DE2319083A1 - Frequenzgesteuerter laser in passiver q-schaltung - Google Patents
Frequenzgesteuerter laser in passiver q-schaltungInfo
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Description
United Aircraft Corporation
400 Main Street . -
East Hartford,Conn.06108 -
FREQUENZGESTEUERTER LASER IN PASSIVER Q-SCHALTUNG.
Die Erfindung betrifft einen Laser in passiver Q-Schaltung, und insbesondere die Steuerung der Trägerfrequenz und der Folgefrequenz
der Q-Schaltung in einem Laser in passiver Q-Schaltung mit sättigbarem Niederdruckgasabsorber. .
In letzter Zeit beschäftigte man sich immer mehr mit der Anwendung
der Lasertechnologie in der Nachrichtenübertragung und der Radarüberwachung, welche bis jetzt durch die Millimeter- und
Mikrowellentechnik erfasst wurden. So sind z.B. digitale Datenübertragungen mit Pulskodemodulation im Millimeter- und Mikrowellenbereich
bekannt, und wurden sehr hoch entwickelt. Jedoch, ist das zur Verfügung stehende Frequenzspektrum, welches den vielen
privaten und öffentlichen Nachrichtenübertragungssystemen zugeteilt wird, in manchen Gegenden zu diesem Zwecke überlastet und
in grossen Städten vollkommen gesättigt. So hat man sich ausgedacht, dass die Lösung darin läge, die Frequenz noch höher zu
treiben, zu den optischen und fast optischen Frequenzen und insbesondere
zu den infraroten Frequenzen, welche mit Lasern, wie etwa den bekannten 10,6 Mikron-CC^-Lasern leicht erzeugt werden
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können. Dies ist insbesondere vorteilhaft wegen der relativ Obertragungseigenschaften um 10,6 Mikron in der Atmosphäre. Auch
ist es schon lange bekannt, dass die Auflösung von Gegenständen
bei der Anwendung von Mikrowellenradaren in Bezug auf kleine öder
sehr nahe aneinander liegenden Gegenständen extrem begrenzt'., ist.
Dies ist primär bedingt durch die Unmöglichkeit einen Strahl mit geeigneter kleiner Breite zu erzeugen, und durch die Unmöglichkeit
des Empfangsgerätes auf Reflektionen anzusprechen, welche
nahe-am Radarsystem auftreten. Obwohl diese Nachteile beim Millimeterradar
weniger bedeutsam sind, lässt die Anwendung heutiger bekannter Techniken beim Aufbau eines geeigneten Millimeterwellenradars
viel zu wünschen übrig. Hier nimmt man an, dass der Laser Vorteile gegenüber den bekannten Vorrichtungen bringt."
Es ist somit vorrangig notwendig geworden, geeignete Impulslaser
bereitzustellen. Wegen der hohen Energiemenge kann das Pulsieren typisch durch Q-Schaltung (Die im Lasermedium gespeicherte Energie
wird periodisch abgezogen) vorgenommen werden, sodass Energieimpulse in einer Weise erzeugt werden, welche eine kontinuierliche
Erregung des Lasermediums benutzt (anstatt einfach Zerhacken um
Impulse aus einer kontinuierlichen Welle zu erzeugen und dadurch
nur einen Bruchteil der Erregungsenergie zu benutzen). Q-Schal—
ten ist mit Hilfe rotierender Spiegel und Impulsentladungen erzeugt
worden, während die passive. Q-Schaltung durch die Anwendung sättigbarer Absorber im Laserhohlraum selbst vorgenommen wird. Die
beiden ersten Verfahren beschränken die Folgefrequenzen und sind schwer Steuer- und durchführbar und im allgemeinen für die Zwecke
bei denen komplizierte, Impulsiaser angewandt werden, wie etwa Radarsysteme
mit höher Impulsfolgefrequenz nicht geeignet. Desweitern, ist die maximale eindeutige Reichweite eines Radars der .
Impulsfolgefrequenz umgekehrt proportional (weil man reflektierte
Signale eines Impulses von denjenigen eines anderen Impulses trennen
muss). In Mikrowellensendern wird dieses Problem dadurch gelöst, dass man die Impulsfolgefrequenz sehr gross verändert,
ebenso die Verzögerungszeit der Bereichstore, sodass jeder von
einem Zielpunkt reflektierte Impuls in Abhängigkeit von der Reichweite bei verschiedenen Impulsfolgefrequenzen durch die Tore hindurchkann
um die Eindeutigkeit der Reichweite zu liefern. Wegen der mechanischen Trägheit ist das schnelle Ferändern der- Impuls-
folgefrequenz eines Lasersenders mit' rotierenden Spiegeln fast
unmöglich.
Auch ist es wegen den benutzten hohen Leistungen schwierig die Frequenz der Impulsentladungen in einem für einen Radarsender
geeigneten Hochleistungsimpulslaser zu ändern. -
Das Schrifttum ist voll von Berichten über das Verhalten von Lasern
in passiver Q-Schaltung. Ein Grundproblem, welches hervorsticht,
ist die unrege!massige Impulsfolgefrequenz der Laser, welche
mit einem sättigbarem Niederdruckabsorber in Q-Schaltung betrieben werden. Die Impulsfolgefrequenz verändert sich auf
zufälliger Basis und unterliegt Schwankungen als Folge von kleinen Veränderungen anderer Parameter des Lasersystems und es war
bisher nicht möglich die Impulsfrequenz spezifisch zu steuern, vielmehr wurden einfach Laserimpulse mit angesteuerter, undefinierbarer,
veränderlicher Impulsfolgefrequenz gegeben.
Die Aufgabe der Erfindung ist es einen Laser in passiver Q-Schaltung
mit gesteuerter Impulsfolgefrequenz bereitzustellen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Frequenz der
Q-Schaltung in einem Laser t welcher mittels eines nicht sattigbaren
Niederdruckgasabsorbers in Q-Schaltung betrieben wJrd, vom Verhältnis zwischen der Kennlinie der Laserverstärkung als Funktion
der Frequenz und der Absorptionskennlinie als Funktion der Frequenz abhängig ist. Deshalb steuert die Steuerung der Resonanzfrequenz
des Laserhohlraumes für irgendeinen gegebenen Parametersatz nicht nur die Trägerfrequenz des Lasers, aber definiert in
einzigartiger Weise die impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung. Somit
wird die Steuerung der Hohlraumresonanz,als Funktion der Impulsfolgefrequenz
die Impulsfolgefrequenz in einzigartiger Weise definieren, ebenso wie die Laserträgerfrequenz.
Nach der Erfindung ist ein zerstreuenderLaserhohlraum, welcher
ein Laserverstarkungsmedium und einen sä.ttigbaren Niederdruckgäsabsorber
mit einer sättigbaren Absorptionskennlinie bei einer optischen Frequenz im nutzbaren Frequenzbereich des Lasers aufweist,
mit M.itteIn zum Steuern der Resonanzfrequenz des Lasers
versehen, derart, dass in Verbindung mit der Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung des Lasers, die Q-Schaltung des Lasers in der
gewünschten Weise erfolgt. Desweitern kann nach der Erfindung die
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Hohlraumlänge gesteuert. In Übereinstimmung mit der Erfindung, .
wird eine Steuerspannung, welche mit der gewünschten Impulsfolgefrequenz verwandte Eigenschaften hat, benutzt, um einen an; einem
schwingenden Spiegel des Laserhohlraumes befestigten Wandler zu steuern, wodurch die Resonanzfrequenz des Hohlraumes verändert
wird. In weiterer Übereinstimmung mit der Erfindung wird die. Impulsfolgefrequenz
des Lasers mit einer Bezugsgrösse verglichen und der festgestellte Unterschied wird dazu benutzt den Übertrager
welcher seinerseits die Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes verändert,
zu steuern. Desweitern kann in Übereinstimmung mit der Erfindung eine offene oder eine geschlossene Steuerschleife benutzt
werden, und die Spannung kann im wesentlichen konstant oder "zeitabhängig sein, um so eine gewünschte Wirkung zu erzeugen, wie
etwa Kipp- oder Stufenfunktionsänderunge.n in der Impulsfolgefrequenz,
der Trägerfrequenz oder beiden Frequenzen, weil diese von einander abhängig sind. Ausserdem kann in Übereinstimmung
mit der Erfindung die Impulsfolgefrequenz des Lasers mit einem Frequenznormal verglichen werden und der Frequenzunterschied -kann
in eine Steuerspannung für eine geschlossene Steuerschleife für
die Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes umgewandelt werden, wodurch
die Trägerfrequenz und die Impulsfolgefrequenz des Lasers in passiver Q-Schaltung im wesentlichen konstant gehalten werden.
Immer in Übereinstimmung mit der Erfindung kann die Impulsfolgefrequenz
am Laserausgang in eine Spannung umgewandelt werden, welche
mit einer Bezügespannung verglichen wird, und dazu benutzt
wird, um die Hohlraumlänge zu steuern, um so die Trägerfrequenz '
und die Impulsfolgefrequenz des Lasers in passiver Q-Schaltung im wesentlichen konstant zu halten. .
Die Erfindung liefert eine grosse Beweglichkeit in der Steuerung
von Lasern in passiver Q-Schaltung. Die Trägerfrequenz und die Ilapulsfolgefrequenz können konstant gehalten oder um eine Mittenfrequenz verändert oder stufenweise verändert werden,um irgendein
gewünschtes Resultat zu erreichen. Das gewünschte Resultat kann sich auf die Steuerung der Trägerfrequenz oder auf die Steuerung
der Impulsfolgefrequenz eines Lasers in passiver Q-Schaltung be-
-ziehen, weil diese Frequenzen voneinander abhängig sind. Die vorliegende
Erfindung kann mit leicht zur Verfugung stehenden Techniken durchgeführt werden und kann sehr genau funktionieren.
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Die Erfindung wird nun an Hand der beiliegenden Zeichnungen, welche
bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen, näher beschrieben.
Darin sind:
Figur 1 eine vereinfachte Darstellung des Zusammenhangs zwischen
Laserverstärkung und Absorption als Funktion der optischen Laserfrequenz; -
Figur 2 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Ausführungsform
der Erfindung mit Rückkopplungssteuerung;
Figur 3 eine vereinfachte schematische Teildarstellung einer Abwandlung
der Ausführungsform d=r Erfindung} '; ..
Figur 4 eine vereinfachte schematische Darstellung einer offenen
Ausführungsform der Erfindung; und . ■
Figur 5 eine vereinfachte Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Impulsfolgefrequenz und der Steuerspannung in der Ausführungsform
der Figur 2. .·
In der Figur 1 ist eine Kurve 10 der Laserverstärkung eines Lasers
als Funktion der Wellenlänge und einer Kurve 12 der Absorptionsfunktion eines sättigbaren Niederdruckgasabsorbers als Funktion der
Wellenlänge ausgestellt. In den spezifischen Ausführungsformen,
welche weiter unten in Bezugnahme auf die Figuren 1-5 beschrieben werden, wird angenommen, dass das Laserverstärkungsmedium Kohlenstoffdioxyd und der sättigbare Absorber Schwefelhexafluorid enthalten. Obschon die Kurve 12 in der Figur 1 die Absorption des
sättigbaren Absorbers darstellt, soll nicht vergessen werden,
dass der sättigbare Absorber eine veränderliche Absorptionskennlinie hat, welche sich dem Wert Null ,nähert, wenn der Absorber
gesättigt ist. Somit kann die Kurve 12 die ungesättigte oder mittlere Absorption darstellen, wobei es unwichtig in der vorliegenden Beschreibung ist, welche von beiden gemeint ist. Bei einer gegebenen optischen Frequenz V besteht ein eindeutiger Zusammenhang
zwischen der Verstärkung 10 und der Absorption 12. Wegen der
Form der Verstärkungskennlinie und der Absorptionskennlinie ist
dieser Zusammenhang von Frequenz zu Frequenz verschieden* obwohl er für zwei oder mehr unterschiedliche optische Frequenzen der
gleiche sein kann. So ist z*B. bei einer ersten Frequenz, welche durch die Linie 14 gekennzeichnet ist, der Zusammenhang Verstär-
welche weiter unten in Bezugnahme auf die Figuren 1-5 beschrieben werden, wird angenommen, dass das Laserverstärkungsmedium Kohlenstoffdioxyd und der sättigbare Absorber Schwefelhexafluorid enthalten. Obschon die Kurve 12 in der Figur 1 die Absorption des
sättigbaren Absorbers darstellt, soll nicht vergessen werden,
dass der sättigbare Absorber eine veränderliche Absorptionskennlinie hat, welche sich dem Wert Null ,nähert, wenn der Absorber
gesättigt ist. Somit kann die Kurve 12 die ungesättigte oder mittlere Absorption darstellen, wobei es unwichtig in der vorliegenden Beschreibung ist, welche von beiden gemeint ist. Bei einer gegebenen optischen Frequenz V besteht ein eindeutiger Zusammenhang
zwischen der Verstärkung 10 und der Absorption 12. Wegen der
Form der Verstärkungskennlinie und der Absorptionskennlinie ist
dieser Zusammenhang von Frequenz zu Frequenz verschieden* obwohl er für zwei oder mehr unterschiedliche optische Frequenzen der
gleiche sein kann. So ist z*B. bei einer ersten Frequenz, welche durch die Linie 14 gekennzeichnet ist, der Zusammenhang Verstär-
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kung/Absorption durch den Pfeil 16 gekennzeichnet. Bei einer Frequenz,
welche durch eine Linie 1.8 gekennzeichnet ist, ist der Zusammenhang Verstärkung/Absorption durch den Pfeil 20 angedeutet
und bei einer Frequenz, welche durch die Linie 22 gekennzeichnet ist, ist der Zusammenhang Verstärkung/Absorption durch den Pfeil
24 dargestellt» Die Verhältnisse 16,20,24 sind voneinander verschieden,
jedoch besteht eine direkte Abhängigkeit zwischen der Folgefrequenz der passiven Q-Schaltung und den Verhältnissen 16,
20,24; d.h. die Impuls-folgefrequenz wird die.gleiche sein für
identische Verhältnisse, wobei angenommen wird, dass ■ alle anderen
Parameter des Systems konstant bleiben, aber die Impulsfolgefrequenz ist für verschiedene Verhältnisse 16,20,24 verschieden.
Somit ist die Impulsfolgefrequenz eine Funktion der optischen Frequenz d5s Lasers selbst und,die Impulsfolgefrequenz kann durch
Verändern der Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes verändert werden, und gleichzeitig kann die Resonanzfrequenz des Hohlraumes,
durch Oberwachen der Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung gesteuert
werden. -
In dem Schrifttum ist festgehalten, dass es notwendig ist, einen
zerstreuenden,frequenzselektiven HoHraum zu benutzen, um Q-Schaltung mit einem, sättigbaren Absorber zu erzeugen. Dies kommt daher,
dass dann, wenn ein nicht zerstreuender Laserhohlraum benutzt wird, das Vorhandensein des Absorbers, selbst eines sättigbaren
Absorbers, welcher bei einer gegebenen optischen Hohlraumresonanzfrequenz wirksam ist oder Absorptionseigenschaften zeigt, bewirkt,
dass der Laser ein ungedämpftes Ausgangssignal bei einer anderen
Hohlraumresonanzfrequenz erzeugt, welche innerhalb einer anderen Linie fällt,welche eine höhere Nettoverstärkung (weniger Verluste)
hat, als bei der auf die Frequenz des Absorbers abgestimmten Hohlraumresonanzfrequenz.
So würde z.B. bei der Lage nach der Figur 1 der Laser eher bei einer durch die Linie 26 bezeichneten Wellenlänge
arbeiten, wei1 dies die Frequenz maximaler Verstärkung (oder
minimaler Verluste) in dem gesamten System einschliesslich des Absorbers ist. Weil das System nicht bei einer Frequenz arbeitet,
wo der.Absorber wirksam ist, wird der Absorber nicht periodisch gesättigt und bewirkt keine Q-Schaltung des Lasers. Macht man
aber den Hohlraum zerstreuend und erreicht man so, dass er nur im
ungedämpften Betrieb in einem relativ schmalen Wellenlängenband
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(d.h. einer einfachen. Linie) arbeiten kann, wird das oben genannte
Problem vermieden. Dies ist eine erste Eigenschaft der Erfindung.
In der Figur 2 ist eine Art eines zerstreuenden Laserhohlraumes
dargestellt, in dem ein sättigbarer Niederdruckgasabsorber angeordnet ist, und Mittel vorgesehen sind, um die Resonanzfrequenz
des Hohlraumes zu verändern. Insbesondere weist der Laserhohlraum einen teilweise reflektierenden flachen Spiegel 30, einen teilweise
reflektierenden konkaven Spiegel 32, eine das Laserverstärkungsmedium
(wie etwa eine Mischung mit Kohlenstoffdioxyd) enthaltende
Zelle 34 mit ein elektrisches Feld erzeugenden Elektroden 35 (welche an eine Leistungsquelle 37 angeschlossen sind), eine einen
sättigbaren Niederdruckgasabsorber (wie etwr. Schwefelhexafluorid)
enthaltende Zelle 36 und mehrere Prismen 38 auf. Die Prismen 38 biegen den Laserstrahl, welcher, durch eine gestrichelte Linie in
der Figur 2 dargestellt ist,um einen Betrag, welcher eine kritische
Funktion der Wellenlänge des Laserstrahles ist.. D.h. das Licht wird zwischen den Spiegeln 30,32 nur in einem sehr engen
Wellenlängenbereich reflektiert und andere Wellenlängen werden von den Prismen in einer solchen Weise zerstreut, dass der Laserhohlraum
keine kohärente stimulierte Emission erzeugt. Dies macht den Hohlraum zerstreuend und verhindert das Problem des Lasers dazu
zu neigen in einem Zwischenbereich zu funktionieren, welcher verschieden
ist, von demjenigen, welcher die charakteristische Absorptionsfrequenzbandbreite
des sättigbaren Absorbers enthält. Somit wird der Hohlraum der Figur 2 in Q-Schaltung betrieben bei
einer Impulsfolgefrequenz, welche von der genauen Resonanzfrequenz
abhängt, welche durch den Gesamtabstand zwischen den Spiegeln 30,32 bestimmt ist. Für den in der Figur 2 gezeigten Hohlraum
ist eine Steuerung seiner Resonanzfrequenz mittels eines geeigneten Übertragers vorgesehen, wie etwa ein hohler, zylindrischer, piezoelektrischer
Kristall 40 an dem der Spiegel 32 festgemacht ist, wobei das andere Ende des Kristals 40 an einem Element 42 festgemacht
ist, welches an dem umgebenden Aufbau, so wie der Spiegel 30 befestigt ist. Legt man eine geeignete Spannung an die Wand
des zylindrischen, piezoelektrischen Kristalls 40, so wird die
axiale Länge des Kristalls verändert, was seinerseits die Lage des Spiegels 32 bezüglich des Spiegels 30 verändert, wodurch die
Resonanzfrequenz des Hohlraumes gesteuert wird. Die Steuerspannung
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wird dem Kristall 40 über eine Leitung 44 von einem Verstärker 46
zugeführt, der seinerseits von einer Vorrichtung 48, welche eine
Gleichspannung als Funktion des Frequenzunterschiedes zwischen
zwei ihm zugeführten Frequenzen erzeugt., gespeistf diese Vorrichtung 48 kann jede bekannte Frequenzvergleichsvorrichtung sein,
so etwa diejenigejf welche unter dem Kamen Synchrondemodulator bekannt
ist. Dem Synchrondemodulator 48 wird"eine Bezugsfrequenz von einer Quelle 50 und ein elektrisches Signal von einem Photodetektor
52 zugeführt. Es ist wichtig, zu bemerken, dass der Photodetektor 52 nicht die optische Frequenz.des Lasers misst/ d.h. er
braucht nicht im Überlagerungsbetrieb zu arbeiten, sondern vielmehr
nur den Energiestoss der Impulse f eststellfcj in anderen Worten der
Photodetektor 52 braucht nicht auf die Frequenzlaserstrahlung anzusprechen, sondern er braucht nur eine Frequenzgang bis hinauf
zur Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung zu haben.
Beim Betrieb erzeugt das Laserverstärkungsmedium in der Zelle 34
durch stimulierte, kohärente Emission elektromagnetische Strahlung
mit einer Frequenz, welche durch den Abstand der Spiegel 30,32
bestimmt wird, innerhalb der breiten Verstärkungskennlinie des
Mediums in der Zelle 34 und innerhalb des engeren Übertragungsbandes der Prismen 38. Im Fall eines CO^-kasers tritt in bekannter
Weise eine Schwingung zwischen 9 und 11 Mikron auf. Wie bekannt ist, hat ein sättigbarer Niederdruckgasabsorber, wie etwa Schwefel
hexafluorid, eine Äbsorptionskennlinie, welche umgekehrt proportional
zur Intensität der durchlaufenden elektromagnetischen
Strahlung ist. In dem Masse wie die Strahlung sich im Hohlraum
aufbaut/ absorbiert die Äbsorptionszelle 36 immer eine kleine Menge davon bis sie gesättigt ist, zu welchem Zeitpunkt sie für
die Strahlung höherer Intensität durchsichtig wird. Dann tritt ein sehr schnelles Anwachsen der Laserenergie in dem Hohlraum auf,
wodurch ein Äusgangsimpuls erzeugt wird. Jedoch beginnt der sättigbar
e Absorber, sobald er sich erholt hat, wieder Energie zu absorbierend
wodurch die Güte des Systems eventuell zerstört oder
die kohärente, stimulierte Emission elektromagnetischer Energie unterdrückt wird, Somit wird die Vorrichtung in Q-Schaltung betrieben
bei einer Folgefrequenz, welche eine Funktion des Verhältnisses zwischen der Verstärkungskennlinie des Laserverstärkungsmediums
in der Zelle 34 und der Absorptionskennlinie des sättigbaren Ab-
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sorbers in der Zelle 36 ist. Dieses Verhältnis ist eine Funktion der Resonanzfrequenz des Hohlraumes, welche durch den Abstand.der
Spiegel 30,32 unter der Steuerung des Übertragers 40 bestimmt
wird. Der Photodetektor 52 misst jeden Impuls und erzeugt einen Impulszug bei einer Frequenz, welche gleich der. Folgefrequenz
der Q-Schaltung ist. Durch Vergleich dieser Frequenz mit der Bezugsfrequenz
der Quelle 50 erzeugt der Frequenzvergleicher 48-ein Fehlersignal, welches nach Verstärkung den elektrischen Zug am
Wandler 40 verändert, um so die Stellung des Spiegels 32 bezüglich derjenigen des Spiegels 30 in einer Weise zu·verändern, dass die
Resonanzfrequenz des Hohlraumes konstant bleibt. Somit wird die Ausführungsform der Figur 2 eine sehr stabile Trägerfrequenz des
Lasers liefern und gleichzeitig die Impulsfolgefrequenz der Q-Schaltung
des Lasers genau steuern. ■ ■ .
Das Frequenznormal der Figur 2 kann eine konstante oder eine veränderliche
Frequenz sein. Wenn die Frequenz veränderlich ist, dann werden sich die Impulsfolgefrequenz und die Folge-frequenz des
Lasers in Q-Schaltung in gleicher Weise verändern. Das Ausgangssignal
des Lasers kann einer kontinuierlichen Frequenzänderung zwischen zwei Frequenzen unterworfen werden, indem eine sägesahnförmige
Veränderung der Bezugsfrequenz der Quelle 50 vorgesehen wird. Andere Veränderungen können auch vorgesehen sein.
Anstatt Frequenzen miteinander zu vergleichen, kann das Ausgangssignal des Detektors 52 auch einem Diskriminator 54 zugeführt
werden, so wie es in der Figur 3 dargestellt ist, um so eine Gleichspannung auf einer-Leitung 56 zu erzeugen, welche eine
Funktion der Impulsfolgefrequenz der Vorrichtung ist. Die Spannung kann mit einer Bezugsspannung auf einer Leitung 58 in einem
Differentialverstärker 60 verglichen werden, um so ein Fehlersignal an den Verstärker 46 zu liefern, welches mit dem Signal übereinstimmt,
das am Ausgang des Synchrondemodulators 48 der Figur
2 ansteht. Die Bezugsspannung auf der Leitung 58 kann in irgendeiner
geeigneten Weise bereitgestellt werden, etwa mit Hilfe eines einfachen Potentiometers 62, das an eine geeignete Gleichspannungsquelle
64 angeschlossen ist. Selbstverständlich können andere Verfahren zum Etzeugen einer Fehlerspannung als Funktion
des Frequenzunterschiedes zwischen der Ist-Impuläblgefrequenz und
einer gewünschten Impulsfolgefrequenz vom Fachmann ausgedacht wer-
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Die in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausfuhrungsformen sind
solche mit geschlossenem Steuerkreis} d.h. das Ausgangssignal wird
überwacht um die Länge des optischen Hohlraumes zu steuern. Andererseits kann die vorliegende Erfindung mit einer passiv stabilen
Laserhohlraum in einer offenen Steuerung betrieben werden, falls dies erwünscht ist, um sich verschiedenen Anwendungen derselben anzupassen,
so wie es in den Figuren 4 und 5 dargestellt ist. In der Figur 5 ist der Laseraufbau grundsätzlich derselbe wie derjenige
in der Figur 2, mit der Ausnahme, dass keine Prismen 3,8 und kein Detektor 52 vorgesehen sind. Die Prismen 38 sind in 'der Ausführungsform der Figur 4 nicht erforderlich, weil der Hohlraum zum zerstreuenden
Hohlraum durch die Anwendung einer Zelle 36 gemacht wurde, welche nicht nur ein sättigbares Absorbergas unter niedrigem
Druck enthält, aber ein zusätzliches Gas, wie etwa Chloro-Trifluor-AEthylen
(C2F3Ce) enthält, welches eine hohe Absorptionseigenschaft bei Frequenzen aufweist, welche von der Frequenz verschieden
sind, bei der das Schwefelhexafluorid sättigbare Absorptionseigenschaften aufweist. Somit-wird der Laser eher bei einer
Frequenz innerhalb des Absorptionsbandes des Schwefelhexafluorides
in Q-Schaltung arbeiten, als in den verlustreicheren, anderen Frequenzen,
bei denen das C3F3Cl-GaS eine hohe Absorptionsfähigkeit ·
hat. Auch braucht in der Ausführungsform der Figur 4 das Element
42 nicht hohl zu sein, um den Ausgangsstrahl zum Detektor durchzulassen. In dieser Ausführungsform wird das System in einer offenen
Schleife in Abhängigkeit von einer Impulsfolgefrequenzsteuerspannung
von einer Quelle 36 betrieben. Die Natur dieser von der Impulsfolgefrequenzsteuerspaünungsquelle 66 bereitgestellte Spannung
kann in Abhängigkeit von der gewünschten Anwendung des Lasers in
Q-Schaltung verändert werden. So kann z.B. wie weiter oben beschrieben worden ist,das Bereitstellen mehrerer Impulsfolgefrequenzen
zum Lösen der mehrdeutigen Reichweiten eines Laserradarentfernungsmesssystems
die Zuführung von stufenförmigen Spannungen an den Wandler 40 bedingen. Diese Spannungen können von der in der Figur
5 dargestellten Art sein. Solche Spannungen können in einfacher Weise durch Dekodieren eines mit einer gewünschten Frequenzänderung
(grob 1/10 der gewünschten mittleren Impulsfolgefrequenz für die
in der Figur 5 dargestellte Wellenform) gesteuerten Flipflops be-
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reitgestellt werden, wobei die Ausgänge des Flipflops durch einen Digitalanalogwandler dekodiert werden, welcher diese gestufte
Spannungen erzeugt, Auch kann ein Kipposzillator oder ein anderer,
eine stufenförmige Spannung erzeugender Generator als Impulsfolgefr eguenzsteuerspannungsquelle 66 benutzt werden» Wie aus Figur 5
erkennbar ist, wird sich die Resonanzfrequenz des Hohlraumes in Abhängigkeit von der Steuerspannung verändern und, so wie es weiter
oben beschrieben worden ist, wird sich die Impulsfolgefrequenz
ändern (die verschiedenen Impulsfolgefrequeazen sind mit F,, F_ und
F, in der Figur 5 bezeichnet). Andererseits kann die Impulsfölgefrequenzsteuerspannungsquelle
66 eine sägezahnförmige Spannung oder eine Spannung anderer Form erzeugen, um so die Trägerfrequenz zwischen
zwei Endwerten kontinuierlich zu verändern oder um die Impulsfolgefrequenz
in irgendeiner gewünschten Weise zu wqbbeln oder zu verändern. Das gegebene Verhältnis zwischen der Verstärkungskennlinie und der Absorptionskennlinie bei irgendeiner optischen
Frequenz des Lasers liegt nur solange fest, wie die anderen Parameter
gleich bleiben. Wenn die Verstärkungskennlinie sich verändert, wie etwa durch Verändern des elektrischen Feldes, welches* dem Laserverstärkungsmedium
Energie zuführt, wenn der Laser ein Laser mit elektrischer Entladung ist, oder durch Ändern des Druckes der Zusammensetzung
des Gases oder anderer Parameter im Falle eines Gasflusslasers
, dann wird sich das Verhältnis zwischen der Verstärkung und der Absorption bei irgendeiner gegebenen Frequenz auch verändernIn
einem solchen Fall kann die Trägerfrequenz nicht genau
durch die Impulsfolgefrequenz gesteuert werden, noch kann die Impulsfolgefrequenz durch Steuern "der Linienfrequenz genau gesteuert
werden. Es sei jedoch bemerkt, dass bei vielen Anwendungen die anderen Parameter sehr genau gesteuert werden können, sodass das
Verhältnis mit einem ausreichenden Genauigkeitsgrad erreichbar ist, um so Nutzen ans der vorliegenden Erfindung ziehen zu können.
Obwohl hier nur CO2 als Lasergasmedium erwähnt worden ist, ist es
selbstverständlich, dass in einem CO2-Laser das Gas vorzugsweise
eine Mischung aus CO2 und anderen Gasen, welche zur Steuerung der
Erregung des CO2 dienen, wie etwa Stickstoff,Helium, usw., ist.
Dies alles ist aus dem Stande der Technik bekannt und bildet keinen
Teil der vorliegenden Erfindung. In ähnlicher Weise muss bedacht werden, dass, obwohl ein statischer Laser mit geschlossener Zelle
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in den Figuren 2 bis 4 dargestellt ist, Strömungsgaslaser oder
Laser anderer Arten, wie etwa ein Helium-Neon-Laser, benutzt werden
können, falls dies erwünscht ist. In ähnlicher Weise können auch
dynamische Gaslaser, welche auf dem Einfrieren von Energieniveäus in einer Düse beruhen, benutzt werden, um die vorliegende Erfindung
durchzuführen falls dies wünschenswert ist.
Auch kann die Rückkopplung erreicht werden, indem man das Laserausgangssignal,
so wie es durch den teilweise durchlässigen Spiegel 30 ausgekoppelt wird, überwacht, anstatt eine separate Auskopplung
durch den Spiegel 32 in der Figur 2 vorzusehen.
Somit sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung Jbeschrie- ·
ben worden, welche einen zerstreuenden-Läserhohlraum haben mit
Mitteln zum Steuern der Resonanzfrequenz desselben, wobei in dem Hohlraum ein sättigbarer Niederdruckgasabsorber mit einer sättigbaren
Abs orptionske'nnlinie bei einer Frequenz des Lasers, welche innerhalb des Bandes der Betriebsfrequenzen des zerstreuenden Laserhohlraumes
liegt, angeordnet ist und mit Mitteln zum Steuern der Hohlraumresonanzfrequenz, etwa durch Steuern der Hohlraumlänge.
Die Frequenz könnte auch auf andere Weisen gesteuert werden, wie etwa durch Verändern des Brechungsindexes des Gases in einer Zelle
im Hohlraum um so die wirksame optische Länge des Hohlraumes zu
verändern. Ein zerstreuender Hohlraum kann entweder durch eine frequenzabhängigen,
optischen Weg erzeugt werden, so wie es in der Figur 2 dargestellt ist, oder mit Hilfe eines zusätzlichen Absorbers,
so wie es in ö?r Figur 4 dargestellt ist, um ein Beugungsgitter
zu liefern, welches nur einen engen Frequenzbereich auf dem gegenüberliegenden Spiegel mittels mehrerer gekoppelter Hohlräume
zurücksendet oder durch andere Mittel. In ähnlicher Weise können andere Wandlerarten, wie etwa magnetostriktive Vorrichtungen,Gaszellen
veränderlichen Druckes (Brechungsindex), in Übereinstimmung mit den Lehren der Technik benutzt werden. All dies ist nicht Gestand
der Erfindung.
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Claims (6)
- - 13 - .PATENTANSPRÜCHEEin bezüglich der Impulsfolgefrequenz und der optischen Trägerfrequenz gesteuerter Laser in passiver Q-Schaltung, gekennzeichnet durch einen zerstreuenden LaserhöhIraum mit mindestens einem Spiegelpaar (30,32) , wovon mindestens einer die Auskopplung der Laserenergie aus dem Hohlraum ermöglicht, eine in dem Laserhohlraum angeordnete, optische Verstarkungsvorrichtung (34), ein im Laserhohlraum angeordneter sättigbarer Niederdruckgasabsorber (36,36a) und Mittel (40) zum Steuern der Resonanzfrequenz des Laserhohlraumes . . ,
- 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,-dass die Mittel zum Steuern der Resonanzfrequenz des Hohlraumes Mittel zum Steuern der optischen Weglänge des Laserhohlraumes umfassen.
- 3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Steuern der optischen Weglänge einen an einem der Spiegel befestigten, in Abhängigkeit von zugeführten Signalen •betreibbaren Wandler (40) zum Verändern der Stellung des Spiegels und eine Steuerspannungsquelle zum Bereitstellen des die Verstellung des Spiegels bewirkende Spannung umfassen. :
- 4. . Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannungsquelle einen auf die aus dem Laserhohlraum ausgekoppelte Laserimpulsleistung ansprechendenoptischen Detektor (52), welcher eine Reihe elektrischer Signale erzeugt, deren Frequenz ein Mass für die Frequenz der Q-Schaltung des Lasers ist, und auf die elektrischen Signale ansprechende Mittel (48) zum Erzeugen einer Steuerspannung für den Wandler (40) umfasst.
- 5. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannungsquelle eine Bezugssignalquelle (50) und eine auf die aus dem Laserhohlraum ausgekoppelte Laserenergie und die BezugsSpannungsquelle ansprechende Vorrichtung (48) zum Entwickeln einer Steuerspannung für den Wandler (40) umfasst.
- 6. ' Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerspannungsquelle eine Gleichspannungsbezugsquelle (62,64), einen Frequenzdiskriminator (54), einen auf die Gleichspannungsbezugsquelle (62,64) und den Frequenzdiskriminator (54)' ansprechenden Differentialverstärker (60) und einen an den Differential-309846/0802Verstärker (60) ansprechenden Treiberverstärker (46) , dessen Ausgang an den Wandler (40) angeschlossen ist, umfasst.309846/0802/Γ Leerseite
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