DE1639030B2 - Verfahren zur frequenzstabilisierung optischer sender (laser) - Google Patents

Description

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und Frequenz der resultierenden einzigen Eigen- Die Durchlässigkeit beträgt dabei üblicherweise einige

schwingung dazu neigen, zeitlich zu fluktuieren. Prozent. Ansonsten würde das Reflexionsvermögen

Bisher hat man, um eine derartige unerwünschte der Spiegel 11 und 12 besser als 99% gemacht. Drift bei der gewünschten Mittelfrequenz zu über- Ein dritter Spiegel 14, dessen Normale senkrecht winden, die Resonanzschwingung des Hauptresonators 5 zur Achse 15 des Primärresonators orientiert ist, auf ein stabileres Bauteil bezogen. Sowohl ein Reso- liegt einem Strahlteiler 13 gegenüber. Der Spiegel 14 nator, der völlig außerhalb des Resonators des bildet daher über diesen Strahlteiler zusammen mit optischen Senders oder Verstärkers gelegen ist, als · dem Spiegel 12 einen Sekundärresonator der Länge auch ein Resonatoi, der zum Teil durch einen Teil L₂ + L₃. Für bestimmte Anwendungsfälle mag es des Resonators des optischen Senders oder Ver- 10 vorteilhaft sein, den Strahlteiler 13 unter dem stärkers gebildet ist, sind als Mittel dafür vorgesehen Brewsterschen Winkel anzuordnen. Die Normale des worden, die Stabilität der stimuliert emittierten Aus- Spiegels 14 würde dann so angeordnet sein, daß der gangssfrahlung zu verbessern. In jedem Falle jedoch durch die Teile 12,13 und 14 gebildete Sekundärerforderte das Wirkungsprinzip hierbei eine Modu- resonator weiterhin eine resonante Einrichtung ist. lation der Resonanzfrequenz des Bezugsresonators 15 Die Oberfläche des Spiegels 14 ist üblicherweise mit der resultierenden Modulation der Ausgangs- physikalisch ähnlich zu der der Spiegel 11 und 12, strahlung. 3o ist es bekannt (Technische Rundschau, obgleich auch die Krümmung verschieden sein kann. Bd. 58, Nr. 20. vom 6. 5.1966, S. 41 bis 43), die Der Strahlteiler 13 kann beispielsweise ein unter 45" Änderung der Ausgangsstrahlung zur Steuerung der gegenüber der Achse 15 geneigter halbversilberter Resonatorlänge unter Verwendung Jner Frequenz- 20 Spiegel sein, um etwa gleiche Aufteilung der einmodulation heranzuziehen. In vielen Fällen ist aber fallenden Energie zu erreichen. Falls gewünscht, eine von Modulation freie stimuliert emittierte Aus- können auch andere Energieauftei!-'ngs\erhältnisse gangsstrahlung erwünscht (vgl. L'onde electrique, verwendet werden. Bei gegebenen Werten für L₁. L₂ Bd. 46, Nr. 469, April 1966, S. 455 bis 461). und L₃ werdt-n die Spiegel 11, 12 und 13 se gewählt.

Demgemäß ist die obenerwähnte Aufgabe der 25 daß ihre Krümmungen gleich denen der hierauf einErfindung für das Verfahren der einleitend beschrie- fallenden Lichtstrahlen sind.

benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Das stimulierbar Medium, das in der dargestellten

Frequenzstabilisierung ohne Modulation durchgeführt Anordnung ein Gas oder eine Gasmischung ist, liegt

wird, indem das Fehlersignal in einem Gleichstrom- zwischen Spiegel 11 und Strahlteiler 13. Bei dieser

differenzverstärker durch Vergleich der durch die 30 Anordnung liegt das stimulierbare Medium aus-

Photozelle als elektrooptischer Sonde angezeigten schließlich im Primärresonator. Das stimulierbare

Spannung, die für den Leistungspegel im Primär- Medium ist, wie aus der Zeichnung ersichtlich, in

resonator repräsentativ ist, mit einer konstanten einem Rohr 16 eingeschlossen, dessen Stirnflächen

Bezugsspannung erhalten wird. 17 und 18 gegenüber der optischen Achse etwa um

Man erhält dadurch einen stabilisierten einfre- 35 den Brewsterschen Winkel geneigt sind. Das gas-

quenten optischen Sender, bei welchem mit einem förmige stimulierbare Medium kann beispielsweise

Vergleich der Strahlungsintensität innerhalb des Pri- eine Heiium-Neon-M'schung sein, die mit Hilfe einer

märresonators mit einem Bezugssignal zur Einstellung Hochfrequenzquelle 19 und das Rohr 16 umgebenden

der Resonar.zlänge gearbeitet wird. Durch diese leitenden Streifen 20 angeregt wird. Optische Sender

Abtastung der Strahlungsenergie innerhalb des Pri- 40 oder Verstärker mit gasförmigem stimulierbarem

märresonators und durch Vergleich des abgetasteten Medium, ebenso die Wirkungsweise derselben, ist

Wertes mit einem äußeren Bezugssignal erreicht man allgemein bekannt. Falls gewünscht, können zwei

einen hohen Stabilisierungsgrad und vermeidet jeg- identische gasförmige Medien mit einer zwischen-

liche innere Modulation. geschalteten Methangaszelle zur Unterdrückung uner-

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren 45 wünschter 3,39^m-Schwingungen verwendet werden,

an Hand der Zdchnung im einzelnen beschrieben; Jedoch unabhängig hiervon kann die Erfindung in

es zeigt gleicher Weise auch bei festen oder flüssigen stimulier-

F \ g. 1 eine halbschematische Darstellung einer baren Medien ebenso auch bei gasförmigen stimulier-

Apparatur zur Durchführung des Verfahrens, baren Medien anderer als der erwähnten Zusammen-

F i g. 2 und 3 Diagramme zur Erläuterung tier 50 Setzung Verwendung finden. Auch kann an Stelle

Wirkungsweise und der dargestellten Hochfrequenzanregung eine Gleich-

F i g. 4A und 4 B Diagramme zur Darstellung der Stromanregung vorgesehen sein, falls dies gewünscht

unstabilisierten bzw. stabilisierten Ausgangsstrahlung sein sollte,

der Anordnung nach F i g. 1. Der Spiegel 14 ist als auf einem Grundkörper 21

Der optische Sender 10 der F i g. 1 weist ein stimu- 55 montier, dargestellt. Dieser Grundkörper ist ein

lierbares Medium auf, das in einem eigenschwingungs- piezoelektrisches Material, dessen Abmessungen über

selektiven Resonator untergebracht ist. Zwei in einen begrenzten Bereich durch die Zufuhr einer von axialem Abstand voneinander angeordnete Spiegel einer Quelle 22 herrührenden A bstimmspannung

11,12 begrenzen einen Primärresonator, dessen Länge steuerbar sind. Wie ersichtlich, kann dann die Reso-

gleich L₁ + L₂ ist. Die Oberfläche der Spiegel 11 60 nanzfrequenz des Hilfsresonators der Länge L₂+L,

und 12 kann eine Metallschicht auf einem dielek- gesteuert werden.

frischen Grundkörper sein, oder eine Mehrzahl Der Spiegel 11 ist ebenfalls auf einem piezoelek-Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem irischen Grundkörper 23 montiert, an den die Span-Brechungsindex, wobei jede dieser Schichten eine nung eines Gleichstrom-Differenzverstärkers 25 gelie viertel Wellenlänge bei der gewünschten Betriebs- 65 fert werden kann. Diese Spannung, die über eir frequenz dick ist. Soll Energie über diese Spiegel Tiefpaßfilter 24 geht, wird durch e-nen Vergleicl ausgekoppelt werden, so können einer oder beide der Steuerstrahlung P₂ über die Photozelle 26 mi Srjieeel 11 und 12 teildurchlässig gemacht werden. einer Bezugsspannung der Quelle 27 erzeugt. Di<

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unmodulierte Ausgangsstrahlung P₁ wird einem Ver- wenn R und T das Reflexionsvermögen bzw. Durchbraucher 34 zugeführt, der ein Verstärker, ein Modu- laßvermögen des Strahlteilers bedeuten. Von den lator oder irgendein anderes Nachrichtenübermitt- Spiegeln 11, 12 und 14 ist angenommen, daß deren lungsbauteil sein kann. Reflexionsvermögen R = I ist. Durch Abstimmen In F i g. 2 sind die Longitudinaleigenfrequenze:. 5 des Hilfsresonators derart, daß ein hohes spezifisches des Primärresonators für den Transversaleigenwert Reflexionsvermögen bei /₀, gesehen vom Primärniedrigster Ordnung durch die kurzen senkrechten resonator aus, vorhanden ist, wird eine kleine Ände-Linien längs der Abszisse des Koordinatensystems 28 rung in der Wellenlänge zu einer großen Änderung dargestellt. Die Linienbreite der stimulierten Strah- in der Dämpfung der Seiten-Eigenschwingungsenergie lung in einem üblichen optischen Sender oder Ver- io führen. Dies deshalb, weil derartige Eigenschwinstärker ist durch die ausgezogene Kurve 29 dar- gungen, die üblicherweise einen Frequenzabstand in gestellt. Die Kurve 29 gibt die Frequenzabhängigkeit der Größenordnung 150MHz von der gewünschten des Energiegewinns pro Durchgang eines Lichtstrahls Mittelbetriebsfrequenz /₀ haben, gekennzeichnet sind durch ein übliches stimulierbares Medium wieder. durch einen beträchtlich niedrigeren Reflexionskoeffi-Der Schwellenwert, bei dem der Energiegewinn die 15 zienten. Das Abstimmen des Hilfsresonators kann Energieverluste infolge Streuung, Reflexion u. dgl. durch richtige Einstellung entweder von aus L₂ oder übersteigt, ist durch die horizontale Linie 30 dar- von aus L₃ erfolgen, obgleich es häufig einfacher ist, gestellt. Es ist daher ersichtlich, daß sämtliche Eigen- L₃ zu variieren, also die Primärresonatorlänge unge-. werte, deren Frequenzen zwischen f_a und /& liegen, ändert zu lassen. Die Gesamtlänge L₂-f L₃ des Hilfszu Schwingungen angeregt werden können, wenn ao resonators wird normalerweise so gewählt, daß sie nicht Maßnahmen zu deren Unterdrückung getroffen viel kleiner ist als die Gesamtlänge L^L₂ des Primärwerden. Ebenso ist ohne weiteres einzusehen, daß, resonators.

da ein Einfrequenz-Ausgang üblicherweise aus tech- In ι⁷ i g. 2 ist die Wirkung des hinzugefügten nischen Gründen erwünscht ist, derartige Unter- Hilfsresonators dargestellt durch die gestrichelte drückungsmaßnahmen eher benötigt werden als nicht. 35 Dämpfungskurve 31, die einen Teil der periodischen Ein einfacher Weg für die Auswahl einer einzigen Reflexionskennlinie des Hiltsresonators ist. Es ist Eigenschwingung ist der, die optische Verstärkung zweckmäßig, den Hilf«.re«;onator als einen zusammenüber dem ganzen Emissionsband zu reduzieren oder, gesetzten Spiegel senkrecht zur Hauptstrahl-Fortals Äquivalent hierzu, den Schwingungseinsatzpunkt pflanzungsrichtung längs der Achse 15 zu betrachten. (Schwellenwert) zu erhöhen derart, daß letzterer nur 30 Ein derartiger Spiegel ist gekennzeichnet durch ein von einem engen Teil der Emissionslinie überschritten periodisches schmalbandiges spezifisches Reflexionswird. Ebenso ist es auch möglich, die Länge d des vermögen, der, wenn bei der gewünschten Frequenz /₀ Resonators zu reduzieren, um dadurch den Frequenz- des Primärresonators zentriert, als hochreflektierender abstand zwischen den Eigenwerten zu erhöhen. Diese Endspiegel mit zugeordneter niedriger Dämpfung Maßnahmen haben aber sämtlich den unerwünschten 35 wirkt. Alle übrigen Frequenzen innerhalb der Periode Effekt einer Reduzierung der verfügbaren Ausgangs- des Hilfsresonators sind niedrigerem spezifischem leistung. Reflexionsvermögen, demgemäß höherer Dämpfung Entsprechend dem Wirkungsprinzip des Drei- ausgesetzt, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. Die Spiegel-Resonators wird die Energie eines nach links Periodizität S der Kurve 31 ist c/(L₂ f L₃) mit c gleich längs der Achse 15 in F i g. 1 zum Strahlteiler 13 40 der Lichtgeschwindigkeit. Die Resonanzbreite δ S ist laufenden Strahls dort aufgeteilt, ein Teil geht hin- in der Hauptsache durch das spezifische Reflexionsdurch und läuft über das stimulierbare Medium vermögen des Strahlteilers 13 bestimmt. Für höhere zum Spiegel 11 des Primärresonators, und der Rest spezifische Reflexionsvermögen ist die Breite d S kleiwird reflektiert und läuft zum Hilfsresonator-Spiegel ner. Bei einer optischen Sender- oder v_erstärker-. 14, der senkrecht zur Teilachse 32 des Hilfsresonators 45 anordnung, bei der die Seitenfrequenzen dicht beiorientiert ist. Es ist daher ersichtlich, daß eine Sekun- einanderliegen. kann es notwendig sein, das spezi- ! därresonanz für eine Energie erzeugt werden kann, fische Reflexionsvermögen des Strahlteilers 13 auf die zwischen den Spiegeln 12 und 14 über den Strahl- mehr als die vorstehend erwähnten 50% anzuheben. j teiler 13 läuft. Die Sekundärresonanzeigenschaft be- damit die benachbarten Seitenfrequenzen des Haupt-' einflußt die Verluste, der die Energie im durch die 50 resonators daran gehindert werden, in den Bereich ) Spiegel 11 und 12 gebildeten Primärresonator aus- niedriger Dämpfung der Kurve 31 zu fallen. 1st der j gesetzt ist, und wird zur Unterdrückung unerwünschter Hilfsresonator richtig abgestimmt, so sind die Dämp-Longitudinaleigenschwingungen benutzt. Im einzelner fungswerte bei von der gewünschten Frequenz /„ wird der Sekundärresonator so ausgebildet, daß er entfernten Schwingungsfrequenzen erhöht, wodurch ein hohes Reflexionsvermögen nur über ein Frequenz- 55 die Gesamtverstärkung unterhalb des Schwellenwertes band besitzt, das viel enger ist als die Schwingungs- ged ückt wird, bei dem Schwingung noch aufrechtbandbreite, die nach F i g. 2 /e>—/o ist. erhalten werden kann. Das Ergebnis ist eine inten-Sind die verschiedenen Abstände zwischen den sivere Emission bei der einzigen gewünschten Frequenz. Spiegeln 11, 12, 14 und dem Strahlteiler 13, gegeben Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß vordurch L₁, L₈, bzw. L₃ (F i g. 1), so kann die vom 60 gesehenen Rückkopplungssystems kann an Hand der Strahlteiler 13 längs der Achse 33 abgezweigte Aus- F i g. 1 erläutert werden. Die drei Spiegel 12, 13 gangsstrahlung P₁ bei einer gegebenen Wellenlänge λ und 14, die den Hilfsresonator bilden, werden wiederausgedrückt weiden durch um als ein einziger Spiegel variablen spezifischen

2 π 1 Reflexionsvermögens betrachtet, wie dies bereits

4Äsin⁸ —— (L₈ + L₃) 5₅ erläutert worden ist Wenn dieser Drei-Spiegel-

1 Resonator auf Resonanz bei einer gegebenen Frequenz

I — (L + L) abgestimmt ist, so wird sämtliche bei dieser Frequenz

1 ^ v*-a L* einfallende Energie in den Resonator des optischen

4ASHi*

Senders oder Verstärkers zurückreflektiert, und nichts maßen an die Frequenz des Bezugsresonators festwird ausgekoppelt. Das heißt, es ist die Ausgangs- gebunden ist. Der Drei-Spiegel-Resonator sollte daher strahlung P₁ = 0. Wird die Abstimmung des Drei- so stabil wie möglich ausgebildet werden. Jegliches Spiegel-Resonators geändert, so wird ein Teil der langsame Weglaufen seiner Resonanzfrequenz, beieii fallenden Energie aus dem System abgelenkt und S spielsweise infolge thermischer Effekte, sollte korridie Ausgangsstrahlung P₁ wird größer als 0. Für giert werden durch Verwendung einer Rückkopp'.ungsausreichend große Verstimmung wird die Dämpfung schleife mit niedriger Zeitkonstante und durch Abwegen dieser Energieauskopplung i.-n System so groß, leiten eines Signals von einer äußeren Absorptionsdaß der optische Sender oder Verstärker nicht schwin- zelle. Auf diese Weise kann absolute Frequenzstabiligen wird. Eine weitere Verstimmung in der gleichen io tat aufrechterhalten werden.

Richtung wird veranlassen, daß Schwingung bei einer Ein experimentelles Modell des frequenzstabili-

Frequenz beginnt, die dicht bei der nächsten Reso- sierten optischen Senders oder Verstärkers ist unter nanzstelle des Verstärker- oder Senderresonators liegt. Verwendung von Helium/Neon als stimulierbares

Das Rückkopplungssteuerungsphänomen kann ver- Medium aufgebaut worden. Die Abmessungen waren: standen werden, wenn man die Steuerstrahlung P₂ i5 L₁ + L₂- 280 cm, L₂ + L₃ — 10 cm. Die Spiegel 11 am Spiegel 11 mit Relativwerten der Ausgangs- und 12 waren konkav mit einem Krümmungsradius strahlung P₁ vergleicht. Unter den Bedingungen, bei von 14,00 m und der Spiegel 14 war konvex mit denen der Drei-Spiegel-Resonator auf Resonanz bei einem Krümmungsradius von 14,85 m. Der Strahleiner Resonanzfrequenz des Sender- oder Verstärker- teiler 13 war ein Planspiegel mit einem Reflexion:-- resonators abgestimmt ist, wird die gesamte einfal- ao vermögen von 65% bei 45°. Der verwendete optische lende Energie in den Sender- oder Verstärkerresonator Sender oder Verstärker war aus zwei 130 cm langen zurückreflektiert, und P₁ — 0. Gleichzeitig jedoch ist, hintereinandergeschalteten 4-mm-Rohren aufgebaut, da dies dem höchsten spezifischen Reflexionsver- wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Rohren mögen des Drei-Spiegel-Resonators entspricht, die mit Methangas gefüllt war, um zugleich die 3,39-μηι-Energie im Hauptresonator und damit auch die 35 Schwingung zu reduzieren. Längs der Rohre des Steuerschaltung P₂ ein Maximum. Wenn die Ab- optischen Senders oder Verstärkers waren zum gleistimmung des Drei-Spiegel-Resonators in einer der chen Zweck auch Magnete angeordnet. Bei diesem beiden Richtungen geändert wird, nimmt das effek- Aufbau wurde gefunden, daß 50 Milliwatt Einfrequenztive spezifische" Reflexionsvermögen ab, weil ein Ausgangsleistung erhalten werden konnte. Diese großer Bruchteil der einfallenden Energie aus dem 30 Leistung neigte dazu, in einer Transversaleigen-System ausgekoppelt wird, und die Steuerstrahlung P₂ schwingung zweiter Ordnung zu erscheinen. Aber nimmt ab. Schließlich hört die Schwingung auf und so- durch leichtes Ausblenden des Strahls konnten wohl P₁ und P₂ sind Null. Es ist sonach offensichtlich, 45 Milliwatt zuverlässig bei der Transversalgrunddaß die Ausgangsstrahlung P₁ durch ein Maximum eigenschwingung erhalten werden. Diese Ausgangswährend dieses Prozesses geht und daß dieses Maxi- 35 leistungen wurden unter Verwendung einer Sonnenmum auftritt, wenn die Verstimmung zu einer opti- zelle gemessen, die mit Hilfe einer entsprt .hend den malen Ausgangsauskopplung aus dem System führt. Normvorschriften des »National Bureau of Standards«

F i g. 3 zeigt gleichzeitige experimentelle Beobach- geeichten Thermosäule geeicht worden war. Der tungen von Ausgangsstrahlung P₁ und Steuerstrah- Einzel-Eigenschwingungsbetrieb wurde durch Beoblung P₂ als Funktion der Drei-Spiegel-Resonator- 40 achtung des Ausgangssignals mit einem Abtastinterabstimmung unter Verwendung des optischen Sen- ferometer geprüft.

ders oder Verstärkers nach F i g. 1 zu Versuchs- Die mechanische Halterung für die Spiegel 11, 12

zwecken. Die Ausgangsstrahlung P₁ ist als Kurve 40 und 14 wurde so stabil wie möglich unter Verwendung aufgetragen und die Steuerstrahlung P₂ als Kurve 41. massiver Spiegelfassungen und durch Befestigen der-Wird der optische Sender oder Verstärker so abge- 45 selben aut Stahl-Halteplatten gemacht. Die Innenstimmt, daß er bei einer Frequenz F₁ arbeitet, die räume der Spiegelfassungen wurden mit Silikoneiner der Maxima von P₁ entspricht, so verursacht gummi gefüllt und die ganze Anordnung wurde mit eine kleine Frequenzverschiebung (F₈-F₁) eine kleine einer Bleiabsc'urmung umgeben, die auf einer Schaum-Ampütudenänderung der Ausgangs«trahlung A₁ in P₁, gummilage auflag.

aber eine viel größere Änderun_fe ^ r Amplitude der 50 Die elektromechanischen Wandler 21, 23 waren Steuerstrahlung /1₂ in P₂. Das Vorzeichen der Ände- 2,45 · 2,45 cm große piezoelektrische Keramikzylinder, rung in P₁ hängt von der Richtung dieser Frequenz- Die Zeitkonstante für die erste mechanische Resonanz verschiebung ab. Daher kann durch Überwachen der Wandler-Spiegelkombination lag in der Gegend von P₂ bei auf ein Maximum von P₁ abgestimmtem von 1 kHz, und das Tiefpaßfilter im Rückkopplung* optischem Sender oder Verstärker ein Signal erhalten 55 system war so eingestellt, daß die Schleifenverstärwerden, dessen Ampliiude zunimmt, wenn die Fre- kung bei dieser Frequenz unterhalb eins fiel. Dahei quenz des optischen Senders oder Verstärkers in der war das experimentelle Rückkopplungssystem nur ir einen Richtung wegläuft, aber abnimmt, wenn die der Lage, mechanische Schwingungen bei Frequenzer Frequenz in der anderen Richtung wegläuft. Dieses ausreichend unterhalb 1 kHz auszukorrigieren. Nichts Signal kann dann zum Erhalt eines Korrektions- 60 destoweniger wurde durch Beobachten der Fluk signals verwendet werden, das einer piezoelektrischen tuationen in der Ausgangsleistung gefunden, daß dei oder anderweitig ansprechenden Vorrichtung zur Resonator des optischen Senden oder Verstärken Frequenzstabilisierung des optischen Senders oder auf den Bezugsresonator innerhalb 1 MHz fest Verstärke« zuzuführen ist. gebunden werden konnte, was gleichbedeutend is

Es ist daher ersichtlich, daß der Drei-Spiegel- 65 mit etv.a ±2 · 10-». Die Anordnung wurde unt© Resonator als stabiler Bezugsresonator verwendet normalen Laboratoriumsbedingungen betrieben. Aller wird, und daß die Hauptfrequenz de* Resonators dings wurde das Experiment auf einem stabile! des optischen Senders oder Verstärkers gewisser- Spezialtisch durchgeführt und man war bedacht

die Spiegelfassungen vor akustischen Schwingungen, c/2 (L₁ -i- L₂) [= 54 MHz] einer Änderung der Reso-

zu schützen. iiatorlänge des optischen Senders oder Verstärkers

Das Rückkopplangssystem stellt den Arbeitspunkt von λ/2 entspricht, kann der Resonator des optischen

des optischen Senders oder Verstärkers so ein, daß Senders oder Verstärkers als auf den Bezugsreso-

die Steuerstrahlung P₂ in der Photozelle eine Span- 5 nator auf ±1 MHz festgelegt betrachtet werden,

nung erzeugt, die praktisch immer gleich der Bezugs- Wegen des benutzten Schreibers, der auf Frequenzen

spannung 27 ist. Es ist daher durch Ändern der oberhalb 70 Hz nicht anspricht, wurde ein Prüf-

Bezugsspannung möglich, den Arbeitspunkt und versuch mit Hilfe eines Oszillographen durchgeführt,

folglich die Ausganssstrahlung P₁ stetig zu ändern. um zu bestätigen, daß keine hochfrequenten Fluk-

Normalerweise ist die Bezugsspannung so eingestellt, io tuationen im Ausgang vorhanden sind, die anzeigen

daß die Ausgangsstrahlung P₁ nahezu ein Maximum ist. würden, daß die Kurzzeitstabilität schlechter als

F i g. 4A zeigt ein Diagramm der Ausgangsleistung ±1 MHi wäre.

als Funktion der Zeit ohne Rückkopplung. Es ist Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nach

ersichtlich, daß die Ausgangsleistung, die durch die F i g. 1 wird die Steuerstrahlung P₂. die vom Spie-

»Zitterlinie« 42 dargestellt ist, sich innerhalb einer 15 gel 11 durchgelassen wird, als ein Bezugssignal zur

Minute beträchtlich ändert. Frequenzstabilisierung benutzt. Andererseits können

Fig. 4 B zeigt an Hand der Kurver 43 und 44 aber die Endspiegel auch voll reflektierend ausgebildet

die Wirkung des Rückkopplungssystems. Da die werden, wobei dann das durch die Steuerstrahlung P₂

Größe der mechanischen Bewegungen an Hand des dargestellte Bezugssignal an einem der beiden unter

Rückkopplungssignals ermittelt werden kann, wenn ao dem Brewsterschen Winkel angeordneten Fenster 17

man beachtet, daß eine Frequenzänderung von und 18 entnommen wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. extrem kleinen Wellenlänge nicht durchführbar. Es

   Patentanspruch: ist daher notwendig, optische Reonatoren zu entwerfen, die in ihren Abmessungen viele tausendmal

   Verfahren zur Frequenzstabilisierung optischer größer sind als die Ausgangswellenlänge bei der Sender (Laser) mit einem verzweigten optischen 5 Betriebsfrequenz. Infolgedessen stellen die optischen Resonator, dessen Hauptresonator zwischen seinen Frequenzen hohe Harmonische dieser optischen zwei lichtundurchlässigen Spiegeln das stimulier- Resonatoren dar. Bei den üblichen optischen Resobare Medium und einen Strahlteiler enthält und natoren mit endständigen parallelen Spiegeln, wofür dessen Hilfsresonator senkrecht zur optischen der Fabry-Perot-Resonator repräsentativ ist, hat sich Achse des Hauptresonators über den Strahlteiler io gezeigt, daß der optische Resonator zu einer Re^he angekoppelt ist, der zugleich nach der entgegen- charakteristischer Schwingungsformen (Resonanzgesetzten Seite den optischen Ausgang bildet, bei oder Eigenschwingungen) angeregt werden kann, dem ein Bruchteil der kohärenten Strahlungs- Diese Eigenschwingungen unterscheiden sich vonenergie unmittelbar aus dem Hauptresonator zur einander in der Zahl der Feldänderungen sowohl Betätigung einer elektrooptischen Sonde abge- 15 längs der die beiden endständigen Spiegel verbin- zweigt wird, die ihrerseits mit einer Einrichtung denden Achse wie auch in den zu dieser Achse quer zum Ableiten eines durch Vergleich mit einem orientierten Ebenen. Alle Eigenschwingungen, die Bezugswert gc vonnenen Fehlersignal zusammen- die gleiche Feldverteilung in Querrichtung (Transarbeitet, wobei das Fehlersignal eine Lagesteuerung ver*a!feldverteilung) besitzen, haben unabhängig von des einen Spiegels des Hauptresonators bewirkt, 20 der Anzahl unterschiedlicher axialer oder Longidadurch gekennzeichnet, daß die Fre- tudinaländerungen den gleichen Beugungsverlust. Diese quenzstabilisierung ohne Modulation durchgeführt »Longitudinalresonanzen« werden bei Frequenzen aufwird, indem das Fehlersignal in einem Gleichstrom- treten, für die die Länge des optischen Resonators differenzverstärker (25) durch Vergleich der durch einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellendie Photozelle (26) als elektrooptischer Sonde 25 länge entspricht.

   angezeigten Spannung, die für den Leistungspegel Liefer; daher das stimulierbare Medium des op-

   im Primärresonator repräsentativ ist, mit einer tischen Senders oder Verstärkers Verstärkung über

   konstanten Bezugsspannung (27) erhalten wird. einen ausreichenden Frequenzbereich, so können eine

   Mehrzahl dieser Longitudinalresonanz-Eigenschwin-

   30 gungen gleichzeitig angeregt werden, obgleich nur

   die Transversaleigenschwingung niedrigster Ordnung

   Die Erfindung bezieht sich auf t.n Verfahren zur zugelassen ist.

   Frequenzstabilisierung optischer Sender (Laser) mit Die Gegenwart zahlreicher Eigenfrequenzen in einem verzweigten optischen Resonator, dessen Haupt- einem optischen Sender oder Verstärker für Nachresonator zwischen seinen zwei lichtundurchlässigen 35 ricluenübermittlungszwecke ist jedoch üblicherweise Spiegeln das stimulierbare Medium und einen Strahl- nachteilig. So wird beispielsweiie im wesentlichen teiler enthält und dessen Hilfsresonator senkrecht mehr Leistung in einem optischen Sender oder Verzur optischen Achse des Hauptresonators über den stärker benötigt, der in vielen Eigenschwingungen Strahlteiler angekoppelt ist, der zugleich nach der schwingt, als in einem solchen, der in nur einer einentgegengesetzten Seite den optischen Ausgang bildet, 40 zigen Eigenschwingung schwingt, um die gewünschte bei dem ein Bruchteil der kohärenten Strahlungs- wohldefinierte Ausgangslinie als sich klar von der energie unmittelbar aus dem Hauptresonator zur Hintergrundemission abhebend zu erzeugen. Außer-Betätigung einer elektrooptischen Sonde abgezweigt dem hat die Anregung zahlreicher Eigenschwingungen wird, die ihrerseits mit einer Einrichtung zum Ab- auf die Stabilität des optischen Senders oder Verleiten eines durch Vergleich mit einem Bezugswert 45 stärkers nachteilige Wirkung, ferner auf den Modugewonnenen Fehlersignal zusammenarbeitet, wobei Iationsprozeß sowie auf den Demodulationsprozeß. das Fehlersignal eine Lagesteuerung des einen Spiegels Dies sind sämtlich Faktoren, die bei Übertragungsdes Hauptresonators bewirkt. systemen von großer Bedeutung sind.

   Das Aufkommen der optischen Sender oder Ver- Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Resonator

   stärker mit stimulierbarem Medium hat die Erzeugung 50 für optische Sender oder Verstärker zu schaffen, der

   und Verstärkung kohärenter elektromagnetischer WeI- ein Eigenschwingungssystem besitzt, bei welchem nur

   ten im optischen Frequenzbereich ermöglicht, wobei eine einzige von einer Mehrzahl Eigenschwingungen

   sich dieser Frequenzbereich vom fernen infraroten des das stimulierende Medium enthaltenden Resona-

   bis zum ultravioletten erstreckt. tors bevorzugt angeregt wird.

   Die Ausdehnung des nutzbaren Teils des elekiro- 55 Die Diskrimination nach einer einzigen Longitu-

   magnetischen Spektrums hat daher die Zahl der für dinaleigenschwingung kann in bekannter Weise (IEEE

   Nachrichtenübertragungszwecke verfügbaren Fre- Journal of Quantum Electronics, Band QE 1, Nr. 8,

   quenzkanäle stark erhöht. November 1965, S. 343 bis 348) erreicht werden

   Ein wesentliches Bauteil des optischen Senders durch Unterteilen der stimulierten Energie in zwei

   mit stimulierbarem Medium ist ein auf die stimulierte 60 Teile, von denen ein jeder individuell in räumlich

   Emission angepaßter optischer Resonator. getrennten Resonatoren in Resonanz gebracht wird,

   Der Entwurf von Resonatoren bei Frequenzen wobei diese Resonatoren einen gemeinsamen end-

   des Mikrowellenbereichs ist eine vergleichsweise ein- ständigen Spiegel besitzen. Durch Entwurf des Hilfs-

   fache Angelegenheit, typische Resonatorformen haben resonators derart, daß er schmalbandigeres Reflexions-

   hierbei Abmessungen, die einer einzelnen Wellenlänge 65 vermögen als der Hauptresonator besitzt, können

   bei der gewählten Frequenz entsprechen. Die An- die dem Hauptresonator zugeordneten unerwünschten

   svendung dieses Resonatorbauprinzips bei optischen Seiten-Eigenfrequenzen unterdrückt werden. Es wurde

   Sendern oder Verstärkern ist jedoch wegen der hier jedoch gefunden, daß die tatsächliche Amplitude