DE1950943A1 - Intensitaetsstabilisierte Gaslaseranordnung - Google Patents

Description

"Intensi täts s tabili si erte Gaslas eranordnung"

Die vorliegende Erfindung "betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Intensität eines Gaslasers, bei. dem ein Entladungsrohr (Laserrohr) zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist, von denen wenigstens einer axial verschiebbar und/oder kippbar auf einer Verstelleinrichtung gelagert ist„

Um stets die maximale Ausgangsleistung eines Gaslasers zu erzielen, ist es notwendig, neben der Konstanthaltung der auf optimale Werte eingestellten Entladungsparameter auch konstante Resonatorbedingungen zu schaffen, was sich im allgemeinen nur dadurch lösen laßt, daß man den Resonator in Abhängigkeit von Schwankungen der Ausgangsstrahlung ständig nachregelt. Zu diesem Zweck ist beispielsweise einer der beiden Reflektoren, zwischen denen sich das Entladungsrohr befindet, axial verschiebbar und/oder schwenkbar auf einer Verstelleinrichtung gelagert, die durch eine aus der Laserausgangsleistung gebildete Stellgröße jeweils zur Erzielung optimaler Resonatorbedingungen eingestellt wird. Als Verstelleinrichtung kann beispielsweise ein piezoelektrischer Wandler dienen.

Die Schwierigkeit /bei dieser Art der Regelung besteht darin, daß man zur Ermittlung der Stellgröße in die Laserausgangsstrahlung eingreifen muß, sei es, daß man die Strahlung während dieser Zeit völlig unterbricht, oder sei es, daß man lediglich einen Teil der Laserausgangsleistung auskoppelt.

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BAD

Diese Eingriffe in die Ausgangsleistung sind für viele Anwendungszwecke äußerlich nachteilig, so daß sich die — vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt hat, eine Anordnung zu schaffen, welche eine trägheitslose Resonator justierung ohne direkte Heranziehung der Ausgangsenergie des Lasers ermöglicht._#

Zur_Lösung dieser Aufgabe wird "bei einer Vorrichtung-der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen., daß seitlich vom Laserrohr insbesondere in der Nähe der Kathode, eine mit dem Seitenlicht der Laserentladung beaufschlagte, elektrisch mit der Verstelleinrichtung verbundene, photοempfindliche Einrichtung vorgesehen ist, wobei an Stelle dieser Steuerung durch die Seitenlichtintensität auch vorgesehen sein kann, daß im Entladungsstromkreis eine elektrisch mit der Verstelleinrichtung verbundene Anordnung zum Abgreifen eines der Entladungsstromstärke proportionalen Signals vorgesehen ist.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß bei Gaslasern eine Rückwirkung der Laserstrahlung auf das aktive Medium besteht, die beim COp-^aser besonders ausgeprägt ist..„Unter den üblichen Betriebsbedingungen stellt man nämlich fest, daß bei einer Verringerung bzw. bei einem Aussetzen der Laseremission (z.B. infolge eines Dejustierens der Resonatorspiegel) sowohl eine Änderung des EntladungsStroms I als auch eine Änderung der Intensität der spontanen Emission L (Seitenlicht) auftreten.

E§ -ergeben -sich- =_-ohne-Einf luß -von- Metaschwankungen

die Beziehungen

I = I₀₊]C₁ . P (T)

und L = L -fk_o .P (2)

I 0 2

wenn mit P die Laserleistung bezeichnet wird. Bei normalen Gasmischungen sind sowohl k. wie Im₀ kleiner

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als Hull, so daß sich "bei einer Verringerung der Laserleistung sowohl der Entladungsstrom, als auch die Seitenlichtintensität erhöhen.

In Weiterbildung der Erfindung ergibt sich eine besonders vorteilhafte Vorrichtung durch eine Vereinigung der _beiden Steuerungssysteme, d.h. durch gleiche Verwendung der Entladungsstrom- als auch der Seitenlichtsteuerung. Für diesen Fall ist insbesondere vorgesehen, daß das der EntladungsStromstärke proportions.! e Signal (Stromstärkesignal S₁) und das Ausgangssignal der photoempfindlichen Einrichtung (Seitenlichtsignal S₂) den Eingängen einer Differenzstufe zugeführt werden, deren Ausgang mit der Verstelleinrichtung des verschiebbaren und/oder schwenkbaren Reflektors verbunden ist. Die Anordnung ist dabei so gewählt, daß die Proportionalitätsfaktoren zwischen S- und I sovn.e zwischen S-„ und L so gewählt sind, daß die Ausgangsspannung S, = S₁ - S₂ der Differenzstufe bei vollkommen dejustiertem Laser (Laserleistung gleich Null) verschwindet.

Auf diese Weise lassen sich zusätzlich Störungen, beispielsweise durch NetzSchwankungen und Druckänderungen, ausscheiden, da die Proportionalitätsfaktoren k₁ und k„ praktisch stets verschieden sind, d.h. da sich die Abhängigkeiten des Entladungsstroms und der Seitenlicht-» intensität \^ron der Laserleistung voneinander unterscheiden.

Um die obengenannten zusätzlichen Störungen zu berücksichtigen, müssen wir in die obigen Gleichungen (1) und (2) zusätzliche Therme

I₀ . f (t) und L₀ . f (t)

einführen, wobei die dimensionslose Größe f (t) den zeitlichen Verlauf der Störung berücksichtigt. Das f (t)« 1 spielt für die folgende Rechnung keine Rolle.

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_ Λ —

Das Stromstärkesignal S₁ erhält man am einfachsten durch Einführung eines festen Widerstandes H in den Entladungsstromkreis, von dem eine das Stromsta.rkesignal S. darstellende Spannung abgegriffen wird. Dabei ergibt sich S₁ = 1. I₀ (1 + f (t) ) + R k₁ P · ' · (3)

Die 'photoempfindliche Einrichtung, beispielsweise ein Photoelement, ein Phototransistor oder ein Photowiderstand, ermöglichen ,den Abgriff einer Spannung S₂ ~ ß L₀ (1 + f(t) )■+ ß k₂ P ' (4)

wobei ß einen von der -.jeweils benutzten photoempfindlichen Anordnung abhängigen Proportionalitätsfaktor darstellt.

Die Werte von ß und R,werden so gewählt, daß bei der Laserleistung P auch das Differenzsignal S₇ *\& verschwindet. Daraus ergibt sich die Bezeichnung

R . I_o = ß . L₀ . (5)

die man am einfachsten dadurch erfüllt, daß man den Widerstand R gemäß der Formel -

..ü

R = ß -2- (6)

¹O
wählt, da eine bei festem Wert von R nötige geeignete Wahl voö.ß wesentlich schwieriger ist.

Das als-Stellsignal dienende Differenzsignal S^ ergibt sich mit dem nach Gleichung (6) gefundenen Wert von R:

L_n -Ic₁ ■■.■■-

S^ = ß C--2—i- - Ic₉) P. (7)

Es besteht auch die Möglichkeit, nicht väe eben angedeutet, die Ö-leich-oder Mittelv/erte von Strom und Seiten-licht zur Messung heranzuziehen, sondern mit Wechselgrößen zu arbeiten, was bekanntlich vorteilhafter ist. Zu diesem Zweck betreibt man den Laser nicht mit reiner Gleichspannung, sondern überlagert dieser noch

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•AD ORIGINAL

eine Wechselspannung. Dann weisen sowohl der Bntladungsstrom als a,uch die Seitenlichtintensität einen ¥eoliselanteil auf. Da nun zwischen diesen Wechselanteilen und den G-leichanteilen (Mittelwerten) ein eindeutiger Zusammenhang besteht, gilt eine ähnliche Beziehung, wie sie für die Gleichanteile besteht, auch für die Wechselanteile, die sich meßtechnisch jedoch leichter erfassen lassen. Bei den üblicherweise verwendeten Hetzgeräten ist es nicht nötig, die erwähnte Wechselspannung zusätzlich einzukuppeln. Zufolge unvollständiger Siebung des Fetzgerätes weist nämlich die am Laser liegende Spannung einen Wechselanteil mit 50 Hz oder 100 Hz -,. die sogenannte Brummspannung, auf. -'

Anhand des in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher ex\Läutert werden. Dabei zeigt: " '

Figur 1 ein Diagramm des Verlaufs der Entladungsstromstärke I und der Seitenlichtintensität L in Abhängigkeit von der Leserausgangsleistung P in Prozenten der

liaxxraelleistung,
Figur 2 den schematischen Aufbr ι siner erfindungsgemäßen Anordnung mit Differenzauswertung.

Die Figur 2 zeigt ein durch Brewsterplatten 2 abgeschlossenes Entladungsrohr i/$/_fiii dem zwischen der Anode 5 und der Kathode 4 eine G-leichstromentladung brennt. Dieses. Entladungsrohr befindet sich zwischen einem festen Resonatorspiegel 5' und eirym in axialer Richtung beweglichen Re.sonatorspiegel 6, der von einer Verstellanordnung 7 axialverschieblich gelagert ist. Neben einem Vorwiderstand 8 und der Tiochupannungsrp.elle 9 enthält der iüntladungnatrorakreis einen Widerstand R,. von dem. eine dem :intladungsst.i.'om proportionale Spannung f.·^ fbrofnr'i 'Cfen we cd on Izpnn,

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Vorzugsweise in der Nähe der Kathode, an welcher die größte Seitenlichtintensitat auftritt, ist ein " - ~ ■ ■ photoelektrisches Wandlerelement 10 angeordnet, das ein Seitenlichtsignal S₂ liefert. Die Spannungen S. und S₂ werden einer Differenzstufe 11 zugeführt, deren Aus gangs spannung die Verstelleinrichtung 7 steuert, wobei der Widerstand 12 so gewählt wird, daß bei der Laserleistung P=O auch das Ausgangssignal S„ des, vorzugsweise als Differenzverstärker ausgebildeten,-Differenzgliedes 11 Null ist.

Die Erfindung ist. nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Bei vernachlässigbaren Störungen durch NetζspannungsSchwankungen könnte man auch lediglich mit einer Steuerung, durch das Signal S₁ oder S₂ allein auskommen. Darüber hinaus braucht das Stromstärkesignal S₁ nicht mit Hilfe eines -AbgriffWiderstandes R₂ gewonnen zu werden, sondern könnte auch in beliebiger anderer Weise von der Stromstärke I abgeleitet sein.

Sollte die. Laserausgangsleistung sich hauptsächlich infolge von Gasdruckschwankungen ändern, so wäre es auch möglich bei festgehaltener Resonatoranordnung - das Signal S-, zur Steuerung des Gasdrucks heranzuziehen.

Schließlich könnte man den zur Ausmittlung von statistischen Störungen dienenden Abgleich der Signale S. und S_? derart, daß sie bei der Laserleistung Null ein verschwindendes Differenzsignal S-, liefern, auch durch geeignetes Abstimmen der beiden Eingangskanäle des Differenzverstärkers 11 bewirken. .

6 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (6)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung der Intensität eines Gaslasers, bei dem ein Entladungsrohr (Laserrohr) zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist, von denen wenigstens einer axial verschiebbar und/oder schwenkbar auf einer Verstelleinrichtung gelagert ist, d a d u- r c h gekennzeichnet, daß seitlich vom Laserrohr (1), insbesondere in der Nähe der Kathode (4) , eine mit dem Seitenlicht (L) der Laserentladung beaufschlagte,.elektrisch mit der Verstelleinrichtung (7) verbundene, photoempfindliche Einrichtung (10) vorgesehen ist.
2. 2. Vorrichtung zur Stabilisierung der Intensität eines Gaslasers, bei. dem ein Entladungsrohr (Laserrohr) zwischen zv/ei Reflektoren angeordnet ist, von denen \tfenigstens einer axial verschiebbar und/oder schwenkbar auf einer Verstelleinrichtung gelagert ist, dadurch gekennzei chnet , daß im Entladungsstromkreis eine elektrisch mit der Verstelleinrichtung (7) verbundene Anordnung (R) zum Abgreifen eines der IntladungsStromstärke proportionalen Signals (S.,) vorgesehen ist.
3. 3. Vorrichtung zur Stabilisierung der Intensität eines Gaslasers, bei dem ein Entladungsrohr (Laserrohr) zwischen zwei Reflektoren angeordnet ist, von denen wenigstens einer axial verschiebbar und/oder schwenkbar auf einer Verstelleinrichtung gelagert ist, gekennzeichnet durch eine Vereinigung der Merkmale der Ansprüche 1 und 2.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne t , daß das der EntladungsStromstärke proportionale Signal (Stromstärkesignal S₁) und das Ausgangssignal der photo empfindlichen Einrichtung (Seitenlichtsignal S₂) cLen Eingängen einer Differenzstufe (11) zugeführt werden, deren Ausgang mit der Verstelleinrichtung (7) des ver-

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   schiebbaren (s. Fußnote Seite -9-) Reflektors (6) verbunden ist.
5. 5» Vorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g ek e an - ζ e i c h η e t , daß die Anordnung so gewählt ist, daß die Proportional!tätsfaktoren zwischen S₁ und I sowie zwischen Sp und L .so gewählt sind, daß die Ausgangsspannung S^ = S.. - Sp der Differeniästufe (11) bei vollkommen dejustiertem Laser (Laserleistung gleich STuIl) verschwindet» .
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet , daß 'bei. Ve rwendung, einer G-leiehstrpraentladung der Entladungsgleichspannung eine Wechselspannung überlagert ist und der photo-.empfindlichen Einrichtung und/oder der Anordnung zum Abgreifen des Stromstärkesignals S₁ ein Wechselstromverstärker naehgeschaltet iüt.

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