DE2136283A1

DE2136283A1 - Verfahren und Vorrichtung zur genauen Stabilisierung der Ausgangswellenlange eines He Ne Lasers

Info

Publication number: DE2136283A1
Application number: DE19712136283
Authority: DE
Inventors: Yoh Han Cleveland Heights Ohio Knox Joseph D Plainsboro N J Pao, (V St A)
Original assignee: QUANDIA CORP
Current assignee: QUANDIA CORP
Priority date: 1970-07-20
Filing date: 1971-07-20
Publication date: 1972-01-27
Also published as: US3718868A; FR2099486A1; GB1295817A; JPS4945634B1

Description

PA TBNTA N W£L TE

PATENTANWALT DIPL-ING. R. MOLLER-BORNER PATENTANWALT DIPL-ING. HANS-H. WEY

BERLI N-DAHLEM 33 . PODBI ELS KlALLE E 68 8 M D N C H E N 22 · Wl D EN M AYE RSTR AS S E

TEL 0311 . 762907 · TELEGR. PROPINDUS . TELEX 0184057 TEL 0811 - 225585 - TELEGR. PROPINDUS - TELEX 0524244

2h on

QUANDIA CORPORATION, Cleveland, Ohio/USA

Verfahren und Vorrichtung zur genauen Stabilisierung der Ausgangswellenlänge eines He-Ne«»Lasers

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur genauen Stabilisierung der Auegangswellenlänge eines He-Ne»Las ers·

In der modernen Optik spielt die stark monochromatische, stark gerichtete und räumlich kohärente Strahlung, die man von stabilen Gaslasern erhält, eine bedeutende Rolle. Vor vor allen wird eine derartige kohärente Strahlung in der Interferometrie zur Messung von Strecken und Abmessungen änderungen und in der Holographie zur Aufzeichnung und Wiedergabe von zwei oder drei dimensionalen Bildern υ·γ« wendet. In diesen beiden und anderen Anwendung»fällen ist

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es wichtig, dass dor Laser auf mittleren Energieniveaus in einer einzigen Schwingungsart, d.h. auf einer einzigen Frequenz und in stabiler Weise arbeitet, und dass auoh vor allem die Frequenz genau wiedereinstellbar ist«

Nach Theorie und Experimenten sollte die momentane tatsächliche Linienbreite einer Schwingungsart in der Grossanordnung von 1 Hz oder weniger für im wesentlichen alle Gaslaser liegen· Die Arbeit von Jaseja et al (Physical Review Letters, Band 10, 19^3, S. I65) zeigt, dass mit einiger Sorgfalt Laser ausreichend stabil sein können, so dass Schwingungsbandbreiten von einigen wenigen 10 Hz tatsächlich erhalten werden. Es besteht jedoch ein Problem darin, dass, obwohl die Spektralbreite einer

Unbestimmtheit der momentanen Frequenz von weniger als

1 *i 1 von 10 ^J entspricht (d.h., dass die Genauigkeit sehr hoch ist), die Wiedereinstellbarkeit bzw. Genauigkeit einer gegebenen Frequenz in dem sichtbaren Bereich ia

allgemeinen in der Grössenordnung von 1 von 10 oder im

9 besten Fall 5 von 10' ist. Dies bedeutet, dass man weiss,

dass die nominelle 6328 ft-Wellenlängenstrahlung eines Ho-Ne-Lasers sehr monochromatisch ist, dass man jedoch, die Frequenz nicht genau kennt, zumindest nicht mit der gewünschten Genauigkeit.

In der Literatur wurden zwei infrage kommende Verfahren vorgeschlagen, um die Wiedereinstellbarkeit bzw. Genauigkeit der Betriebsfrequenz eines He-Ne-Laeers zu verbessern. Eines hiervon beruht auf der Lamb-Senke und das andere auf der invertierten Lamb-Senke. Ersteres Verfahren ist nicht zufriedenstellend, da sich die absolute Lage der Mitte der Lamb«Senke mit den Betriebsbedingungen des Lasers versohiebt. Venn sich der Entladestrom oder der

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Druck ändert, ändert sich auch die Lamb-Senke (s. A.L. Bloom und D.L. Wright, Applied Optics, Band 5, S. 1528 (1966); A.D. White, Applied Physics Letters, Baad 10 (1967) sowie T.P. Sosnowski und W.B. Johnson IEEE J. Quantum Electronics, QE5, S. I5I (1969). Dadurch wird die Genauigkeit der Betriebefrequenz beeinträchtigt. Das Schema der invertierten Lamb-Senke ist mehr zufriedenstellend, da hierbei auf eine passive Absorption bezug genommen wird. Barger und Hall (Physical Review Letters, Band 22, No. 1,6*Januar I969, S. k-8) berichteten über die Stabilisierung von He-Ne-Lasern auf invertierte Lamb-Senken in dem 3,39 /U—Infrarotwellenlängenbereich infolge absorbierender Methanzellen in dem Resonanzhohl·« raum des Lasers. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Betriebsfrequenz solcher Laser reproduzierbar auf + 1 von 10 eingestellt werden kann. Verschiedentlich wurde angenommen, dass die invertierte Lamb-Senke infolge von 127

Jod I₂ als Bezugsfrequenz im sichtbaren Bereich geeignet wäre. Wie von Hanes und Dahlstrom für die Kombi-

127 *? 20

nation von I«, '-Dampf und einem He-Ne -Laser, der in

dem 6328 £-Bereich arbeitet, gezeigt wurde, ist nicht nur eine invertierte Lamb-S_enke vorhanden, sondern infolge einer überfeinen Spaltung der Elektronenübergänge sind mehrere vorhanden. Es stellte sich heraus, dass die invertierten Lamb-Senken infolge von 1127 nicht sehr her-

3 20 vortraten, so dass eine Stabilisierung von He-Ne -

Lasern um diese Linien praktisch nicht durchführbar war.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine extrem genaue, d.h. reproduzierbare bzw. wiedereinstellbare Quelle monochromatischer Strahlung in dem 6328 X-Bereich

«a PO 1

zu schaffen, die auf einem He^-Ne -oder einem He^-Ne-Laser basiert, der auf invertierte Lamb-Senken infolge

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von Ig²⁹ stabilisiert ist.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der erzeugte

129 Laserstrahl durch, gasförmiges X₂ geleitet wird, das in dem Laserresonanzhohlraun angeordnet ist. Ein hier» für geeigneter Laser zeichnet sich aus durch einen

ResonanzhohlrauB, eine He-Ne-Laserverstärkungszelle und

129 eine I„ -Gas-Lichtabsorptionszelle, die mit dem Reso nanzhohlrauB optisch in Reihe geschaltet ist.

Die Erfindung beruht darauf, dass völlig unerwartet das

129 Isotop von Jod, nämlich I„ , für Stabilisierungszwecke mittels invertierter Lamb-Senken weit mehr geeignet ist,

3 20 3 33

Sowohl He-Ne - als auch He -Ne «Laser können in dem

sichtbaren 6328 A*-Wellenlängenbereich unter Bezug auf die Mittenfrequenz irgendeiner Komponente einer grossen Anzahl von überfeinen Komponenten stabilisiert werden, die zwei gesonderte Schwingungs/Drehlinieη einer Elektronenabsorption darzustellen scheinen«

Durch die Erfindung ist es möglich, einen mechanisch korn*·

3 20 3 22 pakten, stabilen und genauen He-Ne - und He-Ne -Laser

129 unter Verwendung von X₂ -Dampf als Normal und eine neue Resonanzhohlraum-Spiegeleinstellvorrichtung für die Herstellung sehr stabiler Resonanzhohlräume zu schaffen.

Ausserdem ist es aufgrund der Erfindung möglich, ein Frequenz- oder Zeitnormal zu schaffen, das auf dem Überlagerungs- bzw. Schwebungssignal zwischen zwei Lasern aufgebaut ist, die um unterschiedliche invertierte Lamb-

129

Senken von gasförmigemI„ ^y stabilisiert sind. Die Frequenz kann von einigen MHz bis nahezu 2 GHz verschieden sein, je nachdem, welche überfeinen Komponenten benutzt werden«

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt ι

Pig, 1a eine graphische Darstellung, aus der die Änderung der Intensität (einschliesslich der Lamb-Senke) des Ausgangssignals eines He~Ne-Lasers hervorgeht, wenn die Betriebefrequenz (Resonanzhohlraumlänge) über die Verstärkungskurve des Ne-Übergangs bestimmt wird,

Fig. 1b eine graphische Darstellung, aus der die Intensität (einschliesslich der invertierten Lamb-Senke) in Abhängigkeit von der Frequenz eines He-Ne-Lasers hervorgeht, wenn ein gasförmiger Absorber in einer Zelle in dem Laserresonanzhohlraum angeordnet wird,

Fig, 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines

Q 2O 1 22

Η·-*-Νθ - bzw. He^-Ne -Lasers, der gemäss der Erfindung genau stabilisiert ist,

Fig. 3 einen Querschnitt einer neuen Spiegelein·teilvorrichtung gemäss der Erfindung,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des elektrischen Kreises, der zur Stabilisierung des Laserbetriebs in irgend« einer ausgewählten invertierten Lamb-Senke von

129 I₂ verwendet werden kann,

Fig, 5a eine graphische Darstellung, aus der die Intensität

in Abhängigkeit von der Frequenz (Resonanzhohlraum··

129 länge) des Ausgangssignals eines I₂ »stabilisier» ten He-Ne-Lasers hervorgeht,

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129 Fig. 5b das Läse raus gangs signal ohne einen I₂ -Absorber,

und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Frequenznormals,

das aus zwei stabilisierten Lasern besteht, von

3 20 denen einer ein He-Ne -Laser ist, der auf eine

129 überfeine Komponente von I₂ stabilisiert ist

*ί 2η *ί 22

und der andere ein He-Ne- oder ein He-Ne-

Laser ist, der auf eine andere überfeine Komponente von I₀ stabilisiert ist»

Allgemein besteht,ein optisches System, das gemäss der Erfindung aufgebaut ist, aus einem He-Ne-Laserverstärkung8~ oder -entladungsrohr, einer Energiequelle zur Erregung des He-Ne-Plasmas in dem Rohr, einem weiteren, abgedichteten

Lichtabsorptionsrohr für das dampf» bzw· gasförmige Jod-

129 isotop I₂ einschliesslich einem temperaturgesteuerten

12Q Behälter für überschüssiges festes Ig , dielektrischen

Mehrfilm-Resonanzhohlraumspiegeln, einem Resonanzhohlraum aus einem Material mit sehr niedriger Expansion, einem Detektor zur Ermittlung der Intensität des Ausgangssignals, einem piezoelektrischen Kristall zur Änderung der Länge _B des Hohlraums, und Energiequellen für die Kathode ebenso wie für den piezoelektrischen Kristall. Andere zugehörige elektronische Bauelemente umfassen eine Temperaturmes··* und Steuereinrichtung für den Jodbehälter· Das Laserver—

129 stärkungsrohr und das I₂ »Absorptionsrohr sind optisch

miteinander in Reihe geschaltet, d.h. der 6329 X-Wellenlängenlaserstrahl durchläuft beide Rohre beim Durchgang durch den Laserresonanzhohlraum·

Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die überfeine Komponente der invertierten Lamb-Senke, die zur Stabilisierung verwendet wird, einen nahezu flachen Boden, so dass

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sich die scheinbare Lage der Mitte der invertierten Lamb-Senke nicht ändert, wenn der Laser altert und die Gesamtintensität abnimmt. Bei dem Zeitnormal gemäss der Erfindung ist diese Verbesserung nicht möglich, jedoch kann unabhängig eine Kontrolle der Verschiebungen infolge von Alterung durchgeführt werden.

Ein Laser besteht aus einem Verstärkungs- bzw. Entladerohr und einem Resonanzhohlraum, der eine Rückkopplung ergibt, so dass eine Schwingung auftreten kann« Für irgend zwei bestimmte Energieniveaus z.B. in einem atomaren Gas tritt eine Verstärkung bei der optischen Frequenz #u auf, wenn die Population in dem oberen Zustand grosser ist als die in dem unteren Zustand und wenn die Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen t\.E. = h M~±nt_t wobei Λ eine quantenmechanische Konstante, die Planck-Konstante ist. Jedes Licht der richtigen Frequenz wird beim Durchgang durch das Verstärkungsrohr verstärkt und in einem Resonanzhohlraum dauert die Zunahme der Intensität des Hohlraumfeldes an, bis der Übergang nahezu gesättigt ist, d.h. bis die Population der beiden Niveaus nahezu gleich ist. Tatsächlich sind die Populationen nicht exakt gleich, da die gleiche restliche oder gesättigte Verstärkung erforderlich ist, um den Hohlraum— verlust auszugleichen. Für den He-Ne-Laser kann eine Systemverstärkung bei irgendeiner Frequenz in einer Bandbreite von etwa 1,2 GHz in dem 6328 X-Bereich auftreten. Diese ziemlich breite Verstärkungskurve ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Ne-Atome eine thermisch· Bewegung aufweisen, und dass die Frequenz des Übergangs durch die Doppler-Verschiebung in Abhängigkeit davon, ob sich ein bestimmtes Atom in Richtung auf den Betrachter oder von diesem weg bewegt, erhöht oder vermindert wird.

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Da die Frequenz des Resonanzhohlraums durch die inhomogen verbreiterte Verstarkungskurve abgestimmt wird, ändert sich die Intensität des Ausgangssignals in etwa wie die der Verstärkungskurve. Es tritt jedoch eine Abweichung in Form einer Resonanzkurveneinsattelung bzw« -senke in der Mitte der Ausgangs/Frequenz(Hohlraumlänge)-Kurve auf. Diese Abnahme der Intensität wird nach Willis Lamb als Lamb-Senke bezeichnet, der sich als erster mit dieser Erscheinung beschäftigte (Fig· 1a)_β Diese Abnahme ist eine Folge davon, dass die stehende Welle in dem Resonanzhohlraum tatsächlich aus zwei fortschreitenden Wellen zusammengesetzt ist. Solange die Betriebsfrequenz nicht die der Atome bei Null-Geschwindigkeit ist, leitet der Hohlraum Verstärkung von den beiden Atomarten ab. In etwa leitet eine fortschreitende Welle eine Verstärkung von den Atomen mit der Geschwindigkeit IT ab, die nach links laufen, während die andere Welle eine Verstärkung von den Atomen mit der Geschwindigkeit ~if ableitet, die nach rechts laufen_o Beide Arten emittieren bei der gleichen Frequenz und tragen zu dem Hohlraumknoten, bei» Wenn die Mitte der Verstärkungskurve erreicht ist, nimmt trotz einer Zunahme der Populationsdichte die Verstärkung ab, da exakt in der Mitte nur eine Art (d.h. mit der Geschwindigkeit "TT = θ) zu der Verstärkung einen Beitrag leistet. Es tritt daher die Lamb-Senke auf. Ein Bericht über die quantitative Theorie dieser Erscheinung ist in "Gas Laser Technology*¹ von Bell und Sinclair, Reinhold Publishers, enthalten·

Der Effekt der invertierten Lamb-Senke ist ebenfalls auf die Sättigung eines Übergangs zurückzuführen, mit der Ausnahme, dass dieser Effekt eine Folge der Sättigung eines Verlustes statt einer Verstärkung ist. Die Ein-

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bringung eines Gases, das einen Teil des oder das gesamte Frequenzintervall der Laserverstärkungskurve absorbiert, tendiert sicherlich zu einer Abnahme der Intensität des AusgangsStrahls des Laser· Es muss jedoch daran erinnert werden» dass die Absorption des absorbierenden Gases ebenfalls inhomogen verbreitet ist· Die hohe Intensität des Hohlraumfeldes ist bestrebt, den unteren Zustand oder den Grundzustand des Absorbers zu verarmen, d.h, den Übergang zu sättigen· Der Übergang ist der Mitte der inhomogen verbreiteten Linie des Absorbers am meisten gesättigt. Die Ausgangssi gnal/Frequenz(Hohlraumlänge)-Kurve zeigt dann eine Abweichung, die eine Breite von etwa der der homogenen oder natürlichen Linienbreite des Absorbers aufweist und in der Mitte der inhomogen verbreiteten Linie liegt (Fig. 1b).

129

Im Falle von gasförmigem Jod I„ hat der obere elektrische Zustand ein magnetisches Moment infolge des Elektronenbahnmoments ebenso wie ein Elektronenspin. moment und das obere Niveau ist daher infolge der Wechselwirkung dieser Momente mit den Kernspinmomenten gespalten· Zusätzlich treten feinere Spalten infolge der magnetischen Momente auf, die durch die Drehung des Moleküls verursacht werden_o Das Ergebnis dieser Spaltungen besteht darin, dass eine grosse Anzahl von invertierten Lamb-Senken auftritt· Diese werden als die Überfeinen Komponenten der Lamb-Senke bezeichnet·

Die absolute Lage dieser invertierten Lamb-Senkenkomponenten ist sehr empfindlich gegen ausβere Magnetfelder·

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Die Erfindung wird nun anhand von besondere Ausführungsbeispielen erläutert, wobei Fig» 2 eine Grundform eines genau stabilisierten He-Ne-Lasers zeigt, bei dem das Prinzip der Erfindung zur Anwendung gelangt. Das Laserverstärkungsrohr 20 besteht aus einem Hartglasrohr 22, das von einem weiteren konzentrischen Hartglasrohr 24 umgeben ist· Das innere Hartgla^srohr 22 hat zwei Quartz-Polarisationswinkelfenster 26 und 28, die an dessen Enden befestigt sind« Der Raum 30 zwischen den Hartglasrohren dient als Behälter für He-Ne-Gas, das durch eine Öffnung 31 in das Rohr 22 eintritt. Die Kathode 32 und die Anode 34 sind so angeordnet, dass die Entladung längs der Bohrung des Rohrs 22 selbst stattfindet. Die konzentrische Konstruktion des Lasers verleiht dem Laserrohr eine mechanische Festigkeit.

Ein weiteres Hartglasrohr 36 ist an dem Rohr 24 befestigt. Ein Teil des Rohrs 36 hat den gleichen Durchmesser wie das Rohr 24. Das Rohr 36 hat ausserdem einen Abschnitt 33 mit einer kleinen Bohrung, dessen eines Ende offen und dessen anderes Ende von einem Polarisationswinkelfenster 40 verschlossen ist. Der Raum in dem Raum 3^ ist mit I„ —Dampf gefüllt, der anfangs mit I^-Kristall bei 4° C im Gleichgewicht ist. Der Gasbehälter, der von dem Rohr 36 gebildet wird, ist mit einer mu-Metallfolie 42 zum Schutz des Gases gegen Streumagnetfelder abgeschirmt·

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Di· gesamte Laserrohr- und X₂ -Zellenanordnung ist in einem Kupferrohr 44 eingeschlossen. Das Kupferrohr 44 trägt die Laseranordnung mit O-Ringen 46 und 48 aus Teflon und wird selbst in einem Xnvar-Zylinder 50 durch O-Ringe 52 und 54 aus Teflon getragen· Das Kupferrohr dient dazu,

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die in der Plasmaentladung erzeugte Wärme zu einem Metallkühlblech 56 zu leiten. Der Laserhohlraum selbst wird von dem Invar-ZyIInder 50 gebildet, der in der Mitte massiv ist und sich zu den beiden Enden hin verjüngt. Der Zylinder wird von einem starren Haltesockel 58 getragen, der an dem mittleren Teil des Zylinders befestigt ist. Der Sockel 58 iet aus einem wärmeisolierenden Material hergestellt und isoliert den Zylinder 50 thermisch von dem Kupferrohr kk und dem Kühlblech Die elektrischen Leitungen 60 und 62 der Kathode und der Anode sind durch eine zentrale Bohrung 6k in dem Kühlblech 56 nach aussen geführt.

Die Laserhohlraumspiegel 66 und 68 sind in üblicher Weise mehrschichtig aus Dielektrikum aufgebaut. Sie sind jedoch an dem Zylinder 5° befestigt und werden durch neue Einstelle inrichtungen 70 bzw· JZ abgestimmt« Diese Einrichtungen sind identisch und der Aufbau einer Einrichtung ist im einzelnen in Fig. 3 gezeigt. Die Lage eines der Spiegel kann geringfügig mittels eines piezoelektrischen Kristalls 7k geändert werden.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, besteht jede Spiegeleinstelleinrichtung aus zwei zylindrischen Scheiben 76 und 78. Die Scheibe 76 ist hohl, hat eine zentrale Bohrung 77 und ist an einem Ende des Invar-Zylinders 50 befestigt, so dass die Scheibe um eine feste Achse L₁-L₁ gedreht werden kann, die im wesentlichen mit der Längsachse des Laserhohlraums übereinstimmt, wobei sie in Berührung mit dem Xnvar-Zylinder 50 gehalten wird. Die Ebene der inneren Stirnfläche 80 der Scheibe 76 verläuft rechtwinklig zu der Achse L₁-L₁ und parallel zu der Endfläche des Zylinders 50. Die äussere Stirnseite 82 jedoch ist unter einem

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Winkel θ relativ zu der Endfläche 80 geneigt. In der Praxis ist θ nicht gross und beträgt etwa 1 « Die innere Endfläche 83 der Scheibe 78 verläuft parallel zu der Endfläche 82, so dass sich die Endfläche 83 um eine Achse L₂-L- drehen kann, die senkrecht zu der Ebene der Endfläche 82 verläuft. Der Invar-Zylinder und die Endfläche 80 der Scheibe 76 haben komplementäre ineinandergreifende Ränder 84 und 86, die die Scheibe 76 stets zentral zu dem Zylinder 50 und an diesem halten· In gleicher Weise halten ineinandergreifende Ränder 88 und 90 an den aufeinanderliegenden Flächen der Scheiben 76 und 78 die Scheiben miteinander verbundene Die aus den beiden Scheiben bestehende Anordnung wird zusätzlich durch einen geringen Druck, der von zwei einstellbaren Klemmen 92 und 9^ ausgeübt wird, mit dem Invar-Zylinder 50 in Berührung gehalten.

Die Scheibe 78 kann eine zentrale hohle Bohrung 96 aufweisen, wenn es sich um das Ausgangsende des Lasers handelt, bzw. kann die Scheibe ein massiver Körper sein, wenn es sich um das andere Ende handelt. Der Spiegel 98 ist an der Scheibe 78 in der Bohrung 77 befestigt und auf die Bohrung 96 ausgerichtet, so dass der Spiegel nahezu senkrecht zu der Achse L₁-L₁ angeordnet ist, wenn die Scheiben 76 und 78 sich in der in Fig. 3 gezeigten Stellung befinden« Die Abstimmung des Hohlraums wird schnell dadurch erreicht, dass die Scheibe 78 bei irgendeiner gegebenen Stellung der Scheibe 76 um 18Ο gedreht wird, um den Kippwinkel des Spiegels relativ zur L₁-L₁-Achse in einer Ebene zu ändern« Wenn der Laser nicht schwingt, wird die Scheibe 76 um etwa 5 gedreht und die Scheibe 78 wird wiederum um 180° gedreht, um den Kippwinkel dee Spiegels in einer anderen Ebene zu ändern· Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis der Hohlraum abgestimmt ist. In der Praxis erhöht die Verwendung dieser

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neuen Spiegeleinstelleinrichtung die Stabilität des Hohlraums, vermindert die mechanisch verursachten Geräusche und vermindert auch die Zeit, die zur Abstimmung erforderlich ist im Vergleich zu den bisherigen Einstelleinrichtungen und-verfahren·

Der elektrische Kreis, der zur Stabilisierung eines stabilen He-Ne-Lasers um die invertierte Lamb-Senke verwendet wird, ist schematisch in Figo h gezeigt« Eine Vorspannungsquelle 100, die Lage des piezoelektrischen Kristalls lh, die Lage des Spiegels 102 und damit auch die Länge des Hohlraums bestimmt, wird zuerst von Hand so eingestellt, dass der Laser tatsächlich mit der Frequenz der Spitze einer

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invertierten Lamb-Senke von I₂ arbeitet· Zusätzlich zu dieser Gleichspannung wird von einem Einfangverstärker und einer Modulationssignalquelle 104 eine Wechselspannung mit 935 Hz an den Kristall gelegt. Diese Modulationswechselspannung bewirkt, dass der Spiegel 102 geringfügig schwingt und die Betriebsfrequenz des Lasers ebenfalls geringfügig moduliert wird· Wenn der Laser exakt auf der runden Spitze der invertierten Lamb-Senke ist, ändert sich die Intensität des Laserausgangssignals, die von einem Photodetektor 105 festgestellt wird, nicht mehr, und die Steilheit der Intensität, die von dem Einfangverstärker 104 festgestellt wird, ist entweder Null oder im Durchschnitt Null· Der Laser arbeitet dann weiterhin genau auf dieser Frequenz· Sollte jedoch irgendeine Störung die Betriebefrequenz von der Spitze der invertierten Lamb-Senke verschieben, ist die Steilheit der Intensitäts/Frequenz-Kurve stets ungleich Null und stets positiv oder negativ, je nach der Richtung, in der sich die Frequenz verschiebt· Dieses sich ergebend· positive oder negative Signal wird dann in dem Integrator 106

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integriert, der wiederum die Vorspannungsquelle so einstellt, dass die Betriebsfrequenz wieder auf ihren korrekten Wert eingestellt wird, nämlich den Wert, der keine zusätzlichen Einstellungen mehr erfordert, da die Steilheit der Intensitäts/Frequenz-Kurve Null ist« Der Laserhohlraum wird durch einen ebenen Spiegel 107, eine He-Ne-Laserverstärkungsζeile 108 und eine Absorptionszelle 109

129
mit gasförmigem I₂ vervollständigt.

5& zeigt eine Intensitätskurve des Ausgangssignals

»eines

129
eines stabilisierten I₀ -He-Ne-Lasers als Punktion der Frequenz bzw* der Hohlraumwellenlänge. Die positiven Spitzen dieser Kurve stellen die überfeine Komponente

129

der invertierten Lamb-Senke von I„ dar» Zwei der invertierten Lamb-Senken sind als D₁„ und D„_ bezeichnet. Figo 5b zeigt das Ausgangssignal des gleichen Lasers ohne

129
eine I„ -Absorptionszelleo In dieser ist die Lamb-Senke 110 gezeigte

Bei Anwendung der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung wird der He-Ne-Laser durch Einstellung des Hohlraums auf eine besondere invertierte Lamb-Senke wie D₁- stabilisiert. Die Spitzen der invertierten Lamb-Senken treten mehr hervor als bei I„ . Eine extrem hohe Genauigkeit bzw· Wiedereinstellbarkeit wird dadurch erreicht, dass der Laser stets auf die gleiche Senke D₁- abgestimmt wird. Obwohl man die exakte Wellenlänge des Laserausgangssignals nicht kennt, weiss man, dass die Wellenlänge stets die gleiche

man
ist,wenn den Laser im Betrieb jedesmal auf die gleiche

invertierte Lamb-Senke'abstimmt.

Ein kompaktes, tragbares und genaues Zeitnormal kann unter

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Verwendung zweier genauer unter Bezug auf I₂ stabilisierter Laser gemäss der Erfindung geschaffen werden. Wie Fig.

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zeigt, wird einer der Laser 111 (der entweder ein He-Ne -oder ein He^-Ne -Laser ist) auf der Frequenz ^' entsprechend der Lage der invertierten Lamb-Senke D..,, in Fig. 5a stabilisiert. Der zweite Laser 112 wird z.B_o um die invertierte Lamb-Senke D„„ stabilisiert und seine Betriebsfrequenz ist ^₉* Der Laser 112 kann ebenfalls

3 20 3 22

entweder ein He-Ne - oder ein He-Ne -Laser sein« Die Wahl der Laserart hängt davon ab, wie gross die Differenzfrequenz sein soll· In der Praxis sollte die Differenzfrequenz im Hinblick auf die relative Genauigkeit so gross wie möglich gemacht werden. Die Komponenten der invertier-

3 22 ten Lamb-Spitze treten in dem He-Ne -Bereich nicht so

3 20 extrem hervor und in der Praxis sind zwei He-Ne -Laser vorzuziehen. Das Ausgangssignal des Lasers 111 wird über einen Spiegel 114 auf einen Strahlspalter 116 und von diesem zu der Photokathode eines Photodetektors 118 geleitet. Das Ausgangssignal des Lasers 112 durchläuft den Strahlspalter 116 und trifft ebenfalls auf die gleiche Photokathode auf· Der photoelektrische Detektor 118 ist ein quadratischer Detektor, z₀B· eine Siliciumphotodiode, so dass sein Ausgangssignal auf der Leitung 120 ein sich mit der Zeit änderndes Signal ist, das eine Komponente mit der Differenz- oder Schwebungsfrequenz zwischen ^ und CI^ enthält· Dieses genau gesteuerte elektrische Signal kann dann als ein extrem genaues Zeitnormal verwendet werden.

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Claims

••1 ο·«

Patentansprüche

Verfahren zur genauen Stabilisierung der Ausgangs— wellenlänge eines He-Ne«Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass der erzeugte Laserstrahl durch gasförmiges

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I₂ geleitet wird, das in dem Laserresonanzhohlraum angeordnet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswellenlänge auf eine überfeine Korn-

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ponente der invertierten Lamp<->Senke des I_ bezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollausgangswellenlänge des Laser 6328 A beträgt.

k. Laser zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Resonanz· hohlraum, eine He-Ne-Laserverstarkungszelle und eine

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I₂ -Gas-Lichtabsorptionszelle, die mit dem Resonanzhohlraum optisch in Reihe geschaltet ist.

5. Laser nach Anspruch k, gekennzeichnet durch ein den Resonanzhohlraum umgebendes Gehäuse (50) und eine Spiegeleinstellvorrichtung (70,72), die an einem Ende des Gehäuses befestigt ist, bestehend aus; (a) einer ersten drehbaren Scheibe (76), die an dem Gehäuse (50) um eine feste Achse (L--L-) drehbar angeordnet ist, die im wesentlichen mit der Längsachse des Hohlraums übereinstimmt, wobei

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(1) die Scheibe (76) eine zentrale Bohrung (77) aufweist,

(2) die innere Stirnfläche der ersten Scheibe (76) an dem Gehäuse (50) anliegt und die Ebene der inneren Stirnseite senkrecht zu der festen Achse verläuft, und

(3) die Ebene der äusseren Stirnseite der ersten Scheibe (76) unter einem von 90 verschiedenen Winkel zu der festen Achse geneigt ist,

(b) einer zweiten drehbaren Scheibe (7S), die drehbar an der ersten Scheibe (76) befestigt ist, einer an der geneigten äusseren Stirnseite der ersten Scheibe (76) ständig angreifende innere Stirnfläche aufweist und deren Drehachse (L₂-L₂) senk» recht zu der Ebene der äusseren Stirnseite der ersten Scheibe (76) verläuft, und

(c) einem einen Resonanzhohlraum begrenzenden Spiegel (98), der in der zentralen Bohrung (77) der ersten Scheibe (76) angeordnet und an der inneren Stirnfläche der zweiten Scheibe (78) befestigt ist, so dass für wenigstens eine relative Winkelstellung der ersten und der zweiten Scheibe die Oberfläche des Spiegels senkrecht zu der Achse des Resonanz« hohlräume verläuft, so dass, wenn die zweite Scheibe (78) um 180° für jede Winkelstellung der ersten Scheibe gedreht wird, der Winkel zwischen der Resonanzhohlraumachse und der Oberfläche des Spiegels entsprechend geändert wird.

6. Laser nach Anspruch 4 oder 5» gekennzeichnet durch •inen ersten Glaszylinder (2k), der einen Teil der Laserverstärkungsζeile umgibt, an dieser befestigt

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ist und He-Ne-Gas enthält, einen zweiten Gaszylinder (22), der an dem ersten Glaszylinder befestigt ist, einen Teil der Absoprtionszelle umgibt und gasfö'rmi-

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ges Ip enthält, ein wärmeleitendes Rohr (40), das die beiden Glaszylinder (22,24) umgibt und trägt, ein Gehäuse (f>0), das das wärmeleitende Rohr (kk) umgibt und trägt, den Resonanzhohlraum begrenzende Spiegel (66,68), einen wärmeisolierenden Sockel (58), der das Gehäuse (50) trägt, und ein Kühlblech (56) aus Metall, das in dem Sockel (53) angeordnet und mit dem wärmeleitenden Rohr (44) verbunden ist.

7· Laser nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Laser zur Bildung eines Zeitnormals ein zweiter, entsprechend ausgebildeter Laser zugeordnet 1st, der auf eine andere invertierte Lamb-Senke stabilisiert ist, und durch einen Lichtdetektor, der auf die Strahlen der beiden Laser zur Erzeugung eines elektrischen Signals anspricht, das eine Frequenzkomponente aufweist, die gleich der Differenz zwischen der Frequenz der beiden Laser ist.

8. Laser nach Anspruch 7 t dadurch gekennzeichnet, dass beide Laser in dem 6328 A*-Bereich arbeiten.

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