EP4666354A1 - Verfahren zur frequenzstabilisierung eines gütegeschalteten schmalbandigen lasers - Google Patents

Verfahren zur frequenzstabilisierung eines gütegeschalteten schmalbandigen lasers

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Publication number
EP4666354A1
EP4666354A1 EP23838033.1A EP23838033A EP4666354A1 EP 4666354 A1 EP4666354 A1 EP 4666354A1 EP 23838033 A EP23838033 A EP 23838033A EP 4666354 A1 EP4666354 A1 EP 4666354A1
Authority
EP
European Patent Office
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laser
resonator
resonator length
length
resonance
Prior art date
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Pending
Application number
EP23838033.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Esser
Christian WÜHRER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Airbus Defence and Space GmbH
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Defence and Space GmbH, Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Airbus Defence and Space GmbH
Publication of EP4666354A1 publication Critical patent/EP4666354A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
    • H01S3/1123—Q-switching
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    • H01S3/10084—Frequency control by seeding
    • H01S3/10092—Coherent seed, e.g. injection locking
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    • H01S3/1123—Q-switching
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/139—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H01S3/1394—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length by using an active reference, e.g. second laser, klystron or other standard frequency source
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/08054—Passive cavity elements acting on the polarization, e.g. a polarizer for branching or walk-off compensation

Definitions

  • the present invention relates to a method for frequency stabilization of a narrowband laser which has a laser resonator of variable resonator length with an active Q-switch for generating laser pulses, in which laser radiation from a seed laser with a wavelength at which the laser pulses are to be generated is coupled into the laser resonator.
  • the invention also relates to a laser arrangement for carrying out the method.
  • the laser must be manipulated in such a way that fewer longitudinal modes are excited and amplified. This is often done by seeding the laser oscillator with a narrowband laser, the so-called seed laser.
  • This seed laser provides an effective photon density of the preferred wavelength in the resonator of the laser whose frequency is to be stabilized; this photon density is several orders of magnitude higher than the natural, fluorescence-related wavelength and excites the resonator at this wavelength. If only the one longitudinal mode in the resonator that corresponds to the frequency of the seed laser is to be excited and amplified, the orbital length of the laser resonator must be a multiple of the wavelength of the seed laser.
  • the seed laser must have a sufficiently narrow band to ensure monofrequency operation of the laser for a given free spectral range and time-bandwidth limit.
  • a seed laser with a bandwidth is used that is below approx. 10-20% of the time-bandwidth limit of the oscillator.
  • the resonator length may only fluctuate by fractions of a nanometer. Natural thermal drift alone, and especially vibrations, generate larger fluctuations. It is therefore necessary to actively regulate and thus stabilize the resonator length of the laser.
  • Piezo actuators for example, have proven to be useful for this, with which a stroke of a few pm on a time scale of 10 ps to 500 ps is possible.
  • the resonator orbit length is changed approximately linearly by at least one wavelength in the ramp-fire method and the transmittance of the resonator at the wavelength of the seed laser is measured with a photodiode (qualitatively). This results in the typical transmission signal of a scanning Fabry-Perot interferometer for a monofrequency signal. In the transmission maxima, the resonator is in resonance with the seed signal and the Q-switch of the laser resonator can be triggered.
  • the mass-related inertia of the actuator indirectly represents a limit for the control accuracy because it limits the steepness of the ramp.
  • the ramp-fire method also has fundamental disadvantages.
  • the exact timing of the Resonance and thus the exact time of emission of the laser pulse is not known a priori. It is variable by a free spectral range or by the corresponding time equivalent given by the travel speed of the piezo actuator, typically a period of 10 s and more.
  • this means that the gain in the active medium is generally different for each pulse, since it changes on a s time scale with constant pumping or non-pumping. The result is undesirable energy fluctuations from pulse to pulse.
  • a flatter ramp also increases the problem of pulse energy fluctuations, since the time interval for the laser pulse triggering increases as the ramp steepness decreases.
  • the last disadvantage described is particularly relevant for satellite applications.
  • an electro-optical or acousto-optical Q-switched laser with amplifier and frequency converter there are no mechanically stressed or moving components without control of the resonator length.
  • the piezo actuator as the only mechanically moving element, has one of the highest failure probability of all the laser components and thus represents a limiting factor for the duration of a satellite-supported mission. Redundancy by installing another piezo actuator on another resonator mirror is undesirable for reasons of the optomechanical stability of the oscillator.
  • the harmonic change in the resonator length must compensate for the optical resonator length change induced by the pumping.
  • the dither frequency should not exceed the order of 1 kHz. If the resonator is switched off due to the If the optical resonator is pulsed based on the ratio of the storage time of the active medium to the pulse repetition rate and the storage time is much shorter than 1 ms (example: Nd:YAG oscillator, storage time 230 s, pulse repetition rate 100 Hz), the influence of the pumping can then no longer be compensated for by dithering.
  • the laser radiation of a narrowband seed laser with a wavelength at which the laser pulses of the laser whose frequency is to be stabilized are to be generated is coupled into the laser resonator.
  • a temporal intensity curve of the laser radiation of the seed laser coupled out of the laser resonator is recorded and the optical resonator length of the laser resonator is controlled in a period between two laser pulses, hereinafter referred to as the control period, on the basis of the recorded temporal intensity curve by periodic variation and adaptation of an offset of the variation to an approximately constant temporal average.
  • the resonator length is therefore periodically dithered in the control period.
  • the transmitted seed signal is also periodic, but drifts with, for example, thermal changes in the resonator length.
  • the periodic variation is carried out in such a way that the mechanical load on the actuator is as low as possible, in particular lower than in the ramp-fire method.
  • the variation is preferably carried out harmoniously or at least approximately harmoniously.
  • the coupling and decoupling of the laser radiation of the seed laser can be carried out in the same way as in the known methods of controlling the resonator length of the prior art mentioned in the introduction to the description.
  • the change or variation in the optical resonator length of the laser is preferably carried out by mechanical movement of a mirror of the resonator.
  • a piezo actuator is preferably used for this.
  • the triggering period can be in the range from 1 Ops to 10 Ops
  • the control period can be in the range from 10 ms to 20 ms
  • an exemplary dither frequency is approximately 1 kHz.
  • the switching point of the Q-switch should, if possible, coincide approximately with the point in time of the maximum pump inversion.
  • the initial value of the optical resonator length is known in relation to the resonance value to be achieved due to the control system.
  • the rate of change or the variation of the optical resonator length is then selected in the triggering phase so that the resonance value is at least approximately reached at the desired switching point.
  • This can, as explained in more detail below, be achieved by a linear change in the resonator length, but preferably by suitable synchronization of the periodic variation such that the resonance value and thus the switching point in time occur in a phase of the preferably harmonic variation that is as linear as possible.
  • the corresponding values (initial value and resonance value or their difference) can be determined by preliminary tests with the laser arrangement. Changes in the optical resonator length that may occur during switching are taken into account.
  • the optical resonator length is preferably controlled during the control periods by maintaining a fixed relationship between the variation of the optical resonator length and the temporal intensity profile of the laser radiation of the seed laser coupled out of the laser resonator.
  • the voltage value by which the voltage applied to the piezo actuator is varied accordingly is suitably adapted or changed during a variation carried out by moving a resonator mirror using a piezo actuator.
  • the change in the optical resonator length in the triggering phase can be linear, i.e. the resonator length is changed in a ramp-like manner as in the ramp-fire method described at the beginning.
  • the ramp can be chosen to be flatter than in the ramp-fire method, with better predictability of the triggering time and with lower actuator load.
  • the change in the resonator length in this phase can also take place in another form, preferably while maintaining a harmonic or at least approximately harmonic movement.
  • the harmonic movement is then preferably chosen such that the resonance value lies in the region of an inflection point of the harmonic movement.
  • a narrowband laser is understood to be a laser with a laser emission whose bandwidth is smaller than the free spectral range of the laser resonator.
  • the laser emission can have a half-width of less than 50 MHz, preferably less than 20 MHz.
  • the frequency stabilization takes place around the center frequency of this spectral emission.
  • such a laser is also referred to as a monofrequency laser.
  • the resonator length is periodically varied during the pause phase between two pump pulses, also known as dithering.
  • the control period therefore corresponds to the pause phase.
  • the periodic variation is preferably carried out by a corresponding harmonic or nearly harmonic movement of one of the mirrors by voltage, current or charge modulation with a Piezo actuator.
  • the signal of the narrow-band seed laser transmitted through the laser resonator as a reference laser is detected with a suitable detector, preferably a photodiode. If the dither amplitude, i.e.
  • the gain and thus the optical resonator length changes continuously due to the pumping. Accordingly, the dither period in the control period must be chosen sensibly in order to be able to regulate these changes. With a constant pumping rate and thus a known rate of change of the optical resonator length, the change can be compensated for independently of the dither control, e.g. by a continuous, static offset adjustment. The triggering phase then runs in the same way as in the case of pulsed pumping.
  • Dithering means that the state of the laser resonator at the start of the triggering phase, particularly during a ramp run, is very well known. Disturbances with frequencies below the dither period can be corrected. This makes it very easy to predict when the resonator is resonant to the seed laser during the ramp run.
  • the dither and ramp parameters can be selected such that the laser resonator is resonant exactly at the gain maximum. Optical resonator length changes caused by pumping the active medium during the ramp run are the same in each period and can be easily compensated for. The ramp can then be driven relatively flatly and thus gently on the actuator, without there being any temporal fluctuations and thus energy fluctuations in the laser pulse.
  • the actuator protection can be further improved by making the transitions from dithering to linear movement and vice versa as harmonious as possible in order to avoid large accelerations.
  • dithering can be maintained in the triggering phase instead of a linear movement (ramp travel).
  • the dither parameters are adjusted before the triggering phase in such a way that the dithering movement is at an inflection point at the switching time in the triggering phase. At the inflection points, a harmonic movement is approximately linear for a short time.
  • the first derivative with respect to time is greatest, which maximizes the resonance signal sharpness.
  • the dither amplitude can also be briefly increased in the triggering phase in order to improve the steepness at the inflection point and thus the signal sharpness.
  • the steeper section achieved in this way is uncritical compared to a correspondingly steep ramp in the ramp-fire method, since the accelerations for the actuator are smaller due to the harmonic movement.
  • the proposed laser arrangement for carrying out the method accordingly comprises a laser resonator with an active medium and an active Q-switch as well as an actuator, via which the resonator length can be changed in the range of a few meters by moving one of the mirrors of the laser resonator.
  • This is preferably a piezo actuator.
  • other optical elements can also be arranged in the laser resonator if required.
  • the laser arrangement also comprises a narrow-band seed laser, the laser radiation of which is coupled into the laser resonator. A portion of the radiation of the seed laser circulating in the resonator is decoupled again and directed to a suitable photodetector.
  • corresponding coupling and decoupling elements can also be arranged in the laser resonator if the coupling and decoupling do not take place via one of the mirrors.
  • the arrangement comprises a control device which receives the signal detected by the photodetector and controls the actuator according to the proposed method in the control periods to generate a dither movement of the relevant mirror and control to an approximately constant temporal average of the optical resonator length, and in the trigger phases to change the resonator length to the resonance value.
  • This control device also controls the active Q-switch to switch when the resonance value is reached.
  • the proposed method achieves a lower load on the element that changes the resonator length of a narrow-band or mono-frequency laser with high frequency stability compared to the state of the art mentioned in the introduction. This significantly reduces the probability of failure of frequency-stable narrow-band, Q-switched lasers, since the element that changes the resonator length is subjected to considerably less load than in the previously established methods.
  • the proposed method shows its advantages particularly in application areas in which a piezo actuator is used as the element that changes the resonator length and this can only be replaced with great effort or not at all. Examples of such applications are aircraft or satellite-based Laser systems, for example for LIDAR applications. The costs of a flight measurement campaign aborted due to a piezo actuator failure are very high.
  • the method can generally be used advantageously for all applications that require high frequency stability of the emitted laser radiation in an unstable environment while at the same time placing low load on the element that changes the resonator length.
  • the time of emission of the laser pulse is also known more precisely, as the resonator length is regulated accordingly between the trigger phases. This enables synchronization of other devices belonging to the laser system that must have a fixed time reference to the laser pulse.
  • Fig. 1 shows an exemplary structure of the proposed laser arrangement in a highly schematic representation
  • Fig. 2 shows an example of the control of a piezo actuator for changing the resonator length according to the proposed method and an exemplary course of the photodiode signal of the seed laser transmitted through the resonator during the control period.
  • Figure 1 shows a highly schematic example of the proposed laser arrangement for frequency stabilization of a narrowband, Q-switched laser.
  • the laser whose frequency is to be stabilized has a linear laser resonator made up of two mirrors 2 with an active medium 3 and a Q-switch 4.
  • a Pockels cell for example, can be used as the Q-switch 4.
  • the pump arrangement for pumping the active medium 3 is not shown in Figure 1. Depending on the active medium, the pumping can be done optically, for example, using suitable pump diodes.
  • the laser arrangement also has a seed laser 5, the narrowband laser radiation from which is coupled into the laser resonator of the laser. The center wavelength of the narrowband seed laser radiation corresponds to the wavelength of the laser to be stabilized.
  • the resonator length of the laser must be matched to this wavelength to be stabilized with regard to the resonance condition.
  • external influences such as vibrations or thermal effects, change the resonator length of the laser. Therefore, the resonator length must be appropriately regulated in order to stabilize it.
  • one of the mirrors 2 is moved axially via a piezo actuator 6.
  • an optical isolator 7, for example a Faraday isolator is arranged between the seed laser 5 and the laser in order to prevent feedback of the laser radiation emerging from the laser in the direction of the seed laser 5 into the seed laser 5.
  • an X/4 plate 1 can be arranged on either side of the active medium 3 in order to avoid spatial hole burning.
  • a seed signal transmitted through the laser resonator of the laser is directed to an optical detector 8, for example a photodiode, which records the temporal intensity profile of the seed laser radiation transmitted through the laser resonator.
  • the piezo actuator 6 is harmonically controlled via a control device 9 in the period between two laser pulses, so that the resonator length is increased and decreased approximately harmonically.
  • the value by which the resonator length varies, i.e. by which the harmonic movement occurs, is regulated during this time via the detection signal of the detector 8, which is fed to the control device 9, so that a fixed relationship is established between the detection signal of the detector 8 and the harmonic movement of the resonator length. In this way, slow changes in the optical resonator length can be compensated for compared to the frequency of the harmonic movement.
  • the area of generation of a laser pulse i.e.
  • the resonator length is then changed approximately linearly via the piezo actuator 6 to a value (and beyond) at which the resonator - also taking into account possible optical length changes during the switching process - is in resonance with the wavelength of the seed laser.
  • the resonance value in the present patent application, the Q-switch 4 is switched. This switching of the Q-switch 4 also takes place via the control device 9.
  • Fig. 2 shows, as an example, the voltage U applied to the piezo actuator 6 as a function of time, starting in the period between two laser pulses (control period) through the triggering phase into the subsequent control period for the next laser pulse.
  • the harmonic progression of the voltage 10 leads to a corresponding variation in the resonator length.
  • a ramp 11 i.e. an almost linear increase in the voltage at the piezo actuator - corresponding to a linear change in the resonator length - is then run and when the value corresponding to a resonance is reached (at time t p ) within this ramp, a laser pulse is triggered. Then, after a steady state has been reached, the system switches back to harmonic control.
  • the lower part of the figure shows an example detection signal 12, which is recorded by the detector 8 of the laser arrangement.
  • This wave-shaped detection signal obtained by the harmonic motion is used to detect changes in the resonator length that are not due to the harmonic
  • the center value of the voltage 10 at the piezo actuator, around which the harmonic variation occurs is regulated in such a way that a fixed relationship between the detection signal 12 and the voltage 10 at the piezo actuator is maintained.
  • the load on the piezo actuator is relatively low in this case and the state of the laser resonator at the beginning of the triggering phase is very well known. This makes it very easy to predict when the resonator will be resonant to the seed laser during the subsequent travel, especially the ramp travel. The good a priori knowledge of the resonance point allows a flatter ramp, so that this movement can also be driven in a way that protects the actuator, without causing temporal fluctuations and thus energy fluctuations in the laser pulse.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines schmalbandigen gütegeschalteten Lasers wird Laserstrahlung eines Seed-Lasers (5) mit einer Wellenlänge, bei der die Laserpulse erzeugt werden sollen, in den Laserresonator eingekoppelt. Ein zeitlicher Intensitätsverlauf von aus dem Laserresonator ausgekoppelter Laserstrahlung des Seed-Lasers (5) wird erfasst und die optische Resonatorlänge des Laserresonators jeweils in einem Regelungszeitraum zwischen zwei Laserpulsen auf Basis des gleichzeitig erfassten zeitlichen Intensitätsverlaufs durch periodische Variation auf einen annähernd konstanten zeitlichen Mittelwert geregelt. Die optische Resonatorlänge des Laserresonators wird im zeitlichen Bereich der Erzeugung eines Laserpulses ausgehend von einem durch die vorangegangene Regelung bekannten Ausgangswert auf einen Resonanzwert verändert, bei dem der Laserresonator beim Schalten des Güteschalters (4) in Resonanz zur Wellenlänge des Seed-Lasers (5) ist, und der Güteschalter (4) bei Erreichen dieses Resonanz- wertes zur Erzeugung eines Laserpulses geschaltet. Das Verfahren schont das zur Resonatorlängenänderung eingesetzte Element und ermöglicht dennoch eine hohe Genauigkeit der Frequenzstabilisierung bei guter apriori-Kenntnis des Auslösezeitpunktes.

Description

Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines gütegeschalteten schmalbandigen Lasers
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines schmalbandigen Lasers , der einen Laserresonator einer variierbaren Resonatorlänge mit einem aktiven Güteschalter zur Erzeugung von Laserpulsen aufweist , bei dem Laserstrahlung eines Seed-Lasers mit einer Wellenlänge , bei der die Laserpulse erzeugt werden sollen, in den Laserresonator eingekoppelt wird . Die Erfindung betri f ft auch eine Laseranordnung zur Durchführung des Verfahrens .
Gütegeschaltete Laser haben im Allgemeinen eine spektrale Bandbreite , die viele longitudinale Moden des Laserresonators umfasst . Ausnahmen bilden z . B . Laserstrahlquellen, die bedingt durch einen kurzen Resonator einen so großen longitudinalen Modenabstand haben, dass nicht mehr als eine Mode im aktiven Medium verstärkt werden kann . Meist sind dies Quellen mit einem passiven Güteschalter, da alleine der Bauraum eines aktiven Güteschalters normalerweise eine Resonatorlänge erfordert , die die oben genannte Bedingung unerfüllbar macht .
Erfordert die Anwendung spektrale Schmalbandig- keit , muss der Laser derart manipuliert werden, dass weniger longitudinale Moden angeregt und verstärkt werden . Dies erfolgt häufig durch das sogenannte Seeden des Laseros zillators mit einem schmalbandigen Laser, dem sogenannten Seed-Laser . Dieser Seed-Laser stellt im Resonator des in der Frequenz zu stabilisierenden Lasers eine wirksame Photonendichte der bevorzugten Wellenlänge bereit , die mehrere Größenordnungen über der natürlichen, fluores zenzbedingten liegt und den Resonator bei dieser Wellenlänge anregt . Soll nur die eine longitudinale Mode im Resonator angeregt und verstärkt werden, die der Frequenz des Seed-Lasers entspricht , muss die Umlauflänge des Laserresonators ein Viel faches der Wellenlänge des Seed-Lasers betragen . Der Seed-Laser muss dabei hinreichend schmalbandig sein, um bei gegebenem freiem Spektralbereich und Zeit-Bandbreitenlimit einen monofrequenten Betrieb des Lasers zu gewährleisten . In der Regel wird ein Seed-Laser mit einer Bandbreite eingesetzt , die unterhalb von ca . 10-20% des Zeit- Bandbreitenlimits des Os zillators liegt . Für einen stabilen monofrequenten bzw . schmalbandigen Betrieb eines gütegeschalteten Lasers bei Wellenlängen im VIS bis NIR von ca . 400 nm bis ca . 3 m darf die Resonatorlänge also nur um Bruchteile eines Nanometers schwanken . Alleine schon natürliche thermische Dri ft , insbesondere aber Vibrationen, erzeugen allerdings schon größere Schwankungen . Es ist also erforderlich, die Resonatorlänge des Lasers aktiv zu regeln und damit zu stabilisieren .
Stand der Technik
Ein bewährtes Verfahren zur Regelung der Resonatorlänge für einen monofrequenten bzw . entsprechend schmalbandigen Betrieb eines gütegeschalteten Lasers ist das Ramp-Fire-Verf ahren, wie es beispielsweise in S . W . Henderson et al . , " Fast resonance-detection technique for single- frequency operation of inj ection-seeded Nd : YAG lasers" , Optics Letters , Vol . 11 , No . 11 , Nov . 1986 , beschrieben ist . Dabei wird einer der Spiegel des Laserresonators axial verschoben, so dass der Resonator als Scanning Fabry- Perot- Interferometer betrachtet werden kann . Bewährt haben sich dafür bspw . Piezoaktoren, mit denen ein Hub von einigen pm auf einer Zeitskala von 10 ps bis 500 ps möglich ist . Während des Seedens des Laserresonators wird beim Ramp-Fire-Verf ahren die Resonatorumlauf länge um mindestens eine Wellenlänge annähernd linear verändert und die Transmittivität des Resonators bei der Wellenlänge des Seed-Lasers mit einer Photodiode ( qualitativ) gemessen . Es ergibt sich das typische Transmissionssignal eines Scanning Fabry-Perot- Interferometers für ein monofrequentes Signal . In den Transmissionsmaxima ist der Resonator in Resonanz zum Seed-Signal , und der Güteschalter des Laserresonators kann ausgelöst werden . Wird beim Güteschalten die optische Resonatorlänge verändert , muss die daraus resultierende Längenänderung kompensiert werden, da der geschaltete Resonator bei gleicher geometrischer Länge zum resonanten ungeschalteten Resonator nicht mehr in Resonanz ist . Dies ist beispielsweise bei Verwendung einer Pockels zelle als Güteschalter der Fall , die aus einem doppelbrechenden Kristall besteht , der in einer Achse beim Schalten die Brechzahl ändert . Die Kompensation erfolgt mit einer festen Verzögerung des Schaltvorgangs zur vorher detektierten Resonanz , in der der Piezoaktor die entsprechende Änderung der optischen Resonatorlänge geometrisch verfährt und die beim Güteschalten hervorgerufenen Änderung kompensiert . Der Laserresonator emittiert dann einen entsprechend schmalbandigen bzw . monofrequenten Laserpuls . Andere Verfahren zur Abstimmung der optischen Weglänge des Resonators auf den Seed-Laser sind ebenfalls möglich, beispielsweise basierend auf akustooptischen oder elektrooptischen Modulatoren statt Piezoaktoren .
Das Ramp-Fire-Verf ahren hat den großen Vorteil , dass der Zeitraum zwischen der Information über die Resonanz und dem Laserpuls nur sehr klein ist . Er beträgt abhängig von der Konfiguration typischerweise nur wenige Nanosekunden bis einige Mikrosekunden . Dadurch haben störende äußere Einwirkungen nur eine sehr kleine Auswirkung auf das System, so dass das Ramp-Fire-Verf ahren in der Regel einen sehr stabilen monofrequenten Betrieb ermöglicht . Des Weiteren wird mit dem Piezoaktor eine feste , annähernd lineare Rampe gefahren, die Aktorposition wird nicht als Regelgröße eingesetzt . Dadurch stellen die massebedingte Trägheit des Aktors und seine Hysterese keine direkte Begrenzung für die Regelgenauigkeit dar . Die Genauigkeit des Verfahrens steigt j edoch mit der Rampensteilheit , also der Geschwindigkeit der linearen Längenänderung durch den Piezoaktor, da mit größerer Geschwindigkeit zum einen der Zeitraum zwischen der Information über die Resonanz und dem Laserpuls kleiner ist und zum anderen die größere Schärfe des Resonanzsignals die ( elektronische ) Detektion genauer macht . Hier stellt allerdings die massebedingte Trägheit des Aktors indirekt eine Grenze für die Regelgenauigkeit dar, weil sie die Steilheit der Rampe begrenzt .
Das Ramp-Fire-Verf ahren hat aber auch grundsätzliche Nachteile . So ist der genaue Zeitpunkt der Resonanz und damit der genaue Zeitpunkt der Emission des Laserpulses a priori nicht bekannt . Er ist um einen freien Spektralbereich bzw . um das durch die Verfahrgeschwindigkeit des Piezoaktors gegebene entsprechende Zeitäquivalent , typischerweise ein Zeitraum von 10 ,s und größer, variabel . Dies führt zum einen dazu, dass die Verstärkung im aktiven Medium im Allgemeinen für j eden Puls eine andere ist , da sie sich bei einem konstanten Pumpen oder Nicht-Pumpen auf einer ,s-Zeitskala ändert . Die Folge sind unerwünschte Energieschwankungen von Puls zu Puls . Zum anderen wird die Synchronisation anderer zum Lasersystem zugehöriger Geräte erheblich erschwert oder gar unmöglich gemacht , insbesondere wenn diese anderen Geräte in einem festen Zeitbezug zum Laserpuls ausgelöst , aber durch interne Verzögerungen vor dem Laserpuls bereits getriggert werden müssen . Ein weiterer Nachteil besteht in der mechanischen Belastung des für die Längenänderung genutzten Aktors . Die lineare Rampe und insbesondere die starken Beschleunigungen beim Start und am Ende der Rampe belasten den Aktor mechanisch sehr stark . Diese Belastung wirkt Lebensdauer verkürzend und ist für Anwendungen, bei denen der Aktor nur mit großem Aufwand oder gar nicht aus zutauschen ist , unerwünscht . Die Belastung des Aktors steigt mit der Rampensteilheit , mit der allerdings auch die Genauigkeit des Verfahrens und damit die Frequenzstabilität des Resonators steigen . Frequenzstabilität und Belastung für den Aktor stehen also im Zielkonflikt . Eine flachere Rampe erhöht ebenfalls das Problem der Pulsenergieschwankungen, da sich das Zeitintervall der Laserpulsauslösung mit fallender Rampensteilheit vergrößert . Insbesondere der zuletzt beschriebene Nachteil ist von großer Relevanz für Satellitenanwendungen . In einem elektrooptisch oder akustooptisch gütegeschalteten Laser mit Verstärker und Frequenzkonverter gibt es ohne Regelung der Resonatorlänge keine mechanisch beanspruchten oder bewegten Bauteile . Wird aber der Resonator mit einem Piezoaktor geregelt , so hat der Piezoaktor als einziges mechanisch bewegtes Element mit die höchste Aus fallwahrscheinlichkeit aller Bauteile des Lasers und stellt somit einen begrenzenden Faktor für die Dauer einer Satelliten-gestüt zten Mission dar . Redundanz durch Einbau eines weiteren Piezoaktors an einen anderen Resonatorspiegel ist aus Gründen der optomechanischen Stabilität des Os zillators unerwünscht .
Aus dem Stand der Technik sind weitere Verfahren der Resonatorlängenregelung bekannt , die die oben beschriebenen Nachteile des Ramp-Fire-Verf ährens ganz oder teilweise , dabei aber auf Kosten der Frequenzstabilität , umgehen .
So wird in der DE 102007003759 B4 ein modi fiziertes Ramp-Fire-Verf ahren beschrieben, bei dem der Zeitpunkt des Auftretens der Resonanz beim Fahren der Piezorampe mit einer Vorlauf zeit von einigen 10 ps prognosti ziert wird . Die Prognose erfolgt dabei anhand des gemessenen Zeitpunktes des Auftretens der ersten detektierten Resonanz , der in einer Beziehung zum Zeitpunkt des Auftretens einer nachfolgenden Resonanz steht , in der der Güteschalter ausgelöst wird . Dieser ist dann mit einer Vorlauf zeit von einigen 10 ps bekannt , so dass andere Geräte zum Laserpuls synchronisiert werden können. Ungelöst bleiben damit aber das Problem des im Verstärkungsverlauf ungewissen Auslösezeitpunkts und der großen Belastung des Piezoaktors. Weiterhin wird durch die Abweichung von der Linearität des Piezo-Verf ahrwegs zur Spannung die Genauigkeit reduziert.
Beim Pound-Drever-Hall (PDH)- und beim Hänsch- Couillaud (HC) -Verfahren, wie sie in Drever, R. W. P. et al., "Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator", Appl . Phys. B Photophysics and Laser Chemistry, Springer Science and Business Media LLC, 1983, 31, 97-105 und in Hänsch, T. et al., "Laser frequency stabilization by polarization spectroscopy of a reflecting reference cavity", Opt. Comm., Elsevier BV, 1980, 35, 441-444 beschrieben sind, wird das Fehlersignal (elektronische Detektion von aufmodulierten Seitenbändern (PDH) bzw. Polarisationsänderung (HC) ) zur Regelung nahezu in Echtzeit erhalten. Der Piezoaktor wird hier kontinuierlich nachgeregelt, seine Trägheit stellt den begrenzenden Faktor dar für die Bandbreite der ausregelbaren Störungen. Diese liegt demnach in der Größen-ordnung einiger 100 Hz. Gerade in der Pumpphase ändert sich die optische Resonatorlänge dynamisch binnen einer Zeitgrößenordnung von 100 ps, so dass Regelfrequenzen deutlich größer 10 kHz erforderlich wären.
Beim Ramp-Hold-Fire-Verf ahren, wie es in T. Walther et al., "Generation of Fourier-transform- limited 35-ns pulses with a ramp-hold-fire seeding technique in a Ti: sapphire laser," Appl. Opt. 40, 3046-3050 (2001) beschrieben ist, fährt der Piezoaktor eine Rampe und wird beim Auftreten einer Resonanz gestoppt . Der Puls kann dann zu einem vorher bekannten Zeitpunkt ausgelöst werden . Bedingt durch Nachschwingen von Piezoelementen und Mechaniken müssen typischerweise einige 10 ps bis zum Auslösen des Güteschalters gewartet werden, was das Verfahren anfälliger gegen Störungen macht als das klassische Ramp-Fire-Verf ahren . Hierbei kann auch nicht mehr der Einfluss der Resonatorlängenänderung durch die Gainänderung im Laserkristall bis zum Ende berücksichtigt werden, was eine schlechtere Stabilität zur Folge hat . Des Weiteren ist die Belastung für den Aktor genauso groß wie beim Ramp-Fire-Verf ahren .
Ein weiteres den Erfindern bekanntes Verfahren zur Regelung der Resonatorlänge ist das sogenannte Cavity- Dither-Verf ahren . Bei diesem Verfahren wird die Resonatorlänge durch die Piezobewegung ständig harmonisch verändert ( „dithern" ) . Die Regelelektronik bestimmt anhand des Transmissionssignals die Piezoposition, in der der Laserresonator resonant zum Seed-Signal ist . Der Güteschalter des Laserresonators wird zu einem festen, bekannten Zeitpunkt ausgelöst , wobei unmittelbar vor dem Güteschalten die Resonanzposition (plus Kompensationsof fset ) angefahren werden muss . Dies funktioniert für einen stationären Zustand . Wird während des Ditherns gepumpt , muss das Dithern, also die harmonische Änderung der Resonatorlänge , die durch das Pumpen induzierte optische Resonatorlängenänderung ausregeln . Um die Belastung für den Piezoaktor gering zu halten, sollte die Dither-Frequenz die Größenordnung von 1 kHz nicht überschreiten . Wird der Resonator aufgrund des Verhältnisses der Speicherzeit des aktiven Mediums zur Pulswiederholrate gepulst gepumpt und ist die Speicherzeit viel kürzer als 1 ms (Beispiel : Nd : YAG- Os zillator, Speicherzeit 230 ,s , Pulswiederholrate 100 Hz ) , kann der Einfluss des Pumpens dann allerdings nicht mehr mit Hil fe des Ditherns ausgeregelt werden . Der Einfluss des Pumpens auf die optische Resonatorlänge muss dann als (nahezu) konstant angesehen und bei der Bestimmung des oben genannten Kompensationsof fsets berücksichtigt werden . Die Belastung für den Piezoaktor ist verglichen mit dem Ramp-Fire-Verf ahren deutlich geringer, allerdings auch die Frequenzstabilität , da der Zeitraum zwischen der Information über den Zustand des Resonators und dem Auslösen des Güteschalters bei Dither-Frequenzen um 1 kHz verhältnismäßig lang ist .
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Frequenzstabilisierung eines gütegeschalteten, schmalbandigen oder longitudinal monofrequenten Lasers anzugeben, das eine verringerte mechanische Belastung des die Resonatorlänge regelnden Elementes bei hoher Frequenzstabilität ermöglicht und bei dem der Zeitpunkt der Emission des j eweiligen Laserpulses a priori bekannt ist .
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Laseranordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 11 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Laseranordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Aus führungsbeispiel entnehmen . Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Laserstrahlung eines schmalbandigen Seed-Lasers mit einer Wellenlänge , bei der die Laserpulse des in der Frequenz zu stabilisierenden Lasers erzeugt werden sollen, in den Laserresonator eingekoppelt . Ein zeitlicher Intensitätsverlauf von aus dem Laserresonator ausgekoppelter Laserstrahlung des Seed- Lasers wird erfasst und die optische Resonatorlänge des Laserresonators j eweils in einem Zeitraum zwischen zwei Laserpulsen, im Folgenden als Regelungs zeitraum bezeichnet , auf Basis des erfassten zeitlichen Intensitätsverlaufs durch periodische Variation und Anpassung eines Of fsets der Variation auf einen annähernd konstanten zeitlichen Mittelwert geregelt . Die Resonatorlänge wird im Regelungs zeitraum also periodisch gedithert . Das transmittierte Seedsignal ist ebenfalls periodisch, dri ftet aber mit z . B . thermischen Resonatorlängenänderungen . Durch die Regelung des Of fsets der Ditherbewegung wird das Antwortsignal und damit die Resonatorlänge stabilisiert . Die periodische Variation wird dabei so durchgeführt , dass die mechanische Belastung des Aktors möglichst gering ist , insbesondere geringer als beim Ramp-Fire-Verf ahren . Vorzugsweise erfolgt die Variation harmonisch oder zumindest angenähert harmonisch . Die Ein- und Auskopplung der Laserstrahlung des Seed-Lasers kann dabei in gleicher Weise erfolgen, wie bei den bekannten Verfahren der Regelung der Resonatorlänge des in der Beschreibungseinleitung genannten Standes der Technik . Die optische Resonatorlänge des Laserresonators wird dann j eweils im zeitlichen Bereich der Erzeugung eines Laserpulses , im Folgenden auch als Auslösezeitraum bezeichnet , ausgehend von einem durch die vorangegangene Regelung bekannten Ausgangswert auf einen Wert (und darüber hinaus ) verändert , im Folgenden als Resonanzwert bezeichnet , bei dem der Laserresonator nach Schalten des Güteschalters in Resonanz zur Wellenlänge des Seed-Lasers ist . Der Güteschalter wird bei Erreichen dieses Resonanzwertes zur Erzeugung eines Laserpulses geschaltet . Eine Resonanz vor dem Schalten des Güteschalters wird dabei anhand des transmittierten Seedsignals erkannt und der Güteschalter, eventuell mit einer zeitlichen Verzögerung zur Kompensation von schaltungsbedingten Änderungen der optischen Resonatorlänge , geschaltet . Die Veränderung bzw . Variation der optischen Resonatorlänge des Lasers erfolgt dabei vorzugsweise durch mechanische Bewegung eines Spiegels des Resonators . Hierzu wird vorzugsweise ein Piezoaktor eingesetzt . Der Auslösezeitraum kann bei einem Nd : YAG-Laser als zu stabilisierendem Laser beispielsweise im Bereich von l Ops bis l O Ops liegen, der Regelungs zeitraum beispielsweise im Bereich von 10ms bis 20ms , eine beispielhafte Ditherf requenz beträgt ca . 1 kHz .
Der Schalt Zeitpunkt des Güteschalters sollte möglichst mit dem Zeitpunkt der maximalen Pumpinversion annähernd übereinstimmen . Zu Beginn der Auslösephase ist - aufgrund der Regelung - der Ausgangswert der optischen Resonatorlänge in Bezug auf den zu erreichenden Resonanzwert bekannt . Die Änderungsgeschwindigkeit oder die Variation der optischen Resonatorlänge wird dann in der Auslösephase so gewählt , dass der Resonanzwert zumindest annähernd zu dem gewünschten Schalt Zeitpunkt erreicht wird . Dies kann, wie weiter unten näher ausgeführt , durch eine lineare Änderung der Resonatorlänge erfolgen, vorzugsweise j edoch durch geeignete Synchronisation der periodischen Variation derart , dass der Resonanzwert und damit der Schalt Zeitpunkt j eweils in einer möglichst linearen Phase der vorzugsweise harmonischen Variation auf tritt . Die entsprechenden Werte (Ausgangswert und Resonanzwert bzw . deren Di f ferenz ) können durch Vorversuche mit der Laseranordnung ermittelt werden . Änderungen der optischen Resonatorlänge , die gegebenenfalls beim Schalten auftreten, werden dabei berücksichtigt .
Die Regelung der optischen Resonatorlänge erfolgt während der Regelungs zeiträume vorzugsweise durch Aufrechterhalten einer festen Beziehung zwischen der Variation der optischen Resonatorlänge und dem zeitlichen Intensitätsverlauf der aus dem Laserresonator ausgekoppelten Laserstrahlung des Seed- Lasers . Dazu wird bei einer durch Verschieben eines Resonatorpiegels mittels Piezoaktor durchgeführten Variation der Spannungswert , um den die an den Piezoaktor angelegte Spannung entsprechend, vorzugsweise harmonisch, variiert wird, geeignet angepasst bzw . verändert .
Die Veränderung der optischen Resonatorlänge in der Auslösephase kann linear erfolgen, die Resonatorlänge wird also wie beim eingangs beschriebenen Ramp-Fire-Verf ahren rampenförmig verändert . Die Rampe kann hier flacher als beim Ramp- Fire-Verf ahren gewählt werden, bei besserer Vorhersagbarkeit des Auslösezeitpunktes und bei geringerer Aktorbelastung . Alternativ kann die Veränderung der Resonatorlänge in dieser Phase auch in anderer Form erfolgen, vorzugsweise unter Beibehaltung einer harmonischen oder zumindest annähernd harmonischen Bewegung . Die harmonische Bewegung wird dann aber vorzugsweise so gewählt , dass der Resonanzwert im Bereich eines Wendepunktes der harmonischen Bewegung liegt .
Unter einem schmalbandigen Laser wird dabei ein Laser mit einer Laseremission verstanden, deren Bandbreite geringer als der freie Spektralbereich des Laserresonators ist . Beispielsweise kann die Laseremission eine Halbwertsbreite von weniger als 50 MHz , bevorzugt weniger als 20 MHz aufweisen . Die Frequenzstabilisierung erfolgt dabei um die Mittenfrequenz dieser spektralen Emission . Im Folgenden wird ein derartiger Laser auch als monofrequenter Laser bezeichnet
Es können zwei Fälle unterschieden werden, einmal der Fall des gepulsten Pumpens des Lasers und einmal der Fall des kontinuierlichen Pumpens ( Dauerstrich) des Lasers .
Wird der Laser gepulst gepumpt , so wird die Resonatorlänge während der Pausephase zwischen zwei Pumppulsen periodisch variiert , auch als Dithern bezeichnet . Der Regelungs zeitraum entspricht also der Pausephase . Die periodische Variation erfolgt vorzugsweise durch eine entsprechende harmonische oder annähernd harmonische Bewegung eines der Spiegel per Spannungs- oder Strom- oder Ladungsmodulation mit einem Piezoaktor . Das durch den Laserresonator transmittierte Signal des schmalbandigen Seed-Lasers als Referenzlaser wird mit einem geeigneten Detektor, vorzugsweise einer Photodiode , detektiert . I st die Dither-Amplitude , also die Amplitude der periodischen Variation der Resonatorlänge , kleiner als ein freier Spektralbereich des Laserresonators , os zilliert das Detektionssignal mit der doppelten Dither-Frequenz . Der Verlauf des Signals schwankt relativ zur Ditherbewegung aufgrund von Resonatorlängenänderungen, die z . B . durch Vibrationen oder durch thermische Dri ft hervorgerufen werden . Der Signalverlauf des Detektionssignals ist bei Nutzung eines Piezoaktors mittels des Spannungs-Of fsets des Ditherns steuerbar . Er wird dabei mittels Regelelektronik auf die Ditherbewegung stabilisiert . Das Dithern, also die periodische Resonatorlängenänderung oder Bewegung eines der Spiegel , erfolgt somit um einen Wert , der während des Ditherns kontinuierlich angepasst wird, um eine konstante Beziehung zwischen der Dither- Bewegung und dem Photodiodensignal zu erhalten . Die Ditherf requenz beträgt beim vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise nicht mehr als 10 kHz . Kurz vor dem angestrebten Auslösezeitpunkt des Güteschalters wird die Variation der Resonatorlänge , also insbesondere die Bewegung des Piezoaktors , vom Dithern beispielsweise zu einer linearen Rampe gewechselt . Das Spannungsintervall der Rampe muss mindestens einen Resonanz zustand enthalten . Der Güteschalter wird zum Zeitpunkt der Resonanz plus einer eventuellen zeitlichen Kompensation von schaltungsbedingten Änderungen der optischen Resonatorlänge ausgelöst . Im Falle eines Dauerstrich-gepumpten Lasers ändert sich die Verstärkung und damit die optische Resonatorlänge durch das Pumpen kontinuierlich . Entsprechend muss die Dither-Periode im Regelungzeitraum sinnvoll gewählt werden, um diese Änderungen ausregeln zu können . Bei konstanter Pumprate und damit bekannter Änderungsrate der optischen Resonatorlänge kann die Änderung gegebenenfalls unabhängig von der Dither-Regelung kompensiert werden, z . B . durch eine kontinuierliche , statische Of fset- Anpassung . Die Auslösephase läuft dann in gleicher Weise ab wie im Fall des gepulsten Pumpens .
Durch das Dithern ist der Zustand des Laserresonators zu Beginn der Auslösephase , insbesondere einer Rampenfahrt , sehr gut bekannt . Störungen mit Frequenzen unterhalb der Dither-Periode können ausgeregelt werden . Damit ist sehr gut prognosti zierbar, wann der Resonator während der Rampenfahrt resonant zum Seed-Laser ist . Die Dither- und Rampenparameter können derartig gewählt werden, dass der Laserresonator genau im Verstärkungsmaximum resonant ist . Optische Resonatorlängenänderungen bedingt durch das Pumpen des aktiven Mediums während der Rampenfahrt sind in j eder Periode gleich und können leicht kompensiert werden . Die Rampe kann dann vergleichsweise flach und damit aktorschonend gefahren werden, ohne dass es zu zeitlichen Schwankungen und damit zu Energieschwankungen des Laserpulses kommt . Die Aktorschonung kann noch verbessert werden, indem die Übergänge vom Dithern zur linearen Bewegung und umgekehrt möglichst harmonisch erfolgen, um große Beschleunigungen zu vermeiden . In einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens kann anstelle einer linearen Bewegung (Rampenfahrt ) das Dithern auch in der Auslösephase beibehalten werden . Idealerweise werden die Dither-Parameter vor der Auslösephase derartig angepasst , dass die Dither- Bewegung zum Schalt Zeitpunkt in der Auslösephase in einem Wendepunkt ist . In den Wendepunkten ist eine harmonische Bewegung für eine kurze Zeit näherungsweise linear . Außerdem ist die erste Ableitung nach der Zeit am größten, was die Resonanzsignalschärfe maximiert . Falls es aufgrund der Resonatorlängenänderung erforderlich ist , kann in der Auslösephase auch die Dither-Amplitude kurz zeitig vergrößert werden, um Steilheit im Wendepunkt und damit die Signalschärfe zu verbessern . Der dadurch erreichte steilere Abschnitt ( im Wendepunkt ) ist im Vergleich zur einer entsprechend steilen Rampe beim Ramp-Fire-Verf ahren unkritisch, da aufgrund der harmonischen Bewegung die Beschleunigungen für den Aktor kleiner sind .
Die vorgeschlagene Laseranordnung zur Durchführung des Verfahrens umfasst entsprechend einen Laserresonator mit aktivem Medium und aktivem Güteschalter sowie einen Aktor, über den die Resonatorlänge durch Verfahren eines der Spiegel des Laserresonators im Bereich einiger m veränderbar ist . Vorzugsweise ist dies ein Piezoaktor . Im Laserresonator können natürlich bei Bedarf auch noch weitere optische Elemente angeordnet sein . Weiterhin umfasst die Laseranordnung einen schmalbandigen Seed-Laser, dessen Laserstrahlung in den Laserresonator eingekoppelt wird . Ein Teil der im Resonator umlaufenden Strahlung des Seed-Lasers wird wieder ausgekoppelt und auf einen geeigneten Photodetektor gelenkt . Hierzu können auch entsprechende Ein- und Auskoppelelemente im Laserresonator angeordnet sein, falls die Ein- und Auskopplung nicht über einen der Spiegel erfolgt . Die Anordnung umfasst eine Steuereinrichtung, die das vom Photodetektor erfasste Signal erhält und den Aktor gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren in den Regelungs zeiträumen zur Erzeugung einer Dither-Bewegung des betref fenden Spiegels und Regelung auf einen annähernd konstanten zeitlichen Mittelwert der optischen Resonatorlänge , und in den Auslösephasen zur Veränderung der Resonatorlänge auf den Resonanzwert ansteuert . Weiterhin steuert diese Steuereinrichtung den aktiven Güteschalter bei Erreichen des Resonanzwertes entsprechend zum Schalten an .
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine gegenüber dem in der Einleitung genannten Stand der Technik geringere Belastung des die Resonatorlänge ändernden Elements eines schmalbandigen oder monofrequenten Lasers bei hoher Frequenzstabilität erreicht . Damit wird die Aus fallwahrscheinlichkeit frequenzstabiler schmalbandiger , gütegeschalteter Laser deutlich verringert , da das die Resonatorlänge ändernde Element erheblich geringer belastet wird als bei den bisher etablierten Verfahren . Insbesondere in Anwendungsbereichen, in denen ein Piezoaktor als die Resonatorlänge änderndes Element eingesetzt wird, und dieser nur mit sehr großem Aufwand oder gar nicht getauscht werden kann, spielt das vorgeschlagene Verfahren seine Vorteile aus . Beispiele für derartige Anwendungen sind Flugzeug- oder Satelliten-gestüt zte Lasersysteme , beispielsweise für LIDAR-Anwendungen . Die Kosten einer aufgrund eines Piezoaktor-Versagens abgebrochenen Flugmesskampagne sind sehr hoch . Bei einer Satellitenmission ist der Tausch des Piezoaktors quasi unmöglich . Damit können auch die Entwicklungs- bzw . Quali fi zierungskosten für einen bei einer Satellitenmission eingesetzten Piezoaktor deutlich verringert werden, da die Anforderungen an ihn aufgrund der geringeren Belastung durch das vorgeschlagene Verfahren erheblich geringer sind . Das Verfahren lässt sich allgemein vorteilhaft für alle Anwendungen einsetzen, bei denen eine hohe Frequenzstabilität der emittierten Laserstrahlung in unruhiger Umgebung bei gleichzeitig geringer Belastung des die Resonatorlänge ändernden Elements gefordert ist . Bei dem Verfahren ist zusätzlich auch der Zeitpunkt der Emission des Laserpulses genauer bekannt , da eine entsprechende Regelung der Resonatorlänge zwischen den Auslösephasen erfolgt . Dies ermöglicht eine Synchronisation anderer zum Lasersystem gehöriger Geräte , die einen festen Zeitbezug zum Laserpuls haben müssen .
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Laseranordnung werden nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert . Hierbei zeigen :
Fig . 1 einen beispielhaften Aufbau der vorgeschlagenen Laseranordnung in stark schematisierter Darstellung; und Fig . 2 ein Beispiel für die Ansteuerung eines Piezoaktors zur Resonatorlängenänderung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren und einen beispielhaften Verlauf des Photodiodensignals des durch den Resonator transmittierten Seed- Lasers während des Regelungs zeitraums .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung ein Beispiel der vorgeschlagenen Laseranordnung zur Frequenzstabilisierung eines schmalbandigen, gütegeschalteten Lasers . Der in der Frequenz zu stabilisierende Laser weist in diesem Beispiel einen linearen Laserresonator aus zwei Spiegeln 2 mit einem aktiven Medium 3 und einem Güteschalter 4 auf . Als Güteschalter 4 kann beispielsweise eine Pockels zelle eingesetzt werden . Die Pumpanordnung zum Pumpen des aktiven Mediums 3 ist in Figur 1 nicht dargestellt . Das Pumpen kann j e nach aktivem Medium beispielsweise optisch über geeignete Pumpdioden erfolgen . Die Laseranordnung weist auch einen Seed-Laser 5 auf , dessen schmalbandige Laserstrahlung in den Laserresonator des Lasers eingekoppelt wird . Die Mittenwellenlänge der schmalbandigen Seed- Laserstrahlung entspricht dabei der zu stabilisierenden Wellenlänge des Lasers . Die Resonatorlänge des Lasers muss auf diese zu stabilisierende Wellenlänge hinsichtlich der Resonanzbedingung abgestimmt sein . Durch äußere Einwirkungen, beispielsweise Vibrationen oder auch durch thermische Ef fekte verändert sich j edoch die Resonatorlänge des Lasers . Daher muss zur Stabilisierung eine geeignete Regelung der Resonatorlänge erfolgen . Hierzu wird im vorliegenden Beispiel einer der Spiegel 2 über einen Piezoaktor 6 axial bewegt . Zwischen dem Seed-Laser 5 und dem Laser ist im vorliegenden Beispiel ein optischer I solator 7 , beispielsweise ein Faraday- I solator angeordnet , um eine Rückkopplung der aus dem Laser in Richtung des Seed- Lasers 5 austretenden Laserstrahlung in den Seed-Laser 5 zu vermeiden . Zusätzlich kann auch j eweils eine X/ 4- Platte 1 auf beiden Seiten des aktiven Mediums 3 angeordnet werden, um ein räumliches Lochbrennen zu vermeiden . Über diesen optischen I solator 7 wird ein durch den Laserresonator des Lasers transmittiertes Seed-Signal auf einen optischen Detektor 8 gerichtet , beispielsweise eine Photodiode , der den zeitlichen Intensitätsverlauf der durch den Laserresonator transmittierten Seed-Laserstrahlung erfasst .
Bei der vorgeschlagenen Laseranordnung und dem zugehörigen Verfahren wird der Piezoaktor 6 über eine Steuereinrichtung 9 im Zeitraum zwischen zwei Laserpulsen harmonisch angesteuert , so dass die Resonatorlänge annähernd harmonisch vergrößert und verkleinert wird . Der Wert , um den die Resonatorlänge hierbei variiert , also um den die harmonische Bewegung erfolgt , wird während dieser Zeit über das Detektionssignal des Detektors 8 , das der Steuereinrichtung 9 zugeführt wird, so geregelt , dass eine feste Beziehung zwischen dem Detektionssignal des Detektors 8 und der harmonischen Bewegung der Resonatorlänge erfolgt . Auf diese Weise lassen sich gegenüber der Frequenz der harmonischen Bewegung langsame Änderungen der optischen Resonatorlänge kompensieren . Im Bereich der Erzeugung eines Laserpulses , also in der Auslösephase , wird die Resonatorlänge über den Piezoaktor 6 dann im vorliegenden Beispiel annähernd linear auf einen Wert (und darüber hinaus ) verändert , bei dem der Resonator - auch unter Berücksichtigung eventueller optischer Längenänderungen beim Schaltvorgang - in Resonanz zur Wellenlänge des Seed-Lasers ist . Bei Erreichen dieses Wertes , in der vorliegenden Patentanmeldung als Resonanzwert bezeichnet , wird der Güteschalter 4 geschaltet . Dieses Schalten des Güteschalters 4 erfolgt ebenfalls über die Steuereinrichtung 9 .
Fig . 2 zeigt im oberen Teil beispielhaft die an den Piezoaktor 6 angelegte Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit , beginnend im Zeitraum zwischen zwei Laserpulsen (Regelungs zeitraum) über die Auslösephase bis in den sich anschließenden weiteren Regelungszeitraum zum nächsten Laserpuls . Der harmonische Verlauf der Spannung 10 führt zu einer entsprechenden Variation der Resonatorlänge . Im Bereich des Auslösens eines Laserpulses wird dann eine Rampe 11 , also ein annähernd linearer Anstieg der Spannung am Piezoaktor - entsprechend einer linearen Änderung der Resonatorlänge - gefahren und bei Erreichen des einer Resonanz entsprechenden Wertes ( zum Zeitpunkt tp ) innerhalb dieser Rampe ein Laserpuls ausgelöst . Anschließend wird nach Erreichen eines stationären Zustandes wieder in die harmonische Ansteuerung umgeschaltet . Im unteren Teil der Figur ist ein beispielhaftes Detektionssignal 12 zu erkennen, das mit dem Detektor 8 der Laseranordnung auf gezeichnet wird . Dieses durch die harmonische Bewegung erhaltene wellenförmige Detektionssignal wird herangezogen, um Veränderungen der Resonatorlänge , die nicht auf die harmonische Ansteuerung des Piezoaktors zurückzuführen sind, aus zuregeln . Hierzu wird der Mittenwert der Spannung 10 am Piezoaktor, um den die harmonische Variation erfolgt , so geregelt , dass eine feste Beziehung zwischen dem Detektionssignal 12 und der Spannung 10 am Piezoaktor aufrechterhalten wird .
Durch die harmonische Ansteuerung zwischen zwei Laserpulsen und die entsprechende Regelung der Resonatorlänge ist die Belastung des Piezoaktors in diesem Fall relativ gering und der Zustand des Laserresonators zu Beginn der Auslösephase sehr gut bekannt . Damit ist sehr gut prognosti zierbar, wann der Resonator während der anschließenden Fahrt , insbesondere Rampenfahrt , resonant zum Seed-Laser ist . Die gute A- Priori-Kenntnis des Resonanzpunktes erlaubt eine flachere Rampe , so dass auch diese Bewegung aktorschonend gefahren werden kann, ohne dass es zu zeitlichen Schwankungen und damit zu Energieschwankungen des Laserpulses kommt .
Bezugs zeichenliste
1 X/ 4-Platte 2 Resonatorspiegel
3 aktives Medium
4 Güteschalter
5 Seed-Laser
6 Piezoaktor 7 optischer I solator
8 optischer Detektor
9 Steuereinrichtung
10 harmonisches Spannungssignal
11 rampenförmiges Spannungssignal 12 Detektionssignal
13 Polarisationsstrahlteiler tp Schalt Zeitpunkt

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines schmalbandigen Lasers , der einen Laserresonator einer variierbaren optischen Resonatorlänge mit einem aktiven Güteschalter ( 4 ) zur Erzeugung von Laserpulsen aufweist , bei dem
- Laserstrahlung eines Seed-Lasers ( 5 ) mit einer Wellenlänge , bei der die Laserpulse erzeugt werden sollen, in den Laserresonator eingekoppelt wird,
- ein zeitlicher Intensitätsverlauf von aus dem Laserresonator ausgekoppelter Laserstrahlung des Seed-Lasers ( 5 ) erfasst und die optische Resonatorlänge des Laserresonators j eweils in einem Regelungs zeitraum zwischen zwei Laserpulsen auf Basis des gleichzeitig erfassten zeitlichen Intensitätsverlaufs durch periodische Variation und Anpassung eines Of fsets der Variation auf einen annähernd konstanten zeitlichen Mittelwert geregelt wird,
- die optische Resonatorlänge des Laserresonators j eweils im zeitlichen Bereich der Erzeugung eines Laserpulses ausgehend von einem durch die vorangegangene Regelung bekannten Ausgangswert über einen Resonanzwert hinaus verändert wird, bei dem der Laserresonator nach Schalten des Güteschalters ( 4 ) in Resonanz zur Wellenlänge des Seed-Lasers ( 5 ) sein wird, und
- der Güteschalter ( 4 ) bei Erreichen dieses Resonanzwertes zur Erzeugung eines Laserpulses geschaltet wird .
2 . Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass die Regelung der optischen Resonatorlänge des Laserresonators im Regelungs zeitraum auf den annähernd konstanten zeitlichen Mittelwert durch Aufrechterhaltung einer festen Beziehung zwischen der periodischen Variation der optischen Resonatorlänge und dem erfassten zeitlichen Intensitätsverlauf der aus dem Laserresonator ausgekoppelten Laserstrahlung erfolgt .
3 . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die optische Resonatorlänge des Laserresonators im zeitlichen Bereich der Erzeugung eines Laserpulses linear vom Ausgangswert über den Resonanzwert hinaus verändert wird .
4 . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet , dass die optische Resonatorlänge des Laserresonators im zeitlichen Bereich der Erzeugung eines Laserpulses durch die periodische Variation vom Ausgangswert zum Resonanzwert verändert wird .
5 . Verfahren nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass eine Amplitude der periodischen Variation im zeitlichen Bereich der Erzeugung eines Laserpulses erhöht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die periodische Variation harmonisch oder annähernd harmonisch erfolgt und so gewählt wird, dass der Resonanzwert im Bereich eines Wendepunktes der harmonischen oder annähernd harmonischen Variation liegt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der optischen Resonatorlänge des Laserresonators durch Verschiebung eines Resonatorspiegels (2) mit einem Aktor (6) erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der optischen Resonatorlänge des Laserresonators durch Verschiebung eines Resonatorspiegels (2) mit einem Piezoaktor erfolgt .
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der optischen Resonatorlänge des Laserresonators durch einen Phasenschieber erfolgt .
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser gepulst gepumpt wird, wobei der zeitliche Bereich der Erzeugung eines Laserpulses einer Pumpphase und der Regelungszeitraum dem Zeitraum zwischen den Pumpphasen entspricht.
11. Laseranordnung mit wenigstens
- einem Laserresonator mit aktivem Medium (3) und aktivem Güteschalter (4) sowie einem Aktor (6) , über den eine Resonatorlänge des Laserresonators durch Verfahren eines Spiegels (2) des Laserresonators veränderbar ist,
- einem Seed-Laser (5) , dessen Laserstrahlung in den Laserresonator eingekoppelt wird,
- einem Photodetektor (8) , der aus dem Laserresonator ausgekoppelte Laserstrahlung des Seed-Lasers (5) erfasst, und
- einer Steuereinrichtung (9) , mit der der Photodetektor (8) verbunden ist und die zur Ansteuerung des Aktors (6) und des Güteschalters
(4) gemäß dem Verfahren eines oder mehrerer der vorangehenden Patentansprüche ausgebildet ist.
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