DE3019193C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Steuereinrichtung zum Er­ fassen und Einstellen der Arbeitsfrequenz eines Lasers, ins­ besondere eines Dauerstrich-Farbstofflasers, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie aus der US-PS 41 50 342 oder aus der US-PS 40 81 765 bekannt ist.

Theoretisch sollte ein Farbstofflaser, der in einer einzelnen Schwingungsmode arbeitet, eine reine Sinuswelle mit einer in­ finitesimalen Spektralbreite bei der jeweiligen optischen Arbeitsfrequenz erzeugen. In der Praxis ist aber die Linien­ breite durch verschiedene Einflüsse und Faktoren bestimmt, zu welchen u. a. durch akustische Wellen oder durch den Farb­ stoffstrahl (dye jet) im Farbstofflaser hervorgerufene Schwankungen oder Änderungen im optischen Weg gehören. Obwohl es also er­ wünscht ist, die Spektralbreite auf 1 MHz oder weniger zu steuern, ist es bisher schwierig, derart schmale Spektral­ linien zu erreichen.

Die nach dem bisherigen Stand der Technik bekannten Versuche zur Erzielung geringer Spektralbreiten beruhen allgemein auf einer Servosteuerung des Farbstofflaserkopfes unter Verwendung eines Bezugsnormals, das stabiler ist als der Laserkopf. Zu diesem Zweck ist die Verwendung eines Fabry-Perot-Interfero­ meters als Referenzinstrument bekannt.

Bei derartigen bekannten Systemen wird ein kleiner Teil des vom Laser abgestrahlten Lichtes durch das Interferometer ge­ lenkt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Amplitude sich bei einer Frequenzänderung des Farbstofflasers ändert. Das Referenz-Interferometer wandelt also eine Frequenzmodula­ tion in eine Amplitudenmodulation um. Die Amplitudenänderung kann photoelektrisch erfaßt und als Teil eines Servomechanis­ mus zur Steuerung der Ausgangsfrequenz des Lasers verwendet werden. Die Ausgangsfrequenz des Farbstofflasers kann eher charakteristisch für das Referenz-Interferometer gemacht wer­ den als der Laserkopf des Farbstofflasers.

Das Ziel einer derartigen Steuerung mit einem Referenz-Inter­ ferometer ist es, die Frequenzstabilität des Laserkopfes als charakteristische Eigenschaft für das Referenz-Interferometer zu haben, weil das Interferometer gewöhnlich kleiner und kom­ pakter aufgebaut und wirksamer abgedichtet bzw. abgeschirmt werden kann als der Laserkopf selbst, und zwar grundsätzlich wegen der geringeren Größe des Referenz-Interferometers.

Dabei wird die Frequenzstabilität eines derartigen Servosy­ stems gewöhnlich durch zwei Merkmale bestimmt.

Diese Merkmale sind das Auflösungsvermögen und der freie Spektralbereich des Referenz-Interferometers.

Der freie Spektralbereich ist allgemein durch die Länge des Interferometers bestimmt und gibt die äquivalente Fre­ quenzdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Durchlaßbe­ reichen des Interferometes an.

Das Auflösungsvermögen wird als Maß der Auflösung eines Fabry­ Perot-Interferometers verwendet und ist gleich dem Verhältnis des Spitzenabstandes zur Breite eines Übertragungs-Bandpasses. Die Breite des Band­ passes wird bei der halben Maximal-Amplitude gemessen. Die tatsächliche Form der Übertragungskurve eines Fabry-Perot­ Interferometers ist durch die Airysche Funk­ tion gegeben, während das Auflösungsvermögen weitgehend von dem Reflexionsvermögen der verwendeten Spiegel abhängt und mit dem Reflexionsvermögen ansteigt. Um den Farblaserkopf in Abhängigkeit vom Referenz-Interfero­ meter zu stabilisieren, wird an einer Seite eines Übertragungs­ Interferenzbandes des Referenz-Interferometers mit einem Wert Null für das üblicherweise etwa in der Mitte des Interferenz­ bandes liegende Fehlersignal eine Servoverriegelung vorge­ nommen. Entweder das Referenz-Interferometer oder der Farblaser wird abgestimmt, bis die Verriegelung an der Seite des Inter­ ferenzbandes in diesem Bereich erfolgt ist. Danach führt dann eine geringere Frequenzänderung des Farblasers zu einer ver­ hältnismäßig größeren Änderung der über das Referenz-Interfero­ meter übertragenen Amplitude.

Um die schmalste Linienbreite zu erhalten, ist es allgemein erwünscht, den kleinsten freien Spektralbereich für das Re­ ferenz-Interferometer zu verwenden, weil die durch die Ver­ riegelung erreichbare Linien oder Spektralbreite zum Teil durch den freien Spektralbereich des Interferometers be­ stimmt wird. Ein kleinerer freier Spektralbereich des Re­ ferenz-Interferometers gestattet die Erzeugung einer schma­ leren Linie mit dem Farbstofflaser.

Sobald aber der freie Spektralbereich des Referenz-Inter­ ferometers verringert wird, wird das System weniger stabil mit Bezug auf eine Verriegelung an aufeinanderfolgenden Durchlaßbändern des Referenz-Interferometers. Weil der Farbstofflaser abstimmbar und in einer großen Zahl ver­ schiedener Schwingungsmoden schwingen kann, heißt dies, daß durch Reduzierung des freien Spektralbereiches des Inter­ ferometers die verstärkte Möglichkeit eines Sprunges des Farblasers von einer Schwingungsfrequenz zu einer der anderen möglichen Schwingungsfrequenzen und einer Verriegelung der neuen Frequenz an einer Seite eines anderen Übertragungs­ Interferenzbandes des Referenz-Interferometers besteht, ohne daß eine nennenswerte Änderung in der Amplitude des Ausgangs­ signals des Referenz-Interferometers auftritt.

Die Verwendung eines Referenz-Interferometers mit einem kleineren freien Spektralbereich zur Stabilisierung des Farblasers bei einer kleineren Linienbreite vergrößert also die Möglich­ keiten für einen unentdeckten Sprung zwischen den möglichen Schwingungsmoden. Dieser Versuch zur Erzielung einer stabile­ ren Vergleichsgröße kann also im Ergebnis zu einer weniger stabilen Vergleichsgröße führen.

Der Grund für derartige Sprünge eines Farbstofflasers sind Störungen, die z. B. durch Blasenbildung in der Strahl­ strömung des Farbstofflasers hervorgerufen werden, jedoch auch auf anderen Ursachen beruhen können.

Im Falle einer Störung wird der Laserbetrieb bzw. der Laser­ strahl kurz unterbrochen und setzt dann wieder ein. Das er­ neute Einsetzen kann bei der gleichen Frequenz oder bei einer anderen Hohlraum-Resonanzfrequenz erfolgen.

Aus der US-PS 41 50 342 ist eine Einrichtung zur selbsttätigen Rückführung der Frequenz eines durchstimmbaren Lasers bei plötz­ lichen Frequenzabweichungen bekannt, bei der ein außerhalb des Laserraums angeordnetes Referenz-Interferometer vorgesehen ist. Zur Erfassung aller zu erwartender Frequenzsprünge ist ein relativ breiter Durchlaßbereich des Referenz-Interferometers verwendet, das in Kombination mit einem innerhalb des Resonatorraumes des Lasers angeordneten optischen Filter einen Schwingungssprung auf einen schmalen Frequenzbereich beschränkt, in dem nur ein einziger stabiler Verriegelungspunkt vorhanden ist.

Ausgehend von der US-PS 41 50 342 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steuereinrichtung zum Erfassen und Einstellen der Arbeitsfrequenz eines Lasers, insbesondere eines Dauerstrich-Farbstofflasers, anzugeben, durch die auch erhebliche Frequenzsprünge erfaßt und selbsttätig korrigert werden können, wobei gleichwohl eine hohe Stabilität der Frequenzverriegelung erreicht wird.

Die vorliegende Erfindung verwendet eine Steuereinrichtung, welche zur Steuerung der Arbeitsfrequenz des Lasers, insbe­ sondere eines Fabstofflasers, mit kontinuierlichen, im wesent­ lichen ungedämpften Schwingungen mit einem Doppel-Referenz­ Interferometer arbeitet.

Nachdem der Laser in einer einzelnen Schwingungsmode bei einer ausgewählten Frequenz in Betrieb genommen ist, dient erfindungs­ gemäß ein erstes Referenz-Interferometer mit einem kleinen frei­ en Spektralbereich und mit geringem bis mittlerem Auflösungs­ vermögen zur Stabilisierung der Arbeitsfrequenz des Lasers bei einer verhältnismäßig schmalen Linien- bzw. Spektralbreite. Da­ bei ist dem ersten Referenz-Interferometer ein Servomechanis­ mus zugeordnet, um den Farbstofflaser an einer Seite eines Über­ tragungs-Interferenzbandes des Referenz-Interferometers zu ver­ riegeln und die Schwingung bzw. Wellenaussendung des Lasers bei der gewählten Frequenz aufrechtzuerhalten, wenn keine Störun­ gen auftreten, die einen Schwingungssprung im Laser verursachen können.

Ferner ist bei der Erfindung dem ersten Referenz-Interfero­ meter und dem Servomechsnismus zur Erfassung eines Schwingungs­ moden-Sprungs im Laser sowie zur Feststellung der Größe und der Richtung des Schwingungssprunges ein zweites Referenz-In­ terferometer zugeordnet. Das zweite Interferometer hat wieder­ um ein geringes bis mittleres Auflösungsvermögen, besitzt aber einen freien Spektralbereich, der mehr als zehnmal größer ist als der des ersten Referenz-Interferometers, so daß irgendein Sprung des Schwingungsmode, der möglicherweise vom ersten Referenz-Interferometer nicht erfaßt werden sollte, als Ände­ rung der durch das zweite Referenz-Interfometer übertragenen Lichtmenge erscheint bzw. erfaßt wird. Im Falle eines Sprunges des Schwingungsmode hält das zweite Interferometer das Abtast­ system des Lasers an, treibt den Servomechanismus zurück, um die ursprünglich gewählte Frequenz zu erzeugen, und setzt dann das Abtastsystem des Lasers wieder bei der ausgewählten Frequenz in Betrieb, wobei sämtliche Schritte in einer verhältnismäßig kurzen Zeit ausgeführt werden.

Die vorliegende Erfindung normiert den Ausgang des Re­ ferenz-Interferometers gegenüber dem Eingang, so daß Änderungen der Intensität des vom Laser ausgestrahlten Lichtes nicht zu einem Verstärkungsfehler der Servoschleife führen. Die Erfin­ dung gewährleistet also, daß die Servoschleifenverstärkung un­ abhängig von der Intensität des Laserstrahles bleibt.

Erfindungsgemäß wird daher ein Laser, insbesondere ein Farb­ laser, für den Betrieb bei einer schmalen bzw. geringeren Linienbreite bzw. Spektralbreite durch ein neuartiges Steuersystem unter Verwendung von zwei Referenz-Interferometern sta­ bilisiert.

Dabei hat ein Referenz-Interferometer einen kleinen freien Spektralbereich zur Stabilisierung der Arbeitsfrequenz des Farblasers bei der verhältnismäßig geringen Linienbreite, während das andere Referenz-Interferometer einen wesentlich größeren freien Spektralbereich hat als das erste Referenz- Interferometer.

Der Laser wird an einer Seite eines Übertragungs-Interferenz­ bandes des ersten Referenz-Interferometes servoverriegelt, um den Betrieb mit der geringen Linienbreite bei einer ausge­ wählten Frequenz aufrechtzuerhalten, wenn keine Störungen auf­ treten, die einen Schwingungssprung verursachen.

Sobald eine Störung einen Schwingungssprung auslöst, tastet das zweite Referenz-Interferometer die Größe und Richtung die­ ses Sprunges ab, unterbricht dann automatisch den Betrieb des Abtastsystems des Lasers, stellt das Servosystem auf die aus­ gewählte Frequenz zurück und schaltet das Abtastsystem des Lasers wieder bei der gewählten Frequenz ein. Dabei zeichnet sich die Erfindung vor allem dadurch aus, daß alle diese Steuermaßnahmen innerhalb kürzester Zeit durchgeführt werden.

In der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung und deren prin­ zipielle Arbeitsweise erläutert und dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm der Anordnung der wesentlichen Bestandteile einer erfindungsgemäßen Doppel-Referenz­ Interferometer-Steuereinrichtung,

Fig. 2 ein Airy-Funktions-Diagramm, das veranschaulicht, wie die Übertragungs-Charakteristika eines Fabry­ Perot-Interferometers oder -Etalons sich als eine Funktion des Reflexionsvermögens (R) der in dem Etalon verwendeten Spiegel ändern, wobei sich die Schärfe der entstehenden Interferenzen und das Auflösungs­ vermögen (F) mit steigendem Reflexionsvermögen der Spiegel erhöhen.

Fig. 3 ein der Fig. 2 entsprechendes Airy-Funktions-Diagramm für ein Etalon mit einem gegebenen Spiegel-Reflexionsvermögen zur zusätzlichen Ver­ anschaulichung zweier wichtiger, charakteristi­ scher Eigenschaften, nämlich des freien Spektral­ bereiches (FSR) und des Auflösungsvermögens (F), bezogen auf den Spiegelabstand (L) und das Reflexionsvermögen (R) der Spiegel sowie zur Verdeutlichung, wie unter Ver­ wendung der Seite einer Übertragungs-Interferenz­ linie mit dem eingezeichneten, etwa in der Mitte der Interferenzlinie angeordneten Null-Punkt (ZP) für das Fehlersignal eine Servoverriegelung durch­ geführt wird, so daß Änderungen in der Frequenz von diesem Nullpunkt eine entsprechende Änderung in der Amplitude des durch das Etalon übertragenen Lichtes bewirken,

Fig. 4 eine Verstärkungskurve, die beispielhaft einige mögliche Longitudinal-Schwingungsfrequenzen zeigt, die in einem Farbstofflaser mit einer ge­ gebenen intrakavitären Abstandsbemessung und einem ortsfesten Abstimmelement, wie z. B. einem doppel­ brechenden Filter, erzeugt werden können, um eine Anfangsbegrenzung des Bereiches der zugelassenen Schwingungsfrequenzen zu bewirken,

Fig. 5 eine aufgezeichnete Airy-Funktions-Kurve eines ersten in der erfindungsgemäßen Steuereinrich­ tung gemäß Fig. 1 vorhandenen Referenz-Interfero­ meters, wobei in dieser Figur ein größerer Hori­ zontalmaßstab als in Fig. 4 verwendet ist und, wie die Darstellung verdeutlicht, das erste Referenz-Interferometer einen verhältnismäßig kleinen freien Spektralbereich für die Stabili­ sierung der Arbeitsfrequenz des Farbstofflasers bei einer verhältnismäßig schmalen Linienbreite besitzt,

Fig. 6 die Aufzeichnung einer Airy-Funktions-Kurve eines zusätzlichen, in der Steuereinrichtung nach Fig. 1 vorhandenen zweiten Referenz- bzw. Servo- Interferometers.

Eine in Fig. 1 gezeigte Steuereinrichtung 21 mit einer Doppel-Referenz-Interferometer-Anordnung besitzt erfindungs­ gemäß zwei Referenz-Interferometer.

Die Steuereinrichtung 21 stabilisiert den Betrieb eines Farbstofflasers 23. Bei der gezeigten Ausführungsform ist der Farbstofflaser 23 beispielsweise ein Farbstoff-Ring­ laser zum Aussenden kontinuierlicher, im wesentlichen unge­ dämpfter Schwingungen. Die vorliegende Erfindung ist aber für alle Farbstofflaser mit kontinuierlicher Schwingungs­ aussendung brauchbar.

Spiegel 25, 27, 29 und 31 des Lasers 23 bilden einen Reso­ nator bzw. Resonator-Hohlraum.

Der Strahlengang im Resonator ist mit dem Bezugszeichen 33 bezeichnet.

Das im Strahlengang 33 angeordnete aktive Medium ist ein Farbstoffstrahler bzw. eine Farbstoffquelle 35. Der Farbstoff­ strahler 35 bildet eine Strahlströmung eines Farbstoffes, wie z. B. in Äthylenglykol gelöstes Rhodamin 6G, im Strahlengang 33 des optischen Resonators.

Ein Ionen-Laser-Pumpstrahl 37 wird mittels eines Injektionsspiegels 39 in den Farbstoffstrahler 35 geleitet.

Der Farbstofflaser 23 ist mittels eines piezoelektrisch betätigten Antriebs für den Spiegel 27 sowie mittels eines Galvanometer-gesteuerten Fensters 41 des Brewsterschen Winkels über einen typischen Bereich von 30 GHz stetig abstimmbar. Die Galvanometer-Steuerung des Fensters 41 für den Brewsterschen Winkel bildet einen Teil einer lang­ samen Schleife einer Servosteuerung für die Abstimmung. Für den piezoelektrisch angetriebenen Spiegel 27 sind zwei Servoschleifen vorhanden, und zwar eine mittel­ schnelle und eine schnelle Schleife.

Die anderen Teile des dem Spiegel 27 und dem Fenster 41 zugeordneten Servosystems werden noch näher erläutert.

Ein doppelbrechendes Filter 45 dient zur Grobabstimmung des bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendeten, speziellen Lasers 23, und ein Etalon beispielsweise ein Fabry-Perot-Etalon zur Fein­ abstimmung, sorgt für eine weitere Beschränkung der Band­ breite bei Frequenzen, die mit Hilfe der einstellbaren Abstimmittel des Farbstofflasers ausgewählt werden können.

Die Hauptfunktion des Fein-Etalons 46 ist, Schwingungsmoden- Sprünge von 75 GHz eines Abtastungsetalons zu verhindern.

Der Farbstofflaser 23 wird mit Hilfe einer in einer Rich­ tung wirkenden Vorrichtung 43 als Ringlaser betrieben. Die Vorrichtung 43 kann in einer bevorzugten Ausführungs­ form einen auf dem Farday-Effekt beruhenden Richtungs­ wähler enthalten. Die in einer Richtung ar­ beitende Einweg-Vorrichtung 43 ruft einen kleinen Diffe­ rentialverlust in einer Laufrichtung der beiden möglichen entgegengesetzten Schwingungsausbreitungs­ richtungen in dem Ringresonator hervor. Dadurch wird die Laufrich­ tung des Strahls ausgewählt und eine Auslöschung der anderen Laufrichtung bewirkt. Eine derartige Einweg­ vorrichtung 43 ist in der US-PS 41 94 168 der gleichen Anmelderin im einzelnen beschrieben.

Die Ausgangsstrahlung des Lasers 23 tritt durch den Spiegel 31 in Richtung des Strahles 47 aus.

Gemäß Fig. 1 kann ein Abtastetalon 49 für einen an sich üblichen Abtastbetrieb des Farbstofflasers 23 verwendet werden. Die Abmessung des Abtastetalons ist unter der Steuerung eines Verriegelungskreises 53 des Abtastetalons durch einen piezoelektrischen Antrieb veränderbar.

Ein Photodetektor 51 ist dem Ausgangsstrahl 47 über einen teilweise reflektierenden Spiegel 52 zur Messung der In­ tensität des Ausgangsstrahles zugeordnet. Dieses Inten­ sitätssignal wird vom Photodetektor 51 dem Verriegelungs­ kreis 53 des Abtastetalon über eine Leitung 55 zugeführt. Dieser Schaltkreis verriegelt das Abtastetalon 49 bei einer Resonanzschwingung des Farbstofflasers.

Wie unten noch näher erläutert wird, wird die durch einen weiteren Photodetektor 95 gemessene Intensität des Ausgangsstrahls auch einem Normierungs-Schaltkreis für die beiden Referenz-Interferometer zugeführt.

Der Verriegelungskreis 53 empfängt über eine weitere Ein­ gangsleitung 57 auch ein von einem Abtast-Generator- und Treiberkreis 59 kommendes Signal.

Der Abtast-Generator- und Treiberkreis 59 ist über eine Leitung 60 auch mit dem galvanometergesteuerten Fenster 41 für den Brewsterschen Winkel verbunden.

Der Schaltkreis 59 empfängt ein Eingangssignal von einem Überkreuzungs-Schaltkreis 61 über eine Leitung 62 und ein zweites Eingangssignal von einem ersten Referenz-Interfero­ meter 63 über eine Leitung 65.

Das Licht für das Referenz-Interferometer 63 wird durch Ablenken eines Strahls 48 über Spiegel 70 und 73 vom Ausgangsstrahl 47 abgezweigt. Der Spiegel 73 richtet einen Lichtstrahl zum Eingang des Referenz-Interferometers 63.

Das Referenz-Interferometer 63 enthält, wie in Fig. 1 schematisch angedeutet, ein Abstimmelement in Form eines galvanometergesteuerten Fensters 77 für den Brewsterschen Winkel zur Abstimmung des Referenz-Interferometers. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzt ein zweites Referenz- oder Servo-Interferometer 81 einen piezoelektrischen Antrieb zur Verstellung der Spiegel des Servo-Interferometers zur Abstimmung.

Der Galvanometerantrieb des Interferometers 63 und der piezoelektrische Antrieb des Interferometers 81 werden durch einen Abtast-Generator- und Treiberkreis 78 ge­ steuert, um die beiden Interferometer synchron abzutasten.

Das Ausgangssignal des Referenz-Interferometers 63 wird mit einem Photodetektor 79 gemessen, dessen über eine Leitung 80 übertragenes Ausgangssignal zur Steuerung der Stellung des Fensters 41 für den Brewsterschen Winkel über den Galvanometerantrieb und die Verstellung des Spiegels 22 über den piezoelektrischen Antrieb verwendet wird.

Die anfängliche Abstimmung des Farbstofflasers 23 für den Betrieb in einer einzelnen Schwingungsmode bei einer ausgewählten Frequenz (mit oder ohne Abtastung durch das Abtast-Etalon 49) ähnelt im wesentlichen den schon bekannten Interferometer-Steuerungen zur Stabilisierung von Farbstofflasern. Die Abstimmung des Farbstofflasers ist also gegenüber dem Referenz-Interferometer durch Servo­ mechanismen der einleitend erläuterten Art verriegelt.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik durch die zusätzliche Anordnung des Servo-Interfero­ meters 81 in Verbindung mit dem ersten Referenz-Interfero­ meter 63 und dem Farbstofflaser 23, so daß eine Anzahl wichtiger Funktionen durchgeführt werden können.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, tritt ein Teil des vom Spiegel 73 durchgelassenen Lichtes durch einen metallisierten Spiegel 83 hindurch und wird durch einen Spiegel 85 zum Ein­ gang des Servo-Interferometers 81 umgelenkt. Die Ausgangs­ strahlung des Servo-Interferometers 81 wird mit einem Photodetektor 87 gemessen, und der Photodetektor 87 ist über eine Leistung mit einem Fehler-Detektorkreis 101 der Servoschaltung und dann über eine Leitung 93 mit einem Wiederverriegelungskreis 91 verbunden.

Der Spiegel 83 lenkt einen Teil des Lichtes vom Strahl 48 zu einem Photodetektor 95, dessen Ausgang über eine Lei­ tung 97 mit den Eingängen der Fehler-Detektorkreises 99 und 101 verbunden ist. Jeder Fehler-Detektorkreis normiert den Ausgang seines zugehörigen Referenz-Interferometers, um Intensitätsänderungen des Lichtes der Ausgangsstrahlung des Lasers 23 infolge von Beeinträchtigungen des Betriebes des über die Referenz-Interferometer gesteuerten servoge­ triebenen Abstimm-Mechanismus zu verhindern.

Da das Interferometer 63 die Arbeitsfrequenz des Farb­ stofflasers 23 durch Erzeugung eines dieser Frequenz ent­ sprechenden Amplitudensignals mißt, könnte allein eine Än­ derung der Intensität des Laserausgangsstrahls eine Ampli­ tudenänderung am Ausgang des Photodetektors 79 hervorrufen, die nicht von einer Amplidutenänderung am Ausgang des Photodetektors aufgrund einer Frequenzänderung beim Be­ trieb des Farbstofflasers zu unterscheiden wäre.

Jeder Fehler-Detektorkreis enthält einen Analog-Verviel­ facher/Teiler-Chip, einen Differenz-Verstärker und vier dem Differenz-Verstärker und den Licht-Intensitätssignalen auf den Leitungen 80 und 97 zugeordnete Widerstände, um Amplitudenänderungen, die durch Intensitätsänderungen im Strahlengang 33 des Resonators des Flüssigkeitslasers hervorgerufen werden können, zu norminieren.

Diese Schaltkreise gewährleisten, daß die Servoschleifen­ verstärkung unabhängig von der Intensität des Laserstrahles selbst ist. Dies stabilisiert die Servo-Verstärkungsschleife, so daß die Verstärkung dieser Schleife bei Änderungen der Lichtintensität des Lasers nicht geändert zu werden braucht.

Das Referenz-Interferometer 63 hat einen verhältnismäßig kleinen freien Spektralbereich, so daß eine Servo-Verrie­ gelung des Farbstofflasers 23 an einer Seite des Über­ tragungs-Interferenzbandes dieses Referenz-Interferometers für eine ganz schmale Linienbreite des Ausgangsstrahles 47 sorgt.

Das Servo-Interferometer 81 hat einen freien Spektral­ bereich, der wesentlich größer ist als der des Referenz- Interferometers 63. Der Farbstofflaser 23 ist also auch an einer Seite eines Übertragungs-Interferenzbandes bzw. Interferenzstreifens des Servo-Interferometers verriegelt, wenn der Farbstofflaser für einen Betrieb in einer ein­ zelnen Schwingungsmode bei einer ausgewählten Frequenz abgestimmt ist.

Diese Verbindung der beiden Referenz-Interferometer mit dem in einer einzelnen Schwingungsmode bei einer ausge­ wählten Frequenz arbeitenden Farbstofflaser ist in den Fig. 4-6 graphisch verdeutlicht.

Bei der besonderen, in Fig. 4 veranschaulichten Aus­ führungsform mit einem 35 GHz-Bereich könnte der Farbstoff­ laser ohne Abtastung jeweils bei Frequenzen in Abständen von 210 MHz arbeiten, wenn angenommen wird, daß der Farb­ stofflaser nicht abgetastet wird. In Fig. 4 sind nur einige wenige der 166 möglichen Frequenzen gezeigt, und die Darstellung verdeutlicht auch, wie eine Störung im Farbstofflaser dazu führen kann, daß der Laser einen Schwingungsmodensprung von einer ausgewählten Frequenz zu einer anderen Frequenz der zugelassenen Frequenzen für die Längsschwingungsmoden unter der Verstärkungskurve verursachen kann.

Bei der besonderen, in Fig. 5 veranschaulichten Ausfüh­ rungsform besitzt des Referenz-Interferometer einen freien Spektralbereich von 0,5 GHz. Das Interferometer könnte also in dem 35-GHz-Bereich unter der Verstär­ kungskurve nach Fig. 4 70 Spitzen bereitstellen. Fig. 5 zeigt, wie die Verriegelung auf eine ausgewählte Fre­ quenz durch das erste Referenz-Interferometer wieder auf die Schwingungsmoden-Sprungfrequenz gebracht werden kann, ohne irgendeine Änderung in der beobachteten Amplitude der Übertragung durch das erste Referenz-Interferometer hervorzurufen.

Fig. 6 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der freie Spektralbereich des Servo- Interferometers 81 etwa 10 GHz ist, der für die optische Anordnung besonders günstig liegt. Fig. 6 ist vertikal und maßstabsgleich mit Fig. 5 ausgerichtet und verdeutlicht, wie der wesentlich größere freie Spektralbereich des zweiten Interferometers einen Schwingungsmoden-Sprung bewirkt, um eine Änderung bei dem durch das zweite Referenz- Interferometer übertragenen Licht hervorzurufen, die sowohl die Größe als auch die Richtung des Sprunges der Schwin­ gungsmode von der gewählten Frequenz anzeigt.

Bei einer besonderen Ausführung der Erfindung wird ein Interferometer-Typ mit einem konfokalen System verwendet, um diesen freien Spektralbereich zu erzeugen.

Ein paralleles Interferometer kann verwendet werden, um einen größeren freien Spektralbereich, beispielsweise 70 GHz, einzustellen.

Beide Referenz-Interferometer haben vorzugsweise ein niedriges bis mittleres Auflösungsvermögen im Bereich von 2 bis 4.

Die in Fig. 2 gezeigten Kurven veranschaulichen die pro­ zentuale Übertragung eines Fabry-Perot-Interferometers oder -Etalons bei verschiedenen Reflexionsvermögen (R). Die in Fig. 3 gezeigte Kurve zeigt die über der Frequenz auf­ getragene Übertragung in Prozent bei einem vorgegebenen Spiegel-Reflexionsvermögen, wobei die Durchlaßbreite etwa in Höhe der halben Maximal-Amplitude gemessen wird.

Gemäß Fig. 4 wurde der Farbstofflaser 23 so abgestimmt, daß er in einer einzelnen Schwingungsmode bei einer ausgewählten Frequenz 121 arbeitet.

In diesem Betriebszustand sind der piezoelektrisch angetriebene Spiegel 27 und das galvanometer-getriebene Fenster 41 über die Schaltungsteile 61, 91, 99, 79, 101, 87 und 59, siehe Fig. 1, gegenüber dem Referenz-Interferometer 63 und dem Servo-Interferometer 81 servo-verriegelt. Die Servo-Verriegelung gegenüber dem Referenz-Interfero­ meter ist in Fig. 5 durch den Punkt 123 auf einer Seite eines Übertragungs-Interferenzstreifens 125 veranschaulicht und liegt auf einem Gleichstrompegel 130 in der Mitte zwischen der Spitze und dem Tal eines Interferenzstreifens. Eine Frequenzabweichung des Farbstofflasers, die nicht durch eine gesteuerte Frequenzänderung sondern durch normalen Abtastbetrieb des Abtast-Etalon 49 des Farbstofflasers in einer Richtung erfolgt, ändert die Amplitude des durch das Referenz-Interfermometer 63 übertragenen Lichtes. So erhöht ein beispielsweise angenommenes Absinken der Frequenz die Amplitude des durch das Referenz-Interferometer 63 übertragenen Lichtes, um ein über dem durch die Pegellinie 130 dargestellten Null-Punkt liegendes Ausgangssignal zu erzeugen, während eine Frequenzänderung in der anderen Richtung ein unterhalb der Pegellinie 130 liegendes Ausgangssignal erzeugt. Eine stetige, kontinuierliche Frequenzänderung, wie sie durch den normalen Abtastbetrieb des Abtast-Etalon 49 erzeugt wird, führt aber nicht zu einer Amplitudenänderung des Ausgangssignales eines der beiden Referenz-Interferometer, weil die Schaltkreise 53, 59 und 78 bewirken, daß während dieses Normalbetriebes das Abtasten der Referenz-Interferometer synchron mit dem Abtast-Etalon erfolgt.

Die Verriegelung des Servo-Interferometers 81 ist durch den Punkt 127 an der Seite eines Übertragungs-Interferenzstreifens 129 in Fig. 6 angezeigt, der auf einer Gleichstrom-Pegellinie 132 liegt.

Mit der Servo-Verriegelung am Referenz-Interferometer bei 123, siehe Fig. 5, erzeugt also jede unbeabsichtigte Änderung oder Drift in der Arbeitsfrequenz des Farbstofflasers eine merkliche Änderung der Amplitude des durch das erste Referenz-Interferometer 63 übertragenen Lichtes, wegen des größeren freien Spektralbereiches des Servo- Interferometers 81 aber nur eine kleine Änderung der Amplitude des Servo-Interferometers. So ist bei Normalbetrieb und in Abwesenheit einer Störung, die einen Sprung der Schwingungsmode im Farbstofflaser verursachen könnte, das Referenz-Interferometer 63 unter Kontrolle und hält die Linien- oder Spektralbreite des Ausgangsstrahls 47 innerhalb ganz enger Grenzen von beispielsweise 1 MHz oder weniger. Bei dieser normalen Betriebsart des Farbstofflasers ist das Servo-Interferometer 81 nicht besonders wichtig, weil das Referenz-Interferometer 63 ein feineres und genauer ansprechendes Regelverhalten besitzt.

Beim Auftreten einer Störung kann aber der Farbstofflaser einen Schwingungssprung machen von der ausgewählten Frequenz 121 zu irgendeiner der anderen zugelassenen Längsschwingungs- Frequenzen unter der Verstärkungskurve 131, siehe Fig. 5, und innerhalb irgendeiner stärker eingeschränkten Bandbreite, als sie durch das Fein-Etalon 46 und das doppelbrechende Filter 45 vorgesehen ist. In Abhängigkeit vom Abstand zwischen den möglichen Frequenzen und der Größe des freien Spektralbereiches des Referenz- Interferometers 63 kann also der Farbstofflaser einen Frequenzsprung zu bestimmten möglichen Frequenzen machen und ohne irgendeine wahrnehmbare Änderung in der Amplitude vom Ausgangssignal des Referenz-Interferometers 63 an einer Seite eines Übertragungs-Interferenzstreifens wieder verriegelt werden. Bei den durch Fig. 4 und 5 veranschaulichten Ausführungsbeispielen schwingt der Farbstofflaser 23 bei Frequenzen in Abständen von 210 MHz voneinander. Es ist deshalb vorstellbar, daß der Farbstofflaser an jedem zweiten Übertragungs-Interferenzstreifen des Referenz-Interferometers 63 verriegeln könnte, wenn dieses, wie dargestellt, einen freien Spektralbereich von etwa 0,5 GHz hat.

Ein möglicher Sprung der Schwingungsmode ist in Fig. 4, 5 und 6 veranschaulicht. Dabei hat der Farbstofflaser aufgrund einer Störung einen Frequenz-Sprung von der ausgewählten Frequenz 121 zu einer anderen (Sprung-)Frequenz 133 ausgeführt.

Wie Fig. 5 zeigt, kann diese Sprung-Frequenz 133 an einem Punkt 135 an einer Seite eines Übertragungs-Interferenzstreifens 137 derart verriegeln, daß am Ausgang des Referenz- Interferometers 63 genau die gleiche Lichtamplitude erscheint wie bei einer Verriegelung am Interferenzstreifen 125 beim Punkt 123.

Unter solchen Betriebszuständen kann das Referenz-Interferometer 63 also keinerlei Unterscheidungs- oder Diskriminator- Funktion ausüben, und der Versuch, den Farbstofflaser bei einer ausgewählten Frequenz 121 zu stabilisieren, könnte völlig zunichte gemacht werden, da ein Frequenzsprung infolge einer Störung unentdeckt bliebe.

Dies ist der Punkt, an dem sich die Wichtigkeit und Bedeutung des zusätzlichen Servo-Interferometers 81 zeigt.

Wie in Fig. 6 zu sehen ist, erzeugt eine Verschiebung von der Frequenz 121 zur Frequenz 133 in Fig. 4 eine beträchtliche Änderung in der Amplitude des durch das Servo-Interferometer 81 übertragenen Lichtes, wie durch die Lage des Punktes 139 in Fig. 6 angezeigt wird. Der Punkt 139 liegt unterhalb des Pegels 132 und bei der in Fig. 6 gewählten Darstellung rechts vom Bezugspunkt 127.

In diesem Betriebszustand liefert das Interferometer 81 ein Signal zum Wiederverriegelungskreis 91, über welchem das Abtastsystem des Farbstofflasers angehalten und die Servo-Interferometer-Kurve rechtzeitig verriegelt wird.

Die Lage des Punktes 139 unterhalb der Linie 127 und innerhalb des in Fig. 6 angezeigten stabilen Bereiches des Servo- Interferometers 81 führt zur Auslösung eines solchen Signales für den Wiederverriegelungskreis, daß eine Steuerung in der durch den Pfeil 151 angezeigten Richtung erfolgt. Wenn ein Frequenzsprung eine Verschiebung zu einem oberhalb der Linie 132 auf der Interferenzstreifen-Kurve liegenden Punkt verursacht hat, würde die angetriebene Servo- Einrichtung eine Steuerung in Richtung des Pfeiles 153 bewirken. Der Wiederverriegelungskreis 91 treibt dann das Galvanometer-Fenster 41 zurück in eine Lage zur Wiedereinstellung der ausgewählten Frequenz 121. Das Servo-Interferometer und der Wiederverriegelungskreis setzen dann mit den, wie oben beschrieben, an dem Referenz-Interferometer 63 und dem Servo-Interferometer 81 servoverriegelten Teilen das Abtastsystem des Farbstofflasers wieder bei der gewählten Frequenz 121 in Betrieb. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung und Bemessung der Anordnung erfolgt die Erfassung eines Frequenz- bzw. Schwingungsmodensprunges, die Korrektur und die erneute Inbetriebnahme innerhalb von etwa 10 bis 15 µ sec.

Claims (8)

1. Steuereinrichtung zum Erfassung und Einstellen der Arbeitsfrequenz eines Lasers, inbesondere eines Dauerstrich- Farbstofflasers, mit einem Laserresonator zur Anregung einer Laserstrahlung in mehreren Schwingungsmoden, einer Abstimmeinrichtung zur Erzeugung einer Laserstrahlung einer einzelnen Schwingungsmode bei einer ausgewählten Frequenz, mit einem außerhalb des Resonators angeordneten ersten Referenz-Interferometer (63) mit einem kleinen freien Spektralbereich zwischen aufeinanderfolgenden Durchlaßbereichen des Interferometers zur Stabilisierung der Arbeitsfrequenz des Lasers, und mit einer Servo-Einrichtung zur Verriegelung der Abstimmeinrichtung an einer Flanke des Übertragungsbereiches des ersten Interferometers zur Aufrechterhaltung der ausgewählten Frequenz der Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Resonators zusätzlich ein zweites Referenz-Interferometer (81) mit einem mehr als zehnmal größeren freien Spektralbereich als der des ersten Referenz-Interferometers angeordnet ist, daß das zweite Referenz-Interferometer dem ersten Referenz-Interferometer und der Servo-Einrichtung in der Weise zugeordnet ist, daß bei größeren Frequenzabweichungen der Laserstrahlung über mehrere Schwingungsmoden hinweg die Servomittel und die Abstimmeinrichtung durch das zweite Referenz-Interferometer nach Größe und Richtung derart eingestellt werden, daß die Laserschwingung auf die ausgewählte Arbeitsfrequenz zurückgeführt wird und dort mit Hilfe des ersten Referenz-Interferometers verriegelt wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (23) ein Ringlaser ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Referenz-Interferometer (63) einen freien Spektralbereich von etwa 0,5 GHz besitzt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Referenz-Interferometer (81) ein konfokales System besitzt.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Referenz-Interferometer (81) ein planparalleles System enthält.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Licht-Normierungsmittel (79, 87, 95) zur Normierung der Ausgangssignale der Referenz-Interferometer (63, 81) bei Änderung der Intensität des vom Laser erzeugten Lichtes zur Verhütung einer Beeinträchtigung der den Servomitteln über die Referenz-Interferometer zugeführten Steuersignale durch eine Intensitätsänderung des durch den Laser erzeugten Lichtes.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Referenz-Interferometer (63, 81) ein geringes Auflösungsvermögen in einem Bereich von 2 bis 4 haben.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abtast-Etalon (49) innerhalb des Resonatorraums des Lasers, durch Abtastmittel in jedem Referenz-Interferometer (63, 81), durch Abtaststeuerungsmittel zur Erzielung einer synchronen Abtastung sowie durch mit dem zweiten Referenz-Interferometer (81) verbundene Wiederverriegelungsmittel (91) zum Einfrieren der Abtastung bei Erfassung eines Schwingungssprunges bis zu einer über die Servo-Mittel erfolgenden Rückstellung der Abstimmittel für einen Betrieb bei der ausgewählten, noch unmittelbar vor dem Schwingungssprung abgetasteten Frequenz und zur anschließenden Wiederaufnahme der Abtastung bei dieser Frequenz.