DE69734946T2

DE69734946T2 - Ultrakurzzeit-Raster- und Verzögerungsverfahren

Info

Publication number: DE69734946T2
Application number: DE69734946T
Authority: DE
Inventors: Gregg D. Dr. Sucha; Dr. Martin E. Fermann; Dr. Donald J. Harter
Original assignee: IMRA America Inc
Current assignee: IMRA America Inc
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: US6396856B1; US5778016A; DE69734946D1; EP0790492B1; EP1701145B1; JP4242364B2; EP1701145A3; JP2004088120A; US20020097761A1; US20090296749A1; EP0790492A2; EP1701145A2; JP2005236327A; US20130010818A1; JPH1096610A; JP3688841B2; JP4323917B2; US8630321B2; US7580432B2; EP0790492A3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern eines zeitlichen Unterschieds zwischen ersten und zweiten Laserimpulsen, die von einer ersten und einer zweiten Kurzimpulslaserquelle ausgegeben werden, auf eine schnelle Abtastlaservorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Kurzimpulslaserquelle, und auf eine Verwendung einer Phasenregelschleife (PLL, „Phase-Locked Loop") in einer Laservorrichtung, die mit der ersten und der zweiten Kurzimpulslaserquelle versehen ist.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Gebiet von Lasern mit ultrakurzen Impulsbreiten und im einzelnen auf Vorrichtungen und Verfahren zum zeitlichen Abtasten mit minimaler mechanischer Bewegung (d.h. Mikrometermaßstab).
Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zum Erzielen einer hochgenauen Zeitkalibrierung (d.h. Subpikosekunden), die in den vorgenannten Zeitabtastverfahren oder in bekannten Zeitabtastverfahren anwendbar sind. Im einzelnen wird durch die Erfindung das Erfordernis eines mechanischen Abtastverzögerungsarms in einem Korrelator oder einer anderen Art Pumpsensorgerät (pump-probe-divice) vermieden, wobei Entfernungsmessung, 3-D-Abbildung, Konturbildung, Tomographie und optische Zeit-Bereich-Reflexmessung (OTDR) enthalten sind.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Derzeit sind ultraschnelle Laseroszillatoren bekannt, mit denen die Erzeugung von Impulsbreiten in der Größenordnung einiger zehn Femtosekunden mit Nanojoule-Impulsenergien bei Wiederholraten im Bereich von 5 MHz bis zu 1 GHz möglich ist. Solche kurzen Impulse werden für viele Anwendungen wie beispielsweise Zeittormessungen beispielsweise in der Metrologie verwendet. Viele Anwendungen solcher kurzer optischer Impulse erfordern die Verzögerung einer Gruppe optischer Impulse gegenüber einer anderen Gruppe optischer Impulse, wobei Zeitverzögerungen mit sehr hoher Genauigkeit wie beispielsweise in der Größenordnung von 10 Femtosekunden erfasst werden müssen. Zeitverzögerungen kurzer Impulse werden häufig in Anwendungen wie beispielsweise biologischer und medizinischer Bilderzeugung, Lichterfassung und optischer Abtastung, optischer Zeit-Bereich-Reflexmessung und der Metrologie eingesetzt.
Das bekannte Verfahren zum Verzögern und Abtasten optischer Impulse besteht darin, die Impulse an einem Spiegel zu reflektieren und den Spiegel unter Verwendung mechanischer Einrichtungen um eine Distanz D physikalisch zu verschieben, die durch das Produkt aus der Zeitverzögerung ΔT und der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 3,0 × 10⁸ m/s festgelegt ist. Somit gilt: D = c/2 × ΔT oder D(cm) = 15 × ΔT(ns).
Diese Art Verzögerung wird hier als physikalische Verzögerung bezeichnet. Ebenso beschreibt der Begriff Abtasten, sofern er hier verwendet wird, die systematische Änderung der Differenz der Ankunftszeiten zweier optischer Impulse. Zum Bereitstellen der genauen Positionierung und Abtastung des Spiegels wurden verschiedene Verfahren und Geräte entwickelt, wie etwa:
Schwingspulengeräte (Rüttler)(R. F. Fork Nd F. A. Beisser, APPL Opt. 17, 3534 (1978)).
Drehspiegelpaare (Z. A. Yasa and N. M. Amer, Opt. Comm., 36, 406 (1981)).
Lineartranslatoren mit Schrittmotoren, die von vielen Händlern kommerziell angeboten werden.
Lineartranslatoren mit Galvanometern (D. C. Edelstein, R. B. Romney und M. Scheuermann, Rev. Sci. Instrum. 62, 579 (1990)).
Bei anderen Arten physikalischer Verzögerung wird eine einstellbare Gruppenverzögerung verwendet, wie etwa:
Femtosekunden-Impulsformer (FPS) mit Abtastgalvanometern (K. F. Kwong, D. Yankelevich, K. C. Chu, J. P. Heritage, und A. Dienes; "400-Hz Mechanical Scanning Optical Delay Line" Opt. Lett. 18, (7) 558 (1993) (nachfolgend als Kwong u.a. bezeichnet); K. C. Chu, K. Liu, J. P. Heritage, A. Dienes, Conference on Lasers and Electro-Optics, OSA Tech.Digest Series, Vol. 8, 1994, paper CThI23.).
Drehglasblöcke
Die physikalischen Verzögerungsverfahren weisen eine Reihe von Nachteilen auf, wobei der Hauptnachteil in dem bei gewünschten großen Verzögerungen erforderlichen großen Raumbedarf liegt. Beispielsweise erfordert eine Verzögerung von 10 ns einen Spiegelversatz von 152 cm (5 Fuß). Es sind noch weitere physikalische Einschränkungen und Nachteile vorhanden. Messungen können durch Fehlausrichtung und Defokussierung verfälscht werden, wenn große Verzögerungen verwendet werden. Eine Verwendung von Eckwürfel-Retro-Reflektoren verringert das Fehlausrichtungsproblem, aber nicht die Defokussierung. Der Defokussiereffekt kann auftreten, wenn die Abtastamplitude einen beachtlichen Teil des Konfokalparameters des Strahls ausmacht. Eine Zeitverzögerung von 10 ns führt zu einer Änderung der Freiraumausbreitung von ungefähr 3 Metern (10 Fuß). Zur Minimierung der Defokussierwirkung muss der Konfokalparameter (Z_R) ungefähr das Zehnfache dieser Zahl oder Z_R = 30 m betragen. Bei einer Wellenlänge von 1550 nm ist dafür ein Strahlradius von w₀ = 12 mm erforderlich. Dies ist in vielen Situationen unzweckmäßig groß.
Das Erfordernis eines großen Spiegelversatzes kann durch mehrfaches Durchlaufen der Verzögerungsleitung verringert werden (beispielsweise wird der erforderliche Spiegelversatz durch einen Zweifachdurchlauf der Verzögerungsleitung um die Hälfte gekürzt), wodurch jedoch das Defokussierproblem nicht verringert wird. Mehrfachdurchläufe verursachen eigene Probleme, wie etwa Erschwernis der Ausrichtvorgänge und Vergrößerung der optischen Verluste.
Eine weitere Einschränkung steht mit den gleichzeitig erzielbaren Abtastraten und Abtastfrequenzen in Verbindung. Es ist oft wünschenswert, bei schneller Abtastung (> 30 Hz) einen Signalmittelwert zu bilden, um eine "Echtzeit-Anzeige" der gerade durchgeführten Messung bereitzustellen. Bei solchen hohen Abtastfrequenzen ist jedoch der Abtastbereich eingeschränkt. Der beste erzielte Abtastbereich beträgt 100 ps bei einer Rate von 100 Hz unter Verwendung des FPS-Abtastverfahrens (Kwong u.a.). Jede weitere Erhöhung des Abtastbereichs und/oder der Frequenz würde bei derartigen Umkehrgeräten hohe Vibrationsgrade verursachen, was zur Störung des Laserbetriebs führen kann. Das Vibrationsproblem kann durch drehende Glasblöcke verhindert werden, die eine höhere Abtastgeschwindigkeit ermöglichen, allerdings keine Einstellbarkeit des Abtastbereichs aufweisen und eine variable Gruppengeschwindigkeits-Dispersion einführen, wodurch sie für eine Anwendung bei Impulsen mit Breiten kürzer als 100 fs ungeeignet sind.
Zusätzlich zu den physikalischen Verzögerungen wurden Verfahren eingeführt, die ein zeitliches Abtasten ohne das Erfordernis jeglicher mechanischer Bewegung ermöglichen. Diese enthalten:
Freiabtastlaser (A. Black, R.B. Apte und D.M. Bloom, Rev. Sci. Instrum. 63, 3191 (1992); K.S. Giboney, S.T. Allen, M.J.W. Redwell und J.E. Bowers; "Picosecond Measurements by Free-Running Electro-Optic Sampling." IEEE Photon. Tech. Lett., 6, Seite 1353-5, Nov. 1994; J.D. Kafka, J.W. Pieterse und M.L. Watts; "Two-color subpicosecond optical sampling technique." Opt. Lett., 17, Seite 1286-9, 15. Sept. 1992 (nachfolgend als Kafka u.a. bezeichnet); M.H. Ober, G. Sucha und M.E. Fermann; "Controllable dual-wavelength operation of a femtosecond neodymium fiber laser," Opt. Lett. 20, Seite 195-7, 15. Jan. 1995).
Verzögerungsleitungen mit gestuftem Spiegel unter Verwendung von akusto-optischen Deflektoren als dispersive Elemente (R. Payaket, S. Hunter, J.E.
Ford, S. Esener; "Programmable ultrashort optical pulse delay using an acousto-optic deflector." Appl. Opt., 34, Nr. 8, Seiten 1445-1453, 10. März 1995).
Nachführen der HF-Phase zwischen zwei modenverriegelten Lasern (D.E. Spence, W.E. Sleat, J.M. Evans, W. Sibbett und J.D. Kafka; "Time synchronization measurements between two selfmodelocked Ti:sapphire lasers." Opt. Comm., 101, Seiten 286-296, 15. Aug. 1993).
Die nichtmechanischen Verfahren ermöglichen insbesondere eine Hochgeschwindigkeitsabtastung. Die Freiabtastlaser erzeugen einen Abtastbereich, der die gesamte Wiederholperiode des Lasers überspannt. Beispielsweise ist in 1 ein bekanntes Freiabtastlasersystem dargestellt, das einen Hauptlaser (masterlaser) 10 und einen Nebenlaser (slave laser) 20 mit unterschiedlichen Resonatorlängen aufweist, die Impulszüge mit unterschiedlichen Wiederholfrequenzen ν₁ und ν₂ erzeugen. Die Abtastfrequenz entspricht dem Frequenzunterschied Δν = ν₁ – ν₂ und wird durch Einstellen der Resonatorlänge des Nebenlasers auf eine spezifische feste Länge auf den gewünschten Wert eingestellt. Ein Korrelator 40 erzeugt anhand der Kreuzkorrelation zwischen den beiden Lasern ein Signal, das Informationen über den Zeitablauf zwischen den beiden Lasern und ein Triggersignal für eine Datenerfassungselektronik 50 bereitstellt. In Kafka u.a. wurden beispielsweise zwei unabhängige, modenverriegelte Ti:Saphir-Laser, nämlich ein Hauptlaser 10 und ein Nebenlaser 20 mit jeweils einer nominalen Wiederholrate von 80 MHz, auf unterschiedliche Wiederholfrequenzen (von ungefähr 80 Hz) eingestellt. Aufgrund der Verschiebung der Wiederholfrequenzen führten die Laser eine gegenseitige Abtastung mit einer Verschiebungsfrequenz Δν von ungefähr 100 kHz durch. Diese Verschiebungsfrequenz kann auf einen Empfangs-HF-Oszillator stabilisiert werden. Da sich die Laserwiederholraten in der Nähe von 80 MHz befanden, betrug der gesamte Abtastbereich ungefähr 13 ns. Somit wurde eine Zeitabtastung ohne jegliche sich bewegende mechanischen Verzögerungsleitungen erzielt. Eine Zeitkalibrierung erfolgte durch Kreuzkorrelation der beiden an einem Spiegel 30 reflektierten Laserstrahlen in einem nichtlinearen Kristall, d.h. Korrelator 40, wobei das resultierende Signal zur Triggerung einer Datenerfassungseinheit 50 (z.B. ein Oszilloskop) verwendet wird. Die von den Lasern 10 und 20 ausgegebenen Laserstrahlen werden auch an einem weiteren Spiegel 60 reflektiert und durch eine Messvorrichtung 70 empfangen, die einen gewünschten Messvorgang oder Versuch unter Verwendung des Laserstrahls durchführt.
Der Hauptnachteil dieses Verfahrens liegt in dem hohen Datenerfassungs-Zeitverbrauch aus zwei Hauptgründen:

1. Fester Abtastbereich – Der Abtastbereich ist als der Reziprokwert der Wiederholfrequenz (d.h. der Umlaufzeit) des Lasers festgelegt.
2. Totzeit – Anstelle der gesamten 13 ns Impulspause besteht oft nur Interesse an 100 ps oder 10 ps Abtastbereich. Somit sind lediglich 1% (oder 0,1%) der 10 μs Abtastdauer brauchbar, während die übrigen 99% (99,9) eine "Totzeit" darstellen. Dadurch wird die Datenerfassungszeit um einen Faktor 100 oder 1000 erhöht.

Diese Einschränkungen werden bei Kafka u.a. angesprochen und es wird vorgeschlagen, dies durch Verwendung von Lasern mit höheren Wiederholraten (z.B. ν₀ = 1 GHz) zu umgehen. Diese Lösung ist jedoch bei vielen Anwendungen mit hoher Vielfalt von Abtastbereichen inakzeptabel. Beispielsweise werden häufig Pumpsensormessungen von Halbleitern über eine hohe Vielfalt von Abtastbereichen durchgeführt. Halbwertzeiten von Ladungsträgern (d.h. Elektronen und Löchern) des Halbleiters liegen in der Größenordnung von einigen Nanosekunden, wodurch ein 1-GHz-Laser vollständig inakzeptabel wird, da Restladungsträger des vorangehenden Laserimpulses beim Ankommen des nächsten Impulses immer noch vorhanden wären. Gleichzeitig ist es jedoch wünschenswert, auf einen viel engeren Zeitmaßstab (z.B. 50 ps) zu vergrößern, um extrem schnelle Veränderungen zu beobachten. Somit mangelt es dem Freiabtast-Laserverfahren an der bei vielen Anwendungen erforderlichen Vielfalt der Abtastbereichswahl. Eine Möglichkeit, einen hohen Zeitdynamikbereich ohne extrem lange Erfassungszeiten zu erzielen, liegt im Bereitstellen der Flexibilität einer groben und feinen Zeiteinstellung.
In verwandten Arbeiten wurden mehrere Verfahren zur Stabilisierung der Zeitsteuerung zwischen zwei modenverriegelten Lasern verwendet, für die Fälle, dass die Laser aktiv modensynchronisiert, passiv modensynchronisiert und regenerativ modensynchronisiert waren, oder bei Kombinationen passiver und aktiver modenverriegelter Laser. Die zur Synchronisation verwendeten Verfahren können in zwei Haupttypen eingeteilt werden: (1) passive optische Verfahren; (2) elektronische Stabilisierung. Die höchste Synchronisationsgenauigkeit wird durch passive optische Verfahren erzielt, bei denen sich zwei Laser über optische Effekte beeinflussen (J.M. Evans, D.E. Spence, D. Burns und W. Sibbett; "Dual-wavelength selfmode-locked Ti:sapphire lasers." Opt. Lett., 13, Seite 1074-7, 1. Juli 1993; M. R. X. de Parros und P.C. Becker; "Two-color synchronously mode-locked femtosecond Ti:sapphire laser." Opt. Lett., 18, Seite 631-3, 15. Apr. 1993; D.R. Dykaar und S.B. Darak, "Sticky pulses: two-color cross-modelocked femtosecond operation of a single Ti:sapphire laser," Opt. Lett., 18, Seite 634-7, 15. Apr. 1993 (nachfolgend als Dykaar u.a. bezeichnet); Z. Zhang und T. Yagi, "Dual-wavelength synchronous operation of a modelocked Ti:sapphire laser based on self-spectrum splitting." Opt. Lett., 18, Seite 2126-8, 15. Dez. 1993). Diese optischen Effekte (z. B. Kreuzphasenmodulation) bewirken einen starren Verriegelungseffekt zwischen den beiden Lasern, die innerhalb weniger als einer Impulsbreite (< 100 fs) synchronisiert werden. Obwohl sie zu der genauesten Synchronisation führen, ist die Zeitverzögerung zwischen den Lasern starr fixiert, so dass zum Abtasten der zwischen diesen bestehenden Zeitverzögerung übliche physikalische Abtastverzögerungsverfahren erforderlich sind.
Elektronische Stabilisierung unter Verwendung einer einfachen HF-Phasenerfassung führt zur höchsten Flexibilität hinsichtlich der Einstellung der relativen Zeitverzögerung, wobei jedoch diese Systeme derzeit Zeitgenauigkeiten von nicht mehr als einigen Pikosekunden (~ 3 ps) beibehalten können. Ein solches System ist zur Stabilisierung eines Ti:Saphir-Lasers auf eine externe Referenzfrequenz oder zur Synchronisierung zweier modenverriegelter Ti:Saphir-Laser kommerziell verfügbar. (Die Marke "Lok-to-Clock^TM "-System der Firma Spectra Physics, siehe auch Druckschrift US-5 367 529). Eine gegenüber 100 fs bessere Stabilisierung wurde durch Verwendung einer gepulsten optischen Phasenregelschleife (POPLL) erzielt. Es handelt sich dabei um ein optoelektronisches Hybridverfahren, wie beispielsweise in S.P. Dijaili, J.S. Smith und A. Dienes, "Timing synchronisation of a passively mode-locked dye laser using a pulsed optical phase locked loop." Appl Phys. Lett., 55, Seiten 418-420, Jul. 1989 (nachfolgend als Dijaili u.a. bezeichnet) offenbart ist, bei den die elektronische Stabilisierschaltung das Zeitfehlersignal von einem optischen Kreuzkorrelator ableitet. Dieses Verfahren hat jedoch auch die fehlende Zeiteinstellbarkeit wie die passiven optischen Verfahren zum Nachteil. Die Zeitsteuerung ist nur um weniger als eine Impulsbreite einstellbar. Bei der Verwendung des POPLL-Verfahrens wäre es somit erforderlich, eine Art physikalische Verzögerungsleitung in einen Laserstrahl einzufügen, falls gewünscht wird, die relative Impulszeit um mehr als eine Impulsbreite zu verändern.
Die Zeitstabilisierung der HF-Verfahren könnte verbessert werden, wenn die eigenen Zeitgabeschwankungen (Timing Jitter) des Lasers reduziert werden könnten. Eine gewisse Verringerung des eigenen Laserjitters kann dadurch erzielt werden, dass so gut wie möglich sichergestellt wird, dass die beiden Laser identischen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. In dem von Dykaar u.a. offenbarten "Sticky-Pulse-Laser" wird ein räumlich getrennter Pumplaserstrahl zum Pumpen zweier räumlich getrennter Bereiche eines Ti:Saphir-Laser Kristalls verwendet. Es handelt sich dabei im wesentlichen um zwei getrennte Laser, die denselben Pumplaser, Laserkristall, Luftraum und die meisten weiteren resonatorinternen Elemente mit Ausnahme der beiden Endspiegel gemeinsam verwenden. Auf diese Weise sind die beiden Laser denselben thermischen Schwankungen, Pumplasergeräuschen und Turbulenzen ausgesetzt, wodurch der Unterschied der Wiederholratenschwankungen minimiert wird. Dies ermöglicht ein Einrasten der Impulse selbst bei einer schwachen optischen Wechselwirkung zwischen den beiden Lasern. Dieses allgemeine Prinzip der "Umgebungskopplung" kann auch bei anderen Laserarten wie etwa modenverriegelten Faserlasern eingesetzt werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Ziel von Dykaar u.a. das gegenseitige Verriegeln der beiden Laser darstellt, was für die Zwecke der vorliegenden Erfindung unerwünscht ist, da die Zeitverzögerung dabei nicht abgetastet werden kann; d.h. die Zeitpunkte der Impulse der beiden gekoppelten Laser des vorstehend erläuterten "Sticky-Pulse-Lasers" sind durch die optische Kopplung miteinander synchronisiert und können nicht unabhängig gesteuert werden.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Steuern eines zeitlichen Unterschieds zwischen ersten und zweiten Laserimpulsen, die von einer ersten und einer zweiten Kurzimpulslaserquelle ausgegeben werden, einer schnellen Abtastlaservorrichtung mit einer ersten und einer zweiten Kurzimpulslaserquelle, und einer Verwendung einer Phasenregelschleife in einer Laservorrichtung, damit eine Abtastung mit minimaler mechanischer Bewegung durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zum Steuern eines zeitlichen Unterschieds zwischen ersten und zweiten Laserimpulsen mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1, eine schnelle Abtastlaservorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 5 und eine Verwendung einer Phasenregelschleife in einer Laservorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 9 erfüllt.
Es sind weitere vorteilhafte Entwicklungen in den abhängigen Patentansprüchen dargelegt.
Die Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Abtasten der Zeitverzögerung zwischen zwei modenverriegelten Lasern wie beispielsweise einem Haupt- und Nebenlaser bereit, bei denen keine großen mechanischen Bewegungen optischer Elemente erforderlich sind und die ein Abtasten eines beliebig gewählten benachbarten Subintervalls der Impulswiederholperiode T_R ermöglicht. Dies wird durch geeignete Einstellungen der Resonatorlänge eines Lasers (z.B. des Nebenlasers) in der Größenordnung von Mikrometern erzielt, während eine elektronische Rückkoppelschaltung zur fortlaufenden Überwachung der mittleren Zeitgabe (Phase) zwischen den beiden Lasern verwendet wird. Darüber hinaus ist es erwünscht, die HF-Stabilisierung der beiden Laser in solcher Weise abzuwandeln, dass die relative Zeitverzögerung im Gegensatz zum Freiabtast-Laserverfahren über einige Subintervalle der Wiederholperiode abgetastet werden kann, wodurch der Auslastzyklus der Datenerfassung beachtlich verbessert wird.
Die Erfindung minimiert die durch Fluktuationen der Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Vibration, Luftturbulenzen und Temperaturveränderungen verursachten Zeitgabeschwankungen. Dies wird dadurch erzielt, dass beide Laser mit identischen Elementen innerhalb des selben Gehäuses aufgebaut sind und mit dem selben Pumplaser gepumpt werden, wobei jedoch eine unabhängige Steuerung möglich ist. Im einzelnen kann dies im Falle von Glasfaserlasern dadurch erreicht werden, dass die Glasfasern gemeinsam auf dieselbe Spule gewickelt werden.
Gemäß der Erfindung werden Beispiele von Verfahren zum Kalibrieren des Abtastzeitmaßstabs mit Subpiko-Sekundengenauigkeit bereitgestellt, die während und in Verbindung mit dem vorgenannten Abtastverfahren zu verwenden sind. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung zur Kreuzkorrelation der Impulse eines Lasers (z. B. eines Hauptlasers) mit durch Hindurchführen von Impulsen des anderen Lasers (z. B. eines Nebenlasers) durch eine Reihe von teilweise reflektierenden optischen Elementen erhaltenen Impulssequenzen verwendet werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein bekanntes Freiabtastlasersystem;
2(A) und (B) ein erfindungsgemäßes schnelles Abtastlasersystem, bei dem die Resonatorlänge des Haupt- und/oder Nebenlasers gesteuert wird;
3(A) und (B) eine Zeitverzögerung T_D(t) und an den PZT in dem Laserresonator angelegte Wellenformen;
4 ein erfindungsgemäßes Doppelfaserlasersystem mit zwei identischen modenverriegelten Glasfaserlasern, in denen als moden-synchronisierender Mechanismus eine nichtlineare Polarisationsentwicklung verwendet wird und Glasfasern beider Laser gemeinsam auf dieselbe Spule gewickelt sind;
5(A) und (B) eine Darstellung eines Kreuzkorrelationssignals zwischen zwei durch das erfindungsgemäße Zitterverfahren abgetasteten Glasfaserlasern gemäß 4, der an den PZT angelegten sinusförmigen Spannung und des Rechteckwellen-Triggerausgangssignals des Signalgenerators;
5(C) eine Darstellung der Zeitgabeschwankungsdaten;
6(A) und (B) einen Impulszüge erzeugenden hochgenauen Fabry-Perot-Etalon;
7(A)-(D) Darstellungen zweier Vollabtastzyklen mit den Kreuzkorrelationssignalen zwischen einem Einzellaserimpuls und dem durch einen luftgetrennten FP-Etalon übertragenen Impulszug;
8(A) und (B) einen Impulszuggenerator, der aus einer Reihe fotorefraktiv gewachsener gechirpter Glasfasergitter;
9 ein detailliertes schematisches Diagramm eines Laserstabilisierungs- und Zittersystems;
10 ein schematisches Diagramm eines Meßsystems, in dem die erfindungsgemäßen schnell abtastenden Laser und das erfindungsgemäße Zeitkalibrierungsverfahren eingesetzt werden;
11(A) und (B) Metrologiesysteme, in denen ein erfindungsgemäßes schnell abtastendes Lasersystem eingesetzt wird;
12 ein Femtosekunden-OTDR-System, in dem ein erfindungsgemäßes schnell abtastendes Lasersystem und ein erfindungsgemäßes Zeitkalibrierungsverfahren eingesetzt werden; und
13 ein elektrooptisches Abtastoszilloskop, in dem ein erfindungsgemäßes schnell abtastendes Lasersystem und ein erfindungsgemäßes Zeitkalibrierungsverfahren eingesetzt werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Es folgt eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen.
Prinzip des Schnellabtastverfahrens
Die vorliegende Erfindung besteht wie das Freiabtastlasersystem aus zwei Lasern, einem Masterlaser 110 (im folgenden Hauptlaser genannt) und einem Slavelaser 120 (im folgenden Nebenlaser genannt), die nahezu identische Wiederholraten aufweisen, wie beispielsweise in 2(A) gezeigt ist. Im Gegensatz zu dem Freiabtastlasersystem ist es jedoch den von dem Haupt- und dem Nebenlaser ausgegebenen Impulsen nicht möglich, vollkommen durcheinander hindurch abzutasten. Vielmehr wird die Wiederholfrequenz ν₂ des Nebenlasers 120 um die Wiederholrate des Hauptlasers 110 gezittert, während der Hauptlaser 110 mit einer Wellenlänge λ1 bei einer konstanten Wiederholrate ν₁ festgehalten wird oder aus freien Stücken driften kann. Dieses Zittern („Dithering") der Wiederholrate wird durch Verändern der Resonatorlänge (L₂) des Nebenlasers 120 mit "hoher Frequenz" erreicht, beispielsweise im Bereich von 30Hz bis 1 kHz, wobei seine mittlere Wiederholrate durch die des Hauptlasers 110 mittels einer Stabilisierereinheit 130, die eine "langsame Phasenregelschleifen-(PLL)-Schaltung" mit geringerer Bandbreite als die Abtastfrequenz enthält, fremd synchronisiert oder gesteuert ist. Die mittlere Zeitverzögerung zwischen dem Haupt- und Nebenlaser wird durch eine Stabilisierereinheit 130, die die Resonatorlänge des Nebenlasers 120 steuert, konstant gehalten. Zwischenzeitlich wird ein schnelles Zitterausgangssignal eines Signalgenerators 140 zu der Steuerausgangsspannung der Stabilisierereinheit 130 hinzuaddiert, um die augenblickliche Verzögerung zwischen den Lasern abzutasten. Das Fremdsynchronisieren und Zittern der Wiederholfrequenz kann durch Anbringen eines Endspiegels des Nebenlasers 120 auf einem piezoelektrischen Wandler (PZT) 121 und Anlegen des erforderlichen Spannungssignal eines Frequenzsignalgenerators 140 erreicht werden. Es ist erforderlich, dass die Bandbreite der PLL-Schaltung geringer ist als die Zitterfrequenz; anderenfalls wird sie versuchen, den Hauptlaser zu führen und der Resonatorlängenabtastung entgegenzuwirken.
2(B) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem der Hauptlaser 110 einen PZT 111 enthält und die Spiegel sowohl des Hauptlasers 110 als auch des Nebenlasers 120 durch PZTs 111 und 121 gesteuert werden. In diesem Fall wird der Hauptlaser 110 mit der Abtastfrequenz gezittert, während der Nebenlaser 120 der mittleren Wiederholrate des Hauptlasers 110 nachgeführt wird. Die Resonatorlänge des Hauptlasers 110 wird durch einen Signalgenerator 140 schnell gezittert, während der Stabilisierer den Nebenlaser 120 auf die gewünschte mittlere Zeitverzögerung einrastet.
Wiederum ist es für die Zitterfrequenz erforderlich, die Bandbreite der PLL-Schaltung zu überschreiten, damit die PLL der Zeitabtastung nicht entgegenwirkt.
Als Beispiel für die Funktion der Resonatorlängenabtastung wird eine Rechteckwelle mit einer Abtastfrequenz f_s an den Nebenlaser-PZT 121 angelegt. Dann ergibt sich die Resonatorlängenverstimmung als eine sich schnell verändernde Funktion der Zeit: ΔL(t) = ΔL0·Sq(fst) Gl.1wobei ΔL₀ die Amplitude des Rechteckwellenversatzes kennzeichnet und Sq(x) die Rechteckwellenfunktion. Daraus ergeben sich positive und negative lineare Abtastverzögerungen für eine Hälfte des Abtastzyklus (eine Dreieckwelle). Im zeitstationären Fall erzeugt eine konstante Resonatorlängenverstimmung ΔL eine Offsetfrequenz von:
die umgeschrieben werden kann als
Bei dem schnellen Abtastverfahren wird allerdings die Resonatorlänge mit einer ausreichend hohen Frequenz gezittert, so dass ein vollständiges gegenseitiges Durchlaufen der Impulse nicht auftritt. Das bedeutet, dass die Abtastfrequenz und -amplitude die Bedingung erfüllen
In diesem Fall wäre die zeitveränderliche Zeitverzögerung T_d(t) proportional zu dem Zeitintegral der Resonatorlängenverstimmung:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum kennzeichnet und das Integrationsintervall in der Größenordnung eines Abtastzyklus liegt. 3(A) zeigt einen Augenblick der Rechteckwellenmodulation, bei dem eine 1kHz-Rechteckwelle an den PZT eines der Laser angelegt wird. Die in 3 gezeigten Wellenformen zeigen eine zeitabhängige Resonatorlängenverstimmung ΔL(t) und die resultierenden augenblicklichen Zeitverzögerungen T_D(t) als Funktion der Zeit, wenn verschiedene Zitterwellenformen an den PZT des Nebenlasers angelegt werden. Die augenblickliche Wiederholrate ν₂ zittert um ν₁, und die relative Zeitverzögerung tastet zeitlinear rückwärts und vorwärts ab. Der Gesamtabtastbereich ist abhängig von der Grundwiederholrate ν₁ der Abtastfrequenz f_s und der Abtastamplitude ΔL, entsprechend den Gleichungen:
oder hinsichtlich der Offsetfrequenz:
Die Abtastrate ergibt sich mit einer Einheit von (ms/ms) zu:
oder in bequemeren Laboreinheiten:
Das "Abtastraster" ergibt sich aus dem zeitlichen Impulsfortschreiten pro Umlauf: δg = 2ΔL/C Gl.7
Es kann ein Abtastgeschwindigkeitsparameter definiert werden, der dem Grad der räumlichen Impulsfortschreitung pro Sekunde entspricht. Dieser ergibt sich aus
Es ist zu beachten, dass diese Konzepte der Abtastrate, des Abtastrasters und der Abtastgeschwindigkeit in gleicher Weise bei Freiabtastlasern geeignet sind.
Als ein Beispiel ergibt sich bei einem Paar von Lasern mit einer nominalen Resonatorlänge von L = 1,5 m ein ν₁ = 100 MHz. Wird eine Abtastamplitude von ΔL = 15 μm angenommen, so ergeben sich eine Offsetfrequenz Δν = 1 kHz, eine Abtastrate von R_scan = 10⁴ ps/ms und ein Abtastraster von δt_g = 100 fs. Ein vollständiges Impulsausrasten (full pulse walkoff) tritt in 1 ms auf, wenn die Resonatorlänge nicht gezittert wird. Somit wird zur Verhinderung des vollständigen Ausrastens eine Abtastfrequenz von fs > 1 kHz benötigt, falls eine Abtastamplitude von 15 μm verwendet wird.
Die Tabellen 1, 2 und 3 zeigen einige mögliche Abtastbereiche, Abtastraten und Abtast-Rasterintervalle als Funktion verschiedener Abtastparameter für modenverriegelte Laser mit Wiederholraten ν von 10 MHz, 100 MHz und 1 GHz. Anhand der Tabelle 3 ist entnehmbar, dass bei einem 1-GHz-Laser die gebräuchlichsten Abtastbedingungen ein vollständiges Ausrasten bewirken, weshalb die Zeitverzögerung 1 ns nicht überschreiten kann. Somit ist bei Lasern mit Wiederholraten unterhalb 1 GHz das erfindungsgemäße Zitterverfahren gegenüber dem Freiabtastlaserverfahren bevorzugt.
Tabelle 1. Abtastparameter für einen 10-MHz-Laser (L = 15 m).
Tabelle 2. Abtastparameter für einen, 100-Mßz-Laser (L = 1,5m).
Tabelle 3. Abtastparameter für einen, 1-GHz-Laser (L = 0,15 m).
Symmetrisches Rechteckwellenzittern ist nicht das einzige bevorzugte Verfahren. 3(B) und (C) zeigen zusätzlich zu der Rechteckwellenmodulation zwei weitere Zitterschemata. Zum Erhalten einer Einrichtungsabtastung kann eine asymmetrische Rechteckwelle verwendet werden, wie in 3(B) dargestellt ist. Dies führt zu einer Verringerung der überflüssigen Totzeit der Rückwärtsabtastung. Bei der Verwendung der Einrichtungsabtastung in handelsüblichen Fabry-Perot-Interferometern wird diese vielmehr durch eine Dreieckwellenform anstelle einer Rechteckwellenform erzeugt, wie in 3(B) dargestellt ist.
Die abrupten Spannungsänderungen an den ansteigenden und abfallenden Flanken der Rechteck- und Quadratwellen können mechanische Stöße und Schwingen in dem PZT verursachen, wodurch die anderenfalls lineare Zeitskala der Abtastung gestört wird. Eine gewisse Signalaufbereitung (z. B. Glättung der Übergänge), die diese Effekte verringert, ist daher wünschenswert. Als Alternative kann eine Sinusspannung an den PZT angelegt werden, wie in 3(C) dargestellt ist. Einer der Vorteile bei der sinusförmigen Abtastung liegt darin, dass das Stoßen und Klingeln, die die mit Quadrat- und Rechteckwellen verbundenen scharfen Spannungstransienten begleiten würden, verhindert werden. Ebenso wird eine Zeitgabestörung verhindert, da die PLL versucht, auf die induzierte Resonanzlängenverstimmung zu reagieren. Das bedeutet, dass eine sinusförmige Ansteuerspannung bei einer einfachen analogen Stabilisierungsschaltung eine sinusförmige Abtastcharakteristik hervorruft, selbst dann, wenn der Stabilisierer in gewissem Umfang auf die Abtastzeitverzögerung anspricht. Aus diesen Gründen handelt es sich bei der sinusförmigen Abtastung um die am einfachsten realisierbare. Die sinusförmige Abtastung teilt jedoch nicht den Vorteil eines Rechteckwellensignals, wie das in 3B gezeigte, das eine Einrichtungsabtastung erzeugt. Daher kann abhängig vom erforderlichen Einfachheitsgrad ein sinusförmiges Abtastsignal zum Ansteuern des PZT bevorzugt sein. Die in den Tabellen 1-3 gegebenen Abtastparameter wurden basierend auf einer symmetrischen Quadratwellenmodulation des PZT erhalten. Bei einer sinusförmigen Abtastung müssen der Abtastbereich und die Abtastrate etwas modifiziert werden. Die zeitabhängige Verzögerung ist immer noch durch Gleichung 4 gegeben, wobei jedoch die Resonatorlängenmodulation erhalten wird durch: ΔL(t) = ΔL0·cos(2πfst) Gl.9
Daraus ergibt sich eine Verzögerung von:
Dies führt zu einer sinusförmigen Abtastung, obwohl die Zeitverzögerung gegenüber der PZT-Position um 90 Grad phasenverschoben ist. Es ist zu beachten, dass die Abtastcharakteristik nichtlinear ist und eine gewisse Maßstabskorrektur erforderlich ist.
Es sollte beachtet werden, dass dieses Verfahren nicht auf die vorgenannten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, obwohl das hier beschriebene Laserabtastverfahren unter Verwendung eines Paars modenverriegelter Glasfaserlaser demonstriert wurde, sondern es auch bei vielen weiteren Arten modenverriegelter Laser wie beispielsweise Festlaser, Diodenlaser und Farbstofflaser anwendbar ist.
Abtast-Glasfaser-Lasersystem
4 zeigt ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für ein Doppelfaserlasersystem mit zwei Glasfaserlasern, d.h. einem Hauptlaser 210 und einem Nebenlaser 220.
Beide Laser werden durch dieselbe Laserdiode LD 205 gepumpt, deren Leistung durch einen Teiler SPL 206 zwischen den beiden Lasern aufgeteilt wird. Der Hauptlaser 210 wird durch einen integrierten Faraday-Rotator-Spiegel FRM 215 abgeschlossen, während der Nebenlaser 220 durch einen optischen Aufbau PZT-FRM 225 abgeschlossen wird, der zu dem FRM 215 äquivalent ist, jedoch auch einen auf einem PZT angeordneten Spiegel enthält. Die beiden Glasfaserlaser enthalten identische Modenfremdsynchronisationsoptiken (d.h. Wellenplatten λ/4, λ/2, Faraday-Rotatoren (FR) und polarisierende Strahlteiler PBS, „Polarizing Beam Splitter"). Lasermodenfremdsynchronisation wird durch sättigbare Absorber SA eingeleitet. Die Ausgangsimpulse der rauscharmen Ausgangsanschlüsse der Laser werden durch Fotodioden PD-1 und PD-2 erfasst, die zur Ansteuerung des Stabilisierers 130 verwendet werden.
Beide Glasfaserlaser weisen eine nominale Wiederholrate von ν₀ = 4,629 MHz auf. Sie basieren auf einer umgebungsstabilen Ausgestaltung, die in M.E. Fermann, L.M. Yang, M.L. Stock und M.J. Andrejco, "Environmentally stable Kerr-type mode-locked erbium fiber laser producing 360-fs pulses." Opt. Lett., 19, Seite 43-5, Jan. 1994 offenbart ist, bei der eine nicht lineare Polarisationsentwicklung (NPE) als Modenfremdsynchronisations-Mechanismus verwendet wird. Die Laser weisen mit Ausnahme der Faraday-Rotator-Spiegel identische Komponenten auf; der Hauptlaser 210 wird mit einem integrierten Faraday-Rotator-Spiegel FRM 215, der als Einzelbauteil ausgestaltet ist, festgelegt, während der Nebenlaser 220 durch den Aufbau PZT-FRM 225 aus diskreten Komponenten bestimmt wird, der zu einem FRM äquivalent ist, aber auch einen auf einem PZT angebrachten Spiegel enthält. Der hier verwendete PZT weist einen Gesamtverschiebungsbereich von 40 Mikrometern auf. Die Laser sind durch gemeinsames Umwickeln um dieselbe Glasfaserspule 280 thermisch und mechanisch gekoppelt. Darüber hinaus werden beide Laser durch dieselbe Pumplaserdiode LD 205 gepumpt, so dass das in den beiden Lasern auftretende Pumprauschen korreliert ist. Die relative Zeitgabe zwischen den Lasern wird durch den eine PLL-Schaltung enthaltenden Stabilisierer 130 eingestellt und stabilisiert. Sobald der Stabilisierer 130 aktiviert und die Laser auf die richtige Verzögerung eingestellt sind, wird ein Zittersignal an den PZT des Nebenlasers 220 angelegt, um diesen zum Abtasten zu veranlassen. Das Zittersignal wird durch einen Signalgenerator 135 angelegt und wird zu einem Stabilisierausgangssignal des Stabilisierers 130 hinzu addiert, um ein Signal zum Ansteuern des PZT zu erzeugen. Alternativ kann auch der Stabilisierer 130 das Zittersignal erzeugen, so dass das Ausgangssignal des Stabilisierer 130 sowohl das Stabilisier- als auch das Zittersignal enthält. Jeder Laser weist zwei auf deren im Resonatorinneren befindlichen Polarisierer bezogene Ausgangsanschlüsse auf. Diese beiden Ausgangsanschlüsse sind in 4 als zwei Ausgänge eines jeden PBS dargestellt. Diese beiden Laserausgänge weisen sehr unterschiedliche Rauscheigenschaften auf; einer ist zu einem gewissen Grad verrauscht und der andere weist, aufgrund eines optischen Begrenzungseffekts (wegen der NPE), dessen Auftreten in diesem Lasertyp bekannt ist, ein sehr geringes Rauschen auf. Dieser ruhige Ausgangsstrahl wird durch Fotodioden PD-1 und PD-2 erfasst, die ein Eingangssignal für die Stabilisiererschaltung 130 bereit stellen. Die Verwendung des ruhigen Ausgangsstrahls als Eingangssignal für den Stabilisierer 130 trägt zur Minimierung der Zeitgabeschwankungen (Timing Jitter) bei.
Eine sinusförmige Zeitabtastung wurde durch die Erfinder unter Verwendung des Doppelfaserlasersystems realisiert. 5(A) zeigt zwei Zyklen einer Kreuzkorrelationsabtastung zwischen den beiden in 4 gezeigten Faserlasern, die anhand einer Einzeldatenerfassung, d.h. ohne Mittelung, gesammelt wurden. Im einzelnen zeigt 5(A) das Kreuzkorrelationssignal zwischen zwei Faserlasern, die durch das erfindungsgemäße Jitterverfahren mit einer Abtastfrequenz von 106 Hz und über einen Abtastbereich von 200 ps abgetastet werden. Hierbei zeigt 5(A) zwei volle Abtastzyklen mit sowohl vorwärtigem als auch rückwärtigen Abtasten. Ebenso sind die an die PZT-Steuerung angelegte Sinuswellenspannung und der als eine Quadratwelle erscheinende Triggerausgang des Signalgenerators dargestellt. Diese Darstellung gemäß 5(A) wurde erhalten durch Passieren der Impulse der beiden Laser durch einen modifizierten Kreuzkorrelator, in dem eine Summenfrequenzmischung in einem nichtlinearen Kristall, insbesondere einem Beta-Barium-Borat-(BBO)-Kristall, angewendet wird.
Eine mechanische Abtastverzögerung wird in einem Arm eines bekannten Korrelators angewendet. In dem erfindungsgemäßen Korrelator wurde jedoch keine mechanische Verzögerung verwendet. Alle Abtastvorgänge wurden unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Laserzitterverfahrens durchgeführt. 5(A) zeigt auch die an die PZT-Steuerung angelegte Sinuswellenspannung und den Triggerausgang des Funktionsgenerators. Es ist zu beachten, dass die in der Darstellung markierten Verschiebungsenden des PZT gegenüber der angelegten Sinuswelle 90 Grad phasenverschoben sind, wie gemäß den Gleichungen 9 und 10 zu erwarten ist. Der Abtastbereich beträgt ungefähr 200 ps bei einer Abtastfrequenz von 100 Hz. Dies ist äquivalent mit dem Abtasten einer physikalischen Verzögerung von 3 cm bei einer Wiederholrate von 100 Hz. Mit dem Doppellasersystem wird jedoch derselbe Abtastbereich durch Verschieben des PZT des Nebenlasers um lediglich einige Mikrometer erzielt.
Dieses Kreuzkorrelationsverfahren wurde zur Messung der Zeitgabeschwankungen zwischen den beiden Lasern verwendet. Die Zeitkalibrierung erfolgte durch Einfügen eines Glasetalons mit einer Dicke von 2 mm in einen Arm des Korrelators, der eine durch 20 ps getrennte Impulssequenz erzeugt. Diese Impulssequenz ist auf den in 5(A) gezeigten Abtastvorgängen deutlich erkennbar. 5(B) zeigt denselben Abtastvorgang bei gedehntem Zeitmaßstab, wobei gering beabstandete Impulse (ein Laser weist Nebenimpulse auf) und Wiederholungen der Impulspaare dargestellt sind, die durch Einfügen eines 2mm-Glasetalons in einen Arm des Korrelators erzeugt wurden. Die Impulspaarwiederholungen sind von dem Hauptimpulspaar entsprechend der Dicke des Etalons durch 20 ps getrennt. Hier ist erkennbar, dass die Impulsbreiten in der Größenordnung von 1 ps liegen und dass auch Nebenimpulse einige ps von dem Hauptimpuls entfernt vorhanden sind. Die so gemessene RMS-Zeitgabeschwankung betrug ΔT_j = 5 ps bei gelegentlichen Zeitgabeabweichungen von bis zu ± 20 ps. Die Zeitgabeschwankungsdaten sind in 5(C) dargestellt, wobei jeder Datenpunkt die relative Zeitverzögerung zwischen den Lasern bei jedem Abtastvorgang mit der 106-Hz-Abtastrate darstellt.
Die gemessenen Schwankungen demonstrieren die Genauigkeitseinschränkungen der elektronischen PLL-Schaltung des Stabilisierers 130, aber sie demonstrieren auch, wie genau Zeitgabeinformationen trotz dieser Schwankungen erhalten werden können. Erfolgt die Abtastung schnell genug, so ergeben sich innerhalb der Abtastzeit ziemlich kleine relative Zeitgabeschwankungen. Und falls eine stabile Serie von Zeitgabeimpulsen bereitgestellt wird, beispielsweise durch Hindurchtreten der Laserimpulse durch ein Etalon, so sind selbst die Schwankungen während der Abtastzeit genau bekannt. Auf diese Weise ist die Abtastcharakteristik bis auf Subpikosekunden-Genauigkeit bekannt, selbst wenn die Laser um mehrere Pikosekunden schwanken.
Die vorteilhaften Wirkungen der gemeinsamen Anordnung der Laser sind wichtig. In einem vorhergehenden und weniger erfolgreichen durch die Erfinder erstellten Doppellasersystem war dasselbe Laserpaar auf verschiedenen Rasterplatinen aufgebaut und wurde durch verschiedene Laser gepumpt. Bei aktiviertem Stabilisierer folgte der Nebenlaser dem Hauptlaser lediglich für ungefähr 30 Minuten, bevor die Resonatorlängenverstimmung den 40-Mikrometer-Verschiebungsbereich des PZT überschritt. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Nachführen unmöglich. Somit kann die Resonatorlängenverstimmung zwischen einem 5-MHz-Laserpaar selbst bei normalen Raumtemperaturbedingungen um mehr als 40 Mikrometer driften, was außerhalb des Bereichs der meisten PZTs liegt. Andererseits ermöglicht das erfindungsgemäße, gemeinsam angeordnete System eine unbestimmte Nachführung, die andeutet, dass die Resonatorlängenverstimmung bei normaler Raumtemperaturbedingung ausreichend innerhalb der 40-Mikrometer-Begrenzung des PZT verbleibt. Messungen der absoluten und relativen Frequenzdrift zeigen, dass die relative Frequenzdrift zwischen den beiden Lasern 7-mal geringer als die absolute Drift eines Lasers ist. Die relative Drift kann durch Bereitstellen von im Aufbau vollkommen identischen Lasern noch weiter verbessert werden. Dies kann dadurch erzielt werden, dass beide Laser mit identischen PZT-FRM-Aufbauten abgeschlossen werden, oder dass beide mit identischen FRM-Paketen abgeschlossen werden und die Nebenlaserresonatorlänge mittels einer Glasfaserstreckvorrichtung, verändert wird.
Eine weitere Verringerung sowohl des relativen als auch der absoluten Zeitgabedrift kann durch akustische Dämpfung der Glasfaserspule 280 und weiterer Komponenten erzielt werden, und durch Unterbringen der Laser in dem selben Gehäuse, das seinerseits akustisch gedämpft und temperaturgesteuert sein kann. Unter Einsatz all der vorgenannten Verfahren kann die relative Laserschwankung gegebenenfalls das Quantenlimit erreichen (H.A. Haus und A. Mecozzi, "Noise of mode-locked lasers," IEEE J. Quantum Electron., QE-29, Seiten 983-996, März 1993). Da die quantenbegrenzten Zeitgabeschwankungen mit steigender Dispersion ansteigen, könnte die Schwankung durch Betrieb der modenverriegelten Laser in der Nähe der Null-Dispersions-Wellenlänge weiter reduziert werden.
Das Zittern des Endspiegels eines modenverriegelten Lasers kann aufgrund einer Spiegelfehlausrichtung und Defokussierung Amplitudenschwankungen bei der Abtastfrequenz induzieren. Dieser Fehlausrichtungseffekt kann durch Fokussieren auf den PZT-Spiegel zur Verringerung der Winkelempfindlichkeit minimiert werden, und durch Verwenden eines 3-Punkt-Spiegelabtast-PZTs zur Beibehaltung der Ausrichtung, wie es bei handelsüblichen Abtast-Fabry-Perot-Interferometern durchgeführt wird. Der Defokussiereffekt kann auftreten, wenn die Abtastamplitude einen beachtlichen Teil des Konfokalparameters des auf den PZT-Spiegel einfallenden Strahlmittelteils darstellt. In einem Glasfaserlaser verursacht diese Defokussierung eine Verringerung der Koppeleffizienz des Strahls zurück in die Glasfaser, was wiederum Leistungsschwankungen hervorruft. Somit ist eine starke Fokussierung auf den PZT-Spiegel nicht erwünscht. Eine sparsame Wahl der Strahlkollimation kann diesen Defokussiereffekt verringern. Wird beispielsweise ein PZT mit einem Abtastbereich von 40 Mikrometern verwendet, so wäre ein Konfokalparameter von zumindest einigen Millimetern erforderlich. Dann ist die Größe (ΔL/Z_R)² 10^–4 ziemlich klein, wobei Z_R den Konfokalparameter des Strahlmittelteils an dem PZT-Spiegel kennzeichnet. Ist diese Größe klein, so ist die Amplitudenmodulation des Lasers entsprechend klein.
Es sollte herausgestellt werden, dass selbst bei einigen kleinen Amplitudenschwankungen durch leichte Spiegelfehlausrichtungen während des Abtastens die Strahlzeigestabilität aufgrund der Führungseigenschaften der Glasfaser in keiner Weise verschlechtert wird. Bei einem phasenverriegelten Festkörperlaser könnten jedoch gewisse Abweichungen des Ausgangsstrahls auftreten, falls nicht Maßnahmen zum Verhindern ergriffen werden.
Bei einem alternativen Lasersystem könnten beide Laser durch identische FRM abgeschlossen werden und die Resonatorlängen könnten durch eine PZT-Faserstreckvorrichtung eingestellt werden, wie beispielsweise ein durch die Firma Piezomechanik GmbH aus Deutschland hergestelltes Röhrenstellglied PiT 40 × 18 × 1.
Zeitgabekalibrierung
Trotz des Stabilisierens der mittleren, relativen Zeitverzögerung mittels der PLL-Schaltung des Stabilisierers 130 kann diese Position um einige Pikosekunden schwanken, so dass es erforderlich ist, sicherzustellen, dass die Datenerfassungseinheit 50 in korrekter Weise mit einem die gewünschte Genauigkeit, d.h. 100 fs, aufweisenden Zeitgabesignal getriggert wird. Ein derartiges Signal kann von einem Kreuzkorrelator mit nichtlinearer optischer Mischung in einem nichtlinearen Kristall wie beispielsweise einem BBO erhalten werden, wie es bei der vorstehend genannten Demonstration und durch andere wie beispielsweise Kafka u.a. durchgeführt wurde. Diese Art der Triggerung hat sich zum Erhalten einer hohen Genauigkeit in Metrologiemessungen als wichtig herausgestellt, selbst wenn für die Abtastzeitgabeverzögerung ein Spiegelrüttler verwendet wird. Während dies erforderlich ist, ist es jedoch nicht ausreichend. Jittermessungen zeigen, dass die Zeitgabe nicht nur von Abtastvorgang zu Abtastvorgang schwanken kann, sondern auch während einem einzelnen Abtastzyklus. Dies bedeutet, dass die Abtastrate R_scan sich von Abtastvorgang zu Abtastvorgang und selbst während dem Abtastzyklus verändert. Es ist daher wichtig, dass Zeitmaßstabsoperationen vor der Signalmittelung auftreten. Es ist somit erforderlich, pro Abtastvorgang mindestens zwei Zeitgabeimpulse von dem Korrelator zu erhalten – einen zum Triggern und den anderen für die Zeitmaßstabsinformation. Um dies zu erreichen, wird das Abtastintervall bei der vorliegenden Erfindung mit einer Impulssequenz gefüllt, entweder gleichmäßig oder ungleichmäßig (sowohl in Amplitude als auch Zeit). Auf diese Weise können bei jedem Abtastzyklus Zeitgabeinformationen über das Abtastintervall erhalten werden.
Zeitmaßstabserzeugung
Ein wichtiger Schlüsselpunkt der Zeitmaßstabskalibrierung liegt in der Wahl der zur Erzeugung der Zeitgabeinformationen verwendeten Verfahren. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine Impulssequenz durch reflektieren eines Einzelimpulses an einem hoch empfindlichen Fabry-Perot-(FP)-Etalon erzeugt werden, um eine zeitlich gleichmäßige Sequenz vieler Impulse zu erzeugen, wie in 6(A) und (B) dargestellt ist. Da das FP-Etalon als eine "Rüttelplatte" verwendet wird, innerhalb der der Impuls in dem FP-Etalon (d.h. einem hochempfindlichen FP-Etalon) oft reflektiert wird, ist die Transmission im Gegensatz zur Verwendung seiner Resonanzeigenschaften ziemlich gering. Ein Beispiel für die Verwendung eines FP-Etalons aus zwei Spiegeln mit R = 98%, woraus sich eine Transmission T = .0004 ergibt, wird nun erläutert. Der in 6(A) gezeigte übertragene Impulszug stellt eine Serie von durch die Durchgangszeit durch den FP-Etalon getrennten Impulsen dar, die mit einem Abfallfaktor, der von den Spiegelverlusten und der Fehlausrichtung abhängig ist, abklingt. Das bedeutet, dass der übertragene Impulszug durch einen Faktor T² gedämpft wird, wobei T die Transmission der Etalonoberfläche kennzeichnet. Der übertragene Impulszug ist mehr oder weniger gleichmäßig, wobei die Impulsintensitäten mit jedem Umlauf geringfügig abfallen, der erste (und größte) Impuls des Zuges ist 250-mal schwächer als der auf den FP-Etalon einfallende Impuls. 7(A) und (B) zeigen den durch einen echten luftgetrennten FP-Etalon mit Oberflächenreflexionsgraden von R = 98% und einem Spiegelabstand von ungefähr 1 mm übertragenen, langsam abfallenden Impulszug. 7(B) zeigt bei gedehntem Zeitmaßstab einen Verlauf eines einzelnen rückwärtigen Abtastvorgangs mit 17 Impulsen und den dem Ende der Abtastung entsprechenden Punkt. Diese Daten wurden erhalten durch einfaches Einfügen des FP-Etalons in einen üblichen Abtastkorrelator, in dem ein auf einer Schwingspule (Lautsprecher) angebrachter Rückreflektor eingesetzt ist. Da eine sinusförmige Spannung an den Lautsprecher angelegt wurde, wurde die Zeitverzögerung in mehr oder weniger sinusförmiger Weise abgetastet. Die Abstände der Impulse über der Zeit ergeben die Abtastcharakteristik des Rüttelspiegels, die in 7(C) dargestellt ist. Der Gesamtabtastbereich kann leicht aus diesen Daten berechnet werden, wie: Tmax ≈ (17 Impulse) × (6,7 ps/Impuls) = 114 ps Gl.11
Die Daten gemäß 7(C) zeigen, dass die Abtastcharakteristik, wie erwartet, nicht vollständig linear verläuft. Zur Verdeutlichung der Linearitätsabweichung werden die Daten mit einer geraden Linie angenähert und danach von dieser Ideallinie abgezogen. Das Ergebnis ist in 7(D) dargestellt und entspricht der Linearabweichung der Zeitabtastcharakteristik.
Der reflektierte Impulszug ist mit dem übertragenen Impulszug identisch, die beide in 6(B) gezeigt sind, mit der Ausnahme, dass der reflektierte Impulszug durch einen Führungsimpuls angeführt wird, der die erste Oberflächenreflexion darstellt und den größten Anteil der Impulsenergie (d.h. 98%) enthält. Da dieser zuerst reflektierte Impuls annähernd die gesamte Intensität aufweist, ist er für jede der durchzuführenden experimentellen Anwendungen oder Messungen brauchbar. Es ist zu beachten, dass dieser Führungsimpuls eine 2500-mal höhere Intensität aufweist, als der unmittelbar darauffolgende Impulszug. In den meisten Fällen werden die Messungen durch den schwachen Impulszug nicht ernsthaft beeinflusst. In anderen Fällen jedoch kann dies nicht akzeptabel sein.
Es können selbstverständlich auch Etalone mit geringerer Empfindlichkeit verwendet werden, dann fällt aber der übertragene Impulszug viel schneller ab und der Korrelatordynamikbereich wird zum begrenzenden Faktor.
Beispielsweise erzeugt ein Etalon mit Oberflächenreflexionsgrad von R = 30% eine rapide abfallenden Impulsserie, bei der jeder Impuls 10-mal schwächer als der vorangehende Impuls ist. Somit können nur etwa 3 Impulse zur Echtzeitkalibrierung verwendet werden, da die meisten Datenerfassungen einen Einzeldynamikbereich von lediglich drei Dekaden aufweisen. Dies galt auch bei der in 5 gezeigten Korrelation. Dieser Effekt kann durch Dynamikbereichs-Kompressionsverfahren, beispielsweise durch Verwenden eines logarithmischen Verstärkers, vermieden werden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel können Kombinationen von FP-Etalonen verwendet werden. Ein dünner Etalon (wie beispielsweise ein Deckglas) würde z.B. ein Paar eng beabstandeter Impulse (ungefähr ein ps) erzeugen, die dann zu einem höher empfindlichen FP mit größerem Abstand (z.B. 20 ps) gesendet würden. Das Ergebnis wäre eine Sequenz von durch 20 ps beabstandeten Impulspaaren. Dies ergibt eine lokale Ableitungsinformation über die Zeitgabecharakteristik.
Die FP-Etalone könnten sowohl festkörper- als auch luftgetrennt sein. Ein Festkörperetalon ist unebener und kompakter, ein luftgetrenntes Etalon ist aber einstellbar und verhindert das Problem der Impulsverbreiterung aufgrund einer Gruppengeschwindigkeitsdispersion, die für Impulse auftritt, die viele Umläufe durch den Etalon durchgeführt haben. Für eine hohe Genauigkeit ist es erforderlich, die Temperatur des Etalons zu steuern. Die partielle Änderung der Gruppenverzögerung durch ein Stück Quarzglas beträgt beispielsweise ungefähr Δl/l ~ 10^–6/°C. Ist somit eine Genauigkeit von 1 Mikrometer (6 fs) über einen Gesamtbereich von 1 m (6 ns) erforderlich, sollte die Etalontemperatur innerhalb 1 °C konstant sein.
Luftgetrennte Etalone weisen den Vorteil auf, dass sie unter Verwendung von thermisch kompensierten Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Somit kann die Temperaturempfindlichkeit gegenüber der eines Festkörperetalons verringert werden, und eine Temperatursteuerung wäre für normalen Raumtemperaturbetrieb nicht erforderlich.
Ein weitere mögliche Anwendung wäre das Verwenden einer Reihe fotorefraktiv gewachsener Glasfasergitter 310, wie in 8(A) dargestellt ist, die auf einer optische Glasfaser 300 gewachsen wurden. Die Gitter können so eingerichtet werden, dass die hervortretende Impulssequenz entweder gleichmäßig oder ungleichmäßig ist. In diesem Fall ist die Beabstandung gleichmäßig, aber die Amplituden ungleichmäßig, um einen "Linienmaßstab" zu erzeugen, wobei alle 5 oder 10 Impulse größere Impulse auftreten, wie in der Figur dargestellt ist. Selbstverständlich führt die Möglichkeit des Wachsens von Fasergittern an jeder gewünschten Stelle in der Glasfaser zu einer hohen Flexibilität, und es könnte von Vorteil sein, diese in gleichmäßigen Abständen anzubringen, um Zeitgabemehrdeutigkeiten zu verhindern.
Ist es darüber hinaus wünschenswert, dass die Impulse beachtliche Glasfaserlängen durchschreiten (d.h. > 0,5 m), so werden sich die Impulse aufgrund der Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD, „Group Velocity Dispersion") in der Glasfaser verbreitern. Dann könnte eine Reihe gechirpter Gitter in solcher Weise gezüchtet werden, dass die GVD der durchtretenen Glasfaser wirksam kompensiert wird. Tatsächlich sind gechirpte Gitter für eine hohe Zeitauflösung erforderlich, da normale ungechirpte Gitter Reflektionsbandbreiten von lediglich 2 nm aufweisen, wodurch sie für Subpikosekunden-Impulse ungeeignet sind. Bei einer Mittenwellenlänge von 800 nm, weist ein 100-fs-Impuls eine Halbwertsbreite (FWHM) von 8 nm auf und bei einer Wellenlänge von 1500 nm eine Bandbreite von ungefähr 30 nm. Lediglich gechirpte Gitter weisen für solche Impulse ausreichend breite Bandbreiten auf. Es ist bekannt, dass das Reflektieren von Femtosekundenimpulsen an gechirpten Gittern dazu führt, dass die Impulse selbst verbreitert und gechirpt werden. In diesem Fall ist es erforderlich, die Impulse nacheinander an zwei gechirpten Gittern mit umgekehrter Chirpweise zu reflektieren, wie es in 8(B) schematisch dargestellt ist. Hierbei wird die Impulsverbreiterung durch Verwenden eines Kompensierverfahrens verhindert, bei dem der Impuls zuerst an einer gechirpten Gittersequenz CFGS 320 und danach an einem fast identischen gechirpten Gitter CFG 330, das in umgekehrter Weise gechirpt ist, reflektiert wird. Die Reihenfolge kann umgekehrt sein (d.h. zuerst an dem CFG und dann an dem CFGS reflektiert), was zu denselben Ergebnissen führt. Eine wirksame Aufteilung und Reflexion kann durch polarisierende Strahlteiler PBS 340 und durch Viertelwellenlängenplatten QWP 350 bereitgestellt werden. Dieses Verfahren wurde erfolgreich bei gechirpter Impulsverstärkung in Glasfasern angewendet durch A. Galvanauskas, M.E. Fermann, D. Harter, K. Sugden und I. Bennion, "All-fiber femtosecond pulse amplification circuit using chirped Bragg gratings." Appl Phys. Lett., 66, Seite 1053-5, 27. Feb. 1995. Die Aufgabe dieses Aspekts der Erfindung weicht jedoch von der Galvanauskas u.a. ab. Bei deren Arbeit wurde ein Gitterpaar zur Streckung der optischen Impulse auf eine sehr lange Dauer (> 300 ps) zur gechirpten Impulsverstärkung verwendet, um die Impulse dann wieder zu komprimieren. Bei der vorliegenden Erfindung werden gechirpte Gitter verwendet, weil ungechirpte Gitter eine nicht ausreichende Bandbreite (~ 1 nm) aufweisen, um dadurch kurze Impulse zu ermöglichen und da ein gewisses Erfordernis zur Kompensierung der GVD in der Glasfaser für beachtliche Glasfaserlängen durchtretende Impulse vorhanden ist. Hier ist eine Impulsstreckung nicht wünschenswert, da die Aufgabe dieses Aspekts der Erfindung in der Erzeugung einer Sequenz kurzer Impulse liegt.
Es können auch zwei Glasfasergitter zur Erzeugung eines Glasfaser-FP-Etalons verwendet werden, die entweder bei der Übertragung oder bei der Reflexion verwendet werden können. Alternativ könnte auch eine passive optische Glasfaserschleife verwendet werden. Andere Strukturen, die Reflexionen erzeugen können, sind schlechte Spleißstellen zwischen optischen Glasfasern und Mikrokrümmungen in einer Faser. In diesen Fällen wäre eine Temperatursteuerung der Glasfaser erforderlich oder Veränderungen der Zeitgabekalibrierung könnten vorab bekannt sein und mathematisch kompensiert werden.
Impulssequenzen können auch durch eine Reihe von teilweise reflektierenden Spiegeln erzeugt werden, wobei der Reflexionsgrad und Abstand eines jeden Spiegels sorgfältig gewählt wird, um die gewünschte Impulssequenz zu erhalten, sofern es physikalisch möglich ist. Zur Berechnung der erforderlichen Spiegelparameter wurden Algorithmen zur Erzeugung der gewünschten Impulssequenzen aus einem Einzelimpuls entwickelt (V. Narayan u.a. "Disign of multimirror structures for high-frequency bursts and codes of ultrashort pulses," IEEE J. Quantum Electron. QE-30, Seiten 1671-1680, Juli 1994). Es gibt zahlreiche andere Arten aus Teilreflektoren aufgebauter optischer Geräte, die ebenso zur Erzeugung von Impulszügen aus einem Einzelimpuls verwendet werden können.
Beliebige programmierbare Impulssequenzen können durch Passieren eines Laserimpulses durch eine impulsformende, dispersive Verzögerungsleitung (DDL) erzeugt werden. Dies führt zu einer wesentlich höheren Flexibilität im Vergleich zu den vorgenannten Verfahren, ist jedoch hinsichtlich des maximal erzielbaren Impulsabstands beschränkt. Praktische Grenzwerte liegen bei ungefähr 100-200 ps. Jeglicher größerer Impulsabstand erfordert eine physikalisch größere Einrichtung, was zu einem verbotenen Zustand führen kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das am geeignetsten für Laser mit geringen Wiederholraten (≤ 30 MHz) bei Wellenlängen in der Nähe von 1550 nm ist, wäre das Einführen einer Impulssequenz in einen regenerativen Solitonenspeicherring bestehend aus einer Glasfaserschleife mit einem Verstärkungsteil (z.B. Erdotierte Glasfaser). Die in den Ring eingefügte Impulssequenz kann auf jede Art einschließlich der vorgenannten Verfahren (d.h. Fabry-Perot-Etalon, Glasfasergitter, Impulsformer usw.) erhalten werden. Da die Schleife regenerativ ist, ist es erforderlich, sie bei jedem Laserimpuls zu entleeren und wieder zu injizieren. Dies würde bei einem 5-MHz-Laser alle 200 ns auftreten. Das Entleeren und Injizieren kann durch eine Art optischen Schalter, entweder AO oder EO, erzielt werden, die im Handel erhältlich sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel wäre das Injizieren kurzer Impulse eines Lasers in eine bei oder in der Nähe der Schwelle vorgespannte Laserdiode. Die Laserdiodenfacetten weisen einen Reflexionsgrad von 30 auf, was zu einem gering empfindlichen FP-Etalon führt. Das "Abklingen" der optischen Impulse würde jedoch durch die Verstärkung der Laserdiode verzögert oder verhindert. Auf diese Weise wäre es möglich, einen Zug mit mehreren zehn Impulsen zu erhalten. Gegebenenfalls würde die Gruppengeschwindigkeitsdispersion und Verstärkungseinengung in der Diode zu einer Verbreiterung von viele Umläufe durch den Aufbau durchführenden Impulsen führen, und somit die Zahl tatsächlich verwendbarer Impulse begrenzen. Dieses Gerät sollte entweder zur Reflexion oder Transmission verwendet werden.
Eine extrem feine (Submikrometer-) Kalibrierung kann durch Einfügen eines doppelbrechenden Kristalls (z.B. Quarz) in einen Strahl des Meßsystems und Vergleich der Impulsankunftszeiten, wenn die Impulse sich entlang der ordentlichen und außerordentlichen Achsen des Kristalls ausbreitet, erzielt werden. Typische Plattendicken von 1 mm führen zu einer Verzögerung von wenigen Wellenlängen, die zu einer leicht feststellbaren Differenz der Impulsankunftszeiten führt, falls Impulse von 100 fs Dauer oder weniger verwendet werden.
Kreuzkorrelatoroptik
Die nach den vorstehend beschriebenen Verfahren erzeugte Sequenz von Impulssignalen wird mit den anderen Laserimpulsen unter Verwendung einer Art nichtlinearem Element kreuzkorreliert. Es können verschiedene nichtlineare Vorgänge zur Erfassung einer Impulskoinzidenz oder relativen Impulszeitgabe verwendet werden. Einige optische Nichtlinearitäten, die verwendet werden können, enthalten, ohne darauf beschränkt zu sein: optische Mischung durch Erzeugung einer zweiten Harmonischen (SHG), Summenfrequenzerzeugung, Verstärkungssättigung, Absorptionssättigung, Vierwellenmischung (FWM) und nichtlineare Fotostromanwort. Eine gängige Wahl für das nichtlineare Element stellt ein SHG-Kristall dar. Die Verwendung eines SHG-Kristalls weist jedoch den Nachteil auf, dass lediglich ein Signal bereitgestellt wird, wenn sich eine Überlappung zwischen den Laserimpulsen ergibt. Somit kann es lediglich als ein Koinzidenzdetektor dienen. Dies erfordert die Verwendung der verschiedenen Impulszuggeneratoren, Impulsformer, Etalone, usw., wie vorstehend erläutert. In einigen Situationen ist die durch Verwendung des SHG-Kristalls erhaltene extrem hohe Genauigkeit nicht erforderlich. In einigen Fällen kann es wünschenswerter sein, ein Element mit nichtaugenblicklicher Antwort zu verwenden, und somit Informationen über eine Zeitverzögerung anhand einer Amplitudeninformation bereitstellen zu können. Es gibt eine Reihe von Geräten oder Materialien, die geeignet sein könnten, wie beispielsweise Wanderwellen-Laserdiodenverstärker (TWAs); sättigbare Absorber; Fotodetektoren, die auf Sättigungseffekten beruhen, wie beispielsweise PIN-Dioden und Lawinenfotodioden (APDs); oder eventuell sogar SEED-Geräte. Beispielsweise wurden TWAs zur optischen Taktwiedergewinnung bei der optischen Kommunikation verwendet. Sie weisen den Vorteil auf, dass sie bei einem Betrieb weit innerhalb der Sättigung relativ immun gegen Amplitudenschwankungen werden. Hierbei wird die Genauigkeit und der Bereich durch die Erholzeit des Geräts bestimmt werden. TWA-Geräte sind für ihre Phasenmeßgenauigkeit von ungefähr 10^–3 rad bekannt. In solchen optoelektronischen Geräten ist die Nichtlinearität der optischen Absorption nicht das einzige Verfahren zur Bereitstellung von Zeitgabeinformationen. Impulszeitgabeinformationen können auch erhalten werden durch überwachen elektrischer Eigenschaften wie beispielsweise Fotostrom, Spannung, Kapazität, usw. des Geräts, wenn Impulse sich durch dieses ausbreiten. Dies würde eine beachtliche Vereinfachung gegenüber der Erfassung der Änderungen der optischen Eigenschaften darstellen.
Obwohl eine Verwendung solcher Zeitgabekalibrierungsverfahren in Verbindung mit dem Schnellabtastlaserverfahren beabsichtigt ist, wird deren Einsetzbarkeit nicht nur bei den hier beschriebenen Laserabtastsystemen erwartet, sondern auch bei Freiabtastlasern, modenverriegelten Lasern mit Doppelwellenlänge und selbst bei den bekannteren Abtastsystemen mit physikalischen Verzögerungen. Ein Beispiel dafür stellen die in 7 gezeigten Kalibrierungsdaten dar, die für ein Abtastsystem erhalten wurden, das aus einem auf eine Schwingspule (Lautsprecher) montierten Rückreflektor bestand. Da eine sinusförmige Spannung an den Lautsprecher angelegt wurde, wurde die Zeitverzögerung in mehr oder weniger sinusförmiger Weise abgetastet. Die in 7(C) dargestellte Abtastcharakteristik kann zur Korrektur des Zeitmaßstabs beliebiger während des Abtastvorgangs erfasster Daten verwendet werden. Wird der Aktivierer mit höheren Amplituden betrieben, in der Nähe seiner physikalischen Grenzen, so weicht die Abtastcharakteristik beträchtlich von einer Sinusform ab. Dies kann ebenso korrigiert werden. Andere Geräte wie beispielsweise drehende Glasblöcke und Drehspiegel weisen ebenfalls nichtlineare Abtastcharakteristiken auf, die durch die hier beschriebenen, erfindungsgemäßen Zeitgabeverfahren korrigiert werden können.
Laserstabilisierung
Da sich jeder Resonatorlängenfehler bei jedem Umlauf des Laserresonators fortlaufend aufaddiert, führen sehr geringe Resonatorlängenschwankungen zu großen Zeitgabefehlern. Somit ist es erforderlich, einen Regelkreis zu verwenden, um die zeitgemittelte Wiederholrate auf ν₁ festzuhalten; oder in äquivalenter Weise muss die zeitgemittelte Resonatorlängenverstimmung ΔL auf Null gehalten werden. Das zur Steuerung der mittleren Resonatorverstimmung verwendbare Rückkoppelsignal wird von einem paar Fotodetektoren PD-1 und PD-2 gemäß 9 abgeleitet, die in eine übliche Phasenregelschleifen-(PLL)-Schaltung einspeisen. Wie bereits erläutert, wurde die Genauigkeit eines solchen PLL-Stabilisiersystems gemessen und die Fähigkeit festgestellt, zwei Glasfaserlaser innerhalb 5 ps RMS mit maximalen Zeitgabeabweichungen von bis zu 20 ps zu synchronisieren. Die angegebene Stabilisiergenauigkeit entspricht dem aktuellen Stand der Technik und stellt in keiner Weise einen abschließend erreichbaren Grenzwert dar. Es sollte möglich sein, die Genauigkeit in beachtlicher Weise auf unter 1 ps zu vergrößern. Es wird jedoch nicht erwartet, dass sich die Stabilisierungsgenauigkeit jemals der gewünschten Zeitauflösung, die in einigen Fällen 1 fs oder sogar weniger betragen könnte, annähern wird. Aus diesem Grund werden die hier beschriebenen Zeitkalibrierungsverfahren weiterhin erforderlich sein.
9 zeigt ein detailliertes Diagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels des Laserstabilisierungs- und -zittersystems mit dem Stabilisierer 130. Der Stabilisierer 130 enthält Zeitgabediskriminatoren TD 131 und 132, einen Phasendetektor 133, einen Filter 134, eine Gleichspannungsquelle 135, und einen Verstärker 136, einen Frequenzgenerator 140 und einen Addierer 137. Impulsverstärker (PA, „pulse amplifier") 430 und 440 empfangen die von dem PD-1 bzw. PD-2 ausgegebenen elektrischen Impulse. Die Impulsverstärker 430 und 440 verstärken die empfangenen elektrischen Impulse und geben sie an die Zeitgabediskriminatoren 131 bzw. 132 aus. Die Zeitgabediskriminatoren 131 und 132 unterziehen die Signale einer Bedingung, bevor sie dem Phasendetektor 133 eingegeben werden. Die hier verwendetet PZT-Steuerung ist eine handelsübliche PZT-Steuereinheit. Es handelt sich dabei um einen Hochspannungsverstärker, der ein Eingangssignal im Bereich von 1-10 Volt aufnimmt und einen proportionalen Ausgang im Bereich von 0-150 Volt erzeugt. Obwohl die PZT-Steuereinheit als getrennte Einheit dargestellt ist, kann sie in den Stabilisierer 130 integriert sein, was bevorzugterweise der Fall ist.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Stabilisierers 130 kann der Phasendetektor 133 für die PLL ein Standard-HF-Phasendetektor sein, oder ein Mischer, oder ein logisches Gatter wie beispielsweise ein XOR-Gatter, das eine erhöhte Linearität aufweist. Die Linearität ist sehr wichtig, falls es gewünscht ist, einen Abtastvorgang eines jeden Unterintervalls der Umlaufzeit durchzuführen. Als Alternative kann ein Zeit-Amplitude-Umsetzer (TAC) als Phasendetektor verwendet werden. Dieser ist ebenfalls sehr linear und wäre insbesondere bei geringen Wiederholraten wie beispielsweise 5 MHz geeignet. Eine Einschränkung der hoch genauen Phasenstabilität stellt die AM/FM-Umsetzung dar, die in einem einfachen HF-Mischer auftreten kann. Das bedeutet, dass Laseramplitudenschwankungen durch den Mischer in Zeitgabeschwankungen umgewandelt werden. Es ist somit wünschenswert, eine Signalaufbereitung der durch die Fotodioden PD-1 und PD-2 erzeugten elektrischen Impulse durchzuführen. Dies kann am einfachsten durch Verwenden von Zeitgabediskriminatoren 131 und 132 vor dem Phasendetektor 133 erzielt werden, wie in 9 dargestellt ist. Dieser Effekt kann aber auch dadurch minimiert werden, dass das Amplitudenrauschen des Lasers verringert wird. Es ist bekannt, dass während dem phasenstarren Betrieb unter bestimmten Bedingungen und für bestimmte Ausgangsanschlüsse des Lasers ein optischer Begrenzungsvorgang eintritt. Dies verringert in starkem Ausmaß die Zeitgabeschwankungen, wenn der Stabilisierer aktiviert ist.
Zudem ist es wichtig, dass die Abtastfrequenz größer als die Bandbreite des Stabilisierersystems ist. Auf diese Weise würde die PLL die mittlere Zeitposition genau beibehalten, würde aber der angelegten Spiegelabtastung nicht entgegenwirken. Die vorstehend beschriebenen Doppelphasenlaser wurden unter Verwendung einer PLL-Schaltung mit einer Bandbreite von lediglich 30 Hz stabilisiert. Diese relativ geringe Bandbreite ist vorteilhaft zur Ermöglichung von Abtastraten im Bereich zwischen 30 Hz bis hinauf zu einigen kHz. Um jedoch die Verwendung einer 30-Hz-Stabilisiererbandbreite zu ermöglichen und weiterhin eine Synchronisation mit einer Genauigkeit von < 10 ps beizubehalten, muss die relative Eigenzeitgabeschwankung des Laserpaars sehr gering sein. Dies wird durch Verwendung der vorstehend beschriebenen Konstruktionsverfahren erreicht, durch die sichergestellt wird, dass die beiden Laser bis zum größtmöglichen Ausmaß denselben Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
Es ist auch möglich, das zur Stabilisierung erforderliche Rückkoppelsignal durch einen einfachen Korrelator bereitzustellen. Während des Abtastvorgangs des Lasers könnte die durch den Korrelator gemessene Spitzenposition als ein zu dem Stabilisierer 130 zurückzukoppelndes Fehlersignal verwendet werden. Es ist zu beachten, dass das einfache stationäre Kreuzkorrelationsverfahren gemäß Dijaili u.a. hier nicht funktionsfähig ist, da in der vorliegenden Erfindung die Laser fortlaufend abtasten.
Das erfindungsgemäße schnell abtastende System weist gegenüber bekannten physikalischen Verzögerungsabtastungen und Freiabtastlasern viele Vorteile auf. Insbesondere tritt im Gegensatz zu bekannten physikalischen Verzögerungsabtastungen mit bewegten Armen bei der vorliegenden Erfindung keine Fehlausrichtung oder Defokussierung des Laserstrahls auf, selbst wenn hohe Verzögerungen von einigen ns abgetastet werden. Bei physikalischen Verzögerungen muss eine sehr sorgfältige Ausrichtung durchgeführt werden und der Konfokalparameter muss > 1 m sein, selbst für eine Verzögerungsleitung von 1 ns. Weiterhin ermöglicht die vorliegende Erfindung eine hohe Abtastgeschwindigkeit, und sogar Überschallabtastgeschwindigkeiten. Mit einer physikalischen Verzögerung ist jedoch ein Abtasten von sogar 1 ns bei 100 Hz (100 Fuß/s) nicht praktikabel. Obwohl mit der vorliegenden Erfindung große (einstellbare) Abtastbereiche möglich sind, z.B. (von ungefähr 50 ps bis zu 200 ns für einen 5-MHz-Glasfaserlaser). In einem gewöhnlichen Abtastsystem wären zum Erzielen eines solchen Abtastbereichs 200 Fuß Verzögerungsleitung erforderlich. Ebenso ist die Verwendung eines Lasers mit hoher Wiederholrate für einen besseren Lastzyklus, wie in bekannten Freiabtastsystemen, nicht erforderlich. Weiterhin ist ein großer Zeitdynamikbereich möglich, was zum Abtasten abgesetzter Ziele oder OTDR geeignet wäre. Beispielsweise ergibt sich bei einem Gesamtabtastbereich von T_R = 200 ns mit einer Zeitauflösung von weniger als 1 fs ein Zeitdynamikbereich von mehr als 10⁸. Ebenso wird im Gegensatz zu dem bekannten Freiabtastsystem ein verbesserter Lastzyklus mit stark verringerter Totzeit erzielt. Darüber hinaus wird mit der vorliegenden Erfindung nunmehr ein extrem einfacher und kompakter Kreuzkorrelatoraufbau ohne bewegte Teile ermöglicht. Beispielsweise könnte der Korrelator die Abmessungen eines Game-Boys aufweisen. Darüber hinaus werden experimentelle Einrichtarbeiten stark vereinfacht, da gemäß der vorliegenden Erfindung Weglängen nicht miteinander in Übereinstimmung gebracht werden müssen.
Die vorstehend erläuterten Schnellabtast- und Zeitkalibrierungsverfahren können zur Durchführung vieler Arten von Messungen und Experimenten verwendet werden. Einige der Anwendungen, in denen die erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden können, werden nachstehend erläutert. Der Fachmann wird jedoch schnell erkennen, dass die vorliegende Erfindung auch für andere Anwendungen einsetzbar ist und nicht auf die nachstehend beschriebenen Anwendungen beschränkt ist.
10 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines allgemeinen Meßsystems, in dem das erfindungsgemäße Schnellabtastlasersystem und das erfindungsgemäße Zeitkalibrierungsverfahren unter Verwendung eines FP-Etalons eingesetzt wird. Impulse eines Lasers 510 (der Laser 510 kann entweder der Haupt- oder der Nebenlaser sein, es ist unbedeutend welcher) treffen auf ein FP-Etalon. Der durch den FP-Etalon hindurchgetretene Impulszug wird zu einer Zeitgabeeinheit 540 gesendet, in der er mit einem Impuls eines Lasers 520 kreuzkorreliert wird, um einen Datenstrom zu erzeugen, der einen kalibrierten Zeitmaßstab bereitstellt. Der an dem Etalon reflektierte Impulszug wird gemeinsam mit einem Impuls des Lasers 520 zu einer (nicht gezeigten) Messeinheit gesendet. Der Datenstrom der Messeinheit wird in den "Y-Kanal" des Datenerfassungssystems (DAQ) 550 eingegeben, während der Datenstrom der Zeitgabeeinheit zu dem "X-Kanal" des DAQ 550 gesendet wird. Diese Informationen können auf zwei verschiedene Weisen verwendet werden.
1. "On-the-fly"-(OTF)-Zeitmaßstabskorrektur
Bei diesem Verfahren bilden die Zeitgabeimpulse einen Zeitmaßstab. Wird beispielsweise eine sinusförmige Abtastung verwendet, so erscheint selbst eine gleichmäßige Impulssequenz zeitlich ungleichmäßig. Schnelle Prozessoren können eine solche Zeitmaßstabsinformation bei jedem Abtastvorgang verwenden, um die Abtastdaten vor der Signalmittelung mit dem richtigen Zeitmaßstab in geeigneter Weise einzustellen (z.B. durch Verwenden einer Interpolation).
Mit anderen Worten wird jeder Abtastpunkt durch den schnellen Prozessor basierend auf dem mittels der Zeitgabeimpulse gebildeten Zeitmaßstab korrigiert. 7(C) zeigt beispielsweise die Abtastcharakteristik für jeden Spitzenwert des in 7(B) gezeigten Abtastvorgangs, und 7(D) zeigt die Linearabweichung dieser Punkte. Diese Zeitmaßstabsinformation kann zur Korrektur der Abweichungen verwendet werden, mit dem Ergebnis, dass jeder Spitzenwert "nebenbei" ("on-the-fly") kalibriert wird.
2. Abtastzurückweisung (kluge Triggerung)
Bei diesem Verfahren wird ein "Abtastwähler" verwendet, der eine Anzahl von Zeitgabeimpulsen (zumindest zwei) sucht, die innerhalb eines bestimmten, wohl definierten Zeitschlitzes relativ zu dem Triggerimpuls auftreten. Der Wähler führt dann eine GEHT/GEHT-NICHT-Entscheidung darüber durch, ob die Abtastdaten in dem Signalmittler aufaddiert werden. Fallen die Zeitgabeimpulse des Korrelators in die Zeitschlitze, so wird der Abtastvorgang in dem vorhandenen Datenpuffer aufsummiert; "verfehlt" einer der Zeitgabeimpulse seinen Zeitschlitz, so wird der Abtastvorgang zurückgewiesen. Nachdem die Signalmittelung beendet ist, kann jede Nichtlinearität des Zeitmaßstabs korrekt kompensiert werden.
Das Verfahren der klugen Triggerung ist das am einfachsten einsetzbare; es wären jedoch viele Abtastvorgänge umsonst. Die On-the-fly-Maßstabskorrektur ist anspruchsvoller und zeiteffizienter hinsichtlich überflüssiger Abtastvorgänge, ist aber computerintensiver. Dementsprechend wird das anzuwendende Verfahren wahrscheinlich durch die Anwendungszwänge bestimmt.
Metrologiesystem
11(A) und (B) zeigen als Beispiel einer spezifischeren Anwendung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Metrologiesystems, in dem das erfindungsgemäßes schnelle Laserabtastverfahren anstelle des bekannten Bewegtspiegelverfahrens eingesetzt wird.
11(A) zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Metrologiesystems. Hierbei trifft der Strahl eines Nebenlasers 620 auf den FP-Etalon, der eine Sequenz von Impulsen erzeugt, die in eine Zeitgabeeinheit 641 eingegeben werden. Der Strahl eines Hauptlasers 610 wird durch einen gewöhnlichen Strahlteiler BS 660 aufgeteilt. Ein Teil des geteilten Strahls des Nebenlasers 620 wird in die Zeitgabeeinheit 641 eingegeben. Der andere Teil des Strahls wird auf die zu überprüfende Oberfläche gerichtet, die den Strahl reflektiert. Der reflektierte Strahl wird einem Korrelator 640 eingegeben. Ebenso wird der von dem FP-Etalon reflektierte Impuls in den Korrelator 640 eingegeben. Somit wird der Korrelator 640 für das zu messende Objekt (Experiment) und die Zeitgabeeinheit 641 für die Zeitmaßstabskalibrierung verwendet. Der von dem Korrelator 640 ausgegebene, dem Objekt entsprechende Datenstrom wird in den Y-Kanal eines DAQ 650 eingegeben, und der von der ebenfalls einen Korrelator enthaltenden Zeitgabeeinheit 641 ausgegebene Datenstrom verläuft zu dem X-Kanal des DAQ 650. Die in den X-Kanal eingegebenen Zeitgabeeinheitsdaten ergeben einen Zeitmaßstab, und die von dem Korrelator 640 ausgegebenen und in den Y-Kanal eingegebenen Daten Objekt/Oberflächen-Distanzinformationen.
11(B) zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Metrologiesystems mit den erfindungsgemäßen Verfahren. Hier wird das Zeitgabeelement (FP-Etalon) in einen Strahlenweg zu dem Objekt eingefügt. Der an dem FP-Etalon reflektierte Strahl beleuchtet das zu messende Objekt. Das an der Objektoberfläche gestreute Licht wird durch eine Linse L1 gesammelt und danach wieder (über einen Strahlteiler BS 670) mit dem durch den FP hindurchgetretenen, kalibrierten Impulszug vereinigt. Die resultierende Kreuzkorrelation zwischen einem Anführungsimpuls des Nebenlasers 620 und dieser Impulsserie von dem Ziel und dem Etalon ergibt die dem Mehrfach-Impulszeitgabemaßstab des Etalons überlagerte Objektentfernungsinformation (ein Einzelimpuls). Das Ergebnis ist ein einzelner Datenstrom, der sowohl die Objektentfernungsinformation als auch die Zeitmaßstabskalibrierung enthält. Der Abstand zu dem Punkt auf der Objektoberfläche wird dann durch Messung der relativen Zeitverzögerung zwischen dem Objektimpuls und den Zeitgabeimpulsen in dem Datenstrom hergeleitet. Dieser Vergleich zwischen dem Zeitpunkt des Objektimpulses und der Etalonimpulse stellt eine Variation eines differentiellen Metrologieverfahrens unter Verwendung ultrakurzer Impulse dar.
In den 11(A) und (B) sind die FP-Etalone in einem spitzen Winkel bezüglich dem Eingangsstrahl ausgerichtet. Dieser Einfallswinkel ist aus Klarheitsgründen übertrieben dargestellt. Der Fachmann erkennt, dass eine Neigung des FP-Etalon außerhalb des senkrechten Einfalls zu vergrößerten Lateralversätzen einer jeden nachfolgenden Reflexion an dem Etalon führt, wie in 6 dargestellt ist. Daher ist es wünschenswert den Etalon mit einem Einfallswinkel zu betreiben, der den kleinstmöglichen praktikablen Wert darstellt. Er würde mit senkrechtem Einfall betrieben werden, wenn ein Polarisierer und Faraday-Rotator vorgeschaltet wäre. Dieser räumliche Versatz führt nicht zu einer Verschlechterung der Korrelatorfunktion, solange nicht die Linse oder eine andere Öffnung in dem Korrelator überfüllt wird.
Alternativ dazu, kann dieser Lateralversatzeffekt in gewissem Maße vorteilhaft dazu verwendet werden, die Form der Impulszugeinhüllenden dahingehend zu modifizieren, dass sie von einem exponentiellen Abfall abweicht. Dies kann durch Verbreiterung der Strahlen, oder durch die Winkelselektivität der Phasenübereinstimmungsbedingung des nichtlinearen Mischkristalls in dem Korrelator auftreten.
OTDR-System
12 zeigt ein schematisches Diagramm eines optischen Zeit-Bezirk-Reflexmessungs-(OTDR)-Systems, in dem das erfindungsgemäße Schnellabtastlaser- und Zeitgabesystem eingesetzt werden. Das Abtastlasersystem besteht bevorzugterweise aus Lasern mit geringer Wiederholrate (ν ~ 5-10 MHz), so dass der verwendbare nicht-mehrdeutige Bereich groß ist. Ein kurzer Impuls von einem Hauptlaser 710 wird durch einen Strahlteiler BS 760 in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der aufgeteilten Strahlen wird zu einer Zeitgabeeinheit 741 und der andere zu einer Glasfaser oder einem zu testenden Wellenleiterelement (DUT) 790 gesendet. An Oberflächen, Spleißstellen, Defekten usw. in dem DUT 790 reflektierte Impulse werden zu einem Korrelator 740 zur Präzisions-Zeitgabe/Distanzmessung mit Genauigkeiten von ~ 10 fs/ ~ 3 Mikrometer gesendet. Dies wird entsprechend dem nachfolgenden Verfahren erreicht. Einzelimpulse des Nebenlasers 720 werden in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der Strahlen wird zu dem Korrelator 740 gesendet, um als ein Torimpuls für das Signal der Glasfaser verwendet zu werden. Der andere wird zu einem Impulsformer 780 gesendet, der Impulssequenzen, die darauffolgend durch eine ihrerseits einen weiteren Korrelator bildende Zeitgabeeinheit 741 verwendet werden, um einen kalibrierten Zeitmaßstab für die Datenerfassungs-(DAQ)-Einheit 750 bereitzustellen. Für ein System mit geringer Wiederholrate, wie beispielsweise 5 MHz (T_R = 200 ns), muss der Impulsformer 780 Impulssequenzen erzeugen, die das gesamte 200 ns-Zeitgabeintervall mehr oder weniger auffüllen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel würden in dem Impulsformer gechirpte Glasfaser-Bragg-Gitter gemäß 8(B) verwendet werden.
Weitere Konfigurationen des Lasers, der Zeitgabeeinheiten und der Korrelatoren sind denkbar. Beispielsweise könnten die Rollen des Haupt- und Nebenlaser 710 und 720 vertauscht werden. Der Impulsformer könnte auch aus einem Glasfaser-FP-Etalon oder einer Glasfaserschleife (entweder passiv oder mit Verstärkung) aufgebaut sein.
EO-Abtastoszilloskop
13 zeigt ein schematisches Diagramm eines jitterfreien, elektrooptischen Abtastoszilloskops, in dem das erfindungsgemäße Schnellabtastlaser- und -zeitgabesystem eingesetzt werden. In diesem Ausführungsbeispiel werden das wohlbekannte, kontaktfreie EO-Abtastverfahren mit dem hier beschriebenen Schnellabtastverfahren kombiniert, wodurch eine viel höhere Flexibilität bei der Zeitmaßstabseinstellung ermöglicht wird.
Impulse eines Hauptlasers 810 werden in zwei Strahlen aufgeteilt. Ein Strahl wird zu einer Zeitgabeeinheit 841 gesendet; der andere Impuls wird ausgesendet, um elektrische Impulse auf dem zu testenden Element (DUT), das in diesem Fall auf einem integrierten Schaltkreis (IC) 890 angebracht ist, über fotoelektrische (PC) Schalter 891 zu erzeugen. Impulse des Nebenlaser 820 werden auch in zwei Strahlen aufgeteilt. Ein Strahl wird zu einer elektrooptischen (EO) Abtastspitze 892 gesendet und der andere zu dem Impulsformer 880, der eine Impulssequenz erzeugt, die wiederum zur Zeitmaßstabskalibrierung zu der Zeitgabeeinheit 841 gesendet wird. Die von der EO-Abtastspitze 892 zurückkehrenden Impulse werden durch die Wechselwirkung zwischen der Spannung des DUT und der EO-Abtastspitze 892 moduliert. Diese Impulse werden durch Polarisieroptiken 893 erfasst und zu einem Y-Kanal eines DAQ 850 gesendet.
Dementsprechend wird eine Präzisionszeitgabekalibrierung in gleicher Weise wie für die OTDR gemäß 12 erzielt.
Die Zeitgabeverzögerung, Abtastintervall und Abtastfrequenz werden durch einen Stabilisierer 830 auf die gewünschten Werte eingestellt. Ist es beispielsweise wünschenswert, die Abtastfrequenz um einen Faktor 2 zu erhöhen, nicht aber den Abtastbereich, so ist es erforderlich, die Modulationsfrequenz des PZT in dem Nebenlaser 820 zu verdoppeln und die PZT-Abtastspannung um einen entsprechenden Grad zu erhöhen. Andererseits muss lediglich die PZT-Abtastspannung erhöht werden, um den Abtastbereich ohne Veränderung der Abtastfrequenz zu vergrößern. Die relative Verzögerung des Zeitwobbelbereichs wird durch die Phasensteuerung des Stabilisierers 830 eingestellt. Diese Flexibilität der Zeitmaßstabseinstellung gleicht der durch die Verzögerungszeitbasis eines üblichen Oszilloskops gewährleisteten.
Ebenso könnte man zu diesem Zweck einen fotoleitenden Abtastvorgang verwenden. Dieser weist eine viel höhere Empfindlichkeit auf, die Zeitauflösung ist jedoch auf ungefähr 2 ps beschränkt.
Die am weitesten verbreiteten Anwendungen kurzer Laserimpulse und Abtastverzögerungen fanden bei Pumpsensormessungen in physikalischen, chemischen und elektronischen Systemen statt. Der Anwendungsbereich dieser Technologie steigt jedoch rapide und ihre Einführung in kommerzielle Produkte jenseits des wissenschaftlichen Markts steht bevor. Die hier beschriebenen Schnellabtast- und Zeitkalibrierungsverfahren können in fast allen Anwendungen eingesetzt werden, in denen ultraschnelle Laserimpulse verwendet werden, da in nahezu all diesen Anwendungen eine Art einstellbare Laserverzögerung zwischen Laserimpulsen erforderlich ist. Zu diesen Anwendungen gehören nicht abschließend das elektrooptische Testen von ultraschnellen elektronischen und optoelektronischen Geräteeigenschaften der Ladedynamik in Halbleitermaterialien und -geräten, gesamtoptische, signalverarbeitende, fotoleitende Abtastung und verschiedene andere Formen zeitauflösender Nanometersensorik. Darüber hinaus gibt es eine Anzahl neuer Anwendungen, die für Terahertz-Strahlen entwickelt wurden, für die diese Abtastverfahren angewendet werden könnten, inklusive Terahertz-Bilderzeugung wie die durch B.B. Hu u.a. offenbarte „Imaging with Terahertz Waves", Optics Letter, vol. 20, Nr. 16, 15. August 1995, Seiten 1716 bis 1719. Seit kurzem sind ultraschnelle Fotodektoren im Handel erhältlich, deren Geschwindigkeit (50 GHz, 10 ps FWHM) die Messkapazität handelsüblicher Abtastoszilloskope bei weitem überschreitet, wie beispielsweise Newport Corp. Model #PX-D7, hergestellt von Pikometrix. Subpikosekundenlaser und -abtastverzögerungen sind erforderlich, um aus der Geschwindigkeit dieser Detektoren den vollen Nutzen ziehen zu können. Weiterhin ist das erfindungsgemäße Abtastverfahren aufgrund seiner ungewöhnlichen Vielseitigkeit bei der Abtastbereichswahl insbesondere geeignet für ein Laserradar mit Submillimeter-Auflösung und Profilgebung abgesetzter Ziele. Die Flexibilität der Abtastbereichseinstellungen führt dazu, dass das Schnellabtastungssystem analog zu der einstellbaren Zeitbasis eines Oszilloskops ist.
Die mit den hier beschriebenen Schnellabtastverfahren erreichbare, sehr hohe Abtastrate ermöglicht viele neue potentielle Anwendungen. Der Abtastgeschwindigkeitsparameter (vgl. Tab. 1-3) stellt eine in besonderem Maße brauchbare Gütezahl dar. Es ist zu beachten, dass die Abtastgeschwindigkeiten in den Tabellen 1-3 im Bereich von 3 m/s bis 30.000 m/s liegen. Somit sind Überschallabtastgeschwindigkeiten mit dem freien Abtast- oder dem schnellen Abtastverfahren möglich, wodurch sie besonders brauchbar für Studien von oder Anwendungen mit beispielsweise laserinduzierten akustischen und fotoelastischen Effekten in Festkörpern und Flüssigkeiten sind. Bei solchen Anwendungen ist es unpraktisch, übliche Abtastverfahren anzuwenden, da hierfür eine Bewegung des Abtastspiegels mit Schallgeschwindigkeiten in einem physikalischen Verzögerungssystem erforderlich wären, was unrealistisch ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben, und es ist nicht beabsichtigt, sie lediglich auf die vorgenannten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Weitere Abwandlungen und Variationen der Erfindung sind für den Fachmann anhand der vorstehenden Offenbarungen und Lehren offensichtlich. Es ist somit offensichtlich, dass vielseitige Abwandlungen ohne Abweichen vom Umfang der Ansprüche möglich sind, wobei nur bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung hier im einzelnen beschrieben wurden.
Die Erfindung ist auf Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung einer zeitlichen Abtastung unter Verwendung von Ultrakurzimpulsbreitenlasern gerichtet, in denen lediglich eine minimale (mikroskopische) mechanische Bewegung erforderlich ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf Verfahren zum Erhalten einer hochgenauen Zeitgabekalibrierung in der Größenordnung von Femtosekunden. Es ist ein Duallasersystem offenbart, in dem der Resonator eines oder mehrerer Laser unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements verzittert wird. Ein Fabry-Perot-Etalon wird zur Erzeugung einer Sequenz von Zeitgabeimpulsen verwendet, die in Verbindung mit einem durch den Laser mit dem verzitterten Laserresonator erzeugten Laserstrahl verwendet werden. Ein Korrelator korreliert einen Laserimpuls von einem der Laser mit der Sequenz der Zeitgabeimpulse zur Erzeugung eines kalibrierten Zeitmaßstabs. Die Verfahren und Vorrichtungen der Erfindung sind bei vielen Anwendungen anwendbar, die eine schnelle Abtastung und Zeitkalibrierung erfordern, einschließlich Metrologie, der Charakterisierung der Ladungsdynamik in Halbleitern, dem elektrooptischen Prüfen ultraschneller Elektronik und optoelektronischer Geräte, einer optischen Reflektometrie im Zeitbereich, und elektrooptischer Abtastoszilloskope, ohne aber auf diese beschränkt zu sein.

Claims

Verfahren zum Steuern eines zeitlichen Unterschieds zwischen ersten bzw. zweiten Laserimpulsen, die von einer ersten bzw. zweiten Kurzimpulslaserquelle (110, 120) ausgegeben werden, mit den Schritten: (a) Erfassen eines zeitlichen Unterschieds bei Ankunft der ersten und zweiten Laserimpulse, (b) Erzeugen eines Steuersignals basierend auf dem in Schritt (a) erfassten zeitlichen Unterschied, und (c) Variieren der Wiederholungsrate der ersten und/oder zweiten Laserquelle basierend auf dem Steuersignal, um dadurch den zeitlichen Unterschied zwischen den ersten bzw. zweiten Laserimpulsen zu variieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Steuern ferner enthält: schnelles Abtasten eines ersten Kurzimpulses, der von der ersten Laserquelle ausgegeben wird, durch einen zweiten Kurzimpuls, der von der zweiten Laserquelle ausgegeben wird, und Verändern einer Zeitverzögerung der ersten und/oder zweiten Kurzimpulse durch Verändern der Frequenz der von der ersten und/oder zweiten Laserquelle ausgegebenen Impulse basierend auf dem Zeitverzögerungssteuersignal, wodurch die zweiten Impulse bezüglich der ersten Impulse stabilisiert werden, und Fortsetzen des Abtastens durch Verändern der Zeitverzögerung einer der ersten oder zweiten Impulse in einer vorbestimmten Weise.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zeitverzögerung durch Verändern der Länge eines Laserresonators der zweiten Kurzimpulslaserquelle (120; 220; 520; 620; 720; 820) verändert wird, und in dem Abtastschritt die Zeitverzögerung einer der ersten und zweiten Impulse durch Verändern der Länge des Laserresonators einer der ersten bzw. zweiten Kurzimpulslaserquelle (110, 120; 210, 220; 510, 520; 610, 620; 710, 720; 810, 820) verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Länge eines Laserresonators der einen der ersten und zweiten Kurzimpulslaserquelle (110, 120; 210, 220; 510, 520; 610, 620; 710, 720; 810, 820) in dem Abtastschritt in der vorbestimmten Weise durch Anlegen einer Quadratwelle, einer Rechteckwelle oder einer Sinuswelle an eine piezoelektrische Einheit geändert wird, die sich innerhalb des Laserresonators der einen der ersten und zweiten Kurzimpulslaserquelle (110, 120; 210, 220; 510, 52O; 610, 620; 710, 720; 810, 820) befindet.
Schnelle Abtastlaservorrichtung mit: einer Einrichtung zur Erfassung eines zeitlichen Unterschieds bei Ankunft erster und zweiter Laserimpulse, einem Signalgenerator (140; 135; 540; 640; 740) zur Ausgabe eines Steuersignals basierend auf dem zeitlichen Unterschied, und ersten und zweiten Kurzimpulslaserquellen (110, 120; 210, 220; 510, 520; 610, 620; 710, 720; 810, 820) jeweils mit einem Laserresonator, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Laserquellen (110, 120; 210, 220; 510, 520; 610, 620; 710, 720; 810, 820) eine innerhalb ihres Laserresonators angeordnete Längenveränderungseinheit (130; 630; 730; 830) aufweist, wobei die Längenveränderungseinheit zur Änderung der Länge des Laserresonators basierend auf dem Steuersignal dient, um dadurch den zeitlichen Unterschied zwischen den ersten und zweiten Laserimpulsen zu verändern.
Schnelle Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, ferner mit: einem Stabilisierer (130; 630; 730; 830) zur Erzeugung eines Steuersignals basierend auf Zeitgabeunterschieden zwischen einem von der ersten Laserquelle (110; 210; 510; 610; 710; 810) ausgegebenen ersten Impuls und einem von der zweiten Laserquelle (120; 220; 520; 620; 720; 820) ausgegebenen zweiten Impuls, und zur Ausgabe des Steuersignals an die Längenänderungseinheit, die dadurch die Länge des Laserresonators basierend auf dem Steuersignal und dem ersten Signal verändert.
Schnelle Abtastvorrichtung nach Anspruch 6, wobei der Stabilisierer (130; 630; 730; 830) umfasst: eine Phasenregelschleifenschaltung zum Erfassen und Steuern eines Phasenunterschieds zwischen einem von der ersten Kurzimpulslaserquelle (110; 210; 510; 610; 710; 810) ausgegebenen ersten Impuls und einem von der zweiten Kurzimpulslaserquelle (120; 220; 520; 620; 720; 820) ausgegebenen zweiten Impuls, eine Einrichtung zum Erzeugen des Steuersignals basierend auf dem durch die Phasenregelschleifenschaltung erfassten Phasenunterschied, und zum Einstellen und Ausgeben des Steuersignals.
Schnelle Abtastvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Längenänderungseinheit einen auf einem piezoelektrischen Element angebrachten Spiegel aufweist.
Verwenden einer Phasenregelschleife in einer Laservorrichtung, wobei eine Einrichtung zum Erfassen eines zeitlichen Unterschieds bei Ankunft erster und zweiter Laserimpulse, eine Phasenregelschleifenschaltung und erste und zweite Kurzimpulslaserquellen (110, 120; 210, 220; 510, 520; 610, 620; 710, 720; 810, 820) bereitgestellt sind, jede Laserquelle mit einem Laserresonator, und wobei zumindest eine der ersten und zweiten Laserquellen (110, 120; 210, 220; 510, 520; 610, 620; 710, 720; 810, 820) eine Längenänderungseinheit (130; 630; 730; 830) innerhalb ihres Laserresonators aufweist, wobei die Längenveränderungseinheit zur Änderung der Länge des Laserresonators basierend auf der Ausgabe der Phasenregelschleifenschaltung dient, um dadurch den zeitlichen Unterschied zwischen den ersten und zweiten Laserimpulsen zu verändern.