DE3819687A1 - Gaslaseranordnung mit frequenzstabilisierung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gaslaseranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Gaslaser­ anordnung ist aus IEEE, Journal of Quantum Electronics, Vol. QE -1, Nr. 8, Nov. 1965, S. 349 bis 357 bekannt, s. insbesondere S. 354. Dort wird die Strahlung eines Lasers in einen rechts- und einen linksdrehenden Teilstrahl aufgespalten. Ein elektro­ optischer Schalter läßt jeweils einen dieser Teilstrahlen auf eine Absorptionszelle gelangen, welche eine Drehrichtung absor­ biert, die andere aber nicht und somit eine unterschiedliche Intensität durchläßt, je nachdem, welche der beiden Drehrich­ tungen der Welle gerade anliegt. Dieser Unterschied wird gemes­ sen und zur Steuerung der Länge des Resonators verwendet. Die Umschaltung der Drehrichtungen erfolgt mit einem 400-Hz-Genera­ tor. Die Anordnung arbeitet schon aus diesem Grunde relativ langsam. Sie kann nur Langzeit-Mittelwerte auswerten, schnelle Änderungen in der Frequenz werden nicht erfaßt.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, be­ steht in einer Frequenzstabilisierung von Lasern, die auch kurz­ zeitige Frequenzänderungen ausregeln kann, so daß die Laserlinien­ breite reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Gaslaseranordnung gemäß dem Oberbegriff durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung nützt die Pushing- bzw. Pulling-Effekte bei Laser­ oszillatoren aus, d.h. die Effekte, daß die Abstände der verwen­ deten Schwingungen auf der Frequenzachse unterschiedlich sind, je nachdem, ob sie symmetrisch zum Maximum der Laserverstärkung oder gegenüber diesem Maximum unsymmetrisch liegen. Die hier verwendeten Schwingungen eines und desselben Lasers sind so weitgehend in Frequenz und in Phase verkoppelt, daß in einem optischen Frequenzmischer, z.B. einem Photoempfänger mit nicht­ linearer Kennlinie, ein Differenzfrequenzsignal erzeugt wird, welches direkt zur Regelung herangezogen werden kann.

Das so erzeugte Differenzfrequenzsignal wird mit einer Sollfre­ quenz überlagert und die entstehende Differenzfrequenz über ein Schleifenfilter nicht nur nach Frequenz, sondern auch nach Pha­ senlage abgeglichen, indem die optische Weglänge im Resonator verändert wird. Dies unterscheidet die vorgeschlagene Frequenz­ regelung von allen anderen Frequenzregelungen. Dieses Regelprin­ zip reagiert auf kurzzeitige Unterschiede und benötigt im Gegen­ satz zu allen bekannten Regelprinzipien, die auf einer Frequenz­ bestimmung beruhen, keine Integration über eine längere Zeit. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Laserlinienbreite bis in den Hz-Bereich durch eine aktive Regelung zu reduzieren, was eine relative Stabilität von 10^-12 und besser ermöglicht.

Das Schleifenfilter wird besonders vorteilhaft durch einen Pro­ portional-Integral-Regler (PI-Regler) dargestellt, da dieser einerseits durch seinen integrierenden Regelteil ein Differenz­ frequenzsignal, das durch Frequenzunterschiede hervorgerufen wird, mit beliebiger Annäherung auf Null regelt und andererseits durch seinen proportionalen Teil kurzzeitige Schwankungen des Differenzfrequenzsignals erfaßt, die sich als Unterschied in der Phase des Eingangssignals am PI-Regler darstellen.

Anstelle des PI-Reglers können auch Schleifenfilter eingesetzt werden, die auf anderen Regelprinzipien basieren, beispielswei­ se geht für relativ geringe Anforderungen auch ein PT₁-Filter.

Die Gaslaseranordnung ist vorteilhaft so dimensioniert, daß zwei Longitudinalmoden der Laserstrahlung schwingen, wobei diese bei­ den Moden zur Bildung eines Differenzfrequenzsignals dem Empfänger zugeführt werden. Diese Ausführungsform ergibt eine Differenz­ frequenz im 100-MHz-Bereich. In vielen Fällen ist es vorteilhaft, daß eine Polarisationseinrichtung und eine Zeeman-Zelle im Strahlengang des Resonators vorhanden sind, so daß zwei Schwin­ gungen unterschiedlicher Frequenz und Polarisation entstehen und daß diese beiden Frequenzen dem Empfänger zur Bildung eines Differenzfrequenzsignales zugeführt werden. Dabei dient vorteil­ haft ein laseraktiver Teil des Entladungskanales als Zeeman- Zelle.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand von zwei Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen Beispiele von Blockschaltbildern für einen erfindungsgemäßen Regelkreis einer Laseranordnung.

Ein Laser 1 weist Resonatorspiegel 2 und 3 auf, die den opti­ schen Resonator des Lasers bilden. Der Resonatorspiegel 2 ist durch ein Stellglied 10 in Richtung der optischen Achse des Lasers verschiebbar. Das Stellglied 10 wird beispielsweise im wesentlichen durch einen piezoelektrischen Körper gebildet.

Der für den Regelkreis verwendete Teil der Laserstrahlung wird einem Empfänger 4 zugeführt, welcher aus den ankommenden Frequen­ zen ein Differenzfrequenzsignal S bildet. Dieses Differenzfre­ quenzsignal S wird über einen Verstärker 5 einem Mischer 6 zu­ geführt. In diesem Mischer 6 wird das Differenzfrequenzsignal S mit einem Referenzfrequenzsignal S ₀ gemischt, welches von einem hochstabilen Frequenzgenerator 7 erzeugt wird. Dabei wird die Frequenz Δ f des Differenzfrequenzsignales S mit der Referenz­ frequenz Δ f ₀ des Referenzfrequenzsignales S ₀ verglichen. So wird ein Regelsignal Δ ϕ erhalten, welches einem Schleifenfil­ ter 8 zugeführt wird. Das Schleifenfilter 8 steuert über einen Verstärker 9 das Stellglied 10 des Laserspiegels 2. Anstelle dieses Stellgliedes 10 kann auch eine andersartige Einrichtung zur Änderung der optischen Weglänge im Resonator eingesetzt werden, beispielsweise ein elektrooptisches Element 11, welches im Strahlengang des Resonators liegt und seinen Brechungsindex in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal ändert (Fig. 2).

Dabei kann der Resonatorspiegel 12 fest montiert sein, so daß ein geringer Aufwand für die Spiegeljustierung ausreicht.

Als Schleifenfilter 8 eignet sich insbesondere ein Proportional- Integral-Regler (PI-Regler), da ein derartiger Regler laufend an seinem Eingang auftretende Signale exakt auf Null regelt und da der proportionale Teil dieses Reglers auf kurzzeitige Si­ gnale anspricht, d.h. kurzzeitige Schwankungen als Phasenunter­ schiede gegenüber dem Referenzfrequenzsignal S ₀ unterdrückt. In der erfindungsgemäßen Gaslaseranordnung läßt der PI-Regler die Differenz Δ f-Δ f ₀ im eingeschwungenen Zustand verschwinden, so daß das Regelsignal Δ ϕ nur noch Phasenunterschiede zwischen dem Differenzfrequenzsignal S und dem Referenzfrequenzsignal S ₀ enthält. Diese Phasenunterschiede werden ständig unter einem Mi­ nimalwert gehalten.

Claims (5)

1. Gaslaseranordnung mit Frequenzstabilisierung, welche eine Laserröhre und einen optischen Resonator enthält, wobei der optische Resonator durch zwei Resonatorspiegel gebildet ist und wobei die optische Weglänge zwischen den beiden Resonatorspie­ geln über ein Stellglied verstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß durch ihre Dimensionierung und/oder Ausgestaltung zwei getrennte Schwingungen entstehen, daß ein Teil des Laserlichtes einem Empfänger zugeführt wird, welcher ein Differenzfrequenzsignal bildet, daß dieses Diffe­ renzfrequenzsignal in einem Frequenzmischer mit einer Sollfre­ quenz gemischt wird, daß das Mischerausgangssignal einem Schlei­ fenfilter zugeführt wird und durch dieses über ein Stellglied für die optische Länge des Resonators hinsichtlich Phase und Frequenz auf Null geregelt wird.

2. Gaslaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Schleifenfilter ein Propor­ tional-Integral-Regler (PI-Regler) eingesetzt wird.

3. Gaslaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Laser so dimensioniert wird, daß zwei Longitudinalmoden der Laserstrah­ lung schwingen und daß diese beiden Longitudinalmoden zur Bil­ dung eines Differenzfrequenzsignals dem Empfänger zugeführt werden.

4. Gaslaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, da­ durch gekennzeichnet, daß sie eine Pola­ risationseinrichtung und eine Zeeman-Zelle enthält, so daß zwei Schwingungen unterschiedlicher Frequenz und Polarisation ent­ stehen, und daß diese Schwingungen dem Empfänger zur Bildung eines Differenzfrequenzsignals zugeführt werden.

5. Gaslaseranordnung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Zeeman-Zelle ein laserakti­ ver Teil des Entladungskanales dient.