NO128890B - - Google Patents

Description

Anordning for styring av en laserstråles frekvens.

Oppfinnelsen vedrbrer en anordning av den art som er angitt i innledningen til krav 1.

Formålet med oppfinnelsen er å muliggjøre fremstilling av en forholdsvis billig styrbar laser for hvilken koherenslengden for den fra laseren utgående strålingen er av størrelsesorden adskillige meter eller titalls meter. En laser av denne art er anvendelig bl.a. for avstandsmålinger ifolge interferometermetoden, men oppfinnelsen er ikke bundet til dette spesielle anvendelsesom-råde men kan tilpasses også andre områder der laserlys med stor koherenslengde kreves.

At den fra laseren utsendte stråling har lang koherenslengde innebærer at denne stråling utgjøres av i det vesentlige kun en frekvens. En gasslaser kan imidlertid svinge ved et antall forskjellige frekvenser under forutsetning av at det dobbelte av laserrorets lengde er et helt multiplum av tilsvarende bølgelengder og at bølgelengdene befinner seg innen gassens spektrallinje hvis bredde bestemmes av dopplereffekten på grunn av den termiske hastighet hos de lysutsendende gassatomer. For under disse for-Inold å tilveiebringe en laser som utsender kun en frekvens, kan man gjore laseren så kort at kun en frekvens rommes innen gassens spektrallinje. En ulempe med denne utfbrelse er vanskeligheten med å oppnå en forsterkning i dette korte ror som overstiger tap-ene, og dessuten foreligger vanskeligheter med å holde avstanden mellom speilene så konstant at noen av laserens resonansfrekvenser alltid befinner seg innen gassens spektrallinje. Av disse grunner blir prisen på en slik laser hoy samtidig som utstrålings-effekten blir meget lav.

Ved tilpasning av den foreliggende oppfinnelse unngås disse ulemper, hvorved det forhold er benyttet at ved en laser av den innledningsvis beskrevne art ved hvilken hvert laser-speil er fast forbundet med hver sin gavel av laseren, har hver i laseren opprettholdte longitudinal svingningsmodus en liniær polarisasjon som avviker fra den liniære polarisasjon for nærliggende longitudinale svingningsmodi. Hvis det ikke tas spesielle foran-staltninger, er disse liniære polarisasjoner for innbyrdes nærliggende svingningsmodi innbyrdes vinkelrette, og det forutsettes at så er tilfelle også ved den laser som inngår i den i det følg-ende beskrevne utforelsesform av oppfinnelsen.

Forklaringen på at ved en laser av den innledningsvis beskrevne art (uten Brewstervindu) er de forskjellige longitudinale modi liniært polarisert annenhver i hver av de to innbyrdes perpendikulære plan, kan være at en ubetydelig usymmetri hos laseren gir fortrinn for en viss polarisasjonsretning. Den bølgelengde som ligger nærmest spektrallinjens mitte og således er sterkest, kan da tenkes å tomme alle de atomer for energi som kan bidra i denne polarisasjonsretning. For nærliggende bolgelengder gjen-står da kun den energi som forefinnes i de gjenstående atomer, hvorefter disse blir polarisert i vinkelretning.

Den etterstrebede styring av frekvensen for den fra laseren utsendte stråling er oppnådd ifolge oppfinnelsen slik det fremgår av efterfblgende krav.

Oppfinnelsen skal nærmere beskrives nedenfor ved hjelp av utfbrelses-eksempler under henvisning til tegningene hvorpå

fig. 1 viser spektrallinjen for gassen i relasjon til frekvensen

for et antall forskjellige longitudinale svingningsmodi,

fig. 2 og 4 viser to utfbrelsesformer av oppfinnelsen og

fig. 3 viser et antall kurver for forklaring av funksjonen av

utfbrelsesformen ifolge fig. 2 og 4.

I fig. 1 betegner lo spektrallinjen for den i laseren aktive

gassen, dvs. amplituden for den utsendte strålingen, i avhengig-

het av frekvensen f.. Som kjent antar spektrallinjen denne form på grunn av dopplereffekten, dvs. innvirkningen av den termiske hastighet hos de lysutsendende gassatomene som ligger enten i fase eller i motfase i forhold til den for byeblikket gjennom laseren passerende lysbblge. En betingelse for at laseren skal kunne funksjonere er at stående lysbolger kan dannes i laser-

rbret, hvilket inntreffer når en multipel av bolgelengder for lyset tilsvarer den dobbelte avstand mellom laserspeilene. Som folge av denne betingelse blir i et langtlaserrbr av størrelsesorden 3o cm eller lengre, avstanden i frekvensen mellom de forskjellige stående bblgene som opprettholdes i laserrbret, så liten at et forholdsvis stort antall longitudinale svingningsmodi kan rommes i gassens spektrallinje. Hvis laserrbret derimot gjbres kortere,

av stbrrelsesorden lo cm, kan det oppnås at i det vesentlige kun frekvensen for en svingningsmodus rommes innen denne spektrallinje. Som tidligere nevnt kan det dog i det siste tilfelle opp-stå vanskeligheter med å få laseren til å fungere, og videre er effekten for den utsendte stråling forholdsvis lav.

Ved laseren ifolge oppfinnelsen velges lengden av laserrbret slik

at frekvensene for i det vesentlige kun tre til fem svingningsmodi rommes innen spektrallinjen. Ifolge fig. 1 har tre svingnings-

modi 11,12 og 13 slike frekvenser at de ligger innen spektrallinjen. Som det fremgår av ovenstående, har den longitudinale svingningsmodus 12 en viss liniær polarisasjon, og svingningsmodiene 11 og 13 en derimot perpendikulær polarisasjon.

For å stabilisere frekvensen for svingningsmodusen 12 slik at den ligger innen det onskede parti av spektrallinjen lo, kan det benyttes en anordning ifolge fig. 2. Denne stabilisering kan gå

ut på å holde svingningsmodusen 12 symmetrisk i forhold til spektrallinjen lo slik at den utsendte strålingen med en frekvens svarende til denne svingningsmodus har maksimal amplitude, men det er også tenkelig, slik det fremgår av folgende, å stabilisere en svingningsmodus slik at den ligger ved siden av spektrallinjens maksimum punkt, og da hensiktsmessig innen et område der spektrallinjen har sin storste helling.

I fig. 2 betegner 14 et hus som inneholder et laserror av tidligere beskreven type. Denne laser som på tegningen er antydet med stiplede linjer 15, omfatter således et langstrakt ror med gavler som er innbyrdes parallelle. Til disse gavler, og hensiktsmessig inne i utladningsrbret, er de to laserspeilene koblet.

Det hbyre laserspeil 16 antas å ha storre transparens for den

i laseren frembragte stråling enn det venstre speil 17 hvorfor den gjennom speilet 16 uttredende stråling kan tilfores en på tegningen ikke vist anordning for benyttelse av laserlyset,

f.eks. et avstandsmålende interferometer. Med hensyn på at også det utgående lyset ved et laserror av denne art er polarisert i to innbyrdes perpendikulære retninger, er det i banen for den utgående laserstråle 18 innsatt et polarisasjonsfilter 19 som antas å være vridbart slik at dets polarisasjonsretning kan bringes til å stemme overens med polarisasjonsretnhgen for den longitudinale svingningsmodus, hvis stilling i forhold til spektrallinjen lo stabiliseres på nedenfor beskreven måte.

Det venstre laserspeil 17 oppviser en mindre grad av transparens, og den gjennom dette speil uttredende lysstråle tilfores en detektor 2o som inneholder en på tegningen ikke vist fotocelle med dertil koblede vekselspenningsforsterkere. Videre er det mellom laseren 15 og detektoren 2o innsatt et polariserende filter

21 som bringes til å rotere ved en elektrisk motor 22 som mot-

tar strom over tilkoblingskiemmer 23.

Ved innvirkning av det roterende polariserende filter 21 vil amplituden av det lys med en viss liniær polarisasjon, som treffer fotocellen i detektoren 2o, samt tilsvarende utgangssignal fra forsterkeren, få den form som antydes av kurven 24 i fig. 3, som viser amplituden i avhengighet av vridningsvinkelen for det polariserende filter 21, hvorved v representerer en hel omdreining av filteret. Amplituden når således en maksimalverdi to ganger pr. omdreining for filteret 21.

Samtidig treffes fotocellen i detektoren 2o av stråling med en perpendikulær polarisasjonsretning, og denne gir ved utgangen av forsterkeren opphav til et signal ifolge kurven 25. Hvis det nå antas at kurven 24 representerer strålingen for den longitudinale svingningsmodul, hvis tilstand skal stabiliseres i forhold til spektrallinjen lo, må signalet ifolge kurven 25 undertrykkes på en eller annen måte. Dette skjer ved at signalet fra forsterkeren i detektoren 2o tilfores den ene inngang til en synkron-forsterker med to innganger, til hvilkes andre inngang det fores et styresignal fra motoren 22. Formålet med dette styresignal er å gjore synkronforsterkeren ledende kun i de tidsperioder da utgangsspenningen fra forsterkeren i detektoren ifolge kurven 24 har sin maksimale amplitude. Dette styresignal kan på i og for seg kjent måte frembringes ved at motoren 22 inneholder en fast, hensiktsmessig med likestrom matet vikling som samvirker med en med motorens aksel forbundet vridbar vikling i hvilken det ved induksjon frembringes en spenning hvis frekvens stemmer over-ens med rotasjonsfrekvensen for filteret; 21. Derved oppnås den i fig. 3 viste spenning 27 hvis faseposisjon i forhold til spenning-ene 24 og 25 kan variere på i og for seg kjent måte, f.eks. ved vridning av den med motoren 22 forbundne faste vikling. Spenningen 27 kan således faseforskyves slik at dens maksimum, som antydet i fig. 3, faller sammen med maksimum for spenningen ifolge kurven

24. Derved oppnås en utgangsspenning fra synkronforsterkeren 26, hvilken spenning tilfores et reléorgan 28. Formålet med dette er å styre stromtilforselen til en elektrisk motor 29 som ved den ifolge fig. 2 viste utforelsesform av oppfinnelsen driver en vifte 3o ved "hjelp av hvilken luft blåses inn i huset 14 for laserrbret 15.

Den her beskrevne anordning fungerer på folgende måte for stabilisering av en viss longitudinal svingningsmodul i forhold til spektrallinjen for den i laseren aktive gassen. Når laseren i kald tilstand innblåses, forefinnes det mellom disse to speil en optisk bolgelengde som svarer til visse longitudinale svingningsmodi som, som anfbrt tidligere, rommes innen gassens spektrallinje. Antallet av disse svingningsmodi kan antas å

være tre. Ved drift av laseren skjer imidlertid en oppvarming av utladhingsrbret, hvilket medfbrer en bkning av den optiske bolgelengde mellom speilene, hvilket på sin side innebærer at modiene 11,12 og 13 forskyves i forhold til spektrallinjen i).

De opprinnelige svingningsmodi vil således langsomt falle utenfor spektrallinjen og erstattes av andre svingningsmodi. Denne forskyvning skjer dog med stadig lavere hastighet eftersom laseren nærmer seg sin likevekttilstand. I et visst byeblikk innkobles reguleringskretsen omfattende detektoren 2o, synkronforsterkeren 26 og til denne koblede organ. Denne krets antas å fungere slik at når utgangssignalet avgis fra synkronforsterkeren 26 til releenheten 28, brytes strbmmen til motoren 29 slik at viften 3o stanser. Oppvarming av laserrbret 15 gjenopptas, hvilket innebærer at laserrbret utvider seg slik at den utvalgte svingningsmodul 12 fjernes fra topp-punktet for spektrallinjen lo. Derved synker også amplituden for spenningen ifolge kurven 24,

og når den har nådd en bestemt, lavere verdi, avbrytes utgangssignalet fra synkronforsterkeren 26, hvilket resulterer i at motoren 29 igjen starter slik at laserrbret 15 igjen avkjbles av luft fra viften 3o. Denne avkjbling fortsetter inntil svingnings-modulen 12 fores tilbake til topp-punktet for spektrallinjen lo, hvorefter forlbpet fortsetter slik at denne svingningsmodul så-ledes stabiliseres i forhold til spektrallinjen lo.

I det foregående er det antatt at luften fra viften 3o bevirker avkjbling av laserrbret 15. Det er dog prinsipielt også mulig å la reguleringsanordningen styre en ekstra oppvarming av laserrbret, f.eks. ved at viften 3o blåser varmluft mot dette. For at anordningen derved skal kunne fungere, lar man laserrbret oppnå sin likevekttilstand, hvorefter en ekstra oppvarming gjores virk-som og laseren på i prinsippet tidligere beskreven måte låses til en svingningsmodus som da opptrer i laserroret.

Det er også mulig å tilfore ekstra oppvarming til laserroret ved at det forsynes med utvendig metallbelegg som over tilkoblingsklemmer tilfores en elektrisk strom hvis storrelse eller varighet styres av releorganet 28 på prinsipielt samme måte som den opp-varmede luftstrommen. Denne utfdreise har blant annet dén fordel at tregheten i systemet blir liten.

Ved den i fig. 2 viste utforelsesform er separasjonen mellom de

to polarisasjonsretninger frembragt med elektriske midler, dvs. synkronforsterkeren 26, som styres av signalet utledet fra motoren 22 som driver det polariserte filter 21. I fig. 4 vises hvorledes denne seperasjon kan oppnås ad optisk vei. Således er det i den lysstråle som opptrer gjennom det venstre laservinduet, innsatt et Nicolprisme 31 som separerer den fra laserroret 15 utgående stråle i to lysstråler 32 og 33 som har innbyrdes perpendikulære polarisasjonsretninger . Hver av disse lysstråler treffer en fotomotstand 34 resp. 35 som inngår i den bro hvis andre grener inneholder en fast motstand 36 og 37. Broen mates med likespenning fra en spenningskilde 38 hvis mittpunkt kan antas å være jordet. Videre er forbindelsespunket mellom de faste motstandene 36 og 37 forbundet med jord. Som antydet i fig. 4 er forbindelsespunktet mellom fotomotstandene 34 og 35 forbundet med releorganet 28, og det innsees at når broen er balansert, opptrer ingen spenning i denne leder mellom broen og releorganet 28 samt at spenningen tilfores releorganet 28 med positiv eller negativ polaritet når den ene av strålene 32 og 33 er sterkere enn den andre stråle. Denne polaritetsveksling kan således benyttes for å styre strbmmen til motoren 29 på i prinsippet samme måte som beskrevet i tilslutning til fig. 2.

Også andre modifikasjoner er mulig innen rammen av de efterfblgende krav. Således er det mulig i stedet for hva som er vist i fig. 2 og 4, å la detektoren påvirkes av det lys som trer ut gjennom laserspeilen 16, hvorved en del av dette gjennom speilet uttredende lys ved hjelp av et halvtransparent speil avboyes mot detektoren 2o mens resten av dette lys via det polariserte filter 19 kan tilfores en anordning for benyttelse av lyset f.eks. en avstandsmåler.

Ved de i tilslutning til fig. 2 og 4 beskrevne utfbrselsformene

er lufttilførselen til laserrbret 15 regulert ved start og stopp

av viften 3o men det er åpenbart at samme effet kan oppnås ved et av releorganet 28 styrt vent il arrangement som enten bryter eller slipper frem lufttilførselen til laserrbret 15. Videre skulle det kunne tenkes at releorganet 28 er slik utfort at det kan styre hastigheten på motoren 29 og dermed også kon-

tinuerlig forandre den luftmengde som fra viften 3o tilfores laser-

rbret 15.

Claims (14)

1. Anordning ved en laser for styring av frekvensen for den fra

laseren utsendte stråling, hvorved hver i laseren opprettholdte svingningsmodus har en polarisering som avviker fra nærliggende svingsningsmodis polarisering, og dessuten en del av den fra laseren utgående stråling tilfores en detektor hvis utgangssignal mates til organ som styrer innstillingen av den optiske vei- lengden mellom laserspeilene, karakterisert ved at laserrbret (15) har så begrenset avstand mellom speilene (16,17) at i det vesentlige to til fem svingningsmodier forsterkes av laseren, og at detektoren (2o) og med denne forbundne organer (26) er anordnet for selektivt å avfble strålingen i en av polarisasjonsretningene, og dessuten den ved denne selektive avfbling frembragte utgangssignal er anordnet for å tilfores det organ (29,3o) som regulerer den optiske veilengden mellom laserspeilene slik at frekvensen for svingningsmodiene svarende til den avfblte polarisasjonsretningen styres i forhold til maksimumpunktet av den spektrallinje av laseren som er gjort bredere på grunn av dopplereffekten.

2. Anordning som angitt i krav 1, karakterisertved at laserrbret (15) utgjøres av et gass utladningsrbr.

3. Anordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at laseren er utfort slik at hvert laserspeil (16,17) er fast forbundet med hver sin endegavl av laserens gassutladnings-rbr.

4. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at nevnte styreorgan er anordnet for å tilveiebringe påvirkning av temperaturen i gassutladningsrdret, som f.eks. avkjbling eller oppvarming, helt eller delvis av dette.

5. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte"ror er forsynt med et metallbelegg som over tilkoblingsklemmer tilfores en elektrisk strom som oppvarmer laserroret, hvilken stroms styrke styres av det av den selektive avfolingen avhengige utgangssignal.

6. Anordning som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte styreorgan er anordnet for å frembringe en mot laserrbret rettet avkjblende eller oppvarmende luftstrbm hvis effekt kan styres.

7. Anordning som angitt i krav 6, karakterisert ved at det av den selektive avfolingen avhengige utgangssignal regulerer den tid i lbpet av hvilken luftstrbmmen fores mot laserrbret.

8. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at i strålegangen mellom laseren (15) og detektoren (2o) inngår organ (21,22) som vekselvis påvirker de to polarisasjonsretningene for tilveiebringelse av en periodisk variasjon av de stråler som treffer detektoren (2o), med innbyrdes perpendikulære polarisasj onsretninger.

9. Anordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at nevnte organ for vekselvis forandring av strålene innbefatter et roterende,polariserende filter (21).

10. Anordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at filieret (21) er forbundet med organ for tilveiebringelse av en elektrisk spenning som representerer filterets momentane posisjon i forhold til polarisasjonsretningene for den fra laseren mot detektoren utgående stråling.

11. Anordning som angitt i krav lo, karakterisertved at denne spenning sammen med utgangsspenningen fra detektoren tilfores en forsterker (26) for styring av denne på slik måte at kun en del av den av detektoren leverte utgangsspenning som svarer til en av polarisasjonsretningene, forsterkes og tilfores midlene (28,29,3o) for regulering av den optiske veilengden mellom speilene.

12. Anordning som angitt i krav 11, karakterisert ved at utgangsspenningen fra synkronforsterkeren (26) tilfores et releorgan (28) som styrer stromtilforselen til en motor (29) som driver en vifte (3o) for tilforsel av en luftstrbm til laserroret (15) .

13. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at detektoren (2o) er anordnet for å tilfores stråling fra laserroret (15) gjennom det minst transparente speil (17) i laseren, hvorved det utenfor det andre speil (16) er anbragt et andre, innstillbart polariserende filter (19), hvis polarisasjonsretning kan bringes til å stemme overens med polarisasjonsretningen for den svingningsmodus som via detektoren (2o) og dermed forbundne organer styrer avstanden mellom speilene (16,17).

14. Anordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den av laseren (15) avgitte stråling oppdeles i to komponenter med innbyrdes perpendikulær polarisering, hvilke tilfores hver sin, i en brokobling (34-37) inngående fotomotstand, hvorved den av broen leverte spenning tilfores nevnte organ for regulering av den optiske veilengden mellom laserspeilene.