EP3262727A1 - Stabilising optical frequency combs - Google Patents

Stabilising optical frequency combs

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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
actual value
freedom
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Pending
Application number
EP16707389.9A
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German (de)
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Inventor
Marc Fischer
Ronald Holzwarth
Olaf MANDEL
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Menlo Systems GmbH
Original Assignee
Menlo Systems GmbH
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Publication date
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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

The invention relates to a method for operating a laser device (1), by means of which an optical frequency comb can be stabilized, wherein the frequencies of the modes thereof are describable by the formula fm= m x frep + f0, where frep is a mode spacing, f0 is an offset frequency and m is a natural number. At least one signal (S1, S2, S3, S4) is determined, which correlates with an actual value of a degree of freedom (F), wherein the degree of freedom (F) is a linear combination of the offset frequency f0 and the mode spacing frep of the frequency comb. The actual value of the degree of freedom (F) is set in a predetermined capture range (F) of a second control unit (40) using a first control unit (10) on the basis of the signal. As soon as the capture range (ΔFcapture) of the second control unit (40) is reached, the second control unit (40) is activated and the actual value is regulated to an intended value (Fintended) with the aid of the second control unit (40).

Description

Stabilisieren optischer Frequenzkämme  Stabilizing optical frequency combs
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. The invention relates to the field of optical frequency combs. As explained below, the inventive method for stabilizing an optical frequency comb can be used. As is known, an optical frequency comb can be generated by providing a short or ultrashort laser pulse. Such a laser pulse may have a pulse duration in the range of picoseconds or femtoseconds. However, larger or smaller pulse durations are also conceivable, for example in the range from attose to ikrosecustomers. In the frequency domain, a sequence of laser pulses can be represented as a frequency comb. FIG. 2 shows such a representation as a frequency comb, wherein the optical intensity I is plotted against the frequency f. The frequency comb comprises modes at discrete optical frequencies f m . An envelope of the intensity profile can lie within the amplification bandwidth of a laser medium generating the laser pulse. The width of this envelope is inversely proportional to the pulse duration of the laser pulse.
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. As is known, the frequencies of the modes of an optical frequency comb can be described quite generally by the formula f m = mxf rep + fo, where m is a natural number and f rep and f 0 are the unit of a frequency. As can be seen from this formula and Figure 2, the frequencies of adjacent modes of the optical frequency comb on the distance f rep , which is referred to as the mode spacing of the frequency comb. If the frequency comb corresponds to a laser pulse circulating in a resonator, the mode spacing f rep corresponds to the pulse repetition frequency (= repetition rate) of the oscillator, that is to say to the inverse of the circulating time of the pulse in the oscillator. The modes of the frequency comb are normally not exactly at an integer multiple of f rep . As can be seen from the above formula and FIG. 2, the frequency comb can be shifted by an offset frequency f 0 . However, it is also conceivable that f 0 is equal to zero and thus the modes of the frequency comb lie at integer multiples of f rep . For a laser pulse circulating in a resonator, the presence of the offset frequency f 0 may be due to the fact that Speed of a circulating in the oscillator pulse differs from the phase velocity of the individual modes of the pulse.
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. It will be apparent to those skilled in the art that the description of the modes of the frequency comb by the formula f m = mxf rep + f 0 is an idealized representation. The modes of a real frequency comb can have a finite width in the frequency domain.
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. Optical frequency combs are used for example in the field of spectroscopy, in particular the spectroscopy of electronic transitions in atoms, or for very precise frequency measurements. Stabilizing a frequency comb in the context of the invention means stabilizing the position of at least one of the modes of the frequency comb An active stabilization may be necessary since the mode spacing f rep and the offset frequency f to 0 are extremely sensitive to external influences. For a laser pulse in a resonator even a small change in the cavity length and the repetition rate to a change in the offset frequency 0 can lead ridge must be a change in the mode spacing f rep of the frequency f. For example, a change in the lead dispersive properties in the resonator.
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. In DE 199 1 1 103 A1 and DE 100 44 404 A1, the stabilization of an optical frequency comb by controlling the two parameters offset frequency f 0 and mode spacing f m is disclosed. DE 199 11 103 A1 discloses to change the resonator length via a displaceable deflecting mirror in order to regulate the mode spacing of the frequency comb. In addition, it is disclosed to set the offset frequency by tilting a resonator end mirror or by introducing a prism pair into the beam path of the resonator.
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. After providing a frequency comb, the parameters of the frequency comb (offset frequency f 0 and mode spacing f rep ) can be indefinite. In general, at least one of these parameters is indeterminate immediately after the frequency comb is provided. Even during the operation of the frequency comb, at least one of the parameters can be indefinite or indefinite, for example by changing a physical boundary condition. Known control circuits for stabilizing the frequency comb can only be activated unreliably. This is because an ordinary control loop is a parameter of the Frequency comb can stabilize only if this is already (by chance) in an area defined by the properties of the control loop. Otherwise, the control loop typically begins to oscillate, running toward one end of its control range, or driving the frequency comb based on a noise signal. It is therefore an object of the present invention to provide a method for operating a laser device with which a frequency comb can be easily and reliably stabilized.
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. This object is achieved by the method according to claim 1. The dependent claims indicate advantageous embodiments of the invention. A frequency comb can be generated, for example, via a femtosecond laser (Fs laser), in particular an Fs fiber laser. The frequency comb can be generated, for example, in a resonator, in particular a microresonator, or by means of an optical parametric oscillator (OPO). The generation of the frequency comb by modulation of continuous wave lasers (EOM (electro-optical modulator) combs, combination of phase and frequency modulation) or by optical rectification is conceivable. The use of a difference frequency comb, as described in US Pat. No. 6,724,788 B1, is likewise conceivable. The frequency comb can also be provided in a different way. It is also conceivable that the frequency comb used was subsequently changed by AOMs (acousto-optic modulator) or EOMs. According to the invention, an optical frequency comb is provided which has a plurality of modes whose frequencies can be described by the formula f m = mxf rep + f 0 . This frequency comb should now be stabilized. For this purpose, at least one signal is determined which correlates with an actual value of a degree of freedom F of the frequency comb. The degree of freedom F of the frequency comb according to the invention is a linear combination of the offset frequency f 0 and the mode spacing f rep of the frequency comb. The degree of freedom F can thus be expressed by the following formula: F = vxf rep + wxf 0 + c, where v and w are real numbers and c is the unit of a frequency. Exclude here can only be the case that v and w are simultaneously 0. Explicitly included within the scope of the present invention are the cases F = f rep (ie v = 1, w = c = 0) and F = f 0 (w = 1, v = c = 0). The degree of freedom F in each case characterizes the freedom quenzkamm, or properties of the frequency comb. For a complete description of a frequency comb at least one degree of freedom F is necessary.
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. According to the invention, a first input signal, which is contained in the quantity of the at least one signal, is transmitted to a first control unit. Advantageously, a plurality of first input signals, which are each contained in the quantity of the at least one signal, can be transmitted to the first control unit.
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. Based on the transmitted at least one first input signal, according to the invention, the actual value of the degree of freedom is set in a predetermined capture range of a second control unit with the first control unit. This is a step preceding the actual stabilization of the actual value, which ensures that the corresponding control loop is effective. The actual stabilization is then carried out by the second control unit.
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. If the actual value is in the capture range of the second control unit, the second control unit is activated. Whether the actual value lies in the capture range can be determined, for example, by re-measuring the actual value of the degree of freedom.
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. If the second control unit is activated, the actual value is controlled with the aid of this to a predetermined desired value. This stabilizes the frequency comb. Depending on the specific degree of freedom F selected, a setpoint suitable for a specific application can be defined. The actual value of the degree of freedom does not necessarily have to be brought into exact agreement with the nominal value for a successful stabilization. It may be sufficient if the actual value of the degree of freedom is kept within a specified range around the setpoint. In this case, the desired value can be selected such that the mode spacing f rep of the frequency comb z. B. is stabilized in a range around 250 MHz and / or the offset frequency f 0 is stabilized in a range between 0 and 125 MHz. The stabilization can take place in such a way that the actual value is identical with the desired value up to a few Hz, for example up to at most 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 50 Hz or 100 Hz or so that only deviations of the actual Values of less than 1%, less than 3%, less than 5% or less than 10% are allowed. If the degree of freedom F corresponds to the mode spacing f rep of the frequency comb, the stabilization can be carried out in such a way that the actual value is identical with the desired value except for 1 mHz or 5 mHz. Corresponds to the degree of freedom F of the offset frequency f 0 of Frequency comb, the stabilization can be made so that the actual value is identical to the setpoint up to 1 Hz or 5 Hz. The agreement with the desired value can be assessed within a certain integration time, for example over one or more seconds. According to the invention, the laser device is thus operated with a two-stage process. By means of the first control unit, the actual value of the degree of freedom is brought into the predetermined capture range of the second control unit. This ensures that the second control unit is able to reliably control the actual value to the setpoint. In principle, a known system for stabilizing a frequency comb could be used as the second control unit. The inventive method then ensures that the control can be reliably activated by the second control unit and is ready to work quickly.
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. At least one second input signal, which is contained in the quantity of the at least one signal, that is correlated with the actual value of the degree of freedom, can be transmitted to the second control unit. Advantageously, the second control unit comprises a single second control loop or a plurality of second control loops, which controls one or more actuators based on the at least one second input signal.
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. It is conceivable that exactly one actuator is assigned to each second control loop. Alternatively, an actuator can also be controlled by a plurality of second control circuits. Advantageously, all second control circuits control the one or more actuators based on a single second input signal included in the set of the at least one signal. The single second input signal is thus used jointly by the second control circuits. Thus, the stabilization of the frequency comb can be simplified because the number of signals to be measured is maximally reduced. Even if only a single second input signal is used, several control stages can be implemented within the second control unit in order to implement the fastest possible control with a simultaneously high dynamic range and a large control range. It is also conceivable that every second control loop has its own second input signal. The second control loops can be cascaded. In this case, upstream second control circuits can bring downstream second control circuits into their control ranges or hold them there. In particular, in the cascading upstream second control loops can have a coarser setting accuracy than the downstream control loops. This can be realized by a suitable choice of the actuators or the second input signals used. Advantageously, the cascaded second control circuits access different actuators which may have different setting accuracies.
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. The second control circuits with the associated actuators can be designed so that they are able to reliably control the actual value of the degree of freedom to the predetermined setpoint, provided that the actual value is in the capture range of the second control unit. The capture area may be limited by several properties of the second control unit. If, for example, a piezoelectric actuator is used to move a resonator mirror as the actuator by the second control unit, the capture range can be limited by the limited travel path of the piezoelectric actuator. It is also conceivable that an error signal used for stabilization (eg the difference between the relevant second input signal and the predetermined desired value of the degree of freedom) is strongly attenuated outside a certain range, so that no stabilization is possible. It is also conceivable that the second input signal used for stabilization is outside a detection range. This can be particularly problematic if the offset frequency f 0 of a frequency comb is to be controlled.
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. The second control loops can contain phase locked loops as well as frequency locked loops, as they are known from control engineering. These can be realized both in the form of electronic circuits and in software.
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. In order to bring the actual value of the degree of freedom into the capture range of the second control unit, the first control unit may comprise a plurality of first control loops. Advantageously, these are used sequentially one after the other. In a simple embodiment, it is also conceivable that the first control unit comprises only a first control loop. The first control circuits may use the at least one first input signal to control the actual value. It is conceivable that the at least one first input signal comprises the second input signal. In this way, an already provided measuring device for determining the second input signal from the first control unit can be used. Advantageously, the at least one first input signal comprises at least one signal which is not used by the second control unit. Such a first input signal is usefully measurable over a larger range than the signals used by the second control unit. Increasing the measuring range is generally accompanied by a certain deterioration of the measuring resolution. However, once the actual value of the degree of freedom has to be brought into the capture range of the second control unit with the first control unit, this can be accepted for the first control unit. For a signal used by the first control unit, a broad detection range is more important than a high resolution, since in this way also actual values of the degree of freedom far removed from the nominal value can be detected and brought into the capture range of the second control unit.
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. It is advantageous if the first control unit optionally activates one or more second control circuits. Thus, the control can be activated by the second control unit directly from the first control unit as soon as the actual value is in the capture range. Advantageously, several second control loops can be activated separately. Thus, in each case a situation-based best suited second control loop can be activated. It is also conceivable to activate all or several second control circuits together, for example, if they are cascaded.
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. The first control unit may include a state machine that may be configured to activate the second control loops. The state machine can also coordinate the sequential use of the first control loops. For this purpose, the state machine can be supplied with the measured at least one signal. Using the state machine, the method according to the invention can be further automated. Thus, a reliable fully automatic activation of a frequency comb stabilization can be implemented without having to move "manually" actuators "blindly" until stabilization takes effect.
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. It may be advantageous if the first control unit one or more of the controlled by the second control circuits actuators parallel or alternatively to the second Control unit used and / or sets. This way the number of necessary actuators can be reduced.
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. It is also conceivable that at least one actuator is controlled by the first control unit, which is independent of the second control unit. This actuator can have a larger adjustment range than the actuators controlled by the second control unit. As a result, actual values far away from the desired value can also be brought into the capture range of the second control unit. A reduction of the setting accuracy possibly accompanied by the larger adjustment range can generally be accepted in the first control unit. The first and the second control unit can be designed to process at least one actuator signal, which represents the control value of an actuator.
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. Expediently, the at least one first input signal used by the first control unit has the widest possible range of validity, preferably substantially centered around the desired value. "Validity range" designates the value range of the degree of freedom in which the determination of the at least one first input signal is a correct measured value Advantageously, the range of validity of the first input signal is greater than the capture range of the second control unit, in particular at least five times, ten times or twenty times one hundred times or even ten thousand times as large If the mode spacing f rep for determining the first input signal is measured, the capture range can be 500 Hz If the offset frequency f 0 is measured to determine the first input signal, the capture range may comprise 2 MHz and the validity range 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: If the actual value of the degree of freedom nevertheless lies outside the validity range of the first input signal, it is expedient for the first control unit to be able to detect this with the aid of a further first input signal and then to change a manipulated value of at least one actuator until the validity range is reached again. Advantageously, the control value of the at least one actuator is changed uniformly, for example, in constant steps. This ensures that the scope is reached again. Alternatively, the manipulated variable of the actuator can be changed stochastically in order to return as quickly as possible to the validity range come. Advantageously, outside the validity range, the at least one actuator is actuated as a function of one or more preceding states of the first control unit in order to bring the actual value back into the validity range as efficiently as possible. The manipulation of the manipulated variable of at least one actuator can be controlled by the state machine of the first control unit. This is advantageous because the state machine is designed anyway for driving the actuators. In addition, the process can be further automated. For this purpose, the state machine can drive a function generator which, depending on the input of the state machine, outputs a control signal (s) to one or more actuators. To check whether the actual value is within the validity range, a power level of a beat signal can be determined. For this purpose, a laser pulse forming the optical frequency comb can be made to interfere with a reference signal of known frequency. This produces a beat whose beat frequency corresponds to the difference frequency between the frequency f m of a mode of the frequency comb and the frequency of the reference signal. The optical beat signal can be converted into an electrical signal, for example via a photodiode, and then passed through a frequency filter. By evaluating the signal level, it can be determined whether the beat frequency is in a predetermined range (passband of the frequency filter). With a suitable choice of the reference signal and the frequency filter can be determined so that the actual value is within the validity range. The beat signal can also be generated by an f: 2f interferometer, for example. Since capacitances for determining a signal, which correlate with the actual value of the degree of freedom, must anyway be provided within the scope of the present invention, it can be determined without great additional effort whether a successful stabilization of the degree of freedom has occurred. For this purpose, it can be determined whether the actual value lies within a certain range around the setpoint, preferably over a predetermined period of time. If a condition of successful stabilization is detected, it can be displayed or output in a message. This makes it possible to integrate the frequency comb into a higher-level automated system. The frequency comb can report to a higher-level system unit when it is ready for use by that system. Thus, it is not necessary to supervise the turn-on procedure of the frequency comb by a user. In the following, the invention and its advantages will be further clarified by means of drawings. Showing:
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, 2 shows a frequency-space representation of modes of an exemplary frequency comb, the frequency being plotted on the horizontal axis and the light intensity being plotted on the vertical axis, FIG.
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. 3 shows a schematic representation of some relevant ranges of values for the degree of freedom of a frequency comb according to the invention, and FIG. 4 shows a schematic representation of at least part of a signal processing system for carrying out the method according to the invention according to an embodiment.
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. An exemplary laser device 1 which can be operated with the method according to the invention is shown in FIG. However, it should be noted that other laser devices can also be operated with the method according to the invention as long as the provision of an optical frequency comb is possible.
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. In the case of the laser device 1 from FIG. 1, a laser-active Ivledium 2 is provided on an optical axis 3 of a resonator 4. The laser-active medium 2 may be, for example, a Ti: Sa crystal. There are also other laser active media, especially laser crystals, e.g. Yb: YAG, CnLiSAF or CrForsterite conceivable. The laser-active medium 2 is pumped by a pump laser radiation P generated by a pump laser 5 arranged outside the resonator 4.
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. The resonator 4 may comprise a plurality of resonator mirrors 6a, 6b, 6c, 6d. In the illustrated embodiment, the resonator 4 is a linear resonator. In this case, two resonator mirrors, the mirrors 6a and 6b, form resonator end mirrors. On the optical axis 3 of the resonator 4, further resonator mirrors 6c, 6d may be arranged in any desired number between the resonator end mirrors 6a, 6b. Alternatively, it is conceivable to design the resonator 4 as a ring resonator so that the resonator 4 has no resonator end mirror. One of the resonator mirrors 6d is advantageously designed as a coupling-in mirror, which is suitable for coupling in pump laser radiation P. In addition, a coupling-out mirror (in FIG. 1 the resonator mirror 6b) for coupling out laser light from the resonator 4 is preferably provided. For an improved beam guidance, it may be expedient if some resonator mirrors 6a, 6b, 6c, 6d are curved. It is also conceivable if one or more resonator mirrors is / are a chirped mirror. Thus, an improved dispersion compensation in the resonator 4 can be achieved. It may be advantageous to provide a mode-coupling element 7 in the resonator 4, for example a Kerr lens or a saturable absorber. It is also conceivable that no laser-active medium 2 is provided in the resonator 4, but the laser radiation is injected directly into the resonator 4 via a coupling-in mirror (similar to the pump laser radiation P). The radiation circulating in the resonator 4 may in particular be pulsed laser radiation, in particular short or ultrashort laser pulses.
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. FIG. 2 shows in frequency space representation the position of the modes of an optical frequency comb associated with the optical radiation circulating in the resonator 4. The optical frequency comb has a plurality of modes with intensity l (f) whose frequencies in the frequency space f can be described by the formula f m = mxf rep + f 0 , where m is a natural number, f rep is a mode spacing and f 0 is an offset frequency are. The position of the modes of the frequency comb is therefore determined by the two parameters offset frequency f 0 and mode spacing f rep .
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. One or more actuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e can be provided in or on the resonator 4, with the aid of which the position of the modes of the frequency comb can be set. An actuator may, for example, be a device for adjusting the resonator length, in particular for displacing a resonator end mirror 6a along the optical axis 3 of the resonator 4, in particular a mechanical stepper motor 8a, a piezoelectric motor 8b and / or an electro-optical modulator (EOM ). For the present invention, it has proven to be particularly advantageous to provide a plurality of actuators with different adjustment accuracy and a different adjustment range for setting the resonator length. This allows, depending on the situation, either over a large area or with increased accuracy set. For this purpose, a mechanical is to move the Resonatorendspiegels 6a Stepping motor 8a and a piezoelectric motor 8b are provided, wherein the setting step width of the piezoelectric motor 8b is finer than that of the mechanical stepping motor 8a. It is also conceivable to provide a piezoelectric motor 8b and an electro-optical modulator, wherein the adjusting step size of the electro-optical modulator is finer than that of the piezoelectric motor 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. Further conceivable actuators, which may alternatively or additionally be provided, are a device for introducing an optical prism 9 into the beam path of the resonator 4. This in turn can be accomplished by a mechanical stepper motor 8a and / or a piezoelectric motor 8b. By introducing the optical prism 9 in the beam path of the resonator 4, or by shifting the position of the prism 9 in a direction perpendicular to the optical axis 3 of the resonator 4, both the mode spacing f m of the frequency comb (via effects of the prism 9 on the Repetition rate) as well as the offset frequency f 0 (via dispersive effects of the prism 9) change. To change the offset frequency f 0 , it is also conceivable to provide a tilting device 8e for an end mirror 6b of the resonator 4 as the actuator. For this purpose, the end mirror 6b can be tilted, for example, about an axis perpendicular to the optical axis 3 of the resonator 4.
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. An example of an actuator not provided directly on or in the resonator 4 is a power reverberator 8d for the power of the pump laser 5. By varying the pump power, the position of the frequencies can be adjusted by, in particular, non-linear intensity dependencies of dispersive properties in the resonator 4, in particular in the laser-active medium 2 of the frequency comb.
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. In Figure 1, several actuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e are shown for illustrative purposes. But it can also be provided a smaller number of actuators, for example, one, two or three. The provision of other actuators is conceivable.
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. According to the invention, at least one signal S1, S2, S3, S4 is determined, which correlates with an actual value of a degree of freedom F of the frequency comb. Within the meaning of the present invention, the degree of freedom can be any linear combination of the offset frequency f 0 and the mode spacing f rep of the optical frequency comb. It can be particularly advantageous when the degree of freedom f rep or the mode spacing of the Offset frequency f 0 corresponds and thus the signal with an actual value of the mode spacing f rep or the offset frequency f 0 correlated.
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 the case that the degree of freedom F corresponds to the mode spacing f rep of the frequency comb, the at least one signal S1, S2, S3, S4 can be determined by evaluating a floating of adjacent modes of the frequency comb. For this purpose, for example, the number of oscillations of the beat signal can be determined in a specific time interval by means of a photodetector M1, M2.
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. In the case that the offset frequency f 0 is used as the degree of freedom F, the determination of the at least one signal can be carried out by means of an f: 2f interferometer. In this case, a component of the frequency comb belonging to the optical radiation is frequency doubled and superimposed with a non-frequency doubled component of the optical radiation. The resulting beat has a frequency which corresponds to the offset frequency f 0 of the frequency comb, and can be measured by known means. FIG. 1 shows two measuring devices M1, M2 which carry out one or more measurements for determining the at least one signal S1, S2, S3, S4. In this case, a corresponding to the frequency comb laser pulse can be measured. It is also conceivable that only one or more than two measuring devices M1, M2 are provided. A laser pulse leaving the resonator 4 at the outcoupling mirror 6b is divided into two subpulses at a first beam splitter D1 in the embodiment shown in FIG. One of the subpulses is continued for use as intended. The other subpulse is further split at a second beam splitter D2. The resulting two subpulses of the second generation are each supplied to one of the measuring devices M1, M2. Another positioning of the measuring devices M1, M2 is conceivable, for example in the resonator 4. The measuring devices M1, M2 may be interferometers or photodiodes or other measuring devices.
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. As will be explained below, the actual value of the degree of freedom F is regulated to a desired value Fsoii. Such a rule is satisfied if the actual value of the degree of freedom F lies within a stabilization range AFsta iiisiemng which is described in greater detail below and which includes the desired value F So n. Figure 3 shows the mutual relationship between the set value F SO II and the stabilization range AFstabiiisiemng and their relation to wei ¬ cal described below ranges of values of the actual value of the degree of freedom F, namely the capture range AF Emf3ng the second control unit 40 described below and the validity range AF G üitigkeit the at least one signal S , S2, S3, S4. FIG. 4 shows a signal processing scheme with which the method according to the invention can be realized according to an embodiment.
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. Measured values W1, W2 obtained by the measuring devices M 1, M2 can directly represent a signal which correlates with the actual value of the degree of freedom F of the frequency comb. It is also conceivable that the at least one signal S1, S2, S3, S4 results from a measured value W1, W2 by further processing. For example, a measured value W2 can be converted into the signal by a further processing unit 20, 22, 24, in particular by amplification, normalization, frequency mixing and / or level measurement. As shown in FIG. 4, from a measured value W2 of the measuring device M2 by respectively different further processing by the further processing units 20, 22, 24, a plurality of signals S2, S3, S4 can result, which correlate to the actual value of the degree of freedom F. By contrast, the measured value W1 of the measuring device M1 is used directly as signal S1.
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. According to the invention, it is conceivable that only a single signal S1, S2, S3, S4 correlating with an actual value of the degree of freedom F is determined. Advantageously, however, two, three, four, five or more signals S1, S2, S3, S4 are determined, which correlate with the actual value of the degree of freedom F.
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. A signal S1 determined by a first measuring device M 1 and correlated with the actual value of the degree of freedom F is transmitted as the first input signal to a first control unit 10. A first control circuit 12 of the first control unit 10 receives this first input signal. It is conceivable that further first control circuits 12 are provided, which may also receive this first input signal or alternatively another signal correlated with the actual value of the degree of freedom F. In the embodiment shown in FIG. 4, a further signal S2 derived from a measured value W2 of the second measuring device M2 by the further processing unit 20 is transmitted as a further first input signal to a further first control circuit 12 of the first control unit 10. Preferably, the first control loops 12 are used sequentially sequentially. The sequential use of the first control circuits 12 is preferably controlled by a state machine 30 of the first control unit 10. The state machine 30 can also receive the at least one first input signal and, depending on at least one first input signal, decide to continue in the sequence of the first control circuits 12. For this purpose, the state machine 30 can activate or deactivate the first control circuits 12, preferably individually. It is advantageous if the state machine 30 all signals from the set of at least one specific signal S1, S2, S3, S4 are supplied.
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. With the first control unit 10 according to the invention based on the set at least a first input signal of the actual value of the degree of freedom F into a predetermined capture range AF A f a ng of a second control unit 40th For this purpose, the first control circuits 12 have access to one or more actuators 8a, 8b, 8d. It is conceivable that the first control circuits 12 all control the same actuator 8a, 8b, 8d. Alternatively, the first control circuits 12 may drive different actuators 8a, 8b, 8d to access different adjustment ranges. In the embodiment shown in FIG. 4, the two first control circuits 12 access the stepping motor 8a for displacing the resonator end mirror 6a.
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. Especially immediately after switching on the frequency comb, it may happen that the actual value of the degree of freedom F outside of a specified validity range AF GÜ | ti g kei t of a signal from the set of at least one specific signal S1, S2, S3, S4 is. The scope of AF G _itigkeit may in this case for each signal S1, S2, S3, to be S4 different and have the range of values of the actual value, in which the signal S1, S2, S3, S4 correlated in such a way with the actual value of the degree of freedom F, in that there is a one-to-one relationship between the signals S1, S2, S3, S4 and the actual value. In other words, the validity range AF G üitigkeit is the range in which the actual value is determined correctly by determining the signal S1, S2, S3, S4.
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. It can be checked whether actual value within the scope of AF Gü itigkeit located. This can be done, for example, by evaluating one of the signals S1, S2, S3, S4 that correlate to the actual value of the degree of freedom F by the state machine 30. If, for example, provided by the second measuring device M2, a beat of two successive frequency comb modes and in an electrical signal converted, the further processing unit 22 may be formed as a beat analyzer. Through this, the electric beat signal is first passed through a frequency filter, which is permeable only for frequencies in a certain range, and then passed the power level behind the frequency filter as a signal S3 to the state machine 30. This can then determine on the basis of the power level, whether the actual value of the degree of freedom F, for example, the mode spacing f rep , within the validity range AF G üitigkeit a signal S1, S2, S3, S4.
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. If the actual value is outside the specified validity range AF G of a signal S1, S2 used as the first input signal for driving an actuator 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, the setting process is used by the signal S1, S2 in question first control circuits 12 temporarily suspended.
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. If the actual value for all signals S1, S2 used as first input signals is outside the relevant validity range AF G , all first control loops 12 are deactivated and the setting value of at least one actuator (eg of stepping motor 8a in FIG. 4) is stochastic or even changed until the scope of validity is reached again to get back into the range of reliable measurements and thus a meaningful setting by the first control circuits 12. For this purpose, the state machine 30 communicates with a function generator G, which controls the stochastic or uniform change of the actuator setting value as a function of an input of the state machine 30. After the state machine available 30 information about previous signals S1, S2, S3, S4 and actuator settings, the state machine 30 may control the function generator G depending on the previous states to quickly uitigkeit again in the scope AF G at least one signal used as a first input signal S1 To get to S2. Based 30 provided on at least one of the state machine, correlated with an actual value of the degree of freedom F signal S1, S2, S3, S4 determines the state machine 30 determines whether the located actual value in the capture AF E infan g of the second control unit 40th As shown in Figure 3, the capture AF Einfan g of the second control unit 40 within the scope of AF G may be üitigkeit, wherein the target value F soii within the scope of AF G üitigkeit and the capture AF is a f HS, preferably substantially centered , The capture area AF A catch can be useful be determined as the range in which the second control unit 40 can control the actual value to the desired value F SOII . For this purpose, the desired value F SOII within the capture range AF E inception, preferably centered. A regulation of the actual value to the desired value F So ii is fulfilled according to the invention when the actual value is in a stabilization range AF stabilization containing the desired value, in particular centered around the desired value F So n, a subrange of the capture range AF E - The stabilization range AF S tabiiisiemng can thereby allow deviations of the actual value of the target value F So n by less than 1%, less than 3%, less than 5% or less than 10% of the setpoint F So n. Alternatively, the stabilization range AF S tabiisier_n g allow a deviation of the actual value of the setpoint F So n by only a few Hz or mHz, for example, at most 1 tmHz, 10 mHz 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz or 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. If it is determined by the state machine 30 that the actual value lies within the capture AF egg nf a ng of the second control unit 40, the second control unit 40 is activated, preferably 30 by the state machine Thereupon, the actual value using the second Control unit 40 to the setpoint F So n regulated. For this purpose, the second control unit 40 has one or more second control circuits 42. These control one or more actuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e for influencing the actual value. The second control unit 40 can access actuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, which are also used by the first control unit 10. This is the case in the embodiment shown in FIG. 4 for the stepping motor 8a. Additionally or alternatively, 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. Of course, 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.
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. The second control circuits 42 of the second control unit 40 control the corresponding actuators 8a, 8b, 8d based on a signal S4 transmitted as a second input signal from the set of the at least one signal S1, S2, S3, S4, which has an actual value of the degree of freedom F correlates. It is also conceivable for the second control unit 40 to be supplied with a plurality of second input signals on which basis The second control circuits 42 can control the actuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e. In the exemplary embodiment of FIG. 4, the single second input signal is derived from the measured value W2 of the second measuring device M2 via the further processing unit 24. The second control circuits 42 are, as shown in Figure 4, preferably provided in cascade. This is particularly advantageous when the second control circuits 42 each access different actuators 8a, 8b, 8c, 8d, 8e. In order to optimize the signal usage as much as possible, it may be advantageous if the first control unit 10 receives at least a second input signal. This can be output to one or more first control circuits 12. In particular, the state machine 30 should receive the second input signals. This is particularly advantageous when the state machine 30 controls the cascading of the second control circuits 42. For this purpose, the first control unit 10, in particular the state machine 30, activate or deactivate one or more second control circuits 42, preferably separately. On the basis of the data available to it, in particular the first or second input signals, the state machine 30 can judge whether a state of successful stabilization of the frequency comb has been achieved. This is the case when the actual value of the degree of freedom F coincides with the desired value F SOII or lies in the stabilization range AFstabiiisierung. The state machine 30 can then display or pass on a message indicating the state of the successful stabilization. For example, such a message may be output to a screen 80 or read into a computer.
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. The state machine 30 and none, one or more of the first control loops 12 and / or the function generator G can be implemented as a computer-executable program, preferably stored on a computer-readable 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. In particular, fiber lasers are considered as frequency comb generators according to the invention, in particular those which contain a nonlinear optical loop mirror (NOLM) or saturable absorber. A preferred embodiment contains polarization-maintaining fibers. This ensures particularly good stability of the generated frequency comb. As an example, the automatic stabilization of the mode spacing of a frequency comb can be considered with the following steps: a) Detection of the mode spacing eg by counting the pulse repetition rate of the fs laser with an electronic counter, eg 252 MHz, b). Reading the counter values into a computer, forwarding c) comparison with the given setpoint value, eg of 250MHz, d) determination of the step size and direction of the change (repetition rate is 2 MHz too high in the example chosen), e) c) the counter values to a software-based state machine which controls the further steps; Modification of the mode spacing by means of a stepping motor, which changes the resonator length of the fs laser, to the capture range of the 2nd control, f) .Iteration of the last 3 steps c) to e) (1st control), g) the actual value is in the capture range of the 2nd control (eg with deviation of max. 1 KHz): Activation of the 2nd control, h) .Ab here: Detection via a P detector 24, which outputs a signal that is proportional to the phase difference between the setpoint and the actual value.
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). Then, the regulation takes place via a piezoelectric actuator to the setpoint with a deviation of only e.g. If the stabilization should "fall out of the lock", for example due to external environmental influences, the process is again carried out from the beginning, that is starting with step a).

Claims

Ansprüche claims
Verfahren zum Betreiben einer Lasereinrichtung (1) mit den Schritten: Method for operating a laser device (1) with the steps:
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- a) providing an optical frequency comb having a plurality of modes whose frequencies are describable by the formula f m = mxf rep + f 0 , where m is a natural number, f rep is a mode spacing and f 0 is an offset frequency, b) Determining at least one signal (S1, S2, S3, S4) which correlates with an actual value of a degree of freedom (F), wherein the degree of freedom (F) is a linear combination of the offset frequency f 0 and the mode spacing f re , c) a first control unit (10) transmitting at least one first input signal, wherein the at least one first input signal is included in the set of the at least one signal (S1, S2, S3, S4), d) with the first control unit (10) based on the at least a first input signal setting the actual value of the degree of freedom (F) in a predetermined capture range (AF E infang) of a second control unit (40), e) activating the second control unit (40) as soon as the capture range (AF A fang) of the second control unit (40) is reached, and f) regulating the actual value with the aid of the second control unit (40) to a target value 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. A method according to claim 1, characterized in that the first control unit (10) comprises a plurality of first control circuits (12), which are sequentially used to the actual value of the degree of freedom (F) in the capture area (AF Einfan g) of the second control unit (40) to bring. A method according to claim 2, characterized in that the sequential use of the first control loops (12) is controlled by a state machine (30).
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. A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the second control unit (40) comprises a single second control loop (42) or a group of cascaded second control loops (42) based on a single one of the set of the at least one signal control one or more actuators (8a, 8b, 8c, 8d, 8e), wherein the downstream in the cascading second control circuits (42) are adapted to the respectively upstream second control circuits (42) respectively in their control ranges to keep.
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. 5. The method according to claim 4, characterized in that the second input signal is derived from a beat signal, and that the sign of the beat frequency before or during the activation of the second control unit (40) is determined.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine erste Eingangssignal das zweite Eingangssignal umfasst. 6. The method of claim 4 or 5, characterized in that the at least one first input signal comprises the second input signal.
7. Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontrolleinheit (10) einen oder mehrere zweite Regelkreise (42) getrennt wahlweise aktiviert. 7. The method of claim 4, 5 or 6, characterized in that the first control unit (10) one or more second control loops (42) selectively activated separately.
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. 8. The method according to any one of claims 4 to 7, characterized in that the first control unit (10) adjusts one or more of the second control circuits (42) controlled actuators (8) in parallel or alternatively to the second control unit (42).
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). 9. The method according to any one of the preceding claims, characterized by driving one or more actuators (8), which are independent of the second control unit (42), by the first control unit (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. 10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first control unit (10) processes at least one actuator signal representing the manipulated value of an actuator (8). 1 1. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the first control unit (10), if the actual value is outside a specified validity range (AF Gü tigkeit), a control value of at least one actuator (8) stochastic or evenly changed until the validity range (G uitigkeit AF) reached again.
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. 12. The method according to claim 11, characterized in that a check whether the actual value is within the validity range (AF G üitigkeit) is made by determining a power level of a beat signal. 13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one actuator (8) depending on one or more previous states of the first control unit (10) is driven.
1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Offsetfrequenz (f0) und der Modenabstand (frep) des Frequenzkamms stabilisiert werden. 1 . Method according to one of the preceding claims, characterized in that the offset frequency (f 0 ) and the mode spacing (f rep ) of the frequency comb are stabilized.
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. 15. The method of claim 14, characterized by detecting a state of successful stabilization and then displaying or passing a message indicating the state of the successful stabilization.
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. 16. The method according to any one of claims 14 or 15, characterized by an algorithm for automatic return to the stabilized operation, when the state of the stabilization has been left, in particular by repeating the steps a) to f) of claim 1.
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