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Dokumentenidentifikation DE102007007677A1 04.09.2008
Titel Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines Lasers mit Hilfe der akusto-optischen Modulation und eine Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung eines Lasers mit Hilfe der akusto-optischen Modulation
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 51147 Köln, DE
Erfinder Esselborn, Michael, 82234 Weßling, DE
Vertreter Paul & Albrecht Patentanwaltssozietät, 41460 Neuss
DE-Anmeldedatum 13.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007007677
Offenlegungstag 04.09.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.2008
IPC-Hauptklasse H01S 3/13(2006.01)A, F, I, 20070213, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01S 3/102(2006.01)A, L, I, 20070213, B, H, DE   H01S 3/091(2006.01)A, L, I, 20070213, B, H, DE   G02F 1/11(2006.01)A, L, I, 20070213, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines Laserstrahls, bei welchem ein Laserstrahl vorgebbarer Frequenz einer akusto-optischen Modulation unterworfen wird, die Intensitäten von frequenzmoduliertern Teilstrahlen ermittelt werden udn auf der Basis der Intensitätsunterschiede ein Fehlersignal ermittelt wird. Bei der akusto-optischen Modulation werden zwei Seitenbänder erzeugt, die symmetrisch zur Grundfrequenz des Laserstrahls in beide Richtungen um die Modulationsfrequenz frequenzverschoben sind. Die beiden Seitenbänder werden jeweils in zwei Teilstrahlen insbesondere gleicher Intensität aufgespalten, wobei die ersten Teilstrahlen einer Absorptionszelle (8) zugeführt und anschließend die Restintensitäten der Teilstrahlen der Seitenbänder bestimmt werden, während die Intensität der zweiten Teilstrahlen der Seitenbänder ohne Durchgang durch die Absorptionszelle (8) bestimmt wird. Auf der Basis der ermittelten vier Intensitätswerte wird ein Fehlersignal erzeugt, auf dessen Basis die Laserfrequenz korrigiert wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines von einem Laser abgegebenen Laserstrahls, bei welchem ein von einem Laser emittierter Laserstrahl vorgebbarer Frequenz einer akusto-optischen Modulation unterworfen wird, die Intensitäten von frequenzmodulierten Teilstrahlen ermittelt werden und auf der Basis der Intensitätsunterschiede ein Fehlersignal ermittelt wird, auf dessen Grundlage die Laserfrequenz korrigiert wird. Die Erfindung betrifft des weiteren eine frequenzstabilisierte Laseranordnung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Frequenzstabilisierung von Laserstrahlung ist ein Verfahren, das bei Lasern eingesetzt wird, um einen Laserstrahl konstanter Frequenz zu erzeugen. Dies ist z. B. besonders bei diodengepumpten Halbleiterlasern wichtig, da hier nicht nur kurzfristige Frequenzschwankungen auftreten, sondern auch zusätzlich eine Drift der Frequenz des Laserstrahls über die Zeit stattfindet.

Bei einem bekannten Verfahren nach S. Yokohama et al „A simple frequency lock of green YAG laser to Dopplerbroadened spectrum of iodine molecules utilizing an acousto-optic frequency shifter", erschienen in Meas Sci. Tech. 9, 1252–1258 (1998) , erfolgt die Frequenzstabilisierung, indem ein Laserstrahl einem akusto-optischen Modulator zugeführt wird, welcher durch Beugung neben einem unveränderten Strahl (0. Beugung) ein frequenzverschobenes Seitenband (1. Beugung) des einfallenden Laserstrahls erzeugt.

Die benutzte Modulationsfrequenz liegt bei 80 MHz, wodurch das Seitenband genau um diese Frequenz relativ zur Grundfrequenz des Lasers verschoben wird. Die beiden aus dem akusto-optischen Modulator austretenden Strahlen werden geteilt, wobei der jeweils eine Teilstrahl der beiden Strahlen direkt einem Paar Fotodioden zugeführt wird, um die Intensitäten mit einem Differenzverstärker zu messen. Das Meßsignal wird einem PID-Regler zugeführt, der die Amplitude der Modulationsspannung des akusto-optischen Modulators so einstellt, dass die Intensitäten des Laserstrahls und des Seitenbandes nach dem Durchlauf durch den akusto-optischen Modulator gleich groß sind. Der jeweils andere Teilstrahl trifft auf eine Absorptionszelle, in der die beiden Strahlen frequenzabhängig unterschiedlich stark absorbiert werden. Die Restintensität der aus der Absorptionszelle austretenden Strahlen wird mit zwei Fotodioden ermittelt und mit einem Differenzverstärker ausgewertet. Durch die vorherige Angleichung der Intensitäten der beiden aus dem akusto-optischen Modulator austretenden Strahlen ist sichergestellt, dass die Restintensität der beiden Strahlen nach Durchlauf durch die Absorptionszelle ein verlässliches Maß für die Frequenzabweichung des Laserstrahls darstellt. Das so ermittelte Fehlersignal wird einem PI-Regler zugeführt, der die Frequenzkorrektur des zu stabilisierenden Lasers steuert.

Ein Problem bei dem beschriebenen Verfahren zur Frequenzstabilisierung besteht darin, dass das erzeugte Fehlersignal stark abhängig ist von den Schwankungen der Beugungseffizienz des akusto-optischen Modulators und somit von der Amplitude der an dem akusto-optischen Modulator anliegenden Modulationsspannung. Dies erfordert einen zusätzlichen Regelkreis basierend auf der Differenz der gemessenen Intensitäten des Laserstrahls und des Seitenbandes zur Regelung der Modulationsspannung des akustooptischen Modulators.

Die Modulationsfrequenz ist außerdem abhängig von der Frequenz der anliegenden Modulationsspannung. Eine Abweichung kann zu einer ungewollten Frequenzverschiebung des Seitenbandes führen.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass der Nulldurchgang des Fehlersignals nicht mit dem Maximum der Absorptionslinie korrespondiert, sondern um die Hälfte der Modulationsfrequenz verschoben ist.

Auch hängt das so erzeugte Fehlersignal von den Schwankungen der Absorptionseigenschaften der Absorptionszellen, die üblicherweise als Molekül- bzw. Atomdampfzellen ausgeführt und damit besonders empfindlich für temperaturbedingte Änderungen des Dampfdrucks sind, ab. Bei größeren Modulationsfrequenzen des akusto-optischen Modulators steigt damit die Gefahr, dass das frequenzverschobene Seitenband zunehmend in die steile Flanke der Absorptionslinie verschoben wird und damit nicht mehr im vordefinierten Arbeitspunkt liegt. In diesem Fall ändert sich die Absorption der einzelnen Strahlen, ohne dass sich die Frequenz der Strahlen ändert. Daher muss die Temperatur der Absorptionszelle mit großem Aufwand und hoher Genauigkeit stabilisiert werden.

Die Messung der Intensitätsdifferenz zwischen dem Laserstrahl und dem Seitenband mit Fotodioden und einem Differenzverstärker ist mit einem systematischen Fehler behaftet, weil die Fotodioden bauartbedingt oder durch Alterung einen unterschiedlichen Nulldurchgang aufweisen. Dadurch kann die Empfindlichkeit der Fotodioden unterschiedlich ausgeprägt sein und die Intensität der betreffenden Strahlen um einen konstanten Wert verfälschen.

Das oben beschriebene Verfahren ist des weiteren nicht zur Frequenzstabilisierung eines gepulsten Lasersystems mit niedrigen Repetitionsraten und kurzen Pulsdauern geeignet, weil dabei der Signal-Rausch Abstand nicht ausreichend groß ausgeprägt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines Lasers so zu gestalten, dass die Stabilität der Frequenz verbessert wird, die Stabilisierung des akusto-optischen Modulators entfällt, der Aufwand der Temperaturstabilisierung der Absorptionszelle verringert wird und das Verfahren auch für gepulste Lasersysteme, auch mit niedrigen Repetitionsraten und kurzen Pulsdauern, eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass bei der akusto-optischen Modulation zwei Seitenbänder erzeugt werden, die symmetrisch zur Grundfrequenz des Laserstrahls in beide Richtungen um die Modulationsfrequenz frequenzverschoben sind, die Seitenbänder zumindest teilweise einer frequenzselektiven Absorptionszelle zugeführt werden, in welcher die Seitenbänder frequenzabhängig unterschiedlich stark absorbiert werden, und anschließend die Restintensität der Seitenbänder bestimmt wird, wobei das Fehlersignal, auf dessen Basis die Laserfrequenz korrigiert wird, auf der Grundlage der Unterschiede zwischen den Restintensitäten erzeugt wird. Bei einer Vorrichtung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der akusto-optische Modulator ausgelegt ist, um zwei Seitenbänder zu erzeugen, die symmetrisch zur Grundfrequenz des Laserstrahls in beide Richtungen um die Modulationsfrequenz frequenzverschoben sind, die Absorptionszelle im Strahlengang von zumindest Teilstrahlen der Seitenbänder angeordnet ist, um diese zu empfangen, und zwei Meßsensoren hinter der Absorptionszelle angeordnet sind, um die Restintensität der Seitenbänder nach Durchgang durch die Absorptionszelle zu messen

Der Grundgedanke dieser Erfindung beruht also darauf, daß zwei symmetrische Seitenbänder des Laserstrahls erzeugt werden, die durch ihre Lage in den Flanken der Absorptionslinie der Absorptionszelle bei geringer Änderung der Frequenz eine große Änderung der Intensität erfahren und durch ihre Symmetrie mögliche Fehlerquellen minimieren und besonders leicht auszuwerten sind.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es unempfindlich gegenüber Schwankungen von Amplitude und Frequenz der Modulationsspannung sowie gegenüber Schwankungen der Absorptionseigenschaften der Absorptionszelle ist, da sich diese Schwankungen auf beide Seitenbänder im gleichen Maß auswirken.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird als Fehlersignal die Differenz der Restintensitäten der beiden Seitenbänder nach dem Durchgang durch die Absorptionszelle herangezogen. Dadurch reduzieren sich Fehler, die z. B. aufgrund von auftretenden Schwankungen der Modulationsspannung des akusto-optischen Modulators sowie der Temperatur der Absorptionszelle entstehen, da diese sich auf beide Seitenbänder im gleichen Maß auswirken.

Bei einer alternativen Ausführungsform werden die beiden Seitenbänder jeweils in zwei Teilstrahlen insbesondere gleicher Intensität aufgespalten, wobei die ersten Teilstrahlen der Absorptionszelle zugeführt und anschließend die Restintensitäten der Teilstrahlen der Seitenbänder bestimmt werden, während die Intensität der zweiten Teilstrahlen der Seitenbänder ohne Durchgang durch die Absorptionszelle bestimmt wird, und wobei auf der Basis der ermittelten vier Intensitätswerte das Fehlersignal erzeugt wird. Erreicht wird dies, indem hinter dem akustooptischen Modulator ein Strahlteiler vorgesehen und angeordnet ist, um die aus dem akusto-optischen Modulator austretenden Seitenbänder in erste und zweite Teilstrahlen aufzuteilen, wobei im Verlauf der ersten Teilstrahlen der Seitenbänder die Absorptionszelle und anschließend je ein Meßsensor für die Strahlintensitäten nach Durchgang durch die Absorptionszelle angeordnet sind, und im Verlauf der zweiten Teilstrahlen der zwei Seitenbänder Meßsensoren für die Strahlintensitäten angeordnet sind.

Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß Schwankungen der Intensität der Seitenbänder erfaßt und bei der Ermittlung des Fehlersignals berücksichtigt werden können, wodurch sich die Meßgenauigkeit erhöht.

Hier wird als Fehlersignal der Quotient aus der Differenz der Transmissionen der beiden ersten Teilstrahlen durch die Absorptionszelle und der Summe der Transmissionen herangezogen, wobei die Transmission sich als Quotient der Restintensität eines Teilstrahls eines Seitenbandes nach Durchgang durch die Absorptionszelle und der Intensität des Teilstrahls des jeweiligen Seitenbandes ohne Durchgang durch die Absorptionszelle berechnet. Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Regeleinrichtung entsprechend ausgeführt.

In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsform werden die gemessenen Intensitäten der Strahlen in einen synchronisierten Meßverstärker geleitet, wobei zur Synchronisation der Messung ein Triggersignal von dem Laser verwendet wird. Entsprechend ist bei einer Vorrichtung in der Regeleinrichtung ein als synchronisierter Verstärker ausgeführter Meßverstärker vorgesehen. Die synchronisierte Messung erlaubt eine besonders vorteilhafte Auswertung der gemessenen Intensitäten, da die Intensitäten mit einem hohen Signal-Rausch Verhältnis gemessen werden können.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die akusto-optische Modulation bei einer Modulationsfrequenz von mehr als 200 MHz durchgeführt wird. Durch die Wahl der größeren Modulationsfrequenz wird ein Arbeitspunkt für die Meßanordnung eingestellt, bei dem die durch die Frequenzabweichung hervorgerufenen Intensitätsänderungen besonders groß und daher besonders genau zu erfassen sind. Bei einer Vorrichtung entsprechend dieses Anspruchs ist der akusto-optische Modulator mit einer Modulationsfrequenz von mehr als 200 MHz ausgeführt.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird der Laserstrahl vor der akusto-optischen Modulation in einer optischen Faser kollimiert. Dadurch wird der Laserstrahl parallel gerichtet, um eine Streuung des Strahls im weiteren Verlauf des Verfahrens zu vermeiden und damit Meßfehler zu minimieren. Eine entsprechende Vorrichtung weist eine optische Faser, die als Faserkoppler zur Kollimierung ausgeführt ist, im Strahlrichtung vor dem akustooptischen Modulator auf.

Auch kann der aus dem Laser austretende Laserstrahl geteilt und nur ein Teilstrahl für die Frequenzstabilisierung herangezogen werden. Dadurch kann die Frequenz des Lasers stabilisiert werden, während er gleichzeitig genutzt wird. Bei einer entsprechenden Vorrichtung ist im Strahlengang des Lasers eine Vorrichtung zum Teilen des Laserstrahls angeordnet und nur ein Teilstrahl wird für die Frequenzstabilisierung verwendet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Fehlersignal in einen PID-Regler eingespeist wird und der PID-Regler die Frequenzstabilisierung des Lasers vornimmt.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind der Laser und die Absorptionszelle so ausgeführt, dass die Grundfrequenz des Lasers näherungsweise einer Absorptionslinie der Absorptionszelle entspricht. Die Auswahl einer Kombination eines Lasers und einer Absorptionszelle mit einer Absorptionslinie im Bereich der Laserfrequenz ist Voraussetzung, um frequenzselektive Absorption im Bereich der Laserfrequenz feststellen zu können.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist eine Vorrichtung zur Frequenzmodifikation in den Laserstrahl eingebracht und Laser und Absorptionszelle sind so ausgeführt, dass die modifizierte Frequenz des Lasers näherungsweise einer Absorptionslinie der Absorptionszelle entspricht. Durch die Modifikation der Laserfrequenz wird die Auswahl für Kombinationen aus Laser und Absorptionszelle auf einfache Art erweitert.

Der Laser kann als diodengepumpter Laser mit injection seeding und einem Referenzlaser mit Nd:YAG Kristall ausgeführt sein. Der Nd:YAG Laser läßt sich idealerweise aber nicht ausschließlich durch die Änderung der Temperatur in seiner Frequenz steuern.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Laseranordnung in Strahlrichtung vor dem akustooptischen Modulator angeordnet einen Frequenzverdoppler auf und ist die Absorptionszelle als temperaturstabilisierte Joddampf Absorptionszelle ausgebildet. Die doppelte Frequenz des Nd:YAG Lasers entspricht einer Absorptionslinie von Joddampf, wodurch die Frequenzänderungen des Lasers zu deutlichen Änderungen der Restintensität der Strahlen nach Durchgang durch die Absorptionszelle führen.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Absorptionszelle als optischer Resonator mit schmalen Absorptions- bzw. Transmissionslinien ausgeführt.

Der optische Resonator kann als Fabry-Perot Interferometer mit äquidistanten Transmissionslinien ausgeführt sein. Durch die Dimensionierung des Interferometers kann eine geeignete Transmissionslinie im Bereich der Laserfrequenz erzeugt werden.

Auch können die Meßsensoren für die Strahlintensitäten als kalibrierte Meßsensoren ausgebildet werden. Mögliche Empfindlichkeitsunterschiede der Meßsensoren durch Streuung der Sensoreigenschaften oder Alterungseffekte werden hierdurch ausgeglichen. In weiterer Ausgestaltung können die Meßsensoren für die Strahlintensitäten als Fotodioden ausgebildet sein. Derzeit verfügbare Fotodioden ermöglichen eine einfache Messung der Strahlintensitäten mit hinreichender Genauigkeit.

Der Laser kann ein Pulslaser oder Dauerstrichlaser sein. Hierbei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung neben der Frequenzstabilisierung von Dauerstrichlasern auch die Frequenzstabilisierung von Pulslasern durchführen kann, welche hier zum ersten Mal mit Hilfe der akusto-optischen Modulation realisiert wird. Pulslaser sind für viele Anwendungen eingesetzt, weshalb auch die Frequenzstabilisierung von diesen Lasern an Bedeutung gewinnt.

Hinsichtlich weiterer Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnung verwiesen. Von der Zeichnung zeigt

1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Laseranordnung mit Frequenzstabilisierung,

2 den detaillierten internen Aufbau der Laseranordnung,

3a die simulierten Transmissionsspektren einer Absorptionslinie von Joddampf bei einer Wellenlänge von 532,218 nm und einer akusto-optischen Modulationsfrequenz von 250 MHz,

3b den Verlauf des Fehlersignals über die Frequenzverschiebung der Laseranordnung,

4 das Fehlersignal bei einer über die Zeit linear steigenden Frequenz der Laseranordnung,

5 das Transmissionsspektrum eines Fabry-Perot Interferometers.

Die 1 zeigt eine Laseranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. Diese umfasst einen Seed-Laser 1, der mit einem Nd:YAG Kristall ausgeführt und an einen Hauptlaser 2 zur Erzeugung des Laserstrahls angeschlossen ist. Der Hauptlaser 2 ist als Pulslaser ausgeführt, ohne dass dies eine Beschränkung für die Erfindung bedeuten würde, und weist außerdem einen Triggerausgang auf. Im Strahlengang des aus dem Hauptlaser 2 austretenden Laserstrahls befinden sich hintereinander ein Ablenkspiegel 3 und ein erster Strahlteiler 4, der einen eintretenden Laserstrahl in einen Nutzstrahl N und einen Meßstrahl M aufteilt. Der erste Strahlteiler 4 weist einen Austritt für den Nutzstrahl N und einen seitlichen Austritt für den Meßstrahl M auf. Der Meßstrahl M wird als einziger weiter betrachtet und daher im weiteren auch als „Laserstrahl" bezeichnet.

Im weiteren Verlauf des Meßstrahls M sind eine optische Kollimierungsfaser 5 gefolgt von einem akusto-optischen Modulator 6 mit einer Modulationsfrequenz von 250 MHz und ein zweiter Strahlteiler 7 angeordnet. Der zweite Strahlteiler 7 ist so ausgeführt, daß er die eintreffenden Strahlen in zwei Teilstrahlen gleicher Intensität aufteilt, die aus dem zweiten Strahlteiler 7 vorne und seitlich austreten.

Im Strahlengang der gerade durch den zweiten Strahlteiler 7 durchtretenden ersten Teilstrahlen befinden sich eine temperaturstabilisierte Joddampf Absorptionszelle 8 und eine erste Meßanordnung bestehend aus zwei Fotodioden 9, 10 und einer mittig angeordneten Strahlensenke 11.

Im Strahlengang der aus dem zweiten Strahlteiler 7 seitlich austretenden zweiten Teilstrahlen befindet sich zunächst ein Ablenkspiegel 12, über den die zweiten Teilstrahlen auf eine zweite Meßanordnung bestehend aus zwei seitlich angeordneten Fotodioden 13, 14 und einer mittig angeordneten Strahlensenke 15 geleitet werden.

Die Fotodioden 9, 10, 13, 14 sind mit dem Eingang eines synchronisierten Meßverstärkers 16 verbunden, der zusätzlich mit dem Trigger des Hauptlasers 2 verbunden ist, und die Ausgänge des Meßverstärkers 16 sind mit einem AD-Wandler mit angeschlossenem Schalter 17 und einem nachgeschalteten PID-Regler 18 verbunden. Der PID-Regler 18 ist an die Frequenzsteuerung des Seed-Lasers 1 angeschlossen.

Im Betrieb erzeugt der Seed-Laser 1 einen Laserstrahl mit einer Referenzfrequenz, der dem Hauptlaser 2 zugeführt wird. Der Hauptlaser 2 wird dadurch zur Emission von gepulsten Laserstrahlen mit dieser Referenzfrequenz angeregt. Die Frequenz des Laserstrahls wird innerhalb des Hauptlasers 2 verdoppelt, bevor der Laserstrahl aus dem Hauptlaser 2 austritt. Der erste Strahlteiler 4 wird dazu genutzt, den Laserstrahl in einen Nutzstrahl N und einen Meßstrahl M gleicher Frequenz aufzuteilen, von denen nur der Meßstrahl M zur Ermittlung der Frequenz weiter betrachtet wird. Der Nutzstrahl N steht für die geplante Nutzung zur Verfügung, während gleichzeitig die Frequenzstabilisierung durchgeführt wird.

Im nächsten Schritt wird der Laserstrahl in der optischen Faser 5 parallel gerichtet, bevor er in den akustooptischen Modulator 6 eingeleitet wird.

In dem akusto-optischen Modulator 6, der bei einer Modulationsfrequenz von 250 MHz betrieben wird, findet eine Beugung des einfallenden Laserstrahls statt, so dass neben einem Hauptband mit der Grundfrequenz des einfallenden Laserstrahls (0. Beugungsordnung) zwei Seitenbänder des einfallenden Laserstrahls mit einer um die Modulationsfrequenz verschobenen Frequenz (1. Beugungsordnung) erzeugt werden. Die Seitenbänder sind symmetrisch um die Grundfrequenz des Laserstrahls angeordnet. Neben der Frequenzverschiebung der Seitenbänder weisen diese außerdem eine Winkeldifferenz zu dem Laserstrahl auf, so dass die Strahlen räumlich getrennt sind. Es treten also insgesamt drei betrachtete Strahlen aus dem akusto-optischen Modulator 6 aus. Durch die speziellen Absorptionseigenschaften der Joddampf Absorptionszelle 8 werden durch die eingestellte Modulationsfrequenz die Seitenbänder in einem Frequenzbereich erzeugt, in dem sich die Absorption mit der Frequenzänderung der eintretenden Strahlen besonders deutlich ändert.

Die drei aus dem Modulator 6 austretenden, gebeugten Strahlen 0. und 1. Ordnung werden dem zweiten Strahlteiler 7 zugeführt, der die drei Strahlen jeweils in erste und zweite Teilstrahlen teilt, wobei die drei ersten Teilstrahlen an der Vorderseite des Strahlteilers 7 austreten und die drei zusätzlichen zweiten Teilstrahlen mit jeweils gleicher Frequenz und Intensität seitlich ausgekoppelt werden. Die durch den zweiten Strahlteiler 7 gerade durchtretenden ersten Teilstrahlen treffen auf die Absorptionszelle 8, in der die ersten Teilstrahlen gemäß ihrer Frequenz unterschiedlich stark absorbiert werden. Danach treffen die ersten Teilstrahlen der Seitenbänder auf die Fotodioden 9, 10 der ersten Meßanordnung, mit denen die Restintensitäten dieser Teilstrahlen bestimmt werden. Der Hauptstrahl mit der Grundfrequenz 0. Ordnung trifft auf die Strahlsenke 11, von der er vollständig absorbiert wird und ist daher für die weiteren Schritte ohne Bedeutung.

Die aus dem zweiten Strahlteiler 7 seitlich austretenden zweiten Teilstrahlen werden über den im Strahlengang befindlichen Ablenkspiegel 12 derart weitergeleitet, dass die den beiden Seitenbändern entsprechenden zweiten Teilstrahlen auf die Fotodioden 13, 14 der zweiten Meßanordnung treffen, welche die Intensität dieser Teilstrahlen messen, und der dem Hauptband entsprechende Teilstrahl mit der Grundfrequenz auf die Strahlensenke 15 trifft, von der er vollständig absorbiert wird.

Die in den Fotodioden 9, 10, 13, 14 gemessenen Strahlintensitäten werden als Eingangssignale in den synchronisierten Verstärker 16 geleitet. Durch das Triggersignal des Hauptlasers 2 für die synchronisierte Messung wird wie beschrieben die Messung der Intensitäten der Teilstrahlen verbessert.

Durch die Aufteilung der Strahlen der Seitenbänder im zweiten Strahlteiler 7 in Teilstrahlen gleicher Intensität und die Messung der Intensitäten dieser Teilstrahlen mit und ohne Durchgang durch die Absorptionszelle 8 kann das genau Maß der Transmissionen durch die Absorptionszelle 8 bestimmt werden. Die Bestimmung der Transmission durch die Absorptionszelle 8 führt bei bekannten Absorptionseigenschaften zur verbesserten Bestimmung der Frequenzabweichung der Laseranordnung.

Die Ausgangssignale des synchronisierten Verstärkers 16 werden von dem AD-Wandler mit kombiniertem Schalter 17 sequentiell eingelesen und in digitaler Form in den PID-Regler 18 eingespeist. Der PID-Regler 18 benutzt als Fehlersignal den Quotienten aus der Differenz der Transmissionen der beiden Seitenbänder und der Summe der Transmissionen der beiden Seitenbänder und regelt die Frequenz des Seed-Lasers 1, indem er die Temperatur des Nd:YAG Kristalls im Seed-Laser 1 beeinflusst.

2 zeigt den detaillierten Aufbau des zu stabilisierenden Lasersystems. Das Lasersystem besteht aus dem Seed-Laser 1, der mit dem Nd:YAG Kristall mit einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Ansteuerung zur Frequenzkorrektur ausgeführt ist, einem Hauptoszillator 19, einem dreistufigen Verstärkersystem bestehend aus einem Vorverstärker 20, einer ersten Verstärkungsstufe 21 und einer zweiten Verstärkungsstufe 22, einem Frequenzverdoppler 23 und dem ersten Strahlteiler 4, die in dieser Reihenfolge im Strahlengang des im Seed-Laser 1 erzeugten Laserstrahls angeordnet sind. Des weiteren weist der Laser Ablenkspiegel 24, 25, 26, 27, 28, 29 auf, die auf die Funktionsweise des Lasers keine Auswirkung haben und lediglich durch die Bauform des Lasersystems bzw. dessen Darstellung bedingt sind.

Der Seed-Laser 1 erzeugt dabei den Laserstrahl mit den Referenzfrequenz, der dem Hauptoszillator 19 zugeführt wird. Der erzeugte Laserstrahl weist eine Wellenlänge von 1064 nm auf. Durch diesen Laserstrahl wird der Hauptoszillator 19 zur Emission von Laserstrahlen mit der Referenzfrequenz angeregt. Durch die Ausführungsform des Lasers werden Laserpulse mit der Referenzfrequenz erzeugt, die eine Pulsdauer von 18 ns und eine Pulsfrequenz von 100 Hz aufweisen. Der so erzeugte Laserstrahl wird in dem dreistufigen Verstärkersystem verstärkt und in dem Frequenzverdoppler 23, der als KTP Kristall ausgeführt ist, in seiner Frequenz verdoppelt, sodass die Wellenlänge des emittierten Strahls 532 nm beträgt. Der erste Strahlteiler 4 teilt den Laserstrahl wie bereits beschrieben in einen Nutzstrahl N und einen Meßstrahl M gleicher Frequenz auf.

3a zeigt die simulierten Transmissionsspektren einer Absorptionslinie von Joddampf bei einer Wellenlänge von 532 nm und einer Modulationsfrequenz von 250 MHz. Beide Spektren sind um die Modulationsfrequenz relativ zur Grundfrequenz verschoben.

3b zeigt den Verlauf der Fehlersignalkurve basierend auf den simulierten Transmissionsspektren. Die Berechnung des Fehlersignals folgt der Formeln

wobei
e
das Fehlersignal darstellt
&tgr;+1
die Transmission des 1. Seitenbandes ist, bei dem die Frequenz um die Modulationsfrequenz erhöht ist,
&tgr;–1
die Transmission des 1. Seitenbandes ist, bei dem die Frequenz um die Modulationsfrequenz vermindert ist,
S+1
die Restintensität des 1. Seitenbandes, bei dem die Frequenz um die Modulationsfrequenz erhöht ist, nach dem Durchgang durch die Absorptionszelle ist,
S–1
die Restintensität des 1. Seitenbandes, bei dem die Frequenz um die Modulationsfrequenz vermindert ist, nach dem Durchgang durch die Absorptionszelle ist,
R+1
die Intensität des 1. Seitenbandes ist, bei dem die Frequenz um die Modulationsfrequenz erhöht ist,
R–1
die Intensität des 1. Seitenbandes ist, bei dem die Frequenz um die Modulationsfrequenz vermindert ist.

Bei der alternativen Ausführungsform, bei der nur die Restintensitäten der Seitenbänder nach Durchgang durch die Absorptionszelle gemessen werden, berechnet sich das Fehlersignal durch e = S+1 – S–1.

4 zeigt den gemessenen Verlauf der Fehlersignalkurve bei einer linearen Veränderung der Frequenz des Lasers über die Zeit. Das gemessene Fehlersignal zeigt im Bereich der gewünschten zu stabilisierenden Frequenz einen steilen Nulldurchgang, wodurch bereits geringe Änderungen der Frequenz sicher erfaßt werden die Frequenz des Lasers korrigiert wird.

5 zeigt das Transmissionsspektrum eines Fabry-Perot Interferometers, wie es in einer alternativen Ausführungsform aufgrund seiner frequenzselektiven Absorptionseigenschaften verwendet werden kann.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • - S. Yokohama et al „A simple frequency lock of green YAG laser to Dopplerbroadened spectrum of iodine molecules utilizing an acousto-optic frequency shifter", erschienen in Meas Sci. Tech. 9, 1252–1258 (1998) [0003]


Anspruch[de]
Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines von einem Laser abgegebenen Laserstrahls, bei welchem ein von einem Laser emittierter Laserstrahl vorgebbarer Frequenz einer akusto-optischen Modulation unterworfen wird, die Intensitäten von frequenzmodulierten Teilstrahlen ermittelt werden und auf der Basis der Intensitätsunterschiede ein Fehlersignal ermittelt wird, auf dessen Grundlage die Laserfrequenz korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der akusto-optischen Modulation zwei Seitenbänder erzeugt werden, die symmetrisch zur Grundfrequenz des Laserstrahls in beide Richtungen um die Modulationsfrequenz frequenzverschoben sind, die Seitenbänder zumindest teilweise einer frequenzselektiven Absorptionszelle (8) zugeführt werden, in welcher die Seitenbänder frequenzabhängig unterschiedlich stark absorbiert werden, und anschließend die Restintensität der Seitenbänder bestimmt wird, wobei das Fehlersignal, auf dessen Basis die Laserfrequenz korrigiert wird, auf der Grundlage der Unterschiede zwischen den Restintensitäten erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fehlersignal die Differenz der Restintensitäten der beiden Seitenbänder nach dem Durchgang durch die Absorptionszelle (8) herangezogen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Seitenbänder jeweils in zwei Teilstrahlen insbesondere gleicher Intensität aufgespalten werden, wobei die ersten Teilstrahlen der Absorptionszelle (8) zugeführt und anschließend die Restintensitäten der Teilstrahlen der Seitenbänder bestimmt werden, während die Intensität der zweiten Teilstrahlen der Seitenbänder ohne Durchgang durch die Absorptionszelle (8) bestimmt wird, und wobei auf der Basis der ermittelten vier Intensitätswerte das Fehlersignal erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Fehlersignal der Quotient aus der Differenz der Transmissionen der beiden ersten Teilstrahlen durch die Absorptionszelle (8) und der Summe der Transmissionen herangezogen wird, wobei die Transmission sich als Quotient der Restintensität eines Teilstrahls eines Seitenbandes nach Durchgang durch die Absorptionszelle (8) und der Intensität des Teilstrahls des jeweiligen Seitenbandes ohne Durchgang durch die Absorptionszelle (8) berechnet. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Intensitäten der Strahlen in einen synchronisierten Meßverstärker (16) geleitet werden, wobei zur Synchronisation der Messung ein Triggersignal von dem Laser verwendet wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die akusto-optische Modulation bei einer Modulationsfrequenz von mehr als 200 MHz durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl vor der akusto-optischen Modulation in einer optischen Faser (5) kollimiert wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Laser austretende Laserstrahl geteilt wird und nur ein Teilstrahl für die Frequenzstabilisierung herangezogen wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fehlersignal in einen PID-Regler (18) eingespeist wird und der PID-Regler (18) die Frequenzstabilisierung des Lasers vornimmt. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung mit einem Laser mit Frequenzssteuerung, einem akusto-optischen Modulator (6), einer frequenzselektiven Absorptionszelle (8), Meßsensoren (9, 10, 13, 14) für Strahlintensitäten und einer Regeleinrichtung für die Laseranordnung, welche auf der Basis der gemessenen Intensitätsunterschiede der Strahlen ein Fehlersignal ermittelt und damit die Laserfrequenz korrigiert, die in dieser Reihenfolge in der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der akusto-optische Modulator (6) ausgelegt ist, um zwei Seitenbänder zu erzeugen, die symmetrisch zur Grundfrequenz des Laserstrahls in beide Richtungen um die Modulationsfrequenz frequenzverschoben sind, die Absorptionszelle (8) im Strahlengang von zumindest Teilstrahlen der Seitenbänder angeordnet ist, um diese zu empfangen, und zwei Meßsensoren (9, 10) hinter der Absorptionszelle (8) angeordnet sind, um die Restintensität der Seitenbänder nach Durchgang durch die Absorptionszelle (8) zu messen. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung ausgebildet ist, um auf der Basis eines Fehlersignals, das aus der Differenz der Restintensitäten der beiden Seitenbänder nach Durchgang durch die Absorptionszelle (8) gebildet ist, die Laserfrequenz zu regeln. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem akusto-optischen Modulator (6) ein Strahlteiler (7) vorgesehen und angeordnet ist, um die aus dem akusto-optischen Modulator (6) austretenden Seitenbänder in erste und zweite Teilstrahlen aufzuteilen, wobei im Verlauf der ersten Teilstrahlen der Seitenbänder die Absorptionszelle (8) und anschließend je ein Meßsensor (9, 10) für die Strahlintensitäten der Seitenbänder nach Durchgang durch die Absorptionszelle (8) angeordnet sind, und im Verlauf der zweiten Teilstrahlen der zwei Seitenbänder Meßsensoren (13, 14) für die Strahlintensitäten angeordnet sind, und wobei das Fehlersignal auf Basis der vier ermittelten Intensitätswerte erzeugt wird. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß Ansprüche 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung ausgebildet ist, um auf der Basis eines Fehlersignals, das aus dem Quotient aus der Differenz der Transmissionen der Teilstrahlen der beiden Seitenbänder durch die Absorptionszelle (8) und der Summe dieser Transmissionen gebildet ist, die Laserfrequenz zu regeln, wobei die Transmission sich als Quotient der Restintensität eines Teilstrahls eines Seitenbandes nach Durchgang durch die Absorptionszelle (8) und der Intensität des Teilstrahls des jeweiligen Seitenbandes ohne Durchgang durch die Absorptionszelle (8) berechnet. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung einen als synchronisierter Verstärker ausgeführten Meßverstärker (16) aufweist und die Meßsensoren (9, 10, 13, 14) mit den Eingängen dieses Verstärkers verbunden sind und ein Triggersignal von dem Laser mit dem Synchronisationseingang des Verstärkers (16) verbunden ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der akusto-optische Modulator (6) mit einer Modulationsfrequenz von mehr als 200 MHz ausgeführt ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Faser (5), die als Faserkuppler zur Kollimierung ausgeführt ist, im Strahlrichtung vor dem akustooptischen Modulator (6) angeordnet ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des Lasers eine Vorrichtung zum Teilen des Laserstrahls (4) angeordnet ist und nur ein Teilstrahl dem akusto-optischen Modulator (6) zugeführt wird. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Regeleinrichtung mit einem PID Regler (18) ausgeführt ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser und die Absorptionszelle (8) so ausgeführt sind, dass die Grundfrequenz des Lasers näherungsweise einer Absorptionslinie der Absorptionszelle (8) entspricht. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zur Frequenzmodifikation (23) in den Laserstrahl eingebracht ist und Laser und Absorptionszelle (8) so ausgeführt sind, dass die modifizierte Frequenz des Lasers näherungsweise einer Absorptionslinie der Absorptionszelle (8) entspricht. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser als diodengepumpter Laser mit injection seeding und einem Referenzlaser (1) mit Nd:YAG Kristall ausgeführt ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen in Strahlrichtung vor dem akusto-optischen Modulator (6) angeordneten Frequenzverdoppler (23) aufweist und die Absorptionszelle (8) als temperaturstabilisierte Joddampf Absorptionszelle (8) ausgebildet ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionszelle (8) als optischer Resonator mit schmalen Absorptions- bzw. Transmissionslinien ausgeführt ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der optischer Resonator als Fabry-Perot Interferometer mit äquidistanten Transmissionlinien ausgeführt ist. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßsensoren (9, 10, 13, 14) für die Strahlintensitäten als kalibrierte Meßsensoren (9, 10, 13, 14) ausgebildet sind. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Meßsensoren (9, 10, 13, 14) für die Strahlintensitäten als Fotodioden (9, 10, 13, 14) ausgebildet sind. Eine frequenzstabilisierte Laseranordnung gemäß jedem der Ansprüche 10 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Pulslaser oder Dauerstrichlaser ist.






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