光学谐振器布置和用于调节谐振器中的往返时间的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及具有谐振器的光学谐振器布置以及通过其来调节这种谐振器的模式 的位置或者在谐振器中传播的光脉冲的组往返时间（和/或相位往返时间）的方法。
【背景技术】
[0002] 谐振器的目的是提供用于特定频率的谐振放大，在特定光谱区内，这些谐振的位 置可以由光谱线的绝对位置以及还由相邻光谱线的间隔来表征。控制这些谐振的位置尤其 是在窄脉冲和超窄脉冲领域以及频率梳（frequency comb)技术中具有重要作用。
[0003] 具体地，对于在超窄激光脉冲领域中使用这种谐振器的应用而言，谐振的位置平 常由两个值来表征，即对应于在这种谐振器中传播的脉冲的脉冲重复率的先前提及的谐振 线的间隔、以及所谓的载波包络频率，其中当朝向更小频率继续进行具有恒定间隔的谐振 时，该载波包络频率表示最小谐振线至零点的距离。载波包络频率的显著性由这种谐振器 的使用而引起，以用于规则激光脉冲或相关频率梳的生成和/或过滤。
[0004] 图la示出了在电场对时间的绘图中的规则激光脉冲。显示了激光脉冲110的包 络和激光脉冲110的载波120。载波120可以由在光频范围内的正弦振荡来呈现。
[0005] 图lb不出了与图la的激光脉冲110相关联的频率梳。该频率梳包括由frap彼此 分隔开的多个激光模式圪。此处f rap是频率梳的相邻模式的间隔。频率梳的模式fm、如以 上所述的、可以由以下公式来表示：
[0006] fn= mXf rep+f0 (1)
[0007] 此处，m为自然数。自然地，实际频率梳的模式延伸跨越频域中的有限宽度。频率 梳的参数fc指代以下频率梳的（载波包络）偏移频率或载波包络偏移频率。这个偏移频 率的存在f。在于以下事实，即激光模式匕的频率不必要彼此倍数。为了调节或另外地控制 谐振器的模式匕，尤其是频率梳生成器的模式，如果相邻模式之间的间隔f rap和/或偏移频 率f。是可调节的，则这是有利的。
[0008] DE 199 11 103 A1，EP 1 161 782 B1 和 DE 100 44 404 C2 描述了关于频率梳的 自由度（比如例如偏移频率f。和模型间隔f"p)是如何可以被设置或被调节为固定值的一 些方法。公共方法是通过合适的设备（比如通过f-2f干涉仪）测量偏移频率f。以作为第 一个参数，并且测量比如模间隔以作为第二个参数。
[0009] 为此目的，提供相应的稳定器或控制环。第一稳定器涉及模间隔。作为稳定器的 测量值，脉冲重复频率（可能地被划分为可更好检测的区域或被倍增）可以如所提及的被 使用，即脉冲重复频率对应于模间隔。评估和比较单元将测量到的值与预定参考值进行比 较以用于脉冲重复频率。为了改变模间隔或将其调节为预定参考值以用于确定的偏差，稳 定器驱动致动器，这改变了振荡器的光程长度并且因此改变了脉冲重复频率。例如，致动器 可以为用于振荡器的谐振器端镜的线性驱动器或电光元件或压电致动器。
[0010] 第二稳定器将偏移频率fc调节至特定值。为此目的，利用外部精确已知的参考频 率（例如源于连续波激光器）或利用来自于相同频率梳的双频模式，使得频率梳的特定模 式圪被重叠在检测器（比如光电二极管或光学倍增器）上。该重叠在射频范围内生成拍 频。评估和比较单元将拍频与预定的、可能变化调节的参考频率进行比较。如果在这个情 形中，偏差（divation)被得到，则第二稳定器对使振荡器中的相位往返时间和组往返时间 之间的差异发生变化的致动器进行控制。这可以通过例如、使谐振器分支中的谐振器端镜 轻微地倾斜来实现，其中，由多种模式来在空间上分离地通过该谐振器分支，以便以频率相 关的方式改变振荡器的光程长度。导致快响应时间（小于1微秒）和取决于实施的高动态 的另外控制选项使用在偏振状态的研发中的几何相位。具体地，允许载波包络偏移频率的 调节而没有与脉冲重复率的串话和/或谐振器的往返损耗。可选地，可以由比如、强度调制 器或者通过使放大器的栗功率发生变化而改变振荡器损耗，其中，放大器可以可能地存在 于振荡器中，色散性元件（比如一对棱镜、比如透明的可倾斜板）可以被插入到振荡器的光 程中并且可以在其位置发生变化，或者导光组件、尤其是"啁嗽"纤维布拉格光栅可以由膨 胀或温度来改变。
[0011] 通过使用描述在DE 199 11 103 A1，EP 1 161 782 B1 或DE 100 44 404 C2 中的 方式，总体上生成了完全稳定的频率梳，其中，该频率梳的各个模式被定位在精确已知的频 率处并且彼此相干。有关这些方式的详细描述，参考以上引用的文献。
[0012] 使谐振器或频率梳激光稳定的上述技术仅仅是多个可能性中的一个。取决于应用 的类型和取决于技术的可能性，不同类型的稳定是可察觉的。尤其是，误差信号的生成可以 以多种方式来实现。除了偏移频率的测量（例如借助于f-2f干涉仪）以及重复率的测量 之外，例如通过使用参考激光来确定出各个谐振线的位置是有益的。例如，与偏移频率一起 的脉冲激光的载波频率的位置可以被用于该稳定。在这个情形中，特别有益的是，与通过重 复率的稳定相反，参考的噪音并不会以高倍倍增的方式被传送至光谐振线。
[0013] 在任意情形中，对于完全的稳定而言，两个线性独立的误差信号为谐振线的位置 而所需。对于调节而言，当致动器可以被选择以使得其相应的一个作用在两个误差信号中 的一个误差信号上同时尽可能地使另一个未受影响时是有益的。虽然可以使误差信号正 交，但对于误差信号的不同品质而言，然而，尤其是当所使用的致动器具有不同的控制速度 时，稳定的总品质可以受损耗。因此，对自由度进行物理解耦是有益的。
[0014] 例如，如果频率梳激光被稳定至其偏移频率（其接近0)以及光学模式，例如接近 载波频率f。，则第一误差信号包含在载波频率f。附近的谐振器模式的位置中且第二误差信 号包含偏移频率f。。理想的第一致动器使谐振频率的位置在零点周围扩张以（本质上）不 影响偏移频率同时改变载波频率。理想的第二致动器使谐振器模式在载波频率f。周围扩 张并且因此使偏移频率发生改变而没有使载波频率频移。这种致动器的影响被显示在图5 中。在图5a中，显示了未变化的频率梳，同时图5b显示了在围绕载波频率f。的旋转之后 的相同频率梳。
[0015] 使谐振线（粗略地）在零频率周围扩张或收缩的致动器（也就是说，致动器调节 脉冲重复率而没有实质上对偏移频率进行串话）是主要的可移动镜子以及电光相位调制 器，其总体上允许具有大的移位和高调节速度的调节。围绕固定点而不是零点的谐振线的 扩张和收缩分别更难被实现。虽然存在来实现这些的、用于偏移频率的一些上述列出的致 动器，然而，不同实施方式具有不同的限制。
[0016] 例如，在现有技术中，不利的是，现有致动器的调节速度被限制，因为这些致动器 主要使用机械或热效应。对于快速调节而言，传统上，主要使用谐振器的强度调制，其通过 克尔效应（kerr-effect)反作用于偏移频率。在这个情形中，由谐振器或栗功率的品质因 数使强度发生变化。此处，不利的是，强度本身未被期望的调制发生。此外，不利的是，谐振 器中的强度的调制可以与热效应相耦合，这继而引起额外的慢系统响应并且因此阻止或甚 至防止控制。具体地，强度的调节主要适用于以后的谐振器以及很少适用于过滤谐振器或 增益谐振器。
[0017] 此外，不利的是，固定点的位置通常不是被具体地可控，而是隐含地取决于所使用 的组件。最后，不利的是，响应于控制信号，多个致动器仅分别具有受限范围和受限灵敏度。
【发明内容】
[0018] 本发明的目标是实施变化或控制重复率、在谐振器中传播的脉冲的组往返时间和 /或谐振器辐射的载波偏移频率的组往返时间的可能性，以提供更佳的处理或允许更快的 调节。
[0019] 由本发明的具有权利要求1的特征的光学谐振器布置来实现这个目标，或者由具 有权利要求14的特征的方法来实现这个目标。本发明有益的实施例在附属权利要求中被 提出。
[0020] 根据本发明，具有两个或更多个干涉仪腿部的干涉仪被设置在谐振器中。该干涉 仪在谐振器中传播的辐射（也就是说，在谐振器中传播的脉冲）分裂为用于干涉仪腿部中 的一个干涉仪腿部的第一部分和用于第二干涉仪腿部的第二部分（如果两个以上干涉仪 腿部存在，则另外部分可以提供贡献）。根据本发明。沿两个干涉仪腿部的光程长度彼此不 同。这意味着，在通过干涉仪之后，当被再结合时（即彼此干涉时）两个辐射部分的组和/ 或相位往返时间彼此不同。在本发明的一个示例性实施例中，干涉仪腿部被构造为使得具 有相位nX2Xn的具体目标频率匕（以及相关联的对象波长A z)的光干涉并且因此结构 性地重叠。
[0021] 根据本发明，干涉仪将谐振器中传播的辐射分裂到第一干涉仪腿部和第二干涉仪 腿部中所使用的分光比以可变方式是可调节的。当使干涉仪的分光比发生变化而没有同时 地改变沿两个干涉仪腿部的光程长度时，与频率f z相关联的波的干涉相位没有改变。另一 方面，在载波频率fe= fz处传播的脉冲的组中心改变，即在通过干涉仪之后，当改变分光比 时，引起的辐射整个经历在谐振器中的组往返时间的改变。由于组往返时间的这种变化引 起谐振器的重复率（同义的：脉冲重复率）的改变，所以分光比的改变同时导致这个重复率 的变化。
[0022] 在频域（图1B)中，这意味着频率fm的梳在固定点ffix= fz周围像手风琴一样扩 张，也就是说，相邻节点之间的间隔增加或减少了均匀因数。这意味着在这个过程的相同时 间中，载波包络偏移频率&，即在图1B中被示出的频率梳的所谓偏移频率改变。通过干涉 仪的k个不同路径，干涉的组延迟可以通过沿路径i = 1…，K的电场的各个振幅来数学上 进行计算。
[0023] 发明有益地用在尤其是光学谐振器布置领域以及尤其激光谐振器布置领域中。尤 其有益的是，发明可以被用于频率疏的生成或微调以及短脉冲或超短脉冲谐振器的特征 (比如重复率）的调节。相应激光脉冲可以具有在皮秒或飞秒范围内的脉冲周期。另一方 面，发明也适用于更大或甚至更小的脉冲周期。
[0024] 发明以专有方式在固定点周围使谐振器的谐振线扩张或收缩。固定点的位置在特 定范围内自由地可选择，并且在优选实施方式中，该位置位于被影响的激光辐射的载波频 率的附近处。此处，本发明能够使用慢和特别快速的调节时间，尤其是小于1 y s的调节时 间。特别特征在于，这个新方法比可比较而言的快速重复率控制器能够具有实质上更大的 范围，以使得在合适的条件下，增加范围的额外的慢元件也许是不需要的。如果对载波包络 偏移频率的并发影响不是问题时，本发明还可以替换或补充分别使谐振线在零点周围扩张 或收缩的经典重复率控制器。
[0025] 本发明的具体益处因此在于以下事实，即可以使谐振线在具体被选固定点周围、 尤其是在光辐射的载波频率周围来被扩张或收缩。这特别有用于频率梳至光参考频率的稳 定。在一个