DE19646073C1

DE19646073C1 - Verfahren zur Minderung des Amplitudenrauschens von Festkörperlasern mit resonatorinterner Frequenzverdopplung

Info

Publication number: DE19646073C1
Application number: DE1996146073
Authority: DE
Inventors: Nikolaus Dipl Phys Dr Schmitt; Josef Dipl Ing Schalk; Guenter Dipl Phys Toesko
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1996-11-08
Filing date: 1996-11-08
Publication date: 1998-04-16
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: WO1998021790A1; EP0938762A1; JP2001503919A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minderung des Amplitudenrauschens von Festkörperlasern nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es in Optics Communications, 1995, Vol. 118, S. 289-296 beschrieben ist.

Festkörperlaser (meist unter Verwendung von Seltenerd-dotierten Kristallen oder Gläser, beispielsweise Nd : YAG, Nd : YVO₄, Nd : YAlO, Nd : YLF, Nd : Glas oder andere, ähnliche Festkörpermaterialien) mit resonatorinterner Frequenz verdopplung sind seit langem bekannt und werden in vielen Anwendungen der Lasertechnik eingesetzt. Man bedient sich hierbei der Erzeugung der zweiten oder höherer harmonischer Schwingungen in Materialien (vorwiegend Kristal len, welche kein Inversionszentrum besitzen, beispielsweise KTP, LBO, BBO, KNbO₃, LiNbO₃ oder andere) mit einem hohen nichtlinearen Koeffizienten, welcher durch anharmonische Schwingungen der Gitteratome, angeregt durch eine einfallende Lichtwelle, Licht der doppelten (oder vielfachen) Frequenz der eingestrahlten Lichtwelle erzeugt. Der Prozeß der Erzeugung höherer Harmo nischer ist stark leistungsdichteabhängig (vergl. z. B. Köchner, Solid-State La ser Engineering), so daß zur Erzeugung frequenzverdoppelter Laserstrahlung hoher Effizienz der nichtlineare Kristall oftmals (zumindest bei kontinuierlich arbeitenden (cw) Lasern) entweder in den Resonator des Lasers selbst oder aber in einen eigenen Resonator eingebracht wird (s. o. oder auch z. B. Yariv, Quantum Electronics, 3. Aufl., 1988, S. 402.) Während letzter Fall eines eigenen Re sonators für den Frequenzverdoppler zwar den grundsätzlichen Vorteil geringer Amplitudenschwankungen aufweist, ist diese Anordnung durch einen erhebli chen Aufwand gekennzeichnet, da der dem Frequenzverdopplerkristall zuge hörige Resonator genau auf die Frequenz des Laserresonators aktiv stabilisiert werden muß und die Laserstrahlung zur Erzielung einer hohen Effizienz mög lichst einfrequent sein sollte. Der erstere Fall der Einbringung des Frequenz verdopplerkristalles in den Laserresonator ist demgegenüber wesentlich un aufwendiger; es kann hier mit Lasern gearbeitet werden, welche auf mehreren bis vielen longitudinalen Moden emittieren; die Resonatorspiegel werden meist hochreflektierend für die Laserwellenlänge gewählt, um eine maximale Lei stungsüberhöhung im Resonator und damit eine möglichst hohe Verdopp lungseffizienz zu erreichen. Der Auskoppelspiegel ist gleichzeitig hochtrans mittierend für die frequenzverdoppelte Strahlung, um diese gut aus dem Resonator auskoppeln zu können. .

Allerdings weist diese Anordnung ein systembedingtes starkes Amplitudenrau schen auf, welches nach unserer Kenntnis zuerst von T. Baer in J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 3, No. 9, Sept. 1986, S. 1175 beschrieben wurde. Zur Erklärung dieses Rauschens gibt es mehrere unterschiedliche Ansätze. Baer erklärt dies durch eine Konkurrenz unterschiedlicher Moden derart, daß die jeweils stärk ste Mode am besten verdoppelt wird, und dann durch Auskopplung aus dem Laserresonator am stärksten gedämpft wird und eine andere longitudinale Mo de wird nun zur stärksten usw. Andere Erklärungen beruhen auf der Summen frequenzerzeugung oder auf der Modenkonkurrenz zwischen Moden unter schiedlicher Polarisation (z. B. EP 0457 590 A2). Wahrscheinlich jedoch sind alle diese Mechanismen gleichzeitig am Rauschprozeß beteiligt.

Besonders störend für viele Anwendungen ist hierbei die Tatsache, daß der Laser sehr niederfrequent rauschen kann, was sich in einem "Flackern" des La serstrahles bemerkbar macht, dessen Modulationsgrad bis zu 100% betragen kann. Dieses Rauschen ist aufgrund des nichtlinearen Zusammenhanges der Verdopplungseffizienz (s. Koechner, vergl. oben) streng chaotisch, es können sich zeitweise stabile Zustände einstellen, die schlagartig von starkem Rau schen gefolgt werden können. Dieses Phänomen ist in der Literatur ausführlich untersucht worden (s. z. B. Phys. Rev. A., Vol. 41, No. 5, March 1990, S. 2778 oder Opt. Comm. 118 (1995) S. 289). Es wurden auch erste Regelungsmodelle entworfen, die dieses chaotische Rauschen ausregeln sollen, allerdings ist die Regelbandbreite dieser nichtlinearen Regler derzeit um mehrerer Größenord nung zu gering. Erforderlich wären Bandbreiten von deutlich größer als 1 MHz für die nichtlineare Regelschleife, um das Rauschen praktisch unterdrücken zu können (s. z. B. Phys. Rev. A, Vol. 47, No. 4, April 1993, S. 3276).

Andere Ansätze der Rauschminimierung nach dem Stande der Technik beruhen im Einbringen eines Viertelwellenplättchens (s. US-Patent 4,618,957) oder Brewsterplättchens (s. DE 39 17 902 A1) in den Resonator oder in der Tempe raturstabilisierung des Verdopplerkristalles (s. EP 0 329 442 A2). Allerdings weisen alle diese Lösungswege nach dem Stande der Technik wesentliche Nachteile auf:
Das Einbringen eines weiteren Elementes in den Resonator, beispielsweise ei nes Viertelwellenplättchens oder einer Brewsterplatte, erlaubt zwar eine weit gehende Unterdrückung des Laserflackerns, allerdings sind derartige Elemente im Resonator sehr genau zu justieren, was den Herstellaufwand erhöht, und führen auch bei bester Justage aufgrund von Restreflexionen und Streuung immer zu höheren Verlusten im Resonator, so daß diese höheren Verluste drastisch auch die Leistungsdichte und somit die Verdopplungseffizienz verringern.

Die Stabilisierung der Verdopplerkristall-Temperatur (EP 0 329 442 A2) hin gegen kommt ohne solche zusätzlichen Elemente aus und erlaubt bei gleicher Leistungsdichte ebenfalls eine deutliche Reduktion des Laserrauschens. Der Grund hierfür dürfte wohl darin liegen, daß der Verdopplerkristall bei der win kelabhängigen Phasenanpassung (und von dieser soll hier die Rede sein, vergl. Koechner, S. 528) selbst als Viertelwellenplättchen sehr hoher Ordnung wirkt, welches den gleichen Effekt aufweist wie ein zusätzlich eingebrachtes, ohne jedoch zusätzlich justiert werden zu müssen oder zusätzliche Reflexions- oder Streuflächen zu bieten. Die exakte Anpassung der Verdopplerkristall-Länge auf ein ganzzahlig Vielfaches von λ/4 erfolgt nun aber durch eine exakte Ab stimmung der Länge des Verdopplerkristalles über die Temperatur.

Dieses Verfahren weist aber einen wesentlichen Mangel auf: Da der Laserre sonator im Laufe des Betriebes seine Temperatur ändert, insbesondere unter Änderung der Umgebungsbedingungen oder bei unvollständigem Erreichen eines thermischen Gleichgewichtes, kommt es zu ständigen Änderungen der Laserresonatorlänge und auch der exakten Temperatur des Verdopplerkristal les. Eine reine Stabilisierung der Kristall-Länge auf die Temperatur erlaubt da her nur einen Betrieb in einem sehr engen Temperaturfenster unter ausgespro chen konstanten Umgebungsbedingungen und in stabil eingeschwungenem thermischen Gleichgewicht (s. EP 0 329 442 A2). Diese Bedingungen aber sind bei einem unter realen Anwendungsbedingungen betriebenen Laser in der Regel nicht erfüllt.

Aus der älteren Anmeldung DE 196 10 717 A1 der Anmelderin, deren Inhalt gemäß § 3 Abs. 2 PatG als Stand der Technik gilt, ist ein Verfahren bekannt, mittels einer Bandpaßfilterung die mit geringstem Laserrauschen (Flackern) einhergehende optimale Temperatur des Verdopplerkristalls aktiv sich ändern den Umgebungsbedingungen oder anderer Störeinflüsse nachzuregeln und so einen praxisgerechten Lasereinsatz auch außerhalb von definierten Umgebungsbedingun gen und unabhängig vom Erreichen eines thermischen Gleichgewichtszustandes zu ermög lichen. Gegenüber EP 0 329 442 A2 beruht dieses Verfahren darauf, das Rauschen des La sers selbst zu messen und durch Nachführung der Verdopplerkristall-Temperatur zu mi nimieren. Es zeigte sich in der Praxis, daß eine analoge Regelung aufgrund der erforderli chen großen Zeitkonstanten mit Schwierigkeiten verbunden ist und daß eine digitale Rege lung mit einem geeigneten Algorithmus hier wesentlich bessere Ergebnisse erlaubt. Zum weiteren Stand der Technik werden noch die Druckschriften US 54 32 807, US 53 83 209 und DE 43 17 890 A1 genannt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein geeignetes Verfahren auf der Basis eines Algo rithmus zu beschreiben, welches eine Minimierung des Amplitudenrauschens durch Be rechnung einer geeigneten Temperaturänderung des Verdopplerkristalles aufgrund eines aus der Laserstrahlung generierten Rauschsignales und entsprechender Änderung der Ver dopplertemperatur erlaubt.

Dies wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 aufge führten Maßnahmen erreicht. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteran sprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele erör tert werden.

Es zeigen

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Regelverfah rens,

Fig. 2 ein Flußdiagramm des verwendeten Algorithmus zur Minimierung des Ampli tudenrauschens,

Fig. 3 ein typisches Rausch-Temperatur-Spektrum eines frequenzverdoppelten Fest körperlasers,

Fig. 4 ein typisches Rauschen eines resonatorintern frequenzverdoppelten Lasers mit plötzlichem Leistungseinbruch (Flackern) (Zeitachse: 10 ms/Einheit),

Fig. 5 eine Rauschmessung eines resonatorintern frequenzverdoppelten La sers im Zustand starken Flackerns (obere Kurve) und im stabilen Zustand ohne Flackern (untere Kurve),

Fig. 6 eine Rauschmessung eines erfindungsgemäß stabilisierten Lasers (Zeitachse: 10 ms/Einheit); pkpk: Rauschspannung peak-peak; mean: mittlere Signalspannung; sdev: Standardabweichung der Rausch spannung von der mittleren Signalspannung,

Fig. 7 das Rauschen eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren stabili sierten Lasers, aufgetragen als Funktion der Zeit.

Das zumeist störende Laserrauschen, das niederfrequente "Flackern", läßt sich schlecht als Regeleingangssignal verwenden, da die Amplitudenmodulation relativ lange Periodendauern aufweist (typisch im Sekundenbereich und dar über), der Modulationsvorgang selbst, also der Leistungseinbruch, hingegen schlagartig vor sich geht (Fig. 4). Man hat somit keine Möglichkeit, durch eine schnelle Reaktion der Temperaturregelung mit den bekannten langsamen Zeit konstanten einen solchen plötzlichen, aber relativ seltenen Leistungseinbruch durch Gegensteuern zu verhindern.

Aus eigenen Messungen konnte jedoch gefunden werden, daß die stabilen Zu stände mit fehlendem Laserflackern, bei denen die Verdopplertemperatur also richtig gewählt ist, korreliert sind mit einem besonders geringen höherfrequen ten Laserrauschen. So zeigt beispielsweise Fig. 5 eine typische Meßkurve des Laseramplituden-Rauschfrequenzspektrums bei geeigneter Verdopplerkristall- Temperatur und fehlendem Flackern (untere Kurve) und bei schlecht angepaß ter Temperatur mit auftretendem Laserflackern (obere Kurve). Man sieht deut lich, daß beide Kurven eine signifikant unterschiedliche Rauschamplitude ins besondere im Frequenzbereich zwischen 10 und 500 kHz aufweisen, wohinge gen das Rauschen unter 10 kHz und über 700 kHz ähnlich stark für beide Temperaturen und Laserzustände (mit bzw. ohne Flackern) verläuft. Daher soll dieser Rauschanteil im oben beschriebenen signifikanten Frequenzbereich mit unterer Grenzfrequenz 10-100 kHz und oberer Grenzfrequenz 300-700 kHz als Regelsignal für die Temperaturnachführung der Verdopplerkristall-Temperatur herangezogen werden.

Hierzu wird wie in Fig. 1 gezeigt ein geringer Teil der Laserausgangsstrahlung im Bereich einiger Milliwatt oder darunter aus dem eigentlichen Nutzstrahl ausgeblendet (dies kann vorzugsweise der frequenzverdoppelte Strahl oder, weil hiermit korreliert, auch ein Teil der Reststrahlung der Grundwellenlänge sein, die aus dem Laserresonator leckt) und auf einen Photodetektor (etwa eine Halbleiterdiode) gebracht. Das elektrische Ausgangssignal wird dann (gegebenenfalls nach Verstärkung) einem elektrischen Bandpaß zugeleitet, so daß dann am Ausgang nur noch das Rauschsignal im oben beschriebenen si gnifikanten Frequenzbereich abgegriffen wird. Das Signal wird anschließend gleichgerichtet, alternativ kann auch der Effektivwert gebildet bzw. das Signal quadriert werden. Dieses Signal kann nun einer Mikroprozessoreinheit zuge führt werden, welche aus dem Rauschsignal eine Temperaturänderung für die Regelung berechnet. Zusätzlich kann schon vor dem Bandpaßfilter ein Signal abgeleitet werden, welches tiefpaßgefiltert und/oder integriert wird und so der mittleren Laserleistung proportional ist, so daß durch Quotientenbildung dieses Signales mit dem eigentlichen, gegebenenfalls ebenfalls gleichgerichteten und integrierten Rauschsignal hinter dem Bandpaßfilter ein Maß für das leistungs bezogene relative Rauschen zur Verfügung steht. Dieses Signal kann nun, je nach Quotien tenbildung, minimiert oder maximiert werden, beispielsweise durch Ableitung und Zuführung zu einer Temperaturregeleinheit. Eine erfindungsgemäße Aus führung besteht darin, das Rauschsignal entweder vor oder nach der Integration oder Quadratur zu digitalisieren und einer Mikroprozessoreinheit (beispielsweise vom Typ 68 HC 11), welche bereits über geeignete Analog-Eingänge (ADC, Analog-Digital-Konverter) und -Ausgänge (DAC, Digital-Analog-Konverter) verfügt, zuführen. Alternativ können auch Prozessoren mit externen Analog-Digital- und Digital-Analogwandlern ver wendet werden. Über den ADC wird das bandpaßgefilterte Rauschsignal digi talisiert und durch Berechnung mit einem geeigneten Algorithmus die notwen dige Temperaturänderung errechnet, diese Temperaturänderung, die zunächst numerisch vorliegt, wird anschließend mit dem DAC in ein analoges Signal umgewandelt (nach dem Stande der Technik kann statt einer Digital-Analog- Wandlung am Ausgang auch ein digital kodiertes Impulsweitensteuerungs signal ausgegeben werden) und der Temperaturregelung zugeführt oder aber einer Temperaturregelung als Änderungssignal zum Temperatursollwert zuad diert. Selbstverständlich kann das Steuersignal auch an anderer geeigneter Stelle einer Temperaturregeleinheit eingreifen.

Entscheidend für die richtige Regelung der Frequenzverdopplertemperatur ist hierbei der Algorithmus, nach welchem die Temperatur geregelt bzw. verfah ren wird.

Fig. 3 zeigt ein typisches Meßdiagramm des Laserrauschens in Abhängigkeit der Frequenzverdopplertemperatur. Deutlich sind Bereiche geringen wie auch sehr starken Rauschens zu erkennen. Durch sukzessive Änderung des Wertes des Digital-Analog-Wandlers, welcher der Temperaturregelung eine Tempera turänderung δT (bzw. einen neuen Sollwert T_soll) mitteilt, kann dieses Spek trum durch den Mikroprozessor ermittelt werden. Der Frequenzverdoppler kann dann im Bereich minimalen Rauschens betrieben werden.

Allerdings ist die Aufnahme des Rauschens und Verfahren der Frequenzver dopplertemperatur in den Bereich minimalen Rauschens nicht ausreichend. Da das Lasersystem Störungen unterworfen ist, die auf sich ändernden Umwelt bedingungen (beispielsweise Resonatortemperatur, Lufttemperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit etc.) beruhen, ändert sich im Laufe der Zeit die Topographie dieses Spektrums. Eine ständige Aufnahme des Spektrums erforderte aber sehr viel Zeit, und der Laser wäre relativ häufig in Bereichen hohen Rauschens. Da her ist es erforderlich, einen Algorithmus zu verwenden, welcher aus dem Rau schen des Lasers bei einer bestimmten Temperatur berechnet, ob die Tempera tur geändert werden muß und wenn ja, wie. Dieser Algorithmus muß unab hängig der exakten Kenntnis der den momentanen Arbeitspunkt umgebenden Topographie auskommen und eine wertende Entscheidung über die Änderung des Systemzustandes treffen.

Der Algorithmus dieses Verfahrens beruht nun darauf, aus dem bandpaßgefil terten Rauschsignal abzuleiten, ob eine Änderung der Frequenzverdoppler temperatur erforderlich ist und wenn ja, wie groß diese sein muß und ob die Temperatur erhöht oder erniedrigt werden soll. Dieses Temperaturänderungs signal wird dann einer Temperaturregelung zugeführt, welche eine entspre chende Änderung der Frequenzverdopplertemperatur hervorruft (soweit die Temperaturregelung nicht durch den Mikroprozessor selbst durchgeführt wird, was der einfacheren Darstellung halber zunächst nicht berücksichtigt werden soll). Es wird davon ausgegangen, daß die Temperatur des Frequenzverdopp lers durch die Temperaturregelung auf einen bestimmten Wert gehalten wird, welcher in einem bestimmten Bereich ±ΔT variiert wird, so daß im Algorith mus lediglich relative Temperaturänderungen δT berechnet werden im Bereich eines den Variationsbereich darstellenden Fensters 2ΔT.

Das Signal des Bandpaßfilters, welches gleichgerichtet (oder von dem der Ef fektivwert gebildet wird) und/oder integriert ist, wird zunächst einer ersten, analogen Tiefpaßfilterung unterzogen.

Als nächstes ist zu bewerten, ob ein kurzzeitiger Anstieg des Laserrauschens bereits zu einer Änderung der Frequenzverdopplertemperatur führen sollte. Hierbei ist es sinnvoll, kurzzeitige Rauschspitzen geringer zu bewerten als ein längerfristiges Ansteigen des Rauschpegels. Dies wird durch eine vorzugswei se digitale Tiefpaßfilterung erreicht, bei welcher ein neuer Rauschwert R_n aus dem Meßwert a_i oder dem gemittelten Meßwert â_n des Rauschens und dem vorherigen (oder den vorherigen) Rauschwert(en) R_n-1 (R_n-2. . .) berechnet wird, wobei alter und neuer Wert mit einem Faktor W_R(n-1), W_â etc. zur Be wertung multipliziert und anschließend der so berechnete tiefpaßgefilterte Wert wieder normiert wird. Dies läßt sich für den Fall ohne Mittelung durch die mathematische Beziehung

bzw. allgemein durch

und für den Fall mit Mittelung durch

bzw. allgemein durch

beschreiben, wobei R_n nun der Rauschwert ist, aus welchem alle weiteren Be rechnungen des Algorithmus abgeleitet werden. Man kann aber auch den Rausch wert a_i (oder den Mittelwert â) oder die Rauschwerte R_n, R_n-1 auf die je weilige Laserleistung beziehen und so den Algorithmus mit dem relativen La serrauschen durchlaufen, was durch einfache Division entweder des Mittelwer tes â oder des Rauschwertes R_n durch die Laserleistung, welche ebenfalls als analoges Eingangssignal an den ADC geführt wird, erfolgt. Der konkrete Wert der Faktoren W_r(n) etc. ist der jeweiligen Laseranordnung anzupassen, ebenso die Anzahl k, welche bestimmt, über wieviele alte Rauschwerte R_n-k die Tief paßfilterung durchgeführt wird.

Aus diesem Rauschwert muß nun bestimmt werden, ob und in welchem Aus maße eine Änderung der Frequenzverdopplertemperatur δT erforderlich ist. Dies geschieht am einfachsten dadurch, daß durch eine Tabelle jedem Rausch wert oder Bereich von Rauschwerten ein Koeffizient zur Temperaturände rung zugeordnet wird, wobei die Abstufung der Rauschwerte bzw. deren Zu sammenfassung zu Bereichen und die Wahl der jeweilig zugeordneten Koeffi zienten die Charakteristik der Temperaturänderung bestimmen. Ebenso kann diese Zuordnung auch über die Berechnung einer mathematischen Funktion mit dem Rauschwert als Argument erfolgen, was prinzipiell der Wertetabelle gleichwertig ist.

Um die Temperatur zu ändern, ist es weiter notwendig, nachdem der Betrag der erforderlichen Temperaturänderung δT gemäß obiger Beschreibung be rechnet wurde, zu bestimmen, ob die Temperatur erhöht oder erniedrigt werden muß, es muß also das Vorzeichen der Temperaturänderung bestimmt werden. Dies soll nun dadurch geschehen, daß der Quotient aus altem Rauschwert R_n-1 und Leistung p_n-1 (bzw., falls bereits mit relativem Rauschen gerechnet wird, der alte Rauschwert R_n-1) und der Quotient aus neuem Rauschwert R_n und neuer Leistung p_n (bzw., falls bereits mit relativem Rauschen gerechnet wird, der alte Rauschwert R_n) verglichen werden; ist der alte Quotient größer als der neue Quotient, so ist das Vorzeichen positiv, im umgekehrten Falle negativ. "Positiv" heißt hier, daß die Temperatur in gleicher Richtung wie zuvor weiter geändert wird, "negativ" heißt, daß die Temperaturänderung entgegengesetztes Vorzeichen zur vorigen Temperaturänderung aufweist.

Dieses nunmehr vorzeichenbehaftete Temperaturänderungssignal δT wird nun in einem DAC analoggewandelt und der Temperaturregeleinheit übergeben, wel che die Frequenzverdopplertemperatur entsprechend ändert und der Algorith mus wird von neuem durchlaufen.

Ein Spezialfall stellt das erste Durchlaufen des Algorithmus dar, da hier der alte Rauschwert noch nicht definiert ist. Es bietet sich hier an, entweder zwei oder mehr Messungen von â hintereinander zu machen, oder aber wie eingangs beschrieben bei Start des Algorithmus zunächst die gesamte Topographie des Systemes durch sukzessive Änderung des DAC-Wertes zu bestimmen (Scan über den Regelbereich), sodann einen optimalen Temperaturbereich für die Starttemperatur zu bestimmen, diese Temperatur einzunehmen und dann die Frequenzverdopplertemperatur gemäß dem oben beschriebenen Algorithmus fortlaufend entsprechend dem gemessenen Rauschsignal zu ändern oder beizu behalten.

Der optimale Starttemperaturbereich kann nun entweder dadurch bestimmt werden, daß ein zusammenhängender Temperaturbereich (Fenster) ausgewählt wird, in welchem das Rauschen kleiner als ein bestimmter Schwellwert ist, wobei das beste Fenster dann dasjenige ist, welches am breitesten ist; eine an dere Möglichkeit besteht in der Auswahl derjenigen Temperatur, bei der das Rauschen selbst minimal ist, oder eine Verbindung aus beidem, wobei im Be reich eines Fensters, in welchem das Rauschen kleiner als ein gewisser Schwellwert ist, das Rauschen bewertet wird und so das Fenster ausgewählt wird, für welches die Verbindung aus Fensterbreite und Rauschen im Fenster als am besten geeignet angesehen wird. Dies erfolgt beispielsweise durch Mul tiplikation von Fensterbreite und Rauschleistungsdichte im Fenster und Bewer tung anhand einer Tabelle oder Funktion zur Ermittlung des besten Fensters. Zur Bestimmung des optimalen Starttemperaturbereiches kann bei der Ermitt lung der Rauschwerte zu jeder Temperatur ebenfalls eine Tiefpaßfilterung durchgeführt werden, bei der die einem zu einer bestimmten Temperatur gehö rigen Rauschwert auch die Rauschwerte der Nachbartemperaturen unter Be rücksichtigung einer Wertung zugezogen werden. Es berechnet sich dann ein Rauschwert bei der Temperatur T_n beispielsweise zu

wobei k die Anzahl der zu berücksichtigenden Nachbarwerte bestimmt und W(k) die Wichtung der Nachbarwerte in Abhängigkeit ihres Abstandes zu T_n. W(k) können dabei diskrete Werte einer Tabelle oder eine Funktion, bei spielsweise eine Gaußfunktion, darstellen.

Ein besonderer Spezialfall liegt vor, wenn die Regelung an die Grenzen des Einstellbereichs der Verdopplertemperatur T_o +ΔT oder T_o -ΔT stößt. Hier kann es unter bestimmten Voraussetzungen, je nach Rauschwert genau an der Grenze und in der näheren Umgebung, dazu kommen, daß die Regelung nicht mehr von diesem Grenzbereich wegfindet. Eine Lösung findet sich darin, daß bei entsprechend langem Verweilen an der Einstellgrenze das Vorzeichen für den Temperatursprung von nun an mit einem weiteren Minuszeichen multipli ziert wird, eine andere mögliche Lösung liegt darin, in diesem seltenen Spezial fall einen neuen Scan, also eine neue Aufnahme des Rauschen-Temperatur- Spektrums, aufzunehmen und den Algorithmus neu zu starten.

Das so beschriebene Regelverfahren ist in der Lage, das Rauschen eines fre quenzverdoppelten Festkörperlasers zu minimieren, auch im Falle sich aufgrund sich ändernder Umweltbedingung ständig sich ändernden Rauschwertes in Ab hängigkeit der Temperatur (Änderung der Topographie des Rauschen- Temperatur-Spektrums). Durch Wahl der Tabelle, in welcher einem bestimm ten Rauschwert eine Temperaturänderung zugewiesen wird, bzw. durch Wahl einer mathematischen Funktion, welche diese Aufgabe übernimmt, kann das Verfahren sehr gut an das konkrete Regelproblem angepaßt werden, da die entsprechende Bewertung vom konkreten Laseraufbau wie auch den für den Frequenzverdoppler zu wählenden Temperaturarbeitsbereich abhängt. Das Re gelverfahren ist in der Lage, bei Störungen zumindest nach einigen wenigen Temperatursprüngen den Laser in einem Bereich geringen Rauschens zu stabi lisieren und dort zu halten. In der Praxis wurde auf diese Weise ein rauschfrei er Betrieb über typisch 0,5-1 Stunde erreicht (Fig. 7; die obere eckige Kurve repräsentiert den DAC-Wert, die untere, zerklüftete Kurve das Rauschen. Man sieht deutlich, daß nach wenigen DAC-Änderungen das Rauschen auf ein mi nimales Niveau gedrückt werden konnte).

Eine besonders vereinfachte Anordnung der Regelung erhält man dadurch, daß das gegebenenfalls verstärkte Photodiodensignal einem Mikroprozessor zuge führt wird, der sowohl die Bandpaßfilterung als auch die notwendigen Gleich richtungs- bzw. Quadrierungsschritte und auch die Integrationen und Quotien tenbildung durchführt. Weiter kann der Mikroprozessor auch die Temperatur steuerung des Verdopplerkristalles übernehmen.

Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt so, fluktuationsfrei (flackerfreie) Zu stände der frequenzverdoppelten Laserstrahlung aktiv nachzuregeln bei relativ geringer Bandbreite und, anders als im Falle der chaotischen Regelungen, rein linearem Regelansatz, um so die optimale Verdopplertemperatur auch unter sich ändernden Umwelt- oder Störeinflüssen bzw. abseits des thermischen Gleichgewichtes zu halten. Ebenso können Alterungs- oder Dejustageeffekte (bis zu einem gewissen Grade) ausgeglichen werden.

Fig. 6 zeigt das Rauschen eines erfindungsgemäß stabilisierten, frequenzver doppelten Festkörperlasers bei 532 nm (Ausgangsleistung etwa 2 W). Die Null-Linie konnte aufgrund der hohen Dynamik nicht dargestellt werden, un terhalb des Diagrammes sind jedoch die entsprechenden Meßwerte verzeich net. Es bedeuten pkpk: Rauschspannung peak-peak; mean: mittlere Si gnalspannung; sdev: Standardabweichung der Rauschspannung von der mittle ren Signalspannung. Es konnte also bei einer mittleren Signalspannung von 6.4 V das Laserrauschen auf unter 58 mV Spitze-Spitze gehalten werden, was ei ner Standardabweichung vom Mittelwert kleiner 6 mV entspricht. Das Rauschen betrug also Spitze-Spitze < 1% bzw. 0,1% Standardabwei chung.

Vorteilhaft kann es sein, den Regelbereich des Temperaturreglers ±ΔT so ein zugrenzen (mit nach dem Stande der Technik bekannten Maßnahmen), daß kein zweites Minimum des Laserrauschens (keine zweite optimale Verdoppler temperatur; die richtige Länge des Kristalles für seine Wirkung als Viertelwel lenplättchen ist ja mit λ/4 periodisch) eine Uneindeutigkeit im Regelverhalten hervorruft. Weiter kann eine zu starke Änderung der Verdopplertemperatur neben Mehrdeutigkeiten im Rauschminimum auch zu einer starken Änderung der Laserleistung führen, was ebenfalls eine Beschränkung des Regelbereiches erfordert. Damit das Regelsystem nicht an den Grenzen dieser Beschränkung "anschlägt", ist hier gegebenenfalls vorzusehen, daß bei Erreichen der Be schränkungsgrenzen ein Rücksprung in einen anderen Temperaturbereich mit hinreichendem Abstand zu den Regelgrenzen stattfindet. Dies kann durch eine entsprechende Programmierung des Mikroprozessors leicht vorgenommen werden.

Das Verfahren läßt sich selbstverständlich auch auf analoge Fälle anwenden, bei denen andere Stellgrößen als die Frequenzverdopplertemperatur zur Verfü gung stehen. Beispielsweise könnte der elektrooptische Effekt in einem dop pelbrechenden Material oder im Frequenzverdoppler selbst ausgenutzt werden, um einen ähnlichen Effekt zu erreichen; das erfindungsgemäße Regelverfahren und der Algorithmus blieben hierbei jedoch gleich. Allerdings weist die Ver wendung der Temperatur des Frequenzverdopplers (oder eines anderen dop pelbrechenden Materiales) den Vorteil eines großen Regelbereiches auf, wo hingegen beim elektrooptischen Effekt Spannungen größer 1 kV erforderlich wären, um eine ähnliche Änderung des Rauschverhaltens zu erzeugen.

Claims

1. Verfahren zur Minderung des Amplitudenrauschens von Festkörperlasern mit resonatorinterner Frequenzverdopplung, bei dem ein Teil der frequenzverdoppelten Laserausgangsstrahlung oder der Grundwellen strahlung auf einen Photodetektor geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- das elektrische Ausgangssignal des Photodetektors einer elektronischen Bandpaßfilterung zugeführt wird, die einen für das Rauschen typischen Frequenzbereich herausfiltert, und das Ausgangssignal dann gleichgerichtet oder der Effektivwert gebildet wird,
- anschließend dieses Ausgangssignal nach Gleichrichtung oder Effektivwertbildung einem Analogeingang eines Mikroprozessors zugeführt wird, welcher über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) eine Digitalisierung vornimmt und dann numerisch die digitalisierten Meßwerte a_i, a_i+1 . . . aufbereitet, indem er zunächst mehrere Meßwerte zu einem gemittelten Meßwert â_n mittelt und eine digitale Tiefpaß filterung dadurch vornimmt, daß ein neuer Rauschwert R_n aus dem Meßwert a_i oder dem gemittelten Meßwert â_n und mindestens einem alten Rauschwert R_n-1 bestimmt wird,
- dann aufgrund des so ermittelten Rauschwertes R_n aufgrund einer Tabelle oder einer mathematischen Funktion berechnet wird, ob eine Temperaturänderung des Frequenzverdopplerkristalles erforderlich ist und wie weit die Temperatur geändert werden muß, und
- dann ein der erforderlichen Temperaturänderung proportionaler analoger Wert über einen Digital-Analog-Wandler an einen Temperaturregler ausgegeben wird, welcher die Temperatur des Frequenzverdopplers nachregelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der alten Rauschwerte R_n-1, R_n-2,. . . und der Meßwert a_i oder der gemittelte Meßwert â_n mit je einer Wichtungszahl W_R(n-1), W_R(n-2),. . . bzw.

W_ai oder W_â multipliziert werden, dann die errechneten Werte addiert und zuletzt wieder durch Division zu einem neuen Rauschwert normiert werden, der für den Fall ohne Mittelung durch
bzw. allgemein durch
und für den Fall mit Mittelung durch
bzw. allgemein durch
gegeben ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mikroprozessor über einen weiteren Analogeingang ein der jeweiligen Laserleistung proportionales Signal zugeführt wird, welches durch Tiefpaßfilterung und/oder Integration aus dem Photodetektorsignal vor der Bandpaßfilterung erzeugt wird, die Meßwerte a₁, a₂,. . . oder deren Mittelwert âdurch Division durch den jeweiligen digitalisierten Leistungswert p₁, p₂,. . . bzw. relativiert werden und somit durch eine Tabelle oder Funktion die Temperaturänderung des Frequenzverdopplers aus dem relativen Rauschen bestimmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einer Tabelle oder mathematischen Funktion berechnete Wert der Temperaturänderung des Frequenzverdopplers mit einem Vorzeichen versehen wird, welches negativ ist, wenn für die relativen Rauschwerte
erfüllt ist, oder positiv im umgekehrten Falle.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor Einsetzen der eigentlichen Rauschregelung der Mikroprozessor die Temperatur des Frequenzverdopplers über einen gewissen Bereich durchfährt und gleichzeitig den zu jedem Temperaturwert gehörigen Meßwert a_i registriert und dabei einen optimalen Temperaturbereich des Frequenzverdopplers bestimmt und diese Temperatur über einen Temperaturregler entsprechend eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Temperaturbereich des Frequenzverdopplers bestimmt wird als der größte zusammenhängende Temperaturbereich, in welchem die Meßwerte a_i kleiner als ein Schwellwert sind, und der Mikroprozessor diesen Temperaturbereich durch Fensterbildung als breitestes Fenster bestimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Temperaturbereich durch diejenige Temperatur bestimmt ist, bei welcher der gemittelte Meßwert â minimal ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Starttemperatur für den Frequenzverdoppler die Mittentemperatur des optimalen Temperaturbereiches gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei längerem Verbleib der Verdopplertemperatur an einem Ende des durch den Mikroprozessor einstellbaren Temperaturbereiches das Vorzeichen des Wertes zur Temperaturänderung von dann ab mit einem Minuszeichen multipliziert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei längerem Verbleib der Verdopplertemperatur an einem Ende des durch den Mikroprozessor einstellbaren Temperaturbereiches ein neues Durchfahren des Temperaturbereiches des Frequenzverdopplers erfolgt mit anschließender Neupositionierung der Frequenzverdopplertemperatur im neuberechneten optimalen Temperaturbereich.