JP4668423B2 - 安定化された超短光パルスの発振および光周波数の合成へのその使用 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超短レーザ光パルスの発振の方法、殊にパルスレーザの駆動の安定化の方法および高精度の光周波数の発振の方法、ならびに超短光パルス、殊に周波数安定化されたパルスレーザ、の発振のためのレーザ装置ならびに、分光法、時間−もしくは周波数測定技術およびコミュニケーション技術へのこの種のレーザ光線の使用に関する。
【０００２】
【従来の技術】
７０年代から公知である超短レーザ光パルス（ｎｓ領域からｆｓ領域における特徴的なパルス持続時間を有する光パルス）の発振は、いわゆるモード同期を基礎としている。１つのレーザ媒質内で、共振器内のレイジング遷移の十分な帯域幅の場合には、種々の周波数を有する著しく多くの固有振動が励起される可能性がある。固有振動間の適当なメカニズムによって一定の位相関係が生じる（モード同期）場合には、共振器の長さの２倍とパルスの周期速度の比に同じである時間間隔τと、共振器内で励起された、パルス形成に貢献する光周波数に相応するスペクトル組成とを有する短光パルスが放射される。
【０００３】
周波数空間における時間間隔のパルスの形をしたレーザ光線の強度経過のフーリエ変換によって、いわゆる周波数コームが得られ、この周波数コームは、δ様の関数によって各パルスに貢献する光周波数で形成されかつ該周波数コームの包絡線がレーザ媒質中のレイジング遷移の帯域幅内にある。包絡線の幅は、本質的にパルス持続時間に対して反比例している。この種の周波数コームは、例えば図５に概略的に示されている。この種の周波数コームへの各周波数の貢献は、この場合にはモードＭとして示されている。周波数コームの要素の周波数の間隔は、（縦の）レーザモードに相応するパルス繰り返し頻度ｆ_ｒ＝ｔ^−１の整数倍（繰返し率）である。周波数空間におけるｆｓ−パルスのコーム構造は、例えば「Ｆｅｍｔｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ」 （Ｃ． Ｒｕｌｌｉｅｒｅ編、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ １９９８年）に記載されている。
【０００４】
パルス繰り返し頻度ｆ_ｒが共振器の長さに依存しているので、共振器の不安定性が極く僅かである場合に理想的に一定のモード間隔のずれが生じる。モード間隔の変化を抑制する共振器の長さの安定化のための技術は、公知である。このために、例えば共振器の鏡が共振器の軸方向で可動に配置されており、かつ、モード間隔のずれの場合に、制御ループの使用下に再調整される。しかしながら、この従来の安定化は、分光法または時間測定技術における使用の場合には実際の精度に対する要求には十分ではない。
【０００５】
Ｊ． Ｎ． Ｅｃｋｓｔｅｉｎら（「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第４０巻、１９８７、第８４７ページ以降を参照のこと）によれば、モードの相互の連なりが周波数の補正のための基準として適していることが記載されている。しかし、同時にパルスレーザの不十分な安定性およびモード周波数のノイズによって発生するずれについて指摘されている。このずれが共振器の長さの安定化にもかかわらず、さらに生じることが確認されている。これは、Ｌ． Ｘｕら、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第２１巻、１９９６年、第２００８ページ以降によれば、共振器内の周期時間、ひいては繰返し周波数ｆ_ｒを決定するパルスの群速度が各モードの位相速度と通常一致しないことが原因である。繰返し周波数ｆ_ｒの整数倍によって区分されるモードは、絶対的な周波数位置における繰返し周波数ｆ_ｒの整数倍（ｎ）によって表すことができず、ｎ・繰返し周波数ｆ_ｒといわゆる位相滑り周波数ｆ_ｐとの和（ｎ・ｆ_ｒ＋ｆ_ｐ）によって表され、この和は、すべてのモードについて、パルスとパルスのそれぞれの位相差を周期時間で割った商（２π）τに相応する同じ値である。この位相差の決定は、これまで利用することができなかったので、パルスレーザの使用は、測定目的に限定されるかまたは光周波数の発振器としての使用に限定されていた。
【０００６】
次に２つの課題分野が記載されており、これら課題分野においては高精度の光周波数が重要である。第１の使用は、一般には周波数測定に関するものであり、殊に時間−もしくは周波数標準の規定に関するものである。第２の使用は、分光法の分野への使用であり、殊に原子の電子によるエネルギー遷移の測定への使用である。
【０００７】
広く使用されている時間標準は、基本周波数９．２ＧＨｚを有する、いわゆるセシウム原子時計によって得られる。この時間測定は、基本周波数の直接の計数によって行われ、このことは現在、例えば１０^−１４の相対的精度で可能である。１０^−１８程度までの本質的にさらに高い相対的精度が、例えば場のケージにおける冷却されたイオンを基礎とする光周波数標準（例えばＭ． Ｒｏｂｅｒｔｓら、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第７８巻、ｌ９９７、第１６７６ページ以降参照）に対して期待されるか、あるいは極めて狭い原子共鳴、例えば水素原子の１Ｓ−２Ｓ−遷移 （例えばＴ． Ｕｄｅｍら、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第７９巻、１９９７、第２６４６ページ以降参照）に対して期待される。しかしながら、この周波数標準は、 エレクトロニクスによってもはや計数することができない８０ＴＨｚを超える光周波数を有する。したがって光学時計（ｏｐｔｉｓｃｈｅ Ｕｈｒ）には、周波数標準の高い周波数から、エレクトロニクス手段で評価可能である低い周波数への周波数変換のための装置が必要である。この種の装置は、「光学時計」のための「時計仕掛け」の機能を有している。
【０００８】
光周波数と（エレクトロニクスにより計数可能な）無線周波数の間の大きな周波数間隔の克服のために高調波周波数の連鎖が使用される（Ｈ． Ｓｃｈｎａｔｚら、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第７６巻、１９９６年、第１８ページ以降参照）。高調波周波数の連鎖の場合には多数の周波数逓倍器段で、求められる周波数が達成されるまで、基準周波数に整数にするための因子が掛けられる。しかしながら、これには１周波数逓倍器段に対して、予め与えられた倍音信号へのモード同期を伴う特別な遷移発振器が必要である。種々の周波数で多数の発振器を用意することは、構造を肥大化かつ複雑化させ、さらに高額にする。
【０００９】
図１３には、光周波数のためのもう１つの自体公知の分周器段の原理が示されている（Ｔ．Ｗ．Ｈａｅｎｓｃｈ、「Ｔｈｅ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ａｔｏｍ」、Ｇ．Ｆ．Ｂａｓｓａｎｉら編、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ、Ｂｅｒｌｉｎ １９８９年、第９３ページ以降；Ｈ．Ｒ．Ｔｅｌｌｅら、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第１５巻、１９９０年、第５３２ページ以降；およびＴ．Ｗ．Ｈａｅｎｓｃｈ、「Ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅ Ｂｌａｅｔｔｅｒ」、第５１巻、１９９８年、第１００７ページ以降参照）。光検出器で、周波数が僅かにしか異ならない２つのレーザ光線が重ね合わされる場合には、差周波数（うなり信号）の場合に光の強度の変調が観察される。このうなり信号は、分割した光の一方の周波数をもう一方の分割した光の周波数に合わせるのに使用することができる。図１３による概略図の場合には、２つのレーザ周波数ｆ_１およびｆ_２が、中間周波数（ｆ_１＋ｆ_２）／２に近い第３のレーザ周波数ｆ_３と比較される。非線形結晶（＋）を用いて周波数の和ｆ_１＋ｆ_２が得られ、かつ、もう１つの非線形結晶（ｘ２）を用いて倍音２ｆ_３が得られる。光検出器での低周波数のうなり信号は、ディジタル・ロックループで、第３のレーザが精確に中間周波数で振動するように、すなわちｆ_３＝（ｆ_１＋ｆ_２）／２となるように、第３のレーザの周波数および位相を制御するのに使用される。このようにして図１３によるｎ個の分周器段の連鎖を用いて周波数の間隔Δｆは、因子１／２^ｎの分だけ減少することができる。このような分周器段の連鎖がレーザ周波数ｆおよびその第２の倍音２ｆで、すなわちΔｆ＝ｆで開始される場合には、ｎ個の分周器段の後に差周波数ｆ／２ ^ｎ が得られる。ここに記載の分周器の連鎖の欠点は、無線周波数（ｆ_{ｒａｄｉｏ}＜１００ＧＨｚ）に対する光周波数（ｆ_ｏｐｔ＞３００ＴＨｚ）の周波数のギャップの克服のために少なくとも１２個の分周器段が必要であるということである。このことは、ルーチン的使用には受け入れ不可能な高額な機器費用である。
【００１０】
必要な分周器段数を減少させるために、光学的周波数コーム発生装置（ＯＦＣ）を使用することが提案された（Ｋ．Ｉｍａｉら、「ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．」、第３４巻、１９９８年、第５４ページ以降参照）。ＯＦＣの場合には、光周波数およびマイクロ波周波数用に設計された共振器を用いて光学的な搬送周波数上の側波帯が得られ、この側波帯は、与えられたマイクロ波周波数によって得られる間隔を有している。しかしながら上記の周波数のギャップについてはＯＦＣを使用しても依然としてなお約５個〜６個の分周器段が必要である。ＯＦＣの詳細は、Ｔ．Ｗ．Ｈａｅｎｓｃｈ、「Ｐｈｙｓｉｋａｌｉｓｃｈｅ Ｂｌａｅｔｔｅｒ」、１９９８年にも記載されている。
【００１１】
光周波数標準のための「時計仕掛け」の提供という観点では、１０^−１４より明らかに良好でありかつ上記分周器段数の減少が可能にする相対的精度をもって特に大きな周波数差が克服される光周波数発振器が重要である。
【００１２】
分光法における光周波数発振器の第２の使用は、分光レーザの光の高精度の周波数測定に該当する。しかしながら、例えばセシウムのＤ_１−共鳴線の絶対周波数は、これまで約１０^−１７の相対的精度でしか測定することができなかった（Ｋ．Ｈ．Ｗｅｂｅｒほか、「Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ Ａ」、第３５巻、１９８７年、第４６５０ページ以降参照）。電子状態の周波数測定の場合の精度を高めることが重要である。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、定義されたパルスパラメータによる、殊に定義されたモード位置（Ｍｏｄｅｎｌａｇｅ）による、パルスレーザの駆動のための新規の方法を提供することであり、この方法によって、光周波数および／または光学的差周波数の発振または測定の場合の精度を著しく高めることが可能になる。この方法によって、殊にパルスレーザの駆動の安定化が可能とならなければならず、この安定化は、簡単な、信頼性のある、迅速に応答する、かつ正確な制御として実現可能である。光周波数および／または光学的差周波数の発振または測定のための方法を提供することも、本発明の課題である。また本発明の課題は、該方法を実施するための装置を提供することでもある。さらに本発明によって光周波数発振器の新規の使用が提供されなければならない。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、特許請求項１、１４、１５または１６に記載の特徴を有する方法および装置によって解決される。本発明の有利な実施形態および使用は、従属の請求項に記載されている。
【００１５】
本発明の第１の見地によれば、パルスレーザの駆動のための方法が提供され、この方法の場合には、共振器内を往復する光パルスが得られ、この場合、光パルスの種々のスペクトル成分に対する種々の位相のずれの予め設定された発生が行われる。線形分散（第一次の分散）の導入によって少なくとも１つのモードが得られ、一定の周波数および／またはモード間隔は、一定の値に調節される。殊に、各モードにスペクトルに関して特異な周波数変動を施予する予定することが可能である。スペクトルに関して種々の作用を有する共振器の長さの調節は、共振器内への線形分散の導入のための種々の措置によって行うことができる。これには、パルスがスペクトルに関して空間的に分離されて循環する共振器の分岐部分における、スペクトルに関して特異な、幾何的な共振器長さ用アクチュエータ、共振器内への線形分散を伴う材料の導入および／またはレーザ媒質におけるポンピング能力の調節のための措置が含まれる。その内部をパルスがスペクトルに関して空間的に分離されて往復する共振器の分岐部分は、群速度の分散の補正のための装置（パルス圧縮機）の、パルスレーザのレーザ媒質の反対の側に存在する。線形分散の導入は、パルス生成の際に必要である群速度の分散（第二次の分散）の補正または調節と異なる。
【００１６】
特別な実施形態によれば本発明による方法は、パルスレーザの駆動の安定化のための制御方法として実施され、この方法の場合には、基準周波数の光パルスの第１の基準モードの１つの周波数偏移と無関係に光パルスの位相周期時間は、変動される。該パルスレーザは、基準周波数に関するモード制御ループおよび周波数標準に関する繰返し周波数制御ループを用いて安定化される。これらの制御ループは、パルス繰返し周波数ｆ_ｒおよびモード位置の調節のために組合せする。
【００１７】
該パルスレーザは、共振器内の線形分散の調節のための分散用アクチュエータおよび共振器長さの調節のための共振器長さ用アクチュエータを有している。詳述された２つの制御ループの組合せ下に、モード制御ループで分散用アクチュエータが制御されかつ繰返し周波数制御ループで共振器長さ用アクチュエータが制御され、またあるいはその反対にモード制御ループで共振器長さ用アクチュエータが制御されかつ繰返し周波数制御ループで分散用アクチュエータが制御されることになっている。
【００１８】
これら制御ループは、本発明の実施形態によれば基準レーザ制御ループと組合せることができ、この基準レーザ制御ループを用いて周波数コームの第２の基準モードに関する基準周波数が制御される。
【００１９】
さらなる実施形態によれば、本発明による方法は、安定化された基準周波数による基準レーザの駆動のための制御方法として実施される。該基準レーザは、周波数標準に関して安定化されているパルスレーザ内を往復する光パルスの基準モードの少なくとも１つの基準周波数の周波数偏移（もしくは該基準周波数の整数の約数もしくは整倍数）に依存して制御される。基準レーザを伴うこの系全体は、本発明による光周波数合成器を形成する。
【００２０】
本発明の第２の見地によれば、短光パルスの発振のためのレーザ装置が提供され、このレーザ装置には、活性媒質、多数の共振器鏡および光パルスの群速度の分散の補正のための補正装置を有する共振器が備えられており、この場合、該共振器は、上記措置の１つに相応する光パルスの位相周期時間の調節のための少なくとも１個の制御可能な分散用アクチュエータを有している。位相周期時間の調節は、有利に、モードおよび繰返し周波数制御ループの使用下に繰返し周波数の制御に同期した制御として行われる。
【００２１】
上記共振器用アクチュエータは、有利に、補正装置の、活性媒質と反対の側の共振器の分岐部分において、例えば一方の共振器端の鏡における傾き装置の形で実施される。またあるいは、該分散用アクチュエータは、傾き可能な透明板もしくは挿入可能なプリズム対としてかまたはレーザ媒質についてのポンピング能力の変化のための装置として実施されていてもよい。
【００２２】
本発明のさらに別の重要な見地によれば、本発明により安定化されたパルスレーザ装置を用いて、より幅広い周波数コームが得られ、この周波数コームは、低周波領域内で第１の基準モードを有し、かつ、この周波数コームの場合には、高周波領域内で第２の基準モードが、モード制御ループの基準周波数の調節のための（第３の）基準レーザ制御ループの範囲内で使用される。
【００２３】
本発明のさらに別の重要な見地によれば、レーザ装置は、有利に無線周波数源の周波数標準の使用下に、レーザ装置および／または該レーザ装置に結合された基準レーザが、時間−もしくは周波数測定技術および分光法への精密適用のための光周波数の発振器（光周波数合成器）である程度に安定化される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の利点および詳細が添付の図に関連して記載されている。
安定化されたパルスレーザの駆動は、種々の安定化するための制御機構の使用下に本発明の有利な実施形態を表すのであるが、上記課題は、往復するパルスの種々のスペクトル成分に対して種々の、予め設定された位相のずれが有効である共振器装置を有するレーザ装置によってすでに解決される。この種のレーザ装置をまず図１に関して説明する。続いて、安定化の制御の導入を説明し、さらに、本発明の適用について記載する。
（スペクトルに特有に調節可能な位相のずれを伴うレーザ装置）
図１は、本発明による、共振器装置３内に活性レーザ媒質２を有するレーザ装置１の実施形態が概略的を示しており、この共振器装置には、入力鏡３１、出力鏡３２、複数の方向転換鏡３３ａ、３３ｂ、３３ｃおよび平坦な終端鏡３４が含まれる。該活性レーザ媒質２は、Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３結晶（カー・レンズでモード同期された、例えば市販の「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｍｉｒａ ９００」、パルス幅７３ｆｓ、繰返し周波数ｆ_ｒ＝７５ＭＨｚ）であり、この結晶は、ダイオードによりポンピングされる、周波数２倍の単一周波数−Ｎｄ：ＹＶＯ_４−レーザ（例えば「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｖｅｒｄｉ」、周波数２倍の後に：λ＝５３２ｎｍ、出力５Ｗ）を伴う前記入力鏡３１によってポンピングされる。共振器３内にさらに前記方向転換鏡３３ａと前記終端鏡３４の間に、往復する光パルスの群速度の分散の補正のための補正装置４が（パルス圧縮機）が存在する。ここに示している例の場合には該補正装置４には２個のプリズム４１、４２が含まれ、これらの位置は、共振装置内の光路に関して自体公知の方法で調節されている。該プリズム４１、４２の機能は、他の分光作用を有する素子、例えばチャープ共振器鏡、で代用することもできる（Ｃ． Ｒｕｌｌｉｅｒｅ、「Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｐｕｌｓｅｓ」も参照のこと）。
【００２５】
適用対象に応じて、より高い繰返し周波数ｆ_ｒ（例えば約１ＧＨｚ以上）を有するレーザが使用される。より高い繰返し周波数によって、より大きなモード間隔、ひいてはより簡単に同定可能でありかつ下記で説明するうなり測定により良好に利用しうるモードが得られる。
【００２６】
共振器長さは、前記方向転換鏡３３ｂをその鏡の法線に一致させてずらす（矢印方向）ことによって調節することができる。このために該方向転換鏡３３ｂには、共振器長さ調節装置として機能するスライド駆動装置５が備えられている。該スライド駆動装置５は、例えば自体公知の方法で制御される圧電駆動装置である。符号６は、複屈折フィルター（リオ・フィルター）を指している。
【００２７】
共振装置３は、該共振装置がここまで記載されている限りにおいては、パルス生成、パルス測定などのための自体公知かつ常用の措置で変更することができる。しかしながら、本発明による共振装置３は、従来の共振器とは、共振器内の線形分散の調節および／または変更のためのアクチュエータの導入によって区別される。下記で説明する制御ループに関しては分散用アクチュエータとも称される該アクチュエータは、種々の措置によって実施することができ、このアクチュエータについて、例えば図１の場合には終端鏡３４の傾き可能性もしくは旋回可能性が説明されている。分散用アクチュエータの導入によって、方向転換鏡３３ｂの移動のためのスライド駆動装置５との組合せの場合に、繰返し周波数ｆ_ｒならびにモード周波数は、共振器内を往復する、ソリトン様のパルスの群−および位相周期時間の制御によって固定することができる。
【００２８】
旋回可能である終端鏡３４は、補正装置４の、活性媒質と反対の側の共振器の分岐部分に備えられている。旋回可能であるとは、終端鏡３４が、パルスのスペクトル分解が補正装置４内で行われる基準面上に垂直に立つ軸を中心に旋回可能であるということである。図１の下の部分には、旋回可能である終端鏡３４の２つの拡大図が示されている。該終端鏡３４は、概略的に示された旋回装置７によって動かされ、この旋回装置には、例えば圧電駆動装置が含まれる。終端鏡３４の一定の方向へ調節によっての次の効果が達成される。
【００２９】
補正装置４の、活性レーザ媒質２と反対の側でパルスは、空間的にスペクトル分解される。複数のモードが並走する。１つのモードは、鏡３４に、まさに旋回装置の旋回軸のところで（もしくは該旋回軸のすぐそばで）入射する。このモードは、鏡３４が旋回しても変化しない（もしくはほとんど変化しない）。他のすべてのモードは、このモードから空間的に隔たっており、かつ、これら他のすべてのモードは、前記の旋回によって、旋回角度が増大するとともに相互に引き離される。このモード間隔は変化し、かつしたがって光パルスの繰返し周波数ｆ_ｒも変化する。したがって終端鏡の旋回によって、空間的に位相のずれがもたらされ、この位相のずれは、２つのモードの周波数間隔に比例しており、かつ、線形分散の変更に相応する。この位相のずれによって、パルスの時間的ずれがもたらされ、かつ、したがって有効な共振器−周期時間が変化する。このことによって、パルスをスペクトルに関してぼやけさせてしまう群速度分散（第二次の分散）と違って群周期時間は、変化する。このことによってモード周波数の位置が調節される（もしくは図２から４による制御の場合には固定される）。
【００３０】
前記の旋回可能な終端鏡３４は、鏡の縁部（図１、左下）もしくは鏡中央（図１、右下）にある旋回軸をもって球の上に置かれる。鏡中央に置くのが、旋回の際に平均の共振器長さの変更が生じないので、かつ調節が簡単になるという理由から有利である。鏡の縁部に置く場合には、場合によっては共振器長さの再調節が方向転換鏡３３ｂで行われることになる。旋回角度は、適用対象に応じて０．００５°から０．０５°までの範囲内での旋回である。これは、例えば鏡の幅約２ｃｍの場合に、自由に動く鏡の縁部が約５μｍが旋回するのに相当する。この旋回は、旋回装置７によって無段階で行われる。
【００３１】
この第１のアクチュエータの別の形態によれば終端鏡３４は、固定して取り付けられている。この場合には、共振器内への線形分散の光学的導入のために、ずらし可能な透明なプリズム対または旋回可能な透明板がスライド装置もしくは旋回装置８’、８（点線で示されている）とともに共振器の任意の領域に備えられている。該プリズム対は、有利に、考察される波長領域におけるブルースター角に相応する開口角を有する（例えば約６９°）。該板は、例えば厚さ２ｍｍを有する。例えばガラスからなるプリズム対または板の機能は、上記の旋回可能な終端鏡３１の機能に相応し、この場合、しかしながら、付加的な透明媒質という理由から光学的な共振器長さの付加的な再調節が必要である。プリズム対のずらし（μｍオーダー）または板の傾き（μｍオーダー）によって、ガラス（例えばクラウンガラスＳＦ１０、石英ガラス）を通る光路が延長もしくは短縮され、その結果、線形分散が相応して変化する。該板は、前記リオ・フィルター６によって形成することができる。同様に該プリズム対は、補正装置のプリズム４１、４２によって形成することもできる。該板は、干渉現象を回避するために切削角を伴って形成されていてもよい。
【００３２】
該スライド装置８’が従来のパルス圧縮機の公知のずらしスライダ装置で交換することができないことが強調される。該スライド装置８’（例えば圧電駆動装置を伴う）は、μｍ範囲の行程に対して取り付けられており、一方、該ずらしスライダ装置は、ｍｍ範囲で位置が変えられるのである。
【００３３】
共振器内の線形分散の調節のためのもう１つの可能性は、活性レーザ媒質２についてのポンピング能力の予め設定された調節によって与えられる。ポンピング光は、共振器の外部で（入力鏡３１のなお手前で）、例えば電気光学的強度変調器９（点線で示されている）を用いて変調される。このことによって、殊に、活性媒質２の線形分散が変更される。ポンピング能力の変動に対して％範囲の変調で十分である。線形分散の変化の別の方法については、下記でリングレーザに関連して説明する。
【００３４】
図１によるレーザ装置の構造は、活性レーザ媒質およびレーザパラメーター（殊にパルス持続時間、出力、パルスのスペクトル組成）の選択に関して変更されていてもよく。該レーザ装置１は、出力鏡３２の後に取り付けられた光ファイバー２０１（図２参照）に接続されていてもよく、この光ファイバーの機能については下記で説明する。スライド装置５ならびに旋回装置７を終端鏡３４に取り付けることも可能であり、その結果、該終端鏡においてスペクトルに依存しない共振器長さの調節ならびに共振器内の線形分散の影響付与が行われる。
【００３５】
図１による構造の代りに、リングレーザが本発明による安定化によって駆動することができる。リングレーザは、通常、リング共振器を有するレーザ装置であり、このリング共振器には少なくとも３個の鏡を含まれ、これらの鏡の間をレーザパルスが、場合によっては交差する光路をもって往復する。さらに該リングレーザは、レーザ媒質および、場合によってはさらなる光学的な構成要素を有している。例えば４個の鏡が取り付けられ、これは、Ｃ． Ｒｕｌｌｉｅｒｅによる上記文献（第６０ページ、図３、５参照）に一般的に示されている。この構造は、これをもって明確に上記開示内容に引用される。
【００３６】
リングレーザ内では群速度は、プリズム対を用いてではなく、少なくとも１個のチャープ終端鏡を用いて補正される。本発明による、モードに特異な周波数変動は、次の措置によって導入される。第１に直接の強度変調が、ポンピングレーザに予定されていてもよく。該強度変調は、下記で説明する制御ループからの信号に依存して調節され、かつ、例えば約５％である。第２にポンピング光線とパルスレーザ媒質間の空間的関係の変更が、予定されていてもよい。ポンピング光線および／またはパルスレーザ媒質の相互に対して相対的な傾きによって、さらにまたポンピング光線の有効強度の変調が生じる。この傾きは、ポンピングレーザおよび／またはパルスレーザにおけるアクチュエータを用いて、制御ループ信号に依存して調節され、かつ、例えば約０．０５°である。これとは別に相互の移動が予定されていてもよい。パルスレーザ媒質内のポンピング光線のこの移動（チタン−サファイア−レーザの場合には、例えば約５０μｍ）によって、パルスレーザ媒質内の励起の場所ひいてはポンピング光線の有効強度が変動する。
【００３７】
安定化されたリングレーザの上記構造は、高い場所の節約という利点を有する。該リングレーザは、装置全体が約２０×３０ｃｍ^２（またはこれ以下）の底面積に相当する程度にコンパクトに構成することができる。
（制御された安定化を伴うレーザ装置）
図１に示されたレーザ装置は、本発明によれば有利に少なくとも３つの制御ループの実施下に駆動され、該制御ループは、図２〜４および１２に関連して説明される。しかしながら、パルスレーザの安定化は、図１によるレーザ装置１に制限されるのではなく、相応する方法で、超短光パルスの発振のための別の種類のレーザ（例えばファイバーレーザ、色中心レーザ、気体レーザ、色素レーザ）を用いて実施することができる。しかしながら、コンパクトなフェムト秒レーザ（ファイバーレーザ、チタン−サファイア−レーザ）との組合せは、安定性およびコンパクトネスという理由から実用に有利である。
【００３８】
図２には３つの制御ループ、すなわちモード制御ループＩ、繰返し周波数制御ループＩＩおよび基準レーザ制御ループＩＩＩ、の構造が、第１の実施例において、概略的に示されている。安定化された、制御されたレーザ装置の場合には有利に３個すべての制御ループが実施され、しかしながら、制御ループＩおよびＩＩのみによる駆動は、殊に十分な安定な基準レーザの提供の場合にも可能であり、これは、場合によっては２つの制御ループＩおよびＩＩの組合せ下にもかかわらず、この２つは、それぞれが個々の制御機構を有している。
【００３９】
レーザ装置２００（モード同期されたパルスレーザ）の光パルスは、光ファイバー２０１を介して鏡２０２および２０３によって繰返し周波数制御ループＩＩの信号発振素子２２０に方向転換され、かつ、鏡２０４によってモード制御ループＩの信号発振素子２１０に方向転換される。図２から４に示された方向転換鏡は、適用対象に応じて選択された部分的に透明な、および／または二色性の鏡であり、かつ以下、これらを合わせて短く鏡と称する。鏡２０４を通過するパルスは、鏡２０６で部分的に、基準レーザ制御ループＩＩＩの信号発振素子２３０に方向転換されるか、あるいは出力光パルスＰとして透過する。
【００４０】
それぞれの使用に応じて、示された概略図の中の光路の一部から光がさらなる使用のために取出される。この取出は、例えば、図示されているように鏡２０６で行われるか、または光周波数についての基準レーザ２４０と鏡２０７間で行われる。
【００４１】
該基準レーザ２４０は、通常、光学的基準周波数発振器２４０とも呼称される。有利に狭帯域の連続発振レーザが備えられ、この連続発振レーザの光周波数は、十分な精度で公知であるか、またはこの連続発振レーザは、基準レーザ制御ループＩＩＩによって安定化されている。制御ループＩＩＩが実施されていない場合には、基準レーザ２４０は、例えばメタンにより安定化されたヘリウム−ネオン−レーザを有する。示された例の場合には、第１の基準モードは、約３５０ＴＨｚの周波数を有しており、かつ、該ヘリウム−ネオン−レーザは、約８８ＴＨｚの周波数を有しており、その結果、周波数調整のための、示されていない２個の周波数逓倍器段（合わせて：ファクタ４、図９の符号９２、９３を参照）が備えられている。図２は、さらに無線周波数のための基準周波数発振器２５０を示している。該基準周波数発振器２５０は、例えば、９．２ＧＨｚの特性周波数を有するセシウム原子時計２５１および、原子時計に対する二次基準周波数を提供するための周波数合成器２５２を含む。
【００４２】
図２に示されたこれら素子は、次のとおり、レーザ装置２００の安定化のために共同作業する。モード制御ループＩの場合には、鏡２０４によって素子２１０に方向転換されたレーザ装置２００の出力パルスは、光検出素子２１１に向けられる。さらに基準周波数ｆ_ｒｅｆを有する光は、素子２１１に向けられる。該基準周波数ｆ_ｒｅｆは、基準レーザ２４０の出力周波数（または該出力周波数の整倍数および／または約数）であるか、またはＳＨＧ装置２４１を用いて周波数２倍にされた本来のモードコームのモードである（下を参照）。該基準周波数は、鏡２０７によって同様に光検出素子２１１に向けられる。該光検出素子２１１は、殊に出力パルスの基準モードと基準周波数の基準モードの間のうなり周波数を検出するために備えられている。このことのために２つの成分は、自体公知の方法でポラリゼーション分周器の使用下に重ね合わされる。該光検出素子２１１は、殊にそれぞれのスペクトル領域に応じて、フォトダイオードまたは光電子増倍管である。
【００４３】
光検出素子２１１の電気の出力信号は、特性的なうなり信号を有し、該うなり信号は、レーザ装置２００の出力パルスの周波数コーム内での選択された基準モードの光周波数と上記の基準周波数との重ね合わせによって形成される。該うなり信号は、（モード）制御装置２１４における制御変数として与えられ、この制御装置は、レーザ装置２００の分散用アクチュエータの作動のための出力信号を出力し、該アクチュエータは、旋回装置７（または装置８、８’、図１参照）である。該出力信号は、選択的に、基準レーザの制御（図３および４参照）に使用することもできるし、スライド装置５の調節（図１参照）に使用することもできる。該制御装置２１４は、自体公知の方法でアナログもしくはディジタルの制御装置として構成されている。モード制御ループＩは、ＰＬＬ制御ループを形成する。
【００４４】
制御に最適なうなり信号の達成のために、一方で出力パルスの周波数コームの適当な（基準）モードが選択される。このことのために、出力パルスの特定のスペクトル成分を光検出素子２１１に方向転換させるために、適用対象に応じて周波数分離素子２１２（例えば回折格子）が備えられている。しかしながら、これは、信号−雑音比の改善にのみ役立ち、かつ必ずしも必要ではない。場合によってはもう一方では、基準レーザ２４０の出力周波数自体が基準周波数として使用されるのではなく、自由に使えるようになっているモードに付加的に一致させられる。
【００４５】
この一致には、殊に下記の基準レーザ制御に関連して、基準周波数ｆ_ｒｅｆの達成のための出力周波数の乗法および／または除法が含まれる。該乗法によって周波数コームの範囲内の基準周波数ｆ_ｒｅｆが得られる。基準レーザ制御によって基準レーザ２１０の出力周波数の倍数（例えば２倍）は、第１の基準モードからの間隔（例えば間隔ｆ_ｒｅｆ）を有する周波数コームのさらに別の基準モードに結合される。除法は、場合によっては、周波数コームが十分に幅広くなくかつ利用可能な基準モードを２ｆ_ｒｅｆで有していない場合には必要である。該除法は、分周器段２１３を用いて行われ、この分周器段は、基本的に、図１３による分周器段と同様にして構成されている。
【００４６】
光ファイバー２０１の出力端子から出されるモードコームが十分に幅広くかつ殊にまさに周波数オクターブ（ｆと２ｆ）もしくはそれ以上を有する場合には、基準周波数ｆ_ｒｅｆとしてモードコームの周波数多重化されたモードを使用することができる。この変化形は、図１２に素子２０２’、２０７’および２４１’で点線で記入されている。該素子２０２’は、二色性鏡であり、この二色性鏡は、モードコームの低周波数を反射しかつ高周波数を透過させる。周波数コームの１個もしくは複数のモードは、ＳＨＧ装置２４１’（例えばＫＤＰもしくはＫＮｂＯ_３結晶）によって周波数２倍される。周波数２倍モードの数は、ＳＨＧ装置のパラメーターに依存する。位相の調節がＳＨＧ装置内で例えば２から３ｎｍで有効である場合には、１０００モードまで周波数多重化することができる。したがって光検出素子２３１でのうなり測定の場合に、モードコームのより高周波の多数のモードを考慮することができる。有利に、うなり測定の際の高い強度の獲得、ひいては制御ループＩにおける精度の上昇が得られる。
【００４７】
うなり測定のための基準としての低周波のモードの使用は、次の考察に基づいている。低周波のモード（例えばｆ_Ｎ）は、モード間隔ｆ_ｒで、かつ第ｍのより高周波のモードｆ_２と、ｍｆ_ｒによって異なっている。ｍが選択され、このｍには次のとおりあてはまる：
ｆ_２＝ｆ_Ｎ＋ｍｆ_ｒ＝２ｆ_Ｎ＋Δ。うなり周波数については、Δ＝ｆ_２−２ｆ_Ｎが得られる。レーザ装置は、このうなり周波数を基礎として安定化される。
【００４８】
より高周波のモードを用いた低周波の、多重化されたモードでのうなり測定の実施の場合には素子２４１は省略される。しかしながら、基準レーザ２４０の連結は、場合によっては適用対象に応じて、安定化されたレーザの提供のためにさらに必要である。
【００４９】
上記の原理は、うなり測定がより高周波の、分割されたモードで、低周波のモードを用いて行われるというように逆にすることもできる。
【００５０】
モード制御装置２１４は、うなり信号が最小化されるかまたは一定のうなり周波数を有するように機能する。基準変量として、後者の場合には、例えば（例えば発振器２５０の）局部発振器の信号または該局部発振器から派生した信号が使用される。モード制御装置を用いて、周波数コームの選択された第１の基準モードは、基準周波数ｆ_ｒｅｆに関して一定の周波数間隔に、あるいは逆に基準周波数ｆ_ｒｅｆが基準モードに関して一定の周波数間隔に固定される。周波数コームのモードの固定は、極めて高い相対的精度をもって行われる。基準周波数からの基準モードの周波数間隔がいずれの正負符号を有するかということは、制御装置２１４の挙動から導き出すことができる。
【００５１】
モード制御ループＩを用いて、分散の制御の場合に周波数コームの位置が基準周波数に対して相対的に、選択されたモードの固定によって制御され、この場合、しかし全てのモードのモード間隔もが出力パルスを変化させる。次に適用対象に応じて、所望のモード間隔を固定された基準モードを用いて調整するために、繰返し周波数制御ループＩＩを用いて群周期時間の調節またはパルスレーザの有効な共振器長さの調節が行われる。繰返し周波数制御ループＩＩの場合には出力パルスが鏡２０２によって素子２２０に方向転換される。光検出素子２２１（フォトダイオードまたは光電子増倍管）の電気の出力信号は、基本周波数として、または該周波数のより高い倍音（例えば１００もしくは２００倍音）として、ミクサー２２２で、マイクロ波もしくは無線周波数のための基準周波数発振器２５０の信号と電気的に混合され、この場合、差周波数もしくはうなり周波数は、出力パルス（またはより高い倍音）のパルス繰返し周波数ｆ_ｒと無線周波数の間で形成され、これら周波数は、ともにＧＨｚ範囲である。このうなり信号は、（繰返し周波数）制御装置２２４の制御変数として共振器長さの調節のために、例えば図１によるスライド駆動装置５において使用されるか、またはモード制御装置２１４と共振器長さアクチュエータとの結合の場合には分散の調節のために使用される。基準変量として、モード制御装置２１４の場合と同様に、局部発振器の信号が使用される。選択的にうなり信号の最小化が行われる。出力パルスの繰返し周波数ｆ_ｒの固定化された調節、ひいては、一方ではモード間隔の、および他方では選択されたモードの周波数の固定化された調節によって、レーザ装置２００の出力パルスの完全な安定化が、基準レーザ２４０に対して相対的に行われる。
【００５２】
モードおよび繰返し周波数制御ループＩおよびＩＩの共同作業にとって、これら相互の依存が重要である。モード制御ループＩによって第１の基準モードの絶対的な調節が可能になり、その一方で、繰返し周波数制御ループＩＩを用いて、共振器長さの変化を介して、パルス繰返し周波数ｆ_ｒ（モード間隔に相応して）ならびにモードの周波数位置を変化させることが可能である。繰返し周波数制御ループＩＩを用いて、パルス繰返し周波数ｆ_ｒが維持される場合には、モード制御ループＩを用いてモードの周波数位置が定義される。繰返し周波数制御ループＩＩを用いて、モードの周波数位置が維持される場合には、モード制御ループＩを用いてパルス繰返し周波数ｆ_ｒが変化する。したがって、上記の態様と異なり、制御装置２１４が共振器長さ用アクチュエータを制御し、かつ、制御装置２２４が分散用アクチュエータを制御することが選択的に可能である。
【００５３】
制御ループＩおよびＩＩによって、たしかにすでに完全なレーザ安定化が、基準レーザ２４０に対して相対的に可能になる。したがって、このことは、光学的基準周波数発振器の精度に、および場合によっては、周波数多重化に依存する。基準レーザ２４０は、精密使用の場合には、特別な安定化された、かつそれにもかかわらず比較的正確ではない、場所をとる敏感な装置である。実用向きの、殊に研究室の範囲外で有利な本発明の実施形態によれば、光学的基準周波数発振器自体を、レーザ装置２００の安定化された出力パルスを用いて安定化することが定められている。このことのために基準レーザ制御ループＩＩＩが取り付けられ、この基準レーザ制御ループＩＩＩは、次のとおり機能する。
【００５４】
図２に示された系全体は、レーザ装置２００および基準レーザ２４０の駆動に関する３つの変態を有している。これら変態は、第一に、特定の光周波数の場合の第１の基準モードの位置を含み、第二に、無線周波数領域内のパルス繰返し周波数ｆ_ｒに相応するモード間隔を含み、かつ、第三に、基準レーザ２４０の周波数を含む。レーザ装置２００の場合には、共振器長さによって、および／または線形分散によって、パルス繰返し周波数ｆ_ｒおよび絶対モード位置を共振器内で調節することができる。次に、安定化された周波数コームの高周波の基準モードは、基準レーザ２４０の制御のために、もしくは該基準レーザについての周波数標準の導出のために使用される。３つの変態のそれぞれについて、すなわち１つの制御ループが備えられている。該モード−および繰返し周波数−制御ループＩもしくはＩＩは、データとして光学的基準周波数もしくは基準周波数発振器２４０もしくは２５０の無線基準周波数を使用する。第３の制御ループの場合には、制御原理は、次のとおり逆になり、すなわち、光学的基準周波数が一定の値に制御され、このことのために、さらにまた２つ光周波数から導き出されたうなり信号が制御変数として使用される。第１の周波数は、光学的基準周波数ｆ_ｒｅｆ自体から導き出され、その一方で、第２の周波数は、モード制御ループＩ内で調節されたモードからの予め決定された基準間隔を有する出力信号のさらなる周波数コームにおける基準モードによって、またはこの基準モードの周波数のより高い倍音もしくは分数によって与えられている。
【００５５】
基準レーザ制御ループＩＩＩには、図２によれば信号発振素子２３０として光検出素子２３１および周波数選択素子２３２が含まれる。レーザ装置２００の出力パルスは、鏡２０６および周波数選択素子２３２（例えば回折格子）によって光検出素子２３１に向けられる。同時に該光検出素子は、周波数２倍信号を基準レーザ２４０から受け、この周波数２倍信号は、鏡２０７の通過後にＳＨＧ装置２４１（二次倍音を生成するための装置、例えばＫＤＰもしくはＫＮｂＯ３結晶）で形成され、かつ、鏡２０９によって光検出素子２３１に向けられる。該光検出素子２３１は、ここでもフォトダイオードまたは光電子倍増管である。基準レーザ制御ループＩＩＩの場合には、モード制御ループＩの場合より高い光周波数およびしたがってより短い波長が処理されるので、しかしながら、光検出素子２３１として光電子倍増管が有利である。
【００５６】
第３の制御ループＩＩＩの場合の制御は、新たにうなり信号の監視を基礎としており、このうなり信号は、周波数２倍された基準周波数と出力パルスのより高周波の基準モードとの重ね合わせによって生成される。図５に概略的に示されているように、出力パルスの高周波のモードＭ_２は、定義された周波数間隔を、モード制御ループＩ内で一定して調整された基準モードＭ_１に対して有している。該周波数間隔は、モードもしくは基準レーザ制御ループＩもしくはＩＩＩの場合の基準モードＭ_１とＭ_２間のモード数Ｎと２つのそれぞれのモードｆ_ｒの間のモード間隔との積に等しく、このモード間隔は、繰返し周波数−制御ループＩＩによって定められている。基準モード間のモード数は、モード計数器２６０によって定められる。該モード計数器の機能は、下記で説明される。これとは別に、高周波の基準モードＭ_２の絶対位置の決定は、特に推奨されかつ正確さで知られている原子共鳴との比較によっても可能であるし、あるいは十分に大きなパルス繰返し周波数（＞３００ＭＨｚ）の場合には波長計（例えばＢｕｒｉｅｉｇｈ−ＷＡ１５００型）を用いたモードの直接の測定によっても可能である。
【００５７】
光検出素子２３１の電気的な出力信号は、２倍された基準周波数［２ｆ_ｒｅｆ＝２（Ｍ_１・ｆ_ｒ＋ｆ_ｐ）］からの差周波数もしくはうなり周波数ｄｆと基準モードの周波数を用いてＭ_２（Ｍ_２・ｆ_ｒ＋ｆ_ｐ）で発振する信号成分を有しており、この信号成分は、制御変数として（基準レーザ）制御装置２３４で処理される。基準周波数ｆ_ｒｅｆがΔｆで変化する場合には、うなりへの寄与は、相応して２ΔｆないしΔｆ分だけ変化する。ｄｆにはＭ_２＝２Ｍ_１で次式が有効である。
ｄｆ＝２ｆ_ｒｅｆ−（２Ｍ_１・ｆ_ｒ＋ｆ_ｐ）
＝２（Ｍ_１・ｆ_ｒ＋ｆ_ｐ）−（２Ｍ_１・ｆ_ｒ＋ｆ_ｐ）
＝ｆ_ｐ
すなわち、うなり周波数は、すべり周波数ｆ_ｐにまさに等しい。したがって、ｆ_ｒｅｆの安定化のためにうなり信号ｄｆは、ゼロに減少されうるか、または局部発振器に一致されうる。基準レーザ制御装置２３４は、例えば、うなり周波数が予め定められた値に一致するように、基準レーザ２４０の光周波数を基準レーザクチュエータで調整するために調整されている。基準レーザ２４０がダイオードレーザである場合には、該基準レーザは、制御装置２３４によって流れ安定化されるかまたはアクチュエータとして機能する外部に可動である格子を用いて安定化される。基準レーザ２４０としての、ダイオードによりポンピングされる固体レーザの場合には、アクチュエータとして機能する、共振器長さの圧電制御装置および電気光学変調器を用いて安定化が行われる。３つの制御ループを有する構造の特別な利点は、基準レーザ２４０に特別に高い固有安定性が要求されないことである。しかしながら、基準レーザ２４０は、周波数空間で、無線周波数発振器２５０で設定された例えば１０^−１４の精度によって安定化される。それどころか、光周波数標準に関して、１０^−１８までの安定化の相対的精度が期待されうる。その周波数が測定の問題に合致する基準周波数発振器は、使用することができる。このようにして、上記の系全体によって、実用において多方面にわたり使用可能な、研究室の範囲内に制限されない光周波数発振器が提供されない。
【００５８】
モード計数器２６０は、次の原理にしたがって機能する。モード計数のために、近接して隣り合ったモードの間引きが、周波数コーム内で、拡大された周波数領域内で行われ、この周波数コーム内ではモードが市販の波長計によって測定可能である。このことのためにモード計数器２６０は、レーザ装置２００の共振器に比して拡大された自由なスペクトル領域を有する受動共振器を有している。例えば２０倍に拡大されている。この共振器の場合には、相応してわずかに、例えばそれぞれの強制的なモードだけが送信され、その結果、拡大されたモード間隔が形成される（例えば１．５ＧＨｚ）。これは、この時点としては２０倍に減少されたパルス間隔τに相当する。間引きされた周波数コームによって、基準周波数発振器２４０およびその周波数２倍された信号（２４１の後）を用いた自己制御が、本来のコームによる場合と同様に、基準レーザ制御ループに相応して行われる。２つのうなり信号が得られ、その間隔は、波長計で評価することができる。この周波数測定とモード計数器２６０の受動共振器内での公知のモード間引きとから、さらに基準モードの周波数位置および該基準モード間に存在するモードの数を導き出すことができる。
【００５９】
図２には、レーザ装置２００の出口の後に取り付けられる形で、非線形媒質中での自己位相変調によってレーザ装置２００の出力スペクトルを拡大するための装置２０１が示されている。該装置２０１は、例えば光ファイバーである。光ファイバー中での自己位相変調は、例えばＫ．Ｉｍａｉら、「ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ」、第３４巻、１９９８年、第５４ページ以降に記載されている。出力信号の出力に応じて、擬白色光連続体が達成されるまでのスペクトルの拡大が達成される。このことは、周波数コームが周波数ｆのモードおよび該周波数からの二次倍音２ｆを有していなければならない場合に殊に重要である。この場合には制御ループＩ、ＩＩＩの構造は、第１の制御ループＩが基準モードにｆで関連しかつ第３の制御ループＩＩＩが基準モード２ｆに関連することによって簡易化される。装置２０１ が使用されない場合には、基準レーザ制御ループＩＩＩの達成のために場合によっては分周器段を導入することが必要であり、これは評価可能なうなり信号を光学的基準周波数の二次倍音と周波数コームの基準モードもしくは該基準モードの部分周波数の間で達成するためである。
【００６０】
装置２０１は、有利に、スペクトル拡大が少なくとも１オクターブによって行われるように設計されており、その結果、モードコームは、ｆから２ｆになる。このことは、例えばいわゆる「フォトニック結晶ファイバー」をもって達成され、これは、ファイバーコアおよび該ファイバーコアの軸を中心に延びる検鏡下に小さい空気路を有している（Ｄ．Ｍｏｇｉｌｅｖｔｓｅｖら、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第２３巻、１９９８年、第１６６２ページ以降、Ｔ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ、「Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第２２巻、１９９７年、第９６１ページ以降、またはＴ．Ａ．Ｂｉｒｋｓ、「ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ」、第１１巻、１９９９年、第６７４ページ以降参照）。２ｆにスペクトル拡大されたファイバーは、下記で説明する制御ループの構造に有利である。
【００６１】
図２による概略図の場合には、レーザ装置は、基準レーザ２４０に関連して安定化される。これとは逆に、基準レーザ２４０の周波数または該周波数から誘導された（分割された、もしくは多重化された）周波数を測定する可能性もあり、これは、本発明によるレーザ装置が、安定化された駆動において、 基準レーザ２４０と位相結合され、かつ、（ここでは制御されていない）基準レーザ制御ループＩＩＩのうなり信号から、基準レーザ２４０の周波数が確定されることによって行われる。このことによって直接かつ高精度に基準レーザ２４０の周波数が無線周波数発振器２５０（相対的精度、少なくとも１０^−１５）と関連づけられ、かつ、光周波数と無線周波数の間の間隔を克服するための所望の「時計仕掛け」が提供される。
【００６２】
図２による概略図の変態が図３および４に示されている。同じ部分には同じ符号が付されている。次に、図２による構造との相違点のみを説明する。
【００６３】
モード制御ループＩは、図３によれば、２つの制御装置部分ＩａとＩｂに分割されている。制御装置部分Ｉａは、第１の基準レーザ２４０ａ、この場合、該第１の基準レーザは、例えばダイオードレーザでありかつ一定の周波数ｆ_ｒｅｆで作動する、を、パルス周波数コームの後に基準モードへの第１のモード制御装置２１４ａと結合するために使用される。もう１つの制御装置部分Ｉｂは、２倍にされた基準周波数ｆ_ｒｅｆと、２ｆ_ｒｅｆで駆動されかつ高周波の基準モードに、パルスの周波数モードで、結合された第２の基準レーザ２４０ｂの周波数からとのうなり信号に基づくレーザ装置２００の上記のモード制御装置に相応する。うなり信号の成分（例えば１／１２８）は、制御変数として第２のモード制御装置２１４ｂに送られる。図２による態様の場合でも行うことができる、うなり信号のこの周波数分割によって、制御の帯域幅が分割因子の分だけ高められる。このことによって圧電駆動装置の比較的小さな制御速度（帯域幅）がレーザ装置で補正される。基準レーザ制御ループＩＩＩ内のモードコームへの第２の基準レーザ２４０ｂの結合は、下側の基準モードと第１の基準レーザ２４０ａとの結合と対称である。
【００６４】
モード制御ループＩは、図４の場合にも２つの制御装置部分ＩａとＩｂに分割されている上記の原理に相応する。さらに基準レーザ制御ループＩＩＩも２つの制御装置部分ＩＩＩａ とＩＩＩｂに分割されており、これらのうちの１つの制御装置部分ＩＩＩａは、高周波の基準モードと２ｆ_ｒｅｆで駆動される第２の基準レーザ２４０ｂの間の克服のために使用される。もう１つの制御装置部分ＩＩＩｂは、本質的に図３による基準レーザ制御装置ＩＩＩに相応する。
【００６５】
制御装置部分ＩＩＩａは、周波数モードの高周波の基準モードへの基準レーザ２４０ｃの結合を含む。基準レーザ２４０ｃは、３／２ｆ_ｒｅｆで駆動され、かつ、本質的に、図１３による１個の分周器段を含む。２４２での基準レーザ２４０ｃの出力信号の周波数多重化および、２４３での第１の基準レーザ２４０の出力信号ｆ_ｒｅｆと第２の基準レーザ２４０ｂの出力信号２ｆ_ｒｅｆからの和の形成の後に、光検出素子２４４でうなり信号が得られ、その基準位置で第２の基準レーザ２４０ｂは安定化される。
【００６６】
本発明の使用は、 パルスレーザの安定化に限定されていない。図２から４に関連して説明された原理は、安定化されたレーザ装置を用いて未知の光周波数を測定するのに使用することもできる。光周波数の安定化および／または測定のための本発明の使用を次の例で説明する。
【００６７】
使用例１：光周波数の測定または合成
本発明により安定化されたレーザ装置を用いて、初めての光周波数または周波数差を少なくとも１０^−１６の精度で、直接もしくはわずかな分周器段（２もしくは３段）を介して、周波数標準（例えば原子時計のための）に関連づけることができる。このことは、光周波数（例えば分光レーザの測定光）から出発し、かつ、該光周波数を無線周波数標準と関連づけること、あるいは無線周波数から出発し、かつ、該無線周波数によって光周波数を安定化することを意味する。光周波数と無線周波数との周波数差の克服について図６から８に関連して説明する。
【００６８】
使用の目的は、例えば、基準レーザの周波数ｆの測定または発振にある（図６参照）。基準レーザは、図２の基準周波数発振器２４０に相応する。次は周波数ｆの測定にのみ関連している。周波数ｆの発振のためには、モード同期の上記の原理を逆に実施するだけである。
【００６９】
周波数ｆは、図６によれば、ｒと２ｆの間の周波数差の検出（２ｆ−ｆ＝ｆ）によって測定される。周波数差ｆは、本発明により安定化されたレーザ装置の周波数コームとの比較によって検出される。周波数コームで克服可能な周波数差は、レーザ装置の出力パルスのパルス持続時間に依存し、かつ、上記の例 （約７３ｆｓでの、図１によるレーザの構造）については２０ＴＨｚまでであり、ファイバー２０１を使用した場合には少なくとも５０ＴＨｚであり、あるいはパルス持続時間約１０ｆｓの場合には１００ＴＨｚまでである。光ファイバー２０１で達成される拡大は、パルスレーザの活性媒質でのポンピング能力にも依存する。したがって約３００ＴＨｚの光周波数に対して、利用可能な方法を用いて周波数差ｆの分割が、周波数コーム内に存在するまで、行われなければならない。十分に短いパルスによって、光周波数の場合には該分割を省略することができる。
【００７０】
上記方法を用いて、ｆを有する基準レーザは、下側の周波数コームの基準モードＭ_１に関連づけられる。ｆと２ｆの間の周波数差は、図１３による１つの分周器段を用いて、ｆと３／２ｆの間の周波数差に分割される。周波数差 ｆ／２が周波数コーム内に存在する。周波数３／２ｆは、周波数コームの上側の基準モードＭ_２に関連づけられる。本発明によれば原子時計に関連して安定化された、かつしたがって公知のモード間隔およびうなり周波数から、どのモードがｆもしくは３／２ｆに属するのかが検出され、かつ、モードの計数の後に、求められている周波数ｆが確認される。選択的に、適用に応じて、例えば４ｆと７／２ｆの間の間隔も克服することができる（図１１参照）。
【００７１】
周波数ｆもしくは２ｆまたは基準モードＭ_１もしくはＭ_２のいずれが、測定すべき、もしくは発振すべき周波数のための関連づけとして使用されるかは、具体的な適用およびその場合に重要である波長に依存する。このことは、図７および８に示されている。図７によれば、λ＝９７２での基準レーザの測定の場合に、約３００ＴＨｚの周波数間隔の２倍および２分割の後に波長λ＝７７８ｎｍが達成され、この波長は、λ＝９７２ｎｍから間隔７７ＴＨｚを有する。利用可能な周波数コームに応じて、更なる分割が続けられなければならない。これに対して図８によれば、λ＝１５６０ｎｍでの基準レーザの測定に重点が置かれている。この場合には２倍にされた周波数λ＝７８０ｎｍに関連づけられる。２つの分周器段の後に、λ＝７８０ｎｍとλ＝８９１ｎｍの間の間隔が４８ＴＨｚで得られ、この間隔は、更なる分周器段なしで５０ＴＨｚのコームで克服することができる。
【００７２】
したがって一連の分周器は、上（２ｆ）もしくは下（ｆ）の開始周波数に関連することができる。さらに開始周波数の選択は、少ない分周器段で達成可能な周波数差にとって重要である。例えば任意の波長範囲約７００ｎｍから１７００ｎｍの周波数について、レーザ装置の周波数コームへの関連づけが最適化されるように、分周器段を相応に選択することができる。約１５６０ｎｍの範囲は、テレコミュニケーション分野への本発明の適用にとって特に重要である。
【００７３】
１０^−１４の精度で作動する原子時計への基準周波数の関連をもって、有利に、１０^−１３の精度を有する安定化されたヘリウム−ネオン−レーザへの関連に対して、レーザ装置の調節の場合の精度でのオーダーが、同時に著しく簡易化された構造で達成される。
【００７４】
使用例２：周波数間隔の測定
精密分光法の分野での本発明の使用は、基準レーザと分光レーザとの間の周波数差の測定のための、モード−および繰返し周波数−制御ループを有する、図２から４により安定化されたレーザ装置の使用を基礎とする。このことのために基準レーザ制御ループ（ＩＩＩ）は、不要である。例えば、本発明によるレーザ装置を用いて、セシウムのＤ_１線を３３５ＴＨｚ（８９５ｎｍ）で測定した。これは、メタンにより安定化されたヘリウム−ネオン−レーザの４倍された周波数（４・８８．４ＴＨｚ＝３５４ＴＨｚ）とＤ_１線との間の周波数間隔の測定によって、安定化されたチタン−サファイア−レーザの約２４４０００モードを有する周波数コームの使用下で行った。測定原理は、図９に示されている。図９の上側には、２４４０００モードをもって１８，３９ＴＨｚにわたって拡がる周波数コームが概略的に示されている。周波数コームの低周波の端で、正確に知られているモードＭ_１へのその位相同期が、ヘリウム−ネオン−レーザ９１の出力周波数に基づいて行われる。ヘリウム−ネオン−レーザ９１を用いて、まず上記のうなり信号−制御原理にしたがって、色中心レーザ９２は、安定化され、該色中心レーザの２倍された出力周波数は、さらにまたダイオードレーザ９３の安定化に使用される。同時に、制御装置９４によって、モード同期されたパルスレーザ９５の調節が、図２による安定化の場合と同様にして、行われる。
【００７５】
周波数コームの高周波の端でダイオードレーザ９６は、適当な基準モードＭ_２に位相同期され、この場合、モードの数は、低周波の基準モードに関連して、上記の方法にしたがって計数されている。レーザ９３の周波数に関連して、１００から２００ｋＨｚ領域で１ＭＨｚ変動される、定義されたオフセット周波数の導入によって、モードコームの相応のずれを介して、ダイオードレーザ９６の周波数が連続調整されることができる。
【００７６】
セシウムのＤ_１線をサチュレーション分光計（例えば同じ強度、例えば１０μＷ／ｃｍ^２の、２つの直線偏光された、正反対に進むレーザ光線を用いて、セシウム電池、長さ：７．５ｃｍ、室温）で測定するために、ダイオードレーザ９６の連続調整が線の経過にわたって行われる。自体公知のサチュレーション分光法の詳細は、本明細書には記載しない。図１０には、例示的に、Ｄ_１線の遷移の経過Ｆ_ｇ＝４→Ｆ_ｅ＝４が示されている。中間周波数の位置は、相応するうなり周波数の調節によって、周波数コームおよび上下の基準モード間のモード数の位相同期の場合に、これまで達成されなかった精度をもって示されている。これは、物性の高精度の確定ならびに微細構造定数αの正確な測定にとって重要である。
【００７７】
図１１には、本発明により安定化されたレーザを用いた、水素原子１Ｓ−２Ｓ−遷移の精密測定のための一連の周波数が示されている。この一連の周波数は、４ｆと７／２ｆのあいだの周波数間隔の克服の例である。１Ｓ−２Ｓ−遷移の絶対周波数（約２４６６ＴＨｚ＝２８ｆ−８Δｆ）は、０．５ｆとΔｆの大きさの周波数間隔に変換され、この場合、該大きさは、チタン−サファイア−レーザを用いて測定されかつＣｓ原子時計の周波数に直接関連づけられる。
【００７８】
（その他の使用）
周波数−および／または時間測定のための光周波数の安定化または測定のほかにも本発明によるレーザ安定化は、テレコミュニケーションの分野で使用される。大量の搬送周波数の標準の転送の場合には、光によるデータ転送の場合には、１００ＧＨｚのオーダーの搬送周波数帯域間の周波数差がこれまでは必要である。このことによって、搬送に使用可能な周波数帯域、ひいては搬送キャパシティが制限される。周波数帯域を１０ＧＨｚ未満の間隔でさらに狭く配置することが、本発明により安定化されたレーザ装置によって可能となり、この場合、この値は、搬送される情報量になお左右される。
【００７９】
さらに、これまでのＣｓ原子時計に比してはるかに大きなオーダーで正確に作動する「光学的」原子時計の将来の提供の際には、光学的周波数差を測定するための新しい基準点が提供され、この新しい基準点によって、光周波数を測定するための基準レーザ制御ループを実施することがさらに可能になる。
【００８０】
制御ループＩ、ＩＩおよびＩＩＩを用いた完全な安定化によって、所望の「時計仕掛け」が提供され、この「時計仕掛け」によって無線周波数と光周波数との周波数間隔を克服することができ、このことは殊に、無線周波数標準によって安定化されているかまたは無線周波数を得るための光周波数を提供するためであり、この場合、該無線周波数は、光学的周波数標準に関連して安定化されている。更なる使用が、これまで冒頭で説明した分周器段を用いて処理されなければならなかった周波数−および時間測定技術の全ての分野で行われる。
【００８１】
上記の記載、図および特許請求の範囲で開示された本発明の特徴は、単独でも任意の組合せの形でも、本発明をその種々の実施態様で実施することにとって重要である。
【００８２】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、定義されたパルスパラメータによる、殊に定義されたモード位置（Ｍｏｄｅｎｌａｇｅ）による、パルスレーザの駆動のための新規の方法を提供することができる。また、この方法によって、光周波数および／または光学的差周波数の発振または測定の場合の精度を著しく高めることが可能になる。この方法によって、殊にパルスレーザの駆動の安定化が可能とならなければならず、この安定化は、簡単で、信頼性があり、迅速に応答し、かつ正確な制御として実現可能である。さらに、光周波数および／または光学的差周波数の発振または測定のための方法、該方法を実施するための装置、光周波数発振器の新規の使用を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 レーザ装置を概略的に示す全体図。
【図２】 安定化されたレーザ装置の実施形態を示す説明図。
【図３】 同じく安定化されたレーザ装置の実施形態を示す説明図。
【図４】 同じく安定化されたレーザ装置の実施形態を示す説明図。
【図５】 レーザ装置の安定化の場合のモード同期を示す説明図。
【図６】 同じくレーザ装置の安定化の場合のモード同期を示す説明図。
【図７】 同じくレーザ装置の安定化の場合のモード同期を示す説明図。
【図８】 同じくレーザ装置の安定化の場合のモード同期を示す説明図。
【図９】 分光測定もしくは時間測定への適用を示す説明図。
【図１０】 同じく分光測定もしくは時間測定への適用を示す説明図。
【図１１】 同じく分光測定もしくは時間測定への適用を示す説明図。
【図１２】 安定化されたレーザ装置のもう１つの実施形態を示す図。
【図１３】 光周波数−分周器段（公知技術水準）を示す図。
【符号の説明】
１、２００…レーザ装置、
５…スライド装置、
７…旋回装置、
３４…終端鏡、
２０１…光ファイバー、
２０２、２０３、２０４、２０７…鏡、
２１０、２２０、２３０…信号発振子、
２１１、２３１…光検出素子、
２１２、２３２…周波数分離素子、
２１３…分周器段、
２１４、２２４、２３４…制御装置、
２４０…基準レーザ、
２４１…ＳＨＧ装置、
２５０…基準周波数発振器、
２５１…セシウム原子時計、
２５２…周波数合成器、
２６０…モード計数器、

Claims (12)

1. 共振器装置（３）内を循環し、それぞれが共振器装置（３）の多数の縦モード（Ｍ、Ｍ_１、Ｍ_２）に対応するスペクトル成分から組み合わされている光パルスを発振させかつ該光パルスに群速度分散の補正を行なうステップを含むレーザ装置（１、２００）の運用方法において、
   設定された位相速度分散を共振器装置（３）の光路中に導入し、このことによって少なくとも１個のモードが特定の周波数を有すること、及びモード間のモード間隔が特定の値を有し、
   共振器装置（３）の共振器長さを設定し、このことによって光パルスが所定のパルス繰り返し周波数を有することを特徴とするレーザ装置の運用方法。
2. 前記光パルスが群速度分散の補正後にスペクトルに関して空間的に分離して通過する共振器の分岐部分で共振器長さをスペクトルに関して特異に作用する共振器長さ用アクチュエータにより変化させることによって前記位相速度分散を前記共振器装置（３）内に導入する、請求項１記載の方法。
3. 平坦な共振器終端鏡（３４）を傾かせることによって前記の位相速度分散を前記共振器装置（３）内に導入する、請求項２記載の方法。
4. 透明板を傾かせること、プリズム対を前記光路中に挿入すること、前記レーザ装置（１）の活性媒質のポンピングについて有効ポンピング能力を調節すること、前記レーザ装置の幾何的な配置をポンピングレーザに相対して変化させることのうちの少なくとも１つによって前記位相速度分散を前記共振器装置（３）内に導入する、請求項１記載の方法。
5. 短光パルスを発生するためのレーザ装置（１、２００）であって、
   −活性媒質（２）、
   −該活性媒質（２）のためのポンピング光の入力のための入力鏡（３１）、光パルスの放出のための出力鏡（３２）および複数の方向転換鏡（３３ａ〜３３ｃ、３４）である複数の共振器鏡、および
   −光パルスの群速度分散の補正のための補正装置（４）
   を含む共振器装置（３）を備えたレーザ装置（１、２００）において、
   該共振器装置（３）が該共振器装置（３）の光路内への位相速度分散の導入のために分散用アクチュエータ（７、８、８´）を備えていることを特徴とするレーザ装置。
6. 前記分散用アクチュエータ（７）が前記補正装置（４）の、前記の活性媒質（２）とは反対の側の共振器の分岐部分に配置されていることを特徴とする請求項５記載のレーザ装置。
7. 前記分散用アクチュエータ（７）が共振器終端鏡（３４）として機能する方向転換鏡での旋回装置（７）であることを特徴とする請求項６記載のレーザ装置。
8. 前記の分散用アクチュエータが、前記の共振器装置（３）内に配置されている、傾き装置（８）を伴う透明板、前記の共振器装置（３）内に配置されている、スライド装置（８´）を伴うプリズム対、ポンピングレーザの有効ポンピング能力を変動させるための装置（９）またはポンピングレーザに相対する前記のレーザ装置の幾何的配置を変化させるための装置を含む、請求項５記載のレーザ装置。
9. リングレーザとして構成されている、請求項５記載のレーザ装置。
10. 前記の方向転換鏡の１つ（３３ｂ）の位置を移動させることによって共振器長さを変化させるための共振器長さ用アクチュエータ（５）が備えられている、請求項５から９までのいずれか１項に記載のレーザ装置。
11. 前記の活性媒質（４）が固体−もしくは色素媒質である、請求項５から１０までのいずれか１項に記載のレーザ装置。
12. 光周波数もしくは周波数差の測定、光周波数の発生、光学的分周器の連鎖の場合の大きな周波数差の克服、テレコミュニケーション技術の場合の光学的搬送周波数の発生、原子の電子遷移の分光測定、または無線周波数と光周波数との周波数間隔の克服のための、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の方法。

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