DE1589966B1

DE1589966B1 - Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung eines optischen Senders

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Publication number: DE1589966B1
Application number: DE19671589966
Authority: DE
Inventors: Hanspeter Braendli; Rene Daendliker
Original assignee: STAAT BERN VERTRETEN DURCH DEN
Current assignee: STAAT BERN VERTRETEN DURCH DEN
Priority date: 1967-02-08
Filing date: 1967-09-27
Publication date: 1970-09-24
Also published as: NL6713836A; CH451348A; GB1149190A; US3594659A

Description

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Optische Sender (Laser) mit gasförmigem stimulier- es nun frei, in diesem Rohr einen Druck zu wählen, barem Medium umfassen bekanntlich einen aus zwei der ohne großen Aufwand sehr genau konstant geeinander gegenüberliegenden Spiegeln bestehenden, halten werden kann. Ferner kann der Entladungsstrom optischen Resonator, zwischen denen sich ein das gering gehalten werden, was die Konstanthaltung des gasförmige, stimulierbare Medium enthaltende Rohr 5 Entladungsstromes erleichtert, undAlterserscheinungen befindet. In der so gebildeten, etwa auch als Gaslaser- wesentlich vermindert.

oszillator bezeichneten, selbstschwingenden Anord- In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der

nung dient das Rohr als Lichtverstärker. Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt. Es ist

Die Erfindung betrifft nun eine Vorrichtung zur F i g. 1 ein Blockschema einer ersten Frequenz-

Frequenzstabilisierung eines derartigen optischen Sen- ίο Stabilisierungsvorrichtung,

ders, bei welchem ein einer Abweichung der Resonanz- F i g. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsfrequenz von ihrem Sollwert entsprechendes Fehler- weise der Vorrichtung nach F i g. 1 und signal dadurch erhalten wird, daß eine rechts- und F i g. 3 ein Blockschema einer zweiten Frequenzeine linkszirkular polarisierte Komponente eines ko- Stabilisierungsvorrichtung, während härenten Lichtstrahles, beim Durchgang durch ein ein 15 F i g. 4 und 5 Diagramme zur Erläuterung der isotopenreines Gas enthaltendes Absorptionsentla- Wirkungsweise der Vorrichtung nach F i g. 3 zeigen, dungsrohr, in welchem ein Magnetfeld und eine Gas- Der in der Vorrichtung nach F i g. 1 enthaltene

entladung aufrechterhalten werden, infolge des Zee- optische Sender 1 (Gaslaser) umfaßt ein Helium und mann-Effektes in Abhängigkeit von der Frequenz in Neon enthaltendes Rohr 2 und eine stabilisierte verschiedenem Maße absorbiert werden, und eine dem 20 Gleichstromquelle 3, deren Spannung z. B. etwa 2 bis Unterschied dieser Absorption entsprechende Größe 3 kV betragen kann und die in dem Rohr 2 eine Gaserzeugt wird und in welcher das Fehlersignal den entladung aufrechterhält.

gegenseitigen Abstand der Spiegel des optischen Re- Das Mischungsverhältnis He: Ne ist z. B. etwa 5:1,

sonators im Sinne einer Verminderung der erwähnten und der Druck beträgt etwa 1 bis 2 Torr. Das Rohr 2 Abweichung beispielsweise piezoelektrisch steuert. 25 befindet sich in üblicher Weise zwischen zwei einen Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art befindet optischen Resonator bildenden Spiegeln 4 und S. Der sich das Absorptionsentladungsrohr außerhalb des Resonator 4, 5 ist in Resonanz für eine bestimmte Oszillators, und die rechts- und linkszirkular polari- Wellenlänge der Strahlen, die durch das Rohr 2 versierten Komponenten des kohärenten Lichtstrahles stärkt werden können, im vorliegenden Falle z. B. für fallen nach einmaligem Durchgang durch dieses Rohr 30 sichtbare Strahlen, deren Wellenlänge λ in einem nacheinander auf einen Photoelektronenverstärker, kleinen Bereich in der Nähe von 0,63 μΐη liegt, für dessen Ausgangsimpulse nach Verstärkung und De- welchen die Spiegel 4, 5 hochrefiektierend sind. Die modulierung das Fehlersignal liefern. Ein Nachteil tatsächliche Wellenlänge λ bzw. die Resonanzfrequenz ν dieser Vorrichtung ist der, daß zur Erzielung einer des Resonators 4, 5 in diesem Bereich hängt dann ab genügenden Differenz zwischen den Impulsen, die der 35 von der optischen Weglänge zwischen den Spiegeln 4 rechts- bzw. der linkszirkular polarisierten Kompo- und 5, die ihrerseits abhängt von dem infolge von nente entsprechen, eine hohe Absorption in dem Temperaturschwankungen nicht absolut konstanten Absorptionsentladungsrohr nötig ist, die eine relativ geometrischen Abstand derselben, sowie vom Bregroße Entladungsstromdichte erfordert und nur in chungsindex des im Rohr 2 enthaltenen He-Ne-Geeinem schmalen Druckbereich erzielbar ist. Dies hat 40 misches, der sich ebenfalls infolge von Alterungsnun wiederum zur Folge, daß es sehr schwierig, ja erscheinungen des Rohres ändert. Die dargestellte praktisch unmöglich ist, den Zustand des Rohres so zu Vorrichtung bezweckt nun, die Resonanzfrequenz des beherrschen, daß sich die Frequenzabhängigkeit der Resonators 4, 5 auf einen von den genannten EinAbsorption der beiden Komponenten nicht im Lauf flüssen unabhängigen Sollwert V₀ zu stabilisieren, der Zeit ändert; insbesondere ist es auch nicht möglich, 45 Hierzu ist zwischen dem Rohr 2 und dem Spiegel 5 den Zustand des Rohres exakt zu reproduzieren, wie ein isotopenreines Neon enthaltendes Rohr 6 andies unbedingt nötig ist, wenn man eine absolute geordnet, d. h. daß dieses Rohr 6 nur Neon-20 oder Frequenzstabilität anstrebt und die Vorrichtung zur nur Neon-22 enthält. Da Neon-20 und Neon-22 sich Definition einer Normalwellenlänge benutzen will, in bezug auf ihre Absorptionseigenschaften etwas unetwa als Ersatz für die Krypton-Standardwellenlänge. 5° terscheiden, ist die Isotopenreinheit für die Repro-Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch ver- duzierbarkeit wichtig, In dem Rohr 6 wird mittels mieden, daß erstens das das isotopenreine Gas ent- einer stabilisierten Gleichstromquelle 7 eine Gasenthaltende Absorptionsentladungsrohr zwischen zwei ladung aufrechterhalten. Der Druck des Neons in Spiegeln angeordnet ist und infolgedessen wiederholt dem Rohr 6 kann z. B. etwa zwischen 2 und 40 Torr von dem kohärenten Lichtstrahl des optischen Senders 55 liegen und wird auf später näher erläuterte Weise durchlaufen wird, daß zweitens eine Einrichtung zur absolut konstant gehalten. Die Spannung der Gleich-Konstanthaltung des Gasdruckes an diesem Absorp- stromquelle 7 kann wieder etwa 2 bis 3 kV betragen, tionsentladungsrohr angeschlossen ist und daß drittens Das Rohr 6 ist von einer Spule 8 umgeben, die von

für das Absorptionsentladungsrohr eine Einrichtung einer Gleichstromquelle 9 gespeist wird und in dem zur Konstanthaltung des Entladungsstromes vor- 60 Rohr 6 ein axiales Magnetfeld 10 aufrechterhält, etwa gesehen ist. Das Absorptionsentladungsrohr kann in der Größenordnung von 100 Oerstedt. Das Rohr 6 sich zwischen den beiden Spiegeln des optischen steht mit einem Gefäß 11 in Verbindung, das von Resonators selbst oder zwischen den beiden Spiegeln flüssigem Wasserstoff 12 umgeben ist, der in einem des der Rückkopplung dienenden optischen Reso- Dewarbehälter 13 enthalten ist. Bei der Temperatur nators eines optischen Verstärkers befinden. Da in 65 des Siedepunktes des flüssigen Wasserstoffes unter dem Absorptionsentladungsrohr wegen des wieder- Atmosphärendruck, d.h. bei 20,3⁰K, befindet sich ein holten Durchganges des kohärenten Strahles nur noch Teil 14 des im Gefäß 11 enthaltenen Neons im festen eine relativ geringe Absorption erforderlich ist, steht Zustand. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß

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der Neondruck im Rohr 6 — wie oben erwähnt — ab- Polarisators 21 synchron variiert. Diese Spannung

solut konstant ist. wird von einer Wechselspannungsquelle 26 von z. B.

Der Spiegel 5 ist an einem piezoelektrischen Bauteil 50 bis 500 Hz geliefert, die auch einen Synchronmotor

15 angebracht, das eine zentrale Bohrung 16 für den 27 speist, welcher den Polarisator 21 in Umdrehung Durchgang des vom optischen Sender 1 erzeugten 5 versetzt. Das Ausgangssignal des Demodulators 24,

kohärenten Nutzlichtstrahles 17 aufweist. Es ist hierzu das positiv oder negativ ist, je nach dem z. B. die

zu bemerken, daß die Spiegel 4 und 5 in dem Resonanz- Komponente R oder L überwiegt, wird über die

Wellenbereich, also bei etwa 0,63 μ,ΐη eine Transparenz Leitung 18 dem piezoelektrischen Bauteil 15 zugeführt,

von etwa 1 % aufweisen. Das als Spiegelträger In F i g. 2 zeigt die Kurve r die Absorption des in dienende piezoelektrische Bauteil 15 ist an eine Lei- io dem Rohr 6 enthaltenen Neons für die Komponente R

tung 18 angeschlossen, die ihm eine Gleichspannung und die Kurve / die entsprechende Absorption für die

zuführt, von welcher die Länge des Bauteils abhängt Komponente L, in Funktion der Frequenz v. Der

und somit auch der Abstand des Spiegels 5 vom Schnittpunkt dieser Kurven r und / liegt bei der

Spiegel 4, indem das in der F i g. 1 rechte Ende des Frequenz v₀, auf die der optische Resonator 4, 5 Bauteils 15 an einem nicht dargestellten Support ein- 15 stabilisiert werden soll. Wenn die Ist-Frequenz von

gespannt ist. Die Spannung, welche dem Bauteil 15 der Soll-Frequenz v₀ abweicht, z. B. bei V₁ liegt, ergibt

zugeführt wird, wird auf später näher erläuterte Weise sich folgendes:

so gesteuert, daß der für die Frequenz ν des optischen Da gemäß F i g. 2 bei der angenommenen Lage von Senders maßgebende optische Weg zwischen den vi die Komponente L stärker absorbiert wird als die Spiegeln 4 und 5 auf dem dem Sollwert V₀ entsprechen- 20 Komponente R, ist das Eingangssignal 19" des Elekden Betrag konstant gehalten wird. tronenvervielfachers 22 mit der doppelten Rotations-Aus dem optischen Sender 1 tritt auch ein zweiter frequenz des Polarisators 21 moduliert und liefert Strahl 19 aus, nämlich durch den Spiegel 4. Der der Demodulator 24 dem piezoelektrischen Bauteil 15 Strahl 19 und ebenso natürlich auch der Nutzstrahl 17, ein Gleichspannungs-Fehlersignal, dessen Vorzeichen besteht aus zwei entgegengesetzt zirkulär polarisierten, 25 derart ist, daß die Länge des Bauteils 15 verkürzt wird, in der Zeichnung schematisch angedeuteten Kompo- wodurch die Resonanzfrequenz des optischen Renenten, von denen die Linkskomponente mit L und sonators 4, 5 verringert wird. Das Umgekehrte gilt die Rechtskomponente mit R bezeichnet ist. Diese natürlich, wenn der Ist-Wert der Frequenz ν zu klein ist. Komponenten L und R werden im Rohr 6 infolge des Da die Lage der Absorptionskurven r und / längs Zeemann-Effektes in verschieden frequenzabhängiger 30 der v-Achse infolge der Konstanz des Neondruckes Weise absorbiert und sind daher im allgemeinen ver- und der Konstanz des Entladungsstromes durchaus schieden groß. unveränderlich ist, kann diese Frequenz v₀ mit einer Der Strahl 19 geht durch ein Plättchen 20 hindurch, außerordentlich großen Genauigkeit für lange Zeit das aus einem doppeltbrechenden Material besteht konstant gehalten werden. Unter Berücksichtigung und dessen Dicke so groß ist, daß der ordentliche 35 aller möglichen Fehlerquellen kann beim heutigen und der außerordentliche Strahl nach Durchgang Stand der Technik der zur Verfügung stehenden Baudurch das Plättchen eine Phasendifferenz von 90° teile, die mit der beschreibenen Vorrichtung erzielbare

aufweisen: dadurch wird in bekannter Weise bewirkt, - ,, . dv _£1ri, ,-. . ,

j „ _A j t,i-„ _L „n j cn. ti mi Frequenzkonkonstanz auf 1O~⁹ geschätzt werden,

daß am Ausgang des Plattchens 20 der Strahl 19 aus ^H "₀ ^& '

zwei linear polarisierten, senkrecht aufeinander- 40 d. h., etwa zwei Größenordnungen höher als bei bisstehenden Komponenten R' und L' besteht, die den herigen Vorrichtungen für die Stabilisierung von derzirkular polarisierten Komponenten R und L ent- artigen optischen Sendern auf einen absolut bestimmsprechen, ten Sollwert v₀. Dabei sind die kritischen Betriebs-

Der Strahl 19' geht durch einen mechanisch ro- bedingungen der Neonröhre 6 sehr genau reproduzier-

tierenden Polarisator 21 hindurch, z. B. ein Nichol- 45 bar und während langer Zeit unveränderlich,

prisma, und fällt dann als Eingangssignal 19' auf eine Es kann eventuell zweckmäßig sein, im Zuge der

nicht dargestellte Photokathode eines Elektronen- Leitung 18, d. h. zwischen dem Demodulator 24 und

vervielfachers 22. Wenn die Komponenten R' und JJ dem piezoelektrischen Bauteil 15 ein Integrierbauteil

einander genau gleich sind, so erhält der Verviel- anzuordnen, z. B. einen parallelgeschalteten Konden-

facher 22 ein konstantes Eingangssignal 19". Wenn 50 sator, um eine Übersteuerung zu vermeiden,

die Komponenten R' und L' dagegen verschieden groß In der F i g. 3, die das zweite Ausführungsbeispiel

sind, so ist das Eingangssignal mit der doppelten darstellt, sind für gleiche Bestandteile dieselben Bezugs-

Rotationsfrequenz des Polarisators21 moduliert. ziffern benutzt wie in Fig. 1 Ein He-Ne-Rohr2a ist

Wie später näher erläutert wird, stellt diese Modu- wieder zwischen den Spiegeln 4 und 5 angeordnet, so lation ein Fehlersignal dar, das zum Verschwinden 55 daß ein optischer Sender 1 gebildet ist, dessen Regebracht werden muß, um die Resonanzfrequenz ν sonanzfrequenz stabilisiert werden soll. Es ist auch auf dem Sollwert v₀ konstant zu halten. wieder ein Neon enthaltendes Absorptionsentladungs-

Der Ausgang des Elektronenvervielfachers 22 ist rohr 6 vorgesehen, daß sich aber jetzt außerhalb des mit einem abgestimmten, d. h. ein schmales Ver- Resonators 4, 5 befindet; die Anordnung der Bauteile Stärkungsband aufweisenden Verstärker 23 verbunden, 60 6 bis 14 stimmt mit derjenigen von F i g. 1 überein, dessen Ausgang seinerseits mit einem phasenempfind- Das Rohr 2 a unterscheidet sich von dem Rohr 2 dalichen Demodulator 24 verbunden ist. Der phasen- durch, daß es an seinen Enden unter einem spitzen empfindliche Demodulator 24 stellt die Amplitude Winkel α zur Rohrachse geneigte Fenster 28 aufweist, der Modulation des Strahles 19" fest. Damit er auch wobei « gleich 90°—β ist und β den Brewsterwinkel feststellen kann, welche der beiden Komponente R' 65 bedeutet. Die Folge davon ist, daß von zwei senkrecht und L' größer ist, ist es nötig, ihm über eine Leitung 25 zueinander polisierten Komponenten der zwischen eine Spannung zuzuführen, die mit der Modulations- den Spiegeln 4 und 5 hin und her reflektierten Strahlen frequenz, also der doppelten Rotationsfrequenz des nur die eine Komponente praktisch ungeschwächt

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durch die Fenster 28 hindurchgeht, während die einerseits dem Eingang eines Begrenzerverstärkers 38 andere Komponente durch Re0exion am Fenster 28 und anderseits auch dem Eingang eines Überhöherso stark geschwächt wird, daß eine Aufschaukelung Verstärkers 39.

derselben im Resonator 4, 5 nicht in Frage kommt. Der Begrenzerverstärker 38 gleicht die ihm zu-

Der Sender 1 liefert also linear polarisiertes Licht; 5 geführten Signale einander an, d. h., er liefert zwei dasselbe kann man sich zusammengesetzt denken aus praktisch einander gleiche Rechteckimpulse R" und einer rechts- und einer linkszirkular polarisierten JJ". Der Überhöherverstärker 39 überhöht dagegen Komponente J? und L, wobei aber jetzt diese Kompo- den Unterschied zwischen seinen Eingangssignalen, nenten notwendigerweise gleich groß sind. so daß er zwei spitze Ausgangsimpulse R^IV, L^IV erhält,

Das Neonrohr 6 ist zwischen zwei Spiegeln 29 und 30 io deren Amplitudendifferenz viel großer ist als diejenige angeordnet, wobei zwischen dem Spiegel 29 und dem der Impulse R" und L".

Rohr 6 noch ein He-Ne-Rohr31 vorgesehen ist, das Die Impulse R" und L" werden einem abgestimmten

an eine stabilisierte Gleichstromquelle 32 angeschlossen Verstärker 23 a zugeführt, an den ein phasenempfindist und mit derselben und den Spiegeln 29 und 30 einen licher Demodulator 24 a angeschlossen ist. Die Imrückgekoppelten optischen Verstärker darstellt, dessen 15 pulse R^lv und L^lv werden einem abgestimmten VerRückkopplung — im Gegensatz zu derjenigen eines stärker 23 b zugeführt, an den ein phasenempfindlicher optischen Senders — zu schwach ist, um ein Selbst- Demulator 24b angeschlossen ist. Die Demodulatoren schwingen zu ermöglichen. Als Eingangssignal für den 24a und 24b sind auch an die Wechselspannungsoptischen Verstärker 33 dient ein Lichtstrahl 19'", der quelle 26, z. B. einen Oszillator mit einer Frequenz/ aus dem Ausgangsstrahl 19 des optischen Senders 20 von etwa 1 kHz angeschlossen. Der Ausgang des dadurch erhalten wird, daß derselbe durch den Demodulators 24α ist an ein Überlagerungsnetzwerk40 Spiegel 4, einen Abschwächer 34 und den Spiegel 29 angeschlossen, in welchem die Ausgangsspannung des hindurchgeht. Obwohl die optischen Bauteile 4, 34, 29 Demodulators 24 α mit der von der Quelle 26 zur Darstellung des prinzipiellen Sachverhaltes in gelieferten Wechselspannung überlagert wird. Die einem kleinen Abstand voneinander gezeichnet sind, 25 Ausgangsspannung des Überlagerungsnetzwerkes 40 werden in der Praxis die Spiegel 4 und 29 unmittelbar wird über die Leitung 37 dem piezoelektrischen Bauauf dem, z. B. aus einem Farbglasplättchenbestehenden teil 35 zugeführt. Der Ausgang des Demodulators 24b Abschwächer bilden, der zur Vermeidung einer unzu- ist über die Leitung 18 an ein zweites piezoelektrisches lässigen Rückwirkung des optischen Verstärkers auf Bauteil 15 angeschlossen.

den optischen Sender dient. 30 In F i g. 4 zeigt die Kurve α den Verlauf der Ver-

Der Spiegel 30 ist an einem piezoelektrischen Bau- Stärkung V des rückgekoppelten optischen Verstärteil 35 befestigt, das eine Bohrung 36 für den Durch- kers 33 in Abhängigkeit von dem geometrischen Abgang des verstärkten Strahles 19^IV aufweist, welcher stand χ der beiden Spiegel 29 und 30. Die Kurve α auf später näher erläuterte Weise das Fehlersignal er- weist Maxima R^y bzw. L^v auf, die den Komponenten R zeugt. Eine die Länge des Bauteils 35 beeinflussende, 35 und L entsprechen. Diese Maxima liegen bei vermit einer Wechselspannung modulierte Gleichspan- schiedenen Abständen X, weil für das Auftreten eines nung wird über eine Leitung 37 zugeführt. Diese Span- Maximums nicht der geometrische, sondern der opnung dient zur Einstellung des Abstandes der Spiegel 29 tische Abstand zwischen den Spiegeln 29 und 30 maß- und 30 auf die Frequenz des Eingangslichtsignals 19'", gebend ist und derselbe seinerseits vom Brechungsdamit der optische Verstärker für dieses Signal eine 4° index des Neons abhängt, welcher wegen des Zeemannhohe Verstärkung ergibt, wobei die Modulierung aus Effektes für die R- und !,-Komponente etwas vonspäter näher erläuterten Gründen vorgesehen ist. einander verschiedene Werte hat. Der gestrichelte Teil Sofern die Frequenz ν des Laserlichtstrahles vom der Kurve zeigt, daß diese Maxima sich in Abständen Sollwert v₀ abweicht, sind im Ausgangssignal 19^IV des von λ/2 wiederholen, falls die Länge X sich um λ/2 optischen Verstärkers 33 ungleich große zirkulär- 45 oder mehr ändern sollte, wobei λ wieder die Wellenpolarisierte Komponenten enthalten, obwohl — wie länge des Laserstrahllichtes bedeutet. Die Kurve α ist früher erwähnt — das Ausgangssignal 19'" des op- unter der Voraussetzung gezeichnet, daß die Oszillatortischen Senders / gleich große zirkularpolarisierte frequenz ν des optischen Senders nicht dem Sollwert v₀ Komponenten R und L enthält. Dies beruht wieder entspricht. Wenn letzteres der Fall ist, dann sind die auf der verschieden großen Absorption des Neons 5° Maxima R^v und L^v einander gleich groß, und damit der verschiedenen totalen Resonanz- Die Kurve b zeigt die über die Leitung 37 dem verstärkung für die R- und die !,-Komponente, sofern piezoelektrischen Bauteil 35 des optischen Verstärkers die Frequenz von der Soll-Frequenz v₀ abweicht, wie zugeführte Steuerspannung E in Funktion der Zeit t, an Hand von F i g. 2 erläutert worden ist. Anderseits wobei die Spannung E sich aus der vom Demodulator ist noch zu bemerken, daß die maximale Verstärkung 55 24a gelieferten Gleichspannung und einer von der des optischen Verstärkers 33 für die R- und L-Kompo- Quelle 26 gelieferten, im Netzwerk 40 der Spannung E₀ nente nicht bei derselben Frequenz auftritt, so daß in- überlagerten Wechselspannung von der Frequenz / folge der Modulation der dem piezoelektrischen Bau- zusammengesetzt.

teil 35 zugeführten Spannung die maximale Verstär- Die Gleichspannung E₀ setzt sich ihrererseits zu-

kungfür die J?- und !,-Komponente zeitlich verschoben 60 sammen aus einer Vorspannung und einer Demoduist, wie die Betrachtung von F i g. 4 noch besser zeigen lationsspannung.

wird. Dadurch wird es möglich, auf den in F i g. 1 Die Kurve c zeigt die zeitliche Reihenfolge der

vorgesehenen, mechanisch rotierenden Polarisator 21 Impulse J?" und L", die vom Elektronenvervielfacher zu verzichten und das Ausgangssignal 19^IV direkt dem geliefert werden. Durch die Steuerspannung E wird Photoelektronenvervielfacher 22 zuzuführen. Der Elek- 65 die geometrische und damit auch die optische Länge tronenvervielfacher 22 liefert somit zeitlich gegen- des rückgekoppelten optischen Verstärkers 33 modueinander verschobene Ausgangsimpulse R" und L", liert, wodurch gewährleistet wird, daß die Frequenz ν die den Komponenten R und L entsprechen, und zwar des optischen Senders 1 im Lichtsignal 19 auch wirk-

Hch wenigstens zeitweise in den sehr schmalen Verstärkungsbereich des optischen Verstärkers 33 fällt, denn andernfalls wäre natürlich die ganze Anordnung nicht arbeitsfähig. Den Verstärkungsbereich breiter zu machen, könnte man andererseits nur durch einen für den vorliegenden Zweck unzulässigen Verstärkungsverlust erkaufen.

Die Kurven a, b und c entsprechen dem in Wirklichkeit nicht erreichbaren Idealfall, daß der Demodulator 24 a kein Fehlersignal, d. h. kein Demodulations- ίο produkt liefert und die Spannung E₀ somit lediglich eine Vorspannung ist. Im Zeitpunkt I₁ ist die Länge X so groß, daß die Verstärkung für die Komponente L das Maximum!, hat und im Photoelektronenvervielfacher 22 der entsprechende Impuls L₁" entsteht. Dem Zeitpunkt t₂ entspricht das Maximum R und der Impuls R₂"; dem Zeitpunkt^ entsprechen R^v und R₃ usw. Die Wendepunkte W₁, W₂, W_s der Kurve b entsprechen den Mittelwerten T₁ _i2, J._Ui, T._.. ... von ^₁ und t₂ bzw. t₃ und ti bzw. t₅ und t_G und dem Mittelwert χ zo zwischen den Werten von X, für welche die LJ und RJ auftreten. Wenn die Impulse L₁", R₂", R₃", L₄" usw. durch den Begrenzerverstärker 38 auf gleiche Höhe begrenzt worden sind, so ist es ersichtlich, daß bei einer Fourieranalyse der entsprechend abgeänderten Kurve c (d. h. bei gleicher Höhe sämtlicher Maxima) eine Fourierkomponente mit der Frequenz/ nicht vorhanden ist. Da der Verstärker 23 α auf die Frequenz/ abgestimmt ist, liefert er somit dem Demodulator 24 a kein Eingangssignal.

Entspricht die Länge X nicht dem Betrag x, d. h. liegen die Wendepunkte W₁, W₂, W₃ nicht in der Mitte von L^v und RJ, so sind auch die Impulse L₁", R₂", R₃", L₄", L₅", R₆" in bezug auf diese Wendepunkte zeitlich so verschoben, daß auch nach der Impulsbegrenzung die Folge der Impulse R'", JJ" eine Fourierkomponente von Frequenz / hat, die ein Demodulationsprodukt ergibt, dessen Vorzeichen von der Phase dieser Fourierkomponente in bezug auf die direkt von der Quelle 26 kommende Wechselspannung von der Frequenz/ abhängt. Durch algebraische Addition des Modulationsproduktes zur Vorspannung wird dann die Gleichspannung E₀ vergrößert oder verkleinert, so daß dadurch die Länge X im gewünschten Sinne geändert wird, d.h. 3c zustrebt.

Der Verstärker 23 b, dem die überhöhten Impulse R^1V, L^IV zugeführt werden, ist ebenfalls auf die Frequenz / der Spannungsquelle 26 abgestimmt. Die Fourierzerlegung der Impulsreihe R^1V, L^IV ist nur dann frei von der dieser Frequenz / gleichen Grundfrequenz, wenn die Impulse R^lv und L^IV einander gleich sind.

Die vom phasenempfindlichen Demodulator 24 b als Demodulationsprodukt gelieferte, positive oder negative Gleichspannung, die über die Leitung 18 dem piezoelektrischen Spiegelträger-Bauteil 15 zugeführt wird, dient genauso zur Kompensierung von Abweichungen der Ist-Frequenz des optischen Senders 1 von seiner Soll-Frequenz v₀, wie dies an Hand von F i g. 2 für die Vorrichtung nach F i g. 1 erläutert worden ist. Solange die Oszillatorfrequenz ν vom Sollwert v₀ abweicht, sind die Maxima L^v, RJ voneinander verschieden und somit auch die Impulse i?^IV, L^IV und erhält der piezoelektrische Spiegelträger 15 des optischen Senders ein Fehlersignal, das den Abstand der Resonatorspiegel 4, 5 im richtigen Sinne verändert. Bei der Sollfrequenz v₀ werden die Impulse i?^IV, L^IV einander gleich, so daß das Fehlersignal verschwindet.

In F i g. 4 ist angenommen worden, daß die Maxima RX und LJ der Verstärkung V gut voneinander getrennt sind. Es ist nun denkbar, daß dies nicht immer der Fall ist und die Verstärkung V für die R- und die L-Komponente so verläuft, wie dies durch die Kurven r' und /' von F i g. 5 dargestellt ist. Die Intensität der Summe der beiden Komponenten ist dann durch die Kurve / dargestellt. Ein dieser Kurve i entsprechendes Ausgangssignal des Photoelektronenvervielfachers 22 wäre aber nicht brauchbar. Um die beiden Maxima der Kurve i wieder scharf voneinander zu trennen, kann man dem Photoelektronenvervielfacher22 einen gestrichelt dargestellten, linearen Polarisator 41 vorschalten, dessen Polarisationsebene senkrecht zur Polarisationsebene des vom optischen Sender 1 gelieferten Strahles ist. An der Stelle 3c, an welcher die Verstärkung V gemäß den Kurven /' und r' den gleichen Wert hat, wird dann die Lichtintensität zu Null. Die Kurve V zeigt den Verlauf der Lichtintensität hinter dem Polarisator 41. Die Maxima RJ¹ und L^VI sind nun scharf voneinander getrennt, und ihre Höhendifferenz, bezogen auf ihre mittlere Höhe, ist größer als die Höhendifferenz der Maxima i?^VI1 und LJ¹¹ der Kurven r' und /', bezogen auf ihre Höhe. Die Vorrichtung arbeitet im übrigen so wie früher beschrieben worden ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung eines optischen Senders mit gasförmigem stimulierbarem Medium, bei welcher ein einer Abweichung der Resonanzfrequenz von ihrem Sollwert entsprechendes Fehlersignal dadurch erhalten wird, daß eine rechts- und eine linkszirkular polarisierte Komponente eines kohärenten Lichtstrahles, beim Durchgang durch ein ein isotopenreines Gas enthaltendes Absorptionsentladungsrohr, in welchem ein Magnetfeld und eine Gasentladung aufrechterhalten werden, infolge des Zeemann-Effektes in Abhängigkeit von der Frequenz in verschiedenem Maße absorbiert werden, und eine dem Unterschied dieser Absorption entsprechende Größe erzeugt wird und in welcher das Fehlersignal den gegenseitigen Abstand der Spiegel des optischen Resonators im Sinne einer Verminderung der erwähnten Abweichung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß erstens das das isotopenreine Gas enthaltende Absorptionsentladungsrohr (6) zwischen zwei Spiegeln (4,5; 29,30) angeordnet ist und infolgedessen wiederholt von dem kohärenten Lichtstrahl des optischen Senders durchlaufen wird, daß zweitens eine Einrichtung (11 bis 14) zur Konstanthaltung des Gasdruckes an diesem Absorptionsentladungsrohr (6) angeschlossen ist und daß drittens für das Absorptionsentladungsrohr (6) eine Einrichtung (7) zur Konstanthaltung des Entladungsstromes vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das isotopenreine Gas enthaltende Absorptionsentladungsrohr (6) zwischen dem Entladungsrohr (2) des optischen Senders (1) und einem Spiegel (5) seines optischen Resonators (4, 5) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das isotopenreine Gas enthaltende Absorptionsentladungsrohr (6) zwischen dem Entladungsrohr (31) eines optischen Ver-

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stärkers (33) und einem Spiegel (30) seines der Rückkopplung dienenden optischen Resonators (29, 30) angeordnet ist und daß diesem optischen Verstärker (33) der kohärente Lichtstrahl des optischen Senders zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11 bis 14) zur Konstanthaltung des Gasdruckes des isotopenreinen Gases im Absorptionsentladungsrohr (6) ein Gefäß (11) aufweist, das auf eine bestimmte Temperatur gekühlt ist, bei welcher ein Teil (14) des Gases sich in fester Phase befindet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (11) sich in einem Behälter (13) befindet, der ein bei Atmosphärendruck siedendes, flüssiges Gas (12) enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das isotopenreine Gas Neon ist und daß das bei Atmosphärendruck siedende, flüssige Gas (12) Wasserstoff ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rechts- und die linkszirkular polarisierte Komponente (R, L) eines aus dem optischen Sender (1) austretenden kohärenten Strahles (19) mittels eines Plättchens (20) aus doppeltbrechendem Material in zwei linear polarisierte Komponenten (JR', L') umgewandelt werden, die durch einen mechanisch rotierenden Polarisator (21) hindurch auf einen Photoelektronenvervielfacher (22) fallen, dessen mit der doppelten Rotationsfrequenz des Polarisators (21) moduliertes Ausgangssignal durch einen auf die Modulationsfrequenz abgestimmten Verstärker (23) verstärkt wird, dessen Ausgangssignal durch einen phasenempfindlichen Demodulator (24) demoduliert wird, um das Fehlersignal zu erzeugen, welches einen piezoelektrischen Spiegelträger (15) steuert, an dem ein Spiegel (5) des optischen Resonators (4, 5) angebracht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Sender (1) einen linear polarisierten kohärenten Lichtstrahl liefert, der nach Verstärkung im rückgekoppelten optischen Verstärker (33) auf einen Photoelektronenvervielfacher(22) fällt, dessen Ausgang mit einem Begrenzerverstärker (38) verbunden ist, der einen auf eine Modulationsfrequenz (J) abgestimmten Verstärker (23 a) speist, dessen Ausgangssignal in einem phasenempfirdlichen Demodulator (24 a) demoduliert wird, wobei das Ausgangsprodukt des Demodulators nach Überlagerung mit einer Wechselspannung in der Modulationsfrequenz (/) einem piezoelektrischen Spiegelträger (35) zugeführt wird, der den Abstand der Spiegel (29, 30) des rückgekoppelten optischen Verstärkers (33) steuert.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Photoelektronenvervielfachers (22) ferner mit einem Überhöherverstärker (39) verbunden ist, der einen auf die Modulationsfrequenz (J) abgestimmten Verstärker (23 b) speist, dessen Ausgangssignal in einem phasenempfindlichen Demodulator (246) demoduliert wird, wobei das Ausgangsprodukt dieses Demodulators (24 b) einem weiteren piezoelektrischen Spiegelträger (15) zugeführt wird, der den Abstand der Spiegel (4, 5) des optischen Senders steuert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem Photoebktronenvervielfacher (22) ein linearer Polarisator (41) vorgeschaltet ist, dessen Polarisationsebene senkrecht zur Polarisationsebene des linear polarisierten kohärenten Lichtstrahles des optischen Senders (1) ausgerichtet ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen