DE60215008T2

DE60215008T2 - Auswerten und anpassen von laserverlusten auf der basis der am verstärkungsmedium anliegenden spannung

Info

Publication number: DE60215008T2
Application number: DE60215008T
Authority: DE
Inventors: John Andrew Palo Alto DAIBER; Hua San Jose LI; B. William Sunnyvale CHAPMAN; E. Mark Milpitas MCDONALD
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2022-07-06
Also published as: CN100492788C; EP1405378A1; EP1405378B1; HK1063693A1; US20030012239A1; KR20040047769A; WO2003005510A1; JP2005506686A; ATE341119T1; US6804278B2; JP4403220B2; DE60215008D1; KR100626632B1; CN1524324A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Nachfrage nach optischen Kommunikationssystemen mit erhöhter Bandbreite hat zur Verwendung von zunehmend hochentwickelteren Lasern zur Signalübertragung über mehrere gesonderte gleichzeitige Datenströme in einer einzigen Lichtleitfaser geführt. Jeder Datenstrom wird auf den Ausgangsstrahl eines entsprechenden Senderlasers, der bei einer bestimmten Kanalwellenlänge tätig ist, moduliert, und die modulierten Ausgänge von den Lasern werden zur Übertragung in ihren jeweiligen Kanälen auf eine einzelne Faser kombiniert. Die Internationale Fernmeldeunion (ITU) verlangt gegenwärtig Kanaltrennungen von ungefähr 0,4 Nanometern, oder etwa 50 GHz. Diese Kanaltrennung gestattet, dass innerhalb des Bandbreitenbereichs von gegenwärtig verfügbaren Fasern und Faserverstärkern bis zu 128 Kanäle durch eine einzelne Faser getragen werden. Verbesserungen in der Fasertechnologie zusammen mit der stets wachsenden Nachfrage nach größerer Bandbreite werden in der Zukunft wahrscheinlich zu einer kleineren Kanaltrennung führen und eine größere Genauigkeit von Laserübertragungsvorrichtungen verlangen.
Zur Maximierung der optischen Übertragungsleistung und zur Aufrechterhaltung der Wellenlängenstabilität in Telekommunikationssenderlasern werden während der Senderherstellung, dem Zusammenbau und dem Betrieb Schritte unternommen, um die mit dem Laserbetrieb verbundenen optischen Verluste auf ein Mindestmaß zu verringern. Im Allgemeinen werden zwei Verfahren verwendet, um den optischen Verlust zu beschreiben, das Messen der Laserausgangsleistung, und das Messen des Laserschwellenstroms. Zum Beispiel wird in einem Diodenlaser mit äußerem Hohlraum ein Endspiegel verwendet, um Licht in das Verstärkungsmedium zu lenken oder zu führen. Wenn sich der Endspiegel neigt oder nicht richtig eingestellt ist, kommt es zu einem Verlust in der Menge des Lichts, das in den Hohlraum zurückgeführt wird. Sobald der Endspiegel auf ein Verlustminimum eingestellt ist, kann der Endspiegel zur Zeit der Herstellung an seiner Stelle fixiert werden. Alternativ kann der Verlust, der mit der Endspiegelneigung verbunden ist, während des Betriebs überwacht und fortlaufend auf ein Mindestmaß verringert werden. Ein Beispiel ist das Einstellen der Periode eines Bragg-Gitters, das Licht in einen Verstärkungsabschnitt eines DFB-Lasers (Lasers mit verteilter Rückkopplung) zurückführt.
Sowohl die Messung der optischen Leistung als auch die Messung der Schwelle weist Nachteile auf, wenn sie zur Identifikation von Verlustminima verwendet wird. Bei der Messung der optischen Leistung entspricht ein Verlustminimum nicht notwendigerweise einem Ausgangsleistungsmaximum. Sofern der Verlust nicht perfekt über das Verstärkungsmedium verteilt ist, zum Beispiel, wenn der Verlust außerhalb des Verstärkungsmediums auftritt, wird der Laser seine interne Verteilung der Leistung verschieben, um mehr Leistung zum Verlust zu senden. Ein Anstieg des Verlusts kann abhängig von bestimmten Umständen verursachen, dass die wie durch den Ausgang des Lasers gemessene Leistung ansteigt, die gleiche bleibt, oder abnimmt. Die Gleichungen, die die Ausgangsleistung mit Hohlraumverlusten in Beziehung bringen, sind häufig sehr schwierig zu lösen, selbst qualitativ, was die Ausgangsleistung zu einer unzuverlässigen Angabe des Verlusts im Hohlraum, der mit der Ausrichtung eines bestimmten Verlustelements verbunden ist, macht. Die gesamte Leistung, die das Verstärkungsmedium verlässt, ist eine verhältnismäßig zuverlässige Angabe des relativen Hohlraumverlusts, doch ist diese Größe schwierig zu messen.
Das Messen des Laserschwellenstroms zur Bestimmung von Verlustminima weist ebenfalls viele Nachteile auf. Der Vorteil des Messens des Laserschwellenstroms ist, dass ein Minimum des Laserschwellenstroms einem Minimum des Hohlraumverlusts entspricht. Der Laserschwellenstrom wird normalerweise be stimmt, indem der Strom, der in einen Verstärkungsbereich eingespeist wird, eingestellt wird, um den Strom zu bestimmen, bei dem die Laserschwelle zuerst beobachtet wird. Ein bedeutender Nachteil ist, dass das Verändern des Einspeisungsstroms die Länge des Lichtweges oder die Dicke des Verstärkungsmediums verändert, da sich zusammen mit anderen Auswirkungen die Temperatur des Verstärkungsmediums (und somit seine Abmessungen) verändert. Eine Veränderung in der Länge des Lichtweges verändert die Wellenlänge des Laserbetriebs, und wenn ein Verlust mit anderen Verlusten, die wellenlängenabhängig sind, im Hohlraum auf ein Mindestmaß verringert werden muss, oder wenn ein Verlust bei einer bestimmten Betriebsfrequenz auf ein Mindestmaß verringert werden muss, ist es schwierig oder unmöglich, die Laserschwelle zu messen. Darüber hinaus kann der Laserschwellenstrom nicht verwendet werden, um Verluste bei hoher Leistung und hohem Strom oder konstanter Leistung oder konstantem Strom auf ein Mindestmaß zu verringern, da er bei einem Strom gemessen wird, bei dem erstmals eine Laserungstätigkeit beobachtet wird.
Da zunehmend hochentwickeltere Senderlaser benötigt werden, um zunehmende Bandbreitenbedürfnisse zu erfüllen, werden verbesserte Systeme und Verfahren zur Verlustbewertung zusammen mit der Fähigkeit, Verluste, die nach der Herstellung und dem Zusammenbau auftreten, und Verluste, die mit dem Betrieb des Lasers in Zusammenhang stehen, zu korrigieren, benötigt werden.
US-A-5,418,800 beschreibt einen zweiteiligen Halbleiterlaser, der einen Verstärkungsteil, beinhaltend einen Übergang, über den eine Übergangsspannung entwickelt wird, und einen optisch verhältnismäßig dünnen Phasenteil, einen teilweise reflektierenden Spiegel am Phasenteil, und ein Mittel zur Ableitung eines Steuerungssignals aus der Übergangsspannung und zur Anwendung des Steuerungssignals auf den Phasenteil, um das Reflexionsvermögen des Spiegels zu steuern, umfasst, wobei das Mittel zur Ableitung eines Steuerungssignals ein Mittel zur Erfassung der Übergangsspannung und ein Mittel zur Umwandlung der erfassten Übergangsspannung in das Steuerungssignal, das auf den Phasenteil angewendet wird, beinhaltet.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Lasers nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Nach einem anderen Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Laservorrichtung nach Anspruch 12 bereitgestellt.
Die Erfindung kann in Systemen und Verfahren zur Sondierung oder Bewertung optischer Verlustkennwerte, die mit Lasern, welche Halbleiterverstärkungsmedien benutzen, verbunden sind, durch Überwachen der Spannung über einen Laserverstärkungsbereich ausgeführt werden. Die Erfindung kann auch in einem Verfahren zum Betreiben eines Lasers, wobei Verluste im Hohlraum durch Überwachen der Spannung über einen Verstärkungsbereich bestimmt werden, einem Verfahren zum Einstellen von Verlustelementen im Hohlraum während des Laserbetriebs, um Verlustprofile, die mit den verschiedenen Verlustelementen verbunden sind, zu optimieren, und einem Verfahren zur Wellenlängenstabilisierung und -steuerung in Lasern mit äußerem Hohlraum ausgeführt werden. Die Erfindung kann den Umstand ausnutzen, dass die optische Rückkopplung von Verlustelementen außerhalb des Verstärkungsbereichs in den Verstärkungsbereich in der Spannung über den Verstärkungsbereich während des Laserbetriebs genau erfassbar ist.
In einer Ausführungsform ist die Erfindung ein Verfahren zum Steuern oder Betreiben eines Laserhohlraums, das das Überwachen der Spannung über einen Verstärkungsbereich, der einen kohärenten Strahl entlang eines Lichtweges emittiert, und das Bestimmen von optischen Verlusten, die mit dem Laserhohlraum verbunden sind, gemäß der überwachten Spannung umfasst. Das Verfahren kann ferner das Einstellen eines Verlustkennwerts des Laserhohlraums gemäß der überwachten Spannung über das Verstärkungselement umfassen. Die Einstellung des Verlustkennwerts kann das Einstellen der Position oder einer anderen Eigenschaft eines Verlustelements, das im Lichtweg eines Laserhohlraums angeordnet ist, umfassen. Der Laser kann ein Laser mit äußerem Hohlraum sein, und das Verlustelement kann, zum Beispiel, den Endspiegel oder ein abstimmbares Filter, das außerhalb eines Halbleiterverstärkungsmediums angeordnet ist, umfassen. Es können mehrere zusätzliche Verlustelemente im Lichtweg vorhanden sein oder auf andere Weise mit dem äußeren Hohlraum verbunden sein, wie etwa ein Gittergenerator, ein Kanalwähler, eine bündelnde Optik, eine polarisierende Optik und andere optische Bestandteile, und Verluste, die mit jedem derartigen Element verbunden sind, können gemäß der überwachten Spannung über das Verstärkungsmedium bewertet werden und die Einstellung jedes Verlustelements kann ebenfalls demgemäss durchgeführt werden.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Bewertung der Verlustkennwerte und die Einstellung des Verlustelements durch Einbringen einer Frequenzmodulation oder eines Ditherings in das Verlustelements, die bzw. das in der überwachten Spannung erfassbar ist, durchgeführt werden. Aus der überwachten Spannung wird ein Verlustsignal, das die Ausbreitungseigenschaften des Frequenzditherings und somit die Verlustkennwerte, die mit dem Verlustelement verbunden sind, anzeigt, abgeleitet und verwendet, um das Verlustelement einzustellen, um das Laserhohlraumverlustprofil zu steuern. Wo mehrere Verlustelemente vorhanden sind, kann in jedes Verlustelement ein gesondertes Frequenzdithering eingebracht werden, um entsprechende Fehlersignale bereitzustellen, die Verlustkennwerte, die mit jedem Verlustelement verbunden sind, anzuzeigen. Die Einbringung des Frequenzdi therings in jedes Verlustelement wie auch die Einstellung jedes Verlustelements kann der Reihe nach durchgeführt werden. Alternativ können unterschiedliche, nichtinterferierende Frequenzditherings gleichzeitig in jedes der Verlustelemente eingebracht werden, damit die Ausbreitungseigenschaften jedes Frequenzditherings in der überwachten Spannung über das Verstärkungsmedium erfassbar sind, und damit jedes Verlustelement gleichzeitig eingestellt werden kann, um das Verlustprofil des äußeren Hohlraums zu steuern.
Es kann auch ein Dithering eingesetzt werden, wobei ein Verlustelement zwischen zwei oder mehr Positionen verändert wird, und die Laserspannung an jeder Position gemessen wird. Der Nennbetriebspunkt kann dann auf die Position mit der besseren Laserspannung gesetzt werden. Auf diese Weise können mehrere Elemente optimiert werden, indem das Dithering jedes Elements so in eine Abfolge gebracht wird, dass es zu unterschiedlichen Zeiten auftritt.
Mehrere Ditherelemente können in Verbindung mit mehreren Graden der Positionsfreiheit des Verlustelements verwendet werden, damit jedes Ditherelement ein Frequenzdithering erzeugt, das fähig ist, in der überwachten Spannung erfasst zu werden. Fehlersignale, die aus den Frequenzditherings abgeleitet werden, werden durch das Steuerungssystem verwendet, um die mehreren Grade der Positionsfreiheit des Verlustelements in der Position einzustellen. Mehrere Ditherelemente können auch in Verbindung mit mehreren Verlustelementen verwendet werden, um eine gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Bewertung von Verlustkennwerten, die mit jedem mit dem Laserhohlraum verbundenen Verlustelement verbunden sind, und eine entsprechende Einstellung jedes Verlustelements zur Steuerung des Verlustprofils des Laserhohlraums zu gestatten.
In einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung eine Laservorrichtung mit äußerem Hohlraum, die ein Verstärkungs medium, welches einen kohärenten Strahl entlang eines Lichtweges emittiert, einen Endspiegel, der so im Lichtweg angeordnet ist, dass der Endspiegel und eine hintere Kristallfläche des Verstärkungsmediums einen äußeren Hohlraum definieren, und einen Spannungssensor, der betriebsfähig mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, die Spannung über das Verstärkungsmedium zu messen, umfasst. Die überwachte Spannung über das Verstärkungsmedium zeigt optische Verluste, die mit dem äußeren Hohlraum verbunden sind, an und kann verwendet werden, um das Verlustprofil des äußeren Hohlraums zu steuern. Der äussere Laserhohlraum kann ein Steuerungssystem umfassen, das betriebsfähig mit dem Spannungssensor und einem oder mehreren Verlustelementen im Lichtweg im äußeren Hohlraum gekoppelt ist, wobei das Steuerungssystem dazu konfiguriert ist, das Verlustelement (die Verlustelemente) gemäß der überwachten Spannung über das Verstärkungsmedium einzustellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer Laservorrichtung mit äußerem Hohlraum, das das Überwachen der Spannung über ein Verstärkungsmedium zur Sondierung von Verlusten, die mit ausgewählten Verlustelementen im äußeren Hohlraum verbunden sind, veranschaulicht.
2A bis 2C sind graphische Darstellungen von Passbandkennwerten des Lasers mit äußerem Hohlraum von 1 für den Kanalwähler, den Gitteretalon und den äußeren Hohlraum in Bezug auf einen ausgewählten Kanal in einem Wellenlängengitter.
3A bis 3C sind graphische Darstellungen des Verstärkungsansprechens auf das Abstimmen des Lasers mit äußerem Hohlraum von 1 für mehrere Kanäle in einem Wellenlängengitter.
4A bis 4C sind schematische Diagramme der Laservorrichtung mit äußerem Hohlraum, wobei das Überwachen der Spannung über ein Verstärkungsmedium verwendet wird, um optische Verluste, die mit der Endspiegelpositionierung verbunden sind, zu bewerten und derartige Verluste gemäß Fehlersignalen, die aus der überwachten Spannung über das Verstärkungsmedium abgeleitet werden, auszugleichen.
5A bis 5B sind funktionelle Blockdiagramme von Steuerungssystemen für die Laser mit äußerem Hohlraum von 4A bis 4C.
6 ist eine graphische Darstellung der Fehlersignale, die aus einem Frequenzdithering eines Verlustelements abgeleitet werden.
7 ist ein schematisches Diagramm einer Laservorrichtung mit äußerem Hohlraum, die mehrere Ditherelemente benutzt, um eine Frequenzmodulation in mehrere Verlustelemente einzubringen, wobei die Verlustkennwerte als Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium erfasst werden.
8 ist eine schematische Darstellung der Verwendung von mehreren Ditherelementen in Verbindung mit mehreren Graden der Positionsfreiheit eines Verlustelements.
9 ist eine schematische Darstellung einer verteilten Bragg-Reflektor(DBR)-Laservorrichtung, wobei das Überwachen der Spannung über ein Verstärkungsmedium verwendet wird, um den Hohlraumverlust zu bewerten.
10 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben eines Lasers mit äußerem Hohlraum veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter genauerer Bezugnahme auf die Zeichnungen ist die vorliegende Erfindung zu Erläuterungszwecken in der Vorrichtung und im Verfahren, die in 1 bis 10 gezeigt sind, ausgeführt. Hier sind Systeme und Verfahren zur Bewertung von Verlusten, die mit einem Laserhohlraum verbunden sind, und zur Steuerung des Verlustprofils des Laserhohlraums durch Überwachen der Spannung über einen Laserverstärkungsbereich oder ein -medium eines Lasers offenbart. Man wird verstehen, dass die Vorrichtung hinsichtlich der Konfiguration und hinsichtlich von Einzelheiten der Teile unterschiedlich sein kann, und dass das Verfahren hinsichtlich von Einzelheiten und der Reihenfolge von Ereignissen unterschiedlich sein kann, ohne von den wie hierin offenbarten grundlegenden Konzepten abzuweichen. Die Erfindung ist hauptsächlich im Hinblick auf die Verwendung mit einem Laser mit äußerem Hohlraum offenbart. Fachleuten wird jedoch leicht offensichtlich sein, dass die Erfindung mit jeder beliebigen Laservorrichtung oder jedem beliebigen -system verwendet werden kann, die bzw. das ein Halbleiterverstärkungsmedium oder einen -bereich aufweist. Es sollte sich auch verstehen, dass die hierin verwendete Terminologie nur zum Zweck der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen dient und nicht beschränkend sein soll.
Die Erfindung nutzt den Umstand, dass die Spannung über einen Diodenlaserverstärkungsbereich eine Funktion der Trägerdichte im aktiven Bereich ist. Die Spannung V über einen Diodenlaser kann durch Gleichung (1) V = IRs + Vd (1)dargestellt werden, wobei I der Antriebs- oder Pumpstrom ist, R_s der Reihenwiderstand ist, und V_d die Dioctenspannung ist. Bei Verwendung einer konstanten Stromquelle kann der Wert IR_s als Konstante genommen werden. Die Diodenspannung V_d ist der Quasi-Fermi-Niveau-Trennung E_fc – E_fv, die durch die Trägerdichte im Diodenlaserverstärkungsmedium bestimmt ist, gleich.
Für das Leitungsband des Diodenverstärkungsmediums ist die Überschusselektronendichte N durch Gleichung (2)
gegeben, wobei p die Dichte der Zustände ist, E_c das niedrigste Energieniveau des Leitungsbands des aktiven Mediums ist, und f_c(E) die Quasi-Fermi-Verteilung ist. Die Quasi-Fermi-Verteilung kann durch Gleichung (3)
ausgedrückt werden, wobei E_fc das Quasi-Fermi-Niveau ist, und K_B die Boltzmannsche Konstante ist.
Nach den obigen Gleichungen (2) und (3) entspricht eine höhere Elektronenkonzentration N einem höheren Quasi-Fermi-Niveau E_fc. Darüber hinaus ist die Elektronendichte N für eine gute Annäherung für Ströme über dem Diodenlaserschwellenstrom I_th auf ihren Schwellenwert N_th fixiert oder "geklemmt". In der gleichen Weise entspricht im Valenzband eine höhere Dichte von Löchern P (neutrale Bedingungen erfordern, dass P = N ist) einem niedrigeren Quasi-Fermi-Nievau E_fc im Valenzband.
Wenn der Diodenlaserverstärkungsbereich in einem Laserhohlraum wie nachstehend beschrieben betrieben wird, wird der Schwellenwert der Elektronendichte N_th durch den gesamten Hohlraumverlust bestimmt werden. Da die Diodenspannung V_d der Beziehung V_d = E_fx – E_fv gehorcht, wird der Mindesthohlraumverlust einer Mindestelektronendichteschwelle N_th und somit einer Mindestdiodenspannung V_d entsprechen. Somit spiegelt die Spannung über das Diodenlaserverstärkungsmedium Verluste, die mit dem Hohlraum verbunden sind, wider.
Mit dem Obigen im Gedächtnis wird nun auf 1 Bezug genommen werden, worin eine Laservorrichtung 10 mit äußerem Hohlraum gezeigt ist, die zur Überwachung der Spannung über einen Verstärkungsbereich konfiguriert ist. Die Vorrichtung 10 beinhaltet ein Verstärkungsmedium 12 und ein End- oder äußeres reflektierendes Element 14. Das Verstärkungsmedium 12 kann einen herkömmlichen Fabry-Perot-Diodenemitterchip umfassen und weist eine antireflexions(AR)beschichtete vordere Kristallfläche 16 und eine teilweise reflektierende hintere Kristallfläche 18 auf. Die Ausgabekristallfläche 18 und der Endspiegel 14 definieren einen Laserhohlraum für die Vorrichtung 10. Das Verstärkungsmedium 12 emittiert einen kohärenten Strahl von der vorderen Kristallfläche 16, der durch eine Linse 20 gebündelt wird, um einen Lichtweg 22 zu definieren, der mit der optischen Achse des äußeren Hohlraums kolinear ist. Die Ausgabekristallfläche kann alternativ eine "Winkelkristallfläche" umfassen. Eine herkömmliche Ausgabekoppleroptik (nicht gezeigt) ist mit der hinteren Kristallfläche 18 verbunden, um die Ausgabe des Lasers 10 mit äußerem Hohlraum in eine Lichtleitfaser (ebenfalls nicht gezeigt) zu koppeln.
Durch den Endspiegel 14 oder andere Verlustelemente (nachstehend beschrieben) im äußeren Hohlraum werden verschiedenste Verluste oder Verlustkennwerte mit dem äußeren Hohlraum verbunden sein. Diese Verluste des äußeren Hohlraums können durch Überwachen der Spannung über das Verstärkungsmedium 12 sondiert oder bewertet werden. In dieser Hinsicht sind eine erste und eine zweite Elektrode 24, 26 neben dem Verstärkungsmedium 12 angeordnet und betriebsfähig damit gekoppelt. Die erste Elektrode 24 ist über einen Leiter 28 betriebsfähig mit einer Antriebsstromquelle (nicht gezeigt) gekoppelt, und die zweite Elektrode 26 ist über einen Leiter 30 geerdet. Ein Spannungssensor 32 ist betriebsfähig mit dem Leiter 28 gekoppelt und dazu konfiguriert, die Spannung über das Verstärkungsmedium 12 während des Betriebs des Lasers 10 mit äußerem Hohlraum zu messen oder zu überwachen. Der Spannungssensor 32 kann alternativ mit jeder Elektrode 24, 26 oder dem Leiter 30 gekoppelt sein. Da die Spannung über das Verstärkungsmedium 12 leicht und mit guter Genauigkeit erfasst werden kann, muss sich der Spannungssensor 32 nicht unmittelbar neben dem Verstärkungsmedium befinden und kann er an einem Punkt, der vom Verstärkungsmedium 12 entfernt ist, mit dem Leiter 28 oder 30 verbunden sein.
Licht, das vom Endspiegel 14 reflektiert wird, wird entlang des Lichtweges 22 in den Verstärkungsbereich 12 zurückgeführt. Verluste, die aufgrund einer winkeligen Fehlpositionierung in Bezug auf die optische Achse des Hohlraums mit dem Endspiegel verbunden sind, verändern die optische Rückkopplung in das Verstärkungsmedium 12, was durch den Spannungssensor als eine Veränderung oder Veränderungen der Spannung über das Verstärkungsmedium 12 erfassbar ist. Aus der Spannung, die über das Verstärkungsmedium 12 gemessen wird, können Fehlersignale abgeleitet werden, um die Verlustkennwerte, die aufgrund des Endspiegels 14 oder anderer mit dem äußeren Hohlraum verbundener Elemente mit dem äußeren Hohlraum verbunden sind, zu korrigieren oder auf andere Weise einzustellen. Andere Verlustelemente, die mit dem äußeren Hohlraum verbunden sind, können ein Gittergeneratorelement und ein Kanalwählerelement beinhalten, die in 1 als Gitteretalon 34 bzw. als Kanalwähler 36 gezeigt sind, welche zwischen dem Verstärkungsmedium 12 und dem Endspiegel 14 im Lichtweg angeordnet sind. Der Gitteretalon 34 ist im Lichtweg 22 typischerweise vor dem Keiletalon 26 angeordnet und weist parallele reflektierende Flächen 38, 40 auf. Der Gitteretalon 34 ist als ein Interferenzfilter tätig, und der Brechungsindex des Gitteretalons 34 und die wie durch die Beabstandung der Flächen 38, 40 definierte optische Dicke des Gitteretalons 34 verursachen bei Wellenlängen, die mit den Mittenwellenlängen eines ausgewählten Wellenlängengitters, das zum Beispiel das ITU(Internationale Fernmeldeunion)-Gitter umfassen kann, übereinstimmen, eine Vielzahl von Minima im Kommunikationsband. Alternativ können andere Wellenlängengitter gewählt werden. Der Gitteretalon 34 weist einen freien Spektralbereich (FSR) auf, der der Beabstandung zwischen den Gitterlinien des ITU-Gitters oder des anderen gewählten Gitters entspricht, und der Gitteretalon 34 ist daher dazu tätig, mehrere Passbänder bereitzustellen, die auf jeder der Gitterlinien des Wellenlängengitters zentriert sind. Der Gitteretalon 34 weist eine Finesse (freier Spektralbereich geteilt durch die Halbwertsbreite oder FWHM) auf, die benachbarte Moden des Lasers mit äußerem Hohlraum zwischen jedem Kanal des Wellenlängengitters unterdrückt.
Der Gitteretalon 34 kann ein festkörper-, flüssigkeits- oder gasbeabstandeter Parallelplatten-Etalon sein und kann durch genaue Bemaßung der optischen Dicke zwischen den Flächen 38, 40 durch thermische Ausdehnung oder Kontraktion über eine Temperatursteuerung abgestimmt werden. Der Gitteretalon 34 kann alternativ durch Neigen zur Veränderung der optischen Dicke zwischen den Flächen 38, 40, oder durch Anlegen eines elektrischen Felds an ein elektrooptisches Etalonmaterial abgestimmt werden. Fachleuten sind verschiedenste andere gittererzeugende Elemente bekannt, die anstelle des Gitteretalons 34 verwendet werden können. Der Gitteretalon 34 kann thermisch gesteuert werden, um eine Veränderung im gewählten Gitter, die aufgrund einer thermischen Schwankung während des Betriebs des Lasers 10 mit äußerem Hohlraum entstehen kann, zu verhindern. Der Gitteretalon 34 kann alternativ während des Laserbetriebs aktiv abgestimmt werden, wie in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/900,474 und dem Titel "External Cavity Laser with Continuous Tuning of Grid Generator) an den Erfinder Andrew Daiber, die gemeinsam mit dieser Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben ist.
Optische Verluste entstehen, wenn die Wellenlänge, bei der der Laser lasert, von einer Übertragungsspitze des Gitteretalons 34 abweicht. Diese Verlustkennwerte sind in der Spannung, die über das Verstärkungsmedium 12 überwacht wird, erfassbar. Ein Fehlersignal, das aus dieser Spannung abgeleitet wird, kann verwendet werden, um die Hohlraumlänge, und als Folge die Wellenlänge des Laserns, einzustellen, bis die Wellenlänge einem lokalen Maximum des Übertragungsspektrums des Gitteretalons 34 entspricht. Die Hohlraumlänge kann durch Versetzen des Endspiegels 14 entlang der durch den Strahl definierten optischen Achse, durch Erhitzen und thermisches Ausdehnen der Länge des Lichtweges des Verstärkungsbereichs 12, oder durch eine andere Vorgangsweise verändert werden. Das Fehlersignal kann durch Messen der Spannung, die durch den Spannungssensor erfasst wird, wenn der Endspiegel 14 versetzt oder um eine kleine positive oder negative Entfernung vom als richtig betrachteten Betriebspunkt gedithert wird, erzeugt werden. Wenn der Spannungssensor 32 an einer der Abweichungspositionen eine kleinere Spannung über den Verstärkungsbereich 12 erfasst, kann die Nennbetriebsposition des Endspiegels 14 zur entsprechenden Abweichungsposition hin versetzt werden. Alternativ kann das Dithering des Endspiegels bei einer Ditheringfrequenz fortlaufend vorgenommen werden und ein synchronisierter Verstärker (nicht gezeigt) verwendet werden, um das durch den Sensor 32 beobachtete Spannungssignal, das mit der Ditheringfrequenz synchron ist, zu erfassen. Dieses synchrone Spannungssignal bildet ein Fehlersignal, und eine PID-Steuerung (nicht gezeigt) kann verwendet werden, um den Endspiegel 14 umzupositionieren und das Fehlersignal auf Null zu treiben.
Der Kanalwähler 36 ist als keilförmiger Etalon mit Flächen oder Oberflächen 42, 44 gezeigt. Die Trennung zwischen den Oberflächen 42 und 44 kann entlang der Laserachse um ein Ausmaß, das geringer als oder gleich wie die Wellenlänge des Betriebs ist, feinverändert werden, indem die Oberflächen 42 und 44 über den Bereich, in dem der Strahl auf diese Oberflächen auftrifft, hinaus ausgedehnt werden und das Distanzstück zwischen diesen Oberflächen so verjüngt wird, dass die Verjüngung klein genug ist, dass die Dickenveränderung zwischen 42 und 44 über den Laserstrahl unbedeutend oder tolerierbar wird, und die Verjüngung groß genug ist, dass die makroskopische Bewegung des Filters über den Strahl entlang des Strahls eine mikroskopische Änderung im Abstand zwischen 42 und 44 einbringt. Der Raum zwischen den Oberflächen 42 und 44 kann mit einem Gas gefüllt, mit einer Flüssigkeit gefüllt oder mit einem Feststoff gefüllt sein. Der Raum zwischen den Oberflächen 42 und 44 kann durch thermisches Ausdehnen eines Festkörperetalons, durch thermisches, piezoelektrisches oder mikromechanisches Ausdehnen der Beabstandung in einem Gas- oder Flüssigkeitsetalon, durch Neigen eines Gas-, Feststoff- oder Flüssigkeitsetalons, durch Verändern des Drucks eines Gasetalons, durch Verwenden eines elektrooptischen Materials als Distanzstück und Verändern des Brechungsindex mit einem angelegten elektrischen Feld, durch Verwenden eines nichtlinearen optischen Materials in der Distanzstückschicht und Induzieren einer Weglängenveränderung mit einem zweiten optischen Strahl, oder durch jedes beliebige andere System oder Verfahren, das zur Wellenlängenabstimmung geeignet ist, verändert werden.
Ein wie in 1 gezeigter Keiletalon-Kanalwähler 36 ist nur ein abstimmbares Element, das gemäß der Erfindung in einem Laser mit äußerem Hohlraum verwendet werden kann. Verschiedenste andere Arten von Kanalwählern können mit der Erfindung verwendet werden. Die Verwendung eines Luftspalt-Keiletalons für die Kanalwahl ist in der US-Patentschrift Nr. 6,108,355 beschrieben, worin der "Keil" ein verjüngter Luftspalt ist, der durch benachbarte Substrate definiert ist. Die Verwendung von schwenkend einstellbaren Gittervorrichtungen als Kanalwähler, die durch Gitterwinkeleinstellung abgestimmt werden, und die Verwendung eines elektrooptisch abstimmbaren Kanalwählers in einem Laser mit äußerem Hohlraum, der durch selektives Anlegen von Spannung abgestimmt wird, sind in der am 21. März 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/814,646 an den Erfinder Andrew Daiber beschrieben. Die Verwendung eines versetzend abgestimmten abgestuften Dünnfilminterferenzfilters als Kanalwähler ist in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/814,646 und in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/900,412 und dem Titel "Graded Thin Film Wedge Interference Filter and Method of Use for Laser Tuning" an die Erfinder Hopkins et al., die gemeinsam mit dieser Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben.
Die relative Größe, die Form und die Abstände zwischen den verschiedenen optischen Bestandteilen des Lasers 10 mit äußerem Hohlraum sind in manchen Fällen zur Klarheit übertrieben und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeigt. Der Laser 10 mit äußerem Hohlraum kann zusätzliche Verlustelemente (nicht gezeigt) wie etwa Fokussierungs- und Bündelungsbestandteile, und eine polarisierende Optik, die dazu konfiguriert ist, eine falsche Rückkopplung, die mit den verschiedenen Bestandteilen des Lasers 10 mit äußerem Hohlraum verbunden ist, zu beseitigen, beinhalten. Die Stellen des Gittergenerators 34 und des Kanalwählers 36 können von den in 1 gezeigten verschieden sein.
Der Kanalwähler 36 definiert mehrere Passbänder, die im Wesentlichen breiter als die Passbänder des Gitteretalons 34 sind, wobei die breiteren Passbänder des Kanalwählers 36 eine Periodizität aufweisen, die im Wesentlichen der Trennung zwischen den Kanälen mit der kürzesten und der längsten Wellenlänge, die durch den Gitteretalon 34 definiert sind, entspricht oder größer als diese Trennung ist. Mit anderen Worten übersteigt der freie Spektralbereich des Kanalwählers 36 den vollen Wellenlängenbereich des durch den Gitteretalon 34 definierten Wellenlängengitters. Der Kanalwähler 36 weist eine Finesse auf, die ein Lasern bei Kanälen neben einem bestimmten ausgewählten Kanal unterdrückt.
Der Kanalwähler 36 wird verwendet, um durch Verändern der optischen Dicke zwischen den Flächen 42, 44 des Kanalwählers 36 zwischen mehreren Kommunikationskanälen zu wählen. Dies wird durch Versetzen oder Antreiben des Kanalwählers 36 entlang der Achse x, die parallel zur Richtung der Verjüngung des Kanalwählers 36 und senkrecht zum Lichtweg 22 und zur optischen Achse des Lasers 10 mit äußerem Hohlraum verläuft, erreicht. Jedes der Passbänder, die durch den Kanalwähler 36 definiert sind, unterstützt einen wählbaren Kanal, und während der Keil in den Lichtweg 22 vorgerückt oder versetzt wird, verläuft der Strahl, der sich entlang des Lichtweges 22 bewegt, durch zunehmend dickere Abschnitte des Kanalwählers 36, die bei Kanälen mit längerer Wellenlänge eine konstruktive Interferenz zwischen den gegenüberliegenden Flächen 42, 44 unterstützen. Während der Kanalwähler 36 vom Lichtweg 22 zurückgezogen wird, wird der Strahl zunehmend dünneren Abschnitten des Kanalwählers 36 begegnen und dem Lichtweg 22 Passbänder freigeben, die Kanäle mit entsprechend kürzerer Wellenlänge unterstützen. Der freie Spektralbereich des Kanalwählers 36 entspricht wie oben bemerkt dem vollständigen Wellenlängenbereich des Gitteretalons 34, so dass ein einzelnes Verlustminimum im Kommunikationsband über das Wellenlängengitter abgestimmt werden kann. Die kombinierte Rückkopplung vom Gitteretalon 34 und vom Kanalwähler 36 zum Verstärkungsmedium 12 unterstützt das Lasern bei der Mittenwellenlänge eines gewählten Kanals. Der freie Spektralbereich des Kanalwählers 36 ist über den Abstimmbereich breiter als jener des Gitteretalons 34.
Der Kanalwähler 36 wird über einen Abstimmaufbau, der ein Antriebselement 46 umfasst, das so aufgebaut und konfiguriert ist, dass es den Kanalwähler 36 abstimmbar auf gewählte Kanäle positioniert oder auf eine andere Weise abstimmt, in der Position abgestimmt. Das Antriebselement 46 kann zum Beispiel einen Schrittmotor zusammen mit geeigneter Hardware zur Präzisionsversetzung des Kanalwählers 36 umfassen. Das Antriebselement 46 kann alternativ verschiedenste Arten von Stellelementen einschließlich, doch ohne Beschränkung auf, Gleichstromservomotoren, Magnetspulen, Schwingspulenstellelemente, piezoelektrische Stellelemente, Ultraschalltreiber, Formgedächtnisvorrichtungen und ähnliche lineare Stellelemente umfassen. Wo mit der Erfindung eine andere Art von Kanalwähler als ein Keiletalon verwendet wird, wird der Wellenlängenabstimmantrieb 46 entsprechend konfiguriert sein, um den Kanalwähler abzustimmen. Ein linearer Codierer 50 kann in Verbindung mit dem Keiletalon 26 und dem Wellenlängenabstimmantrieb 46 verwendet werden, um eine richtige Positionierung des Keiletalons 36 durch den Antrieb 46 sicherzustellen. Ein grobes Spektrometer, das die Betriebswellenlänge überwacht, kann verwendet werden, um die richtige Positionierung des Keiletalons 36 durch den Antrieb 46 oder die richtige Positionierung einer alternativen Ausführungsform des Kanalwählers durch seinen zugehörigen Antrieb sicherzustellen. Optische Verluste, die mit dem Kanalwähler 36 verbunden sind, werden auftreten, wenn die Wellenlänge des Strahls entlang des Lichtweges 22 an der Stelle, an der der Strahl entlang des Lichtweges 22 den Kanalwähler 36 schneidet, nicht mit der Wellenlänge der maximalen Übertragung des Kanalwählers 36 übereinstimmt. Es wird angenommen, dass die Wellenlänge richtig ist, da sie vorher auf ein Übertragungsmaximum des Gitteretalons 34 eingestellt wurde, und dass der Fehler am Kanalwähler vorliegt. Die Wellenlänge der maximalen Übertragung für den Kanalwähler 36 kann durch Verändern der Trennung zwischen den reflektierenden Oberflächen 42 und 44 geändert werden. Diese Trennung kann durch Benutzen des Kanalwählers 36, der Oberflächen 42 und 44 aufweist, die entlang seiner Länge um unterschiedliche Ausmaße beabstandet sind, und Versetzen des Kanalwählers 36 mit dem Antrieb 46, bis an der Stelle, an der der Strahl 22 durch den Kanalwähler 36 übertragen wird, die richtige Beabstandung zwischen den Oberflächen 42 und 44 vorhanden ist, verändert werden.
Ein Signal, das verwendbar ist, um zu bestimmen, wie der Kanalwähler 36 versetzt werden soll, kann aus einem Dithering der Position des Kanalwählers 36 zu einer Seite eines Nennbetriebspunkts, um eine Frequenzmodulation in den Kanalwähler 36 einzubringen, und einem Messen der Spannungsmodulation über den Verstärkungsbereich, um ein Fehlersignal zu entwickeln, abgeleitet werden. Wenn die Spannung zu einer Seite des Nennbetriebspunkts niedriger als am Nennbetriebspunkt ist, wird der Nennbetriebspunkt in die Richtung des verbesserten Punkts umgesetzt. Alternativ kann der Kanalwähler 36 harmonisch gedithert werden und aus dem Wechselstromlaserspannungssignal, das bei der Ditheringfrequenz ersichtlich ist, ein Fehlersignal abgeleitet werden. Andere Gestaltungen des Kanalwählers 36 können durch Dithering der wirksamen Trennung seiner reflektierenden Oberflächen unter Verwendung von Techniken, die zu den für den Kanalwähler 36 beschriebenen analog sind, eingestellt werden. Die Verwendung eines Ditherelements zur Bereitstellung einer Frequenzmodulation für den Kanalwähler 36 oder einen anderen optischen Bestandteil wird weiter unten besprochen. Die Verwendung eines Ditherelement zur Einbringung einer Frequenzmodulation in ein Hohlraumverlustelement wird weiter unten besprochen.
Das Antriebselement 46 ist betriebsfähig mit einer Steuerung 48 gekoppelt, die die Positionierung des Kanalwählers 36 durch das Antriebselement 46 steuert. Die Steuerung des Kanalwählers 36 kann gemäß Fehlersignalen, die wie oben bemerkt aus der Frequenzmodulation des Kanalwählers 36 und der überwachten Spannung über das Verstärkungsmedium 12 abgeleitet werden, durchgeführt werden. Alternativ, oder zusätzlich, kann die Steuerung 48 Nachschlagetabellen von Positionsinformationen für den Kanalwähler 36 speichern, die wählbaren Kanalwellenlängen entsprechen. Die Steuerung kann sich im Treiberelement 46 befinden oder kann sich außerhalb davon befinden und geteilt für die Positionierung und Servofunktionen für den Endspiegel 14 und/oder andere Bestandteile oder Verlustelemente im Laser 10 mit äußerem Hohlraum wie auch den Kanalwähler 36 dienen. Ein linearer Codierer 50 kann in Verbindung mit dem Kanalwähler 36 und dem Antriebselement 46 verwendet werden, um die richtige Positionierung des Kanalwählers 36 durch den Treiber 46 sicherzustellen.
Der Kanalwähler 36 kann an seinen Enden opake Bereiche 52, 54 beinhalten, die optisch erfassbar sind und dazu dienen, die Position des Kanalwählers 36 nachzuprüfen, wenn er in der Position über seine längste oder kürzeste Kanalwellenlänge hinaus abgestimmt wurde. Die opaken Bereiche 52, 54 stellen einen zusätzlichen Codierermechanismus bereit, der bei der Positionsabstimmung des Kanalwählers 36 verwendbar ist. Wenn der Keil 36 in eine solche Position bewegt wird, dass einer der opaken Bereiche 52, 54 den Lichtweg 22 betritt, wird der opake Bereich 52, 54 den Strahl entlang des optischen Weges blockieren oder abschwächen. Diese Abschwächung des Lichts ist erfassbar, wie weiter unten beschrieben wird. Diese opaken Bereiche können als ein "Ausgangspunkt-" und ein "Überschreitungs" signal verwendet werden. Das Ausgangspunktsignal kann verwendet werden, um ein Koordinatensystem, auf das die Motorpositionen bezogen werden können, voreinzustellen. Die Position des Antriebs vom Ausgangspunkt kann dann durch Zählen der Anzahl der Schritte oder Mikroschritte, die ein Schrittmotor ausgeführt hat, und Kombinieren dieser Information mit dem Winkel, der in einem Schritt vorgenommen wurde, und der Steigung der Spindel bestimmt werden. Alternativ kann am Antrieb ein Codierer angebracht werden. Das Ausgangspunktsignal kann ferner verwendet werden, um durch Bereitstellen eines Bezugs dicht am optischen Element und periodisches Suchen nach diesem Bezug die thermische Ausdehnung der Spindel oder die mechanische Abnutzung der Antriebsmutter auszugleichen.
Die Passbandbeziehung des Gitteretalons 34, des Kanalwählers 36 und des äußeren Hohlraums, der durch die hintere Kristallfläche 18 und den Endspiegel 14 definiert ist, ist in 2A bis 2C, die Passbänder PB1 des äußeren Hohlraums, Passbänder PB2 des Gitteretalons, und Passbänder PB3 des Keiletalons zeigen, graphisch veranschaulicht. Die relative Verstärkung ist an der senkrechten Achse und die Wellenlänge an der waagerechten Achse gezeigt. Wie ersichtlich ist, ist der freie Spektralbereich des Kanalwählers 36 (FSRKanalwähler) größer als der freie Spektralbereich des Gitteretalons 34 (FSRGittergenerator), welcher wiederum größer als der freie Spektralbereich des äußeren Hohlraums (FSRHohlraum) ist. Die Passbandspitzen PB1 des äußeren Hohlraums richten sich periodisch mit den Mittenwellenlängen der Passbänder PB2, die durch das Wellenlängengitter des Gitteretalons 34 definiert sind, aus. Es gibt eine Passbandspitze PB3 vom Kanalwähler 36, die sich über alle Passbänder PB2 des Wellenlängengitters erstreckt. Im bestimmten Beispiel, das in 2A bis 2C gezeigt ist, erstreckt sich das Wellenlängengitter über vierundsechzig Kanäle, die um einen halben Nanometer (nm) oder 62 GHz beabstandet sind, wobei sich der Kanal mit der kürzesten Wellenlänge bei 1532 nm und der Kanal mit der längsten Wellenlänge bei 1563,5 nm befindet.
Die Finessen des Gitteretalons 34 und des Kanalwählers 36 bestimmen die Abschwächung von benachbarten Moden oder Kanälen. Wie oben bemerkt wurde, ist die Finesse dem freien Spektralbereich über die Halbwertsbreite gleich, oder ist die Finesse = FSR/FWHM. Die Breite für ein Passband PB2 des Gitteretalons beim Halbwert ist in 2B gezeigt, und die Breite für ein Passband PB3 des Keiletalons beim Halb wert ist in 2C gezeigt. Diese Positionierung des Gitteretalons 34 und des Kanalwählers 36 im äußeren Hohlraum verbessert die Nebenmodusunterdrückung.
Die Abstimmung des Passbands PB3 des Kanalwählers 36 zwischen einem Kanal, der bei 1549,5 nm zentriert ist, und einem benachbarten Kanal bei 1550 nm ist in 3A bis 3C graphisch veranschaulicht, worin die Wahl eines Kanals, der durch den Gitteretalon 24 erzeugt wird, und die Abschwächung von benachbarten Kanälen oder Moden gezeigt ist. Die in 2A bis 2C gezeigten Passbänder PB1 des äußeren Hohlraums sind zur Klarheit in 3A bis 3C weggelassen. Der Gitteretalon 34 wählt periodisch Longitudinalmoden des äußeren Hohlraums, die der Gitterkanalbeabstandung entsprechen, während er benachbarte Moden zurückweist. Der Kanalwähler 36 wählt einen bestimmten Kanal im Wellenlängengitter und weist alle anderen Kanäle zurück. Der gewählte Kanal oder Laserungsmodus ist auf einem bestimmten Kanal für Filterversätze im Bereich von ungefähr plus oder minus einer halben Kanalbeabstandung stationär. Für größere Kanalversätze springt der Laserungsmodus zum nächsten benachbarten Kanal.
In 3A ist das Passband PB3 des Keiletalons in Bezug auf den Gitterkanal bei 1549,5 nm zentriert. Die relative Verstärkung, die mit dem Passband PB2 bei 1549,5 nm verbunden ist, ist hoch, während die relativen Verstärkungspegel, die mit benachbarten Passbändern PB2 bei 1549,0 nm und 1550,0 nm verbunden sind, in Bezug auf den gewählten Kanal von 1549,5 nm unterdrückt sind. Die Verstärkung, die mit den Passbändern PB2 bei 1550,5 nm und 1548,5 nm verbunden ist, ist noch weiter unterdrückt. Die gestrichelte Linie gibt die relative Verstärkung für Passbänder PB2 ohne Unterdrückung durch den Kanalwähler 36 an.
3B zeigt das Passband PB3 des Keiletalons an einer Position zwischen den Kanälen bei 1549,5 nm und 1550,0 nm, wie dies während des Kanalumschaltens auftritt. Die relativen Verstärkungen, die mit den Passbändern PB2 bei 1549,5 nm und 1550,0 nm verbunden sind, sind beide hoch, wobei keiner der Kanäle unterdrückt ist. Die relativen Verstärkungspegel, die mit den Passbändern PB2 bei 1549,0 nm und 1550,5 nm verbunden sind, sind in Bezug auf die Kanäle von 1549,5 nm und 1550,0 nm unterdrückt. Die gestrichelte Linie gibt die relative Verstärkung für Passbänder PB2 ohne Unterdrückung durch den Kanalwähler 36 an.
3C zeigt das Passband PB3 des Keiletalons in Bezug auf den Gitterkanal bei 1550,0 nm zentriert, wobei die relative Verstärkung, die mit dem Passband BP2 bei 1550,0 nm verbunden ist, hoch ist, während die relativen Verstärkungspegel, die mit benachbarten Passbändern PB2 bei 1549,5 nm und 1550,5 nm verbunden sind, in Bezug auf den gewählten Kanal von 1550,0 nm unterdrückt sind und die Verstärkung, die mit den Passbändern PB2 bei 1551,0 nm und 1549,0 nm verbunden ist, noch weiter unterdrückt ist. Erneut gibt die gestrichelte Linie die relative Verstärkung für Passbänder PB2 ohne Unterdrückung durch den Kanalwähler 36 an.
Wie aus 2 und 3 ersichtlich ist, wird eine nicht optimale Positionierung oder Abstimmung des Kanalwählers 36, des Endspiegels 14 und/oder des Gittergenerators 34 zu einer Fehlausrichtung der Passbänder PB1, PB2 und PB3 führen und Verluste in der optischen Ausgangsleistung und eine Abnahme im Nebenmodenunterdrückungsverhältnis für den Laser 10 mit äußerem Hohlraum verursachen. Das Überwachen der Spannung über das Verstärkungsmedium 12 über den Spannungssensor 32 gestattet, dass derartige Verlustkennwerte des äußeren Hohlraums während des Laserbetriebs sondiert oder bewertet werden. Fehlersignale, die aus der überwachten Spannung abgeleitet werden, können dann verwendet werden, um das Verlustprofil des äußeren Hohlraums während des Betriebs so einzustellen oder zu stellen, dass die Passbänder PB1, PB2 und PB3 durch geeignetes Neupositio nieren oder Einstellen des Endspiegels 14, des Kanalwählers 36 und/oder des Gitteretalons 34 in Bezug zueinander optimal ausgerichtet sind, wodurch eine genaue Wellenlängenabstimmung und Stabilität bereitgestellt werden.
4A veranschaulicht eine andere Ausführungsform einer Laservorrichtung 56 mit äußerem Hohlraum, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile zu bezeichnen. In der Ausführungsform von 4A ist ein elektrooptisch aktiviertes Abstimmelement 58 im Lichtweg 58 vor dem Endspiegel 14 angeordnet. Das Abstimmelement 58 ist über eine Kommunikationsschnittstelle 62 betriebsfähig mit einer Steuerung 60 gekoppelt. Die Steuerung 60 ist über eine Schnittstelle 64 betriebsfähig mit dem Spannungssensor 32 gekoppelt. Eine thermoelektrische Steuerung 66 ist mit dem Gittergenerator 34 gekoppelt, und die Steuerung 60 ist über eine Kommunikationsschnittstelle 68 betriebsfähig mit der thermoelektrischen Steuerung 66 gekoppelt. Die Steuerung 60 ist über den Leiter 28, der als eine Kommunikationsschnittstelle dient, auch betriebsfähig mit dem Verstärkungsmedium gekoppelt. Die Steuerung 60 ist über eine Kommunikationsschnittstelle 70 betriebsfähig mit dem Antriebselement oder -aufbau 46 gekoppelt. Das Antriebselement 46 ist betriebsfähig mit dem Kanalwähler 36 gekoppelt.
Das wie in 4A gezeigte elektrooptische Abstimmelement 58 stellt eine Signalmodulation in Form eines Frequenzditherings bereit, das durch die Anwesenheit des Elements 58 im Lichtweg 22 in die Länge des Lichtweges des Lasers 56 mit äußerem Hohlraum eingebracht wird. Das Abstimmelement umfasst ein Etalon aus elektrooptischem Material wie etwa Lithiumniobat oder ein elektrooptisches flüssigkristallines Material, und weist einen spannungseinstellbaren Brechungsindex auf. Als eine alternative Ausführungsform könnte ein piezoelektrisches oder mikromechanisches Abstimmelement am Endspiegel 14 angebracht werden, wobei eine physische Verschiebung des Endspiegels 14 der gleichen Funktion wie Pha senverschiebungen im Element 58 dient. Die Signalmodulation kann zum Beispiel eine Frequenzmodulation von etwa 20 KHz umfassen. Die Einstellung der Spannung über das elektrooptische Material des Abstimmelements ändert die wirksame optische Dicke des Abstimmelements 58 und somit die gesamte Länge I des Lichtweges über den äußeren Hohlraum (zwischen der Diodenkristallfläche 18 und dem Endspiegel 14) des Lasers 56 mit äußerem Hohlraum. Somit stellt das elektrooptische Abstimmelement 58 sowohl (i) ein Frequenzmodulationssignal oder Dithering für den äußeren Hohlraum als auch (ii) einen Mechanismus zum Abstimmen oder Einstellen der Länge des Lichtweges des äußeren Hohlraums durch Spannung, die über das Abstimmelement 58 angelegt wird, bereit. Das elektrooptische Abstimmelement 58 kann alternativ eine akustooptische Vorrichtung, eine mechanische Vorrichtung, oder eine andere Vorrichtung, die fähig ist, ein erfassbares Frequenzdithering oder Modulationssignal in die Ausgabe des äußeren Hohlraums einzubringen, umfassen.
Die Modulation der Länge I des Lichtweges über ein Frequenzdithering, das durch das Element 58 eingebracht wird, erzeugt Stärkeveränderungen in der Ausgangsleistung des Lasers 56 mit äußerem Hohlraum, die aufgrund der optischen Rückkopplung vom äußeren Hohlraum in das Verstärkungsmedium in der überwachten Spannung über das Verstärkungsmedium 12 erfassbar sind. Diese Stärkeveränderungen werden in der Größe und im Phasenfehler abnehmen, wenn ein Laserhohlraummodus mit der Mittenwellenlänge der Passbänder, die durch den Gittergenerator 34 und den Kanalwähler 36 definiert werden, ausgerichtet wird. Mit anderen Worten sind die Stärkeveränderungen und der Phasenfehler im Modulationssignal minimal oder nominell Null, wenn die Passbänder PB1, PB2 und PB3 wie in 2A bis 2C gezeigt optimal ausgerichtet sind. Die Verwendung der Stärkeveränderung und des Phasenfehlers im modulierten Signal im Hinblick auf die Fehlersignalbestimmung ist weiter unten unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Während des Betriebs des Lasers 56 mit äußerem Hohlraum werden Spannungssignale vom Spannungssensor 32 über die Schnittstelle 64 zur Steuerung 60 kommuniziert. Die Steuerung 60 leitet aus der durch das Frequenzdithering eingebrachten Modulation ein Fehlersignal ab und kommuniziert über die Schnittstelle 62 ein Ausgleichssignal zum elektrooptischen Abstimmelement, das die Länge I des Lichtweges durch Verändern des Brechungsindex, und somit der wirksamen Länge des Lichtweges, über das elektrooptische Abstimmelement 58 abstimmt oder einstellt.
Die Steuerung 60 steuert während des Betriebs des Lasers 56 auch den Antriebsstrom zum Verstärkungsmedium 12 durch Signale, die über die Schnittstelle 28 kommuniziert werden, und die Positionierung des Kanalwählers 36 durch das Antriebselement 46 gemäß Signalen, die über die Schnittstelle 70 kommuniziert werden. Die Steuerung 60 kann über die thermoelektrische Steuerung 66 und Signale, die über die Schnittstelle 68 kommuniziert werden, auch die Temperatur des Gitteretalons 34 steuern. Der Betrieb der Steuerung 60 bei der Ausführung der obigen Tätigkeiten ist nachstehend unter Bezugnahme auf 5A ausführlicher beschrieben.
4B zeigt eine andere Ausführungsform eines Lasers 72 mit äußerem Hohlraum, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Im Laser 72 mit externem Hohlraum ist der Endspiegel 14 mit einem Abstimmarm 74 gekoppelt, der verwendet wird, um den Endspiegel gemäß Anweisungen von einer Steuerung 76 in der Position einzustellen. Der Abstimmarm 74 ist aus einem Material, das einen hohen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung aufweist, wie etwa Aluminium oder einem anderen Metall oder einer Metalllegierung hergestellt. Die Steuerung 76 ist über eine Kommunikationsschnittstelle 80 betriebsfähig mit einer thermoelektrischen Steuerung 78 gekoppelt. Die thermoelektrische Steuerung 78 ist mit dem Abstimmarm gekoppelt und dazu konfiguriert, die Temperatur des Arms 74 einzustellen. Die thermische Steuerung (Erhitzen oder Abkühlen) des Abstimmarms 74 gemäß Signalen von der Steuerung 76 wird in dieser Ausführungsform verwendet, um die Position des Endspiegels 14 und die Länge I des Lichtweges des äußeren Hohlraums, der durch den Endspiegel und die Diodenkristallfläche definiert wird, zu steuern.
Die Verwendung eines thermisch gesteuerten Abstimmelements, um einen Endspiegel und andere optische Bestandteile in einem Laser mit äußerem Hohlraum in der Position einzustellen, ist auch in der am 21. März 2001 eingereichten US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/814,646 an den Erfinder Andrew Daiber und in der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 09/900,443 und dem Titel "Laser Apparatus with Active Thermal Tuning of External Cavity" an die Erfinder Mark Rice et. al, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde, beschrieben.
Der Endspiegel 14 kann alternativ durch verschiedenste andere Abstimmmechanismen gemäß Fehlersignalen, die aus der über das Verstärkungsmedium 12 gemessenen Spannung abgeleitet werden, abgestimmt oder eingestellt werden. Zum Beispiel kann der Endspiegel 14 durch einen Phasenentzerrer abgestimmt werden oder durch einen Schrittmotor, der gemäß Anweisungen von der Steuerung 76 tätig ist, mechanisch positioniert werden.
Beim Betrieb des Lasers 72 mit äußerem Hohlraum 72 beringt das elektrooptische Abstimmelement auf die oben beschriebene Weise ein Frequenzdithering oder eine Modulation in die Länge I des Lichtweges des äußeren Hohlraums ein. Die Frequenzmodulation ist durch den Spannungssensor 32 in der Spannung, die über das Verstärkungsmedium 12 überwacht wird, erfassbar, und die Frequenzmodulation beinhaltet wie oben bemerkt Veränderungen in der Größe und im Phasenfehler, die die Ausrichtung des Laserhohlraummodus mit der Mittenwellenlänge der durch den Gittergenerator 34 und den Kanalwähler 36 definierten Passbänder angeben. Die Steuerung 76 leitet aus der Modulation, die durch das Frequenzdithering eingebracht wurde, ein Fehlersignal ab und kommuniziert über die Schnittstelle 80 ein Ausgleichssignal zur thermoelektrischen Steuerung 78, die den Abstimmarm 74 entsprechend erhitzt oder abkühlt, um den Endspiegel 14 zu positionieren und die Länge I des Lichtweges des Lasers mit äußerem Hohlraum so einzustellen, dass das Fehlersignal ausgelöscht wird. Die Steuerung 76 steuert über die Schnittstelle 28 auch den Antriebsstrom zum Verstärkungsmedium 12, über die Schnittstelle 70 die Positionierung des Kanalwählers 36 durch das Antriebselement 46, und über die thermoelektrische Steuerung und Signale, die über die Schnittstelle 68 kommuniziert werden, die Temperatur des Gitteretalons 34. Der Betrieb der Steuerung 76 bei der Ausführung der obigen Tätigkeiten ist nachstehend unter Bezugnahme auf 5B ausführlicher beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 4C ist eine andere Ausführungsform einer Laservorrichtung 82 mit äußerem Hohlraum gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile zu bezeichnen. In der Vorrichtung 82 ist der Endspiegel 14 als reflektierende Beschichtung direkt auf dem elektrooptischen Material des Abstimmelements 58 gebildet. Daher sind der Endspiegel 14 und das Abstimmelement 58 zu einem einzelnen Bestandteil kombiniert. Das elektrooptische Abstimmelement 58 bringt wie oben beschrieben ein Frequenzdithering oder eine Modulation in die Länge I des Lichtweges des äußeren Hohlraums ein, das bzw. die in der Spannung über das Verstärkungsmedium 12 erfasst wird und verwendet wird, um ein Fehlersignal abzuleiten. Ein entsprechendes Ausgleichssignal wird durch die Steuerung 76 über die Schnittstelle 80 zur thermoelektrischen Steuerung 78 geliefert, die den Abstimmarm 74 wie oben beschrieben wie erforderlich erhitzt oder abkühlt, um den Endspiegel 14 zu positionieren und die Länge I des Lichtweges des Lasers mit äußerem Hohlraum einzustellen, um das Fehlersignal auszulöschen. In der weiteren Hinsicht ist der Betrieb des Lasers mit äußerem Hohlraum im Wesentlichen der gleiche, wie oben für den Laser 72 mit äußerem Hohlraum beschrieben wurde. In der Vorrichtung 82 kann auf den Abstimmarm 74 und die thermoelektrische Steuerung 78 verzichtet werden und die Einstellung der Länge I des Lichtweges wie oben für die Laservorrichtung 56 mit äußerem Hohlraum in 4A beschrieben direkt über eine Spannungssteuerung der wirksamen optischen Dicke des elektrooptischen Abstimmelements durchgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 5A und 5B sind nun funktionelle Blockdiagramme für die Steuerunge 60, 76 von 4A bzw. 4B gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile zu bezeichnen. Die Steuerungen 60, 76 beinhalten jeweils einen Abstimmkreis 84, einen Strom/Spannungstreiber 86, der über den Leiter 28 betriebsfähig mit dem Verstärkungsmedium 12 gekoppelt ist, eine Gittersteuerung 88, die über die Schnittstelle 68 betriebsfähig mit der thermoelektrischen Steuerung 66 gekoppelt ist, und eine Kanalsteuerung 91, die über die Schnittstelle 70 betriebsfähig mit dem Antriebselement 46 gekoppelt ist. Der Strom/Spannungstreiber 86 steuert die Leistung, die zum Verstärkungsmedium 12 geliefert wird, über die Schnittstelle 28. Die Gittersteuerung 88 bewahrt die referentielle Integrität des Gitteretalons 34 durch dessen thermische Steuerung unter Verwendung der thermoelektrischen Steuerung 66, um den Gitteretalon 34 wie erforderlich zu erhitzen oder abzukühlen. Die Kanalsteuerung 90 weist das Antriebselement 46 an, den Kanalwähler 36 zur Wahl von gewünschten Übertragungsbändern im Gitter, das durch den Gitteretalon 34 definiert ist, anzuordnen oder auf andere Weise einzustellen. Der Abstimmkreis 84 umfasst auch einen Signalprozessor 98, ein optisches Tiefpassfilter 96, eine Fehlerkorrekturvor richtung 98, eine Weglängeneinstellvorrichtung 100, und einen Modulationssignalgenerator oder ein Ditherelement 102.
Der Modulationssignalgenerator 102 stellt einem ausgewählten Verlustelement (z.B. dem Abstimmelement 254) ein Frequenzdithering oder Modulationssignal bereit, das eine entsprechende Modulation des Lichtweges I des äußeren Hohlraums des Lasers verursacht. Die Modulationsfrequenz und die Amplitude können zum Beispiel so gewählt sein, dass die wirksame Kopplungsleistungsfähigkeit erhöht wird. Das Spannungssignal vom Spannungssensor 32 wird über die Kommunikationsleitung 28 zum Abstimmkreis 84 kommuniziert und zum Signalverarbeitungskreis 94 gerichtet. Der Signalverarbeitungskreis 94 nimmt auch ein Bezugsmodulationssignal vom Ditherelement 102 an. Der Signalverarbeitungskreis 94 bestimmt die Ausrichtung der Passbänder PB1 (2 und 3) des äußeren Hohlraums mit den Passbändern PB2 des Gitteretalons 34 und den Passbändern PB3 des Kanalwählers 36.
In einer Ausführungsform wird die Signalverarbeitung unter Verwendung der phasensynchronen Erfassung durchgeführt, um die Phasenbeziehung zwischen dem Modulationssignal, das durch das Ditherelement 102 eingebracht wird, und der Spannungsstärke, die durch den Spannungssensor 32 erfasst wird, zu bestimmen. Durch Signalverarbeitung 94 werden Fehlersignale erzeugt, die die relative Phase zwischen dem Dithermodulationssignal und der erfassten Spannungsstärke angeben. Die Fehlersignale werden durch ein Tiefpassfilter 96 zur Fehlerkorrekturvorrichtung 98 gerichtet. Die Signalverarbeitung kann in dieser Ausführungsform in einem Phasensteuerkreis ausgeführt sein.
In einer anderen Ausführungsform kann die Signalverarbeitung 94 Stärkeveränderungen und die Frequenz des Spannungssignals vom Spannungssensor 32 überwachen, um zu bestimmen, wann Stärkeveränderungen auf ein Mindestmaß verringert sind. Diese Stärkeveränderungen sind auf ein Mindestmaß verringert, und die Frequenz des Stärkesignals ist erhöht, wenn die Passbänder PB1, PB2 und PB3 eine Ausrichtung erzielen. Fehlersignale, die die Frequenz und die Stärkeveränderung angeben, werden aus dem Ausgang des Spannungssensors 32 abgeleitet und zur Fehlerkorrekturvorrichtung 98 kommuniziert. Die Signalverarbeitung 94 kann alternativ auf ausgewählte Oberschwingungen der Modulationsfrequenz, die durch das Ditherelement 102 bereitgestellt wird, ansprechen.
Die Fehlerkorrekturvorrichtung 98 erzeugt aus dem durch die Signalverarbeitung 94 bereitgestellten Fehlersignal ein Fehlerkorrektur- oder Ausgleichssignal, das verwendet wird, um die Länge I des Lichtweges mit der Weglängeneinstellvorrichtung 100 einzustellen, um die Beziehung zwischen dem Modulationssignal und dem Stärkesignal zu optimieren, oder um die Beziehung zwischen dem Modulationssignal und dem Stärkesignal zu einem gewählten Versatz oder Wert zu treiben. Wenn ein äußerer Hohlraummodus oder ein Passband PB1 mit den Bändern PB2 und PB3, die durch den Gittergenerator 34 und den Kanalwähler 36 erzeugt werden, ausgerichtet ist, sind Stärkeveränderungen bei der Modulationsfrequenz (und ungeraden Vielfachen davon) im kohärenten Strahl, der sich den Lichtweg 22 entlang bewegt, im Wesentlichen auf ein Mindestmaß verringert, wie weiter unten unter Bezugnahme auf 6 besprochen wird. Gleichzeitig wird sich die Spannungssignalstärke mit dem Doppelten der Modulationsfrequenz verändern. Eine oder beide dieser Auswirkungen sind verwendbar, um den äußeren Hohlraumverlust, der mit Verlustkennwerten verbunden ist, die mit der Positionierung oder der Beziehung des Endspiegels 14, des Gittergenerators 34 und des Kanalwählers 36 verbunden sind, zu bewerten, und um Fehlersignale zu erzeugen, die zu einer derartigen Einstellung der Hohlraumverlustkennwerte verwendbar sind, dass das Modulationssignal und das Stärkesignal optimiert werden.
5A veranschaulicht das Steuerungssystem für den Laser 56 mit äußerem Hohlraum von 4A. Beim Laser 56 mit äußerem Hohlraum wird die Länge I des Lichtweges durch die Spannungssteuerung der wirksamen optischen Dicke des elektrooptischen Elements 58 eingestellt. Die Weglängeneinstellvorrichtung 100 stellt einen zur Zentrierung des Passbands PB1 des äußeren Hohlraums mit den Passbändern PB2 und PB3 nötigen "Gleichstrom" versatz bereit, der mit dem Modulationssignal vom Ditherelement 102 kombiniert wird, um das passende "Wechselstrom" ausgleichssignal bereitzustellen, das über die Schnittstelle 62 zum elektrooptischen Element 58 kommuniziert wird.
5B zeigt das Steuerungssystem für den Laser 72 mit äußerem Hohlraum, wobei die Modulation der Länge I des Lichtweges unter Verwendung des elektrooptischen Elements 58 durchgeführt wird, und die Einstellung der Länge I des Lichtweges über eine thermische Positionierung des Endspiegels 14 durch den Ausgleichsarm 74 durchgeführt wird, wie in 4B gezeigt und oben beschrieben ist. In diesem Fall kommuniziert die Weglängeneinstellvorrichtung ein Ausgleichssignal über die Schnittstelle 80 zur thermoelektrischen Steuerung 78, die den Ausgleichsarm 74 entsprechend erhitzt oder abkühlt, um den Endspiegel 14 umzupositionieren, um das Verlustprofil des äußeren Hohlraums zu optimieren. Das Lasersystem 82 mit äußerem Hohlraum von 3 kann eines der Steuerungssysteme von 5A und 5B benutzen.
Unter Bezugnahme auf 6 wird nun die Beziehung des Dithermodulationssignals, das in einen äußeren Hohlraum eingebracht wird, in Bezug auf die erfasste Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium 12 graphisch als Wellenlänge in Bezug auf die relative Stärke veranschaulicht. 2 zeigt ein Gitteretalonpassband PB2 zusammen mit Frequenz- oder Dithermodulationssignalen 104A, 104B, 104C, die je weils Moden 106A, 106B bzw. 106C des Lasers mit äußerem Hohlraum entsprechen. Die Frequenzmodulationssignale 104A bis C werden auf die oben beschriebene Weise durch eine Spannungsmodulation des elektrooptischen Elements 58 in den äußeren Hohlraum des Lasers eingebracht. Wie in 6 gezeigt ist der Lasermodus 106A in Bezug auf die Mitte des Passbands PB2 zur Seite der kürzeren Wellenlängen des Passbands PB2 hin exzentrisch, während sich der Lasermodus 106B bei etwa der Mittenwellenlänge des Passbands PB2 befindet und sich der Lasermodus 106C an der Seite der längeren Wellenlängen des Passbands PB2 befindet. Die Lasermoduswellenlänge 106B entspricht einer Wellenlängensperrposition und stellt ein optimales Verlustprofil für den äußeren Hohlraum dar. Die Lasermoden 106A und 106C sind in Bezug auf das Passband PB2 exzentrisch und führen zu nicht optimalen Hohlraumverlustprofilen, die eine Einstellung der Länge I des äußeren Hohlraums, wie oben beschrieben entweder durch Einstellen der wirksamen optischen Dicke des elektrooptischen Elements 58 oder durch Positionieren des Endspiegels 14, benötigen werden.
Die Spannungen, die durch den Spannungssensor 32 für die Ditheringsignale 104A, 104B und 104C über das Verstärkungsmedium 12 erfasst werden, sind an der rechten Seite von 6 jeweils als Spannungsmodulationssignale 108A, 108B und 108C gezeigt, die jeweils den Lasermodulationssignalen 106A, 106B und 106C entsprechen. Die Stelle des Lasermodus 106A bei einer kürzeren Wellenlänge als jener der Mittenwellenlänge des Passbands PB2 führt zum Spannungssignal 108A, das eine Modulation aufweist, die mit dem Dithermodulationssignal 104A phasengleich ist. Die Stelle des Lasermodus 106C bei einer größeren Wellenlänge als jener der Mittenwellenlänge des Passbands BP2 führt zu einer Modulation des Spannungssignals 108C, die in Bezug auf die Modulation des Ditheringsignals 104C phasenverschoben ist.
Die Stelle jeder Lasermodenwellenlänge in Bezug auf die Neigung des Passbands PB2 beeinflusst die Amplitude des entsprechenden Spannungssignals. Somit weist das Spannungssignal 108A, das der Wellenlänge des Lasermodus 106A an einem verhältnismäßig steilen Gefälle des Passbands PB2 entspricht, eine verhältnismäßig große Modulationsamplitude auf, während das Spannungssignal 108C, das dem Lasermodus 106C entspricht, der mit einem Abschnitt des Passbands PB2 verbunden ist, welcher ein weniger steiles Gefälle aufweist, eine entsprechend kleinere Modulationsamplitude aufweist. Das Spannungssignal 108B, das dem zentrierten Lasermodus 106B entspricht, weist eine minimale Modulationsamplitude auf, da die Periode des Dithermodulationssignals 104B um die Mittenwellenlänge des Passbands PB2 symmetrisch auftritt. Die Frequenz der dominanten Stärke im Fall des Spannungssignals 108B beträgt in diesem Fall das Doppelte der Frequenz des Dithermodulationssignals 104B.
Aus 6 ist ersichtlich, dass die Amplitude der Modulation, die in der Spannung über das Verstärkungsmedium 12 erfasst wird, die Größe der Korrektur oder Einstellung angibt, die für den äußeren Hohlraum des Lasers benötigt wird, während die Phase der Spannungssignalmodulation die Richtung der Einstellung angibt. Die Amplitude der Dithermodulationssignale 104A bis C ist so gewählt, dass die Veränderung in der Stärke der Spannungssignalmodulation während der Wellenlängensperre auf annehmbaren Pegeln für die besondere Verwendung des Lasers mit äußerem Hohlraum gehalten wird. Die Frequenz der Dithermodulation ist so gewählt, dass sie hoch genug ist, um eine Kohärenzsteuerung bereitzustellen, aber niedrig genug ist, um eine Interferenz mit Informationen, die auf das Trägersignal moduliert sind, welches während der Übertragung durch den Laser mit äußerem Hohlraum bereitgestellt wird, zu verhindern.
Die Erfindung kann verwendet werden, um Verlustkennwerte, die mit mehreren Verlustelementen in einem Laser mit äußerem Hohlraum verbunden sind, zu bewerten und einzustellen. Unter Bezugnahme auf 7 ist eine Laservorrichtung 110 mit äußerem Hohlraum gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Teile zu bezeichnen. In der Vorrichtung 110 wird mit jedem der mehreren Verlustelemente ein gesondertes Frequenzmodulations- oder Ditherelement verwendet. Somit ist ein Ditherelement 112 mit dem Gitteretalon 34 gekoppelt, während ein Ditherelement 114 mit dem Kanalwähler 36 gekoppelt ist, und ein Ditherelement 116 mit dem Endspiegel 14 gekoppelt ist. Die Ditherelemente 112, 114, 116 können zum Beispiel herkömmliche mechanische, piezoelektrische, elektrooptische oder akustooptische Oszillatoren oder ähnliche Oszillatorvorrichtungen umfassen, die jeweils ein Frequenzmodulationssignal in die Neigung des Gitteretalons 34, die Querposition des Kanalwählers 36 und die axiale Position des Endspiegels 14 einbringen. Die Ditherelemente 112, 114 und 116 sind jeweils über Kommunikationsschnittstellen 117, 118 bzw. 120 betriebsfähig mit der Steuerung 76 gekoppelt. Zusätzliche Ditherelemente können in Verbindung mit zusätzlichen Verlustelementen (nicht gezeigt) verwendet werden, die vorhanden sind oder auf andere Weise mit der Laservorrichtung 110 mit äußerem Hohlraum verbunden sind.
Die Einbringung eines Modulationssignals durch das Ditherelement 116 in den Endspiegel 14 moduliert die Länge I des Lichtweges des äußerem Hohlraums, der durch den Endspiegel und die Ausgabekristallfläche 18 definiert ist, in der gleichen Weise, wie sie durch das oben beschriebene elektrooptische Element 58 in 4A bis 4C bereitgestellt wird, direkt. Dies führt zu einer Modulation in der Spannung über das Verstärkungsmedium 12, die durch den Spannungssensor 32 erfassbar ist, und die verwendet werden kann, um die Länge I des Lichtweges des äußeren Hohlraums wie ebenfalls oben beschrieben durch Positionieren des End spiegels 14 über ein Erhitzen oder Abkühlen des Ausgleichsarms 74 mit der thermoelektrischen Steuerung 78 einzustellen.
Die Einbringung eines Modulationssignals durch das Frequenzditherelement 112 in den Gitteretalon 34 führt zur Modulation der Lichtweglänge d_GE zwischen den Kristallflächen 38, 40 des Gitteretalons 34. Wenn der Gitteretalon 34 moduliert wird, wird der Endspiegel 14 außer wie nachstehend beschrieben nicht durch das Element 116 moduliert. Die Modulation der Lichtweglänge im Gitteretalon 34 moduliert die Übertragungspassbänder des Gitteretalons 34. Da der FSR des Gitteretalons 34 größer als der FSR der Laserhohlraummoden ist, erzeugt eine gegebene Modulation der Lichtweglänge eine entsprechende längere Modulation in der Wellenlänge der Etalonübertragungsmoden als eine ähnliche Lichtweglängenmodulation der Hohlraumlänge, um eine Modulation der Wellenlänge der Lasermoden zu erzeugen.
Diese Modulation des Gitteretalons 34 kann verwendet werden, um unter Verwendung eines Verfahrens, das dem in 6 beschriebenen ähnlich ist, eine Servosperre der Hohlraumlänge vorzunehmen, außer dass in diesem Fall die Laserfrequenz nominell fixiert ist und das Gitteretalonpassband moduliert wird. Die Schwingung des Etalonpassbands moduliert die Rückkopplung in das Verstärkungsmedium 12, was zu einer Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium 12 führt, die durch den Spannungssensor 32 erfasst wird. Ein Fehlersignal, das durch die Steuerung 76 aus der Modulation der Spannung über das Verstärkungsmedium 12 abgeleitet wird, kann somit verwendet werden, um die Hohlraumlänge auf die oben beschriebene Weise einzustellen.
Die Modulation der Lichtweglänge des Gitteretalons 34 moduliert auch die Hohlraumlänge des Lasers 110 und erzeugt somit eine kleine Wellenlängenmodulation. In einigen Anwendungen ist es erwünscht, eine geringe oder keine Wellenlän genmodulation des Lasersignals zu haben. Zur Auslöschung der Wellenlängenmodulation kann das Ditherelement 116 verwendet werden, um den Endspiegel 14 mit einer in Bezug auf das Ditherelement 112 entsprechenden umgekehrten Phase und mit einer Amplitude, die zur Erzielung einer minimalen Nettohohlraumlängenmodulation und einer entsprechend minimalen Laserungswellenlängenmodulation geeignet ist, anzutreiben.
Das Bereitstellen eines Modulationssignals für den Kanalwähler 36 führt zu einer Modulation der Lichtweglänge d_CS zwischen den Kristallflächen 42, 44 des Kanalwählers 36. Die Modulation der Übertragung durch den Kanalwähler 36 moduliert die Rückkopplung in das Laserverstärkungsmedium 12, was die durch den Sensor 32 erfasste Spannung über das Verstärkungsmedium 12 moduliert. Durch ein Verfahren, das dem in 6 beschriebenen ähnlich ist, außer dass erneut die Laserwellenlänge fixiert ist und das Übertragungspassband moduliert wird, werden Fehlersignale aus der erfassten Spannungsmodulation abgeleitet. Dieses Fehlersignal wird verwendet, um durch die Steuerung 76 ausgleichende Signale zu erzeugen, die verwendet werden, um auf die oben beschriebene Weise eine Positionseinstellung des Kanalwählers 36 mit dem Antriebselement 46 vorzunehmen.
In einer Ausführungsform kann die Verwendung der Modulationssignale mit jedem der Verlustelemente 34, 36 von 7 der Reihe nach durchgeführt werden. In dieser Situation dithert die Steuerung 76 den Gittergenerator 34 und den Kanalwähler 36 der Reihe nach. Während der Gitteretalon 34 gedithert wird, wird die Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium gemessen und werden die sich ergebenden Fehlersignale verwendet, um die Hohlraumlänge einzustellen. Während der Kanalwähler 36 gedithert wird, wird die erfasste Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium 12 verwendet, um die Lichtweglänge d_CS durch Umpositionieren des Kanalwählers 36 in Bezug auf den Strahl, der sich den Lichtweg 22 entlang bewegt, einzustellen. Die obigen Tätigkeiten können während des Laserbetriebs fortlaufend wiederholt werden, um während des Betriebs optimale Verlustkennwerte für jedes Verlustelement und ein optimales Verlustprofil für den Laser 110 mit äußerem Hohlraum sicherzustellen.
In einer anderen Ausführungsform können Dithermodulationen durch die Ditherelemente 112 bzw. 114 gleichzeitig in den Gitteretalon 34 und den Kanalwähler 36 eingebracht werden, wobei die Dithermodulationen, die durch die Elemente 112, 114, 116 bereitgestellt werden, bei unterschiedlichen, nicht interferierenden Frequenzen vorgenommen werden. Somit führt die Frequenzmodulation eines jeden der Verlustelemente 34, 36 zu einer gleichzeitigen Modulation der Spannung über das Verstärkungsmedium 12 bei unterschiedlichen, nicht interferierenden Frequenzen, die durch den Spannungssensor 32 gleichzeitig erfassbar sind. Diese Anordnung gestattet eine gleichzeitige in-situ-Einstellung der Lichtweglänge d_GE und der Lichtweglänge d_CS gemäß Fehlersignalen, die aus den über das Verstärkungsmedium 12 erfassten unterschiedlichen, nicht interferierenden Frequenzmodulationen abgeleitet werden.
Erneut sollte bemerkt werden, dass der Gitteretalon 34, der Kanalwähler 36 und der Endspiegel 14 nur einige der Verlustelemente darstellen, die in einem Laser mit äußerem Hohlraum vorhanden sein können, und die Verlustkennwerte aufweisen können, die gemäß der erfassten Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium 12 einstellbar sind. Verluste, die mit der Linse 20, Neigungen des Endspiegels 14, oder anderen optischen Bestandteilen (nicht gezeigt) verbunden sind, werden Verlustkennwerte aufweisen, die gemäß der Erfindung unter Verwendung der Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium eingestellt werden können.
Unter Bezugnahme auf 8 ist nun ein Verlustelement 122 gezeigt, wobei mehrere Ditherelemente 124, 126, 128 in ei ner Konfiguration mit dem Verlustelement 122 gekoppelt sind, die die Einbringung einer Dithermodulation in mehrere Grade der Positionsfreiheit des Verlustelements 122 gestattet. Das Verlustelement 122 kann zum Beispiel ein Laserendspiegel sein, der in einer Ausrichtungsvorrichtung zur Herstellung des Lasers oder als der Endspiegel für den Betrieb verwendet wird. Die mehreren Grade der Positionsfreiheit können jeweils eine Frequenzmodulation aufweisen, die durch die Ditherelemente 124, 126, 128 eingebracht wird, wobei jeder Grad der Positionsfreiheit gemäß Fehlersignalen, die aus der über das Verstärkungsmedium erfassten Spannungsmodulation abgeleitet werden, einstellbar ist. Die Ditherelemente können piezoelektrische Elemente, mikromechanische Elemente oder ein anderes Positionsstellelement sein. Das Verlustelement 122 ist mit Graden der Positionsfreiheit δz (Versetzung entlang der z-Achse), θx (Drehung um die x-Achse) und θy (Drehung um die y-Achse) gezeigt. Jeder dieser Grade der Positionsfreiheit beeinflusst die Verlustkennwerte des Verlustelements 122 und kann durch Versetzungs- und Dreheinstellelemente 124, 126, 128, die dazu konfiguriert sind, δz, θx und θy des Verlustelements 122 auf die oben beschriebene Weise gemäß der überwachten Spannungsmodulation einzustellen, eingestellt werden.
Das Dithering und die Einstellung jedes Grads der Positionsfreiheit des Verlustelements 122 kann wie oben beschrieben der Reihe nach, oder unter Verwendung unterschiedlicher, nicht interferierender Frequenzmodulationen gleichzeitig durchgeführt werden. Wenn in einem Laserhohlraum (nicht gezeigt) mehrere Verlustelemente 122 vorhanden sind, kann das Dithering jedes Grads der Positionsfreiheit für jedes Verlustelement 122 gleichzeitig oder der Reihe nach durchgeführt werden.
Unter Bezugnahme auf 9 ist als nächstes eine Festkörperlaservorrichtung 130 gezeigt, die das Überwachen der Spannung über einen Verstärkungsbereich zur Bewertung und Korrektur von Verlusten gemäß der Erfindung einsetzt. Der Laser 130 ist als integrierte verteilte Einzelchip-Bragg-Reflektor(DBR)-Vorrichtung konfiguriert gezeigt, die einen Verstärkungsbereich 132, einen Phasensteuerungsbereich 134 und einen Bragg-Gitter- oder Reflektorbereich 136 aufweist. Der Laser 130 beinhaltet Kristallflächen 138, 140, die einen Laserhohlraum definieren. Der Verstärkungsbereich 132 ist betriebsfähig mit einer ersten Stromquelle I₁ gekoppelt, während der Phasensteuerungsbereich 134 betriebsfähig mit einer zweiten Stromquelle I₂ gekoppelt ist, und der Bragg-Reflektor 136 betriebsfähig mit einer dritten Stromquelle I₃ gekoppelt ist. Beim Betrieb wird der Verstärkungsbereich 132 mit einem Antriebsstrom von der Stromquelle I₁ gepumpt. Der Phasensteuerungsbereich 134 wird durch Strom von der Stromquelle I₂ gesteuert, um die Zweiweg-Lichtweglänge des Hohlraums einzustellen. Der Bragg-Reflektor 136 dient als Abstimmelement oder Kanalwähler und wird durch selektives Anlegen von Strom von der Stromquelle I₃ zur Veränderung der wirksamen Gitterschrittlänge eingestellt. Der Laser 130 ist dazu konfiguriert, eine Lichtausgabe von der Kristallfläche 140 zu liefern. Die Herstellung und der Betrieb von DBR-Lasern dieser Art ist in der Technik wohlbekannt. Ein Leistungsteiler und ein zusätzlicher Phasensteuerungsbereich und Bragg-Reflektorbereich (nicht gezeigt) können enthalten sein, um den Abstimmbereich durch den Vernier-Effekt zu verbessern. Diese Hinzufügungen und andere zusätzliche Verlustelemente können unter Verwendung der gleichen Technik, die hier für die in 9 gezeigten Verlustelemente beschrieben ist, gesteuert werden.
Der Bragg-Reflektorbereich 136 des DFB-Lasers 130 ist ein Verlustelement, das mit dem durch die Kristallflächen 138, 140 definierten Laserhohlraum verbunden ist. In dieser Hinsicht ist der DFB-Laser den oben beschriebenen Lasern mit äußerem Hohlraum ähnlich, wobei jedoch im Hohlraum befindliche Verlustelemente als einstückige Teile eines Festkörperlasers vorhanden sind. Der verteilte Bragg-Reflektor stellt eine wellenlängenselektive Rückkopplung in den Verstärkungsbereich 132 bereit. Eine kleine Wechselstrommodulation, die dem Gleichstrompegel der Stromquelle Is hinzugefügt ist, moduliert das Passband des Wellenlängenfilterungselements 136. Diese Passbandmodulation moduliert die Rückkopplung in den Verstärkungsbereich 132 und erzeugt eine Spannungsmodulation am Sensor 142. Die Spannungsmodulation wird durch ein Steuerungselement (nicht gezeigt) verwendet, um den Gleichstrompegel der Stromquelle I₃ einzustellen.
Die Wechselstrommodulation, die I₃ hinzugefügt ist, kann auch eine kleine Modulation der Hohlraumlänge erzeugen, die als eine Wellenlängenmodulation der Laserausgabe erscheinen wird, welche durch Hinzufügen einer ausgleichenden Strommodulation zur Stromquelle I₂ zur Erzeugung einer gleichen und entgegengesetzten Weglängenmodulation ausgelöscht werden kann. Die Gleichstrompegel für die Stromquellen I₁ und I₂ können unter Verwendung eines Steuerungselements (nicht gezeigt) auf Basis von Signalen von einer Überwachungsphotodiode bzw. einem Wellenlängensperrer (ebenfalls nicht gezeigt) festgelegt werden. Das Steuerungselement kann auch Signale am Wellenlängensperrer bei der Frequenz der angelegten Spannung, die der Stromquelle Is hinzugefügt ist, überwachen und ein Fehlersignal berechnen, das verwendbar ist, um jene Größe und Phase des Wechselstromsignals, das der Stromquelle I₃ hinzugefügt ist, festzulegen, die die Wellenlängenmodulation des Lasers ausgleicht.
Bei der Verwendung der Erfindung kann eine Situation auftreten, bei der die Modulation eines Verlustelements eine unerwünschte Nebenwirkung wie etwa zum Beispiel ungewollte Wellenlängen- oder Amplitudenmodulationen erzeugt, wobei kein Verfahren verfügbar ist, um diese Wirkungen dauerhaft zu beseitigen. In diesen Situationen kann das Dithering der Verlustelemente in kurzen Stößen ausgeführt werden. Während dieser Stöße werden durch die Steuerung Fehlersignale er zeugt. Die Stöße können ferner mit anderen Systemereignissen wie etwa Perioden, in denen keine Daten gesendet werden, synchronisiert werden.
Das Verfahren der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 10 wie auch auf 7 bis 9 vollständiger verstanden werden. Das Ablaufdiagramm von 10 veranschaulicht verschiedene Ereignisse, die während des Laserbetriebs nach der Erfindung auftreten. Bei Ereignis 200 wird ein erstes Verlustelement A gedithert oder frequenzmoduliert. Das Verlustelement A kann zum Beispiel wie in 7 gezeigt den Endreflektor 14, den Kanalwähler 36, den Gitteretalon 34, oder wie in 9 gezeigt den Phasensteuerungsbereich 134 oder den Bragg-Reflektor 136, oder jedes beliebige andere Verlustelement im Hohlraum umfassen. Das Dithering des Elements A beim Ereignis 200A kann ein einzelnes Dithering jedes Grads der Positionsfreiheit δz (Versetzung entlang der z-Achse), θx (Drehung um die x-Achse) und θy (Drehung um die y-Achse) für das Verlustelement A umfassen, das wie in 8 gezeigt und oben beschrieben gleichzeitig oder der Reihe nach auftreten kann.
Während das Verlustelement A gedithert wird, wird die Spannung über das Verstärkungsmedium oder den -bereich bei Ereignis 210A durch einen Spannungssensor überwacht, der in Verbindung mit dem Verstärkungsmedium angeordnet ist. Das Dithering oder die Frequenzmodulation, das bzw. die in das Verlustelement A eingebracht wird, ist wie oben bemerkt als Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium erfassbar. Die Amplitude und die Phase der Spannungsmodulation geben wie in 6 gezeigt und oben beschrieben die Verlustkennwerte des Verlustelements A an. Bei Ereignis 220A wird eine Signalverarbeitung durchgeführt, um aus der bei Ereignis 210A überwachten Spannung ein Fehlersignal zu entwickeln oder abzuleiten. Die Signalverarbeitung kann über eine Fourier-Transformation durch ein Signalverarbeitungselement 94 in der wie in 5A und 5B gezeigten und oben beschriebenen Steuerung 60 oder 72 durchgeführt werden. Das Fehlersignal wird die Verlustkennwerte des Verlustelements A gemäß der Amplitude und/oder der Phase der Spannungsmodulation, die über das Laserverstärkungsmedium erfasst wird, widerspiegeln und wird jedwede benötigte korrigierende Einstellung des Verlustelements A angeben.
Bei Ereignis 230A wird eine Bestimmung vorgenommen, ob in Verbindung mit dem Verlustelement A ein optischer Verlust erfasst wird. Die Bestimmung der Verlustkennwerte eines Verlustelements wird wie oben bemerkt gemäß der Amplitude und/oder der Phase der über das Laserverstärkungsmedium erfassten Spannungsmodulation vorgenommen. Wenn die erfasste Spannungsmodulation optimale Amplituden- und/oder Phasenkennwerte zeigt, wird kein Verlust erfasst und können die Ereignisse 200A bis 230A wiederholt werden. Wenn die erfasste Spannungsmodulation einen nicht optimalen Amplituden- und/oder Phasenkennwert angibt, wird das Ereignis 240A durchgeführt. Anders gesagt stellt das Ereignis 230A ein Fehlersignal für das Ereignis 240A bereit, das eine geschlossene Steuerungsschleife des Verlustelements vervollständigt.
Bei Ereignis 240A wird am Verlustelement A eine Einstellung vorgenommen, um das Fehlersignal, das das Vorhandensein eines mit dem Element A verbundenen Verlusts angab, auszulöschen oder auf Null zu bringen. Die Natur der Einstellung wird abhängig von der Art des Verlustelements und vom Verlustkennwert unterschiedlich sein. Die Einstellung kann zum Beispiel eine lineare und/oder drehende Betätigung des Verlustelements A entlang eines oder mehrerer Grade der Positionsfreiheit umfassen. Die Einstellung kann alternativ eine Temperatur- oder Spannungseinstellung am Verlustelement umfassen. Wo das Verlustelement A zum Beispiel wie in 7 gezeigt ein Endreflektor 14 ist, kann die Einstellung bei Ereignis 240A eine thermische Positionierung des Reflektors 14 auf die oben beschriebene Weise über ein Erhitzen oder Abkühlen des Ausgleichselements 74 umfassen. In einigen Ausführungsformen können das Dithering und die Einstellung eines Verlustelements durch das gleiche Stellelement bereitgestellt werden, während das Dithering und die Einstellung eines Verlustelements in anderen Ausführungsformen durch unterschiedliche Stellelemente bereitgestellt wird.
Bei Ereignis 200B wird ein Dithering oder eine Frequenzmodulation auf ein zweites Verlustelement B angewendet. Das Ereignis 200B kann nach dem Ereignis 200A eintreten, oder kann gleichzeitig mit den oben beschriebenen Ereignissen 200A bis 240A eintreten. Erneut kann das Verlustelement B jedes beliebige Verlustelement umfassen, das mit einem Laserhohlraum verbunden ist, und kann das Dithering des Elements B bei Ereignis 200B das gleichzeitige oder aufeinanderfolgende Dithering jedes Grads der Positionsfreiheit δz, θx und θy umfassen.
Während das Verlustelement B gedithert wird, wird die Spannung über das Verstärkungsmedium oder den -bereich bei Ereignis 210B wie oben beschrieben durch einen Spannungssensor überwacht, der in Verbindung mit dem Laserverstärkungsmedium angeordnet ist. Das Dithering oder die Frequenzmodulation, das bzw. die in das Verlustelement B eingebracht wird, erscheint als Spannungsmodulation über das Verstärkungsmedium, und die Amplituden- und Phasenkennwerte der Modulation geben die Verlustkennwerte des Verlustelements B an.
Bei Ereignis 220B wird eine Signalverarbeitung durchgeführt, um aus der bei Ereignis 210B überwachten Spannung ein Fehlersignal zu entwickeln oder abzuleiten. Wenn das Element B gleichzeitig mit dem Element A, aber bei einer unterschiedlichen Frequenz moduliert wird, wird eine Fourier-Transformation bei der unterschiedlichen Frequenz ein unterschiedliches Fehlersignal bereitstellen. Das Fehlersignal gibt die Verlustkennwerte des Verlustelements B an und gibt jedwede benötigte korrigierende Einstellung für das Verlustelement B an.
Bei Ereignis 230B wird eine Abfrage oder Bestimmung vorgenommen, ob gemäß der Amplitude und/oder der Phase der Spannungsmodulation, die über das Laserverstärkungsmedium erfasst wurde, ein Verlust für das Verlustelement B erfasst wird. Wenn kein Verlust erfasst wird, können die Ereignisse 200A bis 230A wiederholt werden, und wenn ein Verlust erfasst wird, wird das Ereignis 240B durchgeführt, wobei am Verlustelement B eine Einstellung vorgenommen wird, um das Fehlersignal, das das Vorhandensein eines mit dem Element B verbundenen Verlusts angab, auszulöschen oder auf Null zu bringen. Die Ereignisse 200B bis 240B können gleichzeitig mit den Ereignissen 200A bis 240A, oder im Anschluss an das Ereignis 240A auftreten. Die Verwendung von unterschiedlichen Ditheringfrequenzen in Verbindung mit den Verlustelementen A und B gestattet eine gleichzeitige Überwachung der Amplituden- und Phasenveränderungen, die mit den unterschiedlichen Frequenzmodulationen verbunden sind, und gestattet wie oben beschrieben eine gleichzeitige Bewertung der Verlustkennwerte und eine gleichzeitige Einstellung der Verlustelemente.
Die Ereignisse 200n bis 240n sind im Allgemeinen die gleichen wie oben bei den Ereignissen 200A bis 240A und 200B bis 240B beschrieben, werden aber für ein n-tes Verlustelement, das mit einem Laserhohlraum verbunden ist, durchgeführt. Erneut wird bemerkt, dass die Ereignisse 200n bis 240n wie oben beschrieben durch die Verwendung von nicht interferierenden Ditheringfrequenzen für jedes Element A, B, ... n gleichzeitig, oder auf eine aufeinanderfolgende Weise durchgeführt werden können. Die verschiedenen Ereignisse, die mit den Ditherelementen A, B, ... n verbunden sind, können mit einer Mischung aus gleichzeitigen und aufeinanderfolgenden Ditherings durchgeführt werden. Das gleichzeitige Dithering von Elementen kann während begrenz ter Zeitabschnitte und in einer Abfolge mit anderen Ereignissen in "Stößen" durchgeführt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf ihre bestimmten Ausführungsformen beschrieben wurde, sollten Fachleute verstehen, dass verschiedenste Veränderungen vorgenommen werden können und Entsprechungen ersetzt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können zahlreiche Abwandlungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation, ein Material, eine Zusammensetzung von Bedeutung, einen Prozess, einen Prozessschritt oder -schritte an die Aufgaben und den Umfang der vorliegenden Erfindung anzupassen. Alle derartigen Abwandlungen sollen innerhalb des Umfangs der beigelegten Ansprüche liegen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lasers, der ein Halbleiter-Verstärkungsmedium (12) und einen Hohlraum aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Dithering eines Verlustelementes, das mit dem Laser verbunden ist, um eine Spannungsmodulation über dem Verstärkungsmedium (12) zu induzieren, wobei die Spannungsmodulation die Hohlraumverluste anzeigt; Erfassen der Spannungsmodulation über dem Verstärkungsmedium (12) durch Sensoren; und Erzeugen eines Fehlersignals als Reaktion auf die erfasste Spannungsmodulation zum Einstellen eines Hohlraumverlustkennwertes.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Einstellen des Verlustelementes gemäß dem Fehlersignal.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verlustelement so eingestellt ist, dass das Fehlersignal beseitigt ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Dithering des Verlustelementes das Dithering einer Nennbetriebsposition des Verlustelementes umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Dithering des Verlustelementes das Dithering eines elektrischen Signals, das an dem Verlustelement anliegt, umfasst.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verlustelement ein Endspiegel (14) des Hohlraums, ein Gittergenerator (34), ein Kanalwähler (36) oder ein elektrooptisches Abstimmelement (58) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verlustelement den Kanalwähler (36) oder das elektrooptische Abstimmelement (58) umfasst, und das Dithering des Verlustelementes das Dithering des Brechungsindex des Kanalwählers (36) oder des elektrooptischen Abstimmelementes (58) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Verlustelement den Gittergenerator (34) oder Kanalwähler (36) umfasst, und das Dithering des Verlustelementes das Dithering der thermischen Ausdehnung des Gittergenerators (34) oder Kanalwählers (36) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Dithering mehrerer Verlustelemente, die mit dem Laser verbunden sind, um die Spannungsmodulation über dem Verstärkungsmedium (12) zu induzieren; Einstellen der mehreren Verlustelemente gemäß dem Fehlersignal.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mehrere Verlustelemente nacheinander gedithert und eingestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mehrere Verlustelemente gleichzeitig gedithert und eingestellt sind.
Laservorrichtung, umfassend: ein Halbleiter-Verstärkungsmedium (12) zum Emittieren eines Lichtstrahls entlang eines Lichtweges (22); einen ersten und zweiten Reflektor (14, 18), die im Lichtweg (22) angeordnet sind und einen Laserhohlraum definieren; einen Spannungssensor (32), der betriebsfähig mit dem Verstärkungsmedium (12) zum Überwachen einer Spannung über dem Verstärkungsmedium (12) verbunden ist; ein Verlustelement, das im Lichtweg (22) angeordnet ist; und ein Regelungssystem (60, 76), das betriebsfähig mit dem Spannungssensor (32) und mit dem Verlustelement verbunden ist, wobei das Regelungssystem so ausgelegt ist, dass es das Verlustelement dithert und so eine Spannungsmodulation über dem Verstärkungsmedium (12) induziert, wobei die Spannungsmodulation die Hohlraumverluste anzeigt, und ein Fehlersignal als Reaktion auf die Spannungsmodulation über dem Verstärkungsmedium (12) zum Einstellen eines Hohlraumverlustkennwerts erzeugt.
Laservorrichtung nach Anspruch 12, wobei das Regelungssystem (60, 76) ferner dafür ausgelegt ist, das Verlustelement gemäß dem Fehlersignal einzustellen.
Laservorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, die zum Dithering eines elektrischen Signals, das an das Verlustelement angelegt ist, ausgelegt ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, die zum Dithering einer Nennbetriebsposition des Verlustelementes ausgelegt ist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, ferner umfassend: ein Ditherelement (112, 114, 116) zum Dithering des Verlustelementes.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Verlustelement den ersten Reflektor (14) umfasst.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Verlustelement einen Gittergenerator (34), einen Kanalwähler (36) oder ein elektrooptisches Abstimmelement (58) umfasst.
Laservorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Verlustelement den Kanalwähler (36) oder das elektrooptische Abstimmelement (58) umfasst und zum Dithering des Brechungsindex des Kanalwählers (36) oder des elektrooptischen Abstimmelementes (58) ausgelegt ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 18, wobei das Verlustelement den Gittergenerator (34) oder den Kanalwähler (36) umfasst und zum Dithering der thermischen Ausdehnung des Gittergenerators (34) oder Kanalwählers (36) ausgelegt ist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei der zweite Reflektor (18) eine teilweise reflektierende Kristallfläche, die am Verstärkungsmedium (12) gebildet ist, umfasst.
Laservorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend: mehrere Verlustelemente, die im Lichtweg angeordnet sind, wobei das Regelungssystem (60, 76) betriebsfähig mit jedem der mehreren Verlustelemente verbunden ist, so dass jedes Verlustelement gedithert ist, um so die Spannungsmodulation über dem Verstärkungsmedium (12) zu induzieren und die Verlustelemente gemäß dem Fehlersignal einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Regelungssystem (60, 76) zum aufeinander folgenden Dithering und Einstellen mehrerer Verlustelemente ausgelegt ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Regelungssystem (60, 76) zum gleichzeitig erfolgenden Dithering und Einstellen mehrerer Verlustelemente ausgelegt ist.