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WO2002021647A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von radiofrequenzwellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von radiofrequenzwellen Download PDF

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WO2002021647A1
WO2002021647A1 PCT/EP2001/010238 EP0110238W WO0221647A1 WO 2002021647 A1 WO2002021647 A1 WO 2002021647A1 EP 0110238 W EP0110238 W EP 0110238W WO 0221647 A1 WO0221647 A1 WO 0221647A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
frequency
pulse laser
light pulses
radio frequency
laser
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2001/010238
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ronald Holzwarth
Thomas Udem
Theodor HÄNSCH
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority to AU2002213881A priority Critical patent/AU2002213881A1/en
Priority to US10/363,997 priority patent/US7026594B2/en
Publication of WO2002021647A1 publication Critical patent/WO2002021647A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • 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
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305—Feedback control systems

Definitions

  • the invention relates to a method for generating radio frequency waves, in particular a method for generating electrical signals with radio frequencies, which are provided as output signals of a light detector which receives ultrashort laser pulses.
  • the invention also relates to a radio frequency generator with which the method is implemented and applications of radio frequency generation.
  • Radio frequency waves are electromagnetic waves with characteristic wavelengths in the range from 0.01 to 100 cm and characteristic frequencies (“rf frequencies”) in the range from 1 MHz to 100 GHz, which are used, for example, in signal transmission technology and in spectroscopic examination methods (solid-state spectroscopy,
  • rf frequencies characteristic frequencies
  • the conventional generators have the disadvantage of limited frequency stability a relative frequency stability of 10 -13 (in 1 second) is characterized.
  • the stability can be improved by special measures. For example, with He-cooled sapphire oscillators a relative stability of 10 14 reachable (in 1 second).
  • the object of the invention is to provide an improved method for radio frequency generation, in which the radio frequency waves have increased frequency stability and which can be implemented with a relatively simply constructed generator.
  • the method according to the invention is intended in particular to generate a frequency with a
  • the object of the invention is also an improved
  • the radio frequency generator according to the invention should be characterized in particular by a high frequency stability of at least 10 ⁇ 13 and a compact structure that is robust and easy to maintain.
  • the basic idea of the invention is to generate radio frequency waves on the basis of at least one generator frequency which corresponds to a distance of frequency modes from the frequency spectrum of short laser light pulses.
  • the light pulses are generated with a pulse laser, whose repetition frequency (or repetition rate) is stabilized, and directed onto a detector device. Frequency components corresponding to the mode spacings in the frequency spectrum are contained in the electrical output signal of the detector device.
  • the repetition frequency stabilization of the pulse laser is carried out by phase coupling at least one frequency mode of the light pulses of the pulse laser with at least one highly stable reference frequency or by detecting an optical reference signal.
  • a particularly high stability of the radio frequency is achieved if not only the repetition frequency of the pulse laser, but also the so-called off- set frequency (see below) of the frequency components in the mode spectrum is stabilized.
  • a reference signal is formed by a stabilized reference laser or an atomic transition excited under predetermined conditions.
  • the invention also relates to a radio frequency generator with a pulse laser for generating light pulses, a detector device for generating electrical output signals with radio frequencies and a device for frequency stabilization of the pulse laser, with which at least the repetition frequency, optionally also the offset frequency, of the light pulses can be determined.
  • the invention has the following advantages. Since the radio frequencies are derived from at least one generator frequency, which is determined by phase coupling with a stabilized optical reference frequency or a control based on an optical reference signal, the radio frequency can be generated with a relative stability that corresponds to the relative stability of the reference signal. Optical reference frequencies can be generated with relative stabilities of better than 10 "14.
  • the structure of the radio frequency generator according to the invention is compact and, particularly when using a diode-pumped solid-state laser or a ring laser as a pulse laser for pulse generation, can be implemented as a mobile, low-maintenance system. The invention enables both achieved an increase in frequency stability as well as a reduction in the amount of equipment used in radio frequency generation.
  • Figure 1 shows one schematic overview of a radio frequency generator according to the invention.
  • ultra-short laser light pulses (light pulses with characteristic pulse durations in the ns to fs range), which has been known since the 1970s, is based on so-called mode synchronization.
  • mode synchronization With a sufficient bandwidth of the laser transition in the resonator, a large number of natural vibrations with different frequencies can be excited in a laser medium. If a suitable phase relationship is set between the natural vibrations (mode synchronization), short light pulses are emitted with a time interval ⁇ , which is equal to the quotient of twice the resonator length and the average circulation speed of the pulses, and a spectral composition corresponding to that in the resonator excited optical frequencies that contribute to pulse formation.
  • a mode spectrum (or: frequency comb) results which is formed by ⁇ -like functions at the optical frequencies contributing to each pulse and whose envelope lies within the bandwidth of the laser transition in the laser medium.
  • the width of the envelope is essentially inversely proportional to the pulse duration.
  • Each frequency contribution to such a frequency comb is referred to here as frequency mode M.
  • the comb structure of fs pulses in the frequency domain is described, for example, in "Femtosecond Laser Pulses" (ed. C.
  • the frequency components separated by integer multiples of the repetition frequency f r cannot be represented in their absolute frequency position by integer multiples (n) of the repetition frequency f r , but by the sum (n 'f r + fo) of n' repetition frequency f r and a so-called Offset or phase slip frequency fo, which is the same value for all frequency components corresponding to the quotient from the respective phase differences from pulse to pulse by the round trip time (2 ⁇ ) ⁇ .
  • the repetition frequency of the light pulses and thus the frequency spacing of the modes lies in the frequency range of the radio frequencies. If the light pulses are detected with a detector device which generates electrical output signals in accordance with the detected light intensities, the output signals contain frequency components corresponding to the individual frequency modes or beat frequencies between the frequency modes which correspond to the desired radio frequencies. According to the invention, it is now provided to stabilize the pulse repetition frequency of the pulse laser with reference to an optical frequency standard, as will be explained in the following.
  • FIG. 1 schematically shows the structure of a radio frequency generator 100 according to the invention with a pulse laser 10, a first detector device 20 and a device 30 for repetition frequency stabilization.
  • An optionally provided device 40 for offset frequency stabilization is also shown.
  • the device 40 is not a mandatory feature of the invention, but provides a further improvement in radio frequency stability.
  • the pulse laser 10 can be formed by any design of pulse lasers known per se with typical pulse durations in the ns to fs range.
  • the pulse laser 10 is preferably a compact and portable, battery-operated device.
  • the pulse laser 10 is optionally connected to a device for broadening the laser pulses by means of self-phase modulation (shown in broken lines, reference number 11).
  • the device 11 for pulse broadening is, for. B. an optical single-mode fiber.
  • the self-phase modulation is described by K. Imai in "IEEE Journal of Quantum Electronics” Volume 34, 1998, page 54 ff.
  • a particularly strong broadening of the mode comb is achieved when using structured optical fibers that have a fiber core and thin axial air channels running around it own (see D. Mogilevtsev et al. in "Optics Letters", volume 23, 1998, page 1662 ff., TA Burks in "Optics Letters", volume 22, 1997, page 961 ff. or TA Burks in "IEEE Photonics Letters ", Volume 11, 1999, page 674 ff.).
  • the detector device 20 is a light-sensitive element, such as. B. a photodiode or a photomultiplier. Part of the output pulses of the pulse laser 10 (or the device 11) is directed via the partially transparent mirror 12 onto the detector device 20, the output signals (rf) of which form the desired radio frequency waves or contain radio frequencies.
  • the detector device 20 can be followed by further devices 21 (shown in dashed lines) for signal shaping. Signal shaping can include filtering of the output signals and / or amplification, for example.
  • a phase coupling with a conventional microwave oscillator (not shown) to the output signals of the detector device 20 or a conventional semiconductor amplifier can be provided. The phase Coupling takes place analogously to the control loops for laser stabilization explained.
  • the device 30 for frequency stabilization of the pulse laser 10 comprises a second detector device 31, a reference frequency generator 32 for generating an optical reference signal and a control amplifier 33.
  • the second detector device 31 is also a light-sensitive element (eg photodetector or photomultiplier).
  • the reference frequency generator 32 is generally designed to provide a light signal with at least one frequency component whose frequency stability is at least as high as the stability of the radio frequencies to be generated.
  • the reference frequency generator can be formed by a stabilized continuous wave laser, a reference steam cell or an arrangement with a free atom beam.
  • an ethane-stabilized helium-neon laser (output frequency 88 THz), optionally with a non-linear frequency multiplier for frequency adaptation to at least one mode of the light pulses of the pulse laser 10, or an iodine-stabilized YAG can be used as a continuous wave laser with a stabilized optical frequency -Laser can be used.
  • the mode of the laser pulses and the reference frequency are detected simultaneously. If there are slight deviations between the two frequencies, a beat signal is produced which is output to the pulse laser 10 via the control amplifier 33 as the output signal of the second detector device 31.
  • the pulse laser 10 is equipped with a device for controlling the repetition frequency. This device is regulated in such a way that the beat signal of the second detector device 31 disappears or corresponds to a predetermined reference frequency. In this case the selected frequency mode of the mode spectrum is fixed relative to the reference frequency of the reference frequency generator. Accordingly, the output signal of the first detector device 20 is stabilized with the stability of the reference frequency generator 32.
  • the pulse laser 10 is stabilized with respect to the optical frequency of the atomic transition excited under defined conditions.
  • the reference steam cell is, for example, a temperature-controlled steam cell (e.g. an iodine or rubidium cell). Adjusting the cell temperature results in a defined vapor pressure in the reference cell, which defines the position and width of the atomic transitions.
  • Doppler-free optical excitation of the steam is preferably provided in accordance with 2-photon spectroscopy, saturation spectroscopy or polarization spectroscopy.
  • the excitation takes place e.g. B. with opposite through the reference cell light pulses of the pulse laser 10, as described by JN Eckstein, AI Ferguson and TW Hänsch in "Physical Review Letters", Volume 40, 1978, page 847 ff.
  • the laser pulses pass through the cell in two opposite directions in such a way that when two light pulses meet, a two-photon transition can be stimulated, the total energy of which is composed of two partial amounts that correspond to two complementary frequency components in the mode spectrum of the light pulses Doppler broadening of the observed transitions is avoided.
  • a flat mirror (not shown) is provided for the Doppler-free excitation at a distance from the reference cell, with which the opposite light pulses are generated.
  • a 2-photon fluorescence from the reference cell is also used directly as a control signal for controlling the repetition frequency.
  • the repetition frequency is always set so that the detector 31 detects a fluorescence signal.
  • the repetition frequency in the pulse laser 10 is adjusted in a manner known per se by adjusting the resonator length or the pump power.
  • Pump power control is preferred because it is electro-optically performed without mechanical movements. This enables rapid changes in the repetition frequency and thus a higher control bandwidth for setting the pulse laser 10.
  • the laser pulses A emitted by the pulse laser 10 and possibly subjected to the self-phase modulation 11 are divided into different spectral components B, C with the beam splitters or deflecting mirrors 42 to 45.
  • the mirrors 42, 43 and 45 is designed for the spectrally selective deflection of radiation components of the light pulses A.
  • the component B contains higher-frequency components of the mode spectrum
  • the component C contains lower-frequency components of the mode spectrum.
  • the frequencies of the components B and C are matched to one another using a frequency multiplier or controller 46.
  • component 46 is a frequency multiplier.
  • the component 46 is a multiplier or divider stage for optical frequencies, as is known per se from the prior art. A particularly simple structure results if an entire frequency octave is spanned in the mode spectrum of the laser pulses.
  • component 46 is an optically non-linear crystal for frequency doubling (or halving).
  • the radiation components B and D are simultaneously directed onto the detector device 41. With simultaneous incidence of the radiation components, an electrical output signal is generated on the detector device 41 corresponding to the frequency deviation of the frequency component (s) of the radiation components B, D, which contains frequency components with a certain beat frequency.
  • the output signal is sent to the first control amplifier 47, with which a device (known per se) for setting the offset frequency of the pulse laser 10 is actuated.
  • the control amplifier 47 controls the introduction of a linear dispersion into the resonator of the pulse laser 10, as described in the unpublished PCT application PCT / EP00 / 02135 or, for example, in the publication by T. Udem et al. in "Physical Review Letters", Volume 82, 1999, page 3568 ff.
  • a pump power control for setting the offset frequency has the advantage that the control is carried out electro-optically without mechanical movements. In this case, the repetition frequency is regulated via the resonator length.
  • the component B can also contain low-frequency frequency components and the component C can contain higher-frequency frequency components, the component 46 then being designed for frequency division.
  • the device for frequency multiplication or division can also be provided in the other branch of the beam splitter 42 to 45.
  • the mirrors 42 to 45 can also be replaced by other beam splitters (eg prisms) having the same effect.
  • a time delay path for adapting the time run-in of the radiation components can be provided in the detector device 21.
  • the radio frequency generator 10 according to the invention can advantageously be used in all applications which are known from signal technology, spectroscopy and time measurement technology. Particular advantages result in applications in which a low phase noise is desired, e.g. B. in radar technology, as a radio frequency standard in time measurement or in spectroscopy.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Radiofrequenzwellen beschrieben, bei dem ein Pulslaser (10) zur Erzeugung von Lichtpulsen mit einem vorbestimmten Spektrum von Frequenzmoden und einer vorbestimmten Wiederholfrequenz betrieben und mit einer Detektoreinrichtung (11) die Lichtpulse des Pulslasers erfasst und entsprechende elektrische Ausgangssignale erzeugt werden, die die Radiofrequenzwellen bilden, wobei der Pulslaser (10) mit einem optischen Referenzsignal stabilisiert betrieben wird, so dass die Wiederholfrequenz der Lichtpulse festgelegt ist. Es wird auch ein Radiofrequenzgenerator zur Umsetzung des Verfahrens beschrieben.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Radiofrequenzwellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Radiofrequenzwellen, insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Signale mit Radiofrequenzen, die als Ausgangssignale eines Lichtdetektors bereitgestellt werden, der ultrakurze Laserpulse empfängt. Die Erfindung betrifft auch einen Radiofrequenzgenerator, mit dem das Verfahren umgesetzt wird, und Anwendungen der Radiofrequenzerzeugung.
Radiofrequenzwellen sind elektromagnetische Wellen mit charakteristischen Wellenlängen im Bereich von 0,01 bis 100 cm und charakteristischen Frequenzen („rf-Frequenzen") im Bereich von 1 MHz bis 100 GHz, die z. B. in der Signalübertragungstechnik und bei spektroskopischen Untersuchungsmethoden (Festkörperspektroskopie, Resonanzspektroskopie) angewendet werden. Zur Erzeugung von Radiofrequenzwellen werden bisher Hohlraumresonatoren oder Quarzoszillatoren verwendet, die auf die jeweils gewünschten Ausgangsfrequenzen abgestimmt sind. Die herkömmlichen Generatoren besitzen den Nachteil einer eingeschränkten Frequenzstabilität. So besitzen bspw. Quarzoszillatoren eine natürliche Stabilitätsgrenze durch Wachstumsfehler der Schwingquarze, die durch eine relative Frequenzstabilität von 10-13 (in 1 Sekunde) gekennzeichnet ist. Die Stabilität kann durch besondere Maßnahmen verbessert werden. Beispielsweise ist mit He-gekühlten Saphir-Oszillatoren eine Relativstabilität von 1014 (in 1 Sekunde) erreichbar. Dies erfordert jedoch einen komplexen Aufbau, der für die meisten praktischen Anwendungen unakzeptabel ist. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Radiofrequenzerzeugung anzugeben, bei dem die Radiofrequenzwellen eine erhöhte Frequenzstabilität besitzen und das mit einem relativ einfach aufgebauten Generator umsetzbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren soll insbesondere eine Frequenzerzeugung mit einer
Relativstabilität von mindestens 10~13 ermöglichen. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen verbesserten
Radiofrequenzgenerator bereitzustellen, der zur Umsetzung des Verfahrens eingerichtet ist. Der erfindungsgemäße Radiofrequenzgenerator soll sich insbesondere durch eine hohe Frequenzstabilität von mindestens 10~13 und einen kompakten Aufbau auszeichnen, der robust und einfach zu warten ist.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren und einen Radiofrequenzgenerator mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen 1 bzw. 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Grundidee der Erfindung ist es, Radiofrequenzwellen auf der Grundlage mindestens einer Generatorfrequenz zu erzeugen, die einem Abstand von Frequenzmoden aus dem Frequenzspektrum kurzer Laser-Lichtpulse entspricht. Die Lichtpulse werden mit einem Pulslaser erzeugt, dessen Wiederholfrequenz (oder Repe- titionsrate) stabilisiert ist, und auf eine Detektoreinrichtung gerichtet. Im elektrischen Ausgangssignal der Detektoreinrichtung sind Frequenzkomponenten entsprechend den Modenabständen im Frequenzspektrum enthalten. Die Wiederholfrequenzstabilisierung des Pulslasers erfolgt durch Phasenkopplung mindestens einer Frequenzmode der Lichtpulse des Pulslasers mit mindestens einer hochstabilen Referenzfrequenz oder durch Erfassung eines optischen Referenzsignals. Eine besonders hohe Stabilität der Radiofrequenz wird erzielt, wenn nicht nur die Wiederholfrequenz des Pulslasers, sondern auch die sog. Off- setfrequenz (siehe unten) der Frequenz omponenten im Modenspektrum stabilisiert wird.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Referenzsignal durch einen stabilisierten Referenzlaser oder einen unter vorgegebenen Bedingungen angeregten atomaren Übergang gebildet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Radiofrequenzgenerator mit einem Pulslaser zur Lichtpulserzeugung, einer Detektoreinrichtung zur Erzeugung elektrischer Ausgangssignale mit Radiofrequenzen und einer Einrichtung zur Frequenzstabilisierung des Pulslasers, mit der mindestens die Wiederholfrequenz, optional auch die Offsetfrequenz, der Lichtpulse festgelegt werden kann .
Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Da die Radiofrequenzen aus mindestens einer Generatorfrequenz abgeleitet werden, die durch Phasenkopplung mit einer stabilisierten optischen Referenzfrequenz oder eine Regelung auf der Grundlage eines optischen Referenzsignals festgelegt ist, kann die Radiofrequenz mit einer Relativstabilität erzeugt werden, die der Relativstabilität des Referenzsignals entspricht. Optische Referenzfrequenzen können mit Relativstabilitäten von besser als 10"14 erzeugt werden. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Radiofrequenzgenerators ist kompakt und, insbesondere bei Verwendung eines diodengepumpten Festkörperlasers oder eines Ringlasers als Pulslaser zur Pulsgeneration, als mobiles, wartungsarmes System implementierbar. Mit der Erfindung werden simultan sowohl eine Erhöhung der Frequenzstabilität als auch eine Verringerung des Geräteaufwandes bei der Radiofrequenzerzeugung erreicht.
Weitere Vorteile und Einzelheiten werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnung ersichtlich. Figur 1 zeigt eine schematische Übersichtsdarstellung eines erfindungsgemäßen Radiofrequenzgenerators .
Eigenschaften ultrakurzer Lichtpulse
Die seit den 70-er Jahren bekannte Erzeugung ultrakurzer Laser-Lichtpulse (Lichtpulse mit charakteristischen Pulsdauern im ns- bis fs-Bereich) basiert auf der sog. Modensynchronisation. In einem Lasermedium können bei genügender Bandbreite des Laserübergangs im Resonator sehr viele Eigenschwingungen mit verschiedenen Frequenzen angeregt werden. Wird durch einen geeigneten Mechanismus zwischen den Eigenschwingungen eine feste Phasenbeziehung eingestellt (Modensynchronisation) so kommt es zur Abstrahlung kurzer Lichtpulse mit einem zeitlichen Abstand τ, der gleich dem Quotienten aus doppelter Resonatorlänge und mittlere Umlaufgeschwindigkeit der Pulse ist, und einer spektralen Zusammensetzung entsprechend den im Resonator angeregten, zur Pulsbildung beitragenden optischen Frequenzen.
Bei Darstellung des Intensitätsverlaufs der pulsförmigen Laserstrahlung im Frequenzraum ergibt sich ein Modenspektrum (oder: Frequenzkamm) , das durch δ-ähnliche Funktionen bei den zu jedem Puls beitragenden optischen Frequenzen gebildet wird und dessen Einhüllende innerhalb der Bandbreite des Laserübergangs im Lasermedium liegt. Die Breite der Einhüllenden ist im wesentlichen umgekehrt proportional zur Pulsdauer. Jeder Frequenzbeitrag zu einem derartigen Frequenzkamm wird hier als Frequenzmode M bezeichnet. Die Frequenzabstände der Elemente des Frequenzkammes sind entsprechend den (longitudinalen) Lasermoden ganzzahlige Vielfache der Puls-Wiederholfrequenz fr = τ-1 (Repetitionsrate) . Die Kammstruktur von fs-Pulsen im Frequenzraum wird beispielsweise in „Femtosecond Laser Pulses" (Hrsg. C. Rulliere, Springer-Verlag, Berlin 1998) beschrieben. Die durch ganzzahlige Vielfache der Wiederholfrequenz fr getrennten Frequenzkomponenten lassen sich in ihrer absoluten Frequenzlage nicht durch ganzzahlige Vielfache (n) der Wiederholfrequenz fr darstellen, sondern durch die Summe (n ' fr + fo) aus n ' Wiederholfrequenz fr und einer sogenannten Offset- oder Phasenschlupffrequenz fo, die für alle Frequenzkomponenten den gleichen Wert entsprechend dem Quotienten aus der jeweiligen Phasendifferenzen von Puls zu Puls durch die Umlaufzeit (2π)τ ist.
Die Wiederholfrequenz der Lichtpulse und damit die Frequenzabstände der Moden liegt im Frequenzbereich der Radiofrequenzen. Werden die Lichtpulse mit einer Detektoreinrichtung erfasst, die entsprechend den detektierten Lichtintensitäten elektrische Ausgangssignale erzeugt, so enthalten die Ausgangssignale Frequenzkomponenten entsprechend den einzelnen Frequenzmoden bzw. Schwebungsfrequenzen zwischen den Frequenzmoden, die gerade den gewünschten Radiofrequenzen entsprechen. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, die Puls-Wiederholfrequenz des Pulslasers unter Bezug auf ein optisches Frequenznormal zu stabilisieren, wie im Folgenden erläutert wird.
Radiofrequenzgenerator
Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Radiofrequenzgenerators 100 mit einem Pulslaser 10, einer ersten Detektoreinrichtung 20 und einer Einrichtung 30 zur Wiederholfrequenzstabilisierung. Es ist auch eine optional vorgesehene Einrichtung 40 zur Offsetfrequenzstabilisierung dargestellt. Die Einrichtung 40 stellt kein zwingendes Merkmal der Erfindung dar, liefert jedoch eine weitere Verbesserung der Radiofrequenzstabilität. Der Pulslaser 10 kann durch jede Bauform von an sich bekannten Pulslasern mit typischen Pulsdauern im ns- bis fs-Bereich gebildet werden. Der Pulslaser 10 wird bspw. durch einen Titan-Saphir-Laser (z. B. „Coherent Mira 900", Pulslänge 73 fs, Wiederholfrequenz fr = 75 MHz), einen Ringlaser oder einen diodengepumpten Festkörperlaser (z. B. Chrom-Li-SAF-Laser) gebildet. Der Pulslaser 10 ist vorzugsweise ein kompaktes und transportables, batteriebetriebenes Gerät .
Der Pulslaser 10 ist optional mit einer Einrichtung zur Verbreiterung der Laserpulse durch Selbstphasenmodulation (gestrichelt eingezeichnet, Bezugszeichen 11) verbunden. Die Einrichtung 11 zur Pulsverbreiterung ist z. B. eine optische Einmodenfaser. Die Selbstphasenmodulation wird von K. Imai in „IEEE Journal of Quantum Electronics" Band 34, 1998, Seite 54 ff. beschrieben. Eine besonders starke Verbreiterung des Modenkamms erzielt man bei Verwendung strukturierter optischer Fasern, die einen Faserkern und um diesen axial verlaufende dünne Luftkanäle besitzen (siehe D. Mogilevtsev et al . in „Op- tics Letters", Band 23, 1998, Seite 1662 ff., T. A. Burks in „Optics Letters", Band 22, 1997, Seite 961 ff. oder T. A. Burks in „IEEE Photonics Letters", Band 11, 1999, Seite 674 ff.) .
Die Detektoreinrichtung 20 ist ein lichtempfindliches Element, wie z. B. eine Photodiode oder ein Photomultiplier. Ein Teil der Ausgangspulse des Pulslasers 10 (bzw. der Einrichtung 11) wird über den teildurchlässigen Spiegel 12 auf die Detektoreinrichtung 20 gerichtet, deren Ausgangssignale (rf) die gewünschten Radiofrequenzwellen bilden oder Radiofrequenzen enthalten. Der Detektoreinrichtung 20 können weitere Einrichtungen 21 (gestrichelt eingezeichnet) zur Signalformung nachgeordnet sein. Eine Signalformung kann bspw. eine Filterung der Ausgangsignale und/oder eine Verstärkung umfassen. Zur Verstärkung der Ausgangssignale kann eine Phasenkopplung mit einem herkömmlichen Mikrowellenoszillator (nicht dargestellt) an die Ausgangssignale der Detektoreinrichtung 20 oder ein herkömmlicher Halbleiterverstärker vorgesehen sein. Die Phasen- kopplung erfolgt analog zu den erläuterten Regelkreisen zur LaserStabilisierung.
Die Einrichtung 30 zur Frequenzstabilisierung des Pulslasers 10 umfasst eine zweite Detektoreinrichtung 31, einen Referenzfrequenzgenerator 32 zur Erzeugung eines optischen Referenzsignals und einen Regelverstärker 33. Die zweite Detektoreinrichtung 31 ist ebenfalls ein lichtempfindliches Element (z. B. Photodetektor oder Photomultiplier) . Der Referenzfrequenzgenerator 32 ist allgemein zur Bereitstellung eines Lichtsignals mit mindestens einer Frequenzkomponente ausgelegt, deren Frequenzstabilität mindestens so hoch ist, wie die Stabilität der zu erzeugenden Radiofrequenzen sein soll. Je nach Ausführungsform der Erfindung kann der Referenzfrequenzgenerator durch einen stabilisierten Dauerstrichlaser, eine Referenz- Dampfzelle oder eine Anordnung mit einem freien Atomstrahl gebildet werden.
Als Dauerstrichlaser mit stabilisierter optischer Frequenz kann bspw. ein ethan-stabilisierter Helium-Neon-Laser (Ausgangsfrequenz 88 THz) , ggf. mit einem nicht-linearen Frequenzvervielfacher zur Frequenzanpassung an mindestens eine Mode der Lichtpulse des Pulslasers 10, oder ein Jod-stabilisierter YAG-Laser verwendet werden.
An der zweiten Detektoreinrichtung 31 erfolgt die gleichzeitige Erfassung einer Mode der Laserpulse und der Referenzfrequenz. Bei geringfügigen Abweichungen zwischen beiden Frequenzen entsteht ein Schwebungssignal, das als Ausgangssignal der zweiten Detektoreinrichtung 31 über den Regelverstärker 33 an den Pulslaser 10 gegeben wird. Der Pulslaser 10 ist mit einer Einrichtung zur Steuerung der Wiederholfrequenz ausgestattet. Diese Einrichtung wird so geregelt, dass das Schwebungssignal der zweiten Detektoreinrichtung 31 verschwindet oder einer vorbestimmten Bezugsfrequenz entspricht. In diesem Fall ist die ausgewählte Frequenzmode des Modenspektrums relativ zur Referenzfrequenz des Referenzfrequenzgenerators fest eingestellt. Dementsprechend ist das Ausgangssignal der ersten Detektoreinrichtung 20 mit der Stabilität des Referenzfrequenzgenerators 32 stabilisiert.
Bei Aufbau des Referenzfrequenzgenerators als Referenz- Dampfzelle wird der Pulslaser 10 in Bezug auf die optische Frequenz des unter definierten Bedingungen angeregten atomaren Übergangs stabilisiert. Die Referenz-Dampfzelle ist bspw. eine temperierbare Dampfzelle (z. B. eine Jod- oder Rubidium- Zelle) . Durch Einstellung der Zellentemperatur ergibt sich in der Referenzelle ein definierter Dampfdruck, der die Lage und Breite der atomaren Übergänge festlegt. Es ist vorzugsweise eine dopplerfreie optische Anregung des Dampfes entsprechend der 2-Photonen-Spektroskopie, der Sättigungsspektroskopie oder der Polarisationsspektroskopie vorgesehen.
Die Anregung erfolgt z. B. mit entgegengesetzt durch die Referenzzelle laufenden Lichtpulsen des Pulslasers 10, wie es von J. N. Eckstein, A. I. Ferguson und T. W. Hänsch in „Physical Review Letters", Band 40, 1978, Seite 847 ff. beschrieben wird. Die Laserpulse durchlaufen die Zelle in zwei entgegengesetzten Richtungen derart, dass beim Zusammentreffen von zwei Lichtpulsen gerade ein 2-Photonen-Übergang angeregt werden kann, dessen Gesamtenergie sich aus zwei Teilbeträgen zusammensetzt, die gerade zwei sich ergänzenden Frequenzkomponenten im Modenspektrum der Lichtpulse entsprechen. Diese Anregungstechnik ermöglicht eine hochauflösende Spektroskopie, da die Dopplerverbreiterung der beobachteten Übergänge vermieden wird. Für die dopplerfreie Anregung ist mit Abstand von der Referenzzelle ein ebener Spiegel (nicht dargestellt) vorgesehen, mit dem die gegenläufigen Lichtpulse erzeugt werden. Alternativ zu der illustrierten Regelung auf der Basis eines Schwebungssignals wird z. B. eine 2-Photonen-Fluoreszenz aus der Referenzzelle auch direkt als Stellsignal für die Steuerung der Wiederholfrequenz verwendet. Die Wiederholfrequenz wird immer gerade so eingestellt, dass vom Detektor 31 ein Fluoreszenzsignal erfasst wird.
Die Einstellung der Wiederholfrequenz im Pulslaser 10 erfolgt in an sich bekannter Weise über eine Einstellung der Resonatorlänge oder der Pumpleistung. Eine Pumpleistungsregelung wird bevorzugt, da diese elektrooptisch ohne mechanische Bewegungen erfolgt. Dies ermöglicht schnelle Änderungen der Widerholfrequenz und damit eine höhere Regelbandbreite zur Einstellung des Pulslasers 10.
Für die optional vorgesehene Einrichtung 40 zur Offsetfrequenzstabilisierung werden die vom Pulslaser 10 emittierten, ggf. der Selbstphasenmodulation 11 unterzogenen, Laserpulse A mit den Strahlteilern bzw. Umlenkspiegeln 42 bis 45 in verschiedene spektrale Anteile B, C aufgeteilt. Hierzu ist mindestens einer der Spiegel 42, 43 und 45 zur spektral selektiven Ablenkung von Strahlungsanteilen der Lichtpulse A ausgelegt. Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Anteil B hö- herfrequente Frequenzkomponenten des Modenspektrums und der Anteil C niederfrequente Komponenten des Modenspektrums enthält. Zur Bereitstellung eines ausreichend starken Schwebungssignals an der dritten Detektoreinrichtung 41 werden die Frequenzen der Anteile B und C mit einem Frequenzvervielfacher oder -teuer 46 aneinander angepasst. Beim genannten Beispiel (C: niederfrequenter Anteil) ist das Bauteil 46 ein Frequenzvervielfacher. Das Bauteil 46 ist eine Vervielfacher- oder Teilerstufe für optische Frequenzen, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, falls im Modenspektrum der Laserpulse eine ganze Frequenzoktave überspannt wird. In diesem Fall ist das Bauteil 46 ein optisch nichtlinearer Kristall zur Frequenzverdoppelung (oder -halbierung) . Nach Durchlauf der Frequenzvervielfachung (Bauteil 46) liegt ein frequenzverschobener Strahlungsanteil D vor. Die Strahlungsanteile B und D werden gleichzeitig auf die Detektoreinrichtung 41 gerichtet. Bei gleichzeitigem Einfall der Strahlungsanteile wird an der Detektoreinrichtung 41 entsprechend der Frequenzabweichung der Frequenzkomponente (n) der Strahlungsanteile B, D ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das Frequenzanteile mit einer bestimmten Schwebungsfrequenz enthält. Das Ausgangssignal wird an den ersten Regelverstärker 47 gegeben, mit dem eine (an sich bekannte) Einrichtung zur Einstellung der Offsetfrequenz des Pulslasers 10 betätigt wird. Beispielsweise wird mit dem Regelverstärker 47 die Einführung einer linearen Dispersion in den Resonator des Pulslasers 10 gesteuert, wie es in der unveröffentlichten PCT-Anmeldung PCT/EP00/02135 oder bspw. in der Publikation von T. Udem et al. in „Physical Review Letters", Band 82, 1999, Seite 3568 ff. beschrieben ist. Eine Pumpleistungsregelung zur Einstellung der Offsetfrequenz besitzt wiederum den Vorteil, dass die Regelung elektrooptisch ohne mechanische Bewegungen erfolgt. In diesem Fall wird die Wiederholfrequenz über die Resonatorlänge geregelt.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform kann auch der Anteil B niederfrequente Frequenzkomponenten und der Anteil C hö- herfrequente Frequenzko ponenten enthalten, wobei das Bauteil 46 dann zur Frequenzteilung ausgelegt ist. Alternativ kann auch die Einrichtung zur Frequenzvervielfachung oder -teilung im jeweils anderen Zweig des Strahlteilers 42 bis 45 vorgesehen sein. Gemäß einer weiteren Abwandlung können die Spiegel 42 bis 45 auch durch andere, gleichwirkende Strahlteiler (z. B. Prismen) ersetzt werden. Zusätzlich können im dargestellten Strahlengang der Anteile B, C und D optische Filter und ggf. eine Zeitverzögerungsstrecke zur Anpassung des zeitlichen Einlaufens der Strahlungsanteile bei der Detektoreinrichtung 21 vorgesehen sein.
Anwendungen
Der erfindungsgemäße Radiofrequenzgenerator 10 kann mit Vorteil bei allen Anwendungen eingesetzt werden, die aus der Signaltechnik, der Spektroskopie und der Zeitmesstechnik bekannt sind. Besondere Vorteile ergeben sich bei Anwendungen, bei denen ein geringes Phasenrauschen gewünscht wird, z. B. in der Radartechnik, als Radiofrequenznormal in der Zeitmesstechnik oder in der Spektroskopie.
Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Erzeugung von Radiofrequenzwellen, bei dem ein Pulslaser (10) zur Erzeugung von Lichtpulsen mit einem vorbestimmten Spektrum von Frequenzmoden und einer vorbestimmten Wiederholfrequenz betrieben und mit einer ersten Detektoreinrichtung (11) die Lichtpulse des Pulslasers erfasst und entsprechende elektrische Ausgangsignale erzeugt werden, die die Radiofrequenzwellen bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulslaser (10) mit einem optischen Referenzsignal stabilisiert betrieben wird, so dass die Wiederholfrequenz der Lichtpulse festgelegt ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Frequenzstabilisierung mit einem Regelkreis (30) erfolgt, in dem in Abhängigkeit von einem mit einer zweiten Detektoreinrichtung (31) erfassten Schwebungssignal aus mindestens einer ersten Frequenzmode der Lichtpulse des Pulslasers und einer optischen Referenzfrequenz, die das optische Referenzsignal bildet, die Wiederholfrequenz des Pulslasers (10) eingestellt wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die optische Referenzfrequenz mit einem stabilisierten Referenzlaser
(32) erzeugt wird.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das optische Referenzsignal mit einer Referenz-Dampfzelle (32) erzeugt wird, in der ein atomarer Übergang unter vorbestimmten Bedingungen optisch angeregt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Frequenzstabilisierung mit einem Regelkreis (30) erfolgt, in dem in Abhängigkeit von einem mit einer zweiten Detektoreinrichtung (31) erfassten Fluoreszenzsignal aus einer Referenz- Dampfzelle (32), in der ein atomarer Übergang unter vorbestimmten Bedingungen optisch angeregt wird, die Wiederholfrequenz des Pulslasers (10) eingestellt wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Pulslaser (10) ein diodengepumpter Festkörperlaser oder ein Ringlaser verwendet wird.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Verbreiterung des Spektrums der Frequenzmoden der Lichtpulse durch Selbstphasenmodulation erfolgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Stabilisierung der Offsetfrequenz der Frequenzkomponenten der vom Pulslaser (10) erzeugten Lichtpulse vorgesehen ist.
9. Radiofrequenzgenerator, der umfasst:
- einen Pulslaser (10) zur Erzeugung von Lichtpulsen mit einem vorbestimmten Spektrum von Frequenzmoden und einer vorbestimmten Wiederholfrequenz, und
- eine erste Detektoreinrichtung (20) , die dazu eingerichtet ist, aus den Lichtpulsen des Pulslasers elektrische Ausgangsignale zu erzeugen, die die Radiofrequenzwellen bilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung (30) zur Frequenzstabilisierung des Pulslasers (10) relativ zu einem optischen Referenzsignal vorgesehen ist, mit dem die Wiederholfrequenz der Lichtpulse festgelegt werden kann.
10. Radiofrequenzgenerator gemäß Anspruch 9, bei dem der Pulslaser (10) eine Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz aufweist und die Frequenzstabilisierungseinrichtung (30) eine zweite Detektoreinrichtung (31) und einen Referenzfrequenzgenerator (32) zur Erzeugung des optischen Referenzsignals enthält, wobei die zweite Detektoreinrichtung dazu ausgelegt ist, simultan die Lichtpulse des Pulslaser (10) und das optische Referenzsignal als Referenzfrequenz zu erfassen und ein Schwebungssignal zu erzeugen, mit dem die Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz steuerbar ist.
11. Radiofrequenzgenerator gemäß Anspruch 10, bei dem der Referenzfrequenzgenerator (32) durch einen stabilisierten Dauerstrichlaser gebildet wird.
12. Radiofrequenzgenerator gemäß Anspruch 10, bei dem der Pulslaser (10) eine Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz aufweist und die Frequenzstabilisierungseinrichtung (30) eine zweite Detektoreinrichtung (31) und eine optische Referenzzelle zur Erzeugung des optischen Referenzsignals enthält, wobei die zweite Detektoreinrichtung (31) dazu ausgelegt ist, das optische Referenzsignal als Fluoreszenzsignal der Referenzzelle (32) zu erfassen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, mit dem die Einrichtung zur Einstellung der Wiederholfrequenz steuerbar ist.
13. Radiofrequenzgenerator gemäß einem der Ansprüche 9 bis
12, bei dem der Pulslaser (10) durch einen diodengepumpten Festkörperlaser oder einen Ringlaser gebildet wird.
14. Radiofrequenzgenerator gemäß einem der Ansprüche 9 bis
13, bei dem eine Einrichtung (11) zur Verbreiterung des Spektrums der Frequenzmoden der Lichtpulse vorgesehen ist.
15. Radiofrequenzgenerator gemäß Anspruch 14, bei dem die Verbreiterungseinrichtung (11) durch eine optische Faser gebildet wird.
16. Radiofrequenzgenerator gemäß einem der Ansprüche 9 bis 15, bei dem eine Einrichtung (40) zur Frequenzstabilisie- rung des Pulslasers (10) vorgesehen ist, mit der die Offsetfrequenz der Frequenz omponenten der Lichtpulse festgelegt werden kann.
17. Verwendung eines frequenzstabilisierten Pulslasers zur Erzeugung von Radiofrequenzwellen.
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