DE1564581C3

DE1564581C3 - Anordnung zur Amplitudenstabihsie rung eines Lasers

Info

Publication number: DE1564581C3
Application number: DE19661564581
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dipl.-Ing.Prof. Dr. 8135 Soecking Mueller
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-04-27
Filing date: 1966-04-27
Publication date: 1973-11-29
Also published as: DE1564581B2; DE1564581A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Amplitudenstabilisierung eines Lasers unter Verwendung des Prinzips der Gegenkopplung.

Als Ursache für die Intensitätsschwankungen des Laserlichtes kommen vor allem Ungleichmäßigkeiten in der Anregung (Pumpstrahlung bzw. Pumpleistung) in Betracht.

Solche Intensitätsschwankungen sind besonders dann unerwünscht, wenn die Laserstrahlung als Trägerwelle in der Nachrichtentechnik verwendet werden soll. Um eine durch Modulation — insbesondere durch Amplitudenmodulation — aufgeprägte und mit dem Laserstrahl übertragene Nachricht möglichst unverzerrt empfangen zu können, muß die Trägerwelle eine möglichst konstante Amplitude

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haben, d. h. die Laserstrahlung darf in ihrer Intensität 10 = Fotozelle mit Verstärker,

nicht schwanken. 11 = Transistor (steuerbares Bauteil),

Anordnungen zur Stabilisierung eines Lasers gegen 12 = elektrisch doppelbrechende Platte (z. B. unerwünschte Intensitätsschwankungen sind bereits KH₂PO₄ = »KDP«),
aus dem Buch: »Proceedings of the Symposium on 5 13 = Anregungslampe,
Optical Masers Microwave Research Institute Sym- 14 = Gaslaser-Rohr mit Endplatte unter posia«, Series Bd. 13, Polytechnic Press, New York, Brewster-Winkel gegen Resonator-Brooklyn, (27. November 1963), S. 231 bis 233, und achse,

aus »IEEE Journal of Quantum Electronics«, Bd. QE 1, 15 = Vorspannung (Gleichspannung).
Nr. 8 (November 1965), S. 346 bis 347, bekannt. io In den F i g. 1 bis 5 sind die verschiedenen Möglich-Diese Anordnungen bedingen jedoch einen erheb- keiten zur Gewinnung der Steuerstrahlung 5 skizziert, liehen aparativen Aufwand, um die Strahlung eines In den Beispielen der F i g. 1 und 2 wird die Steuer-Lasers zu stabilisieren. strahlung mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegels 3

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, außerhalb des durch die Spiegel 1 und 2 begrenzten eine einfache Anordnung zur Amplitudenstabili- 15 optischen Resonators abgezweigt. Der Resonatorsierung eines optischen Senders für kohärente Strah- spiegel 1 kann insbesondere mit einer Grenzfläche lung (Laser) unter Verwendung des Prinzips der des stimulierbaren Mediums, welches durch die AnGegenkopplung anzugeben. regungsstrahlung 4 angeregt wird, zusammenfallen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch Der Resonatorspiegel 2 soll ein externer Resonatorgelöst, daß im Strahlengang der kohärenten Strahlung 20 spiegel sein,,d. h., er soll nicht zugleich Grenzfläche ein Strahlteiler zur Absonderung der Steuerstrahlung des Volumens des bestrahlten stimulierbaren Mediums vorgesehen ist, die ihrerseits auf eine lichtempfindliche sein. Während die Auskopplung der zu stabilisierenden elektrische Steuereinrichtung auftrifft und entweder Laserstrahlung 6 im Bereich der Fig. 1 durch den über eine Steuerung der Anregungsenergie oder über teildurchlässigen Resonatorspiegel 2 erfolgt, wird im eine Steuerung der Güte des optischen Resonators 25 Beispiel der F i g. 2 zur Auskopplung der zu stabilieine Stabilisierung der Amplitude der kohärenten sierenden Laserstrahlung 6 eine Polarisationsweiche, Ausgangsstrahlung bewirkt. z. B. ein Rochon-Prisma 7, benutzt. Dabei wird von

Die Steuerstrahlung kann dabei außerhalb des der im Resonator schwingenden Laserstrahlung nur

Resonators an einem Resonatorspiegel oder auch ein Teil mit bestimmter Polarisation ausgekoppelt,

innerhalb des Resonators gewonnen werden. 3° Im Resonator muß deshalb eine Vorrichtung 8 ange-

Die ausgekoppelte Laserstrahlung ist ein bestimmter bracht sein, die z. B. durch eine zeitlich konstante Bruchteil der im Resonator schwingenden Laser- Doppelbrechung die Komponente mit der bestimmten strahlung (Auskoppelgrad), d. h., die Intensität Polarisation erzeugt. Eine einfache Vorrichtung wäre der zu stabilisierenden ausgekoppelten Laserstrahlung z. B. eine doppelbrechende Platte 8'.
schwankt proportional mit den Intensitätsänderungen 35 Die F i g. 3 und 4 zeigen Beispiele, bei denen die der im Resonator schwingenden Strahlung. Diese Steuerstrahlung 5 nicht von der zu stabilisierenden Intensität der schwingenden Strahlung hängt wieder- Laserstrahlung 6 abgezweigt wird, sondern an einem um von Schwankungen in der Anregung ab. Somit (nicht zur Auskopplung des zu stabilisierenden Laserkann eine zur Stabilisierung durchgeführte Steuerung Strahls 6 benutzten) Resonatorspiegel 1ξ3 gewonnen durch Gegenkopplung sowohl an der Anregung als 40 wird. Im Beispiel der F i g. 4 erfolgt die Auskopplung auch an der im Resonator schwingenden Laser- des zu stabilisierenden Laserstrahls 6 wieder mit Hilfe strahlung vorgenommen werden. · einer Polarisationsweiche in Verbindung mit einer

Einzelheiten und ein bevorzugtes Ausführungsbei- Vorrichtung 8 zur Erzeugung der auskoppelbaren

spiel der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung Komponente bestimmter Polarisation,

und an Hand der F i g. 1 bis 13 erläutert. In den 45 F i g. 5 gibt ein Beispiel für den Fall, daß die

Figuren sind sich entsprechende Teile durch stets Steuerstrahlung 5 im Resonatorinneren abgezweigt

die gleichen Zahlen gekennzeichnet. Es bedeutet wird. Dazu ist im Resonator eine fast völlig durch-

jeweils: lässige Platte 9 s 3 vorgesehen — beim Gaslaser mit

1 = Resonatorspiegel, externem Resonatorspiegel dient dazu eine Laser-

2 = externer Resonatorspiegel, 50 rohrendplatte unter Brewster-Winkel β gegen die 2' und 2" = planparallele, teildurchlässige Spiegel- Resonatorachse —; beim Brewster-Winkel ist die

platten, Reflexion mimmal. Der geringe, unvermeidbar doch

3 = teildurchlässiger Spiegel zur Gewinnung reflektierte Teil der Strahlung dient dann als Steuer-

der Steuerstrahlung 5, strahlung 5.

4 = Anregungsstrahlung (Strahlungs- 55 In den Fig. 6 bis 12 sind verschiedene Möglichleistung) der Anregungslampe 13, keiten der gegengekoppelten Steuerung zur Stabili-

5 = Steuerstrahlung, sierung skizziert. In den Beispielen der F i g. 6 und 7

6 = zu stabilisierende Laserstrahlung, wird die Anregung, in denen der F i g. 8 bis 10 die

7 = Polarisationsweiche (z. B. Rochon- im Resonator schwingende Laserstrahlung stabilisiert.

Prisma), 60 F i g. 6 zeigt das Ausführungsbeispiel, bei dem eine

8 = Vorrichtung zur Einstellung einer zeit- Fotozelle mit Verstärker 10, in welche die Steuerlich konstanten Doppelbrechung (z. B. strahlung 5 fällt, und eine über die Fotozelle mit der doppelbrechende Platte 8'), Steuerstrahlung 5 steuerbare Vorrichtung, insbe-

9 = fast völlig durchlässige Platte (z. B. sondere ein mit der Anregungslampe 13 in Serie

Brewster-Platte), 65 geschalteter Transistor 11, zur Stabilisierung der von β = Brewster-Winkel (minimale Reflexion der Anregungslampe 13 abgegebenen Strahlungsfür den in der Einfallsebene schwingen- leistung 4 vorgesehen sind,
den elektrischen Vektor), In F i g. 7 ist der Fall skizziert, daß bei Verwendung

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polarisierter Anregungsstrahlung 4 — falls diese erforderliche Polarisation zur Auskopplung mit Hilfe Anreguhgsstrahlung 4 nicht schon polarisiert ent- der Polarisationsweiche, d. h. die zeitlich konstante steht, ist ein Polarisator erforderlich — eine Fotozelle Doppelbrechung, wird erzeugt entweder durch eine mit Verstärker 10, in welche die Steuerstrahlung 5 in den Strahlengang gebrachte doppelbrechende fällt, und eine zur Stabilisierung der ins Volumen des 5 Platte 8' s 8 (Fig. 10) oder durch eine Vorspannung stimulierbaren Mediums fallenden Anregungsstrah- 15 (proportional einer konstanten Doppelbrechung) lung 4 im Anregungsstrahlengang angebrachte Vor- an der steuerbaren elektrisch doppelbrechenden Platte richtung mit über die Fotozelle elektrisch steuerbarer (F i g. 11) oder durch Verkippen der im spannungs-Durchlässigkeit, insbesondere ein elektrisch doppel- freien Zustand isotrop durchstrahlten, steuerbar brechender Kristall 12, z. B. KH₂PO₄ = »KDP«, vor- io elektrisch doppelbrechenden Platte aus nichtkugesehen sind. bischem Material mit einem kleinen Winkel γ (pro-Die F i g. 8 bis 12 zeigen Beispiele zur Steuerung portional einer dann hinzukommenden natürlichen der Resonatorgüte. Die ausgekoppelte Intensität wird Doppelbrechung, F i g. 12).

mit Hilfe einer Vorrichtung mit über die Fotozelle Die Fig. 13 zeigt eine bevorzugte Anordnung zur

elektrisch steuerbarer Durchlässigkeit gesteuert und 15 Stabilisierung eines Lasers gegen unerwünschte Inten-

stabilisiert. sitätsschwankungen. Die Auskopplung aus dem

Im Beispiel der F i g. 8 dient als solche Vorrichtung Resonator erfolgt durch eine Polarisationsweiche

eine elektrisch doppelbrechende Platte, insbesondere entsprechend der Ausführung zu Fig. 10. Die Ab-

ein elektrisch doppelbrechender Kristall 12, z. B. zweigung der Steuerstrahlung geschieht, wie in

KH₂PO₄ = »KDP«, in Verbindung mit einem Polari- 20 Fig. 2, mit' Hilfe eines außerhalb des Resonators

sator. Auf diese Weise wird die Intensität der im angebrachten teildurchlässigen Spiegels. Durch Gegen-

Resonator schwingenden Laserstrahlung und damit kopplung entsprechend F i g. 8 wird die Resonator-

auch die Intensität der ausgekoppelten Laserstrahlung gute gesteuert und damit die ausgekoppelte Intensität

stabilisiert. stabilisiert.

In dem Beispiel der F i g. 9 dient als externer 25 Als besondere Vorteile dieses bevorzugten Aus-Resonatorspiegel 2 ein optisches System nach Art führungsbeispiels, wie es Fig. 13 zeigt, wären zu eines steuerbaren Perot-Fabry-Interferenzspiegels. Da- nennen:

bei werden sowohl das innere Reflexionsvermögen _{1 T} ,. ,»„,.„„„„„ „,;,-a «,vv,+ _o;r,rr_O(T,-;flw.

des Resonatorsnieseis 2 als auch dessen Durchlässig- ¹^ ^{In die Anre}S^unS ^{wird mcht} eingegriffen.

elektrisch doppelbrechende Platte, insbesondere ein ®^enu '

elektrisch doppelbrechender Kristall 12, z. B. KH₂PO₄ Daß als elektrisch doppelbrechende Platte bevorzugt

■= »KDP«, angebracht ist. 35 eine Kristallplatte gerade aus KH₂PO₄ = »KDP« ver-

Bei den Beispielen der F i g. 10 bis 12 erfolgt die wendet wird, liegt einmal daran, daß dieses Material

Auskopplung der zu stabilisierenden Laserstrahlung 6 in ausreichender Qualität hergestellt wird und außer-

mit Hilfe einer Polarisationsweiche 7, entsprechend den dem die elektrische Doppelbrechung sehr schnellen

Ausführungen zu F i g. 2 oder 4. Die Intensität der Spannungsänderungen folgen kann. Da die Polarisier-

im Resonator schwingenden Laserstrahlung und damit 40 barkeit des »KDP« durch Verschiebungen der Pro-

auch die Intensität der ausgekoppelten Laserstrah- tonen in den Wasserstoffbrücken der Kristallstruktur

lung 6 wird, wie im Beispiel der· F i g. 8 mit Hilfe gedeutet wird, ist zu erwarten, daß der elektrooptische

einer mit der Steuerstrahlung 5 über die Fotozelle Effekt dieses Materials Frequenzen bis zu etwa

steuerbaren elektrisch doppelbrechenden Platte, ins- 10^ia Hz folgen kann. Es sei erwähnt, daß das Material

besondere eines elektrisch doppelbrechenden Kri- 45 der elektrisch doppelbrechenden Platte aber keines-

stalls 12, z. B. KH₂PO₄ = »KDP«, stabilisiert. Die wegs auf das zur Zeit bevorzugte »KDP« beschränkt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Amplitudenstabilisierung eines optischen Senders für kohärente Strahlung (Laser) unter Verwendung des Prinzips der Gegenkopplung, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der kohärenten Strahlung ein Strahlteiler (3) zur Absonderung der Steuerstrahlung (5) vorgesehen ist, die ihrerseits auf eine lichtempfindliche elektrische Steuereinrichtung (10 und 11 bzw. 10 und 12) auftrifft und entweder über eine Steuerung der Anregungsenergie (4) oder über eine Steuerung der Güte des optischen Resonators eine Stabilisierung der Amplitude der kohärenten Ausgangsstrahlung (6) bewirkt (Fig. 1 bis 13).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb des Laserresonators zur Abzweigung der Steuerstrahlung (5) ein teildurchlässiger Spiegel (3) vorgesehen ist (F i g. 1, 2, 13).

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein nicht zur Auskopplung der zu stabilisierenden Laserstrahlung (6) dienender Resonatorspiegel (1 = 3) schwach teildurchlässig ist und so die Steuerstrahlung (5) liefert (Fi g. 3,4).

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Resonator eine fast völlig durchlässige, schräg zum Strahlengang stehende Platte (9 = 3) — beim Gaslaser mit externen Resonatorspiegeln dient dazu eine Laserrohrendplatte unter Brewster-Winkel (/S) gegen die Resonatorachse— vorgesehen ist, an der ein kleiner, als Steuerstrahlung (5) dienender Teil, der im Resonator schwingenden Strahlung durch Reflexion seitlich abgelenkt wird (F i g. 5).

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine mit der Steuerstrahlung (5) steuerbare Vorrichtung zur Stabilisierung der Anregungsenergiezufuhr (F i g. 6, 7).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine über die Fotozelle mit Verstärker (10) mit der Steuerstrahlung (5) steuerbare Vorrichtung zur Stabilisierung der von der Anregungslampe (13) abgestrahlten Anregungsleistung (4) vorgesehen ist (F i g. 6).

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als steuerbare Vorrichtung ein mit der Anregungslampe (13) in Serie geschalteter Transistor (11) dient.

8. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von polarisierter Anregungsstrahlung erstens eine Fotozelle mit Verstärker (10), in welche die Steuerstrahlung (5) fällt, und zweitens eine im Anregungsstrahlengang angebrachte Vorrichtung mit über die Fotozelle elektrisch steuerbarer Durchlässigkeit zur Stabilisierung der das stimulierbare Medium anregenden Anregungsstrahlung vorgesehen sind. (F i g. 7).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine mit der Steuerstrahlung (5) steuerbaren Vorrichtung zur Steuerung der Resonatorgüte (F i g. 8 bis 13).

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Fotozelle mit Verstärker (10), in welche die Steuerstrahlung (5) fällt, und eine im Laserstrahlengang innerhalb des optischen

Resonators (zwischen 1 und 2) angebrachte Vorrichtung mit über die Fotozelle elektrisch steuerbarer Durchlässigkeit vorgesehen sind. (F i g. 8, 13).

11. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Fotozelle mit Verstärker (10), in welche die Steuerstrahlung (5) fällt, und durch einen bezüglich seiner Teildurchlässigkeit über die Fotozelle (10) steuerbaren Perot-Fabry-Interferenzresonatorspiegel (2), bestehend aus zwei teildurchlässigen Spiegeln (2' und 2") und einer zwischen diesen Spiegeln angebrachten Kristallplatte (12) mit über die Fotozelle elektrisch steuerbarer Durchlässigkeit.

12. Anordnung nach Ansprüchen 8, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit über die Fotozelle steuerbarer Durchlässigkeit ein elektrisch doppelbrechender Kristall (12), z. B. KH₂PO₄ = »KDP« ist.

13. 'Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Laserstrahlengang zwischen den Resonatorspiegeln (1 < und 2) eine Polarisationsweiche, ζ. B. ein Rochon-Prisma (7), zur Auskopplung der zu stabilisierenden Laserstrahlung (6) — gegebenenfalls (vgl.

F i g. 2, 13) auch der Steuerstrahlung (5) — eine mit der Steuerstrahlung (S) steuerbaren Vorrichtung (10 und 12) zur Steuerung der Resonatorgüte und ein Mittel (8) zur Einstellung einer zeitlich konstanten Doppelbrechung vorgesehen sind (F i g. 10 bis 13).

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Laserstrahlengang zwischen der Polarisationsweiche (7) und dem externen Resonatorspiegel (2) eine natürlich doppelbrechende Platte (8' = 8) angebracht ist (F i g. 10,13).

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an die zur Steuerung der Resonatorgüte elektrisch doppelbrechende Kristallplatte (12) eine Vorspannung (15, proportional 8) angelegt ist (F i g. 11).

16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Steuerung der Resonatorgüte elektrisch doppelbrechende Kristallplatte (12) aus nichtkubischem Material geringfügig gegen die Resonatorachse verkippt ist (γ, proportional 8), so daß außer der steuerbaren elektrischen Doppelbrechung noch zusätzlich natürliche Doppelbrechung auftritt (F i g. 12).