frequenzkammgenerator - Facharbeit - Literatur

de.sci.electronics ?

w.

Hallo Helmut,

Helmut Wabnig schrieb:

Anwendung) schreiben...

das ist doch einfach nur ein Impulsgenerator mit möglichst schmalen Impulsen (Dirac)? Die könnte man digital recht einfach erzeugen, Literatur zum Entwerfen von Zählern wird es massenhaft geben, da würde ich vielleicht mal beim Tietze/Schenk anfangen. Die ganzzahligen Vielfachen der Impulsfolge sind einfach die "Zacken" des Kamms im Spektrum.

Ich selbst habe sowas vor langer Zeit analog erzeugt aus einem Sinus 100 MHz mit Hilfe einer Step-Recovery-Varaktor-Diode, das ist eine Speicherschaltdiode, die in ps abschalten kann, eine Sonderform einer PIN-Diode. Damit hatte ich 100 MHz-Nadelimpulse erzeugt, die auf einen ich glaube 1 GHz-Resonator geführt wurden. Der hat die Energie von 100 MHz nach 1 GHz Sinus konvertiert mit einem bestimmten Wirkungsgrad. So ein Frequenzvervielfacher ist die einzige Anwendung, die mir grade so einfällt. Ob dieses Verfahren heute noch technische Bedeutung hat, weiß ich nicht, jedenfalls wurde es mal so gemacht.

Beschrieben wird das Prinzip in: H. Tholl Bauelemente der Halbleiterelektronik, Teil 1 Teubner-Verlag 1976 ISBN 3-519-06418-9

Für den Entwurf im Detail gibt's weiterführende Literatur, da das nicht ganz einfach ist. Bei Bedarf kann ich das aber auch raussuchen.

mfg. Winfried

Eventuell Optik:

MfG JRD

Gemeint ist vermutlich der optische Kamm für den T.W. Hänsch und Co. vor kurzem den Nobelpreis bekommen haben. Als Puls-Generator benutzt man dabei üblicherweise einen moden-gekoppelten Titan-Saphir-Laser. Der erzeugt Pulsfolgen mit einigen hundert MHz bis GHz Wiederholfrequenz und ein paar Femtosekunden Pulsbreite. Dann kommt der geniale experimentelle Trick, bei dem die Phasen der verschiedenen Oberwellen willkürlich verschoben werden. Dazu wird das Licht in eine Spezial-Faser mit extrem großer Dispersion geleitet. Das Ergebnis ist kontinuierliches Licht, das nicht Mehr gepulst ist. In der spektralen Verteilung sind die Oberwellen aber erhalten geblieben. Das kontnuierliche Licht hat also ein Spektrum, dass aus lauter diskreten Nadeln besteht. Das ist der "Optische Kamm". Der Abstand der einzelnen Kammzinken ist identisch mit der Wiederholfrequenz des Pulslasers.

Diese Technik funktioniert nicht nur mit ein paar Oberwellen, sondern für so viele, dass der optische Kamm mehr als eine Oktave der ursprünglichen Laserfrequenz umfasst. Bei 1 GHz Wiederholfrequenz und etwa 300 THz Laserfrequenz sind das mehr als 3e5 Kammzinken. Die Oktave erlaubt einen messtechnischen Trick: Man stabilisiert einen Laser auf eine Zinke am unteren Ende des optischen Kamms. Ein weiterer Laser wird auf die Zinke des Lasers stabilisiert, die der doppelten Frequenz des ersten Lasers an nächsten kommt. Parallel dazu wird die Frequenz des ersten Laser mit ein nichtlinearen Kristall verdoppelt. Anschließend überlagert man das verdoppelte Licht mit dem auf die Zinke stabilisierten. Das Ergebnis ist eine Schwebungsfrequenz, die maximal ein halber Zinkenabstand groß sein kann, also elektronisch vergleichsweise leicht und genau messbar ist. Diese Differenzfrequenz ist der Offset, mit dem die Kammfrequenzen bei Null Hz anfangen.

Auf diese Weise kennt man jede einzelne Kammzinkenfrequenz mit der gleichen Genauigkeit, wie man die Pulsfrequenz des Titan-Saphirlasers kennt, also mit einem Fehler kleiner als mHz. Da die Frequenzen des Kamms aber im optischen um 300 THz liegen, ist der Fehler hier im Bereich

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genau!

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Grüße!!!

Thomas

"Kai-Mart>

Besser gesagt: der geniale experimentelle Trick, mit dem die linear verschobenen Phasen der verschiedenen Oberwellen bestimmt werden können.

Die Phasen vieler Nachbarmoden sind im Ti:Sa-Laser so synchronisiert, daß fs-Impulse entstehen (Mode-Locking). Dabei wird aber (gerade infolge des Locking der Phasen) die Dispersion, d.h. frequenzabhängige Phasendrehung des Resonators kompensiert. Diese Phasendrehung führt aber zu einem Frequenzoffset der Kammfrequenzen. (genauer der lin. Anteil der Ph.Drhg.)

Eher extrem kleiner Dispersion ;-) SCNR, nämlich extrem negativer, d.h. extrem _anomaler_ Dispersion:

Anomale Dispersion ist im Bereich < 1200 nm mit Fasern mit Längs-Löchern erreichbar (Photonic Crystals - PCs). In diesen entsteht an den Vorderflanken der fs-Impulse langwelliges - z.B. rotes - Licht. Das ist keine _materialbedingte_ Nichtlinearität, nur Fourier: Seitenbänder an der steilen, konkaven, Hüllkurvenflanke. AKA Amplitudenmodulation: die Fourier-Frequenzen sind schon im Laserimpuls beim Eintritt in die Faser vorhanden.

Rotes Licht eilt normalerweise dispersiv _vor_, d.h. entfernt sich vom "Ort der Entstehung" -- der Vorderflanke. Nicht aber hier bei anomaler Dispersion: Hier läuft das rote Licht langsamer, d.h. zurück in das Impulsmaximum.

An der Rückflanke entsteht Fourier-gemäß blaues Licht, das

- anomal dispersiv - hinwiederum voreilt. Normalerweise würden also beide neuen Spektralanteile in den ursprünglichen Impuls hinein- und durch ihn hindurchlaufen. Das wird aber ab einer Mindest-Impulsamplitude durch den negativ-quadratischen Kerr-Effekt (infolge der el. Lichtamplitude) verhindert: Die hohe elektrische Feldstärke im Impulsmaximum mindert dort die Brechzahl der Faser: Es läuft daher ein Minimum der Brechzahl mit dem Impuls durch die Faser. Hier herrscht die höhere Lichtgeschwindigkeit. Dieses Maximum der Lichtgeschwindigkeit "fängt" die neu entstandenen Frequenzanteile ein: Alles was (statisch) dispersiv aus dem Impuls herauslaufen will trifft auf einen (dynamisch mitlaufenden) Faserabschnitt geringerer Lichtgeschwindigkeit und kann so dem Impuls "nicht entkommen".

Noch einmal: Rot entsteht (Fourier) an der Vorderflanke, läuft dann anomal dispersiv zurück, bleibt dann aber im Impulsmaximum gefangen, weil von hier sowohl nach vorne wie nach hinten die Lichtgeschwindigkeit abnimmt (neg. quadr. Kerr-Effekt durch Impuls-Amplitude).

Blau: Entstehung an Rückflanke, Geschwindigkeit größer, Einfang gleichartig.

Das Resultat: Die Impulse werden immer schmaler, ihr Oberwellengehalt immer höher. Dabei werden die Flanken noch steiler und bilden immer weitere Fourier-Anteile, die dann wieder Kerr-Effekt-mäßig zum Peak zentriert werden (Rückkopplung). Das ist der Beitrag der Faser.

Wichtig!: Die Impulsfolgefrequenz des mode-gelockten fs-Lasers bleibt erhalten. Dessen Frequenz kann an die Frequenz einer Cs-Atom-Uhr angebunden werden.

Alles o.g. wird in der Literatur über Solitonen-Ausbreitung in Fasern (im Wellenlängenbereich > 1400nm); ausgiebig behandelt. Oberhalb 1400nm (Nachrichtentechnik bei 1550 nm) ist die Dispersion in SiO2 schon von Natur aus anomal. Solitonen waren in den 1990-ern sehr vielversprechend. U.A. ihr begrenzter Amplitudenbereich hat die Weiterentwicklung gestoppt.

Auffällig in der (bisher dürftigen) Literatur über Frq.-Kämme ist: Bei den für Frequenz-Kämme eingesetzten PC-Fasern mit anomaler Dispersion im Sichtbaren finden die o.g. Vorgänge in gleicher - bekannter - Weise statt. Der Hinweis, dass hier lediglich mittels der Längs-Kanäle in den Fasern die anomale (negative) Dispersion in den Nutz-Frequenzbereich der Frq.-Kämme verschoben wird, sollte bald einmal kommen.

Daß der konstante Frequenzoffset erst bestimmbar ist, wenn mindestens ein Frq.Kamm mit der Bandbreite 2:1 (Oktave) erzeugt wurde und wie er bestimmt wurde, macht den Nobelpreis aus.

Doch. Mit der ursprünglichen mode-gelockten Laser-Impulsfrequenz Deren Frequenz ist die Basis des Ganzen.

Genau: "Kammzinken" im Frequenzbereich heißt aber Impulse.

Für 1e-18 ist es (Veröfftl. bis Feb. 2008) noch etwas früh. (Das ist die Doppler-Verschiebung infolge der Geschwindigkeit der Kontinentaldrift oder des Wachstums von Fingernägeln). Die zeitabhaengige Wärmedehnung optischer Tische derzeit noch viel schlimmer, ( 2007 wohl eher 10e-15). Es geht aber sehr gut voran. Ich denke, 10e-18 hat bald jemand erreicht.

Anschaulich: 10e+18 Hz ist sichtbares Blau mal 1000. Bei delta-f = 10e-18 kann man die interferenzstreifen zweier so stabiler blauer Lichtquellen in 1000 Sekunden (20 Min) einmal durchlaufen sehen.

Noch 'was schönes: Theodor Hänsch hat (ca. 2000..2002) in einem Vortrag ein Diagramm der rel. Unsicherheiten der Zeitmessung seit dem Mittelalter (sic) gezeigt: Ordinate: Log. prozentualer Fehler Abszisse: Lin. Jahreszahl Kurve: Gutgefittete fallende Gerade, AFAIK bis 10e-18 Viele späte Punkte waren seine eigenen Ergebnisse. Aber: Eine vertikale Gerade (bei 2000+x; x leider vergessen), ca. Originalton: "Ab hier bin ich nicht mehr beteiligt: Nach deutschem Beamtenrecht wird man mit 65 Jahren pensioniert."

Nach dem Nobelpreis wurde er wohl irgendwie am - unverändert geltenden - Beamtenrecht vorbei, im Amt belassen.

W.Riedel

Dafür hätte ich die Selbst-Phasen-Modulation wegen dem Kerr-Effekt verantwortlich gemacht.

Hmm. Hier habe ich offensichtlich fälschlich die Sache mit dem Supercontinuumslicht in die gleiche Schublade gesteckt.

Nur dann, wenn die Kammzinken die richtige Phase relativ zueinander haben. Angenommen man verdreht in der Fouriertransformierten einer Pulsfolge die Zinken im Komplexen gegeneinander ohne ihre Höhe zu ändern. Dann wird im Zeitbereich aus der ursprünglichen Pulsfolge Kabbelwasser. Ob das beim optischen Kamm der Fall ist, werde ich mich bei den hiesigen Kammtechnikern schlau machen.

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Stimmt auch wieder.

Bitte unbedingt davon berichten! Ich bin sehr daran interessiert, weiß aber nur hobby-mäßig darüber Bescheid.

Die erzwungenen three-page-articles in Optics Letters u.ähnl. lassen leider auch keine Beiträge für Laien wie mich zu.

W.Riedel

Die Doktoranden, die mit dem Bau der Magnesium-Uhr beschäftigt sind, zu der auch so ein Frequenzkamm als Uhrwerk gehört, wussten es nicht so genau. Mal eben nachmessen geht auch niocht, weil die sonstige Laboreinrichtung mehr oder weniger auf DC maximal Wackel-Strom eingerichtet ist. Außerdem ist es wohl etwas aufwendiger, den Kamm in Betrieb zu nehmen.

Es gibt allerdings im Erdgeschoss noch eine Forschungsgruppe, die nur mit Puls-Lasern hantiert. Ich könnte mir vorstellen, dass dort das Wissen um kurze Pulse in PC-Fasern zur Grundbildung gehört. Heute war allerdings niemand vor Ort. Offensichtlich ist gerade ein Gruppen-Ausflug...

Den Text in der englischen Wikipedia könnte man so deuten, dass es hinter der Faser keine Pulse mehr gibt: /---------- | Broadening to an octave is typically achieved using supercontinuum | generation by strong self-phase modulation in nonlinear photonic | crystal fiber. \---------- Allerdings wäre ich in diesem Fall eher misstrauisch und würde mich lieber auf bessere Quellen verlassen.

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Magnesium-Uhr h=F6rt sich doch schon mal gut an. Die wird dann sicher sch=F6n leicht. :-)

Ein gutes Know-How =FCber Uhren mit optischen Frequenzkamm-Generatoren und entsprechende Messtechnik sollte auch in der PTB vorhanden sein. Solche Uhren sollen in absehbarer Zeit mal die C=E4sium-Uhren abl=F6sen, da sie eine um mindestens den Faktor Hundert bessere Genauigkeit ergeben sollen. Passende Gespr=E4chspartner k=F6nnte man am besten bei

Der Magnesium-Anteil ist in der Tat sehr leicht. Kannst ja mal ausrechnen wieviel 1e6 Mg-Atome wiegen :-) Der unbedeutende Rest der Uhr nimmt im Moment zwei größere Labore ein...

Klar. Die Entwicklung hier erfolgt in enger Zusammenarbeit. Das geht bis zum Austausch von Platinen-Layouts.

---> Harald Schnatz, Robert Wynands ...

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Ich merke schon, ich habe da wieder mal offene T=FCren eingerannt. Aber ich habe neulich mal bei einer F=FChrung einen Blick in das entsprechende Labor werfen k=F6nnen und gesehen, das das ganze doch mit einem recht hohen Aufwand verbunden ist. Gruss Harald

Tja, ich h=E4tte wirklich etwas genauer hinsehen sollen (Beginn zweiter Absatz):

Das sind übrigens nicht die Leute, die die Mg-Uhr aufbauen, sondern die Präzisionsspektroskopiker aus einer getrennten Arbeitsgruppe.

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Ich glaube, der Begriff supercontinuum bezieht sich auf die

- verglichen mit optischen Frequenzen - sehr eng beieinander liegenden Kammfrequenzen: Bei z.B. 300 MHz Modenabstand oder 3.3 ns Pulsfolge fs-Lasers haben die Kammfrequenzen nur 300 MHz Abstand. Rotes Licht hat 500 THz. D.h. um die Linien im Kamm spektroskopisch aufzulösen, brauchte man ca. 2e-7 relative Auflösung.

Die anfangs xx fs breiten Impulse (xx wohl unter 100 fs) des Ti:Sa werden in der o.g. "nonlinear photonic crystal fiber" noch schmaler. (AKA Selbstphasenmodulation. Das ist auch schon alles, was ich halbwegs sicher weiß.) "Nonlinear" ist hier eher irreführend. Die Brechzahl ist zwar nichtlinear, dadurch entstehen aber keine neuen Frequenzen (wie z.B. an nichtlinearer Kennlinie), sondern sie ist Ursache der Impulskompression durch Selbstphasenmodulation. Die neuen Frequenzen werden fourier-mäßig gebildet.

Ich *vermute*, dass die extrem schmalen Impulse so aus der Faser austreten, dann aber dispersiv verbreitert werden. (Bei Impulsen im einstelligen fs-Bereich stört schon die Dispersion der Luft.) Dass dabei kontinuierliches "Kabbelwasser" (Kai-Martin Knaak, 11.2.08) entsteht, glaube ich aber nicht: Dazu müssten sich die fs-Impulse bis in den Bereich ihres Abstandes (z.B. die o.g. 3.3 ns) verbreitern.

Aber selbst dann blieben die Amplituden in der Faser gebildeten neuen Frequenzen unverändert erhalten. Ihre dispersiv konstant verschobenen Phasen sind bei der Frequenzmessung unwichtig.

W.Riedel

Die Kurzpulser aus dem Erdgeschoss sind wieder im Institut und ich konnte nachfragen. Ergebnis: Hinter der PC-Faser ist das Licht in der Tat noch gepulst, also kein kontinuierliches Kabbelwasser. Allerdings sind die Pulse auch nicht schmäler als davor, sondern eher breiter. Der Grund ist die Dispersion der Faser, die die Phasen der Kammzinken unterschiedlich stark verschiebt.

---> Wir haben beide Recht :-)

Meine Vermutung, dass die Faser dazu dient die Phasen absichtlich zu mischen, ist dagegen falsch. Das ist mehr ein Schmutzeffekt, der am Ende nicht weiter stört.

Nebenbei erwähnte mein Informant, dass die PC-Faser bei hoher Lichtleistung recht kurz ausfallen. 5 cm würden eventuell schon reichen. Von dieser Länge hängt es dann ab, wie sehr die Pulse verwaschen werden.

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