WO2023046614A1 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen einer lichtpulsabfolge - Google Patents

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WO2023046614A1
WO2023046614A1 PCT/EP2022/075896 EP2022075896W WO2023046614A1 WO 2023046614 A1 WO2023046614 A1 WO 2023046614A1 EP 2022075896 W EP2022075896 W EP 2022075896W WO 2023046614 A1 WO2023046614 A1 WO 2023046614A1
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clock signal
generating
control device
diode laser
laser
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PCT/EP2022/075896
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Dominik Surkamp
Niklas Schulz
Martin Hofmann
Carsten BRENNER
Original Assignee
RUHR-UNIVERSITäT BOCHUM
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S5/4012—Beam combining, e.g. by the use of fibres, gratings, polarisers, prisms

Definitions

  • the invention relates to a method for generating a light pulse sequence using at least two lasers.
  • the invention relates to a device for generating a light pulse sequence.
  • One possibility is to use exactly one laser to generate the excitation and interrogation light pulses, the optical signal of which is split into two paths - the excitation path and the interrogation path.
  • the delay between the excitation and interrogation light pulses is achieved by using a mechanical path length change over which the optical path of a path can be changed.
  • the disadvantage of this is that only a slow adjustment of the delay between the excitation and the interrogation light pulse is possible due to the mechanical adjustment.
  • due to the tolerances of the mechanical components, such as bearings and threaded spindles there is a deterioration in the signal. A great deal of effort is also required to adjust the two optical paths to one another.
  • Another possibility with exactly one laser is to achieve the delay between the excitation and the interrogation light pulse not by mechanical path length change, but by a built-in delay in one of the paths, and to change the pulse repetition rate of the laser, like this in optical sampling by cavity intimate (OSCAT).
  • OSCAT cavity intimate
  • Another possibility is to use two lasers instead of one laser, as is done in asynchronous optical sampling (ASOPS) or electronically controlled optical sampling (ECOPS).
  • ASOPS synchronous optical sampling
  • ECOPS electronically controlled optical sampling
  • ASOPS is based on the use of two pulsed lasers, with one laser generating the excitation light pulses and the other laser generating the interrogation light pulses.
  • the two lasers have a frequency difference in their unchangeable pulse repetition rates, so that there is a continuous variation in the time delay between the excitation and the interrogation light pulse over several light pulses.
  • the disadvantage of this is that a measurement with this method involves measuring a lot of "dead time", since at certain times the time delay between the excitation light pulse and the query light pulse does not match the dynamics of the system to be examined and is, for example, too large.
  • ECOPS uses two lasers, which, however, have a changeable frequency difference in their pulse repetition rates, which results in a time advantage over ASOPS during a measurement.
  • the pulse repetition rate and the frequency difference between the pulse repetition rates of the two lasers is implemented by changing the resonator length, as with OSCAT, this method has the disadvantage that undesirable effects such as signal instabilities can occur.
  • excitation and query light pulses can be generated using the SLAPCOPS method (single-laser polarization-controlled optical sampling), in which two (fiber) ring resonators, which are operated in different planes of polarization and are connected by the amplification medium.
  • the different optical lengths of the different planes of polarization resulting from the refractive index result in a different pulse circulation frequency of the two differently polarized light pulses in the ring resonators. Accordingly, the light pulses can be divided into excitation and query light pulses depending on the polarization and an asynchronous sampling analogous to ASOPS can be implemented.
  • the disadvantage of this is the complex system structure.
  • US Pat. No. 4,685,111 A describes a method and system for stabilizing the phase relationship of two RF-steered mode-locked lasers.
  • the method involves monitoring the output of both lasers and using a phase detector/comparator to generate a voltage that is proportional to the phase difference between the two lasers.
  • the voltage is amplified and filtered and fed into a voltage controlled phase delay connected to the mode lock of one of the lasers.
  • the phase delay serves to delay the RF signal to the one laser according to the desired phase relationship.
  • the publication DE 10 2014 001 357 A1 relates to an optics arrangement with a pulsed light source for generating primary light pulses, a pulse splitter for dividing the primary light pulses into first and second secondary light pulses, and a delay element for delaying the second secondary light pulses relative to the first secondary light pulses , wherein the pulse repetition rate of the pulsed light source can be changed in order to change a time delay between different secondary light pulses.
  • Document JP 2008 - 066 546 A describes a photoelectric oscillator provided with a semiconductor laser and a bias power supply section.
  • an amplification region for generating a stimulated emission light and a saturable absorbing region for partially absorbing the generated stimulated emission light are arranged along a waveguide direction.
  • the semiconductor laser extracts an optical pulse train to be generated in the semiconductor laser as an optical pulse signal.
  • the bias power supply section extracts a photocurrent to be generated in the saturable absorption region as a clock electric signal.
  • light pulse sequences should be provided with directly controllable time intervals without mechanical intervention in a resonator of the laser.
  • a method for generating a light pulse sequence using at least two diode lasers comprising the steps
  • tapping the generated optical clock signal from the first diode laser transmitting the tapped optical clock signal through a phase position control device to a second diode laser, wherein a transmission time of the optical clock signal through the phase position control device depends on a voltage applied to the phase position control device, and
  • Generating an electrical clock signal by generating a sequence of light pulses using the first diode laser, Tapping the generated electrical clock signal from the first diode laser at a contact surface of the first diode laser,
  • a device for generating a light pulse sequence comprising at least two diode lasers and a phase position control device, wherein a first diode laser is designed to generate an optical or electrical clock signal when generating a sequence of light pulses, the phase position control device being connected via a clock signal conductor to the first and a second diode laser is connected in such a way that the clock signal generated by the first diode laser can be transmitted to the second diode laser via the phase angle control device, the phase angle control device being designed in such a way that a transmission time of the clock signal through the phase angle control device depends on a voltage applied to the phase angle control device, wherein the second diode laser is designed to generate a further sequence of light pulses on the basis of the transmitted clock signal and wherein
  • the clock signal that is tapped off and transmitted is an optical clock signal
  • the clock signal conductor is an optical waveguide
  • the phase position control device is a delay element
  • the clock signal picked up and transmitted is an electrical clock signal
  • the clock signal conductor is a radio frequency signal conductor, preferably a coaxial cable
  • the phase position control device is an analog phase shifter
  • a core aspect of the invention is the use of two diode lasers, which are also referred to simply as lasers below, in combination with the phase position control device.
  • the first laser is designed to generate a light pulse and also to generate the clock signal when generating the light pulse.
  • the clock signal is picked up by the first laser and from the first laser via the phase control device to guided second laser, wherein the second laser generates a further light pulse on the basis of the clock signal.
  • the phase angle control device makes it possible to control the phase angle of the clock signal transmitted by the phase angle control device by means of the applied voltage. This results in a light pulse sequence generated by both lasers comprising the light pulse generated by the first laser and the further light pulse generated by the second laser, the time interval between the two light pulses being directly controllable by the voltage applied to the phase position control device.
  • the optical clock signal that is tapped off is transmitted as an optical clock signal through the phase angle control device to the second diode laser.
  • the tapped electrical clock signal is transmitted as an electrical clock signal through the phase angle control device to the second diode laser.
  • the first laser is designed not only to generate a light pulse, but to generate a sequence of light pulses with a first pulse repetition rate.
  • the first laser is preferably designed in such a way that the clock signal is also generated when each light pulse in the sequence of light pulses is generated and a sequence of clock signals is also generated correspondingly with the pulse repetition rate of the first laser.
  • the second laser is preferably designed to generate a further light pulse based on each individual clock signal of the clock signal sequence.
  • a light pulse sequence comprising the sequence of light pulses generated by the first laser and the sequence of further light pulses generated by the second laser, with the light pulses of the first and the second preferably being different in the entire light pulse sequence alternate lasers.
  • the time interval between a light pulse generated by the first laser and the light pulse generated by the second laser that follows this light pulse can be controlled directly for all light pulses of the entire light pulse sequence by the voltage applied to the phase position control device and preferably varied in a targeted manner.
  • the light pulse sequence generated by both lasers has the pulse repetition frequency of the first laser for the light pulses generated by the first laser, while the light pulses of the second laser are in each case shifted in time between the light pulses of the first laser predetermined by the pulse repetition frequency, the time interval between the light pulse of the first laser and the subsequent light pulse of the second laser being shifted in time being controllable and preferably variable in a targeted manner by the applied voltage .
  • the method is suitable for generating the light pulse sequence for excitation-interrogation measurements, in particular in ultra-short-time spectroscopy and/or terahertz time-domain spectroscopy.
  • the clock signal that is generated in the first step of the method is preferably a periodic signal.
  • a frequency of the clock signal is preferably in the frequency range from 50 MHz to 50 GHz and/or preferably corresponds to the pulse repetition frequency of the first laser.
  • the pulse repetition frequency of the first laser is specified directly by a resonator length of a resonator of the first laser. If the first laser is designed as a particularly amplified laser system, the pulse repetition frequency of the first laser can drop into the kHz range.
  • the clock signal ensures the temporal coordination between the generation of the light pulses of the first laser and the generation of the light pulses of the second laser in the process.
  • the generated clock signal is designed and how the clock signal is picked up by the first laser.
  • the generated clock signal is an optical signal
  • the generated clock signal is an electrical signal.
  • the generated clock signal is an optical clock signal and the step of tapping the generated clock signal from the first laser includes decoupling the optical clock signal from a resonator of the first laser.
  • the optical clock signal is preferably coupled out via a partially transparent mirror, via a decoupling piece and/or via a facet of the resonator.
  • the optical clock signal is preferably tapped off via the facet and particularly preferably via the rear facet of the resonator of the diode laser.
  • the optical signal is preferably tapped off from the resonator via the decoupling piece.
  • the facets of the diode laser resonator are the end faces of the resonator that allow the light to reflect back and forth within the resonator.
  • the rear facet is preferably that facet of the resonator via which the laser beam is not normally coupled out during operation of the diode laser.
  • the rear facet is formed by that end mirror which has a higher reflectivity than the output mirror. In order to pick up the clock signal, a small proportion of the light in the resonator is therefore preferably coupled out in the case of an optical clock signal.
  • the generated clock signal is an electrical clock signal
  • the step of tapping the generated clock signal from the first laser comprises tapping the electrical clock signal at the contact surface of the first laser.
  • An electrical clock signal is preferably to be understood as a physical signal which can transport information on the basis of an electrical quantity.
  • the electrical clock signal can also be the electrical component of an electromagnetic field.
  • a first laser configured as a diode laser is the Contact surface on which the electrical clock signal is tapped, preferably an electrical contact of a laser diode. When tapping the electrical clock signal from the electrical contacting of the laser diode, a high-frequency adjustment preferably takes place.
  • the laser diode also functions as a photodiode for its own light pulse circulating in the diode laser.
  • the clock signal is transmitted in the next step of the method from the first laser via the phase position control device to the second laser, with the transmission time of the clock signal through the phase position control device being dependent on the voltage applied to the phase position control device.
  • the specific configuration of the phase angle control device which makes it possible to check the phase angle of the clock signal, is preferably adapted to the type of clock signal transmitted.
  • the transmitted clock signal is an optical clock signal and that the phase angle control device is a delay element.
  • the function of the delay element is preferably based on an electro-optical effect.
  • the transmitted clock signal is an electrical clock signal and that the phase angle control device is an analog phase shifter. It is particularly preferably an analog high-frequency phase shifter.
  • the phase shifter is preferably designed to shift the phase of an electrical oscillation of the electrical clock signal.
  • commercially available analog high frequency phase shifters from Mini-Circuits (Brooklyn, NY 11235) can be used.
  • the step of generating the light pulse by means of of the second laser on the basis of the transmitted clock signal comprises feeding the clock signal into the second laser and modulating the second laser.
  • the modulation of the second laser via an absorber element which makes it possible to vary and/or modulate losses via an applied voltage.
  • the clock signal passed through the phase angle control device is preferably used to modulate the absorber element of the second laser, resulting in a modulation of the resonator loss of the second laser. In this way, the second laser generates the further light pulse on the basis of the transmitted clock signal.
  • the method comprises the step of changing an absorber voltage applied to the absorber element of the second laser.
  • the absorber voltage By changing the absorber voltage, the generation of the further light pulse by means of the second laser can be influenced, so that the time interval between the light pulse of the first laser and the further light pulse of the second laser can also be changed in this way.
  • the time interval between the light pulse of the first laser and the further light pulse of the second laser can be finely adjusted.
  • the transmitted clock signal is an optical clock signal
  • the transmitted clock signal is an optical clock signal and the step of generating the light pulse by means of the second laser based on the transmitted clock signal includes feeding the optical clock signal into a resonator of the second laser.
  • the transmitted optical clock signal is preferably used as a so-called V signal and coupled into the resonator of the second laser.
  • the phase position control device is designed in such a way that the transmission time of the clock signal through the phase position control device depends on the voltage applied to the phase position control device.
  • the phase position and, in this way, the time interval between two consecutive pulses of the clock signal can be changed via the applied voltage.
  • the voltage applied to the phase position control device is constant, changed stepwise, ramped, or modulated and/or that the voltage applied to the phase position control device is a direct voltage or an alternating voltage.
  • the method thus enables a number of options as to how the voltage applied to the phase angle control device is configured.
  • Different light pulse sequences can be generated in this way.
  • the time interval within a pair of pulses comprising the light pulse generated by the first laser and the further light pulse generated by the second laser is the same for pulse pairs that follow one another in time.
  • the voltage applied to the phase position control device can be sinusoidally modulated, resulting in a time-varying spacing over a number of pulse pairs.
  • a variation of the time interval by a specific time interval can be achieved, for example, by a combination of modulation and a DC component of the applied voltage.
  • the step of generating the clock signal by generating the light pulse by means of the first laser includes generating light pulses with a pulse repetition rate of up to 50 GHz.
  • the first laser is preferably an ultra-short-time laser that achieves light pulse sequences with a pulse repetition rate of up to 50 GHz.
  • a time interval between two consecutive light pulses is between 0 and a period determined by the pulse repetition rate of the first laser.
  • the time interval means the time interval between the light pulse generated by the first laser and the further light pulse generated by the second laser.
  • the first laser is in a free-running state during the step of generating the clock signal by generating the light pulse.
  • the first laser is therefore preferably in a free-running state and, due to its inherent pulse repetition rate, serves directly as a clock generator for the process.
  • a preferred development of the invention provides that the step of generating the clock signal by generating the light pulse includes synchronizing the generation of the light pulse with an external reference signal.
  • the first and second laser is a diode laser.
  • the diode lasers result in advantages in terms of miniaturization, since a high integration potential is achieved, and in this way the two diode lasers can be configured very compactly in one module and/or as an on-chip system.
  • the first and the second laser are two mode-locked diode lasers.
  • the diode lasers can also be designed as monolithic mode-locked diode lasers or the diode lasers can be operated with an external resonator.
  • the first and/or second lasers can be diode-pumped titanium:sapphire lasers or diode-pumped fiber lasers.
  • the invention also relates to the device for generating the light pulse sequence comprising the at least two diode lasers and the phase position control device, the first diode laser being designed to generate the optical or electrical clock signal when generating the sequence of light pulses, the phase position control device via the clock signal conductor is connected to the first and the second diode laser in such a way that the clock signal generated by the first diode laser can be transmitted to the second diode laser via the phase position control device, the phase position control device being designed in such a way that the transmission time of the clock signal through the phase position control device depends on the voltage applied to the phase position control device depends, the second diode laser being designed to generate the further sequence of light pulses on the basis of the transmitted clock signal.
  • the device is designed to carry out the method described above.
  • the clock signal that is tapped off and transmitted is an optical clock signal
  • the clock signal conductor is an optical fiber
  • the phase position control device is a delay element
  • the clock signal that is tapped off and transmitted is an electrical clock signal
  • the clock signal conductor is a radio-frequency signal conductor, preferably a coaxial cable
  • the phase control device is an analog phase shifter.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a device for generating a
  • Fig. 2 is a schematic representation of a device for generating a
  • Fig. 3 is a schematic representation of a device for generating a
  • Fig. 4 is a schematic representation of a device for generating a
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 10 for generating a light pulse sequence, according to a preferred embodiment of the invention.
  • the device 10 presently comprises a first laser 12 and a second laser 14 and a phase control device 16.
  • the phase control device 16 is connected via a clock signal conductor 18 to the first laser 12 and the second laser 14 in such a way that a clock signal generated by the first laser 12 via the Phase control device 16 can be transmitted to the second laser 14 .
  • the phase position control device 16 is designed in such a way that a transmission time of the clock signal through the phase position control device 16 depends on a voltage U c applied to the phase position control device 16 .
  • the first laser 12 generates the clock signal by generating a light pulse 20 .
  • the clock signal is tapped off by the first laser 12 and then passed from the first laser 12 through the phase control device 16 to the second laser 14 .
  • the second laser 14 generates another light pulse 22 based on the transmitted clock signal.
  • phase position control device 16 Since the phase position control device 16 is designed in such a way that the transmission time of the clock signal through the phase position control device 16 depends on the voltage U c applied to the phase position control device 16, there is also a time interval 24 between the light pulses 20 generated by the first laser 12 and those from the second laser 14 generated light pulses 22, from the applied voltage U c . In the present case, a voltage U c that is constant over time is applied. In the present case, the time interval 24 is proportional to the applied voltage U c and can be adjusted via the applied voltage U c .
  • FIG. 2 shows a further schematic representation of the device 10 for generating the light pulse sequence, according to a further preferred embodiment of the invention.
  • the device 10 in FIG. 2 is provided with a signal of an external reference frequency RFsyn is imprinted. Accordingly, the entire synchronized Light pulse sequence at the reference frequency RF syn of the reference frequency signal.
  • the time interval 24 is also a function of time and varies for successive pairs of light pulses.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of the device 10 for generating the light pulse sequence.
  • the first and second lasers 12, 14 are designed as mode-locked diode lasers and implemented in an integrated manner in a system 26.
  • a resonator 28, 30 and an absorber element 32, 34 of the first and second lasers 12, 14 can be seen in FIG.
  • the clock signal, which is picked up by the first laser 12 is an electrical clock signal and is conducted to the phase angle control device 16 via the clock signal conductor 18, which is designed as a coaxial cable 36 in the present exemplary embodiment.
  • the phase position control device 16 is an analog high-frequency phase shifter 38 in the present case.
  • the electrical clock signal is tapped off at a contact surface of the first laser 12, passed through the analog high-frequency phase shifter 36 to the second laser 14 and used to modulate the absorber element 34 of the second laser 14. This results in a modulation of the losses of the resonator 30 of the second laser 14, so that the second laser 14 generates the further light pulses 22 on the basis of the electrical clock signal.
  • the absorber voltage UAbs2 applied to the second laser 14 can be used to change the time interval 24 slightly. Also shown in FIG. 3 are the current levels Ioaini, Ioain2 used to control the first and second lasers 12, 14, for the gain medium of the first and second lasers 12, 14, and the absorber voltage LAbsi applied to the first laser 12.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the device 10 for generating the light pulse sequence.
  • the first and second lasers 12, 14 are configured as mode-locked diode lasers and implemented in an integrated manner in a system 26, analogously to FIG.
  • the clock signal in the present exemplary embodiment is an optical clock signal and is routed to the phase angle control device 16 via the clock signal conductor 18 embodied as an optical waveguide 40 .
  • the phase angle control device 16 is designed accordingly as a delay element 42 .
  • the optical clock signal picked up at a rear facet of the resonator 28 of the first laser 12 is fed through the delay element 42 to the second laser 14 analogously to FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge mittels wenigstens zwei Diodenlasern (12, 14) umfassend die Schritte - Erzeugen eines optischen oder elektrischen Taktsignals durch Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen (20) mittels eines ersten Diodenlasers (12), - Abgreifen des erzeugten optischen oder elektrischen Taktsignals von dem ersten Diodenlaser (12), - Transmittieren des abgegriffenen optischen oder elektrischen Taktsignals durch eine Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) an einen zweiten Diodenlaser (14), wobei eine Transmissionszeit des optischen oder elektrischen Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) angelegten Spannung (Uc) abhängt, und - Erzeugen einer weiteren Folge von Lichtpulsen (22) mittels des zweiten Diodenlasers (14) auf Basis des transmittierten optischen oder elektrischen Taktsignals. Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung (10) zur Durchführung des obigen Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge mittels wenigstens zwei Lasern.
Zudem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge.
Bei Experimenten und Messtechniken, die auf einem Anregungs-Abfrage-Prinzip (englisch pump-probe) basieren, wird das zu untersuchende System mittels eines ultra-kurzen, intensiven Laserpulses in einen angeregten Zustand versetzt (Anregung), der dann anschließend durch einen zweiten kurzen Laserpuls, der gegenüber dem Anregungs-Puls zeitlich verzögert ist, spektroskopisch untersucht wird (Abfrage). Durch Variation der Verzögerungszeit zwischen den beiden Lichtpulsen lassen sich Einblicke in die Dynamik der nach der Anregung ablaufenden Prozesse im untersuchten System gewinnen. Pump-Probe Experimente werden oftmals im Rahmen der Ultrakurzzeitspektroskopie durchgeführt, bei der die zeitliche Auflösung im Bereich von Femtosekunden liegt. Auch die Terahertz-Zeitbereichs-Spektroskopie arbeitet nach diesem Prinzip.
Zum Erzeugen der Anregungslichtpulse und der Abfragelichtpulse sowie zum Einstellen des zeitlichen Abstandes zwischen dem Anregungs- und dem Abfragelichtpuls sind im Stand der Technik unterschiedliche Möglichkeiten bekannt.
Eine Möglichkeit ist, zur Erzeugung des Anregungs- und des Abfragelichtpulses genau einen Laser zu verwenden, dessen optisches Signal in zwei Pfade aufgeteilt wird - den Anregungspfad und den Abfragepfad. Die Verzögerung zwischen dem Anregungs- und dem Abfragelichtpuls wird erreicht, indem eine mechanische Weglängenänderung, über die sich der optische Weg eines Pfades verändern lässt, verwendet wird. Nachteilig daran ist, dass aufgrund der mechanischen Einstellung lediglich ein langsames Einstellen der Verzögerung zwischen dem Anregungs- und dem Abfragelichtpuls möglich ist. Zudem ergibt sich aufgrund der Toleranzen der mechanischen Bauteile, wie Lager und Gewindespindeln eine Signalverschlechterung. Ebenfalls ist ein hoher Aufwand notwendig, um die zwei optischen Pfade zueinander zu justieren. Eine weitere Möglichkeit bei genau einem Laser ist die Verzögerung zwischen dem Anre- gungs- und dem Abfragelichtpuls nicht durch die mechanische Weglängenänderung zu erzielen, sondern durch eine fest eingebaute Verzögerung in einem der Pfade, und dafür aber die Pulswiederholrate des Lasers zu ändern, wie dies beim optischen Abtasten durch Resonatorverstimmung (optical sampling by cavity innig. OSCAT) durchgeführt wird. Da die Änderung der Pulswiederholrate durch eine Längenveränderung des Resonators des Lasers erfolgt, hat dieses Verfahren allerdings den Nachteil, dass es zu Signalinstabilitäten führen kann.
Eine andere Möglichkeit ist statt eines Lasers zwei Laser zu verwenden, wie dies beim asynchronen optischen Abtasten (asynchronous optical sampling, ASOPS) oder beim elektronisch kontrollierten optischen Abtasten (electronically controlled optcal sampling, ECOPS) durchgeführt wird.
ASOPS basiert auf der Verwendung von zwei gepulsten Lasern, wobei jeweils ein Laser die Anregungslichtpulse erzeugt und der andere Laser die Abfragelichtpulse. Die beiden Laser weisen einen Frequenzunterschied in ihren unveränderbaren Pulswiederholraten auf, so dass sich über mehrere Lichtpulse hinweg eine kontinuierliche Variation der Zeitverzögerung zwischen dem Anregungs- und dem Abfragelichtpuls ergibt. Nachteilig daran ist, dass bei einer Messung mit diesem Verfahren viel „Totzeit“ mitgemessen wird, da zu gewissen Zeiten die zeitliche Verzögerung zwischen dem Anregungslichtpuls und dem Abfragelichtpulse nicht zur Dynamik des zu untersuchenden Systems passt und beispiels- wiese zu groß ist.
Bei ECOPS werden ebenfalls wie bei ASOPS zwei Laser verwendet, die allerdings einen veränderbaren Frequenzunterschied in ihren Pulswiederholraten aufweisen, wodurch sich gegenüber ASOPS bei einer Messung ein Zeitvorteil ergibt. Da die Pulswiederholrate und derart der Frequenzunterschied zwischen den Pulswiederholraten der beiden Laser allerdings wie bei OSCAT über die Veränderung der Resonatorlänge umgesetzt wird, weist dieses Verfahren den Nachteil auf, dass unerwünschte Effekte wie Signalinstabilitäten auftreten können. Weiterhin können über das SLAPCOPS Verfahren (Single-Laser Polarization-Controlled Optical Sampling), bei dem zwei (Faser-) Ringresonatoren, welche in unterschiedlichen Polarisationsebenen betrieben werden und durch das Verstärkungsmedium verbunden sind, Anregungs- und Abfragelichtpulse erzeugt werden. Durch die aus dem Brechungsindex folgende unterschiedliche optische Länge der verschiedenen Polarisationsebenen ergibt sich eine verschiedene Pulsumlauffrequenz der beiden unterschiedlich polarisierten Lichtpulse in den Ringresonatoren. Entsprechend lassen sich die Lichtpulse polarisationsabhängig in Anregungs- und Abfragelichtpulse aufteilen und eine asynchrone Abtastung analog zu ASOPS umsetzen. Nachteilig daran ist der komplexe Systemaufbau.
Die Druckschrift US 4 685 111 A beschreibt ein Verfahren und ein System zum Stabilisieren der Phasenbeziehung von zwei HF-gesteuerten modengekoppelten Lasern. Das Verfahren umfasst das Überwachen der Ausgabe beider Laser und das Erzeugen einer Spannung, die proportional zur Phasendifferenz zwischen den beiden Lasern ist, mit einem Phasendetektor/Komparator. Die Spannung wird verstärkt und gefiltert und in eine spannungsgesteuerte Phasenverzögerung eingespeist, die mit dem Modelocker eines der Laser verbunden ist. Die Phasenverzögerung dient dazu, das HF-Signal zu dem einen Laser gemäß der gewünschten Phasenbeziehung zu verzögern.
Die Druckschrift US 2008 / 0 024 787 Al beschreibt ein symmetrischer optischer HF- Phasendetektor zur Extraktion von Hochfrequenzsignalen (HF) mit geringem Jitter aus optischen Impulszügen. Die Extraktion der Hochfrequenzsignale mit niedrigem Jitter basiert auf der präzisen Phasendetektion durch Verwendung eines differentiell vorgespannten Sagnac-Loop-Interferometers und einer synchronen Detektion.
Die Druckschrift DE 10 2014 001 357 Al bezieht sich auf eine Optikanordnung mit einer Pulslichtquelle zum Erzeugen primärer Lichtpulse, einem Pulsteiler zum Aufteilen der primären Lichtpulse in erste und zweite sekundäre Lichtpulse, und einem Verzögerungselement zum Verzögern der zweiten sekundären Lichtpulse relativ zu den ersten sekundären Lichtpulsen, wobei die Pulswiederholrate der Pulslichtquelle veränderbar ist, um eine zeitliche Verzögerung zwischen unterschiedlichen sekundären Lichtpulsen zu verändern. Das Dokument JP 2008 - 066 546 A beschreibt einen Photoelektrizitätsoszillator, der mit einem Halbleiterlaser und einem Vorspannungsversorgungsabschnitt versehen ist. In dem Halbleiterlaser sind ein Verstärkungsbereich zum Erzeugen eines stimulierten Emissionslichts und ein sättigbarer Absorptionsbereich zum teilweisen Absorbieren des erzeugten stimulierten Emissionslichts entlang einer Wellenleiterrichtung angeordnet. Der Halbleiterlaser extrahiert eine im Halbleiterlaser zu erzeugende optische Impulsfolge als optisches Impulssignal. Der Vorspannungsversorgungsabschnitt extrahiert einen in dem sättigbaren Absorptionsbereich zu erzeugenden Fotostrom als ein elektrisches Taktsignal.
Ausgehend davon ist es Aufgabe der Erfindung, Maßnahmen bereitzustellen, die die Erzeugung von Lichtpulsabfolgen mit einstellbaren zeitlichen Abständen vereinfachen. Insbesondere sollen Lichtpulsabfolgen mit direkt kontrollierbaren zeitlichen Abständen bereitgestellt werden, ohne einen mechanischen Eingriff in einen Resonator des Lasers.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge mittels wenigstens zwei Diodenlasem bereitgestellt, umfassend die Schritte
A)
Erzeugen eines optischen Taktsignals durch Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen mittels eines ersten Diodenlasers,
Abgreifen des erzeugten optischen Taktsignals von dem ersten Diodenlaser, Transmittieren des abgegriffenen optischen Taktsignals durch eine Phasenlagekontrollvorrichtung an einen zweiten Diodenlaser, wobei eine Transmissionszeit des optischen Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegten Spannung abhängt, und
Erzeugen einer weiteren Folge von Lichtpulsen mittels des zweiten Diodenlasers auf Basis des transmittierten optischen Taktsignals, oder
B)
Erzeugen eines elektrischen Taktsignals durch Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen mittels des ersten Diodenlasers, Abgreifen des erzeugten elektrischen Taktsignals von dem ersten Diodenlaser an einer Kontaktfläche des ersten Diodenlasers,
Transmittieren des abgegriffenen elektrischen Taktsignals durch eine Phasenlagekontrollvorrichtung an einen zweiten Diodenlaser, wobei eine Transmissionszeit des elektrischen Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegten Spannung abhängt, und
Erzeugen einer weiteren Folge von Lichtpulsen mittels des zweiten Diodenlasern auf Basis des transmittierten elektrischen Taktsignals.
Die Aufgabe wird zudem durch eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge umfassend wenigstens zwei Diodenlaser und eine Phasenlagekontrollvorrichtung gelöst, wobei ein erster Diodenlaser dazu ausgestaltet ist, beim Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen ein optisches oder elektrisches Taktsignal zu erzeugen, wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung über einen Taktsignalleiter mit dem ersten und einem zweiten Diodenlaser derart verbunden ist, dass das vom ersten Diodenlaser erzeugte Taktsignal über die Phasenlagekontrollvorrichtung an den zweiten Diodenlaser transmittierbar ist, wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass eine Transmissionszeit des Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegten Spannung abhängt, wobei der zweite Diodenlaser dazu ausgestaltet ist, auf Basis des transmittierten Taktsignals eine weitere Folge von Lichtpulsen zu erzeugen und wobei
A) das abgegriffene und transmittierte Taktsignal ein optisches Taktsignal ist, der Taktsignalleiter ein Lichtwellenleiter ist, und die Phasenlagekontrollvorrichtung ein Verzögerungselement ist, oder
B) das abgegriffene und transmittierte Taktsignal ein elektrisches Taktsignal ist, der Taktsignalleiter ein Radiofrequenzsignalleiter, bevorzugt ein Koaxialkabel ist, und die Phasenlagekontrollvorrichtung ein analoger Phasenschieber ist.
Ein Kemaspekt der Erfindung ist die Verwendung von zwei Diodenlasem, die im Folgenden auch einfach Laser genannt werden, in Kombination mit der Phasenlagekontrollvorrichtung. Der erste Laser ist dazu ausgestaltet einen Lichtpuls zu erzeugen und zudem beim Erzeugen des Lichtpulses das Taktsignal mit zu erzeugen. Das Taktsignal wird vom ersten Laser abgegriffen und vom ersten Laser über die Phasenlagenkontrollvorrichtung zum zweiten Laser geführt, wobei der zweite Laser auf Basis des Taktsignals einen weiteren Lichtpuls erzeugt. Die Phasenlagenkontrollvorrichtung ermöglicht, die Phasenlage des durch die Phasenlagekontrollvorrichtung transmittierten Taktsignals durch die angelegte Spannung zu kontrollieren. Dadurch ergibt sich eine von beiden Lasern erzeugte Lichtpulsabfolge umfassend den vom ersten Laser erzeugten Lichtpuls und den vom zweiten Laser erzeugten weiteren Lichtpuls, wobei der zeitliche Abstand zwischen den zwei Lichtpulsen direkt durch die an die Phasenlagenkontrollvorrichtung angelegte Spannung kontrollierbar ist.
Anders als im Stand der Technik (US 4 685 111 A) findet bei dem Verfahren also keine Umwandlung des optischen Taktsignales in ein elektrisches Taktsignal oder umgekehrt statt. In Variante A) des Verfahrens wird das abgegriffene optische Taktsignal als optisches Taktsignal durch die Phasenlagekontrollvorrichtung an den zweiten Diodenlaser transmit- tiert. In Variante B) wird das abgegriffene elektrische Taktsignal als elektrisches Taktsignal durch die Phasenlagekontrollvorrichtung an den zweiten Diodenlaser transmittiert.
Der erste Laser ist nicht nur dazu ausgestaltet, einen Lichtpuls zu erzeugen, sondern eine Abfolge von Lichtpulsen mit einer ersten Pulswiederholrate zu erzeugen. Zudem ist der erste Laser bevorzugt derart ausgestaltet, dass beim Erzeugen von jedem Lichtpuls der Abfolge von Lichtpulsen das Taktsignal miterzeugt wird und entsprechend auch eine Abfolge von Taktsignalen mit der Pulswiederholrate des ersten Lasers erzeugt wird. Weiter ist der zweite Laser bevorzugt dazu ausgestaltet, auf Basis jedes einzelnen Taktsignals der Taktsignalabfolge jeweils einen weiteren Lichtpuls zu erzeugen. Entsprechend werden von den zwei Lasern nicht nur zwei Lichtpulse erzeugt, sondern eine Lichtpulsabfolge umfassend die vom ersten Laser erzeugte Abfolge von Lichtpulsen und die vom zweiten Laser erzeugte Abfolge von weiteren Lichtpulsen, wobei sich bevorzugt in der gesamten Lichtpulsabfolge jeweils die Lichtpulse des ersten und des zweiten Lasers abwechseln. Der zeitliche Abstand zwischen jeweils einem von dem ersten Laser erzeugten Lichtpuls und dem auf diesen Lichtpuls darauffolgenden von dem zweiten Laser erzeugten Lichtpuls lässt sich für alle Lichtpulse der gesamten Lichtpulsabfolge direkt durch die an die Phasenlagenkontrollvorrichtung angelegte Spannung kontrollieren und bevorzugt gezielt variieren. In anderen Worten weist die von beiden Lasern erzeugte Lichtpulsabfolge somit für die vom ersten Laser erzeugten Lichtpulse die Pulswiederholfrequenz des ersten Lasers auf, während die Lichtpulse des zweiten Lasers jeweils zeitlich zwischen die durch die Pulswiederholfrequenz vorgegebenen Lichtpulse des ersten Lasers hineingeschoben sind, wobei der zeitliche Abstand zwischen dem Lichtpuls des ersten Lasers und des darauffolgenden zeitlich hineingeschobenen Lichtpulses des zweiten Lasers durch die angelegte Spannung kontrollierbar und bevorzugt gezielt variierbar ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung vereinfachen durch das direkte Einstellen des zeitlichen Abstandes somit das Erzeugen der Lichtpulsabfolge, insbesondere für Anregungs-Abfrage-Messungen stark. Insbesondere ermöglichen das Verfahren und die Vorrichtung den zeitlichen Abstand direkt zu kontrollieren. Zudem kann auf mechanische Verzögerungsstrecken, mechanische bewegliche Komponenten, die beispielsweise bei OSCAT oder ECOPS verwendet werden, und/oder auf Eingriffe in den Laserresonator verzichtet werden. Zudem ist beim vorliegenden Verfahren und der vorliegenden Vorrichtung kein externer Frequenzgenerator notwendig, da das Taktsignal direkt vom ersten Laser erzeugt wird. Grundsätzlich ist es möglich, dass ein externer Frequenzstandard verwendet wird, was aber keine Voraussetzung ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vorrichtung keinen externen Frequenzgenerator umfasst.
Das Verfahren eignet sich zum Erzeugen der Lichtpulsabfolge für Anregungs-Abfrage- Messungen insbesondere in der Ultrakurzzeitspektroskopie und/oder der Terahertz-Zeitbereichs-Spektroskopie.
Bei den wenigstens zwei Lasern handelt es sich bevorzugt um gepulste Laser, besonders bevorzugt um Ultrakurzpulslaser, die gepulstes Laserlicht bevorzugt im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden aussenden.
Beim Taktsignal, das im ersten Schritt des Verfahrens erzeugt wird, handelt es sich bevorzugt um ein periodisches Signal. Eine Frequenz des Taktsignals liegt bevorzugt im Frequenzbereich von 50 MHz bis 50 GHz und/oder entspricht bevorzugt der Pulswiederhol- frequenz des ersten Lasers. Zudem kann vorgesehen sein, dass die Pulswiederholfrequenz des ersten Lasers direkt durch eine Resonatorlänge eines Resonators des ersten Lasers vorgegeben ist. Ist der erste Laser als ein besonders verstärktes Lasersystem ausgebildet, kann die Pulswiederholfrequenz des ersten Lasers in den kHz Bereich absinken. Das Taktsignal stellt im Verfahren die zeitliche Koordination zwischen dem Erzeugen der Lichtpulse des ersten Lasers und dem Erzeugen der Lichtpulse des zweiten Lasers sicher.
Grundsätzlich sind mehrere Möglichkeiten vorgesehen, wie das erzeugte Taktsignal ausgestaltet ist und wie das Taktsignals von dem ersten Laser abgegriffen wird. In einer Alternative ist das erzeugte Taktsignal ein optisches Signal in einer weiteren Alternative ist das erzeugte Taktsignal ein elektrisches Signal.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das erzeugte Taktsignal ein optisches Taktsignal ist und der Schritt Abgreifen des erzeugten Taktsignals von dem ersten Laser ein Auskoppeln des optischen Taktsignals aus einem Resonator des ersten Lasers umfasst. Bevorzugt wird das optische Taktsignal über einen teildurchlässigen Spiegel, über ein Auskoppelstück und/oder über eine Facette des Resonators ausgekoppelt. Bei Diodenlasem wird das optische Taktsignal bevorzugt über die Facette und besonderes bevorzugt über die Rückfacette des Resonators des Diodenlasers abgegriffen. Bei Ringresonatoren wird das optische Signal bevorzugt über das Auskoppelstück aus dem Resonator abgegriffen. Bei den Facetten des Resonators des Diodenlasers handelt es sich um die Endflächen des Resonators, die ermöglichen, dass das Licht innerhalb des Resonators hin- und her reflektiert wird. Die Rückfacette ist bevorzugt diejenige Facette des Resonators, über die der Laserstrahl standardmäßig beim Betrieb des Diodenlasers nicht ausgekoppelt wird. Beispielsweise wird bei einem zwei Spiegel umfassenden Resonator die Rückfacette von jenem Endspiegel gebildet, der eine höhere Reflektivität aufweist als der Auskoppelspiegel. Um das Taktsignal abzugreifen, wird also bevorzugt im Falle eines optischen Taktsignals ein geringer Anteil des Lichtes im Resonator ausgekoppelt.
Alternativ dazu ist vorgesehen, dass das erzeugte Taktsignal ein elektrisches Taktsignal ist, und der Schritt Abgreifen des erzeugten Taktsignals von dem ersten Laser ein Abgreifen des elektrischen Taktsignals an der Kontaktfläche des ersten Lasers umfasst. Bevorzugt ist unter einem elektrischen Taktsignal ein physikalisches Signal zu verstehen, das auf Basis einer elektrischen Größe Informationen transportieren kann. Beim elektrischen Taktsignal kann es sich auch um die elektrische Komponente eines elektromagnetischen Feldes handeln. Bei einem als Diodenlaser ausgestalteten ersten Laser handelt es sich bei der Kontaktfläche an der das elektrische Taktsignal abgegriffen wird, bevorzugt um eine elektrische Kontaktierung einer Laserdiode. Bevorzugt erfolgt beim Abgreifen des elektrische Taktsignals von der elektrischen Kontaktierung der Laserdiode eine Hochfrequenzanpassung. Bei Diodenlasem fungiert die Laserdiode zugleich als Photodiode für einen eigenen im Diodenlaser umlaufenden Lichtpuls.
Wie bereits erwähnt wird nach dem Abgreifen des Taktsignals das Taktsignal im darauffolgenden Schritt des Verfahrens vom ersten Laser über die Phasenlagekontrollvorrichtung an den zweiten Laser transmittiert, wobei die Transmissionszeit des Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung von der an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegten Spannung abhängig ist. Die konkrete Ausgestaltung der Phasenlagekontrollvorrichtung, die ermöglicht die Phasenlage des Taktsignals zu kontrollieren, ist bevorzugt an die Art des transmittierten Taktsignals angepasst.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das transmittierte Taktsignal ein optisches Taktsignal ist und dass die Phasenlagekontrollvorrichtung ein Verzögerungselement ist. Bevorzugt basiert die Funktion des Verzögerungselementes auf einem elektrooptischen Effekt.
Alternativ dazu ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das transmittierte Taktsignal ein elektrisches Taktsignal ist und dass die Phasenlagekontrollvorrichtung ein analoger Phasenschieber ist. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen analogen Hochfrequenz-Phasenschieber. Der Phasenschieber ist bevorzugt dazu ausgestaltet, die Phase einer elektrischen Schwingung des elektrischen Taktsignals zu verschieben. Beispielsweise können kommerziell erhältliche analoge Hochfrequenz-Phasenschieber der Firma Mini-Circuits (Brooklyn, NY 11235) verwendet werden.
Unabhängig der Art des transmittierten Taktsignals, also unabhängig davon, ob es als optisches oder als elektrisches Taktsignal ausgestaltet ist, ist gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung im Hinblick auf das Erzeugen des weiteren Lichtpulses mittels des zweiten Lasers vorgesehen, dass der Schritt Erzeugen des Lichtpulses mittels des zweiten Lasers auf Basis des transmittierten Taktsignals ein Einspeisen des Taktsignals in den zweiten Laser und ein Modulieren des zweiten Lasers umfasst. Bevorzugt erfolgt das Modulieren des zweiten Lasers über ein Absorberelement, das ermöglicht über eine anliegende Spannung Verluste zu variieren und/oder zu modulieren. In anderen Worten wird also bevorzugt das durch die Phasenlagekontrollvorrichtung geführte Taktsignal zur Modulation des Absorberelementes des zweiten Lasers verwendet, wodurch sich eine Modulation des Resonatorverlustes des zweiten Lasers ergibt. Derart erzeugt der zweite Laser auf Basis des transmittierten Taktsignals den weiteren Lichtpuls.
In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass das Verfahren den Schritt Verändern einer an das Absorberelement des zweiten Lasers angelegten Absorberspannung umfasst. Durch Verändern der Absorberspannung kann das Erzeugen des weiteren Lichtpulses mittels des zweiten Lasers beeinflusst werden, so dass derart auch der zeitliche Abstand zwischen dem Lichtpuls des ersten Lasers und dem weiteren Lichtpuls des zweiten Lasers verändert werden kann. Insbesondere kann eine Feineinstellung des zeitlichen Abstandes zwischen dem Lichtpuls des ersten Lasers und dem weiteren Lichtpuls des zweiten Lasers vorgenommen werden.
Für den Fall, dass das transmittierte Taktsignal ein optisches Taktsignal ist, bietet sich zudem zu dem beschriebenen Vorgehen umfassend die Modulation des Absorberelementes, noch ein zusätzliches oder alternatives Vorgehen an. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das transmittierte Taktsignal ein optisches Taktsignal ist und der Schritt Erzeugen des Lichtpulses mittels des zweiten Lasers auf Basis des transmittierten Taktsignals ein Einspeisen des optischen Taktsignals in einen Resonator des zweiten Lasers umfasst. In anderen Worten wird in dieser Alternative bevorzugt das transmittierte optische Taktsignal als sogenanntes V - Sign al verwendet und in den Resonator des zweiten Lasers eingekoppelt.
Wie bereits erwähnt ist die Phasenlagekontrollvorrichtung derart ausgestaltet, dass die Transmissionszeit des Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung von der an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegten Spannung abhängig ist. Entsprechend lässt sich über die angelegte Spannung die Phasenlage und derart der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen des Taktsignals verändern. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass beim Transmittieren des abgegriffenen Taktsignals oder des auf Basis des abgegriffenen Taktsignals umgewandelten Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung die an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegte Spannung kontant ist, stufenweise, rampenartig verändert, oder moduliert wird und/oder dass die an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegte Spannung eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung ist. Das Verfahren ermöglicht also mehrere Möglichkeiten, wie die an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegte Spannung ausgestaltet ist. Derart lassen sich unterschiedliche Lichtpulsabfolgen erzeugen. Bei einer konstanten Spannung ist der zeitliche Abstand innerhalb eines Pulspaares umfassend den durch den ersten Laser erzeugten Lichtpuls und den durch den zweiten Laser erzeugten weiteren Lichtpuls für zeitlich aufeinanderfolgende Pulspaare gleich. Bei sich verändernder Spannung verändert sich auch der zeitliche Abstand innerhalb eines Pulspaares für zeitlich aufeinanderfolgende Pulspaare entsprechend. Beispielsweise kann die an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegte Spannung sinusförmig moduliert sein, wodurch sich ein zeitlich ändernder Abstand über mehrere Pulspaare hinweg ergibt. Eine Variation des zeitlichen Abstandes um einen bestimmten zeitlichen Abstand kann beispielsweise durch eine Kombination einer Modulation und Gleichanteil der angelegten Spannung erreicht werden.
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist zudem vorgesehen, dass der Schritt Erzeugen des Taktsignals durch Erzeugen des Lichtpulses mittels des ersten Lasers, ein Erzeugen von Lichtpulsen mit einer Pulswiederholrate von bis zu 50 GHz umfasst. Beim ersten Laser handelt es sich bevorzugt um einen Ultrakurzzeitlaser, der Lichtpulsabfolgen mit einer Pulswiederholrate von bis zu 50 GHz erreicht.
Weiterhin ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass ein zeitlicher Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen zwischen 0 und einer durch die Pulswiederholrate des ersten Lasers bestimmten Periodendauer liegt. Insbesondere ist mit zeitlicher Abstand der zeitliche Abstand zwischen dem vom ersten Laser erzeugten Lichtpuls und dem vom zweiten Laser erzeugten weiteren Lichtpuls gemeint.
Wie bereits erwähnt ist ein Vorteil des vorliegenden Verfahrens, dass kein externer Frequenzgenerator notwendig ist. In diesem Zusammenhang ist gemäß einer bevorzugten Weiterbildung vorgesehen, dass der erste Laser beim Schritt Erzeugen des Taktsignals durch Erzeugen des Lichtpulses in einem freilaufenden Zustand ist. Der erste Laser befindet sich also bevorzugt in einem freilaufenden Zustand und dient durch seine inhärente Pulswiederholrate direkt als Taktgeber für das Verfahren.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass ein externer Frequenzstandard für den ersten Laser verwendet wird. In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, dass der Schritt Erzeugen des Taktsignals durch Erzeugen des Lichtpulses ein Synchronisieren des Erzeugens des Lichtpulses mit einem externen Referenzsignal umfasst.
Im Hinblick auf den ersten und zweiten Laser ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Laser ein Diodenlaser ist. Durch die Diodenlaser ergeben sich hinsichtlich einer Miniaturisierung Vorteile, da ein hohes Integrationspotential erreicht wird, und derart die zwei Diodenlaser sehr kompakt in einem Modul und/oder als On-Chip System ausgestaltet sein können. Weiter bevorzugt handelt es sich beim ersten und beim zweiten Laser um zwei modengekoppelte Diodenlaser. Die Diodenlaser können zudem als monolithisch modengekoppelte Diodenlaser ausgestaltet sein oder die Diodenlaser können mit einem externen Resonator betrieben werden. Beispielweise kann es sich beim ersten und/oder zweiten Laser um diodengepumpte Titan: Saphir Laser oder diodengepumpte Faserlaser handeln.
Wie bereits erwähnt betrifft die Erfindung auch die Vorrichtung zum Erzeugen der Lichtpulsabfolge umfassend die wenigstens zwei Diodenlaser und die Phasenlagekontrollvorrichtung, wobei der erster Diodenlaser dazu ausgestaltet ist, beim Erzeugen der Folge von Lichtpulsen das optische oder elektrische Taktsignal zu erzeugen, wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung über den Taktsignalleiter mit dem ersten und dem zweiten Diodenlaser derart verbunden ist, dass das vom ersten Diodenlaser erzeugte Taktsignal über die Phasenlagekontrollvorrichtung an den zweiten Diodenlaser transmittierbar ist, wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass die Transmissionszeit des Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung von der an die Phasenlagekontrollvorrichtung angelegten Spannung abhängt, wobei der zweite Diodenlaser dazu ausgestaltet ist, auf Basis des transmittierten Taktsignals die weitere Folge von Lichtpulsen zu erzeugen. Weiter bevorzugt ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, das oben beschriebene Verfahren durchzuführen. Zudem ist vorgesehen, dass das abgegriffene und transmittierte Taktsignal ein optisches Taktsignal ist, der Taktsignalleiter ein Lichtwellenleiter ist, und die Phasenlagekontrollvorrichtung ein Verzögerungselement ist, oder dass das abgegriffene und transmittierte Taktsignal ein elektrisches Taktsignal ist, der Taktsignalleiter ein Radiofrequenzsignalleiter, bevorzugt ein Koaxialkabel ist, und die Phasenlagekontrollvorrichtung ein analoger Phasenschieber ist.
Hinsichtlich der weiteren technischen Merkmale der Vorrichtung und deren Vorteile sei auf die Beschreibung des Verfahrens zum Erzeugen der Lichtpulsabfolge verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer
Lichtpulsabfolge, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer
Lichtpulsabfolge, gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer
Lichtpulsabfolge, gemäß einerweiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer
Lichtpulsabfolge, gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 10 umfasst vorliegend einen ersten Laser 12 und einen zweiten Laser 14 und eine Phasenlagekontrollvorrichtung 16. Die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 ist über einen Taktsignalleiter 18 mit dem ersten Laser 12 und dem zweiten Laser 14 derart verbunden, dass ein vom ersten Laser 12 erzeugtes Taktsignal über die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 an den zweiten Laser 14 transmittierbar ist. Zudem ist die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 derart ausgestaltet, dass eine Transmissionszeit des Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 angelegten Spannung Uc abhängt.
Im Folgenden wird mit Bezugnahme zu Figur 1 ein Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge erklärt. In einem ersten Schritt des Verfahrens erzeugt der erste Laser 12 durch Erzeugen eines Lichtpulses 20 das Taktsignal. Das Taktsignal wird vom ersten Laser 12 abgegriffen und im folgenden vom ersten Laser 12 durch die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 an den zweiten Laser 14 geführt. Der zweite Laser 14 erzeugt auf Basis des trans- mittierten Taktsignals einen weiteren Lichtpuls 22.
Da die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 derart ausgestaltet ist, dass die Transmissionszeit des Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 von der an die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 angelegten Spannung Uc abhängt, hängt auch ein zeitlicher Abstand 24, zwischen den vom ersten Laser 12 erzeugten Lichtpulsen 20 und den vom zweiten Laser 14 erzeugten Lichtpulsen 22, von der angelegten Spannung Uc ab. Vorliegend wird eine zeitlich konstante Spannung Uc angelegt. Der zeitliche Abstand 24 ist vorliegend proportional zur angelegten Spannung Uc und lässt sich über die angelegte Spannung Uc einstellen.
Figur 2 zeigt eine weitere schematische Darstellung der Vorrichtung 10 zum Erzeugen der Lichtpulsabfolge, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zu Figur 1, bei der sich der erste Laser 12 in einem freilaufenden Zustand befindet und selbst als Taktgeber für die Vorrichtung 10 fungiert, ist bei der Vorrichtung 10 in Figur 2 vorgesehen, dass auf den ersten Laser 12 ein Signal einer externen Referenzfrequenz RFsyn aufgeprägt wird. Entsprechend synchronisiert sich die gesamte Lichtpulsabfolge zur Referenzfrequenz RFsyn des Referenzfrequenzsignals. Zudem ist im Ausführungsbeispiel in Figur 2 im Gegensatz zu Figur 1 die an die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 angelegte Spannung Uc nicht zeitlich konstant, sondern zeitlich moduliert gemäß Uc = U • sin( >mod • t). Entsprechend ist auch der zeitliche Abstand 24 eine Funktion der Zeit und variiert für aufeinanderfolgende Lichtpulspaare.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 zum Erzeugen der Lichtpulsabfolge. In diesem Ausführungsbeispiel sind der erste und der zweite Laser 12, 14 als modengekoppelte Diodenlaser ausgestaltet und integriert in einem System 26 umgesetzt. Zudem ist in Figur 3 jeweils ein Resonator 28, 30 und ein Absorberelement 32, 34 des ersten und des zweiten Lasers 12, 14 zu erkennen. Im in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Taktsignal, das vom ersten Laser 12 abgegriffen wird, ein elektrisches Taktsignal und wird über den im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Koaxialkabel 36 ausgestalteten Taktsignalleiter 18 zur Phasenlagekontrollvorrichtung 16 geführt. Die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 ist vorliegend ein analoger Hochfrequenz -Phasenschieber 38. Das elektrische Taktsignal wird an einer Kontaktfläche des ersten Lasers 12 abgegriffen, durch den analogen Hochfrequenz -Phasenschieber 36 zum zweiten Laser 14 geführt und zur Modulation des Absorberelementes 34 des zweiten Lasers 14 verwendet. Dadurch ergibt sich eine Modulation der Verluste des Resonators 30 des zweiten Lasers 14, so dass auf Basis des elektrischen Taktsignales der zweite Laser 14 die weiteren Lichtpulse 22 erzeugt. Zudem kann die an den zweiten Laser 14 angelegte Ab sorb er Spannung UAbs2 verwendet werden, um den zeitlichen Abstand 24 leicht zu verändern. Weiterhin sind in Figur 3 noch die zur Steuerung des ersten und zweiten Lasers 12, 14 verwendeten Stromstärken loaini, Ioain2, für das Verstärkungsmedium des ersten und zweiten Lasers 12, 14 sowie die an den ersten Laser 12 angelegte Absorberspannung LAbsi eingezeichnet.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 10 zum Erzeugen der Lichtpulsabfolge. In diesem Ausführungsbeispiel sind analog zur Figur 3 der erste und der zweite Laser 12, 14 als modengekoppelte Diodenlaser ausgestaltet und integriert in einem System 26 umgesetzt. Allerdings ist das Taktsignal im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein optisches Taktsignal und wird über den als optischen Wellenleiter 40 ausgestalteten Taktsignalleiter 18 zur Phasenlagekontrollvorrichtung 16 geführt. Die Phasenlagekontrollvorrichtung 16 ist entsprechend als Verzögerungselement 42 ausgestaltet. Das vorliegend an einer Rückfacette des Resonators 28 des ersten Lasers 12 abgegriffene optische Taktsignal, wird analog zu Figur 3 durch das Verzögerungselement 42 zum zweiten Laser 14 geführt und zur Modulation des Absorberelementes 34 des zweiten Lasers 14 verwendet.
Bezugszeichenliste
10 Vorrichtung
12 erster Laser
14 zweiter Laser
16 Phasenlagekontrollvorrichtung
18 Taktsignalleiter
20 von erstem Laser erzeugter Lichtpuls
22 von zweitem Laser erzeugter weiterer Lichtpuls
24 zeitlicher Abstand
26 System
28 Resonator des ersten Lasers
30 Resonator des zweiten Lasers
32 Absorberelement des ersten Lasers
34 Absorberelement des zweiten Lasers
36 Koaxialkabel
38 analoger Phasenschieber
40 optischer Wellenleiter
42 Verzögerungselement
Uc an Phasenlagekontrollvorrichtung angelegte Spannung
RFsyn Referenzfrequenz loaini Stromstärken für Verstärkungsmedium des ersten Lasers
Ioain2 Stromstärken für Verstärkungsmedium des zweiten Lasers
UAbsi an Absorberelement des ersten Lasers angelegte Spannung UAbsi an Absorberelement des zweiten Lasers angelegte Spannung

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge mittels wenigstens zwei Diodenlasern (12, 14) umfassend die Schritte
A)
- Erzeugen eines optischen Taktsignals durch Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen (20) mittels eines ersten Diodenlasers (12),
Abgreifen des erzeugten optischen Taktsignals von dem ersten Diodenlaser (12), Transmittieren des abgegriffenen optischen Taktsignals durch eine Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) an einen zweiten Diodenlaser (14), wobei eine Transmissionszeit des optischen Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) angelegten Spannung (Uc) abhängt, und
- Erzeugen einer weiteren Folge von Lichtpulsen (22) mittels des zweiten Diodenlasers (14) auf Basis des transmittierten optischen Taktsignals, oder
B)
- Erzeugen eines elektrischen Taktsignals durch Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen (20) mittels des ersten Diodenlasers (12),
Abgreifen des erzeugten elektrischen Taktsignals von dem ersten Diodenlaser (12) an einer Kontaktfläche des ersten Diodenlasers (12),
Transmittieren des abgegriffenen elektrischen Taktsignals durch eine Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) an einen zweiten Diodenlaser (14), wobei eine Transmissionszeit des elektrischen Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) angelegten Spannung (Uc) abhängt, und
- Erzeugen einer weiteren Folge von Lichtpulsen (22) mittels des zweiten Diodenlasern (14) auf Basis des transmittierten elektrischen Taktsignals. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren nach Merkmal A) ausgeführt wird, und der Schritt Abgreifen des erzeugten Taktsignals von dem ersten Diodenlaser (12) ein Auskoppeln des optischen Taktsignals aus einem Resonator (28) des ersten Diodenlasers (12) umfasst. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren nach Merkmal A) ausgeführt wird und wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) ein Verzögerungselement ist (42). Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren nach Merkmal B) ausgeführt wird und wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) ein analoger Phasenschieber (38) ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren nach Merkmal A) oder B) ausgeführt wird, wobei der Schritt Erzeugen der Folge von Lichtpulsen (22) mittels des zweiten Diodenlasers (14) auf Basis des transmittierten Taktsignals ein Einspeisen des Taktsignals in den zweiten Diodenlaser (14) und ein Modulieren des zweiten Diodenlasers (14) umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 5, wobei das Verfahren nach Merkmal A) ausgeführt wird und der Schritt Erzeugen der Folge von Lichtpulsen (22) mittels des zweiten Diodenlasers (14) auf Basis des transmittierten optischen Taktsignals ein Einspeisen des optischen Taktsignals in einen Resonator (30) des zweiten Diodenlasers (14) umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Transmittieren des abgegriffenen Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) die an die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) angelegte Spannung (Uc) kontant ist, stufenweise, rampenartig verändert, oder moduliert wird und/oder wobei die an die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) angelegte Spannung (Uc) eine Gleichspannung oder eine Wechsel Spannung ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt Erzeugen des Taktsignals durch Erzeugen der Folge von Lichtpulsen (20) mittels des ersten Diodenlasers (12), ein Erzeugen von Lichtpulsen (20) mit einer Pulswiederholrate von bis zu 50 GHz umfasst. 9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Diodenlaser (12) beim Schritt Erzeugen des optischen Taktsignals durch Erzeugen der Folge von Lichtpulsen (20) oder beim Schritt Erzeugen des elektrischen Taktsignals durch Erzeugen der Folge von Lichtpulsen (20) in einem freilaufenden Zustand ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt Erzeugen des optischen Taktsignals durch Erzeugen der Folge von Lichtpulsen (20) oder der Schritt Erzeugen des elektrischen Taktsignals durch Erzeugen der Folge von Lichtpulsen (20) ein Synchronisieren des Erzeugens der Folge von Lichtpulsen (20) mit einem externen Referenzsignal (RFsyn) umfasst.
11. Vorrichtung (10) zum Erzeugen einer Lichtpulsabfolge umfassend wenigstens zwei Diodenlaser (12, 14) und eine Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42), wobei ein erster Diodenlaser (12) dazu ausgestaltet ist, beim Erzeugen einer Folge von Lichtpulsen (20) ein optisches oder elektrisches Taktsignal zu erzeugen, wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) über einen Taktsignalleiter (18, 36, 40) mit dem ersten und einem zweiten Diodenlaser (12, 14) derart verbunden ist, dass das vom ersten Diodenlaser (12) erzeugte Taktsignal über die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) an den zweiten Diodenlaser (14) transmittierbar ist, wobei die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) derart ausgestaltet ist, dass eine Transmissionszeit des Taktsignals durch die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) von einer an die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) angelegten Spannung (Uc) abhängt, wobei der zweite Diodenlaser (14) dazu ausgestaltet ist, auf Basis des transmittierten Taktsignals eine weitere Folge von Lichtpulsen (22) zu erzeugen, und wobei
A) das abgegriffene und transmittierte Taktsignal ein optisches Taktsignal ist, der Taktsignalleiter (18, 36, 40) ein Lichtwellenleiter (40) ist, und die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) ein Verzögerungselement (42) ist, oder
B) das abgegriffene und transmittierte Taktsignal ein elektrisches Taktsignal ist, der Taktsignalleiter (18, 36, 40) ein Radiofrequenzsignalleiter, bevorzugt ein Koaxialkabel (36) ist, und die Phasenlagekontrollvorrichtung (16, 38, 42) ein analoger Phasenschieber (38) ist.
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