DE1589633B1

DE1589633B1 - Temperature compensation device for stabilizing the mirror spacing of optical resonators of optical transmitters or amplifiers

Info

Publication number: DE1589633B1
Application number: DE19671589633
Authority: DE
Inventors: Baird Kenneth Macclure; Smith Donald Sinclair
Original assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Current assignee: Canadian Patents and Development Ltd
Priority date: 1966-09-15
Filing date: 1967-09-05
Publication date: 1970-10-22
Also published as: GB1166909A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Temperatur- welches die Laserfrequenz mit einer für die meisten kompensationsvorrichtung zur Stabilisierung der Anwendungszwecke ausreichenden Genauigkeit, d. h. Spiegelabstände optischer Resonatoren von optischen bis zum Verhältnis 1:10⁷ oder besser, stabilisiert.
Sendern oder Verstärkern (Laser) mit gasförmigem Dieser und andere Gegenstände der ErfindungThe invention relates to a temperature which stabilizes the laser frequency with an accuracy that is sufficient for most compensation devices to stabilize the application purposes, ie mirror distances of optical resonators of optical up to a ratio of 1:10 ⁷ or better.
Gaseous transmitters or amplifiers (lasers) This and other objects of the invention

stimulierbarem Medium. 5 werden durch eine Temperaturkompensationsvorrich-stimulable medium. 5 are controlled by a temperature compensation device

Die tatsächliche Wellenlänge des Lichtes, welches tung erreicht, bei welcher der hydrostatische Druck von einem Laser emittiert wird, hängt innerhalb der einer den optischen Resonator umgebenden Flüssig-Bandbreite der in Betracht zu ziehenden Spektrallinie keit, die ihrerseits in einem dichten Gehäuse eindirekt von der optischen Weglänge zwischen den Re- geschlossen ist und deren thermischer Ausdehnungsflektoren oder Spiegeln ab. Für eine einwandfreie Ar- io koeffizient größer als derjenige des sie einschließenbeitsweise ist es notwendig, daß die Wellenlänge des den Gehäuses ist, über ein elastisches Ausgleichs-Laserlichtes sehr genau, z. B. auf den Faktor 1:10° druckteil wählbar auf die thermische Längsausdeh- oder besser konstant gehalten und stabilisiert wird. nung des optischen Resonators durch eine in Längs-Dies bedeutet, daß die Dimensionen des physi- richtung bevorzugt erfolgende elastische Verformung kaiischen Aufbaues oder des Abstandes zwischen den 15 der Spiegelhalterung 39 einwirkt.
Spiegeln sehr präzise eingehalten werden müssen. Da Für die meisten Anwendungen ist es erwünscht,The actual wavelength of the light that reaches the device, at which the hydrostatic pressure is emitted by a laser, depends within the liquid bandwidth surrounding the optical resonator of the spectral line to be considered, which in turn is in a sealed housing directly from the optical Path length between the Re- is closed and their thermal expansion reflectors or mirrors. For a flawless Ar- io coefficient greater than that of the enclosing operation, it is necessary that the wavelength of the housing is very precise, using an elastic compensating laser light, e.g. B. to a factor of 1: 10 ° pressure part selectable on the thermal longitudinal expansion or better kept constant and stabilized. This means that the dimensions of the elastic deformation, which preferably takes place in the physical direction, or of the distance between the 15 of the mirror holder 39 act.
Mirroring must be adhered to very precisely. Since for most applications it is desirable

die Wärmeausdehnung diesen Abstand direkt be- jede Änderung des Abstandes zweier Bauteile fast einflußt, kann man sagen, daß die emittierte Wellen- vollständig zu vermeiden, und es kann dies ein Auslänge des Lasers direkt von der Temperatur dieser gleichsdruckteil mit geeigneter Federkonstante er-Abstandseinheit abhängt. 20 reichen.the thermal expansion changes this distance directly to almost any change in the distance between two components influences, it can be said that the emitted waves should be avoided completely, and this can be an extension of the laser directly from the temperature of this equal-pressure part with a suitable spring constant er-spacing unit depends. 20 are enough.

Bisher war es zur Temperaturkompensation der Die Zeichnung erläutert die Erfindung bzw. derenSo far it was for temperature compensation of the The drawing explains the invention or its

Stabilisierung der Spiegelabstände eines Lasers üblich, bevorzugte Ausführungsformen,
diesen in eine temperaturgeregelte Kammer einzu- F i g. 1 zeigt einen Querschnitt eines Lasers, welcherStabilization of the mirror spacing of a laser common, preferred embodiments,
this into a temperature-controlled chamber. F i g. 1 shows a cross section of a laser which

bauen. Hierzu ist ein Temperaturfühler und eine elek- in eine Temperaturkompensationsvorrichtung zur Statronische Schaltung mit Rückführung zur Temperatur- 25 bilisierung der Spiegelabstände gemäß der Erfindung regelung erforderlich. Dieses System weist zusätzlich eingebaut ist.build. For this purpose there is a temperature sensor and an electronic temperature compensation device for the statronic Circuit with feedback for temperature bilization of the mirror spacings according to the invention regulation required. This system has additionally built in.

zu seiner komplizierten Elektronik noch einige F i g. 2 und 3 zeigen andere Ausführungsformena few more figures on its complicated electronics. 2 and 3 show other embodiments

weitere Nachteile auf. Das Temperiermedium muß des Ausgleichsdruckteiles.further disadvantages. The temperature control medium must be the equalizing pressure part.

bewegt werden, da anderenfalls der Wärmekontakt F i g. 1 zeigt einen Laser 10, welcher in diesem Fallbe moved, otherwise the thermal contact F i g. 1 shows a laser 10, which in this case

zwischen Thermostat und Laser zu gering ist und die 30 ein Neon-Heliumgaslaser des Typs ist, bei dem Regelung entweder unempfindlich wird oder zu Spiegel oder Reflektoren in einem Quarzmantel anSchwingungen neigt. Wenn das Temperiermedium gebracht sind. Der Laser 10 ist in eine zylindrische jedoch gerührt wird, übertragen sich Schwingungen Kammer oder einen Behälter 15 eingesetzt. Dieser und Stöße auf die Spiegelabstandseinheit und rufen Lasertyp ist heute so bekannt, daß es unnötig erein beträchtliches Rauschen am Laserausgang hervor. 35 scheint, die Theorie seiner Arbeitsweise hier zu be-between thermostat and laser is too low and the 30 is a neon-helium gas laser of the type where Regulation either becomes insensitive or becomes vibrations with mirrors or reflectors in a quartz jacket tends. When the temperature control medium has been brought in. The laser 10 is cylindrical in shape However, if stirring is carried out, vibrations are transmitted to the chamber or container 15. This and bumps on the mirror spacer unit and call laser type is so well known today that it is unnecessary considerable noise at the laser output. 35 seems to concern the theory of its mode of operation here

Bei einer anderen Anordnung wird die emittierte trachten, ausgenommen, daß die Einfluchtung und Wellenlänge mit einem Standard verglichen. Der- die Einstellung des Abstandes der Endspiegel kritisch artige Vorrichtungen sind sehr kostspielig, umstand- ist. Die Einfluchtung muß durch die Konstruktion lieh und ergeben einen geringeren Stabilisierungsgrad, des Lasers gewährleistet sein, hingegen aber muß der als er für die meisten Anwendungszwecke, z.B. für 4° Abstand der Spiegel, welcher durch thermische Effekte die Anwendung des Laserstrahles bei der Längen- beeinflußt wird, während des Betriebes konstant gemessung gebraucht wird. Solche Geräte sind heute halten werden.In another arrangement, the emitted will endeavor, except that the alignment and Wavelength compared to a standard. The setting of the distance between the end mirrors is critical like devices are very costly, circumstance is. Alignment must be through construction borrowed and result in a lower degree of stabilization, the laser can be guaranteed, but must than it is for most applications, e.g. for a 4 ° distance between the mirrors, which is caused by thermal effects the use of the laser beam for the length is influenced, constant measurement during operation is needed. Such devices are to be held today.

zwar verfügbar, aber sie sind aufwendig und benötigen Laser 10 ist mit zwei sich erweiternden Ausstül-although available, but they are complex and require laser 10 is with two expanding protrusions

im Betrieb eine erhebliche elektrische Leistung zu- pungen 11 versehen, durch welche die Elektroden sätzlich zu derjenigen, welche der Laser selbst ver- 45 eingeführt werden. Der Laser ist in der Kammer 15 braucht. mit Hilfe der Stäbe 13 und 14, welche zugleich alsA considerable electrical output is provided during operation by means of which the electrodes in addition to those to which the lasers themselves are introduced. The laser is in chamber 15 needs. with the help of rods 13 and 14, which at the same time as

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Zuführungen dienen, befestigt. Stab 14 ist einfache robuste Temperaturkompensationsvorrich- direkt an der Kammer 15 befestigt, während Stab 13 tung zur Stabilisierung der Spiegelabstände optischer mittels einer Isolierdurchführung 16 nach außen geResonatoren in optischen Sendern mit gasförmigem 50 führt ist und mit der Stromquelle für den Laser verstimulierbarem Medium. Es sei jedoch erwähnt, daß bunden wird. Die Kammer 15 kann aus jedem diese oder ähnliche Vorrichtungen auch für die Sta- brauchbaren Metall, z. B. Kupfer oder Aluminium, bilisierung anderer Geräte von großem Wert sind, wie hergestellt werden, aber es wurde gefunden, daß die z.B. von Interferometern und Eichstandards, deren Nickel-Eisen-Legierung (36% Ni, 64% Fe) »Invar« Funktion wesentlich von einer präzisen Kontrolle des 55 wegen ihrer geringen Wärmeausdehnung besonders Abstandes physikalischer Bauteile in diesen Vorrich- günstig ist. Die Kammer 15 wird an einem Ende tungen abhängt. durch die Endplatte 17, welche auf dem FlanschringThe subject of the present invention is an electrical supply that is attached. Rod 14 is simple robust temperature compensation device attached directly to the chamber 15, while rod 13 device to stabilize the mirror spacing optically by means of an insulating bushing 16 to the outside of the resonators in optical transmitters with gaseous 50 leads and can be stimulated with the power source for the laser Medium. It should be mentioned, however, that it is bound. The chamber 15 can be made of any of these or similar devices, also for the staple metal, e.g. B. copper or aluminum, Bilization of other devices are of great value as are manufactured, but it has been found that the e.g. of interferometers and calibration standards, their nickel-iron alloy (36% Ni, 64% Fe) »Invar« Function essentially from a precise control of the 55 especially because of its low thermal expansion Distance between physical components in this device is favorable. The chamber 15 is at one end services depends. through the end plate 17, which is on the flange ring

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Tempe- 18 angebracht ist, verschlossen und am anderen Ende raturkompensationsvorrichtiing, die keine umfang- durch eine Glas- oder Quarzplatte 19, die mit dem reichen elektronischen Schaltungen und Rückführen- 60 Haltering 20 auf dem Flanschring 21 befestigt ist. Die gen benötigt. Abdichtung wird durch den Rundschnurring 22 er-Another object of the invention is a tempe-18 attached, locked and at the other end raturkompensationsvorrichtiing, which no circumferential by a glass or quartz plate 19, which with the rich electronic circuits and feedback- 60 retaining ring 20 is attached to the flange ring 21. the gen needed. Sealing is achieved by the O-ring 22

Der Erfindungsgegenstand ergibt eine Temperatur- reicht.The subject of the invention results in a temperature range.

kompensationsvorrichtung zur Stabilisierung der An der Innenseite der Endplatte 17 befindet sichCompensation device for stabilizing the on the inside of the end plate 17 is located

Spiegelabstände optischer Resonatoren, die, wenn sie ein Ausgleichsdruckteil 40, das mit einer Feder 26 im einmal eingestellt wurde, keiner oder nur einer ge- 65 Inneren eines durch die Scheibe 25 verschlossenen ringen Wartung oder Nachjustierung bedarf. Faltenbalgs 24 ausgestattet ist.Mirror spacings of optical resonators, which, if they have a compensating pressure part 40, which is provided with a spring 26 in the once set, none or only one closed by the disk 25 need maintenance or readjustment. Bellows 24 is equipped.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung be- Zur Einstellung des hydrostatischen Druckes derA special embodiment of the invention to adjust the hydrostatic pressure of the

steht in einem Kompensationssystem für Laser, Flüssigkeit 23 ist ein Abstimmteil 33 in Form einesstands in a compensation system for laser, liquid 23 is a tuning part 33 in the form of a

kolbenähnlichen Stabes 29, 30 vorgesehen, der dicht in die Gehäusewand 17 eingesetzt und zur Veränderung des wirksamen Volumens im Behälter 15 längsbeweglich ausgebildet ist. Der durch einen Zylinder 27 geführte Stab 29 ist bei 30 mit einem Gewinde und außen mit einem Handgriff 31 versehen. Eine Stopfbuchse 32 verhindert den Austritt der Flüssigkeit 23. die das Innere der Kammer vollständig füllt.piston-like rod 29, 30 is provided, which is inserted tightly into the housing wall 17 and for changing of the effective volume in the container 15 is designed to be longitudinally movable. The one through a cylinder 27 guided rod 29 is provided with a thread at 30 and a handle 31 on the outside. One Stuffing box 32 prevents the liquid 23 from escaping from the interior of the chamber completely fills.

Es kann jede passende Flüssigkeit zur Füllung der Kammer benutzt werden, jedoch hat sich gezeigt, daß ein leichtes, sauberes Isolieröl vorzuziehen ist, da dann keine Isolierschwierigkeiten bezüglich der elektrischen Zuleitungen auftreten. Der Faltenbalg 24 des Ausgleichsdruckteiles 40 muß durch seine Verschlußplatte 25 so dicht verschlossen sein, daß die Flüssigkeit 23 nicht in sein Inneres eindringen kann.Any suitable liquid can be used to fill the chamber, but it has been found that a light, clean insulating oil is preferable, since then there are no insulating difficulties with regard to the electrical Supply lines occur. The bellows 24 of the equalizing pressure part 40 must pass through its closure plate 25 be so tightly closed that the liquid 23 cannot penetrate into its interior.

Während des Betriebes kann das emittierte Laserlicht durch die Glas- oder Quarzscheibe 19 nach außen austreten. Der Laser arbeitet jedoch bei erhöhter Temperatur und sein Mantel 10« mit den k Spiegelhalterungen 39 oder irgendeine andere Kon-" struktion, die benutzt wird, um die Lage der Spiegel 12 zu bestimmen, erwärmt sich und dehnt sich aus, so daß der Abstand zwischen den Spiegeln, welcher kritisch ist, verändert wird. Das Gerät ist sehr empfindlich gegenüber allen Einflüssen, weiche die Temperatur und damit den Abstand dieser Spiegel verändern. Temperaturschwankungen, die solche Änderungen verursachen, beeinflussen ebenso das umgebende Ölmedium, und dieses Öl hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher größer ist als derjenige der Kammer 15. Ein Temperaturanstieg bewirkt z. B., daß sich das Öl gegen den von der Feder vorgespannten Faltenbalg des Ausgleichsdruckteiles 40 ausdehnt und die Feder zusammendrückt. Der daraus resultierende Druckanstieg wird über das Öl auf die Laserumhüllung bzw. die Spiegelhalterung 39 übertragen und bewirkt eine Verkürzung des Abstandes zwischen den Laserreflektoren. Eine Temperaturverminderung hat den umgekehrten Effekt zur Folge. Es ist einzusehen, daß das Ausgleichsdruckteil 40 über die Wahl seiner Feder- ) konstanten anpaßbar ist, und somit der Einfluß von Temperaturschwankungen nahezu vollständig ausgeschaltet und dadurch die Arbeitswellenlänge des Lasers innerhalb der benötigten Grenzen gehalten werden kann.During operation, the emitted laser light can exit through the glass or quartz pane 19 to the outside. The laser operates at an elevated temperature, however, and its jacket 10 "with the k mirror mounts 39 or any other construction used to determine the location of the mirrors 12 heats up and expands so that the distance between the mirrors, which is critical. The device is very sensitive to all influences which change the temperature and thus the distance between these mirrors. Temperature fluctuations that cause such changes also affect the surrounding oil medium, and this oil has a coefficient of thermal expansion which is greater than that of chamber 15. A temperature rise causes, for example, that the oil expands and compresses the spring against the bellows of the compensating pressure part 40 which is pretensioned by the spring the mirror holder 39 and causes a shortening of the distance between the L. aser reflectors. A decrease in temperature has the opposite effect. It will be appreciated that the pressure compensating portion 40 is constant over the choice of spring) can be matched, and thus the influence of temperature variations almost completely turned off and thereby can be kept within the required limits, the operating wavelength of the laser.

Durch den Justierstab 29 des Abstimmteiles 33 kann der Druck in der Kammer und damit der Spiegelabstand verändert werden, um die Wellenlänge des Lasers auf den Nominalwert zu bringen. Diese Vorrichtung wirkt also als Abstimmer für den Laser.By adjusting rod 29 of the tuning part 33, the pressure in the chamber and thus the Mirror spacing can be changed in order to bring the wavelength of the laser to the nominal value. So this device acts as a tuner for the laser.

Es können auch andere Ausgleichsdruckteile 40 benutzt werden. F i g. 2 zeigt einen verschlossenen Faltbalg 34 mit einer Verschlußplatte 35. Der Faltenbalg ist mit Luft 36 gefüllt und wirkt so als pneumatische Feder. F i g. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Ausgleichsdruckteiles, bei der eine Kugel oder irgendein anderer Körper 37 aus einem elastischen Materials, wie Gummi, in dem Faltenbalg eingeschlossen ist.Other equalizing pressure members 40 can also be used. F i g. 2 shows a locked one Bellows 34 with a closure plate 35. The bellows is filled with air 36 and thus acts as a pneumatic one Feather. F i g. 3 shows a further embodiment of the compensating pressure part in which a ball or some other body 37 made of an elastic material such as rubber in the bellows is included.

In einem ersten Versuchsmodell gemäß dieser Erfindung wurde ein Temperaturkoeffizient der Wellenlänge von etwa 5 ⁰Zo, verglichen mit dem nicht-kompensierten Effekt erzielt. Für viele Anwendungszwecke des Lasers, z. B. für Längenmessungen, ist der erforderliche Stabilisierungsgrad nicht größer als 1:10⁷. Es ist möglich, diesen oder einen besseren Stabilisierungsgrad gemäß dieser Erfindung mit einem Apparat zu erreichen, der leicht transportabel und leicht zu warten ist und keine zusätzliche Energie verbraucht. In a first test model according to this invention has a temperature coefficient of wavelength of from about 5 ⁰ Zo, compared with the uncompensated effect achieved. For many uses of the laser, e.g. B. for length measurements, the required degree of stabilization is no greater than 1:10 ⁷ . It is possible to achieve this or a better degree of stabilization according to this invention with an apparatus which is easily transportable, easy to maintain and which does not consume additional energy.

Die obigen Erläuterungen beziehen sich auf die Anwendung dieser Erfindung auf einen Laser. Die Erfindung kann jedoch ebenso für andere optische Vorrichtungen angewendet werden, sofern die Notwendigkeit der Stabilisierung von Spiegelabständen oder anderen Abständen besteht. Die Erfindung ist erfolgreich bei einem Fabry-Perot-Interferometer, welches zum Studium der Struktur von Spektrallinien dient, angewandt worden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten dieser Erfindung liegen in der Optik und in der Längenmessung auf der Hand.The above explanations relate to the application of this invention to a laser. the However, the invention can be applied to other optical devices as well, if the need arises the stabilization of mirror distances or other distances exists. The invention is successful with a Fabry-Perot interferometer, which is used to study the structure of spectral lines serves, has been applied. Other possible uses of this invention are in optics and obvious in length measurement.

Die Auswahl des Ausgleichsdruckteiles 40 mit einer entsprechenden Wendelfeder 26 oder sonstigen elastischen Kraft 36 oder 37 für einen bestimmten Anwendungszweck kann durch theoretische Untersuchungen getroffen werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß empirische Methoden ziemlich einfach und schnell zum Ziel führen. Die Ausgangsfunktion des zu stabilisierenden Gerätes wird mit derjenigen eines Gerätes bekannter Stabilität verglichen. Wendelfedern mit verschiedenen Federkonstanten werden in dem Stabilisierungssystem untersucht, bis diejenige elastische Kraft gefunden ist, welche die erwünschte Stabilität ergibt.The selection of the equalizing pressure part 40 with a corresponding helical spring 26 or other elastic force 36 or 37 for a specific application can be determined by theoretical studies to be hit. It has been shown, however, that empirical methods are fairly simple and lead quickly to the goal. The output function of the device to be stabilized corresponds to that of a Device of known stability compared. Helical springs with different spring constants are used in the stabilization system until the elastic force is found which is the desired Stability results.

Obwohl die Vorrichtung hauptsächlich für solche Zwecke benutzt werden wird, bei welchen eine nahezu vollständige Vermeidung von Abstandsänderungen der Bauteile (Spiegel) erreicht werden soll, läßt sie sich auch ferner dann verwenden, wenn vorgegebene Änderungen erwünscht sind. Das Ausgleichsdruckteil 40 kann bezüglich seiner Federkraft so ausgewählt werden, daß diese erwünschten Änderungen in positiver oder negativer Richtung erfolgen. So kann z. B. durch entsprechende Abstimmung des Systems erreicht werden, daß Temperaturänderungen des Apparates, die durch äußere Bedingungen verursacht werden, eine Änderung der Ausgangsfunktion in positive oder negative Richtung verursachen.Although the device will mainly be used for purposes in which a nearly complete avoidance of changes in distance between the components (mirror) is to be achieved, it can also use if specified changes are required. The equalizing pressure part 40 can be selected with respect to its spring force so that these desired changes in positive or negative direction. So z. B. achieved by appropriate coordination of the system that temperature changes of the apparatus, which are caused by external conditions, cause a change in the output function in a positive or negative direction.

Claims

Patent claims:

1. Temperature compensation device for stabilizing the mirror spacing of optical resonators of optical transmitters or amplifiers (lasers) with a gaseous stimulable medium, characterized in that the hydrostatic pressure of one of the optical resonator (10) surrounding liquid (23), which in turn is enclosed in a tight housing (15) and their coefficient of thermal expansion greater than that of the housing enclosing them (15) is via an elastic equalizing pressure part (40) (24, 25, 26 or 34, 35, 36 or 37, 38) selectable on the thermal longitudinal expansion of the optical resonator (10) a deformation of the mirror holder (39), which preferably takes place in the longitudinal direction, acts.

2. Temperature compensation device according to claim 1, characterized in that for Adjustment of the hydrostatic pressure the liquid (23) a tuning part (33) in the form of a

piston-like rod (29, 30) is provided which is inserted tightly into the housing wall (17) and is designed to be longitudinally movable to change the effective volume in the container (15).

3. Temperature compensation device according to claim 1 and 2, characterized in that the equalizing pressure part (40) can be adapted by means of the choice of its spring constant.

4. Temperature compensation device according to claim 3, characterized in that the Compensation pressure part (40) with a spring (26) in the

Inside a closed bellows (24) is equipped.

5. Temperature compensation device according to claim 3, characterized in that the Compensating pressure part (40) with a pneumatic spring made of air within a compressible Container (34) is equipped.

6. Temperature compensation device according to claim 3, characterized in that the Compensating pressure part (40) contains a body made of elastic material (37).

1 sheet of drawings