Femtosekundenlaser basiertes Längenmesssystem

 Von Femtosekundenlasern erzeugte optische Frequenzkämme finden in immer mehr Bereichen der Laserspektroskopie Anwendung. Bei der Detektion dieser Pulse mit einer Hochgeschwindigkeitsfotodiode entsteht ein elektrisches Signal im Radio- und Mikrowellenbereich mit Spektrallinien im gleichen Frequenzabstand bis hin zur Empfindlichkeitsfrequenzgrenze der Fotodiode. Die Pulsrepetitionsrate entspricht der ersten Frequenzlinie und dem Frequenzabstand der einzelnen Kammlinien. Basierend auf Phasendetektion zweier Kammlinien wurde ein mit relativ einfachen Mittel zu realisierendes Längenmesssystem auf der Basis eines Femtosekundenlasers entwickelt. Ziel dieses Eranet-Plus-Projektes ist es, für Längen bis 1 km eine Messunsicherheit von kleiner 10^-6 L, d.h. kleiner 1 mm zu erreichen.

Als Quelle wird ein modengekoppelter, Erbium-dotierter Femtosekunden-Faserlaser mit einer Wellenlänge von 780 nm genutzt, dessen Pulse von 150 fs Breite eine Repetitionsrate von 100 MHz aufweisen. Eine Änderung in der Strahlengangslänge induziert kontinuierliche Phasenverschiebungen an jeder einzelnen Linie im Frequenzkamm. Das Funktionsprinzip des neuen Längenmessgerätes basiert auf der Phasenauswertung der Sinussignale zweier Kammlinien, die eine direkte Aussage über die absolute Länge des Laserstrahls ermöglichen. Die wichtigste Voraussetzung für dieses Verfahren ist eine sehr gute Stabilität der Pulsrepetitionsrate. Die Ausbreitung der Femtosekundenpulse in Luft wird wegen der Dispersion von der Gruppengeschwindigkeit bestimmt. Die relevante Gruppenbrechzahl in Luft wird mit Hilfe einer empirischen Formel aus den Luftparametern Druck, Temperatur, Feuchte und CO₂-Gehalt korrigiert.

Die Messung besteht aus zwei Einzelschritten. Im ersten Schritt wird die Länge fein bestimmt, indem die Hochfrequenzlinie von 11,4 GHz ausgelesen wird. Die Phasenerfassung des 11,4 GHz Signals liefert Längeninformationen innerhalb eines Eindeutigkeitsbereiches von ca. 13 mm. Um die Entfaltung dieses Ergebnisses zu ermöglichen wird im zweiten Schritt die Länge grob bestimmt, indem der Phasenwert der ersten Linie des Frequenzkammes von 100 MHz ausgelesen wird, womit ein Eindeutigkeitsbereich von 1,5 m erhalten wird. Allerdings muss die Messunsicherheit hierbei unterhalb des Eindeutigkeitsbereiches des ersten Schrittes von 13 mm liegen (Bild 1 b). Die Auflösung der Mehrdeutigkeit der Absolutmessung kann zum Beispiel mittels eines konventionellen Laserentfernungsmessers erfolgen. Bild 1 zeigt die derzeit erreichbaren Messunsicherheiten für eine Versuchsstrecke von 100 m. Weitergehende Messungen im Außenbereich sind auf der 600 m Pfeilerstrecke der PTB geplant.


Bild 1: Gemessene Längendifferenz zwischen einem inkrementellen Referenz-HeNe-Laserinterferometer und dem Femtosekundenlaser-Messsystem für 11,4 GHz Signal (links) und 100 MHz Signal (rechts).