DE4212777C2 - Laserdioden-Anordnung für Atomresonanzeinrichtungen, insbesondere für Atomfrequenznormale - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Laserdioden-Anordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Laserdioden-Anordnungen dieser Art sind bekannt und werden für verschiedenartigste Atomresonanzanordnungen benutzt (C. E. Wiemann, L. Hollberg, Rev. Sci. Instrum. 62(1), January 1991, Seiten 1 bis 20). Die Ausgangsleistung und die Frequenz einer Laserdiode sind abhängig sowohl vom Diodenstrom als auch von der Arbeitstemperatur. Fig. 1 zeigt schematisch diese Abhängigkeit für eine Laserdiode mit einer Emission bei 780 nm. Aus diesem Diagramm ergibt sich, daß sowohl die Leistung als auch die Frequenz über den Diodenstrom oder die Arbeitstemperatur geregelt werden kann. Zur Leistungsregelung wird beispielsweise die von der Laserdiode abgestrahlte Leistung mittels einer Fotozelle gemessen. Weicht die gemessene Leistung von einem vorgegebenen Sollwert ab, so wird mit dieser Größe unmittelbar der Strom der Laserdiode über eine steuerbare Stromquelle korrigiert.

Zur Frequenzregelung von Laserdioden wird meist eine Temperaturregelung angewendet. So ist es beispielsweise bekannt, bei einer Laserdiode, die als Pumplichtquelle für die Rubidiumgaszelle eines Atomfrequenznormals benutzt wird, das aus der Rubidiumgaszelle austretende Laserlicht mit einer Fotozelle zu messen. Stimmt die Frequenz des Laserlichts mit einer Absorptionslinie der in der Gaszelle enthaltenen Rubidiumatome überein, so wird mit der Fotozelle eine Resonanzabsorption registriert. Um hierbei die Laserfrequenz genau auf die Mitte der Resonanzabsorption abzustimmen wird unter Verwendung eines Temperaturregelkreises die Frequenz der Laserdiode entsprechend geändert. Dazu wird der Laserstrom mit einer Frequenz, die unter 1 MHz liegt, moduliert. Es entsteht eine Frequenzmodulation des Laserlichtes mit einem Hub von beispielsweise etwa 3 GHz/mA. Wenn die Laserfrequenz im Bereich der Atomresonanz liegt, wird in der Fotozelle eine Amplitudenmodulation des Fotozellenstromes im Rhythmus dieser Frequenzmodulation festgestellt. Das Ausgangssignal der Fotozelle wird einem phasensensitiven Gleichrichter zugeführt, der von der Modulationsfrequenz gesteuert ist. Auf diese Weise wird eine Diskriminatorkurve erhalten, die einen Nulldurchgang besitzt, wenn die Laserlinie genau im Mittelpunkt der Atomresonanz liegt. Dieses Signal des Frequenzdiskriminators wird im Temperaturregelkreis zur Regelung der Arbeitstemperatur der Laserdiode benutzt. Zu diesem Zweck ist die Laserdiode auf einer Wärmesenke befestigt, die eine Heiz- und/oder Kühleinrichtung aufweist und die beispielsweise aus Peltier-Elementen oder geheizten Trägerplatten besteht. Durch Regeln der Temperatur dieser Wärmesenke kann die Frequenz der Laserdiode entsprechend geändert werden.

Es sind auch schon Laserdioden-Anordnungen dieser Art bekannt, bei denen zwei getrennte Temperaturregelkreise vorgesehen sind, deren Regelzeitkonstanten so gewählt sind, daß die Temperatur der Laserdiode sehr genau auf einen vorgegebenen Wert gehalten wird
(WIEMANN, C. E., HOLLBERG, L.:
Using diode lasers for atomic physics. In US-Z.: Rev. Sci. Instrum., Vol. 62, No. 1, 1991, S. 7;
IKEGAMI, T. et al.:
Development of a frequency-stabilized compact light source for an optically pumped Cs frequency standard.
In US-Z.: Rev. Sci. Instrum., Vol. 61, No. 12, 1990, S. 3719-3721
JP 2-11 22 95 (A)
JONSON, L. A.:
Controlling temperatures of diode lasers and detectors thermoelectrically
In US-Z.: Lasers and Optronics, April 1988, S. 109-114).

Ein Nachteil dieser bekannten Laserdiodenanordnungen zur Temperaturregelung ist, daß die hierbei verwendeten Wärmesenken eine relativ hohe thermische Regelzeitkon­ stante besitzen, also nur langsam in der Zeit von einigen Sekunden über die Temperatur die Frequenz regeln können. Wenn schnellere Frequenzschwankungen des Laserlichts ausgeregelt werden sollen, wird bisher eine Regelung des Diodenstromes benutzt. Über den Diodenstrom kann die Frequenz des Laserlichtes mit einer Zeitkonstante in der Größenordnung von ms geregelt werden. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß damit aber gleichzeitig wieder eine entsprechende Leistungsänderung auftritt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laserdioden-Anordnung zu schaffen, bei der sowohl die Frequenz als auch die Leistung gleichzeitig mit Zeitkonstanten in der Größen­ ordnung von Millisekunden geregelt werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Laserdioden-An­ ordnung laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen insbesondere bezüglich der verschiedenen Regel­ möglichkeiten einer derartigen Laserdioden-Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der erfindungsgemäßen Laserdioden-Anordnung ist zusätzlich zu der nur relativ langsam in der Größenordnung von einigen Sekunden regelnden Wärmesenke ein zusätzliches Heizelement vorgesehen, mit dem sehr schnell in der Größenordnung von ms Temperaturänderungen an der Laser­ diode vorgenommen werden können, so daß mit einer Zeit­ konstante von einigen ms über eine Temperaturänderung die Frequenz der Laserdiode regelbar ist. Erreicht wird diese geringe thermische Zeitkonstante dadurch, daß die thermische Masse dieser Zusatzheizung so klein wie möglich gewählt wird und auch die Wärmeleitung zwischen dem zusätzlichen Heizelement und der Laserdiode sehr gut gewählt wird. Es ist nur darauf zu achten, daß diese zusätzliche Heizung unabhängig ist vom Speisestrom der Laserdiode. Erreicht wird dies in der Praxis beispiels­ weise dadurch, daß der Laserkristall, der infolge seiner geringen Abmessungen eine sehr geringe thermische Trägheit besitzt, über dünne Trägerplättchen mit dem zusätzlichen Heizelement verbunden wird und zwar mit extrem guter Wärmeleitfähigkeit. Der zusätzliche Heizwiderstand könnte auch unmittelbar im Laserkristall selbst integriert sein.

Eine Laserdioden-Anordnung dieser Art mit einer Regel­ zeitkonstante von nur einigen ms eignet sich auf ver­ schiedene Weise zur gleichzeitigen Regelung der Leistung und der Frequenz, wie dies Gegenstand der Unteransprüche ist. So ist es beispielsweise möglich, über eine Regelung der Diodentemperatur die Frequenz der Laserdiode relativ schnell mit einer Zeitkonstante von einigen ms zu regeln, wobei gleichzeitig die von der Frequenzregelung her­ rührenden unerwünschten Leistungsänderungen über den Diodenstrom mit einer wesentlich kürzeren Zeitkonstante ausgeregelt werden, so daß sie sich praktisch nicht aus­ wirken. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Leistung und Frequenz gleichzeitig mit vergleichbar großen Zeit­ konstanten auszuregeln und gleichzeitig dafür zu sorgen, daß in erster Näherung die Frequenzregelung die Leistungsregelung und umgekehrt auch die Leistungsregelung die Frequenzregelung nicht beeinflußt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 2 zeigt den mechanischen Aufbau einer erfindungs­ gemäßen Laserdioden-Anordnung, Fig. 3 zeigt den zuge­ hörigen Regelkreis zur Ausführung der nachfolgend näher beschriebenen Regelverfahren.

Fig. 2 zeigt den Aufbau einer Laserdioden-Anordnung wie sie beispielsweise als Lichtquelle zum optischen Pumpen bei Atomfrequenznormalen angewendet wird. Der Laser­ kristall 1 von beispielsweise nur wenigen 100 µm in Längs- und Querrichtung und beispielsweise nur 100 µm Dicke ist mit seiner der Oberseiten-Kontaktfläche 2 gegenüber­ liegenden nicht sichtbaren Unterseiten-Kontaktfläche auf der metallisierten Oberfläche 3 eines dünnen Plätt­ chens 4 aus Aluminiumnitrid befestigt, das Plättchen 4 besitzt beispielsweise nur eine Dicke von 0,1 mm. Dieses dünne Plättchen 4 wird über eine sehr dünne Klebeschicht 6 auf ein zweites dünnes Plättchen 5 wiederum aus Alumi­ niumnitrid aufgeklebt, auch dieses Plättchen 5 besitzt beispielsweise nur eine Dicke von 0,1 mm. Auf der der Klebstoffschicht 6 zugewandten Oberseite dieses Plättchens 5 ist ein Dünnschicht-Heizwiderstand aufgebracht, von dem nur seine seitlichen Kontaktflächen 7 und 8 sichtbar sind. Das Plättchen 5 ist auf einer üblichen Wärmesenke 9 befestigt, die ein nicht dargestelltes elektrisches Heizelement und/oder ein entsprechendes Kühlelement, beispielsweise ein Peltier-Element aufweist.

Fig. 3 zeigt den zugehörigen Regelkreis zum Regeln der Leistung und Frequenz des Lasers in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Laserdiode 1 steht in thermischem Kontakt mit einem Heizwiderstand 11, welcher seinerseits mit einer geregelten Temperatursenke 9, hier als Peltier­ element angegeben, in thermischer Verbindung steht. Zur Leistungsregelung dient die Photozelle 12, auf die ein Teil des Laserlichtes fällt und deren Signal eine steuer­ bare Stromquelle 13 steuert, deren Sollwert über den Sollwertsteller 14 bestimmt wird, und die die Laserdiode versorgt. Die Stromquelle 13 wird außerdem von einem HF-Generator 15 moduliert. Die Modulationsfrequenz muß höher sein als die Regelbandbreite der Regelschleife (1, 12, 13, 14) für die Leistungsregelung, weil diese sonst in ungewollter Weise die Strommodulation ausregelt. Ein weiterer Teil des Laserlichtes fällt durch die Absorp­ tionszelle 16 auf die Photozelle 17. Das Signal dieser Photozelle 17 wird einem phasenempfindlichen Detektor 18 zugeführt, der von der Modulationsfrequenz gesteuert wird. Sein Ausgangssignal steuert den Heizwiderstand 11, welcher die Frequenz des Lasers beeinflußt. Der Heiz­ widerstand 11 wird nur für sehr kleine Temperaturände­ rungen ausgelegt, seine Grundlast wird über den Soll­ wertsteller 19 eingestellt. Bei Abweichungen von seiner Grundlast über längere Zeit wird das Peltierelement 9 nachgeregelt. Frequenzbestimmende Glieder, insbesondere Tiefpässe oder Integratoren, sind zur Vereinfachung im Prinzipschaltbild weggelassen.

Über die Leistungsregelung werden spontane Leistungs­ schwankungen der Laserdiode ausgeregelt. Diese erzeugen aber zusätzliche Frequenzschwankungen, die sich zu spon­ tanen Frequenzschwankungen der Laserdiode addieren. Diese Frequenzschwankungen werden durch die Laserdioden-Anord­ nung nach Fig. 2 relativ schnell ausgeregelt. Da die Frequenzregelung über eine Temperaturänderung wiederum zu einer Beeinflussung der Leistung der Laserdiode führt, arbeitet dieses Regelverfahren nur dann stabil, wenn eine spontane Leistungsschwankung, die durch die Strom­ regelung ausgeregelt wird, über die induzierte Frequenz­ änderung nach erfolgter Frequenzregelung zu einer wesentlich kleineren Leistungsschwankung führt, als die ursprüngliche spontane Leistungsschwankung betrug. Nur in diesem Falle konvergiert die Regelkette und führt zu einem stabilen Wert. Angenommen, bei einer Laserdiode mit einer Kennlinie nach Fig. 1 beträgt die Laserleistung 5 mW. Eine relative Leistungsschwankung betrage 10^-3. Eine derartige Leistungsschwankung könnte durch eine Stromänderung von 10 µA ausgeregelt werden. Diese Strom­ änderung würde aber gleichzeitig eine zusätzliche Fre­ quenzänderung von 30 MHz ergeben. Wenn diese Frequenz­ änderung über die Temperatur ausgeregelt wird, so ist dafür eine Temperaturänderung von 1 mK erforderlich. Diese Temperaturänderung wiederum hat eine Leistungsän­ derung von 0,2 µW zur Folge. Dies entspricht einer Leistungsabweichung von 4·10^-5 gegenüber anfänglich 10^-3. Daraus ist ersichtlich, daß für diesen Diodentyp die Regelung stabil ist. Für den gleichen Diodentyp wäre die Regelung jedoch instabil, wenn die Leistung über die Temperatur und die Frequenz über den Strom geregelt würde. Für die Praxis ergibt sich daraus die Regel, daß je nach Art der Kennlinien der Laserdiode entweder die eine oder die andere Regelkombination (Frequenz über Temperatur und Leistung über Strom oder umgekehrt) stabil ist, wenn für einen bestimmten Diodentyp die eine Regel­ möglichkeit instabil ist, wird die andere Regelmöglichkeit gewählt, die dann stabil ist.

Mit der erfindungsgemäßen Laserdioden-Anordnung ist auch eine andere Möglichkeit zur simultanen Leistungs- und Frequenzregelung möglich. Bei Feststellung einer Abwei­ chung der Leistung von einem vorgegebenen Sollwert wird eine entsprechende Korrektur des Diodenstromes vorgenommen und gleichzeitig eine Korrektur der Temperatur mit umge­ kehrten Vorzeichen. Diese Korrektur von Temperatur und Strom erfolgt dabei mit gleicher Zeitkonstante, was durch entsprechende Wahl zeitbestimmender Glieder im Regelkreis erreicht werden kann. Das Verhältnis von Temperaturände­ rung und Stromänderung wird dabei so gewählt, daß die resultierende Änderung gemäß Fig. 1 jeweils parallel zu den Kennlinien konstanter Frequenz erfolgt und daher die Laserfrequenz unbeeinflußt bleibt. In entsprechender Weise wird bei einer Abweichung der Frequenz vom Sollwert (Mittelpunkt der gewählten Atomresonanz bei einem Atom­ frequenznormal) sowohl eine Korrektur der Temperatur als auch eine gleichsinnige Korrektur des Stroms vorge­ nommen. Das relative Verhältnis dieser beiden Änderungen wird dabei so gewählt, daß in Fig. 1 die Änderung parallel zu den Linien konstanter Leistung erfolgt und so die Leistung unbeeinflußt bleibt. Durch Änderung von Tempera­ tur und Strom jeweils mit der gleichen Zeitkonstante wird erreicht, daß nicht zwischenzeitlich Abweichungen von der gewählten Regelrichtung entstehen.

Die thermische Zeitkonstante der Anordnung in Fig. 2 liegt in der Größenordnung von ms, während die Leistungs­ regelung über den Strom mit wesentlich kleinerer Zeitkon­ stante möglich ist. Die Art des Aufbaus der Laserdio­ den-Anordnung nach Fig. 2 und die damit erreichbare Zeitkonstante wird daher im allgemeinen die bestimmende Größe für die gesamte Ausregelung von Leistung und Fre­ quenz nach dem obigen Verfahren sein, die Leistungsrege­ lung über den Strom wird daher im allgemeinen an die erreichbare Zeitkonstante der Temperaturänderung angepaßt werden.

Claims (5)

1. Laserdioden-Anordnung für eine Atomresonanzeinrichtung, insbesondere für ein Atomfrequenznormal, bei der die Laserdiode (1) auf einer Wärmesenke (9) befestigt ist, deren Temperatur über einen Temperaturregelkreis regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserdiode (1) ein zusätzliches Heizelement (7, 8) von geringer thermischer Masse zugeordnet ist, das in gutem Wärmekontakt mit der Laserdiode (1) steht und dessen Regelzeitkonstante kleiner als die der Wärmesenke (9) ist und in der Größenordnung von Millisekunden liegt, und auch dieses zusätzliche Heizelement (7, 8) über den Temperaturregelkreis wie die Wärmesenke (9) geregelt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laserdiode (1) auf einem ersten dünnen Plättchen (4) aus einen Isolator mit hoher Wärmeleitfähigkeit befestigt ist, das seinerseits über eine dünne Klebstoffschicht (6) auf einem zweiten dünnen Plättchen (5) aus einem Isolator mit hoher Wärmeleitfähgikeit aufgeklebt ist, wobei auf der der Klebstoffschicht (6) zugewandten Seite dieses zweiten Plättchens (5) ein Dünnschichtwiderstand als zusätzliches Heizelement (7, 8) aufgebracht ist und das zweite Plättchen (5) mit seiner Rückseite auf der Wärmesenke (9) befestigt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Heizelement (7, 8) aus einem dünnen Siliziumplättchen mit einem eindiffundierten oder implantierten Heizwiderstand unter einer sehr dünnen Siliziumoxid- oder -nitridschicht besteht, und diese dünne Siliziumoxid- oder -nitridschicht die Metalli­ sierung für den Rückseitenkontakt der Laserdiode trägt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über den Temperaturregelkreis die Frequenz der Laserdiode (1) und über einen zusätzlichen Stromregelkreis gleichzeitig die Leistung der Laserdiode (1) durch Änderung des Diodenstromes geregelt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Regelzeitkonstante des Temperaturregelkreises gleich derjenigen des Strom­ regelkreises gewählt ist und die beiden Regelkreise so ausgebildet sind, daß bei einer Leistungsabweichung über den Stromregelkreis der Strom in der gleichen Richtung wie die Leistung geändert wird und gleich­ zeitig über den Temperaturregelkreis in der entgegen­ gesetzten Richtung die Temperatur geändert wird, wobei das Verhältnis von Stromänderung zu Temperaturänderung so gewählt ist, daß die resultierende Leistungsänderung ohne Änderung der Frequenz parallel zu den Kennlinien konstanter Frequenz erfolgt und/oder bei einer Frequenzabweichung über den Temperaturregel­ kreis die Temperatur und über den Stromregelkreis der Strom in der entgegengesetzten Richtung wie die Frequenz geändert worden, wobei das Verhältnis von Temperaturänderung zu Stromänderung so gewählt ist, daß die resultierende Frequenzänderung ohne Änderung der Leistung parallel zu den Kennlinien konstanter Leistung erfolgt.