EP3262727A1 - Stabilisieren optischer frequenzkämme - Google Patents

Stabilisieren optischer frequenzkämme

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EP3262727A1
EP3262727A1 EP16707389.9A EP16707389A EP3262727A1 EP 3262727 A1 EP3262727 A1 EP 3262727A1 EP 16707389 A EP16707389 A EP 16707389A EP 3262727 A1 EP3262727 A1 EP 3262727A1
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EP
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control unit
control
signal
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freedom
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EP16707389.9A
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Marc Fischer
Ronald Holzwarth
Olaf MANDEL
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Menlo Systems GmbH
Original Assignee
Menlo Systems GmbH
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Definitions

  • the second control circuits 42 may control one or more actuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e that are not used by the first control unit 10. This is the case in FIG. 4 for the piezoelectric motor 8b and the power regulator 8d for the pumped laser radiation P.
  • other or further actuators can also be actuated, such as an electrooptical modulator 8c or a tilting device 8e for a resonator mirror 6a-6d or a rotatable one Wave plate as it is known from the post-published DE 10 2014 204 941.5.

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (1), mit dem ein optischer Frequenzkamm stabilisiert werden kann, die Frequenzen dessen Moden durch die Formel fm= m x frep + f0 beschreibbar sind, wobei frep ein Modenabstand, f0 eine Offsetfrequenz und m eine natürliche Zahl ist. Es wird zumindest ein Signal (S1, S2, S3, S4) bestimmt, welches mit einem Ist-Wert eines Freiheitsgrades (F) korreliert, wobei der Freiheitsgrad (F) eine Linearkombination aus der Offsetfrequenz f0 und dem Modenabstand frep des Frequenzkamms ist. Basierend auf dem Signal wird mit einer ersten Kontrolleinheit (10) der Ist-Wert des Freiheitsgrades (F) in einen vorbestimmten Einfangbereich (F) einer zweiten Kontrolleinheit (40) eingestellt. Sobald der Einfangbereich (ΔFEinfang) der zweiten Kontrolleinheit (40) erreicht ist, wird die zweite Kontrolleinheit (40) aktiviert und der Ist-Wert mit Hilfe der zweiten Kontrolleinheit (40) auf einen Sollwert (FSoll) geregelt.

Description

Stabilisieren optischer Frequenzkämme
Die Erfindung betrifft das Gebiet optischer Frequenzkämme. Wie im Folgenden ausgeführt, kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Stabilisieren eines optischen Frequenzkamms eingesetzt werden. Ein optischer Frequenzkamm kann bekanntermaßen durch ein Bereitstellen eines kurzen beziehungsweise ultrakurzen Laserpulses erzeugt werden. Ein solcher Laserpuls kann eine Pulsdauer im Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden aufweisen. Es sind allerdings auch größere oder kleinere Pulsdauern denkbar, beispielsweise im Bereich von Atto- bis ikrosekunden. Im Frequenzraum lässt sich eine Folge von Laserpulsen als Frequenzkamm darstellen. Figur 2 zeigt eine solche Darstellung als Frequenzkamm, wobei die optische Intensität I gegenüber der Frequenz f aufgetragen ist. Der Frequenzkamm umfasst Moden bei diskreten optischen Frequenzen fm. Eine Einhüllende des Intensitätsverlaufs kann innerhalb der Verstärkungsbandbreite eines den Laserpuls erzeugenden Lasermediums liegen. Die Breite dieser Einhüllenden ist umgekehrt proportional zur Pulsdauer des Laserpulses.
Bekanntermaßen können die Frequenzen der Moden eines optischen Frequenzkamms ganz allgemein durch die Formel fm = m x frep + fo beschrieben werden, wobei m eine natürliche Zahl ist und frep und f0 die Einheit einer Frequenz aufweisen. Wie aus dieser Formel und Figur 2 hervorgeht, weisen die Frequenzen benachbarter Moden des optischen Frequenzkamms den Abstand frep auf, welcher als Modenabstand des Frequenzkammes bezeichnet wird. Wenn der Frequenzkamm zu einem in einem Resonator umlaufenden Laserpuls korrespondiert, entspricht der Modenabstand frep der Pulswiederholungsfrequenz (= Repetitionsrate) des Oszillators, das heißt dem Inversen der Umlaufzeit des Pulses im Oszillator. Die Moden des Frequenzkamms liegen im Normalfall nicht exakt bei einem ganzzahligen Vielfachen von frep. Wie aus der obigen Formel und Figur 2 ersichtlich, kann der Frequenzkamm um eine Offsetfrequenz f0 verschoben sein. Es ist allerdings auch der Fall denkbar, dass f0 gleich Null ist und damit die Moden des Frequenzkamms bei ganzzahligen Vielfachen von frep liegen. Für einen in einem Resonator umlaufenden Laserpuls kann das Vorhandensein der Offsetfrequenz f0 darin begründet sein, dass sich die Gruppenge- schwindigkeit eines im Oszillator umlaufenden Pulses von der Phasengeschwindigkeit der einzelnen Moden des Pulses unterscheidet.
Es erschließt sich dem Fachmann, dass die Beschreibung der Moden des Frequenzkamms durch die Formel fm = m x frep + f0 eine idealisierte Darstellung ist. Die Moden ei- nes realen Frequenzkamms können eine endliche Breite im Frequenzraum aufweisen.
Optische Frequenzkämme werden beispielsweise im Bereich der Spektroskopie, insbesondere der Spektroskopie elektronischer Übergänge in Atomen, oder für sehr präzise Frequenzmessungen eingesetzt. Für diese Anwendungen ist es wichtig, einen Frequenzkamm stabilisieren zu können.„Stabilisierung eines Frequenzkamms" meint im Sinne der Erfindung eine Stabilisierung der Lage mindestens einer der Moden des Frequenzkamms. Eine aktive Stabilisierung kann notwendig sein, da der Modenabstand frep und die Offsetfrequenz f0 äußerst empfindlich auf äußere Einflüsse reagieren können. Für einen Laserpuls in einem Resonator führt bereits eine geringe Änderung der Resonatorlänge und damit der Repetitionsrate zu einer Veränderung des Modenabstands frep des Frequenz- kamms. Zu einer Veränderung der Offsetfrequenz f0 kann beispielsweise eine Veränderung der dispersiven Eigenschaften im Resonator führen.
In der DE 199 1 1 103 A1 und der DE 100 44 404 A1 ist das Stabilisieren eines optischen Frequenzkamms durch eine Regelung der beiden Parameter Offsetfrequenz f0 und Modenabstand fm offenbart. Die DE 199 11 103 A1 offenbart, über einen verschiebbaren Um- lenkspiegel die Resonatorlänge zu verändern, um den Modenabstand des Frequenzkamms zu regeln. Zudem ist offenbart, die Offsetfrequenz über ein Verkippen eines Resonatorendspiegels oder ein Einbringen eines Prismenpaars in den Strahlengang des Resonators einzustellen.
Nach dem Bereitstellen eines Frequenzkamms können die Parameter des Frequenz- kamms (Offsetfrequenz f0 und Modenabstand frep) unbestimmt sein. Im Allgemeinen ist direkt nach dem Bereitstellen des Frequenzkamms zumindest einer dieser Parameter unbestimmt. Auch während des Betriebs des Frequenzkamms kann zumindest einer der Parameter unbestimmt sein oder unbestimmt werden, beispielsweise durch Veränderung einer physikalischen Randbedingung. Bekannte Regelkreise zum Stabilisieren des Frequenzkamms lassen sich nur unzuverlässig aktivieren. Dies liegt daran, dass ein gewöhnlicher Regelkreis einen Parameter des Frequenzkamms nur stabilisieren kann, wenn sich dieser bereits (zufällig) in einem durch die Eigenschaften des Regelkreises definierten Bereich befindet. Ansonsten fängt der Regelkreis typischerweise an zu schwingen, läuft gegen ein Ende seines Regelbereichs oder steuert den Frequenzkamm basierend auf einem Rauschsignal an. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung bereitzustellen, mit dem ein Frequenzkamm einfach und zuverlässig stabilisiert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung an. Ein Frequenzkamm lässt sich beispielsweise über einen Femtosekunden-Laser (Fs- Laser) erzeugen, insbesondere einen Fs-Faserlaser. Der Frequenzkamm kann beispielsweise in einem Resonator, insbesondere einem Mikroresonator, oder mittels eines optisch parametrischen Oszillators (OPO) erzeugt werden. Auch das Erzeugen des Frequenzkamms durch Modulation von Dauerstrichlasern (EOM (Elektro-optischer Modulator) Kämme, Kombination von Phasen- und Frequenzmodulation) oder durch optische Gleichrichtung ist denkbar. Die Verwendung eines Differenzfrequenzkamms, wie in US 6 724 788 B1 beschrieben, ist ebenfalls denkbar. Der Frequenzkamm kann auch auf eine andere Art bereitgestellt werden. Es ist zudem denkbar, dass der verwendete Frequenzkamm nachträglich durch AOMs (Akusto-optischer Modulator) oder EOMs verändert wurde. Erfindungsgemäß wird ein optischer Frequenzkamm bereitgestellt, der eine Vielzahl von Moden aufweist, deren Frequenzen durch die Formel f m = m x frep + f0 beschreibbar sind. Dieser Frequenzkamm soll nun stabilisiert werden. Dazu wird zumindest ein Signal bestimmt, welches mit einem Ist-Wert eines Freiheitsgrades F des Frequenzkamms korreliert. Der Freiheitsgrad F des Frequenzkamms ist erfindungsgemäß eine Linearkombinati- on aus der Offsetfrequenz f0 und dem Modenabstand frep des Frequenzkamms. Der Freiheitsgrad F lässt sich also durch die folgende Formel ausdrücken: F = v x frep + w x f0 + c, wobei v und w reelle Zahlen sind und c die Einheit einer Frequenz hat. Auszuschließen kann hier lediglich der Fall sein, dass v und w gleichzeitig 0 sind. Explizit in den Umfang der vorliegenden Erfindung eingeschlossen sind die Fälle F = frep (also v = 1 , w = c = 0) und F = f0 (w = 1 , v = c = 0). Der Freiheitsgrad F charakterisiert in jedem Fall den Fre- quenzkamm, bzw. Eigenschaften des Frequenzkamms. Zur vollständigen Beschreibung eines Frequenzkammes ist mindestens ein Freiheitsgrad F nötig.
Erfindungsgemäß wird ein erstes Eingangssignal, das in der Menge des zumindest einen Signals enthalten ist, an eine erste Kontrolleinheit übermittelt. Vorteilhafterweise können auch mehrere erste Eingangssignale, die jeweils in der Menge des zumindest einen Signals enthalten sind, an die erste Kontrolleinheit übermittelt werden.
Basierend auf dem übermittelten zumindest einen ersten Eingangssignal wird erfindungsgemäß mit der ersten Kontrolleinheit der Ist-Wert des Freiheitsgrades in einen vorbestimmten Einfangbereich einer zweiten Kontrolleinheit eingestellt. Dies ist ein dem eigent- liehen Stabilisieren des Ist-Wertes vorgeschalteter Schritt, der sicherstellt, dass der entsprechende Regelkreis greift. Das eigentliche Stabilisieren erfolgt dann durch die zweite Kontrolleinheit.
Wenn der Ist-Wert in dem Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit liegt, wird die zweite Kontrolleinheit aktiviert. Ob der Ist-Wert in dem Einfangbereich liegt, kann beispielsweise durch erneutes Messen des Ist-Werts des Freiheitsgrades ermittelt werden.
Ist die zweite Kontrolleinheit aktiviert, so wird der Ist-Wert mit deren Hilfe auf einen vorbestimmten Sollwert geregelt. Damit wird der Frequenzkamm stabilisiert. Abhängig von dem konkreten gewählten Freiheitsgrad F kann ein für eine spezielle Anwendung geeigneter Sollwert festgelegt werden. Der Ist-Wert des Freiheitsgrads muss dabei für eine erfolgrei- che Stabilisierung nicht notwendigerweise in genaue Übereinstimmung mit dem Sollwert gebracht werden. Es kann ausreichend sein, wenn der Ist-Wert des Freiheitsgrades in einem festgelegten Bereich um den Sollwert gehalten wird. Dabei kann der Sollwert so gewählt werden, dass der Modenabstand frep des Frequenzkamms z. B. in einem Bereich um 250 MHz stabilisiert wird und/oder die Offsetfrequenz f0 in einem Bereich zwischen 0 und 125 MHz stabilisiert wird. Die Stabilisierung kann derart erfolgen, dass der Ist-Wert bis auf einige Hz identisch mit dem Sollwert ist, beispielsweise bis auf höchstens 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 50 Hz oder 100 Hz oder so, dass lediglich Abweichungen des Ist-Werts von dem Sollwert um weniger als 1 %, weniger als 3%, weniger als 5% oder weniger als 10% erlaubt sind. Entspricht der Freiheitsgrad F dem Modenabstand frep des Frequenz- kamms, kann die Stabilisierung so erfolgen, dass der Ist-Wert bis auf 1 mHz oder 5 mHz identisch mit dem Sollwert ist. Entspricht der Freiheitsgrad F der Offsetfrequenz f0 des Frequenzkamms, kann die Stabilisierung so erfolgen, dass der Ist-Wert bis auf 1 Hz oder 5 Hz identisch mit dem Sollwert ist. Die Übereinstimmung mit dem Sollwert kann innerhalb einer gewissen Integrationszeit beurteilt werden, beispielsweise über eine oder mehrere Sekunden. Erfindungsgemäß wird die Lasereinrichtung also mit einem zweistufigen Verfahren betrieben. Mittels der ersten Kontrolleinheit wird der Ist-Wert des Freiheitsgrades in den vorbestimmten Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht. So wird sichergestellt, dass die zweite Kontrolleinheit in der Lage ist, den Ist-Wert zuverlässig auf den Sollwert zu regeln. Prinzipiell könnte als zweite Kontrolleinheit ein bekanntes System zum Stabilisieren eines Frequenzkamms verwendet werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird dann sichergestellt, dass die Regelung durch die zweite Kontrolleinheit zuverlässig aktiviert werden kann und schnell funktionsbereit ist.
An die zweite Kontrolleinheit kann zumindest ein zweites Eingangssignal übermittelt werden, das in der Menge des zumindest einen Signals enthalten ist, also mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades korreliert. Vorteilhafterweise umfasst die zweite Kontrolleinheit einen einzelnen zweiten Regelkreis oder mehrere zweite Regelkreise, der/die basierend auf dem zumindest einen zweiten Eingangssignal einen oder mehrere Aktuatoren kontrolliert/kontrollieren.
Dabei ist es denkbar, dass jedem zweiten Regelkreis genau ein Aktuator zugeordnet ist. Alternativ kann ein Aktuator auch von mehreren zweiten Regelkreisen kontrolliert werden. Vorteilhafterweise kontrollieren sämtliche zweiten Regelkreise den einen oder die mehreren Aktuatoren basierend auf einem einzelnen in der Menge des zumindest einen Signals enthaltenen zweiten Eingangssignal. Das einzelne zweite Eingangssignal wird also von den zweiten Regelkreisen gemeinsam verwendet. So kann die Stabilisierung des Frequenzkamms vereinfacht werden, da die Anzahl der zu messenden Signale maximal reduziert ist. Auch wenn nur ein einzelnes zweites Eingangssignal verwendet wird, lassen sich innerhalb der zweiten Kontrolleinheit mehrere Regelstufen implementieren, um eine möglichst schnelle Regelung bei gleichzeitig hohem Dynamikbereich und großem Regelbereich umzusetzen. Es ist auch denkbar, dass jeder zweite Regelkreis ein eigenes zweites Eingangssignal hat. Die zweiten Regelkreise können kaskadiert sein. Dabei können vorgeschaltete zweite Regelkreise nachgeschaltete zweite Regelkreise in ihre Regelbereiche bringen bzw. dort halten. Insbesondere können in der Kaskadierung vorgeschaltete zweite Regelkreise eine gröbere Einstellgenauigkeit haben als die nachgeschalteten Regelkreise. Dies kann durch geeignete Wahl der Aktuatoren oder der verwendeten zweiten Eingangssignale realisiert werden. Vorteilhafterweise greifen die kaskadierten zweiten Regelkreise auf verschiedene Aktuatoren zu, die unterschiedliche Einstellgenauigkeiten haben können.
Die zweiten Regelkreise mit den zugeordneten Aktuatoren können so ausgelegt sein, dass sie in der Lage sind, den Ist-Wert des Freiheitsgrades zuverlässig auf den vorbe- stimmten Sollwert zu regeln, sofern sich der Ist-Wert in dem Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit befindet. Der Einfangbereich kann durch mehrere Eigenschaften der zweiten Kontrolleinheit begrenzt sein. Wenn beispielsweise als Aktuator von der zweiten Kontrolleinheit ein piezoelektrisches Stellelement zum Verfahren eines Resonatorspiegels verwendet wird, kann der Einfangbereich durch den begrenzten Verfahrweg des piezoe- lektrischen Stellelements limitiert sein. Es ist auch denkbar, dass ein zur Stabilisierung benutztes Fehlersignal (z.B. die Differenz zwischen dem betreffenden zweiten Eingangssignal und dem vorgegebenen Sollwert des Freiheitsgrades) außerhalb eines bestimmten Bereichs stark gedämpft wird, so dass keine Stabilisierung möglich ist. Es ist auch denkbar, dass das zur Stabilisierung verwendete zweite Eingangssignal außerhalb eines De- tektionsbereichs liegt. Dies kann insbesondere problematisch sein, wenn die Offsetfrequenz f0 eines Frequenzkamms geregelt werden soll.
Die zweiten Regelkreise können sowohl Phasenregelkreise (sog. Phase locked loops) als auch Frequenzregelkreise enthalten, wie sie aus der Regelungstechnik bekannt sind. Diese können sowohl in der Form elektronischer Schaltkreise als auch in Software realisiert sein.
Um den Ist-Wert des Freiheitsgrades in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit zu bringen, kann die erste Kontrolleinheit mehrere erste Regelkreise umfassen. Vorteilhafterweise werden diese sequentiell nacheinander verwendet. In einer einfachen Ausführungsform ist es auch denkbar, dass die erste Kontrolleinheit lediglich einen ersten Regel- kreis umfasst. Die ersten Regelkreise können zur Regelung des Ist-Werts das zumindest eine erste Eingangssignal verwenden. Es ist denkbar, dass das zumindest eine erste Eingangssignal das zweite Eingangssignal umfasst. Damit kann eine ohnehin vorzusehende Messeinrichtung zum Bestimmen des zweiten Eingangssignals von der ersten Kontrolleinheit mit ver- wendet werden. Vorteilhafterweise umfasst das zumindest eine erste Eingangssignal zumindest ein Signal, das nicht von der zweiten Kontrolleinheit verwendet wird. Ein solches erstes Eingangssignal ist sinnvollerweise in einem größeren Bereich messbar als die von der zweiten Kontrolleinheit verwendeten Signale. Mit einer Vergrößerung des Messbereichs geht im Allgemeinen eine gewisse Verschlechterung der Messauflösung einher. Nachdem mit der ersten Kontrolleinheit der Ist-Wert des Freiheitsgrads allerdings lediglich in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht werden muss, kann dies für die erste Kontrolleinheit hingenommen werden. Für ein von der ersten Kontrolleinheit verwendetes Signal ist ein breiter Detektionsbereich wichtiger als eine hohe Auflösung, da so auch weit vom Sollwert entfernte Ist-Werte des Freiheitsgrades detektiert und in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht werden können.
Es ist vorteilhaft, wenn die erste Kontrolleinheit einen oder mehrere zweite Regelkreise wahlweise aktiviert. So kann die Regelung durch die zweite Kontrolleinheit direkt von der ersten Kontrolleinheit aktiviert werden, sobald der Ist-Wert in dem Einfangbereich liegt. Vorteilhafterweise können mehrere zweite Regelkreise getrennt aktiviert werden. So kann jeweils ein situationsbedingt am besten geeigneter zweiter Regelkreis aktiviert werden. Es ist auch denkbar, alle oder mehrere zweiten Regelkreise zusammen zu aktivieren, beispielsweise, wenn diese kaskadiert sind.
Die erste Kontrolleinheit kann eine Zustandsmaschine umfassen, die zum Aktivieren der zweiten Regelkreise ausgelegt sein kann. Die Zustandsmaschine kann auch die sequen- tielle Verwendung der ersten Regelkreise koordinieren. Dazu kann der Zustandsmaschine das gemessene zumindest eine Signal zugeführt werden. Unter Verwendung der Zustandsmaschine lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren weiter automatisieren. So kann ein zuverlässiges vollautomatisches Aktivieren einer Frequenzkammstabilisierung umgesetzt werden, ohne dass„von Hand" Aktuatoren„blind" verfahren werden müssen, bis eine Stabilisierung greift.
Es kann vorteilhaft sein, wenn die erste Kontrolleinheit einen oder mehrere der von den zweiten Regelkreisen kontrollierten Aktuatoren parallel oder alternativ zu der zweiten Kontrolleinheit verwendet und/oder einstellt. So kann die Zahl der notwendigen Aktuato- ren reduziert werden.
Es ist auch denkbar, dass zumindest ein Aktuator durch die erste Kontrolleinheit angesteuert wird, der unabhängig von der zweiten Kontrolleinheit ist. Dieser Aktuator kann einen größeren Einstellbereich haben als die von der zweiten Kontrolleinheit kontrollierten Aktuatoren. Damit können auch weit vom Sollwert wegliegende Ist-Werte in den Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit gebracht werden. Eine möglicherweise mit dem größeren Einstellbereich einhergehende Reduktion der Einstellgenauigkeit kann in der ersten Kontrolleinheit im Allgemeinen hingenommen werden. Die erste und die zweite Kontrolleinheit können dazu ausgelegt sein, jeweils zumindest ein Aktuatorsignal zu verarbeiten, welches den Stellwert eines Aktuators repräsentiert.
Zweckmäßigerweise hat das von der ersten Kontrolleinheit verwendete, zumindest eine erste Eingangssignal einen möglichst großen Gültigkeitsbereich, vorzugsweise im Wesentlichen zentriert um den Sollwert.„Gültigkeitsbereich" bezeichnet dabei den Wertebe- reich des Freiheitsgrads, in dem die Bestimmung des zumindest einen ersten Eingangssignals einen korrekten Messwert liefert. Vorteilhafterweise ist der Gültigkeitsbereich des ersten Eingangssignals größer als der Einfangbereich der zweiten Kontrolleinheit, insbesondere zumindest fünfmal, zehnmal oder zwanzigmal einhundertmal oder sogar zehntausendmal so groß. Wird der Modenabstand frep zur Bestimmung des ersten Eingangs- Signals gemessen, kann der Einfangbereich 500 Hz (Messung per Phasendetektor) umfassen und der Gültigkeitsbereich 10 MHz (Messung per Zähler). Wird die Offsetfrequenz f0 zur Bestimmung des ersten Eingangssignals gemessen, kann der Einfangbereich 2 MHz umfassen und der Gültigkeitsbereich 20 MHz.
Sollte der Ist-Wert des Freiheitsgrades dennoch außerhalb des Gültigkeitsbereichs des ersten Eingangssignals liegen, ist es zweckmäßig, wenn die erste Kontrolleinheit dies mithilfe eines weiteren ersten Eingangssignals erkennen kann und dann einen Stellwert mindestens eines Aktuators verändert, bis der Gültigkeitsbereich wieder erreicht ist. Vorteilhafterweise wird der Stellwert des mindestens einen Aktuators dabei gleichmäßig verändert, beispielsweise in konstanten Schritten. So kann sichergestellt werden, dass der Gültigkeitsbereich wieder erreicht wird. Alternativ kann der Stellwert des Aktuators sto- chastisch verändert werden, um möglichst schnell wieder in den Gültigkeitsbereich zu kommen. Vorteilhafterweise wird außerhalb des Gültigkeitsbereiches der mindestens eine Aktuator abhängig von einem oder mehreren vorausgegangenen Zuständen der ersten Kontrolleinheit angesteuert, um den Ist-Wert möglichst effizient wieder in den Gültigkeitsbereich zu bringen. Das Verändern des Stellwerts mindestens eines Aktuators kann von der Zustandsmaschine der ersten Kontrolleinheit gesteuert werden. Dies ist vorteilhaft, da die Zustandsmaschine ohnehin zum Ansteuern der Aktuatoren ausgelegt ist. Zudem kann so der Prozess weiter automatisiert werden. Die Zustandsmaschine kann dazu einen Funktionsgenerator ansteuern, der abhängig von der Eingabe der Zustandsmaschine ein Steuersignal/mehrere Steuersignale an einen oder mehrere Aktuatoren ausgibt. Zum Überprüfen, ob sich der Ist-Wert innerhalb des Gültigkeitsbereichs befindet, kann ein Leistungspegel eines Schwebungssignals bestimmt werden. Dazu kann ein den optischen Frequenzkamm bildender Laserpuls dazu gebracht werden, mit einem Referenzsignal bekannter Frequenz zu interferieren. Dabei entsteht eine Schwebung, deren Schwe- bungsfrequenz der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz fm einer Mode des Fre- quenzkamms und der Frequenz des Referenzsignals entspricht. Das optische Schwe- bungssignal kann in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, beispielsweise über eine Photodiode, und dann durch einen Frequenzfilter geleitet werden. Durch Auswerten des Signalpegels kann bestimmt werden, ob die Schwebungsfrequenz in einem vorbestimmten Bereich liegt (Durchlassbereich des Frequenzfilters). Bei geeigneter Wahl des Referenzsignals und des Frequenzfilters kann so bestimmt werden, ob sich der Ist-Wert innerhalb des Gültigkeitsbereichs befindet. Das Schwebungssignal kann z.B. auch von einem f:2f-lnterferometer erzeugt werden. Da im Rahmen der vorliegenden Erfindung ohnehin Kapazitäten zum Bestimmen eines Signals bereitgestellt werden müssen, welches mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades korreliert, kann ohne großen Zusatzaufwand festge- stellt werden, ob eine erfolgreichen Stabilisierung des Freiheitsgrades erfolgt ist. Dazu kann bestimmt werden, ob der Ist-Wert in einem bestimmten Bereich um den Sollwert liegt, vorzugsweise über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg. Wird ein Zustand erfolgreicher Stabilisierung erfasst, kann dieser angezeigt oder in einer Meldung ausgegeben werden. So wird ermöglicht, den Frequenzkamm in ein übergeordnetes automatisiertes System zu integrieren. Der Frequenzkamm kann an eine Einheit des übergeordneten Systems melden, ab wann er für eine Verwendung durch dieses System bereitsteht. Damit ist kein Beaufsichtigen der Einschaltprozedur des Frequenzkamms durch einen Benutzer nötig. Im Folgenden sollen die Erfindung und ihre Vorteile anhand von Zeichnungen weiter verdeutlicht werden. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer beispielhaften Lasereinrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann, Figur 2 eine Frequenzraumdarstellung von Moden eines beispielhaften Frequenzkamms, wobei auf der horizontalen Achse die Frequenz und auf der vertikalen Achse die Lichtintensität aufgetragen ist,
Figur 3 eine schematische Darstellung einiger relevanter Wertebereiche für den erfindungsgemäßen Freiheitsgrad eines Frequenzkamms, und Figur 4 eine schematische Darstellung zumindest eines Teils eines Signalverarbeitungssystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
Eine beispielhafte Lasereinrichtung 1 , die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann, ist in Figur 1 gezeigt. Es ist allerdings zu beachten, dass mit dem erfin- dungsgemäßen Verfahren auch andere Lasereinrichtungen betrieben werden können, solange das Bereitstellen eines optischen Frequenzkamms möglich ist.
Bei der Lasereinrichtung 1 aus Figur 1 ist ein laseraktives Ivledium 2 auf einer optischen Achse 3 eines Resonators 4 vorgesehen. Bei dem laseraktives Medium 2 kann es sich beispielsweise um einen Ti:Sa-Kristall handeln. Es sind auch andere laseraktive Medien, insbesondere Laserkristalle, wie z.B. Yb:YAG, CnLiSAF oder CrForsterite denkbar. Das laseraktive Medium 2 wird mit von einem außerhalb des Resonators 4 angeordneten Pumplaser 5 generierter Pumplaserstrahlung P gepumpt.
Der Resonator 4 kann mehrere Resonatorspiegel 6a, 6b, 6c, 6d umfassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Resonator 4 ein linearer Resonator. In diesem Fall bilden zwei Resonatorspiegel, die Spiegel 6a und 6b, Resonatorendspiegel. Auf der optischen Achse 3 des Resonators 4 können zwischen den Resonatorendspiegeln 6a, 6b in beliebiger Anzahl weitere Resonatorspiegel 6c, 6d angeordnet sein. Alternativ ist es denkbar, den Resonator 4 als Ringresonator auszubilden, so dass der Resonator 4 keine Resonatorendspiegel aufweist. Einer der Resonatorspiegel 6d ist vorteilhafterweise als Einkoppelspiegel ausgebildet, der zum Einkoppeln von Pumplaserstrahlung P geeignet ist. Zudem ist vorzugsweise ein Auskoppelspiegel (in Figur 1 der Resonatorspiegel 6b) zum Auskoppeln von Laserlicht aus dem Resonator 4 vorgesehen. Für eine verbesserte Strahlführung kann es zweckmäßig sein, wenn einige Resonatorspiegel 6a, 6b, 6c, 6d gekrümmt sind. Es ist auch denkbar, wenn einer oder mehrere Resonatorspiegel ein gechirpter Spiegel ist/sind. So kann eine verbesserte Dispersionskompensation im Resonator 4 erreicht werden. Es kann vorteilhaft sein, ein modenkoppelndes Element 7 im Resonator 4 vorzusehen, beispielsweise eine Kerrlinse oder einen sättigbaren Absorber. Es ist auch denkbar, dass im Resonator 4 kein laseraktives Medium 2 vorgesehen ist, sondern die Laserstrahlung über einen Einkoppelspiegel direkt in den Resonator 4 eingekoppelt wird (ähnlich der Pumplaserstrahlung P). Bei der im Resonator 4 umlaufenden Strahlung kann es sich insbesondere um gepulste Laserstrahlung handeln, insbesondere kurze oder ultrakurze Laserpulse.
Figur 2 zeigt in Frequenzraumdarstellung die Lage der Moden eines zu der im Resonator 4 umlaufenden optischen Strahlung gehörigen optischen Frequenzkamms. Der optische Frequenzkamm weist eine Vielzahl von Moden mit Intensität l(f) auf, deren Frequenzen im Frequenzraum f durch die Formel fm = m x frep + f0 beschreibbar sind, wobei m eine natürliche Zahl, frep ein Modenabstand und f0 eine Offsetfrequenz sind. Die Lage der Moden des Frequenzkamms ist demnach durch die beiden Parameter Offsetfrequenz f0 und Modenabstand frep festgelegt.
Im oder am Resonator 4 können einer oder mehrere Aktuatoren 8a, 8b, 8c, 8d, 8e vorgesehen sein, mit deren Hilfe die Lage der Moden des Frequenzkamms einstellbar sind. Bei einem Aktuator kann es sich beispielsweise um eine Einrichtung zum Einstellen der Resonatorlänge, insbesondere zum Verschieben eines Resonatorendspiegels 6a entlang der optischen Achse 3 des Resonators 4, handeln, insbesondere einen mechanischen Schrittmotor 8a, einen piezoelektrischen Motor 8b und/oder einen elektrooptischen Modulator (EOM). Für die vorliegende Erfindung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, für das Einstellen der Resonatorlänge mehrere Aktuatoren mit unterschiedlicher Einstellgenauigkeit und einem unterschiedlichen Einstellbereich bereitzustellen. Dies ermöglicht, je nach Situation, entweder über einen großen Bereich oder mit erhöhter Genauigkeit einzustellen. Dazu ist zum Verschieben des Resonatorendspiegels 6a ein mechanischer Schrittmotor 8a und ein piezoelektrischer Motor 8b vorgesehen, wobei die Einstellschrittweite des piezoelektrischen Motors 8b feiner ist als die des mechanischen Schrittmotors 8a. Es ist auch denkbar, einen piezoelektrischen Motor 8b und einen elektrooptischen Modulator vorzusehen, wobei die Einstellschrittweite des elektrooptischen Modulators feiner ist als die des piezoelektrischen Motors 8b.
Weitere denkbare Aktuatoren, die alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein können, sind eine Vorrichtung zum Einbringen eines optischen Prismas 9 in den Strahlengang des Resonators 4. Dies kann wiederum durch einen mechanischen Schrittmotor 8a und/oder einen piezoelektrischen Motor 8b bewerkstelligt werden. Durch Einbringen des optischen Prismas 9 in den Strahlengang des Resonators 4, beziehungsweise durch Verschieben der Lage des Prismas 9 in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse 3 des Resonators 4, lässt sich sowohl der Modenabstand fm des Frequenzkamms (über Effekte des Prismas 9 auf die Repetitionsrate) als auch die Offsetfrequenz f0 (über dispersive Effekte des Prismas 9) verändern. Zum Verändern der Offsetfrequenz f0 ist es auch denkbar, als Aktuator eine Verkippvorrichtung 8e für einen Endspiegel 6b des Resonators 4 vorzusehen. Dazu kann der Endspiegel 6b beispielsweise um eine zur optischen Achse 3 des Resonators 4 senkrecht stehende Achse verkippt werden.
Ein Beispiel für einen nicht direkt an oder im Resonator 4 vorgesehenen Aktuator ist ein Leistungsregeier 8d für die Leistung des Pumplasers 5. Durch Verändern der Pumpleistung lässt sich über insbesondere nichtlineare Intensitätsabhängigkeiten dispersiver Eigenschaften im Resonator 4, insbesondere im laseraktiven Medium 2, die Lage der Frequenzen des Frequenzkamms anpassen.
In Figur 1 sind zu illustrativen Zwecken mehrere Aktuatoren 8a, 8b, 8c, 8d, 8e gezeigt. Es kann aber auch eine geringere Anzahl von Aktuatoren vorgesehen sein, beispielsweise einer, zwei oder drei. Auch das Vorsehen weiterer Aktuatoren ist denkbar.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein Signal S1 , S2, S3, S4 bestimmt, welches mit einem Ist-Wert eines Freiheitsgrades F des Frequenzkamms korreliert. Der Freiheitsgrad kann dabei im Sinne der vorliegenden Erfindung eine beliebige Linearkombination aus der Off- setfrequenz f0 und dem Modenabstand frep des optischen Frequenzkamms sein. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, wenn der Freiheitsgrad dem Modenabstand frep oder der Offsetfrequenz f0 entspricht und damit das Signal mit einem Ist-Wert des Modenabstands frep oder der Offsetfrequenz f0 korreliert.
In dem Fall, dass der Freiheitsgrad F dem Modenabstand frep des Frequenzkamms entspricht, kann das zumindest eine Signal S1 , S2, S3, S4 durch Auswerten einer Schwe- bung benachbarter Moden des Frequenzkamms bestimmt werden. Dazu kann beispielsweise die Anzahl der Schwingungen des Schwebungssignals in einem bestimmten Zeitintervall mittels eines Photodetektors M1 , M2 bestimmt werden.
In dem Fall, dass als Freiheitsgrad F die Offsetfrequenz f0 herangezogen wird, kann das Bestimmen des zumindest einen Signals mittels eines f:2f-lnterferometers durchgeführt werden. Dabei wird eine Komponente der zu dem Frequenzkamm gehörigen optischen Strahlung frequenzverdoppelt und mit einer nicht frequenzverdoppelten Komponente der optischen Strahlung überlagert. Die entstehende Schwebung weist eine Frequenz auf, die der Offsetfrequenz f0 des Frequenzkamms entspricht, und kann mit bekannten Mitteln gemessen werden. In Figur 1 sind zwei Messeinrichtungen M1 , M2 dargestellt, die eine oder mehrere Messungen für das Bestimmen des zumindest einen Signals S1 , S2, S3, S4 durchführen. Dabei kann ein zu dem Frequenzkamm korrespondierender Laserpuls vermessen werden. Es ist auch denkbar, dass lediglich eine oder mehr als zwei Messeinrichtungen M1 , M2 vorgesehen sind. Ein den Resonator 4 an dem Auskoppelspiegel 6b verlassender Laser- puls wird in der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform an einem ersten Strahlteiler D1 in zwei Subpulse aufgeteilt. Einer der Subpulse wird für eine anwendungsgemäße Verwendung weiter geführt. Der andere Subpuls wird an einem zweiten Strahlteiler D2 weiter geteilt. Die dabei entstehenden beiden Subpulse zweiter Generation werden jeweils einer der Messeinrichtungen M1 , M2 zugeführt. Auch eine andere Positionierung der Messein- richtungen M1 , M2 ist denkbar, beispielsweise in dem Resonator 4. Bei den Messeinrichtungen M1 , M2 kann es sich um Interferometer oder Photodioden oder andere Messeinrichtungen handeln.
Wie im Folgenden erläutert wird, wird der Ist-Wert des Freiheitsgades F auf einen Sollwert Fsoii geregelt. Ein solches Regeln ist erfüllt, wenn der Ist-Wert des Freiheitsgrades F in- nerhalb eines nachfolgend näher beschriebenen, den Sollwert FSon umfassenden Stabilisierungsbereichs AFsta iiisiemng liegt. Figur 3 zeigt die gegenseitige Beziehung zwischen dem Sollwert FSOII und dem Stabilisierungsbereich AFstabiiisiemng und deren Relation zu wei¬ teren nachfolgend beschriebenen Wertebereichen des Ist-Werts des Freiheitsgrades F, nämlich dem Einfangbereich AFEmf3ng der nachfolgend beschriebenen zweiten Kontrolleinheit 40 und dem Gültigkeitsbereich AFGüitigkeit des zumindest einen Signals S 1 , S2, S3, S4. Figur 4 zeigt ein Signalverarbeitungsschema, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer Ausführungsform realisiert werden kann.
Von den Messeinrichtungen M 1 , M2 erhaltene Messwerte W1 , W2 können direkt ein mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F des Frequenzkamms korrelierendes Signal darstellen. Es ist auch denkbar, dass das zumindest eine Signal S1 , S2, S3, S4 aus einem Messwert W1 , W2 durch Weiterverarbeiten hervorgeht. Beispielsweise kann ein Messwert W2 durch eine Weiterverarbeitungseinheit 20, 22, 24 in das Signal umgewandelt werden, insbesondere durch Verstärken, Normierung, Frequenzmischung und/oder Pegelmessung. Wie in Figur 4 gezeigt, können aus einem Messwert W2 der Messeinrichtung M2 durch jeweils unterschiedliche Weiterverarbeitung durch die Weiterverarbeitungseinheiten 20, 22, 24 mehrere Signale S2, S3, S4 hervorgehen, die zu dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelieren. Der Messwert W1 der Messeinrichtung M1 dagegen wird direkt als Signal S1 verwendet.
Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass lediglich ein einziges mit einem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelierendes Signal S1 , S2, S3, S4 bestimmt wird. Vorteilhafterweise werden aber zwei, drei, vier, fünf oder mehr Signale S1 , S2, S3, S4 bestimmt, die mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelieren.
Ein von einer ersten Messeinrichtung M 1 ermitteltes, mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelierendes Signal S1 wird als erstes Eingangssignal an eine erste Kontrolleinheit 10 übermittelt. Ein erster Regelkreis 12 der ersten Kontrolleinheit 10 empfängt dieses erste Eingangssignal. Es ist denkbar, dass weitere erste Regelkreise 12 vorgesehen sind, die ebenfalls dieses erste Eingangssignal oder alternativ ein anderes, mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korrelierendes Signal erhalten können. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform wird ein von einem Messwert W2 der zweiten Messeinrichtung M2 durch die Weiterverarbeitungseinheit 20 abgeleitetes, weiteres Signal S2 als weiteres erstes Eingangssignal an einen weiteren ersten Regelkreis 12 der ersten Kontrolleinheit 10 übermittelt. Vorzugsweise werden die ersten Regelkreise 12 sequentiell nacheinander verwendet. Die sequentielle Verwendung der ersten Regelkreise 12 wird vorzugsweise durch eine Zu- standsmaschine 30 der ersten Kontrolleinheit 10 geregelt. Die Zustandsmaschine 30 kann dazu ebenfalls das zumindest eine erste Eingangssignal empfangen und abhängig von zumindest einem ersten Eingangssignal entscheiden, in der Sequenz der ersten Regelkreise 12 weiter fortzufahren. Dazu kann die Zustandsmaschine 30 die ersten Regelkreise 12 aktivieren oder deaktivieren, vorzugsweise einzeln. Vorteilhaft ist es, wenn der Zustandsmaschine 30 alle Signale aus der Menge des zumindest einen bestimmten Signals S1 , S2, S3, S4 zugeführt werden.
Mit der ersten Kontrolleinheit 10 wird erfindungsgemäß basierend auf dem zumindest einen ersten Eingangssignal der Ist-Wert des Freiheitsgrades F in einen vorbestimmten Einfangbereich AFEinfang einer zweiten Kontrolleinheit 40 eingestellt. Dazu haben die ersten Regelkreise 12 Zugriff auf einen oder mehrere Aktuatoren 8a, 8b, 8d. Es ist dabei denkbar, dass die ersten Regelkreise 12 alle denselben Aktuator 8a, 8b, 8d ansteuern. Alternativ können die ersten Regelkreise 12 verschiedene Aktuatoren 8a, 8b, 8d ansteuern, um Zugang zu verschiedenen Einstellbereichen zu haben. In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform greifen die beiden ersten Regelkreise 12 auf den Schrittmotor 8a zum Verschieben des Resonatorendspiegels 6a zu.
Vor Allem direkt nach dem Einschalten des Frequenzkamms kann es vorkommen, dass der Ist-Wert des Freiheitsgrades F außerhalb eines festgelegten Gültigkeitsbereiches AFGÜ|tigkeit eines Signals aus der Menge des zumindest einen bestimmten Signals S1 , S2, S3, S4 liegt. Der Gültigkeitsbereich AFG_itigkeit kann dabei für jedes Signal S1 , S2, S3, S4 verschieden sein und der Wertebereich des Ist-Werts sein, in dem das Signal S1 , S2, S3, S4 derart mit dem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korreliert, dass zwischen dem Signal S1 , S2, S3, S4 und dem Ist-Wert eine eins-zu-eins-Beziehung besteht. In anderen Worten ist der Gültigkeitsbereich AFGüitigkeit der Bereich, in dem der Ist-Wert durch Bestimmen des Signals S1 , S2, S3, S4 korrekt bestimmt wird.
Es kann überprüft werden, ob sich der Ist-Wert innerhalb des Gültigkeitsbereichs AFGüitigkeit befindet. Dies kann beispielsweise durch Auswerten eines der zu dem Ist-Wert des Frei- heitsgrades F korrelierenden Signale S1 , S2, S3, S4 durch die Zustandsmaschine 30 erfolgen. Wird beispielsweise durch die zweite Messeinrichtung M2 eine Schwebung zweier aufeinanderfolgender Frequenzkammmoden bereitgestellt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, kann die Weiterverarbeitungseinheit 22 als Schwebungsanalysator ausgebildet sein. Durch diesen wird das elektrische Schwebungssignal zuerst durch einen Frequenzfilter geleitet, der nur für Frequenzen in einem bestimmten Bereich durchlässig ist, und dann der Leistungspegel hinter dem Frequenzfilter als Signal S3 an die Zustandsma- schine 30 weitergegeben. Diese kann dann anhand des Leistungspegels bestimmen, ob sich der Ist-Wert des Freiheitsgrades F, beispielsweise des Modenabstands frep, innerhalb des Gültigkeitsbereichs AFGüitigkeit eines Signals S1 , S2, S3, S4 befindet.
Wenn der Ist-Wert außerhalb des festgelegten Gültigkeitsbereichs AFGüitigkeit eines als erstes Eingangssignal zur Ansteuerung eines Aktuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e verwendeten Sig- nals S1 , S2 liegt, wird der Einstellvorgang durch die das betreffende Signal S1 , S2 verwendenden ersten Regelkreise 12 temporär ausgesetzt.
Befindet sich der Ist-Wert für alle als erste Eingangssignale verwendeten Signale S1 , S2 außerhalb des betreffenden Gültigkeitsbereichs AFGüitigkeit, werden sämtliche ersten Regelkreise 12 deaktiviert und der Einstellwert zumindest eines Aktuators (z.B. des Schritt- motors 8a in Figur 4) stochastisch oder gleichmäßig verändert, bis der Gültigkeitsbereich AFcuitigkeit wieder erreicht ist, um wieder in den Bereich zuverlässiger Messungen und damit einer sinnvollen Einstellung durch die ersten Regelkreise 12 zu kommen. Dazu kommuniziert die Zustandsmaschine 30 mit einem Funktionsgenerator G, der abhängig von einer Eingabe der Zustandsmaschine 30 die stochastische oder gleichmäßige Verände- rung des Aktuatorstellwerts steuert. Nachdem der Zustandsmaschine 30 Informationen über vorausgehende Signale S1 , S2, S3, S4 und Aktuatoreinstellungen vorliegen, kann die Zustandsmaschine 30 den Funktionsgenerator G abhängig von vorausgegangenen Zuständen ansteuern, um möglichst schnell wieder in den Gültigkeitsbereich AFGuitigkeit zumindest eines als erstes Eingangssignal verwendeten Signals S1 , S2 zu gelangen. Basierend auf zumindest einem der Zustandsmaschine 30 bereitgestellten, mit einem Ist- Wert des Freiheitsgrads F korrelierenden Signal S1 , S2, S3, S4 bestimmt die Zustandsmaschine 30, ob der Ist-Wert in dem Einfangbereich AFEinfang der zweiten Kontrolleinheit 40 liegt. Wie in Figur 3 dargestellt, kann der Einfangbereich AFEinfang der zweiten Kontrolleinheit 40 innerhalb des Gültigkeitsbereichs AFGüitigkeit liegen, wobei der Sollwert FSOII in- nerhalb des Gültigkeitsbereichs AFGüitigkeit und des Einfangbereichs AFEinfang liegt, vorzugsweise im Wesentlichen zentriert. Der Einfangbereich AFEinfang kann sinnvollerweise bestimmt sein als der Bereich, in dem die zweite Kontrolleinheit 40 den Ist-Wert auf den Sollwert FSOII regeln kann. Dazu liegt der Sollwert FSOII innerhalb des Einfangbereichs AFEinfang, vorzugsweise zentriert. Ein Regeln des Ist-Werts auf den Sollwert FSoii ist erfindungsgemäß dann erfüllt, wenn der Ist-Wert in einem den Sollwert enthaltenden, insbe- sondere um den Sollwert FSon zentrierten, Stabilisierungsbereich AFstabiiisierung liegt, einem Teilbereich des Einfangbereichs AFEinfang- Der Stabilisierungsbereich AFStabiiisiemng kann dabei Abweichungen des Ist-Werts von dem Sollwert FSon um weniger als 1 %, weniger als 3%, weniger als 5% oder weniger als 10% des Sollwerts FSon erlauben. Alternativ kann der Stabilisierungsbereich AFStabiiisier_ng eine Abweichung des Ist-Werts von dem Sollwert FSon um nur einige Hz oder auch mHz erlauben, beispielsweise um höchstens 1 tmHz, 10 mHz 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz oder 50 Hz.
Wenn durch die Zustandsmaschine 30 bestimmt wird, dass der Ist-Wert innerhalb des Einfangbereichs AFEinfang der zweiten Kontrolleinheit 40 liegt, wird die zweite Kontrolleinheit 40 aktiviert, vorzugsweise durch die Zustandsmaschine 30. Daraufhin wird der Ist- Wert mit Hilfe der zweiten Kontrolleinheit 40 auf den Sollwert FSon geregelt. Dazu weist die zweite Kontrolleinheit 40 einen oder mehrere zweite Regelkreise 42 auf. Diese kontrollieren einen oder mehrere Aktuatoren 8a, 8b, 8c, 8d, 8e zum Beeinflussen des Ist-Werts. Die zweite Kontrolleinheit 40 kann dabei auf Aktuatoren 8a, 8b, 8c, 8d, 8e zugreifen, die auch von der ersten Kontrolleinheit 10 verwendet werden. Dies ist in dem in Figur 4 ge- zeigten Ausführungsbeispiel für den Schrittmotor 8a der Fall. Zusätzlich oder alternativ können die zweiten Regelkreise 42 einen oder mehrere Aktuatoren 8a, 8b, 8c, 8d, 8e kontrollieren, die von der ersten Kontrolleinheit 10 nicht verwendet werden. Dies ist in Figur 4 der Fall für den piezoelektrischen Motor 8b und den Leistungsregler 8d für die Pumplaserstrahlung P. Selbstverständlich können auch andere oder weitere Aktuatoren angesteuert werden, wie z.B. ein elektrooptischer Modulator 8c oder eine Verkippvorrichtung 8e für einen Resonatorspiegel 6a - 6d oder eine rotierbare Wellenplatte wie sie aus der nachveröffentlichten DE 10 2014 204 941.5 bekannt ist.
Die zweiten Regelkreise 42 der zweiten Kontrolleinheit 40 kontrollieren die entsprechenden Aktuatoren 8a, 8b, 8d basierend auf einem ihnen als zweites Eingangssignal übermit- telten Signals S4 aus der Menge des zumindest einen Signals S1 , S2, S3, S4, das mit einem Ist-Wert des Freiheitsgrades F korreliert. Es ist auch denkbar, dass der zweiten Kontrolleinheit 40 mehrere zweite Eingangssignale zugeführt werden, auf denen basie- rend die zweiten Regelkreise 42 die Aktuatoren 8a, 8b, 8c, 8d, 8e kontrollieren können. In dem Ausführungsbeispiel von Figur 4 wird das einzelne zweite Eingangssignal von dem Messwert W2 der zweiten Messeinrichtung M2 über die Weiterverarbeitungseinheit 24 abgeleitet. Die zweiten Regelkreise 42 sind, wie in Figur 4 gezeigt, vorzugsweise kaskadiert vorgesehen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die zweiten Regelkreise 42 jeweils auf verschiedene Aktuatoren 8a, 8b, 8c, 8d, 8e zugreifen. Um die Signalnutzung möglichst zu optimieren, kann es vorteilhaft sein, wenn die erste Kontrolleinheit 10 zumindest ein zweites Eingangssignal erhält. Dieses kann an eine oder mehrere erste Regelkreise 12 aus- gegeben werden. Insbesondere sollte die Zustandsmaschine 30 die zweiten Eingangssignale erhalten. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Zustandsmaschine 30 die Kaskadierung der zweiten Regelkreise 42 kontrolliert. Dazu kann die erste Kontrolleinheit 10, insbesondere die Zustandsmaschine 30, einen oder mehrere zweite Regelkreise 42 aktivieren oder deaktivieren, vorzugsweise getrennt. Anhand der ihr zur Verfügung stehenden Daten, insbesondere den ersten oder zweiten Eingangssignalen, kann die Zustandsmaschine 30 beurteilen, ob ein Zustand erfolgreicher Stabilisierung des Frequenzkamms erreicht wurde. Dies ist der Fall, wenn der Ist- Wert des Freiheitsgrads F mit dem Sollwert FSOII übereinstimmt oder in dem Stabilisierungsbereich AFstabiiisierung liegt. Daraufhin kann die Zustandsmaschine 30 eine den Zu- stand der erfolgreichen Stabilisierung angebende Meldung anzeigen oder weitergeben. Beispielsweise kann eine solche Meldung auf einen Bildschirm 80 ausgegeben werden oder in einen Computer eingelesen werden.
Die Zustandsmaschine 30 sowie keiner, einer oder mehrere der ersten Regelkreise 12 und/oder der Funktionsgenerator G können als computerausführbares Programm imple- mentiert sein, vorzugsweise gespeichert auf einem computerlesbaren Medium.
Als erfindungsgemäße Frequenzkammgeneratoren kommen insbesondere Faserlaser in Betracht, insbesondere solche, die einen Nichtlinearen optischen Spiegel (NOLM, nonlinear optical loop mirror) oder sättigbare Absorber enthalten. Eine bevorzugte Ausführung enthält polarisationserhaltende Fasern. Das sorgt für besonders gute Stabilität des erzeugten Frequenzkammes. Als Beispiel kann das automatische Stabilisieren des Modenabstandes eines Frequenzkammes betrachtet werden mit den folgenden Schritten: a) Detektion des Modenabstandes z.B. durch Zählen der Pulswiederholrate des fs- Lasers mit einem elektronischen Zähler, z.B. 252MHz, b) .Einlesen der Zählerwerte in einen Rechner, Weiterleiten der Zählerwerte an eine softwarebasierte Zustandsmaschine, die die weiteren Schritte steuert, c) .Vergleich mit dem vorgegebenen Sollwert, z.B. von 250MHz, d) .Festlegung der Schrittweite und Richtung der Änderung (Repetitionsrate ist im gewählten Beispiel 2 MHz zu hoch), e) .Grobe Veränderung des Modenabstandes mit Hilfe eines Schrittmotors, der die Resonatorlänge des fs-Lasers verändert, hin zum Einfangbereich der 2. Regelung, f) .Iteration der letzten 3 Schritte c) bis e) (1. Regelung), g) .Wenn sich der Istwert im Einfangbereich der 2. Regelung befindet (z.B. mit Abweichung von maximal 1 KHz): Aktivierung der 2. Regelung, h) .Ab hier: Detektion über einen Phasendetektor 24, der ein Signal ausgibt, das proportional zur Phasendifferenz von Sollwert und Istwert ist.
Dann erfolgt die Regelung über einen piezoelektrischen Aktuator auf den Sollwert mit einer Abweichung von nur noch z.B. 1 mHz.Sollte die Stabilisierung„aus dem Lock fallen", z.B. durch äußere Umwelteinflüsse, wird das Verfahren wieder von vorne durchgeführt, d.h. beginnend mit Schritt a).

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (1) mit den Schritten:
a) Bereitstellen eines optischen Frequenzkamms, der eine Vielzahl von Moden aufweist, deren Frequenzen durch die Formel fm= m x frep + fo beschreibbar sind, wobei m eine natürliche Zahl, frep ein Modenabstand und f0 eine Offset- frequenz ist, b) Bestimmen zumindest eines Signals (S1 , S2, S3, S4), welches mit einem Ist- Wert eines Freiheitsgrades (F) korreliert, wobei der Freiheitsgrad (F) eine Linearkombination aus der Offsetfrequenz f0 und dem Modenabstand fre ist, c) an eine erste Kontrolleinheit (10) Übermitteln zumindest eines ersten Eingangssignals, wobei das zumindest eine erste Eingangssignal in der Menge des zumindest einen Signals (S1 , S2, S3, S4) enthalten ist, d) mit der ersten Kontrolleinheit (10) basierend auf dem zumindest einen ersten Eingangssignal Einstellen des Ist-Wertes des Freiheitsgrades (F) in einen vorbestimmten Einfangbereich (AFEinfang) einer zweiten Kontrolleinheit (40), e) Aktivieren der zweiten Kontrolleinheit (40), sobald der Einfangbereich (AFEinfang) der zweiten Kontrolleinheit (40) erreicht ist, und f) Regeln des Ist-Wertes mit Hilfe der zweiten Kontrolleinheit (40) auf einen Sollwert Fsoii-
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontrolleinheit (10) mehrere erste Regelkreise (12) umfasst, die sequenziell nacheinander verwendet werden, um den Ist-Wert des Freiheitsgrades (F) in den Einfangbereich (AFEinfang) der zweiten Kontrolleinheit (40) zu bringen. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sequenzielle Verwendung der ersten Regelkreise (12) durch eine Zustandsmaschine (30) geregelt wird.
4 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kontrolleinheit (40) einen einzelnen zweiten Regelkreis (42) oder eine Gruppe von kaskadierten zweiten Regelkreisen (42) umfasst, die basierend auf einem einzelnen, in der Menge des zumindest einen Signals enthaltenen zweiten Eingangssignals ( S4) einen oder mehrere Aktuatoren (8a, 8b, 8c, 8d, 8e) kontrollieren, wobei die in der Kaskadierung nachgeschalteten zweiten Regelkreise (42) dazu ausgelegt sind, die jeweils vorgeschalteten zweiten Regelkreise (42) jeweils in deren Regelbereichen zu halten.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Eingangssignal aus einem Schwebungssignal abgeleitet wird, und dass das Vorzeichen der Schwebungsfrequenz vor oder während der Aktivierung der zweiten Kontrolleinheit (40) bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine erste Eingangssignal das zweite Eingangssignal umfasst.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontrolleinheit (10) einen oder mehrere zweite Regelkreise (42) getrennt wahlweise aktiviert.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontrolleinheit (10) einen oder mehrere der von den zweiten Regelkreisen (42) kontrollierten Aktuatoren (8) parallel oder alternativ zu der zweiten Kontrolleinheit (42) einstellt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ansteuern eines oder mehrerer Aktuatoren (8), die unabhängig von der zweiten Kontrolleinheit (42) sind, durch die erste Kontrolleinheit (10).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontrolleinheit (10) mindestens ein Aktuator-Signal verarbeitet, welches den Stellwert eines Aktuators (8) repräsentiert. 1 1. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontrolleinheit (10), wenn der Ist-Wert außerhalb eines festgelegten Gültigkeitsbereiches (AFGüitigkeit) liegt, einen Stellwert mindestens eines Aktuators (8) sto- chastisch oder gleichmäßig verändert, bis der Gültigkeitsbereich (AFGuitigkeit) wieder erreicht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Überprüfung, ob sich der Ist-Wert innerhalb des Gültigkeitsbereiches (AFGüitigkeit) befindet, durch eine Bestimmung eines Leistungspegels eines Schwebungssignals vorgenommen wird. 13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Aktuator (8) abhängig von einem oder mehreren vorausgegangenen Zuständen der ersten Kontrolleinheit (10) angesteuert wird.
1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetfrequenz (f0) und der Modenabstand (frep) des Frequenzkamms stabilisiert werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch Erfassen eines Zustande erfolgreicher Stabilisierung und daraufhin Anzeigen oder Weitergabe einer den Zustand der erfolgreichen Stabilisierung angebenden Meldung.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, gekennzeichnet durch einen Algorithmus zur automatischen Rückkehr in den stabilisierten Betrieb, wenn der Zustand der Stabilisierung verlassen wurde, insbesondere durch eine Wiederholung der Schrit- te a) bis f) aus Anspruch 1.
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