DE4414358A1 - Frequenzstabilisierte Laserdiode - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Laserdiode mit einer stabilisierten Emissionsfrequenz, die zum Beispiel in einem Ramanmikroskop oder einem metrologischen Laserinter­ ferometer verwendet wird.

Es ist bekannt, eine Laserdiode, deren Frequenz bei einem absoluten bekannten Wert gehalten wird, zu schaffen, indem die Diodenfrequenz auf eine spezielle Übergangslinie von Rubidium eingerastet wird. Typischerweise wird die Übergangs­ linie eine der 2d-Absorptionslinien sein. Licht aus der Diode wird verwendet, um einen dieser Übergänge zu erregen, und ein Photodetektor wird verwendet, um das Absorptions­ niveau des Lichtes durch die Rubidiumatome nachzuweisen. Das Absorptionsniveau deutet auf die Frequenz des Laserlichtes hin, wobei mehr Licht näher bei der Spitze der Absorptions­ linie absorbiert wird. Ein Stromservo, der auf die Ausgabe des Photodetektors anspricht, erhält den Laser bei einer Frequenz, welche für eine gegebene Linie der maximalen Intensität der Absorption entspricht (nachdem die Aus­ gangsgröße des Photodetektors normalisiert wurde, um die Fluktuationen der Ausgangsintensität der Diode zu berücksich­ tigen). Die Frequenz des Lasers wird zusätzlich um einen Be­ trag nicht größer als näherungsweise einem Zehntel des erfor­ derlichen Stabilitätsniveaus moduliert, um eine entsprechen­ de Modulation der Ausgangsgröße des Photodetektors zu erhal­ ten. Diese Modulation der Laserausgangsfrequenz ermöglicht die Erzeugung eines Fehlersignals für das Servo, indem die Werte subtrahiert werden, die erhalten werden, indem aufeinanderfolgende Halbzyklen der Wellenform von dem Wellendetektor integriert werden. Die Größe des resultie­ renden Fehlersignals deutet auf die Größe der Frequenzvaria­ tion von der gewünschten Peak-Frequenz und das Vorzeichen gibt die Richtung an.

Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Technik, die Frequenz des Laserlichtes aus der Dio­ de innerhalb der Bandbreite einer Übergangslinie einer gege­ benen Substanz, welche eine Vielzahl derartiger Linien in relativ enger Nähe aufweist, anfänglich zu lokalisieren. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird die Temperatur der Diode geändert, bis erste Übergänge lokalisiert worden sind, worauf die Temperatur der Diode stabil gehalten wird, und der Strom, der durch die Diode tritt, geändert wird, bis die Frequenz des Laserlichtes aus der Diode die gewünschte Korrespondenz mit der Bandbreite eines benachbarten Übergangs aufweist. Auf diese Weise kann die Diode jedesmal auf die gleiche absolute Frequenz stabili­ siert werden, wenn sie angeschaltet wird, so daß die Möglich­ keit der Stabilisierung der Diode auf der Frequenz von ver­ schiedenen Übergängen (welche benachbart zueinander liegen) zu verschiedenen Gelegenheiten vermieden wird.

Ein weiterer unabhängiger Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung einer Modulation in dem Aus­ gang des Photodetektors, um einen Hinweis auf die Richtung zu schaffen, in welche die Frequenz des Laserlichtes gedrif­ tet ist. Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung schafft eine frequenzstabilisierende Vorrichtung für eine Laserdiode, welche ein Bündel d. h. einen Strahl von Laser­ licht emittiert: eine Absorptionszelle, die in dem Weg des Laserbündels vorgesehen ist, die eine Substanz enthält, die Übergangslinien besitzt, deren Frequenz in dem Bereich der Laserlichtfrequenz liegt; einen Photodetektor, der bündelab­ wärts der Absorptionszelle zum Erzeugen eines elektrischen Signals entsprechend der Intensität des Lichtes, das darauf fällt, angeordnet ist; einem Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes in dem Bereich der Absorptionszelle, um das Aufspalten der Linien zu verursachen; einem Mittel zum zyklischen Modulieren der Ausgangsgröße des Photodetektors; einer Steuerung zur Steuerung des Ansteuerungsstroms der Diode in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße des Photo­ detektors, um dadurch die Frequenz des Laserlichtes bei einem konstanten Wert zu halten, einschließlich einem Mittel zum Integrieren aufeinanderfolgender Halbzyklen des Photodetektorausgangs und Subtrahieren der Werte der Integrationen, um ein Fehlersignal zu erzeugen; worin das zyklische Modulieren der Photodetektorausgangsgröße durch eine Modulation der Stärke des Magnetfeldes geschaffen wird.

Die Substanz in der Absorptionszelle wird abhängig von der gewünschten Frequenz, auf welche der Laser einzurasten ist, ausgewählt. Beispiele sind Rubidium, Wasser und Stickoxide.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt/zeigen:

Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung einer Anordnung zum Erzeugen eines stabilisierten Laserbündels aus einer Laserdiode; und

Fig. 2A-F Signaldiagramme für die Vorrichtung von Fig. 1.

Jetzt bezugnehmend auf Fig. 1 wird eine Laserdiode 10 mit einem konstanten Versorgungsstrom I₀ versorgt und emittiert als eine Folge ein Laserbündel 12. Das Bündel 12 fällt auf einen Strahlteiler 14, welcher einen Bruchteil des Bündels auf eine Referenzphotodiode 16 umlenkt. Der Rest des Strahls tritt durch eine Viertelwellenplatte 18 und in eine Rubidium­ zelle 20. Die Frequenz des emittierten Lichtes aus der Laser­ diode 10 hängt von der Temperatur der Diode und dem Versor­ gungsstrom an die Diode ab. Es ist gefunden worden, sehr schwierig zu sein, eine vorbestimmte stabilisierte Emissionsfrequenz aus der Diode zu garantieren, indem nur versucht wird, die Temperatur und den Versorgungsstrom bei einem konstanten Niveau zu halten und darüber hinaus kann die Emissionsfrequenz jedesmal, wenn die Diode aktiviert wird, für die gegebenen Werte der Temperatur und des Stroms variieren. Es hat sich daher als notwendig erwiesen, die Frequenz des emittierten Lichtes aus der Diode auf einen externen Referenzwert einzurasten, welcher in diesem Fall die Frequenz der Photonen in einem 2d-Übergang von Rubidium ist. Dies wird ausgeführt, indem die 2d-Übergänge in den Rubidiumatomen, die in der Zelle 20 vorgesehen sind, erregt werden, und dann die entsprechende Verringerung der Inten­ sität des Laserbündels, das durch die Zelle transmittiert wird, und zwar aufgrund der Absorption der Photonen in dem Bündel zu beobachten. Die zwei Isotope des Rubidiums haben beide einen 2d-Übergang, der in zwei Feinstrukturlinien entsprechend den Elektronenspins von +1/2 und -1/2 auf ge­ spalten ist, was vier grundlegende Übergangslinien ergibt. Die Temperatur der Laserdiode wird zum Beispiel durch einen thermoelektrischen Kühler gesteuert. Während der anfängli­ chen Operation wird die Temperatur der Diode 10 so einge­ stellt, daß von der Frequenz der Emission des Lichtes aus der Laserdiode 10 bekannt ist, daß sie entweder deutlich unterhalb oder deutlich überhalb jener der vier 2d-Übergangs­ linien von natürlichem Rubidium liegt. Der thermoelektrische Kühler wird dann eingestellt, um die Frequenz des Lichtes, das aus der Diode 10 emittiert wird, zu ändern, bis einer der vier vorgenannten Übergänge in der Rubidiumzelle 20 erregt wird, an welchem Punkt es eine scharfe Verringerung der Intensität des übertragenen Bündels 32 geben wird, welche auf den Photodetektor 34 auftrifft. Der thermo-elek­ trische Kühler wird dann dazu eingestellt, die Temperatur bei einem konstanten Niveau aufrechtzuerhalten und der Ver­ sorgungsstrom I₀ wird eingestellt, bis eine benachbarte Übergangslinie in der Zelle 20 erregt wird (diese Übergänge werden jeder nachgewiesen, indem ein Spitzen- d. h. Peak­ detektor verwendet wird). Vorzugsweise wird die Änderung des Ansteuerungsstromes zwischen der Laserfrequenz, die Koinzidenz mit den ersten und zweiten Übergangsspitzen herbeiführt, überwacht, und zwar vermittels eines Qualitätskontrollverfahrens, um sicherzustellen, daß zu jeder Zeit die gleiche Spitze erreicht wird.

Weil die Frequenzbandbreite des Lichtes aus der Diode 10 signifikant schmaler als die Frequenzbandbreite des Lichtes in irgendeiner der 2d-Übergangslinien ist, wird jede Ver­ schiebung der Frequenz der Emission des Lichtes aus der Diode 10 innerhalb der Bandbreite der Übergangslinie eine entsprechende Änderung der Intensität des übertragenen Bün­ dels 32 zur Folge haben und daher eine resultierende Änderung des Ausgangsstroms der Diode 34. So zeigt ein konstanter Ausgangsstrom aus der Diode 34 eine stabilisierte Frequenz des Lichtes, das aus der Laserdiode 10 emittiert wird, an. Jedoch werden, aufgrund kleinskaliger Temperatur- und Versorgungsstrom-I₀-Fluktuationen die Frequenz des Lichtes aus dem Laser und so der Ausgangsstrom aus der Diode 34 variieren und diese Variation kann verwendet werden, um den Versorgungsstrom zum Laser 10 zu korrigieren, um die Frequenz bei einem stabilisierten Wert zu halten. In der Praxis ist es wünschenswert, die Frequenz des Lichtes aus dem Laser 10 bei einem Mittelpunkt innerhalb der Bandbreite von einem der 2d-Übergänge zu erhalten. Jedoch schafft dies ein Problem dadurch, daß eine Variation der Intensität des übertragenen Bündels 32, die aus einer Verschiebung der Frequenz des Lichtes aus der Diode 10 resultiert, im wesentlichen die gleiche sein wird, ob sich die Frequenz der Diode 10 von ihrem nominellen Referenzwert erhöht oder erniedrigt hat. Es ist daher notwendig, eine Wechselstrom­ modulation in das System einzuführen, um Information über die Richtung der Frequenzdrift des Lichtes aus dem Laser 10 zu schaffen.

Zu diesem Zweck liefert ein Signalgenerator 36 einen Wechsel­ strom mit einem Sägezahnprofil zu einer Zeeman-Spule 38. Der Signalgenerator 36 und die Zeeman-Spule 38 erzeugen ein oszillierendes Magnetfeld, welches periodisch jede der 2d-Linien in Übereinstimmung mit der Richtung der individuellen Elektronenspins aufspaltet, wobei jede der Linien einem gegebenen Sinn des zirkular polarisierten Lichtes entspricht. Wegen der Polarisation des Lichtes (aufgrund der Viertelwellenplatte 18) wird das Bündel aus dem Laser 10 nur eines der Paare der Zeemann-Linien erregen. So wird für einen einlaufenden Strahl aus dem Laser 10, dessen Frequenz präzise am Mittelpunkt der Bandbreite von einem der 2d-Übergangslinien liegt, die Intensität des übertragenen Strahls 32 im wesentlichen sinusförmig variieren, wenn die Frequenz der einzelnen Zeemann-Linie, welche durch die einfallenden Photonen aus dem Laser 10 erregbar ist, zu einem gleichen Maß beidseits jeder Seite der Frequenz des Einfallslaserbündels oszilliert.

Dies ist in Fig. 2 gezeigt. Fig. 2A veranschaulicht das Sig­ nal durch die Zeeman-Spule 38, die eine zyklische Zeeman-Auf­ spaltung der 2d-Übergangslinie 40, die in Fig. 2B veranschau­ licht ist, zur Folge hat. Wie oben erwähnt, werden, weil das hereinkommende Licht aus dem Laserbündel 10 polarisiert wor­ den ist, nur die Übergänge, die einem der Elektronenspins entsprechen, dazu gebracht, sich in der Zeemann-Aufspaltung zu manifestieren und dieser Übergang ist durch die Spitze, d. h. Peak 40A in jeder der Wellenformen in Fig. 2B veran­ schaulicht. Der andere aufgespaltene Zeeman-Übergang absor­ biert das einfallende Laserlicht nicht, und zwar aufgrund seiner Polarisation, aber er wird durch die Spitze 40B zwecks Vollständigkeit und Klarheit veranschaulicht. Fig. 2B zeigt auch eine Spitze 42, welche die Frequenz des Laser­ lichtes 10, das verwendet wird, um die Übergänge zu erregen, darstellt, und es kann aus der Beziehung zwischen der Emissionslinie 42 und den Übergangsspitzen 40A, B gesehen werden, daß sich die Frequenz des Lichtes aus dem Laser 10 beim Mittenbereich der Frequenzbandbreite des 2d-Überganges befindet und daher in der Mitte der zwei Zeemann-Linien liegt. Die resultierende Intensität des übertragenen Bündels 32 bei dem Photodetektor 34, wird so der Signalwellenform entsprechen, die in Fig. 2C gezeigt ist, welche im wesent­ lichen sinusförmig und in jedem Fall eine reguläre Wellen­ form über die Zeitperiode eines einzelnen Zyklus des modulierenden Stroms aus dem Generator 36 ist. Wenn jedoch wie in Fig. 2D veranschaulicht, die Frequenz des Laserlichtes zu der einen Seite des Mittelpunktes der Bandbreite einer Übergangslinie driftet, dann wird die Intensität des übertragenen Bündels 32 ein Ausgangssignal aus der Photodiode 34 wie in Fig. 2E veranschaulicht bewirken.

Es ist daher möglich, eine konstante Emissionsfrequenz aus dem Laser 10 aufrechtzuerhalten, indem aus dem modulierenden Signal, das durch den Signalgenerator 36 erzeugt wird, eine Rechteckwelle 50, gezeigt in Fig. 2F, von einstellbarer Phase erzeugt wird, und der Ausgangsstrom aus der Photodiode 34 in 2 Zeitspannen getrennt wird, die jede Halbzyklen der Rechteckwelle entsprechen. Diese werden dann integriert. Wenn der Integrationswert dieser zwei Perioden nicht gleich ist, dann liegt die Emissionsfrequenz aus dem Laser 10 nicht bei der Mitte eines 2d-Überganges. Darüber hinaus ist es mög­ lich, zu bestimmen, in welche Richtung die Frequenz gedrif­ tet ist, abhängig davon, ob der erste Integrationswert den zweiten Integrationswert überschreitet oder umgekehrt. Eine Weise, dies zu erreichen, ist vermittels einer Technik, die als Lock-In- d. h. Einrast-Nachweis bekannt ist. Ein Beispiel der für diese Technik erforderlichen Beschaltung wird nun beschrieben werden.

Wieder bezugnehmend auf Fig. 1, werden die Ausgangswerte aus der Referenzphotodiode 14 und der Photodiode 34 bei einem normalisierenden Schaltkreis 50 verknüpft, welcher ein Sig­ nal erzeugt, dessen Wert dem Verhältnis der Gleichstromni­ veaus der zwei Signale entspricht. Dies kalibriert auf effek­ tive Weise jede Änderung des Stromes heraus, welche an der Photodiode 34 als eine Folge einer Verschiebung der Intensi­ tät des Bündels aus dem Laser 10 auftreten kann. Die normali­ sierte Ausgangsgröße des Schaltkreises 50 wird dann zu einem schaltenden Schaltkreis 52 gesandt. Der schaltende Schalt­ kreis 52 empfängt auch eine Rechteckwelleneingangsgröße, die durch einen digitalen Dividierschaltkreis 54 erzeugt wird: der dividierende Schaltkreis 54 erzeugt die Rechteckwelle aus dem Signal, das verwendet wird, um die Zeemann-Spulen 38 anzusteuern, und zwar vorgesehen durch den Signalgenerator 36. Die Phase der Rechtwelle ist relativ zu dem Eingangs­ signal aus dem Signalgenerator 36 variabel, um eine optimale Einstellung zu ermöglichen. Die Eingangsrechteckwelle bei Schaltkreis 52 wird verwendet, um das Ausgangssignal aus dem normalisierenden Schaltkreis 50 in Halbzyklen zu teilen. Diese werden an einen integrierenden Schaltkreis 58 gesandt, welcher auf effektive Weise jeden Halbzyklus integriert und einen Fehlerwert I_E erzeugt, der von der Differenz zwischen den Werten der zwei Halbzyklen abhängt. Dieses Fehlersignal wird dann mit dem Versorgungsstrom I₀ verknüpft, um die Ausgangsfrequenz des Lasers 10 dazu zu veranlassen, zu ihrem vorbestimmten Referenzwert zurückzukehren.

Claims (3)

1. Verfahren zum Erhalten einer konstanten Absolutfrequenz emittierten Lichtes aus einer Laserdiode auf das Anschalten der Diode hin, indem ein Ansteuerungsstrom dort hindurch geführt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt, daß sequentiell: vor dem Anschalten die Temperatur der Diode auf ein Niveau eingestellt wird, welches sicherstellt, daß die Frequenz des emittierten Laserlichtes entweder oberhalb oder unterhalb der Fre­ quenz einer Gruppe von Übergangslinien einer Substanz liegen wird; die Temperatur der Diode eingestellt wird, bis die Frequenz des emittierten Laserlichtes innerhalb der Bandbreite einer ersten Übergangslinie der Gruppe liegt; die Temperatur der Diode bei einem konstanten Ni­ veau gehalten wird; und der Ansteuerungsstrom der Diode eingestellt wird, bis die Frequenz des emittierten Laser­ lichtes aus der Diode eine vorbestimmte Entsprechung zu der Bandbreite eines benachbarten Übergangs aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiter den Schritt auf­ weist, daß die Änderung des Ansteuerungsstromes des Laser, die auftritt, wenn die Frequenz des emittierten Laserlichtes von innerhalb der Bandbreite der ersten Übergangslinie zu innerhalb der Bandbreite der benach­ barten Übergangslinie geändert wird, überwacht wird, und die Änderung des Ansteuerungsstromes mit einem vorbestimmten Wert verglichen wird.

3. Frequenzstabilisierungsvorrichtung für eine Laserdiode, welche ein Bündel von Laserlicht emittiert mit: einer Absorptionszelle, die in dem Weg des Laserbündels vorge­ sehen ist, die eine Substanz enthält, die Übergangsli­ nien besitzt, deren Frequenzen in dem Bereich der Laser­ lichtfrequenz liegen; einem Photodetektor, der strahlab­ wärts der Absorptionszelle zum Erzeugen eines elektri­ schen Signals entsprechend der Intensität des Lichtes, das darauffällt, angeordnet ist; einem Mittel zum Erzeu­ gen eines Magnetfeldes in dem Bereich der Absorptions­ zelle, um die Spaltung der Linien zu veranlassen; einem Mittel zum zyklischen Modulieren der Ausgangsgröße des Photodetektors; einer Regelung zum Regeln des Ansteue­ rungsstroms der Diode in Abhängigkeit von der Ausgangs­ größe des Photodetektors, um dadurch die Frequenz des Laserlichtes bei einem konstanten Wert aufrecht zu erhal­ ten, die ein Mittel zum Integrieren aufeinanderfolgender Halbzyklen der Photodetektorausgangsgröße und zum Subtrahieren der Absolutwerte der Integrationen zum Erzeugen eines Fehlersignals umfaßt; worin das zyklische Modulieren der Photodetektorausgangsgröße durch die Modulation der Stärke des Magnetfeldes vorgesehen wird.