DE60205745T2

DE60205745T2 - Frequenzstabilisierte laserquelle

Info

Publication number: DE60205745T2
Application number: DE60205745T
Authority: DE
Inventors: Jaouad Zemmouri; Igor Razdobreev; Jean Ringot
Original assignee: Universite de Lille 1 Sciences et Technologies
Current assignee: Universite de Lille 1 Sciences et Technologies
Priority date: 2001-06-18
Filing date: 2002-06-18
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2022-06-19
Also published as: ES2248582T3; US20040213304A1; EP1397851A1; DE60205745D1; WO2002103861A1; FR2826191A1; ATE303011T1; EP1397851B1; US7233608B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine frequenzstabilisierte Laserquelle, die einen Festkörperlaser verwendet und dazu ausgeführt ist, als Frequenznormal insbesondere im Telekommunikationsbereich eingesetzt zu werden.
Die sehr rasche Ausdehnung der Kapazitäten der lokalen Telekommunikationsnetze vom Typ LAN und der Telekommunikationsnetze über größere Entfernungen vom Typ WAN führt zu einem immer größeren Durchlaßbandbedarf. Um diesen Durchlaßbandbedarf der Telekommunikationsnetze zu befriedigen, besteht eine heute üblicherweise eingesetzte technische Lösung in der Entwicklung von Wellenlängenmultiplexing-Netzen (WDM). Bei diesem Wellenlängenmultiplexing werden mehrere Signale (oder Kanäle) gleichzeitig auf einer optischen Faser transportiert, allerdings mit unterschiedlichen Wellenlängen.
Die optische Multikanalübertragung (WDM) wirft zwei Hauptprobleme auf. Das erste besteht in der Schaffung und dem Auslesen jedes Kanals zu vernünftigen Kosten und ohne Informationsverlust. Das zweite Problem ist mit der optischen Verstärkung der Gesamtheit der Kanäle ohne Verzerrung und/oder Informationsverlust verbunden. Diese Probleme werden mit der Anzahl von verwendeten Kanälen größer.
Eine erste technische Lösung, die üblicherweise eingesetzt wird, um die Kanäle (Multiplexing oder Demultiplexing) auszuwählen, ist eine passive Frequenzfiltermethode, die auf der Verwendung von Bragg-Netzen basiert. Obwohl die Technologie der Bragg-Netze relativ gut beherrscht wird und auch zu vernünftigen Kosten eingesetzt werden kann, werfen derzeit gewisse physikalische Einschränkungen (zeitliche Stabilität der Bragg-Wellenlänge, Empfindlichkeit für die umgebenden Medien, insbesondere für die Temperatur, ...) mehrere Probleme auf, vor allem wenn die Kanaldichte hoch wird.
Eine zweite Technik, die verwendet werden kann, um die mit der Verwendung von Bragg-Netzen verbundenen Probleme zu vermeiden, ist eine aktive Informationsbearbeitungsmethode, die auf einer heterodynen Erfassung basiert. Der Einsatz dieser Methode setzt allerdings, um jeden Kanal genau auseinander halten zu können, voraus, daß Frequenznormale in Form von longitudinalen Monomodelaserquellen von sehr guter spektraler Reinheit, geringem Platzbedarf und in Telekommunikationsfelder integrierbar vorhanden sind, die perfekt frequenzstabilisiert sind, deren Sendefrequenzen genau bekannt sind und die an den verschiedenen Standorten des Telekommunikationsnetzes (beim Senden und beim Empfangen) angeordnet werden können. Auf Grund der heute im Bereich der Telekommunikation verwendeten Wellenlängen müssen diese Laserquellennormale das Senden eines kohärenten Lichtbündels mit einer Wellenlänge von 1,56 μm ermöglichen. Je genauer das Quellennormal ist, desto näher können die Wellenlängen der verschiedenen Kanäle sein, wodurch es möglich ist, das Gesamtdurchlaßband wesentlich zu vergrößern.
Derzeit setzen im Bereich der Telekommunikation durch optische Fasern die am häufigsten verwendeten Laserquellen als Sendemittel des Lichtbündels einen Laser vom Halbleitertyp und insbesondere eine Laserdiode ein. Am Markt ist eine sehr breite Palette von Laserdioden zu finden. Die Vorteile dieser Dioden bestehen in ihrer einfachen Verwendung und Kompaktheit. Ein Nachteil dieser Laserdioden ist hingegen die schlechte Definition der Sendewellenlänge (Schwankung der Wellenlänge mit der Zeit unter dem Einfluß von äußeren Parametern, wie beispielsweise der Temperatur, den mechanischen Verformungen, der Alterung, ...), die bewirkt, daß die Laserdioden ein sehr niedriges Qualitätsniveau oder eine sehr geringe spektrale Feinheit besitzen.
Es wurde neuerdings auch vorgeschlagen, eine Laserquelle herzustellen, die einen Erbium-Ytterbium-Festkörperlaser verwendet und um 1,5 μm frequenzstabilisiert ist. Diese Laserquelle ist in dem Artikel C. SVELTO et al. „Frequency Stabilization of a Novel 1.5 Er-Yb Bulk Laser to a³⁹K sub-Doppler Line at 770.1 nm", IEEE journal of Quantum Electronics, April 2001, IEEE, USA, Band 37, Nr. 4, Seiten 505–510 beschrieben.
Die Frequenzstabilisierung der in diesem Artikel beschriebenen Laserquelle erfolgt durch Regelung der Frequenz des Laserbündels auf einem Übergang (T) eines chemischen Absorptionselements (im vorliegenden Fall Rubidium). Genauer wird vorgeschlagen, diese Regelung durchzuführen, wobei eine Synchronerfassung eingesetzt wird, die auf einer Modulation der Frequenz des Laserbündels, das vom Festkörperlaser geliefert wird, eingesetzt wird (siehe Absatz V. WAVELENGTH-MODULATION SPECTROSCOPY AND FREQUENCY-LOCKING EXPERIMENT). Daraus geht hervor, daß die Frequenz des vom Festkörperlaser gelieferten Laserbündels ständig oszilliert und somit nicht perfekt fest ist. Die beschriebene Festkörperlaserquelle ist zwar frequenzstabilisiert, aber auf Grund der ständigen Schwankung ihrer Frequenz dennoch nicht dazu geeignet, ein Frequenznormal zu verwirklichen.
Überdies wurde insbesondere in dem Dokument US 5 553 087 bereits versucht, eine Laserdiode durch eine Anwendung des Zeeman-Effekts in ihrer Frequenz zu stabilisieren, d.h. durch Modulation der optischen Übergänge der Atome eines absorbierenden Elements in einer Regelungsschleife mit Rückwirkung auf den Strom der Laserdiode. Außer den vorher erwähnten Nachteilen hinsichtlich dieses Lasertyps (schlechte Definition der Sendewellenlänge, schlechte Spektralqualität), die sie für eine Verwendung als Normal im Bereich der Telekommunikation völlig ungeeignet machen, weist dieser Stabilisierungstyp mehrere Nachteile auf. Da das absorbierende Element nicht gesättigt ist, ist es unmöglich, sich richtig auf einer gegebenen Absorptionslinie zu positionieren und dort zu bleiben. Daraus ergibt sich eine ständige Variation der Frequenz des gesendeten Laserbündels, was zu einer zu schlechten Genauigkeit der Stabilisierung der Frequenz führt, die bei ungefähr mehreren Hundert MHz bleibt.
Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, im Bereich der Festkörperlaser eine neue frequenzstabilisierte Laserquelle vorzuschlagen, die eine spektrale Feinheit von ungefähr einem MHz aufweist und für eine Verwendung als Frequenznormal geeignet ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue frequenzstabilisierte Laserquelle vorzuschlagen, die für eine Verwendung als Frequenznormal im Telekommunikationsbereich geeignet ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue frequenzstabilisierte Laserquelle vorzuschlagen, die das Senden einer transversalen Monomodestrahlung ermöglicht, um die Kopplung der elektromagnetischen Welle mit optischen Fasern und planaren Wellenleitern zu erleichtern.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine neue frequenzstabilisierte Laserquelle vorzuschlagen, die das Senden einer longitudinalen Monomodestrahlung und den Erhalt einer guten spektralen Feinheit ermöglicht.
Die Lösung der Erfindung besteht darin, eine Laserquelle herzustellen, die die technischen Merkmale des Anspruchs 1 kombiniert. Die Lösung der Erfindung basiert somit auf einer Regelung der Frequenz des von einem Festkörperlaser gelieferten Laserbündels auf einem Übergang eines chemischen Absorptionselements, wobei die Regelung vorzugsweise eine Funktion mit gesättigter Absorption (Sättigung des Übergangs durch das Bündel, das das chemische Absorptionselement durchquert) und eine Synchronerfassung, basierend auf einer Modulation des gesättigten Übergangs, kombiniert. So wird ein Monofrequenz-Laserbündel erhalten, dessen Ausgangsfrequenz im Vergleich mit der vorgenannten Laserquelle von Svelto et al. fest ist, d.h. dessen Frequenz nicht ständig moduliert wird und dessen Frequenz wesentlich genauer als jene ist, die mit einer Funktion mit einfacher Absorption erhalten würde. Die Laserquelle ist so perfekt geeignet, um ein Frequenznormal herzustellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der Studie der nachstehenden Beschreibung von zwei Ausführungsvarianten der Erfindung hervor, wobei die Beschreibung als nicht einschränkendes Beispiel dient und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, wobei:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Laserquelle ist,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Laserquelle ist,
3 die Energiepegel der beiden Isotope (85) und (87) des Rubidiums (Rb) darstellt,
4 schematisch eine theoretische Kurve der Stärke des Bündels, das die Absorptionsquelle durchquert hat, nach einem einzigen Durchgang (einfache Absorption) darstellt, unter der rein theoretischen Annahme, daß keine Erweiterung der Absorptionsspitze durch Doppler-Effekt vorhanden ist,
5 schematisch die tatsächliche Kurve der Stärke des Bündels, das die Absorptionszelle durchquert hat, nach einem einzigen Durchgang (einfache Absorption) darstellt, mit einer Erweiterung der Absorptionsspitze durch Doppler-Effekt,
6 schematisch die tatsächliche Kurve der Stärke des Bündels, das die Absorptionszelle durchquert, nach zwei aufeinander folgenden Durchgängen und mit Sättigung des für die Regelung verwendeten Atomübergangs darstellt.
Unter Bezugnahme auf 1 und gemäß einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung umfaßt die Laserquelle:

– eine Einheit 1, die von einem polarisierten Miniaturfestkörperlaser 10 gebildet ist, der optisch durch eine Pumpdiode 11 über eine kurze optische Faser 12 gepumpt wird und am Ausgang ein erstes Laserbündel 2 mit der Frequenz (f1) liefert;
– einen Generator 3 der N^ten Oberschwingung, der es ermöglicht, aus dem ersten Laserbündel 2 ein Lichtbündel 4 zu erzeugen, das sich aus einem zweiten Laserbündel 4a mit derselben Frequenz (f1) und einem Lichtbündel 4b, N^te Oberschwingung genannt, zusammensetzt, dessen Frequenz (f2) gleich (N) mal die Frequenz (f1) des Laserbündels 2 ist (wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist);
– eine Absorptionszelle 7, die ein chemisches Absorptionselement enthält, das in dem nachstehend beschriebenen besonderen Beispiel ein Gas (oder ein Dampf) von Rubidium (Rb) ist;
– einen dichroitischen Spiegel 5 (oder jedes andere bekannte gleichwertige optische Mittel, das dieselbe Funktion erfüllt), der ganz allgemein die Funktion hat, die vorgenannten Bündel 4a und 4b zu trennen, wobei das zweite Laserbündel 4a mit der Frequenz (f1) durchgelassen wird, um das Ausgangslaserbündel zu bilden, und wobei das Lichtbündel 4b (N^te Oberschwingung) abgelenkt wird, um es zu der Absorptionszelle 7 zu lenken, um es durch das chemische Absorptionselement dieser Zelle 7 zu schicken;
– Polarisationsmittel 6 des Laserbündels, die zwischen der Absorptionszelle 7 und dem dichroitischen Spiegel 5 angeordnet sind;
– eine Fokussierungslinse (I), die zwischen dem dichroitischen Spiegel 5 und den Polarisationsmitteln 6 angeordnet ist; diese Linse (I) ermöglicht es, die Größe des Bündels 4b zu verringern und dadurch seine Leistungsdichte zu erhöhen; die Verwendung dieser Linse ist nicht notwendig, wenn das Bündel 4b eine ausreichende Leistung aufweist;
– einen Spiegel 8 (oder jedes andere gleichwertige reflektierende optische Mittel, das dieselbe Funktion erfüllt), das die Funktion hat, das Lichtbündel 4''b, das von der Absorptionszelle 7 kommt, in Richtung der Absorptionszelle zurückzuwerfen (Ablenkung um 180°), so daß es die Absorptionszelle ein zweites Mal und entlang desselben optischen Weges durchquert, wodurch eine Funktion mit gesättigter Absorption möglich ist;
– und Regelungsmittel 9, die derart ausgeführt sind, daß sie die Frequenz (f1) des ersten Bündels 2 auf einem Übergang des chemischen Absorptionselements (Rubidium) genau regeln.

Der Festkörperlaser 10 und der Generator 3 sind derart ausgeführt, daß die Leistung der N^ten Oberschwingung am Ausgang des Generators 3 ausreichend ist, um eine Sättigung des Übergangs des chemischen Absorptionselements zu erhalten, d.h. eine Sättigung der Absorption des Rubidiums im Falle des besonderen Beispiels, das nun im Detail beschrieben wird.
Einheit 1: Festkörperlaser 10 – optische Faser 11 – Pumpdiode 12
Der Festkörperlaser 10 umfaßt ein Element aus Aktivmaterial 101, das dazu bestimmt ist, optisch gepumpt zu werden, und das insbesondere in Form eines Glasstabes mit sehr geringer Dicke (ungefähr 1 mm, Dimension je nach Länge des Hohlraums) vorhanden ist, der mit Ytterbium und Erbium co-dotiert ist. Das in eine Glasmatrix eingesetzte Erbium-Ion ermöglicht durch optisches Pumpen bei einer Pumpwellenlänge (λ_p) von ungefähr 975 nm eine Laseremission durch den Glasstab 101 bei einer Wellenlänge (λ), die im Spektralband 1,5 μm und 1,6 μm liegt.
Die Erfindung ist allerdings nicht auf die Verwendung eines mit Ytterbium und Erbium co-dotierten Glasstabes beschränkt, sondern der Laser kann ganz allgemein aus einem Element aus einem dotierten Aktivmaterial hergestellt sein. Es könnte sich insbesondere um einen Kristall (an Stelle einer Glasmatrix) handeln, der insbesondere halbleitend sein kann.
Der Stab 101 ist in einem Laserhohlraum 102 angeordnet, der ein Farby-Perrot-Interferometer bildet. Dieser Stab 101 umfaßt zwei gegenüber liegende ebene Flächen 101a und 101b, die parallel und senkrecht auf die Längsachse des Hohlraums 101 ausgerichtet sind. Der Hohlraum 102 ist durch zwei Spiegel 103, 104 begrenzt. Nach einem bevorzugten Merkmal ist der Eingangsspiegel ein dichroitischer Spiegel. Um ferner den Platzbedarf zu verringern, ist dieser Eingangsspiegel 103 direkt auf der Fläche 101a des Stabes 101 aufgebracht und bildet einen flachen Spiegel.
Gegenüber dem Eingangsspiegel 103 ist der Ausgangsspiegel 104 ein flacher Spiegel, so daß der Hohlraum 102 ein Hohlrum vom flach-flachen Typ ist. Die Länge L dieses Hohlraums 102, die dem Abstand zwischen den beiden Spiegeln 103 und 104 entlang der optischen Längsachse des Hohlraums entspricht, ist fein einstellbar, um die Länge des Hohlraums einzustellen und dadurch eine Feineinstellung der Sendefrequenz (f1) des Festkörperlasers 1 zu ermöglichen. Diese Feineinstellung wird mit Hilfe eines piezoelektrischen Keils 108, auf dem der Ausgangsspiegel 104 vorzugsweise (aber nicht notwendigerweise) mit Hilfe eines Kopplungselements 107 (beispielsweise eines Glassubstrats) befestigt ist, und durch Einwirken auf die Steuerspannung des piezoelektrischen Keils 108 erzielt. Diese Steuerspannung wird automatisch durch eine Rückwirkungsschleife, die später beschrieben ist, kontrolliert, die ganz allgemein eine Regelung der Sendewellenlänge λ1 (λ1 = c/f1, wobei c die Geschwindigkeit des Lichts ist) des Festkörperlasers 10 auf einem Übergang (nachstehend ganz allgemein Übergang (T)) genannt) des chemischen Absorptionselements der Zelle 7 ermöglicht, wobei das chemische Element derart gewählt wird, daß diese Sendewellenlänge λ1 um 1,56 μm stabilisiert ist.
Die Verwendung eines Hohlraums 102 vom flach-flachen Typ und von geringer Länge ermöglicht es vorzugsweise, am Ausgang des Festkörperlasers 10 eine transversale und longitudinale Monomode-Strahlung von sehr guter Qualität zu erhalten.
Die Einheit Eingangsspiegel 103 – Stab 101 bildet die Eingangsfläche des Hohlraums 102 und ist zu ihrer Abkühlung auf einer ersten Seite 105a eines Saphirfensters 105 befestigt. Das Saphirfenster 105, das mit dem Eingangsspiegel 103 in Kontakt ist, hat die Funktion, die Wärmeenergie, die vom Glasstab 101 während der Funktion des Festkörperlasers 10 angesammelt wurde, abzuleiten. Dieses Saphirfenster könnte bei einer weiteren Variante durch jedes Element aus einem Material, das für das Pumpbündel der Pumpdiode 11 transparent ist und das einen höheren Wärmeleitwert als der Stab 101 aufweist, um die in diesem Stab 101 während des Pumpens erzeugte Wärmeenergie abzuleiten, ersetzt werden. Je größer der Wärmeleitwert des Fensters 105 ist, um so besser ist die Kühlung des Stabes 101. Als Beispiel könnte bei einer weiteren Variante, die einen Glasstab 101 und eine Pumpwellenlänge von ungefähr 975 nm einsetzt, das Saphirfenster durch ein Fenster aus AIN ersetzt werden.
Das Saphirfenster ist auf einer 106a der Seiten eines Radiators 106 befestigt, der in seiner Mitte eine durchgehende Öffnung 106b aufweist, die den Durchgang des Pumpbündels bis zur Einheit Saphirfenster 105 – Spiegel 103 – Stab 101 ermöglicht, wobei die zweite Seite 105b des Fensters 105 diese Öffnung 106b verschließt. Dieser Radiator 106, der mit dem Fenster 105 in Kontakt ist, hat die Funktion, die Wärmeenergie, die von dem Saphirfenster 105 während des Pumpens absorbiert wird, nach außen abzuleiten, und weist zu diesem Zweck eine große Ableitungsfläche auf (im Vergleich mit der Fläche des Fensters 105). Dieser Radiator 106 ist beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium. Es könnte sich auch um ein Peltier-Element handeln, das es ermöglicht, aktiv die Wärmeenergie des Fensters 105 zu absorbieren.
Der kombinierte Einsatz des Radiators 106 und des Fensters 105 ermöglicht es vorzugsweise, den flach-flachen Hohlraum 102 durch eine wirksame Kühlung der Einheit Eingangsspiegel 103 – Glasstab 101 stabil zu machen. Bei Fehlen einer Kühlung der Einheit Eingangsspiegel 103 – Stab 101 oder einer unzureichenden Kühlung dieser Einheit während der Funktion des Lasers unter der Wirkung des Pumpbündels kommt es nämlich zu einer Verformung und Ausdehnung der Einheit Eingangsspiegel 103 – Stab 101, und die Einheit wird für eine Linse assimilierbar (Wärmelinseneffekt). Diese Linse, die mit einem flachen Ausgangsspiegel 104 verbunden ist, bildet in diesem Fall einen instabilen Hohlraum, wodurch der Laser funktionsunfähig wird. Ferner kann eine unzureichende Kühlung zu einer Zerstörung des Stabes 101 führen.
Stromaufwärts zu der Einheit Radiator 106 – Saphirfenster 105 – Eingangsspiegel 103 – Glasstab 101 ist eine Fokussierungslinse 112 montiert, die auf die optische Achse des Hohlraums zentriert ist.
Der Festkörperlaser 1 umfaßt auch üblicherweise ein Drehnormal 109 (dünnes Blättchen), das in dem Hohlraum 102 angeordnet ist, wobei es auf die optische Achse dieses Hohlraums zentriert ist, und das eine erste Grobeinstellung der Sendefrequenz des Festkörperlasers 10 durch eine Regelung der ursprünglichen Winkelposition des Normals 109 ermöglicht.
Um die Polarisierung der Strahlung am Ausgang des Festkörperlasers 10 zu stabilisieren, wenn das Aktivmaterial (Stab 101) isotrop ist, wie beispielsweise das mit Ytterbium und Erbium co-dotierte Glas, ist das Normal 109 aus einem Material mit Polarisierungsfähigkeit hergestellt, wie beispielsweise dem unter der eingetragenen Marke „POLARVOR" vertriebenen Material. Wenn das Aktivmaterial hingegen anisotrop ist, kann das Normal 109 aus einem isotropen Material, wie beispielsweise Glas, hergestellt sein.
Die Pumpdiode 11 ermöglicht ein optisches Pumpen des Festkörperlasers durch den Eingangsspiegel 103. In einem besonderen Ausführungsbeispiel wird eine Multimode-Laserdiode mit einer Leistung unter 1 W verwendet. Insbesondere wird für das Pumpen des mit Ytterbium und Erbium co-dotierten Glases 101 beispielsweise eine Halbleiterdiode GaInAsP verwendet, die es ermöglicht, eine Pumpwellenlänge (λ_p) von ungefähr 975 nm zu erhalten.
Die Verwendung eines Aktivmediums, das mit Hilfe eines Glases (oder Kristalls), das mit Ytterbium und Erbium co-dotiert ist, hergestellt ist, in Kombination mit einer Kühlung dieses Aktivmediums durch die Eingangsfläche (dichroitischer Spiegel 103 in Verbindung mit dem Fenster 105 und dem Ableitungsradiator 106) und mit der Verwendung eines Hohlraums 102 vom flach-flachen Typ ermöglicht es vorzugsweise, zu geringen Kosten einen Festkörperlaser 10 zu erhalten, der einen geringen Platzbedarf aufweist und in der Lage ist, am Ausgang ein Laserbündel 2 mit einer Wellenlänge λ1 (λ1 = c/f1), die auf 1,56 μm eingestellt ist, zu entsenden, das eine ausreichende Leistung im transversalen und longitudinalen Monomode-Regime aufweist.
Oberschwingungsgenerator (3)
Der Generator 3 umfaßt zwei Fokussierungslinsen 31 und 32, zwischen denen ein nicht linearer Kristall 30 auf Basis von Kristallen (PP:KtiOPO₄) angeordnet ist, der es ermöglicht, eine Quasi-Phasenübereinstimmung zu erzielen. Ganz allgemein könnte dieser Kristall (PP:KtiOPO₄) durch jeden gleichwertigen bekannten Kristall ersetzt sein, der dieselbe Funktion erfüllt, beispielsweise durch einen Kristall auf Basis von KNObO₃. Der Generator 3 ermöglicht es, aus dem ersten Bündel 2 am Eingang am Ausgang eine zweite Oberschwingung (N = 2) zu erzeugen, deren Frequenz (f2) das Doppelte der Frequenz des ersten Bündels 2 beträgt, wobei die zweite Oberschwingung von dem dichroitischen Spiegel 5 in Richtung der Absorptionszelle 7 (Bündel 4b) abgelenkt wird. Die Verwendung eines Kristalls 30 vom Typ (PP:KTP) ermöglicht es vorzugsweise, eine Leistung der zweiten Oberschwingung zu erhalten, die beispielsweise im Vergleich mit der Verwendung eines Monokristalls vom Typ KNbO₃ größer ist.
Polarisierungsmittel 6 und Absorptionszelle 7
Die Polarisierungsmittel 6 umfassen nacheinander und entlang derselben optischen Achse ausgerichtet: ein Halbwellenblättchen 62, einen Polarisierungskubus 61 und ein Viertelwellenblättchen 63. Während der Funktion wird das eintreffende Bündel 4b mit der Frequenz (f2), das der zweiten vom Kristall 30 erzeugten Oberschwingung entspricht, auf den Polarisierungskubus 61 gesendet. Das Halbwellenblättchen 62 ermöglicht es, einen sehr kleinen Teil der Leistung dieses eintreffenden Bündels 4b in Richtung einer ersten Fotodiode 9a zu lenken. Das Wesentliche der Leistung dieses eintreffenden Bündels 4b durchquert ein erstes Mal den Polarisierungskubus 61 und verläuft dann durch das Viertelwellenblättchen 63. Diese Blättchen macht die Polarisierung des vom Polarisierungskubus 61 kommenden Bündels kreisförmig (rechts oder links). Das kreisförmig polarisierte Bündel 4'b durchquert die Absorptionszelle 7, wird um 180° vom Spiegel 8 reflektiert und durchquert dann in umgekehrter Richtung nacheinander die Absorptionszelle 7 und das Viertelwellenblättchen 63. Auf Grund seiner kreisförmigen Polarisierung wird dieses Rückstrahlungsbündel durch den Polarisierungskubus 61 in Richtung einer zweiten Fotodiode 9b, die sich gegenüber der ersten Fotodiode 9a befindet, reflektiert.
Regelung durch gesättigte Absorption
3 stellt die Energiepegel des Rubidiums (Rb) 85 und 87 dar. Um die Regelung der Frequenz (f1) des Laserbündels (2) durchzuführen, wird beispielsweise als Übergang (T) der Übergang D₂(5S_1/2/F = 2 → 5P_3/2/F = 3) des Rubidiums (Rb) bei 0,7801 μm verwendet. Dieser Übergang D₂ koppelt die Pegel 5S_1/2 (Grundpegel) und 5P_3/2 (erregter Pegel, Lebensdauer 0,15 μs), die vorzugsweise eine feine Struktur besitzen. Weitere Atomübergänge des Rubidiums könnten auch verwendet werden, um die Regelung durchzuführen.
Wenn die Schwingung (w_L) des die Rubidium-Zelle 7 durchquerenden Bündels 4b nahe der Schwingung (w₀) des gewählten Atomübergangs (T) ist, absorbiert das Atom einen Teil der Stärke des Bündels 4b (siehe 4). Diese Energieabsorption ist wichtig, wenn die Frequenz des Bündels 4b nicht mehr als einmal die Breite vom erregten Pegel entfernt ist. Die Verschiebung der Atome des Rubidium-Gases ruft allerdings durch Doppler-Effekt eine Erweiterung der Breite des Übergangs (T) hervor. So wird im Falle einer einfachen Absorption (Bündel 4b durchquert nur einmal die Absorptionszelle 7) in Wirklichkeit eine Absorptionskurve vom Typ jener aus 5 erhalten. So ist im Falle einer einfachen Absorption die Absorptionsspitze (5) in der Praxis zu breit, um eine Regelung zu ermöglichen, die auf einige MHz genau genug ist.
Die gesättigte Absorption ermöglicht es, das vorgenannte Problem der Erweiterung der Absorptionsspitze durch Doppler-Effekt zu beseitigen. Das Rückstrahlungsbündel, das vom Spiegel 8 in dem Beispiel der 1 zurückgesendet wird, wobei es die Absorptionszelle 7 durchquert, ermöglicht es, eine Populationsumkehr durchzuführen, wodurch das Medium (Gas Rb) für die Atome mit einer Geschwindigkeit gleich Null transparent wird. In diesem Fall, wenn die Stärke des Bündels 4b ausreichend ist, um den Übergang (T) zu sättigen, weist das elektrische Signal in Abhängigkeit von der Frequenz des Lasers, der von der Fotodiode 9b zurückgesendet wird, den in 6 dargestellten Verlauf auf, der durch eine Spitze (P) von sehr geringer Breite gekennzeichnet ist, die auf der Schwingung (w₀) des gewählten Atomübergangs (T) zentriert ist. Diese Spitze P ermöglicht es somit vorzugsweise, eine deutlich genauere Regelung als im Falle einer einfachen Absorption durchzuführen.
Im Lichte der oben angeführten Erklärung ist verständlich, daß es für den Erhalt einer Funktion in gesättigter Absorption wichtig ist, daß die Leistung der N^ten Oberschwingung (zweite Oberschwingung, Bündel 4b in dem Beispiel der 1), die für die Regelung verwendet wird, ausreichend ist, um den gewählten Übergang zu sättigen und auf dem Fotodetektor 9b ein Signal entsprechend 6 zu erhalten.
Regelungsmittel 9 und Modulation des Atomübergangs
Die Regelungsmittel 9 ermöglichen es, die Regelung der Frequenz des Laserbündels 2 durch Synchronerfassung dank einer Modulation des gesättigten Atomübergangs (T) durchzuführen.
Diese Regelungsmittel 9 umfassen ein Solenoid 90, das die Absorptionszelle 7 umgibt, und eine Rückwirkungsschleife (I). Diese Rückwirkungsschleife (I) umfaßt im Wesentlichen einen Sinusstromgenerator 91a, einen Oszillator 91b, ein Synchronerfassungsmodul 92 und einen Spannungsverstärker 93.
Der Sinusstromgenerator 91a liefert einen Sinusstrom mit einer vorbestimmten Frequenz (fp), der das Solenoid 90 speist. Die Frequenz dieses Stroms wird vom Oszillator 91b (Signal 91c) festgelegt und beträgt beispielsweise ungefähr einige Dutzend kHz. Während der Funktion ist die Absorptionszelle somit einem amplitudenmodulierten Magnetfeld ausgesetzt, das von dem Solenoid 90 erzeugt wird. Dieses modulierte Magnetfeld ermöglicht es, die Zeeman-Unterpegel des Übergangs (T) zu verschieben (beispielsweise den Atomübergang D₂ im Falle von Rubidium). Diese Verschiebung ist in großem Maße insbesondere zum Wert des erzeugten Magnetfeldes proportional. Daraus ergibt sich, daß das Absorptionssignal S1 (das von dem Fotodetektor 9a geliefert wird) ständig in einem sehr kleinen Bereich frequenzmoduliert wird (typischerweise um die Energiepegel auf einigen MHz zu verschieben).
Das Absorptionssignal S1 wird von dem Synchronerfassungsmodul 92 bearbeitet. Dieses Modul 92 empfängt auch am Eingang das Signal 91c mit der Frequenz (fp), das vom Oszillator 91b geliefert wird, und ermöglicht es auf an sich bekannte Weise, aus dem Absorptionssignal S1 ein Fehlersignal ( ) in Form einer kontinuierlichen Spannung zu extrahieren, deren Wert zur Frequenzverschiebung zwischen der Frequenz des Bündels 4b, das die Absorptionszelle 7 durchquert, und der Frequenz des gewählten Übergangs (T) proportional ist. Das Fehlersignal ( ) wird durch einen Spannungsverstärker 93 verstärkt, der in Richtung des piezoelektrischen Keils 108 ein Steuersignal 94 (Gleichspannung) liefert. Dieses Steuersignal 94 ermöglicht es, die Länge des Hohlraums des Festkörperlasers (Abstand zwischen den Eingangs- 103 und Ausgangsspiegeln 104) und dadurch die Sendefrequenz f1 des Festkörperlasers 10 ständig und fein einzustellen.
Die erfindungsgemäße Laserquelle, von der eine besondere Ausführungsvariante unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde, ermöglicht es vorzugsweise, ein Frequenznormal zu verwirklichen, das die folgenden Merkmale und Vorteile aufweist:

– Entsenden einer transversalen Monomode-Strahlung (Bündel 4a), wodurch es möglich ist, die Kopplung der elektromagnetischen Welle mit optischen Fasern und planaren Wellenleitern zu erleichtern,
– Entsenden einer longitudinalen Monomode-Strahlung (Bündel 4a), wodurch es möglich ist, eine sehr gute spektrale Feinheit zu erzielen,
– sehr gute Frequenz- und Leistungsstabilität des Ausgangsbündels 4a,
– absolut bekannte Sendefrequenz (f1), wodurch es möglich ist, das Bündel 4a in aktiven Multiplexing-/Demultiplexing-Techniken zu verwenden,
– um 1,56 μm stabilisierte Sendewellenlänge (λ1), wodurch ihre Verwendung als Frequenznormal im Telekommunikationsbereich möglich ist,
– kompakte und Platz sparende Laserquelle, wodurch es möglich ist, sie leicht in Einbausysteme und Bearbeitungsketten im Telekommunikationsbereich einzusetzen.

Beispielsweise wurde bei einer Ausführung gemäß dem soeben beschriebenen Beispiel aus 1 der Festkörperlaser 10 derart ausgeführt, daß das von diesem Festkörperlaser erzeugte Laserbündel 2 um 1,56 μm mit einer Genauigkeit von +/–10^–8 stabilisiert war und eine Ausgangsleistung (Leistung des Bündels 4a) größer oder gleich 50 mW im transversalen und im longitudinalen Monomode-Regime aufwies, wobei diese Leistung 100 mW erreichen konnte. Die Länge L des Hohlraums war ungefähr gleich 5 mm. Die Länge, Breite und Höhe des Festkörperlasers 10 betrugen 50 mm, 30 mm bzw. 30 mm. Das Laserbündel 2 am Ausgang des Festkörperlasers 10 wies eine sehr gute transversale Qualität auf und konnte aus diesem Grund leicht mit einer optischen Faser gekoppelt werden. Insbesondere der Parameter M², der die transversale Qualität dieses Bündels definiert, war kleiner als 1,1. Die zweite Oberschwindung (Bündel 4b), die von dem Generator 3 aus diesem Laserbündel 2 erzeugt wurde, wies eine Leistung größer als 1 μW auf, was ausreichend war, um den Übergang (5S_1/2/F = 2 → 5P_3/2/F = 3) des Rubidiums der Absorptionszelle 7 zu sättigen.
Ausführungsvariante der 2
Bei dieser Variante ist die Pumpdiode 11 nicht mit einer Faser (im Gegensatz zur Pumpdiode aus 1, die am Ausgang mit einer optischen Faser 12 gekoppelt ist), sondern direkt mit dem Eingangsspiegel 103 des Laserhohlraums 102 des Festkörperlasers über eine Fokussierungsoptik (Linse 112') ohne Einsatz einer optischen Faser gekoppelt. Auch wurde das Normal 109 der Variante aus 1 bei der Variante aus 2 durch ein Normalblättchen 109' ersetzt, das aus einem Material hergestellt ist, das keine Polarisierungsfähigkeit besitzt, wie beispielsweise Glas.
Die Pumpdiode 11 erzeugt ein Multimode-Pumpbündel 112a, das üblicherweise polarisiert ist und ein asymmetrisches Profil in der Querebene zur Ausbreitungsrichtung des Bündels aufweist. Die Asymmetrie dieses Profils des Pumpbündels wird durch die Linse 112' nicht modifiziert. Am Ausgang liefert der Festkörperlaser 10 ein Laserbündel 2, das polarisiert ist, ohne daß es erforderlich ist, in dem Laserhohlraum 101 ein Polarisierungselement einzusetzen. Die Polarisierung des Laserbündels 2 im Falle der Variante der 2 ist durch die Kombination zweier Effekte zu erklären:

– die asymmetrische Raumverteilung des Pumpbündels 112a führt zu einer doppelten Lichtbrechung in Zusammenhang mit dem thermooptischen Effekt;
– die Kopplung des elektromagnetischen Feldes des Pumpbündels 112a mit jenem der Strahlung, die im Inneren des Hohlraums 102 über eine in dem Aktivmaterial 101 erzeugte nicht lineare Interaktion hervorgerufen wird.

Vergleichsweise macht im Falle der Variante der 1 der Einsatz der Faser 12 das Pumpbündel 112a entpolarisiert und in der Querebene zur Ausbreitungsrichtung des Bündels symmetrisch. Auf Grund dieser Raumsymmetrie des Pumpbündels ist es, um am Ausgang des Hohlraums 102 des Festkörperlasers ein Laserbündel 2 zu erhalten, das polarisiert ist, notwendig, in dem Hohlraum ein Polarisierungselement 109 einzusetzen.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, ist die Variante der 2 durch den Einsatz eines Pumpsystems (11, 112') gekennzeichnet, das derart ausgeführt ist, daß es ein polarisiertes Pumpbündel 112a erzeugt, das ein asymmetrisches Profil in der Querebene zur Ausbreitungsrichtung des Bündels aufweist, wobei das von dem Hohlraum 102 kommende Laserbündel 2 polarisiert ist, ohne daß in dem Hohlraum 102 ein Polarisierungselement eingesetzt wird. Diese technischen Merkmale können vorzugsweise eingesetzt werden, um bei einer weiteren Variante einen Festkörperlaser herzustellen, der kein Kühlmittel (105, 106) für die Einheit Eingangsspiegel 103 – Element aus Aktivmaterial 101 umfaßt.
Die Erfindung ist nicht auf die beiden als Beispiele unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Ausführungsvarianten beschränkt. Insbesondere, aber nicht erschöpfend, könnten als Ersatz für das Rubidium auch alle bekannten Alkalien verwendet werden, wie beispielsweise Kalium, Cäsium, Wasserstoff, Natrium, Lithium, ... Ganz allgemein kann jedes Element oder jede chemische Verbindung verwendet werden, die difterenzierte Absorptionslinien aufweist und an den Einsatz einer Regelung gemäß der Variante aus 1 oder 2 (Modulation des Atomübergangs) angepaßt ist. Die Erfindung kann ganz allgemein für die Herstellung einer Laserquelle, die um eine beliebige vorbestimmte Wellenlänge (λ1) stabilisiert ist, die sich von dem Wert 1,56 μm unterscheiden kann, verwendet werden, die derzeit für den Telekommunikationsbereich spezifisch ist. Im Rahmen der Erfindung kann die Laserquelle mit Hilfe eines optisch gepumpten Festkörperlasers („solid state laser") hergestellt sein, der sich von dem besonderen Festkörperlaser 10 aus 1 oder 2 unterscheidet, d.h. ganz allgemein mit Hilfe eines Lasers, der in einem Hohlraum ein Element aus kristallinem oder amorphem Aktivmaterial einsetzt. Da schließlich die Festkörperlaser 10, die unter Bezugnahme auf 1 und 2 als bevorzugte Ausführungsvarianten beschrieben sind, neu sind, können sie vorteilhafterweise verwendet werden, um jeden Laserquellentyp herzustellen, und ihre Verwendung ist nicht unbedingt auf die Herstellung eines erfindungsgemäßen frequenzstabilisierten Laserquelle beschränkt.

Claims

Frequenzstabilisierte Laserquelle, dadurch gekennzeichnet, daß sie umfaßt: – einen optisch gepumpten Festkörperlaser (10), der das Aussenden eines ersten Laserbündels (2) der Frequenz (f1) ermöglicht, – eine Absorptionszelle (7), die ein chemisches Absorptionselement enthält und die im Betrieb durch das erste Laserbündel (2) oder durch ein Laserbündel (4b) durchquert wird, das davon abgeleitet ist, so daß ein Übergang (T) des chemischen Absorptionselementes gesättigt ist, – Regelungsmittel (9), die ausgelegt sind, um die Frequenz (f1) des ersten Laserbündels auf dem gesättigten Übergang (T) des chemischen Absorptionselements zu regeln, mit Hilfe einer synchronen Erfassung, die auf einer Modulierung des Übergangs (T) beruht, – wobei die Regelungsmittel (9) einen Elektromagneten (90) umfassen, der die Absorptionszelle (7) umgibt und der derart versorgt wird, daß er ein amplitudenmoduliertes Magnetfeld erzeugt und dem durch das chemische Absorptionselement erzeugten Absorptionssignal erlaubt, dauerhaft im Verschiebungsbereich der Energieteilniveaus des chemischen Absorptionselements moduliert zu werden, damit das so ausgesendete Laserbündel nur einen spektralen Bestandteil mit einer Stabilisierungspräzision von nicht mehr als 2 MHz aufweist.
Laserquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (8) zur optischen Ablenkung umfaßt, die es ermöglichen, das Bündel, welches die Absorptionszelle (7) durchquert, mindestens zwei Mal nacheinander durch die Absorptionszelle wandern zu lassen.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Generator (3) umfaßt, der es ermöglicht, ausgehend vom ersten durch den Festkörperlaser bereitgestellten Laserbündel ein zweites Laserbündel (4b), als N^te Oberschwingung bezeichnet, zu erzeugen, dessen Frequenz gleich N mal der Frequenz (f1) des ersten Laserbündels ist, wobei N eine ganze Zahl größer oder gleich 2 ist, wobei vorgesehen ist, daß die Absorptionszelle (7) durch die N^te Oberschwingung durchquert wird.
Laserquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberschwingungsgenerator (3) einen nicht-linearen Kristall (30) auf der Basis von Kristallen PP:KTP umfaßt.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (10) einen Hohlraum (102) aufweist, der durch einen Eingangsspiegel (101) und einen Ausgangsspiegel (102) begrenzt ist, und wobei im Inneren des Hohlraums ein Element aus einem aktiven Material (101) angeordnet ist, das dazu bestimmt ist, optisch gepumpt zu werden, und dadurch, daß die Länge des Hohlraums (102) mit Hilfe eines Elements (108) einstellbar ist, das durch die Regelungsmittel (9) gesteuert wird.
Laserquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (108) zum Regeln der Länge des Hohlraums (102) ein piezoelektrischer Keil (108) ist.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (10) einen Hohlraum (102) umfaßt, der durch einen Eingangsspiegel (103) und einen Ausgangsspiegel (104) begrenzt ist und wobei im Inneren des Hohlraums ein Element aus aktivem Material (101) angeordnet ist, das dazu bestimmt ist, optisch gepumpt zu werden, wobei der Eingangsspiegel (103) des Hohlraums (102) auf einer der Seiten des aktiven Elements (101) angeordnet ist und mit dem Ausgangsspiegel (104) einen plan-plan Hohlraum bildet und dadurch, daß der Festkörperlaser (10) Mittel zum Kühlen der Einheit aus Eingangsspiegel und Element aus aktivem Material umfaßt, wobei die Kühlmittel ermöglichen, den plan-plan Hohlraum stabil zu machen.
Laserquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel ein Fenster (105) umfassen, das mit dem Eingangsspiegel (103) in Kontakt steht und aus einem transparenten Material in der Länge einer Pumpenwelle hergestellt ist und eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die über der Wärmeleitfähigkeit des aktiven Elements (101) liegt, so daß eine Streuung der erzeugten Wärmeenergie im Element aus aktivem Material (101) im Laufe des Pumpens ermöglicht wird.
Laserquelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (105) aus Saphir oder AIN ist.
Laserquelle nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel einen Radiator (106) umfassen, der mit dem Fenster (105) in Kontakt steht und ermöglicht, die durch dieses Fenster (105) absorbierte Wärmeenergie während des Pumpens nach außen abzuführen.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (10) einen Hohlraum (102) umfaßt, der durch einen Eingangsspiegel (103) und einen Ausgangsspiegel (104) begrenzt ist und in dessen Innerem ein Element aus aktivem Material (101) angeordnet ist, das dazu bestimmt ist, optisch gepumpt zu werden, und ein Pumpsystem (11, 112'), das ausgelegt ist, um ein Pumpenbündel (112a) zu erzeugen, das polarisiert ist und ein asymmetrisches Profil auf der Ebene aufweist, die zur Ausbreitungsrichtung des Bündels quer verläuft, wobei das Laserbündel (2), das aus dem Hohlraum (102) austritt, polarisiert ist, ohne daß im Hohlraum (102) ein Polarisierungselement zur Anwendung kommt.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (10) ein Element aus aktivem Material (101) umfaßt, das dazu bestimmt ist optisch gepumpt zu werden, wobei das aktive Element (101) ein Glas oder ein mit Ytterbium-Erbium-Ionen co-dotierter Kristall ist.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperlaser (10) das Aussenden eines ersten transversal und länglich Einmoden-Laserbündels (2) erlaubt.
Laserquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des ersten Laserbündels (2) größer oder gleich 50 mW ist.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge (λ1) des ersten Laserbündels (2) um 1,56 μm herum stabilisiert ist.
Laserquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Absorptionselement aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist: Rubidium, Kalium, Cäsium, Wasserstoff, Natrium, Lithium.