DE3143056A1

DE3143056A1 - Laser with intensity modulation

Info

Publication number: DE3143056A1
Application number: DE19813143056
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Altmann; Ernst Dipl.-Phys. Dr. 8175 Greiling Lill
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-10-30
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1983-05-19
Also published as: DE3143056C2

Abstract

A laser with intensity modulation on the basis of the spontaneous coupling of transversal modes is allocated a control loop for stabilising the frequency and/or amplitude of the laser radiation. This control loop comprises a highly stabilised oscillator and a comparator circuit for comparing the laser radiation with the oscillator output signal for the purpose of generating a control signal. The control signal acts on the laser resonator in order to influence one or more of its parameters in the sense of matching the laser radiation to the oscillator output signal.

Description

Laser mit Intensitätsmodulation Intensity modulated laser

Die Erfindung betrifft einen Laser mit Intensitätsmodulation aufgrund spontaner Kopplung transversaler Moden, wie in der Deutschen Patentanmeldung P 3125544.2 und in der parallelen Deutschen Patentanmeldung P ......... The invention relates to a laser with intensity modulation due to spontaneous coupling of transverse modes, as in German patent application P 3125544.2 and in the parallel German patent application P .........

"Wellenleiter- und TEA-Laser" im einzelnen dargelegt ist."Waveguide and TEA Lasers" is set out in detail.

Gemäß diesen Patentanmeldungen, auf die hier vollinhaltlich Bezug genommen wird, ist die Intensität der Laserstrahlung beim Auftreten von mindestens zwei transversalen Moden lokal moduliert. Diese Modulation kann sinusförmigen Verlauf besitzen oder bei Wechselwirkung sehr vieler Moden pulsförmig sein. Die Pulsmodulation kann als überlagerung von Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phase (Fourier-Reihe) angesehen und experimentell nachgewiesen werden. Durch gezielte Wahl und Einstellung der Parameter des Laserresonators (Rohrdurchmesser, verkippte Spiegel, Änderung der Resonatorlange, Verformung des Resonators, Wahl von Spiegeln unterschiedlicher lokaler Reflektion etc.) können Modulationsart, Frequenz sowie Amplitude in weiten Grenzen bestimmt werden. Außerdem ist experimentell erwiesen, daß die Intensitätsmodulation bezüglich der o.g. Eigenschaften extrem empfindlich auf geringste Veränderungen des Resonators reagiert.According to these patent applications, the content of which is hereby incorporated by reference is taken, the intensity of the laser radiation when it occurs is at least locally modulated two transverse modes. This modulation can be sinusoidal or be pulse-shaped when a large number of modes interact. The pulse modulation Can be used as a superposition of sinusoidal oscillations of different frequencies and amplitudes and phase (Fourier series) can be viewed and verified experimentally. By Targeted selection and setting of the parameters of the laser resonator (pipe diameter, tilted mirrors, change in resonator length, deformation of the resonator, choice of mirrors with different local reflections etc.) the type of modulation, frequency and amplitude can be determined within wide limits. In addition, it has been proven experimentally that the intensity modulation is extremely sensitive to the above properties reacts to the slightest changes in the resonator.

Für eine Vielzahl von naturwissenschaftlich-technischen Anwendungen ist eine hohe Frequenz- und Amplitudenstabilität der eingesetzten Laserstrahlung unerläßlich. Da die eingangs geschilderten Vorgänge der spontanen Kopplung transversaler Moden und deren technische Nutzung zwecks Erzeugung intensitätsmodulierter Laserstrahlung nicht bekannt waren, mußte man bisher additive Maßnahmen (resonatorintern und resonatorextern) zur Intensitätsmodulation der Laserstrahlung einsetzen. Die Frequenzstabilisierung wurde dabei in den meisten Fällen unter Verwendung der drei folgenden Methoden angestrebt: 1. Frequenzvergleich der zu stabilisierenden Laserstrahlung mit der Frequenz eines hochstabilisierten Laseroszillators, 2. Einsatz von hochauflösenden Etalons zeitlich variabler Transmission, 3. Absorptionsverhalten schmalbandig absorbierender Medien. For a variety of scientific and technical applications is a high frequency and amplitude stability of the laser radiation used indispensable. Since the processes of spontaneous coupling described above are transversal Fashions and their technical use for the purpose of production intensity modulated Laser radiation were not known, one had to previously additive measures (inside the resonator and resonator-external) to modulate the intensity of the laser radiation. the Frequency stabilization was done using the three in most cases The following methods are aimed at: 1. Frequency comparison of the laser radiation to be stabilized with the frequency of a highly stabilized laser oscillator, 2. Use of high-resolution Etalons of time-variable transmission, 3. Absorption behavior of narrow-band absorbing Media.

Aus den Verfahren resultiert ein Steuersignal, mit dem, meist mittels Piezoelementen, die Parameter des Laserresonators wie z.B. Resonatorlänge9 Gitterstellung oder Etaloneinstellung optimiert werden. The process results in a control signal with which, mostly by means of Piezo elements, the parameters of the laser resonator such as resonator length 9 grating position or etalon setting can be optimized.

Die Amplitudenstabilisierung bezog sich auf Langzeitschwankungen und Kurzzeit-Fluktuationen. Langzeitinstabil itäten wurden durch Regelkreise kompensiert, die den Pumpmechanismus des Lasermediums in Abhängigkeit von der Strahlungsintensität beeinflussen. Die Ansprechzeit dieser Methode beträgt ca. The amplitude stabilization related to long-term fluctuations and short-term fluctuations. Long-term instabilities were compensated by control loops, the pumping mechanism of the laser medium as a function of the radiation intensity influence. The response time of this method is approx.

10 4 s. Zur Kompensation von Kurzzeitschwankungen (Ansprechzeit ca. 10 6 s) wurde eine resonatorexterne Pockelszelle eingesetzt, die jedoch, je nach Eigenstabilität des Lasers, Intensitätsverluste von ca. 30 % verursachte.10 4 s. To compensate for short-term fluctuations (response time approx. 10 6 s) a Pockels cell external to the resonator was used, which, however, depending on Intrinsic stability of the laser, causing intensity losses of approx. 30%.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebenen Zusammenhänge der spontanen Kopplung transversaler Moden und deren Beeinflußbarkeit zur Erzeugung stabilisierter, intensitätsmodulierter Laserstrahlung zu nutzen. The invention is based on the object described at the outset Relationships between the spontaneous coupling of transversal modes and how they can be influenced to use to generate stabilized, intensity-modulated laser radiation.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Laser gelöst, wie er durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Eine Weiterbildung der Erfindung ist in dem Unteranspruch beschrieben. According to the invention, this object is achieved with a laser such as that is characterized by claim 1. A further development of the invention is in the dependent claim described.

Der Regelkreis zur Stabilisierung von Frequenz und/oder Amplitude der Laserstrahlung wird nachfolgend anhand beigefügter Schemazeichnung näher erläutert. Aufgrund der Wechselwirkung transversaler Moden ist die Intensitätsverteilung des Strahls auf mehrere Bereiche lokalisiert. Jeder einzelne Bereich weist eine charakteristische Intensitätsmodulation (im einfachsten Fall sinusförmig) bestimmter Frequenz ML (Lokalisierung und Modulation des optischen Trägers führt zu der Bezeichnung V ML bzw. ## ML) mit der Bandbreite ## ML auf. Der teildurchlässige Spiegel 1 lenkt einen Bruchteil dieser Strahlung auf den Detektor 2, dessen elektrisches Signal durch den Verstärker 3 verstärkt wird. Eine Regelungseinheit 4 (die Regelung kann beispielsweise mittels Phasenvergleich, i.e. durch eine Phase-Lock-Loop-Schaltung, PLL, erfolgen) vergleicht das Detektorsignal mit dem Signal eines hochstabilisierten Oszillators 5 (Mittenfrequenz des Oszillators #OSZ: #ML-##ML < #OSZ < #ML+##ML, Bandbreite ##OSZ < 10 Hz. The control loop for stabilizing frequency and / or amplitude the laser radiation is explained in more detail below with the aid of the attached schematic drawing. Due to the interaction of transverse modes, the intensity distribution of the Beam localized to several areas. Each individual area has a characteristic Intensity modulation (sinusoidal in the simplest case) of certain frequency ML (localization and modulation of the optical carrier leads to the designation V ML or ## ML) with the bandwidth ## ML on. The partially transparent mirror 1 directs a fraction of this Radiation on the detector 2, its electrical signal through the amplifier 3 is reinforced. A control unit 4 (the control can, for example, by means of Phase comparison, i.e. by a phase lock loop circuit, PLL) compares the detector signal with the signal of a highly stabilized oscillator 5 (center frequency of the oscillator #OSZ: #ML - ## ML <#OSZ <#ML + ## ML, bandwidth ## OSZ <10 Hz.

Der Oszillator 5 kann ein Quarzoszillator sein, jedoch sind auch andere "Frequenzstandards" geeignet. Eine Abweichung von #ML vom Sollwert #OSZ führt zu einem Regelsignal, das durch 6 verstärkt wird und einen oder mehrere Parameter des Laserresonators 7 verändert. Diese Veränderung kann beispielsweise, ohne Beschränkung auf dieses spezielle Vorgehen, eine Variation der Resonatorlänge und/oder der Spieoeleinstellungen bzw. der Spiegeloberflächen sein, die z.B. durch ein Piezoelement 8 erfolgt. Dadurch ist eine Frequenzkonstanz von y ML von wenigen Hz möglich.The oscillator 5 can be a crystal oscillator, but others are also possible "Frequency standards" suitable. A deviation of #ML from the setpoint #OSZ leads to a control signal that is amplified by 6 and one or more parameters of the Laser resonator 7 changed. This change can be, for example, without limitation on this special procedure, a variation of the resonator length and / or the mirror settings or the mirror surfaces, which is done, for example, by a piezo element 8. Through this a frequency constancy of y ML of a few Hz is possible.

Die Vorteile der Erfindung gegenüber den bisherigen Methoden liegen in der Tatsache, daß mit einem Bruchteil des bislang notwendigen technischen Aufwands eine gleich gute oder erheblich bessere Stabiliserung der Laserstrahlung hinsichtlich der Frequenz und Amplitude erreicht wird. The advantages of the invention over the previous methods are in the fact that with a fraction of the previously necessary technical effort an equally good or considerably better stabilization of the laser radiation with regard to the frequency and amplitude is achieved.

Claims

Claims: 1. Laser with intensity modulation due to spontaneous Coupling of transversal modes, g e k e n n z zui e h ^ n e t by a control loop to stabilize the frequency and / or amplitude of the laser radiation, which control loop a highly stabilized oscillator such as a crystal oscillator (5) and a comparison circuit (4) to compare the laser radiation with the oscillator output signal for the purpose of generation of a control signal, and.by devices acted upon by the control signal to act on one or more of the parameters of the laser resonator (7) in the The sense of adapting the laser radiation to the oscillator output signal.

2. Laser according to claim 1, g e k e n n z e i c h -n e t by one of the control signal applied to the piezoelectric element influencing the resonator geometry (8th).