WO1992011672A1 - Device for stabilizing a laser light source - Google Patents

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WO1992011672A1
WO1992011672A1 PCT/AT1991/000135 AT9100135W WO9211672A1 WO 1992011672 A1 WO1992011672 A1 WO 1992011672A1 AT 9100135 W AT9100135 W AT 9100135W WO 9211672 A1 WO9211672 A1 WO 9211672A1
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WO
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frequency
modulation
resonator
light source
laser
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Application number
PCT/AT1991/000135
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German (de)
French (fr)
Inventor
Harald Telle
Original Assignee
Tabarelli, Werner
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/068Stabilisation of laser output parameters
    • H01S5/0683Stabilisation of laser output parameters by monitoring the optical output parameters
    • H01S5/0687Stabilising the frequency of the laser
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/139Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
    • H01S3/1398Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length by using a supplementary modulation of the output
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating

Definitions

  • the invention relates to a device for stabilizing a laser light source, in which the light intensity in the laser resonator changes its optical length, in particular for stabilizing a laser diode, the device comprising:
  • an external resonator arranged outside the laser resonator for frequency-selective feedback of light from the laser light source into the laser resonator, a control device for regulating at least one operating parameter that changes the emission frequency of the free-running laser light source, in particular the injection current of a laser ⁇ diode,
  • a regulating device for regulating the phase position (feedback phase) of the light fed back from the external resonator into the laser resonator relative to the phase position of the light in the laser resonator
  • a modulation device for modulating an operating parameter which changes the emission frequency of the free-running laser light source, in particular the injection current of a laser diode.
  • laser diodes are very suitable for this, since they have a large amplification range and can also run in a single longitudinal mode.
  • free-running laser diodes that is to say laser diodes which are only tuned via their operating parameters (injection current or laser temperature) without external optical feedback, cannot be tuned over a large frequency range (in the order of magnitude of 100 GHz and above).
  • tuning through the laser operating parameters leads to abrupt, non-phase-traceable changes in the emission frequency.
  • the coherence length is more typical, free running Single-mode laser diodes well below one meter, which means that these laser diodes are not suitable, for example, for distance measurements over long distances.
  • the frequency-selective optical feedback ensures that even with operating parameters in which the emission frequency of the free-running laser diode (ie without optical feedback from the outside) lies within a certain range (namely the snap-in range) next to the resonance center frequency, an actual emission ⁇ frequency, which is practically on the resonance center frequency.
  • the frequency-selective optical feedback alone is sufficient to stabilize the emission of the laser diode, ie to keep a narrow-band emission line on the resonance * - center frequency of the external resonator.
  • External interference and aging of the laser diode mean that long-term stability can only be achieved by additional electronic controls.
  • a regulating device for regulating an operating parameter, in particular the injection current, which changes the emission frequency of the free-running laser diode.
  • This regulation ensures that the emission frequency of the free-running laser diode is at least in the lies around the resonance center frequency of the external resonator, so that the frequency-selective optical feedback is able to guide the actual emission frequency to the resonance center frequency of the external resonator.
  • the emission frequency of the free-running laser diode corresponding to the current operating parameters does not exactly match the resonance center frequency of the external resonator, the actual emission frequency (although only slightly due to the frequency-selective optical feedback) deviates somewhat from the resonance center frequency. This deviation can be detected and a control signal can be obtained from it in order to regulate the operating parameters of the laser diode in such a way that the emission frequency of the free-running laser diode always corresponds exactly to the resonance center frequency of the external resonator.
  • a control device for controlling the phase position of the light fed back from the external resonator into the laser resonator relative to the phase position of the light in the laser resonator is also necessary.
  • This regulation of the feedback phase can take place in a manner known per se by regulating the distance from the laser diode to the external resonator, for example by guiding the light beam via a piezoelectrically adjustable mirror. At this distance, the absolute size is less important than the proportion deviating from an integer multiple of half the wavelength (feedback phase).
  • Two independent control loops are required for the control of the operating parameters and the control of the feedback phase described above.
  • the injection current of the laser diode suggests modulating the injection current of the laser diode.
  • This modulation induces frequency modulation in the light emitted by the laser diode.
  • This frequency modulation is detected in the transmission of the external resonator and a control signal is determined therefrom for regulating the feedback phase.
  • the light fed back into the laser resonator is amplitude-modulated with a second frequency via an acousto-optical modulator.
  • the resonance center frequency of the external resonator can be tuned. So that the optical feedback is able to keep the actual emission frequency of the laser diode always at this resonance center frequency, the emission frequency of the free-running laser diode (for example via the injection current) must also be controlled via the first regulation described above, so that the emission frequency of the free-running laser diode is always in the snap-in area around the resonance center frequency. It is also necessary to regulate the feedback phase in an independent, second control loop (cf. Dahmani's work mentioned at the beginning).
  • a detector device for detecting a modulation with twice the modulation frequency is provided in the light emitted by the laser light source, this detector device emitting a control signal dependent on the modulation stroke of the aforementioned modulation to the control device for regulating the feedback phase .
  • the measure according to the invention makes it possible, in addition to the regulation of the emission frequency of the free-running laser light source, to obtain an independent control signal for regulating the feedback phase by changing an operating parameter, and thus to implement a laser light source which is stable over the long term or can be quickly and broadly phase-traced.
  • the basic idea is the following: By modulating an operating parameter of the laser light source, which influences the emission frequency of the free-running laser light source, frequency modulation is generated in the light emitted by the laser light source.
  • the injection current can be superimposed on a small, high-frequency alternating current.
  • the stroke of this frequency modulation is strongly suppressed in comparison to a free-running laser diode by the frequency-selective optical feedback from the external resonator, for example by a factor of 50.
  • the alternating current amplitude superimposed on the injection current can be chosen, for example, so that the modulation index, i.e. the ratio of the modulation stroke to the modulation frequency is small compared to 1 when the feedback parameters are optimally set.
  • the optical frequency spectrum of the laser light source consists of a central carrier and side bands arranged symmetrically thereto at a distance from the modulation frequency and integer numbers Multiples of it.
  • the relative strength of the sidebands is determined by the square of the order corresponding to the Bessel function, the modulation index being the argument of the Bessel function.
  • the feedback phase drifts away from its optimal value (in which the field vector of the feedback light is perpendicular to the field vector of the light in the laser resonator) , an amplitude modulation with twice the modulation frequency appears in the light (reflected by the external resonator).
  • a detector device can now be provided for the detection of this amplitude modulation at twice the modulation frequency, a control signal for the control device for controlling the feedback phase being obtained from the size of this amplitude modulation (modulation stroke). The control device then automatically adjusts the feedback phase until the amplitude modulation at twice the modulation frequency assumes a predetermined value or a minimum at which the feedback phase is optimal.
  • the light emitted by the laser diode is frequency-modulated due to the modulation of the injection current, the intensity of the first and second order sidebands also depends on the feedback phase. With an optimal feedback phase, all side bands are strongly suppressed. If the feedback phase deviates from the optimal value, the intensity of the sidebands will increase, and with it the modulation deviation of the frequency modulation.
  • the detector device comprises a photodetector and a mixer connected downstream of it, which, in addition to a signal input for the possibly amplified photocurrent from the photodetector, has a reference input for receiving a signal coming from the modulation device and via a frequency - Has doubler-guided reference signal with twice the modulation frequency. It is thus possible to convert the alternating current signal emitted by the photodetector into the baseband and to use it as an error signal for the feedback phase control loop. In principle, regulation via edge stabilization is possible. However, it is more favorable to use a modulation method to determine a control signal for the feedback phase control.
  • a phase modulation device is provided for small-stroke modulation of the feedback phase
  • a phase-sensitive detector device is also provided which consists of a momentary modulation stroke of the (amplitude) modulation, which oscillates with the phase modulation frequency in the case of the signal representing the double modulation frequency, provides a control signal of odd symmetry for the control device for controlling the feedback phase.
  • the current modulation frequency is advantageously in the order of 10 to 100 MHz
  • the phase modulation frequency of the feedback phase caused by the phase modulation device is significantly lower and is preferably in the kHz range.
  • the feedback phase can be modulated in a simple manner by the laser beam being see laser diode and external resonator is guided over a piezoelectrically adjustable mirror, which is periodically adjusted with the phase modulation frequency by small fractions of a wavelength.
  • phase-sensitive detection for example with a lock-in amplifier
  • a control signal error signal with odd symmetry is obtained, which the control device for controlling the feedback phase is supplied.
  • Control signal occurs as a product of two modulations carried out from the outside and is therefore largely immune to technical faults, offsets, etc.
  • the control device for the feedback phase then follows the control signal, for example the piezoelectrically adjustable mirror, as a function of this control signal that the feedback phase is optimal.
  • the control of the feedback phase just described with evaluation of an (amplitude) modulation occurring at twice the modulation frequency, has a wide control bandwidth and is therefore particularly suitable for systems in which the emission frequency is in the order of 100 GHz over a tuning range and should be phased through (and as quickly as possible).
  • tuning can be carried out by tuning the resonance center frequency of the external resonator, a first control device ensuring that the operating parameters of the laser light source are carried along in such a way that the emission frequency of the free-running laser diode is always within the latching range now moving with the resonance center frequency lies.
  • a second control loop keeps the feedback phase at its optimum value while tuning the frequency.
  • (Amplitude) modulation sets a modulation of the operating parameters determining the emission frequency of the free-running laser diode or one of these operating parameters (for example the Injection current) ahead.
  • this modulation results in frequency modulation of the light emitted by the laser diode, the frequency spectrum naturally also having first-order sidebands lying symmetrically thereto in addition to the carrier frequency.
  • the beat signals between the carrier and the left first-order sideband and between the carrier and the right first-order sideband cancel each other out exactly. Due to this "balance", no amplitude modulation is initially visible.
  • phase-sensitive rectification can be used to emit a control signal which is dependent on the modulation stroke and the phase position of the aforementioned amplitude modulation with the simple modulation frequency, for regulating at least one operating parameter of the laser light source.
  • the first-order sidebands also automatically occur, which ultimately lead to an amplitude modulation together with the carrier in the light reflected by the resonator if the actual emission frequency of the laser diode deviates from the resonance center frequency of the external resonator, with the modulation stroke the. mentioned Amplitude modulation with the simple modulation frequency receives a dispersion curve-like course over the frequency.
  • a continuously phase-traceable frequency tuning range of over 100 GHz has already been achieved.
  • a mode selector is an external reflector which is arranged in the vicinity of the laser diode resonator. If the frequency is to be tuned, the distance of this reflector from the laser diode resonator must also be traveled. This requires a third control loop (the first control loop controls the injection current, for example, so that the frequency of the free-running laser diode lies in the snap-in range around the resonance center frequency of the external resonator; the second control controls the feedback phase).
  • the latter can be mounted on a piezo ceramic and the distance to the laser diode can be modulated, the modulation frequency being of the order of magnitude of approximately 100 Hz . It was observed that the power of the light transmitted by the partially transparent mode selector depends on the position of the mode selector and that the
  • Modulation receives a transmission curve similar to a resonance line.
  • the transmitted light is thus modulated, and a control signal for tracking the mode selector can be obtained via phase-sensitive rectification.
  • the modulation of the mode selector induces a low frequency modulation in the laser light source.
  • a device for modulating at least one operating parameter of the laser light source with the reflector modulation frequency to be provided in the laser by the reflector modulated at a distance from the laser light source to compensate for light source-induced frequency modulation.
  • 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • 2 shows a diagram to show the frequency response of a laser diode with and without frequency-selective optical feedback and to show the snap-in area.
  • 3 shows the essential components of a frequency spectrum of a frequency-modulated oscillation.
  • 4 shows a piezoelectrically adjustable external mode selector and its control loop.
  • the actual optical laser system is arranged in the area 1 surrounded by dashed lines and essentially comprises a laser diode LD and a V-shaped resonator with mirrors Ml, M2 and M3, with the light path between the laser diode LD and external resonator, a mirror 3 and a collision lens L is arranged.
  • the laser diode can be, for example
  • GaAlAs laser diode with an emission wavelength of approx. 830 nm and an output power of approx. 15 mW.
  • the external resonator M1, M2, M3 is a so-called Fox-Smith resonator, in which only the internal field passing through the folding mirror M2 is fed back into the laser light source LD, while the light reflected at the folding mirror is fed into the actual output light beam of the optical laser system goes.
  • other resonators could also be used, in which the light reflected at the coupling mirror does not get directly back into the laser diode.
  • a tilted convocal Fabry-Perot etalon would be suitable. In an experimental setup, the resonator length was approx.
  • the resonator mirror Ml is mounted on a miniature loudspeaker LS, with which a change in length and thus a change in the resonance center frequency of the external resonator M1, M2, M3 is possible without substantially misaligning the resonator.
  • other adjustment mechanisms for a resonator mirror for example piezoelectric adjustment elements.
  • f F denotes the frequency of the free-running laser diode, that is to say the frequency with which the laser diode would run without optical feedback from an external resonator given given operating parameters (injection current, temperature) .
  • f g denotes the system frequency, ie the frequency actually emitted from the external resonator and the set operating parameters when there is feedback.
  • f denotes the central carrier frequency of the light actually emitted by the laser diode.
  • F R denotes that due to the length of the resonator (and, if appropriate by the refractive index of the medium contained therein) defined resonance center frequency of the external resonator.
  • the frequency-selective optical feedback from the external resonator M1, M2, M3 is in principle able, without additional electronic control loops, to keep the system frequency f g at the resonator center frequency f R , provided the operating parameters (injection current and temperature of the laser diode) are such are set that the frequency of the free-running laser diode defined thereby lies in the snap-in area around the resonance center frequency f R of the external resonator, ie does not deviate too far from the resonance center frequency of the external resonator. This is explained in more detail below with reference to FIG. 2.
  • the system frequency f g (ie the actually emitted frequency) is plotted against the frequency of the free-running laser diode.
  • the origin of the axis cross shown in FIG. 2 lies at the resonance center frequency f R of the external resonator. Without frequency-selective optical feedback, the system frequency changes linearly with the frequency of the freewheeling the laser diode, as indicated by the dashed line 4.
  • the straight line 4 in FIG. 2 does not run exactly below 45 * to the two axes only because a different division is used on the X-axis and the Y-axis.
  • a unit of length on the X axis corresponds to five times the frequency of the same unit of length on the Y axis.
  • the frequency curve indicated by line 5 is obtained by frequency-selective optical feedback from an external resonator.
  • the system frequency f s corresponds to the frequency of the free-running laser diode f F and the resonance center frequency f R of the external resonator. 2.
  • the frequency of the free-running laser diode now deviates from the resonance center frequency of the external resonator, for example due to a slight change in the injection current or the temperature, the actual selective changes due to the frequency-selective optical feedback ⁇ Lich emitted system frequency within the 1 snap range hardly.
  • the frequency-selective optical feedback thus ensures that the actually emitted system frequency fg is kept essentially at the resonance center frequency of the external resonator even with small deviations in the frequency of the free-running laser diode.
  • this purely optical frequency-selective feedback is not sufficient to keep the laser diode at the resonance center frequency for a long time.
  • additional electronic control loops are necessary to ensure, on the one hand, that the frequency f F determined by the operating parameters is free ⁇ fenden laser diode is at least in the latching area 1 (preferably controlled to the resonance center frequency f R ).
  • an additional control of the feedback phase is also necessary, which supports the phase control which automatically proceeds as a result of the optical feedback from the external resonator and ensures that the feedback phase is just such that the feedback field is at 90 ° to the field in the resonator of the laser diode.
  • a first control device regulates the injection current of the laser diode LD via the current control SR in such a way that the system frequency f s is kept at the resonator center frequency f R of the external resonator M1, M2, M3. (The temperature of the laser diode only needs to be roughly pre-controlled.)
  • This control device comprises a modulation device for modulating the injection current of the laser diode.
  • the modulation device essentially consists of the HF synthesizer SY, which supplies a small AC component with a modulation frequency of 35 MHz.
  • the modulation frequency is denoted by f m ⁇ (j .
  • This injection current modulation generates a frequency modulation of the light emitted by the laser diode, so that the emission spectrum essentially looks as it is shown in FIG. 3: in addition to the system carrier frequency f s there are symmetrical first and second order sidebands at a distance of the single and double modulation frequency f m ⁇ (j . higher order sidebands can be neglected and are therefore not shown in detail.
  • a pure frequency modulation is - as is already mentioned at the beginning - not detectable by a photodetector.
  • This amplitude modulation can be detected by the photodetector (for example an Si-PIN photodiode PD1), the resulting photocurrent representing the amplitude modulations of the detected light.
  • the photodetector for example an Si-PIN photodiode PD1
  • Beam splitter can be branched off in front of the photodetector PD1.
  • the photocurrent from the photodetector PD1 is amplified in the amplifier AMP1 and synchronously demodulated in a double-balanced mixer DBM1.
  • the reference signal required for this with the modulation frequency f m ⁇ (j is also taken from the RF synthesizer SY.
  • An RF phase shifter PSl serves to establish the required quadrature relation between the two mixer inputs. PSl can also be selected.
  • the control signal (error signal) present at the mixer output which is proportional to the deviation of the system frequency f g from the resonator center frequency f R , is passed through an
  • the feedback phase of the light fed back from the external resonator into the laser resonator is regulated relative to the phase position of the light in the laser resonator, with the second control signal required for this being obtained in the light emitted by the laser diode after a Amplitude modulation at twice the modulation frequency (2f mod ) is observed.
  • the component oscillating at twice the modulation frequency contains information about the deviation of the feedback phase from its optimal value.
  • a phase shifter PS2 is provided to set the necessary quadrature phase relation between the two inputs of the mixer DBM2.
  • the output signal of the mixer DBM2 reflects the modulation stroke of the amplitude modulation with twice the modulation frequency 2f mo £ j and is used according to the invention to regulate the feedback phase.
  • an electronic filter FI1 is provided in front of the mixer DBM2, which essentially only amplifies the component of the amplifier AMP2 which oscillates at twice the modulation frequency 2f mo (j If a very selective filter is used, instead of the mixer DBM2, a squaring device could also be provided (not shown), in which the signal modulated at twice the modulation frequency is multiplied by itself in order to adjust the modulation stroke of this Am ⁇ to provide corresponding output modulation component.
  • the piezo actuator PZT2 on which the mirror 3 is attached, is modulated with a small stroke with a frequency of approximately 1 kHz coming from the phase modulation generator, so that the feedback phase is also modulated with a small stroke with this phase modulation frequency.
  • the phase modulation frequency is substantially lower than the current modulation frequency f mocjf, so that there is no disruptive mutual influence.
  • the modulation stroke is, for example, in the 10 nm range, which corresponds to a feedback phase stroke of approximately 100 mrad.
  • the phase-sensitive detector device is a lock-in amplifier which receives the signal coming from the mixer DBM2 at a signal input and which furthermore has a reference input via which a reference signal oscillating with the phase modulation frequency is output the phase modulation generator is received.
  • the signal generated via the lock-in amplifier is passed to the input of the high-voltage amplifier (not shown) of the piezo actuator PZT2 in order to adjust the mirror 3 and thus the feedback phase to the optimum value. This closes the feedback phase locked loop.
  • the detector device for detecting the component of the modulated light which oscillates at twice the modulation frequency is arranged in the beam path of the light reflected by the external resonator M1, M2, M3. It is thus possible to use one and the same photodetector PD1 for regulating the system frequency via the operating parameters and regulating the feedback phase.
  • the system remains locked onto the resonator center frequency of the external resonator practically indefinitely, even if the resonance center frequency of the resonator is fast (in the order of a few GHz per second) and wide (in the order of 100 GHz and above) is tuned. Since the control stroke of the first control circuit is limited (to the injection flow), the temperature of the laser diode must be roughly controlled if the resonator center frequency is tuned further. The first control circuit then ensures through precise control of the injection current that the frequency of the free-running laser diode remains exactly at the resonator center frequency.
  • the resonance center frequency of the external resonator M1, M2, M3 is adjusted via a movable mirror M1, which is mounted on a loudspeaker LS.
  • the operating parameters of the laser diode must be regulated or controlled so that the emission frequency of the free-running laser diode always remains in the pulling range of the now changing resonance center frequency.
  • the laser diode temperature which is determined, for example, by a Peltier element 6, is particularly suitable for coarse control for tuning over a large frequency range.
  • a periodic or linear temperature setpoint curve is specified via a generator G, for example.
  • the temperature controller then carries out a synchronous adjustment of the temperature of the laser diode and the position of the resonator mirror Ml.
  • a synchronous adjustment (with control) is of course not perfectly possible.
  • the remaining small deviations between the system frequency fg and the resonance center frequency f R of the external resonator can, however, be quickly and exactly corrected by regulating the injection current as described above.
  • an external reflector MS acting as a mode electrode is arranged outside the resonator of the laser light source LD which reflects back at least part of the light into the laser resonator.
  • the distance of this mode selector from the laser resonator must also be controlled.
  • a third control loop is provided, which is shown schematically in FIG. 4.
  • the position of the mode selector MS is in this case determined by the amplifier OP2 via the Operations ⁇ voltage supplied through a voltage applied to the input of this operational amplifier OP2 bias and bias ann e i ne mode m to be selected manually.
  • a reflector modulation frequency of the order of magnitude of approximately 100 Hz is superimposed on this bias voltage. The distance of the reflector (mode selector MS) is thus modulated.
  • the reflector MS is designed to be partially transparent and the transmitted power depends on the distance of the reflector from the laser diode.
  • the light transmitted by the reflector is thus also amplitude-modulated with the reflector modulation frequency in the order of 100 Hz.
  • the photodetector PD2 detects and this amplitude modulation leads to a corresponding of the current signal to the signal input S1 of a lock-in amplifier.
  • the reflector modulation frequency U mod is fed to the reference input RI.
  • the lock-in amplifier now demodulates the amplitude modulation component at the reflector modulation frequency (phase-sensitive rectification) and emits a control signal which, after integration in the correspondingly connected operational amplifier 0P2, is fed to the input of the operational amplifier OP2, which is then fed via the piezo Element PZT sets the mode selector to the correct distance from the laser light source.
  • the mode selector control loop is thus closed.
  • a device which modulates the current of the laser diode slightly with the reflector modulation frequency and thus the through to compensate for the modulated reflector MS-induced frequency modulation.
  • This device CC for current modulation supplies an output current which is superimposed on the injection current of the controls shown in FIG. 1.
  • a neutral filter NF prevents disruptive reflection from the photodetector into the laser diode LD.
  • FIG. 5 shows a typical course of the electrical signal on the photodiode PD1 at the double modulation frequency (S 2 f m ⁇ i) as a function of the feedback phase RKP, ie as a function of the position of the piezo element PZT2 on which the Mirror 3 is mounted.
  • regulation to the extremum A takes place by means of a modulation method (modulation of the feedback phase with 1 kHz by PMG).
  • the advantage of this modulation method is that fluctuations in the signal level do not disturb.
  • the control device for the feedback phase can therefore always set the position of the piezo element PZT2 exactly such that the signal assumes the extremum A at twice the modulation frequency S 2 f- mo ( _) and the feedback phase is thus correct.
  • FIG. 6 A simplified embodiment of the device according to the invention is shown in FIG. 6. This is simplified in two ways compared to the previously described device. First of all, it should be mentioned that in the device shown in FIG. 6, the first control circuit which regulates the operating parameters of the laser diode LP ( ⁇ MP1, DBM1, PSI, SY, INTI, SR) is the same as that in FIG 1 shown embodiment and here in Fig. 6 is generally designated by the reference number 10.
  • a simplification in the embodiment shown in FIG. 6 is firstly that by using a highly selective filter FI1 at twice the modulation frequency S fmod (70 MHz) the mixer DBM2 of FIG. 1 is omitted. Second, there is no modulation of the feedback phase. Rather, a "static control" takes place on the feedback phase B shown in FIG. 5, in which the signal is regulated at the double modulation frequency s 2fmod to the Pe ⁇ T el .
  • a rectifier 11 is connected downstream of the filter FI1, the output of which leads to a differential amplifier 12. An offset signal corresponding to the level C is fed to the second input of the differential amplifier 12. The output of the differential amplifier 12 then controls the piezo element PZT2 and thus defines the position of the feedback phase.
  • the feedback phase is also regulated by means of a modulation method by regulating the photoelectric signal present at the second modulation frequency to the extremum A of FIG. 5.
  • Laser diodes are certainly advantageous laser light sources. What is essential, however, is the property of the light source that its optical length changes when the light intensity changes in the laser resonator. This is the prerequisite for the frequency-selective optical feedback to allow the emission frequency to snap to the resonant center frequency of the external resonator.
  • other resonators for example tilted confocal Fabry-Perot etalons, can also be used instead of the V-shaped resonator shown.
  • the adjustment of the feedback phase could also be done, for example, via a regulated phase shifter element in the beam path between the external resonator and the laser light source.

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Abstract

Proposed is a laser light source stabilization device in which the light intensity in the laser resonator changes the resonator's optical path length. The device is particularly suitable for the stabilization of a laser diode (ID). It includes an external resonator (M1, M2, M3), located outside the laser resonator, for the frequency-selective feedback of light from the laser light source (LD) to the laser resonator. Also included is a first control device for the control of at least one parameter affecting the emission frequency of the freely running laser light source (LD) (the injection current in a laser diode). The device further includes a control device for the control of the phase relationship of the light fed back by the external resonator to the laser resonator (feedback phase) relative to the phase of the light in the laser resonator, plus a modulation device for the modulation of a parameter affecting the emission frequency of the free-running laser light source (the injection current in a laser diode). In order to obtain an independent control signal for the control of the feedback phase, the invention calls for a detector (PD1, AMP2, FI1, DBM2, PS2, FD) for the detection, in the light emitted by the laser light source, of a modulation with twice the frequency (2fmod), the detector feeding to the control device (PMG, LIA INT1, PZT2,3) a control signal dependent on the amplitude of this modulation for control of the feedback phase.

Description

Einrichtung zur Stabilisierung einer Laserlichtquelle Device for stabilizing a laser light source
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung einer Laserlichtquelle, bei der die Lichtintensität im Laserresonator dessen optische Länge verändert, insbesondere zur Stabilisierung einer Laserdiode, wobei die Einrichtung umfaßt:The invention relates to a device for stabilizing a laser light source, in which the light intensity in the laser resonator changes its optical length, in particular for stabilizing a laser diode, the device comprising:
- einen außerhalb des Laserresonators angeordneten, externen Re¬ sonator zur frequenzselektiven Rückkoppelung von aus der Laser¬ lichtquelle stammendem Licht in den Laseresonator, - eine Regeleinrichtung zur Regelung zumindest eines die Emissi¬ onsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle verändernden Be¬ triebsparameters, insbesondere des Injektionsstroms einer Laser¬ diode,an external resonator arranged outside the laser resonator for frequency-selective feedback of light from the laser light source into the laser resonator, a control device for regulating at least one operating parameter that changes the emission frequency of the free-running laser light source, in particular the injection current of a laser ¬ diode,
- eine Regeleinrichtung zur Regelung der Phasenlage (Rückkoppelphase) des vom externen Resonator in den Laserresona¬ tor zurückgekoppelten Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresonator,a regulating device for regulating the phase position (feedback phase) of the light fed back from the external resonator into the laser resonator relative to the phase position of the light in the laser resonator,
- eine Modulationseinrichtung zur Modulation eines die Emissi¬ onsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle verändernden Be- triebsparameters, insbesondere des Injektionsstroms einer Laser¬ diode.a modulation device for modulating an operating parameter which changes the emission frequency of the free-running laser light source, in particular the injection current of a laser diode.
Für zahlreiche Anwendungen, insbesondere zur Realisierung eines absolute Entfernungen messenden Interferometers, ist man an schmalbandigen und kontinuierlich über einen möglichst großenFor numerous applications, in particular for realizing an interferometer measuring absolute distances, one is on narrow-band and continuously over the largest possible
Frequenzbereich durchstimmbaren Laserlichtquellen interessiert. Hierzu eignen sich im Prinzip Laserdioden sehr gut, da sie einen großen Verstärkungsbereich aufweisen, und auch auf einer einzel¬ nen longitudinalen Mode laufen können. Allerdings lassen sich freilaufende Laserdioden, also Laserdioden, die ohne externe op¬ tische Rückkoppelung lediglich über ihre Betriebsparameter (Injektionsstrom bzw. Lasertemperatur) durchgestimmt werden, nicht über einen großen Frequenzbereich (in der Größenordnung von 100 GHz und darüber) durchstimmen. Vielmehr kommt es bei einem derartigen Durchstimmen über die Laserbetriebsparameter zu sprunghaften, nicht phasenverfolgbaren Veränderungen der Emissi¬ onsfrequenz. Außerdem liegt aufgrund des hohen Frequenzrauschens (große Linienbreite) die Kohärenzlänge typischer, freilaufender Einmoden-Laserdioden deutlich unter einem Meter, womit diese La¬ serdioden beispielsweise für Entfernungsmessungen über längere Strecken nicht geeignet sind.Interested in the frequency range of tunable laser light sources. In principle, laser diodes are very suitable for this, since they have a large amplification range and can also run in a single longitudinal mode. However, free-running laser diodes, that is to say laser diodes which are only tuned via their operating parameters (injection current or laser temperature) without external optical feedback, cannot be tuned over a large frequency range (in the order of magnitude of 100 GHz and above). On the contrary, such tuning through the laser operating parameters leads to abrupt, non-phase-traceable changes in the emission frequency. In addition, due to the high frequency noise (large line width), the coherence length is more typical, free running Single-mode laser diodes well below one meter, which means that these laser diodes are not suitable, for example, for distance measurements over long distances.
Es ist bereits bekannt, daß sich durch schwache frequenzselek¬ tive optische Rückkopplung aus einem externen Resonator das Fre¬ quenzrauschen von Laserdioden breitbandig reduzieren läßt, womit man eine wesentlich schmälere Linienbreite und damit eine höhere Kohärenzlänge erhält. Durch eine derartige frequenzselektive op- tische Rückkopplung aus einem externen Resonator, wie sie bei¬ spielsweise in der Arbeit "Frequency stabilization of semicon- ductor lasers by resonant optical feedback", B. Dahmani et al., Optics Letters, Vol.12, No.ll, November 1987, Seiten 876 bis 878, beschrieben ist, erzielt man in einem um die Resonanzmit- tenfrequenz des externen Resonators liegenden Einrastbereich ein Einrasten der tatsächlich von der Laserdiode emittierten Fre¬ quenz auf die Resonanzmittenfrequenz. Mit anderen Worten sorgt die frequenzselektive optische Rückkopplung dafür, daß auch bei Betriebsparametern, bei denen die Emissionsfrequenz der freilau- fenden Laserdiode (also ohne optische Rückkopplung von außen) , innerhalb eines bestimmten Bereichs (nämlich dem Einrastbereich) neben der Resonanzmittenfrequenz liegt, eine tatsächliche Emis¬ sionsfrequenz, die praktisch auf der Resonanzmittenfrequenz liegt. Prinzipiell reicht die frequenzselektive optische Rück- kopplung alleine aus, um die Emission der Laserdiode zu stabili¬ sieren, d.h. eine schmalbandige Emissionslinie auf der Resonanz*- mittenfrequenz des externen Resonators zu halten. Durch äußere Störeinflüsse sowie Alterung der Laserdiode läßt sich eine Lang¬ zeitstabilität jedoch nur durch zusätzliche elektronische Rege- lungen erzielen. Solche elektronische Regelungen sind beispiels¬ weise in der Arbeit "Design of an Optically Pumped Cs Laboratory Frequency Standard", E. de Clercq et al., Frequency Standards and Metrology, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1989, Seiten 120 bis 124, beschrieben. Zunächst ist eine Regeleinrichtung zur Regelung eines die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdi¬ ode verändernden Betriebsparameter, insbesondere des Injektions¬ stromes vorgesehen. Diese Regelung stellt sicher, daß sich die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode zumindest in dem um die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators liegenden Einrastbereich liegt, sodaß die frequenzselektive optische Rück¬ kopplung in der Lage ist, die tatsächliche Emissionsfrequenz auf die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators zu führen. Stimmt die den momentanen Betriebsparametern entsprechende Emis¬ sionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode nicht exakt mit der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators überein, so weicht die tatsächliche Emissionsfrequenz (wegen der frequenzse¬ lektiven optischen Rückkopplung zwar nur geringfügig) doch etwas von der Resonanzmittenfrequenz ab. Diese Abweichung kann erfaßt und daraus ein Regelsignal gewonnen werden, um die Betriebspara¬ meter der Laserdiode so zu regeln, daß die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer genau mit der Resonanzmittenfre¬ quenz des externen Resonators übereinstimmt.It is already known that the frequency noise of laser diodes can be reduced over a broadband range by weak frequency-selective optical feedback from an external resonator, which results in a substantially narrower line width and thus a higher coherence length. Such a frequency-selective optical feedback from an external resonator, as described, for example, in the work "Frequency stabilization of semiconductor lasers by resonant optical feedback", B. Dahmani et al., Optics Letters, Vol. 12, No .ll, November 1987, pages 876 to 878, a snap-in of the frequency actually emitted by the laser diode onto the resonant center frequency is achieved in a snap-in area around the resonant center frequency of the external resonator. In other words, the frequency-selective optical feedback ensures that even with operating parameters in which the emission frequency of the free-running laser diode (ie without optical feedback from the outside) lies within a certain range (namely the snap-in range) next to the resonance center frequency, an actual emission ¬ frequency, which is practically on the resonance center frequency. In principle, the frequency-selective optical feedback alone is sufficient to stabilize the emission of the laser diode, ie to keep a narrow-band emission line on the resonance * - center frequency of the external resonator. External interference and aging of the laser diode mean that long-term stability can only be achieved by additional electronic controls. Such electronic regulations are described, for example, in the work "Design of an Optically Pumped Cs Laboratory Frequency Standard", E. de Clercq et al., Frequency Standards and Metrology, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg 1989, pages 120 to 124. First of all, a regulating device is provided for regulating an operating parameter, in particular the injection current, which changes the emission frequency of the free-running laser diode. This regulation ensures that the emission frequency of the free-running laser diode is at least in the lies around the resonance center frequency of the external resonator, so that the frequency-selective optical feedback is able to guide the actual emission frequency to the resonance center frequency of the external resonator. If the emission frequency of the free-running laser diode corresponding to the current operating parameters does not exactly match the resonance center frequency of the external resonator, the actual emission frequency (although only slightly due to the frequency-selective optical feedback) deviates somewhat from the resonance center frequency. This deviation can be detected and a control signal can be obtained from it in order to regulate the operating parameters of the laser diode in such a way that the emission frequency of the free-running laser diode always corresponds exactly to the resonance center frequency of the external resonator.
Neben der oben beschriebenen Regelung der Betriebsparameter der Laserdiode ist auch noch eine Regeleinrichtung zur Regelung der Phasenlage des vom externen Resonator in den Laserresonator zu¬ rückgekoppelten Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresonator notwendig. Diese Regelung der Rückkoppelphase kann in an sich bekannter Weise durch Regelung des Abstandes von der Laserdiode zum externen Resonator, beispielsweise durch Füh¬ rung des Lichtstrahles über einen piezoelektrisch verstellbaren Spiegel geschehen. Bei diesem Abstand kommt es weniger auf die absolute Größe als vielmehr auf den von einem ganzzahligen Viel¬ fachen der halben Wellenlänge abweichenden Anteil (Rückkoppelphase) an. Zur weiter oben beschriebenen Regelung der Betriebsparameter und der erwähnten Regelung der Rückkoppelphase sind zwei unabhängige Regelkreise erforderlich. Die erwähnte Ar- beit von E. de Clercq et al. schlägt dazu vor, den Injektions¬ strom der Laserdiode zu modulieren. Diese Modulation induziert eine Frequenzmodulation in dem von der Laserdiode emittierten Licht. Diese Frequenzmodulation wird in der Transmission des ex¬ ternen Resonators detektiert und daraus ein Regelsignal für die Regelung der Rückkoppelphase ermittelt. Um ein davon unabhängi¬ ges Regelsignal zur Regelung der Betriebsparameter der Laserdi¬ ode zu erzielen (Regelung der Emissionsfrequenz der freilaufen¬ den Laserdiode auf den Einrastbereich bzw. genau auf die Reso- nanzmittenfrequenz des externen Resonators) wird gemäß dem Vor¬ schlag von de Clercq das in den Laserresonator zurückgekoppelte Licht über einen akustooptischen Modulator mit einer zweiten Frequenz amplitudenmoduliert. Durch Demodulation des vom externen Resonator transmittierte Lichtes bei der Summenfrequenz (Injektionsstrom-Modulationsfrequenz plus Modulationsfrequenz des akustooptischen Modulators) erhält man ein Regelsignal zur Regelung des Injektionsstromes und damit der Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode. Versuche des Anmelders haben ge- zeigt, daß selbst mit teuren akustooptischen Modulatoren nur sehr geringe Signal-Rauschabstände für das Regelsignal zu errei¬ chen sind. Man kann damit nur geringe Regelbandbreiten erzielen, die allenfalls ausreichen, um einen Festfrequenzlaser zu stabi¬ lisieren, wie es auch in dem erwähnten Artikel von de Clercq et al. der Fall ist.In addition to the control of the operating parameters of the laser diode described above, a control device for controlling the phase position of the light fed back from the external resonator into the laser resonator relative to the phase position of the light in the laser resonator is also necessary. This regulation of the feedback phase can take place in a manner known per se by regulating the distance from the laser diode to the external resonator, for example by guiding the light beam via a piezoelectrically adjustable mirror. At this distance, the absolute size is less important than the proportion deviating from an integer multiple of half the wavelength (feedback phase). Two independent control loops are required for the control of the operating parameters and the control of the feedback phase described above. The aforementioned work by E. de Clercq et al. suggests modulating the injection current of the laser diode. This modulation induces frequency modulation in the light emitted by the laser diode. This frequency modulation is detected in the transmission of the external resonator and a control signal is determined therefrom for regulating the feedback phase. In order to achieve an independent control signal for regulating the operating parameters of the laser diode (regulating the emission frequency of the free-running laser diode to the latching area or precisely to the resonance center frequency of the external resonator), according to the proposal by de Clercq, the light fed back into the laser resonator is amplitude-modulated with a second frequency via an acousto-optical modulator. By demodulating the light transmitted by the external resonator at the total frequency (injection current modulation frequency plus modulation frequency of the acousto-optical modulator), a control signal is obtained for regulating the injection current and thus the emission frequency of the free-running laser diode. Experiments by the applicant have shown that even with expensive acousto-optical modulators, only very small signal-to-noise ratios can be achieved for the control signal. It is only possible to achieve small control bandwidths, which are at most sufficient to stabilize a fixed frequency laser, as also described in the article by de Clercq et al. the case is.
Man ist jedoch insbesondere an über einen großen Frequenzbereich kontinuierlich (phasenverfolgbar) durchstimmbaren Lichtquellen interessiert. Dazu kann die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators durchgestimmt werden. Damit die optische Rückkopplung in der Lage ist, die tatsächliche Emissionsfrequenz der La¬ serdiode immer auf dieser Resonanzmittenfrequenz zu halten, muß über die oben beschriebene erste Regelung die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode (beispielsweise über den Injekti- onsstrom) mitgeregelt werden, damit die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer in dem um die Resonanzmittenfre¬ quenz liegenden Einrastbereich liegt. Außerdem ist es nötig, in einem unabhängigen, zweiten Regelkreis die Rückkoppelphase zu regeln (vgl. die eingangs erwähnte Arbeit von Dahmani) . Während die Bildung eines Regelsignals aus der Abweichung der tatsächli¬ chen Emissionsfrequenz der Laserdiode von der Resonanzmittenfre¬ quenz des externen Resonators und damit die Regelung der Fre¬ quenz der freilaufenden Laserdiode (beispielsweise über den In¬ jektionsstrom) kein Problem darstellt, ist die Bereitstellung eines zweiten, unabhängigen Regelsignals für die Rückkoppelphase zur Realisierung eines schnell, breitbandig und vor allem pha¬ senverfolgbar (d.h. ohne Modensprünge) durchstimmbaren Licht¬ quellensystems bisher nicht bekannt. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zur Stabi¬ lisierung einer Laserlichtquelle der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der sich eine langzeitstabile bzw. schnell, breitbandig und phasenverfolgbar durσhstimmbare Lichtemission geringer Linienbreite erzielen läßt.However, one is particularly interested in light sources that can be tuned continuously (phase-traceable) over a large frequency range. For this, the resonance center frequency of the external resonator can be tuned. So that the optical feedback is able to keep the actual emission frequency of the laser diode always at this resonance center frequency, the emission frequency of the free-running laser diode (for example via the injection current) must also be controlled via the first regulation described above, so that the emission frequency of the free-running laser diode is always in the snap-in area around the resonance center frequency. It is also necessary to regulate the feedback phase in an independent, second control loop (cf. Dahmani's work mentioned at the beginning). While the formation of a control signal from the deviation of the actual emission frequency of the laser diode from the resonance center frequency of the external resonator and thus the regulation of the frequency of the free-running laser diode (for example via the injection current) is not a problem, the provision of a second, independent control signal for the feedback phase for realizing a light source system that can be tuned quickly, broadband and, above all, phase trackable (ie without mode jumps). It is therefore an object of the invention to provide a device for stabilizing a laser light source of the type mentioned at the outset, with which a long-term stable or fast, broadband and phase-traceable light emission of small line width can be achieved.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß eine Detektor¬ einrichtung zur Detektion einer Modulation mit der doppelten Mo- dulationsfrequenz in dem von der Laserlichtquelle emittierten Licht vorgesehen ist, wobei diese Detektoreinrichtung ein vom Modulationshub der genannten Modulation abhängiges Regelsignal an die Regeleinrichtung zur Regelung der Rückkoppelphase abgibt.This is achieved according to the invention in that a detector device for detecting a modulation with twice the modulation frequency is provided in the light emitted by the laser light source, this detector device emitting a control signal dependent on the modulation stroke of the aforementioned modulation to the control device for regulating the feedback phase .
Die erfindungsgemäß Maßnahme erlaubt es, neben der Regelung der Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserlich quelle über Verän¬ derung eines Betriebsparameters ein unabhängiges Regelsignal zur Regelung der Rückkoppelphase zu gewinnen, und damit eine lang- zeitstabile bzw. rasch und breitbandig phasenverfolgbar durch- stimmbare Laserlichtquelle zu realisieren.The measure according to the invention makes it possible, in addition to the regulation of the emission frequency of the free-running laser light source, to obtain an independent control signal for regulating the feedback phase by changing an operating parameter, and thus to implement a laser light source which is stable over the long term or can be quickly and broadly phase-traced.
Die Grundidee ist dabei die folgende: Durch Modulation eines Be¬ triebsparameters der Laserlichtquelle, der die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle beeinflußt, erzeugt man eine Frequenzmodulation in dem von der Laserlichtquelle emittierten Licht. Bei Verwendung einer Laserdiode kann man beispielsweise den Injektionsstrom einem kleinen hochfrequenten Wechselstrom überlagern. Der Hub dieser Frequenzmodulation wird im Vergleich zu einer freilaufenden Laserdiode durch die frequenzselektive optische Rückkopplung aus dem externen Resonator stark unter¬ drückt, beispielsweise um etwa den Faktor 50. Die dem Injekti¬ onsstrom überlagerte WechselStromamplitude kann beispielsweise so gewählt werden, daß der Modulationsindex, also das Verhältnis Modulationshub zu Modulationsfrequenz, bei optimaler Einstellung der Rückkoppelparameter klein gegenüber 1 ist. In diesem Fall besteht das optische Frequenzspektrum der Laserlichtquelle aus einem zentralen Träger und symmetrisch dazu angeordneten Seiten¬ bändern im Abstand der Modulationsfrequenz und ganzzahligen Vielfachen davon. Die relative Stärke der Seitenbänder wird be¬ stimmt durch das Quadrat der Besselfunktion entsprechender Ordnung, wobei der Modulationsindex das Argument der Besselfunk¬ tion ist.The basic idea is the following: By modulating an operating parameter of the laser light source, which influences the emission frequency of the free-running laser light source, frequency modulation is generated in the light emitted by the laser light source. When using a laser diode, for example, the injection current can be superimposed on a small, high-frequency alternating current. The stroke of this frequency modulation is strongly suppressed in comparison to a free-running laser diode by the frequency-selective optical feedback from the external resonator, for example by a factor of 50. The alternating current amplitude superimposed on the injection current can be chosen, for example, so that the modulation index, i.e. the ratio of the modulation stroke to the modulation frequency is small compared to 1 when the feedback parameters are optimally set. In this case, the optical frequency spectrum of the laser light source consists of a central carrier and side bands arranged symmetrically thereto at a distance from the modulation frequency and integer numbers Multiples of it. The relative strength of the sidebands is determined by the square of the order corresponding to the Bessel function, the modulation index being the argument of the Bessel function.
Bei perfekter Frequenzmodulation gibt es im Photostrom einer Photodiode (Photodetektor) , die das von der Laserlichtquelle emittierte Licht detektiert, keine Wechselkomponente mit der Mo¬ dulationsfrequenz oder Vielfachen davon. Dieser Umstand rührt daher, daß sich die aus der Überlagerung der einzelnen Seiten¬ bänder untereinander bzw. mit dem Träger ergebenden Schwebungs- komponenten gerade zu Null addieren. Bei den Seitenbändern er¬ ster Ordnung sind die Schwebungssignale zwischen Träger und rechtem Seitenband und Träger und linkem Seitenband vom Betrag her gleich, haben jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen. Die Kompensation der Schwebungssignale mit der doppelten Modulati¬ onsfrequenz kann man sich folgendermaßen vorstellen: Das Schwe- bungssignal zwischen den beiden Seitenbändern erster Ordnung wird durch die konstruktive Superposition der beiden Schwebungs- signale des rechten und linken Seitenbandes zweiter Ordnung mit dem Träger kompensiert. Diese Kompensation ist allerdings nicht mehr gegeben, wenn die Stärke eines der beiden Seitenbänder zweiter Ordnung von dem Wert abweicht, den die Besselfunktion zweiter Ordnung für den betreffenden Modulationsindex vor- schreibt.With perfect frequency modulation, there is no alternating component with the modulation frequency or multiples thereof in the photocurrent of a photodiode (photodetector) that detects the light emitted by the laser light source. This is due to the fact that the beat components resulting from the superimposition of the individual side bands with one another or with the carrier add up to zero. In the first-order sidebands, the beat signals between the carrier and the right sideband and the carrier and the left sideband are the same in magnitude, but have an opposite sign. The compensation of the beat signals with twice the modulation frequency can be imagined as follows: The beat signal between the two first order sidebands is compensated for by the constructive superposition of the two beat signals of the right and left second order sideband with the carrier. However, this compensation no longer exists if the strength of one of the two second-order sidebands deviates from the value prescribed by the Bessel function of the second order for the modulation index in question.
Wenn bei der Regelung der tatsächlich von der Laserdiode emit¬ tierten Frequenz (Systemfrequenz) auf die Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators die Rückkoppelphase von ihrem optimalen Wert (bei dem der Feldvektor des zurückgekoppelten Lichtes senk¬ recht zum Feldvektor des Lichtes im Laserresonator steht) weg¬ driftet, taucht in dem (vom externen Resonator reflektierten) Licht eine Amplitudenmodulation mit der doppelten Modulations¬ frequenz auf. Eine mögliche Erklärung dafür besteht darin, daß bei nicht optimaler Rückkoppelphase zumindest ein Seitenband zweiter Ordnung außerhalb des Einrastbereiches gerät (wie be¬ reits erwähnt, ist der Einrastbereich durch jene maximale Abwei¬ chung der Laserdiodenfrequenz von der Resonatormittenfrequenz des externen Resonators definiert, für die es bei geeigneter Rückkoppelphase noch zu einer effektiven Rauschverminderung bzw. Verschmälerung der Linienbreite kommt) . Wenn ein Seitenband zweiter Ordnung außerhalb des Einrastbereiches gerät, wird das betreffende Seitenband zweiter Ordnung durch die optische Rück¬ kopplung aus dem externen Resonator nicht mehr so effizient un¬ terdrückt, die bei einer idealen Frequenzmodulation vorhandene Kompensation der Seitenbandbeiträge ist nicht mehr möglich, und es entsteht in dem von der Laserdiode emittiertem Licht eine Am- plitudenmodulation mit der doppelten Modulationsfrequenz, die im Photostrom nachweisbar ist. Erfindungsgemäß kann nun eine Detek¬ toreinrichtung zur Detektion dieser Amplitudenmodulation mit der doppelten Modulationsfrequenz vorgesehen sein, wobei aus der Größe dieser Amplitudenmodulation (Modulationshub) ein Regelsi- gnal für die Regeleinrichtung zur Regelung der Rückkoppelphase gewonnen wird. Die Regeleinrichtung verstellt dann automatisch immer die Rückkoppelphase bis die Amplitudenmodulation bei der doppelten Modulationsfrequenz einen vorbestimmten Wert bzw. ein Minimum annimmt, bei dem die Rückkoppelphase optimal steht.If, when regulating the frequency actually emitted by the laser diode (system frequency) to the resonance center frequency of the external resonator, the feedback phase drifts away from its optimal value (in which the field vector of the feedback light is perpendicular to the field vector of the light in the laser resonator) , an amplitude modulation with twice the modulation frequency appears in the light (reflected by the external resonator). A possible explanation for this is that if the feedback phase is not optimal, at least one second-order sideband comes outside the snap-in area (as already mentioned, the snap-in area is due to the maximum deviation of the laser diode frequency from the resonator center frequency of the external resonator, for which, with a suitable feedback phase, there is still an effective noise reduction or narrowing of the line width). If a second-order sideband gets outside the snap-in area, the relevant second-order sideband is no longer suppressed as efficiently by the optical feedback from the external resonator; the compensation of the sideband contributions existing with ideal frequency modulation is no longer possible, and it In the light emitted by the laser diode, an amplitude modulation is created with twice the modulation frequency, which is detectable in the photocurrent. According to the invention, a detector device can now be provided for the detection of this amplitude modulation at twice the modulation frequency, a control signal for the control device for controlling the feedback phase being obtained from the size of this amplitude modulation (modulation stroke). The control device then automatically adjusts the feedback phase until the amplitude modulation at twice the modulation frequency assumes a predetermined value or a minimum at which the feedback phase is optimal.
Zu der in dem vom externen Resonator auftauchenden Amplitudenmo¬ dulation mit der doppelten Modulationsfrequenz könnte noch ein anderer Effekt beitragen: Das von der Laserdiode emittierte Licht ist aufgrund der Modula- tion des Injektionsstroms frequenzmoduliert, wobei die Intensi¬ tät der Seitenbänder erster und zweiter Ordnung auch von der Rückkoppelphase abhängt. Bei optimaler Rückkoppelphase sind alle Seitenbänder stark unterdrückt. Weicht die Rückkoppelphase vom optimalen Wert ab, so wird sich die Intensität der Seitenbänder erhöhen und damit auch der Modulationshub der Frequenzmodula¬ tion. Selbst wenn die Beeinflussung der Seitenbänder erster und zweiter Ordnung durch eine sich verändernde Rückkoppelphase der optischen Rückkopplung so "gleichmäßig" erfolgte, daß es bei einer reinen Frequenzmodulation in dem von der Laserdiode emit- tierten Licht bliebe, könnte man in dem vom externen Resonator reflektierten Licht eine von der Rückkoppelphase abhängige Am¬ plitudenmodulation bei der doppelten Modulationsfrequenz sehen. Dies rührt daher, daß der externe Resonator einen auf seine Re- sonanzmittenfrequenz stehenden Träger des frequenzmodulierten Lichtes schwächer reflektiert als die Seitenbänder. Während dies im reflektierten Licht bei der einfachen Modulationsfrequenz keine Auswirkungen hat, taucht durch die Abschwächung des Trä¬ gers eine Amplitudenmodulation mit der zweiten Modulationsfre¬ quenz im reflektierten Licht auf. Der Modulationshub dieser Am¬ plitudenmodulation spiegelt den Modulationshub der auf den Reso¬ nator aus der Laserdiode auftreffenden Frequenzmodulation wider, welcher seinerseits von der Rückkoppelphase abhängt.Another effect could also contribute to the amplitude modulation with twice the modulation frequency, which occurs from the external resonator: The light emitted by the laser diode is frequency-modulated due to the modulation of the injection current, the intensity of the first and second order sidebands also depends on the feedback phase. With an optimal feedback phase, all side bands are strongly suppressed. If the feedback phase deviates from the optimal value, the intensity of the sidebands will increase, and with it the modulation deviation of the frequency modulation. Even if the sidebands of the first and second order were influenced so "evenly" by a changing feedback phase of the optical feedback that with pure frequency modulation the light emitted by the laser diode would remain, one could use the light reflected by the external resonator see an amplitude modulation dependent on the feedback phase at twice the modulation frequency. This is due to the fact that the external resonator carrier of the frequency-modulated light is reflected less strongly than the sidebands. While this has no effect in the reflected light at the simple modulation frequency, the attenuation of the carrier results in an amplitude modulation with the second modulation frequency in the reflected light. The modulation stroke of this amplitude modulation reflects the modulation stroke of the frequency modulation impinging on the resonator from the laser diode, which in turn depends on the feedback phase.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vor¬ gesehen sein, daß die Detektoreinrichtung einen Photodetektor und eine diesem nachgeschalteten Mischer umfaßt, der neben einem Signaleingang für den gegebenenfalls verstärkten Photostrom aus dem Photodetektor einen Referenzeingang zum Empfang eines aus der Modulationseinrichtung stammenden, und über einen Frequenz- verdoppler geführten Referenzsignals mit der doppelten Modulati¬ onsfrequenz aufweist. Damit ist es möglich, das vom Photodetek¬ tor abgegebene Wechselstromsignal ins Basisband umzusetzen und als Fehlersignal für den Rückkoppelphasen-Regelkreis zu verwen¬ den. Grundsätzlich ist eine Regelung über eine Flankenstabilisierung möglich. Günstiger ist es aber, zur Ermittlung eines Regelsignals für die Rückkoppelphasenregelung eine Modulationsmethode vorzunehmen. Dazu ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß eine Phasenmodulationseinrichtung zur kleinhubigen Modulation der Rückkoppelphase vorgesehen ist, und daß weiters eine phasensen¬ sitive Detektoreinrichtung vorgesehen ist, die aus einem mit der Phasenmodulationsfrequenz oszillierenden, den momentanen Modula- tionshub der (Amplituden)Modulation bei der doppelten Modulati¬ onsfrequenz wiedergebenden Signal ein Regelsignal ungerader Sym¬ metrie für die Regeleinrichtung zur Regelung der Rückkoppelphase bereitstellt. Während die Strommodulationsfrequenz vorteilhaft in der Größenordnung von 10 bis 100 MHz liegt, ist die durch die Phasenmodulationseinrichtung hervorgerufene Phasenmodulations¬ frequenz der Rückkoppelphase wesentlich kleiner und vorzugsweise im kHz-Bereich angesiedelt. Die Modulation der Rückkoppelphase ist auf einfache Weise dadurch möglich, daß der Laserstrahl zwi- sehen Laserdiode und externem Resonator über einen piezoelek¬ trisch verstellbaren Spiegel geführt wird, der mit der Phasenmo¬ dulationsfrequenz periodisch um kleine Bruchteile einer Wellen¬ länge verstellt wird. Durch phasensensitive Detektion (beispielsweise mit einem Lock-in-Verstärker) dieser niederfre¬ quenten Wechselkomponente im Basisbandsignal, das den momentanen Modulationshub der (Amplituden)Modulation bei der doppelten Mo¬ dulationsfrequenz wiedergibt, erhält man ein Regelsignal (Fehlersignal) mit ungerader Symmetrie, das der Regeleinrichtung zur Regelung der Rückkoppelphase zugeführt wird. DiesesAccording to a preferred embodiment of the invention, it can be provided that the detector device comprises a photodetector and a mixer connected downstream of it, which, in addition to a signal input for the possibly amplified photocurrent from the photodetector, has a reference input for receiving a signal coming from the modulation device and via a frequency - Has doubler-guided reference signal with twice the modulation frequency. It is thus possible to convert the alternating current signal emitted by the photodetector into the baseband and to use it as an error signal for the feedback phase control loop. In principle, regulation via edge stabilization is possible. However, it is more favorable to use a modulation method to determine a control signal for the feedback phase control. For this purpose, according to a preferred embodiment of the invention, it is provided that a phase modulation device is provided for small-stroke modulation of the feedback phase, and that a phase-sensitive detector device is also provided which consists of a momentary modulation stroke of the (amplitude) modulation, which oscillates with the phase modulation frequency in the case of the signal representing the double modulation frequency, provides a control signal of odd symmetry for the control device for controlling the feedback phase. While the current modulation frequency is advantageously in the order of 10 to 100 MHz, the phase modulation frequency of the feedback phase caused by the phase modulation device is significantly lower and is preferably in the kHz range. The feedback phase can be modulated in a simple manner by the laser beam being see laser diode and external resonator is guided over a piezoelectrically adjustable mirror, which is periodically adjusted with the phase modulation frequency by small fractions of a wavelength. By phase-sensitive detection (for example with a lock-in amplifier) of this low-frequency alternating component in the baseband signal, which represents the instantaneous modulation stroke of the (amplitude) modulation at twice the modulation frequency, a control signal (error signal) with odd symmetry is obtained, which the control device for controlling the feedback phase is supplied. This
Regelsignal tritt als Produkt zweier von außen vorgenommenen Mo¬ dulationen auf und ist damit weitgehend immun gegenüber techni¬ schen Störungen, Offsets usw. Die Regeleinrichtung für die Rück¬ koppelphase fährt dann in Abhängigkeit von diesem Regelsignal beispielsweise den erwähnten piezoelektrisch verstellbaren Spie¬ gel so nach, daß die Rückkoppelphase optimal steht.Control signal occurs as a product of two modulations carried out from the outside and is therefore largely immune to technical faults, offsets, etc. The control device for the feedback phase then follows the control signal, for example the piezoelectrically adjustable mirror, as a function of this control signal that the feedback phase is optimal.
Die soeben beschriebene Regelung der Rückkoppelphase unter Aus¬ wertung einer bei der zweifachen Modulationsfrequenz auftauchen- den (Amplituden)Modulation weist eine hohe Regelbandbreite auf und ist damit insbesondere für Systeme geeignet, bei denen die Emissionsfrequenz über einen Durchstimmbereich in der Größenord¬ nung von 100 GHz und darüber phasenverfolgbar (und möglichst schnell) durchgestimmt werden soll. Eine solche Durchstimmung kann durch Durchstimmen der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators durchgeführt werden, wobei eine erste Regeleinrich¬ tung dafür sorgt, daß die Betriebsparameter der Laserlichtquelle gerade so synchron mitgeführt werden, daß die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer innerhalb des sich nun mit der Resonanzmittenfrequenz mitbewegenden Einrastbereichs liegt. Ein zweiter Regelkreis hält während des Durchstimmens der Fre¬ quenz die Rüσkkoppelphase auf ihrem optimalen Wert.The control of the feedback phase just described, with evaluation of an (amplitude) modulation occurring at twice the modulation frequency, has a wide control bandwidth and is therefore particularly suitable for systems in which the emission frequency is in the order of 100 GHz over a tuning range and should be phased through (and as quickly as possible). Such tuning can be carried out by tuning the resonance center frequency of the external resonator, a first control device ensuring that the operating parameters of the laser light source are carried along in such a way that the emission frequency of the free-running laser diode is always within the latching range now moving with the resonance center frequency lies. A second control loop keeps the feedback phase at its optimum value while tuning the frequency.
Die erfindungsgemäße Regelung der Rückkoppelphase durch Auswer- tung der bei der doppelten Modulationsfrequenz auftauchendenThe regulation of the feedback phase according to the invention by evaluating those appearing at twice the modulation frequency
(Amplituden)Modulation setzt eine Modulation der die Emissions¬ frequenz der freilaufenden Laserdiode bestimmenden Betriebspara¬ meter bzw. eines dieser Betriebsparameter (beispielsweise des Injektionsstroms) voraus. Mit dieser Modulation kommt es, wie bereits erwähnt, zu einer Frequenzmodulation des von der Laser¬ diode emittierten Lichts, wobei das Frequenzspektrum neben der Trägerfrequenz natürlich auch symmetrisch dazu liegende Seiten- bänder erster Ordnung aufweist. Bei einer idealen Frequenzmodu¬ lation heben sich die Schwebungssignale zwischen dem Träger und dem linken Seitenband erster Ordnung und zwischen dem Träger und dem rechten Seitenband erster Ordnung genau auf. Durch diese "Balance" ist zunächst keine Amplitudenmodulation sichtbar. Weicht jedoch die Trägerfrequenz von der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators ab, so kommt es in dem vom Resonator re¬ flektierten Licht zu einer Störung der genannten "Balance" zwi¬ schen Träger und Seitenbändern erster Ordnung und es ergibt sich eine für einen Photodetektor nachweisbare Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz. Durch eine phasenempfind¬ liche Gleichrichtung kann man gemäß einer bevorzugten Ausfüh¬ rungsform der Erfindung ein vom Modulationshub und der Phasen¬ lage der genannten Amplitudenmodulation mit der einfachen Modu¬ lationsfrequenz abhängiges Regelsignal zur Regelung zumindest eines Betriebsparameters der Laserlichtquelle abgeben.(Amplitude) modulation sets a modulation of the operating parameters determining the emission frequency of the free-running laser diode or one of these operating parameters (for example the Injection current) ahead. As already mentioned, this modulation results in frequency modulation of the light emitted by the laser diode, the frequency spectrum naturally also having first-order sidebands lying symmetrically thereto in addition to the carrier frequency. In the case of an ideal frequency modulation, the beat signals between the carrier and the left first-order sideband and between the carrier and the right first-order sideband cancel each other out exactly. Due to this "balance", no amplitude modulation is initially visible. However, if the carrier frequency deviates from the resonance center frequency of the external resonator, then the light reflected from the resonator interferes with the said "balance" between the carrier and first-order sidebands, and this results in an amplitude modulation that can be detected for a photodetector the simple modulation frequency. According to a preferred embodiment of the invention, phase-sensitive rectification can be used to emit a control signal which is dependent on the modulation stroke and the phase position of the aforementioned amplitude modulation with the simple modulation frequency, for regulating at least one operating parameter of the laser light source.
Zur Regelung eines oder mehrerer Betriebsparameter der Laser- diode in Abhängigkeit von einer Abweichung der tatsächlich emit¬ tierten Frequenz von der Resonanzmittenfrequenz des Resonators gibt es mehrere Möglichkeiten, z.B. ein polarisationsoptisches Phasenbrückenverfahren oder ein Intensitätsdifferenzverfahren. Das obengenannte Modulationsverfahren, bei dem man eine Amplitu¬ denmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz in dem vom Resonator reflektierten Licht auswertet, ist im vorliegenden Fall jedoch besonders günstig, weil man erfindungsgemäß ohnehin die Frequenz der freilaufenden Laserdiode über die Betriebspara¬ meter moduliert, um die erfindungsgemäße Rückkoppelphasenrege- lung durchführen zu können. Dabei treten automatisch auch die Seitenbänder erster Ordnung auf, die letztlich zusammen mit dem Träger in dem vom Resonator reflektierten Licht zu einer Ampli¬ tudenmodulation führen, wenn die tatsächliche Emissionsfrequenz der Laserdiode von der Resonanzmittenfrequenz des externen Reso¬ nators abweicht, wobei man für den Modulationshub der. genannten Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz einen dispersionskurvenähnlichen Verlauf über der Frequenz erhält.There are several options for controlling one or more operating parameters of the laser diode as a function of a deviation of the actually emitted frequency from the resonance center frequency of the resonator, for example a polarization-optical phase bridge method or an intensity difference method. The above-mentioned modulation method, in which one evaluates an amplitude modulation with the simple modulation frequency in the light reflected by the resonator, is particularly favorable in the present case, however, because according to the invention the frequency of the free-running laser diode is modulated anyway via the operating parameters by the inventive one To be able to carry out feedback phase control. The first-order sidebands also automatically occur, which ultimately lead to an amplitude modulation together with the carrier in the light reflected by the resonator if the actual emission frequency of the laser diode deviates from the resonance center frequency of the external resonator, with the modulation stroke the. mentioned Amplitude modulation with the simple modulation frequency receives a dispersion curve-like course over the frequency.
Mit einem noch nicht optimierten Versuchsaufbau der erfindungs- gemäßen konnte bereits ein kontinuierlich phasenverfolgbarer Frequenzabstimmbereich von über 100 GHz erreicht werden. Durch Optimierung der verwendeten Komponenten und insbesondere durch Verwendung eines sogenannten Modenselektors kann der Abstimmbe¬ reich noch um ein Mehrfaches erweitert werden. Ein solcher Mo- denselektor ist ein externer Reflektor, der in der Nähe des La¬ serdiodenresonators angeordnet ist. Soll die Frequenz durchge¬ stimmt werden, so muß auch der Abstand dieses Reflektors zum La¬ serdiodenresonator mitgefahren werden. Dazu ist ein dritter Re¬ gelkreis erforderlich (Der erste Regelkreis regelt ja beispiels- weise den Injektionsstrom, sodaß die Frequenz der freilaufenden Laserdiode in dem um die Resonanzmittenfrequenz des externen Re¬ sonators liegenden Einrastbereich liegt; die zweite Regelung re¬ gelt die Rückkoppelphase) . Für die nun gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene dritte Regelung des externen Reflek- tors (Modenselektor) kann dieser auf einer Piezo-Keramik mon¬ tiert sein und der Abstand zur Laserdiode moduliert werden, wo¬ bei die Modulationsfrequenz in der Größenordnung von etwa 100 Hz liegt. Es wurde beobachtet, daß die Leistung des vom teildurch¬ lässig ausgebildeten Modenselektor transmittierten Lichts von der Position des Modenselektors abhängt und daß man beimWith a test setup of the invention that has not yet been optimized, a continuously phase-traceable frequency tuning range of over 100 GHz has already been achieved. By optimizing the components used and in particular by using a so-called mode selector, the tuning range can be expanded many times over. Such a mode selector is an external reflector which is arranged in the vicinity of the laser diode resonator. If the frequency is to be tuned, the distance of this reflector from the laser diode resonator must also be traveled. This requires a third control loop (the first control loop controls the injection current, for example, so that the frequency of the free-running laser diode lies in the snap-in range around the resonance center frequency of the external resonator; the second control controls the feedback phase). For the third regulation of the external reflector (mode selector) now provided according to a preferred embodiment, the latter can be mounted on a piezo ceramic and the distance to the laser diode can be modulated, the modulation frequency being of the order of magnitude of approximately 100 Hz . It was observed that the power of the light transmitted by the partially transparent mode selector depends on the position of the mode selector and that the
Modulieren eine einer Resonanzlinie ähnliche Transmissionskurve erhält. Das transmittierte Licht ist also moduliert, und es läßt sich über eine phasenempfindliche Gleichrichtung ein Regelsignal für das Nachfahren des Modenselektors gewinnen.Modulation receives a transmission curve similar to a resonance line. The transmitted light is thus modulated, and a control signal for tracking the mode selector can be obtained via phase-sensitive rectification.
Das Modulieren des Modenselektors induziert eine geringe Fre¬ quenzmodulation in der Laserlichtquelle. Um dies zu vermeiden, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vor¬ gesehen sein, daß eine Einrichtung zur Modulation mindestens eines Betriebsparameters der Laserlichtquelle mit der Reflektor¬ modulationsfrequenz vorgesehen ist, um die durch den im Abstand von der Laserlichtquelle modulierten Reflektor in der Laser¬ lichtquelle induzierte Frequenzmodulation zu kompensieren. Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.The modulation of the mode selector induces a low frequency modulation in the laser light source. To avoid this, according to a preferred embodiment of the invention, provision can be made for a device for modulating at least one operating parameter of the laser light source with the reflector modulation frequency to be provided in the laser by the reflector modulated at a distance from the laser light source to compensate for light source-induced frequency modulation. Further details and advantages of the invention are explained in more detail in the following description of the figures.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausfüh¬ rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung. Die Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Darstellung des Frequenzverhaltens einer Laserdiode mit und ohne frequenzselektive optische Rückkopplung und zur Darstellung des Einrastbereiches. Die Fig. 3 zeigt die wesentlichen Komponenten eines FrequenzSpektrums einer frequenz¬ modulierten Schwingung. Die Fig. 4 zeigt einen piezoelektrisch verstellbaren externen Modenselektor und dessen Regelkreis.1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the device according to the invention. 2 shows a diagram to show the frequency response of a laser diode with and without frequency-selective optical feedback and to show the snap-in area. 3 shows the essential components of a frequency spectrum of a frequency-modulated oscillation. 4 shows a piezoelectrically adjustable external mode selector and its control loop.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das eigentliche optische Lasersystem in dem von strichlierten Linien umgebenen Bereich 1 angeordnet und umfaßt im wesentlichen eine Laserdiode LD und einen V-förmigen Resonator mit Spiegel Ml, M2 und M3, wobei im Strahlengang des Lichtes zwischen Laserdiode LD und externem Resonator ein Spiegel 3 und eine Kolli ationslinse L angeordnet ist. Die Laserdiode kann beispielsweise eineIn the embodiment shown in Fig. 1, the actual optical laser system is arranged in the area 1 surrounded by dashed lines and essentially comprises a laser diode LD and a V-shaped resonator with mirrors Ml, M2 and M3, with the light path between the laser diode LD and external resonator, a mirror 3 and a collision lens L is arranged. The laser diode can be, for example
GaAlAs-Laserdiode mit einer Emissionswellenlänge von ca. 830 nm und einer Ausgangsleistung von ca. 15 mW sein. Der externe Reso¬ nator M1,M2,M3 ist ein sogenannter Fox-Smith-Resonator, bei dem nur das durch den Faltspiegel M2 durchtretende interne Feld in die Laserlichtquelle LD zurückgekoppelt wird, während das am Faltspiegel reflektierte Licht in den eigentlichten Ausgangs¬ lichtstrahl des optischen Lasersystems geht. Alternativ könnten auch andere Resonatoren verwendet werden, bei denen das am Ein¬ koppelspiegel reflektierte Licht nicht direkt zurück in die La- serdiode gelangt. Beispielsweise würde sich ein verkipptes kon¬ vokales Fabry-Perot-Etalon eignen. Bei einem experimentellen Aufbau war die Resonatorlänge ca. 30 cm, der freie Spektralbe¬ reich ca. 500 MHz und die Finesse ca. 250. Der Rückkoppel-Pegel lag bei etwa -45 dB. Der Resonatorspiegel Ml ist auf einem Mi- niaturlautsprecher LS montiert, womit eine Längenänderung und damit eine Veränderung der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators M1,M2,M3 möglich ist, ohne den Resonator wesentlich zu dejustieren. Grundsätzlich eignen sich auch andere Verstell- mechanismen für einen Resonatorspiegel, beispielsweise piezo¬ elektrische Verstellelemente.GaAlAs laser diode with an emission wavelength of approx. 830 nm and an output power of approx. 15 mW. The external resonator M1, M2, M3 is a so-called Fox-Smith resonator, in which only the internal field passing through the folding mirror M2 is fed back into the laser light source LD, while the light reflected at the folding mirror is fed into the actual output light beam of the optical laser system goes. Alternatively, other resonators could also be used, in which the light reflected at the coupling mirror does not get directly back into the laser diode. For example, a tilted convocal Fabry-Perot etalon would be suitable. In an experimental setup, the resonator length was approx. 30 cm, the free spectral range approx. 500 MHz and the finesse approx. 250. The feedback level was approx. -45 dB. The resonator mirror Ml is mounted on a miniature loudspeaker LS, with which a change in length and thus a change in the resonance center frequency of the external resonator M1, M2, M3 is possible without substantially misaligning the resonator. In principle, other adjustment mechanisms for a resonator mirror, for example piezoelectric adjustment elements.
Für die vorliegende Anmeldung werden folgende wesentliche Fre- quenzen definiert: fF bezeichnet die Frequenz der freilaufenden Laserdiode, also jene Frequenz, mit der die Laserdiode bei gegebenen Betriebspa¬ rametern (Injektionsstrom, Temperatur) ohne optische Rückkopp¬ lung aus einem externen Resonator laufen würde. fg bezeichnet die Systemfrequenz, d.h. die bei vorhandener Rück¬ kopplung aus dem externen Resonator und den eingestellten Be¬ triebsparametern tatsächlich emittierte Frequenz. (Da die tatsächlich emittierte Frequenz trotz optischer Rückkopplung aus dem externen Resonator leicht frequenzmoduliert ist, bezeichnet fs genauer gesagt die zentrale Trägerfrequenz des von der Laser¬ diode tatsächlich emittierten Lichtes.) fR bezeichnet die durch die Länge des Resonators (und gegebenen¬ falls durch die Brechzahl des darin befindlichen Mediums) defi¬ nierte Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators.The following essential frequencies are defined for the present application: f F denotes the frequency of the free-running laser diode, that is to say the frequency with which the laser diode would run without optical feedback from an external resonator given given operating parameters (injection current, temperature) . f g denotes the system frequency, ie the frequency actually emitted from the external resonator and the set operating parameters when there is feedback. (Since the frequency actually emitted is slightly frequency-modulated despite optical feedback from the external resonator, f s more precisely denotes the central carrier frequency of the light actually emitted by the laser diode.) F R denotes that due to the length of the resonator (and, if appropriate by the refractive index of the medium contained therein) defined resonance center frequency of the external resonator.
Die frequenzselektive optische Rückkopplung aus dem externen Re¬ sonator M1,M2,M3 ist prinzipiell ohne zusätzliche elektronische Regelkreise in der Lage, die Systemfrequenz fg auf der Resona¬ tormittenfrequenz fR zu halten, sofern die Betriebsparameter (Injektionsstrom und Temperatur der Laserdiode) derart einge¬ stellt sind, daß die dadurch definierte Frequenz der freilaufen¬ den Laserdiode in dem um die Resonanzmittenfrequenz fR des ex¬ ternen Resonators liegenden Einrastbereich liegt, also nicht zu weit von der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators ab- weicht. Dies wird im folgenden anhand der Fig. 2 näher erläu¬ tert.The frequency-selective optical feedback from the external resonator M1, M2, M3 is in principle able, without additional electronic control loops, to keep the system frequency f g at the resonator center frequency f R , provided the operating parameters (injection current and temperature of the laser diode) are such are set that the frequency of the free-running laser diode defined thereby lies in the snap-in area around the resonance center frequency f R of the external resonator, ie does not deviate too far from the resonance center frequency of the external resonator. This is explained in more detail below with reference to FIG. 2.
In Fig. 2 ist die Systemfrequenz fg (also die tatsächlich emit¬ tierte Frequenz) gegenüber der Frequenz der freilaufenden Laser- diode aufgetragen. Der Ursprung des in Fig. 2 gezeigten Achs¬ kreuzes liegt bei der Resonanzmittenfrequenz fR des externen Re¬ sonators. Ohne frequenzselektive optische Rückkopplung ändert sich die Systemfrequenz linear mit der Frequenz der freilaufen- den Laserdiode, wie dies durch die strichlierte Linie 4 angedeu¬ tet ist. Die Gerade 4 läuft in Fig. 2 nur deshalb nicht genau unter 45* zu den beiden Achsen, weil auf der X-Achse und der Y- Achse eine unterschiedliche Teilung verwendet ist. Eine Längen- einheit auf der X-Achse entspricht einem Fünffachen der Frequenz derselben Längeneinheit auf der Y-Achse.2, the system frequency f g (ie the actually emitted frequency) is plotted against the frequency of the free-running laser diode. The origin of the axis cross shown in FIG. 2 lies at the resonance center frequency f R of the external resonator. Without frequency-selective optical feedback, the system frequency changes linearly with the frequency of the freewheeling the laser diode, as indicated by the dashed line 4. The straight line 4 in FIG. 2 does not run exactly below 45 * to the two axes only because a different division is used on the X-axis and the Y-axis. A unit of length on the X axis corresponds to five times the frequency of the same unit of length on the Y axis.
Durch eine frequenzselektive optische Rückkopplung aus einem ex¬ ternen Resonator erhält man den durch die Linie 5 angedeuteten Frequenzverlauf. Sind alle Komponenten des Systems optimalThe frequency curve indicated by line 5 is obtained by frequency-selective optical feedback from an external resonator. Are all components of the system optimal
"eingerastet", so stimmt die Systemfrequenz fs mit der Frequenz der freilaufenden Laserdiode fF und der Resonanzmittenfrequenz fR des externen Resonators überein. Man befindet sich also im Koordinatenursprung der Fig. 2. Weicht nun die Frequenz der freilaufenden Laserdiode beispielsweise durch eine geringe Ver¬ änderung des Injektionsstroms oder der Temperatur von der Reso¬ nanzmittenfrequenz des externen Resonators ab, so ändert sich durch die frequenzselektive optische Rückkopplung die tatsäch¬ lich emittierte Systemfrequenz innerhalb des mit 1 Einrastbe- reichs kaum. Die frequenzselektive optische Rückkopplung sorgt also dafür, daß die tatsächlich emittierte Systemfrequenz fg auch bei geringen Abweichungen der Frequenz der freilaufenden Laserdiode im wesentlichen auf der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators gehalten wird. Der Effekt der frequenzselek- tiven optischen Rückkopplung läßt sich vereinfacht wie folgt er¬ klären: Stimmen alle Frequenzen fg, fF und fR überein, so steht der Feldvektor des zurückgekoppelten Lichtes unter 90" zum Feld¬ vektor im Laserresonator und es kommt dabei zu keiner wesentli¬ chen Veränderung der Intensität im Laserresonator. Die Rückkop- pelphase beträgt also 90°. Weicht nun die Systemfrequenz von der Resonanzmittenfrequenz ab, so kommt es zu einer Veränderung der Rückkoppelphase, wobei nun der Feldvektor des zurückgekoppelten Lichtes mehr in bzw. gegen die Phase des Feldvektors des Laser¬ resonatorlichtes steht. Damit kommt es zu einer Intensitätsände- rung im Laserresonator. Diese verändert die Brechzahl des Laser¬ resonators und damit dessen optische Länge, wobei sich die Emis¬ sionsfrequenz gerade so ändert, daß sie sich wieder in Richtung der Resonanzmittenfrequenz fR bewegt und wieder die Phasenlage von 90" zwischen Laserdiodenresonatorfeld und zurückgekoppeltem Feld hergestellt ist."Locked", the system frequency f s corresponds to the frequency of the free-running laser diode f F and the resonance center frequency f R of the external resonator. 2. The frequency of the free-running laser diode now deviates from the resonance center frequency of the external resonator, for example due to a slight change in the injection current or the temperature, the actual selective changes due to the frequency-selective optical feedback ¬ Lich emitted system frequency within the 1 snap range hardly. The frequency-selective optical feedback thus ensures that the actually emitted system frequency fg is kept essentially at the resonance center frequency of the external resonator even with small deviations in the frequency of the free-running laser diode. The effect of frequency-selective optical feedback can be explained in a simplified manner as follows: If all frequencies f g , f F and f R match, the field vector of the feedback light is less than 90 "to the field vector in the laser resonator and this results The feedback phase is therefore 90 °. If the system frequency now deviates from the resonance center frequency, there is a change in the feedback phase, with the field vector of the feedback light now being in or against The phase of the field vector of the laser resonator light stands, resulting in a change in intensity in the laser resonator, which changes the refractive index of the laser resonator and thus its optical length, the emission frequency changing so that it changes again Direction of the resonance center frequency f R moves and again the phase position of 90 "between the laser diode resonator field and the feedback field.
In der Praxis reicht diese rein optische frequenzselektive Rück- kopplung jedoch nicht aus, um die Laserdiode über längere Zeit auf der Resonanzmittenfrequenz zu halten. Insbesondere, wenn man die Resonanzmittenfrequenz durchstimmt und möchte, daß die fre¬ quenzselektive optische Rückkopplung bei diesem Durchstimmen die Systemfrequenz "mitzieht", sind zusätzliche elektronische Regel- kreise erforderlich, um einerseits sicherzustellen, daß sich die über die Betriebsparameter festgelegte Frequenz fF der freilau¬ fenden Laserdiode zumindest im Einrastbereich 1 liegt (vorzugsweise auf die Resonanzmittenfrequenz fR geregelt wird) . Andererseits ist auch eine zusätzliche Regelung der Rückkoppel- phase nötig, die die durch die optische Rückkopplung aus dem ex¬ ternen Resonator an sich automatisch vor sich gehende Phasenre¬ gelung unterstützt und sicherstellt, daß die Rückkoppelphase ge¬ rade so ist, daß das zurückgekoppelte Feld unter 90° zum Feld im Resonator der Laserdiode steht.In practice, however, this purely optical frequency-selective feedback is not sufficient to keep the laser diode at the resonance center frequency for a long time. In particular, if one tunes the resonance center frequency and wants the frequency-selective optical feedback to "pull along" the system frequency with this tuning, additional electronic control loops are necessary to ensure, on the one hand, that the frequency f F determined by the operating parameters is free ¬ fenden laser diode is at least in the latching area 1 (preferably controlled to the resonance center frequency f R ). On the other hand, an additional control of the feedback phase is also necessary, which supports the phase control which automatically proceeds as a result of the optical feedback from the external resonator and ensures that the feedback phase is just such that the feedback field is at 90 ° to the field in the resonator of the laser diode.
Eine erste Regeleinrichtung regelt über die Stromregelung SR den Injektionsstrom der Laserdiode LD gerade so, daß die Systemfre¬ quenz fs auf der Resonatormittenfrequenz fR des externen Resona¬ tors Ml, M2, M3 gehalten wird. (Die Temperatur der Laserdiode braucht nur grob vorgesteuert zu werden.) Diese Regeleinrichtung umfaßt eine Modulationseinrichtung zur Modulation des Injekti¬ onsstroms der Laserdiode. Die Modulationeinrichtung besteht im wesentlichen aus dem HF Synthesizer SY, der eine kleine Wechsel¬ stromkomponente mit einer Modulationsfrequenz von 35 MHz lie- fert. Die Modulationsfrequenz ist mit fmθ(j bezeichnet. Durch diese Injektionsstrommodulation wird eine Frequenzmodulation des von der Laserdiode emittierten Lichtes erzeugt, sodaß das Emis¬ sionsspektrum im wesentlichen so aussieht, wie es in Fig. 3 dar¬ gestellt ist: neben der Systemträgerfrequenz fs liegen symmetri- sehe Seitenbänder erster und zweiter Ordnung im Abstand der ein¬ fachen und doppelten Modulationsfrequenz fmθ(j. Seitenbänder hö¬ herer Ordnung können vernachlässigt werden und sind daher nicht näher dargestellt. Eine reine Frequenzmodulation ist - wie be- reits eingangs erwähnt - durch einen Photodetektor nicht nach¬ weisbar. Der externe Resonator Ml, M2, M3 wirkt jedoch als Fre- quenzdiskriminator, wobei in dem vom Einkoppelspiegel M2 reflek¬ tierten Licht eine mit der einfachen Modulationsfrequenz fm0(j oszillierende Amplitudenmodulation auftritt, wenn die Systemträ¬ gerfrequenz fg neben der Resonatormittenfrequenz fR liegt. Diese Amplitudenmodulation kann vom Photodetektor (beispielsweise einer Si-PIN-Photodiode PD1) detektiert werden, wobei der ent¬ stehende Photostrom die Amplitudenmodulationen des detektierten Lichtes wiedergibt. An dieser Stelle wäre zu erwähnen, daß das eigentliche Nutzlicht beispielsweise über einen nicht darge¬ stellten Strahlteiler vor dem Photodetektor PD1 abgezweigt wer¬ den kann.A first control device regulates the injection current of the laser diode LD via the current control SR in such a way that the system frequency f s is kept at the resonator center frequency f R of the external resonator M1, M2, M3. (The temperature of the laser diode only needs to be roughly pre-controlled.) This control device comprises a modulation device for modulating the injection current of the laser diode. The modulation device essentially consists of the HF synthesizer SY, which supplies a small AC component with a modulation frequency of 35 MHz. The modulation frequency is denoted by f mθ (j . This injection current modulation generates a frequency modulation of the light emitted by the laser diode, so that the emission spectrum essentially looks as it is shown in FIG. 3: in addition to the system carrier frequency f s there are symmetrical first and second order sidebands at a distance of the single and double modulation frequency f mθ (j . higher order sidebands can be neglected and are therefore not shown in detail. A pure frequency modulation is - as is already mentioned at the beginning - not detectable by a photodetector. The external resonator M1, M2, M3, however, acts as a frequency discriminator, wherein in the light reflected by the coupling mirror M2, an amplitude modulation oscillating with the simple modulation frequency f m0 (j) occurs when the system carrier frequency fg lies next to the resonator center frequency f R This amplitude modulation can be detected by the photodetector (for example an Si-PIN photodiode PD1), the resulting photocurrent representing the amplitude modulations of the detected light. At this point it should be mentioned that the actual useful light is, for example, not shown Beam splitter can be branched off in front of the photodetector PD1.
Der Photostrom aus dem Photodetektor PD1 wird im Verstärker AMP1 verstärkt und in einem doppelt-balancierten Mischer DBM1 syn- chron-demoduliert. Das dazu benötigte Referenzsignal mit der Mo¬ dulationsfrequenz fmθ(j wird dabei ebenfalls dem HF-Synthesizer SY entnommen. Ein HF-Phasenschieber PSl dient dazu, die benö- tigte Quadratur-Relation zwischen den beiden Mischereingängen herzustellen. PSl kann auch durch die Wahl richtiger Kabellängen ersetzt werden. Das am Mischerausgang anliegende Regelsignal (Fehlersignal) welches proportional zur Abweichung der System- frequenz fg von der Resonatormittenfrequenz fR ist, wird nach Durchlaufen eines elektronischen Integrators INTl über dieThe photocurrent from the photodetector PD1 is amplified in the amplifier AMP1 and synchronously demodulated in a double-balanced mixer DBM1. The reference signal required for this with the modulation frequency f mθ (j is also taken from the RF synthesizer SY. An RF phase shifter PSl serves to establish the required quadrature relation between the two mixer inputs. PSl can also be selected The control signal (error signal) present at the mixer output, which is proportional to the deviation of the system frequency f g from the resonator center frequency f R , is passed through an
Stromregelung SR auf die Laserdiode geführt. Damit ist der erste Regelkreis geschlossen.Current control SR led to the laser diode. The first control loop is now closed.
Neben der eben beschriebenen Regelung der Systemfrequenz auf die Resonatormittenfrequenz folgt erfindungsgemäß eine Regelung der Rückkoppelphase des vom externen Resonator in den Laserresonator zurückgekoppelten Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresonator, wobei zur Gewinnung des dafür nötigen zweiten Regelsignals in dem von der Laserdiode emittierten Licht nach einer Amplitudenmodulation bei der zweifachen Modulationsfre¬ quenz (2fmod) geschaut wird. Wie bereits weiter oben ausgeführt, enthält die mit der zweifachen Modulationsfrequenz oszillierende Komponente eine Information über die Abweichung der Rückkoppel- phase von ihrem optimalen Wert. Die Detektoreinrichtung zur De¬ tektion dieser Amplitudenmodulation mit der doppelten Modulati¬ onsfrequenz umfaßt als wesentliche Elemente den Photodetektor PD1 und den Mischer DBM2, dem über den Frequenzverdoppler FD aus dem HF-Synthesizer SY ein mit der zweifachen Modulationsfrequenz (2fmod = 70 MHZ) oszillierendes Referenzsignal zugeführt wird. Zur Einstellung der nötigen Quadratur-Phasenrelation zwischen den beiden Eingängen des Mischers DBM2 ist ein Phasenschieber PS2 vorgesehen. Das Ausgangssignal des Mischers DBM2 spiegelt den Modulationshub der Amplitudenmodulation mit der doppelten Modulationsfrequenz 2fmo£j wieder und wird erfindungsgemäß zur Regelung der Rückkoppelphase verwendet. Bevor diese Regelein¬ richtung der Rückkoppelphase beschrieben wird, sei noch erwähnt, daß vor dem Mischer DBM2 ein elektronisches Filter FI1 vorgese- hen ist, das im wesentlichen nur die mit der doppelten Modulati¬ onsfrequenz 2fmo(j schwingende Komponente des vom Verstärker AMP2 verstärkten Photostroms durchläßt. Verwendet man ein sehr se¬ lektives Filter, so könnte an Stelle des Mischers DBM2 auch eine Quadriereinrichtung vorgesehen sein (nicht gezeigt) , in der das mit der doppelten Modulationsfrequenz modulierte Signal mit sich selbst multipliziert wird, um ein dem Modulationshub dieser Am¬ plitudenmodulationskomponente entsprechendes Ausgangssignal zu liefern.In addition to the regulation of the system frequency to the resonator center frequency just described, according to the invention, the feedback phase of the light fed back from the external resonator into the laser resonator is regulated relative to the phase position of the light in the laser resonator, with the second control signal required for this being obtained in the light emitted by the laser diode after a Amplitude modulation at twice the modulation frequency (2f mod ) is observed. As already explained above, the component oscillating at twice the modulation frequency contains information about the deviation of the feedback phase from its optimal value. The detector device for the detection of this amplitude modulation with twice the modulation frequency comprises as essential elements the photodetector PD1 and the mixer DBM2, which, via the frequency doubler FD from the HF synthesizer SY, oscillates at twice the modulation frequency (2f mod = 70 MHz) Reference signal is supplied. A phase shifter PS2 is provided to set the necessary quadrature phase relation between the two inputs of the mixer DBM2. The output signal of the mixer DBM2 reflects the modulation stroke of the amplitude modulation with twice the modulation frequency 2f mo £ j and is used according to the invention to regulate the feedback phase. Before this control device of the feedback phase is described, it should also be mentioned that an electronic filter FI1 is provided in front of the mixer DBM2, which essentially only amplifies the component of the amplifier AMP2 which oscillates at twice the modulation frequency 2f mo (j If a very selective filter is used, instead of the mixer DBM2, a squaring device could also be provided (not shown), in which the signal modulated at twice the modulation frequency is multiplied by itself in order to adjust the modulation stroke of this Am ¬ to provide corresponding output modulation component.
Zur Regelung der Rückkoppelphase wird der Piezo-Steller PZT2, auf dem der Spiegel 3 angebracht ist, mit einer aus dem Phasenmoduliergenerator stammenden Frequenz von etwa 1kHz kleinhubig moduliert, womit auch die Rückkoppelphase mit dieser Phasenmodulationsfrequenz kleinhubig moduliert wird. Die Phasenmodulationsfrequenz ist wesentlich kleiner als die Strom- Modulationsfrequenz fmocjf womit es zu keiner störenden ge¬ genseitigen Beeinflussung kommt. Der Modulationshub liegt bei¬ spielsweise in lOnm-Bereich, was einem Rückkoppelphasenhub von ca. lOOmrad entspricht. Die 1kHz-Komponente im DBM2-Ausgangssi- gnal, das den momentanten Modulationshub der Amplitudenmodula¬ tion bei der doppelten Modulationsfrequenz 2fmod wiedergibt, wird nun mit Hilfe einer phasensensitiven Detektoreinrichtung synchron-demoduliert, um ein Regelsignal ungerader Symmetrie zur Regelung der Rückkoppelphase zu erhalten. Beim vorliegenden Aus¬ führungsbeispiel ist die phasensensitive Detektoreinrichtung ein Lock-in-Verstärker, der auf einem Signaleingang das aus dem Mi¬ scher DBM2 stammende Signal empfängt und der weiters einen Refe- renzeingang aufweist, über den ein mit der Phasenmodulationsfre¬ quenz oszillierendes Referenzsignal aus dem Phasenmodulationsge¬ nerator empfangen wird. Das über den Lock-in-Verstärker erzeugte Signal wird nach Durchlaufen eines Summierers S und eines Integrators INT2 auf den Eingang des nicht näher dargestellten Hochspannungsverstärkers des Piezo-Stellers PZT2 geleitet, um den Spiegel 3 und damit die Rückkoppelphase auf den optimalen Wert zu verstellen. Damit ist der Rückkoppelphasenregelkreis geschlossen.To regulate the feedback phase, the piezo actuator PZT2, on which the mirror 3 is attached, is modulated with a small stroke with a frequency of approximately 1 kHz coming from the phase modulation generator, so that the feedback phase is also modulated with a small stroke with this phase modulation frequency. The phase modulation frequency is substantially lower than the current modulation frequency f mocjf, so that there is no disruptive mutual influence. The modulation stroke is, for example, in the 10 nm range, which corresponds to a feedback phase stroke of approximately 100 mrad. The 1 kHz component in the DBM2 output signal, which reproduces the momentary modulation stroke of the amplitude modulation at twice the modulation frequency 2f mod , is now synchronously demodulated with the aid of a phase-sensitive detector device in order to provide a control signal with odd symmetry To get control of the feedback phase. In the present exemplary embodiment, the phase-sensitive detector device is a lock-in amplifier which receives the signal coming from the mixer DBM2 at a signal input and which furthermore has a reference input via which a reference signal oscillating with the phase modulation frequency is output the phase modulation generator is received. After passing through a summer S and an integrator INT2, the signal generated via the lock-in amplifier is passed to the input of the high-voltage amplifier (not shown) of the piezo actuator PZT2 in order to adjust the mirror 3 and thus the feedback phase to the optimum value. This closes the feedback phase locked loop.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die Detektoreinrichtung zur De¬ tektion der mit der doppelten Modulationsfrequenz oszillierenden Komponente des modulierten Lichtes im Strahlengang des vom ex¬ ternen Resonators Ml, M2, M3 reflektierten Lichtes angeordnet. Damit ist es möglich, für die Regelung der Systemfrequenz über die Betriebsparameter und die Regelung der Rückkoppelphase ein und denselben Photodetektor PD1 zu verwenden.As can be seen from FIG. 1, the detector device for detecting the component of the modulated light which oscillates at twice the modulation frequency is arranged in the beam path of the light reflected by the external resonator M1, M2, M3. It is thus possible to use one and the same photodetector PD1 for regulating the system frequency via the operating parameters and regulating the feedback phase.
Durch die beiden beschriebenen Regelkreise bleibt das System praktisch unbegrenzt auf die Resonatormittenfrequenz des exter- nen Resonators eingerastet und zwar auch dann, wenn die Reso¬ nanzmittenfrequenz des Resonators schnell (in der Größenordnung von einigen GHz pro Sekunde) und weit (in der Größenordnung von 100 GHz und darüber) durchgestimmt wird. Da der Regelhub des er¬ sten Regelkreises (auf den Injektionsström) beschränkt ist, muß bei einem weiteren Durchstimmen der Resonatormittenfrequenz die Temperatur der Laserdiode grob mitgesteuert werden. Der erste Regelkreis stellt dann durch genaue Regelung des Injektionsstro¬ mes sicher, daß die Frequenz der freilaufenden Laserdiode exakt auf der Resonatormittenfrequenz bleibt. Damit läßt sich eine schmalbandige und phasenverfolgbar (also ohne Modensprünge) durchstimmbare Laserlichtquelle realisieren, wie sie beispiels¬ weise in Interferometern zur absoluten Entfernungsmessung ver¬ wendet wird. Bei einem solchen Absolut-Interferometer entspricht der Aufbau einem Zweistrahlinterferometer, wobei ein Arm die Meßstrecke darstellt. Die Anzahl der am Ort des Empfängers als Folge der Durchstimmung der Emissionsfrequenz durchlaufenden In¬ terferenzstreifen wird gezählt. Simultan mißt man, um welchen Betrag sich die im Umgebungsmedium vorhandene Luftwellenlänge der emittierten Strahlung beim Durchstimmvorgang verändert. Der Absolutbetrag der Meßentfernung ergibt sich dann gerade aus der halben Anzahl der gezählten Interferenzstreifen dividiert durch die Differenz der Luftwellenzahlen (1/Luftwellenlänge) vor und nach dem Durchstimmen der Emissionsfrequenz.By means of the two control loops described, the system remains locked onto the resonator center frequency of the external resonator practically indefinitely, even if the resonance center frequency of the resonator is fast (in the order of a few GHz per second) and wide (in the order of 100 GHz and above) is tuned. Since the control stroke of the first control circuit is limited (to the injection flow), the temperature of the laser diode must be roughly controlled if the resonator center frequency is tuned further. The first control circuit then ensures through precise control of the injection current that the frequency of the free-running laser diode remains exactly at the resonator center frequency. This enables a narrow-band and phase-traceable (ie without mode jumps) tunable laser light source to be implemented, such as that used in interferometers for absolute distance measurement. With such an absolute interferometer the construction of a two-beam interferometer, one arm representing the measuring section. The number of interference strips passing through at the location of the receiver as a result of tuning the emission frequency is counted. Simultaneously, one measures the amount by which the air wavelength of the emitted radiation in the surrounding medium changes during the tuning process. The absolute amount of the measurement distance then results from half the number of interference fringes divided by the difference between the air wave numbers (1 / air wave length) before and after tuning the emission frequency.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Einrichtung erfolgt die Verstel¬ lung der Resonanzmittenfrequenz des externen Resonators Ml, M2, M3 über einen beweglichen Spiegel Ml, der auf einem Lautsprecher LS montiert ist. Bei der Durchstimmung der Resonatormittenfre¬ quenz des externen Resonators Ml, M2, M3 müssen die Betriebspa¬ rameter der Laserdiode geregelt bzw. mitgesteuert werden, damit die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserdiode immer im Mit¬ ziehbereich der sich nun ändernden Resonanzmittenfrequenz bleibt. Zur Durchstimmung über einen großen Frequenzbereich eignet sich zur groben Mitsteuerung insbesondere die Laserdi¬ odentemperatur, die beispielsweise über ein Peltier-Element 6 festgelegt wird. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel wird über einen Generator G beispielsweise ein periodischer oder linearer Temperatursollwertverlauf vorgegeben. Der Temperaturregler nimmt dann eine synchrone Verstellung der Temperatur der Laserdiode und der Lage des Resonatorspiegels Ml vor. Eine solche synchrone Verstellung (MitSteuerung) ist natürlich nicht perfekt möglich. Die verbleibenden kleinen Abweichungen zwischen Systemfrequenz fg und der Resonanzmittenfrequenz fR des externen Resonators kann jedoch über die weiter oben beschriebene Regelung des In¬ jektionsstroms schnell und exakt ausgeregelt werden.In the device shown in FIG. 1, the resonance center frequency of the external resonator M1, M2, M3 is adjusted via a movable mirror M1, which is mounted on a loudspeaker LS. When tuning the resonator center frequency of the external resonator M1, M2, M3, the operating parameters of the laser diode must be regulated or controlled so that the emission frequency of the free-running laser diode always remains in the pulling range of the now changing resonance center frequency. The laser diode temperature, which is determined, for example, by a Peltier element 6, is particularly suitable for coarse control for tuning over a large frequency range. In the exemplary embodiment shown, a periodic or linear temperature setpoint curve is specified via a generator G, for example. The temperature controller then carries out a synchronous adjustment of the temperature of the laser diode and the position of the resonator mirror Ml. Such a synchronous adjustment (with control) is of course not perfectly possible. The remaining small deviations between the system frequency fg and the resonance center frequency f R of the external resonator can, however, be quickly and exactly corrected by regulating the injection current as described above.
Zu erwähnen wäre noch, daß man durch die Wahl einer speziellen Geometrie, bei der der Abstand der Laserdiode zum Einkoppelspie¬ gel M2 gerade dem Abstand der Spiegel M2 und M3 entspricht, er¬ zielen kann, daß eine einmal eingestellte Rückkoppelphase auch bei der Bewegung von Ml erhalten bleibt. In der Praxis arbeitet diese "feed-forward"-Kompensation natürlich nicht perfekt. Die verbleibenden Fehler, die zum Beispiel durch Dispersionseffekte oder durch kleine temperaturabhängige Änderungen der Laserdi¬ oden-Emissionsachse entstehen können, sind dagegen so klein, daß sie leicht von der Rückkoppelphasenregelung ausgeregelt werden können. Bei einem Experiment hat sich beispielsweise gezeigt, daß bei einem Durchstimmen der Systemfrequenz über einen Bereich von 200 GHz die Rückkoppelweglänge zwischen externem Resonator und Laserdiode nur um weniger als eine halbe Wellenlänge nachge- regelt werden mußte, was mit einem einfachen piezo-elektrischen Stellelement PZT2 leicht möglich ist.It should also be mentioned that by choosing a special geometry, in which the distance between the laser diode and the coupling mirror M2 corresponds exactly to the distance between the mirrors M2 and M3, it can be achieved that a feedback phase, once set, can also be achieved when moving Ml remains. Works in practice this feed-forward compensation is of course not perfect. By contrast, the remaining errors, which can arise, for example, from dispersion effects or from small temperature-dependent changes in the laser diode emission axis, are so small that they can easily be corrected by the feedback phase control. An experiment has shown, for example, that when the system frequency is tuned over a range of 200 GHz, the feedback path length between the external resonator and the laser diode only had to be readjusted by less than half a wavelength, which is easy with a simple piezoelectric actuating element PZT2 is possible.
Um den phasenverfolgbaren Durchstimmbereich der Einrichtung noch weiter zu erhöhen, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß zusätzlich zum externen Reso¬ nator Ml, M2, M3 außerhalb des Resonators der Laserlichtquelle LD ein als Modenselektror wirkender externer Reflektor MS ange¬ ordnet ist, der zumindest einen Teil des Lichtes in den Laserre¬ sonator zurückreflektiert.In order to further increase the phase-traceable tuning range of the device, it can be provided according to a preferred embodiment of the invention that, in addition to the external resonator M1, M2, M3, an external reflector MS acting as a mode electrode is arranged outside the resonator of the laser light source LD which reflects back at least part of the light into the laser resonator.
Insbesondere wenn man die Frequenz des Gesamtsystems durchstim¬ men möchte, muß auch der Abstand dieses Modenselektors vom La¬ serresonator mitgeregelt werden. Dazu ist ein dritter Regelkreis vorgesehen, der in Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Die Lage des Modenselektors MS wird dabei durch die über den Operations¬ verstärker OP2 zugeführte Spannung festgelegt, über eine an den Eingang dieses Operationsverstärkers OP2 angelegte Vorspannung ubias ann eine Mode m manuell ausgewählt werden. Zur Gewinnung eines Regelsignals, mit dem sich der Abstand des Modenselektors von der Laserdiode regeln läßt, wird dieser Vorspannung eine Re¬ flektormodulationsfrequenz in der Größenordnung von etwa 100Hz überlagert. Damit wird der Abstand des Reflektors (Modenselektor MS) moduliert. Der Reflektor MS ist teildurchlässig ausgebildet und die transmittierte Leistung hängt vom Abstand des Reflektors von der Laserdiode ab. Damit ist auch das vom Reflektor trans¬ mittierte Licht mit der Reflektormodulationsfrequenz in der Grö¬ ßenordnung von 100Hz amplitudenmoduliert. Der Photodetektor PD2 detektiert und diese Amplitudenmodulation führt ein entsprechen- des Stromsignal dem Signaleingang Sl eines Lock-in-Verstärkers zu. Die Reflektormodulationsfrequenz Umod wird dem Referenzein¬ gang RI zugeführt. Der Lock-in-Verstärker demoduliert nun die Amplitudenmodulationkomponente bei der Reflektormodulationsfre- quenz (phasenempfindliche Gleichrichtung) und gibt ein Regelsi¬ gnal ab, das nach Integration in dem entsprechend beschalteten Operationsverstärker 0P2 dem Eingang des Operationsverstärkers OP2 zugeführt wird, der dann über das Piezo-Element PZT dem Mo¬ denselektor auf den richtigen Abstand von der Laserlichtquelle einstellt. Damit ist der Modenselektorregelkreis geschlossen.In particular if one wants to tune the frequency of the overall system, the distance of this mode selector from the laser resonator must also be controlled. For this purpose, a third control loop is provided, which is shown schematically in FIG. 4. The position of the mode selector MS is in this case determined by the amplifier OP2 via the Operations¬ voltage supplied through a voltage applied to the input of this operational amplifier OP2 bias and bias ann e i ne mode m to be selected manually. To obtain a control signal with which the distance of the mode selector from the laser diode can be regulated, a reflector modulation frequency of the order of magnitude of approximately 100 Hz is superimposed on this bias voltage. The distance of the reflector (mode selector MS) is thus modulated. The reflector MS is designed to be partially transparent and the transmitted power depends on the distance of the reflector from the laser diode. The light transmitted by the reflector is thus also amplitude-modulated with the reflector modulation frequency in the order of 100 Hz. The photodetector PD2 detects and this amplitude modulation leads to a corresponding of the current signal to the signal input S1 of a lock-in amplifier. The reflector modulation frequency U mod is fed to the reference input RI. The lock-in amplifier now demodulates the amplitude modulation component at the reflector modulation frequency (phase-sensitive rectification) and emits a control signal which, after integration in the correspondingly connected operational amplifier 0P2, is fed to the input of the operational amplifier OP2, which is then fed via the piezo Element PZT sets the mode selector to the correct distance from the laser light source. The mode selector control loop is thus closed.
Da die Modulation des Modenselektors-Reflektors MS eine unter Umständen störende Frequenzmodulation in der Laserdiode indu¬ ziert, kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfin- düng eine Einrichtung vorgesehen sein, die den Strom der Laser¬ diode geringfügig mit der Reflektormodulationsfrequenz moduliert und damit die durch den modulierten Reflektor MS induzierte Fre¬ quenzmodulation gerade zu kompensieren. Diese Einrichtung CC zur Strommodulation liefert einen Ausgangsstrom, der dem Injektions- ström der in Fig. 1 gezeigten Regelungen überlagert wird.Since the modulation of the mode selector reflector MS induces frequency modulation in the laser diode, which may be disruptive, according to a preferred embodiment of the invention, a device can be provided which modulates the current of the laser diode slightly with the reflector modulation frequency and thus the through to compensate for the modulated reflector MS-induced frequency modulation. This device CC for current modulation supplies an output current which is superimposed on the injection current of the controls shown in FIG. 1.
Ein Neutralfilter NF verhindert störende Reflexion vom Photode¬ tektor in die Laserdiode LD.A neutral filter NF prevents disruptive reflection from the photodetector into the laser diode LD.
Die Fig. 5 zeigt einen typischen Verlauf des elektrischen Sig¬ nals auf der Photodiode PD1 bei der doppelten Modulationsfre¬ quenz (S2fi) in Abhängigkeit von der Rückkoppelphase RKP, d. h. in Abhängigkeit von der Position des Piezoelementes PZT2, auf dem der Spiegel 3 montiert ist. Mit der oben beschriebenen Regelung erfolgt mittels einer Modulationsmethode (Modulation der Rückkoppelphase mit 1kHz durch PMG) eine Regelung auf das Extremum A. Der Vorteil dieser Modulationsmethode besteht darin, daß Schwankungen des Signalpegels nicht stören. Die Regelein¬ richtung für die Rückkoppelphase kann daher die Position des Piezoelementes PZT2 immer genau derart einstellen, daß das Sig¬ nal bei der doppelten Modulationsfrequenz S2f-mo(_ das Extremum A annimmt und damit die Rückkoppelphase richtig steht. Eine vereinfachte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrich¬ tung ist in Fig. 6 gezeigt. Diese ist gegenüber der bisher be¬ schriebenen Einrichtung in zweierlei Hinsicht vereinfacht. Zunächst ist zu erwähnen, daß bei der in Fig. 6 gezeigten Ein- richtung der erste Regelkreis, der die Betriebsparameter der La¬ serdiode LP regelt (ÄMP1, DBM1, PSl, SY, INTl, SR) gleich ist, wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel und hier in Fig. 6 allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist.5 shows a typical course of the electrical signal on the photodiode PD1 at the double modulation frequency (S 2 f i) as a function of the feedback phase RKP, ie as a function of the position of the piezo element PZT2 on which the Mirror 3 is mounted. With the regulation described above, regulation to the extremum A takes place by means of a modulation method (modulation of the feedback phase with 1 kHz by PMG). The advantage of this modulation method is that fluctuations in the signal level do not disturb. The control device for the feedback phase can therefore always set the position of the piezo element PZT2 exactly such that the signal assumes the extremum A at twice the modulation frequency S 2 f- mo ( _) and the feedback phase is thus correct. A simplified embodiment of the device according to the invention is shown in FIG. 6. This is simplified in two ways compared to the previously described device. First of all, it should be mentioned that in the device shown in FIG. 6, the first control circuit which regulates the operating parameters of the laser diode LP (ÄMP1, DBM1, PSI, SY, INTI, SR) is the same as that in FIG 1 shown embodiment and here in Fig. 6 is generally designated by the reference number 10.
Eine Vereinfachung bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbei- spiel besteht erstens darin, daß durch Verwendung eines hochse¬ lektiven Filter FI1 bei der doppelten Modulationsfrequenz Sfmod (70 MHz) der Mischer DBM2 der Fig. 1 weggelassen ist. Zweitens erfolgt keine Modulation der Rückkoppelphase. Vielmehr erfolgt eine "statische Regelung" auf die in Fig. 5 gezeigte Rückkoppel¬ phase B, in dem das Signal bei der doppelten Modulationsfrequenz s2fmod auf den PeζTel geregelt wird. Dazu ist dem Filter FI1 ein Gleichtrichter 11 nachgeschaltet, dessen Ausgang zu einem DifferenzVerstärker 12 führt. Dem zweiten Eingang des Differenz- Verstärkers 12 wird ein Offsetsignal entsprechend dem Pegel C zugeführt. Der Ausgang des Differenzverstärkers 12 steuert dann das Piezoelement PZT2 an und legt damit die Lage der Rückkoppel¬ phase fest.A simplification in the embodiment shown in FIG. 6 is firstly that by using a highly selective filter FI1 at twice the modulation frequency S fmod (70 MHz) the mixer DBM2 of FIG. 1 is omitted. Second, there is no modulation of the feedback phase. Rather, a "static control" takes place on the feedback phase B shown in FIG. 5, in which the signal is regulated at the double modulation frequency s 2fmod to the Pe ζT el . For this purpose, a rectifier 11 is connected downstream of the filter FI1, the output of which leads to a differential amplifier 12. An offset signal corresponding to the level C is fed to the second input of the differential amplifier 12. The output of the differential amplifier 12 then controls the piezo element PZT2 and thus defines the position of the feedback phase.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt ebenfalls keine Modulation der Rückkoppelphase, sondern eine Re¬ gelung auf den Wert B gemäß Fig. 5. Anstelle oder zusätzlich zum Filter FI1 bei der doppelten Modulationsfrequenz S2fmocj ist ein Doubly-Balanced-Mischer DBM2 vorgesehen, der einerseits das von der Photodiode PD1 herkommende Signal und andererseits ein Refe¬ renzsignal mit der doppelten Modulationsfrequenz S2fmoj em¬ pfängt. Der Ausgang dieses Mischer DBM2 steuert über den Inte¬ grator INT2 das Piezoelement PZT2 an und regelt damit die Rück¬ koppelphase. Gegenüber dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungs- beispiel sind bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbei- spiel reduzierte Anforderungen an den Filter FI1 bei der doppel¬ ten Modulationsfrequenz gestellt. Er kann gegebenenfalls sogar ganz fortgelassen werden. Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 6 und 7 gehen Schwan¬ kungen des Signalpegels störend in die Regelung ein. Die bereits beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 angewandte Modulationsme- thode (Modulation der Rückkoppelphase über PMG) , mit welcher nicht auf einen bestimmten Pegel des bei der zweiten Modula¬ tionsfrequenz vorliegenden photoelektrischen Signals, sondern auf ein Extremum A geregelt wird, ist in dieser Hinsicht vor¬ teilhafter und sicherer. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausfüh- rungsbeispiel wird daher wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ebenfalls eine Modulationsmethode angewandt. Gegenüber der Fig. 1 besteht jedoch eine Vereinfachung darin, daß kein Mischer DBM2 vorgesehen ist. Demgemäß kann auch der Frequenzverdoppler FD und der Phasenschieber PS2 entfallen. Es ist lediglich ein hochselektiver Filter FI1 bei der doppelten Modulationsfrequenz vorgesehen, dem ein Gleichtrichter 11' nachgeschaltet ist.In the exemplary embodiment shown in FIG. 7, there is likewise no modulation of the feedback phase, but rather regulation to the value B according to FIG. 5. Instead of or in addition to the filter FI1 at twice the modulation frequency S 2 f mocj, there is a double-balanced mixer DBM2 is provided, which on the one hand receives the signal coming from the photodiode PD1 and on the other hand receives a reference signal with twice the modulation frequency S 2 f moj . The output of this mixer DBM2 controls the piezo element PZT2 via the integrator INT2 and thus regulates the feedback phase. Compared to the exemplary embodiment shown in FIG. 6, in the exemplary embodiment shown in FIG. 7, reduced demands are made on the filter FI1 at twice the modulation frequency. If necessary, it can even be omitted entirely. In the embodiments according to FIGS. 6 and 7, fluctuations in the signal level interfere with the control. The modulation method already used in the exemplary embodiment in FIG. 1 (modulation of the feedback phase via PMG), which is used to regulate not to a certain level of the photoelectric signal present at the second modulation frequency, but to an extremum A, is in this regard more advantageous and safer. In the embodiment shown in FIG. 8, a modulation method is therefore also used, as in the embodiment according to FIG. 1. Compared to FIG. 1, however, there is a simplification in that no mixer DBM2 is provided. Accordingly, the frequency doubler FD and the phase shifter PS2 can also be omitted. Only a highly selective filter FI1 is provided at twice the modulation frequency, which is followed by a rectifier 11 '.
Der übrige Aufbau entspricht im wesentlichen dem der Fig. 1. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt eben- falls eine Regelung der Rückkoppelphase über eine Modulationsme¬ thode durch Regelung des bei der zweiten Modulationsfrequenz vorliegenden photoelektrischen Signals auf das Extremum A der Fig. 5.The rest of the structure corresponds essentially to that of FIG. 1. In the exemplary embodiment shown in FIG. 8, the feedback phase is also regulated by means of a modulation method by regulating the photoelectric signal present at the second modulation frequency to the extremum A of FIG. 5.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vorteilhafte Laserlichtquellen sind sicherlich Laserdioden. Wesentlich ist aber die Eigenschaft der Lichtquelle, daß sich bei einer Lichtintensitätsänderung im Laserresonator dessen optische Länge verändert. Dies ist die Voraussetzung dafür, daß durch eine frequenzselektive optische Rückkoppelung ein Einrasten der Emissionsfrequenz auf die Reso¬ nanzmittenfrequenz des externen Resonators möglich ist. Wie be¬ reits erwähnt, können anstelle des gezeigten V-förmigen Resona¬ tors auch andere Resonatoren beispielsweise gekippte konfokale Fabry-Perot-Etalons verwendet werden. Die Verstellung der Rück¬ koppelphase könnte beispielsweise auch über ein geregeltes Pha¬ senschieberelement im Strahlengang zwischen externem Resonator und Laserlichtquelle geschehen. The invention is of course not limited to the exemplary embodiments shown. Laser diodes are certainly advantageous laser light sources. What is essential, however, is the property of the light source that its optical length changes when the light intensity changes in the laser resonator. This is the prerequisite for the frequency-selective optical feedback to allow the emission frequency to snap to the resonant center frequency of the external resonator. As already mentioned, other resonators, for example tilted confocal Fabry-Perot etalons, can also be used instead of the V-shaped resonator shown. The adjustment of the feedback phase could also be done, for example, via a regulated phase shifter element in the beam path between the external resonator and the laser light source.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Patent claims:
1. Einrichtung zur Stabilisierung einer Laserlichtquelle (LD) , bei der die Lichtintensität im Laserresonator dessen opti- sehe Länge verändert, insbesondere zur Stabilisierung einer Laserdiode, wobei die Einrichtung umfaßt:1. Device for stabilizing a laser light source (LD), in which the light intensity in the laser resonator changes its optical length, in particular for stabilizing a laser diode, the device comprising:
- einen außerhalb des Laserresonators angeordneten, externen Resonator (Ml, M2, M3) zur frequenzselektiven Rückkopplung von aus der Laserlichtquelle (LD) stammendem Licht in den Laserresonator,an external resonator (M1, M2, M3) arranged outside the laser resonator for frequency-selective feedback of light originating from the laser light source (LD) into the laser resonator,
- eine Regeleinrichtung (PD1, AMP1, DBMl, PSl, INTl, SR) zur Regelung zumindest eines die Emissionsfrequenz der freilau¬ fenden Laserlichtquelle (LD) verändernden Betriebsparame¬ ters, insbesondere des Injektionsstroms einer Laserdiode (LD) ,a control device (PD1, AMP1, DBMl, PSl, INTl, SR) for controlling at least one operating parameter that changes the emission frequency of the free-running laser light source (LD), in particular the injection current of a laser diode (LD),
- eine Regeleinrichtung (PMG; LIA; 2; INT2, PZT2; 3) zur Re¬ gelung der Phasenlage (Rückkoppelphase) des vom externen Re¬ sonator (Ml, M2, M3) in den Laserresonator zurückgekoppelten Lichtes relativ zur Phasenlage des Lichtes im Laserresona- tor,- A control device (PMG; LIA; 2; INT2, PZT2; 3) for regulating the phase position (feedback phase) of the light fed back from the external resonator (M1, M2, M3) into the laser resonator relative to the phase position of the light in the laser resonance - goal,
- eine Modulationseinrichtung (SY) zur Modulation eines die Emissionsfrequenz der freilaufenden Laserlichtquelle (LD) verändernden Betriebsparameters, insbesondere des Injek¬ tionsstroms einer Laserdiode (LD) mit einer Modulationsfre- quenz (fmod) , dadurch gekennzeichnet, daß eine Detektoreinrichtung (PD1, AMP2, FIl, DBM2, PS2, FD) zur Detektion einer Modulation mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fmod) in dem von der La¬ serlichtquelle emittierten Licht vorgesehen ist, wobei diese Detektoreinrichtung ein vom Modulationshub der genannten Mo¬ dulation abhängiges Regelsignal an die Regeleinrichtung (PMG; LIA; S; INT2; PZT2; 3) zur Regelung der Rückkoppel- phase abgibt.a modulation device (SY) for modulating an operating parameter which changes the emission frequency of the free-running laser light source (LD), in particular the injection current of a laser diode (LD) with a modulation frequency (f mod ), characterized in that a detector device (PD1, AMP2 , FIl, DBM2, PS2, FD) for detecting a modulation with twice the modulation frequency (2f mod ) in the light emitted by the laser light source, this detector device sending a control signal dependent on the modulation stroke of the above-mentioned modulation to the control device ( PMG; LIA; S; INT2; PZT2; 3) for regulating the feedback phase.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei¬ nem Photodetektor (PD1) der Detektoreinrichtung gegebenen¬ falls unter Zwischenschaltung eines Verstärkers (AMP2) ein elektronisches Frequenzfilter (FIl) zur Ausfilterung der mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fmod) schwingenden Kom¬ ponente des aus der Laserlichtquelle (LD) stammenden Lichte nachgeschaltet ist.2. Device according to claim 1, characterized in that ei¬ nem photodetector (PD1) of the detector device optionally with the interposition of an amplifier (AMP2) an electronic frequency filter (FIl) for filtering out the the double modulation frequency (2f mod ) oscillating component of the light originating from the laser light source (LD) is connected downstream.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß de Frequenzfilter eine Quadriereinrichtung nachgeschaltet ist, in der das mit der doppelten Modulationsfrequenz (2fmod) mo dulierte Signal mit sich selbst multipliziert wird.3. Device according to claim 2, characterized in that de frequency filter is followed by a squaring device in which the modulated signal with twice the modulation frequency (2f mod ) is multiplied by itself.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung einen Photodetektor (PD1) und eine diesem nachgeschaltete Mischer (DBM2) umfaßt, der neben einem Signaleingang für den gegebenenfalls verstärkten Pho¬ tostrom aus dem Photodetektor (PD1) einen Referenzeingang zum Empfang eines aus der Modulationseinrichtung (SY) stam¬ menden, und über einen Frequenzverdoppler (FD) geführten Re¬ ferenzsignals mit der doppelten Modulationsfrequenz (2^^) aufweist.4. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the detector device comprises a photodetector (PD1) and a mixer connected downstream (DBM2) which, in addition to a signal input for the optionally amplified photo current from the photodetector (PD1), a reference input Reception of a reference signal originating from the modulation device (SY) and conducted via a frequency doubler (FD) at twice the modulation frequency (2 ^^).
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz (fmod) in der Gro~ ßenordnung von 10-100 MHz liegt.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized ge indicates that the modulation frequency (f m o d ) i n is of the order of 10-100 MHz.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, daß eine Phasenmodulationseinrichtung (PMG) zur kleinhubigen Modulation der Rückkoppelphase vorgesehen ist, und daß weiters eine phasensensitive Detektoreinrich¬ tung (LIA) vorgesehen ist, die aus einem mit der Phasenmodu¬ lationsfrequenz oszillierenden, den momentanen Modulations- hub der Modulation bei der doppelten Modulationsfrequenz6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that a phase modulation device (PMG) is provided for small-stroke modulation of the feedback phase, and that a phase-sensitive detector device (LIA) is provided, which consists of a with the phase mod ¬ oscillation frequency, the momentary modulation stroke of the modulation at twice the modulation frequency
(2f]mod) wiedergebenden Signal ein Regelsignal ungerader Sym¬ metrie zur Regelung der Rückkoppelphase bereitstellt.(2f ] mod ) reproducing signal provides a control signal of odd symmetry for controlling the feedback phase.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die phasensensitive Detektoreinrichtung, vorzugsweise ein Lock- in-Verstärker (LIA) , einen Signaleingang zum Empfang eines den Modulationshub der Modulation bei der doppelten Modula¬ tionsfrequenz (2fmod) wiedergebenden Signals aufweist und weiters einen Referenzeingang zum Empfang eines mit der Pha¬ senmodulationsfrequenz oszillierenden Referenzsignals auf¬ weist.7. Device according to claim 6, characterized in that the phase-sensitive detector device, preferably a lock-in amplifier (LIA), has a signal input for receiving a modulation stroke of the modulation at twice the modulation frequency (2f mod ) reproducing signal and furthermore has a reference input for receiving a reference signal oscillating with the phase modulation frequency.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationsfrequenz wesentlich kleiner ist als die Modulationsfrequenz (fmo ) eines oder mehrerer Be¬ triebsparameter der Laserlichtquelle und vorzugsweise im kHz-Bereich liegt.8. Device according to claim 6 or 7, characterized in that the phase modulation frequency is substantially lower than the modulation frequency (f mo ) of one or more operating parameters of the laser light source and is preferably in the kHz range.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß zwischen externem Resonator (Ml, M2, M3) und Laserlichtquelle (LD) in an sich bekannter Weise ein vorzugsweise piezoelektrisch (PZT2) verstellbarer Spiegel (3) zur Verstellung bzw. Modulation der Rückkoppelphase an¬ geordnet ist.9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized ge indicates that between the external resonator (Ml, M2, M3) and laser light source (LD) in a known manner, preferably a piezoelectric (PZT2) adjustable mirror (3) for adjustment or modulation of the feedback phase is arranged.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der externe Resonator ein V-förmiger Fox- Smith-Resonator (Ml, M2, M3) ist, bei dem nur das den10. Device according to one of claims 1 to 9, characterized ge indicates that the external resonator is a V-shaped Fox Smith resonator (M1, M2, M3), in which only that
Faltspiegel (Einkoppelspiegel M2) durchtretende interne Feld in die Laserlichtquelle (LD) zurückgekoppelt wird.Folding mirror (coupling mirror M2) passing through internal field is fed back into the laser light source (LD).
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Resonatorspiegel (M3) , der nicht senkrecht zur Licht-Einkoppelrichtung durch den Faltspiegel (M2) steht, und dem Faltspiegel gleich der Entfernung vom Faltspiegel (M2) zur Laserlichtquelle (LD) ist.11. The device according to claim 10, characterized in that the distance between the resonator mirror (M3), which is not perpendicular to the light coupling direction through the folding mirror (M2), and the folding mirror equal to the distance from the folding mirror (M2) to the laser light source (LD ) is.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Detektoreinrichtung (PD1, AMP2, FIl, DBM2, PS2, FD) zur Detektion der mit der doppelten Modula¬ tionsfrequenz (2fmo ) oszillierenden Komponente des modu¬ lierten Lichtes im Strahlengang des vom externen Resonator (Ml, M2, M3) reflektierten Lichtes aus der Laserlichtquelle (LD) angeordnet ist. 12. Device according to one of claims 1 to 11, characterized ge indicates that the detector device (PD1, AMP2, FIl, DBM2, PS2, FD) for detecting the component of the modu¬ oscillating with the double modulation frequency (2f mo ) gated light is arranged in the beam path of the light reflected from the external resonator (M1, M2, M3) from the laser light source (LD).
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (PD1, AMP1, DBM1, PSl, INTl, SR) zur Regelung zumindest eines Betriebsparame¬ ters der Laserlichtquelle (LD) eine Detektoreinrichtung (PD1, AMP1, DBM1, PSl) zur Detektion einer Amplitudenmodula tion mit der einfachen Modulationsfrequenz (fmoά in dem vo externen Resonator (Ml, M2, M3) reflektierten Licht umfaßt, wobei diese Detektoreinrichtung ein vom Modulationshub und der Phasenlage der genannten Amplitudenmodulation mit der einfachen Modulationsfrequenz (fmo(j) abhängiges Regelsignal (A) zur Regelung zumindest eines Betriebsparameters der La¬ serlichtquelle (LD) abgibt.13. Device according to one of claims 1 to 11, characterized ge indicates that the control device (PD1, AMP1, DBM1, PSl, INTl, SR) for controlling at least one operating parameter of the laser light source (LD) is a detector device (PD1, AMP1 , DBM1, PSl) for the detection of an amplitude modulation with the simple modulation frequency (f mo ά in the vo external resonator (M1, M2, M3) reflected light, this detector means one of the modulation stroke and the phase position of the said amplitude modulation with the simple modulation frequency (f mo (j ) dependent control signal (A) for controlling at least one operating parameter of the laser light source (LD).
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Resonanzmittenfrequenz (fR) des exter¬ nen Resonators (Ml, M2, M3) durchstimmbar ist.14. Device according to one of claims 1 to 12, characterized in that the resonance center frequency (f R ) of the exter¬ NEN resonator (Ml, M2, M3) is tunable.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Spiegel des Resonators piezoelektrisch verstellbar ist.15. The device according to claim 14, characterized in that a mirror of the resonator is piezoelectrically adjustable.
16. Einrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Durchstimmbereich in der Größenordnung von 100 GHz und darüber liegt.16. The device according to claim 14 or 15, characterized gekennzeich¬ net that the tuning range is in the order of 100 GHz and above.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß eine Einrichtung (G, TR) zur synchronen Veränderung der Resonanzmittenfrequenz (fR) des externen Re¬ sonators (Ml, M2, M3) einerseits und wenigstens eines der die Frequenz (fF) der freilaufenden Laserlichtquelle (LD) verändernden Betriebsparameter andererseits vorgesehen ist.17. Device according to one of claims 14 to 16, characterized ge indicates that a device (G, TR) for synchronously changing the resonance center frequency (f R ) of the external resonator (M1, M2, M3) on the one hand and at least one of the the frequency (f F ) of the free-running laser light source (LD) changing operating parameters is provided on the other hand.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserlichtquelle eine Laserdiode (LD) ist und der durch¬ gestimmte Betriebsparameter die beispielsweise über ein oder mehrere Peltier-Elemente (6) festgelegte Temperatur der La¬ serdiode (LD) ist. 18. Device according to claim 17, characterized in that the laser light source is a laser diode (LD) and the tuned operating parameter is the temperature of the laser diode (LD), for example one or more Peltier elements (6).
19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß das Durchstimmen der Resonanzmittenfre¬ quenz im wesentlichen linear über der Zeit erfolgt.19. Device according to one of claims 14 to 18, characterized in that the tuning of the resonance center frequency takes place substantially linearly over time.
20. Einrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchstimmgeschwindigkeit in der Größenordnung von eini¬ gen GHz pro Sekunde und darüber liegt.20. Device according to claim 19, characterized in that the tuning speed is in the order of a few GHz per second and above.
21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch ge- kennzeichnet, daß zusätzlich zum externen Resonator (Ml, M2, M3) außerhalb des Resonators der Laserlichtquelle (LD) ein als Modenselektor wirkender externer Reflektor (MS) angeord¬ net ist, der zumindest einen Teil des Lichtes in den Laser¬ resonator zurückreflektiert (Fig. 4) .21. Device according to one of claims 1 to 20, characterized in that in addition to the external resonator (M1, M2, M3) outside the resonator of the laser light source (LD) an external reflector (MS) acting as a mode selector is arranged, which reflects at least part of the light back into the laser resonator (FIG. 4).
22. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des externen Reflektors (MS) vom Laserresonator (LD) , vorzugsweise durch einen auf einem Piezo-Element (PZT) montierten Reflektor (MS) , verstellbar ist.22. The device according to claim 21, characterized in that the distance of the external reflector (MS) from the laser resonator (LD), preferably by a reflector (MS) mounted on a piezo element (PZT), is adjustable.
23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der externe Reflektor (MS) teildurchlässig ist und eine Re¬ geleinrichtung (LIA, 0P1, 0P2, PZT) vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von dem vom Reflektor (MS) transmittierten Licht eine Regelung des Abstandes zur Laserlichtquelle (LD) vornimmt.23. The device according to claim 22, characterized in that the external reflector (MS) is partially transparent and a control device (LIA, 0P1, 0P2, PZT) is provided, which is a function of the light transmitted by the reflector (MS) the distance to the laser light source (LD).
24. Einrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reflektormodulationseinrichtung (0P2, PZT) zur periodi- sehen Modulation des Reflektorabstandes von der Laserlicht¬ quelle vorgesehen ist und daß weiters eine phasenempfindli¬ che Gleichrichteinrichtung (LIA) zur Ermittlung eines Regel¬ signals zur Regelung des Reflektorabstandes von der Laser¬ lichtquelle aus dem Photostrom des vom Reflektor (MS) trans- mittierten Lichtes vorgesehen ist. 24. Device according to claim 23, characterized in that a reflector modulation device (0P2, PZT) is provided for periodically modulating the reflector distance from the laser light source and that furthermore a phase-sensitive rectifying device (LIA) for determining a control signal for Regulation of the reflector distance from the laser light source from the photocurrent of the light transmitted by the reflector (MS) is provided.
25. Einrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektormodulationsfrequenz in der Größenordnung von etwa 100 Hz liegt.25. The device according to claim 24, characterized in that the reflector modulation frequency is of the order of about 100 Hz.
26. Einrichtung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeich¬ net, daß eine Einrichtung (CC) zur Modulation mindestens ei¬ nes Betriebsparameters der Laserlichtquelle (LD) mit der Re¬ flektormodulationsfrequenz vorgesehen ist, um die durch den im Abstand von der Laserlichtquelle modulierten Reflektor (MS) in der Laserlichtquelle induzierte Frequenzmodulation zu kompensieren. 26. Device according to claim 24 or 25, characterized gekennzeich¬ net that a device (CC) for modulating at least ei¬ nes operating parameter of the laser light source (LD) is provided with the reflector modulation frequency by which modulated by the distance from the laser light source To compensate reflector (MS) induced frequency modulation in the laser light source.
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