DE2015612A1

DE2015612A1 - Frequenzstabilisierte Laseranordnung

Info

Publication number: DE2015612A1
Application number: DE19702015612
Authority: DE
Inventors: Viktor Dipl.-Ing. 8000 München Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1970-04-01
Filing date: 1970-04-01
Publication date: 1971-10-21
Also published as: FR2085764A1; US3668547A; GB1327708A

Description

'Frequenzstabilisierte Laseranordnung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laseranordnung zur ,Frequenzstabilisierung eines Ein- oder Zwei-Moden-Gaslasers, insbesondere eines kurzen He-Ne-Lasers, bei dem das stimulierte Medium zwischen einem festen und einem über eine Piezo-Keramik in Achsrichtung des Lasers verschiebbaren Spiegel angeordnet ist und bei der aus dem teildurchlässigen festen Spiegel austretende Laserstrahlung zur Erzeugung eines der Frequenzabweichung der Laserstrahlung gegenüber der Mittenfrequenz .$ des verstärkenden Übergangs proportionalen, über die Piezo-. Keramik den Resonator auf die Mittenfrequenz y nachstimmenden, Gleichspannungs-Regelsignals dient, wobei der Regelkreis· ein fotoempfindliches Element mit nachge- -schalteten-Verstärkern und phasenempfindlichen Bemodulatoreinrichturjen en'.hält.

Derartige Anordnungen sind bereits bekannt. '(Man vergleiche beispielsweise A.D. White, et al, in Applied Physics Letters, Vol. 5, No. 5, 1964, Seiten 97 Ms 98). Dabei wird der durch das Magnetfeld hervorgerufene Dichroismus' der Gasfüllung des Absorptionsrohres ausgenützt, der durch die Zeeman-Aufspaltung der Äbsorptionskurve in zwei getrennte Kurven zustande kommt, von denen die eine die- Absorption einer links- und die andere die Absorption für eine rechtszirkular-polariüierte Welle darstellt. Sobald die Arbeitsfrequenz V des Lasers nicht mehr mit der Frequenz γ des Maximums der nicht aufgespalteten Absorptionskurve, zusammenfällt-, ergibt sich eine im Takt der Frequenz des Magnetfeldes

VPA 9/712/0035

Mtr/Bi

25.3.1970

10Ö843/1B01

BAD ORIGINAL

in der Absorptionsröhre schwankende Schwächung des Laserstrahls beim Liirchgang durch die Absorptionsröhz-e, deren Amplitude bis au einer bestimmten Abweichung der Laserfvequenz von der Mittenfrequenz ;■ dem Betrag dieser Abweichung proportional ist. Die Amplitude des Wechselstroms, die ein derartig modulierter Laserstrahl in einem Fotoelement, z.B. einer Fotodiode, hervorruft, kann als Steuersignal zur Verschiebung des auf einer Piezo-Keramik verschiebbar gelagerten Laserspiegels dienen, um den Laser auf die Mitte nfrequenz ν abzustimmen.

Diese bekannten Anordnungen benötigen infolge der gesonderten Absorptionszellen viel Platz, so daß die gesamte stabilisierte Laseranordnung relativ groß ausfällt. Dadurch wird der Aufbau nicht nur teurer und komplizierter, sondern es ergeben sich auch für viele Anwendungsfälle, insbesondere beim ^Einsatz in Interfermetern, große Platzschwierigkeiten .

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eir? freq'3nzstabili3ierte Laseranordnung zu schaffen, die bei wesentlich geringerem Aufwand eine gleich gute Regelqualität ermöglicht, wie die bekannten Anordnungen mit Absorptionsseilen. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Laseranordnung der eingangs genannten Art gemäß vorliegender Erfindung vorgeschlagen, daß das stimulierte Medium zumindest teilweise in einer ein achsparalleles magnetisches Wechselfeld erzeugenden Magnetspule angeordnet ic·:; und daß dem festen teildurchlässigen Spiegel und dem fotoempfindlichen Element ein /</'4-Pläbuchen und eine Poiarisationsvorrichtung zwisohengeordnet sind.

Die Laserstrahlung spaltet bei kleinem Magnetfeld (einige Gauß) in zwei'gegenläufige, stark gekoppelte Schwingungen auf. Die Drehriehtuug der einzelnen ."' ihv/iiigun^e^ .;· von der Richtung des axntleii lua^xe lüelcij^ im Liusonohr abhängig. Bei Giii-jr : · ifreqienz i'₍ , die νυη α or *.".. ^fc:teu-

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BAD ORIGINAL

frequenz ν. der verstärkenden Laserlinie verschieden ist, ist die Intensität^ z.B. der rechtszirkularpolarisierten (IiZP)-Strahlung der negative und positive axiale Magnetfelderjverschieden groß/Bei einem magnetischen ' Weehselfeld hängt die Intensität der -RZP-V/elle vom zeitlichen Verlauf des Magnetfeldes ab. Der zeitliche Verlauf der Intensität der RZP-Welie für eine Laserfrequenz-y _T <;■ ν und eine laserfrequenz α'_τ > V unterscheidet sich in der Phase tun cc .Das gleiche Verhalten weist auch die linkszirkularpolarisierte (LZP)-Strahlung auf. Diese Eigenschaft der RZP- oder LZP-Strahlung im magnetischen V/echselfeld wird als Pvegelkriterlum für die Laserfrequenzstabilisierung "benutzt, da die !»age der Laserfrequens durch den Grad und die Phase der Intensitatsmodulation gegeben ist. ' .■■".-.-..-

Um die Induktion einer Storspannung im Laserrohr durch das magnetische Wechselfeld der Spule zu vermeiden, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Magnetspule die Induktivität eines von einem Resonanz-Verstärker betriebenen elektrischen Schwingkreises bildet.

Da sowohl die erfindungsgemäße, als auch die mit einem elektrooptischen Polarisations-Schalter oder einer Ab- . sorptionszelle arbeitenden Anordnungen eine Regelung nur in dem Bereich gestatten, in dem die Intensitätsunterschiede der LSP- und RSP-Wellen eindeutig mit der Abweichung, der Laserfrequenz aus der Mittellage verknüpft sind - was etwa dem Abstand der Maxima der beiden Profile für links- und rechtszirkular-polarisierte Strahlung entspricht - ist es --. möglich, daß beim Einschalten des Lasers die auftretende Strahlung außerhalb dieses im weiteren als Haltebereich bezeichneten Regelbereichs zu liegen kommt und die Regelschaltung somit- überhaupt nicht arbeiten kann. Gemäß, einer Weiterbildting der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, daß ein von einei· logischen Schaltung gesteuerter Elektromotor vorgesehen ist, der in diesem Pail über ein Potentiometer eine variable Gleichspannung aus einer ;.:^:inilti3lieiien 'Vuelle ."

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an die Piezo-Keramik anlegt und diese Spannung so lange verändert, bis die Frequenz des Laser-Resonators in etwa der Mittehfrequenzν entspricht. Dies kann vorzugsweise dadurch erfolgen, daß die erwähnte logische Schaltung die Größe der phasenrichtig demodulierten verstärkten Fotoelementspannung überwacht und bei überschreiten einer gewissen Größe - was bedeutet, daß die Laser-Linie sehr stark verschoben ist - den Motor in Betrieb setzt. Damit sich nicht die normale Regelungs-Schaltung und die vom Motor betriebene "Such-Zinrichtung" gegenseitig störend beeinflussen, wird beim Ansprechen der logischen Schaltung eine Einrichtung 30 betätigt, die während des Suchvorgangs die normale Fotoe? :ment-Regelschleife ausschaltet.

Diese Such-Einrichtung hat auch die Aufgabe, die Frequenz des Lasers zu korrigieren, wenn sich die Regelspannung der Grenze des Haltebereichs nähert, ohne daß d.-ibei die Stabilisation des Lasers unterbrochen wird. Damit wird erreicht, daß die Laserfrequenz nicht aus dem Haltebereich der Regelschleife bzw. über den zulässigen Fehl er ^Y geraten kann und daß die Steilheit der Regelschleife deswegen wesentlich vergrößert v/erden darf, was erst eine genauere Frequenzstabilisierung ermöglicht.

Wenn nun bei sehr langem ununterbrochenem Betrieb des Lasers, beispielsweise durch starke Schwankungen der Umgebungs-Parameter, die durch den Motor gesteuerte Zusatzregelung dazu geführt hat, daß das Potentiometer sehr nahe an einen seiner beiden Anschläge gelaufen ist, so sorgt eine zweite logische Schaltung für eine Rückführung des Potentiometers in die Mittelstellung. Dieser Torgang, der die Synchron:sation des Lasers kurzzeitig unterbricht, aoll vorzugsweise durch eine von de..· zweien logischen Schaltung gesteuerte Anzeigevorrichtung, 2.B. einem Summer oder eine optische Anzeige, nach außen gemeldet werden. Im allgemeinen braucht jedoch die o.-.'r.chronisationsuntei'brechung und Potentiometer-Rückführung

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BAD ORJGlNAL

;selbst bei tagelangem, ununterbrochenem Betrieb des Lasers nicht einzugreifen, da die Haupts tö'rquelle für derart starke .-Abweichungen, bei einer erfindungsgemäßen -Lasera-n-ordnung, bereits durch eine gute thermische Kompensicrungdes Lasers ausgeschaltet ist. Um einander widersprechende Spannungen an der Fiezo-Keramik zu verhindern, sind von der zweiten"logischen. Schaltung gesteuerte Einrichtungen vorgesehen, die während einer Potentiometer-Rückführung sowohl die Pang- als auch die Halteautomatik blockieren,, Nach der Rückführung des Potentiometers wird der Laser .wieder automatisch stabilisiert.

Eine erfindungsgemäße Regelungseinriehtüng ist auch dann noch zur Frequenzstabilisierung eines Laseis geeignet, wenn zwei Eigenfrequenzen"während des Suchvorgangs auftreten. In diesem Fall wird zunächst die intensitätsstärkere Schwiiging eingefangen und in Richtung der Mittenfrequenz V verschoben, wodurch die zweite mögliche Schwirgingsform ebenfalls verschobonuwird, so daß sie. aus dem Profil der Laserlinie herausfällt und damit nicht mehr verstärkt werden kann.·

Anhand der in den Figuren der Zeichnung schematisch dar- : gestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden. .Dabei zeigt: ■"-·.'

Figur 1 den Intensitätsverlauf für die rechtszirkulärpolarisierte (RZP-) und die linkszirkular-polarisierte .. (LZP-) Strahlung eines Gaslasers in Abhängigkeit von der Laserfrequenz ολτ für die verschiedenen Magnetfeldrichtungen (a, b).

Figur 2 eine einfache stabilisierte Laseranordnung nach der Erfindung, ohne zusätzliche Suchautoma.tik und .

Figur. 3 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen fjpequenzstabilisierten Laseranordnung mit Suchautomatik und Potentiometer-Rückführung, .

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Das beispielsweise mit einem He-Ne-Gemisch gefüllte Laserrohr 1 ist zwischen einem festen teildurchlässigen Spiegel 2 und einem auf einem Piezo-Keramikkörper 4 befindlichen Spiegel 3 angeordnet. Mit einer λ/Α Platte 5 werden die beiden zirkularpolarisierten Laserwellen RZP und LZP in zwei zueinander senkrecht stehende, linearpolarisierte, intensitätomodulierte Wellen umgeformt. Beim Aussieben einer der beiden linearpolarisierten Laserwellen^ z.B. der LPR mit einem Polarisator 5O^ entsteht nach der Demodulation der linearpolarisierten und intensitätsmodulierten Wellen mit einer Fotodiode 10 ein Signal mit der Frequenz des magnetischen Y.'eehselfeldes. Das Ausgangssignal der Fotodiode 10 wird in einem selektiven Verstärker 11 verstärkt und einer phasenempfindlichen Demodulatorschaltung zugeführt. Darin wird das Signal in Amplitude und Phase mit dem Steuersignal des Oszillators 9 verglichen, wobei eine laserfrequenzabhängige Glei abspannung entsteht. Die Gleichspannung für eine Laserfrequenz V. < " und eine Laserfrequenz α' _T > ¹' unterscheidet sich in der

Jj O

Polarität. Diese laserfrequenzabhängige Gleichspannung wird über ein Tiefpaßfilter 13 und einen Gleichspannungsverstärker H der Piezo-Keramik 4 in Laserresonator zur Korrektur dor Spiegelstellung zugeführt, um somit die Laserfrequenz zu stabilisieren. Die dadurch bewirkte Änderung der Resonatorlänge des Lasers verschiebt die Laserfrequenz in Richtung auf die Mittenfrequenz ν .

Zur Erzeugung der RZP- und LZP-Wellen ist das Laserrohr 1 in einer Spule 7 angeordnet, welche die Induktivität eines von einem Resonanzverstärker 8 betriebenen elektrischen Schwingkreises bildet. Der Resonanzverstärker 8 wird seinerseits ebenfalls vorn Oszillator 9 betrieben. liit 60 ist ein die eigentliche Laseranordnung umschließendes Gehäuse bezeichnet.

Die Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Laser-Stabilu.sierungsschaltung mit Such-Automatik und Potentiometer-Rückführung. Dabei sind mit Ausnahme des

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_ 7 — ■ - ■-■-.

Gleichspannungsverstärkers 14 In Figur 2 die den Teilen der Figur 2 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen worden. Außer einigen, zusätzlichen Verstärkern 15, 16, 17 und 18 ist dabei zwischen dem Oszillator und der eigentlichen Dercodulator-Schaltung 19 ein Phasen-Korrekturglied 20 eingefügt, welches die in den Verstärkern entstehenden Phasen-Verschiebungen kompensiert. Je nachdem, ob die zu synchronisierende Läserfrequenz größer oder kleiner als die Mitte nfreauenz <ii ist/ entsteht in einem der "beiden linken Ausgänge des "Verstärkers 21 eine positive bzw. negative\ GIeichspannung, welche jeweils am Ausgang eines der Verstärker. 22 und 23 eine positive oder negative Gleichspannung zur Steuerung der Piezo-Eeramik 4 benirkt.Überstelgt der Absolutbetrag der Ausgangsspannung des Verstärkers 21 einen bestimmten,Wert, so spricht die logische Schaltung 24 an und steuert je nach de ι* Polarität der Spannung einen Motorschalter 25,, so daß der Motor 26 entweder vorwärts oder rückv/arts läuft und dabei ein Helipot 27 auf- oder audreht. Dabei entsteht am Ausgang eines Gleichspannungsverstärkers 28, der von einem Oszillator 29 ge s pe ist wird, eine mehr oder --v/eaiiger große Gleichspannung, die den mit dem Pieso-Erlstall verbundenen Spiegel 3 sov/eit verschiebt, bis die Resonanz-Frequenz des laserresonators in etwa der Frequenz ν entspricht. Während dieses Vorgangs sind " die Gleichspannungsverstärker 22 und 23 durch den ebenfalls vom Ossiilator 29 betriebenen Verstärker 30 blockiert, der, seinerseits durch einen auf die Spannungen der Trigger 31, 32, 33.und 34 ansprechenden Oder-Schalter 35 gesteuert wird. Die iiiotor-Suchschaltung arbeitet solange,, bis sich die * ■", Laserfrequens der Mitteilfrequenz -^ soweit genähert hat, . daß die Ausgangsspamrang des Verstärkers 21 unter die Abr.eißspannung der Ti-igger 31 und 34 der logischen Schaltung 24 gesunken ist. Die mit dem Schleifkontakt und einem der Sndabgrifie des Helip.ots 2? verbundene zweite logische .Schaltung dient dazu, bei Annäherung des Schleifkontaktes an einen der ■ Anschläge diesen wieder in die Mittelstellung zurückzuführen.

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\7enn diese zweite logische Schaltung 36 anspricht, so wird dieses einerseits durch eine von einem Trigger 37 gesteuerte A.izeige-.orrichtung (z.B. Summer oder Lampe) nach außen signalisiert, andererseits wird über eine Oder-Schaltung 38 mit nachgeschaltetem Transistor-Schalter der Fotoelement-Spannungsverstärker 11 blockiert. Da die Rückführung des Helipots in seine Mittelstellung über die Leitungen 40 und 41 ebenfalls mit Hilfe der ersten logischen Schaltung 24 zustande kommt, wird dabei auch zusätzlich wieder der Verstärker 30 gesperrt.

Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere ist es jedem Schaltungsfachmann ohne erfinderisches Zutun leicht möglich, anders aufgebaute Schaltungsanordnungen für den ^uch- und den Rückführungsvorgang aufzubauen.

7 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Laseranordnung zur Frequenzstabilisierung eines Jiin- oder Zwei-Moden-Gaslasersj insbesondere eines kurzen He-le-Lasers, bei dem das stimulierte Medium zwischen einem festen und einem über eine Piezo-Keramik in Achsrichtung d'es lasers verschiebbaren Spiegel angeordnet ist und bei der aus dem teildurchlässigen festen Spiegel austretende laserstrahlung zur Erzeugung eines der Frequenzabweichung der Laserstrahlung gegenüber der Mittenfrequenz ¹V des verstärkenden Überganges proportionalen, über die Piezo-Keramik den Resonator auf die. Mittenfrequenz φ nachstimmenden, Gleiphspannungs-Regelsignals dient, wobei der Regelkreis ein fotoempfindliches Element mit nachgeschalteten Verstärkern und phasenempfindlichen Demodulatoreinrichtungen enthält, dadurch gekennzeichnet daß das stimulierte Medium zumindest teilweise in einer ein_/ achsparalleles magnetisches Wechselfeld erzeugenden Magnetspule (7) angeordnet ist und daß dem festen teildurchlässigen Spiegel (2) und dem fotoempfindlichen. Element (10) ein /i/4—Plättchen (5) und eine Polarisationsvorrichtung (50) zwischengeordnet sind.

• -
2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (7) die Induktivität' eines von einem Resonanz-Verstärker (8) betriebenen elektrischen Schwingkreises bildet.
3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein von einem Elektro-Motor betriebenes Potentiometer,

■ welches durch eine logische Schaltung gesteuert- die Piezo-Keramik mit einer zusätzlichen Gleichspannung beaufschlagt (Suchvorgang) wenn die Laserfrequenz nicht in dem Regelbereich (Haltebereich) der Potoelement-Steuer-Schaltung liegt.

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4. Laseranordnimg nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die logische Schaltung (24) die Größe der phasenrichtig de.nodulierten, verstärkten Fotoelement-Spannung überwacht.
5. Laseranordnung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine Hinrichtung (30), die während des ijuchvorgangs die Fotoelement-Regelschleife ausschaltet.
6. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine aweite logische Schaltung (36), die das Potentiometer (27) vor !erreichen eines Potentioineter-Anschlags in seine Mittelstellung zurückfuhrt.
7. Laseranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, -daß die zweite logische Schaltung (36) während der Potentiometer-Rückstellung die erste logische Schaltung (2') und Ue Einrichtung (30) unter Blockierung der Fang- und Halteautomatik, sowie über eine Schaltung (38,39) den Fotoelement-Spannungsverstärker (11) ausschaltet.

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