DE3781864T2

DE3781864T2 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung des effekts von vibrationsstoerungen auf die frequenzstabilitaet eines lasers.

Info

Publication number: DE3781864T2
Application number: DE8787902916T
Authority: DE
Inventors: David Fink
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1986-04-28
Filing date: 1987-03-23
Publication date: 1993-03-25
Anticipated expiration: 2007-03-24
Also published as: NO875399L; NO174269C; NO174269B; IL82106A0; US4744634A; EP0267228B1; JPS63503263A; ES2003707A6; TR23184A; NO875399D0; JP2610633B2; WO1987006772A1; DE3781864D1; EP0267228A1

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Regeln der Resonanzfrequenz optischer Interferometer-Hohlräume und insbesondere die Laserfrequenz-Regelung.

Beschreibung des Standes der Technik

Laser und andere ähnliche Interferometer-Resonanzvorrichtungen unterliegen Änderungen in der Resonanzhohlraum-Frequenz verursacht durch Beschleunigungskräfte, die bewirken, daß sich die physikalischen Abmessungen des Resonanzhohlraumes ändern. Im Falle von Lasern können Vibrationskräfte Änderungen in der optischen Pfadlänge zwischen den Hohlraumreflektoren bewirken, was Änderungen in der Laserausgangsfrequenz im Vergleich dazu bewirkt, was erhalten werden würde, wenn die Struktur ungestört oder völlig steif wäre. Da die Arbeitsweise vieler Laservorrichtungen von der Frequenzstabilität der Laserquelle abhängt, ist das frei sein von vibrationsverursachten Frequenzänderungen ein wichtiges Ziel.
In der Vergangenheit wurde eine Anzahl von Frequenzstabilisations-Lösungen vorgeschlagen. Der Hauptansatz hat einen Versuch beinhaltet, die Interferometerstruktur so steif wie möglich zu machen, um die Effekte zu minimieren, die eine Vibration auf die Abmessungen hat, welche die Resonanzfrequenz des Interferometerhohlraumes bestimmen. Ein weiterer allgemeiner Ansatz beinhaltet passive Systeme, die versuchen, die Laserstruktur gegenüber Vibrationen mittels verschiedener Stoßdämpfer-Anordnungen zu isolieren. Eine aktive Stabilisation wurde ebenfalls verwendet, welche die Detektion von Frequenzverschiebungen und das Anlegen von Korrekturkräften auf den Hohlraum verwendet. Dies macht aktive Elektronik, Wandler des elektromechanischen Typs und andere komplexe Vorrichtungen und Schaltkreise nötig. In solchen aktiven Systemen ergibt sich das zusätzliche Problem der korrekten Detektion des Frequenzfehlers, welche oft den gleichen vibrationsbedingten Fehlern unterliegt, welche die Notwendigkeit zur Frequenzkorrektur in dem Hauptlasersystem bedingen. Weitere Ansätze umfassen Vorrichtungen, wie das Spectra-Physics Stabilite, welches ein Haltesystem für eine Resonatorstruktur ist, die Schwenklager verwendet in dem Bemühen, das Einkoppeln von Drehmomenten und anderen Störkräften in den Interferometer-Hohlraum zu minimieren. Andere Ansätze verwenden unterschiedliche Kombinationen erhöhter Steifigkeit, stoßdämpfender Lagerung und aktiver Stabilisierung in dem Bemühen, das Problem zu lösen. Keine der erwähnten Ansätze und auch keine Kombination hiervon schafft eine Lösung die gleichzeitig einfach, stabil und kostengünstig ist.
Der Oberbegriff des Anspruches 1 korrespondiert mit der Veröffentlichung IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-8, No. 12, Dezember 1972, Seiten 857 bis 865 mit dem Titel "Laser Frequenzy Fluctuations due to Mechanical Vibrations".

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in Anspruch 1 beansprucht ist, ist eine Interferometervorrichtung vorgesehen mit einer Interferometerstruktur, die einen Resonanzhohlraum beinhaltet, der eine neutrale Achse hat, so wie Hohlraum- Endreflektoren, deren Relativlage die Resonanzhohlraum-Frequenz des Resonanzhohlraumes bestimmen, und eine Lagerung für die Interferometerstruktur, wobei die Lagerung ein Paar von Stützeinrichungen aufweist, die mit der Struktur an Stellen entlang der neutralen Achse und zwischen den Hohlraum-Endreflektoren verbunden sind; die dadurch gekennzeichnet ist, daß einzelne des Paares von Stützeinrichtungen jeweils mit der Struktur an einer bestimmten Stelle relativ zu einem der Hohlraum-Endreflektoren verbunden sind, wobei die Stellen asymmetrisch bezüglich den Hohlraum-Endreflektoren angeordnet sind und, daß jede der Stellen so angeordnet ist, daß Änderungen in der Resonanzhohlraum-Frequenz verringert werden, wenn die Struktur Beschleunigungskräften unterliegt.
Gemäß eines eng benachbarten Aspektes der vorliegenden Erfindung wird gemäß Anspruch 4 ein Verfahren geschaffen zum Verringern der durch Beschleunigungskräfte verursachten Änderungen in der Resonanzhohlraum-Frequenz in einer Interferometervorrichtung.
Gemäß eines weiter eng benachbarten Aspektes der Erfindung wird gemäß Anspruch 9 ein Verfahren geschaffen zum Bestimmen einer optimalen Position für einzelne Stützvorrichtungen aus einem Paar von Stützvorrichtungen für eine Laserübertragerstruktur.
Es werden somit ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben zum Anordnen einer Resonator-Interferometerstruktur, um die Effekte von Vibrationsstörungen auf die Resonatorhohlraum-Frequenz des Interferometers zu verringern. Anstelle des Bereitstellens von Vibrationsisolationen versucht die Erfindung die Auswahl einer optimalen Lagerkonfiguration, welche die Effekte erster Ordnung von Vibrationen und ähnlicher externer Beschleunigungskräfte eleminiert.
Die vorliegende Erfindung verringert die Effekte von Vibrationsstörungen auf die Resonanzfrequenz von dem jeweiligen Interferometer einfach dadurch, daß die optimalen Stellen für die Strukturlagerungen oder Stützen gewählt werden. Die vorliegende Erfindung hat eine Anzahl von Vorteilen einschließlich Einfachheit, Nicht-Vorhandensein externer Steuerungen oder Komponenten, sowie der Tatsache, daß sie die Verwendung irgendeiner anderen verfügbaren Methode zum Verringern von Vibrationseffekten nicht ausschließt, - so daß diese anderen Methoden ebenfalls verwendet werden können, wenn dies gewünscht wird.
Die vorliegende Erfindung reduziert oder eliminiert die Notwendigkeit für weiche Lagerung oder stoßdämpfende Vibrationsisolation. Die Vibrationsisolation hat den unerwünschten Nebeneffekt, daß auch das Interferometer (beispielsweise ein Laser) von einer präzisen Strahlrichtungs-Steuerung isoliert wird.
Der Einfachheit halber und zur Erläuterung handelt die nachfolgende Beschreibung primär von Lasern, obwohl das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung nachfolgend auf praktisch jeden Typ einer Resonanz-Interferometerhohlraumstruktur angewendet werden kann, welche an vibrationsverursachten Resonanzfrequenzvariationen leidet.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Bevorzugte Merkmale der Erfindung werden nun exemplarisch unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der
Fig. 1 Hohlraumlängenänderungen aufgrund eines Durchsackens der Interferometerstruktur veranschaulicht.
Fig. 2 den Symmetriefall der Stützenanordnung zeigt.
Fig. 3 die asymmetrische Stützenanordnung zeigt.
Fig. 4 einen Vibrationseingang in Längsrichtung zeigt.
Fig. 5 einen Interferometerhohlraum mit einstellbarer Massenverteilung zeigt.
Fig. 6 ein Blockdiagramm ist zur Darstellung eines Laborexperimentes zum Messen und Minimieren vibrationsverursachter Frequenzinstabilität.
Fig. 7a und 7b eine einfache optimale Lagerung für eine dreidimensinale Interferometerstruktur zeigen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Resonanzfrequenz eines Interferometerhohlraumes, wie eines Lasers, hängt von dem optischen Pfad zwischen den Spiegeln ab. Wenn sich der Brechungsindex nicht ändert, hängt die Frequenz von der physikalischen Distanz zwischen den Spiegeln ab, so daß
Δf/f = ΔL/L
gilt, wobei f die optische Frequenz des Laserlichtes ist, Δf die Änderung dieser Frequenz ist, L die Hohlraumlänge ist und ΔL die Änderung der Hohlraumlänge ist. Diese Beziehung macht die Frequenz sehr empfindlich gegenüber Änderungen der Hohlraumlänge. Beispielsweise hat ein CO&sub2; Infrarot-Laser, der mit einer Wellenlänge von 10,6 um arbeitet eine optischen Frequenz von 28·10¹² Hz. Um die Frequenz innerhalb 30 kHz für eine bestimmte Zeitdauer stabil zu halten, muß die Länge auf eine Toleranz von 1 Teil in 10&sup9; während dieser Zeitperiode festgehalten werden. Wenn der Laser 20 cm lang ist, macht dies nötig, daß sich während dieser Zeitperiode die Länge um nicht mehr als 0,2 nm (2Å) ändert.
Eine Art, wie die Vibration die Hohlraumlänge beeinflußt, ist in Fig. 1 dargestellt, wo ein einfacher Stab 1 einfach von zwei Stützen 7 und 8 getragen wird. Die Stabstrukturen gemäß Fig. 1 repräsentieren eine idealisierte Laserstruktur, wobei die Enden 5 und 6 des Stabes 1 Laserspiegel vertreten und der Stab 1 die Spiegelstützanordnung vertritt. Die Durchhängung zwischen den Stützen 7 und 8, die tatsächlich im Bereich von Zehnteln eines um liegt, ist in der Zeichnung übertrieben dargestellt. Die Linie 2 stellt die neutrale Achse des Stabes dar, also die Linie, die durch die Durchhängung weder gedehnt noch komprimiert wird. Für gewöhnlich wird die optische Achse 3 des Lasers nicht auf der neutralen Linie 2 liegen, sondern hiervon versetzt sein, wie in der Figur dargestellt.
Es gibt zwei Beiträge zu der Änderung in der Hohlraumlänge verursacht durch die Durchhängung: die Sehnenlänge c gemessen zwischen den Endpunkten 10 und 11 der neutralen Achse 2 ist kleiner als die nicht durchgesackte Länge L des Stabes 1 vor dem Durchhängen des Stabes und ein Verkippen der Enden 5 und 6 des Stabes 1 ändert die Beabstandung der Endpunkte 12 und 13 der optischen Achse, wenn die optische Achse ursprünglich nicht mit der neutralen Achse zusammengefallen ist.
Es kann auch eine Auswirkung auf die Laserfrequenz vorliegen aufgrund einer Spiegelkippung, selbst wenn die optischen Achse sich nicht in ihrer Länge ändert. Der Beleuchtungspunkt auf dem Spiegel ist von finiter Ausdehnung, so daß sich ein Teil des optischen Pfades ausdehnen und ein Teil verkürzen wird, selbst wenn die Länge der optischen Achse selbst eine konstante Länge bleibt, während die Spiegel kippen.
Die Änderung der Hohlraumlänge bei der Durchängung s beträgt
ΔL = (c - L) + 2 Rt,
wobei e die Spiegelkippung ist und t die Versetzung der optischen Achse 3 von der neutralen Achse 2 ist. Der erste Term kann aus der Durchhängung berechnet werden, indem die Form des Stabes mit einem Zirkel angenähert wird. Der Spiegelkippwinkel kann aus üblichen mechanischen Festigkeitsformeln ebenso wie der Wert der Durchhängung ermittelt werden.(Der erste Term könnte exakt berechnet werden, ist jedoch um sovieles kleiner als der zweite, so daß die Annäherung ausreichend ist.) Die relative Änderung der Länge wird zu
ΔL/L = -8s²/3L² + 32st/5L²
Für eine Struktur aus rostfreiem Stahl mit einer Länge von 25 cm und einer Dicke von 4,5 cm ist in einem Beschleunigungsfeld von 1 g die Durchhängung 0,12 um und der Kippungswinkel 1,6 Grad. Wenn die optische Achse um 1 mm außerhalb der neutralen Linie liegt, kann der erste Term vernachläßigt werden,
Δf/f = ΔL/L = 1.3·10&supmin;&sup8;
und die Frequenzverschiebung eines CO&sub2; Lasers mit 10,6 um würde 360 kHz sein. Solange die Vibrationsfrequenzen ausreichend unterhalb der Resonanzfrequenz der Struktur liegen, ist dies die Laserfrequenz-Empfindlichkeit pro g der Beschleunigung. Der Laser wird bei der Vibrationsfrequenz frequenzmoduliert mit einer Modulationstiefe gleich dieser Empfindlichkeit mal der Größe der Beschleunigung.
Es sei festgehalten, daß der zweite Term in ΔL/L um das Verhältnis von t/s größer als der erste ist oder ungefähr 10 000 mal größer ist, so daß ΔL/L reduziert werden könnte, indem die optische Achse näher an die neutrale Linie bewegt wird. Aber die Berechnung hat bereits einen Fehler von nur 1 mm angenommen und selbst wenn die Achse näher an die neutrale Linie herangebracht würde, würde die finite Größe der beleuchteten Fläche des Spiegels einen Effekt haben, insbesondere da die Spiegelkippung bewirken würde, daß sich der Lasermodus leicht ändert und die beleuchtete Fläche bewegt wird. Auch in einer realen Struktur ist es sehr schwierig oder unmöglich, die neutrale Achse korrekt festzustellen.
Diese Erfindung lehrt, den Stab nicht an seinen Enden oder an den Stellen mit minimaler Belastung zu unterstützen, welche für gewöhnlich von Mechanikern ausgewählt werdend sondern den Stab an Stellen zu unterstützen derart, daß die Relativverkippung der Enden des Stabes Null ist. Festzuhalten ist, daß wenn beide Stützen zur Mitte bewegt werden, der Stab durchhängen würde und Verkippungen entgegengesetzt denjenigen von Fig. 1 sich ergeben würden. Daher gibt es eine Zwischenlage für die Stützen 7 und 8 welche bewirkt, daß der Stab derart durchhängt, daß sich keine Verkippungen an den Enden 5 und 6 des Stabes 1 ergeben, wie in Fig. 2 dargestellt. Für einen einfach unterstützten einfachen Stab ist diese Stelle so, daß die Stützen symmetrisch angeordnet und voneinander um 1/ 3 (=0,58) der Länge des Stabes voneinander getrennt sind.
Die Anordnung gemäß Fig. 2 eliminiert den Teil der Hohlraumlängenänderung verursacht dadurch, daß die optische Achse nicht auf der neutralen Linie liegt. Sie eliminiert auch jegliche Effekte aufgrund der finiten Größe des Beleuchtungsfleckes auf den Spiegeln. Sie eliminiert jegliche Änderungen in der Lasermodenform. Der einzig verbleibende Effekt ist das Verkürzen der Sehnenlänge zwischen den Spiegeln, was jedoch nur 1/10.000 der anderen anfänglichen Effekte war und die Verkürzung der Sehnenlänge ist für diese Nullverkippungs-Lagerung sogar noch geringer aufgrund der zurückgebogenen Form des Stabes in Fig. 2.
Fig. 2 zeigt die Stützen unterhalb des Interferometers, was geeignet sein kann, wenn die nachteilige Vibrationsbeschleunigung nur in vertikaler Richtung vorliegt. Um die Interferometerstruktur in Situationen optimal zu unterstützen, bei denen Vibrationsbeschleunigungen in anderen Richtungen vorliegen, sollten die Stützen an der Struktur an Stellen angeordnet werden, wie in den Fig. 7a und 7b dargestellt. In diesen Figuren ist das Interferometer perspektivisch als einfach gestützter einfacher Stab 1 dargestellt und an Punkten 31, 32, 35 und 37 abgestützt. Eine Linie zwischen den Punkten 31 und 32 läuft durch die neutrale Achse 2 des Stabes 1, genauso wie eine Linie zwischen den Punkten 35 und 37.
Wenn der Laser nicht ein einfach unterstützter einfacher Stab ist, sind die Befestigungsstellen für Nullkippungswinkel nicht notwendigerweise bei 1/ 3 der Länge, aber sie werden immer existieren. Es gibt auch eine asymmetrische Nullverkippungs-Befestigung, wie in Fig. 3 dargestellt, wo die Spiegelverkippungen nicht Null sind, aber gleich sind, so daß sich ihre Effekte auf die Hohlraumlänge (und somit die Resonanzfrequenz) aufheben. Tatsächlich gibt es eine infinite Anzahl von asymmetrischen Paaren von Stützstellen, welche das gleiche Ergebnis erzeugen.
Die bisherige Diskussion hatte sich auf eine Empfindlichkeit gegenüber Vibrationseingänge in Querrichtung konzentriert. Der Laser muß jedoch auch stabil gegenüber Vibrationseingänge in Längsrichtung sein. Wenn der Vibrationseingang von einem Ende her aufgebracht wird, wird die Laserfrequenzstabilität gegenüber den Längsvibrationen stärker empfindlicher werden als gegenüber den Quervibrationen, nämlich dreimal empfindlicher für die Eingangs betrachtete Laserstruktur. Die Längsstörungen werden jedoch nicht auf ein Ende aufgebracht, sondern auf die beiden Halterungen, wie in Fig. 4 dargestellt.
Hier in Fig. 4 hebt die Kompression vorderhalb der -vorderen Stütze 7 die Dehnung hinterhalb der hinteren Stütze 8 auf und die Dehnung der vorderen Hälfte des Segmentes zwischen den Stützen hebt die Kompression der hinteren Hälfte des Segmentes zwischen des Stützen auf, was zu einer Nettoänderung der Gesamtlänge von Null führt und zu keiner Änderung der Laserfrequenz. Die Wirksamkeit dieser Aufhebung in Längsrichtung hängt jedoch von dem Anpassen der vorderen und hinteren Überhänge (zwischen 5 und 7 bzw. zwischen 6 und 8) in Fig. 4 ab; der Bruchteil der gesamten Hohlraumlänge, der unangepaßt verbleibt, bestimmt die Verbesserung von dem Fall, bei dem von Ende her angeregt wird. Dies heißt, wenn ein Bruchteil der gesamten Hohlraumlänge nicht angepaßt ist, sind die Frequenzstöreffekte diejenigen des Falles mit Endanregung multipliziert mit diesem Bruchteil.
Da die beiden Enden eines Lasers für gewöhnlich aus unterschiedlichsten Gründen wie Ausgangskopplung, Frequenzsteuer- Servoschleifen und Spektrallinienwahl unterschiedlich sind, ist die Anpassung der Überhanglängen nicht passend. Es gibt Befestigungspunkte, die für die Überhangeffekte eines jeden Lasers passen, aber sie sind für gewöhnlich nicht die gleichen wie diejenigen, die benötigt werden, die Quervibrations-Effekte zu kompensieren. Die Längsrichtung kann jedoch bis auf jeden Grad vibrationsisoliert werden, ohne einen Verlust der Strahlgenauigkeit zu verursachen, wohingegen eine Isolation in Querrichtung einen Verlust der Strahlgenauigkeit verursachen kann. Von daher ist ein Ansatz, ein Lagersystem zu verwenden, welches die Quereffekte minimiert, sowie einer Isolation, um die Längseffekte zu eliminieren.
Es sollte betont werden, daß einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung der ist, daß der Nutzen der Erfindung nicht nur durch Auswahl von Befestigungspunkten erhalten werden kann, sondern durch Auswählen und/oder Ändern von Massenverteilung, Typ der Stützanordnung (z. B. frei schwenkbar oder steife Verbindung) oder sogar Steifigkeitsverteilung in der Interferometerstruktur. Ein kontinuierlich justierbares Massenverteilungsschema ist in Fig. 5 dargestellt, wo eine Vorrichtung 15 des Schraubentyps an einem Ende (oder alternativ an beiden Enden oder einer anderen Stelle) angeordnet ist, um eine kontinuierlich variable Massenverteilung zu erzeugen, die verwendet werden kann, die Struktur zu "trimmen", um minimale vibrationsinduzierte Frequenzänderungen zu erhalten.
Die Steifigkeitsverteilung kann durch viele bekannte Faktoren beeinflußt werden, unter anderem durch die folgenden:
(1) Wahl der Materialien für die Interferometerstruktur;
(2) Dicke der Interferometerwände (welche geändert werden kann durch Hinzuaddieren oder Wegnahme von Wandmaterial beispielsweise durch maschinelle Bearbeitung oder Schweißen);
(3) Größe der Strukturkomponenten;
(4) Vorhandensein von Aussteifungsteilen wie Rippen oder Trägern, die entweder ein einstückiges Teil der Interferometerstruktur oder hinzugefügte Elemente sein können, die hinzugefügt werden, um die Steifigkeit zu ändern.
In einem typischen Anwendungsfall würde die optimale Verteilung der Aussteifer experimentell ermittelt werden, durch Verwendung des Testaufbaus gemäß Fig. 6 und durch Ändern der Steifigkeit durch eines der oben aufgelisteten Verfahren. Alternativ könnte die optimale Steifigkeit durch dynamisches mechanisches Modellverhalten bestimmt werden, beispielsweise durch NASTRAN oder andere mathematische oder Computermodelle. Wenn einmal eine optimale Steifigkeitsverteilung gefunden ist, können zukünftige Interferometer so ausgelegt werden, daß diese optimale Konfiguration mit eingebaut wird
Bei einer typischen Anwendung bei einem CO&sub2;-Laser - sind es zwei Querachsen und eine Längsachse, die beachtet werden müssen. Bei der Auswahl der Befestigungspunkte ist es für gewöhnlich möglich, optimale Punkte herauszugreifen, welche zwei Achsen befriedigen; am besten ist es, zu versuchen, die am meisten empfindliche Achse auszubalancieren. Die meisten Laservorrichtungen haben eine bilaterale oder links-rechts- Symmetrie in Hohlraum-Querschnitt gesehen. Diese Symmetrie führt oft dazu, daß die Querachse die gegenüber Vibrationen am wenigsten empfindliche ist, so daß es wichtiger wird, Befestigungspunkte, Massenverteilungen oder Steifigkeitsverteilungen herauszugreifen, welche die Vibrationseffekte in den beiden am meisten empfindlichen Achsen, der vertikalen Achse und der Axialachse minimieren.
Der experimentelle Aufbau gemäß Fig. 6 ermöglicht es, die Frequenzabweichungen direkt zu messen, die durch Vibrationen auf einen Rütteltisch erzeugt werden. Man kann Befestigungen bewegen, um die Vibrationsempfindlichkeit zu verringern, oder, wenn dies nicht möglich ist, kann man die Gewichtsverteilung oder Steifigkeitsverteilung verändern, bis die optimale Verteilung erhalten ist. Der experimentelle Aufbau gemäß Fig. 6 macht es nicht länger nötig, die Pfadlängenänderung tatsächlich zu messen, da eine direkte Frequenzabweichungs-Messung mittels eines Überlagerungs-Mischers möglich ist.
In Fig. 6 ist ein Laserübertrager 20 mechanisch mit einem Vibrator 21 verbunden, um absichtlich eine vibrationsverursachte Instabilität Δf(t) in der optischen Ausgangsfrequenz f zu erzeugen. Ein Strahlteiler 22 kombiniert den Übertragerausgang mit einem festen Frequenzausgangssignal f-fo von einem lokalen Oszillatorlaser 23. Der kombinierte Strahl wird von dem Überlagerungsmischer 16 detektiert. Die Wechselstromkomponente des Mischerausganges liegt bei der Schwebungsfrequenz zwischen den beiden Lasern, welche fo+ Δf(t) ist. Die Stabilisierungsschleife erhält ein konstantes fo durch Anlegen von Korrektursignalen an piezoelektrische Übersetzer (PZTs), welche die Ausgangsfrequenz eines jeden Lasers steuern. Der rapide zeitabhängige Teil der Schwebungsfrequenz ist Δf(t) und wird von dem Spektralanalysator 26 oder von dem Frequenzdiskriminator 27 und einem Differenzierschaltkreis 28 gemessen. Der XYZ-Beschleunigungsmesser 29 stellt Beschleunigungsmessungen bereit zum Vergleich mit der gemessenen Frequenzinstabilität.
In der Praxis wird die Anordnung der Befestigungen die Frequenzstabilität aus den folgenden drei Gründen nicht um einen Faktor 10 000 erhöhen:
(1) Die Genauigkeit, mit der die Befestigungspunkte angebracht werden können. Die Effekte des Vibrationseinganges werden um einen Faktor von 3 (Δl/L) gegenüber den Effekten reduziert, bei denen die Befestigungen an den Enden des Lasers sind, wobei Δl/L der relative Fehler ist, mit dem die Befestigungsstellen gefunden werden.
Diese können wahrscheinlich mit einer Genauigkeit von 2% der Gesamtlänge angeordnet werden, was die Effekte um einen Faktor von 1/29 reduzieren würde. Ein experimentelles Abstimmen durch Bewegen der Befestigungsstellen oder durch Entfernen, Hinzufügen oder Bewegen von Gewichten an dem Laser könnte in der Lage sein, dies um einen Faktor von 1/2 oder 1/4 zu verbessern.
(2) Die mechanische Resonanzfrequenz der Laserstruktur muß ausreichend oberhalb der Vibrationsfrequenzen liegen, sonst werden die Effekte der mechanischen Resonanz die Biegungsform ändern.
(3) Die Vibrationseingänge an den beiden Befestigungsstellen müssen korreliert sein, müssen aber nicht identisch sein. Nicht identische Vibrationseingänge machen unterschiedliche Befestigungsstellen gegenüber identischen nötig. Wenn die Vibrationseingänge teilweise korreliert sind, kompensiert diese Erfindung den korrelierten Teil.
Die Verwendung der vorliegenden Erfindung führt zu einem steif befestigten Laser, der in der Lage ist, präzise zu zeigen und relativ unempfindlich ist gegenüber Vibrationen insofern, als Änderungen der Resonanzhohlraum-Frequenz betroffen sind. Die vorliegende Erfindung löst keine temperaturbedingten Probleme von Frequenzinstabilität, verhindert jedoch nicht die Verwendung von Systemen, die ausgelegt sind, einer thermischen Frequenzinstabilität entgegenzuwirken.

Claims

1. Eine Interferometervorrichtung mit einer Interferometerstruktur (1), welche einen Resonanzhohlraum mit einer neutralen Achse (2) und Hohlraum-Endreflektoren (5, 6) aufweist, deren Relativlagen die Resonanzhohlraum-Frequenz des Resonanzhohlraumes bestimmen und einer Befestigung für die Interferometerstruktur, wobei die Befestigung ein Paar von Stützmitteln (7, 8) aufweist, die mit der Struktur (1) an Stellen entlang der neutralen Achse und zwischen den Hohlraum-Endreflektoren verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß:

einzelne aus dem Paar der Stützmittel (7, 8) mit der Struktur (1) an bestimmten Stellen relativ zu einem der Hohlraum-Endreflekoren (5, 6) verbunden sind, wobei die Stellen bezüglich den Hohlraum-Endreflektoren asymmetrisch sind; und

daß jede der Stellen so angeordnet ist, daß Variationen in der Resonanzhohlraum-Frequenz, wenn die Struktur (1) Beschleunigungskräften unterliegt, verringert sind.

2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit: einer Einrichtung (15), die an der Struktur angeordnet ist, um deren Massenverteilung zu verändern, um vibrationsinduzierte Änderungen in der Resonanzhohlraum-Frequenz zu verringern.

3. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin jedes Stützmittel zwei Stützen (31, 35; 32, 37) aufweist, die an der Struktur (1) angeordnet sind an Stellen einander entgegengesetzt entlang einer Ebene, welche durch die neutrale Achse (2) des Resonanzhohlraumes läuft.

4. Ein Verfahren zur Verringerung der durch Beschleunigungskräfte verursachten Variationen der Resonanzhohlraum-Frequenz in einer Interferometervorrichtung mit einer Interferometerstruktur (1), welche einen Resonanzhohlraum mit einer neutralen Achse (2) und Hohlraum- Endreflektoren (5, 6) aufweist, deren Relativlagen die Resonanzhohlraum-Frequenz des Resonanzhohlraumes bestimmen, und einer Befestigung für die Interferometerstruktur, wobei die Befestigung ein Paar von Stützmitteln (7, 8) aufweist, welche mit der Struktur an Stellen entlang der neutralen Achse und zwischen den Hohlraum-Endreflektoren verbunden sind, mit den folgenden Schritten:

Abstützen der Struktur (1) mit dem Paar von Stützmitteln (7, 8), die mit der Struktur verbunden sind;

wobei der Schritt des Abstützens durchgeführt wird durch Verbinden einzelner aus dem Paar von Stützmittel (7, 8) so, daß jedes mit der Struktur (1) an einer bestimmten Stelle relativ zu einem der Hohlraum-Endreflektoren (5, 6) verbunden ist, wobei die Stellen bezüglich den Hohlraum-Endreflektoren asymmetrisch angeordnet sind;

wobei der Schritt des Verbindens den Schritt des Auswählens der Stelle für jedes einzelne aus dem Paar von Stützmitteln (7, 8) aus einer Mehrzahl von möglichen Stützstellen aufweist, um Variationen in der Resonanzhohlraumfrequenz zu verringern, wenn die Struktur (1) Beschleunigungskräften unterworfen ist.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin mit dem Schritt:

Auswählen der Verteilung der Masse innerhalb der Struktur so, daß Variationen in der Resonanzfrequenz, verursacht durch Beschleunigungskräfte, weiter reduziert werden.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, weiterhin mit dem Schritt:

Auswählen der Verteilung der Steifigkeit innerhalb der Struktur derart, daß Variationen in der Resonanzfrequenz, verursacht durch Beschleunigungskräfte, weiter reduziert werden.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 4, 5 oder 6, weiterhin mit den Schritten:

Bewegen wenigstens eines einzelnen aus dem Paar von Stützmitteln;

Überwachen vibrationsinduzierter Änderungen in der Resonanzhohlraum-Frequenz;

Befestigen der Stützmittel an einer Stelle, welche zu einer verringerten Vibrationsempfindlichkeit der Struktur führt.

8. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, weiterhin mit den Schritten:

Variieren der Massenverteilung der Interferometerstruktur;

Überwachen der Änderung in der Resonanzhohlraum-Frequenz, verursacht durch Vibrationsanregung; und

Festlegen der Massenverteilung auf eine spezielle Verteilung, die zu einer verringerten Vibrationsempfindlichkeit der Resonanzhohlraum-Frequenz führt.

9. Ein Verfahren zum Bestimmen einer optimalen Position für einzelne aus einem Paar von Stützmitteln (7, 8), welche mit einer Laserübertragerstruktur (20) verbunden sind, wobei die Struktur einen Resonanzhohlraum mit einer neutralen Achse (2) und ein Paar von Hohlraum-Endreflektoren (5, 6) aufweist, wobei die optimale Position Stellen entlang der neutralen Achse und zwischen den Hohlraum- Endreflektoren sind, welche ein Verkippen zwischen den Endreflektoren (5, 6) aufgrund von Beschleunigungskräften minimieren, mit den folgenden Schritten:

mechanisches Koppeln der Laserübertragerstruktur (20) an einen Vibrator (21);

Betätigen des Vibrators (21) derart, daß die Laserübertragerstruktur (20) vibriert, so daß eine Frequenzänderung Δf(t) in einem Ausgang der Laserübertragerstruktur (20) induziert wird;

Bereitstellen eines Referenzlaserübertragers (23) mit einer Referenzausgangsfrequenz f-fo;

Kombinieren des Ausganges der Frequenz f + Δf(t) der Laserubertragerstruktur (20) mit dem Referenzausgang der Frequenz f-fo;

Detektieren der kombinierten Ausgänge mittels eines Überlagerungsmischers (16), um die Schwebungsfrequenz fo+Δf(t) zu bestimmen;

Messen des zeitabhängigen Teiles Δf(t); und Anordnen jedes der Stützmittel (7, 8) asymmetrisch bezüglich der Hohlraum-Endreflektoren an einer Stelle, welche Δf(t) minimiert.