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Kourogi-Kamm für die absolute Längenmessung

01.12.2013

Um das Potential dieser klassischen Frequenzkammquelle in der industriellen Längenmesstechnik zu untersuchen, wurde ein Kourogi-Kamm aus einfachen Komponenten aufgebaut. Er weist einen Modenabstand von 9,2 GHz und ca. 50 Kammlinien auf und soll in einem absolut messenden Interferometer angewendet werden.


Ein grundlegendes Problem der interferometrischen Längenmesstechnik ist der im Prinzip auf eine halbe Wellenlänge begrenzte Eindeutigkeitsbereich. Seit über hundert Jahren wird versucht, durch Kombination der Information aus Phaseninformationen aus Interferometern verschiedener Wellenlänge diesen Eindeutigkeitsbereich zu vergrößern. Eine breite Anwendung dieser sogenannten „Mehrwellenlängeninterferometrie“ in der industriellen Längenmesstechnik scheiterte bisher aber nicht zuletzt an der Verfügbarkeit bzw. auch den Kosten geeigneter Laserquellen. In den letzten Jahren sind optische Frequenzkämme als vielversprechende Quellen in das Interesse der optischen Längenmetrologie gerückt. Entsprechende Quellen, z.B. modengekoppelte Festkörper- oder Faserlaser-basierte Systeme, bieten mit einer einzigen optischen Quelle das Äquivalent einer Vielzahl von Einzelstrichlasern mit festem Modenabstand. Interferometer mit „tausenden Einzellasern“ wurden bereits realisiert [1].

Für viele Anwendungen in der industriellen Messtechnik ist die Leistungsfähigkeit moderner optischer Frequenzkämme jedoch nicht notwendig, typische Modenabstände von einigen 100 MHz sind für manche Detektionstechniken eher von Nachteil. Es wurde daher eine relativ einfache Frequenzkammquelle basierend auf dem bekannten Kammgeneratorprinzip nach Kourogi [2] entwickelt. Dafür wurde ein kommerzieller elektro-optischer Modulator (EOM) in einen optischen Resonator integriert, dessen freier Spektralbereich (FSR) auf die Resonanzfrequenz des EOMs von 9,2 GHz stabilisiert wurde. In dieser Anordnung prägt der EOM einem monochromatischen Diodenlaser eine Reihe von Seitenbändern mit festem Modenabstand Δf mit Resonanzfrequenz des EOM auf. Durch ein verbessertes Stabilisierungsschema konnte mit diesen relativ einfachen und kostengünstigen Komponenten ein stabiler Frequenzkamm mit typischerweise 50 Kammlinien generiert werden (vgl. Bild 1). Mit diesem Aufbau ist es mit geringem Aufwand möglich, zwei optische Frequenzkämme von unterschiedlichem Modenabstand und gegenseitiger Kohärenz zu generieren. In Zukunft werden diese beiden optischen Kämme in ein Interferometer für absolute Längenmessungen integriert werden.

[1] S. A. van den Berg et al., Many-Wavelength Interferometry with Thousands of Lasers for Absolute Distance Measurement, PRL 108, 183901 (2012)

[2] M. Kourogi et al., 9. The cavity-enhanced optical-frequency comb generator and its applications, in: Cavity-Enhanced Spectroscopies, Academic Press (eds R. D. van Zee und J. P. Looney), 297 – 319 (2003)

Bild 1: Typisches Spektrum des aufgebauten Frequenzkamms. Der Modenabstand Δf wird durch die Resonanzfrequenz des EOMs bestimmt und beträgt hier etwa 9,2 GHz.