DE2935349C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches. Eine solche Laseran­ ordnung ist aus der FR-OS 20 81 080 bekannt. Das gasförmige Lasermedium der bekannten Laseranordnung wird durch eine elektrische Entladung zwischen einer Kathode und einer Anode angeregt. Zur Stabilisierung der elektrischen Entladung sind bei der bekannten Anordnung nahe der Anode Magnetfelderzeu­ gungsmittel, etwa in Gestalt eines Permanentmagneten, vorge­ sehen, derart, daß ein magnetisches Gleichfeld den anoden­ nahen Bereich des Entladungsraumes zwischen Kathode und Anode durchsetzt und auf den Elektronenstrahl zwischen Kathode und Anode stabilisierend einwirkt.

Der Verstärkungsgewinn von durch das Lasermedium geführten elektromagnetischen Wellen in einem Ringlaser, wie er in den US-Patentschriften 37 41 651 und 38 54 819 beschrieben ist, ist normalerweise ein Bruchteil von einem Prozent und muß ausreichend groß sein, um Verluste im Ausbreitungsmedium des Ringraumes, Reflexionsverluste an den Spiegeln und Übertra­ gungsverluste an den Fenstern des Gaslasers auszugleichen. Der Verstärkungsgewinn des Lasers kann erhöht werden, indem der Entladungsstrom erhöht wird. Es treten jedoch Entladungs­ schwingungen im Bereich von einigen wenigen Hertz abhängig von den Konstanten der Stromquelle bis zu vielen Megahertz auf. Die Entladungsschwingungen im Megahertzbereich können durch bestimmte Auslegung der Stromquelle nicht verhindert werden, da sie hauptsächlich von der Geometrie des Entladungs­ weges und von dem inneren negativen Widerstand des Entladungs­ weges in der Gassäule des Lasers abhängig sind. Diese Schwin­ gungen verursachen Veränderungen in der Laserverstärkung, so daß der Ausgang des Ringlasers in z. B. einem Lasergyroskops unstabil ist und Fehler aufweist. Aus diesem Grunde mußten bisher die Laserverstärker in Lasergyroskopen verhältnismäßig groß ausgelegt sein und mit niedrigem Strom betrieben werden, um Schwingungen der Gasentladung zu verhindern, so daß man insgesamt gerade noch eine ausreichende Verstärkung erzielte, um die Verluste im ringförmigen Ausbreitungsweg auszugleichen und zu überwinden.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patent­ anspruches so auszugestalten, daß Entladungsschwingungen, ins­ besondere im hochfrequenten Bereich, mittels einer vergleichs­ weise einfachen Konstruktion vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Im einzelnen weist die Laseranordnung der hier angegebenen Art einen in sich geschlossenen Weg oder Ringraum mit einem Laser­ verstärker und einer Anzahl von Spiegeln auf. Einer der Spie­ gel wird in Abhängigkeit von Signalen bewegt, welche von einem an den Laserraum angekoppelten Detektor abgeleitet werden, um die Weglänge im Ringresonator regeln zu können. Der Laserver­ stärker weist zwei aneinander anschließende Bereiche auf, wobei die elektrische Entladung zur Anregung in zueinander entgegengesetzten Richtungen von zwei Anoden auf eine gemein­ same Kathode hin stattfindet, welche Verbindung zu dem Über­ gang zwischen den beiden Bereichen hat und in einem Seitenarm oder einer Seitenbohrung gelegen ist, welche auch von dem gas­ förmigen Lasermedium erfüllt ist. Ein magnetisches Feld, welches beispielsweise von einem Permanentmagneten ausgeht, der nahe dem Kathodenbereich und an der Seitenbohrung für die Kathode angeordnet ist, unterdrückt hochfrequente Entladungs­ schwingungen im gasförmigen Lasermedium. Demzufolge kann der Entladungsstrom für den Laser auf einen Wert erhöht werden, bei welchem eine stabile Entladung im Übergangsbereich der Spannungs-Strom-Entladungskurve des Laserverstärkers statt­ findet, ohne daß wesentliche Schwingungen auftreten.

Die zuvor angegebenen Maßnahmen ermöglichen den Betrieb eines Laser-Verstärkersystems mit einer sehr kleinen Laserbohrung, welche die Laserverstärkung im wesentlichen auf einen einzigen Modus beschränkt, was zu einer weiteren Erhöhung der Genauig­ keit führt.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der Laseranordnung mit einem Ringresonator,

Fig. 2 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit von Spannung und Strom im Laserverstärker gemäß Fig. 1 zeigt und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Verstärkungsgewinn­ kurve des Lasermediums wiedergibt, wobei die Lage der Frequenzen der vier verwendeten Wellen eingezeichnet ist.

Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Das Blockschaltbild zeigt einen in sich geschlossenen optischen Ausbreitungsweg oder Ringraum 10 eines Ringlasers, welcher durch eine Mehrzahl von Spiegeln oder Reflektoren 12, 14, 16 und 18 definiert wird, die elektromagnetische Wellen auf einem in sich geschlossenen Weg 20 durch einen Laser 30 führen. Einer der Spiegel, nämlich der Spiegel 16, ermöglicht die Übertragung eines kleinen Bruchteiles, beispielsweise eines halben Prozentes, der auf ihn treffenden Lichtwellenenergie durch den Spiegel hindurch zu einem Detektor 22 doppelter Funktion. Den Lichtwellen entsprechende Signale werden in dem Detektor 22 mittels Photodioden gebildet. Ein Ausgang des Detektors dient zur Speisung einer Signalverarbeitungseinrichtung 24, deren Ausgangssignal die Form einer Frequenz hat, welche die Drehge­ schwindigkeit des optischen Ringresonators 10 anzeigt.

Ein weiterer Ausgang des Detektors 22 betreibt einen piezo­ elektrischen Kristall 26, an welchem der Spiegel 18 gehaltert ist, so daß die Gesamtweglänge derart eingestellt wird, daß die vier Frequenzen f₁, f₂, f₃ und f₄ gemäß Fig. 3 auf ein­ ander gegenüberliegenden Seiten der Mittelfrequenz 28 der Ver­ stärkungsgewinnkurve des Lasers 30 zu liegen kommen. Die Fre­ quenzen f₁ und f₄ sind die Frequenzen von im Uhrzeigersinn um den Ringresonator 10 umlaufenden Wellen, während die Frequenzen f₂ und f₃ zu Wellen gehören, welche im Gegenuhrzeigersinn im Ringraum 10 umlaufen. Diese Frequenzen werden durch die Wirkung eines Faradayrotators 33 und eines Kristallrotators 35 erzeugt, welche in dem Ausbreitungsweg 20 angeordnet sind. Der Faraday­ rotator 33 erzeugt jeweils unterschiedliche Verzögerungen an Wellen, welche im Uhrzeigersinn umlaufen gegenüber Wellen, welche im Gegenuhrzeigersinn umlaufen. Der Kristallrotator 34 erzeugt jeweils unterschiedliche Verzögerungen für zirkular­ polarisierte Wellen mit linkssinniger zirkularer Polarisation gegenüber umlaufenden Wellen mit rechtssinniger zirkularer Polarisation. Die grundsätzlichen Maßnahmen zur Erzeugung der vier Frequenzen in einem solchen Lasergyroskop und zur Ablei­ leitung der Ausgangssignale in einem Detektor sind an sich bekannt und im einzelnen in der US-PS 37 41 657 beschrieben.

Allgemein gesagt sind in dem Detektor 22 Mittel vorgesehen, welche die zirkularpolarisierten Wellen in lineare Polarisa­ tion unterschiedlicher, aufeinander senkrecht stehender Rich­ tung abhängig vom Polarisationssinn umsetzen und Teile der Frequenzen f₁ und f₂ werden durch eine Photodiode festge­ stellt, während Anteile der Frequenzen f₃ und f₄ durch eine andere Photodiode festgestellt werden. Die Ausgangssignale sind die Differenzen zwischen den Frequenzen f₂ und f₁ bzw. f₄ und f₃. Die Differenz dieser Differenzfrequenzen wird in der Signalverarbeitungseinrichtung 24 gezählt, so daß ein Ausgang entsteht, welcher die Verdrehung des Ringresonators 10 anzeigt. Nachdem die Mittelfrequenz 28 im Bereich von Lichtfrequenzen liegt, verursacht in einem solchen System jede Veränderung in der Gestalt oder Lage der Verstärkungs­ gewinnkurve 32 Veränderungen im Ausgangssignal der Signalver­ arbeitungseinrichtung 24. Nachdem solche Veränderungen der Verstärkungsgewinnkurve auch Verlagerungen der Mittelfrequenz 28 umfassen können, beispielsweise aufgrund von Änderungen der Gasgeschwindigkeit in der Mittelbohrung 34 des Lasers 30, können Fehler im Ausgangssignal der Signalverarbeitungsein­ richtung 24 auftreten. Um solche Fehler herabzusetzen, wird der Laser 30 durch eine Entladung zwischen einer Kathode 36 und zwei Anoden 38 und 40 angeregt, welche an einander gegenüber­ liegenden Seiten der Kathode 36 angeordnet sind, so daß eine Entladung gleichzeitig von der Kathode 36 längs der Mittel­ bohrung 34 in einander entgegengesetzte Richtungen durch das gasförmige Lasermedium zu den Anoden 38 und 40 stattfindet. Eine solche Entladung im Lasermedium ermöglicht eine aus­ reichende Verstärkung der sich längs des Weges 20 durch die Fenster 42 und 44 an den Enden der Mittelbohrung 34 ausbrei­ tenden Lichtwellen, daß die Verluste der Lichtwellen auf dem Wege 20 überwunden werden, so daß nur diejenigen Lichtwellen, welche den Ringweg durchlaufen, in Phase zu sich selbst zu­ rückkommen, sich aufschaukeln und als Resonanzfrequenzen am Detektor 22 auftreten. Zwar können Frequenzen, welche niedri­ ger als f₁ und höher als f₄ liegen, auch in Phase zu sich selbst zurückkehren, doch liegen sie unter dem Einheitspegel der Verstarkung, bei welchem die Verluste im Ringresonator gleich dem Verstärkungsgewinn des Lasers sind, wie in Fig. 3 beispielsweise durch die Linie 46 angedeutet ist, so daß diese Frequenzen sich im Ringresonator 10 nicht aufbauen können.

Durch eine geregelte Stromquelle 48, welche den Strom zwischen der Kathode 36 und den Anoden 38 und 40 im wesentlichen kon­ stant hält, werden niederfrequente Stromschwankungen, welche in einem Gasentladungsrohr, etwa einem Helium-Neon-Laser nach der Art des Lasers 30 normalerweise anzutreffen sind, vermieden, da die Zeitkonstante dieser Schwingungen abhängig von den äußeren Schaltungskonstanten des Systems ist und die Gasentla­ dung eine negative Widerstandscharakteristik besitzt. Zur Ab­ dämpfung dieser niederfrequenten Schwingungen können also aus­ reichend große positive Widerstände eingebaut werden. Versucht man jedoch den Laserverstärkungsfaktor durch Erhöhung des Ent­ ladungsstromes durch den Laser zu erhöhen, so treten hochfre­ quente Schwingungen auf, welche durch Veränderung der äußeren Schaltungsparameter nicht zu beherrschen sind. Während die Am­ plitude solcher Schwingungen in normalen Anwendungsfällen ei­ ner Gasentladungs-Laserröhre nicht stört, hat sich herausge­ stellt, daß solche Entladungserscheinungen die Genauigkeit ei­ nes Lasergyroskops beeinflussen, bei welchem sehr kleine Fre­ quenzverschiebungen dazu verwendet werden, Drehgeschwindigkei­ ten des Systems zu messen.

Die hier vorgeschlagenen Maßnahmen beruhen auf der Erkenntnis, daß hochfrequente Schwingungen, beispielsweise im Bereich meh­ rerer Megahertz, beeinflußt und im wesentlichen unterdrückt werden können, wenn ein Magnet 50 nahe der Kathode 36 angeord­ net wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Magnet 50 ein Magnetstab, welcher auf einer magnetischen Abschir­ mung 52 angeordnet ist, die sich zwischen dem Magneten 50 und der Mittelbohrung 34 des Lasers 30 befindet.

Zwar ist der genaue Mechanismus bei der Unterdrückung der ge­ nannten Schwingungen nicht ganz bekannt, doch ist zu vermuten, daß das magnetische Feld die mittlere freie Weglänge für Elek­ tronen im Entladungsraum nahe der Kathode verlängert, so daß die innere Charakteristik des Entladungsraumes in diesem Be­ reich ein weniger negativer Widerstand oder sogar ein positi­ ver Widerstand zu sein scheint. Es hat sich gezeigt, daß die Orientierung des Magneten im Bereich der Seitenbohrung oder des Halses des Glaskolbens 54 der Kathode 36 in einem weiten Bereich verändert werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbei­ spiel enthält der Glaskolben 54 die Kathodenelektrode 56, die beispielsweise ausgehöhlt ist und becherförmige Gestalt hat, um die Stromdichte an der Kathodenoberfläche zu vermindern und ein Rauschen aufgrund der Emission der Kathode herabzusetzen. Der Glaskolben 54 weist indem Bereich, in welchem er an einen die Mittenbohrung 34 des Lasers enthaltenden keramischen Block 58 angrenzt, einen Hals verhältnismäßig geringen Durchmessers auf und in diesem im Durchmesser verengten Bereich wirkt das Magnetfeld des Magneten 50 am stärksten im Sinne einer Unter­ drückung hochfrequenter Schwingungen, welche die Genauigkeit des Lasergyroskops beeinflussen können. Im allgemeinen sollte das von dem Stabmagneten 50 erzeugte Magnetfeld in seiner Dichte und seiner Orientierung über einen größeren Bereich des Abschnittes verringerten Durchmessers des Glaskolbens 54, über welchen die Entladung von der Kathodenelektrode 56 in die Mit­ tenbohrung 34 des Lasers einfließt, variieren. Während nämlich in bestimmten Bereichen eine bestimmte Intensität des Magnet­ feldes und/oder dessen Orientierung zur Unterdrückung von Ent­ ladungsschwingungen ungeeignet sein kann, können in anderen Bereichen eine unterschiedliche Intensität und/oder Orientierung des magnetischen Feldes vorliegen, welche mit dem Entladungsvor­ gang in diesen anderen Bereichen zusammenwirken und eine wir­ kungsvolle Unterdrückung der Schwingungen ermöglichen. Es zeigt sich, daß unter diesen Bedingungen die geregelte Stromquelle 48 über einen weiteren Bereich von stromwerten hin eingestellt werden kann und eine gute Verstärkungsgewinn-Charakteristik des Lasers 30 aufrechtzuerhalten ist. Auch kann man bei einer Alterung des Lasers 30 und einer Änderung der Gasmenge im Laser einen stabilen Betrieb des Systems aufrechterhalten.

In Fig. 2 ist die Spannungs-Strom-Kennlinie 60 für die Gas­ entladung wiedergegeben, wie sie in einem Laser nach der Art des Lasers 30 stattfindet. Die genaue Gestalt der Gasentladungskurve 60 nach Fig. 2 ändert sich abhängig von der Größe und dem Abstand der Bauelemente des Lasers 30 sowie auch ab­ hängig von der Gasmischung und dem Druck, so daß der Kurven­ verlauf in Fig. 2 nur als Beispiel zu Erläuterungszwecken zu verstehen ist.

Der Arbeitspunkt 62 des Lasers 30 kann beispielsweise bei 700 Volt und 2,5 Milliampere liegen. Der Laser 30 hat einen höheren Verstärkungsfaktor oder Verstärkungsgewinn, nachdem höhere Ströme wirksam sein können. Wenn aber der Strom erhöht wird, so kann sich die negative Neigung der Kurve 60 vergrößern, wodurch sich das Potential für Entladungsschwingungen vergrößert. Wird der Strom bis zu einem Punkt auf der Kurve 60 erhöht, welcher in Fig. 2 mit "normales Glimmen" bezeichnet ist, so vermindert sich der Verstärkungsgewinn des Lasers. Um somit optimale Arbeitsbedingungen für den Laser mit außerhalb der Mittelbohrung 34 gelegener Kathode 36 einzustellen, ist es wünschenswert, ein stabilisierendes Magnetfeld im Kathodenbe­ reich vorzusehen.

Claims (1)

1. Laseranordnung mit einem Ausbreitungsweg für elektro­ magnetische Wellen und mit einem ein gasförmiges Verstär­ kermedium enthaltenden Verstärker, welcher durch eine elektrische Entladung zwischen einer Kathode und einer Anodenanordnung durch das gasförmige Verstärkermedium hindurch anregbar ist, sowie mit einer Einrichtung zur Stabilisierung der elektrischen Entladung, welche Mittel (50) zur Erzeugung eines magnetischen Gleichfeldes in einem Bereich (54) des Entladungsraumes enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (50) zur Erzeugung des magnetischen Gleichfeldes dieses in einem kathodennahen Bereich (54) der Entladungsstrecke außerhalb des Ausbrei­ tungsweges der elektromagnetischen Wellen erzeugen.