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Anordnung zur Verschiebung der optischen Frequenz von kohärentem Licht
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Verschiebung der optischen Frequenz
von kohärentes Licht mittels auf dem Debey-Sears-Effekt beruhenden akusto-optischen
Modulatoren.
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In einer Vielzahl von opto-elektronischen oder optischen Einrichtungen
ist es erforderlich, die optische Frequenz, z.B.
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eines Lasers um einen definierten Betrag zu verändern, beispielsweise
bei holographischer Interferometrie, Laser-Doppler-Strömungssonden etc. Herkömmliche
Anordnungen benutzen zur Frequenzverschiebung ein rotierendes Gitter oder einen
auf dem Debey-Sears-Effekt beruhenden Modulator, z.B. eine sogenannte
Bragg-Zelle
(vgl. Applied Physics Letters -16, 262 ue 263 <1970) bzw. a.a.O. 17, 523 (1970).
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Zwar lassen sich mit rotierenden Gittern weite Frequenzverschiebungen
realisieren, doch weist der frequenzverschobene Lichtstrahl infolge der nicht perfekten
Gitterteilung und anderer Einflüsse Amplituden- und Frequenzschwankungen auf, die
insbesondere für messtechnische Anwendungen nicht erwünscht sind. Bragg-Zellen hingegen
erlauben konstante Frequenzverschiebungen, wenn diese Zellen von quarzgesteuerten
Oszillatoren aktiviert werden, doch liegen die erreichbaren Frequenzverschiebungen
aus physikalischen Grunde im Bereich von einigen Megahertz.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die es gestattet,
die optische Frequenz von kohärentem Licht in einem weiten Bereich zu verschieben
und dabei die Frequenzverschiebung extrem konstant zu halten.
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Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Gattung
dadurch gelöst, dass erfindungsgemAss mindestens zwei Modulatoren der genannten
Art optisch hintereinandergeschaltet sind.
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Die Modulatoren werden dabei mit Vorteil im Bragg-Regime betrieben,
d.h das einfallende Licht bildet mit der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen
im Modulator einen bestimmten, durch die Braggsche Gleichung bestimmten Winkel.
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Je nachdem, ob dieser Winkel grösser oder kleiner als 900, bzw. -
bei gleichem Winkel je nach Ausbreitungsrichtung der Schallwellen, lassen sich Frequenzverschiebungen
in positiver oder negativer Richtung realisieren. Durch Kombination unterschiedlicher
Frequenzverschiebung sowohl der Grösse als auch des Vorzeichens nach lassen sich
somit Frequenzverschiebungen erreichen, die zwischen wenigen Kilohertz und der doppelten
Freauenzverschiebung eines Modulators allein liegen.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein Phasenregelkreis
zur Konstanthaltung der Differenz- bzw. Summenfrequenz-Verschiebung vorgesehen,
der es ermöglicht, die resultierende Frequenzverschiebung extrem konstant zu halten
oder diese in weiten Grenzen einzustellen.
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Wähltman die Frequenzverschiebungen der einzelnen Modulatoren dem
absoluten Betrag nach gleich gross, jedoch mit umekehrtem Vorzeichen, so erhält
man als Grenzfall einen elektronisch variablen optischen Phasenschieber. Auch ist
es möglich, die Anordnung als einstellbaren Strahlteiler zu betreiben.
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Nähere Einzelheiten sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung werden
nachstehend anhand der Zeichnung eingehend erläutert.
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In der Zeichnung zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung von zwei
optisch hintereinander geschalteten akusto-optischen Modulatoren, Fig. 2 ein Blockschaltbild
eines Phas8nregelkreises zur Konstanthaltung der Frequenzverschiebung.
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Die Anordnung zur Verschiebung der optischen Frequenz von kohärentem
Licht besteht im Prinzip aus zwei hintereinandergeschalteten akusto-optischen Modulatoren
1, 2, z.B. Bragg-Zellen. Bragg-Zellen sind bekannte Bauelemente der Optik und beispielsweise
in "Applied Physics Letters"7, 19 (1965) bzw.
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"Journal of the Acoust. Soc. of America" 21, 101 (1949) eingehend
beschrieben. Die Modulatoren 1, 2 werden von quarzkontrollierten Oszillatoren mit
entsprechend ausgebildeten Treiberstufen, dargestellt durch die Blöcke 3, 4 gespeist.
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Das von einer kohärenten Lichtquelle 5, z.B. einem Laser, kommende
Licht mit der optischen Frequenz-Y<fällt auf den ersten der beiden Modulatoren.
Die Einfallsrichtung ist dabei so gewählt, dass der Winkelo>B zwischen dem einfallenden
Licht und der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen in dem Modulator (Pfeilrichtung
im Modulator 1) dem
Braggschen Winkel entspricht, d.h. der Modulator
wird im Braggschen Regime betrieben. Ist fl die Frequenz der den Modulator 1 treibenden
Spannung, so besitzt das den Modulator verlassende Licht die optische Frequenz #
+ fl. Dieses fällt auf den Modulator 2. Die Einfallsrichtung dieses Lichtes bildet
mit der Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen im Modulator 2 (ebenfalls durch
einen Pfeil angedeutet) den Winkel ß B. Auch dieser Winkel entspricht dem Braggschen
Winkel.
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Durch den Modulator 2 wird, wenn f2 die Frequenz der den Modulator
2 treibenden Spannung ist, das Licht in seiner optischen Frequenz um den Betrag
f2 verschoben.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig sind die Ausbreitungsrichtungen
der Ultraschallwellen in den Modulatoren bzw.
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die WinkelαB und pB SO gewählt, dass das Licht beim Durchgang
durch beide Modulatoren 1, 2 eine Verschiebung seiner optischen Frequenz um den
Betrag f1 - f2 erleidet. Die Parallelanordnung beider Modulatoren hinsichtlich der-Ausbreitungsrichtung
der Ultraschallwellen bewirkt, dass das (beim Modulator 1) eintretende und das(den
Modulator 2) verlassende Licht parallelverschoben ist.
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Da die- Frequenzen fl und f2 lediglich durch die physikalischen Eigenschaften
der Modulatoren bzw. durch die Frequenzen der Treiberspannungen bestimmt sind, lassen
sich nahezu beliebige
optische Frequenzverschiebungen realisieren,
und zwar nach folgendem Schema: a) Gleiche Ausbreitungsrichtung der Ultraschallwellen
(wie in Fig. 1 eingetragen: Mit den Winkeln αB ; ßB = 180° - αB ergibt
sich eine optische Frequenzverschiebung um fl - f2. Dabei ist die resultierende
optische Frequenz des Lichtes grösser oder kleiner als die Eingangsfrequenz # :
je nachdem α B kleiner oder grösser als 900 ist.
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b) Entgegengesetzte Ausbreitungsrichtung der Ultrasehallwellen: Mit
den Winkeln αB = ßB ergibt sich eine optische Frequenzverschiebung um f1 +
f2. Dabei ist die resultierende optische Frequenz grösser oder kleiner als die Eingangsfrequenz
# , je nachdem αB = ßB kleiner oder grösser als 90° ist.
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Praktische Erfahrungen mit Anordnungen gemäss Fig. 1 haben gezeigt,
dass die Konstanz der Verschiebung für viele Anwendungen völlig ausreichend ist.
Für erhöhte Anforderungen recht diese jedoch nicht aus, insbesondere dann nicht,
wenn der absolute Betrag der Frequenzverschiebung vergleichsweise klein (Grössenordnung
kilohertz) sein muss.
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Ein relativ aufwendiger Weg zur Konstanthaltung der Frequenzverschiebung
besteht darin, ausgehend von einem Oszillator, die Modulatoren über Frequenzteiler
mit unterschiedlichem Teilungsverhältnis anzusteuern. Der dabei anzuwendende elektronische
Aufwand ist beträchtlich und bietet darüber hinaus nur beschränkte Variationsmöglichkeiten
hinsichtlich der Frequenzverschiebung. Ein anderer Weg besteht darin, statt herkömmlicher
Oszillatoren, zumindest einen sogenannten -Frequenz-Synthesizer vorzusehen. Letztere
sind jedoch extrem teuer.
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Die Erfindung geht daher einen neuen Weg, indem - zwar auch unter
Zuhilfenahme elektronischer Mittel - zur Konstanthaltung der gewünschten Frequenzverschiebung
eine Regeleinrichtung in Form eines Phasenregelkreises vorsieht. Mit Hilfe eines
Phasenregelkreises lassen sich die vorgenannten Schwierigkeiten auf elegente Weise
umgehen. Darüber hinaus bietet diese - wie später noch gezeigt werden wird - neben
der Konstanthaltung der Frequenzverschiebung den weiteren Vorteil, durch Einspeisung
unterschiedlicher eferenzfrequenzen die Frequenzverschiebung bequem einstellen zu
können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines Phasenregelkreises
ist in Fig.2 dargestellt. Dieser Phasenregelkreis
besteht im wesentlichen
aus einer phase loked loop PLL Schaltung, die durch eine zusätzliche Mischstufe
und ein Tiefpass filter- ergänzt ist. Phasenregelkreise dieser Art sind an sich
bekannt (vgl "Signetics Linear - phase loked loops applications book", Ausgabe 1972
der Fa. Signetics Corporation, S.19 und S.20, insbesondere Fig.8-ll) und können
in der dort beschriebenen Form direkt für den vorliegenden Zweck eingesetzt werden.
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Entsprechend der Anordnung der Fig.l wird der Modulator 1 von einer
aus einem Oszillator mit Frequenz fl und Treiberstufe 3 bestehenden Generator gespeist.
Der Phasenregelkreis besteht aus einem Phasenkomparator 6, einem nachgeschalteten
Tiefpassfilter 7, einem Verstärker 8, an dessen Ausgang ein spannungsgesteuerter
Oszillator (VCO) 9 angeschlossen ist.
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Die Ausgangsspannung des VCO wird in einer Mischstufe 10 mit einer
dem Oszillator 3 entnommenen Spannung der Frequenz f gemischt. Die Ausgangsspannung
der Mischstufe gelangt über ein weiteres Tiefpassfilter 11 an den Phasenkomparator
6.
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Entsprechend der bekannten Schaltungsanordnung weist der Phasenkomparator
einen Offset-Eingang Eoffset auf, dem ein Referenzsignal Uref mit einer Frequenz
fref zugeführt wird. Der Modulator 2 ist über eine Treiberstufe 12 an den Ausgang
des VCO 9 angeschlossen.
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Die Wirkungsweise der Anordnung gemäss Fig.2 geht aus folgendem hervor:
Die Mischstufe 10 bildet aus den ihr zugeführten Signalen ein Ausgangssignal UlOt
das die Summen- und Differenzfrequenzen der Eingangssignale f1 und f2 enthält. In
dem nachgeschalteten Tiefpassfilter 11 wird die Summenkomponente herausgefiltert
und dem Phasenkomparator 6 zugeführt. Das dem Offset-Eingang zugeführte Referenzsignal
Uref hat die Frequenz der gewünschten optischen Frequenzverschiebung fref. Im "eingeristetent
Zustand des phase loked loop-Systems weisen die beiden dem Phasenkomparator 6 zugeführten
Signale die gleiche Frequenz auf. Dies vollzieht sich in der Weise, dass bei Frequenzabweichungen
zwischen den genannten Signalen im Phasenkomparator ein Fehlersignal gebildet wird,
das im Tiefpassfilter 7 von hochfrequenten Komponenten befreit wird und Uber den
Verstärker 8 den spannungsgesteuerten Oszillator 9 derart steuert, dass sich die
gewünschte Frequenzgleichheit einstellt.
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Mit den Bezeichnungen der Fig.2 gilt dann f2 = f1 + fref Wird die
Frequenz fref des dem Phasenkomparator 6 zugeführten Referenzsignals konstant gehalten,
dies lässt sich technisch leicht realisieren, so resultiert daraus die Konstanz
der erzielbaren optischen Frequenzverschiebung.
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Darüber hinaus gestattet es die beschriebene Regeleinrichtung, die
Frequenzverschiebung innerhalb weiter Grenzen, welche letztlich nur durch die elektrischen
Eigenschaften der verwendeten Elektronik-Komponenten bestimmt sind, einzustellen.
Dies erfolgt durch Einstellung der Frequenz fref .der Referenzspannung uref.
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Beträgt die Frequenz der Referenzspannung Uref Null, so ergibt sich
als Grenzfall ein elektronisch einstellbarer, optischer Phasenschieber, da dann
fl = f2 ist. Die (optische) Phasendifferenz zwischen einfallendem Licht und de den
zweiten Modulator 2 verlassenden Licht ist dabei durch die relative Phasenlage der
die Modulatoren treibenden Spannungen gegeben. Schaltet man demnach zwischen den
Oszillator 3 und den Modulator 1 einen Phasenschieber 13, so lassen sich beliebige
Phasenunterschiede zwischen einfallender und -austretendem Licht erzeugen, und zwar
auf rein elektronischem Wege.
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Die vorgeschlagene Anordnung zur Verschiebung der optischen Frequenz
von kohärentem Licht, insbesondere im der Ausführungsform mit Phasenregeleinrichtung
schafft erstmalig ein für eine Fülle von optisch bzw. optisch-elektronischen Anwendungen
geeignetes Instrument. Dadurch, dass optische Eigenschaften durch Verwendung elektrischer
Mittel bestimmt werden können - die optische Frequenzverschiebung wird sozusagen
aus
dem Bereich extrem hoher Frequenzen, nämlich der Lichtfrequenz, in den Bereich niederfrequenterer
Frequenzen, die elektronisch leicht-verarbeitbar sind, transformiert. Diese elektronische
Frequenztransformation ist vor allem für solche Anwendungen vorteilhaft, bei denen
eben die Frequenzverschiebung mit anderen Signalen bzw. Signalfrequenzen des jeweiligen
opto-elektronischen Mess-Systems verknüpft ist, z.B.
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bei Laser-Doppler-Strömungssonden mit Vorzeichenbestimmung der Strömungsgeschwindigkeit
für univdrselle-Anwendungen.