EP4702628A1 - Lasersystem zur erzeugung einseitenbandmodulierter laserstrahlung - Google Patents

Lasersystem zur erzeugung einseitenbandmodulierter laserstrahlung

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EP4702628A1
EP4702628A1 EP24724441.1A EP24724441A EP4702628A1 EP 4702628 A1 EP4702628 A1 EP 4702628A1 EP 24724441 A EP24724441 A EP 24724441A EP 4702628 A1 EP4702628 A1 EP 4702628A1
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EP
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frequency
modulation
laser
laser radiation
amplitude
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Application number
EP24724441.1A
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English (en)
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Inventor
Manfred Hager
Martin Enderlein
Sebastian Hepp
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Toptica Projects GmbH
Original Assignee
Toptica Projects GmbH
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Publication date
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    • H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers

Definitions

  • the invention relates to a laser system with a laser light source and a modulation device for modulating the laser radiation so that the spectrum of the laser radiation comprises a carrier and a sideband.
  • the invention relates to the use of such a laser system for generating an artificial guide star or for exciting optical transitions in a quantum information system.
  • the invention also relates to a method for generating single-sideband modulated laser radiation.
  • Known laser systems use sideband-modulated laser radiation that is amplified and, for example, frequency-doubled. This can be used, for example, to resonantly excite sodium atoms in the mesosphere to fluoresce.
  • This creates a point-shaped artificial star (“guide star”) that can be used as a reference for astronomical telescopes with adaptive optics.
  • the requirements for suitable laser systems to create such artificial guide stars are high. Ideally, a high power of 20 W or more is required, with a line width of a few GHz to less than 5 MHz at the sodium resonance of 589 nm (sodium D line).
  • the interaction between the laser and the few sodium atoms in the mesosphere must be as intensive as possible.
  • the electronic Excitation scheme of the sodium atom is not a pure 2-level system.
  • the hyperfine splitting means that the fluorescence electron can be optically pumped into a non-resonant state after a few excitation cycles, i.e. a state from which there is no resonant optical transition at the laser frequency (fluorescence frequency). After that, the electron is no longer available for fluorescence, which means an immediate loss of the associated atom for fluorescence backscattering. This can be counteracted by adding a second spectral component to the laser light, namely one at a so-called pump-back frequency in addition to the one at the fluorescence frequency.
  • the fluorescence frequency excites the fluorescence of the corresponding sodium resonance.
  • the pump-back frequency is detuned from the fluorescence frequency by the amount corresponding to the hyperfine splitting of the sodium line in question and causes the excitation electron to be "pumped back" from the non-resonant state and thus to be available for the fluorescence process again. In this way, the intensity of the fluorescent light can be significantly increased.
  • the pump-back frequency is typically generated by frequency modulation (sideband modulation) of the laser.
  • the laser spectrum consists of a carrier at the fluorescence frequency and at least one sideband at the pump-back frequency.
  • a semiconductor laser is used as the laser light source, whereby the pump-back sideband is generated by a sinusoidal modulation of the laser diode's injection current.
  • the laser radiation can be modulated using an electro-optical modulator arranged in the beam path behind the laser light source.
  • the sinusoidal modulation always creates sidebands arranged symmetrically around the carrier, i.e. with lower and higher frequencies than the carrier.
  • only one of the sidebands is usually required for the application; in the best case, the second sideband at least does not interfere with the application.
  • the part of the optical power in the unused sideband cannot be used to increase the fluorescence and thus reduces the efficiency of the laser in generating fluorescent light. Accordingly, less power is available in the sideband that is actually used.
  • the unused second sideband generates additional scattered light (Rayleigh scattering) in many applications and thus reduces the signal-to-noise ratio.
  • a spectrum of the laser radiation used without a superfluous second sideband can have further significant advantages:
  • frequency modulation of the laser (“chirping") is often used, in which the interaction of the laser with different velocity classes of the atomic ensemble is controlled. Any unnecessary frequency component in the laser spectrum can reduce the efficiency of this process.
  • the narrowband laser can generate Raman signals at both the carrier frequency and the sideband frequencies (see e.g. Vogt et al., "Detection and Implications of Laser-Induced Raman Scattering at Astronomical Observatories", Phys. Rev. X, 2017), which interfere with the instruments used.
  • OSSB - "optical single-sideband" laser radiation the number of Raman lines can be reduced by up to a third.
  • the frequency spacing between carrier and sideband in the applications of interest is in the high MHz to GHz range (e.g. 1.7 GHz in sodium hyperfine splitting).
  • the direct generation of single-sideband modulated laser radiation e.g. by serrodyne (sawtooth) modulation, is practically impossible to implement due to the high-frequency Fourier components involved.
  • the second sideband which is always present in conventionally modulated laser radiation, always requires optical power, which is particularly disadvantageous when the laser is operated at its power limit.
  • the invention proposes a laser system comprising the following: a laser light source, designed to emit laser radiation during operation of the laser system, a first modulation device, designed to frequency modulate the laser radiation, wherein the frequency modulation takes place with a frequency modulation swing at a modulation frequency, a second modulation device independent of the first modulation device, designed to amplitude modulate the laser radiation, wherein the amplitude modulation takes place with an amplitude modulation swing occurs at the modulation frequency, wherein the frequency modulation and the amplitude modulation are coupled to one another in a phase-locked manner and wherein the frequency modulation swing, the amplitude modulation swing and the relative phase of the frequency modulation and the amplitude modulation are set in such a way that the spectrum of the frequency- and amplitude-modulated laser radiation has a carrier and a single sideband which is spaced from the carrier by the amount of the modulation frequency.
  • the invention is based on the finding that it is possible to generate a single-sideband spectrum, i.e. a spectrum that has a carrier and a single sideband, by concatenating frequency and amplitude modulation of an optical carrier signal (i.e. the laser radiation generated by the laser light source) with a suitable choice of parameters with regard to modulation range and relative phase of frequency and amplitude modulation, wherein the sideband in the spectrum is spaced from the carrier, i.e. from the frequency of the carrier signal, by the amount of the modulation frequency.
  • an optical carrier signal i.e. the laser radiation generated by the laser light source
  • frequency modulation is therefore to be understood as a modulation that predominantly causes a frequency modulation of the laser radiation.
  • amplitude modulation in the sense of the present disclosure is a modulation that predominantly causes an amplitude modulation of the laser radiation.
  • the first and second modulation devices differ from one another with regard to their respective modulation swing of the frequency and amplitude modulation.
  • the modulation swing of the frequency modulation is larger than in the second modulation device, and accordingly the modulation swing of the amplitude modulation in the first modulation device is smaller than in the second modulation device. It can be seen that by suitably setting the modulation parameters, a single-sideband spectrum can always be generated if the The modulations imposed by individual modulators have different proportions of frequency modulation and amplitude modulation.
  • first and second modulation device do not imply a specific order of arrangement in the beam path of the laser radiation. Amplitude modulation after preceding frequency modulation of the laser radiation is possible, as is the reverse order.
  • Laser frequency chirping in which the frequency of the carrier or the sideband is to be changed quickly and/or with a large frequency swing (“laser frequency chirping”) can be efficiently implemented using the invention.
  • Conventional implementations e.g. with suppression of the undesired sideband by a spectral filter (which can only be adjusted relatively slowly in terms of its passband spectrum) do not allow this or only allow it to a limited extent.
  • the invention enables the realization of single-sideband laser systems at high modulation frequencies for which serrodyne modulation (sawtooth waveform) is not practical or at least extremely difficult.
  • the invention enables the generation of single-sideband modulated laser radiation at wavelengths or frequencies for which no (usually fiber-coupled) complex I/Q modulators (e.g. dual-drive or dual-parallel Mach-Zehnder modulators) are available.
  • no (usually fiber-coupled) complex I/Q modulators e.g. dual-drive or dual-parallel Mach-Zehnder modulators
  • the conventional generation of OSSB spectra with such modulators is based on the interaction of several electro-optical modulators and phase shifters in an interferometric arrangement. Several control loops are necessary to maintain the necessary interference conditions.
  • the approach of the invention is significantly less complex and can in principle be implemented without any restrictions with regard to the wavelength.
  • the invention enables the realization of extremely robust single-sideband laser systems in a compact design (e.g. in comparison to a narrowband spectral filter whose filter frequency must be precisely controlled and stabilized).
  • the invention enables the realization of single-sideband laser systems in combination with (non-linear) optical amplifiers or frequency conversion systems that influence the spectrum of the laser radiation.
  • the frequency and amplitude modulation can be used to "precondition" the laser radiation, so that the laser radiation only has the desired single-sideband modulated spectrum at the output.
  • the influences of amplification or frequency conversion on the spectrum are compensated in advance (more on this below).
  • the invention enables the realization of single-sideband laser systems with standard components.
  • OSSB modulation can be realized in conventional MOPA systems (“master oscillator/power amplifier”) without any additional optical components.
  • the laser light source is a diode laser with at least one laser diode, wherein the first modulation device is designed to modulate the injection current of the laser diode.
  • the modulation of the injection current is a suitable method of generating spectral sidebands. This type of "electronic" modulation is particularly easy to implement.
  • the laser system can therefore be provided significantly more cost-effectively than laser systems that work with alternative modulators, such as electro-optical modulators.
  • At least one of the first and second modulation devices can comprise an electro-optical modulator, an acousto-optical modulator, an electro-absorption modulator and/or an interferometric modulator.
  • modulators are common and commercially available components that can be used for frequency or amplitude modulation in the laser system according to the invention in a manner known per se.
  • the laser system comprises at least one optical amplifier designed to amplify the laser radiation.
  • the optical amplifier serves to amplify the generated laser radiation to the desired power in one or more stages.
  • the optical amplifier can simultaneously be designed, for example, as a second modulation device.
  • the gain of the optical amplifier can be modulated in a simple manner in order to realize an amplitude modulation of the laser radiation.
  • a Raman fiber amplifier for example, as disclosed in EP 2 081 264 A1, is suitable as an optical amplifier.
  • reference is made to the publication by Luke R. Taylor et al. (“50 W CW visible laser source at 589 nm obtained via frequency doubling of three coherently combined narrow-band Raman fiber amplifiers", Optics Express, Vol. 18, No. 8, 8540).
  • other types of amplifier are also possible.
  • the laser system comprises a non-linear frequency converter, set up for frequency conversion, in particular for frequency doubling of the frequency and amplitude modulated laser radiation.
  • the frequency converter transforms the frequency the laser radiation into the desired frequency range, e.g. by frequency doubling and/or sum frequency generation.
  • the frequency modulation swing, the amplitude modulation swing and the relative phase of the frequency modulation and the amplitude modulation are set in such a way that the spectrum of the frequency and amplitude modulated laser radiation only has a carrier and a single sideband at the output of the optical amplifier or the non-linear frequency converter.
  • a further finding of the invention is that, as already mentioned above, by setting the frequency and amplitude modulation swing and the relative phase of the frequency and amplitude modulation, a type of preconditioning can be applied in the spectrum of the modulated laser radiation, which specifically ensures that only the laser radiation that can be used at the end, i.e. after amplification and, if necessary, frequency conversion, has the desired single-sideband spectrum.
  • the spectrum of the laser radiation will then generally not initially be a single-sideband spectrum. This only arises after amplification and, if necessary, frequency conversion. This preconditioning option is superior to conventional techniques that can only generate a single-sideband spectrum before amplification and frequency conversion. With such techniques, the optical amplification and subsequent frequency conversion will in many cases result in the spectrum ultimately having undesirable sidebands. This can be avoided by the invention.
  • the frequency of the carrier in the spectrum of the laser radiation in a possible design of the laser system corresponds to a fluorescence frequency and the frequency of the remaining sideband to a pump-back frequency, whereby the fluorescence frequency is resonant with the transition frequency of an (approximately cyclic) optical transition, e.g. in an atom, ie a line in the electronic excitation spectrum of the atom, in an atom ensemble or in an atom-like solid-state system (e.g. quantum dot) as a building block of a quantum information system, and the frequency spacing of the Pump-back frequency from the fluorescence frequency corresponds to the hyperfine splitting of the optical transition.
  • an optical transition e.g. in an atom, ie a line in the electronic excitation spectrum of the atom, in an atom ensemble or in an atom-like solid-state system (e.g. quantum dot) as a building block of a quantum information system
  • the frequency spacing of the Pump-back frequency from the fluorescence frequency
  • the fluorescence frequency of the laser radiation should correspond to a wavelength of 589 nm, while the frequency spacing of the pump-back frequency from the carrier frequency is 1.7 GHz. This frequency spacing corresponds to the hyperfine splitting of the sodium line in question.
  • the invention also proposes a method for generating single-sideband modulated laser radiation, comprising the steps
  • Amplitude modulation of the laser radiation with an amplitude modulation swing at the modulation frequency wherein the frequency modulation and the amplitude modulation are coupled to one another in a phase-locked manner and wherein the frequency modulation swing, the amplitude modulation swing and the relative phase of the frequency modulation and the amplitude modulation are set in such a way that the spectrum of the frequency- and amplitude-modulated laser radiation has a carrier and a single sideband which is spaced from the carrier by the amount of the modulation frequency.
  • optical amplification and/or frequency conversion of the frequency and amplitude modulated laser radiation can take place.
  • the frequency modulation deviation, the amplitude modulation deviation and the relative phase of the frequency modulation and the amplitude modulation are expediently set in such a way that the spectrum of the frequency and amplitude modulated laser radiation only has a carrier and a single sideband after the optical amplification and/or the non-linear frequency conversion, which is spaced from the carrier by the amount of the modulation frequency.
  • the frequency of the laser radiation is varied in addition to the frequency modulation between an initial value and a End value periodically varied (called “chirping” or “frequency chirping”).
  • chirping or “frequency chirping”
  • the frequency swing of the chirping will be significantly larger than that of the frequency modulation, while the speed, ie the frequency of the chirping, is significantly smaller than the modulation frequency.
  • Fig. 1 schematic representation of a first
  • Fig. 2 Spectra of laser radiation after
  • Fig. 3 schematic representation of a second
  • Fig. 4 Spectra of laser radiation after
  • FIG. 5 schematic representation of a third
  • the laser system of Fig. 1 comprises a diode laser 1 as a laser light source, which emits laser radiation 2.
  • a first output of a high-frequency signal generator 3 is connected to an electronic signal input of the Diode laser 1, so that the injection current of a laser diode (not shown) of the diode laser 1 is modulated with a modulation frequency in accordance with the supplied signal. This causes a frequency modulation of the laser radiation 2.
  • the high-frequency signal generator 3 thus forms a first modulation device with the laser diode in the sense of the invention.
  • Fig. 2a shows the typical spectrum (intensity I as a function of frequency f) of the frequency-modulated laser radiation 2 with a carrier 4 and two sidebands 5 and 6, which are arranged symmetrically to the carrier 4.
  • the distance between the carrier 4 and each of the sidebands 5, 6 is equal to the modulation frequency, i.e. the frequency of the output signal of the high-frequency signal generator 3.
  • An optical amplifier 7 is connected downstream of the diode laser 1 in Fig. 1 in the beam path. This emits amplified laser radiation 2' at its output.
  • the amplifier 7 has an electronic signal input which is coupled to a second output of the high-frequency signal generator 3 via a phase shifter 8.
  • the signal fed to the amplifier 7 through the signal input causes a modulation of the optical amplification, i.e. an amplitude modulation of the laser radiation 2'.
  • the high-frequency signal generator 3 and the amplifier 7 thus form a second modulation device in the sense of the invention.
  • the signal at the second output of the high-frequency signal generator 3 has a fixed phase relationship to the signal at the first output.
  • the signals at the two outputs are thus coupled in a phase-locked manner.
  • the frequency and amplitude modulation of the laser radiation are correspondingly coupled in a phase-locked manner.
  • the signal amplitudes at the two outputs of the high-frequency signal generator 3 (and thus the frequency modulation swing and the amplitude modulation swing) are, however, freely adjustable.
  • the phase shifter 8 also allows the relative phase between the modulation signals fed to the diode laser 1 and the amplifier 7, ie the relative phase between frequency and amplitude modulation, to be adjusted.
  • Fig. 2b) shows the spectrum of the laser radiation 2' at the output of the amplifier 7.
  • a single sideband modulation is achieved by a suitable choice of the modulation parameters, ie the frequency modulation deviation, the amplitude modulation deviation and the relative phase.
  • the spectrum shows the carrier 4' and, compared to Fig. 2a), only a single sideband 5'.
  • the intensity of the single sideband 5' is at least one order of magnitude stronger.
  • a non-linear frequency converter 9 is connected downstream of the optical amplifier 7, which emits at its output a laser radiation 2" that is frequency-converted with respect to the laser radiation 2'.
  • Fig. 4a shows the spectrum of the single-sideband modulated laser radiation 2' at the output of the amplifier 7, analogous to Fig. 2b).
  • Fig. 4b shows the corresponding spectrum of the laser radiation 2" at the output of the frequency converter 9. It can be seen that the spectrum now again has a (frequency-converted) carrier 4" and two sidebands 5", 6". Due to the non-linear frequency conversion, two sidebands 5", 6" have again been created from the spectrum of Fig. 4a).
  • the modulation parameters i.e. the frequency modulation deviation, the amplitude modulation deviation and the relative phase in the arrangement of Fig. 3, single-sideband modulation can again be achieved in this exemplary embodiment, as Fig. 4c) shows.
  • the laser radiation 2' at the output of the amplifier 7 is no longer single-sideband modulated.
  • these modulation parameters cause a preconditioning of the laser radiation 2' in such a way that at the output of the frequency converter 9, i.e. in the laser radiation 2", the desired single-sideband modulation is again obtained only with (frequency-converted) carrier 4" and sideband 5".
  • Fig. 5 shows an embodiment which is suitable for the Laser Guide Star application mentioned above.
  • the laser system shown in Figure 1 in turn comprises a laser light source 1, which is a diode laser.
  • the laser light source 1 is connected to the high-frequency signal generator 3, so that the injection current of the laser diode (not shown) of the laser light source 1 is modulated at high frequency.
  • the modulation frequency is 1.7 GHz.
  • This modulation frequency gives the spectrum of the radiation emitted by the laser light source 1 a sideband, which is the basis for the generation of radiation at the pump-back frequency corresponding to the hyperfine splitting of the sodium D line.
  • the spectrum of the radiation emitted by the laser light source 1 has a component at a carrier frequency of 1178 nm.
  • the frequency spacing from the carrier frequency to the two sidebands is +- 1.7 GHz, corresponding to the modulation frequency.
  • the frequency-modulated laser radiation is fed via an optical fiber to a non-modulated semiconductor amplifier 10 as the first amplification stage. Downstream of this, again connected via an optical fiber, is an amplitude modulator 11 based on an electro-optical modulator, which is controlled by the second output of the high-frequency signal generator 3 via the phase shifter 8.
  • the modulation properties (with regard to the proportions of frequency and amplitude modulation) of the amplitude modulator 11 differ significantly from those of the diode laser 1, which is advantageous for the principle of the invention. From the amplitude modulator 11, the laser radiation again reaches a Raman fiber amplifier 12 via an optical fiber.
  • the amplifier fiber (not shown) of the fiber amplifier 12 is optically pumped by means of a pump laser (not shown).
  • the Raman fiber amplifier 12 amplifies the laser radiation at the carrier frequency and at the sideband frequencies.
  • the amplification bandwidth of the Raman fiber amplifier 12 is correspondingly large.
  • the total power of the laser radiation is approximately 30 to 40 W, even more than 100 W can be practically achieved.
  • the laser radiation amplified in this way is finally fed to a resonant frequency converter 13. This is a non-linear crystal located within an optical resonator (neither shown).
  • the (double-resonant) frequency converter 13 converts the amplified radiation by doubling the frequency and generating a sum frequency.
  • the spectrum of the single-sideband modulated laser radiation at the output of the frequency converter 13 then includes, with appropriate setting of the Modulation parameters, intensities at a fluorescence frequency (carrier) and a pump-back frequency (sideband), where the fluorescence frequency corresponds to the sodium D line and the frequency spacing of the pump-back frequency from the fluorescence frequency corresponds to the hyperfine splitting of the corresponding sodium D line.
  • the power of the radiation at the output of the frequency converter 13 can be significantly higher than 20 W, which is advantageous, for example, for generating an artificial guide star for astronomical telescopes with adaptive optics.
  • the single-sideband modulated spectrum of the amplified laser radiation results from frequency doubling or sum frequency generation using the frequency converter 13.
  • the carrier is generated at the fluorescence frequency of 589 nm.
  • This central spectral line is created by frequency doubling of the original carrier frequency.
  • the amplified spectrum also shows a single sideband, which is 1.7 GHz away from the fluorescence frequency.
  • This sideband is created by sum frequency generation from the carrier and the sideband of the original spectrum (the laser radiation at the output of the Raman fiber amplifier 12).
  • the sideband at 1.7 GHz obtained by sum frequency generation is present at the pump-back frequency.
  • the intensity at the pump-back frequency should be at least 10% of the intensity at the fluorescence frequency. To achieve this, sum frequency generation is used. This takes advantage of the fact that the resulting intensity in sum frequency generation behaves like the products of the intensities of the fundamental light fields.

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Abstract

Es besteht Bedarf nach Lasersystemen, die auf praktikable Art und Weise einseitenbandmodulierte Laserstrahlung erzeugen, und zwar mit einem Frequenzabstand zwischen Träger und Seitenband im (hohen) MHz- bis GHz- Bereich. Hierzu schlägt die Erfindung ein Lasersystem vor, das eine Laserlichtquelle (1) aufweist, die Laserstrahlung (2) emittiert. Eine erste Modulationseinrichtung ist zur Frequenzmodulation der Laserstrahlung (2) vorgesehen, wobei die Frequenzmodulation mit einem Frequenzmodulationshub bei einer Modulationsfrequenz erfolgt. Eine von der ersten Modulations- einrichtung unabhängige zweite Modulationseinrichtung ist zur Amplituden- modulation der Laserstrahlung vorgesehen, wobei die Amplitudenmodulation mit einem Amplitudenmodulationshub bei derselben Modulationsfrequenz erfolgt. Die Frequenzmodulation und die Amplitudenmodulation sind phasenstarr aneinander gekoppelt, wobei der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt sind, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung einen Träger (4', 4'') und ein einziges Seitenband (5', 5'') aufweist, das von dem Träger (4', 4'') um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.

Description

Lasersvstem zur Erzeugung einseitenbandmodulierter Laserstrahluna
Die Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einer Laserlichtquelle und einer Modulationseinrichtung zur Modulation der Laserstrahlung, so dass das Spektrum der Laserstrahlung einen Träger und ein Seitenband umfasst.
Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines solchen Lasersystems zur Erzeugung eines künstlichen Leitsterns oder zur Anregung von optischen Übergängen in einem Quanteninformationssystem.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung einseitenbandmodulierter Laserstrahlung.
Bekannte Lasersysteme verwenden seitenbandmodulierte Laserstrahlung, die verstärkt und z.B. frequenzverdoppelt wird. Diese kann beispielsweise verwendet werden, um Natriumatome in der Mesosphäre resonant zur Fluoreszenz anzuregen. Auf diese Weise entsteht ein punktförmiger künstlicher Stern („Leitstern“ oder engl. „guide star“), der als Referenz für astronomische Teleskope mit adaptiver Optik benutzt werden kann. Die Anforderungen an geeignete Lasersysteme zur Erzeugung solcher künstlicher Leitsterne sind hoch. Idealerweise ist eine hohe Leistung von 20 W oder mehr erforderlich, und zwar bei einer Linienbreite von wenigen GHz bis zu weniger als 5 MHz bei der Natriumresonanz von 589 nm (Natrium-D-Linie). Um eine hinreichende Intensität des künstlichen Leitsterns zu erzielen, muss eine möglichst intensive Wechselwirkung zwischen dem Laser und den wenigen Natriumatomen in der Mesosphäre erzielt werden. Dabei ist zu beachten, dass das elektronische Anregungsschema des Natriumatoms kein reines 2-Niveau-System ist. Von Bedeutung ist insbesondere die Hyperfeinaufspaltung der angeregten Fluoreszenzlinie. Die Hyperfeinaufspaltung bewirkt, dass das Fluoreszenzelektron nach einigen Anregungszyklen in einen nicht resonanten Zustand optisch gepumpt werden kann, einen Zustand also, aus dem es keinen resonanten optischen Übergang bei der Laserfrequenz (Fluoreszenzfrequenz) gibt. Danach steht das Elektron für die Fluoreszenz nicht mehr zur Verfügung, was einen sofortigen Verlust des zugehörigen Atoms für die Fluoreszenzrückstreuung bedeutet. Dem kann dadurch begegnet werden, dass dem Laserlicht eine zweite spektrale Komponente hinzugefügt wird, nämlich neben jener bei der Fluoreszenzfrequenz eine bei einer sogenannten Rückpumpfrequenz. Die Fluoreszenzfrequenz regt die Fluoreszenz der entsprechenden Natriumresonanz an. Die Rückpumpfrequenz ist gegenüber der Fluoreszenzfrequenz um den der Hyperfeinaufspaltung der betreffenden Natriumlinie entsprechenden Betrag verstimmt und bewirkt, dass das Anregungselektron aus dem nicht resonanten Zustand „zurückgepumpt“ wird und somit wieder dem Fluoreszenzprozess zur Verfügung steht. Auf diese Weise lässt sich die Intensität des Fluoreszenzlichts deutlich erhöhen. Die Rückpumpfrequenz wird typischerweise durch eine Frequenzmodulation (Seitenbandmodulation) des Lasers erzeugt. Das Laserspektrum besteht in diesem Fall aus einem Träger bei der Fluoreszenzfrequenz und mindestens einem Seitenband bei der Rückpumpfrequenz.
In bekannten Lasersystemen wird als Laserlichtquelle ein Halbleiterlaser eingesetzt, wobei die Erzeugung des Rückpumpseitenbandes durch eine Sinusmodulation des Injektionsstromes der Laserdiode erfolgt. Alternativ kann die Modulation der Laserstrahlung mit Hilfe eines im Strahlengang hinter der Laserlichtquelle angeordneten elektrooptischen Modulators erfolgen. Durch die Sinusmodulation entstehen immer symmetrisch um den Träger angeordnete Seitenbänder, d.h. mit niedrigerer und höherer Frequenz als der Träger. Für die Anwendung wird jedoch in der Regel nur eines der Seitenbänder benötigt, das zweite Seitenband stört im besten Fall die Anwendung zumindest nicht.
Bei derartigen Lasersystemen kann es nachteilig sein, dass der Teil der optischen Leistung im ungenutzten Seitenband nicht zur Erhöhung der Fluoreszenz beiträgt und somit die Effizienz des Lasers bei der Erzeugung von Fluoreszenzlicht verringert. Im tatsächlich genutzten Seitenband steht entsprechend weniger Leistung zur Verfügung. Darüber hinaus ist es möglich, dass das ungenutzte zweite Seitenband in vielen Anwendungen zusätzliches Streulicht (Rayleigh-Streuung) erzeugt und damit das Signal/Rauschverhältnis verringert.
Im Kontext des per Laser erzeugten künstlichen Leitsterns kann ein Spektrum der verwendeten Laserstrahlung ohne überflüssiges zweites Seitenband weitere signifikante Vorteile haben: Zur Erhöhung der Kopplung der Laserstrahlung an den atomaren Übergang kommt häufig eine Frequenzmodulation des Lasers („Chirping“) zum Einsatz, bei der die Wechselwirkung des Lasers mit verschiedenen Geschwindigkeitsklassen des atomaren Ensembles kontrolliert wird. Jede unnötige Frequenzkomponente im Laserspektrum kann die Effizienz dieses Verfahrens reduzieren. Darüber hinaus können mit dem schmalbandigen Laser sowohl bei der Frequenz des Trägers als auch bei den Frequenzen der Seitenbänder Raman-Signale erzeugt werden (siehe z.B. auch Vogt et al., „Detection and Implications of Laser-Induced Raman Scattering at Astronomical Observatories“, Phys. Rev. X, 2017), die die verwendeten Instrumente stören. Mit einseitenbandmodulierter (OSSB - „optical single-sideband“) Laserstrahlung kann die Anzahl der Raman-Linien um bis zu einem Drittel reduziert werden.
Der Frequenzabstand zwischen Träger und Seitenband liegt bei den interessierenden Anwendungen im hohen MHz bis GHz-Bereich (z.B. 1 ,7 GHz bei der Natrium-Hyperfeinaufspaltung). Die direkte Erzeugung einseitenbandmodulierter Laserstrahlung z.B. durch serrodyne (Sägezahn-) Modulation ist auf Grund der beteiligten hochfrequenten Fourier-Komponenten praktisch kaum umzusetzen.
Seitenbandmodulierte, insbesondere einseitenbandmodulierte Laserstrahlung ist außer zur Erzeugung von künstlichen Leitsternen in der Astronomie auch für andere Anwendungen von Interesse. In vielen Anwendungen der Atomphysik, Quantentechnologie, einschl. der Quanteninformationstechnologie und Spektroskopie ist es wesentlich, die Zeitdauer der Interaktion eines Laserstrahls mit einem Atom oder einem Ensemble von Atomen zu maximieren. Zu diesen Anwendungen gehören unter anderem die Laserkühlung von Atomen sowie ganz allgemein die Erzeugung von Fluoreszenzsignalen, z.B. in der Spektroskopie. Für eine Maximierung der Wechselwirkungszeit werden hier häufig Zweiniveausysteme verwendet, die eine zyklische Anregung erlauben. Beispiele hierfür sind generell Alkaliatome oder Erdalkaliionen, bei denen wiederum die Hyperfeinaufspaltung im Grundzustand zu berücksichtigen ist. Um die Effizienz bei der Laserkühlung oder der Erzeugung von Resonanzfluoreszenz dieser Alkaliatomen oder Erdalkaliionen zu erhöhen, ist es daher auch hier hilfreich und üblich, neben dem Träger, der den quasizyklischen Übergang im Atom treibt, eine zweite Laserfrequenz (typischerweise mittels eines kompletten zweiten Lasersystems) zusätzlich zur Verfügung zu stellen, wobei der Frequenzabstand beider Komponenten der Hyperfeinaufspaltung des atomaren Grundzustandes entspricht, um die Atome durch optisches Pumpen zurück in den Grundzustand des quasi-zyklischen Übergangs zu bringen, damit sie zur Fluoreszenz beitragen können.
Das bei herkömmlich modulierter Laserstrahlung stets vorhandene zweite Seitenband nimmt in jedem Fall optische Leistung in Anspruch, was insbesondere nachteilig ist, wenn der Laser an seiner Leistungsgrenze betrieben wird.
Es besteht vor diesem Hintergrund Bedarf nach einem Lasersystem und einem Verfahren, die auf praktikable Art und Weise einseitenbandmodulierte Laserstrahlung erzeugen, und zwar mit einem Frequenzabstand zwischen Träger und Seitenband im (hohen) MHz- bis GHz-Bereich.
Hierzu schlägt die Erfindung ein Lasersystem vor, das Folgendes umfasst: eine Laserlichtquelle, dazu eingerichtet, im Betrieb des Lasersystems Laserstrahlung zu emittieren, eine erste Modulationseinrichtung, eingerichtet zur Frequenzmodulation der Laserstrahlung, wobei die Frequenzmodulation mit einem Frequenzmodulationshub bei einer Modulationsfrequenz erfolgt, eine von der ersten Modulationseinrichtung unabhängige zweite Modulationseinrichtung, eingerichtet zur Amplitudenmodulation der Laserstrahlung, wobei die Amplitudenmodulation mit einem Amplituden- modulationshub bei der Modulationsfrequenz erfolgt, wobei die Frequenzmodulation und die Amplitudenmodulation phasenstarr aneinander gekoppelt sind und wobei der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt sind, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung einen Träger und ein einziges Seitenband aufweist, das von dem Träger um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es möglich ist durch eine Verkettung von Frequenz- und Amplitudenmodulation eines optischen Trägersignals (d.h. der von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlung) bei geeigneter Parameterwahl hinsichtlich Modulationshub und relativer Phase von Frequenz- und Amplitudenmodulation ein Einseitenbandspektrum zu erzeugen, d.h. ein Spektrum, das einen Träger und ein einziges Seitenband aufweist, wobei das Seitenband im Spektrum von dem Träger, d.h. von der Frequenz des Trägersignals, um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.
Dieser Ansatz ist auch mit realen Modulationstechniken umsetzbar, die selten eine reine Frequenzmodulation bzw. eine reine Amplitudenmodulation erzeugen, sondern meist eine Mischung aus beiden Modulationsarten aufweisen. Im Sinne der Erfindung ist unter einer Frequenzmodulation somit eine Modulation zu verstehen, die vorwiegend eine Frequenzmodulation der Laserstrahlung bewirkt. Entsprechend ist eine Amplitudenmodulation im Sinne der vorliegenden Offenbarung eine Modulation, die vorwiegend eine Amplitudenmodulation der Laserstrahlung bewirkt. Mit anderen Worten unterscheiden sich die erste und die zweite Modulationseinrichtung hinsichtlich ihres jeweiligen Modulationshubs der Frequenz- und Amplitudenmodulation voneinander. Bei der ersten Modulationseinrichtung ist der Modulationshub der Frequenzmodulation größer als bei der zweiten Modulationseinrichtung, entsprechend ist der Modulationshub der Amplitudenmodulation bei der ersten Modulationseinrichtung kleiner als bei der zweiten Modulationseinrichtung. Es zeigt sich, dass durch geeignete Einstellung der Modulationsparameter immer dann ein Einseitenbandspektrum erzeugt werden kann, wenn die durch die einzelnen Modulatoren aufgeprägten Modulationen unterschiedliche Anteile aus Frequenzmodulation und Amplitudenmodulation aufweisen.
Hinzuweisen ist darauf, dass die Bezeichnungen erste und zweite Modulationseinrichtung keine spezifische Reihenfolge der Anordnung im Strahlengang der Laserstrahlung implizieren. Eine Amplitudenmodulation nach vorangehender Frequenzmodulation der Laserstrahlung ist ebenso wie die umgekehrte Reihenfolge möglich.
Der Ansatz der Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen:
• Durch die Einsparung optischer Leistung für das zusätzliche, nicht notwendige spektrale Seitenband ist es möglich bei gleichbleibender Gesamtleistung eines verwendeten optischen Verstärkersystems die Leistung in den verbleibenden beiden optischen Signalkomponenten (Träger und einziges Seitenband) zu erhöhen. Dies ist besonders relevant, wenn das Lasersystem insgesamt (ohne erfindungsgemäße Lösung) bereits an der Leistungsgrenze betrieben wird, jedoch zusätzliche Ausgangsleistung benötigt wird.
• Lasersysteme, bei denen die Frequenz des Trägers oder des Seitenbandes schnell und/oder mit großem Frequenzhub verändert werden soll („Laser Frequency Chirping“), können mit Hilfe der Erfindung effizient realisiert werden. Konventionelle Realisierungen, z.B. mit Unterdrückung des unerwünschten Seitenbandes durch ein spektrales Filter (das nur vergleichsweise langsam hinsichtlich seines Durchlassspektrums nachführbar ist) ermöglichen dies nicht oder nur eingeschränkt.
• Die Erfindung ermöglicht die Realisierung von Einseitenband- Lasersystemen bei hohen Modulationsfrequenzen, für die eine serrodyne Modulation (Sägezahn-Wellenform) nicht praktikabel oder zumindest extrem schwierig ist. • Die Erfindung ermöglicht die Erzeugung von einseitenbandmodulierter Laserstrahlung bei Wellenlängen bzw. Frequenzen, für die keine (meist fasergekoppelten) komplexen I/Q-Modulatoren (z.B. dual-drive oder dual-parallel Mach-Zehnder-Modulatoren) zur Verfügung stehen. Im Gegensatz zu dem Ansatz der Erfindung basiert die konventionelle Erzeugung von OSSB-Spektren mit solchen Modulatoren auf dem Zusammenspiel von mehreren elektrooptischen Modulatoren und Phasenschiebern in einer interferometrischen Anordnung. Für die Erhaltung der notwendigen Interferenzbedingungen sind dabei mehrere Regelkreise notwendig. Der Ansatz der Erfindung ist deutlich weniger aufwendig und prinzipiell ohne Einschränkung im Hinblick auf die Wellenlänge umsetzbar.
• Die Erfindung ermöglicht die Realisierung von äußerst robusten Einseitenband-Lasersystemen in einer kompakten Bauform (z.B. im Vergleich zu einem schmalbandigen spektralen Filter, dessen Filterfrequenz präzise kontrolliert und stabilisiert werden muss).
• Die Erfindung ermöglicht die Realisierung von Einseitenband- Lasersystemen in Kombination mit (nichtlinearen) optischen Verstärkern oder Frequenzkonversionssystemen, die das Spektrum der Laserstrahlung beeinflussen. Hierbei kann die Frequenz- und Amplitudenmodulation gleichsam zu einer „Vorkonditionierung“ der Laserstrahlung verwendet werden, so dass die Laserstrahlung erst am Ausgang erfindungsgemäß das gewünschte einseitenbandmodulierte Spektrum aufweist. Die Einflüsse von Verstärkung bzw. Frequenzkonversion auf das Spektrum werden dabei vorab kompensiert (dazu folgt weiter unten noch Näheres).
• Die Erfindung ermöglicht die Realisierung von Einseitenband- Lasersystemen mit Standardkomponenten. Insbesondere kann in üblichen MOPA-Systemen („master oscillator/power amplifier“) eine OSSB-Modulation ganz ohne weitere optische Komponenten realisiert werden. Bei einer möglichen Ausgestaltung ist die Laserlichtquelle ein Diodenlaser mit wenigstens einer Laserdiode, wobei die erste Modulationseinrichtung zur Modulation des Injektionsstroms der Laserdiode eingerichtet ist. Die Modulation des Injektionsstroms ist eine geeignete Methode der Erzeugung von spektralen Seitenbändern. Diese Art der „elektronischen“ Modulation ist besonders einfach realisierbar. Somit kann das Lasersystem deutlich kostengünstiger bereitgestellt werden als Lasersysteme, die mit alternativen Modulatoren, wie beispielsweise elektrooptischen Modulatoren, arbeiten.
Alternativ kann wenigstens eine der ersten und zweiten Modulationseinrichtungen einen elektrooptischen Modulator, einen akustooptischen Modulator, einen Elektroabsorptionsmodulator und/oder einen interfero- metrischen Modulator umfassen. Derartige Modulatoren sind gängige und kommerziell verfügbare Komponenten, die für Frequenz- bzw. Amplitudenmodulation in dem erfindungsgemäßen Lasersystem in an sich bekannter Weise verwendet werden können.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung umfasst das Lasersystem zumindest einen optischen Verstärker, eingerichtet zur Verstärkung der Laserstrahlung. Der optische Verstärker dient zur Verstärkung der erzeugten Laserstrahlung bis zur gewünschten Leistung in einer oder mehreren Stufen. Der optische Verstärker kann gleichzeitig z.B. als zweite Modulationseinrichtung ausgebildet sein. Die Verstärkung des optischen Verstärkers kann auf einfache Weise moduliert werden, um eine Amplitudenmodulation der Laserstrahlung zu realisieren. Als optischer Verstärker eignet sich z.B. ein Raman-Faserverstärker, wie er in der EP 2 081 264 A1 offenbart ist. Ergänzend sei auf die Veröffentlichung von Luke R. Taylor et al. („50 W CW visible laser source at 589 nm obtained via frequency doubling of three coherently combined narrow-band Raman fibre amplifiers“, Optics Express, Vol. 18, No. 8, 8540) verwiesen. Es sind aber auch andere Verstärker-Arten möglich.
Bei einer weiteren möglichen Ausgestaltung umfasst das Lasersystem einen nichtlinearen Frequenzkonverter, eingerichtet zur Frequenzkonversion, insbesondere zur Frequenzverdoppelung der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung. Der Frequenzkonverter transformiert die Frequenz der Laserstrahlung in den gewünschten Frequenzbereich, z.B. durch Frequenzverdoppelung und/oder Summenfrequenzerzeugung.
Bei einer möglichen Ausgestaltung des Lasersystems sind der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung erst am Ausgang des optischen Verstärkers bzw. des nichtlinearen Frequenzkonverters einen Träger und ein einziges Seitenband aufweist. Eine weitere Erkenntnis der Erfindung ist nämlich, dass, wie oben bereits erwähnt, durch die Einstellung von Frequenz- und Amplitudenmodulationshub und relativer Phase von Frequenz- und Amplitudenmodulation eine Art von Vorkonditionierung im Spektrum der modulierten Laserstrahlung angewendet werden kann, die gezielt dafür sorgt, dass erst die am Ende nutzbare Laserstrahlung, d.h. nach Verstärkung und ggf. Frequenzkonversion, das gewünschte Einseitenbandspektrum aufweist. Nach der Frequenz- und Amplitudenmodulation wird das Spektrum der Laserstrahlung dann im Regelfall zunächst noch kein Einseitenbandspektrum sein. Dieses ergibt sich erst nach der Verstärkung und ggf. der Frequenzkonversion. Diese Möglichkeit der Vorkonditionierung ist konventionellen Techniken überlegen, die ein Einseitenbandspektrum nur vor der Verstärkung und Frequenzkonversion erzeugen können. Bei solchen Techniken wird die optische Verstärkung und anschließende Frequenzkonversion nämlich in vielen Fällen dazu führen, dass das Spektrum am Ende doch wieder unerwünschte Seitenbänder aufweist. Dies kann durch die Erfindung vermieden werden.
Im Hinblick auf die eingangs angesprochenen Anwendungen entspricht die Frequenz des Trägers im Spektrum der Laserstrahlung bei einer möglichen Ausgestaltung des Lasersystems einer Fluoreszenzfrequenz und die Frequenz des verbleibenden Seitenbandes einer Rückpumpfrequenz, wobei die Fluoreszenzfrequenz mit der Übergangsfrequenz eines (näherungsweise zyklischen) optischen Übergangs, z.B. in einem Atom, d.h. einer Linie im elektronischen Anregungsspektrum des Atoms, in einem Atomensemble oder in einem atomähnlichen Festkörpersystem (z.B. Quantenpunkt) als Baustein eines Quanteninformationssystems, resonant ist, und der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz mit der Hyperfeinaufspaltung des optischen Übergangs übereinstimmt. Für die Erzeugung eines künstlichen Leitsterns durch Fluoreszenzanregung der Natriumatome in der Mesosphäre sollte die Fluoreszenzfrequenz der Laserstrahlung einer Wellenlänge von 589 nm entsprechen, während der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Trägerfrequenz, d.h. 1 ,7 GHz beträgt. Dieser Frequenzabstand entspricht der Hyperfeinaufspaltung der betreffenden Natrium linie.
Die Erfindung schlägt außerdem ein Verfahren zur Erzeugung einseitenbandmodulierter Laserstrahlung vor, mit den Schritten
Erzeugung von Laserstrahlung, Frequenzmodulation der Laserstrahlung mit einem Frequenzmodulationshub bei einer Modulationsfrequenz,
Amplitudenmodulation der Laserstrahlung mit einem Amplitudenmodulationshub bei der Modulationsfrequenz, wobei die Frequenzmodulation und die Amplitudenmodulation phasenstarr aneinander gekoppelt sind und wobei der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt sind, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung einen Träger und ein einziges Seitenband aufweist, das von dem Träger um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.
Dabei kann zusätzlich eine optische Verstärkung und/oder eine Frequenzkonversion der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung erfolgen. Dabei werden der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation zweckmäßig in der Weise eingestellt, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung erst nach der optischen Verstärkung und/oder der nichtlinearen Frequenzkonversion einen Träger und ein einziges Seitenband aufweist, das von dem Träger um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.
Bei einer möglichen Ausgestaltung wird die Frequenz der Laserstrahlung zusätzlich zu der Frequenzmodulation zwischen einem Anfangswert und einem Endwert periodisch variiert („Chirping“ oder auch „Frequency Chirping“ genannt). Dadurch kann, bei der Laser Guide Star-Anwendung, die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit verschiedenen Geschwindigkeitsklassen des Ensembles der Natriumatome in der Mesosphäre kontrolliert werden. Der Frequenzhub des Chirpings wird dabei deutlich größer als derjenige der Frequenzmodulation sein, während die Geschwindigkeit, d.h. die Frequenz des Chirpings deutlich kleiner ist als die Modulationsfrequenz.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 : schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels eines Lasersystems;
Fig. 2: Spektren der Laserstrahlung nach
Frequenzmodulation (a) und Amplitudenmodulation (b);
Fig. 3: schematische Darstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels eines Lasersystems;
Fig. 4: Spektren der Laserstrahlung nach
Frequenz- und Amplitudenmodulation (a), nach Frequenzkonversion (b) und nach Frequenzkonversion mit Anpassung der Modulationsparameter (c);
Fig. 5 schematische Darstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels eines Lasersystems.
In der nachfolgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche und korrespondierende Elemente jeweils gleiche Bezugszeichen und gleiche Begriffe verwendet.
Das Lasersystem der Fig. 1 umfasst einen Diodenlaser 1 als Laserlichtquelle, die Laserstrahlung 2 emittiert. Ein erster Ausgang eines Hochfrequenzsignalgebers 3 ist mit einem elektronischen Signaleingang des Diodenlasers 1 verbunden, sodass der Injektionsstrom einer (nicht dargestellten) Laserdiode des Diodenlasers 1 entsprechend dem zugeführten Signal mit einer Modulationsfrequenz moduliert wird. Dies bewirkt eine Frequenzmodulation der Laserstrahlung 2. Der Hochfrequenzsignalgeber 3 bildet mit der Laserdiode somit eine erste Modulationseinrichtung im Sinne der Erfindung.
Fig. 2a) zeigt das typische Spektrum (Intensität I als Funktion der Frequenz f) der so frequenzmodulierten Laserstrahlung 2 mit einem Träger 4 und zwei Seitenbändern 5 und 6, die symmetrisch zum Träger 4 angeordnet sind. Der Abstand zwischen Träger 4 und jedem der Seitenbänder 5, 6 ist gleich der Modulationsfrequenz, d.h. der Frequenz des Ausgangssignals des Hochfrequenzsignalgebers 3.
Dem Diodenlaser 1 ist in Fig. 1 im Strahlengang ein optischer Verstärker 7 nachgeschaltet. Dieser emittiert an seinem Ausgang verstärkte Laserstrahlung 2‘. Der Verstärker 7 weist einen elektronischen Signaleingang auf, der über einen Phasenschieber 8 an einen zweiten Ausgang des Hochfrequenzsignalgebers 3 gekoppelt ist. Das dem Verstärker 7 durch den Signaleingang zugeführte Signal bewirkt eine Modulation der optischen Verstärkung, d.h. eine Amplitudenmodulation der Laserstrahlung 2‘. Somit bildet der Hochfrequenzsignalgeber 3 mit dem Verstärker 7 eine zweite Modulationseinrichtung im Sinne der Erfindung.
Das Signal an dem zweiten Ausgang des Hochfrequenzsignalgebers 3 weist eine feste Phasenbeziehung zu dem an dem ersten Ausgang anliegenden Signal auf. Die an den beiden Ausgängen anliegenden Signale sind also phasenstarr gekoppelt. Entsprechend sind die Frequenz- und Amplitudenmodulation der Laserstrahlung phasenstarr gekoppelt. Die Signalamplituden an den beiden Ausgängen des Hochfrequenzsignalgebers 3 (und damit der Frequenzmodulationshub und der Amplitudenmodulationshub) sind demgegenüber frei einstellbar. Durch den Phasenschieber 8 ist außerdem die relative Phase zwischen den dem Diodenlaser 1 und dem Verstärker 7 zugeführten Modulationssignalen, d.h. die relative Phase zwischen Frequenz- und Amplitudenmodulation, einstellbar. Die Fig. 2b) zeigt das Spektrum der Laserstrahlung 2‘ am Ausgang des Verstärkers 7. Es ist zu erkennen, dass durch geeignete Wahl der Modulationsparameter, d.h. des Frequenzmodulationshubs, des Amplitudenmodulationshubs und der relativen Phase, eine Einseitenbandmodulation erzielt wird. Das Spektrum zeigt den Träger 4‘ sowie gegenüber Fig. 2a) nur ein einziges Seitenband 5‘. In der Praxis möglicherweise auftretende geringfügige Spektralanteile bei weiteren Seitenbandfrequenzen, wie sie in Fig. 2b) schwach zu erkennen sind, können ignoriert werden. Die Intensität des einzigen Seitenbandes 5‘ ist um wenigstens eine Größenordnung stärker.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist dem optischen Verstärker 7 noch ein nichtlinearer Frequenzkonverter 9 nachgeschaltet, der an seinem Ausgang eine gegenüber der Laserstrahlung 2‘ frequenzkonvertierte Laserstrahlung 2“ emittiert.
Fig. 4a) zeigt das Spektrum der einseitenbandmodulierten Laserstrahlung 2‘ am Ausgang des Verstärkers 7, analog zu Fig. 2b). Fig. 4b) zeigt das dazu korrespondierende Spektrum der Laserstrahlung 2“ am Ausgang des Frequenzkonverters 9. Zu erkennen ist, dass das Spektrum nun wiederum einen (frequenzkonvertierten) Träger 4“ und zwei Seitenbänder 5“, 6“ aufweist. Durch die nichtlineare Frequenzkonversion sind aus dem Spektrum der Fig. 4a) wiederum zwei Seitenbänder 5“, 6“ entstanden. Durch geeignete Anpassung der Modulationsparameter, d.h. des Frequenzmodulationshubs, des Amplitudenmodulationshubs und der relativen Phase in der Anordnung der Fig. 3, kann jedoch auch bei diesem Ausführungsbeispiel wiederum eine Einseitenbandmodulation erzielt werden, wie die Fig. 4c) zeigt. Bei den zu Fig. 4c) korrespondierenden Modulationsparametern ist die Laserstrahlung 2‘ am Ausgang des Verstärkers 7 nun allerdings nicht mehr einseitenbandmoduliert. Diese Modulationsparameter bewirken jedoch eine Vorkonditionierung der Laserstrahlung 2‘ in der Weise, dass sich am Ausgang des Frequenzkonverters 9, d.h. in der Laserstrahlung 2“ wiederum die gewünschte Einseitenbandmodulation nur mit (frequenzkonvertiertem) Träger 4“ und Seitenband 5“ ergibt.
Die Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie es sich z.B. für die angesprochene Laser Guide Star-Anwendung eignet. Das in der Figur 1 gezeigte Lasersystem umfasst wiederum eine Laserlichtquelle 1 , bei der es sich um einen Diodenlaser handelt. Die Laserlichtquelle 1 ist mit dem Hochfrequenzsignalgeber 3 verbunden, so dass der Injektionsstrom der (nicht dargestellten) Laserdiode der Laserlichtquelle 1 hochfrequent moduliert wird. Die Modulationsfrequenz beträgt 1 ,7 GHz. Durch diese Modulationsfrequenz erhält das Spektrum der von der Laserlichtquelle 1 emittierten Strahlung ein Seitenband, das Grundlage für die Erzeugung von Strahlung bei der Rückpumpfrequenz entsprechend der Hyperfeinaufspaltung der Natrium-D-Linie ist. Das Spektrum der von der Laserlichtquelle 1 emittierten Strahlung weist eine Komponente bei einer Trägerfrequenz von 1178 nm auf. Der Frequenzabstand von der Trägerfrequenz zu den beiden Seitenbändern beträgt entsprechend der Modulationsfrequenz +- 1 ,7 GHz. Die frequenzmodulierte Laserstrahlung wird über eine optische Faser einem nicht modulierten Halbleiterverstärker 10 als erste Verstärkungsstufe zugeführt. Diesem nachgeschaltet ist, wiederum über eine optische Faser angebunden, ein von dem zweiten Ausgang des Hochfrequenzsignalgebers 3 über den Phasenschieber 8 angesteuerter Amplitudenmodulator 11 auf Basis eines elektrooptischen Modulators. Die Modulationseigenschaften (hinsichtlich der Anteile von Frequenz- und Amplitudenmodulation) des Amplitudenmodulators 11 unterscheiden sich deutlich von denjenigen der Diodenlasers 1 , was für das Prinzip der Erfindung vorteilhaft ist. Von dem Amplitudenmodulator 11 gelangt die Laserstrahlung wiederum über eine optische Faser zu einem Raman-Faserverstärker 12. Die (nicht dargestellte) Verstärkerfaser des Faserverstärkers 12 wird mittels eines (nicht dargestellten) Pumplasers optisch gepumpt. Der Raman-Faserverstärker 12 verstärkt die Laserstrahlung bei der Trägerfrequenz und bei den Seitenbandfrequenzen. Die Verstärkungsbandbreite des Raman-Faserverstärkers 12 ist entsprechend groß. Am Ausgang des Raman-Faserverstärkers 12 beträgt die Leistung der Laserstrahlung insgesamt ca. 30 bis 40 W, sogar mehr als 100 W sind praktisch realisierbar. Die so verstärkte Laserstrahlung wird schließlich einem resonanten Frequenzkonverter 13 zugeführt. Dabei handelt es sich um einen nichtlinearen Kristall, der sich innerhalb eines optischen Resonators befindet (beides nicht dargestellt). Der (doppelresonante) Frequenzkonverter 13 wandelt die verstärkte Strahlung durch Frequenzverdoppelung und Summenfrequenzerzeugung um. Das Spektrum der einseitenbandmodulierten Laserstrahlung am Ausgang des Frequenzkonverters 13 umfasst dann, bei entsprechender Einstellung der Modulationsparameter, Intensitäten bei einer Fluoreszenzfrequenz (Träger) und einer Rückpumpfrequenz (Seitenband), wobei die Fluoreszenzfrequenz mit der Natrium-D-Linie übereinstimmt und der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz mit der Hyperfeinaufspaltung der entsprechenden Natrium-D-Linie übereinstimmt. Die Leistung der Strahlung am Ausgang des Frequenzkonverters 13 kann dabei deutlich oberhalb von 20 W liegen, was z.B. für die Erzeugung eines künstlichen Leitsterns für astronomische Teleskope mit adaptiver Optik vorteilhaft ist. Das einseitenbandmodulierte Spektrum der verstärkten Laserstrahlung ergibt sich nach der Frequenzverdoppelung bzw. Summenfrequenzerzeugung mittels des Frequenzkonverters 13. Es wird der Träger bei der Fluoreszenzfrequenz von 589 nm erzeugt. Diese zentrale Spektrallinie entsteht durch Frequenzverdopplung der ursprünglichen Trägerfrequenz. Weiterhin zeigt das verstärkte Spektrum ein einziges Seitenband, das von der Fluoreszenzfrequenz um 1 ,7 GHz beabstandet sind. Dieses Seitenband entsteht durch Summenfrequenzerzeugung aus dem Träger und dem Seitenband des ursprünglichen Spektrums (der Laserstrahlung am Ausgang des Raman- Faserverstärkers 12). Das durch Summenfrequenzerzeugung erhaltene Seitenband bei 1 ,7 GHz liegt bei der Rückpumpfrequenz vor. Für eine hohe Fluoreszenzausbeute sollte die Intensität bei der Rückpumpfrequenz wenigstens 10 % der Intensität bei der Fluoreszenzfrequenz betragen. Um dies zu erreichen, wird die Summenfrequenzerzeugung eingesetzt. Dabei wird ausgenutzt, dass sich die resultierende Intensität bei der Summenfrequenzerzeugung wie die Produkte der Intensitäten der fundamentalen Lichtfelder verhalten.
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1. Lasersystem mit einer Laserlichtquelle (1 ), dazu eingerichtet, im Betrieb des Lasersystems Laserstrahlung (2) zu emittieren, einer ersten Modulationseinrichtung, eingerichtet zur Frequenzmodulation der Laserstrahlung, wobei die Frequenzmodulation mit einem Frequenzmodulationshub bei einer Modulationsfrequenz erfolgt, einer von der ersten Modulationseinrichtung unabhängigen zweiten Modulationseinrichtung, eingerichtet zur Amplitudenmodulation der Laserstrahlung, wobei die Amplitudenmodulation mit einem Amplitudenmodulationshub bei der Modulationsfrequenz erfolgt, wobei die Frequenzmodulation und die Amplitudenmodulation phasenstarr aneinander gekoppelt sind und wobei der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt sind, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung (2‘, 2“) einen Träger (4‘, 4“) und ein einziges Seitenband (5‘, 5“) aufweist, das von dem Träger (4‘, 4“) um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.
2. Lasersystem nach Anspruch 1 , wobei die Laserlichtquelle (1 ) ein Diodenlaser mit wenigstens einer Laserdiode ist, wobei die erste Modulationseinrichtung zur Modulation des Injektionsstroms der Laserdiode eingerichtet ist.
3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine der ersten und zweiten Modulationseinrichtungen einen elektrooptischen Modulator, einen akustooptischen Modulator, einen Elektroabsorptionsmodulator und/oder einen interferometrischen Modulator umfasst.
4. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter umfassend zumindest einen optischer Verstärker (7, 10, 12), eingerichtet zur Verstärkung der Laserstrahlung (2, 2‘) in einer oder mehreren Stufen.
5. Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter umfassend einen nichtlinearen Frequenzkonverter (9), eingerichtet zur Frequenzkonversion, insbesondere zur Frequenzverdoppelung der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung (2‘).
6. Lasersystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt sind, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung am Ausgang des optischen Verstärkers (7, 10, 12) bzw. des nichtlinearen Frequenzkonverters (9) einen Träger (4‘, 4“) und ein einziges Seitenband (5‘, 5“) aufweist.
7. Lasersystem nach Anspruch 6, wobei die Frequenz des Trägers (4‘, 4“) in dem Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung am Ausgang des optischen Verstärkers (7, 10, 12) bzw. des nichtlinearen Frequenzkonverters (9) einer Fluoreszenzfrequenz und die Frequenz des einzigen Seitenbandes (5‘, 5“) einer Rückpumpfrequenz entspricht, wobei die Fluoreszenzfrequenz mit einer Übergangsfrequenz eines optischen Übergangs resonant ist und der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz mit der Hyperfeinaufspaltung des optischen Übergangs resonant ist.
8. Lasersystem nach Anspruch 7, wobei die Fluoreszenzfrequenz der Übergangsfrequenz der Natriumlinie bei einer Wellenlänge von 589 nm entspricht und der Frequenzabstand der Rückpumpfrequenz von der Fluoreszenzfrequenz 1 ,7 GHz beträgt.
9. Verwendung eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Erzeugung eines künstlichen Leitsterns („Laser Guide Star“) für astronomische Teleskope mit adaptiver Optik.
10. Verwendung eines Lasersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Anregung von optischen Übergängen in einem Quanteninformationssystem.
11. Verfahren zur Erzeugung einseitenbandmodulierter Laserstrahlung, mit den Schritten
Erzeugung von Laserstrahlung (2), Frequenzmodulation der Laserstrahlung mit einem Frequenzmodulationshub bei einer Modulationsfrequenz,
Amplitudenmodulation der Laserstrahlung mit einem Amplitudenmodulationshub bei der Modulationsfrequenz, wobei die Frequenzmodulation und die Amplitudenmodulation phasenstarr aneinander gekoppelt sind und wobei der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt sind, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung einen Träger (4‘, 4“) und ein einziges Seitenband (5‘, 5“) aufweist, das von dem Träger (4‘, 4“) um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , weiter umfassend eine optische Verstärkung der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, weiter umfassend eine nichtlineare Frequenzkonversion der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei der Frequenzmodulationshub, der Amplitudenmodulationshub sowie die relative Phase der Frequenzmodulation und der Amplitudenmodulation in der Weise eingestellt sind, dass das Spektrum der frequenz- und amplitudenmodulierten Laserstrahlung nach der optischen Verstärkung bzw. der nichtlinearen Frequenzkonversion einen Träger (4‘, 4“) und ein einziges Seitenband (5‘, 5“) aufweist, das von dem Träger um den Betrag der Modulationsfrequenz beabstandet ist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Frequenz der Laserstrahlung zusätzlich zu der Frequenzmodulation zwischen einem Anfangswert und einem Endwert periodisch variiert wird.
- Zusammenfassung -
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