DE69921710T2 - Laserquelle mit kontinuierlich abstimmbarer Wellenlänge - Google Patents

Laserquelle mit kontinuierlich abstimmbarer Wellenlänge Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine monomode Laserquelle mit einstellbarer Wellenlänge, mit einem externen Resonator.
  • Es ist bekannt dass ein optischer Resonator einer Laserquelle eine oder mehrere Wellenlängen selektiert, die von einem Laserverstärkermittel emittiert werden. Es handelt sich meistens um zwei Spiegel, von denen einer teilweise transparent ist, die einen so genannten Fabry-Perot-Hohlraum bilden. Ein solcher Fabry-Perot-Hohlraum selektiert oder ist resonant für Halbwellenlängen die gleich den Unterteilungen der optischen Länge Lop des Hohlraumes sind und somit im Allgemeinen sehr nahe zueinander sind. Mehrere Wellenlängen neigen dann dazu, dass sie durch ein Verstärkermittel mit breitem Spektrum verstärkt werden. Man erhält somit einen multimoden Laser.
  • Für bestimmte Einsatzzwecke werden multimode Laser vorgezogen. In diesem Fall muss man einen optischen Resonator in Verbindung mit einem komplementären Selektiermittel des Fabry-Perot-Hohlraumes verwenden, zum Beispiel durch Ersatz eines seiner Spiegel durch eine retroreflektierende Streuvorrichtung.
  • Die retroreflektierenden Streuvorrichtungen werden laufend in der traditionellen Optik verwendet. Die am besten bekannte Vorrichtung ist wahrscheinlich das ebene Gitter mit der Teilung p, das im Littrow-System verwendet wird.
  • Im Allgemeinen hat ein ebenes Gitter mit der Teilung p eine zu seinen Linien senkrechte Streuebene. Ein kollimierter Lichtstrahl mit der Wellenlänge λ, geneigt unter dem Winkel θ1 gegenüber der Normalen des Gitters die parallel zu der Streuebene des Gitters ist, erzeugt einen kollimierten Lichtstrahl, der ebenfalls parallel zu der Streuebene des Gitters ist und eine unter dem Winkel θ2 geneigte Richtung hat, wobei θ1 und θ2 durch die Beziehung: p sin θ1 + p sin θ2 = λverbunden sind.
  • In den einstellbaren Laserquellen mit externem Resonator, die mit einem Littman-Metcalf-System funktionieren, wo der einfallende Strahl den Winkel θ1 mit der Normalen zu dem Gitter bildet, ist ein zusätzlicher Spiegel so angeordnet, dass seine Normale einen Winkel θ2 zum Gitter bildet. Die Wellenlänge λ die die Beziehung λ = p sin θ1 + p sin θ2 erfüllt, wird durch das Gitter in einem Winkel θ2 gestreut, dann auf den Spiegel zurück reflektiert, welcher dann zu ihr senkrecht liegt, und am Ende wird sie wieder im Gitter auf dem Rücklauf gestreut und kommt unter dem Eingangswinkel θ1 heraus. Diese Wellenlänge λ wird somit im Resonator selektiert. Die Einstellung der Wellenlänge wird durch Änderung der Orientierung der Zusammenstellung Gitter – Spiegel erhalten, also durch Änderung des Winkels θ1 oder nur durch Änderung der Orientierung des Spiegels, also durch Änderung des Winkels θ2 oder schließlich nur durch Änderung der Orientierung des Gitters, also durch Änderung von θ1 und θ2, jedoch mit Konstanthaltung von θ1 – θ2.
  • 1 stellt ein Gitter 11 dar, das im Littman-Metcalf-System verwendet wird, in dem ein Endpunkt 2 des monomod geleiteten Verstärkermittels 13 in dem Brennpunkt einer Kollimieroptik 14 angeordnet ist die einen kollimierten Hauptstrahl 15 mit der Wellenlänge λ erzeugt.
  • Dieser Strahl ist parallel zu der Streuebene des Gitters, also zu der Ebene senkrecht zu den Linien 16 des Gitters 11 und bildet einen Winkel θ1 zu der Normalen 17 auf der Gitteroberfläche 11. Durch Diffraktion auf dem Gitter erzeugt der Strahl 15 einen kollimierten sekundären Strahl 18, der in der Streuebene liegt und mit der Normalen 17 einen Winkel θ2 bildet. Ein Planspiegel 19 ist senkrecht zu dem Strahl 18 angeordnet und der Strahl wird durch die Zusammenstellung des Systems zurückreflektiert.
  • Es ist bekannt, dass unter diesen Bedingungen, wobei p die Teilung des Gitters ist, wenn die Beziehung p sin θ1 + p sin θ2 = λ erfüllt ist, der Strahl 15 in sich selbst zurückkommt nach einer ersten Diffraktion auf dem Gitter 11, einer Retroreflektion auf dem Spiegel 19 und einer zweiten Diffraktion auf dem Gitter 11. Er erzeugt somit einen Abbildungspunkt 8 deckungsgleich mit dem Endpunkt 2.
  • Die Einstellung solcher Vorrichtungen erfordert die genaue Positionierung des Gitters um eine Achse, die senkrecht zu der Selektionsachse und parallel zu der Streuebene liegt. Diese letzte Einstellung und ihre Stabilität sind sehr empfindlich und bedingen in den meisten Fällen die Qualität des erhaltenen Ergebnisses.
  • Um diese Ausführungsform zu erklären, wurde in 2A eine Ansicht der Brennfläche der Kollimieroptik 14 dargestellt, in der sich der Endpunkt 2 des geleiteten Verstärkermittels und das Spektrum, das im Rücklauf durch die Anordnung in 1 erzeugt wird, befinden, wenn der Verstärker ein breites Spektrum emittiert. Es wird somit ein Spektrum erhalten, das sich von einer Wellenlänge λ1 bis zu einer Wellenlänge λ2 erstreckt und für welches die Wellenlänge λ auf den Endpunkt 2 zurückreflektiert wird und somit in dem Resonator selektiert ist.
  • In der Praxis wird, da die reelle Drehachse nicht genau parallel zu den Linien des Gitters sein kann, die Verschiebung des Spektrums in der Brennfläche von einer dazu senkrechten Bewegung begleitet und führt, wenn die Wellenlänge λ' zurückreflektiert wird, zu einer Konfiguration wie in 2B dargestellt, in der die Retroreflektion nicht genau erhalten ist wegen der Verschiebung des Spektrums, senkrecht zu sich selbst, gleichzeitig parallel zu sich selbst in der Brennpunktfläche der Kollimieroptik.
  • In dem Littman-Metcalf-System stellt sich dieses Problem, wenn das Gitter 11 oder aber der Spiegel 19 oder aber die Zusammenstellung der beiden Komponenten einer Drehung um eine zu den Linien 16 des Gitters parallele Achse unterworfen werden.
  • Solche Vorrichtungen können Modensprünge erzeugen. In der Tat ändert die Drehung der Streuvorrichtung samt dem Gitter die selektierte Wellenlänge, jedoch muss diese Wellenlänge ebenfalls die Resonanzbedingung des gesamten Resonators (Hohlraums) einhalten, die bedeutet, dass die optische Länge Lop (einfacher Weg) des Resonators gleich einer ganzen Zahl N von Halbwellenlängen ist: Lop = N. λ/2
  • Wenn die selektierte Wellenlänge abnimmt muss also gleichzeitig der Resonator gekürzt werden, und umgekehrt verlängert, wenn die Wellenlänge zunimmt, um auf der gleichen ganzen Zahl N zu bleiben und die Modensprünge zu vermeiden.
  • Eine Vorrichtung mit stufenloser Einstellung ohne Modensprung wurde mit einem Littrow-System vorgeschlagen (unterschiedlich zu dem Littman-Metcalf-System (F. Favre und D. Le Guen "82 nm of continuous tunability for an external cavity semi-conductor laser", Electronics Letters, Band 27, 183-184, [1991]), diese benötigt jedoch eine komplexe mechanische Zusammenstellung, die zwei Translations- und zwei Drehbewegungen verwendet.
  • In einem Artikel aus dem Jahr 1981 beschreiben Liu und Littman (Optics Letters, Band 6, Nr. 3, Mars 1981, Seiten 117-118) eine Vorrichtung, die ein Gitter und einen Spiegel mit variabler Orientierung aufweist und die für die Schaffung eines monomoden Lasers mit variabler Wellenlänge eingesetzt wird. Die vorgeschlagene Geometrie ermöglicht eine Wellenlängenabtastung ohne Brüche.
  • Auf der anderen Seite wurden die Reflektorwinkel (bieder) seit langer Zeit erforscht. Insbesondere schlägt die japanische Patentschrift JP-A-57.099793 vom 21 Juni 1981 vor, einen solchen Reflektorwinkel zu verwenden, um eine retroreflektierende Streuvorrichtung in einem wellenlängenmultiplexierten Kommunikationssystem mit optischer Faser zu realisieren, wobei diese (Welten-)Längen fest sind.
  • Aus der europäischen Patentschrift 0 702 438 ist weiterhin eine solche monomod stufenlos einstellbare Laserquelle bekannt, die ein mit Bezug zu 3 der vorliegenden Schrift definiertes Littman-Metcalf-System verwendet, welches ein planes Gitter 31 und einen rechtwinkligen reflektierenden Dieder 39 enthält dessen Kante 391 parallel zu der Streuebene des Gitters 31 ist, das die Kollimierachsen enthält.
  • Punkt A ist der Schnittpunkt der Kollimierachsen des Gitters, Punkt B' ist der optische Endpunkt des Resonators, welcher auf der Seite des Streusystems angeordnet ist, Punkt C' ist der Schnittpunkt der Hauptkollimierachse mit dem optischen Endpunkt des Resonators, welcher auf der Seite des Verstärkermittels angeordnet ist, Punkt D ist der Schnittpunkt der Ebene, die die Diffraktionsphase des Gitters und die Parallele zu der Kante des Reflektorwinkels, die durch B' durchgeht, enthält.
  • Der Winkel AC'D wird konstant bei 90° gehalten und die Länge AD wird konstant gehalten.
  • Eine solche Vorrichtung, in der die Einhaltung dieser Bedingungen durch rein mechanische Mittel erreicht wird, ist im Allgemeinen zufrieden stellend. Es wurde jedoch als nützlich angesehen, diese Vorrichtung noch zu verbessern, um ihre Einstellung zu erleichtern.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist somit, eine monomod stufenlos einstellbare Laserquelle mit externem Resonator vorzuschlagen, deren Einfachheit der Einstellung verbessert werden soll, die zu den besten wirtschaftlichen Bedingungen ausgeführt werden kann und eine gute Stabilität bereits ab der ersten Inbetriebnahme und während ihrer gesamten Lebensdauer gewährleisten kann.
  • Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung gemäß Patentanspruch 1 eine monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge mit externem Resonator. Sie enthält einen Hohlraumresonator, der bei einer Emissionswellenlänge λe resonant ist, mit:
    • – einem räumlich monomoden Verstärkerwellenleiter, welcher im Inneren des Hohlraumresonators angeordnet ist, wobei der genannte Wellenleiter eine in dem Hohlraum liegende Stirnseite aufweist, welche mit einer antireflektierenden Schicht überzogen ist,
    • – eine Kollimatoroptik mit einem Brennpunkt, wobei die genannte in dem Hohlraum liegende Stirnseite des Wellenleiters im Brennpunkt dieser Optik angeordnet ist,
    • – eine teilweise reflektierende Ausgangsseite,
    • – eine nach Wellenlänge retroreflektierende Streuvorrichtung, welche in Position und/oder Orientierung gesteuert werden kann, welche zum Wellenleiter und zur Kollimatoroptik in einer Weise angeordnet ist, dass die Vorrichtung eine Selektivitätskurve der Wellenlänge mit einem Maximalwert für λs erzeugt, und
    • – primäre mechanische Mittel, welche eine ungefähre stufenlose Einstellbarkeit ermöglichen.
  • Gemäß der Erfindung enthält diese zusätzliche Feinsteuermittel, welche ausgehend von der ungefähr stufenlosen Einstellbarkeitsposition die Steuerung der Position der retroreflektierenden Streuvorrichtung ermöglichen, um die Differenz λe – λs während der Änderung der Emissionswellenlänge λe zu steuern, wobei vermieden wird, dass diese Differenz einen Grenzwert erreicht, welcher einen Modensprung hervorrufen würde.
  • Eine solche Anordnung ermöglicht, die Ungenauigkeiten, die zwangsläufig eine mechanischen Regelung mit sich bringt, zu vermeiden und ermöglicht die Gewährleistung einer stufenlosen Änderung der Wellenlänge und ermöglicht, diese so zu korrigieren, dass die Schwankungen der Wellenlänge niedriger bleiben als mehr oder weniger Δλe/2, wobei Δλe der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Resonanzmoden des Hohlraumes ist.
  • Vorzugsweise:
    • – weisen die Kontrollmittel auf: einen Modulationsgenerator für λe – λs, einen Demodulator der Intensität des gemessenen Lichtflusses, welcher ein demoduliertes Signal erzeugt, um die Position der retroreflektierenden Streuvorrichtung zu steuern;
    • – wird die Durchschnittsdifferenz <λe – λs> auf einen Wert Δλ0 größer als Null geregelt;
    • – wird die Durchschnittsdifferenz <λe – λs> bis auf 0 geregelt;
    • – werden die Steuerung und die Modulation von λe – λs durch die Steuerung und die Modulation der Wellenlänge λs des Maximalwerts der Selektivitätskurve der retroreflektierenden Streuvorrichtung erhalten;
    • – werden die Steuerung und die Modulation der Wellenlänge λs durch die zusätzliche Rotation eines der Elemente der retroreflektierenden Streuvorrichtung erhalten;
    • – werden die Steuerung und die Modulation der Wellenlänge λs durch die zusätzliche Rotation des Reflektors erhalten;
    • – werden die Steuerung und die Modulation von λe – λs durch die Steuerung und die Modulation der Wellenlänge λe erhalten;
    • – werden die Steuerung und die Modulation der Emissionswellenlänge λe durch eine zusätzliche Translation eines der Elemente des Resonators erhalten;
    • – weist die retroreflektierende Streuvorrichtung einen Reflektor auf, und die Steuerung und die Modulation der Emissionswellenlänge λe werden durch eine zusätzliche Translation des genannten Reflektors erhalten.
  • Die Erfindung wird im einzelnen mit Bezug auf die Figuren beschrieben, wobei
  • 1 eine schematische Darstellung einer traditionellen Anordnung aus dem Stand der Technik in einem Littman-Metcalf-System ist;
  • 2A und 2B schematische Darstellungen des in der Ebene der Laserquelle reflektierten Spektrums für zwei verschiedenen Einstellungen der Elemente in 1 sind;
  • 3 eine schematische Darstellung eines selbstausrichtenden stufenlos einstellbaren Laser-Resonators gemäß dem Stand der Technik ist;
  • 4 eine schematische Darstellung der Steuerungs- und Modulierblöcke der Laserquelle ist;
  • 5 eine Darstellung des von der Laserquelle emittierten Laserstrahles gegenüber den anderen Longitudinalmoden des Fabry-Perot-Resonators und der Selektivitätskurve der Wellenlänge der retroreflektierenden Streuvorrichtung ist;
  • 6 eine Darstellung des Funktionsbereiches der Laserquelle ohne Modensprünge an der Schwelle ist;
  • 7 eine Darstellung des Funktionsbereiches der Laserquelle ohne Modensprünge unter normalen Betriebsbedingungen ist;
  • 8 und 9 schematische Darstellungen der für die Steuerung verwendeten Modulation sind;
  • 10 ein Beispiel für eine konkrete Ausführungsform der Laserquelle gemäß der Erfindung ist.
  • Um die Funktionierung einer monomoden Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge mit einem externem Resonator, so wie weiter oben mit Bezug auf 3 beschrieben, zu verbessern, weist die Laserquelle der Erfindung zusätzliche Steuer- und Moduliermittel der Differenz λe – λs während der Änderung der Emissionswellenlänge λe auf. Diese Kontroll- und Moduliermittel sind in 4 dargestellt.
  • Ein Teil 41 des von der Laserquelle 40 emittierten Lichtflusses 42 wird von einem Separiermittel 43 entnommen und durch einem photoelektrischen Detektor 44 gemessen und liefert, eventuell mittels einer ersten Bearbeitungseinheit 45, eine Messung der Differenz λe – λs die mittels der Steuermittel 47 auf den Antrieb 49 der Laserquelle 40 einwirkt um diese Differenz λe – λs zu steuern.
  • Vorzugsweise wirkt ein Modulator 48 auf den Antrieb 49 der Laserquelle 40, um die Differenz λe – λs mit einer Frequenz f zu modulieren, die Differenz λe – λs ist dann die Summe einer Durchschnittsdifferenz <λe – λs> und der Modulation. In diesem Fall enthält die Bearbeitungseinheit 45 einen Demodulator 46, der an den Modulationsgenerator 48 angeschlossen ist, der diesem ermöglicht, ein moduliertes elektrisches Signal zu extrahieren, das von dem Photodetektor 44 geliefert wird, wobei die demodulierte Komponente von der Differenz <λe – λs> abhängt.
  • Diese demodulierte Komponente dient dann als Fehlersignal für eine Steuerschleife, wo die Steuermittel 47 auf den Antrieb 49 wirken, um die Durchschnittsdifferenz < λe – λs > zu steuern.
  • Diese Anordnung, die sich als besonders wirksam erwiesen hat, scheint die im Nachfolgenden beschriebene Theorie anzuwenden. Wenn eine rein mechanische Einstellung, die in einer Laserquelle aus dem Stand der Technik, wie oben mit Bezug auf 3 beschrieben, eingegliedert ist, die Bedingungen der stufenlosen Einstellung erfüllt, wobei angenommen ist, dass die Laserquelle gut eingestellt ist, hat der einheitliche Emissionsmodus ein Leistungsmaximum bei der Wellenlänge λe, die mit dem Wert λs der Wellenlänge des Maximalwerts der Selektivitätskurve übereinstimmt. Diese Übereinstimmung wird beibehalten, wenn die retroreflektierende Streuvorrichtung eine dieser Komponenten in Drehbewegung hat, um die Emissionswellenlänge zu ändern. Die mechanische Einstellung ist jedoch nicht perfekt und in der Praxis, wird die Differenz zwischen λe und λs nicht gleich Null sein, sondern sie schwankt. Solange die Amplitude dieser Schwankungen im Bereich λs – Δλc/2 bis λs + Δλc/2 beträgt, (wo Δλc _ λ2 c /2Lop der Abstand zwischen den Longitudinalmoden des Resonators ist), wird die stufenlos einstellbare Laserquelle auf demselben Longitudinalmodus ohne Modensprung funktionieren. Es wurde jedoch festgestellt, dass wenn die Leistung der Laserquelle durch Änderung der Verstärkung in dem Verstärkerwellenleiter 33 geändert wird, dies eine Änderung des Indexes dieses Wellenleiters bewirkt, also eine Änderung der optischen Länge Lop des Resonators und demzufolge der Wellenlänge λe. Wenn die mechanische Einstellung konstant gehalten wird, bleiben die Schwankungen der Differenz λe – λs identisch in ihrer Amplitude, aber sie sind nicht auf 0 zentriert, da sie durch die Änderung des Indexes des Wellenleiters verschoben wurden. Wenn diese Schwankungen dazu führen, dass λe die Grenzen λs -Δλc/2 oder λs + Δλc/2 überschreitet, wird ein Modensprung festgestellt, der die Emissionswellenlänge λe plötzlich um Δλc bzw. -Δλc verstellt.
  • Die elektromagnetische Steuerung der Restdifferenzen λe -λs ermöglicht die Vermeidung dieser Modensprünge.
  • In 5 wurde ein Laserstrahl 50 dargestellt, emittiert mit der Wellenlänge λe gegenüber der Wellenlängenselektivitätskurve 51 der retroreflektierenden Streuvorrichtung zentriert auf die Wellenlänge λs und mit der Breite in der halben Höhe Δλs, sowie die anderen Longitudinalmoden 52 bis 59 des Fabry-Perot-Resonators.
  • Solange der Absolutwert der Differenz λe – λs niedriger bleibt als Δλc/2, stimmt der Emissionsstrahl 50 mit dem Modus des Fabry-Perot- Resonators überein, der die höchste Verstärkung mitmacht. Wenn der Absolutwert der Differenz λe – λs höher wird als Δλc/2, dann wird einer der Longitudinalmoden 52, 53 des Fabry-Perot-Resonators dazu neigen, einen höheren Verstärkungsfaktor zu haben als der mit der Wellenlänge λe und kann die Emissionswellenlänge zum Nachteil der vorangehenden definieren. Es existiert also in Abwesenheit der Steuerung ein Modensprung dessen Vermeidung die Steuerung der Differenz λe – λs gemäß der Erfindung ermöglicht.
  • Die Steuerung und/oder die Modulation der Differenz λe – λs kann durch Steuerung und/oder Modulation von λe oder λs erreicht werden. 6 stellt den Funktionsbereich 81 ohne Modensprung dar. Dieser auf λs zentrierte Funktionsbereich 81 hat eine Breite Δλc.
  • Die Laserquelle der Erfindung wird vorzugsweise gemäß 10 ausgeführt, in welcher die retroreflektierende Streuvorrichtung ein festes Gitter 61 und einen Reflektorwinkel 69 enthält, montiert auf einem Gestell 602, das sich um eine Welle drehen kann, die senkrecht zu der Streuebene des Gitters 61 liegt und durch D verläuft.
  • Das Gitter 61, das monomod geleitete Verstärkermittel 63, welches eine Stirnseite 62 im Inneren des Resonators aufweist, und die Kollimatoroptik 64 sind auf einem Träger 601 befestigt. Der Reflektorwinkel 69 ist auf einem beweglichen primären Gestell 602 befestigt, das sich um eine Exzenterwelle 603 dreht, so dass die Gerade 692 parallel zu der Kante 691, die durch den Punkt B', der der optische Endpunkt des Resonators ist, verläuft, ebenfalls durch die Achse 603 verläuft.
  • Diese Achse 603 ist auf einer Zusammenstellung von Translationsführungen 604 und 605 befestigt, die ihre Positionierung im Schnittpunkt D der Senkrechten 606 mit der Mittellinie des Resonators, die durch C' verläuft und der Geraden 607 die vor dem Gitter 61 verläuft, ermöglicht. Ein Motor 608, der auf dem Träger 601 befestigt ist, treibt eine Stange 609 an die die Drehung um die Achse 603 des primären Gestells 602 und des Reflektorwinkels 69 der dort befestigt ist, hervorruft. So bleibt der diffraktierte Strahl 68, der in dem Resonator selektiert wurde, senkrecht zu der Kante 691.
  • Während der Drehung des Gestells 602 bewegt sich der Strahl 68 seitlich auf dem Reflektorwinkel 69, wie auch B', entlang der Geraden 692. Diese Bewegung des Strahles ist eine geometrische Translation desselben die keine Translation von mechanischen Teilen einbezieht.
  • Diese Anordnung ermöglicht eine angenäherte rein mechanische stufenlose Einstellung, insbesondere praktisch vom Standpunkt der mechanischen Gestaltung, weil sie eine einfache mechanische Drehung des primären Gestells verwendet. Zu bemerken ist, dass der Punkt B' gegenüber der oben angeführten Position versetzt werden kann, wobei der Resonator verkürzt oder verlängert werden kann. Dann ist es möglich, die gleiche Bedingung der stufenlosen Einstellung durch Drehung um D wiederzufinden, wobei der Punkt C' um die gleiche Länge, aber in entgegengesetzter Richtung verschoben wird, um diesen Versatz zu kompensieren, der durch der Verschiebung von B' entstanden ist.
  • Diese einstellbare Laserquelle erzeugt einen divergenten Strahl 632 am Ausgang 631 des Verstärkermittels 63, aber es ist auch möglich, einfach den kollimierten Strahl 633 zu verwenden, der der gewöhnlichen Reflexion des Strahles 65 auf dem Gitter 61 entspricht. Diese gewöhnliche Reflexion, auch Reflexion der Ordnung Null des Gitters genannt, behält eine feste Richtung, da das Gitter auf dem Träger befestigt ist und nur der Reflektorwinkel während der Einstellung der Wellenlänge beweglich ist.
  • Die Steuerung und/oder die Modulation der Differenz λe – λs wird vorzugsweise durch die Steuerung und/oder die Modulation von λS durchgeführt. Diese kann durch Einwirkung auf die Position und/oder auf die zusätzliche Winkelorientierung des Reflektors 69 um einer zur Streuebene senkrechten Achse erreicht werden. Zu diesem Zweck ist der Reflektor auf dem Arm 602 mittels der gelenkigen Befestigungsmittel 701 und 702 befestigt und einstückig mit den Auflageflächen 703 und 704, die mit den piezoelektrischen Antrieben 705 und 706 zusammenarbeiten, die einstückig mit dem primären Gestell 602 sind. Die Antriebe 705 und 706 können ebenfalls einfach zwischen dem primären Gestell 602 und dem Reflektor 69 eingelegt werden. Das primäre Gestell 602 ermöglicht die ungefähre Einstellung und die Antriebe 705 und 706 ermöglichen die Feineinstellung.
  • Diese piezoelektrischen Antriebe 705, 706, die dem Antrieb 49 in 4 entsprechen, werden durch die Steuereinheiten 47 gesteuert, welche die Steuerung der Durchschnittsdifferenz <λe – λs > betreffen und Steuerung des Modulationsgenerators 48, welcher seine Modulation betrifft.
  • In analoger Weise und nicht dargestellt kann diese Modulation und/oder Steuerung von λs durch Einwirkung auf die Winkelorientierung des Gitters 61 gesteuert werden.
  • Um die Differenz λe – λs zu steuern und/oder modulieren ist es auch möglich, auf λe also auf die optische Länge Lop des Resonators einzuwirken. Diese Änderung der Länge Lop des Resonators kann durch eine Translation des Reflektors 69 oder des Gitters 61 erreicht werden. Es kann auch der optische Index eines der Elemente des Resonators moduliert werden, entweder des Verstärkerwellenleiters 63 oder eines zu diesem Zweck zugefügten zusätzlichen Elements, bei dem der Index kontrolliert verändert werden kann. Es kann ebenfalls auf die transversale Position parallel zu der Streuebene der Kollimatoroptik 64 gegenüber des geleiteten Verstärkermittels 63 eingewirkt werden, was die Orientierung des kollimierten Strahles 65 bestimmt.
  • Es ist oft nützlich, die Durchschnittsdifferenz <λe – λs> auf Null zu reduzieren, wobei die Wellenlänge λe des Emissionsmodus bis auf den Maximalwert λs der Selektivitätskurve Δλe der retroreflektierenden Streuvorrichtung reduziert wird. In diesem Fall ist die Steuerschleife so konzipiert, dass das demodulierte Fehlersignal auf Null zurück versetzt wird.
  • In der Praxis hat es sich herausgestellt, dass es vorteilhaft ist, den Regelwert der Durchschnittsdifferenz < λe – λs > nicht auf einem Nullwert, sondern auf einen positiven Wert Δλ0 der Ordnung Δλc/5 bis Δλc festzulegen. Dies ist in 9 dargestellt. Es wurde in der Tat festgestellt, dass die Erklärungstheorie der Modensprünge, wie oben angeführt nicht mehr der Wirklichkeit entspricht, wenn die Funktion von der Laserschwelle entfernt ist. In der Praxis treten, wenn die von der Laserquelle emittierte Leistung zunimmt, komplexe Effekte auf, die Hysteresis- und Asymmetriewirkungen hervorrufen. Die Laserquelle kann dann ohne Modensprung in einem Bereich der Breite Δλt größer als Δλc funktionieren, jedoch wurde festgestellt dass dieser Funktionsbereich 82 ohne Modensprung gegenüber den hohen Wellenlängen in Bezug auf λs versetzt ist (7). Eine Einstellung auf den Maximalwert 84 (Durchschnittsdifferenz < λe – λs > = 0) weist dann ein erhebliches Risiko der Modensprünge auf, da die Grenze 83 gegen die unteren Wellenlängen dieser Sprünge nahe an λs ist und eine geringe Schwankung der Differenz λe – λs, eventuell von der Modulation herrührend, könnte die Überschreitung dieser Grenze und folglich einen Modensprung hervorrufen (8). Im Fall von sehr hohen Leistungen ist es sogar möglich, dass diese Grenze 83 zu den niedrigen Wellenlängen λs überschreitet.
  • Der für Δλ0 = < λe – λs> ausgewählte Wert ergibt sich aus einem Kompromiss: Δλ0 muss ausreichend groß sein, um λe von der unteren Grenze 83 der Modensprünge zu entfernen, aber viel zu groß, um eine ausreichende Leistung beizubehalten; diese Leistung verringert sich, wenn sich λe von λs entfernt, welche dem Maximalwert 84 der Selektivitätskurve entspricht.
  • Die Modulation 85, 87 der Differenz λe – λs wurde in 8 und 9 dargestellt. In 8, neigt, da Δλ0 = < λe – λs > gleich Null sind, die Modulation 85 in dem Bereich 86 dazu, die untere Grenze 83 zu überschreiten und somit einen Modensprung hervorzurufen. In 9 vermeidet die Auswahl eines ausreichenden positiven Wertes Δλ0 = < λe – λs>, dass die Modulation 87 die untere Grenze 83 überschreitet, ohne sich zu sehr von dem Maximalwert 84 der Selektivitätskurve zu entfernen.
  • In einem besonders interessanten Ausführungsbeispiel wird die Schaffung einer Laserquelle versucht, die um eine Wellenlänge der Größenordnung 1550 nm funktioniert.
  • Die Länge des Resonators kann dann vorzugsweise Lop = 30 mm (30 mm einfacher Hub) betragen, der Abstand Δλc der Longitudinalmoden ist in der Größenordnung 40 pm und die Breite der halben Höhe Δλs der Selektivitätskurve ist in der Größenordnung 200 pm.
  • Die Differenz λe – λs wird vorzugsweise durch eine zusätzliche Drehbewegung des Reflektors 69 gesteuert und/oder moduliert.
  • Die Amplitude der Modulation der Differenz λe – λs beträgt normalerweise 10 pm, oder Δλc/4, und die Modulationsfrequenz ist in der Größenordnung von 5 bis 10 kHz. Der Winkelreflektor kann sehr leicht sein, und eine solche Bewegung bei einer solchen Frequenz wird problemlos mit weniger als einem Volt Modulation auf den klassischen piezoelektrischen Keramiken erreicht.
  • Für die Steuerung und die Einstellung von λe – λs auf Δλ0, welche die Fehler des primären mechanischen Systems auffängt, ist die Amplitude der Kompensierung in der Praxis an die für die Betätigung der Antriebe verfügbare elektrische Spannung angeschlossen. Eine gute Größenordnung ist die Gewinnung einiger Δλc (oder einiger Modensprünge) mit einigen Dutzend Volt.
  • Die in den Patentansprüchen nach den genannten technischen Merkmalen eingefügten Bezugszeichen haben als einzige Aufgabe das einfachere Verständnis und sollen den Schutz keineswegs einschränken.

Claims (12)

  1. Monomode Laserquelle mit externem Resonator mit stufenlos abstimmbarer Wellenlänge, mit einem bei einer Emissionswellenlänge λe resonanten Hohlraumresonator, umfassend: – einen räumlich monomoden Verstärkenroellenleiter, welcher im Inneren des Resonators angeordnet ist, wobei der genannte Wellenleiter eine in dem Hohlraum liegende Stirnseite aufweist, welche mit einer antireflektierenden Schicht überzogen ist, – eine Kollimatoroptik mit einem Brennpunkt, wobei die genannte in dem Hohlraum liegende Stirnseite des Wellenleiters im Brennpunkt dieser Optik angeordnet ist, – eine teilweise reflektierende Ausgangsseite, – Extraktionsmittel eines Teils des Flusses in dem Hohlraum, – eine nach Wellenlänge retroreflektierende Streuvorrichtung, welche in Position und/oder Orientierung gesteuert werden kann, welche zum Wellenleiter und zur Kollimatoroptik in einer Weise angeordnet ist, dass die Vorrichtung eine Selektivitätskurve der Wellenlänge mit einem Maximalwert für λs erzeugt, und – primäre mechanische Mittel, welche eine ungefähr stufenlose Einstellbarkeit ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle zusätzliche Feinsteuermittel aufweist, welche ausgehend von der ungefähren stufenlosen Einstellbarkeitsposition erlauben, die Abweichung λe –λs während der Änderung der Emissionswellenlänge λe zu steuern, wobei vermieden wird, dass diese Abweichung einen Grenzwert erreicht, welcher einen Modussprung hervorrufen würde.
  2. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinsteuermittel an mindestens einer der Positionen und/oder der Orientierung der retroreflektierenden Vorrichtung angreifen.
  3. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel aufweisen: – einen Modulationsgenerator (48) für λe – λs, – einen Demodulator (46) der Intensität des gemessenen Lichtflusses, welcher ein demoduliertes Signal erzeugt, um die Position der retroreflektierenden Streuvorrichtung zu steuern.
  4. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchschnittsabweichung <λe – λs> auf einen Soll-Wert Δλ0 > 0 mittels einer Regelschleife für die Position und/oder die Orientierung der retroreflektierenden Streuvorrichtung gebracht wird.
  5. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchschnittsabweichung <λe – λs> bis auf 0 mittels einer Regelschleife für die Position und/oder die Orientierung der retroreflektierenden Streuvorrichtung reduziert wird.
  6. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und die Modulation von λe – λs durch die Steuerung und die Modulation der Wellenlänge λs des Maximalwerts der Selektivitätskurve der retroreflektierenden Streuvorrichtung erhalten werden.
  7. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und die Modulation der Wellenlänge λs durch die Rotation eines der Elemente der retroreflektierenden Streuvorrichtung erhalten werden.
  8. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die retroreflektierende Streuvorrichtung einen Reflektor aufweist und dass die Steuerung und die Modulation der Wellenlänge λs durch die zusätzliche Rotation des Reflektors erhalten werden.
  9. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und die Modulation von λe – λs durch die Kontrolle und die Modulation der Wellenlänge λe erhalten werden.
  10. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und die Modulation der Emissionswellenlänge λe durch eine zusätzliche Translation eines der Elemente des Resonators erhalten werden.
  11. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die retroreflektierende Streuvorrichtung einen Reflektor aufweist und dass die Steuerung und die Modulation der Emissionswellenlänge λe durch eine zusätzliche Translation des genannten Reflektors erhalten werden.
  12. Monomode Laserquelle mit stufenlos einstellbarer Wellenlänge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und die Modulation von λe – λs durch die Steuerung und die Modulation der transversalen Position, parallel zur Streuebene, der Kollimatoroptik (64) erhalten werden.
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