DE3035727C2

DE3035727C2 -

Info

Publication number: DE3035727C2
Application number: DE3035727A
Authority: DE
Inventors: Norman Theodore Oakland Calif. Us Seaton
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-09-27
Filing date: 1980-09-22
Publication date: 1989-09-07
Also published as: JPH0126199B2; US4293223A; DE3035727A1; JPS5651888A

Description

Auf dem Gebiet der Optik gibt es häufig Gelegenheiten, bei denen der Wissenschaftler genau gesteuerte Änderungen in den physikalischen Abmessungen des Hohlraums eines optischen Inter ferometers bewirken möchte. Hierbei kann eine Steuerung der Ab messungen bei herunter bis zu 10^-5 Mikrometer schon von Bedeutung sein.

In der Vergangenheit sind vier Arten von elektromecha nischen Wandlern verwendet worden, um diese Abmessungsänderungen und damit eine Änderung der Resonanzfrequenz des Interferometer- Hohlraums zu bewirken. Diese vier Kategorien bekannter elektro mechanischer Wandler werden nachfolgend erläutert:

A. Elektro-magnetische Wandler: Diese Art von Wandlern er zeugt eine Kraft durch das Zusammenwirken einer strom führenden Spule und eines magnetischen Feldes. Die von diesen Wandlern erzeugten Kräfte sind im allgemeinen klein im Vergleich zu den Kräften bei den anderen Kate gorien, und während diese kleinen Kräfte eine beträcht liche Ausnehmung in einem System mit hoher Nachgiebig keit erzeugen können, reichen sie im allgemeinen nicht aus, um die Anforderungen zur Steuerung einer starren Anordnung z. B. einer Laser-Röhre zu erfüllen. Aus die sem Grunde haben elektro-magnetische Wandler nur wenig Anwendung in interferometrischen Systemen oder Laser- Frequenzsteuersystemen gefunden. Aus der US-PS 39 02 135 ist es bekannt, die Länge eines Laser-Resonators durch Ein stellung der elektromagnetischen Anziehung zwischen zwei Elementen zu be wirken, von denen eines mit einem der Laserspiegel verbunden ist. Bei jedem magnetischen System tritt eines Hysterese auf, die in einem mechanischen System einen Spielraum erzeugt, der es schwierig macht, die Längeneinstellung an einem ge wünschten Endpunkt zu stoppen.
B. Magneto-striktive Wandler: Diese Wandler verwenden den Strom in einer magnetisierenden Spule, um ein massives magnetisches Material auszudehnen oder einzuschrumpfen. Wenn eine Ausdehnung erwünscht ist, wird im allgemeinen Invar benutzt, während Nickel zum Einsatz kommt, wenn eine Schrumpfung erwünscht ist. Diese Art von Wandlern ist zur Steuerung der Spiegel in einem Laser-Hohlraum verwendet worden, jedoch ist der Bereich verhält nismäßig begrenzt (höchstens 0,6 Mikron pro cm) und es be stehen Probleme in Verbindung mit der magnetischen Hysterese. Diese zuletzt genannte Eigenschaft, durch die es möglich ist, für einen gegebenen magnetischen Strom (je nach der Vorgeschichte) eine von zwei ver schiedenen Positionen zu erhalten, macht die Anwendung der Magnetostriktion bei allen Arten von Servo-Steuer systemen sehr unpraktisch. Ein solcher magneto-strikti ver Wandler ist z. B. in der DE-PS 12 38 125 beschrieben.
C. Elektro-thermische Wandler: Diese Wandler verwenden elektrischen Strom zur Entwicklung von Hitze in einem Widerstandselement, die ihrerseits eine thermische Aus dehnung einer daran angebrachten Anordnung bewirkt. Beispiele dieser bei Laser-Röhren angewendeten Technik sind Spulen, die entweder wendelförmig oder bifilar wendelförmig (kein Magnetfeld) um die Laser-Röhre selbst gewickelt werden, um die Länge der Röhre und da mit die Ausgangsfrequenz des Lasers zu steuern. Diese Art von Wandler, die z. B. in dem Aufsatz "Comments on: Frequency Stabilisation of Internal Mirror He-Ne Lasers" in der Zeitschrift "Applied Optics", Vol. 12, No. 7, Juli 1973, beschrieben ist, ist in der Lage, verhält nismäßig große Ausdehnungen zu erzeugen, die natürlich von dem zulässigen Temperaturbereich und dem Ausdeh nungskoeffizienten der Anordnung, bei der die Anwendung erfolgt, abhängen.
Die Verwendung von elektro-thermischen Wandlern ist das bei weitem preisgünstigste Mittel zur Erzeugung kon trollierter Änderungen der Abmessungen des Hohlraums eines optischen Interferometers, wobei noch der Vorteil hinzukommt, daß leicht ein Zuschnitt auf alle üblichen Spannungs/Stromversorgungen möglich ist. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß nicht nur Leistung benötigt wird, sondern daß die Ansprechzeit verhältnismäßig groß ist. Bevor Wärme beginnen kann, auf die zugehörige An ordnung übertragen zu werden, muß die Heizanordnung selbst aufgewärmt werden. Bei einem stufenförmigen An steigen der Heizleistung nimmt die Ausdehnung der An ordnung zunächst höchstens als quadratische Funktion der Zeit zu. Wenn eine wendelförmig gewickelte Heizspu le fest mit der rohrförmigen Anordnung verbunden wird, bewirkt die anfängliche Heizung und Ausdehnung der Spu le tatsächlich eine Ausdehnung des Röhren-Durchmessers und - durch den inversen Poisson-Effekt - eine Verrin gerung ihrer Länge, bis ein Wärmeübergang zu der Röhre dieser Tendenz entgegenwirkt und die Röhrenlänge zu nimmt. Selbst nach stufenweiser Verminderung der Heiz leistung auf den Normalwert strömt weiterhin Wärme in die Röhre und dehnt diese aus, bis die Temperatur der Heizvorrichtung nicht mehr die Temperatur der Röhre übersteigt. Diese Art von elektro-thermischen Wandlern ist daher wegen des Überschießens oder Oszillierens schwierig bei der Anwendung in Servo-Systemen. Die Übergangszeiten liegen allgemein bestenfalls in der Größenordnung von Sekunden.
D. Piezoelektrische Wandler: Diese Wandler verwenden spe zielle Werkstoffe, die sich in der Länge zusammenzie hen, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Ein sol cher Wandler ist beispielsweise in der US-PS 35 82 212 beschrieben. Diese Wandler verbrauchen keine Leistung und erzeugen daher keine Wärme, und diese Wandler sind in der Lage, außerordentlich schnell anzusprechen. Piezoelektrische Wandler haben daher eine breite Anwen dung in der optischen Industrie gefunden. Ihre prinzi piellen Nachteile sind hohe Kosten und begrenzte Empfind lichkeit (typisch: 5 × 10^-3 Mikrometer pro Volt), so daß oft Spannungen bis hinauf zu 1 kV für eine brauchbare Bewe gung eingesetzt werden müssen. Da sie bei einer Fre quenz, die sich bis in die unteren kHz-Bereiche er streckt, eine Verschiebung erzeugen, die eine lineare Funktion der angelegten Spannung ist, haben sie eine breite Anwendung in Servo-Steuersystemen gefunden.

Die Erfindung geht aus von einer Anordnung zur Steuerung der Frequenz eines optischen Interferometers, dessen Hohlraum ein Teil mit einer Abmessung aufweist, die die Resonanzfrequenz be stimmt, wobei mehrere gerade, an die elektrische Stromquelle an schließbare elektrische Leiter (10, 12) an dem Teil angebracht und mechanisch so befestigt sind, daß sie einen zu der Abmessung parallelen leitenden Weg bilden. Eine solche Anordnung ist aus dem Aufsatz "Piezoelektrisch justier- und abstimmbare Fabry- Perot-Resonatoren" in der DD-Zeitschrift "Experimentelle Technik der Physik", Bd. XIV, 1966, H. 3, S. 174-179 bekannt, wobei ein piezoelektrisches Element verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anord nung zur Frequenzsteuerung eines optischen Interferometers zu schaffen, die nach dem elektro-thermischen Prinzip arbeitet, die aber eine schnellere und direktere Änderung der Länge der Abmes sung ermöglicht, mit der linear ein definierter Längen-Endpunkt einstellbar ist, die mit geringen Kosten herstellbar ist und die eine hohe Empfindlichkeit aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Leiter einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, aufgrund dessen sie eine mechanische Kraft auf das Teil als Funktion einer elektro-thermisch induzierten Längenände rung der Leiter übertragen und damit die Resonatorfrequenz ändern.

Entgegen der oben beschriebenen üblichen elektro-ther mischen Wandler hängt der erfindungsgemäße direkte elektro-ther mische Wandler nicht von der Wärmeleitung zu der den Hohlraum oder einen Teil des Hohlraums des optischen Interferometers bil denden Unterlage ab, um diese zu einer Ausdehnung zu bringen. Der erfindungsgemäße Wandler arbeitet überhaupt ohne jede thermische Leitung zum Hohlraum. Statt dessen wird die feste mechanische Kupplung zwischen der den Hohlraum bildenden Anordnung und einem oder mehreren thermischen ausdehnbaren elektrischen Leitern, die parallel zur gewünschten Ausdehnungsrichtung verlaufen, ausge nutzt, um die Längenänderung des Wandlers zu bewirken, was zu einer stark verbesserten Stabilität und Präzision bei der Steue rung der Resonanzfrequenz von Interferometer-Hohlräumen führt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Wahl der Drahtgröße und des Materials leicht eine Anpassung an alle üblichen Spannungs/Stromversorgungen möglich ist. Durch die ge ringe Masse werden ferner Änderungen in der Eigen-Resonanzfre quenz klein gehalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer erfin dungsgemäß ausgebildeten Anordnung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer abgewandelten Ausführungs form der Erfindung und

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Laser- Röhre mit der erfindungsgemäßen Anordnung.

Ein Interferometer-Hohlraum, für den sich die erfindungs gemäße Anordnung besonders eignet, ist die Laser-Röhre. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Längsabmessung der Glashülle den Abstand zwischen dem Maximum-Reflektor 5 und dem Ausgangs spiegel 6 steuert und damit die Resonatorfrequenz der Röhre 7 bestimmt. Die Längsabmessung der Glashülle wird von einem elek trischen Leiter 8 gesteuert, der an eine elektrische Strom quelle anschließbar ist und mechanisch auf der Wand 9 befestigt ist. Der Leiter 8 bildet einen leitenden Weg, der im wesent lichen parallel zur Längsabmessung der Wand 9 verläuft. Der Leiter hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, und aufgrund seiner festen mechanischen Kopplung mit der Wand über trägt er mechanische Kräfte auf die Wand als Funktion einer elektro-thermisch induzierten Längenänderung des Leiters. Diese Kräfte bewirken eine kleine Änderung in der Längsabmessung der Laser-Röhre, wodurch eine Änderung in der Resonatorfrequenz und damit der Ausgangsfrequenz des Lasers herbeigeführt wird.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 dargestellt ist, besteht der elektrische Leiter 8 aus zahlrei chen weitgehend geraden elektrischen Leiterabschnitten 10, die in Reihe geschaltet sind und auf der Wand des Interferometer- Hohlraums etwa parallel zur Längsachse befestigt sind. Die Leiterabschnitte sind dabei auf dem Umfang der Wand in gleich mäßigem Abstand verteilt. Durch fortlaufende Verklebung der Leiterabschnitte mit der Wand über ihre gesamte Länge, wird eine gleichmäßige Übertragung der elektro-thermisch erzeugten mechanischen Kräfte gewährleistet.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der elektrische Leiter aus einem vorgeformten leiten den Band 12, das fest mit der Wand des Interferometer-Hohlraums verbunden wird. Durch Verwendung von für die Herstellung ge druckter Schaltungen üblicher Ätztechniken läßt sich ein sol cher Leiter leicht auf einer Kunststoffolie herstellen, die anschließend um die Interferometer-Hohlraumwand gewickelt und mit dieser verklebt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch dadurch gebildet werden, daß gemäß Fig. 1 und 3 ein einzelner Draht längsweise auf eine zylindrische Hülle gewickelt wird, die so bemessen ist, daß sie die Wand einer Laser-Röhre umschließt. Der Draht wird mit der Hülse verbunden, und die Kombination wird dann auf der Wand und diese umschließend befestigt. Eine Reihenverbindung der parallelen Leiterabschnitte 10, die durch längsweises Aufwickeln eines einzelnen Drahtes 8 erforderlich ist, und die Zuführung von Strom zu den beiden Enden 15 er laubt eine einfache Konstruktion und führt zu erwünschten Strom verbrauchseigenschaften. Verschiedene Kombinationen oder Reihen- und Parallelverbindungen können ebenfalls mit befriedigenden Er gebnissen verwendet werden, sofern derartige Anordnungen eine im wesentlichen symmetrische Erzeugung von elektro-thermisch induzierten, längsgerichteten Kräften in den Leitern bewirken.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung läßt sich am besten anhand von Fig. 3 erläutert. Ein isolierter, stromführender Draht 8 wird in der dargestellten Anordnung fest durch einen Kleber oder eine Vergußmasse mit der Wand 9 der La ser-Röhre verbunden, um eine feste mechanische Kopplung zu er zeugen und ein Knicken des Leiters bei Ausdehnungsbean spruchungen zu verhindern. Kontakte 15 dienen zur Verbindung des Leiters mit einer elektrischen Stromquelle. Der Durchgang von elektrischem Strom durch den Draht erzeugt Hitze und be wirkt eine Längenausdehnung. Ein Bruchteil dieser Ausdehnung wird auf die Wand 9 der Laser-Röhre übertragen und bewirkt eine Längenausdehnung und als Folge davon eine Änderung der Laser- Ausgangsfrequenz. Der Bruchteil der übertragenen Kraft ist eine Funktion der Längsnachgiebigkeit des Leiters und der Längs nachgiebigkeit der Laser-Röhre. Bei einer stufenweisen Zufüh rung von elektrischer Leistung zu der Vorrichtung ändert sich die Länge der Laser-Röhre zunächst als lineare Funktion der Zeit im Gegensatz zu der obenerwähnten quadratischen Abhängig keit bei den üblichen wendelförmig gewickelten elektro-ther mischen Wandlern. Diese Abhängigkeit der Vorrichtung ist linear mit der Leistung (I ² R) und nicht mit dem Strom oder der Span nung. Aus diesem Grund ist es oft erwünscht, ein leistungs linearisierendes Element in der die Vorrichtung versorgenden Schaltung anzuordnen.

Im Falle des Drahtbandes spielt die Wärmeleitung zur Unterlage eine allmählich zunehmende Rolle bei deren Ausdehnung, weil ein solcher Leiter eine geringere Masse hat und daher ein schnellerer Anstieg der Oberflächentemperatur bei einer stufenweisen Erhöhung der zugeführten Leistung ein tritt. Wenn die Vorrichtung bei einem Interferometer-Hohl raum benutzt wird, bei dem die Unterlage in einem beträcht lichen Temperaturbereich zerbrechlich ist (Glas, Quarz) ist es erforderlich, die Expansionskoeffizienten des Leiterma terials und der Unterlage einander anzupassen. Beispiels weise ist Kupferdraht in einem begrenzten Temperaturbereich zufriedenstellend bei Aufbringung auf Glas, während ein grö ßerer Temperaturbereich die Verwendung von Molybdän-Draht er fordert, um einen Bruch des Glases unter Spannung zu verhin dern.

Claims

1. Anordnung zur Steuerung der Frequenz eines optischen Interferometers, dessen Hohlraum ein Teil mit einer Abmessung aufweist, die die Resonanzfrequenz bestimmt, wobei mehrere gera de, an eine elektrische Stromquelle anschließbare elektrische Leiter (10, 12) an dem Teil angebracht und mechanisch so befe stigt sind, daß sie einen zu der Abmessung parallelen leitenden Weg bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (10, 12) einen thermi schen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, aufgrund dessen sie eine mechanische Kraft auf das Teil als Funktion einer elektro- thermisch induzierten Längenänderung der Leiter (10, 12) übertragen und damit die Resonanzfrequenz ändern.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum des optischen Interferometers eine Laser-Röhre ent hält, deren Wand (9) das Teil bildet, und daß der leitende Weg parallel zur Längsachse der Röhre verläuft.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (10, 12) parallel zu der Achse auf der Wand (9) in gleichmäßigem Abstand voneinander auf dem Umfang ver teilt befestigt sind.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (10, 12) in Reihe geschaltet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (10, 12) parallel geschaltet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (10, 12) flächenhaft ausgebildet und mit der Wand (9) verklebt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (10, 12) über ihre ganze Länge fortlaufend mit der Wand (9) verklebt sind.

8. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Wand (9) eine diese umgebende Hülse befestigt ist und daß die elektrischen, sich parallel zur Längsachse der Röhre und der Hülse erstreckenden Leiter (10) aus einem längsweise gewickelten, auf dem Umfang der Hülse gleichmäßig verteilten und darauf ver klebten Draht bestehen.