DE2101229A1 - Frequenzstabilisierter Gaslaser - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-PHIL. G. NJCiCEL - DR.-ING. J. DORNER

δ MÖNCHEN 15
LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 1Ο4

TEL (OSU) 555719

München, 7·Januar 1971 Anwalts-Az.: 14 - Pat. 72

United Aircraft Corp., 400 Main Street, East Hartford, Conn. 0610Ö, Vereinigte Staaten von Amerika

Frequenzstabilisierter Gaslaser

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf Gaslaser und insbesondere auf deren Frequenzstabilisierung. IP

Frequenzstabilisierte Laser finden eine große Anzahl von Anwendungen im optischen Radar, in Oszillatorverstärkersystemen und vielen anderen optischen Laserexperimenten. Die Ausgangsleistung eines Lasers ist im allgemeinen eine symmetrische Resonanzfunktion der Frequenz, die man als Verstärkungskurve bezeichnet. Die Mittenfrequenz hängt von der Gasart ab und die Einzelheiten der Form und Breite der Verstärkungskur\e sind von vielen Parametern des Lasers, wie etwa Gasart, Druck, Gastemperatur usw. abhängig.

Es ist bekannt, daß die optischen übergänge eines typischen Gasmolekularlasers wegen der rationalen Niveauteilung aus einer M Unzahl von Linien bestehen. Jedoch kann beim Singringen optischer Dispersion, wie etwa mit Hilfe von Gittern,Prismen usw.in den Laserresonanzraum erreicht werden,daß der Laser nur mit einem Übergang schwingt. Weil so der Laser dazu gebracht werden kann nur mit einem Übergang zu schwingen, so daß das optische Ausgangssignal nur eine Frequenz aufweist, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Frequenz des einzigen Übergangs sehr sorgfältig zu steuern, um so eine große Steuerung der Ausgangsfrequenz als

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Folge von !deinen tfeglängenänderungen des optischen Resonators zu vermeiden.

Es ist vorgeschlagen worden in einem Steuersystem zur genauen Regelung der Länge des Laserresonanzraumes, und damit der Ausgangsfrequenz des Lasers, einen Servo zu benutzen, welcher die Stellung eines der Spiegel des Resonanzraumes einer Zitterbewegung unterwirft. Dies wird dadurch erreicht, dass man den Spiegel an einen piezoelektrischen Kristall oder einen anderen übertrager anbaut an dem eine Wechselspannung liegt, um eine kleine zyklische Veränderung der Resonanzraumlänge zu erreichen, und die V7irkung der Resonanzraumlängenänderungen gemessen und mit dem antreibenden schwingenden Signal in einem Synchrondetektor verglichen wird. Der Synchrondetektor erzeugt dann ein richtungsabhängiges Fehlersignal dessen Amplitude proportional der Differenz zwischen der wirklichen Resonanzraumlänge und der gewünschten Resonanzraumlänge ist, und dessen Polarität angibt, ob die Länge zu gross oder zu klein geworden ist. So kann der Servo den Spiegel derart verstellen, dass die mittlere Resonanzraumlänge konstant bleibt. In den Systemen dieser Art. besteht der Detektor aus einem Strahlteiler, der einen kleinen Teil des Ausgangsstrahles abspaltet und einem optischen Detektor zuführt, wobei der Detektor eine Wechselspannung erzeugt, welche der Wirkung der Zitterbewegung des Spiegels auf den Auegangsstrahl entspricht. Jedoch erfordert die Strahlabspaltvorrichtung ein eher kompiliertes optisches System, welches empfindlich auf Schock und Temperaturänderungen anspricht und so nicht geeignet ist im Flugwesen oder anderen schwierigen Bedingungen eingesetzt zu werden. Desweitern sind optische Detektoren, welche für solche Systeme erforderlich sind, teuer, bedingen knifflige Netzteile, kryogenes Kühlen und andere Hilfsapparaturen. Andere ähnliche Verfahren zur Frequenzstabilisierung sind bekannt. Jedoch wenden alle bekannten Verfahren zur Frequenzstabilisierung eines Gaslasers die Messung der resultierenden Störung des Laserausgangsstrahles an; folglich erfordern all diese Systeme die Anwendung eines anfälligen und teueren optischen Demodulationssystems, wie vorhin beschrieben wurde.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine verbesserte

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und vereinfachte Stabilisierung für die Länge des optischen Resonanzraumes eines Gaslasers, und damit der Frequenz desselben bereitzustellen.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass als RückkopjLungsgrösse für den Synchrondetektor eines geschlossenen Resonanzraumlängeneinstellsystems ein aus den Änderungen der Impedanz des Plasmas der elektrischen Entladung eines Gaslasers abgeleitetes Signal benutzt wird. Dabei wird die spannung- stromstabilisierte elektrische Entladung eines Gaslasers benutzt um ein Ausgangssignal für das Resonanzraumlängenstabilisationssystera zu erzeugen.

Die vorliegende Erfindung vermeidet damit die Notwendigkeit das optische Ausgangssignal eines Gaslasers zu überwachen um die Steu- ^ erung seiner Resonanzraumlänge vorzunehmen. Die Erfindung ist ^

relativ billig in der Anwendung und kann in einer hochstabilen, kompakten und dauerhaften Weise ausgeführt werden.

Die Erfinduna wird nun an Hand der beiliegenden Zeichnung, welche eine bevorzugte Ausführungsform des Frequenzstabilisierungssystems der Erfindung an einem Gaslaser darstellt, näher beschrieben.

Die in der einzigen Figur dargestellte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung enthält einen Laser mit elektrischer Entladung in einem zu Laserstrahlung anregbaren Medium 10. Gebräuchliche Gase sind Kohlendioxyd mit oder ohne Stickstoff, Helium oder anderen Zusatzgasen, oder Neon und Helium z.B. Andere Lasermedien sind auch bekannt. In der vorliegenden Ausführungafbrm wird eine geeig- w nete Mischung von Kohlenstoffdioxyd, Stickstoff und Helium als Lasermedium angenommen.

Das Lasermedium 10 ist in einer Kammer 12 eingeschlossen, an welche mit Hilfe von einem Paar Elektroden 14. 16, Anode bzw. Kathode, eine Gleichspannuno angelegt ist. Diese Gleichspannung wird mit Hilfe eines geeigneten,belastbaren Metzteiles 18, welches über die Leiter 20. 22 angeschlossen ist, erzeugt. Die Spannung zwischen den Elektroden 14, 16 erzeugt eine anormale Glimmentladung, welche das Lasergas zu höheren Energieniveaus anregt,wie aus der Lasertechnik bekannt ist. Die Kammer 12 kann wie hier

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dargestellt ist, an beiden Enden mit Hilfe geeigneter Fenster versehen sein, wie etwa Brewsterfenster 24 aus geeignetem Material (für die erzeugte Laserstrahlung). welche mit der Strahlung einen winkel gleich dem Brewsterwinkel bilden. Der optische Äesonanzraum beareift auch ein Paar Spiegel 2 6, 2 3 wobei der Spiegel 2 6 der Ausgangsspiegel ist und entweder mit einem Loch zur Energieauskoplung versehen ist oder halbdurchlässig für die Energieauskoplung ist. All dies ist aus dem Stande der Technik bekannt.

Der Spieqel 28 ist in geeigneter Weise, etwa mit Hilfe eines Epoxyharzes, an einem piezoelektrischen übertrager festgemacht, wobei der übertrager von bekannter Type sein kann. Eine Eigenschaft eines solchen Übertragers ist, dass seine Länge sich in Abhängigkeit von der in seinen Flächen angeschlossenen Spannung ändert. Eine an den übertrager 30 angeschlossene Spannung ist eine Wechselspannung höherer Frequenz, welche am Ausgang eines Oszillators 32 zur Verfügung steht, wobei der Oszillator 32 auch ein Bezugssignal 33 für einen Synchrondetektor 34 erzeugt. Die andere treibende Spannung, die am.übertrager 30 anliegt, ist ein richtungsabhängiges Gleichspannungsfehlersignal, das mit geeigneten Mitteln verstärkt und gefiltert werden kann, etwa mit Hilfe eines Gleichspannungsverstärkers 36. Dieses Signal wird aus dem Ausgangssignal 38 des Synchrondetektors 34 abgeleitet.

Im Betrieb wird die Ausgangsspannung des Oszillators 32 an den übertrager 30 angeschlossen und bewirkt eine axiale Zitterbewegung des Spiegels 28, welche ihrerseits die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung innerhalb des optischen Resonanzraumes zwischen den Spiegeln 2 6, 28 ändert. Mit der Frequenzänderung von der Übergangs-Mittenfrequenz des Lasermediums weg, entsteht eine niedriqere optische Ausgangsleistung. In bekannten Systemen wird die optische Ausganqsleistung mit Hilfe eines optischen Detektors überwacht welche ein Eingangssignal 40 für den Synchrondetektor 34 erzeugt. Der Synchrondetektor 34 vergleicht die Phase des Bezugssignals vom Oszillator 32 mit der Phase des Eingangssignals 40 und misst die Amplitude des Eingangssignals 40 und erzeugt dadurch ein richtungsabhängiges Fehlersignal/ die Amplitude dieses

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Signals ist eine Anzeige für die Grosse der Abweichung der Resonanzraumlänge von der gewünschten Resonanzraumlänge, und die Pha^e ist eine Angabe für die Richtung der Änderung, langer oder kürzer, der Resonanzraumlänge im Vergleich zur gewünschten Resonanzraumlänge. So steht am Ausgang des Synchrondetektors 34 ein Gleichspannungssignal zur Verfügung, welches an den übertrager 30 angeschlossen wird und bewirkt, dass der Übertrager den Spiegel in der richtigen Richtung auf die gewünschte Resonanzraumlänge hin bewegt,um so die gewünschte Ausgangsfrequenz zu erzeugen. Das tatsächliche Ausgangssignal des Lasers ist in solch einem System leicht moduliert durch das in Abhängigkeit vom Oszillator 32 mit dem übertrager 30 auf den Spiegel 28 übertragene Zittern. Jedoch wird die Mittenfrequenz im Vergleich zur gewünschten Frequenz sehr genau eingehalten und die Abweichungen im Läse» ausgangsstrahl sind sehr klein.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf das Erzeugen eines Eingangssignals am Eingang 40 des Synchrondetektors 34, ohne dabei die Leistung oder Frequenz des Ausgangsstrahles des Lasers zu messen.

Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung ist das Eingangssignal für den Synchrondetektor eine der Impedanz des Plasmas in der Kammer 12 proportionale Spannung. Insbesondere koppelt ein an die Leitung 22 angeschlossener Kondensator 42 eine Wechselspannung von der Elektrode 16 zum Signaleingang 40 des Synchrondetektors 34. Durch eine geeignete Anordnung, etwa durch Erden der Leitung 20 und ein geeignetes gemeinsames Potential im Synchrondetektor 34, wird die zwischen den Elektroden 14, 16 erscheinende Wechselspannung an einen Eingang des Synchrondetektors 34 gelegt. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ändert sich die Plasmaimpedanz des La3ers immer dann, wenn die aus dem elektrischen Entladungsplasma des Lasergases abgezogene optische Leistung sich ändert. Wenn der Strom im Plasma konstant gehalten wird, etwa mit Hilfe eines Netzgerätes konstanten Stromes, dann ändert sich der Spannungsabfall am Plasma. Durch die Zitterbewegung des Spiegels 28 wird die Frequenz des Resonanzraumes in ähnlicher Weise geändert; dies ändert die Resonanzfrequenz des Raumes und dadurch die

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aus dem Laser entnommene Leistung, So ändert sich die Impedanz des Plasmas zwischen den Elektroden 14, 16 zyklisch als eine Funktion der Zitterbewegung des Spiegels 23. tfeil der Strom konstant ist, ändert sich die Spannung an den Elektroden 14, 16 entsprechend; diese Spannung wird mit Hilfe des Kondensators 42 aufgenommen und als Eingangssignal ÜJr den Synchrondetektor 14 benutzt Anstatt die optische Ausgangsleistung des Laserstrahles zu überwachen, schlägt also die vorliegende Erfindung vor mit Hilfe der einfachen Überwachung der Spannung zwischen den Elektroden 14, 16, bei im wesentlichen konstantem Strom ein Rückopplungssignal für das in einer geschlossenen Schleife arbeitende Resonanzaaumlängensteuersystem zu gewinnen.

Obschon der Kondensator 42 in der vorliegenden Ausführungsform direkt mit der Leitung 22 verbunden ist, soll darauf hingewiesen sein, dass der Signaleingang 40 des Synchrondetektors 34 mittels geeigneter Mittel an verschiedenen Punkten innerhalb des Netzgerätes 13 kapazitiv angeschlossen sein kann. So kann es vorteilhaft sein, ein Signal von einem Niederspannungsverstärker innerhalb des Netzgerätes abzuleiten und so weiter. In einem solchen Fall ist ein Konstantstromnetzgerät nicht notwendig um die Änderungen der Plasmaimpedanz im Einklang mit der vorliegenden Erfindung zu messen.

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Claims (1)

PATENTANS PRÜCHE

1.) Ein Gaslaser mit elektrischer Entladung und einem Synchixndetektor, welcher an ein Bezugssignal proportional der Zitterbewegung eines Spiegels eines optischen Resonanzraumes angeschlossen ist und dessen Ausgangesignal ein richtungsabhängiges Eingangs-signal zur Einstellung der Mittenstellung des Spiegels ist, gekennzeichnet durch Mittel (14, 16, 18, 20, 22) zum Ableiten einer der Impedanz des Plasmas der elektrischen Entladung proportionalen Spannung und Mitteln (42) zum Anschliessen dieser Spannung an den Rückopplungseingang (40) der Synchrondetektors (34).

2. Ein Gaslaser mit elektrischer Entladung, gekennzeichnet durch einen optischen Resonanzraum (12) bestehend aus einem Paar Spiegel (26, 28) und einem gasförmigen, zwischen den Spiegeln angeordneten Lasermedium (10); Mittel (14, 16, 18) zum Erzeugen einer elektrischen Entladung innerhalb des Lasermediums, ein elektromechanischer übertrager (30), welcher an einen der Spiegel (28) angebaut ist, ein Synchrondetektor (34) mit einem Bezugs-

eingang (33) und Signaleingang (40), welcher ein Ausgangssignal (38) erzeugt, dessen Amplitude eine Funktion der Amplitude des Signals am Signaleingang (40) und dessen Polarität eine Punktion der Phase zwischen den Signalen am Bezugseingang (40) und Signaleingang (33) ist, Mittel zum Anschliessen der Viechseispannung an den elektromechanischen Übertrager (30) und an den Bezugseingang (33) des Synchrondetektors, Mittel zum Anschliessen des Ausgangssignals des Synchrondetektors an den elektromechanischen übertrager (3O), wodurch die mittlere Stellung des Spiegels durch das Ausgangssignal des Synchrondetektors (34) bestimmt wird und die augenblickliche Stellung des Spiegels durch die Wechselspannung, un<? Rückopplunqsmittel (24, 16, 18, 2O, 22, 40) zum Erder
zeugen einerAtapedanz des Plasmas der Entladung proportionalen Spannung und zum Anschliessen dieser Spannung an den Signaleingang (40) des Synchrondetektors (34), wodurch die mittlere Länge de3 optischen Resonanzraumes als Funktion der Impedanz des Plasmas der elektrischen Entladung gesteuert wird.

3. Der Gaslaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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dass die Rückupplungsmittel (14, 16, 13, 20, 22, 4o) iMittel (14, 16^ enthalten die auf die Spannung am Plasma ansprechen.

4. Der Gaslaser nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Plasmaerzeugungsmittel (14, 16, 18) ein Paar Elektroden (14, 16) und ein Konstantstromhochspannungsgleichstromnetz

(18) umfassen, welches an die Elektroden (14, 16) angeschlossen ist, und, dass die Rückopplungsmittel (14, 16, 18, 20, 22, 40) Mittel (40) zum Koppeln der Spannung an den Elektroden an den Eingang (4O) des Synchrondetektors begreifen.

5. Verfahren zum Stabilisieren der Frequenz eines mit einer elektrischen Entladung arbeitenden Gaslasers mit einem aus zwei Spiegeln gebildeten Resonanzraumes, gekennzeichnet durch Vermitteln einer Zitterbewegung an einem der Spiegel, wodurch die Länge des optischen Resonanzraumes des Lasers geändert wird Erzeugen einee der Impedanz des Plasmas der elektrischen Entladung des Lasers proportionalen Rückopplungssignals. Erzeugen eines Treibersignals,dessen Amplitude proportional der Amplitude des Rückopplungssignals ist und dessen Richtung eine Funktion der Phasendifferenz zwischen der Zitterbewegung des Spiegels und des RückkopplungssignaI3 ist, und Einstellen der Stellung des Spiegels in Abhängigkeit von dem Treibersignal.

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