₁, den Ausfallswinkel R o ₁, den Einfallswinkel R i ₂ und den Ausfallswinkel R o ₂:

R i ₁ = R o ₁ = R i ₂ = R o ₂.

Wenn die Wellenlänge Λ o des Ultraschalls in einer solchen Einrichtung verändert wird, verändert sich auch die Wellenlänge λ o des Lichts, welches unter den Winkeln R i ₁, R o ₁, R i ₂ und R o ₂ verläuft, verändert bzw. gewobbelt, wobei folgende Gleichung gilt:

sin R i ₁ + sin R o ₁ = (λ o + Δ λ)/(Λ o + Δ Λ)

Als abstimmbare Laserdioden VL 1 s bis VL 3 s können auch solche Dioden verwendet werden, die gemäß Fig. 9 ein Element in ihrem Resonator aufweisen, welches in der Lage ist, den Brechungsindex zu steuern. Gleiche Elemente sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen und werden im folgenden nicht weiter erläutert. Mit EO 1 s wird ein elektro-optisches Element aus LiNbO₃ (niobsaures Lithium) oder ähnlichem, welches zwei Oberflächen aufweist, die nicht reflektierend beschichtet sind, und welches mit dem Ausgangslicht der Linse LS 2 s beaufschlagt wird. Mit 71 s wird eine Spannungsquelle zur Steuerung des elektro-optischen Elements EO 1 s bezeichnet. Nachdem die von dem Halbleiterlaser LD 2 s austretenden Lichtstrahlen durch die Linse LS 2 s hindurchgetreten sind und parallel ausgerichtet wurden, treten sie durch das elektro-optische Element EO 1 s und werden an dem Spiegel M 2 s reflektiert. Danach läuft das Licht auf dem Lichtpfad zurück und trifft wieder auf den Halbleiterlaser LD 2 s. Auf diese Weise wird ein Resonator zwischen den Spiegeln M 1 s und M 2 s erhalten. Unter der Voraussetzung, daß der Abstand zwischen den Spiegeln M 1 s und M 2 s ohne Berücksichtigung der Länge l des Lichtpfads im elektro-optischen Element EO 1 s den Wert L annimmt, und der Brechungsindex des elektro-optischen Elements EO 1 s n ist, die Lichtgeschwindigkeit c und eine ganzzahlige Zahl den Wert p annimmt, läßt sich die Oszillationsfrequenz fo ₂ durch folgende Gleichung angeben:

fo ₂ = p · c/2 (L + n) (V) l) (3)

D. h., die Intensität eines elektrischen Feldes des elektro-optischen Elements EO 1 s wird durch das Ausgangssignal der Spannungsquelle 71 s variiert, wodurch der Brechungsindex n verändert werden kann. Dadurch kann auch die Oszillationsfrequenz fo ₂ verändert bzw. gewobbelt werden.

Fig. 10 zeigt ein Blockdiagramm eines Aufbaus, bei dem die abstimmbare Laserdiode gem. Fig. 9 als Doppelresonator angeordnet ist. In Fig. 9 und 10 übereinstimmmende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen; auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit BS 1 s wird ein Strahlteiler bezeichnet, der das aus der Linse LS 2 s tretende Licht in zwei Richtungen aufspaltet. Das durch den Strahlteiler BS 1 s tretende Licht fällt auf ein elektro-optisches Element EO 2 s. Das durch das elektro-optische Element EO 2 s tretende Licht fällt auf einen Spiegel M 2 s. Mit EO 3 s wird ein elektro-optisches Element beschrieben, auf welches von dem Strahlungsteiler BS 1 s reflektiertes Licht fällt. Licht, das durch das elektro-optische Element EO 3 s tritt, wird von einem Spiegel M 3 s reflektiert. Unter der Annahme, daß die Länge der elektro-optischen Element EO 2 s und EO 3 s entlang des Lichtpfads l ₁ und l ₂ ist, daß deren Brechungsindexes n ₁ bzw. n ₂ und daß der Abstand zwischen den Spiegeln ohne Berücksichtigung der Länge l ₁ den Wert L ₁ und daß der Abstand gemessen entlang dem Lichtweg zwischen den Spiegeln M 1 s und M 3 s ohne Berücksichtigung der Länge l ₂ den Wert L ₂ ist und unter der Einsetzung einer ganzzahligen Zahl q, wird die Oszillationsfrequenz fo ₃ durch folgende Gleichung ausgedrückt:

fo ₃ = q · c/2|(L ₁ + n ₁ (V ₁) l ₁) - (L ₂ + n ₂ (V ₂) l ₂) | (4)

Dadurch daß der Nenner der Gleichung (4) kleiner gemacht werden kann als der in der Gleichung (3) ist es möglich, den Änderungsbereich der Oszillationsfrequenz größer als bei der Vorrichtung gemäß Fig. 9 zu wählen.

Fig. 11 zeigt ein Blockdiagramm eines Aufbaus, bei dem die abstimmbare Laser-Diode gemäß Fig. 9 in einem Chip angeordnet, also in integrierter Bauweise ausgeführt ist. In Fig. 11 ist eine Laser-Diode 91 s aus GaAlAs, InGaAsP oder ähnlichem, ein Photo-Verstärkungselement 92 s, das bei dem verbundenen Bereich der Laser- Diode 91 s vorgesehen ist, sowie ein externer Wellenleitungspfad- Resonator 93 s dargestellt. Mit 94 s und 95 s sind an beiden Enden der Laser-Diode 91 s angeordnete Spiegel bezeichnet; mit 96 s eine auf der Oberfläche der Laser-Diode 91 s vorgesehene Elektrode, die dem Photo-Verstärkungselement 92 s zugeordnet ist und mit 97 s eine auf der Oberfläche der Laser-Diode 91 s angeordnete Elektrode, die dem Wellenleitungspfad-Resonator 93 s zugeordnet ist. Der verbundene Bereich der Laser- Diode wird über die Elektrode 96 s mit einem elektrischen Strom I _LD versorgt, um Laser-Strahlen in dem Photo-Verstärkungselement 92 s zu erzeugen. Ein in den Wellenleitungspfad-Resonator 93 s fließender Strom I _F wird über die Elektrode 97 s erzeugt, wodurch die Oszillationsfrequenz verändert bzw. gewobbelt wird, indem der Brechungsindex des Resonators 93 s variiert wird. Unter der Annahme, daß l ₃ bzw. l ₄ die entlang des verbundenen Bereichs des Wellenleitungspfad-Resonators 93 s gemessene Länge, die entsprechenden Brechungsindizes n ₃ und n ₄ und eine ganze Zahl r ist, ergibt sich die Oszillatorfrequenz fo ₄ aus folgender Gleichung:

fo ₄ = r · c/2 (n ₃ l ₃ + n ₄(I _F)l ₄)-(5)

Es können auch eine W-Ni-(Wolfram-Nickel)-Punktkontaktdiode sowie ein Josephson-Element für den optischen Interferenz-Detektor 21 s verwendet werden. Die Bauteile weisen Funktionen auf, mit denen eine Multiplikation und eine Mischung ausgeführt werden können, so daß gleichzeitig ω s, ω ₁ und ω ₃ eingegeben werden können und die in Fig. 4 dargestellte Mischstufe MX 1 s weggelassen werden kann. In diesem Fall ergibt sich folgende Beziehung zwischen den Ausgangssignalen dieser Elemente und den Eingangssignalen einer optischen Frequenz-Modulationsschaltung FCs: ω ₄ = ω s - ω ₁ ± m ω ₃, wobei m ein Multiplikationsfaktor ist. Es kann sich auch folgende Gleichung ergeben: ω ₄ = ω s - 2 ω ₁ ± m l ₃. In diesem Fall ist die Frequenz-Multipliziereinrichtung bzw. der Frequenz- Multiplier 24 s nicht notwendig.

Fig. 12 zeigt ein Blockdiagramm des Aufbaus eines anderen Ausführungsbeispiels des optischen Interferenz- Detektors 21 s. In dieser Figur ist mit OCs ein lokaler Oszillator mit einer optischen Ausgangsfrequenz von l _L bezeichnet, der eine zweite Wellenlängenstabilisierungs- Lichtquelle verwendet; mit OXs wird eine optische Frequenz-Mischstufe bezeichnet, der die Ausgangslichtsignale des lokalen Oszillators OCs und des o. g. optischen Frequenz-Multipliers 24 s über ein Photo-Verstärkungselement OA 3 s eingegeben werden, wobei der Mixer einen nicht-linearen optischen Kristall verwendet. Mit ODs wird ein Photo-Detektor bezeichnet, der eine pin- Photo-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweist und in den das optische Ausgangssignal der optischen Frequenz-Mischstufe OXs und das Ausgangssignal der o. g. Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s zur Abgabe an die Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge 22 s eingegeben werden. Bei diesem Aufbau ergibt sich die optische Ausgangsfrequenz ω ₆ der optischen Frequenz-Mischstufe aufgrund von nicht-linearen optischen Effekten aus folgender Gleichung: l ₅ = ω ₁ + ω _L. Bei dem Aufbau gemäß Fig. 4 ergibt sich lediglich ω ₁, die sich mit Hilfe des Frequenz-Multipliers ohne Berücksichtigung der versetzten Frequenz aus folgender Gleichung ergibt: ω s = ω ₁ = n ω o. Mit dem in Fig. 12 gezeigten Aufbau ist es jedoch möglich, Licht mit vielen Wellenlängen zu erhalten. Die Gleichung λ ₁ = 9230 nm ergibt sich, wenn die Wellenlänge λ s von ω s so gewählt wird, daß sich der Wert 780 nm durch die Verwendung der Absorptionslinien von Rb ergibt, und wenn die Wellenlänge λ _L von l _L so gewählt wird, daß sich durch die Verwendung der Absorptionslinien von Cs ein Wert von 852 nm ergibt. Dies ist auf die zwischen den Wellenlängen λ s, g ₁, λ _L von ω s, ω ₁, ω _L bestehende Beziehung 1/λ s = 1/λ ₁ + 1/λ _L zurückzuführen und darauf, daß bei einem Abgleich des Rückkopplungskreises die Gleichung l s = ω ₆ gilt.

Fig. 13 zeigt ein Blockdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die in Fig. 3 dargestellte Schaltung speziell ausgestaltet wird, nämlich eine Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen, die gleichzeitig zwei optische Frequenzen abgeben kann. Als Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s wird eine zwei Wellenlängen stabilisierende Laser-Diode verwendet, die auf dem Prinzip der gesättigten Absorption beruht (s. obige Beschreibung). Fig. 13 zeigt Laser-Dioden LD 11 s und LD 12 s, die LaserAusgangssignale verschiedener Wellenlängen abgeben; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 4 s, der die Ausgangssignale der Laser-Dioden LD 11 s und LD 12 s zusammenfließen läßt bzw. zur Deckung bringt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s, der das vom halbdurchlässigen Spiegel HM 4 s ausgehende Signal in zwei Richtungen aufspaltet; ein Absorptionselement CL 1 s ähnlich dem in Fig. 4, auf das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s tretendes Licht fällt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s, auf den das aus dem Absorptionselement CL 1 s tretende Licht fällt; einen rückgestreutes Licht verhindernden Isolator IS 1 s, durch den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 6 s tritt; einen Spiegel M 4 s, auf den das vom halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s reflektierte Licht fällt; einen halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s, auf den das von dem Spiegel M 4 s reflektierte Licht fällt; ein Diaphragma LS 3 s, auf den das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s tretende Licht fällt; einen Spiegel M 5 s, auf den das Ausgangslicht des Diaphragmas LS 3 s fällt; einen Photo-Detektor PD 11 s, auf den das Ausgangslicht des Spiegels M 5 s fällt, nachdem es über den halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s, das Absorptionselement CL 1 s und den halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s gelaufen ist; einen Photo-Detektor PD 1 s, auf den vom halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s reflektiertes Licht nach Durchtritt durch das Absorptionselement CL 1 s trifft; einen Differenzialverstärker A 2 s zur Berechnung einer Differenz zwischen einem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors PD 11 s und einem elektrischen Ausgangssignal des Photo-Detektors PD 12 s; Lock-in-Verstärker LA 1 s und LA 2 s mit Laser-Dioden-Treiberschaltungen, in die die Ausgangssignale des Differenzialverstärkers A 2 s zur Abgabe eines Ausgangssignals an die Laser-Dioden LD 11 s und LD 12 s eingegeben werden; schließlich einen Isolator IS 1 s, der rückkehrendes Licht unterbindet und durch den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 6 s tritt.

Der optische PLL 2 s weicht in einigen Punkten von der in Fig. 4 gezeigten Darstellung ab. Mit MX 11 s und MX 12 s werden Mischstufen bezeichnet, in die ein elektrisches Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 21 s sowie FM-Modulationsfrequenzen Ω _A, Ω _B eingegeben werden. Die Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge 22 s weist folgende Elemente auf: optische Frequenz-Modulationsschaltungen FC 1 s und FC 2 s, in die die Ausgangssignale der Mischstufen MX 11 s und MX 12 s eingegeben werden; abstimmbare Laser-Dioden VL 4 s, VL 5 s, deren Oszillationsfrequenzen durch die Ausgangssignale der optischen Frequenz-Modulationsschaltungen FC 1 s und FC 2 s gesteuert werden; rückkehrendes Licht verhindernde Isolatoren IS 21 s und IS 22 s, durch welche das Ausgangslicht der abstimmbaren Laser-Dioden VL 4 s und VL 5 s treten sowie einen Lichtwellen-Synthesizer OS 2 s, in den das Ausgangslicht der Isolatoren IS 21 s und IS 22 s eingegeben und verschmolzen wird. Andere Elemente stimmen mit den in Fig. 4 dargestellten überein.

Die Funktion dieser Vorrichtung wird im folgenden beschrieben: Unter der Vorraussetzung, daß die Lichtausgangssignale der Laser-Dioden LD 11 s, LD 12 s ω _A + Ω _A, ω _B + Ω _B sind, werden die beiden Lichtströmungen in dem halbdurchlässigen Spiegel HM 4 s verschmolzen und mit Hilfe des halbdurchlässigen Spiegels HM 5 s in zwei Richtungen aufgespalten. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s fallende Licht tritt als Sättigungslicht durch die Absorptionszelle bzw. das Absorptionselement CL 1 s. Danach durchdringt das Licht den halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s und wird dann über den Isolator IS 1 s an den optischen PLL 2 s abgegeben. Andererseits wird das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s reflektierte Licht von dem Spiegel M 4 s reflektiert und dann durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s in zwei Richtungen aufgespalten. Das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s tretende Licht fällt auf das Diaphragma LS 3 s und wird von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 6 s reflektiert. Das auf diese Weise reflektierte Licht, das Probenlicht, ist viel enger als das Sättigungslicht und wird auf das Absorptionselement CL 1 s fallengelassen. Dann wird das Licht einer Absorption und dabei mittels Sättigungseffekten einer Doppler- Expansion mit einem genauen Pol- bzw. Zwischenraum unterworfen. Dann wird das Licht von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 5 s reflektiert und trifft auf den Photo- Detektor PD 11 s. Das von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 7 s reflektierte Licht dient als Referenzlicht und fällt gemäß Fig. 13 in senkrechter Richtung auf das Absorptionselement CL 1 s und wird dann absorbiert und dabei der Doppler-Expansion unterworfen. Anschließend fällt das Licht auf den Photo-Detektor PD 12 s. Der Differenz- Verstärker A 2 s berechnet eine Differenz zwischen den elektrischen Ausgangssignalen der Photo-Detektoren PD 11 s, PD 12 s und gibt das Differenzsignal als Eingangssignal an die beiden Lock-in-Verstärker LA 1 s, LA 2 s. Wenn Ω _A als Referenzfrequenz dient, bewirkt der Lock-in- Verstärker LA 1 s eine Synchronisationsgleichrichtung, erfaßt alleine Ω _A-Komponenten und steuert die Laser- Diode LD 11 s und verriegelt sie beispielsweise in den Absorptionslinien für F = 1 gemäß Fig. 5 auf die Mitte einer der Absorptionslinien r bis t gemäß Fig. 6, die eine infinitesimale Struktur aufweisen, wobei die Absorptionsbalken durch die Doppler-Verschiebung verdeckt sind. Ähnlich dient Ω _B als Referenzfrequenz, und der Lock-in-Verstärker LA 2 s bewirkt eine Synchronisationsgleichrichtung, erfaßt alleine Ω _B-Komponenten und steuert die Laser-Diode LD 12 s und verriegelt diese beispielsweise in den Absorptionsbalken von F = 2 gemäß Fig. 5 in der Mitte eines der Absorptionsbalken o bis q in Fig. 6, die jeweils eine infinitesimale Struktur haben und durch die Doppler-Verschiebung verborgen sind. Auf diese Weise wird eine zwei Wellenlängen stabilisierende Lichtquelle mit den Oszillationsfrequenzen ω _A + Ω _A und ω _B + Ω _B geschaffen. Das Lichtausgangssignal mit zwei Wellenlängen wird von der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s in den optischen PLL 2 s eingegeben und wird gleichzeitig mit dem Lichtausgangssignal der optischen Frequenz-Multipliziereinrichtung bzw. des optischen Frequenz-Multipliers 24 s durch den optischen Interferenz-Detektor 21 s einer optischen Interferenz-Erfassung unterworfen. Als Ergebnis werden Detektorsignale beispielsweise mit folgenden Frequenzen erhalten |ω _A - ω _1A + Ω _1A + Ω _A|, |ω _B - ω _1B + Ω _B|, |l _A - ω _B + Ω _A + Ω _B|, |l _A - ω _1B + Ω _A|, |ω _B - l _1A + Ω _B|, wobei ω _1A, ω _1B die beiden Frequenzen des Lichtausgangssignals des Frequenz- Multipliers 24 s sind. Im Betrieb des optischen PLL 2 s ergeben sich folgende Verhältnisse: ω _A ≈ω _1A, ω _B ≈ ω _1B, da Ω _A, Ω _B Werte von einigen kHz annehmen und der Unterschied zwischen ω _A und ω _B gemäß Fig. 6 einen Wert von 6,8 GHz annimmt, ist es möglich, Frequenz-Komponenten wie |ω _A - ω _1A + Ω _A| und |ω _B - ω _1B + Ω _B| dadurch herauszunehmen, daß den Photo-Detektoren PD 2 s Tiefpasseigenschaften gegeben werden. Die beiden Mischstufen MX 11 s und MX 12 s mischen die elektrischen Ausgangssignale des optischen Interferenz-Detektors 21 s mit den Frequenzen Ω _A und Ω _B, wodurch die Ausgangssignale ω _4A = |ω _A - l _1A| und ω _4B = |ω _B - ω _1B| erzeugt werden. In der Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht verschiedener Wellenlänge steuern die Frequenz-Modulationsschaltungen FC 1 s, FC 2 s die Oszillationsfrequenzen der Dioden VL 4 s, VL 5 s zur Erzeugung von Licht verschiedener Wellenlänge, so daß die Ausgangssignale l _4A, ω _4B der Mischstufen MX 11 s und MX 12 s zu Null werden. Die Lichtausgangssignale der Dioden VL 4 s, VL 5 s fallen über die Isolatoren IS 21 s, IS 22 s auf die Schaltung zur Verschmelzung von Lichtwellen bzw. den Lichtwellen-Synthesizer OS 2 s, in dem die Lichtausgangssignale verschmolzen werden, wodurch die Lichtausgangssignale zwei optische Frequenzen, nämlich ω _A/n ± s ω ₅ und l _B/n - s ω ₅ aufweisen.

Diese Lichtausgangssignale sind bei den Frequenzen Ω _A, Ω _B nicht FM-moduliert.

Mit dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel wurde eine Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen bzw. ein Synthesizer/Sweeper mit zwei Frequenzen beschrieben. Die Schaltung ist jedoch nicht auf zwei Frequenzen beschränkt, vielmehr können eine Vielzahl wählbarer Frequenzen ebenfalls verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s beschrieben, die nach dem Sättigungs-Absorptionsverfahren arbeitet. Es ist jedoch auch möglich, die beiden Wellenlängen auf die Mitte der Absorption von F = 1 und F = 2 gemäß Fig. 5 unter Verwendung der linearen Absorptionsmethode zu verriegeln. In diesem Fall wird Licht in Form von zwei Lichtströmen auf das Absorptionselement CL 1 s einfallen gelassen und die beiden Lock-in-Verstärker bei der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s gemäß Fig. 4 verwendet.

Es ergibt sich aus Fig. 13, daß der Ultraschall-Modulator UM 1 s allein für die Versetzung und für die Änderung der optischen Frequenzen verwendet wird. Es sind jedoch die Frequenzen l _3A + Ω _A, ω _3B + Ω _B verfügbar, die durch die Addition der Verschiebefrequenzen ω _3A, ω _3B gewonnen werden anstelle der Eingangsfrequenzen Ω _A, Ω _B der Mischstufen MX 11 s, MX 12 s. In diesem Fall werden die optischen Frequenzen der Lichtausgangssignale zu (ω _A ± ω _3A)/n ± s ω ₅ und (ω _B ± ω _3B)/n ± s ω ₅. Damit ist es möglich, die beiden Frequenzen gleichzeitig bei ω ₅ zu verändern und die beiden Frequenzen getrennt bei ω _3A und ω _3B zu verändern.

Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die erfindungsgemäße Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen bzw. der optische Frequenz-Synthesizer/ Sweeper in der Lage, das Lichtausgangssignal bei den Absorptionslinien von Rb oder Cs bei der absoluten Wellenlänge mit hoher Genauigkeit und Stabilität zu verriegeln und ein Richtmaß von hoher Stabilität von 10^-12 oder mehr zu erreichen (als herkömmliche Frequenzrichtwerte werden die Mikrowellenresonanz von Cs (9 GHz) oder Rb (6 GHz) verwendet).

Da als abstimmbare Laser-Dioden ein ADFB(Acoustic Distributed Feedback)-Laser mit einem länglichen Resonator sowie eine Laser-Diode mit externem Resonator verwendet werden, ist die Güte Q des Resonators hoch, die Breite des Oszillationsspektrums kann daher verringert werden.

Da das Prinzip des optischen PLL mit aufgenommen wurde, kann eine sehr genaue Änderung der optischen Frequenz durchgeführt werden.

Dadurch, daß sowohl die Absorptionslinien von Rb (780 nm, 795 nm) als auch das Multiplikationsverfahren verwendet werden, kann mit hoher Genauigkeit und Stabilität Licht im 1500 nm-Bereich abgegeben werden, das die geringsten Photo-Verluste in Photo-Verbindungsfasern aufweist. Dadurch ist die Erfindung in der Praxis bestens anwendbar.

Mit dem in Fig. 12 dargestellten Aufbau können viele Arten von optischen Frequenzen abgegeben werden.

Darüber hinaus können mit dem Aufbau gemäß Fig. 13 eine Vielzahl von optischen Frequenzen gleichzeitig abgegeben und diese getrennt geändert werden.

Im Fall des Aufbaus gemäß Fig. 13 ist es möglich, unnötige FM-Modulationsanteile aus den abgegebenen Lichtsignalen zu entfernen.

Auch bei der Schaltung gemäß Fig. 4, bei der ω ₃′ = ω ₃ + Ω in die Mischstufe MX 1 s eingegeben wird, kann die Entfernung solcher Frequenzanteile auf ähnliche Weise geschehen. In der genannten Gleichung steht Ω für die FM-Modulationsfrequenz bei Verwendung des Lock-in-Verstärkers.

Fig. 14 zeigt ein Blockdiagramm eines 4. Ausführungsbeispiels des optischen Frequenz-Synthesizers/Sweepers bzw. der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen mit einer Lichtquelle zur Abgabe mehrerer optischer Frequenzen. Bauteile, die mit denen gemäß Fig. 4, dem zweiten Ausführungsbeispiel, übereinstimmen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit 1 s wird eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle bezeichnet, bei der die Wellenlänge stabilisiert ist. Mit 20 s wird ein erster optischer phasenverriegelter Schaltkreis, ein optischer PLL bezeichnet, in den das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s eingegeben wird; mit 30 s wird ein zweiter optischer PLL zweiter Stufe bezeichnet, in den das Ausgangslicht des ersten optischen PLL 20 s eingegeben wird, und schließlich wird mit 40 s ein dritter optischer PLL dritter Stufe bezeichnet, in den das Ausgangslicht des zweiten optischen PLL 30 s eingegeben wird.

Bei dem ersten optischen PLL 20 s empfängt der eine IN-Photo-Diode oder eine Lawinen-Photo-Diode aufweisende optische Interferenz-Detektor 21 als Eingangssignal auf der einen Seite das Ausgangslichtsignal der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s. Eine Lichtquelle 22 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts durch das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 21 s gesteuert wird; eine Multiplikationsstufe 24 zur Multiplikation optischer Frequenzen weist einen Lichtleitungspfad aus nichtlinearem Material auf und multipliziert eine Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 22 s und sendet gleichzeitig deren Lichtausgangssignal an den optischen Interferenz-Detektor 21 s als Eingangssignal von der anderen Seite weiter.

In den optischen PLL 30 s und 40 s sind optische Interferenz- Detektoren 31 s und 41 s, die ähnlich dem oben beschriebenen Interferenz-Detektor 21 s beide erhalten als Eingangssignal von der einen Seite das Ausgangslichtsignal des optischen PLL 20 s und 30 s erhalten. Die beiden Mischstufen 34 s und 44 s erhalten als Eingangssignal von der einen Seite die elektrischen Ausgangssignale der jeweiligen optischen Interferenz-Detektoren 31 s und 41 s. Eine Schaltung 10 s zur Erzeugung einer Referenzverschiebungsfrequenz weist einen Oszillator zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals mit einer vorgegebenen Frequenz auf und sendet seine Ausgangssignale an jede der genannten Mischstufen 34 s und 44 s als deren Eingangssignale der anderen Seite. In Lichtquellen 32 s und 42 s zur Erzeugung von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge ähnlich der o. g. Lichtquellen werden die Ausgangssignale der Mischstufen 34 s und 44 s eingegeben. Sie senden einen Teil ihres Ausgangslichts als Eingangssignal der anderen Seite an die optischen Interferenz-Detektoren 31 s und 41 s.

Die Funktion der so aufgebauten Vorrichtung wird im folgenden beschrieben: Wenn das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s in den optischen PLL 20 s eingegeben wird, steuert bzw. verriegelt dieser die Wellenlänge seines Ausgangslichts so, daß diese der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s entspricht. Das Ausgangslichtsignal der Lichtquelle 21 s zur Erzeugung von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge tritt in die optische Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s und erzeugt eine sekundäre Oberwelle höheren Grades als Eingangslicht auf einem Lichtleitungspfad, der aus nichtlinearem Material besteht. Der optische Interferenz-Detektor 21 s gibt ein elektrisches Ausgangssignal, Interferenz-Signal, mit einer Frequenz ab, die der Differenz zwischen der Frequenz des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s und dem Ausgangslicht der optischen Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s entspricht. Die Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge steuert die Frequenz des Ausgangslichts so, daß die Frequenz des elektrischen Signals Null wird. D. h., die Ausgangsfrequenz der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s wird auf die Frequenz der optischen Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s gebracht. Für die bisherigen Ergebnisse gilt folgende Gleichung:

fo ₁ = (1/2)fs (6)

wobei die Ausgangsfrequenz der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s fs und die Ausgangsfrequenz der Lichtquelle 22 s zur Abgabe von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge fo ₁ ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die sekundäre Oberwelle höherer Ordnung in dem Frequenz-Multiplier bzw. der optischen Frequenz- Multiplikationsschaltung 24 s verwendet. Wenn jedoch eine gewählte Oberwelle n-ter Ordnung verwendet wird, wird eine um den Faktor n reduzierte Ausgangsfrequenz erhalten.

Da die Referenzverschiebefrequenz fos einer Referen 99999 00070 552 001000280000000200012000285919988800040 0002003643553 00004 99880zverschiebefrequenz- Schaltung 10 s zu der Ausgangsfrequenz des optischen Interferenz-Detektors 31 s addiert wird, wird die Frequenz des Ausgangslichtssignals der Lichtquelle 32 s zur Abgabe von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge im zweiten optischen PLL 30 s durch folgende Gleichung gegeben:

fo ₂ = fo ₁ + fos
= (1/2) fs + fos (7)

Auf ähnliche Weise wird die Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle 42 s zur Erzeugung von Licht verschiedener bzw. variabler Wellenlänge im optischen PLL 40 s durch folgende Gleichung ausgedrückt:

fo ₃ = fo ₂ + fos
= (1/2) fs + 2fos (8)

In Fig. 15 ist eine charakteristische Kurve des Frequenzspektrums dargestellt; aus ihr ergibt sich, daß es möglich ist, von den optischen PLL ein Lichtausgangssignal mit einem Frequenzintervall fos, beispielsweise von 10 GHz, auszusenden.

Bei einer oben beschriebenen Lichtquelle zur Abgabe mehrerer optischer Frequenzen ist es möglich, das Referenz- Lichtsignal auf die Absorptionslinien von Rb bei einer absoluten Wellenlänge mit hoher Genauigkeit und Stabilität einzusteuern und dadurch eine sehr genaue Mehrfachlicht-Lichtquelle zu schaffen.

Die entsprechenden Frequenzintervalle können sehr genau gesteuert werden.

Darüber hinaus kann, da die jeweiligen Frequenzintervalle eng und beständig sind, eine optische Mehrfachfrequenz- Lichtquelle mit hoher Dichte verwirklicht werden. Da als abstimmbare Laser-Dioden Laser-Dioden mit externem Resonator verwendet werden, ist es möglich, die Güte des Resonators zu verbessern und die Weite des Osziallationsspektrums zu vermindern.

In der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s ist die Absorbtionswellenlänge der D₂-Linie von Rb 780 nm; dieser numerische Wert wird in dem optischen PLL 20 s multipliziert, sodaß ein Wert von 1560 nm erhalten wird. Auf diese Weise kann ein Lichtausgangssignal im 1500 nm-Bereich der optischen Faserkommunikations-Wellenlänge erzeugt werden.

Aufgrund der o. g. Eigenschaften läßt sich eine Mehrfachkommunikation mit optischen Frequenzen erreichen. Darüber hinaus ist bei Verwendung als Lichtquelle für eine sehr genaue Photo-Messvorrichtung eine wesentliche Verbesserung der Längenmessung zu erwarten.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Verschiebungsfrequenz durch Zwischenschaltung eines Ultraschall-Modulators zwischen den Ausgang der Lichtquellen 32 s, 42 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge und die Eingänge der optischen Interferenz- Detektoren 31 s, 41 s variiert werden.

Der Multiplikator des Frequenz-Multipliers bzw. der Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s kann ganze Zahlen annehmen. Bei einem Multiplikator mit dem Wert 1 kann die optische Frequenz-Multiplikationsschaltung 24 s weggelassen werden. In diesem Fall ergeben sich folgende Frequenzen des Ausgangslichts:

fo ₁ = fs
fo ₂ = fs + fos
fo ₃ = 2fos.

In diesem Fall wird der erste optische PLL 20 s weggelassen. Es kann stattdessen das Ausgangssignal der Referenzwellenlängen- Lichtquelle 1 s als Ausgangslicht erster Stufe verwendet werden.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die identische Referenzverschiebungsfrequenz fos bei jedem optischen PLL jeder Stufe hinzugefügt. Es können jedoch auch mehrere Referenzverschiebungsfrequenzen fos ₁, fos ₂, die sich voneinander unterscheiden, zu jeder Stufe addiert werden.

Der optische PLL ist nicht auf 3 Stufen beschränkt; es können auch wahlweise mehrere Stufen vorgesehen werden.

Fig. 16 zeigt ein Blockdiagramm eines praktischen Ausführungsbeispiels des optischen Frequenz-Synthesizers/ Sweepers bzw. der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen, wodurch eine sehr genaue, ein Markierungssignal erzeugende Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge verwirklicht wird. Eine Lichtquelle 100 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge umfaßt folgende Elemente: eine Eingangsklemme 101 s, an die ein elektrisches Eingangssignal Ei zur Steuerung der Wellenlänge angelegt wird; einen Synthesizer/ Sweeper für optische Frequenzen 102 s, in den das elektrische Eingangssignal Ei über die dazwischenliegende Eingangsklemme 101 s eingegeben wird; einen Strahlungsteiler BS 2 s, der das Ausgangslicht des Synthesizers 102 s beim Auftreffen auf den Strahlungsteiler in zwei verschiedene Richtungen aufteilt; einen Resonator- FP 1 s, der einen Fabry-Pèron-Etalon aufweist, in den das durch den Strahlungsteiler BS 2 s tretende Licht eingegeben wird, wobei der Resonator eine Wellenlängenwahleinrichtung darstellt; ein elektro-optisches Element EO 4 s, welches auf der optischen Achse innerhalb des Resonators FP 1 s angeordnet ist; eine Signalquelle E 1 s, die das elektro-optische Element EO 4 s treibt; eine Lichtempfangseinrichtung PD 3 s, auf die das Ausgangslicht des Resonators FP 1 s fällt und die dieses in ein elektrisches Signal umwandelt, sowie eine sehr genaue und stabile Referenzwellenlängen-Laserquelle ähnlich der Referenzwellenlängen-Lichtquelle 1 s in den Fig. 4 und 14 des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels, die ein Ausgangslicht mit spezifischer Wellenlänge aussendet.

Die Funktion dieser Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge wird im Folgenden beschrieben: Der Synthesizer/Sweeper 102 s für optische Frequenzen gibt ein Ausgangssignal ab, dessen Wellenlänge dem an die Eingangsklemme 101 s angelegten Eingangssignal Ei entspricht. Ein Teil des Ausgangslichtstrahls wird von dem Strahlteiler BS 2 s reflektiert und wird das Ausgangslicht Rv mit variabler Wellenlänge. Der Rest des Lichtstrahls durchdringt den Strahlungsteiler BS 2 s und wird in den Resonator FP 1 s eingegeben. Der Resonator FP 1 s ist in der Lage, ein entsprechendes Resonanz- Intervall mittels des im Lichtpfad angeordneten elektro- optischen Elements EO 4 s zu ändern. Auf diese Weise hat ein Ausgangslichtsignal Rm des Resonators FP 1 s einen Spitzenwert in einem Wellenlängenintervall, das der Ausgangsspannung der Signalquelle E 1 s entspricht. Die Lichtempfangseinrichtung PD 3 s wandelt das Ausgangslicht Rm in ein elektrisches Signal um und gibt dadurch ein Markierungssignal Em an der Ausgangsklemme 103 s ab. In Fig. 17 ist eine Spektraltafel mit dem Markierungssignal Em in dem Frequenzbereich dargestellt; eine Referenzwellenlängen-Laserquelle 104 s gibt ein Ausgangslicht Rs ab, dessen Wellenlänge innerhalb der Ausgangsbandbreite des Synthesizers/Sweepers 102 s liegt.

In Fig. 18 ist ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils einer gegenüber Fig. 16 abgeänderten Vorrichtung dargestellt. In beiden Figuren übereinstimmende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden im folgenden nicht näher erläutert. Mit BS 3 s ist ein Strahlungsteiler bezeichnet, der reflektiertes Licht auf den Strahlungsteiler BS 2 s einfallen läßt, und der im Lichtpfad des Ausgangslichts der Referenzwellenlängen- Laserquelle 104 s angeordnet ist. Mit LA 3 s ist ein Lock-in-Verstärker bezeichnet, in den das Ausgangssignal der Lichtempfangseinrichtung PD 3 s eingegeben wird. E 2 s bezeichnet eine Vorspannungssignalquelle, deren Ausgangssignal gemeinsam mit dem des Lock-in-Verstärkers LA 3 s an das elektro-optische Element EO 4 s angelegt wird. Teile des Ausgangslichtstrahls der Referenzwellenlängen- Laserquelle 104 s werden von dem Strahlungsteiler BS 3 s reflektiert und dann über den Strahlungsteiler BS 2 s auf den Resonator FP 1 s geleitet. Man kann das Markierungslicht mit der Referenzwellenlänge zusammenfallen lassen, indem der Resonatorabstand des Resonators FP 1 s so gesteuert wird, daß die Referenzwellenlängenkomponente ihr Maximum in einem der Lock-in-Verstärker LA 3 s einschließenden Rückkopplungskreis erreicht.

Fig. 19 zeigt ein Blockdiagramm eines optischen Spektrum- Analysators als praktisches Ausführungsbeispiel der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 16 oder Fig. 18. Die mit einem Pfeil versehenen Doppelstriche zeigen den Verlauf eines Photosignals an, mit einem Pfeil versehene Linien den eines elektrischen Signals. Mit 110 s ist eine Polarisationssteuerung bezeichnet, die die magneto-optische Wirkung eines Kristalls (YIG, Bleiglas oder ähnliches) ausnutzt und die dem zu messenden Licht ausgesetzt wird; 120 s bezeichnet einen Photo-Verstärker ähnlich den in Fig. 4 dargestellten Elementen OA 1 s bis OA 42, in den das Ausgangslicht der Polarisationssteuerung 110 s eingeleitet wird; mit 130 s wird ein Durchlauf- bzw. Wobbel- Generator bezeichnet; mit 100 s eine eine Markierungseinrichtung aufweisende Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Frequenzänderung des Synthesizers/Sweepers 102 s für optische Frequenzen mit Hilfe eines Wobbel- Generators 130 s gesteuert wird; HM 5 s bezeichnet einen halbdurchlässigen Spiegel, der das Referenzwellenlicht Rs und das Licht Rv variabler Wellenlänge der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge verschmelzen läßt; HM 4 s bezeichnet einen halbdurchlässigen Spiegel, auf den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 5 s und des Photo-Verstärkers 120 s einfällt; mit 140 s wird ein optischer Interferenz-Detektor bezeichnet, der eine pin-Photodiode sowie eine Lawinen- Photodiode aufweist und in den das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 4 s eingegeben wird; mit 150 s wird ein Filter bezeichnet, in das das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 140 s zur Verstärkung eingegeben wird, und welches Bandpass-Eigenschaften aufweist; 160 s bezeichnet einen Detektor, in den das elektrische Ausgangssignal des Filters 150 s eingegeben wird; schließlich wird mit 170 s eine Einrichtung zur Signalverarbeitung und -anzeige, in die das elektrische Ausgangssignal des Detektors 160 s eingegeben wird, bezeichnet. Die Funktion des optischen Spektrum-Analysators diesen Aufbaus wird im Folgenden beschrieben. Wenn Licht mit einer zu messenden Frequenz ω i auf die Polarisationssteuerung 110 s fällt, wird ein eingeprägtes magnetisches Feld dadurch gesteuert, daß die Rotationspolarisation eines Kristalls mit magneto-optischer Wirkung optimal ausgenützt wird, wodurch eine polatisierte Fläche des einfallenden Lichts so gesteuert wird, daß sie mit der des von dem halbdurchlässigen Spiegels HM 5 s ausgehenden Lichts übereinstimmt. Nachdem das Ausgangslicht der Polarisationssteuerung 110 s durch den Photo-Verstärker 120 s verstärkt wurde, wird es mit dem Ausgangslicht einer Frequenz ω _o der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s zur Abgabe von Licht variabler Wellenlänge mittels des halbdurchlässigen Spiegels HM 4 s verschmolzen. Danach wird das Ausgangslicht des halbdurchlässigen Spiegels HM 4 s in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Frequenz gleich der Differenz ω _o - l _i′ in dem Interferenz-Detektor 140 s entspricht, wobei in diesem Fall ω _i′ = ω _i ist. Das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors 140 s tritt aufgrund der Bandpass-Eigenschaften des Filters 150 s zum Teil durch diesen Filter und wird dann als Spannung in den Detektor 160 s eingegeben. In die Einrichtung 170 s zur Signalverarbeitung und -anzeige wird ein Signal als axiales Frequenzsignal eingegeben, was in Beziehung steht zum Wobbel-Signal des Wobbel- Generators 130 s, außerdem wird das elektrische Ausgangssignal des Detektors 160 s als Spannungssignal eingegeben. Als Folge davon zeigt die Einrichtung 170 s das Spektrum eines zu messenden Lichts 171 s und eines Referenz-Lichts 172 s und gleichzeitig Markierungssignale 173 s an, indem das von der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge erzeugte Signal in die Einrichtung 170 s eingegeben wird.

Die Funktionsbeispiele der optischen Frequenz des praktischen Ausführungsbeispiels werden im folgenden angegeben: Die Wellenlänge des Referenzwellenlängen-Lichts Rs betrug 780 nm (die Wellenlänge der Laser-Diode ist auf die Absorptionslinien von Rb verriegelt). Die Wellenlänge des variablen Lichts Ro betrug 780 nm + 50 nm. Die Wellenlänge von ω _i: 780 nm ± 50 nm.

In Fig. 19 wird ein Impulssynchronisationssignal an den Wobbel-Generator 130 s gelegt, um den Fall zu erläutern, in dem das Spektrum von impulsförmigem Licht zu messen ist. Das Trigger-Signal ist mit dem zu messenden Lichtimpuls synchronisiert und wird dem Wobbel-Generator 130 s eingegeben. Bei dieser Synchronisation wird die Frequenz des Lichts Rv mit variabler Wellenlänge der eine Markiereinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge stufenförmig verändert. Gleichzeitig wird das Signal, das der Stufenfrequenz entspricht, an die Einrichtung 170 s zur Signalverarbeitung/-anzeige geleitet. Das Energiespektrum der Frequenz an einem Punkt wird durch Impulslicht gemessen, und es ist möglich, das gesamte Spektrum des Impulslichtes nach dem Wobbel-Vorgang auszugeben.

Bei dem in Fig. 19 dargestellten praktischen Aufbau des Ausführungsbeispiels wird das Frequenzauflösevermögen des optischen Spektrum-Analysators zum einen bestimmt durch die Spektralweite des Lichts Rv mit variabler Wellenlänge der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge und zum anderen durch die Bandbreite des Filters 150 s. Die Spektralweite des Ausgangslichts Rv variabler Wellenlänge wird durch den Synthesizer/ Sweeper 102 s für optische Frequenzen bestimmt, wodurch eine hervorragende Frequenzauflösung zu erreichen ist.

Bei dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel wird als Filter 150 s ein Bandpass-Filter verwendet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Filter beschränkt, es sind auch Tiefpass-Filter verwendbar.

Fig. 20 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiten praktischen Ausführungsbeispiels der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, wobei eine Lichtquelle für einen herkömmlichen optischen Spektralanalysator oder ein Spektroskop dargestellt ist. Das Markierungslicht-Ausgangssignal Rm der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s wird an dem Spiegel M 6 s reflektiert und mit dem Referenzwellenlängen-Ausgangslichtsignal Rs in dem Strahlungsteiler BS 3 s verbunden und später in dem Strahlungsteiler BS 4 s kombiniert. Das auf diese Weise kombinierte Markierungslicht-Ausgangssignal wird an einen optischen Spektralanalysator 180 s eingegeben. Das Synchronisationssignal, das von dem optischen Spektralanalysator 180 s übertragen wird, wird ein Wellenlängenänderungs-Eingangssignal Ei der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge. Mit einem solchen Aufbau erscheint das Spektrum von zu messendem Licht 181 s, von Referenz-Licht 182 s und Markierungslicht 183 s auf dem Bildschirm des optischen Spektral-Analysators 180 s.

Fig. 21 zeigt ein Blockdiagramm eines optischen Netzwerk- Analysators als drittes Beispiel der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge. Das Ausgangslicht Rv variabler Wellenlänge der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge fällt auf eine zu messende Substanz. Das Ausgangslicht wird mit Hilfe eines Lichtaufnahmeelements PD 4 s erfaßt, wodurch das Ausgangssignal als erstes Y-Achsen-Eingangssignal Y ₁ eines XY-Aufzeichnungsgeräts dient. Das Markierungslicht-Ausgangssignal Rm und das Referenzwellenlängenlicht-Ausgangssignal Rs, die von der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s ausgehen, fallen über den Spiegel M 6 s und den Strahlteiler BS 3 s auf das Licht empfangende Element PD 5 s und werden dann, in elektrische Signale umgewandelt, zu zweiten Y-Achsen-Eingangssignalen Y ₂ des XY-Aufzeichnungsgeräts 200 s. Die Ausgangssignale eines Lampen-Generators 210 s werden das Wellenlängenänderungs- Eingangssignal Ei der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle 100 s und das X-Achsen- Eingangssignal des XY-Aufzeichnungsgeräts 200 s. Als Ergebnis werden auf dem XY-Aufzeichnungsgerät 200 s ein ReferenzLicht 202 s, ein Markierungslicht 203 s sowie die Spektraleigenschaften 201 s aufgezeichnet.

Bei allen praktischen Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 19 bis 21 werden das Referenz-Licht und das Markierungslicht gemeinsam mit den Messdaten angezeigt oder aufgezeichnet, so daß die Wellenlänge auf einfache Weise bekannt ist.

In Fig. 22 ist ein Blockdiagramm eines weiteren praktischen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Synthesizers/ Sweepers für optische Frequenzen dargestellt, wobei eine sehr genaue, eine Markierungseinrichtung aufweisende Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge mit Hilfe eines Absorptionselements verwirklicht wird. Eine Lichtquelle 300 s zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge weist folgende Elemente auf: Mit 301 s ist eine Eingangsklemme bezeichnet, an die ein elektrisches Eingangssignal Ei zur Steuerung der Wellenlänge angelegt wird; 302 s bezeichnet einen Synthesizer/Sweeper für optische Frequenzen, in den das elektrische Eingangssignal Ei über die Eingangsklemme 301 s eingegeben wird; mit BS 4 s wird ein Strahlungsteiler bezeichnet, auf den das Ausgangslicht des Synthesizers/ Sweepers 302 s fällt und der dieses in zwei Richtungen aufspaltet; CL 2 s bezeichnet ein Absorptionselement, das eine Standardsubstanz umfaßt, und in das das durch den Strahlungsteiler BS 4 s tretende Licht eingegeben wird; mit BD 6 s wird ein Licht aufnehmendes Element bezeichnet, auf das das Ausgangslicht Rm des Absorptionselement CL 2 s fällt und welches das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt; CP 1 s bezeichnet einen Komparator, der mit dem Ausgang des Licht empfangenden Elements PD 6 s verbunden ist; schließlich wird mit 303 s eine Markierungssignal-Ausgangsklemme bezeichnet, die mit dem Ausgang des Komparators CP 1 s verbunden ist. Als Standard-Substanz kommen in Frage: Cs (zwei Absorptionslinien in der Nähe von 852 nm), Rb (vier Absorptionslinien in der Nähe von 780 nm und vier Absorptionslinien in der Nähe von 794 nm), NH₃ (viele Absorptionslinien) und H₂O (viele Absorptionslinien).

Die Funktion der so aufgebauten Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge wird im folgenden beschrieben: Der Synthesizer/Sweeper 302 s für optische Frequenzen ist in der Lage, die Wellenlänge des Ausgangslichts so zu variieren, daß diese mit dem über die Eingangsklemme 301 s angelegten Signal Ei korrespondiert. Ein Teil des Ausgangslichtstrahls wird von dem Strahlungsteiler BS 4 s reflektiert und wird zum Ausgangslichtsignal variabler Wellenlänge Rv; der Rest tritt durch denselben Strahlungsteiler und trifft auf das Absorptionselement CL 2 s. Das einfallende Licht wird einer Absorption bei einer spezifischen Wellenlänge (wie oben erwähnt) mit Hilfe der eingeschlossenen Standardsubstanz in dem Absorptionselement CL 2 s unterworfen. Schließlich wird das durchtretende Licht Rm, das einen Spitzenwert (die niedrigste Stelle) bei der o. g. Wellenlänge aufweist, ausgegeben. Das Lichtempfangselement PD 6 s wandelt das Ausgangslicht Rm in ein elektrisches Signal um. Das auf diese Weise umgewandelte Signal wird wellenförmig im Komparator CP 1 s angeordnet und wird dann als Markierungssignal Em an der Klemme 303 s abgegeben.

In Fig. 23 ist ein Blockdiagramm einer Abwandlung der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gemäß Fig. 22 dargestellt, wobei der wesentliche Teil der Vorrichtung, welcher den Hauptbeitrag zur Sättigungsabsorbtion liefert, dargestellt ist. In den Fig. 22 und 23 übereinstimmende Zeichen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit M 7 s wird ein Spiegel bezeichnet, der die Richtung des Ausgangslichtstrahls umlenkt, welcher zum Teil an dem Strahlungsteiler BS 4 s des Synthesizers/ Sweepers für optische Frequenzen 302 s reflektiert wurde; BS 5 s bezeichnet einen Strahlungsteiler, auf den von dem Spiegel M 7 s reflektiertes Licht fällt; PD 8 s bezeichnet ein Licht empfangendes Element, auf welches durchtretendes Licht fällt, wenn der Strahlungsteiler BS 5 s so ausgerichtet ist, daß Licht als Referenz- Licht gemäß der Zeichnung senkrecht auf das Absorptionselement CL 2 s fällt; M 8 s bezeichnet einen Spiegel, auf den durchtretendes Lichts des Strahlungsteilers BS 5 s fällt; BS 6 s bezeichnet einen Strahlungsteiler, auf den von dem Spiegel M 8 s reflektiertes Licht einfällt und der dazu dient, reflektiertes Licht als Probenlicht in umgekehrter Richtung auf das Absorptionselement CL 2 s fallen zu lassen; PD 7 s bezeichnet ein Licht empfangendes Element, auf das von dem Strahlungsteiler reflektiertes Licht fällt, nachdem das Probenlicht das Absorptionselement CL 2 s durchdrungen hat; schließlich bezeichnet A 3 s eine Recheneinheit, die den Unterschied zwischen den Ausgangssignalen der Licht empfangenden Elemente PD 7 s, PD 8 s berechnet.

Wenn das Ausgangslicht des Synthesizers/Sweepers 302 s für optische Frequenzen den Strahlungsteiler BS 4 s durchtritt und als Sättigungslicht auf das Absorptionselement CL 2 s fällt, um die Absorption der Standardsubstanz im Lichtpfad zu sättigen. Das von dem Strahlungsteiler BS 4 s reflektierte Licht fällt als Probenlicht auf das Absorptionselement CL 2 s und zwar in entgegengesetzter Richtung wie das Sättigungslicht, das über den Spiegel M 7 s, den Strahlungsteiler BS 5 s, den Spiegel M 8 s und den Strahlungsteiler BS 6 s auf die Absorptionszelle CL 2 s fällt. Da das Probenlicht ausreichend viel enger als das Sättigungslicht ist, ist es möglich, die optischen Achsen des Probenlichts und des Sättigungslichts innerhalb des Absorptionselements CL 2 s zu überlagern. Das Probenlicht wird der Absorption unterworfen und es findet eine Doppler-Expansion bei Frequenzen statt, die nicht mit der Resonanzfrequenz der Standardsubstanz übereinstimmen. Das Referenz-Licht, welches an dem Strahlungsteiler BS 5 s reflektiert wird und gemeinsam mit dem Sättigungslicht und dem Problenlicht in senkrechter Richtung auf das Absorptionselement PL 2 s fällt, wird ebenfalls absorbiert und unterliegt der Doppler- Expansion. Das Probenlicht und das Referenz-Licht, die der Absorption unterworfen waren, werden jeweils mit Hilfe der Licht empfangenden Elemente PD 7 s, PD 8 s erfaßt und von der Recheneinheit A 3 s substrahiert, wodurch scharfe Absorptionssignale abgegeben werden, die als Markierungssignale Em dienen und nur aus gesättigten Absorptionssignalen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche, in denen die Doppler-Expansion in den Absorptionssignalen des Probelichts austritt, eliminiert werden.

Da die Absorptionslinien erfaßt werden, die eine infinitesimale Struktur aufweisen, welche aufgrund der Dopplerverschiebung verborgen ist, ist eine noch höhere Genauigkeit und Stabilität zu erreichen als dies bei dem linearen Absorptionsverfahren bei der Vorrichtung gemäß Fig. 22 der Fall ist.

Fig. 24 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zweiten Ausführungsbeispiels der eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, die Sättigungsabsorption verwendet. Das Sättigungslicht, welches durch das Absorptionselement CL 2 s tritt, wird an dem Spiegel M 9 s reflektiert. Das auf diese Weise reflektierte Licht dient als Probenlicht und fällt aus der entgegengesetzten Richtung wieder auf das Absorptionselement CL 2 s, so daß es mit dem Sättigungslicht überlagert wird. Dadurch werden die Markierungslichtausgangssignale von dem Strahlungsteiler BS 4 s abgenommen.

Wie bei der in Fig. 16 dargestellten Vorrichtung können die eine Markierungseinrichtung aufweisenden Lichtquellen zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gemäß den Fig. 22 bis 24 bei den in den Fig. 19 bis 21 dargestellten Einrichtungen verwendet werden. Da das Markierungslicht, dessen Wellenlänge ebenso wie die Meßdaten festgehalten sind, angezeigt oder aufgezeichnet wird, ist es möglich, sowohl die Wellenlängeneigenschaften als auch die Spektraleigenschaften sehr genau festzuhalten.

Für die Ausführungsbeispiele können verschiedene Arten von Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisatoren verwendet werden, wie im folgenden beschrieben wird.

In Fig. 25 ist ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels des oben beschriebenen Halbleiter-Laser- Wellenlänge-Stabilisators dargestellt. Das Bezugszeichen LD 1 bezeichnet einen Halbleiter-Laser. Mit PE 1 wird ein Peltier-Element zur Kühlung oder Erwärmung des Halbleiter-Lasers LD 1 bezeichnet. Eine Temperatursteuerungseinrichtung zur Steuerung der Temperatur des Halbleiter- Lasers LD 1 auf einen festgelegten Wert durch Betrieb des Peltier-Elements wird mit CT 1 bezeichnet. TB 1 bezeichnet einen Konstanttemperatur-Ofen, um die Temperaturveränderungen durch Abschirmung des Halbleilaterlasers LD 1 und des Peltier-Elements PE 1 zu vermindern. BS 1 bezeichnet einen Strahlungsteiler, der das von dem Halbleiter-Laser abgegebene Licht in zwei Richtungen aufspaltet. Mit UM 1 wird eine bekannte akusto- optische Ablenkungseinheit (AOD) bezeichnet, auf die ein von dem Strahlungsteiler BS 1 ausgehender Lichtstrahl fällt, wobei die akusto-optische Ablenkungseinheit eine Modulationseinrichtung bildet. CL 1 stellt eine Absorptionszelle dar, auf die gebeugtes Licht aus der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 fällt. Die Absorptionszelle CL 1 umfaßt eine Standardsubstanz (eingeschlossen Cs), welche das Licht bei spezifischen Wellenlängen absorbiert. PD 1 bezeichnet einen optischen Detektor, auf welchen das durch das Absorptionselement bzw. die Absorptionszelle CL 1 tretende Licht einfällt. A 1 bezeichnet einen Verstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale des Photo-Detektors PD 1 eingegeben werden. LA 1 ist ein Lock-In-Verstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale des Verstärkers A 1 eingegeben werden, und CT 2 bezeichnet einen PID-Regler, der eine Steuereinheit für den elektrischen Strom aufweist, in den die Ausgangssignale des Lock-In-Verstärkers LA 1 eingegeben werden und der den elektrischen Strom des Halbleiter-Lasers LD 1 steuert. Mit SW 1 wird ein Schalter bezeichnet, dessen eines Ende mit dem akusto- optischen Deflektor bzw. der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 verbunden ist. Mit SG 1 wird ein Signalgenerator bezeichnet, der die Ausgangssignale weiterleitet, durch die der Schalter SW 1 mit der Frequenz fm (beispielsweise 2 kHz) ein- und ausgeschaltet wird. SG 2 bezeichnet einen zweiten Signalgenerator, mit dem die andere Seite des Schalters SW 1 verbunden ist und der mit einer Frequenz von f _D, beispielsweise 80 MHz arbeitet.

Die Funktion des so aufgebauten Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators wird im folgenden beschrieben: Die Temperatur des Halbleiter-Lasers LD 1 wird durch das dazwischenliegende Peltier-Element PE 1 und mittels der Steuerschaltung CT 1, welche Temperatursignale an den Temperaturkonstanthaltungs-Ofen TB 1 abgibt, auf einen festen Wert eingestellt. Das von dem Halbleiter-Laser LD 1 ausgehende Licht wird in zwei Richtungen mit Hilfe des Strahlungsteilers BS 1 aufgespalten. Das reflektierte Licht wird als Ausgangslicht an die Umgebung abgegeben, während das durchgehende Licht an die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 einfallengelassen wird. Da die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 durch die Ausgangssignale der Frequenz f _D des Signalgenerators SG 2 getrieben wird, wenn sich der Schalter SW 1 in der Stellung AN befindet, wird der Hauptteil des einfallenden Lichts mit einer Frequenz γ o gebeugt und dann einer Frequenz-Verschiebung bzw. Doppler-Verschiebung unterworfen. Das Licht der Frequenz γ o + f _D wird als primäres Beugungslicht definiert und fällt auf das Absorptionselement CL 1. Wenn sich der Schalter SW 1 in der Stellung AUS befindet, fällt Licht der Frequenz γ o, welches als null-dimensionales Beugungslicht definiert wird, auf die Absorptionszelle bzw. das Absorptionselement CL 1. Der Schalter SW 1 wird durch einen Takt der Frequenz fm, welche von dem Signalgenerator SG 1 erzeugt wird, angetrieben. Das auf das Absorptionselement CL 1 fallende Licht wird einer Frequenzmodulation unterworfen, wobei die Modulationsfrequenz fm und die Modulationstiefe bzw. der Modulationsgrad f _D ist.

In Fig. 26 sind die Energieniveaus des Cs-Atoms dargestellt. Gemäß dieser Figur werden bei Einfall von Licht einer Wellenlänge von 852,112 nm auf Cs-Atome geladene Teilchen angeregt von 6 S_1/2 auf 6 P_3/2. Dadurch verliert das Licht Energie und es tritt Absorption ein. In diesem Fall werden die Energieniveaus 6 S_1/2 und 6 P_3/2 von zwei oder vier Teilchen infinitesimaler Struktur besetzt. Genau gesagt tritt die Absorption bei Licht mit sechs Wellenlängen oder Frequenzen zwischen diesen Energieniveaus ein. Da ein Absorptionsspektrum aufgrund der Doppler-Ausdehnung einige hundert MHz umfaßt, können normalerweise Teilchen infinitesimaler Struktur mit einem Energieniveau von 6 P_3/2 normalerweise nicht beobachtet werden. Daher ergeben sich, wie in Fig. 27 dargestellt, in einer Absorptionslinie zwei Arten von Absorptionen (a) und (b). (a) der Absorptionssignale gemäß Fig. 27 betrifft die von F 4 ausgehenden, d. h. (a) in Fig. 26; während (b) in Fig. 27 auf die von F 3 ausgehenden zurückgeht, was in Fig. 26 ebenfalls mit (b) dargestellt ist.

Wenn das von der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 modulierte Licht auf das Absorptionselement CL 1 fällt, wie dies in Fig. 28 dargestellt ist, erscheint das Signal in dem Ausgang des durchtretenden Lichts, welches allein an dieser Stelle der Absorptionssignale, z. B. an (a) in Fig. 27, moduliert wird. Wenn dieses Signal mit Hilfe des Photo-Detektors PD 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, und dieses umgewandelte Signal in dem Lock-in-Verstärker LA 1 mit Hilfe des Verstärkers A 1 bei der Frequenz fm synchron gleichgerichtet wird, erhält man eine primäre Differential-Wellenform, wie sie in der charakteristischen Frequenzkurve in Fig. 29 dargestellt ist. Wenn die Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers LA 1 auf die Mitte der obengenannten primären Differentialwellenform verriegelt bzw. eingesteuert werden, hat das Ausgangslicht der Halbleiterdiode eine stabile Frequenz von γ _s - f _D/2.

Bei einem so aufgebauten Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisator weist, da die Oszillatorfrequenz des Lasers nicht moduliert wird, die Lichtquelle eine sehr stabile Verzögerungsfreiheit auf.

Selbst wenn der Wirkungsgrad der Beugung der akusto- optischen Ablenkungseinheit UM 1 variiert wird, nimmt eine optische Komponente, das null-dimensionale Beugungslicht, welches keinen Beitrag zur Modulation leistet, zu, während die Signalintensität abnimmt. Dabei wird auf die zentrale Wellenlänge kein Einfluß ausgeübt.

Bei dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel wird als Referenzfrequenz des Lock-in-Verstärkers LA 1 die Modulationsfrequenz fm verwendet; es können jedoch auch ungerade Vielfache dieser Frequenz ebenfalls verwendet werden.

Als Standardsubstanz können in dem Absorptionselement CL 1 beispielsweise Rb, NH₃, H₂O verwendet werden, nicht jedoch Cs.

Bei dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel wird eine akusto-optische Ablenkungseinheit als Modulationseinrichtung verwendet, jedoch ist die Anmeldung nicht darauf beschränkt. Es kann beispielsweise auch ein Phasenmodulator verwendet werden, der ein elektro-optisches Element aufweist. Eingeschlossen sind beispielsweise Modulatoren des Längs- und Lateraltyps sowie Wanderwellenmodulatoren.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der elektrische Strom des Halbleiter-Lasers durch die Ausgangssignale der Steuereinrichtung gesteuert. Die Anmeldung ist nicht auf diese Lösung beschränkt. Die Temperatur des Halbleiter-Lasers kann gesteuert werden.

Fig. 30 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines zweiten praktischen Ausführungsbeispiels des Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators. Ein Unterschied zur in Fig. 25 dargestellten Vorrichtung besteht darin, daß ein FM-Modulator FM 1 von einem Sinuswellen- Generator SG 20, beispielsweise mit einer Modulationsfrequenz fm = 2 kHz gesteuert wird, wodurch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 durch Sinuswellen moduliert wird.

In Fig. 31 ist das Blockdiagramm eines wesentlichen Teils des optischen Systems eines dritten Ausführungsbeispiels des Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators dargestellt. Im folgenden werden nur die Teile der Vorrichtung erwähnt, die von der Einrichtung gemäß Fig. 25 verschieden sind. Das Bezugszeichen HM 1 bezeichnet einen halbdurchlässigen Spiegel, der das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 in zwei Richtungen aufspaltet und das reflektierte Licht von einer Seite auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 fallen läßt. M 1 bezeichnet einen Spiegel, von dem das durch den halbdurchlässigen Spiegel HM 1 tretende Licht reflektiert wird, wobei der Spiegel M 1 dafür sorgt, daß das reflektierte Licht aus einer anderen Richtung auf den akusto-optischen Deflektor UM 1 fällt. Wenn der Schalter sich in AUS-Stellung befindet, tritt das, von dem halbdurchlässigen Spiegel HM 1 reflektierte Licht durch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1, fällt dann mit einer Frequenz von γ _o auf das Absorptionselement CL 1. Wenn sich der Schalter SW 1 in EIN-Stellung befindet, wird das von dem Spiegel M 1 reflektierte Licht durch die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 gebeugt und fällt dann mit einer Frequenz γ _o + f _D auf die Absorptionszelle CL 1.

Der so aufgebaute Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisator hat den Vorteil, daß der Lichtweg innerhalb des Absorptionselements unbeweglich ist. Wenn jedoch ein Phasenmodulator mit einem elektro-optischen Element als Modulationseinrichtung verwendet wird, tritt diese Notwendigkeit nicht auf, weil die Richtung des austretenden Lichts unveränderlich ist.

Bei einem vierten Ausführungsbeispiel der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen bzw. des Halbleiter- Laser-Wellenlängen-Stabilisators gemäß Fig. 32 wird ein Teil des aus der akusto-optischen Ablenkungseinheit tretenden Lichtstroms als Pumplicht auf die Absorptionszelle fallengelassen, während ein anderer Teil enger Lichtströme des austretenden Lichts als Probenlicht von der entgegengesetzten Seite auf die Absorptionszelle einfallengelassen wird, wodurch gesättigte Absorptionssignale erhalten werden. Aufgrund dieser Spektroskopie mittels gesättigter Absorption verschwindet die Doppler-Ausdehnung. Daher ist es möglich, die infinitesimalen Strukturen, die anhand von Fig. 26 beschrieben wurden, zu unterscheiden. Da es möglich ist, Ausgangssignale des Lock-in-Verstärkers zu erhalten, die auf den infinitesimalen Strukturen gemäß Fig. 33 beruhen, ist es möglich, einen noch stabileren Halbleiter- Laser-Wellenlängen-Stabilisator zu erhalten, indem auf eine der Frequenzen, beispielsweise auf γ ₁ in Fig. 33 verriegelt wird. Ein in Fig. 32 punktiert dargestellter Teil ist anders als in Fig. 25. Insbesondere sind Strahlungsteiler BS 5 bis BS 9, lichtempfangende Elemente PD 11, PD 2 sowie ein Differential-Verstärker DA 1 vorgesehen. Die Ausgangssignale des Differential- Verstärkers DA 1 werden einem Lock-In-Verstärker eingegeben. In einem solchen Fall ist der in Fig. 31 dargestellte Aufbau vorzuziehen, damit die Richtung des Ausgangslichts der acousto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 sich überhaupt nicht verändert.

Fig. 34 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünften praktischen Ausführungsbeispiels des Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators, bei dem die in Fig. 25 dargestellte Vorrichtung zum Teil abgewandelt wurde. In Fig. 34 ist nur die Umgebung des Absorptionselements dargestellt. Daher bezeichnen die Bezugszeichen 1 und 2 Reflexionselemente und 3 den Lichtpfad des Ausgangslichts der acousto-optischen Ablenkungseinheit UM 1, wobei das Licht das Beugungslicht nullter Dimension und das primäre Beugungslicht umfaßt. Das Ausgangslicht des acousto-optischen Deflektors UM 1 tritt durch die Absorptionszelle CL 1 und wird dann an dem Reflexionselement 2 reflektiert. Das reflektierte Licht durchdringt wieder das Absorptionselement CL 1 und wird am Reflexionselement 1 reflektiert. Nach Durchtritt durch das Absorptionselement CL 1 fällt das Licht auf den Photo-Detektor PD 1. Auf diese Weise ist die Absorption gleich, auch wenn die Länge der Absorptionszelle um den Faktor 3 reduziert wird, weil das Licht das Absorptionselement CL 1 dreimal durchläuft.

Fig. 35 zeigt ein Blockdiagramm ähnlich dem in Fig. 34, das wesentliche Teile eines sechsten Ausführungsbeispiels zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Breite des Absorptionselements CL 1 sowie die Reflexionselemente 1 und 2 verbreitert, um eine größere Anzahl von Lichtreflexionen zu erzeugen. Das von dem akusto- optischen Ablenkungselement UM 1 ausgesandte Licht wird von den Reflexionselementen 1 und 2 reflektiert und fällt auf den Photodetektor PD 1. Das heißt, das Ausgangslicht tritt fünfmal durch das Absorptionselement; auf diese Weise ist es möglich, die Länge der Absorptionszelle proportional zu vermindern. Die Anzahl der Durchläufe durch das Absorptionselement CL 1 ist durch Einstellung der Breite sowohl des Absorptionselements als auch der Reflexionselemente 1 und 2 als auch des Winkels, unter dem das Ausgangslicht auf das Absorptionselement fällt frei wählbar.

Fig. 36 zeigt ein Blockdiagramm ähnlich dem in Fig. 35, welches einen wesentlichen Teil eines siebten Ausführungsbeispiels des Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators zeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Reflexionselemente 1 und 2 nicht getrennt ausgeführt. Statt dessen bestehen sie in einer dünnen metallischen Schicht 4, die auf dem Absorptionselement CL 1 durch Bedampfung oder andere ähnliche Methoden aufgebracht wird. Auf diese Weise ist die Größe der Vorrichtung weiter reduzierbar.

Bei den in den Fig. 34 bis 36 beschriebenen Ausführungsbeispielen, bei denen die Größe des Absorptionselements gleich ist wie die herkömmlicher, kann die Länge des Lichtwegs gegenüber herkömmlichen Absorptionselementen verlängert werden. Dadurch kann die Absorption vergrößert und die Stabilität der Wellenlänge des abgegebenen Lichts verbessert werden. In Fig. 37 ist ein Querschnitt durch ein Absorptionselement CL 1 der in Fig. 25 dargestellten Vorrichtung gezeigt, der wesentliche Teile des Absorptionselements zeigt, welches in einer die Zentralachse des Elements einschließenden Ebene geschnitten wurde. Es handelt sich dabei um das achte Ausführungsbeispiel des Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators. Mit dem Bezugszeichen 5 ist der Behälter des Absorptionselements, mit 6 die Einfallsebene und mit 7 die Ausfallsebene des Lichtes, mit 8 eine verschlossene Öffnung und mit 9 eine Zentralachse des Absorptionselements CL 1 bezeichnet. Sowohl die Einfallsebene 6 als auch die Ausfallsebene 7 sind um einen Winkel 0 gegenüber einer senkrecht auf der Mittelachse stehenden Ebene geneigt.

Fig. 38 zeigt eine Mehrfach-Reflexion von Licht in der Einfallsebene 6. Mit 10 wird der Strom des einfallenden Lichtes, mit 11 ein weiterer in den Behälter 5 der Absorptionszelle fallenden Lichtes, mit 12 ein durchtretender Lichtstrom, mit 13 ein Strom mehrfach innerhalb des Behälters 5 reflektiertes Licht und mit 14 ein weiterer Strom mehrfach reflektierten Lichtes, welches aus dem Behälter 5 austritt, bezeichnet. Da die Einfallsebene 6 nicht parallel zur senkrecht auf der Mittelachse 9 des Behälters 5 stehenden Ebene verläuft, werden die Ströme 13 und 14 mehrfach reflektierten Lichtes des Stromes 10 einfallenden Lichtes, welcher parallel zur Mittelachse 9 einfällt, in Richtungen reflektiert, die mit der des einfallenden Lichtes nicht übereinstimmen. Daher stören sich der Strom 11 einfallenden Lichtes und der Strom 13 mehrfach reflektierten Lichtes in keiner Weise. Ebensowenig stören und überlagern sich der Strom 10 einfallenden Lichts, der Strom 12 durchtretenden Lichts und der Strom 14 mehrfach reflektierten Lichts. Auf diese Weise werden keine auf Überlagerungen beruhende Störungen erzeugt. Das hindurchtretende Licht fluktuiert nicht mit der Frequenz, wodurch dessen Stabilität erreicht wird. Die für die Einfallsebene 6 gegebene Beschreibung gilt entsprechend für die Ausfallsebene 7. Der schräge Winkel R variiert entsprechend mit der Dicke des Behälters 5, dem Strahlendurchmesser des einfallenden Lichts oder ähnlichem; aber normalerweise sind 2 bis 3° ausreichend. Der Behälter 5 ist als kreisförmiger Zylinder beschrieben, er kann jedoch jede andere geeignete Form annehmen. Jedenfalls sind die Einfalls- und Ausfallsebene eben und es ist lediglich notwendig, daß sie einander gegenüberliegen. Während die Einfalls- und Ausfallsebenen 6 und 7 des Behälters 5, beispielsweise aus lichtdurchlässigem Material bestehen, brauchen andere Bereiche nicht transparent zu sein. Darüber hinaus braucht bei den Einfalls- und Ausfallsebenen 6, 7 nicht unbedingt auf der Innen- und Außenseite des Behälters 5 eine Neigung gegeben zu sein. Es genügt, wenn eine der beiden Seiten geneigt ist.

Fig. 39 zeigt ein Blockdiagramm eines neunten Ausführungsbeispiels des Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators, bei dem die unterkritische Absorption von Licht verwendet wird. In dieser und Fig. 25 verwendete, gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeigen versehen. Auf ihre Beschreibung wird verzichtet. Mit FB 1 wird eine einwellige optische Faser bezeichnet, auf die das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 fällt, und mit CP 1 ein Faser-Kopplungselement, in welches das Ausgangssignal der optischen Faser FB 1 eingegeben wird. Mit FB 2 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, auf die ein Strom des Ausgangslichts des Faser-Kopplungselements CP 1 fällt. FB 3 stellt eine weitere einwellige optische Faser dar, auf die ein weiterer Strom des Ausgangslichts des Faser-Kopplungselements CP 1 fällt. Mit UM 11 wird eine akusto-optische Ablenkungseinheit mit durchgehendem Wellenleiter bezeichnet, in die das Ausgangslicht der optischen Faser FB 3 eingegeben wird. Mit FB 4 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, auf die das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 11 fällt, und die Licht an den Photo-Detektor PD 1 abgibt. CL 11 bezeichnet eine Absorptionszelle, durch welche die optische Faser FB 4 tritt und die eine Standardsubstanz u. a. auch Cs einschließt, welche Licht bei einer gegebenen Wellenlänge absorbiert. Mit a wird ein Kernbereich der optischen Faser FB 4 bezeichnet, der nach Entfernung des Überzugs übrigbleibt.

Die Funktion eines so aufgebauten Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators wird im folgenden beschrieben.

Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1, dessen Temperatur gesteuert ist, pflanzt sich über die optische Faser FB 1 fort und wird dann in zwei Richtungen mit Hilfe des Faser-Kopplungselements CP 1 aufgespalten. Ein Strom des so aufgespaltenen Ausgangslichts wird nach außen über die optische Faser FB 2 abgegeben; der andere Strom des Ausgangslichts wird über die optische Faser FB 3 auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 fallengelassen. Das mittels der Ablenkungseinheit UM 1 modulierte Licht pflanzt sich über die optische Faser FB 4 fort und durchdringt das Absorptionselement CL 11. Gemäß Fig. 40 wird innerhalb des Absorptionselements CL 11 eine unterkritische Welle erzeugt, das heißt ein Bereich, in dem das sich fortpflanzende Licht aus dem Kernbereich der optischen Faser FB 4 herausdringt. Ein elektrisches Feld in diesem Bereich wirkt auf das umgebende Cs-Gas, wodurch die Absorption bei der spezifischen Wellenlänge stattfindet. Dadurch werden, wenn das Ausgangssignal der optischen Faser FB 4 mittels eines Photo-Detektors PD 1 erfaßt wird, Absorptionssignale erzeugt. Auf diese Weise kann die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers auf einen Bereich nahe der Mitte der Absorption eingesteuert werden, wie dies herkömmlicherweise der Fall ist, wenn Signale über den Lock-In- Verstärker LA 1 und ähnliches in den Halbleiter-Laser LD 1 zurückgeführt werden.

Mit einem Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisator der obenbeschriebenen Art können dieselben Vorteile des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 25 erreicht werden. Darüber hinaus besteht das optische System gänzlich aus optischen Fasern, so daß eine Positionierung nicht nötig ist. Dies führt zu einer Vereinfachung der Einstellung und der Miniaturisierung der Vorrichtung.

Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde eine durch das Absorptionselement CL 11 tretende einwellige optische Faser FB 4 beschrieben. Die Erfindung ist auf diese Art Faser nicht beschränkt; es sind auch mehrwellige Fasern verwendbar.

Fig. 41 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Bereichs eines zehnten Ausführungsbeispiels des Halbleiter- Laser-Wellenlängen-Stabilisators, bei dem die Form eines Elements 100, welches in Fig. 39 abgebildet ist, abgewandelt und die Methode der gesättigten Absorption verwendet wird. FB 5 bezeichnet eine einwellige optische Faser, mit der das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 11 weitergeleitet wird. CP 2 bezeichnet ein Faser-Kopplungselement, dessen eines Ende mit der optischen Faser FB 5 verbunden ist. Mit FB 6 wird eine weitere einwellige optische Faser bezeichnet, die mit dem anderen Ende des Faser-Kopplungselements CP 2 verbunden ist. Mit b wird der Kernbereich der optischen Faser FB 6 innerhalb des Absorptionselements CL 2 beschrieben, der nach Entfernung eines Überzugsbereichs übrigbleibt. Mit 15 wird eine Endfläche der optischen Faser FB 6 bezeichnet, die mit einem halbdurchlässigen Spiegel beschichtet ist. PD 21 bezeichnet einen ersten Photo-Detektor, der das durch die Endfläche 15 übertragene Licht erfaßt. PD 11 steht für einen zweiten Photo-Detektor, welcher das von der Endfläche 15 der optischen Faser FB 6 reflektierte Licht mit Hilfe des Faser-Kopplungselements CP 2 erfaßt. A 11 bezeichnet einen Differential- bzw. Differenzverstärker, in den die elektrischen Ausgangssignale der Photo- Detektoren PD 21, PD 11 eingegeben werden und der diese an den Lock-In-Verstärker LA 1 weiterleitet.

Bei der in Fig. 41 dargestellten Vorrichtung fällt das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 11 über die optische Faser FB 5 auf das Faser- Kopplungselement CP 2 und pflanzt sich über die optische Faser FB 6 fort. Anschließend werden unterkritische Wellen außerhalb des Kernbereichs b erzeugt, die als Pumplicht die Lichtabsorption der Standardsubstanz, beispielsweise Cs, in der Nähe des Kernbereichs sättigen. Der größte Teil, beispielsweise 90%, des durch die optische Faser FB 6 sich fortpflanzenden Lichts, fällt über die Endfläche 15 auf den Photo-Detektor PD 21. Andererseits wird der Rest, beispielsweise 10%, des Lichts an der Endfläche 15 reflektiert und pflanzt sich über die optische Faser FB 6 in umgekehrter Richtung fort, wobei seine Durchgangswellen, die als Probenlicht definiert und mit dem oben erwähnten Pumplicht überlappt werden, die Sättigung fördern. Dieses Probenlicht wird über eine optische Faser FB 7 über das Faser- Kopplungselement CP 2 an den Photo-Detektor PD 11 weitergeleitet. Da die Ausgangssignale der Photo-Detektoren PD 21 und PD 11 mit Hilfe des Differenzverstärkers A 11 voneinander abgezogen werden, werden die Absorptionssignale aufgrund der Doppler-Expansion ausgelöscht, wodurch die Abgabe der Signale der gesättigten Absorption an den Lock-In-Verstärker mit scharfen Absorptionsspektren erfolgt. Aufgrund des Rückkopplungskreises, ähnlich dem in Fig. 39, ist es möglich, die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD 1 mittels der Spitzen des gesättigten Absorptionsspektrums sehr stabil zu steuern.

Bei dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Endfläche 15 mit einem halbdurchlässigen Spiegel beschichtet. Darin ist keine Beschränkung zu sehen, es kann vielmehr auch ein halbdurchlässiger Spiegel beispielsweise zwischen die optischen Fasern FB 6 eingebracht werden.

In Fig. 42 ist ein Blockdiagramm eines elften Ausführungsbeispiels der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen bzw. des Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators dargestellt. Im folgenden werden nur die Teile beschrieben, die von Fig. 25 abweichen. Mit dem Bezugszeichen 16 ist ein Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor bezeichnet, in den die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 und die des Lock-In-Verstärkers LA 1 eingegeben werden. Mit 17 wird ein Komparator, eine Vergleichsstufe, mit einem invertierenden Eingang bezeichnet, in den die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 eingegeben werden. Mit 18 wird eine Spannungsquelle zur Abgabe einer Sollwert- bzw. Einstellspannung, die zwischen dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 17 und einem gemeinsamen Potentialpunkt liegt. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 wird mittels des Komparators 17 gesteuert. Bei einem solchen Aufbau ergibt sich eine Resonanzabsorption des Absorptionselements CL 1, wie sie in Fig. 43 dargestellt ist. Wenn die Frequenz des Ausgangslichts der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 auf einen Wert P eingestellt wird, nimmt der Betrag des durchgelassenen Lichts zu. Das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 wird weit in negative Richtung abgelenkt, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 nimmt ab. Im folgenden findet eine langsame Verschiebung von dem Punkt P in Richtung auf die unterste Stelle der Resonanzabsorption statt, das heißt in Richtung auf die Frequenz γ _s.

Gleichzeitig nimmt das Volumen des durchtretenden Lichts ab, während das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 langsam zunimmt. An der Stelle Q wird das Ausgangssignal des Verstärkers A 1 größer als die Spannung der Spannungsquelle 18, das Ausgangssignal des Komparators 17 nimmt ein niedriges Niveau ein und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor nimmt zu, wodurch das Ausgangssignal des Halbleiter-Lasers LD 1 sehr stabil an der Stelle R festgehalten wird.

Fig. 44 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines zwölften Ausführungsbeispiels, bei dem eine Vielzahl von Komparatoren bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 42 verwendet werden und eine Vorrichtung zur Änderung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 16 mehrfach ausgeführt ist. Mit dem Bezugszeichen 171, 172 und 173 sind Komparatoren bezeichnet. Der Ausgang des Verstärkers A 1 ist mit den invertierenden Eingangsklemmen dieser Komparatoren verbunden, deren Ausgangssignale die Ausgangssignale des Verstärkers 16 steuern. Mit 181, 182 und 183 sind Spannungsquellen zur Abgabe einer Einstellspannung bezeichnet, die mit den nicht invertierenden Eingangsklemmen der Komparatoren 171, 172, 173 verbunden sind. Obwohl das hier nicht dargestellt ist, werden wie in Fig. 42 die Ausgangssignale des Photo-Detektors PD 1 in den Verstärker A 1 eingegeben und die Ausgangssignale des Verstärkers 16 in den Lock- In-Verstärker LA 1. Bei diesem Aufbau nehmen die Komparatoren 171, 172, 173 jeweils niedrige Niveaus an den Stellen S, T, Q in Fig. 43 ein, und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 steigt allmählich. Dabei kann man sich dem Punkt R mit hoher Geschwindigkeit nähern. Anschließend kann der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 16 gesteuert werden.

In Fig. 45 ist ein Blockdiagramm eines dreizehnten Ausführungsbeispiels dargestellt, bei dem die sekundäre Differentialkurve des Verstärkers A 1 als Eingangssignal für den Komparator der Vorrichtung gemäß Fig. 42 verwendet wird. Abweichungen von Fig. 42 werden im folgenden beschrieben. Der Signalgenerator SG 1 führt eine FM-Modulation von SG 2 mittels Sinus- oder Zerhackerwellen durch. Die Ausgangssignale des Verstärkers A 1 werden dem Lock-In-Verstärker LA 2 und dem Verstärker 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor eingegeben. Der Lock-In-Verstärker LA 2 wird mittels des Signalgenerators SG 1 getrieben, der ein Ausgangssignal mit einer Frequenz von 2 fm erzeugt, die zweimal so hoch ist wie die Modulationsfrequenz des Signalgenerators SG 2, wodurch eine synchrone Gleichrichtung erfolgt. Auf diese Weise kann das sekundäre Differential des Verstärkers A 1 erzeugt werden. Die Ausgangssignale des Lock-In- Verstärkers LA 2 werden an den invertierenden Eingang des Komparators 17 gelegt, der diese Signale weiterleitet, um den Verstärker 16 zu steuern. Die Ausgangssignale des Verstärkers 16 werden in den Lock-In-Verstärker LA 1 eingegeben. Mit 18 ist die Spannungsquelle zur Abgabe einer Einstellspannung bezeichnet, die mit dem nicht invertierenden Eingang des Komparators 17 verbunden ist.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 42, 44 und 45 überschreitet das Ausgangslicht des Halbleiter- Lasers auch dann einen vorgegebenen Wert nicht, wenn das Ausgangslicht von dem vorgegebenen Wert weit abweicht, und es ist möglich, den vorgegebenen Wert mit hoher Stabilität einzuhalten. Aufgrund dieses Vorteils ist es möglich, das Ausgangslicht des Halbleiter- Lasers auch dann auf den vorgegebenen Wert zurückzuführen, wenn es weit von diesem abweicht. Gleichzeitig wird die Wellenlänge sehr stabil.

Bei allen Ausführungsbeispielen der Fig. 42, 44 und 45 ist der Verstärker 16 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor hinter dem Verstärker A 1 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, diesen Verstärker 16 hinter dem Lock-In-Verstärker LA 1 und der PID-Steuerung CT 2 anzuordnen. Das heißt, der Verstärker 16 kann an beliebiger Stelle innerhalb des Rückkopplungskreises angeordnet sein.

Fig. 46 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines vierzehnten Ausführungsbeispiels der Schaltung zur Erzeugung optischer Frequenzen beziehungsweise des Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators, bei dem die Temperatur des Absorptionselements CL 1 mit Hilfe der Vorrichtung gemäß Fig. 25 auf einen festen Wert eingestellt wird. Mit 19 wird ein Ofen konstanter Temperatur bezeichnet, der von adiabatischem Material umgeben ist. Im Inneren des Ofens befindet sich das Absorptionselement CL 1. Außerdem ist ein Durchlaß für das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 vorgesehen. Das Bezugszeichen 20 bezeichnet ein Temperatur-Meßelement, welches in dem Ofen 19 angeordnet ist. Das Ausgangssignal des Temperatur- Meßelements 20 wird einer Temperatur-Einstellvorrichtung 21 eingegeben. Dessen Ausgangssignale werden einer Heizung 22 eingegeben. Das heißt, die Temperatursteuereinheit weist den Ofen 19 konstanter Temperatur, das Temperatur-Meßelement 20, die Temperatur-Einstellvorrichtung 21 sowie die Heizung 22 auf. Die in dem Ofen 19 herrschende Temperatur wird mittels des Temperatur- Meßelements 20 gemessen. Die Heizung 22 wird von der Temperatur-Einstellvorrichtung 21 so gesteuert, daß sie die Temperatur innerhalb des Ofens 19 konstanter Temperatur hält. Die Temperatur ist auf einen solchen Wert festgelegt, daß das Absorptionsvolumen in Übereinstimmung mit den Abmessungen der Absorptionszelle groß ist und daß dessen sekundäres Differential ein Maximum annimmt. Wenn als Standardsubstanz Cs verwendet wird, ist das Absorptionsvolumen bei einer Temperatur von weniger als 20°C klein. Der geeignetste Wert des sekundären Differentials der Absorptionsmenge liegt in der Nähe von 40°C.

Bei dem obenbeschriebenen Aufbau wird die Temperatur des Absorptionselements auch dann konstant gehalten, wenn die Umgebungstemperatur variiert. Dadurch findet weder eine Änderung des Absorptionsvolumens noch des Wertes des sekundären Differntials statt, und die Stabilität der Wellenlänge des Ausgangslichts wird durch Änderungen der Umgebungstemperatur nicht erniedrigt. Darüber hinaus können Temperaturen, bei denen die Absorptionsmenge der Absorptionszelle zunimmt, unabhängig von der Umgebungstemperatur gewählt werden, wodurch eine relativ große Absorption selbst bei kleinen Absorptionselementen erreichbar und dadurch die Vorrichtung miniaturisierbar ist. Darüber hinaus ist diese innerhalb eines großen Bereichs von Umgebungstemperaturen einsetzbar.

Bei dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird allein eine Heizung zur Steuerung der Temperatur verwendet. Wenn jedoch die Temperatur auf einen Wert nahe der Umgebungstemperatur eingestellt werden soll, kann zusätzlich ein Kühlelement verwendet werden. Darüber hinaus können an Stelle der Heizung 22 Elemente wie beispielsweise Peltier-Elemente verwendet werden, die heizen und kühlen können.

Das Temperatur-Meßelement 20 und die Temperatur-Einstellvorrichtung 21 können weggelassen werden, wenn ein PTC-Heißleiter oder ein Kaltleiter verwendet werden, dessen Widerstandswert proportional zur steigenden Temperatur zunimmt.

Fig. 47 zeigt ein Blockdiagramm eines wesentlichen Teils eines fünfzehnten Ausführungsbeispiels, bei dem das Absorptionselement nicht nur der Umgebungstemperatur, sondern auch einem magnetischen Feld bei einer Vorrichtung gemäß Fig. 25 ausgesetzt ist. Das Bezugszeichen 23 bezeichnet eine weichmagnetische Platte aus Permalloy oder ähnlichem. Mit 24 wird ein adiabatisches Material bezeichnet, das die Absorptionszelle CL 1 bis auf einen Durchlaß für das Ausgangslicht der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 umgibt. Mit einem Temperatur-Meßelement 201 wird die Temperatur in der Umgebung des Absorptionselements CL 1 gemessen. Das Ausgangssignal des Temperatur-Meßelements wird einer Temperatur-Einstellvorrichtung 211 eingegeben. Eine Heizung 221 wird von der Temperatur-Einstellvorrichtung 211 betrieben. Die Temperatur eines von der weichmagnetischen Platte 23 und dem adiabatischen Material 24 eingeschlossenen Luftraums wird so gesteuert, daß sie unveränderlich ist und zwar mit Hilfe des Temperatur- Meßelements 201, der Temperatur-Einstellvorrichtung 211 und der Heizung 221.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau wird das Ausgangssignal bei Änderungen der Umgebungstemperatur konstantgehalten, während die magnetische Abschirmung mit Hilfe der weichmagnetischen Platte erfolgt. Auf diese Weise können Zeeman-Aufspaltungen des Absorptionsspektrums aufgrund des äußeren Magnetfelds und daraufhin erfolgende Frequenzänderungen des Ausgangslichts, wodurch die Wellenform verzerrt wird, vermieden werden, indem Einflüsse des Erdmagnetismus′ abgeschirmt werden. Es ist also nicht notwendig, die gesamte Vorrichtung in einer magnetische Abschirmung unterzubringen, wodurch diese klein wird. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 47 sind zwei weichmagnetische Platten 23 und eine Schicht aus adiabatischem Material 24 vorgesehen. Es können jedoch auch nur eine Platte 23 aus weichmagnetischem Material aber auch mehrere übereinandergelegte Platten vorgesehen werden. Im letzteren Fall können dünne weichmagnetische Platten 23 und adiabatische Schichten alternativ laminiert werden, wodurch der Magnetabschirmungseffekt gesteigert wird.

Wenn sich die Umgebungstemperatur nicht stark ändert, kann die Heizung 221 weggelassen werden.

Fig. 48 zeigt ein Blockdiagramm eines sechzehnten Ausführungsbeispiels des Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators, bei dem die Wellenlängen des Ausgangssignals der Vorrichtung gemäß Fig. 25 mehrfach ausgelegt sind. Der Aufbau ist so gewählt, daß die Ströme des Ausgangslichts der Halbleiter-Laser LD 1, LD 2 mit Hilfe der Strahlungsteiler BS 1 und BS 2 aufgespalten werden und ein Teil von ihnen Lichtausgangssignale sind. Der Rest der so aufgespaltenen Lichtströme wird in akusto-optische Ablenkungseinheiten UM 1, UM 2 eingegeben. Die Ausgangssignale der akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM 1 und UM 2 werden mit Hilfe der Strahlungsteiler BS 3, BS 4 verbunden und dann der Absorptionszelle CL 1 eingegeben. In dieser ist eine Substanz eingeschlossen, welche die Laserstrahlen mit mehrfachen Wellenlängen absorbiert. Als Substanz kommen beispielsweise in Frage Cäsium (Cs), Rubidium (Rb), Ammoniak (NH₃) und Wasser (H₂O). Das heißt, daß mehrere Absorptionsspektren in dem durch das Absorptionselement CL 1 durchtretenden Licht erzeugt werden. Die durch das Absorptionselement CL 1 tretenden Laserstrahlen werden auf ein lichtempfangendes Element PD 1 fallengelassen und in elektrische Signale umgewandelt, die der einfallenden Lichtstärke entsprechen. Die elektrischen Signale werden Lock-In-Verstärkern LA 11, LA 12 eingegeben und dann Stromsteuerschaltungen CT 21,CT 22 eingegeben. Die Ausgangssignale der Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 werden den Halbleiter-Dioden LD 1, LD 2 eingegeben. Da der angelegte Strom durch die von den Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 erzeugten Signale vorgegeben ist, wird die Oszillationsfrequenz der Halbleiter- Laser LD 1, LD 2 durch diese elektrischen Stromwerte bestimmt. Ein Oszillator SG 2 mit einer Frequenz von f _D von beispielsweise 80 MHz, ist über Schalter SW 1, SW 2 mit den akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM 1, UM 2 verbunden. Die Ausgangssignale der Oszillatoren SG 11, SG 12, die eine Frequenz von beispielsweise fm ₁ = 2 kHz und fm ₂ = 2,5 kHz aufweisen, sind mit den Schaltern SW 1 und SW 2 verbunden. Dadurch wird die Oszillationswellenlänge des durch die akusto-optischen Ablenkungseinheiten UM 1, UM 2 tretenden Lichts mit den Frequenzen fm ₁ und fm ₂ moduliert. Die Ausgangssignale der Oszillatoren SG 11, SG 12 werden auch den Lock-InVerstärkern LA 11, LA 12 eingegeben und dann synchron mit der Frequenz fm ₁, fm ₂ gleichgerichtet. Eine Steuereinrichtung weist also die elektrischen Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 sowie die Lock-In-Verstärker LA 11 und LA 12 auf.

Die Funktion des so aufgebauten Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators wird im folgenden beschrieben:

Zur Erläuterung wird als absorbierende Substanz, welche das Absorptionselement CL 1 aufweist, Cäsium (Cs) verwendet.

Das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 wird durch den Strahlenteiler BS 1 in zwei Richtungen aufgespalten. Das reflektierte Licht wird Ausgangslicht und nach außen abgestrahlt, während das durchtretende Licht auf die akusto-optische Ablenkungseinheit UM 1 trifft. Bei der in Fig. 25 dargestellten Vorrichtung wird das eine Frequenz von γ ₁ aufweisende Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 1 mit Hilfe der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 1 einer Frequenzmodulation unterworfen, wobei die Modulationsfrequenz fm ₁ und die Modulationstiefe bzw. der Modulationsgrad f _D ist. Danach fällt das modulierte Licht auf das Absorptionselement CL 1. Ähnlich wird das eine Frequenz von γ ₂ aufweisende Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 2 mittels der akusto-optischen Ablenkungseinheit UM 2 frequenzmoduliert, wobei die Modulationsfrequenz fm ₂ und der Modulationsgrad f _D ist. Das Ausgangslicht fällt dann auf das Absorptionselement CL 1.

Wenn das Licht mit den Frequenzen γ ₁ und q ₂ die Absorptionszelle CL 1 mit den Cs-Atomen durchdringt, treten bezüglich des durchtretenden Lichts die in Fig. 27 dargestellten Absorptionssignale auf, die der Änderung von γ ₁ und γ ₂ entsprechen. Entsprechend haben die Ausgangssignale der Lock-In-Verstärker LA 11, LA 12 die in den Fig. 49 und 50 dargestellte Wellenform, wobei die Signale gemäß Fig. 27, die von dem lichtempfangenden Element PD 1 abgesendet werden, differenziert werden.

Wenn das Licht mit der Frequenz γ ₁ mit der Modulationsfrequenz fm ₁ und das Licht mit der Frequenz γ ₂ mit der Modulationsfrequenz fm ₂ moduliert werden, wenn die Lock-In-Verstärker LA 11, LA 12 synchron mit den Modulationsfrequenzen fm ₁, fm ₂ gleichgerichtet werden, wobei für fm ₁ und fm ₂ die Gleichung k.fm ₁ = n. fm ₂ gilt und k und n ganze Zahlen sind, macht sich der Einfluß von Licht mit einer Frequenz γ ₂ in dem Ausgangssignal des Lock-In-Verstärkers LA 11 und der Einfluß von Licht mit der Frequenz γ ₁ im Ausgangssignal des Lock-In-Verstärkers LA 12 nicht bemerkbar. Daher nehmen die Ausgangssignale der Lock-In-Verstärker LA 11, LA 12 jeweils die in Fig. 49 und 50 dargestellte Wellenform an, wobei das Ausgangssignal des Lock-In-Verstärkers LA 11 in Fig. 49 und das Ausgangssignal des Lock-In-Verstärkers LA 12 in Fig. 50 dargestellt ist. Wenn die Oszillationsfrequenzen der Halbleiter-Laser LD 1, LD 2 durch die elektrischen Stromsteuerschaltungen CT 21, CT 22 so gesteuert werden, daß das Ausgangssignal des Lock- In-Verstärkers LA 11 sich am Punkt A in Fig. 49 und das Ausgangssignal des Lock-In-Verstärkers LA 12 an Punkt B in Fig. 50 befindet, werden die Laserstrahlen der Ausgangssignale dadurch gekennzeichnet, daß ihre Wellenlänge 852,112 nm oder so ähnlich beträgt, wodurch die Ströme des Lichts zwei Wellenlängen aufweisen, die sich voneinander um 9,2 GHz unterscheiden.

Bei diesem einfachen Aufbau des Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisators mit einer Absorptionszelle ist es möglich, Laserstrahlen mit mehreren stabilen Wellenlängen abzugeben.

An Stelle von Cs soll im folgenden Fall Rb verwendet werden. Wie bei Cs hat das Basisniveau eine infinitesimale Struktur, bei der F = 1 und F = 2 ist. Wenn die Frequenz, bei der die Absorption von F = 1 verursacht wird, γ ₁ ist und die Frequenz, bei der die Absorption von F = 2 verursacht wird, γ ₂ ist, ist Δ γ = q ₁ - γ ₂ die Differenz zwischen den Frequenzen, wobei bei ⁸⁷Rb Δ γ = 6,8 GHz beträgt und bei ⁸⁵Rb Δ γ = 3 GHz. Wenn D₁-Linien von Rb (die Anregung von einem Niveau von 5S_1/2 auf ein Niveau von 5P_3/2 ergibt 794,7 nm) und D₂-Linien von Rb (die Anregung von einem Niveau von 5S_1/2 auf ein Niveau von 5P_1/2 ergibt 780,0 nm) verwendet werden, gilt folgende Gleichung: Δ γ = 14,7 nm. Durch den Durchtritt durch Cs und Rb ergibt sich Δ γ = 852,1 - 780 (oder 794,7) = 72,1 (oder 57,4) nm. Darüber hinaus können die molekularen Absorptionslinien von H₂O und NH₃ oder ähnlichem verwendet werden.

Die Anzahl der Halbleiter-Laser ist nicht auf zwei beschränkt. Wenn die Anzahl der Laser erhöht wird, können verschiedene Typen eingesetzt werden, indem die obengenannten Frequenzen kombiniert werden. Dabei müssen die akusto-optische Ablenkungseinheit, der Lock- in-Verstärker, der Oszillator und die elektrische Stromsteuerschaltung proportional ergänzt werden.

Bei dem in Fig. 51 dargestellten Aufbau eines siebzehnten Ausführungsbeispiels ist es möglich, die infinitesimalen Strukturen, die anhand von Fig. 26 beschrieben wurden, zu unterscheiden, weil aufgrund der obenbeschriebenen gesättigten Absorptionsspektroskopie die Doppler- Expansion verschwindet. Folglich erhält man das Ausgangssignal des Lock-In-Verstärkers, welches auf der infinitesimalen Struktur gemäß Fig. 33 beruht, so daß Δ γ weiter reduziert werden kann, je nach der Position, an der es verriegelt wird. Der gestrichelt dargestellte Bereich in Fig. 51 unterscheidet sich von Fig. 48. Es ergibt sich aus Fig. 51, daß Strahlungsteiler BS 5 bis BS 9, lichtempfangende Elemente PD 11, PD 2 und ein Differenzverstärker DA 1 vorgesehen sind. Die Ausgangssignale des Verstärkers werden den Lock-In- Verstärkern zugeführt.

Die Frequenzen höherer Oberwellen von fm ₁ oder ähnlichem können als Frequenz eines Signals verwendet werden, welches den Lock-In-Verstärkern gemäß Fig. 48 eingegeben wird. In dem Fall, in dem eine dreifache harmonische Welle bzw. die dritte harmonische Welle verwendet wird, verschwinden die Vorspannungs- bzw. Verzerrungskomponenten der in den Fig. 49 und 50 dargestellten Lock-In-Verstärker.

Wenn an Stelle des Strahlungsteilers in Fig. 48 ein Polarisations-Strahlungsteiler verwendet wird, werden die Ausgangslaserstrahlen orthogonal polarisierte Wellen.

Fig. 52 zeigt ein Blockdiagramm eines achtzehnten Ausführungsbeispiels, bei dem die Laserausgangswellenlänge so verändert wird, daß sie dem Eingangssignal entspricht. Eine Spule CI 1, die sich von Fig. 25 unterscheidet, bildet eine Vorrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Einflusses. In die beiden Enden der Spule CI 1 wird ein mit der Wellenlänge sich veränderndes Eingangssignal Sin eingegeben. Die Spule CI 1 ist um das Absorptionselement CL 1 gewunden. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 25, wird das Ausgangslicht des Halbleiters auf eine stabile Frequenz von γ _s = f _D/2 eingestellt. Dadurch, daß das entsprechend der Wellenlänge variierbare Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CI 1 angelegt wird, fließt ein elektrischer Strom durch die Spule CI 1 und erzeugt ein dem Eingangssignal Sin entsprechendes magnetisches Feld. Mit Hilfe dieses elektrischen Feldes bringt das Absorptionsspektrum der Standardsubstanz innerhalb des Absorptionselements CL 1 eine Zeeman-Teilung, wodurch die Absorptionswellenlänge verändert wird. Durch die Änderungen der Absorptionswellenlänge wird die Ausgangswellenlänge des Halbleiter-Lasers LD 1, der mit der Absorptionslinie verriegelt ist, verändert. Es ist daher möglich, die Wellenlänge des Laserausgangslichts, das von dem Strahlungsteiler BS 1 abgegeben wird, mit Hilfe des entsprechend der Wellenlänge variablen Eingangssignals Sin zu verändern.

Die so aufgebaute Laserlichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge hat den Vorteil, daß die Wellenlänge variabel ist, während das Halbleiter-Laser- Ausgangslicht stabil, auch stabil bezüglich der Verzögerungsfreiheit, auf das Absorptionssignal der Standardsubstanz verriegelt bzw. eingestellt wird.

Bei dem obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Spule zur Erzeugung magnetischer Einflüsse verwendet. Statt dessen kann beispielsweise auch ein Permanentmagnet in einem kleineren oder größeren Abstand bezüglich des Absorptionselements entsprechend dem Eingangssignal Sin angeordnet werden.

Fig. 53 zeigt ein Blockdiagramm des wesentlichen Teils eines neunzehnten Ausführungsbeispiels, bei dem gesättigte Absorption in einem Bereich A gemäß Fig. 52 an Stelle der linearen Absorption ausgeführt wird. Das Licht, das mit Hilfe des akusto-optischen Ablenkungselements UM 1 moduliert wurde, fällt als Pumplicht über den Strahlungsteiler BS 10 auf das Absorptionselement CL 1. Durch das Absorptionselement CL 1 dringendes Licht wird an einem Spiegel M 2 reflektiert und kehrt auf demselben Lichtweg zurück. Das zurückkehrende Licht dient als Probenlicht und fällt wiederum auf das Absorptionselement CL 1. Das hindurchgetretene Licht wird von dem Strahlungsteiler BS 10 reflektiert, wodurch das Signal der gesättigten Absorption mittels des Photo- Detektors PD 12 erfaßt wird. Andere Vorgänge stimmen mit denen der Vorrichtung gemäß Fig. 52 überein.

Wenn, wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 52, ein mit der Wellenlänge veränderbares Eingangssignal Sin an beide Enden der Spule CI 1 gelegt wird, erzeugt das Absorptionsspektrum der Standardsubstanz in dem Absorptionselement CL 1 eine Zeeman-Trennung, wodurch die Wellenlänge der gesättigten Absorption sich ändert. In den Fig. 54 bis 56 ist mit m _F ein Energieniveau bezeichnet, an dem die Zeeman-Trennung bzw. -Aufspaltung stattfindet und eine magnetische Modulation hervorruft. Die Zeeman-Trennung der entsprechenden Energieniveaus von Cs ist in den Fig. 54 bis 56 dargestellt. Fig. 54 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts eines 6²P_3/2-Erregungsniveaus von Cs. Fig. 55 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts eines Niveaus einer infinitesimalen Struktur von F = 4, bei dem der Grundzustand von Cs 6²S_1/2 ist. Fig. 56 zeigt ein Diagramm einer charakteristischen Kurve des Zeeman-Effekts des Niveaus einer infinitesimalen Struktur von F = 3, wobei der Grundzustand von Cs 6²S_1/2 ist. Wenn beispielsweise die Frequenz des Halbleiter- Lasers LD 1 auf das Absorptionsspektrum eingestellt wird, welches bei einer Verschiebung von F = 3 bei 6²S_1/2 zu = 2 von 6²P_3/2 erhalten wird, verschiebt sich das Absorptionsspektrum bei Anlegung eines magnetischen Feldes an das Absorptionselement CL 1 zu niedrigeren Frequenzen. Als Ergebnis davon verschiebt sich die Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD 1 gleichzeitig in Richtung niedrigerer Frequenzen.

Mit Ausnahme der Charakteristika einer Vorrichtung gemäß Fig. 52 ist eine so aufgebaute Vorrichtung zusätzlich dadurch charakterisiert, daß die Änderungen der gesättigten Absorptionsfrequenz groß gegenüber Änderungen des Magnetfelds sind, so daß die Empfindlichkeit zunimmt. Angesichts der Tatsache, daß die Weite des Absorptionsspektrums in der Vorrichtung gemäß Fig. 52 groß gegenüber der in Fig. 53 ist, kann die Ausgangsfrequenz nur auf den Mittelwert der Energieniveaus (F = 3 bis 5 in Fig. 54) der infinitesimalen Struktur eingesteuert werden. Daher wird die Empfindlichkeit kleiner als dieser.

Fig. 57 zeigt ein Blockdiagramm eines zwanzigsten Ausführungsbeispiels, bei dem die Schaltungen des Halbleiter- Laser-Wellenlängen-Stabilisators in einem IC- Element integriert sind. Mit 30 ist eine integrierte Photoschaltung, ein Photo-IC dargestellt, dessen Substrat beispielsweise aus GaAs oder ähnlichem besteht. Andere auf diesem Substrat gebildete Elemente werden im folgenden beschrieben. Mit LD 10 ist ein Halbleiter- Laser bezeichnet; mit 31 ein Lichtleitungspfad, auf den das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers fällt. Mit UM 10 wird ein akusto-optisches Ablenkungselement (Ultraschallablenkungselement) bezeichnet, auf das das aus dem Lichtpfad 31 tretende Licht fällt. 32 bezeichnet einen weiteren Lichtpfad, auf den das Ausgangslicht des akusto-optischen Ablenkungselements UM 10 fällt. Mit CL 10 wird ein Absorptionselement beschrieben, welches eine Standardsubstanz, inklusive Cs einschließt und in der Lage ist, Licht mit einer spezifischen Wellenlänge zu absorbieren. Das aus dem Lichtleitungspfad 32 tretende Licht fällt auf das Absorptionselement CL 10. Mit PD 10 ist ein Licht empfangendes Element bezeichnet, auf das das von dem Absorptionselement CL 10 austretende Licht fällt. 33 bezeichnet eine Steuereinrichtung, in die die elektrischen Ausgangssignale des Licht empfangenden Elements PD 10 eingegeben werden. In der Steuereinrichtung 33 wird ein Lock-In-Verstärker mit LA 10 bezeichnet, dessen Eingang mit dem Ausgang des Licht empfangenden Elements PD 10 verbunden ist. CT 20 ist eine elektrische Stromsteuerschaltung, die eine PID-Steuerschaltung aufweist, deren Eingang mit dem Ausgang des Lock-In-Verstärkers LA 10 und deren Ausgang mit einem Strominjektionseingang des Halbleiter-Lasers LD 10 verbunden ist. Mit SG 10 wird eine Signalerzeugungsschaltung, Oszillatorschaltung, mit einer Frequenz fm beschrieben, wobei beispielsweise fm = 2 kHz gilt. Einer der Ausgänge der Signalerzeugungsschaltung SG 10 dient als Referenzsignal- Eingang des Lock-In-Verstärkers LA 10. Mit SG 20 wird eine zweite Signalerzeugungsschaltung (Oszillatorschaltung) mit einer Frequenz f _D von beispielsweise 80 MHz beschrieben, deren Ausgang mit dem akusto-optischen Ablenkungselement UM 10 verbunden ist, wobei die zweite Signalerzeugungsschaltung mittels des Ausgangssignals der ersten Signalerzeugungsschaltung SG 10 moduliert wird.

Die Funktion der so aufgebauten Vorrichtung stimmt mit der des Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisators gemäß Fig. 25 überein. Ein so aufgebauter Halbleiter- Laser-Wellenlängen-Stabilisator hat die Eigenschaft, daß die Integration auf einem Chip möglich ist und die Vorrichtung daher klein aufgebaut und in Massenproduktion hergestellt werden kann und leicht einstellbar ist.

Fig. 58 gibt eine Tabelle wieder, anhand derer die Teile der in Fig. 57 dargestellten Vorrichtung realisiert werden können. Beispielsweise ist bei einem Silizium- Substrat eine Schaltung für elektrischen Strom monolithisch. In anderen Fällen ist die Schaltung hybrid aufgebaut. Im folgenden werden zur Erläuterung konkrete Beispiele aufgeführt.

Fig. 59 zeigt eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils eines Ausführungsbeispiels, bei dem der Halbleiter-Laser LD 10 monolithisch auf dem Substrat des Photo-IC 30 ausgeführt ist.

Fig. 60 zeigt eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils eines Ausführungsbeispiels mit einem hybriden Aufbau. Fig. 61 zeigt einen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel. In Fig. 60 wird die Endfläche des Lichtleitungspfads 31, der auf dem Substrat des Photo-IC′s 30 gebildet ist, direkt mit dem Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 10 bestrahlt. In Fig. 61 wird das Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers LD 10 über ein Prisma PR in den Lichtleiter 31 eingebracht.

Fig. 62 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel, bei dem wie in der Vorrichtung gemäß Fig. 57 eine Ausnehmung durch Ätzen oder ähnliche Verfahren in die Oberfläche des Substrats des Photo-IC 30 eingebracht ist. Darüber ist durch Beschichtung oder termische Oxidation eine Glasschicht 34 angeordnet. Eine Standardsubstanz ist in die Ausnehmung eingebracht, die mittels Schmelzverbindung mit einer Glasplatte 35 abgedeckt wird, so daß die Standardsubstanz in dem Absorptionselement CL 10 eingeschlossen ist.

Fig. 63 zeigt einen Schnitt eines weiteren konkreten Ausführungsbeispiels des Absorptionselements CL 10 der Ausführung in Fig. 57. In Fig. 63 ist der Lichtleitungspfad 32 auf dem Stubstrat 30 aus GaAs oder LiNbO₃ oder ähnlichem zusammengesetzt. Die Standardsubstanz auf dem Lichtleitungspfad 32 ist durch eine Abdeckung 36 abgedeckt und ist so angeordnet, daß sie mittels unterkritischer Effekte das durch den Lichtleitungspfad 32 tretende Licht des Halbleiter-Lasers absorbiert. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß es leichter als das gemäß Fig. 62 herstellbar ist.

Es ist festzuhalten, daß der Photo-Detektor sowohl in dem monolithischem Aufbau als auch in dem hybriden Aufbau der beiden Ausführungsbeispiele einbringbar ist.

Fig. 64 zeigt eine Draufsicht auf ein einundzwanzigstes Ausführungsbeispiel, bei dem das Spektrum gegenüber dem der Vorrichtung in Fig. 57 wesentlich schmaler ist. Auf dem Substrat 30 des Photo-IC′s sind zusätzlich folgende Elemente vorgesehen: Ein Lichtaufteilungselement OB 1, mit dem ein Teil des von dem Halbleiter- Laser LD 10 ausgehenden Ausgangslichtstroms abgezweigt wird; ein Licht-Resonanzelement FP 1, welches aus einem Fabry-Pèrot-Etalon besteht, auf welches das mittels des Lichtaufteilungselements OB 1 abgespaltene Ausgangslicht fällt; ein zweiter Photo-Detektor PD 3, auf welchen das Ausgangslicht des Licht-Resonanzelements FP 1 fällt; sowie ein Breitband-Verstärker A 2, der die elektrischen Ausgangssignale des Photo-Detektors PD 3 verstärkt und die verstärkten Signale zu einem elektrischen Injektionsstrom des Halbleiter-Lasers LD 10 zurückführt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Breitband-Verstärker A 2, was in Fig. 64 aus Gründen der Vereinfachung skizziert dargestellt ist, in dem Steuerelement 330 vorgesehen. Eine Resonanzkurve, welche von der zentralen Frequenz abweicht, des Licht-Resonanzelements FP 1 wird in Einklang gebracht mit der Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers LD 10. Phasenstörungen in dem Ausgangslichtsignal des Halbleiter- Lasers LD 10 werden von dem Photo-Detektor PD 3 erfaßt, nachdem diese in Amplituden-Modulationssignale umgewandelt wurden, und dessen elektrische Ausgangssignale werden mit negativen Vorzeichen über den Breitband-Verstärker A 2, dessen Bandbereich breiter als die Breite des Spektrums des Halbleiter-Laser-Lichtstrahls ist, in den elektrischen Treiberstrom (elektrischen Injektionsstrom) des Halbleiter-Lasers LD 10 eingegeben, wodurch die Phasenstörungen des Halbleiter-Lasers LD 10 reduziert werden, um das Spektrum noch schmaler zu machen (siehe M. Ohtsu und S. Kotajima; IEEE Journal of Quantum Electronics Vol. QE-21, No. 12 De 07671 00070 552 001000280000000200012000285910756000040 0002003643553 00004 07552cember, 1985).

Fig. 65(A), 65(B) zeigen perspektivische Ansichten wesentlicher Teile konkreter Ausführungsbeispiele des Fabry-Pèrot-Resonators FP 1, der auf dem Substrat 300 eines Photo-IC′s einer Vorrichtung gemäß Fig. 64 vorgesehen ist. Fig. 65(C) ist eine Draufsicht desselben wesentlichen Bereichs. In Fig. 65(A) ist eine Aussparung 70 in einem Teil des Lichtleitungspfads 61, welcher auf dem Substrat 300 angeordnet ist, sowie zwei Flächen 81, welche zum Teil die Aussparung 70 bilden und einander gegenüber liegen sowie mit Reflexionsschichten beschichtet sind und den Resonator bilden, dargestellt. Fig. 65(B) zeigt zwei Stege 62, die als Lichtleitungspfade dienen und so voneinander beabstandet sind, daß sie auf dem Substrat 300 hintereinander angeordnet, sind sowie Endflächen 82 der Stege 62, deren Oberflächen einander gegenüber angeordnet sind und eine reflektierende Schicht aufweisen und auf diese Weise den Resonator bilden. In Fig. 65(C) ist ein Material mit hohem Brechungsindex in einem Teil des auf dem Substat 300 vorgesehenen Lichtleitungspfads 63 eingebracht, so daß ein Resonator 83 gebildet wird.

Fig. 66 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels des wesentlichen Teils einer Vorrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Lichtresonators FP 1 in der Vorrichtung gemäß Fig. 65 (C). In Fig. 66 sind Elektroden 90 auf beiden Seiten des Resonators 63 in dem Substrat 300 vorgesehen. Die effektive Länge des Resonators 33 wird durch Änderung des Brechungsindexes des Resonators 33 mit Hilfe des elektrischen Stromes eingestellt, der zwischen den Elektroden 90 fließt. Bei einer anderen Vorrichtung zur Einstellung der Resonanzfrequenz wird ein Dünnfilmwiederstand als Heizung in der Nähe des Lichtresonanzelements auf dem Substrat vorgesehen und die Länge des Resonators durch termische Ausdehnung verändert. Schließlich wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem eine ferroelektrische Substanz als Material mit hohem Brechungsindex eingebracht wird und dieser mit Hilfe eines elektrischen Felds mit dem gleichen Aufbau wie in Fig. 66 verändert wird.

Wenn die Temperatur des Halbleiter-Lasers LD 10 und des Licht-Resonanzelements FP 1 auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird, werden Dünnfilmwiderstände als Wärmequelle verwendet. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die Wärmequellen in einem möglichst großen Abstand voneinander angeordnet sind, damit sie sich nicht gegenseitig stören.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 57 bis 66 wird das Verfahren der linearen Absorption zur Stabilisierung der Laser-Wellenlänge verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine Vorrichtung als IC auszulegen, die nach dem Verfahren der gesättigten Absorption arbeitet.

Fig. 67 zeigt ein Blockdiagramm eines zweiundzwanzigsten Ausführungsbeispiels, bei dem die Absorptionswellenlänge der Standardsubstanz mit Hilfe eines magnetischen Felds moduliert wird. So weit die Vorrichtung von der gemäß Fig. 25 abweicht, wird sie im folgenden beschrieben. CI 1 bezeichnet eine um das Absorptionselement bzw. die Absorptionszelle CL 1 gewundene Spule, die dazu dient, ein elektrisches Feld einwirken zu lassen. Das durch den Strahlungsteiler BS 1 tretende Licht fällt auf das Absorptionselement CL 1 und die Ausgangssignale des Signalgenerators SG 1 dienen dazu, einen elektrischen Strom fließen zu lassen, der mittels der Spule CI 1 mit einer Frequenz fm von beispielsweise 2 kHz moduliert wird, wobei die Ausgangssignale für den Lock-In-Verstärker LA 1 als Referenzsignale dienen. Dadurch, daß die Ausgangssignale des Generators SG 1 an beide Enden der Spule CI 1 angelegt werden, fließt ein durch die Spule CI 1 modulierter Strom, so daß ein elektrisches Feld aufgebaut wird, dessen Intensität sich mit der Frequenz fm ändert. Entsprechend den Änderungen im Magnetfeld ändert sich die Absorptionswellenlänge der in dem Absorptionselement CL 1 vorgesehenen Standardsubstanz aufgrund des Zeeman-Effekts. Als Ergebnis fallen Laserstrahlen auf das Absorptionselement CL 1. Signale sind im Ausgang enthalten, wenn der Betrag des durchtretenden Lichts, wie in Fig. 68 dargestellt, nur an der Stelle des Absorptionssignals moduliert wird. Es wird hier unterstellt, daß das magnetische Feld bei einem bestimmten Wert der Frequenz fm in einem Bereich von 0 moduliert wird. γ _s ist die Absorptionsfrequenz für den Fall, daß der elektrische Ausgangsstrom 0 ist, d. h., wenn das magnetische Feld 0 ist, und wenn f _D der Grad ist, mit dem sich die Absorptionsfrequenz des angelegten magnetischen Felds in der Zeit ändert. Dieses Signal wird mit Hilfe des Photo- Detektors PD 1 in ein elektrisches Signal umgewandelt und dann mit der Frequenz fm in dem Lock-in-Verstärker LA 1 über den zwischengeschalteten Verstärker A 1 gleichgerichtet, wodurch eine primäre Differentialwellenform erhalten wird, wie sie in dem charakteristischen Diagramm gemäß Fig. 29 dargestellt ist. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 25 liefert das Ausgangssignal des Halbleiter-Lasers eine stabile Frequenz von γ _s - f _D/2, wenn das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers LA 1 mit der Mitte der oben beschriebenen primären Differentialwellenform verriegelt wird, bzw. auf diese eingesteuert wird.

Bei dem beschriebenen Halbleiter-Laser-Wellenlängen- Stabilisator wird keine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet. Es ist daher möglich, nicht modulierte Ausgangssignale, die eine sehr stabile Verzögerungsfreiheit aufweisen, mit diesem Ausführungsbeispiel zu erhalten, das sehr kompakt und in der Herstellung preiswert ist. Da keine akusto-optische Ablenkungseinheit verwendet wird, wird auch wenig Wärme freigegeben, so daß der Energieverbrauch reduziert wird.

Darüber hinaus kann die Wirkung der gesättigten Absorption an Stelle der linearen Absorption ausgenützt werden, wenn in den Bereich B in Fig. 67 der Aufbau gemäß Fig. 53 eingesetzt wird. Eine Vorrichtung mit diesem Aufbau hat außer den Vorteilen, die eine Vorrichtung gemäß Fig. 67 aufweist, den Vorteil, daß das Spektrum der gesättigten Absorption auch bei einer schwachen Modulation des elektrischen Feldes variiert werden kann, da die Änderungen der Frequenz der gesättigten Absorption gegenüber den Änderungen der Größe des magnetischen Feldes groß sind. Die Empfindlichkeit gegenüber Änderungen in dem magnetischen Feld ist groß.

Claims

1. Schaltung zum Erzeugen bzw. Wobbeln optischer Frequenzen bzw. Halbleiter-Laser-Wellenlängen-Stabilisator, dadurch gekennzeichnet, daß eine Referenzwellenlängen-Lichtquelle sowie optische phasenverriegelte Schaltungen vorgesehen sind, die eine Wellenlänge eines optischen Ausgangssignals so steuern, daß es mit der Oszillationswellenlänge der Referenzwellenlängen-Lichtquelle korrespondiert, und daß die Wellenlänge des optischen Ausgangssignals des optischen phasenverriegelten Schaltkreises variabel ist.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Photo-Modulationselement zur Modulation des optischen Ausgangssignals des phasenverriegelten Schaltkreises sowie durch ein Photo-Verstärkungselement zur Verstärkung des optischen Ausgangssignals des Photo-Modulationselements.

3. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellen-Lichtquelle mehrere Oszillationswellenlängen aufweist, und daß die optische phasenverriegelte Schaltung die Wellenlängen des optischen Ausgangssignals so steuert, daß sie mit mehreren Oszillationswellenlängen korrespondieren.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle mit dem optischen phasenverriegelten Schaltkreis verbunden ist, der zwischen mehreren optischen phasenverriegelten Schaltkreisen angeordnet ist, welche nacheinander miteinander verbunden sind, und daß Strahlen des Ausgangslichts des optischen phasenverriegelten Schaltkreises so angeordnet sind, daß sie ein vorgegebenes Frequenzintervall gegenüber dem eingegebenen Licht aufweisen.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Fabry-Pèrot-Etalon, in den auf dem Ausgangslicht des optischen phasenverriegelten Schaltkreises beruhendes Licht eingegeben wird, und der das optische Ausgangssignal in dem vorgegebenen Wellenlängenintervall abgibt.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht des optischen phasenverriegelten Schaltkreises auf ein Absorptionselement fällt, welches eine Standardsubstanz einschließt, und daß durchtretendes Licht einer Absorption in einer spezifischen Wellenlänge unterworfen wird und als Markierungslicht abgegeben wird.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzwellenlängen-Lichtquelle eine Vorrichtung verwendet wird, bei der die Oszillationswellenlänge einer Laserdiode auf das Absorptionsspektrum von Rb-Atomen, Cs-Atomen, NH₃-Atomen oder H₂O-Molekülen eingestellt wird.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzwellenlängen-Lichtquelle eine Vorrichtung verwendet wird, bei der die Oszillationsfrequenz einer Laserdiode auf mindestens ein Absorptionsspektrum einer D₂-Linie (780 nm) und eine D₁- Linie (795 nm) des Rb-Atoms eingestellt wird, wobei der optische phasenverriegelte Schaltkreis Licht eines Wellenlängenbandes abgibt, das doppelt so breit ist wie das der Oszillationswellenlänge.

9. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die optische phasenverriegelte Schaltung folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz-Detektor, welcher als Eingangssignal von einer Seite das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle empfängt; eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, bei der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels eines auf dem elektrischen Ausgangssignal des optischen Interferenz-Detektors beruhenden Signals gesteuert wird, wobei das Licht, welches zu dem Ausgangslicht der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge gehört, an den optischen Interferenz-Detektor als Eingangssignal von der anderen Seite eingegeben wird.

10. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische phasenverriegelte Schaltkreis folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz- Detektor, welcher als Eingangssignal von der einen Seite das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle empfängt, eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, bei der die Oszillationswellenlänge des abgegebenen Lichts durch das Ausgangssignal des optischen Interferenz- Detektors gesteuert wird; sowie eine optische Frequenzverschiebeschaltung, die die Frequenz des Lichts gegenüber dem Ausgangslicht der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge verschiebt, wobei auf dem Ausgangslicht der optischen Frequenzverschiebungsschaltung beruhendes Licht als Eingangssignal von der anderen Seite dem optischen Interferenz-Detektor eingegeben wird.

11. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der optische phasenverriegelte Schaltkreis folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz- Detektor, in den von einer Seite als Eingangssignal das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle eingegeben wird, eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, bei der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts mittels des elektrischen Ausgangssignals des optischen Interferenz-Detektors gesteuert wird, sowie eine optische Frequenz-Multipliziereinrichtung, welche die Frequenz des Ausgangslichts der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge multipliziert und welche das Ausgangslicht der Lichtquelle als Eingangssignal der anderen Seite an den optischen Interferenz-Detektor leitet.

12. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische phasenverriegelte Schaltkreis folgende Elemente aufweist: einen optischen Interferenz- Detektor, der als Eingangssignal der einen Seite das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen- Lichtquelle empfängt; eine Mischstufe, in die das elektrische Ausgangssignal des optischen Interferenz- Detektors eingegeben wird, sowie eine Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge, in der die Oszillationswellenlänge des Ausgangslichts durch das elektrische Ausgangssignal der Mischstufe gesteuert wird, wobei Licht, welches als Ausgangslicht von der Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge abgegeben wird, in den optischen Interferenz-Detektor als Eingangssignal von der anderen Seite eingegeben wird.

13. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß Anteile der FM-Modulationsfrequenz aus dem Ausgangslichtsignal der optischen phasenverriegelten Schaltung dadurch entfernt werden, daß die Mischstufe ein Signal als zweites Eingangssignal erzeugt, welches eine Frequenz aufweist, die durch Addition der FM-Modulationsfrequenz der Referenzwellenlängen- Lichtquelle und der Verschiebungsfrequenz entsteht.

14. Schaltung nach einem der Ansprüche 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Interferenz-Detektor folgende Elemente aufweist: eine Wellenlängenstabilisierungs- Lichtquelle; eine optische Frequenzmischstufe, in die sowohl das Ausgangssignal der Wellenlängenstabilisierungs- Lichtquelle als auch das Ausgangslicht der optischen Frequenz-Multipliziereinrichtung eingegeben werden; einen Photo-Detektor, in den das Ausgangslicht der optischen Frequenz-Multipliziereinrichtung und das Ausgangslicht der Referenzwellenlängen-Lichtquelle eingegeben wird.

15. Schaltung nach einem der Ansprüche 9, 10, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eine abstimmbare Laserdiode aufweist, die durch den Einsatz eines optische Beugung erzeugenden Ultraschall-Modulators eine Wellenlängenselektivität aufweist, wobei die abstimmbare Laserdiode innerhalb eines Resonators angeordnet ist.

16. Schaltung nach einem der Ansprüche 9, 10, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle zur Erzeugung von Licht variabler Wellenlänge eine abstimmbare Laserdiode aufweist, mit welcher der Brechungsindex eines Lichtleitungspfades innerhalb des Resonators steuerbar ist.

17. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle so ausgebildet ist, daß auf dem nicht-modulierten Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers beruhendes Licht auf ein Absorptionselement fällt, wobei durch das Absorptionselement getretenes Ausgangslicht auf der Basis eines Frequenzmodulationssignals mittels einer Modulationseinrichtung amplitudenmoduliert ist durch die Absorptionseigenschaften des Absorptionselements, wobei durch das Absorptionselement tretendes Licht durch einen Photo-Detektor in elektrische Signale umgewandelt wird, und wobei in eine Steuereinrichtung auf diesen elektrischen Signalen beruhende Eingangssignale eingegeben werden, wodurch die Oszillationswellenlänge des Halbleiter-Lasers gesteuert wird.

18. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle folgende Elemente aufweist: eine Modulationseinrichtung zur Erzeugung einer Frequenzmodulation, auf die ein Teil des Ausgangslichts des Halbleiter-Lasers einfallen gelassen wird; ein eine Standardsubstanz einschließendes Absorptionselement, welches bei einer gegebenen Wellenlänge eine Absorption hervorruft, und auf welches Ausgangslicht der Modulationseinrichtung einfallen gelassen wird; einen Photo-Detektor, der durch das Absorptionselement tretendes Licht in elektrische Signale umwandelt; sowie eine Steuerschaltung zur Steuerung der Oszillationsfrequenz des Halbleiter-Lasers, in die auf den elektrischen Ausgangssignalen des Photo-Detektors beruhende Signale eingegeben werden.

19. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung einen Lock-in-Verstärker aufweist, in den auf den elektrischen Ausgangssignalen des Photo-Detektors beruhende Eingangssignale eingegeben werden, und der bei einer Modulationsfrequenz der Modulationseinrichtung oder bei einem ungeraden Vielfachen davon eine synchrone Gleichrichtung ausführt, sowie eine Steuerschaltung umfaßt, die einen elektrischen Strom des Halbleiter- Lasers oder dessen Temperatur so steuert, daß das Ausgangssignal des Lock-in-Verstärkers einen bestimmten Wert annimmt.

20. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine acousto-optische Ablenkungseinheit als Modulationseinrichtung verwendet wird.

21. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationseinrichtung ein Phasenmodulator mit einem elektro-optischen Element verwendet wird.

22. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß Rb oder Cs als Standardsubstanz verwendet wird.

23. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reflexionselement verwendet wird, welches das durch das Absorptionselement tretende Licht reflektiert und auf das Absorptionselement wieder einfallen läßt.

24. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Absorptionselements einen aus durchlässigem Material bestehenden Behälter aufweist, und daß die Fläche des Behälters, auf die das Licht einfällt, und daß die Fläche des Behälters, durch die das Licht austritt, mit einem vorgegebenen Winkel gegenüber der senkrecht auf einer Mittelachse des Behälters stehenden Ebene geneigt sind.

25. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Ausgangslichts des Halbleiter-Lasers auf eine durch die Standardsubstanz in dem Absorptionselement verlaufende optische Faser fällt, und daß unterkritisch gedämpfte Anteile des durch die optische Faser verlaufenden Lichts verwendet werden.

26. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle einen Verstärker mit veränderbarem Verstärkungsfaktor aufweist, der zwischen dem Photo-Detektor und einem Halbleiter-Laser-Leitungsweg angeordnet ist, wobei der Verstärkungsfaktor des Verstärkers mit veränderbarem Verstärkungsfaktor mittels Signalen gesteuert wird, die im Zusammenhang mit den Ausgangssignalen des Photo-Detektors stehen.

27. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle eine Temperatursteuerungseinheit aufweist, die die Temperatur des Absorptionselements auf einen vorgegebenen Wert einstellt.

28. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle so ausgebildet ist, daß das Absorptionselement mit zumindest einer Schicht aus magnetischem Material und einer Schicht aus adiabatischem Material versehen ist.

29. Schaltung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle eine Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes aufweist, dessen Wert einem an das Absorptionselement abgegebenen Eingangssignal entspricht, wobei ein Laserstrahl abgegeben wird, dessen Wellenlänge in Übereinstimmung mit dem Eingangssignal variiert.

30. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen- Lichtquelle folgende Elemente umfaßt: eine Vielzahl von Modulationseinrichtungen, die bei verschiedenen Modulationsfrequenzen eine Frequenzmodulation durchführen und auf die ein Teil des Ausgangslichtstroms einer Vielzahl von Halbleiter- Lasern fällt; ein eine Standardsubstanz einschließendes Absorptionselement, das eine Absorption bei mehreren spezifischen Wellenlängen erzeugt und das mit den Ausgangslichtströmen einer Vielzahl der Modulationseinrichtungen beaufschlagt wird; einen Photo-Detektor, der durch das Absorptionselement durchtretendes Licht in elektrische Signale umwandelt; sowie eine Steuereinrichtung für die Oszillationswellenlänge des Halbleiter-Lasers, in die auf den Ausgangssignalen des Photo-Detektors basierende Signale eingegeben werden.

31. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle so ausgebildet ist, daß auf demselben Substrat folgende Elemente angeordnet sind: eine Modulationseinrichtung, auf die über einen Lichtleitungspfad die Ausgangssignale des Halbleiter-Lasers einfallen; ein Absorptionselement, welches eine Standardsubstanz einschließt, die bei einer spezifischen Wellenlänge eine Absorption hervorruft, wobei über den Lichtleitungspfad das Ausgangslicht der Modulationseinrichtung auf das Absorptionselement einfällt; einen Photo-Detektor zur Umwandlung von durch das Absorptionselement hindurchtretenden Lichts in elektrische Signale sowie eine Steuereinrichtung zur Steuerung eines elektrischen Stroms oder einer Temperatur des Halbleiter-Lasers entsprechend den mit den elektrischen Ausgangssignalen des Photo-Detektors zusammenhängenden elektrischen Signalen.

32. Schaltung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorptionselement so ausgebildet ist, daß mittels Glasbeschichtung oder mittels Oxidation eine Glasschicht auf einer in die Oberfläche des Substrats eingebrachte Ausnehmung angeordnet ist, und daß das Absorptionselement mit Hilfe einer Glasplatte eine Standardsubstanz einschließt.

33. Schaltung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung mit einem Lock-in-Verstärker ausgestattet ist, der bei einer mit der Modulationsfrequenz der Modulationseinrichtung zusammenhängenden Frequenz eine synchrone Gleichrichtung bewirkt.

34. Schaltung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationseinrichtung eine acousto-optische Ablenkungseinheit verwendet wird.

35. Schaltung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulationselement ein Phasenmodulator verwendet wird, der ein elektro-optisches Element aufweist.

36. Schaltung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle so ausgebildet ist, daß auf dem Substrat folgende Elemente angeordnet sind: ein Lichtaufteilungselement, das einen Teil des Ausgangslichts des Halbleiter-Lasers abzweigt; ein Licht-Resonanzelement, auf das das von dem Lichtaufteilungselement abgezweigte Licht einfällt; ein zweiter Photo-Detektor, auf den das Ausgangslicht des Licht-Resonanzelements fällt; sowie ein Breitband-Verstärker zur Verstärkung des elektrischen Ausgangssignals des Photo-Detektors, der das elektrische Ausgangssignal an einen elektrischen Injektionsstrom für den Halbleiter-Laser abgibt.

37. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzwellenlängen-Lichtquelle folgende Elemente aufweist: ein eine Standardsubstanz einschließendes Absorptionselement, welches bei spezifischen Wellenlängen eine Absorption erzeugt und auf das mit dem Ausgangslicht des Halbleiter-Lasers zusammenhängendes Licht einfallen gelassen wird; eine Einrichtung zur Erzeugung eines auf das Absorptionselement einwirkenden magnetischen Feldes; eine Modulationseinrichtung zur Änderung der Intensität des von der Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes abgegebenen Magnetfelds mit einer festen Frequenz; sowie einen Photo-Detektor, der durch das Absorptionselement hindurchtretendes Licht in elektrische Signale umwandelt, wobei ein elektrischer Strom oder eine Temperatur des Halbleiter- Lasers mittels auf elektrischen Ausgangssignalen des Photo-Detektors beruhenden Signalen gesteuert wird.

38. Verfahren zur Erzeugung optischer Frequenzen mit Hilfe der Schaltung nach Anspruch 1 bis 37.