DE3819333A1 - Laseranordnung mit hoher frequenz- und intensitaetsstabilitaet der laserstrahlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Laseranordnung ist in Electronics Letters, 26.Febr.87, Vol.23, No.5, pp.206-208 beschrieben. Die dort vorgestellte Regelung durch einen Vergleich zweier Moden, die in den steilen Bereichen im Anstieg bzw. Abfall der Kurve Verstärkung über der Frequenz liegen, läßt nur einen relativ kleinen Unterschied zwischen den beiden Moden zu, da sonst die Regelung instabil wird und zum Aussetzen neigt. Dies beruht auf der Steilheit der Kurve der Intensität über der Frequenz.

Außerdem sind aus der Zeitschrift Microwaves, Januar 1967, Sei­ ten 51 bis 61 einige frequenzstabilisierte Laseranordnungen be­ kannt, welche monomodige Laser betreffen. Den dort beschriebenen Stabilisationseinrichtungen ist gemeinsam, daß eine Größe, z.B. die Resonatorlänge bzw. die Drehrichtung eines zirkularpolari­ sierten Lichtes bei der Anwendung einer Zeeman Absorptionszelle als Diskriminator periodisch verändert werden und daß diese pe­ riodische Änderung eine Modulation der Laserintensität bzw. der Intensität am Resonatorausgang ergibt, die dann in eine Frequenz­ stabilisierung umgesetzt wird. Diese Lasermodulation muß bei den bekannten Stabilisationsmethoden niederfrequent erfolgen, so daß eine relativ große Einstellzeit benötigt wird, die beispielswei­ se in der Größenordnung einer Sekunde liegt.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, be­ steht im Aufbau einer Laseranordnung, die den zur Regelung ver­ wendeten Schwingungsmodus (Nebenmodus) soweit abschwächt, daß bei einer Modulation des Lasersignales der Nebenmodus nicht mehr stört.

Diese Aufgabe wird bei einem Laser gemäß dem Oberbegriff durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung reicht es aus, durch Regelung der Resonatorlänge die Kurve der Laser-Intensität über der Frequenz (Intensitätskurve) nur teil­ weise abzutasten, bis die entsprechenden Extremwerte gefunden sind. Aus einer Differentiation der aufgenommenen Kurve läßt sich sofort ein Extremwert erkennen und feststellen, ob es sich um ein Maximum oder Minimum handelt. Sofern mehr als ein Maximum bzw. Minimum auftreten kann, empfiehlt es sich, als weitere Be­ dingung einen Absolutwert oder einen Wertebereich für diesen Ex­ tremwert einzugeben. Von diesem Extremwert ausgehend kann z.B. auch der nächst folgende Extremwert bestimmt werden, der den Be­ dingungen für den Abstand und das Vorzeichen entspricht. Die Werte des zweiten Extremwertes werden dann durch Nachregelung der Resonatorlänge innerhalb vorgegebener Toleranzen gehalten.

Dieses Regelprinzip ermöglicht es, eine bereits weitgehend unter­ drückte Laserlinie zur Frequenzsteuerung heranzuziehen und damit zu gewährleisten, daß die stärkere Linie im Maximum ihrer Laser­ leistung liegt. Dadurch kann bereits mit mäßigen Anforderungen an die Frequenzstabilität (Frequenzabweichung z.B.±10^-6) eine extrem hohe Stabiliät der Ausgangsleistung erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Frequenzregelung läßt sich besonders vor­ teilhaft ausführen, wenn zwei Minima auf der Kurve der Intensi­ tät über der Frequenz erzeugt sind, von denen das zweite stär­ ker ausgeprägt ist. Dann kann das stärker ausgeprägte zweite Mi­ nimum in der Leistungskurve dazu verwendet werden, den Hauptmo­ dus im mittleren, höchsten Leistungsbereich zu halten. Um das besonders ausgeprägte zweite Minimum der Laserleistung zur Fre­ quenzstabilisierung zu nutzen, wird vorteilhaft für den zu spei­ chernden Extremwert ein unterer Grenzwert eingegeben, der über den Nebenmaxima der Leistungskurve liegt, und der Mindestabstand vom gespeicherten Intensitätswert wird negativ und dem Betrag nach größer gewählt als der Abstand der Intensität des weniger ausgeprägten Minimums auf der Kurve der Intensität über der Fre­ quenz vom höchsten Maximum dieser Kurve.

Die Erfindung wird nun anhand von drei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Laseranordnung schematisch,

Fig. 2 zeigt das Diagramm der Laserintensität über der Schwin­ gungsfrequenz des Lasers im Bereich der Verstärkungskurve eines Lasers (Intensitätskurve) ,

Fig. 3 zeigt das Differential des Diagramms von Fig. 2 im Bereich des Minimums B.

Eine Laserröhre 1 ist mit Brewster-Fenstern 4 abgeschlossen und läßt eine linearpolarisierte Laserstrahlung austreten. Ein Reso­ natorspiegel 2 ist über eine Regeleinrichtung 5 in Richtung des Laserstrahles verschiebbar. Der Resonatorspiegel 2 ist der teil­ durchlässige Spiegel des Laserresonators, durch den der zu ver­ wendende Laserstrahl ausgekoppelt wird. Der Resonatorspiegel 3 ist der undurchlässige Spiegel des Laserresonators, läßt aber noch eine gewisse Reststrahlung durch. Diese Reststrahlung wird zur Frequenzregelung herangezogen. Sie wird von einem Strahlungs­ empfänger 6 in ein analoges elektrisches Signal umgewandelt und einem Komparator 7 zugeführt. Der Komporator 7 steuert die Regel­ einrichtung 5 und mißt die Laserintensität und bildet deren Dif­ ferential. Sobald ein erster Extremwert auftritt, wird dessen Vorzeichen (d.h. Maximum oder Minimum) und Pegel mit gespeicher­ ten Referenzwerten verglichen. Sofern dieser Vergleich positiv ausfällt, wird der weitere Verlauf der Intensitätskurve nach einem weiteren Extremwert abgetastet, der in Richtung und Abstand auf den ersten Extremwert bezogenen Grenzbedingungen genügt. So­ bald ein derartiger weiterer Extremwert gefunden ist, wird dieser zweite Extremwert in den vorgegebenen Toleranzen gehalten. Als Regeleinrichtung dient vorzugsweise ein piezoelektrischer Körper, der einen der Laserspiegel in der Laserstrahl-Richtung ver­ schiebt. Auch andere Regeleinrichtungen für die optische Länge des Resonators, z.B. ein in dem Strahlengang des Resonators lie­ gendes elektrooptisches Element, welches einen steuerbaren Bre­ chungsindex aufweist, ist hierfür geeignet.

In der Praxis treten bei Verkoppelung von zwei annähernd gleich­ starken Laserlinien systematische Unterschiede auf. Die zu hohen Frequenzen hin verschobene Laserlinie wird erheblich stärker un­ terdrückt als die zu niederen Frequenzen hin verschobene. Dies ist in Fig. 2 angedeutet. Dementsprechend bildet sich beim Punkt B ein sehr tiefes Minimum in der Intensitätskurve aus, welches sich bevorzugt zur Frequenzstabilisierung eignet. Im Beispiel der Fig. 2 liegt der mittlere Bereich der Intensitätskurve im Ma­ ximum der Verstärkungskurve des Lasers, so daß sich ein flaches Maximum F der Intensitätskurve ergibt. Eine bevorzugte Betriebs­ weise ist in diesem Fall gekennzeichnet durch einen Arbeitspunkt der Hauptlaserlinie im flachen Maximum F der Intensitätskurve. Demgemäß wird von kleinen Frequenzen kommend zunächst der Wert des Maximums F gespeichert und von diesem ausgehend ein kleine­ rer Grenzwert für die Referenzfrequenz festgelegt, dessen Niveau deutlich unter dem Niveau des ersten Minimums bei A liegt. Das erste Minimum, das unter diesem Grenzwert liegt, wird gesucht und festgehalten. Dabei ist der Modenabstand zweier benachbarter Moden auf der Frequenzachse durch eine entsprechende Länge des Resonators so eingestellt, daß bei einer Fixierung eines Modes im Minimum B der folgende Mode im flachen Bereich F der Intensitäts­ kurve zu liegen kommt. Dadurch steht am Laserausgang ein prak­ tisch einmodiger Laserstrahl mit hoher, extrem konstanter Inten­ sität zur Verfügung.

Neben dieser besonders vorteilhaften Ausführung der erfindungs­ gemäßen Regelung können entsprechend auch das Minimum A oder eines der Nebenmaxima C oder D zur Frequenzstabilisierung heran­ gezogen werden.

Je nach Bedarf können der erste Extremwert und der Grenzwert bei jeder Messung neu ermittelt oder über längere Zeit gespeichert werden. Die Pegel der Minima bei A und B der Fig. 2 können durch Anlegen von Magnetfeldern (Zeeman-Effekt) und/oder durch Wahl eines entsprechenden Gasdruckes in einem weiten Bereich den Er­ fordernissen angepaßt werden.

Eine besonders hohe Frequenzstabilität wird erreicht, indem in den an den zweiten Extremwert angrenzenden abfallenden und an­ steigenden Teilen der Leistungskurve deren Differential gebil­ det wird, indem der Betrag (unabhängig vom Vorzeichen) in Dif­ ferentiale im abfallenden Teil mit dem Betrag des Differentials im ansteigenden Teil verglichen wird und indem die Resonatorlänge nachgeregelt wird, bis die beiden Beträge der Differentiale sich um nicht mehr als einen vorgegebenen Wert unterscheiden. Eine An­ passung an Unsymmetrien der Kurve der Differentiale über der Fre­ quenzachse ist ermöglicht, indem der Unterschied der beiden Be­ träge der Differentiale zwischen zwei vorgegebenen Werten gehal­ ten wird. Dadurch kann in der Nähe der Maxima X, Y der Kurve der Differentiale über der Frequenz gemessen und so eine besonders hohe Frequenzstabilität erreicht werden.

Eine einfache Gestaltung des Komparators ist möglich, indem durch eine entsprechende Dimensionierung und Ausgestaltung des Lasers in der Intensitätskurve ein schmaler Bereich (G) eingestellt ist, in welchem nur ein Modus der Laserschwingung auftritt, indem von einem Extremwert der Intensitätskurve ausgehend eine obere Grenze für den zweiten Extremwert eingestellt ist, die nur von dem Be­ reich G eingehalten werden kann und indem die Breite des Bereichs G kleiner gewählt ist als der im Modenabstand liegende Bereich des ersten Extremwertes, in dem eine zulässige Amplitudenschwan­ kung eingehalten wird. Bei dieser Ausführungsform ist der zur Steuerung verwendete Lasermodus zwischen den Regelvorgängen voll­ ständig verschwunden und dennoch der Aufwand klein gehalten. Eine erhöhte Amplituden- und Frequenzstabilität wird erreicht, indem bei dieser Ausführung die Grenzen des Bereiches G durch Ver­ änderung der optischen Resonatorlänge in vorgegebenen Zeitabstän­ den abgetastet werden und indem aus diesen Grenzen ein Bezugs­ wert für die Lage des Hauptmodus auf der Frequenzachse ermittelt und die optische Resonatorlänge nach diesem Bezugswert einge­ stellt wird. Dadurch kann mittels einfacher Amplitudenmessungen eine hohe Frequenzstabilität erreicht werden.

In einer erfindungsgemäßen Laseranordnung wird eine Leistungs- und Frequenzstabilität ohne ein äußeres Amplituden- und/oder Frequenznormal, nur durch Auswertung elektrischer Signale er­ halten, die vom Laser selbst gewonnen wurden. Dadurch ist eine besonders hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ohne Anpas­ sungsprobleme erreicht.

Claims (8)

1. Laseranordnung mit hoher Intensitäts- und Frequenzstabilität der Laserstrahlung, welche einen Laser mit einem optischen Re­ sonator enthält und so dimensioniert ist, daß ein oder zwei Lon­ gitudinalmoden der Laserschwingung angeregt werden können, wobei eine Polarisationseinrichtung im Laserresonator vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Aufbau beim zweimodigen Betrieb eine Verkoppelung der Intensitä­ ten der beiden Moden eintritt und zumindest ein dadurch hervor­ gerufenes Minimum in der Kurve der Intensität über der Frequenz auftritt, daß ein Komparator für die Intensität der Laserstrah­ lung vorgesehen ist, welcher einen ersten Extremwert der Inten­ sität nach Vorzeichen und Höhe mit einem Sollwert vergleichen und einen zweiten Extremwert ermitteln kann, der nach Vorzeichen und Höhe einen vorgegebenen, auf den ersten Extremwert bezogenen Grenzwert einhält, und daß der Komparator zur weiteren Einhal­ tung dieses Grenzwertes eine Regeleinrichtung für die optische Länge des Laserresonators steuert.

2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Ermitteln der Extremwerte und zur Regelung der Länge des Resonators einer der Laserspiegel in Strahlrichtung verschoben wird.

3. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laseraufbau so gewählt ist, daß zwei Minima in der Intensitätskurve vorhanden sind und daß der Min­ destabstand vom gespeicherten Intensitätswert negativ und größer ist als der Abstand der Intensität des weniger ausgeprägten Mini­ mums vom Maximalwert der Intensitätskurve.

4. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalwert der Intensi­ tätskurve gespeichert und von diesem ausgehend der Grenzwert für den zweiten Extremwert der Intensitätskurve festgelegt ist.

5. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den an den ermittelten zweiten Extremwert angrenzenden, abfallenden und ansteigenden Teilen der Intensitätskurve deren Differential gebildet wird, daß der Betrag des Differentials im abfallenden Teil mit dem Betrag des Differentials im ansteigenden Teil verglichen wird und daß die optische Resonatorlänge nachgeregelt wird, bis die beiden Beträge der Differentiale sich um nicht mehr als einen vorgegebenen Wert unterscheiden.

6. Laseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Unterschied der beiden Beträge der Differentiale zwischen zwei vorgegebenen Werten gehalten wird.

7. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß durch eine entsprechende Dimensionierung und Ausgestaltung des Lasers in der Intensitätskurve ein schmaler Bereich (G) eingestellt ist, in dem nur ein Hauptmodus der Laser­ schwingung auftritt, daß von einem Extremwert der Intensitäts­ kurve ausgehend eine obere Grenze für den zweiten Extremwert ein­ gestellt ist, die nur von dem Bereich (G) eingehalten werden kann, und daß die Breite des Bereiches (G) kleiner gewählt ist als der im Modenabstand liegende Bereich des ersten Extremwertes, in dem eine zulässige Amplitudenschwankung eingehalten wird.

8. Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Grenzen des Bereiches (G) durch Ver­ änderungen der optischen Resonatorlänge in vorgegebenen Zeitin­ tervallen abgetastet werden und daß aus diesen Grenzen ein Be­ zugswert für die Lage des Hauptmodus auf der Frequenzachse er­ mittelt wird.