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DE102008049367B3 - Mirror component for optical resonator, has mirror element made of quartz glass for reflecting light and spacer made of titanium silica glass with zero crossover in thermal coefficients of expansion - Google Patents

Mirror component for optical resonator, has mirror element made of quartz glass for reflecting light and spacer made of titanium silica glass with zero crossover in thermal coefficients of expansion Download PDF

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DE102008049367B3
DE102008049367B3 DE200810049367 DE102008049367A DE102008049367B3 DE 102008049367 B3 DE102008049367 B3 DE 102008049367B3 DE 200810049367 DE200810049367 DE 200810049367 DE 102008049367 A DE102008049367 A DE 102008049367A DE 102008049367 B3 DE102008049367 B3 DE 102008049367B3
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mirror
spacer
mirror element
resonator
optical resonator
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DE200810049367
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German (de)
Inventor
Thomas Dr. Legero
Uwe Dr. Sterr
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Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Federal Government of Germany
Original Assignee
Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Federal Government of Germany
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Abstract

The mirror component has a mirror element (12) made of quartz glass for reflecting light and a spacer (14) made of titanium silica glass with a zero crossover in thermal coefficients of expansion in the interval between 0 degree Celsius and 50 degree Celsius. The mirror element has a mechanical quality, which is largely as quality of the spacer. A compensation element (16) is provided, which has a zero crossover in thermal coefficients of expansion in the interval between 0 degree Celsius and 50 degree Celsius. The mirror element is arranged between the spacer and the compensation element. Independent claims are included for the following: (1) an optical resonator with a mirror component; and (2) a frequency stabilized laser system with a laser and an optical resonator.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiegelbauteil für einen optischen Resonator, mit (a) einem Spiegelelement zum Reflektieren von Licht und (b) einem Abstandshalter, wobei der Abstandshalter im Intervall von 0°C und 50C° einen Nulldurchgang im thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, und wobei das Spiegelelement eine mechanische Güte aufweist, die größer ist als die des Abstandshalters.The The invention relates to a mirror component for an optical resonator, with (a) a mirror element for reflecting light and (b) a spacer, wherein the spacer in the interval of 0 ° C and 50C ° a zero crossing in the thermal expansion coefficient, and wherein the mirror element a mechanical quality which is larger as that of the spacer.

Derartige Spiegel werden beispielsweise in Fabry-Perot-Resonatoren eingesetzt. Die Fabry-Perot-Resonatoren werden ihrerseits dazu verwendet, um einen Laser auf eine vorgegebene Frequenz zu stabilisieren. Die Resonanzfrequenz des Resonators, der unter Verwendung des Spiegels hergestellt wird, hängt maßgeblich von der Resonatorlänge ab, also von der lichten Weite zwischen den jeweiligen Spiegelelementen des Spiegels. In anderen Worten muss sichergestellt sein, dass der Spiegel sich unter sich ändernden Temperaturen möglichst wenig verformt. Änderungen der Resonatorlänge des Fabry-Perot-Resonators, der aus dem Spiegel aufgebaut wird, die nur 10–15 m betragen, bewirken dabei bei typischen Resonatorlängen von 0,1 m bereits Frequenzänderungen am frequenzstablisierten Laser von einigen Hertz.Such mirrors are used for example in Fabry-Perot resonators. The Fabry-Perot resonators, in turn, are used to stabilize a laser to a given frequency. The resonant frequency of the resonator, which is produced using the mirror, largely depends on the resonator length, ie on the clear width between the respective mirror elements of the mirror. In other words, it must be ensured that the mirror deforms as little as possible under changing temperatures. Changes in the resonator length of the Fabry-Perot resonator, which is built from the mirror, which are only 10 -15 m, cause it at typical resonator lengths of 0.1 m already frequency changes the frequency-stabilized laser of a few hertz.

Die Unabhängigkeit der Länge des Abstandshalters von Temperaturschwankungen lässt sich durch die geeignete Wahl des Materials erreichen. Beispielsweise wird dazu Titan-Silikatglas verwendet, das bei 25°C einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Null hat. Es ist technisch vergleichsweise einfach, den Spiegel auf diese Temperatur zu stabilisieren.The independence the length the spacer of temperature fluctuations can be determined by the appropriate Achieve choice of material. For example, to titanium silicate glass used that at 25 ° C has a thermal expansion coefficient of zero. It is technically comparatively simple, the mirror to this temperature to stabilize.

Aus der US 6,215,801 B1 ist ein Spiegelbauteil für einen optischen Resonator bekannt, der ein Spiegelelement zum Reflektieren von Licht und einen Abstandshalter umfasst, wobei der Abstandshalter im Intervall zwischen 0°C und 50°C einen Nulldurchgang im thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat. Aus der US 2002/0 081 071 A1 und der US 2003/0 227 949 A1 sind Spiegelbauteile bekannt, die ein Spiegelelement zum Reflektieren von Licht und einen Abstandshalter umfassen, wobei der Abstandshalter im Intervall zwischen 0° und 50°C einen Nulldurchgang hat und bei dem Spiegelelement eine mechanische Güte aufweist, die größer ist als die Güte des Abstandshalters. Aus der US 5,428,700 A ein Spiegelbauteil bekannt, bei dem der Abstandshalter im Intervall zwischen 0°C und 50°C einen Nulldurchgang im thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat.From the US 6,215,801 B1 For example, a mirror device for an optical resonator is known which comprises a mirror element for reflecting light and a spacer, the spacer having a zero crossing in the thermal expansion coefficient in the interval between 0 ° C and 50 ° C. From the US 2002/0 081 071 A1 and the US 2003/0 227 949 A1 are known mirror components comprising a mirror element for reflecting light and a spacer, wherein the spacer has a zero crossing in the interval between 0 ° and 50 ° C and in the mirror element has a mechanical quality that is greater than the quality of the spacer. From the US 5,428,700 A a mirror member known in which the spacer in the interval between 0 ° C and 50 ° C has a zero crossing in the thermal expansion coefficient.

Nachteilig an bekannten Spiegeln ist, dass mit ihnen keine Resonatoren gebaut werden können, die eine weitere Erhöhung der Genauigkeit bei der Frequenzstabilisierung erlauben.adversely At known mirrors is that built with them no resonators can be the one more raise allow accuracy in frequency stabilization.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spiegel für einen optischen Resonator vorzuschlagen, mit dem ein optischer Resonator aufgebaut werden kann, der die Stabilisierung eines Lasers mit einer höheren Frequenzstabilität bei Raumtemperatur ermöglicht.Of the Invention is based on the object, a mirror for a to propose an optical resonator with which an optical resonator can be built, the stabilization of a laser with a higher frequency stability at room temperature allows.

Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Spiegelbauteil, das ein Kompensationselement umfasst, das im Intervall zwischen 0°C und 50°C einen Nulldurchgang im thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, wobei das Spiegelelement zwischen dem Abstandshalter und dem Kompensationselement angeordnet ist.The Invention solves the problem of a generic mirror component, the Compensating element comprises, in the interval between 0 ° C and 50 ° C, a zero crossing in the thermal expansion coefficient, wherein the mirror element disposed between the spacer and the compensation element is.

Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass sie mit einfachen Mitteln umgesetzt werden kann. So ist es relativ einfach, das Kompensationselement mit dem Spiegelelement zu verbinden. Es ist zudem möglich, das Spiegelbauteil so zu bauen, dass der Längenausdehnungskoeffizient zwischen 0°C und 50°C einen Nulldurchgang hat, der beispielsweise bei 20° liegen kann. Der Längenausdehnungskoeffizient gibt die relative Änderung der Resonatorlänge in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung an. In anderen Worten ist der Längenausdehnungskoeffizient die Ableitung der relativen Längenänderung nach der Temperatur. Dadurch, dass der Nulldurchgang des Längenausdehnungskoeffizienten bei annähernd Raumtemperatur liegt, kann der optische Referenzresonator eines Lasersystems, der unter Verwendung des erfindungsgemäßen Spiegels stabilisiert werden soll, mit technisch einfachen Mitteln temperaturstabilisiert werden.Advantageous The invention is that they are implemented by simple means can. So it is relatively easy, the compensation element with the Mirror element to connect. It is also possible, the mirror component so to build that the coefficient of linear expansion between 0 ° C and 50 ° C has a zero crossing, which may for example be 20 °. The coefficient of linear expansion gives the relative change the resonator length dependent on from a temperature change at. In other words, the coefficient of linear expansion is the derivation of the relative change in length after the temperature. As a result, the zero crossing of the coefficient of linear expansion at approximate Room temperature, the reference optical resonator of a Laser system using the mirror according to the invention is to be stabilized, temperature stabilized with technically simple means become.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es vorteilhaft ist, wenn das Spiegelelement eine hohe mechanische Güte aufweist, weil dann das thermisch induzierte Rauschen der Resonatorlänge verringert ist. Je höher nämlich die mechanische Güte des Spiegelelements ist, umso geringer ist die durch thermische Fluktuationen bedingte Änderung der Resonatorlänge.Of the Invention is based on the finding that it is advantageous if the mirror element has a high mechanical quality, because then the thermally induced noise of the resonator length is reduced. The higher the mechanical grade is the mirror element, the lower is the thermal fluctuations conditional change the resonator length.

Allerdings haben Spiegelelemente mit einer hohen mechanischen Güte in der Regel einen um zumindest eine Größenordnung größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Bei Temperaturänderungen dehnen sich dann der Abstandshalter und das Spiegelelement unterschiedlich stark aus und es kommt zu einer Verbiegung des Spiegelelements. Obwohl dieses Verbiegen des Spiegelelements klein ist, ist es doch für Präzisionsmessungen unerwünscht.However, mirror elements with a high mechanical quality usually have a thermal expansion coefficient that is larger by at least an order of magnitude. When temperature changes deh Then the spacer and the mirror element differ in strength and there is a bending of the mirror element. Although this bending of the mirror element is small, it is undesirable for precision measurements.

Dadurch, dass das Spiegelelement zwischen dem Abstandshalter und dem Kompensationselement angeordnet ist, führt eine Temperaturänderung zwar zu einer Spannung im Spiegelelement, diese mechanische Spannung resultiert jedoch nicht in einer signifikanten Durchbiegung des Spiegelelements und führt damit zu nur kleinen Änderungen der Resonatorlänge. Testrechnungen haben gezeigt, dass die Durchbiegung durch das Vorsehen des Kompensationselements auf unter ein Zwanzigstel gegenüber dem Fall reduziert werden kann, dass kein Kompensationselement vorhanden ist.Thereby, that the mirror element between the spacer and the compensation element arranged is, leads a temperature change although to a voltage in the mirror element, this mechanical tension does not result in a significant deflection of the Mirror element and leads with only minor changes the resonator length. Test calculations have shown that the deflection by providing of the compensation element to less than one twentieth of the Case can be reduced, that no compensation element exists is.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Spiegelelement insbesondere jedes Bauteil verstanden, das so ausgebildet ist, dass es einfallendes Licht reflektiert. Beispielsweise ist das Spiegelelement aus einem Grundkörper und einer aufgebrachten dielektrischen Beschichtung aufgebaut, wobei die dielektrische Beschichtung das Reflexionsvermögen erhöht. Unter dem Merkmal, dass das Spiegelelement eine mechanische Güte aufweist, die größer ist als die des Abstandshalters, wird dann verstanden, dass die mechanische Güte des Grundkörpers diese Eigenschaft hat. Es ist möglich, nicht aber notwendig, dass auch die dielektrische Beschichtung die entsprechende Güte aufweist.in the The scope of the present description is under a mirror element in particular understood each component which is designed so that it reflects incident light. For example, the mirror element from a basic body and an applied dielectric coating, wherein the dielectric coating increases the reflectivity. Under the feature that the mirror element has a mechanical quality, which is bigger than that of the spacer, it is then understood that the mechanical Goodness of the body this property has. It is possible, but not necessary that the dielectric coating the appropriate quality having.

Unter dem Merkmal, dass das Kompensationselement den angegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, ist insbesondere zu verstehen, dass das Material, aus dem das Kompensationselement überwiegend aufgebaut ist, diesen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Wenn der Ausdehnungskoeffizient des Kompensationselements anisotrop ist, so gilt der angegebene Temperaturbereich der Nulldurchgangstemperatur in radialer Richtung.Under the feature that the compensation element the specified thermal Has expansion coefficients, is to be understood in particular that the material from which the compensation element is predominantly constructed, this Has expansion coefficients. If the coefficient of expansion of the compensation element is anisotropic, the specified applies Temperature range of the zero-crossing temperature in the radial direction.

Besonders günstig ist es, wenn das Kompensationselement und der Abstandshalter aus dem gleichen Material hergestellt sind. Besonders bevorzugt ist der Abstandshalter aus Titan-Silikatglas aufgebaut. Derartige Titan-Silikatgläser können so ausgelegt werden, dass sie bei Raumtemperatur einen Nulldurchgang ihres Ausdehnungskoeffizienten haben. Das erleichtert das Stabilisieren der Temperatur auf diese Nulldurchgangstemperatur. Aus dem gleichen Grund ist bevorzugt vorgesehen, dass das Kompensationselement aus Titan-Silikatglas besteht.Especially Cheap it is when the compensation element and the spacer off made of the same material. Particularly preferred the spacer constructed of titanium-silicate glass. Such titanium silicate glasses can so be designed to pass through zero at room temperature have their coefficient of expansion. This facilitates stabilization the temperature to this zero crossing temperature. From the same Reason is preferably provided that the compensation element Titanium silicate glass exists.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spiegelelement mit dem Abstandshalter und dem Kompensationselement fest verbunden. Beispielsweise ist das Spiegelelement an den Abstandshalter und/oder an das Kompensationselement angesprengt. Alternativ ist das Spiegelelement an den Abstandshalter und/oder das Kompensationselement gebondet.According to one preferred embodiment is the mirror element with the spacer and the compensation element firmly connected. For example, the mirror element is attached to the spacer and / or sprinkled against the compensation element. Alternatively, the mirror element bonded to the spacer and / or the compensation element.

Unter einem Ansprengen wird verstanden, dass bei beiden Partnern, die miteinander verbunden werden sollen, die jeweiligen Verbindungsflächen so glatt ausgebildet werden, dass sie beim Zusammenbringen adhäsiv aneinander gebunden werden. Unter Bonden wird verstanden, dass die Kontaktfläche zumindest eines der beiden Partner chemisch oder thermisch so aktiviert wird, dass sich nach dem Zusammenfügen eine chemische Bindung ausbildet. Sowohl das Ansprengen als auch das Bonden führt zu besonders festen Verbindungen der beiden zu verbindenden Elemente und ist gleichzeitig mit einer hohen Präzision durchführbar.Under A request is understood that both partners, the to be connected to each other, the respective connection surfaces so be made smooth, that they adhere to each other when bringing together be bound. By bonding is meant that the contact surface at least one of the two partners is activated chemically or thermally, that after joining forms a chemical bond. Both wringing and the bonding leads to particularly strong connections of the two elements to be joined and is simultaneously feasible with high precision.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Spiegelelement aus Quarzglas aufgebaut. Quarzglas hat im Vergleich beispielsweise zu Titan-Silikatglas eine um zumindest eine Größenordnung höhere Güte, so dass die thermischen Fluktuationen der Resonatorlänge eines aus dem Spiegel aufgebauten optischen Resonators besonders gering sind. Unter dem Merkmal, dass das Spiegelelement aus Quarzglas aufgebaut ist, wird dabei insbesondere verstanden, dass es zum weit überwiegenden Teil aus Quarzglas besteht. In der Regel wird nämlich das Spiegelelement eine dielektrische Beschichtung aufweisen, die nicht aus Quarzglas aufgebaut ist.According to one preferred embodiment the mirror element is made of quartz glass. Quartz glass has in the For example, compared to titanium silicate glass one at least an order of magnitude higher Goodness, so that the thermal fluctuations of the resonator length of a made of the mirror constructed optical resonator particularly low are. Under the feature that the mirror element constructed of quartz glass is, in particular, understood that it is the vast majority Part consists of quartz glass. In general, namely, the mirror element becomes a have dielectric coating that is not constructed of quartz glass is.

Eine besonders hohe Güte und damit ein besonders geringes thermisches Rauschen werden erreicht, wenn das Spiegelelement aus einem Einkristall aufgebaut ist. Beispielsweise kann das Spiegelelement aus einem Silizium-Einkristall oder aus einem Saphir-Einkristall aufgebaut sein.A very high quality and thus a particularly low thermal noise can be achieved, though the mirror element is constructed of a single crystal. For example For example, the mirror element can be made of a silicon monocrystal or of a sapphire single crystal be constructed.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat das Spiegelelement eine mechanische Güte von mehr als 105, insbesondere 106. Hier ist wiederum die Güte des Substratmaterials gemeint, nicht aber zwangsläufig die mechanische Güte einer etwaigen dielektrischen Beschichtung.According to a preferred embodiment, the mirror element has a mechanical quality of more than 10 5 , in particular 10 6 . Here, again, the quality of the substrate material is meant, but not necessarily the mechanical quality of any dielectric coating.

Erfindungsgemäß ist zudem ein optischer Resonator mit zwei Spiegelelementen, die einen Resonatorraum begrenzen und an denen jeweils ein Kompensationselement befestigt ist. Es ergibt sich so beispielsweise ein Fabry-Perot-Resonator. Erfindungsgemäß ist zudem ein frequenzstabilisiertes Lasersystem mit einem Laser und einem erfindungsgemäßen optischen Resonator.In addition, according to the invention an optical resonator with two mirror elements that form a resonator cavity limit and attached to each of which a compensation element is. This results, for example, a Fabry-Perot resonator. In addition, according to the invention a frequency stabilized laser system with a laser and a according to the invention optical Resonator.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigtin the Below, the invention will be described with reference to an exemplary embodiment explained in more detail. there shows

1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Spiegels bei Betriebstemperatur, 1 a schematic view of a mirror according to the invention at the operating temperature,

2 den Spiegel gemäß 1 bei erhöhter Temperatur, 2 according to the mirror 1 at elevated temperature,

3 einen erfindungsgemäßen optischen Resonator, 3 an optical resonator according to the invention,

4 ein Diagramm, das den Nulldurchgang des relativen Längenausdehnungskoeffizienten eines Fabry-Perot-Resonators aufträgt, der unter Verwendung des Spiegels gemäß 1 aufgebaut ist und 4 a diagram plotting the zero crossing of the coefficient of linear expansion of a Fabry-Perot resonator, using the mirror according to 1 is constructed and

5 eine Schemazeichnung eines erfindungsgemäßen Lasersystems, das mit einem erfindungsgemäßen Resonator stabilisiert ist. 5 a schematic drawing of a laser system according to the invention, which is stabilized with a resonator according to the invention.

1 zeigt einen erfindungsgemäßen Spiegel 10 mit einem Spiegelelement 12, einem Abstandshalter 14 und einem Kompensationselement 16. Der Abstandshalter 14 besteht aus Titan-Silikatglas mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten αA, der bei 25°C null ist, und ist als Zylinder mit einer zentrischen Bohrung 18 ausgebildet, die sich entlang einer Längsachse A erstreckt. 1 shows a mirror according to the invention 10 with a mirror element 12 a spacer 14 and a compensation element 16 , The spacer 14 It consists of titanium silicate glass with a thermal expansion coefficient α A , which is zero at 25 ° C, and is considered as a cylinder with a centric bore 18 formed, which extends along a longitudinal axis A.

In Verlängerung der zentrischen Bohrung 18 ist das Spiegelelement 12 angeordnet, das aus einem Grundkörper 20 aus Quarzglas und einer auf den Grundkörper 20 aufgebrachten dielektrischen Beschichtung 22 aufgebaut ist. Licht 24, das parallel zur Längsachse A und senkrecht auf das Spiegelelement 12 trifft, wird in entgegengesetzte Richtung zurückreflektiert. Das Quarzglas des Grundkörpers 20 hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αS, der bei 25°C deutlich verschieden von dem des Abstandshalters 14 ist und beispielsweise über 500 ppb/K liegt.In extension of the centric bore 18 is the mirror element 12 arranged, consisting of a basic body 20 made of quartz glass and one on the base body 20 applied dielectric coating 22 is constructed. light 24 parallel to the longitudinal axis A and perpendicular to the mirror element 12 meets is reflected back in the opposite direction. The quartz glass of the main body 20 has a thermal expansion coefficient α S , which at 25 ° C significantly different from that of the spacer 14 and is above 500 ppb / K, for example.

Die mechanische Güte des Grundkörpers 20 und damit des Spiegelelements 12 liegt bei QS = 1·106. Die Güte Q beschreibt bekanntlich den Koeffizienten aus der Ge samtenergie der Schwingung zu einem Zeitpunkt t geteilt durch den Energieverlust in einer Schwingungsperiode, multipliziert mit 2 π. Der Abstandshalter 14 und das Kompensationselement 16 sind aus Titan-Silikatglas aufgebaut, das eine Güte von QA = 6·104 aufweist. Die Güte QS des Spiegelelements 12 aus Quarzglas ist damit ungefähr 20 mal größer als die Güte eines Spiegelelements aus Titan-glas.The mechanical quality of the body 20 and thus the mirror element 12 is at Q S = 1 · 10 6 . The quality Q is known to describe the coefficient of the total energy of the vibration at a time t divided by the energy loss in a period of oscillation multiplied by 2 π. The spacer 14 and the compensation element 16 are made of titanium-silicate glass, which has a quality of Q A = 6 × 10 4 . The quality Q S of the mirror element 12 made of quartz glass is thus about 20 times larger than the quality of a mirror element made of titanium glass.

Das Spiegelelement 12 ist auf der dem Abstandshalter 14 abgewandten Seite mit dem Kompensationselement 16 verbunden, das ringförmig ist und einen Außendurchmesser daußen aufweist, der dem Außendurchmesser des Spiegelelements 12 entspricht. Ein Innendurchmesser dinnen beträgt weniger als die Hälfte eines Außendurchmessers daußen,S des Spiegelelementes 12, im vorliegenden Fall 6 mm. Das Kompensationselement 16 hat eine Dicke DK von mehr als die Hälfte einer Dicke DS des Spiegelelementes, im vorliegenden Fall 5 mm.The mirror element 12 is on the spacer 14 opposite side with the compensation element 16 connected, which is annular and has an outer diameter d outside , the outer diameter of the mirror element 12 equivalent. An inside diameter d inside is less than half of an outside diameter d outside, S of the mirror element 12 , in the present case 6 mm. The compensation element 16 has a thickness D K of more than half a thickness D S of the mirror element, in the present case 5 mm.

2 zeigt eine überhöhte Darstellung einer FEM-Simulation des Spiegels 10 bei Temperaturerhöhung. Weil der thermische Ausdehnungskoeffizient αS des Spiegelelements 12 größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient αA des Abstandshalters 14, würde sich das Spiegelelement 12 wie gestrichelt gezeichnet verformen. Die Resonatorlänge L würde sich um die Differenz ΔL verändern. 2 shows an exaggerated representation of a FEM simulation of the mirror 10 at temperature increase. Because the thermal expansion coefficient α S of the mirror element 12 is greater than the thermal expansion coefficient α A of the spacer 14 , would the mirror element 12 deform as dashed lines deform. The resonator length L would change by the difference ΔL.

Mit dem Kompensationselement 16 ergibt sich eine deutlich kleinere Veränderung ΔL der Resonatorlänge L, die mit durchgezogener Linie gezeichnet ist.With the compensation element 16 results in a much smaller change ΔL the resonator length L, which is drawn by a solid line.

3 zeigt einen erfindungsgemäßen optischen Resonator 26, der neben den in 1 beschriebenen Elementen ein zweites Spiegelelement 12.2 und ein zweites Kompensationselement 16.2 umfasst. Die Spiegelelemente 12.1, 12.2 sind so angeordnet, dass sie zwischen sich einen Resonatorraum 28 mit der Resonatorlänge L einschließen. 3 shows an optical resonator according to the invention 26 who is next to the in 1 described elements a second mirror element 12.2 and a second compensation element 16.2 includes. The mirror elements 12.1 . 12.2 are arranged so that they have a resonator space between them 28 with the resonator length L.

Ändert sich die Temperatur T, so dehnt sich das Spiegelelement aus mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten

Figure 00080001
der eine Stoffkonstante ist und die relative Längenänderung eines Quarzglas-Stabes mit der Länge l angibt. Da sich der Abstandshalter weniger ausdehnt, kommt es zu der in 2 beschriebenen Verformung der Spiegelelemente 12.1 und 12.2 und die Resonatorlänge L des Resonators 26 (2) ändert sich um die Resonatorlängendifferenz ΔL. Es gilt
Figure 00090001
wobei der thermische Längenausdehnungskoeffizient λ(T) ein Parameter des Resonators ist.If the temperature T changes, the mirror element expands with the thermal expansion expansion coefficient
Figure 00080001
which is a material constant and indicates the relative change in length of a quartz glass rod with the length l. Since the spacer expands less, it comes to the in 2 described deformation of the mirror elements 12.1 and 12.2 and the resonator length L of the resonator 26 ( 2 ) changes by the resonator length difference ΔL. It applies
Figure 00090001
wherein the thermal expansion coefficient λ (T) is a parameter of the resonator.

4 zeigt ein Diagramm, in dem der thermische Längenausdehnungskoeffizient λ für drei verschiedene Resonatoren 26 gemäß 3 aufgezeichnet ist. 4 shows a diagram in which the thermal expansion coefficient λ for three different resonators 26 according to 3 is recorded.

Die Gerade g1 zeigt den Fall, dass der Abstandshalter 14 und das Spiegelelement 12 beide aus Titan-Silikatglas aufgebaut sind, wobei kein Kompensationselement 16 vorhanden ist. Derartige Resonatoren entsprechen dem Stand der Technik. Es ist zu erkennen, dass der Längenausdehnungskoeffizient λ bei einer Temperatur T = 25°C einen Nulldurchgang hat. Damit eine Änderung der Temperatur T einen möglichst geringen Einfluss auf die Resonatorlänge L hat, werden derartige Resonatoren auf 25°C Temperatur stabilisiert. Dieses Vorgehen entspricht dem Stand der Technik.The straight line g1 shows the case that the spacer 14 and the mirror element 12 both are constructed of titanium-silicate glass, with no compensation element 16 is available. Such resonators correspond to the prior art. It can be seen that the coefficient of linear expansion λ has a zero crossing at a temperature T = 25 ° C. In order for a change in the temperature T to have as little influence as possible on the resonator length L, such resonators are stabilized at a temperature of 25 ° C. This procedure corresponds to the state of the art.

Die Gerade g2 zeigt den Fall, dass der Abstandshalter aus Titan-Silikatglas gefertigt ist, das Spiegelelement 12 hingegen aus Quarzglas. Es ist kein Kompensationselement vorhanden. Es ist zu sehen, dass der Längenausdehnungskoeffizient λ erst bei unter T = –10°C einen Nulldurchgang hat. Damit eine Temperaturänderung einen möglichst geringen Einfluss auf die Resonanzfrequenz hat, müsste ein derartiger Resonator bei einer Temperatur von T = –10°C betrieben werden. Das bringt einen hohen apparativen Aufwand mit sich.The straight line g2 shows the case that the spacer is made of titanium-silicate glass, the mirror element 12 on the other hand made of quartz glass. There is no compensation element. It can be seen that the coefficient of linear expansion λ only has a zero crossing at below T = -10 ° C. For a temperature change to have the least possible influence on the resonance frequency, such a resonator would have to be operated at a temperature of T = -10 ° C. This brings a lot of equipment with it.

Die Gerade g3 zeigt den Fall, in dem das Spiegelelement 12 aus Quarzglas besteht, der Abstandshalter 14 aber aus Titan-Silikatglas, wobei zusätzlich das Kompensationselement 16 aus Titan-Silikatglas vorhanden ist. Dieser Resonator ist in 3 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Nulldurchgang bei circa T = 20°C liegt. Wird der Resonator bei dieser Temperatur betrieben, so führen kleinere Temperaturänderungen in linearer Näherung zu keiner Längenänderung des Resonators 26. Es ist einfach, den Resonator auf T = 20° zu stabilisieren, was den im Folgenden beschriebenen Aufbau eines frequenzstabilisierten Lasersystems erleichtert.The straight line g3 shows the case in which the mirror element 12 made of quartz glass, the spacer 14 but of titanium-silicate glass, in addition to the compensation element 16 made of titanium-silicate glass is present. This resonator is in 3 shown. It can be seen that the zero crossing lies at approximately T = 20 ° C. If the resonator is operated at this temperature, smaller temperature changes in a linear approximation do not lead to a change in the length of the resonator 26 , It is easy to stabilize the resonator to T = 20 °, which facilitates the structure of a frequency-stabilized laser system described below.

5 zeigt ein erfindungsgemäßes Lasersystem 30 mit einem Laser 32, dem erfindungsgemäßen Resonator 26 und einer Frequenznachführschaltung 34. Ein Laserstrahl 36, der den Laser 32 verlässt, wird in den Resonator 26 eingekoppelt und eine etwaige Differenzfrequenz über die Frequenznachführschaltung 34 erfasst. Etwaige Frequenzunterschiede zwischen der Resonatrfrequenz des Resonators 26 und dem Laser 32 werden durch die Frequenznachführschaltung 34 kompensiert, so dass der Laser 32 stets auf der Resonanzfrequenz des Resonators 26 schwingt. 5 shows a laser system according to the invention 30 with a laser 32 , the resonator according to the invention 26 and a frequency tracking circuit 34 , A laser beam 36 that the laser 32 leaves, gets into the resonator 26 coupled and a possible difference frequency via the frequency tracking circuit 34 detected. Possible frequency differences between the resonator frequency of the resonator 26 and the laser 32 be through the frequency tracking circuit 34 compensated, so that the laser 32 always at the resonant frequency of the resonator 26 swings.

Optional kann die im Folgenden beschriebene, in 5 gestrichelt umrandete Frequenzstabilisierungseinheit vorgesehen sein. Ein Teilstrahl 38 des Laserstrahls 36 wird über einen Strahlteiler ausgekoppelt und durch das Innere einer Falle 40 in Form einer Ionen- oder Atomfalle hindurchgeleitet. In der Falle 40 sind Ionen oder Atome angeordnet, die einen scharfen Übergang zwischen zwei Energieniveaus zeigen. Über einen Frequenzschieber 42 kann die Frequenz des Teilstrahls 38 so verändert werden, dass dessen Frequenz ν genau der Übergangsfrequenz der Ionen bzw. der Atome in der Falle 40 entspricht. An einer Fotodiode 44 wird dann im Fluoreszenzlicht der Atome je nach Detektionsmethode ein scharfes Maximum oder Minimum beobachtet.Optionally, the following can be described in 5 be provided dashed rimmed frequency stabilization unit. A partial beam 38 of the laser beam 36 is decoupled via a beam splitter and through the interior of a trap 40 passed in the form of an ion or atom trap. In the trap 40 are arranged ions or atoms, which show a sharp transition between two energy levels. About a frequency shifter 42 can be the frequency of the sub-beam 38 be changed so that its frequency ν exactly the transition frequency of the ions or the atoms in the case 40 equivalent. On a photodiode 44 Then a sharp maximum or minimum is observed in the fluorescent light of the atoms depending on the detection method.

Der Frequenzschieber 42 ist mit einer Frequenznachführschaltung 43 mit der Fotodiode 44 verbunden und regelt die Frequenz ν des Teilstrahls 38 so ein, dass sie genau der Absorptionsfrequenz der Ionen bzw. der Atome in der Falle 40 entspricht. Es ist so möglich, die Frequenz des Teilstrahls 38 auf wenige Millihertz genau auf der Übergangsfrequenz zu halten. Die Frequenz ν kann dann als hochpräziser Frequenzstandard dienen.The frequency shifter 42 is with a frequency tracking circuit 43 with the photodiode 44 connected and regulates the frequency ν of the sub-beam 38 so that they are exactly the absorption frequency of the ions or the atoms in the trap 40 equivalent. It is possible, the frequency of the sub-beam 38 to keep to a few millihertz exactly at the crossover frequency. The frequency ν can then serve as a high-precision frequency standard.

1010
Spiegelmirror
1212
Spiegelelementmirror element
1414
Abstandshalterspacer
1616
Kompensationselementcompensation element
1818
Bohrungdrilling
2020
Grundkörperbody
2222
Beschichtungcoating
2424
Lichtlight
2626
Resonatorresonator
2828
Resonatorraumresonator chamber
3030
Lasersystemlaser system
3232
Laserlaser
3434
FrequenznachführungsschaltungFrequenznachführungsschaltung
3636
Laserstrahllaser beam
3838
Teilstrahlpartial beam
4040
Atomfallenuclear case
4242
Frequenzschieberfrequency shifter
4444
Fotodiodephotodiode
αK, αS α K , α S
thermischer Ausdehnungskoeffizient des Materials des Kompenthermal Coefficient of expansion of the material of Kompen
sationselements bzw. des Spiegelelementssationselements or the mirror element
λλ
thermischer Längenausdehnungskoeffizientthermal Coefficient of linear expansion
νν
Frequenzfrequency
AA
Längsachselongitudinal axis
g1, g2, g2g1, g2, g2
GeradeJust
LL
Resonatorlängeresonator
QQ
Gütequality
TT
Temperaturtemperature
DK D K
Dicke Kompensationselementthickness compensation element
DS D S
Dicke Spiegelelementthickness mirror element

Claims (11)

Spiegelbauteil für einen optischen Resonator, mit (a) einem Spiegelelement (12) zum Reflektieren von Licht (24) und (b) einem Abstandshalter (14), (c) wobei der Abstandshalter (14) im Intervall zwischen 0°C und 50°C einen Nulldurchgang im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (αA) hat und (d) wobei das Spiegelelement (12) eine mechanische Güte (QS) aufweist, die größer ist als die Güte (QA) des Abstandshalters (14), gekennzeichnet durch (e) ein Kompensationselement (16), das im Intervall zwischen 0°C und 50°C einen Nulldurchgang im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (αK) hat, (f) wobei das Spiegelelement (12) zwischen dem Abstandshalter (14) und dem Kompensationselement (16) angeordnet ist.Mirror component for an optical resonator, comprising (a) a mirror element ( 12 ) for reflecting light ( 24 ) and (b) a spacer ( 14 ), (c) wherein the spacer ( 14 ) has a zero crossing in the thermal expansion coefficient (α A ) in the interval between 0 ° C and 50 ° C and (d) wherein the mirror element ( 12 ) has a mechanical quality (Q S ) which is greater than the quality (Q A ) of the spacer ( 14 ), characterized by (e) a compensation element ( 16 ), which has a zero crossing in the thermal expansion coefficient (α K ) in the interval between 0 ° C and 50 ° C, (f) wherein the mirror element ( 12 ) between the spacer ( 14 ) and the compensation element ( 16 ) is arranged. Spiegelbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (14) aus Titan-Silikatglas besteht.Mirror component according to claim 1, characterized in that the spacer ( 14 ) consists of titanium-silicate glass. Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (16) aus Titan-Silikatglas besteht.Mirror component according to one of the preceding claims, characterized in that the compensation element ( 16 ) consists of titanium-silicate glass. Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (12) mit dem Abstandshalter (14) und dem Kompensationselement (16) fest verbunden ist.Mirror component according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror element ( 12 ) with the spacer ( 14 ) and the compensation element ( 16 ) is firmly connected. Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (12) aus Quarzglas aufgebaut ist.Mirror component according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror element ( 12 ) is constructed of quartz glass. Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (12) aus einem Einkristall aufgebaut ist.Mirror component according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror lement ( 12 ) is composed of a single crystal. Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (16) ein Kompensationsring ist, der einen Innendurchmesser (dinnen) von weniger als der Hälfte eines Außendurchmesser (daußen,S) des Spiegelelements hat.Mirror component according to one of the preceding claims, characterized in that the compensation element ( 16 ) is a compensation ring having an inner diameter (d inner ) of less than half an outer diameter (d outside, S ) of the mirror element. Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationselement (16) eine Dicke (DK) von mehr als der halben Dicke (DS) des Spiegelelements hat.Mirror component according to one of the preceding claims, characterized in that the compensation element ( 16 ) has a thickness (D K ) of more than half the thickness (D S ) of the mirror element. Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (12) eine mechanische Güte (QS) von mehr als 105 hat.Mirror component according to one of the preceding claims, characterized in that the mirror element ( 12 ) has a mechanical quality (Q S ) of more than 10 5 . Optischer Resonator mit mindestens einem Spiegelbauteil nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Spiegelelemente (12) einen Resonatorraum (28) begrenzen.Optical resonator with at least one mirror component according to one of the preceding claims, wherein the respective mirror elements ( 12 ) a resonator space ( 28 ) limit. Frequenzstabilisiertes Lasersystem mit – einem Laser (32) und – einem optischen Resonator nach Anspruch 10.Frequency-stabilized laser system with - a laser ( 32 ) and - an optical resonator according to claim 10.
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