WO2014086834A1 - Verfahren und vorrichtung zur synthese von elektromagnetischer strahlung - Google Patents

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    • H01S3/0078—Frequency filtering

Definitions

  • the invention relates to a method for the synthesis of electromagnetic radiation, comprising the method steps
  • the invention relates to a device for the synthesis of electromagnetic radiation, with
  • a light source that generates electromagnetic radiation whose spectrum has a plurality of spectral components
  • phase splitter which effects a phase position of the electromagnetic radiation of the light source.
  • a sequence of short light pulses can be generated.
  • a plurality of natural oscillations are excited with different frequencies in the resonator of the laser. These natural vibrations are also referred to as fashions.
  • Each mode represents a spectral component in the spectrum of the generated electromagnetic radiation.
  • mode synchronization or mode locking Due to the mode coupling, the light pulses are emitted at a time interval which corresponds to a circulation time of a laser pulse in the resonator of the laser. From the temporal equidistance of the light pulses follows immediately the spectrum of the electromagnetic radiation has equidistant spectral lines.
  • optical frequency comb Such a spectrum is also called an optical frequency comb.
  • the optical frequency comb is characterized by the repetition rate, ie the inverse value of the round trip time of the light pulses in the resonator, and an offset frequency.
  • the offset frequency is also referred to as the CEO frequency (carrier envelope offset).
  • the frequencies of the individual spectral lines of the optical frequency comb are not integer multiples of the repetition rate.
  • fcEo is the said offset frequency.
  • Af is the distance of the spectral lines in the frequency comb, ie the repetition rate.
  • the offset frequency is due to the fact that the group velocity of the light pulses deviates from the phase velocity of the overlapping modes in the resonator of the laser.
  • the size of the offset frequency depends on environmental influences, eg on the temperature, but also on the pump power of the laser, etc. This leads to the offset frequency not being stable over time.
  • DE 199 1 1 103 A1 describes a method and a device for generating light pulses and their use for the synthesis of optical frequencies.
  • each mode undergoes a spectrally specific frequency change.
  • a scheme for the simultaneous adjustment of the dispersion and the resonator length is proposed, with which the group and phase velocity can be controlled.
  • the dispersion is adjusted, for example, by inserting a linear dispersive element (eg glass wedge) into the beam path of the resonator.
  • the resonator may have a pivotable end mirror.
  • a disadvantage of these measures is that any change in the dispersion is inevitably accompanied by a change in the optical path length in the resonator, ie with a change in the resonator sweep time and thus with a change in the line spacing of the spectral lines of the frequency comb.
  • a particular disadvantage of the known approach that due to the required mechanical movements of components in the resonator of the laser achievable control bandwidths are limited to a few kHz. Although a faster control can be achieved in the previously known method or the prior art device via a variation of the pump power of the laser. However, this will affect the peak power of the light pulses and may result in corresponding unwanted amplitude variations and unwanted nonlinear effects.
  • WO 2010/063051 A1 discloses a method and a device for generating a self-referenced optical frequency comb in which an acousto-optic modulator is provided outside the laser resonator, which enables a frequency shift of all spectral lines of the frequency comb. On this basis, the frequency comb is stabilized.
  • a disadvantage of this previously known approach is that the control of the offset frequency with the acousto-optic modulator arranged outside the resonator is possible only with a small adjustment range of +/- 1 MHz. If the offset frequency drifts by more than 1 MHz, an additional slow actuator is required in the resonator.
  • the phase position comprises a phase shift of at least some of the spectral components of the electromagnetic radiation, wherein the relative phase relationship of these spectral components has a predeterminable, preferably continuous course.
  • the phase of at least one spectral component of the electromagnetic radiation (eg at a working frequency) is shifted be, with this phase shift in a defined and predeterminable manner to other spectral components.
  • the frequency dependence of the phase shift is not dependent on a fixed dispersion course of a single dispersive element used for phase shifting (eg, an electro-optical modulator), but may - depending on the application - deviate from it.
  • a completely free predeterminability of the relative phase relationship within the meaning of the invention is not required. Predeterminability of the relative phase relationship means in the sense of the invention, in other words, that the phase shift is frequency-selective in a manner adapted to the particular application.
  • Specifiable is the relative phase relationship in the sense of the invention, in particular, if the phase position causes a phase shift of at least some of the spectral components of the electromagnetic radiation, wherein the relative phase relationship of the affected spectral components remains substantially unchanged.
  • One aspect of the invention is, for example, to perform a phase adjustment of the electromagnetic radiation generated by means of a pulse laser, the phase position being such that all of the spectral lines (or a group of spectral lines) of the frequency comb are the same, i. experience frequency-independent phase shift.
  • the method according to the invention makes it possible to set the frequency of at least one of the spectral components by a time-proportional phase position.
  • the frequency can be regulated, wherein the phase position is dependent on a manipulated variable.
  • the manipulated variable is expediently derived by means of a regulator from the phase-adjusted electromagnetic radiation.
  • a closed control loop is formed, which can be used for generating with respect to the frequency of regulated, ie stabilized electromagnetic radiation.
  • the offset frequency can be adjusted according to the invention by a time-proportional phase shift, at the same time the repetition rate remains substantially constant.
  • the approach according to the invention advantageously makes it possible to generate a stabilized frequency comb by controlling the offset frequency, the (time-proportional) phase shift being manipulated variable.
  • the manipulated variable e.g. in known manner by f-2f interferometry from the phase-locked electromagnetic radiation, i. by an f-2f interferometer at the output of the phaser.
  • f-2f interferometry a portion of the electromagnetic radiation at the output of the phaser is directed into an interferometer, which utilizes a nonlinear optical process to produce the second harmonic of a low frequency spectral line of the frequency comb and for interference with a high frequency To bring line of frequency comb.
  • a beat signal can be generated whose frequency is equal to the offset frequency.
  • the offset frequency is in the radio frequency range. Control of the offset frequency is then e.g. possible with a conventional phase locked loop using a suitable reference signal.
  • the solution according to the invention has the advantage over the approach of DE 199 1 1 103 A1 that the phase position can be completely outside the optical resonator of a pulse laser used to generate the electromagnetic radiation. An interfering intervention in the resonator is therefore not required.
  • the phase position is effected by means of a phaser
  • the at least two Phase actuators comprises, which are arranged one behind the other in the beam path of the electromagnetic radiation and have a different dispersion.
  • the electromagnetic radiation for example, first passes through a first phase actuator. This causes a phase shift.
  • the dispersion of the first phase actuator leads to the fact that the phase shift generated is frequency-dependent. This means that each of the affected spectral lines of the frequency comb experiences a different phase shift that can not be influenced. This can be avoided according to the invention.
  • the electromagnetic radiation passes after passing through the first phase actuator a second phase actuator, which is designed so that the total dispersion of the two phase actuators is compensated.
  • the relevant spectral components After passing through the two phase actuators, the relevant spectral components have thus experienced the same phase shift.
  • the phase shift is, in other words, frequency independent. It does not depend on the order of the two phase actuators in the beam path. If, for example, a time-proportional and frequency-independent phase position is achieved in the manner described above, the offset frequency of the frequency comb can advantageously be adjusted without the repetition rate changing.
  • the repetition rate can be regulated, for example, by means of a corresponding regulator in accordance with a control deviation derived from the repetition rate of the phase-adjusted electromagnetic radiation and a reference signal.
  • the invention thus enables the generation of an optical frequency comb which is stabilized with respect to the offset frequency and the repetition rate.
  • two control loops are needed, which operate on the principle described above.
  • the phase position comprises a temporal and / or spatial splitting of the spectral components of the electromagnetic radiation.
  • the electromagnetic radiation can then at least in a phase actuator to undergo a medium with temporally and / or spatially varying refractive index.
  • the temporal and / or spatial splitting of the spectral components makes it possible to make a phase position spectrally selective by means of the relevant phase actuator, for example by using a medium with a correspondingly temporally or spatially variable refractive index in the phase actuator. It is important that the temporally or spatially separated spectral components each undergo a predetermined phase shift.
  • the temporal or spatial refractive index profile of the relevant phase actuator can be adjusted in such a way to the temporal and / or spatial splitting of the spectral components of the electromagnetic radiation, that in this phase actuator the total dispersion, ie the frequency-dependent phase shift, which is generated by the phase actuators (including the material dispersion of the phase actuators) is compensated.
  • a chirp can be impressed on the light pulses by a suitable dispersive element (optical straightener, fiber Bragg gratings, etc.). This means that the individual spectral components are temporally separated.
  • the low-frequency spectral components then arrive earlier than the high-frequency spectral components of the electromagnetic radiation.
  • phase shift in one of the phase actuators can then be used to compensate for the frequency dependence of the phase shift produced, so that, as a result, all the spectral components of the electromagnetic radiation experience the same phase shift.
  • phase shift is changed in the relevant phase actuator, for example via temporal variation of the refractive index, while a light pulse passes through this phase actuator.
  • the frequency-selective phase shift can be effected, for example, by a phase actuator having a medium with a suitable spatial refractive index profile or with a suitable geometry (eg wedge or prismatic shape) so that each spectral component passes through the medium in the for this component provided spatial area of the medium undergoes the desired phase shift.
  • a phase actuator having a medium with a suitable spatial refractive index profile or with a suitable geometry (eg wedge or prismatic shape) so that each spectral component passes through the medium in the for this component provided spatial area of the medium undergoes the desired phase shift.
  • Two separate phase actuators are not essential to the practice of the invention.
  • a single element, such as an electro-optical modulator can take over the function of both phase actuators with suitable control and result in the desired frequency-selective or frequency-independent phase shift as a result.
  • Components can be completely or partially canceled after passing through the phase actuators, i. reversed, e.g. by compression by means of suitable dispersive elements.
  • the above-described concept of the frequency-selective phase position by temporally splitting the light pulses is known from DE 10 201 1012 749 A1 in connection with the generation of optical frequency combs. There, however, this concept is not used in the context of the invention to control the offset frequency and to achieve a result frequency-independent phase position, but to reduce high-frequency timing jitter of a Lichtpulszuges.
  • Figure 1 first embodiment of a device according to the invention as a block diagram
  • FIG. 2 second embodiment of a device according to the invention as a block diagram
  • Figure 3 illustrates the principle of dispersion compensation by two phase actuators
  • FIG. 4 shows the frequency-selective phase position according to the invention
  • Embodiments according to Figure 1 and 2 used electro-optical modulators.
  • the device shown in FIG. 1 comprises a pulse laser 1, which generates a sequence of time equidistant light pulses.
  • the spectrum of the pulse laser 1 is the spectrum of an optical frequency comb which is characterized by an offset frequency and a repetition rate in the manner described above.
  • the pulse laser 1 comprises a mode-locked laser, for example an erbium fiber laser 2, which is stabilized with respect to the repetition rate in a manner known per se.
  • a reference signal source 3 which generates a reference signal in the radio frequency range, for example, with a frequency of 10 MHz. If necessary, the reference signal can also be derived from the pulse train of the pulse laser 1.
  • the light pulse train generated by the pulse laser is supplied via an optical fiber 4 to a phase divider 5, which causes a phase position of the electromagnetic radiation of the pulse laser 1.
  • the phaser 5 By means of the phaser 5, the offset frequency of the spectral lines of the optical frequency comb is adjusted by time-proportional phase position, wherein the repetition rate remains constant.
  • the phase divider 5 on two phase actuators 6 and 7, which are arranged one behind the other in the beam path of the electromagnetic radiation. The radiation first passes through the first phase actuator 6 and then the second phase actuator 7.
  • the two phase actuators 6 and 7 are designed and matched to one another in such a way that the second phase actuator 7 compensates for the total dispersion of the two phase actuators 6, 7, so that the electromagnetic Radiation at the output 8 of the phaser 5 has a frequency-independent phase shift. This means that all relevant spectral lines of the frequency comb are phase-shifted by the same amount, leaving the relative phase relationship of the spectral lines unchanged.
  • the two phase actuators 6 and 7 are electro-optical modulators (EOM) which have a phase shift which is dependent on the respective voltage of an input signal of the EOMs 6 and 7 and is thus controllable and variable in time. The EOM 6 causes a phase shift corresponding to the one to certain time applied control signal.
  • the second EOM 7 is preceded by a splitting element 9 in the beam path, which causes a temporal splitting of the spectral components of the electromagnetic radiation in the exemplary embodiment.
  • the splitting element 9 thus imparts a chirp to the electromagnetic radiation, in other words, so that the different spectral components are temporally separated.
  • a time-dispersive element of a known type is suitable, such as, for example, an optical straightener, a fiber Bragg grating or the like.
  • a suitable prism arrangement, a spatial light modulator or a similar element could serve this purpose.
  • a suitable prism arrangement, a spatial light modulator or a similar element could serve this purpose.
  • the various spectral components pass through the second EOM 7 sequentially in time.
  • this is utilized in accordance with the invention in order to correspondingly effect an opposite frequency-dependent phase shift in the second EOM 7.
  • the second EOM 7 is driven in such a way that its phase shift during the time interval in which a light pulse passes through the EOM 7 changes. It is achieved by the fact that at the time when a particular spectral component passes through the EOM 7, the EOM 7 has the dispersion that is required to cancel the unwanted frequency-dependent component of the phase shift of the respective spectral component.
  • a compensation element 10 is arranged, which reverses the temporal splitting of the spectral components of the electromagnetic radiation.
  • the exemplary embodiment is again a fiber Bragg grating. This ensures that the different spectral components of the light pulse train are brought together again in time.
  • the splitting and compensation elements 9, 10 cause a widening over time, ie stretching of the light pulses or a shortening in time, ie compression of the light pulses.
  • the temporal extension and compression can take place by several orders of magnitude in time.
  • an electronic control unit 1 1 which controls a Serrodyn element 1 2 and a controllable attenuator 1 3 is used.
  • the Serrodyn element 1 2 receives at its input from the control electronics 1 1 a signal which is, for example, proportional to a desired displacement of an operating frequency, ie a spectral component of the frequency comb.
  • the serrodyn element 1 2 generates a time-dependent control voltage for driving the EOM 6 at the output.
  • the serrodyn element 1 2 generates the control voltage in such a way that a time-proportional phase shift modulo a multiple of 2 ⁇ corresponding to the desired offset of the offset frequency by the EOM 6 he follows.
  • Af is the repetition rate
  • ⁇ ,, cp i + i are the generated phase shifts of two successive light pulses with the indices i and i + 1, respectively.
  • the phase return in the modulo-27i phase shift, ie the return of the amplitude of the voltage U (t) after reaching the value n2 takes place in the dark phase between two light pulses. This is indicated by the dark background area in FIG. The reset process does not affect the optical phases accordingly.
  • the time profile of the control voltage U (t) of the EOM 6 is illustrated in the middle diagram of FIG.
  • the vertical dashed lines indicate the times at which the successive light pulses pass through the EOM 6.
  • the amplitude-modulated sinusoidal oscillation reproduces the profile of the control voltage of the EOM 6. It can be seen that the control voltage increases linearly at the time of the successive light pulses. This causes a time-proportional increasing phase shift, clarified in the the lower diagram of Figure 5, where the phase shift values ⁇ (1), ⁇ (2), ⁇ (3), ⁇ (4) are entered as horizontal bars. This time-proportional phase position causes a corresponding shift in the operating frequency. As can be seen in the middle diagram of FIG.
  • the voltage U (t) oscillates synchronously with the repetition rate (or a multiple of the repetition rate) of the light pulse train.
  • the course of the voltage U (t) in the pauses between the light pulses does not affect. It is only important that at the time when a light pulse passes through the EOM 6, the correct instantaneous voltage value is applied.
  • the duration n of the light pulses must be significantly shorter than the pause between the light pulses, which is the case with the light pulse trains of conventional short-pulse lasers. This fact is illustrated in the upper part of FIG.
  • the pulse duration is in the range of femtoseconds to picoseconds, while the repetition rate is in the range of 10-100 MHz.
  • the second EOM 7 receives as a control signal, a radio frequency signal, which is derived via a frequency multiplier / divider 14 from the signal of the reference signal source 3.
  • the frequency-multiplied radio-frequency signal is amplitude-modulated by means of the controllable attenuator 13.
  • the lower diagram of FIG. 5 shows the control voltage U (t) applied to the second EOM 7.
  • the signal U (t) has a high edge steepness due to the increased frequency of the control voltage U (t) at the time of the arrival of the light pulses (dashed vertical lines).
  • the amplitude of the voltage U (t) varies from light pulse to light pulse. This means that in each successive incoming light pulses, a voltage edge with different slope is active.
  • the steep edges cause the phase shift in the EOM 7 to change as the respective (time-extended) light pulse passes through the EOM 7. This fact is illustrated in the lower part of FIG. This is done in such a way that, as explained above, the unwanted frequency-dependent component of the phase shift caused by the EOM 6 is compensated. This is illustrated in FIG.
  • the amplitude of the control voltage U (t) of the EOM 6 thus comes about at the time of a light pulse and on the slope (and amplitude) of the control voltage U (t) of the EOM 7 at the time of the light pulse.
  • FIG. 3 illustrates the phase shift by means of the EOM 6 and the compensation of the frequency dependence of the phase shift by means of the EOM 7.
  • the first EOM 6 effects a frequency-proportional phase shift ⁇ ( ⁇ ) of the spectral component, which is represented by the straight line 31.
  • the EOM 7 is now controlled in the manner described above so that this causes a frequency-dependent phase shift ⁇ ( ⁇ ) with opposite slope.
  • the frequency-dependent phase shift through the second EOM 7 is the straight line 32 again.
  • FIG. 3 illustrates the idealized case of a linear dispersion.
  • the curves 31 and 32 should have a corresponding non-linear course in order to realize the frequency-independent phase shift.
  • FIG. 4 illustrates the temporal or spatial splitting of the spectral components of the electromagnetic radiation.
  • the coordinate x is shown in the diagrams in the lower part of FIG. 4 for the location (for a spatial splitting) or for the time (for a temporal splitting).
  • the spectral components of the electromagnetic radiation are not split in the embodiment. That means, at the embodiment of Figure 1, that a light pulse with all the spectral components at the same time passes through the EOM 6.
  • the splitting element 9 generates a temporal and / or spatial splitting of the spectral components. This is illustrated in the lower part of FIG. It can be seen that the spectral range ⁇ is assigned a time or location interval ⁇ .
  • ⁇ is assigned a time or location interval ⁇ .
  • the dispersion curve 32 according to FIG. 3 is generated by a corresponding time control of the second EOM 7, as illustrated in the lower diagram of FIGS. 4 and 5.
  • Lithium niobate EOMs that are commercially available. These are suitable for light pulses at a carrier wavelength of 1550 nm.
  • the light pulses may be e.g.
  • the EOM 7 can, for example, with a voltage in the range of ⁇ 1 V at a frequency be controlled in the range of 10 GHz.
  • FIG. 2 illustrates the generation of a stabilized and self-referenced optical frequency comb according to the invention.
  • the illustrated device corresponds, as far as the same reference numerals are used, the device shown in the figure 1.
  • the electromagnetic radiation is split onto two waveguides. In each branch there is a gain by means of optical amplifiers 15 and 16.
  • the generated useful radiation is available.
  • the radiation emitted at the output of the amplifier 16 is fed to an f-2f interferometer 17.
  • At the output of the f-2f interferometer 17 is a radio frequency signal whose frequency is equal to the offset frequency.
  • This signal is demodulated in a mixer 18 with a high-frequency signal, which is derived via a frequency multiplier / divider 19 from the output signal of the reference signal source 3.
  • the modulation signal thus generated is applied to the input of a frequency-voltage converter 20. Its output is by means of an amplifier 21st amplifies and serves as an input to the serrodyne element 12 and the voltage-controlled attenuator 13.
  • the loop generated according to Figure 2 causes a self-referenced control of the offset frequency to a value which is determined by the frequency of the radio frequency signal at the output of the frequency multiplier / divider 19. If an adjustment of the offset frequency is desired, for example, the output voltage at the frequency-voltage converter 20 can be shifted by an appropriate value. This can be done by means of a simple voltage adder.
  • a shift of the spectral lines relative to the operating frequency v 0 can be achieved by a modification of the time-progressive slope of the voltage profile U (t) at the EOM 7 (not shown).
  • the relative frequency spacing, ie the repetition rate can be set or regulated.
  • the inventive principle of the phase and frequency position or control is not limited to the application to optical frequency combs.
  • the principle can be used to synthesize electromagnetic radiation with deviating spectra, in which no equidistant spectral lines occur.
  • the principle can also be applied to electromagnetic radiation generated by superimposing the radiation of several cw lasers at different frequencies.
  • the phase divider 5 with the EOMs 6 and 7, the splitting element 9 and the compensation element 10 can be implemented by separate optical components or as a single integrated (fiber) optical element with waveguide structures and EOM crystals (chip solution).

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von elektomagnetischer Strahlung, wobei elektromagnetische Strahlung, deren Spektrum zwei oder mehr spektrale Komponenten aufweist, erzeugt wird und eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung erfolgt. Die Erfindung schlägt vor, dass die Phasenstellung eine Phasenverschiebung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die relative Phasenbeziehung der spektralen Komponenten vorgebbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit einem Pulslaser (1), der eine Abfolge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen erzeugt, wobei das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers (1) das Spektrum eines optischen Frequenzkamms ist, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate charakterisiert ist. Weiterhin weist die Vorrichtung einen Phasensteiler (5) auf, der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers (1) bewirkt. Gemäß der Erfindung ist mittels des Phasenstellers (5) die Offsetfrequenz der Spektrallinien des optischen Frequenzkamms durch zeitproportionale Phasenstellung verstellbar.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit den Verfahrensschritten
Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, deren Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist,
Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit
einer Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung erzeugt, deren Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist,
einem Phasensteiler, der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung der Lichtquelle bewirkt.
Mittels eines modengekoppelten Lasers kann eine Abfolge von kurzen Lichtpulsen erzeugt werden. Dabei werden im Resonator des Lasers eine Mehrzahl von Eigenschwingungen mit verschiedenen Frequenzen angeregt. Diese Eigenschwingungen werden auch als Moden bezeichnet. Jede Mode stellt eine spektrale Komponente im Spektrum der erzeugten elektromagnetischen Strahlung dar. Durch geeignete Mechanismen kann zwischen den Moden eine feste Phasenbeziehung hergestellt werden. Dies wird auch als Modensynchronisation oder Modenkopplung bezeichnet. Aufgrund der Modenkopplung kommt es zur Abstrahlung der Lichtpulse mit einem zeitlichen Abstand, der einer Umlaufzeit eines Laserpulses im Resonator des Lasers entspricht. Aus der zeitlichen Aquidistanz der Lichtpulse folgt unmittelbar, dass das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung äquidistante Spektrallinien aufweist. Ein solches Spektrum wird auch als optischer Frequenzkamm bezeichnet. Der optische Frequenzkamm ist durch die Repetitionsrate, d.h. den inversen Wert der Umlaufzeit der Lichtpulse im Resonator, und eine Offsetfrequenz charakterisiert. Die Offsetfrequenz wird auch als CEO-Frequenz (Carrier-Envelope-Offset) bezeichnet. Die Frequenzen der einzelnen Spektrallinien des optischen Frequenzkamms sind dabei nicht ganzzahlige Vielfache der Repetitionsrate. Für die Frequenz f, der Spektrallinie mit dem Index i des Frequenzkamms gilt fi=fcEo+iAf. Dabei ist fcEo die besagte Offsetfrequenz. Af ist der Abstand der Spektrallinien im Frequenzkamm, d.h. die Repetitionsrate. Die Offsetfrequenz ist dadurch bedingt, dass die Gruppengeschwindigkeit der Lichtpulse von der Phasengeschwindigkeit der sich überlagernden Moden im Resonator des Lasers abweicht. Die Größe der Offsetfrequenz hängt dabei von Umgebungseinflüssen ab, z.B. von der Temperatur, aber auch von der Pumpleistung des Lasers usw. Dies führt dazu, dass die Offsetfrequenz zeitlich nicht stabil ist.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Techniken bekannt, um die Offsetfrequenz zu ermitteln und durch geeignete Regelung zu stabilisieren. So beschreibt beispielsweise die DE 199 1 1 103 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Lichtpulsen sowie deren Anwendung zur Synthese optischer Frequenzen. Bei dem vorbekannten Ansatz wird durch Einführung einer vorbestimmten linearen Dispersion in den Resonator des Lasers jede Mode einer spektral spezifischen Frequenzänderung unterzogen. Auf dieser Basis wird eine Regelung zur simultanen Einstellung der Dispersion und der Resonatorlänge vorgeschlagen, mit der die Gruppen- und Phasengeschwindigkeit geregelt werden können. Die Einstellung der Dispersion erfolgt beispielsweise über ein Einschieben eines linear dispersiven Elements (z.B. Glaskeil) in den Strahlengang des Resonators. Alternativ kann der Resonator einen schwenkbaren Endspiegel aufweisen. Ein Nachteil dieser Maßnahmen ist, dass jede Änderung der Dispersion zwangsläufig mit einer Änderung der optischen Weglänge im Resonator einhergeht, d.h. mit einer Änderung der Resonatoraumlaufzeit und damit mit einer Änderung des Linienabstands der Spektrallinien des Frequenzkamms. Dies macht eine zweite Regelung, beispielsweise der Resonatorlänge erforderlich. Somit sind bei dem vorbekannten Verfahren bzw. der vorbekannten Vorrichtung mindestens zwei sich gegenseitig beeinflussende Regelkreise vorhanden, um die Offsetfrequenz einerseits und die Repetitionsrate andererseits zu stabilisieren. Besonders nachteilig ist bei dem vorbekannten Ansatz, dass aufgrund der erforderlichen mechanischen Bewegungen von Komponenten im Resonator des Lasers die erreichbaren Regelbandbreiten auf wenige kHz beschränkt sind. Eine schnellere Regelung lässt sich bei dem vorbekannten Verfahren bzw. der vorbekannten Vorrichtung zwar über eine Variation der Pumpleistung des Lasers erreichen. Dadurch wird jedoch die Spitzenleistung der Lichtpulse beeinflusst, und es kann zu entsprechenden unerwünschten Amplitudenschwankungen und unerwünschten nichtlinearen Effekten kommen.
Aus der WO 2010/063051 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen eines selbstreferenzierten optischen Frequenzkamms bekannt, bei dem außerhalb des Laserresonators ein akustooptischer Modulator vorgesehen ist, der eine Frequenzverschiebung sämtlicher Spektrallinien des Frequenzkamms ermöglicht. Auf dieser Basis erfolgt eine Stabilisierung des Frequenzkamms. Ein Nachteil dieses vorbekannten Ansatzes ist, dass die Regelung der Offsetfrequenz mit dem außerhalb des Resonators angeordneten akustooptischen Modulator nur mit einem geringen Stellbereich von +/- 1 MHz möglich ist. Driftet die Offsetfrequenz um mehr als 1 MHz, wird wiederum ein zusätzliches langsames Stellglied im Resonator benötigt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren bzw. eine verbesserte Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung bereitzustellen. Diese Aufgabe löst die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art dadurch, dass die Phasenstellung eine Phasenverschiebung wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die relative Phasenbeziehung dieser spektralen Komponenten einen vorgebbaren, vorzugsweise stetigen Verlauf aufweist. Gemäß der Erfindung kann die Phase zumindest einer spektralen Komponente der elektromagnetischen Strahlung (z.B. bei einer Arbeitsfrequenz) verschoben werden, wobei sich diese Phasenverschiebung in definierter und vorgebbarer Weise auf weitere spektrale Komponenten auswirkt. Insbesondere ist die Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung nicht von einem fest vorgegebenen Dispersionsverlauf eines einzelnen zur Phasenverschiebung verwendeten dispersiven Elementes (z.B. eines elektrooptischen Modulators) abhängig, sondern kann - je nach Anwendungsfall - davon abweichen. Hierdurch ergibt sich eine für zahlreiche Anwendungen vorteilhafte Flexibilität bei der Synthese elektromagnetischer Strahlung. Auf der anderen Seite ist eine völlig freie Vorgebbarkeit der relativen Phasenbeziehung im Sinne der Erfindung nicht erforderlich. Vorgebbarkeit der relativen Phasenbeziehung bedeutet im Sinne der Erfindung, mit anderen Worten, dass die Phasenverschiebung in auf die jeweilige Anwendung abgestimmter Art und Weise frequenzselektiv erfolgt.
Vorgebbar ist die relative Phasenbeziehung im Sinne der Erfindung insbesondere, wenn die Phasenstellung eine Phasenverschiebung wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bewirkt, wobei die relative Phasenbeziehung der betroffenen spektralen Komponenten im Wesentlichen unverändert bleibt. Ein Aspekt der Erfindung ist z.B., eine Phasenstellung der mittels eines Pulslasers erzeugten elektromagnetischen Strahlung durchzuführen, wobei die Phasenstellung in der Weise erfolgt, dass sämtliche Spektrallinien (oder eine Gruppe von Spektrallinien) des Frequenzkamms dieselbe, d.h. frequenzunabhängige Phasenverschiebung erfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Frequenz wenigstens einer der spektralen Komponenten durch eine zeitproportionale Phasenstellung zu stellen. Insbesondere kann die Frequenz geregelt werden, wobei die Phasenstellung abhängig von einer Stellgröße erfolgt. Dabei wird die Stellgröße zweckmäßig mittels eines Reglers aus der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet. Auf diese Weise wird eine geschlossene Regelschleife gebildet, die zur Erzeugung hinsichtlich der Frequenz geregelter, d.h. stabilisierter elektromagnetischer Strahlung nutzbar ist. Bei einem optischen Frequenzkamm kann gemäß der Erfindung durch eine zeitproportionale Phasenverschiebung die Offsetfrequenz verstellt werden, wobei gleichzeitig die Repetitionsrate im Wesentlichen konstant bleibt. Zur Einstellung der Offsetfrequenz ist es vorteilhaft, dass bei einem entsprechenden Lichtpulszug die Phasenverschiebung modulo eines Vielfachen von 2 π erfolgen kann, wobei der Phasenrücksprung ohne Einfluss auf die optischen Phasen im Dunkeln, d.h. während der Pulspausen erfolgen kann.
Der erfindungsgemäße Ansatz ermöglicht vorteilhaft die Erzeugung eines stabilisierten Frequenzkamms, indem die Offsetfrequenz geregelt wird, wobei die (zeitproportionale) Phasenverschiebung Stellgröße ist. Hierzu kann die Stellgröße z.B. in an sich bekannter Weise durch f-2f-lnterferometrie aus der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung, d.h. durch ein f-2f- Interferometer am Ausgang des Phasenstellers erfolgen. Bei der f-2f- Interferometrie wird ein Teil der elektromagnetischen Strahlung am Ausgang des Phasenstellers in ein Interferometer geleitet, in dem ein nicht-linearer optischer Prozess ausgenutzt wird, um die zweite Harmonische einer niederfrequenten Spektrallinie des Frequenzkamms zu erzeugen und zur Interferenz mit einer hochfrequenten Linie des Frequenzkamms zu bringen. Auf diese Weise kann ein Schwebungssignal erzeugt werden, dessen Frequenz gleich der Offsetfrequenz ist. Die Offsetfrequenz liegt im Radiofrequenzbereich. Eine Regelung der Offsetfrequenz ist dann z.B. mit einer herkömmlichen Phasenregelschleife unter Verwendung eines geeigneten Referenzsignals möglich.
Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber dem Ansatz der DE 199 1 1 103 A1 den Vorteil, dass die Phasenstellung vollständig außerhalb des optischen Resonators eines zur Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung verwendeten Pulslasers erfolgen kann. Ein störender Eingriff in den Resonator ist also nicht erforderlich. Gegenüber der in der WO 2010/063051 A1 beschriebenen Lösung ergibt sich der Vorteil der Möglichkeit eines wesentlich größeren Hubes bei der Phasen- bzw. Frequenzstellung.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Phasenstellung mittels eines Phasenstellers, der wenigstens zwei Phasenstellglieder umfasst, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind und eine unterschiedliche Dispersion aufweisen. Die elektromagnetische Strahlung durchläuft z.B. zunächst ein erstes Phasenstellglied. Dieses bewirkt eine Phasenverschiebung. Die Dispersion des ersten Phasenstellgliedes führt jedoch dazu, dass die erzeugte Phasenverschiebung frequenzabhängig ist. Das bedeutet, dass jede der betroffenen Spektrallinien des Frequenzkamms eine andere, nicht beeinflussbare Phasenverschiebung erfährt. Dies kann gemäß der Erfindung vermieden werden. Um z.B. zu erreichen, dass gemäß der Erfindung die relative Phasenbeziehung der spektralen Komponenten bei der Phasenstellung möglichst unverändert bleibt, durchläuft die elektromagnetische Strahlung nach Passieren des ersten Phasenstellgliedes ein zweites Phasenstellglied, das so ausgelegt ist, dass die Gesamtdispersion der beiden Phasenstellglieder kompensiert wird. Nach Durchlaufen der beiden Phasenstellglieder haben somit die relevanten spektralen Komponenten dieselbe Phasenverschiebung erfahren. Die Phasenverschiebung ist, anders ausgedrückt, frequenzunabhängig. Dabei kommt es nicht auf die Reihenfolge der beiden Phasenstellglieder im Strahlengang an. Erfolgt in der zuvor beschriebenen Weise z.B. eine zeitproportionale und frequenzunabhängige Phasenstellung kann dadurch vorteilhaft die Offsetfrequenz des Frequenzkamms verstellt werden, ohne dass sich die Repetitionsrate ändert. Bei Bedarf ist es durch geeignete frequenzselektive Phasenstellung jedoch auch möglich, die Repetitionsrate zu stellen oder zu regeln. Die Repetitionsrate kann z.B. mittels eines entsprechenden Reglers nach Maßgabe einer aus der Repetitionsrate der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung und einem Referenzsignal abgeleiteten Regelabweichung geregelt werden.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung somit die Erzeugung eines optischen Frequenzkamms, der hinsichtlich der Offsetfrequenz und der Repetitionsrate stabilisiert ist. Hierfür sind zwei Regelkreise nötig, die nach dem zuvor beschriebenen Prinzip arbeiten.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Phasenstellung eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Die elektromagnetische Strahlung kann dann zumindest in einem Phasenstellglied ein Medium mit zeitlich und/oder räumlich veränderlichem Brechungsindex durchlaufen. Die zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten ermöglicht es, mittels des betreffenden Phasenstellgliedes eine Phasenstellung spektral selektiv vorzunehmen, indem z.B. in dem Phasenstellglied ein Medium mit entsprechend zeitlich bzw. räumlich veränderlichem Brechungsindex verwendet wird. Dabei kommt es darauf an, dass die zeitlich oder räumlich separierten spektralen Komponenten jeweils eine vorgegebene Phasenverschiebung erfahren. Beispielsweise kann der zeitliche bzw. räumliche Brechungsindexverlauf des betreffenden Phasenstellgliedes in der Weise auf die zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung abgestimmt werden, dass in diesem Phasenstellglied die Gesamtdispersion, d.h. die frequenzabhängige Phasenverschiebung, die durch die Phasenstellglieder jeweils erzeugt wird (einschließlich der Materialdispersion der Phasenstellglieder), kompensiert wird. Beispielsweise kann den Lichtpulsen durch ein geeignetes dispersives Element (optischer Strecker, Faser-Bragg- Gitter usw.) ein Chirp aufgeprägt werden. Das bedeutet, dass die einzelnen spektralen Komponenten zeitlich auseinandergezogen werden. In dem zweiten Phasenstellglied treffen dann beispielsweise die niederfrequenten spektralen Komponenten früher ein als die hochfrequenten spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Eine geeignete zeitliche Variation der Phasenverschiebung in einem der Phasenstellglieder kann dann genutzt werden, um die Frequenzabhängigkeit der erzeugten Phasenverschiebung auszugleichen, so dass im Ergebnis alle spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung dieselbe Phasenverschiebung erfahren. Das bedeutet, dass in dem betreffenden Phasenstellglied die Phasenverschiebung verändert wird, beispielsweise über zeitliche Variation des Brechungsindex, während ein Lichtpuls dieses Phasenstellglied durchläuft. Bei räumlicher Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung kann die frequenzselektive Phasenverschiebung z.B. durch ein Phasenstellglied erfolgen, das ein Medium mit geeignetem räumlichem Brechungsindexverlauf oder mit geeigneter Geometrie (z.B. Keil- oder Prismenform) aufweist, so dass jede spektrale Komponente beim Durchlaufen des Mediums in dem für diese Komponente vorgesehenen räumlichen Bereich des Mediums die gewünschte Phasenverschiebung erfährt. Zwei separate Phasenstellglieder sind zur praktischen Umsetzung der Erfindung nicht zwingend erforderlich. Ein einzelnes Element, wie z.B. ein elektrooptischer Modulator, kann bei geeigneter Ansteuerung die Funktion beider Phasenstellglieder übernehmen und im Ergebnis die gewünschte frequenzselektive bzw. frequenzunabhängige Phasenverschiebung bewirken.
Die erfolgte räumliche und/oder zeitliche Aufspaltung der spektralen
Komponenten kann nach Durchlaufen der Phasenstellglieder ganz oder teilweise wieder aufgehoben, d.h. rückgängig gemacht werden, z.B. durch Kompression mittels geeigneter dispersiver Elemente. Das zuvor beschriebene Konzept der frequenzselektiven Phasenstellung durch zeitliches Aufspalten der Lichtpulse ist im Zusammenhang mit der Erzeugung von optischen Frequenzkämmen an sich aus der DE 10 201 1 012 749 A1 bekannt. Dort wird dieses Konzept jedoch nicht im Sinne der Erfindung zur Regelung der Offsetfrequenz und zur Erzielung einer im Ergebnis frequenzunabhängigen Phasenstellung genutzt, sondern zur Reduzierung von hochfrequentem Timing-Jitter eines Lichtpulszuges.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockdiagramm;
Figur 2 zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung als Blockdiagramm;
Figur 3 Illustration des Prinzips der Dispersionskompensation durch zwei Phasenstellglieder;
Figur 4 Illustration der frequenzselektiven Phasenstellung gemäß der Erfindung; Illustration der Ansteuerung der bei den
Ausführungsbeispielen gemäß Figur 1 und 2 eingesetzten elektrooptischen Modulatoren. Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung umfasst einen Pulslaser 1 , der eine Abfolge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen erzeugt. Das Spektrum des Pulslasers 1 ist das Spektrum eines optischen Frequenzkamms, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate in der oben beschriebenen Weise charakterisiert ist. Der Pulslaser 1 umfasst einen modengekoppelten Laser, beispielsweise einen Erbium-Faserlaser 2, der hinsichtlich der Repetitionsrate in an sich bekannter Weise stabilisiert ist. Als Referenz für die Stabilisierung der Repetitionsrate dient eine Referenzsignalquelle 3, die ein Referenzsignal im Radiofrequenzbereich erzeugt, beispielsweise mit einer Frequenz von 10 MHz. Bei Bedarf kann das Referenzsignal auch aus dem Pulszug des Pulslasers 1 abgeleitet werden. Der von dem Pulslaser erzeugte Lichtpulszug wird über eine optische Faser 4 einem Phasensteiler 5 zugeführt, der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers 1 bewirkt. Mittels des Phasen- stellers 5 wird die Offsetfrequenz der Spektrallinien des optischen Frequenzkamms durch zeitproportionale Phasenstellung verstellt, wobei die Repetitionsrate konstant bleibt. Hierzu weist der Phasensteiler 5 zwei Phasenstellglieder 6 und 7 auf, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind. Die Strahlung durchläuft zunächst das erste Phasenstellglied 6 und danach das zweite Phasenstellglied 7. Dabei sind die beiden Phasenstellglieder 6 und 7 in der Weise ausgelegt und aufeinander abgestimmt, dass das zweite Phasenstellglied 7 die Gesamtdispersion der beiden Phasenstellglieder 6, 7 kompensiert, so dass die elektromagnetische Strahlung am Ausgang 8 des Phasenstellers 5 eine frequenzunabhängige Phasenverschiebung aufweist. Das bedeutet, dass sämtliche relevanten Spektrallinien des Frequenzkamms um denselben Betrag phasenverschoben werden, wobei die relative Phasenbeziehung der Spektrallinien unverändert bleibt. Bei den beiden Phasenstellgliedern 6 und 7 handelt es sich um elektrooptische Modulatoren (EOM), die eine von der jeweiligen Spannung eines Eingangssignals der EOMs 6 und 7 abhängige und damit steuerbare und zeitlich variable Phasenverschiebung aufweisen. Der EOM 6 bewirkt eine Phasenverschiebung entsprechend dem zu einem bestimmten Zeitpunkt anliegenden Steuersignal. Aufgrund der Dispersion des EOMs 6 ist diese Phasenverschiebung frequenzabhängig. Das bedeutet, dass die verschiedenen spektralen Komponenten des optischen Frequenzkamms jeweils eine andere Phasenverschiebung erfahren. Diese Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung wird durch den zweiten EOM 7 kompensiert. Um dies zu ermöglichen, ist dem zweiten EOM 7 im Strahlverlauf ein Aufspaltungselement 9 vorgeschaltet, das bei dem Ausführungsbeispiel eine zeitliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bewirkt. Das Aufspaltungselement 9 prägt der elektromagnetischen Strahlung somit, anders ausgedrückt, einen Chirp auf, so dass die unterschiedlichen spektralen Komponenten zeitlich auseinandergezogen werden. Als Aufspaltungselement 9 eignet sich ein zeitlich dispersives Element an sich bekannter Art, wie z.B. ein optischer Strecker, ein Faser-Bragg-Gitter oder ähnliches. Denkbar wäre auch eine räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Hierzu könnte eine geeignete Prismen-Anordnung, ein räumlicher Lichtmodulator oder ein ähnliches Element dienen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kommt als zeitlich dispersives Element ein z.B. über einen Zirkulator angebundenes Faser-Bragg- Gitter zum Einsatz. Nach der zeitlichen Aufspaltung der spektralen Komponenten mittels des Aufspaltungselementes 9 durchlaufen die verschiedenen spektralen Komponenten den zweiten EOM 7 entsprechend zeitlich nacheinander. Zur Kompensation des durch den ersten EOM 6 bewirkten frequenzabhängigen Anteils der Phasenstellung wird dies gemäß der Erfindung ausgenutzt, um entsprechend eine entgegengesetzte frequenzabhängige Phasenverschiebung in dem zweiten EOM 7 zu bewirken. Hierzu wird der zweite EOM 7 in der Weise angesteuert, dass sich dessen Phasenverschiebung während des Zeitintervalls, in dem ein Lichtpuls den EOM 7 durchläuft, verändert. Es wird dadurch erreicht, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem eine bestimmte spektrale Komponente den EOM 7 durchläuft, der EOM 7 diejenige Dispersion aufweist, die erforderlich ist, um den unerwünschten frequenzabhängigen Anteil der Phasenverschiebung der jeweiligen spektralen Komponente rückgängig zu machen. Am Ausgang des EOMs 7 ist ein Kompensationselement 10 angeordnet, das die zeitliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung wieder rückgängig macht. Bei dem Ausführungsbeispiel handelt es sich wiederum um ein Faser- Bragg-Gitter. Dieses sorgt dafür, dass die verschiedenen spektralen Komponenten des Lichtpulszuges wieder zeitlich zusammengeführt werden. Die Aufspaltungs- und Kompensationselemente 9, 1 0 bewirken, anders ausgedrückt, eine zeitliche Verbreiterung, d.h. Streckung der Lichtpulse bzw. eine zeitliche Verkürzung, d.h. Kompression der Lichtpulse. Dabei kann, je nach Anforderungsprofil, die zeitliche Streckung und Kompression um mehrere Größenordnungen in der Zeit erfolgen.
Zur Stellung der Offsetfrequenz des optischen Frequenzkamms dient eine Steuerelektronik 1 1 , die ein Serrodyn-Element 1 2 und einen steuerbaren Abschwächer 1 3 ansteuert. Das Serrodyn-Element 1 2 erhält an dessen Eingang von der Steuerungselektronik 1 1 ein Signal, das beispielsweise proportional zu einer gewünschten Verschiebung einer Arbeitsfrequenz, d.h. einer spektralen Komponente des Frequenzkamms ist. Am Ausgang erzeugt das Serrodyn- Element 1 2 eine zeitabhängige Steuerspannung zur Ansteuerung des EOMs 6. Das Serrodyn-Element 1 2 generiert die Steuerspannung in der Weise, dass entsprechend der gewünschten Verschiebung der Offsetfrequenz durch den EOM 6 eine zeitproportionale Phasenverschiebung modulo eines Vielfachen von 2π erfolgt. Die Verschiebung der Offsetfrequenz des Frequenzkamms ergibt sich nach Av = Af x (φί+ - φ,) / 2π . Dabei ist Af die Repetitionsrate und φ,, cpi+i sind die erzeugten Phasenverschiebungen zweier aufeinanderfolgender Lichtpulse mit den Indizes i bzw. i+1 . Der Phasenrücksprung bei der Modulo-27i- Phasenverschiebung, d.h. die Rückstellung der Amplitude der Spannung U(t) nach Erreichen des Wertes n2 , erfolgt in der Dunkelphase zwischen zwei Lichtpulsen. Dies ist durch den dunkel hinterlegten Bereich in der Figur 5 angedeutet. Der Rückstellvorgang wirkt sich auf die optischen Phasen entsprechend nicht aus.
Der Zeitverlauf der Steuerspannung U(t) des EOMs 6 ist im mittleren Diagramm der Figur 5 illustriert. Die vertikalen gestrichelten Linien geben die Zeitpunkte an, zu denen die aufeinanderfolgenden Lichtpulse den EOM 6 durchlaufen. Die amplitudenmodulierte Sinus-Oszillation gibt den Verlauf der Steuerspannung des EOMs 6 wieder. Zu erkennen ist, dass die Steuerspannung jeweils zum Zeitpunkt der aufeinanderfolgenden Lichtpulse linear anwächst. Dies bewirkt eine zeitproportional anwachsende Phasenverschiebung, verdeutlicht im unteren Diagramm der Figur 5, wo die Phasenverschiebungswerte Φ(1 ), Φ(2), Φ(3), Φ(4) als horizontale Balken eingetragen sind. Diese zeitproportionale Phasenstellung bewirkt eine entsprechende Verschiebung der Arbeitsfrequenz. Wie in dem mittleren Diagramm der Figur 5 zu erkennen ist, oszilliert die Spannung U(t) synchron mit der Repetitionsrate (bzw. eines Mehrfachen der Repetitionsrate) des Lichtpulszuges. Der Verlauf der Spannung U(t) in den Pausen zwischen den Lichtpulsen wirkt sich nicht aus. Es kommt nur darauf an, dass zum Zeitpunkt, zu dem ein Lichtpuls den EOM 6 durchläuft, der richtige momentane Spannungswert anliegt. Für diese Näherung muss die Dauer n der Lichtpulse signifikant kürzer sein als die Pause zwischen den Lichtpulsen, was bei den Lichtpulszügen üblicher Kurzpulslaser der Fall ist. Dieser Umstand wird im oberen Teil der Figur 4 veranschaulicht. Die Pulsdauer liegt im Bereich von Femto- bis Pikosekunden, während die Repetitionsrate im Bereich von 10 - 100 MHz liegt. Der zweite EOM 7 erhält als Steuersignal ein Radiofrequenzsignal, das über einen Frequenzmultiplizierer/-teiler 14 aus dem Signal der Referenzsignalquelle 3 abgeleitet wird. Das frequenzvervielfachte Radiofrequenzsignal wird mittels des steuerbaren Abschwächers 13 amplitudenmoduliert. Das untere Diagramm der Figur 5 zeigt die Steuerspannung U(t), die an dem zweiten EOM 7 anliegt. Das Signal U(t) weist aufgrund der erhöhten Frequenz der Steuerspannung U(t) zum Zeitpunkt des Eintreffens der Lichtpulse (gestrichelte vertikale Linien) eine hohe Flankensteilheit auf. Wie in dem unteren Diagramm der Figur 5 zu erkennen ist, variiert die Amplitude der Spannung U(t) von Lichtpuls zu Lichtpuls. Das bedeutet, dass bei den aufeinanderfolgend eintreffenden Lichtpulsen jeweils eine Spannungsflanke mit unterschiedlicher Steilheit aktiv ist. Die steilen Flanken sorgen dafür, dass sich die Phasenverschiebung in dem EOM 7 verändert, während der jeweilige (zeitlich gestreckte) Lichtpuls den EOM 7 durchläuft. Dieser Umstand wird im unteren Teil der Figur 4 veranschaulicht. Dies erfolgt in der Weise, dass, wie oben erläutert, der unerwünschte frequenzabhängige Anteil der durch den EOM 6 bewirkten Phasenverschiebung kompensiert wird. Dies wird in Figur 3 veranschaulicht. Für die erfindungsgemäße frequenzselektive bzw. frequenzunabhängige Phasenstellung kommt es somit auf die Amplitude der Steuerspannung U(t) des EOM 6 zum Zeitpunkt eines Lichtpulses und auf die Steigung (und Amplitude) der Steuerspannung U(t) des EOMs 7 zum Zeitpunkt des Lichtpulses an.
Das erfindungsgemäße Prinzip zur Phasenstellung wird im Folgenden näher anhand der Diagramme in den Figuren 3 und 4 erläutert: Die Figur 3 illustriert die Phasenverschiebung mittels des EOMs 6 und die Kompensation der Frequenzabhängigkeit der Phasenverschiebung mittels des EOMs 7. In dem Diagramm ist ein spektraler Anteil des Frequenzkamms mit einer spektralen Bandbreite Δν um eine Arbeitsfrequenz v0 dargestellt. Der erste EOM 6 bewirkt, unter Vernachlässigung der Materialdispersion, eine frequenzproportionale Phasenverschiebung φ(ν) des spektralen Anteils, die durch die Gerade 31 wiedergegeben ist. Der EOM 7 wird nun in der zuvor beschriebenen Weise so angesteuert, dass dieser eine frequenzabhängige Phasenverschiebung φ(ν) mit entgegengesetzter Steigung bewirkt. Die frequenzabhängige Phasenverschiebung durch den zweiten EOM 7 gibt die Gerade 32 wieder. Im Ergebnis erfahren dann alle Spektrallinien innerhalb des Bereiches Δν, wie in dem Diagramm der Figur 3 veranschaulicht, eine mittlere Phasenverschiebung φ(ν0), die unabhängig von der Frequenz v ist - entsprechend der Geraden 33. Anhand der Figur 3 ist zu erkennen, wie die Frequenzverläufe der Phasenstellungen 31 und 32 hinsichtlich Steigung und Achsenabschnitt zu wählen sind und aufeinander abzustimmen sind, so dass die gewünschte frequenzunabhängige Phasenverschiebung φ(ν0) resultiert.
Die Figur 3 illustriert den idealisierten Fall einer linearen Dispersion. Bei signifikant nichtlinearem Verlauf der Dispersion sollten die Kurven 31 und 32 einen entsprechenden nichtlinearen Verlauf aufweisen, um die frequenzunabhängige Phasenverschiebung zu realisieren.
Die Figur 4 illustriert die zeitliche bzw. räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung. Die Koordinate x steht in den Diagrammen im unteren Teil der Figur 4 für den Ort (bei einer räumlichen Aufspaltung) oder für die Zeit (bei einer zeitlichen Aufspaltung). Bei Durchlaufen des ersten EOMs 6 sind die spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bei dem Ausführungsbeispiel nicht aufgespalten. Das bedeutet, bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 , dass ein Lichtpuls mit sämtlichen spektralen Komponenten gleichzeitig den EOM 6 durchläuft. Durch das Aufspaltungselement 9 wird eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten erzeugt. Dies ist im unteren Teil der Figur 4 illustriert. Zu erkennen ist, dass dem Spektralbereich Δν ein Zeit- bzw. Ortsintervall Δχ zugeordnet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel in der Figur 1 bedeutet dies, dass die verschiedenen spektralen Komponenten des Lichtpulses, wie oben erläutert, zu unterschiedlichen Zeitpunkten den EOM 7 durchlaufen. Die Dispersionskurve 32 gemäß Figur 3 wird durch entsprechende zeitliche Ansteuerung des zweiten EOMs 7, wie im unteren Diagramm der Figur 4 und 5 illustriert, erzeugt.
Für die Erfindung eignen sich z.B. EOMs aus Lithiumniobat, die kommerziell verfügbar sind. Diese eignen sich für Lichtpulse bei einer Trägerwellenlänge von 1550 nm. Zur Erzeugung der frequenzabhängigen Phasenverschiebung gemäß Figur 3 können die Lichtpulse z.B. mittels des Aufspaltungselements auf eine Pulsdauer von 1 ps „gechirpt" werden. Um den erforderlichen Zeitverlauf der Dispersion im EOM 7 zu erreichen, während der gechirpte Lichtpuls diesen durchläuft, kann der EOM 7 z.B. mit einer Spannung im Bereich von <1 V bei einer Frequenz im Bereich von 10 GHz angesteuert werden.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel illustriert die Erzeugung eines stabilisierten und selbstreferenzierten optischen Frequenzkamms gemäß der Erfindung. Die dargestellte Vorrichtung entspricht, soweit dieselben Bezugsziffern verwendet sind, der in der Figur 1 dargestellten Vorrichtung. Am Ausgang des Phasenstellers 5 wird die elektromagnetische Strahlung auf zwei Wellenleiter aufgespalten. In jedem Zweig erfolgt eine Verstärkung mittels optischer Verstärker 15 und 16. Am Ausgang des Verstärkers 15 ist die erzeugte Nutzstrahlung verfügbar. Die am Ausgang des Verstärkers 16 emittierte Strahlung wird einem f-2f-lnterferometer 17 zugeführt. Am Ausgang des f-2f-lnterferometers 17 liegt ein Radiofrequenzsignal an, dessen Frequenz gleich der Offsetfrequenz ist. Dieses Signal wird in einem Mischer 18 mit einem Hochfrequenzsignal demoduliert, das über einen Frequenzmultiplizierer/-teiler 19 aus dem Ausgangssignal der Referenzsignalquelle 3 abgeleitet wird. Das so erzeugte Modulationssignal liegt am Eingang eines Frequenz-Spannungs- Wandlers 20 an. Dessen Ausgangssignal wird mittels eines Verstärkers 21 verstärkt und dient als Eingangssignal für das Serrodyn-Element 12 und den spannungsgesteuerten Abschwächer 13. Der gemäß Figur 2 erzeugte Regelkreis bewirkt eine selbstreferenzierte Regelung der Offsetfrequenz auf einen Wert, der durch die Frequenz des Radiofrequenzsignals am Ausgang des Frequenzmultiplizierers/-teilers 19 bestimmt ist. Falls eine Einstellung der Offsetfrequenz gewünscht wird, kann, beispielsweise, die Ausgangsspannung am Frequenz-Spannungs-Wandler 20 um einen geeigneten Wert verschoben werden. Dies kann mittels eines einfachen Spannungsaddierers erfolgen.
Falls gewünscht, kann eine Verschiebung der Spektrallinien relativ zur Arbeitsfrequenz v0 durch eine Modifikation der zeitprogressiven Steigung des Spannungsverlaufs U(t) am EOM 7 erzielt werden (nicht dargestellt). Damit kann auch der relative Frequenzabstand, d.h. die Repetitionsrate gestellt oder geregelt werden.
Prinzipiell ist es möglich, die Funktionalitäten beider EOMs 6 und 7 in einem einzigen EOM zu vereinen (nicht dargestellt), indem z.B. durch Phasenverschiebung der Steuerspannung U(t) nach dem unteren Diagramm der Figur 5 zusätzlich zur Flanke der Steuerspannung U(t) zum Zeitpunkt des Lichtpulses ein Spannungsoffset erzeugt wird. Die von der Zentralfrequenz des zeitlich aufgespaltenen Lichtpulses abgetastete Amplitude der Steuerspannung U(t) bestimmt dabei die effektive Phasenverschiebung.
Das erfindungsgemäße Prinzip der Phasen- und Frequenzstellung bzw. -regelung ist nicht zur Anwendung auf optische Frequenzkämme beschränkt. Ebenso lässt sich das Prinzip nutzen, um elektromagnetische Strahlung mit davon abweichenden Spektren zu synthetisieren, bei denen keine äquidistanten Spektrallinien auftreten. Das Prinzip kann z.B. auch angewandt werden auf elektromagnetische Strahlung, die durch Überlagerung der Strahlung mehrerer cw-Laser bei verschiedenen Frequenzen erzeugt wird. Der Phasensteiler 5 mit den EOMs 6 und 7, dem Aufspaltungselement 9 und dem Kompensationselement 10 kann durch separate optische Komponenten oder als einzelnes integriertes (faser-)optisches Element mit Wellenleiterstrukturen und EOM-Kristallen (Chip-Lösung) ausgeführt sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit den Verfahrensschritten
- Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung, deren Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist,
Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Phasenstellung eine Phasenverschiebung wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst, wobei die relative Phasenbeziehung dieser spektralen Komponenten vorgebbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die relative Phasenbeziehung der spektralen Komponenten durch die Phasenstellung unverändert bleibt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine zeitproportionale Phasenstellung eine Frequenzverschiebung der spektralen Komponenten erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstellung mittels eines Phasenstellers (5) erfolgt, der wenigstens zwei Phasenstellglieder (6, 7) umfasst, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind und unterschiedliche Dispersion aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstellung eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung umfasst.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung zumindest in einem Phasenstellglied des Phasenstellers (5) ein Medium mit zeitlich und/oder räumlich veränderlicher Phasenverschiebung durchläuft.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche und/oder zeitliche Aufspaltung nach der Phasenstellung ganz oder teilweise kompensiert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Phase und/oder Frequenz wenigstens einer der spektralen Komponenten geregelt wird, wobei die Phasenstellung abhängig von einer Stellgröße erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße mittels eines Reglers aus der phasengestellten elektromagnetischen
Strahlung abgeleitet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung das Spektrum eines optischen Frequenzkamms ist, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate charakterisiert ist.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine von Lichtpulse zu Lichtpuls veränderliche Phasenstellung modulo eines Vielfachen von 2π eine Stellung der Offsetfrequenz erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 8 und einem der Ansprüche 10 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße durch f-2f-lnterferometrie aus der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Phasenstellung eine Stellung der Repetitionsrate bewirkt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate der phasengestellten elektromagnetischen Strahlung unverändert bleibt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate, nach Maßgabe einer aus der Repetitionsrate der elektromagnetischen Strahlung und einem Referenzsignal abgeleiteten Regelabweichung, geregelt wird.
16. Vorrichtung zur Synthese von elektromagnetischer Strahlung, mit einer Lichtquelle, die elektromagnetische Strahlung erzeugt , deren
Spektrum eine Mehrzahl von spektralen Komponenten aufweist,
einem Phasensteiler (5), der eine Phasenstellung der elektromagnetischen Strahlung der Lichtquelle bewirkt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass mittels des Phasenstellers (5) die Phase wenigstens einiger der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung verschiebbar ist, wobei die relative Phasenbeziehung dieser spektralen Komponenten vorgebbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die
Lichtquelle ein Pulslaser (1 ) ist, der eine Abfolge von zeitlich äquidistanten Lichtpulsen erzeugt, wobei das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung des Pulslasers (1 ) das Spektrum eines optischen Frequenzkamms ist, der durch eine Offsetfrequenz und eine Repetitionsrate charakterisiert ist, wobei mittels des Phasenstellers (5) die Offsetfrequenz der Spektrallinien des optischen Frequenzkamms durch zeitproportionale Phasenstellung verstellbar ist, wobei die Repetitionsrate im Wesentlichen konstant bleibt.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch einen den Phasensteiler ansteuernden Regler, der die Frequenz wenigstens einer spektralen Komponente des optischen Frequenzkamms stabilisiert.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch ein dem Phasensteiler (5) nachgeschaltetes f-2f-lnterferometer (17), wobei der Regler aus dem Ausgangssignal des f-2f-lnterferometers (17) eine Stellgröße ableitet.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteiler (5) wenigstens zwei Phasenstellglieder
(6, 7) umfasst, die im Strahlverlauf der elektromagnetischen Strahlung hintereinander angeordnet sind und unterschiedliche Dispersion aufweisen.
21 . Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenstellglieder (6, 7) elektrooptische Modulatoren sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteiler (5) wenigstens ein Aufspaltungselement (9) umfasst, das eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung bewirkt, wobei zumindest ein Phasenstellglied (7) des Phasenstellers (5) ein Medium aufweist, das eine zeitlich und/oder räumlich veränderliche Phasenverschiebung der elektromagnetischen Strahlung bewirkt.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Phasensteiler (5) wenigstens ein Kompensationselement (10) umfasst, das eine zeitliche und/oder räumliche Aufspaltung der spektralen Komponenten der elektromagnetischen Strahlung ganz oder teilweise aufhebt.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspaltungselement (9) und das Kompensationselement (10) jeweils ein räumlich oder zeitlich dispersives Element aufweisen.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Phasensteiler (5) ganz oder teilweise außerhalb des optischen Resonators des Pulslasers (1 ) befindet.
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