SE463952B - Anordning foer att moejliggoera en vaaglaengdsstabilisering av en av en halvledarlaser alstrad och utsaend ljusstraale - Google Patents

Description

463 952 2 Den insikten föreligger att om en och samma halvledarlaser skulle, som funktion av tiden kunna generera ljusstrâlar med exakt samma våglängd, så skulle erhållna mätresultat kunna fastställas med större noggrannhet.

Praktiska tillämpningar har givit vid handen att det är mycket svårt att få en halvledarlaser att alstra en ljusstrâle med en och samma våglängd från gång till gång och få den att arbeta med en bestämd våglängd eller inom ett viss snävt våglängdsområde.

I vart fall är det mycket svårt att från ett tillfälle till ett annat, med olika yttre betingelser, få en sådan halvledarlaser att alstra en och samma ljusstråle med en fast våglängd.

Under beaktande av de för föreliggande uppfinning grundläggande åtgärderna och avvägandena bör jämväl beaktas att till teknikens tidigare ståndpunkt hör även betydligt dyrbarare gaslasrar, med den egenheten att dessa kan alstra från gång till gång, en ljusstråle med en och samma fasta frekvens eller våglängd i ljusstrålen och detta väsentligen oberoende av yttre betingelser.

Det bör dock nämnas att gaslasrar för deras ljusalstring bygger på urladd- ningsförlopp och dessa är som regel inhomogena och ger därför vissa varia- tioner i frekvensen och våglängden.

Dessa gaslasrar är så konstruerade att de kan, som styrparameter för frek- vensstabilisering och våglängdsstabilisering, nyttja den energidifferens som en atom- eller molekyl-, i det efterföljande benämnt atomär-, övergång ger i ljusstrålen för att kunna alstra en närmefrekvens.

Ett inställt och reglerbart optisk avstånd, mellan i gaslasern utnyttjade speglar, är avsett att erbjuda önskad noggrann våglängd. Regleringen sker här vanligtvis med hjälp utav en mekanisk återkoppling, d.v.s. avståndet mellan speglarna regleras mekaniskt.

Till teknikens tidigare ståndpunkt hör även det som är visat och beskrivet i den amerikanska patentskriften 4,730,112, där det visas en apparat för 3 463 952 mätning av ljusabsorptionen i ett gasformigt prov, speciellt mäts syrgaskoncentrationen, genom att utnyttja en halvledarlaser.

BESKRIVNING UVER NU FURESLAGEN UTFURINGSFORM TEKNISKT PROBLEM Under beaktande av teknikens tidigare ståndpunkt, såsom den kommit till uttryck genom de ovan angivna publikationerna och de ovan angivna allmänna övervägandena vad avser halvledarlaserns och gaslaserns olika förutsätt- ningar, torde det få anses vara ett kvalificerat tekniskt problem att kunna erbjuda en enkel stabilisering utav frekvensen och våglängden hos en halv- ledarlaser, utan att därför behöva utnyttja tillbehör som interferometrar, våglängdsmätare och liknande.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att helt kunna eliminera en tidigare känd interferometer, som inte bara är förhållandevis dyrbar utan dessutom uppvisar den olägenheten att den icke ger skarpa för en sty- rande regleringen av våglängden mot ett utvalt värde erforderliga paramet- rar.

Därjämte torde det få anses vara ett tekniskt problem att kunna skapa så- dana förutsättningar att en halvledarlaser kan komma att generera en ljus- stråle med en och samma känd våglängd från gång till gång.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem och ett kvalificerat tekniskt övervägande att i beroende av en vald känd fast våglängd välja ett lämpligt "infångningsområde", anpassat att tillförsäkra en låsning till en och samma våglängd, från gång till gång, utan alltför stor risk att utnytt- jad reglerkrets låser på en annan intillvarande våglängd.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att inse betydelsen av att låta ett antal lasern tilldelade parametrar, såsom aktuell temperatur, drivström eller liknande, vara valbara på förhand, så att lasern med säker- het kommer att alstra en ljusstråle med en våglängd som svarar mot eller väsentligen svarar mot en, en utvald atomär övergång tillhörig, fast våg- längd. 463 952 4 Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att inse betydelsen av att i beroende av vald fast våglängd välja erforderligt våglängdsområde för ett "infångningsområde" så att inte styrkretsen låser på en intillvarande fast våglängd, gällande för en intillvarande atomär övergång.

Det är ävenledes ett tekniskt problem att anpassa reglerkretsen så att den, vid ett stort “infångningsområde“, tendera att fjärma sig en intillvarande fast våglängd.

Det måste vidare få anses vara ett tekniskt problem att kunna anvisa ett utnyttjande utav en halvledarlaser, som bygger på principen att kunna fast- ställa den fasta våglängd som en utvald atomär övergång ger och tillförsäk- ra att halvledarlasern kan låsa på nämnda våglängd varje gång den utnyttjas och därigenom erbjuda ett alstrande av en ljussignal, som ger en entydigt bestämd och stabil frekvens och våglängd, som erbjuder mätningar med sju till nio siffrors noggrannhet.

Det blir därför ett ytterligare kvalificerat tekniskt problem att kunna åstadkomma en våglängdsstabilisering av en av en halvledarlaser alstrad och utsänd ljusstråle, modulerad med en signal, företrädesvis mellan 500 Hz och 20 kHz, varefter nämnda ljusstråle är avkännbar i en ljusmottagare och anvisa i nämnda ljusmottagare ingående kretsar, som är anordnade att kunna avkänna en av en utvald atomär övergång i ett ljusstrâlen passerande medium beroende fast våglängd och att därtill, på känt sätt, anvisa kretsar som är anordnade att så påverka en halvledarlasern matande ström och/eller den halvledarlasern uppvisande temperaturen, att varje tendens till våglängds- ändring kommer att kompenseras genom en styrd variation i den matande ström- men och/eller en styrd variation av aktuell temperatur.

Det torde vara ett tekniskt problem att med hjälp av en halvledarlaser kunna, från gång till gång, skapa sådana förutsättningar att den kan direkt alstra en, mot en, bland ett flertal tillgängliga, utvald atomära övergång, säg syrgasens atomära övergång, svarande, fast våglängd samt låsa och styra den alstrade våglängden mot denna fasta våglängd.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att kunna inse bety- delsen av att låta nämnda i ljusmottagaren uppträdande signalen, på ett 5 465 952 känt sätt, bli föremål för en signalbehandling, för att därav erbjuda ett väl definierat reglerområde, med ett utpräglat negativt och ett utpräglat positivt värde på var sida nämnda fasta våglängd och inse att en reglering utav amplituden för den modulerade signalen skall vara reglerbar för att med ökande värde kunna öka definierat reglerområde eller "infångningsom- råde" och med minskande amplitudvärde kunna minska definierat reglerområde med_brantare reglerparametrar, för att få en automatisk sökning mot och låsning till utvald fast våglängd, för en på förhand bestämd och utvald atomär övergång.

Det måste därför få anses vara ett tekniskt problem att under ett startför- lopp för en sådan halvledarlaser inse betydelsen av att styrbart variera amplituden för den modulerande signalen så att den successivt minskar, från en hög nivå till en normal nivå, för att närma sig ett väl definierat och smalt reglerområde, inom vilket erforderlig våglängdsstabilisering skall föreligga.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att inse betydelsen av att till ljusmottagaren låta ansluta en krets för en automatisk känslig- hetsinställning och en automatisk förstärkningskontroll, för att därigenom få en väl anpassad och enkel våglängdsstabilisering kring en, av en utvald atomär övergång beroende, fast våglängd vid drift utav en halvledarlaser.

Eftersom en halvledarlaser, avsedd att våglängdsstabiliseras med hjälp utav sin egen ljussignal, som innehåller en information om minst en atomär över- gång i ett ljusstrålen passerande medium och då ett flertal sådana fasta våglängder för olika atomära övergångar kan få anses vara förhanden vid ett och samma medium, såsom luft, måste det få anses vara ett tekniskt problem att för inställningen utav en grundvåglängd, bland ett av flera tillgäng- liga atomära övergångar, inse att temperaturen för utnyttjad laser måste vara vald inom ett smalt temperaturområde och strömmen genom halvledar- lasern måste vara anpassad inom snäva områden, vilket i praktiken innebär att varje nyttjad halvledarlasern måste vara förkalibrerad, så att våg- längden för utsänd ljusstråle är bestämd i beroende av temperatur och mat- ningsström. 465 952 6 Det måste också få anses vara ett tekniskt övervägande och inbegripa ett kvalificerat tekniskt problem att för en mätning av en gaskoncentration i ett ljusstrålen passerande medium, med hjälp utav en halvledarlaser, enbart behöva utvärdera den i ljusmottagaren mottagna ljusstrålens amplitudvärde, för den fasta våglängden, där detta amplitudvärde är jämförbart med en annan signals amplitudvärde för nämnda våglängd, gällande som kalibreringen för samma atomära övergång i en bestämd konstaterad koncentration.

Därjämte måste det få anses vara ett kvalificerat tekniskt framsteg att kunna erbjuda en billig längdmätare, som utnyttjar en halvledarlaser inställd på en fast våglängd, svarande mot en utvald atomär övergång i ett ljusstrålen passerande medium, och där längdmätningen kan ske med en noggrannhet upp till l0'9.

Det är slutligen ett tekniskt problem att kunna inse att en våglängdssta- biliserad halvledarlaser med alstrad ljusstråle moduleras med enkla medel skall kunna samverka med en annan halvledarlaser som därmed kan styras till en fast våglängd utan modulering av dess ljusstråle.

LUSNINGEN För att kunna lösa ett eller flera av ovan angivna tekniska problem utgår föreliggande uppfinning från att erbjuda en anordning för att möjliggöra en våglängdsstabilisering av en av en halvledarlaser alstrad och utsänd ljus- strâle och där denna ljusstråle är modulerad med en signal, säg 2kHz, varefter nämnda signal är avkännbar i en ljusmottagare.

I denna ljusmottagare ingående kretsar skall vara så anordnade att de kan avkänna de av atomära övergångar i ett ljusstrålen passerande medium bero- ende fasta våglängder.

Enligt uppfinningen föreslås nu att lasern tilldelade parametrar (tempera- tur, ström eller liknande) skall vara anpassbara för att lasern skall alst- ra en ljusstråle med en våglängd svarande mot eller väsentligen svarande mot en, en utvald atomär övergång tillhörig, fast våglängd. En reglerkrets är anordnad att (på känt sätt) vid alstrad ljusstråle, med en våglängd av- vikande från den av den atomära övergången bestämda fasta våglängden, alst- ra erforderliga styrparametrar för att våglängdsreglerat kunna utsända 465 952 ljusstrålens våglängd med en mot nämnda fasta våglängd svarande våglängd.

Erforderligt våglängdsområde för ett "infångningsområde" måste vara valt i beroende av vald fast våglängd och i beroende av erforderlig information om intillvarande fast våglängd.

Som föreslagna utföringsformer, fallande inom ramen för uppfinningen, före- slås att nämnda reglerkrets skall vara anordnad att från en detekterad ljusstråles intensitetsvariation alstra en våglängdsändrande signal, anpas- sad för att ge en sådan elektrisk påverkan av halvledarlasern att den änd- rar sin ljusstråles våglängd mot nämnda fasta våglängd.

Reglerkretsen är anordnad att så påverka den halvledarlasern matande ström- men och/eller den halvledarlasern uppvisande temperaturen att varje tendens till våglängdsförändring kompenseras genom en anpassad och styrd variation i den matande strömmen och/eller en anpassad och styrd variation av aktuell temperatur.

Såsom ytterligare föreslagna utföringsformer, inom ramen för uppfinnings- tanken, föreslås att nämnda modulerade signal skall vara föremål för en anpassning, för att därav erbjuda ett väl definierat reglerområde eller infångningsområde, med ett utpräglat negativt och ett utpräglat positivt värde intill var sida om nämnda fasta och utvalda våglängd.

Det föreslås vidare att amplituden för den modulerade signalen är reglerbar för att med ett ökande värde kunna öka definierat reglerområde och spe- ciellt under ett startförlopp föreslås att amplituden för signalen skall styrbart vara minskande, från en hög nivå till en normal nivå, för att närma sig ett väl definierat smalt reglerområdet.

Vidare föreslås att till ljusmottagaren är ansluten en krets för automatisk känslighetsinställning och automatisk förstärkarkontroll.

Vidare föreslås att för förinställningen av våglängden till en utvald, av flera tillgängliga, atomär övergång är temperaturen för en laser vald till ett värde, som vid en på förhand bestämd ström, alstrar en ljusstrâle vars våglängd, i beroende av vald fast våglängd, är i närheten av nämnda fasta våglängd. 463 952 i 8 Vidare föreslås en möjlighet att med hjälp utav en våglängdsstabiliserad halvledarlaser, av ovan angiven beskaffenhet, erbjuda en mätning av aktuell gaskoncentration i ett ljusstrålen passerande medium, där denna gaskoncent- rations värde utvärderas med hjälp av den i ljusmottagaren mottagna ljusstrå- lens amplitudvärde för den valda fasta våglängden. Detta sker enkelt i det fall en annan signals amplitudvärde är kalibrerad för samma atomära över- gång i en bestämd konstaterad koncentration.

Denna mätning av gaskoncentrationens värde sker genom en sekvensiell mätning.

En något mera komplex mätanordning, för att utvärdera gaskoncentrationens momentana värde, är att utnyttja två laserljusstrålar i en parallell mät- ning, en ljusstråle är våglängdsanpassad enligt ovan angivna riktlinjer och en ljusstråle får passera mediet som skall mätas, varvid det blir möjligt att utvärdera aktuell koncentration med en kontinuerlig kalibrering.

En annan möjlighet är att låta en halvledarlaser få låsa på en atomär över- gång i en gas, säg syrgas,och låta en annan ljusstråle från halvledarla- sern, givetvis med samma våglängd, får passera en vätska, i vilken då mo- mentan ämneskoncentration (syrekoncentration) kan utvärderas.

Det senare gäller givetvis under förutsättning att vätskan erbjuder en absorption av ljusstrålens våglängd på så sätt att absorptionen varierar med momentan koncentration.

Uppfinningen erbjuder även en möjlighet att med parallellmätning kunna mäta en vätskekoncentration, genom att enbart utvärdera ena ljussignalens ampli- tudvärde, där en annan signals amplitudvärde är kalibrerad för samma ato- mära övergång i en bestämd konstaterad vätskekoncentration gällande för samma vätska.

Vid längdmätning skall den utsända vågländen vara låst till utvald atomär övergång för en i luft ingående gas.

Slutligen anvisas att en modulerad ljusstråle är anordnad att kunna sam- verka med en icke modulerad, ytterligare, ljusstråle, tillhörande en ytter- ligare halvledarlaser, genom heterodynteknik, för att därmed kunna styra 9 463 952 nämnda y' wligare ljusstråle till en utvald fast våglängd, samma som gäl- ler för den modulerade ljusstrålens våglängd.

FÖRDELAR De fördelar som främst kan få anses vara förknippade med en anordning, i enlighet med föreliggande uppfinning, är att härigenom har det skapats möj- lighßter att med enkla medel kunna utnyttja en halvledarlaser och få denna våglängdsstabil vid en, av en atomär övergång i ett ljusstrålen passerande medium beroende, fast våglängd samt att få halvledarlasern att kunna låsa på nämnda frekvens från gång till gång genom att i beroende av vald våg- längd välja ett lämpligt "infångningsområde" och.reglerområde anpassat så att halvledarlasern icke låser på en intillvarande atomär övergång och därmed "fel" frekvens eller våglängd.

Det som främst kan få anses vara kännetecknande för en anordning, i enlig- het med föreliggande uppfinning, anges i det efterföljande patentkravets 1 kännetecknande del.

KORT FIGURBESKRIVNING En för närvarande föreslagen utföringsform av en anordning, uppvisande de med uppfinningen signifikativa egenheterna, skall nu närmare beskrivas med hänvisning till bifogad ritning där; figur 1 visar i stark förenkling ett principschema för en anord- ning för att möjliggöra en våglängdsstabilisering av en från en halvledarlaser alstrad och utsänd ljusstråle till en utvald av en atomär övergång beroende fast vâglängd,, figur 2' visar en till en ljusmottagare ansluten krets för en automatisk känslighetsinställning och en automatisk för- stärkarkontroll, 463 952 figur 3a figur 3b figur 3c figur 4a figur 4b figur 5 figur 6 figur 7 10 visar jordatmosfärens transmittansegenskaper vid låg- spektral upplösning, vid vinkelrätt infallande ljus mot jordytan som funktion av våglängden, visar en delförstoring av syrets absorptionsspektrum enligt figur 3a, visar en delförstoring av syrets absorptionsspektrum enligt figur 3b, visar en signal erhållen från en analog derivering av signalen i figur 3c och denna signal är lämplig för styr- ning av halvledarlasern mot en fast våglängd ";\L“, visar hur signalerna enligt figur 4a ändras när utnyttjad moduleringsamplitud väljes större än den i figur 4a, valda. visar en normerad signal för våglängdsstabilisering för den utvalda våglängden utan modulation av laserfrekven- sen, visar en anordning för att våglängdsstabilisera en halv- ledarlaser för att använda densamma för haltbestämning av den gas till vars absorptionsvåglängd lasern är låst, där en streckad del av visat blockschema är avsedd att illust- rera en möjlighet att kontinuerligt kunna korrigera för varierande optiska förluster med hjälp av en icke-gasre- sonans och användandet av en ej inritad laser och visar en utföringsform där en halvledarlaser, våglängds- stabiliserad enligt uppfinningen, kan samverka med en ytterligare halvledarlaser, för att bilda en ljusstråle med fast våglängd utan modulation. 11 463 952 FKRIVNING UVER NU FURESLAGEN UTFURINGSFORM L J hänvisning tiii figur 1 visas sâiedes där i biockschemaform en anord- ning för att möjiiggöra en frekvens- eiïer vâgiängdsstabiiisering av en från en haiviedariaser 1 aistrad och utsänd ïjusstråie 2, och viiken ijus- stråie är moduierad med en LF-signai aistrad i en generator 3. Denna mo- duiering kan variera, och är här vaïd tiii 2kHz.

Nämnda utsända ijusstråie 2 är passerar ett medium "M" och avkännbar i en ijusmottagare 4, som via en iedning 5 är ansiuten tiii en automatisk käns- iighetsinstäiining och en automatisk förstärkarkontroiikrets 6, vars biock- schemaform visas i figur 2.

I figur 1 framgår att kretsen 6 står i förbindeise över en ledare 8' med en faskänsiig förstärkare 8, anordnad att demoduiera den från kretsen 6 kommande eiektriska signaier samt aistra en styrsignaï tiïi haiviedariasern 1, så att denna ökar eiïer minskar vågiängden för utsänd ijusstråie 2.

Denna styrsignai är såiedes anordnad att påverka haiviedariasern 1 så att den automatiskt vâgiängdsstabiiiseras mot en fast frekvens.

En temperaturreguiator 7 håiier iasern vid en bestämd temperatur. Aiterna- tivt kan regieringen ske med iedning av en ijusdetekterande signai, viiken avkänner ïaserns emitterande stråining.

Med hänvisning tiii figur 2 visas där en föresiagen inkoppiing av ïjussmot- tagaren 4, med en automatisk känsiighetsinstäiining 6a, en buffertkrets 6b och en automatisk förstärkarkontroiikrets 6c. Då dessa enskilda deiar är i och för sig tidigare kända beskrives inte det detaijerade kretsschemat för dessa.

Kretsen 6c är över en iedare 8' ansiuten till förstärkar- och demoduiator- kretsen 8.

I figur 2 visas även exempei på oiika kurvformer för den eiektriska signa- ien som passerar över ïedaren 8'. 463 952 12 Den övre signalen 10 illustrerar att kretsen Ga ger en konstant amplitud och visar två, från en atomär övergång hänförliga signifikativa absorp- tionsdippar 10a, 10b, vilken signal behandlas i kretsen 8 och genererar eller alstrar en positiv korrektionssignal, vilken styr parametrarna för halvledarlasern 1 att öka sin våglängd för den utsända ljusstrålen på i och för sig känt sätt genom likriktning av signalen.

Den mellersta signalen 11 anger att absorptionsdipparna lla, llb är belägna så att i kretsen 8 alstras en negativ korrektionssignal med åtföljande sänkande våglängdsförändring.

Den nedersta signalen 12 anger att absorptionsdipparna 12a, 12b är belägna rätt (helt symmetriska) vid vald fast våglängd och ingen korrektionssignal alstras.

Med hänvisning till figur 3a visas där jordatmosfärens transmitteringsegen- skaper vid låg spektral upplösning vid vinkelrätt infallande ljus mot jord- ytan och representerar den ljusintensitetsvariation som en ljusstråle alst- rar när den mottages av ljusmottagaren 4 vid olika våglängder.

Enligt uppfinningen kan man här välja en bland flera tydligt markerande signaldippar med en bestämd våglängd, speciellt efterosm alla representerar en atomär övergång.

I det efterföljande skall detta illustreras med den fasta våglängden (unge- fär 0,7635 pm) som är representativ för syrgas "G2".

Uppfinningens insikt kan ej utläsas ur det i figur 3a visade diagrammet utan härför krävs inte bara en delförstoring av syrets absorptionsspektrum, enligt figur 3a, utan jämväl en delförstoring av syrets absorptionsspektrum enligt figur 3b, vilket visas i figur 3c.

Man kan från figur 3c konstatera att signalen 13, representerande det förstorade absorptionsspektrat, uppvisar en väl markerad signaldipp 13a, vilken i utföringsexemplet valts att tjäna som reglernorm “;lL". ll B 463 952 Denna dipp 13a har en våglängdsomslutning av 0,000006 um vid atmosfärstryck och ligger symmetrisk i förhållande till den fasta våglängden "ÃLL".

Av betydelse för uppfinningen är jämväl att på förhand veta det aktuella vâglängdsavståndet 13d till intillvarande signaldipp 13b. Härigenom blir det möjligt att göra styrkretsarna tillräckligt selektiva för att garantera att våglängden av styrkretsarna inte låses till den fasta våglängden vid "fel" signaldipp (13b).

Vid en vald halvledarlaser kan man en konstatera att vid konstant drivström "i" ger en ökning av temperaturen 1°C en vâglängdsändring som kan medföra låsning till signaldippen 13b.

Vid konstant temperatur "T" krävs en strömvariation av ca 15mA för att risk skall finnas att låsa pâ fel våglängd.

Således blir det möjligt att anpassa temperaturen "T" med max 0,5°C variation kring ett bestämt värde och anpassa strömvärdet med max 7mA variation kring ett bestämt värde för att få halvledarlasern att alstra en våglängd som av utnyttjade styrkretsar kan ändras till “JLL“.

I figur 4a visas en signal som är erhållen av en analog derivering av sig- nalen visad i figur 3c. Denna derivering sker i kretsen 8 och denna signal är lämplig för styrning av halvledarlaserns våglängd mot den fasta vågläng- den "IL L".

Signalen 14 uppvisar ett positivt omrâde 14a och ett negativt område 14b, bildande ett akutellt "infångningsomrâde" "A" däremellan.

Härvid framgår att en ändring av våglängden i ljusstrålen 2 ger ett föränd- rat spänningsvärde, som kan tjänstgöra som en reglerstorhet för att konti- nuerligt ändra halvledarlasern våglängd mot det fasta värdet "illffl Infångningsområdets "A" våglängdsomrâde är beroende av amplituden hos den modulerade signalen och kan därför med minskande amplitud minskas ytter- ligare. 463 952 14 Vid start krävs dock ett större infångningsomrâde “A'“, vilket erhålles genom att öka amplituden. Detta visas i figur 4b, vilken figur även visar ett infångningsområde som är något förskjutet åt höger i förhållande till den fasta våglängden "7\ L" på grund av förekomsten av avsnitten 14d och 14e, speciellt avsnittet 14e, härrörande från dippen 13b i figur 3c.

För en fullständigare förståelse utav vissa delar i kretsschemat enligt figur 1, hänvisas till innehållet i den ovan angivna publikationen GB-A-2 163 286.

Sammanfattningsvis kan sägas att utnyttjad halvledarlaser måste vara kali- brerad eller uppmätt så att man vet vid vilken temperatur och vilken driv- ström en viss våglängd föreligger, så att rätt temperatur och rätt driv- ström kan väljas mot en viss önskad våglängd.

Vidare krävs en insikt om våglängdsavstândet (13d i figur 3c) till närmast intillvarande absorptionsdipp, så att erforderligt infångningsområde "A" och den modulerade signalens amplitud, kan väljas så att låsning sker mot en utvald, bland ett flertal valbara, fast våglängd.

Den i figur 2 visade kretsen är tilldelad en funktion att göra den efter- följande signalbehandlingen oberoende av tidsberoende faktorer, som smuts, upplinjering av optikern, vibrationer och andra störningar. Vidare erbjuder den en möjlighet att låta effekten av moduleringen av ljusstrålen, bärvå- gen, subtraheras bort från effekten av den atomära absorptionen, även då den senare är mycket svagare än den förra.

En på ovan angivet sätt våglängdsstabiliserad halvledarlaser kan nu med fördel även utnyttjas för en enkel sekvensiell mätning av en momentan gas- koncentration, enbart genom att utvärdera den mottagna signalens amplitud- värde, speciellt andra derivatan utav signalen 3c. Det är lämpligt att som kalibrering utnyttja en annan signals amplitudvärde, gällande för samma atomära övergång och för en viss konstaterad koncentration.

Det är känt att ett mycket linjärt samband existerar mellan gaskoncentra- tion och absorptionssignalens andra derivata för vissa gaser. 15 463 952 Om det antages att mediet "M" utgöres av luft och om vâglängdsstabilise- ringen sker för syre kommer amplituden 13a' för signalen 13a, visad i figur 3c, att kunna kalibreras till 21,6%.

En ovan angiven våglängdsstabiliserad halvledarlaser kan även utnyttjas för mätning en momentan vätskekoncentration genom en parallellmätning enbart genom att utvärdera signalernas amplitudvärden. Även här kan föreslås att en annan signals amplitudvärde får vara kalibrering för en viss våglängd i en viss konstaterad vätskekoncentration.

Föreliggande uppfinning anvisar således en möjlighet att erbjuda en våg- längdsstabilisering med ovan angiven noggrannhet och bygger på en åter- koppling av erhållen signal från en atom/molekyl-övergång. Genom en liten våglängdsmodulering av lasern, i kombination med en faskänslig detektion av en vâglängdsberoende signal, (laserabsorption, laserinducerad emission, optogalvanisk effekt eller annan laserspektroskopisk detektionsmetodik) erhålles en derivering av den sistnämnda signalen, som efter lämplig förs- tärkning kan tjäna som reglerkretsens felsignal. Genom detta förfarande låses laservâglängden till den atomära centralfrekvensen. Även utan frekvensmodulering kan laserns våglängd låsas till nämnda refe- rens, men då inte till dess centralfrekvens utan till ett läge på endera den uppåtgâende eller den nedåtgående flanken av den vâglängdsberoende signalen. Detta visas i figur 5.

Denna lâspunkt definieras av en referenssignalnivâ (ref). Om den dispersiva signalen av naturen är intensitetsstabil eller är normerad på lämpligt sätt med avseende på de signalpåverkande faktorerna så kan även denna sistnämnda stabiliseringsmetod ge en god och reproducerbar känd eller kalibrerbar laservâglängd.

En kombination av dessa föreslagna våglängdsstabiliseringsmetoder kan under vissa omständigheter ge nya fördelar. Exempelvis kan en omodulerad högsta- bil halvledarlaser låsas med en eventuellt ännu större noggrannhet till en temperaturstabiliserad, lång, högfiness, interferometer, vars optiska reso- nansvåglängder i sin tur är aktivt kopplade till en atomövergång via en annan, eventuellt vâglängdsmodulerad, laser. Pâ detta sätt kan stabilise- 463 952 16 rade laservåglängder erhållas som inte nödvändigtvis är desama som de tillgängliga atomära/molekylära våglängderna, utan kan skilja sig från dessa med en multipel av interferometerns fria spektralområde.

Den i patentkraven valda formuleringen är avsedd att även innefatta extensiv- tolkning.

Likaså kan en omodulerad, högstabil, laser låsas till den modulerade atom- frekvensstabiliseringslasern 1 genom heterodynteknik, varvid en ännu större frekvensnoggrannhet kan uppnås - kopplad till en atomär övergång.

Inom uppfinningens ram faller således möjligheten att använda en av de resonansfrekvenser eller -våglängder som återfinns i naturlig luft. Syrgas (0,76 pm), vattenånga (0,81l1m, 0,92 flm, l,1pm, 1,4 ym, 1,9 pm) och koldi- oxid (1,4-pm, 2,0 pm, 2,7 pm) finnes allmänt och naturligt tillgängligt utan att någon speciell gascell behöver införas i systemet (våglängderna inom parenteser anger exempel på spektralområden för respektive gas, där i detta sammanhang användbara absorptionslinjer återfinns). En laserreflex från någon yttre komponent, registrerad av en detektor, kan ge systemet tillräcklig information för att låsa laservåglängden till en förutbestämd luftabsorptionsvåglängd.

För att uppnå förutbestämda och kända referensvåglängder kan exempelvis lasertemperaturen regleras i en uppstartningssekvens till en i förväg be- stämd temperatur. Denna skall vara vald så att lasern från början har un- gefärlig rätt våglängd, tillräckligt rätt för att återkopplingen skall styra våglängden mot rätt absorptionslinje. Modulationsamplituden kan vara extra stor i startsekvensen för att utöka låsdynamiken ("tracking range") vid start.

Figur 6 beskriver en anordning enligt föreliggande uppfinning. En billig kommersiell GaAlAs-halvledarlaser 30 av CD-skivspelartyp (Mitsubishi ML4405) sänder ut laserljus över en schematisk sträcka 31-32-33, som detek- teras av en fotodetektor 34. Denna lasers våglängd är omkring 0,76 pm, vilket sammanfaller med det spektralområde där syrgas har absorptionslinjer med en styrka av ca 1 procent absorption per meter luft. Inte några absorp- tionslinjer från några andra ämnen än syre finnes i detta valda spektralom- ” 463 952 råde. Lasern 30 har även en inbyggd fotodetektor, som känner av laserns emitterade ljusnivå. Skulle denna bli för hög sänker en transistor 38 reg- lerspänningen till laserns drivregulator 39, så att ljusintensiteten inte kan öka ytterligare.

I startögonblicket uppvärms lasern delvis snabbt av laserdrivströmmen och delvis långsamt av en resistiv uppvärmning 40.

En uppvärmning svarar mot att laservåglängden ökar. Lasern frekvensmodule- ras med hjälp av en oscillator 34, genom en liten modulering av laserns drivström. Efter förstärkning 35 av detektorns 34 växelströmskomponent ger en faskänslig demodulator 36 en signal, till vilken en konstant spänning adderas i en adderare 37. Denna konstanta spänning är tillräckligt hög för att få regulatorn 39 att driva lasern så hårt att en laserintensitetsbe- gränsning träder i funktion. Den enda som kan få ljusnivân att sjunka och transistorn 38 att stänga är att en spektrallinje passeras när laservåg- längden ökar. Då så sker kommer derivatasignalens förstärkta, negativa underpuls att påverka regulatorn 39 så att laserintensiteten kommer att minska. Transistorn 39 drivs så att laserintensiteten kommer att minska och transistorn 38 stängs. Laserdrivningen har nu övergått från ljusbegränsad funktion till strömreglerad av spektrallinjens derivatasignal, d.v.s. våg- längdsstabiliserad funktion. Den ljusbegränsande signalen som styr transis- torn 38 styr även transistorn 41, som i sin tur reglerar laserns omgiv- ningstemperatur via den resistiva uppvärmningen 40. På så sätt långtidsstabiliseras denna så att laserintensiteten hålles på en nivå som hela tiden medger fullständig strömreglering av laservåglängden.

Den här beskrivna anordningen kan utbyggas för att ge ett koncentrations- mått på det ämne som laservåglängden är låst till. Låt den schematiska sträckan 31-32-33 utgöras av en referenscell, innehållande nämnda gas med känt innehåll. Låt så en lika lång sträcka 31-42-43 utgöra en mätcell, innehållande den okända gasen, vars halt utav referensgasen skall bestäm- mas.

Som mått på de båda absorptionernas storlekar användes första övertonen (eller någon jämn multipel av denna) till laserns modulationsfrekvens, vid vilken symmetriska linjeprofiler erhålles med maximalt utslag vid den sta- 465 952 ß biliserade laservåglängden. Signal/brus-förhållandet blir dessutom bättre för övertonerna jämfört med grundfrekvensen, då laserns amplitudmodulering stör vid den senare frekvensen. Den önskade frekvensen filtreras fram av demodulatorerna 44 och 45 genom att utnyttja en differentialförstärkare 46.

En analog dividerare 47 ger så den procentuella avvikelsen mellan de båda gascellerna i form av A-B/A, som presenteras på en display 48.

För att minimera olika påverkan av smuts, damm och annat tidsberoende hos de båda gascellerna kan man överlagra de båda strålgångarna med ljus från en annan laser, som inte är i resonans med nâgra atomer/molekyler. Detta laserljus amplitudmoduleras vid en annan frekvens 53 än den våglängdsstabi- liserade lasern och belyser likaså detektorerna 33 och 43. Efter faskänslig detektering vid denna annorlunda grundfrekvensen via filter kan så de rent optiska förlusterna bortnormeras med dividerare, enligt formen (A1-Bl)/A1 A2/(A2-BZ).

Observera att vid koncentrationsmätning med ovan beskrivna anordning är våglängdens värde ointressant. Lasern kan således tillåtas att låsa till första bästa absorptionslinje som tillhör rätt ämne. Vid interferometriska tillämpningar, däremot, kan tidigare beskrivna uppstartningsförfarande behöva läggas till för att den här beskrivna anordningen skall ge samma kända laservåglängd ut under alla omgivande omständigheter. En förenklad anordning kan exempelvis arbeta vid en i förväg given konstant temperatur, experimentellt bestämd för varje laserexemplar, så att en given absorp- tionsvåglängd skall uppnås. Denna arbetstemperatur ger ett närmevärde för laservåglängden som genom återkoppling medelst drivström skall korrigeras till exakt värde. Laserströmmens modulationsamplitud ger det avsöknings- område i våglängdsrummet ("capture range") inom vilket absorptionsvåg- längden måste befinna sig för att automatisk låsning av laservåglängden skall kunna ske.

Vid start är det därför lämpligt att väsentligt öka modulationsamplituden för att minska kravet på exakt lasertemperatur. När låsning skett skall dock modulationsamplituden åter minskas så mycket som signalstorleken med- ger, så att våglängdsnoggrannheten blir maximal. Denna anordning kan lätt realiseras, t.ex. med en kortslutande transistor kopplad i mitten på en *w ” 465 952 spänningsdeïare, som delar ned moduiationsampïituden med en tidskonstant given av en RC-koppiing till nämnda transistors bas.

Det bör även noteras att en gas under undertryck ger en smalare atomär resonans med högre noggrannhet än en gas vid atmosfärstryck.

Figur 7 visar en utföringsform där en haiviedariaser 1 är vågïängdsstabiii- serad enïigt uppfinningens principer och denna skaii samverka med en ytter- iigare halvïedariaser 1' genom heterodynteknik, för att kunna biida en ijusstråie med en fast vâgiängd utan moduiation.

Detta sker genom att aviänka ijusstråïen 2 från iasern 1 ti11 samverkan med en ijusstråie 2' aïstrad av den ytterligare iasern 1'.

Dessa ijusstråiar 2, 2' sammanföres ti11 en gemensam ijusstråie 22 och upptages av en ijusdetektor 4' och föres ti11 en bredbandig förstärkare 6', som aistrar erforderiig styrsignai för att ändra iaserns 1' ïjusstrâies 2' vâgiängd mot en vaïd fast vågiängd, utan att ljusstrâien 2' bïir överiagrad med en moduierande signaï.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad ti11 den ovan såsom exempei angivna utföringsformen utan kan genomgå modifiationer inom ramen för efterföijande patentkrav ilïustrerande uppfinningstanken.

Claims (12)

:to 4 5 5 9 5 2 PATENTkRAv

1. Anordning för att möjliggöra en våglängdsstabilisering av en av en halvledarlaser alstrad och utsänd ljusstråle, modulerad med en signal, varefter nämnda stråle är avkännbar i en ljusmottagare, genom att i ljus- mottagaren ingående kretsar är anordnade att kunna avkänna de av atomära övergångar i ett ljusstrålen passerande medium beroende fasta våglängder, k ä n n e t e c k n a d därav, att lasern tilldelade parametrar (tempera- tur, ström eller liknande) är anpassbara för att lasern skall alstra en ljusstråle med en våglängd svarande mot eller väsentligt svarande mot en, av utvald atomär övergång tillhörig och bestämd, fast våglängd, att en reglerkrets är anordnad att vid alstrad ljusstråle, med en våglängd av- vikande från den av den atomära övergången bestämda fasta våglängden, alst- ra erforderliga styrparametrar för att vâglängdsreglera utsänd ljusstrâles våglängd mot nämnda fasta våglängd och att ett erforderligt våglängdsområde för ett infångningsområde är valt i beroende av den valda fasta våglängden.

2. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda reglerkrets är anordnad att från en detekterad ljusstråles intensi- tetsvariation alstra en våglängdsändrande signal, anpassad för att ge en elektrisk påverkan av halvledarlasern att ändra sin ljusstråles våglängd mot nämnda fasta våglängd.

3. Anordning enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d där- -av, att nämnda reglerkrets är anordnade att så påverka den halvledarlasern matande strömmen och/eller den halvledarlasern uppvisande temperaturen att varje tendens till våglängdsförändring kompenseras genom en anpassad varia- tion i den matande strömmen och/eller en variation i temperaturen.

4. Anordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att nämnda modulerade signal är föremål för en anpassning för att därav erbjuda ett väl definierat reglerområde eller infångningsområde, med ett utpräglat negativt och ett positivt värde på var sida nämnda fasta våglängd.

5. Anordning enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att amplituden för den modulerade signalen är reglerbar för att med ett ökande värde öka definierat reglerområde eller infångningsområde. lit) 463 952

6. Anordning eniigt patentkravet 1, 4 eiier 5, k ä n n e t e c k n a d därav, att under ett startföriopp är ampiituden för den moduierade signaien minskande, från en hög nivå tiii en normai nivå, för att närma sig ett väi definierat smait regierområde.

7. Anordning eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att tiii ijusmottagaren är ansiuten en krets för automatisk känsiighetsinstäii- ning och/eiier automatisk förstärkarkontroii.

8. Anordning eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att för förinstäiining av vågiängden tiii en utvaid, av fiera tiiigängiiga, atomär övergång är temperaturen för en iaser vaid tiii ett värde, som vid en på förhand bestämd ström, i vart faii är i närheten av nämnda fasta vågiängd.

9. Anordning eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att för mätning av en gaskoncentration i ett ijusstråien passerande medium utvärderas den i ijusmottagaren mottagna ijusstrâiens ampiitudvärde för den fasta vågiängden, där detta ampiitudvärde är jämförbart med en annan signais ampiitudvärde för nämnda vågiängd, kaiibrerad för samma atomära övergång i en bestämd konstaterad koncentration.

10. Anordning eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att för mätning av en vätskekoncentration utvärderas signaiens ampiitudvärde, där en annan signais ampiitudvärde är kaiibrerad för en viss atomär över- gång i en viss konstaterad vätskekoncentration.

11. Anordning eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att för mätning av en iängd är den utsända vågiängden iåst tiii en atomär övergång för en i iuft ingående gas.

12. Anordning eniigt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att den såiunda moduierade ijusstråien är anordnad att samverka med en ytter- iigare ijusstråie, tiiihörande en ytteriigare haiviedariaser, genom hete- rodynteknik, för att styra nämnda ytteriigare ijusstråie tiii en utvaid fast vågiängd.