DE2403501B2 - Verfahren zur Regelung der Phasenanpassung einer kohärenten Sekundärstrahlung in einem nichtlinearen Kristall - Google Patents
Verfahren zur Regelung der Phasenanpassung einer kohärenten Sekundärstrahlung in einem nichtlinearen KristallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der -Phasenanpassung einer kohärenten Sekundärstrahlung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
Kohärente Sekundärstrahlung kann in Kristallen
Kohärente Sekundärstrahlung kann in Kristallen
jo durch Ausnutzung nichtlinearer Polarisationseffekte
erzeugt werden, die durch die elektrischen Felder einer intensiven kohärenten Primärstrahlung hervorgerufen
werden. Die Frequenz der Sekundärstrahlung ist dabei gegen die Frequenz der Primärstrahlung verändert. Bei
Einwirken eines Laserstrahls der Frequenz /"auf einen
doppelbrechenden Kristall kann in diesem die harmonische Welle der Frequenz 2 f erzeugt werden. Bei
Einwirkung von Laserstrahlen verschiedener Frequenzen, beispielsweise /1 und /2, kann in einem nichtlinearen
Kristall die kohärente Sekundärstrahiung mit der Summenfrequenz /) + /2 oder mit der Differenzfrequenz
f\ — f2 erzeugt werden. Durch diese Erzeugung
von Sekundärstrahlung kann der Wellenlängenbereich der Emission von Lasern erweitert werden. Der
Wellenlängenbereich von handelsüblichen Farbstofflasern kann durch die Erzeugung von Sekundärstrahlung
in einem nichtlinearen Kristall sowohl auf den UV- als auch auf den IR-Bereich erweitert werden. Voraussetzung
für eine wirkungsvolle Umwandlung einer als Primärstrahlung wirkenden Laserstrahlung in eine
Sekundärstrahiung anderer Frequenz ist jedoch, daß die primäre Welle und die sekundäre Welle auf dem
Durchstrahlungsweg in Phase bleiben, d. h., daß beide Wellen im nichtlinearen Kristall dieselbe Phasenge-
•55 schwindigkeit besitzen müssen.
Zur Herleitung der Bedingungen für Pluisenanpassung
zwischen primärer und sekundärer Welle und zum Stand der Technik dienen folgende Erläuterungen:
Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen primärer
Die nichtlineare Wechselwirkung zwischen primärer
bo und sekundärer Welle ist an Bedingungen geknüpft, die
dem Energiesatz und Impulssatz Rechnung tragen.
Zur Erhaltung von Energie- und Impulssatz muß gelten:
/1 + /2 = .13' *
4 k2 =
(H)
Hierin bedeuten:
/, = die Frequenzen,
T^ = die Wellenvektoren,
m = η (fi)d\e Brechungsindizes für die Wellen,
c = die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Für kollinearen Durchgang erhält man daraus die Phasenanpassungsbedingung:
+ "2/2 = "3/3-
(III)
15
Diese kann in verschiedenen nichtlinearen Kristallen dadurch erfüllt werden, daß die Dispersion der
Lichtgeschwindigkeit im Kristall durch die Anisotropie des Brechungsindex kompensiert wird.
In doppelbrechenden Kristallen sind im Prinzip zwei Typen der Phasenanpassung möglich:
Die Wellen mit den Frequenzen f\ und /2 besitzen
die gleiche Polarisation (beide sind entweder ordentliche oder außerordentliche Strahlen).
Typ 2:
Die Polarisationsrichtung der Wellen mit den Frequenzen f\ und /2 sind orthogonal zueinander
(ein ordentlicher und ein außerordentlicher Strahl).
Für den Spezialfall der Frequenzverdopplung mit Phasenanpassung nach Typ 1 geht die Phasenanpassungsbedingung
111 über in
= ne{2f),
(IV)
wobei der Index »o« auf den ordentlichen und der Index
»ewauf den außerordentlichen Strahl hinweist.
In einem einachsigen Kristall mit negativer Doppelbrechung kann die Bedingung (IV) erfüllt werden, wenn
im Kristall Richtungen existieren, für die der außerordentliche Brechungsindex für die Frequenz 2 /'genau so
groß ist wie der ordentliche Brechungsindex für die Frequenz f. Strahlt man daher eine ordentlich
polarisierte Welle der Frequenz / in dieser Richtung durch den Kristall, so ist die durch die nichtlineare
Wechselwirkung erzeugte Oberwelle der Frequenz 2 f mit außerordentlicher Polarisation automatisch phasenangepaßt
und kann auf der Wechselwirkungsstrecke kumulativ erzeugt werden.
Für einen einachsigen Kristall mit positiver Doppelbrechung muß an Stelle von (IV)
= no(2f)
(V)
gefordert werden.
Frequenzverdopplung in einachsigen Kristallen mit Phasenanpassung nach Typ 2 erfordert die Erfüllung der bo
Bedingungen
Entsprechende Formeln für die Phasenanpassung bei der Summen- und Differenzfrequenzerzeugung lassen
sich durch analoge Überlegungen ableiten und können der Literatur entnommen werden (s. zum Beispiel J. E.
Midwinter, J. Warner, Brit. J. Appl. Phys., 16, 1135 [1965]; G. C. Bhar, D. C. Hanna, B.
Luther-Davies and R. C. S m i t h, Optics Communications, 6,323 [1972]). Die Bedingungen für Phasenanpassung
in biaxialen Kristallen sind bei Hobden, J. Appl. Phys., 38,4365 (1967), zu finden.
Wird die Emission eines oder mehrerur frequenzvariabler
Laser als Primärstrahiung verwendet, so kann mit Hilfe nichtlinearer Polarisationsprozesse in Kristallen
eine frequenzvariable kohärente Strahlung im ultravioletten und im infraroten Spektralbereich erzeugt
werden. Zur Erzeugung durchstimmbarer und leistungsstarker Primärstrahlung stehen im sichtbaren
Spektralbereich Farbstofflaser zur Verfügung. Bandbreite und Wellenlänge der emittierten Strahlung dieser
Laser kann nach dem Stand der Technik durch Verwendung dispergierender Elemente im Laserresonator
in weiten Grenzen variiert werden.
Eine besonders große Umwandlungsrate bei der Erzeugung kohärenter Strahlung im Wellenlängenbereich
zwischen ca. 260 und 350 nm durch Frequenzverdopplung von Farbstofflaseremission kann in Kaliumdihydrogenphosphat-Kristallen
(KH2PO4) und in Ammoniumdihydrogenphosphat-Kristallen [(N^)H2POi], die
abgekürzt auch als KDP- und ADP-Kristalle bezeichnet werden, erzielt werden. Zur Erzeugung einer hohen
Feldstärke wird der Laserstrahl mit einer Linse in den Kristall fokussiert.
Untersuchungen zur Frequenzverdopplung von Farbstofflaserstrahlung
in KDP- und ADP-Kristallen haben gezeigt, daß in einem fokussierten Laserstrahl die
Phasenanpassungsbedingung bei Einstrahlung spektral schmalbandiger Laserstrahlung nicht für den gesamten
Öffnungswinkel des Laserbündels erfüllt werden kann (s. zum Beispiel J. Kühl, H. Spitschan, Optics
Communications, 5, 382 [1972]). Die Erzeugung der Oberwelle kann daher nur in einem sehr schmalen
Winkelbereich beobachtet werden. Dies führt dazu, daß der Querschnitt des erzeugten UV-Strahls in der
kritischen Richtung, die durch die optische Achse des Kristalls festgelegt ist, je nach Bandbreite des Lasers
stark beschnitten wird.
Als dispergierende Elemente zum Durchstimmen der Laseremission werden z. B. Beugungsgitter, Dispersionsprismen,
Interferenzfilter, Fabry-Perot-Etalons, achromatische Linsen, Lyot-Filter bzw. eine Kombination
von mehreren solcher Elemente verwendet. Die spektrale Durchstimmung der Laserstrahlung kann
beim Interferenzfilter ζ. B. durch eine Variation der Winkelstellung des Filters zur Strahlrichtung erreicht
werden. Beim Lyot-Filter und Fabry-Perot Etalon mit einem Abstandstück aus Piezokeramik kann die
Durchlaßwellenlänge durch Veränderung einer elektrischen Spannung verändert werden.
Bestrahlt man einen einachsigen doppelbrechenden Kristall mit der frequenzvariablen Strahlung eines
Farbstofflasers, um frequenzvariable Sekundäistrahlung
der doppelten Frequenz zu erzeugen, so muß die Phasenanpassungsbedingung im Kristall für die jeweils
eingestrahlte Laserfrequenz und ihre Oberwelle erfüllt sein, da die Brechungsindizes n„ des ordentlichen und nc
des außerordentlichen Strahls in verschiedener Weise Dispersion zeigen. Das Problem, die Phasenanpassung
in Abhängigkeit von der Variation der Wellenlänge stets wiederherzustellen, kann bekanntlich auf zwei
Wegen gelöst werden:
1. Die Kristallorientierung wird durch Drehen des Kristalls um die Achse senkrecht zur optischen
Kristallachse in der Weise mit der Frequenz geändert, daß der Winkel zwischen der Laserstrahlrichtung
im Kristall und der optischen Kristallachse gerade dem Phasenanpassungswinkel für die
jeweilige Frequenz entspricht.
2. Die Kristalltemperatur und damit die Größe der Brechungsindizes /?„ und nc werden in der Weise mit
der Frequenz geändert, daß die Beziehungen (IV) bzw.(V)erfüllfbleiben.
Das spektrale Durchstimmen der im Kristall erzeugten Sekundärstrahlung erfordert demnach die gleichzeitige
Änderung von mindestens zwei experimentellen Parametern: ·■-■,
a) Die Variation der Laserausgangsfrequenz: Dies geschieht beispielsweise durch Änderung der
Winkelstellung des dispergierenden Elements im Resonator des Lasers.
b) Die Erfüllung der Phasenanpassungsbedingung im doppelbrechenden Kristall: Dies geschieht beispielsweise
durch Änderung der Kristallorientierung oder der Kristalltemperatur.
Da sich die Winkelstellungen des Kristalls und des dispergierenden Elements im Laserresonator in sehr
unterschiedlicher Weise und jeweils nichtlinear mit der Wellenlänge ändern, ist eine Kopplung der beiden
Bewegungen nach dem Stand der Technik nur möglich, nachdem die in Frage kommende Abhängigkeit durch
die Aufnahme einer Eichkurve festgelegt ist. Doch setzt die Verwendung einer Eichkurve voraus, daß alle
experimentellen Parameter hinreichend konstant gehalten werden können, was nicht immer gewährleistet ist.
Insbesondere ist die Aufnahme einer Eichkurve für jedes neue dispergierende Element, das mit dem Kristall j>
kombiniert wird, nötig.
Aus der US-PS 33 28 723 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer phasenangepaßten kohärenten Sekundärstrahlung
bekannt, bei dem die Phasenanpassung der Sekundärstrahlung an die Primärstrahlung über einen
Regelkreis nachgestimmt wird. Dieses bekannte Verfahren geht aus von einer frequenzstabilen Primärstrahlung,
aus der eine frequenzstabile Sekundärstrahlung erzeugt werden soll.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe 4Ί
zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Nachstimmung der Phasenanpassung
der Sekundärstrahlung an eine frequenzvariablc Primärstrahlung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, vt
daß zur Aufrechterhaltung der Phasenanpassung bei Durchstimmen der Wellenlänge der Primärstrahlung
die vom Grad der Phavenanpassung abhängige Richtung der den Kristall verlassenden Sekundärstrahlung
zur Steuerung eines Regelkreises verwendet und über r>r>
diesen konstant gehalten wird.
Um durchstimmbar Sekundärstrahlung in einem
breiten Emissionsbereich zu erhalten, ist es vorteilhaft, daß als Quelle für die Primärstrahlung ein Laser mit
wellenlängcnvariabler Emission verwendet wird und hii
daß ein Teil der Sekundärstrahlung auf eine Detektorunordnung gelenkt wird, die auf die örtliche Verlagerung
der Sekiindiirstrahlung mit einem elektrischen
Signal reagiert, diis mich Absolutwert und Vorzeichen
ein Maß für die Verlagerung der Sekundärstrahlung ist. h'i
Wenn die l'hiiseniinpussung durch Änderung der
Kristallorienticning in bezug auf die Kinfallsrichuing
der Primarsirahlunj.' erreicht werden soll, kann das in
der Detektoranordnung erzeugte Signal zur Steuerung eines Servomotors verwendet werden, der die Drehstellung
des Kristalls so lange korrigiert, bis das Signal wieder den Wert Null annimmt.
Wenn die Phasenanpassung durch Änderung des Brechungsindex im Kristall erreicht werden soll, wird
zweckmäßig das in der Detektoranordnung erzeugte Signal zur Steuerung eines den Kristall umgebenden
Heizofens verwendet, welcher die Temperatur und damit die Brechzahl des Kristalls so lange ändert, bis das
Signal wieder den Wert Null annimmt.
Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch
aus, daß als Primärstrahlungsquelle ein durchstimmbarer
Farbstofflaser vorgesehen ist, daß im Lichtweg der emittierten Laserstrahlung eine Sammellinse angeordnet
ist, daß die aus dieser Sammellinse austretende Primärstrahlung auf den in einem Drehtisch montierten
nichtlinearen Kristall fällt, daß zur Durchführung der Drehbewegung ein Stellmotor vorgesehen ist, der den
Drehtisch antreibt, daß weiterhin im Lichtweg der aus dem Kristall austretenden Sekundärstrahlung eine
teilreflektierende Platte vorgesehen ist, die einen Teil der Strahlung aul die aus zwei nebeneinander liegenden
Fotoempfängern bestehende Detektoranordnung lenkt, und daß weiterhin den Fotoempfängern ein Operationsverstärker
nachgeordnet ist, dessen Ausgang auf die Ansteuereinheit des Stellmotors einwirkt. Durch difese
Vorrichtung wird eine automatische Kopplung der Kristallbewegung an die Bewegung des zur Wellenlängenselektion
dienenden dispergierenden Elements im Laserresonator erreicht. Der im Kristall erzeugte
UV-Wellenlängenbereich kann durch Variation eines einzigen experimentellen Parameters, beispielsweise
der Stellung des dispergierenden Elements im Laserresonator, durchgestimmt werden. Außerdem wird durch
das automatische Nachstellen des Kristalls ein räumliches Wandern des emittierten UV-Lichtes vermieden.
Die Parallelversetzung der Sekundärstrahlung beim Kippen des planparalleler) Kristalls kann dadurch
vermindert oder aufgehoben werden, daß der nichtlineare Kristall in ein flüssiges Medium eingebettet ist.
dessen Brechzahl der des Kristalls etwa gleich ist.
Die Parallelversetzung der Sekundärstrahlung beim Kippen des planparallelen Kristalls kann außerdem
auch durch Verwendung von zwei miteinander gekoppelten, im Lichtweg hintereinander angeordneten und
spiegelbildlich zueinander drehbaren Kristallen aufgehoben werden.
Zur Erreichung einer Frequenzänderung der Sckundärstrahlung im Kristall durch Summen- oder Differenzbildung
der Frequenzen zweier Primärstrahlungeti verschiedener Wellenlänge dient ein vorteilhaftes
Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, das sich
dadurch auszeichnet, daß als Primärstrahlungsqueller zwei Laser vorgesehen sind, von denen einer eine feste
Frequenz, ausstrahlt, während die Frequenz des anderer durchstimmbar ist, daß ein Umlenkspiegel und cir
tcildurchlässiger Spiegel vorgesehen sind, welche die
Laserstrahlung auf eine im Lichtwcg angeordnete Sammellinse lenken, daß der hinter der Sammellinse
angeordnete nichtlincare Krislall von einem Hciz.ofer umgeben ist, daß hinler dem Krislall eine teilreflcktierende
Platte vorgesehen ist, welche die vom Krisliil iiuslrctcnde Sekundärslnihlung auf die Deteklornnord
ming lenkt, und daß weiterhin der Dctcktorunordnun{j
ein Operationsverstärker nachgeordnel ist, der mil dei
Ansteuereinheil für die Stromversorgung des Heizofens verbunden ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die Verhinderung eines
räumlichen Auswanderns der emittierten Sekundärstrahlung eine Verfälschung von experimentellen
Untersuchungen vermieden wird. Eine solche Verfälschung würde beispielsweise bei Abbildung des Strahls
auf einen Monochromatorspalt oder durch Änderung des Beobachtungsvolumens bei Fluoreszenzmessungen
durch ein räumliches Wandern des emittierten Sekundärstrahls verursacht werden.
Weitere Vorteile liegen in der Einfachheit des Verfahrens und der Vorrichtung gegenüber dem
bekannten Stand der Technik und in der Unabhängigkeit der Methode zur Erzeugung von kohärenter
Sekundärstrahlung von speziellen Filter- und Kristalldaten.
Weiterhin ist zu erwähnen, daß das mit dem Positionsdetektor der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nachgewiesenen Signal sich auch zur Regelung eines Heizkreises bei »temperature tuning« des Kristalls
verwenden läßt.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens liegt in der hohen Einstellgenauigkeit bei kritischer Kristallstellung, da die
Empfindlichkeit des Verfahrens mit άθ/άλ wächst. Θ ist
dabei der Phasenanpassungswinkel und λ die Wellenlänge der Primärstrahlung.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeichnung im folgenden
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Vorrichtung mit einem durchstimmbaren Laser als Primärstrahlungsquelle und einem drehbar
angeordneten nichtlinearen Kristall zur Frequenzverdopplung,
Fig.2 eine Vorrichtung mit einem durchstimmbaren
Laser als Primärstrahlungsquelle und zwei miteinander gekoppelten und spiegelbildlich zueinander drehbaren
nichtlinearen Kristallen zur Frequenzverdopplung,
Fi g. 3 eine Vorrichtung mit einem durchstimmbaren und einem nichtdurchstimmbaren Laser als Primärstrahlungsquellen
und einen heizbar angeordneten nichtlinearen Kristall zur Summen- oder Differenzbildung
der eingestrahlten Primärfreqüenzen.
In der F i g. 1 ist mit der Kennzahl 1 ein Farbstofflaser mit frequenzvariabler Emission bezeichnet. Die Durchstimmung
der Frequenz des Farbstofflasers geschieht nach dem Stand der Technik mit einem im Laserresonator
eingebauten dispergierenden Element, beispielsweise einem Interferenzfilter, das aber in der F i g. 1 nicht
eingezeichnet ist. Mit der Kennziffer 2 ist eine Sammellinse bezeichnet, weiche die Laserstrahlung auf
einen nichtlinearen Kristall 3 lenkt. In diesem Kristall 3 wird durch Bildung der harmonischen Oberwelle die
Frequenz f der Primärstrahlung verdoppelt. Eine Parallelversetzung der Sekundärstrahlung gegenüber
der Primärstrahlung, die beim Kippen des planparallelen Kristalls 3 auftreten würde, wird dadurch verhindert,
daß der Kristall 3 in ein flüssiges Medium 35 mit praktisch der gleichen Brechzahl wie der des Kristalls
eingebettet ist. Das Medium befindet sich in einer Küvette 33 mit parallelen Ein- und Austrittsfenstern 34.
Die aus dem Kristall 3 austretende Sekundärstrahlung wird auf eine teilreflektierende Quarzplatte 11 gelenkt.
Der größere Anteil der Strahlung wird von der Platte 11 durchgelassen und kann zum gewünschten Versuchszweck verwendet werden, während ein geringer Anteil
der Strahlung auf zwei nebeneinander liegende Fotoempfänger 12, 13 gelenkt wird. Der Ausgang der
beiden Fotoempfänger ist an den Operationsverstärker 14 angeschlossen, dessen Ausgang auf die Ansteuereinheit
15 für den Stellmotor 5 einwirkt. Der Stellmotor 5 treibt ein Zahnrad 50 an, welches in die Verzahnung des
Drehtisches 10 eingreift. Ist für die mit dem Laser 1 eingestellte Primärstrahlung die Anpassungsbedingung
für die Phase der Primärstrahlung und die der
lü Sekundärstrahlung im Kristall 3 erfüllt, so empfangen
die beiden Fotoempfänger 12,13 die gleiche Strahlungsmenge. Beim spektralen Durchstimmen der Laserquelle
1 ist für eine andere Frequenz der Primärstrahlung die Phasenanpassung im Kristall für eine andere Richtung
der Sekundärstrahlung erfüllt. Dies macht sich in einem Auswandern der auf die Fotoempfänger 12,13 fallenden
Lichtflecke bemerkbar. Es empfängt dann einer der Fotoempfänger eine größere Lichtmenge als der
andere. Als Folge davon sind die Fotoströme in den Empfängern 12, 13 verschieden. Dadurch wird ein
Signal erzeugt, dessen Höhe über den absoluten Betrag der Wellenlängenänderung und dessen Vorzeichen über
die Richtung der Wellenlängenänderung, d. h., ob die Wellenlänge der Primärstrahlung nach größeren oder
nach kleineren Wellenlängen verändert wurde, Auskunft gibt. Das Signal wird vom Operationsverstärker
14 verstärkt, dessen Ausgang über die Ansteuereinheit
15 den Stellmotor 5 in Bewegung setzt, der dann die Orientierung des Kristalls 3 so lange verstellt, bis die
Phasenanpassung zwischen Primärstrahlung und Sekundärstrahlung wiederhergestellt ist. Durch diesen geschlossenen
Regelkreis ist für jede Wellenlänge des durchstimmbaren Lasers 1 die Phasenanpassung der
Sekundärstrahlung an die Primärstrahlung gewährleistet, und der Kristall gibt eine durch den Laser 1
abstimmbare Sekundärstrahlung der doppelten Frequenz ab. Für die Justierung ist lediglich notwendig, daß
einmalig für eine einzige Wellenlänge die Kristallorientierung für die Phasenanpassungsbedingung eingestellt
wird.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung unterscheidet
sich von der Vorrichtung der F i g. 1 dadurch, daß die Parallelversetzung der Sekundärstrahlung, die beim
Kippen des planparallelen Kristalls 3 auftritt, durch Verwendung eines zweiten Kristalls 4, der mit Kristall 3
gekoppelt und spiegelbildlich zu diesem drehbar ist, aufgehoben wird. Die Drehung des Kristalls 4 erfolgt
über das Zahnrad 70, welches in die Verzahnung des Drehtisches 9 und des Zahnrades 50 eingreift und damit
so vom Stellmotor 5 mit angetrieben wird.
In der F ί g. 3 ist eine Vorrichtung gezeigt, welche als Primärstrahler zwei verschiedene Laserquellen 16 und
17 verwendet, wobei die Laserquelle 16 die Strahlung einer einzigen Frequenz emittiert, während die Laserquelle
17 ebenso wie die mit 1 bezeichnete Laserquelle der F i g. 1 in einem großen Wellenlängenbereich
durchstimmbar ist. Die kollineare Laserstrahlung aus den beiden Quellen 16 und 17 gelangt über den
Umlenkspiegel 18 und den teildurchlässigen Spiegel 19 durch die Sammellinse 20 auf den nichtlinearen Kristall
21, der von einem Heizofen 22 umgeben ist. Die vom Kristall 21 ausgehende Sekundärstrahlung gelangt wie
bei der in Fi g. 1 gezeigten Vorrichtung wieder auf eine teilreflektierende Quarzplatte, die in der Fig.2 die
Bezeichnung 23 trägt, und die einen Teil der Strahlung auf die Fotoempfänger 24 und 25 lenkt. Die Fotoempfänger der Vorrichtung nach F i g. 3 sind wieder an einen
Operationsverstärker 26 angeschlossen, der seinerseits
mit der Ansteuereinheit 27 verbunden ist. Diese Ansteuereinheit liefert den Strom für den Heizofen 22,
der beim erstmaligen Justieren der Vorrichtung auf eine solche Temperatur eingestellt wird, daß für eine
bestimmte Wellenlänge des Lasers 17 als Sekundärstrahlung die Differenzfrequenz /] — h entsteht. In
diesem Fall empfangen die Fotoempfänger 24 und 25 die gleiche Strahlungsmenge. Wird nun die Wellenlänge
der Laserquelle 17 verändert, dann wird die Anpassungsbedingung für die Phasen der Primärstrahlung und
der Sekundärstrahlung verstimmt, was zu einer Auswanderung des Lichtflecks der Sekundärstrahlung
auf den Fotoempfängern 24 und 25 führt. Die Fotoempfänger 24, 25 werden dadurch mit verschiedener
Intensität bestrahlt. Dadurch entsteht wieder ein Signal, dessen Größe vom Absolutbetrag der Wellenlängenänderung
und dessen Vorzeichen von der
10
Richtung der Wellenlängenänderung abhängt. Dieses Signal wird im Operationsverstärker 26 verstärkt und
auf die Ansteuereinheit 27 gelenkt, die dann den Heizstrom für den Heizofen 22 so lange ändert, bis
durch die Temperatur des Kristalls 21 die Phasenanpassung der Sekundärstrahlung mit der neuen Wellenlänge
der Primärstrahlung wieder erfüllt ist.
Außer der Differenzbildung f\ — /j ist in dem in der
Fig.3 gezeigten Ausführungsbeispiel auch eine Summenbildung
der Primärfrequenzen/"ι + /j möglich.
Die Methode der Phasenanpassung mittels Temperaturänderung des Kristalls beschränkt sich nicht auf das
in der Fig.3 dargestellte Beispiel, bei dem als Primärstrahlquellen zwei Laser verwendet werden. Sie
kann ebenso mit nur einem durchstimmbaren Laser durchgeführt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Verfahren zur Regelung der Phasenanpassung einer kohärenten Sekundärstrahlung, die in einem
nichtlinearen Kristall durch Einstrahlung einer kohärenten Primärstrahlung erzeugt wird, wobei die
Frequenz der Sekundärstrahlung gegen die Frequenz der Primärstrahlung durch Verdoppelung,
Summen- oder Differenzbildung verändert ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufrechterhaltung
der Phasenanpassung bei Durchstimmen der Wellenlänge der Primärstrahlung die vom
Grad der Phasenanpassung abhängige Richtung der den Kristall verlassenden Sekundärstrahlung zur rj
Steuerung eines Regelkreises verwendet und über diesen konstant gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Quelle für die Primärstrahlung ein
Laser mit wellenlängenvariabler Emission verwendet wird und daß ein Teil der Sekundärstrahlung auf
eine Detektoranordnung gelenkt wird, die auf die örtliche Verlagerung der Sekundärstrahlung mit
einem elektrischen Signal reagiert, das nach Absolutwert und Vorzeichen ein Maß für die
Verlagerung der Sekundärstrahlung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Detektoranordnung
erzeugte Signal zur Steuerung eines Servomotors verwendet wird, der die Drehstellung des Kristalls so
lange korrigiert, bis das Signal wieder den Wert Null annimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Detektoranordnung
erzeugte Signal zur Steuerung eines den Kristall umgebenden Heizofens verwendet wird, welcher die
Temperatur und damit die Brechzahl des Kristalls so lange ändert, bis das Signal wieder den Wert Null
annimmt.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß als Primärstrahiungsquelle ein durchstimmbarer Farbstofflaser (1) vorgesehen ist,
daß im Lichtweg der emittierten Laserstrahlung eine Sammellinse (2) angeordnet ist, daß die aus der
Sammellinse (2) austretende Primärstrahlung auf einen in einem Drehtisch (10) montierten nichtlinearen
Kristall (4) fällt, daß zur Durchführung der Drehbewegung ein Stellmotor (5) vorgesehen ist,
der den Drehtisch (10) antreibt, daß weiterhin im Lichtweg der aus dem Kristall (4) austretenden
Sekundärstrahlung eine teilreflektierende Platte (11)
vorgesehen ist, die einen Teil der Strahlung auf die aus zwei nebeneinanderliegenden Photoempfängern
(12, 13) bestehende Detektoranordnung lenkt und daß weiterhin den Photoempfängern (12, 13) ein
Operationsverstärker (14) nachgeordnet ist, dessen Ausgang auf die Ansteuereinheit (15) des Stellmotors
(5) einwirkt
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn- bo
zeichnet, daß der nichtlineare Kristall (4) in ein flüssiges Medium eingebettet ist, dessen Brechzahl
der des Kristalls praktisch gleich ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle eines einzigen Kristalls (4) b5
zwei miteinander gekoppelte, im Lichtweg hintereinander angeordnete und spiegelbildlich zueinander
drehbare Kristalle(3,4) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als
Primärstrahlungsquellen zwei Laser (16, 17) vorgesehen sind, von denen mindestens einer durchstimmbar
ist, daß ein Umlenkspiegel (18) und ein teildurchlässiger Spiegel (19) vorgesehen sind,
welche die Laserstrahlung auf eine im Lichtweg angeordnete Sammellinse (20) lenken, daß der hinter
der Sammellinse (20) angeordnete nichtlineare Kristall (21) von einem Heizofen (22) umgeben ist,
daß hinter dem Kristall (21) eine teildurchlässige Platte (23) vorgesehen ist, welche die vom Kristall
(21) austretende Sekundärstrahlung auf die Detektoranordnung (24, 25) lenkt, und daß weiterhin der
Detektoranordnung (24, 25) ein Operationsverstärker (26) nachgeordnet ist, der mit der Ansteuereinheit
(27) für die Stromversorgung des Heizofens (22) verbunden ist.
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