DE3924320A1 - Verfahren und vorrichtung fuer die analyse der longitudinalen modenstruktur eines lasers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und darauf basierende Vorrichtungen für den Bereich der Lasermeßtechnik und des Lasergerätebaus, um die Zusammensetzung der longitudinalen Modenstruktur des Ausgangslichts eines Lasergeräts zum Zweck der Kontrolle und/oder des Abgleichs darzustellen.

Stand der Technik

Anmerkung: Als Referenz für die folgenden Abschnitte sowie für die allgemeine Darstellung des Funktionsprinzips können allgemeine Lehrbücher der Laserphysik herangezogen werden, beispielsweise Gerhard K. Grau, "Quantenelektronik", Verlag Vieweg 1978.

Gegenüber "normalem", thermischem Licht zeichnet sich Laserlicht durch seine Kohärenz, d. h. durch die Interferenzfähigkeit von Teilstrahlenbündeln einer Laserquelle aus, die verschiedene, unterschiedlich lange optische Wege durchlaufen. Die maximale Weglänge, die noch zur Ausbildung von Interferenzstrukturen führt, wird durch das Frequenzspektrum der Laseroszillation bestimmt; eine charakterisierende Größe hierfür ist die Kohärenzlänge, die angibt, bis zu welcher Wegdifferenz noch Interferenzkontrast beobachtet werden kann. In vielen Laseranwendungen, beispielsweise in der Längenmeßtechnik oder der Holografie, bestehen Anforderungen an eine Mindest-Kohärenzläne für einen bestimmten Anwendungszweck.

Im allgemeinen Fall wird das von einem Laser abgegebene Licht ein Gemisch mehrerer Oszillationsmoden darstellen, da die Bedingung der positiven Rückkopplung, die für die Entstehung der Laseroszillation notwendig ist, gleichzeitig für mehrere Frequenzen innerhalb der Verstärkungsbandbreite des Lasermediums erfüllt ist. Die Existenz mehrerer longitudinaler Moden bedingt eine Reduktion der maximal erreichbaren Kohärenzlänge; viele Lasergeräte sind daher mit zusätzlichen Selektionsmitteln ausgestattet, die die Einstellung auf den optimalen Fall der longitudinalen Einmodenoszillation erlauben.

Zur Durchführung dieser Justage sowie zur Kontrolle eines einmal einjustierten Zustands, der sich durch thermische Drift oder andere konstruktionsbedingt auftretende Verschiebungen des Justagezustands während des Betriebs ändern kann, werden nach dem derzeitigen Stand der Technik Anzeigevorrichtungen benutzt, deren Prinzip das eines abtastenden Filters ist. Derartige Geräte sind unter der Bezeichnung "Scanning Fabry Perot" bekannt und kommerziell erhältlich. Das hier verwendete Selektionsmittel ist wieder ein optischer Resonator mit geeigneten Eigenschaften hinsichtlich der Selektionseigenschaften. Die Durchstimmung der Filtertransmission im Frequenzbereich wird z. B. mittels einer geeigneten Vorrichtung zur Längenänderung des Resonators realisiert. Das Intensitätssignal eines Photodetektors wird gegen eine der Verschiebung bzw. der Durchlaßfrequenz proportionale elektrische Größe z. B. auf einem Oszillator dargestellt. Das resultierende Bild ist eine Darstellung des longitudinalen Frequenzspektrums.

Die praktische Realisierung eines solchen "Scanning Fabry-Perot"-Geräts ist aufwendig, vor allem wegen der benötigten sehr hohen optischen Qualität der optischen Komponenten (Resonatorspiegel) und der notwendigen präzisen und linearen Durchstimmung der Resonatorlänge. Zudem ist der apparative Aufwand beträchtlich, da zur Anzeige ein Oszilloskop benötigt wird. Die korrekte Funktion eines "Scanning Fabry Perot" hängt selbst wieder von der einwandfreien Justage und der Stellung zum zu analysierenden Laserstrahl ab. Die Interpretation des oszilloskopisch dargestellten Signals muß durch direkte visuelle Beobachtung erfolgen. In vielen Anwendungsfällen wäre es wünschenswert, einen Meßaufbau automatisch steuern zu lassen, wobei die notwendige Kontrolle des Modenspektrums des Lasers wiederum nur durch beträchtlichen Aufwand aus dem Signal des "Scanning Fabry Perot" abgeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt das Ziel zugrunde, die geforderte Aufgabe der Kontrolle und Darstellung des longitudinalen Modenspektrums, in der Praxis insbesondere die Gewinnung einer Aussage über das Vorliegen longitudinaler Einmodenoszillation, auf einem Weg zu ermöglichen, der sich technisch mit erheblich geringerem Aufwand realisieren läßt und eindeutige, auch automatisch leicht zu verarbeitende Signale bereitstellt.

Anwendung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung verwendet ein völlig anderes Prinzip zur Gewinnung von Informationen über die longitudinale Modenstruktur von Laserlicht. Sie kann die obengenannten "Scanning Fabry-Perot"-Geräte immer dann ersetzen, wenn keine detaillierte Information über Substrukturen der Modenverteilung benötigt wird; dies ist beim Abgleich meist und bei der Überwachung eines einmal eingestellten Justagezustandes für maximale Modenreinheit immer der Fall.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tatsache ausgenutzt wird, daß bei Vorliegen longitudinaler Mehrmodenoszillation im Lasersignal sogenannte intermodale Schwebungsfrequenzen auftreten, die Frequenzanteile in Bereichen haben, die sich mit elektronischen Mitteln verarbeiten lassen. Durch die nach Frequenzbändern aufgeteilte Analyse der Signalstärken dieser Schwebungsfrequenzen kann sowohl eine eindeutige Unterscheidung zwischen Ein- und Mehrmodenbetrieb als auch durch weitergehende Analyse eine Klassifizierung nach Zusammensetzung des Ausgangsspektrums des Laserlichts vorgenommen werden. Diese Informationen sind insbesondere bei der Justage eines Lasersystems von großem Wert. Das verwendete Prinzip erlaubt zudem die Erzeugung leicht weiterzuverarbeitender digitaler Signale zur Erfassung etwa durch automatisch abgleichende Systeme oder zur Kontrolle des Modenzustands. Besondere Schaltungsmaßnahmen der elektronischen Verarbeitung ermöglichen zudem einen einwandfreien Betrieb über einen großen Laser-Intensitätsbereich ohne die Notwendigkeit einer Anpassung.

Beschreibung der Erfindung 1. Grundlagen

Die Erfindung nutzt die bekannte Tatsache der Entstehung von intermodalen Schwebungsfrequenzen bei longitudinaler Mehrmodenoszillation in einem Frequenzbereich, der sich mit heutigen Mitteln der elektronischen Schaltungstechnik verarbeiten läßt. Das Neue der Erfindung liegt zum einen in der Nutzung der Verhältnisse zwischen den Signalstärken einzelner Frequenzbereiche zur Klassifizierung des Oszillationszustands und zum anderen in der erfindungsgemäßen automatischen Angleichung der zur Klassifizierung verwendeten Schwellwerte für die Signalstärken an die mittlere Intensität.

Nachfolgend werden die physikalischen Grundlagen der Wirkungsweise der Erfindung mit Hilfe allgemeiner Prinzipien der Laserphysik kurz erläutert; als Referenz kann z. B. das oben zitierte Lehrbuch der Laserphysik dienen.

Die Bedingung für die Entstehung von Laseroszillation in einem Lasergerät, das aus einem optischen Resonator der Länge L und einem lichtverstärkenden Medium gebildet wird, ist neben einer ausreichenden Verstärkung des Lasermediums die positive Rückkopplung eines elektromagnetischen Signals nach einem vollständigen Umlauf durch den Resonator, wobei auf den Oberflächen der Resonatorspiegel die elektrische Feldstärke eine Nullstelle haben muß. Dies führt zu einer Bedingung für Wellenlängen, auf denen Laseroszillation möglich ist:

λ = N · 2 · L,

wobei N eine Ganzzahl sein muß.

Zwei benachbarte Wellenlängen genügen also den Beziehungen

λ₁ = N · 2 · L und λ₂ = (N+1) · 2 · L.

Mit der Beziehung zwischen Wellenlänge λ und Frequenz ν für elektromagnetische Strahlung λ=c/ν und c als der Lichtgeschwindigkeit ergibt sich für die Frequenzdifferenz Λν dieser zwei Lichtwellenlängen die Beziehung Λν=c/2 L. Diese Frequenz ist eine für einen gegebenen Laserresonator charakteristische Größe. Bei abstimmbaren Lasern (z. B. Ionenlasern) liegt sie für eine typische Resonatorlänge von 1 m bei ca. 140 MHz.

Die Amplitude eines Lasersignals kann damit auf allgemeine Weise als Überlagerung von Longitudinalmoden in folgender Form dargestellt werden:

Dabei wird angenommen, daß die Verstärkung des Lasermediums bei ω₀ maximal und symmetrisch im Frequenzbereich ist. Die Zahl 2 K +1 der oszillierenden Moden ist laser-spezifisch und liegt etwa bei einem Argon- Ionen-Laser der Resonatorlänge L=1 m bei etwa 10. In Abb. 1 ist zur Veranschaulichung eine schematische Darstellung eines solchen Modenspektrums gezeigt.

Die Intensität dieser Laserstrahlung ergibt sich aus dem Quadrat der Amplitude. Mit den gängigen trigonometrischen Umformungsregeln kann Gleichung (1) in drei Anteile zerlegt werden, die die Signalstärke der mittleren Intensität, Signale im optischen Bereich, d. h. der Frequenz ω₀, und die hier interessierende Signalstärke bei Frequenzen beschreiben, die ein Vielfaches der intermodalen Schwebungsfrequenz darstellen.

Insbesondere kann aus diesem dritten Term durch Betrachtung der Signalstärken Information über die longitudinale Modenstruktur gewonnen werden. Ein einfaches Beispiel für drei longitudinale Moden (K=1) soll dies ohne Herleitung verdeutlichen. Man erhält für die Signalstärken:

I(Λω) ∝ A₁ · A₂ + A₂ · A₃,  I(2Λω) ∝ A₁ · A₃.

Durch Fallbetrachtungen erkennt man die unterschiedlichen Situationen:

A₁=A₃=0  (longitudinaler Einmodenbetrieb (SLM)): I(Λω)=0, I(2Λω)=0;
A₁=0,A_2,3≠0  (Zweimodenoszillation) : I(2Λω)=0;
A_1,2,3≠0  (Dreimodenoszillation)

Durch Intensitätsmessung der Größen I(Λω) und I(2Λω) und Klassifizierung der relativen Intensitäten mittels geeigneter Schwellwertbildung erhält man also Information über die Zusammensetzung der longitudinalen Laseroszillation.

Das elektrische Signal des Photodetektors enthält alle Signalanteile innerhalb der nutzbaren Bandbreite des Detektors und der nachgeschalteten Verstärker; beim heutigen Stand der Technik ist eine Verarbeitung bis in den GHz-Bereich möglich. Somit kann das gezeigte Prinzip für die intermodalen Schwebungsfrequenzen der gängigen Lasertypen angewendet werden. Die Zahl der zur Analyse herangezogenen Frequenzbänder, die sinnvollerweise in Lage und Breite den Vielfachen des Resonatorfrequenzabstandes Λν angepaßt werden, richtet sich nach dem Grad der gewünschten Information. Das unten beschriebene Ausführungsbeispiel analysiert die Signalstärken der einfachen und doppelten Resonatorgrundfrequenz und liefert für die Praxis ausreichende Information.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Abb. 2 gezeigt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Mittels des Photodetektors/Verstärkers PD wird das Lasersignal aufgenommen und mittels der Bandpaßfilter BP und Gleichrichterstufen GL nach Frequenzbereichen getrennt und in Gleichspannungssignale umgewandelt, die der jeweiligen Signalstärke in diesem Frequenzbereich proportional sind. Die Mittenfrequenzen der Bandpaßfilter liegen in diesem Beispiel bei der ersten und zweiten Vielfachen der Resonatorgrundfrequenz Λν=c/2 L, die nachfolgend als "Grundfrequenz" bezeichnet wird. Außerdem wird mit dem Tiefpaß TP und einer Gleichrichterstufe GL der Gleichspannungsanteil des Detektorsignals, der der mittleren Laserintensität proportional ist, gebildet.

Mit den Dividierstufen DIV werden die Signalstärkewerte der ein- und zweifachen Grundfrequenz normiert, so daß die anschließende Schwellwertbildung (im Rahmen der technischen Möglichkeiten) intensitätsunabhängig wird. Die Schwellwertbildung mit den Schwellwertschaltern SW erfolgt für jedes Signal in zwei Stufen, so daß mittels der nachgeschalteten Logik jeweils eine Klassifizierung der Signalstärken in drei Bereiche "schwach"-"mittel"-"stark" gegeben ist. Innerhalb der Logik werden außerdem die Signalstärken der beiden Frequenzbänder zu einer Anzahl von Ausgangssignalen verknüpft, die von der Anzeigeeinheit ANZ in optische Signale umgesetzt werden. Dies sind für dieses Beispiel drei Leuchtdioden, die die Zustände "longitudinaler Einmodenbetrieb" ("schwaches" Signal für ein- und zweifache Grundfrequenz), "zwei longitudinale Moden" ("schwaches" Signal bei der zweifachen Grundfrequenz, starkes Signal bei der einfachen Grundfrequenz) sowie "longitudinaler Vielmodenbetrieb" ("mittlere" Signale bei der ein- und zweifachen Grundfrequenz). Diese grobe Einteilung ist in der Praxis für die Justage eines Lasers gut geeignet, da so auch die Annäherung an den Einmodenfall gut erkennbar wird. Durch weitere logische Verknüpfungen können auch zusätzliche Fälle unterschieden werden.

Claims (4)

1. Verfahren und Vorrichtung für die Analyse der longitudinalen Modenstruktur eines Lasers, dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangslicht eines Lasers mittels eines oder mehrerer Photodetektoren aufgenommen wird;
daß mittels geeigneter elektronischer Schaltkreise einerseits ein der mittleren Laserintensität proportinales Signal sowie andererseits ein oder mehrere Signale gebildet werden, die proportional zur Signalstärke der intermodalen Schwebungsfrequenzen in mehreren Frequenzbereichen sind, die unter Bezug auf die longitudinalen Modenabstände üblicher Lasergeräte so gewählt werden, daß der erfindungsgemäße Zweck erreicht wird;
daß durch geeignete schwellwert- oder bereichserkennende elektronische Schaltkreise aus den genannten Signalen digitale Signale erzeugt werden, die durch logische Verknüpfung weitere Signale bilden, welche eine Bewertung des intermodalen Schwebungsfrequenzspektrums nach der Zahl der oszillierenden Longitudinalmoden zulassen;
daß die zur Schwellwerterkennung verwendeten Grenzwerte proportional zur mittleren Laserintensität sind, so daß die Bewertung in einem nur durch die Eigenschaften der verwendeten Bauteile begrenzten Bereich von Laserintensitäten unabhängig von diesen wird;
daß aus den durch logische Verknüpfung der Schwellwertsignale entstandenen Signalen optische und/oder elektrische Signalisierungen abgeleitet werden, die Informationen über die Zahl der oszillierenden longitudinalen Lasermoden enthalten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Signalintensität im Bereich der intermodalen Schwebungsfrequenzen unter sinngemäßer Beibehaltung der übrigen Merkmale der Signalverarbeitung nur ein digitales Signal gebildet wird, das eine eindeutige Aussage über das Vorliegen longitudinaler Einmodenoszillation zuläßt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete elektronische Zeitglieder auch bei nur kurzzeitigem Vorliegen von Mehrmodenoszillation ein elektronisches Signal fester Zeitdauer erzeugt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein der mittleren Laserintensität proportionales Signal in einer Weise bereitgestellt wird, die eine Anzeige der mittleren Laserleistung ermöglicht.