SE468337B - Saett att anordna och justera in en laser samt laseranordning vilken genomfoer saettet - Google Patents

Description

Ci) (JJ CN '\J 2 för att laserns frekvens eller våglängd i praktiskt hänseen- de är konstant gentemot oavsiktlig påverkan från störningar i laserns inre och yttre miljö, t.ex. temperaturändringar, g mekaniska skakningar,.variationer i luftfuktigheten. Prefix- 'êffcf-”hâlßkaäfëiâóë ïfígfëfífïšyffhïïiš '13'å'_št§fbarhëfiënf'äv frekvensen; då " Avsiktlig styrning eller modulering av frekvensen förutsätts i olika. utföranden. av fixlasern, t.ex. genom geometrisk förändring av laseranordningens kavitet med påverkan från piezoelektriska element, genom förändring av laserelementets temperatur osv.

I många tillämpningar kan det vara tillräckligt att lasern har en fix frekvens, men det är däremot inte nödvändigt att denna skall ha ett visst värde eller kunna ändras. Detta kan t.ex. gälla när lasern används som optisk källa för inter- ferometriska mätningar i en stabil yttre miljö, eller när kraven på mätnoggrannhet är måttliga. Typiska applikationer är mätning av geometriska dimensioner eller registrering av lägesförändringen hos ett föremål, t.ex. inom tillverknings- industrin.

En annan klass av tillämpningar, då det kan räcka att fix- lasern har en fix frekvens, som inte behöver kunna förändr- as, är då den skall användas som optisk lokaloscillator för mätning av variationen av den optiska frekvensen hos en laserljuskälla.

Skall lasern däremot användas för noggranna interferometris- ka mätningar i en yttre miljö med varierande luftparametrar, så skall våglängden hos laserstràlningen i luften hållas konstant, vilket då innebär att frekvensen skall styras med variationer i luftparametrarna.

I många tänkta tillämpningar med fixlasern är det nödvändigt att kunna styra dess frekvens. I spektroskopiska tillämp- ningar med lasern, t.ex. i gasanalys, måste dess frekvens kunna styras till överensstämmelse med frekvensen hos en f: 10 15 20 25 30 35 468 537 3 absorptionslinje. Alternativt måste frekvensen kunna svepas över ett område som innehåller absorptionslinjen.

,Ettïannat fält, där fixlaserns frekvens_måste kunna styrasá ëïïëí- “inaáaiëafåš j: ífëx'äèfiømïfi>åvëæšáñf°avyaëfi* èàæ<§ffifafí2ä ten med piezoelektrisk, eller likartad kraft, är optisk kommunikation och andra informationsöverföringstillämpning- ar.

Sammanfattningsvis kan fixlasern beräknas få stor användning som optisk strålningskälla för'mät- och analystillämpningar, inom sensorteknik och för informationstekniska tillämpning- ar.

Ett förverkligande av fixlasern kräver nya lösningar på ett antal tekniska problem.

I den mekaniska tillverkningen och konventionella upplin- jeringen av de optiska komponenterna i en laseranordning kan man endast nå en viss precision. Denna kan för lägen och vinklar hos komponenterna typiskt vara 10 pm resp. 1 milli- radian. Med dyrbarare mekanisk framställning kan man nå något längre i precision. De nämnda toleranserna är inte tillräckliga för att laserns externa kavitet skall vara injusterad för lasring, dvs. för att laserstrålning skall kunna utsändas. För detta krävs injusteringar i lägen på någon eller några tiondels pm och i vinkel på någon eller några tiondels milliradianer.

UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL ocH VIKTIGASTE KÄNNETECKEN Ett första syfte med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en fixlaser med små dimensioner, lång livslängd, som är spektralren och har en väldefinierad optisk frekvens med minimalt beroende av förändringar i laserns inre och yttre miljö, t.ex ändring av temperatur och tryck.

Ett andra syfte med föreliggande uppfinning är att åstadkom- . ..-,' '~5.f=:^ 10 15 20 25 30 35 O\ CO CN LN \4_J 4 ma en fixlaser som har enkel uppbyggnad, är enkel att monte- ra samman och som kräver ett minimum av åtgärder vid in- justering och är möjlig att fixera i ett injusterat läge, så att lasern bibehåller sin frekvens, e ,. _-_., _<._. .__ .

Ett tredje syfte är att åstadkomma en fixlaser vars frekvens kan styras eller moduleras, t.ex genom geometrisk förändring av dess externa kavitet.

Ett fjärde syfte är att åstadkomma en fixlaser vars strål- ning har en våglängd som är konstant i en varierande yttre luft- eller gasmiljö.

Ovanstående syften uppnås enligt uppfinningen genom särdra- gen enligt bifogade patentkrav.

Uppfinningen utgår ifrån observationen att det för upplin- jering av en laseranordning med gitterresonator finns två väsentliga riktningar, den kollimerade strålningens riktning LO och gitterritsornas riktning G. När dessa två är vinkel- räta är laseranordningen upplinjerad och strålning av en våglängd, som bestäms av gitterekvationen No 'Å/z (l) áterkastas från gittret i motsatt riktning till den infal- lande strålningens. d-sin a I (1) är )\ strålningsvåglängden, No gitterordningen, d avståndet mellan konsekutiva gitterritsor och a strålningens infallsvinkel mot gittret. Den återkasta- de strålningen fokuseras av den linsanordning som kollimerat strålningen till den punkt eller fläck på laserelementet från vilken strålningen utgått. Om således vinkeln Q mellan de två nämnda riktningarna är 90° är anordningen upplinjerad till lasring. Det finns emellertid ytterligare en förutsätt- ningför att lasringen skall kunna äga rum.

Laserelementet måste kunna sända ut strålningen vid den våglängd Åo som anges av gitterrelationen (1). I denna är det exakta värdet ao av a inte förutbestämt, utan denna 10 15 20 25 30 35 337 4> GN.

OO 5 vinkel avviker vid tillverkningen, och vid injusteringen av e, något från det beräknade eller nominella värdet. Lasere- lement måste således potentiellt kunna emittera strålning inom ett våglängdsområde i vilket_Å° innehålls._ .f :._ .-.. ,._.

Vid användning av ett halvledarlaserelement, som är en tänkt typ av laserelement för fixlasern, är kravet att Ao skall falla inom laserelementets strålningsområde inte svårt att uppfylla. Ett halvledarlaserelement för t.ex. nominellt A = 1,55pm kan fås att generera laserstrålning inom ett våg- längdsområde av typiskt 1,50 - l,60pm. Enligt gitterrelatio- nen svarar vid N¿=l, A0 = 1,55 um och ao = 45° vinkelområdet al - a, = 4s° i 2° ma: Å, - Å, = 1,55 i o,ospm. vinkeln a kan således lätt förhandsinställas så att )\ faller inom det potentiella våglängdsområdet för lasring.

Den kollimerade strålningens riktning definieras av linjen LO i fig. 1 mellan laserelementets öppning L, i fall av ett halvledarelement ändytan av en strålningskanal med diametern ca lpm, och linsens optiska centrum O. Lutningen av linsen i förhållande till den nämnda linjen är inte särskilt kri- tisk. Detta motsvarar att man får en god punktavbildning i fokalplanet för parallella nära axiella strålar.

Det tidigare diskuterade kravet på injusteringsnoggrannhet av någon eller några tiondels pm i läge av en optisk kompo- nent gäller i ett plan som innehåller kollimeringsriktningen LO, och gitterritsriktningen G och då för ändringar i rikt- ningen G. Motsvarande krav på noggrannhet i vinkelinjus- tering gäller i det nämnda planet.

Injustering i kollimeringsriktningen, t.ex. av avståndet mellan lins och laserelement, behöver göras med en noggrann- het, som är kanske tio gånger lägre än vad som krävs för ändring i riktningen G. En bra möjlighet är att separat tillverka och justera in laserelement plus lins som en enhet. En liten trimning av kavitetslängden med upp till 10 15 20 25 30 35 OI) 557 6 Å/4, som kan behövas för att undvika att lasern svänger instabilt i ett läge mellan två moder, görs bäst under drift genom ändring av laserelementets brytningsindex, t.ex. via den elektriska strömmen genom elementet eller via elementets I bakgrundsförutsättningarna till uppfinningen ingår att fixlaserns komponenter i form av dess bärande delar, hållare för optiska komponenter och likartat skall kunna tillverkas och monteras med konventionell verkstadsteknisk precision.

En grundidé i uppfinningen är att efter hopmonteringen av fixlasern skall den slutliga injusteringen av lasern till optimal lasring, vid en inte helt förutbestämd våglängd Ao inom bandet Åq,1Å2, kunna göras genom vridning av någon av laserns optiska komponenter, som sedan fixeras.

Fig. 2 och 3 exemplifierar några tänkbara slutliga injuster- ingsvridningar. Om t.ex. laserelementet 1 roteras kring en fast axel K, som ungefärligen bildar rät vinkel med gitter- ritsriktningen G, så pendlar linjen LO, dvs. linjen mellan laserelementets öppning L och linsens optiska centrum O, i en kon med spetsen i O. Om i stället linsen vrides på ett motsvarande sätt, beskriver LO en kon med spetsen i L.

Konvinkeln kan väljas tillräckligt stor så att LO för någon vridningsvinkel bildar rät vinkel med gitterritsorna, dvs.

Q = 90°. bestämmer hur stor del av varvet men måste vrida för att säkert nå läget @ = 90°.

Valet av konvinkel Vridningen av en komponent, t.ex. laserelementet, kan t.ex. ske genom att den är excentriskt placerad i en hylsa, där cylinderaxeln är rotationsaxeln K. Om linsen är symmetriskt inplacerad i vridhylsan för laserelementet, blir den konfor- made pendlingen av LO desamma som om linsen vore orörligt monterad.

När det är laserelementet som vrides har man anledning att välja konvinkeln tillräckligt stor, så elementet inte ges 10 15 20 25 30 35 4-68 357 7 en, med hänsyn till strålningens polarisation, besvärande attitydändring. Motsvarande problem uppkommer om det är gittret som i stället vrides. Däremot uppstår inte detta om det är linsen som vrids.

BESKRlVNING AV RITNINGAÉNA Uppfinningen kommer nedan att närmare beskrivas med ledning av bifogade ritningar vilka visar exempel på utföringsformer av uppfinningen.

Fig. 1 visar schematiskt läget av optiska komponenter ingående i lasern enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 2 visar vridning av laserelementet för ändring av kollimeringsriktning LO i lasern enligt föreliggande uppfin- ning.

Fig. 3 visar vridning av linsen för ändring av kollime- ringsriktning LO i lasern enligt föreliggande uppfinning.

Fig. 4 visar ett centralt snitt längs huvudaxeln A av en första utföringsform av en fixlaser enligt föreliggande uppfinning Fig. 5 visar ett centralt snitt av fixlasern enligt Fig. 4 genom ett plan vinkelrätt mot snittplanet i Fig. 4.

Fig. 6 visar ett centralt snitt längs huvudaxeln A genom en fixlaser enligt en andra utföringsform av uppfinningen Fig. 7 visar en frontalvy av ett exempel på laserfäste med justeringsanordning i en fixlaser enligt föreliggande upp- finning.

Fig. 8 visar svetssömmar för en fixlaser enligt en första utföringsform av uppfinningen.

Fig. 9 visar en fixlaser enligt föreliggande uppfinning med JE.

CW CD 10 15 20 25 30 LN CN \J 8 aktiv temperaturkontroll och termisk isolering.

Fig. 10 visar en fixlaseranordning för konstanthållning av stràlningens våglängd i en yttre miljö enligt föreliggande *uàpffaífiiïænàt*šëcyrïsi' fäëfføm *àfiefkcpblainq eif-šigfiàr* ffåfiïïjefaf ~ =fï F* :~ med lasern fast förbunden våglängdskännande interferometer, som står i atmosfärisk kontakt med den yttre mijön.

Fig. ll visar anordningen från Fig. 10 försedd med ytterli- gare en laser, optiska komponenter för sammanföring av de tvâ laserstràlningarna, samt fotodetektor för registrering av skillnaden i frekvens mellan strålningarna som ett mått på brytningsindexförändringar i den yttre miljön enligt den föreliggande'uppfinningen.

Fig. 12 visar tvärsnitt av fixturanordningar vid gemensam påläggning av holografiskt gitter på ett antal sätestappar. a) Anordning för holografisk skiktbeläggning direkt på sätestapparna b) Anordning för holografisk skiktbeläggning på substrat som fixeras vid sätestapparna.

Fig. 13 visar laserfäste av gàngjärnstyp med lödtunga. a) Frontalvy av fästet b) Snitt A-A vinkelrätt med planet i a) Fig. 14. Sammanfogning av basplatta, isolatorkuts och löd- tunga vid samtidig tillverkning av många laserfästen a) Del av sammanhängande ark med basplattor samt detaljer från lödtungeark och kutsarrangemang b) Snitt B-B vinkelrätt frontalvyn i a) BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Med hänvisning till fig. 4 är fixlasern i en första utförin- gsform uppbyggd med en rotationssymmetrisk huvudkropp, 10 i vilken finns ett centralt axiellt upplinjeringshål 17 med un". 468 357 9 huvudaxeln A. I upplinjeringshålet är inskjutet gittersätet 13, som har en tapp 7 med cylindrisk passning, vilken kan vara mycket hög, 1 0,5 pm. Linsen 2 är fäst i hylsan 12, som är inskjuten i }WQsan.1l._Det optimala läget av 12 "i-éïäfivf* fjs맿råt'; 't;:.=,,z. 'i2:a;.gfsfäilnkingsrfgg . f- - så att strålningen 5 är kollimerad för en förutberäknad nominell våglängd. Därefter fixeras ll och 12 i förhållande till varandra genom, t.ex. svetsning.

Laserelementet 1 och kollimatorlinsen 14, för kollimering av den utgående laserstrålen 15, är monterade på hylsorna 11 respektive 6, vilka är anpassade till två avsvarvningar pá huvudkroppen 10. Komponenterna är då sammansatta enligt en _teleskopprincip, där alla hylsornas axlar sammanfaller med huvudaxeln A. Avvikelsen från rotationsgeometrin är att gittret 3 är monterat på en sned avfasning på sätestappen 7, samt anvisningar på hylsan 11 för infästning av laserelemen- tet 1. Hylsan ll kan vid injustering av laserelementets läge, vridas runt huvudaxeln A tills strålningen från fix- lasern visar att att vinkeln Q injusterats till 90°. Där- efter fixeras hylsan ll vid huvudkroppen 10.

I den exemplifierade första utföringsformen av fixlasern är laserelementet 1 excentriskt placerat på hylsan ll så att det avviker från symmetriaxeln A med 10 - 50 pm. Montering- en av elementet 1 sker genom observation av läget i mikro- skop eller genom införande i hylsan ll av ett tolkverktyg med cylindrisk passning och försett med positionsmarkering- ar. En central symmetrisk inplacering av linsen 2 i hylsan 12 kan lätt göras med tillräcklig precision utan särskilda mätverktyg.

Den exemplifierade första utföringsformen av fixlasern kan varieras i en rad konstruktionsdetaljer. Sålunda kan exem- pelvis bärhylsorna för de optiska komponenterna vara monte- rade på den centrala kroppen 10 på annat sätt än som exem- plifierats. T.ex. kan hylsorna 11 och 12 vara inskjutna i CD huvudaxelnAA¿ 557 10 eller påträdda kroppen 10 på annat sätt än som illustrerats.

Det är t.ex. också möjligt att låta någon eller några av de komponentbärande hylsorna ha en annan vridningsaxel K än 3.1.' __.. _ . ,_..._.' _V__.,__ Fig. 6 visar som exempel på monteringsvariationer en andra utföringsform av gittermontering i fixlasern, i vilken rotationssymmetrin kring huvudaxeln A frångåtts för huvud- 10. gittret monteras vinkelrät på den cylindriska sätestappen 7, vilken är inskjuten i en sned borrning i huvudkroppen 18, så att gitterytans normal kommer att bilda en förutbestämd vinkel a med den kollimerade strålningen i lasern. Även kroppen, Fördelen i detta arrangemang ligger i att fixeringen av injusterade optiska komponenter kan göras på ett antal andra sätt än genom svetsning, t.ex. genom lödning eller limning.

Såsom framgår av ovan bygger fixlasern enligt föreliggande uppfinning på rotationssymmetri hos de flesta komponenterna.

Den kan ges en extremt kompakt struktur, med dimensioner ca 10 x 20 mm hos den egentliga laseranordningen. Den är enkel att montera, fig. 8, och linjera upp.

De rotationssymmetriska detaljerna är potentiellt billiga att tillverka. De har också fördelen att termiska utvidg- ningsfel undviks i tvärriktningarna.

Med hänvisning till Fig. 9 visas en utföringsform av termisk stabilisering av laseranordningen. Ett termiskt isolerande material 38, t.ex silikongummi, polyuretan eller polystyren är anordnat mellan en kylfläns 40 och en inre temperaturutjämningshylsa 39. Detta material tjänstgör dessutom som vibrationsdämpare för akustiska störningar. I utföringsexemplet är ett termoelektriskt element 37, t.ex ett peltierelement, för styrning av tempe- raturen anordnat i ett utrymme bildat mellan de bàda änd- partierna av den yttre kylflänsen 40 och den inre temperatu- I i 463 357 11 rutjämningshylsan 39.

Genom lämpliga val av konstruktionsmaterial ges anordningen en passiv temperaturstabilisering. Kravet för att fixlasern ' skäll" ge fen geritèmotï ”tëriipéràfíirpåvèfkahï "så 'sfabïïfí stfål- '_ ningsfrekvens som möjligt är att ändringen i optisk längd av laseranordningens resonator, dvs. i de sammansatta optiska längden av laserelement och externkavitet, minimeras.

Den rotationssymmetriska uppbyggnaden av fixlasern i fig. 1 gör att sammanfogningen kan utföras så att laserns inre blir hermetiskt avskuret från den yttre atmosfären. Härigenom störs inte fixlaserfrekvensen av lufttrycks- och fuktighets _ variationer. Den hermetiska förslutningen gör också att laserelementet skyddas mot miljöverkan, som kan degradera elementets strålningsegenskaper. Man kan även innesluta en inert gas i laserkaviteten i stället för vanlig luft.

De visade utföringsformerna är endast exempel på möjliga varianter av fixlasern.

Passiv termisk stabilitet Det är oundvikligt att laserns optiska resonatorlängd lo ändrar sig vid temperaturvariationer. Bidrag till längd- ändringarna kommer bl.a. från: A) Termisk utvidgning/kontraktion hos laserelementet 1, kollimeringslinsen 2 och de mekaniska anordningar 7, 10, ll, och 12, som håller de optiska delarna på plats.

B) Brytningsindexförändring med temperaturen, dn/dT, hos i kaviteten ingående optiska komponenter.

Förändringen (1/n) dn/dT kan t.ex. hos laserelementet 1 vara av storleksordningen 5-lO¿K”' och hos linsen 2 av storleksordningen 10*K“.

IUAI: CO " mÖfligJcJ (N n» \1 12 Alla dessa bidrag kommer att addera sig till varandra med magnitud och tecken. Strävan skall därför vara att “vektor- summan" av de ingående bidragen skall bli så liten som \___.__.-- _ I resonatorn med den geometriska längden l finns ett antal optiska element i form av optiska komponenter och luft, vilka indiceras löpande med i. l = geometrisk resonatorlängd = 2 a.

J. ai = ett elements längd ai = dess utvidgningskoefficient ni = dess brytningsindex Resonatorns optiska längd är lo = z aini = lnmf: '*' 2 aflni 'nluffif (2) där 2 innebär summering över alla element i.

Den optiska resonatorlängdens lo variation med temperaturen är DER lo = DER (lnhfit) + "' 2 aiaaÜïi 'nluffi 'mainERÜïi 'nmfÛ , där DER är derivata i avseende på T. (3) För att våglängdsförändringen hos strålningen.vid temperatu- rändring skall bli så liten som möjligt, skall konstruktio- nen.av resonatorn väljas så, att DER Laenligt (3) minimeras.

En ytterligare termisk effekt är att gittret ändrar sin ritsfrekvens med temperaturen. Det är därför önskvärt att välja ett substratmaterial med så liten termisk utvidgnings- koefficient som möjligt. lufwfif 468 337 l3 Ett annat alternativ är att montera gittret på ett sådant sätt att det vrider sig med temperaturändring så att gitter- relationen (l) ger en oförändrad våglängd; Ändring och styrning av fixlaserns frekvens Vid injustering av fixlasern till lasring, genom vridning av en optisk komponent, t.ex. laserelementet l, linsen 2 eller gittret 3, så att linjen LO blir vinkelrät mot gitterrits- riktningen G blir den våglängd som lasern emitterar inte helt predikterbar. Man kan endast förutsäga att den kommer att ligga inom ett visst våglängdsintervall, som bestäms av onoggrannhet i mekanisk tillverkning och montering av la- sern. Lasern, med en vridanordning för injustering av en komponent, blir en fixfrekvenslaser med inte helt förutbe- stämd frekvens. Lasern kan användas för en rad tillämpning- ar, som tidigare berörts.

Vill man kunna justera in fixlasern till bestämd frekvens måste en andra injusteringsanordning införas. Med en sådan som vrider en av de optiska komponenterna kring en fast axel, kan man ändra vinkeln a mellan gitterplanets normal- riktning N och riktningen LO för den kollimerade strålningen 5 i fig. l, med bibehållande av vinkeln @ = 90°. En sådan vridning kan vara att gittret vrids kring en fast axel i gitterritsriktningen G. Till följd av den initiella onog- grannheten i upplinjering av de optiska elementen i anord- ningen, så blir inte rotationsaxeln för gittret och gitter- ritsorna helt parallella, de bildar kanske en vinkel om någon milliradian. Det finns en svag koppling mellan in- ställning av a och bibehållandet av ® = 90°. Uppskattnings- vis kan man förändra a med 1 l° utan att Q förändras så mycket, några tiondels milliradianer, att det förändrar lasringsförmågan hos lasern. Vid en fixlaser med våglängden l,55pm svarar detta enligt gitterrelationen. (l) mot ett vàglängdsving, 1,55 1 0,02 pm.

CC) 101 :N ak: -:1 14 I fixlasern kan det vara mer ändamålsenligt att vrida någon annan komponent än gittret 3. I fixlasern 9 i fig. 5 juste- ras @ till 90° genom vridning av hylsan ll med det excen- 'frisxf"m@n%èfáae-iàsefëlementef'1.w*~%;y;*~~^»-“*-*“-“ Fig. 7 visar en basplatta till laserfäste 27 fäst med en första svets 28 på ändytan av vridhylsan 23. Genom vridning av hylsan med det excentriskt placerade laserelementet 1 har man en första injusteringsanordning. En andra sådan har man genom att fästet utgör ett elastiskt gångjärn för vridning av laserelementet 1 kring axeln R.

Hylsans 23 rotationsaxel är A. En liten vridning av hylsan förskjuter elementet l en sträcka Åfiy . Ändringen ÅÄy svarar mot en justering av vinkeln Q.

Om en kraft F appliceras, vinkelrät axeln R, i gångjärnets övre del vrider sig laserelementet kring axeln R och lasere- lementet 1 förflyttar sig en sträcka [§x som är nära vin- kelrät mot [Äy. Ändringen ¿§x svarar mot en ändring av vinkeln a, dvs. av våglängden eller frekvensen hos strål- ningen. Sedan injustering av ŧx slutförts fixeras bäraren med svetsarna 29.

En våglängdstrimning eller frekvensändring kan man åstadkom- ma i fixlasern även sedan komponenterna fixerats, och lasern förslutits, om någon av de optiska komponenternas läge eller attityd kan påverkas via krafter från piezoelektriska ele- ment eller likartat.

Modhoppsfri avstämning kan göras om de pålagda krafterna vrider gittret kring en axel enligt det sätt, som anges i SE patentansökan 8902948-2.

En snabb frekvensmodulation av strålningen kan man exempel- vis göra, genom att den externa kavitetens längd moduleras via påverkan av någon komponent, t.ex. gittret, med krafter 468 337 15 från ett eller flera piezoelektriska element.

Laserfrekvensen i den förslutna fixlasern kan också ändras via reglering av den inre temperaturen i lasern, jmf anord- j fnífigen' äï-T-:för ïtèrmjoelektfiškï* .teiriperatufií-eg-iefifig: 1"- f -fig '9 ' Om lasern opereras vid en temperatur, som är högre än rum- stemperaturen, kan den termoelektriska anordningen 37 ersät- tas med en rent resistiv värmare. Detta ger en mycket billi- gare lösning.

Konstanthållning och styrning av fixlaserns våglängd I många sammanhang är det önskvärt, t.ex. vid interferomet- riska mätningar, att laserstrålningen får en i den yttre atmosfären konstant våglängd, dvs. att våglängden inte påverkas av förändringar i luftens tryck, temperatur och fuktighet. De angivna parametrarna påverkar luftens bryt- ningsindex och därmed våglängden hos laserstrålningen.

För att hålla våglängden konstant vid variation av luftens brytningsindex krävs en ändring av fixlaserns frekvens.

Frekvensen kan styras via signalen från en längdstabil interferometer. Felsignalen när våglängden avviker från sitt fixvärde reglerar fixlaserns frekvens. Denna återkoppling strävar att hålla våglängden vid dess fixvärde. Motsvarande metod kan också användas när den yttre miljön är en annan gas än luft.

I fig. 10 är interferometern 45 för våglängdsstabilisering fast förenad med fixlasern 9. Interferometern måste vara minst lika stabilt uppbyggd som lasern. Längden av den ena interferometerarmen, som avslutas med prismat 48, kan regle- ras via det cylindriska piezoelementet 52. Strålning från de båda interferometerarmarna förs samman på de två detektore- lementen 53 med utgångarna 54. Retroprismats 48 läge, och därmed signalerna från detektorelementen 53, moduleras via piezostyrsignalen i ingången 55. Interferometern skall stå $> (j\ CO 16 i atmosfärisk förbindelse med det utrymme där mätningarna görs så att atmosfären i interferometern är representativ för mätmiljön.

:"Sambandet mellan strålningsvåglängden i lüft Öüiè frekvensen If '§~ T y och luftens brytningsindex nl äro Ål = c /( nlv) ...(5) där c är ljushastighetskonstanten. För att Ål skall vara konstant måste frekvensen i fixlasern 9 i fig. 12. ändras så att n1'¶ = konst. ...(6) Förändringen av brytningsindex i luften eller i en gas kan således registreras genom förändringen av frekvensen. Frek- vensändringen kan mätas genom att laserstrålningen 15 från anordningen i fig. 10 läggs samman med strålningen från en andra fixlaser med stabil frekvens på en optisk detektor, som är tillräckligt snabb för att registrera skillnadsfrek- vensen. Den andra lasern tjänar då som optisk lokaloscilla- tor.

I fig. ll har anordningen från fig. 10 utökats med en andra fixlaser 66, som fungerar som lokaloscillator. Strálningen från de båda lasrarna 9 och 66 förs samman via ett prisma 62 och detekteras av detektorn 64. Detektorn detekterar skillnadsfrekvensen hos strålningen från de båda lasrarna.

Anordningen i fig. ll är avsedd för mätning av brytnings- indexförändringar i luften eller i en gas.

Montering av gitter på gittersäte Sätet 13, på vilket det optiska gittret skall anbringas, kan vara gjort av t.ex. kvarts, keramik eller metall. Sätestap- parna kan tillverkas med stor precision.

I de 'två fixlaservarianterna fig. 4 resp. fig. 6 skall sätestappen 7 som bär gittret vara snett eller rakt avskuren 'ø “i 468 357 17 och slipad. I det sneda fallet kan tappens ändyta typiskt bilda en vinkel av storleksordningen 45° med tappens axel.

För att framställa säten med gitter till ett lågt pris måste många gitter appliceras samtidigt pä sätena.,_ “En metod att göra detta är 'följande fig. 12a. Ett större antal gittersäten, t. ex. 100-400 per dmz placeras i paral- lella urborrningar med god cylinderpassning i ett fixturblo- ck 70 av t.ex. invar. Sätena fixeras, med t ex ett övre låsok 71 och planslipas och poleras gemensamt så att ytan på tappändarna ligger i ett plan 72. Ett holografiskt gitter appliceras med känd teknik över det gemensamma ändplanet.

Sätena med pàlagt gitter skärs fria från det gemensamma holografiska skiktet. Säteshàlen i fixturblocket kan anting- en ha sina axlar vinkelrät mot skiktplanet eller bilda någon vinkel med detta, beroende på snedskärningen av tapparna.

Ett alternativt sätt, fig l2b, att montera gitter på säte- sändytorna, med utnyttjande av ett likartat fixturblock 70 som ovan, är att först applicera planslipade substrat 73, av t ex kvarts, på de planslipade ändarna av sätestapparna 7.

Substraten kan också alternativt vara av piezoelektriskt material vilket medger möjlighet att styra den externa kavitetens längd eller att reglera avståndet mellan gitter- ritsorna.

Substraten placeras i en lateral fixtur 74, vars tjocklek är något mindre än substratshöjden. Sammanfogningsmedel anbringas mellan substraten och sätestapparna och fixering sker genom t ex värmning i ugn eller torkning. Under fixe- ringen pressas substraten mot sätestapparna av ett undre lások 76 med en planslipad övre yta 77, varvid substraten efter fixeringen kommer att få ett gemensamt ändplan 75 som bestäms av ytan.

Framställning av laserfäste Laserfästet i fig. l3a och b är utformat för samtidig fram- O\ CO (Jxl UJ *J 18 ställning av många fästen genom en arkteknik, där antalet fästen kan vara av storleksordningen 100 per kvadratdecime- ter. I framställningsproceduren skall basplattan 27 samman- .fogas med keramikkutsen_82.och_lödtungan 81, Efter samman- j ' ïl§ ï:;fogningënfskäres'de'enskilda iàserfäštena fria frånäväfanï Ü- dra. Laserelementet l kan sedan lödas fast på den uppátvända kanten på basplattan och bondning 80 göres mellan elementet och lödtungans flik. Tillverkningen av laserfästena kan givetvis variera i sina detaljer, men huvuddragen är följan- de. l. Ett ark av sammanhängande basplattor till laserfäste 27 framställes ur en metallskiva, t.ex. l mm tjock genom ets- ning eller likartad teknik. 2. Fästmedel, t.ex. lod, anbringas genom screentryckning, på de punkter på arket med basplattor 84 där keramikkutsarna skall fixeras. Alternativt kan fästytor för keramikkutsarna fås genom klickdosering av lim. 3. Kutsarna utplaceras på en bärande skiva i rätt mönster för sammanfogningen med basplattorna genom användning av en lateralfixtur. 4. Arket med basplattor placeras över skivan med kutsar.

Genom värmning eller torkning fixeras kutsarna till basplat- torna. 5. Ett ark av sammanhängande lödtungor 81 framställes ur en metallskiva med t.ex. tjockleken 0,3 mm genom etsning eller likartad teknik. 6. Lod för lödning av tungorna till kutsarna appliceras på lödtungearket genom screentryckning. Alternativt kan klick- dosering göras för limfixering. 7. Arket med lödtungor placeras över keramikkutsarna och IU] 468 337 19 tungorna fixeras till kutsarna genom värmning eller tork- ning. ¿8. Ett_bookningsf och frilëggningsverktyg applioeras över É 'àrkèf "med ' 'ïödfiuhšbïffiffïïfàrkiiä ' flikènfiàs* -Pålššiesšá boclëáš*föverl " ' kutskanten och tungorna frigöres från det gemensamma arket. 9. De sammanhängande barplattorna skärs fria från varandra med ett friläggningsverktyg, varefter de enskilda fästena är klara för montering av laserelement och bondning' mellan elementet och den bockade lödtungefliken. lëó Rflj ;>t>.21 w :v P: Q 0 c> 2: ägca w |~4 .

(N (AI ~a 20 Förteckning över hänvisningsbeteckningar i ritningsfigurer N IC-'D\O\'|O\LTIißCONI-' ll 12 13 14 15 16 17 18 19 23 -"”Iinjë §ëÉ0m fi¥och50aflf§fFï'"“*“'">“'" strålningsutsändande ytdel av laserelementet l optiskt centrum för_linsen 2 normal tili gitterriftsplanet föra linje i gitterritsornas 4 längsriktning vinkeln mellan LO och G vinkeln mellan LO och N vridningsaxel för optisk komponent huvudaxel för upplinjeringshàlet i 10 eller 19 tryckkraft gángjärnsaxel för vridning av l förflyttning av 1 i x-led vid vridning kring R förflyttning av 1 i y-led vid vridning kring A laserelement kollimatorlins för inre strålningen 5 reflexionsgitter gitterritsa kollimerad strålning inuti fixlasern hylsa för kollimatorlins 14, tapp på gittersäte fixlaser rotationssymmetrisk huvudkropp med upplinjeringshål och nersvarvningar för fäste av komponenter hylsa med fäste för 1 hylsa för fäste av 2 gittersäte kollimatorlins för yttre strålningen 15 kollimerad strålning ut från lasern huvud på gittersäte upplinjeringshål fixlaser kropp med upplinjeringshål och nersvarvningar för fäste av komponenter hylsa för fäste av laserelement ..y5¿¿ 27 28 ¿ 29¿ ;._.__3l._. ._._?__ _: _ _: .__ ____l___¿._ ._ , _. A 32 33 34 35 37 38 39 40 44 45 46 47 48 49 50 52 53 54 55 56 61 62 63 64 65 66 70 71 72 468 357 21 basplatta till laserfäste i form av elastiskt gång- järn första lasersvets lasersvets för fixering efter vridning kring R II II fixlaser med temperaturreglering och termisk isole ring termoelektriskt element termisk isolering, t.ex. silikongummi, polyuretan eller polystyren I inre temperaturutjämningshylsa yttre kylfläns fixlaser med interfermometer interferometer spegel retroprisma i en första interferometerarm retroprisma i en andra interferometerarm reflekterande prisma stràldelarkub piezoelektrisk cylinder fotodetektor detektorutgång ingång för spänning till piezoelement stràldelarkub spegel stràldelarkub detektorutgång detektor fixlaseranordning för mätning av brytningsindex- ändring i yttre miljö fixlaser använd som lokaloscillator fixturblock övre låsok ändplan 468 337 22 73 = planslipat substrat 74 = lateralfixtur 75 = ändplan ._76 Z = qndre låsok ¶ i ä 'yr-fa- pá-f77 so ¶ = bondtràd ¶ 81 = lödtunga 82 = isolerande keramikkuts 84 = del av basplatteark 10 85 = flik på lödtunga

Claims (14)

10 15 20 25 30 35 *'13 468 357 PATENTKRAV

1. Sätt att anordna och justera in en i avseende på yttre och inre miljöpåverkan stabil laser, vilken innehåller åtminstone tre optiska komponenter bestående av ett lasere- lement (1), som kan. generera optisk strålning inom ett vàglängdsband Ål - X2, en optisk kollimator (2), som inuti lasern kollimerar från laserelementet utsänd strålning, samt ett plant reflexionsgitter (3) med parallella gitterritsor, vilket sistnämnda tillsammans med en plan reflekterande yta, som kan vara laserelementets ena ändyta, bildar en resona- tor, vilken selekterar laserns utsända strålningsvåglängd, k ä n n e t e c k n a t 'd ä r a v, att minst en optisk komponent, som t.ex kan vara (1), (2) eller (3) är fast monterad i en hållare , vilken för in- justering av lasern till lasring kan vridas kring en i anordningen fix axel, så att vinkeln 6 mellan två riktning- ar, vilka definieras av längsriktningen hos gitterritsorna (G) och av strålningens kollimeringsriktning (LO), varierar inom ett intervall innehållande Q = 90°, och att kollimerad strålning från laserelementet, som då é är rät återkastas från gittret och återgår till laserelementets strålningsutsändande del via kollimatorn (2), har en selek- terad våglängd, som ligger inom bandet Ål - A2.

2. Sätt enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att minst en av de optiska komponenterna för intrimning av våglängden kan vridas kring en fix axel på ett sådant sätt att den kollimerade strålningen förblir vinkelrät mot git- territsorna och, att strålningens infallsvinkel (a) mot gitterritsplanet därvid förändras, vilket medför en ändring av den laser- strålningsvåglängd inom bandet Ål - A2, som kan upprättßàl- las i anordningens optiska resonator. _ _.- CT» 10 15 20 25 30 35 .~ 1 v ¿;J \Il 29

3. Sätt enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att minst en av de optiska komponenterna kan vridas kring en fix axel, med tillhjälp av ett eller flera piezoelektriska, eller likartat fungerande element, på ett sådant sätt att den kollimerade strålningen förblir vinkelrät mot gitterrit- sorna och, att strálningens infallsvinkel (a) mot gitterritsplanet därvid kan styras, medförande att strålningens våglängd kan varieras.

4. Laseranordning, vilken genomför sättet enligt kravet l, 2 eller 3 vilken innehåller åtminstone tre optiska komponen- ter bestående av ett laserelement (1), som kan generera optisk strålning inom ett våglängdsband Ål - A2, en optisk kollimator (2), som inuti lasern kollimerar från laserele- mentet utsänd strålning, samt ett plant reflexionsgitter (3) med parallella gitterritsor, vilket sistnämnda tillsammans med en plan reflekterande yta, som kan vara laserelementets ena ändyta, bildar en resonator, vilken selekterar laserns utsända strålningsvåglängd, k ä n n e t e c k n a d a v, en huvudkropp (10:19) som har med huvudaxeln (A) koncentris- ka nersvarvningar, varav en är ett centralt upplinjeringshål (17), varvid hylsan 6 är cylindriskt anpassad till en av nersvarvningarna i huvudkroppen, hylsan (12) är anpassad till en nersvarvning i hylsan (ll) eller till en av ner- svarvningarna på huvudkroppen och hylsan (ll) är anpassad till en av nersvarvningarna på huvudkroppen eller till en nersvarvning i hylsan 12.

5. Laseranordning enligt krav 4 k ä n n e t e c k n a d a v, att gittret är placerat på en sned avfasning på gittersä- tets (13) cylindriska tapp (7) och att tappen är inskjuten i det centrala upplinjeringshålet (17). 10 15 20 25 30 35 af 468 357

6. Laseranordning enligt krav 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d a v, att gittret är placerat på ändytan av den snett eller rakt avskurna cylindriska tappen (27) på gittersätet (13) samt att tappen (27) är inskjuten i ett hål i huvudkroppen (19) vars axel har en riktning som är skild från huvudaxelns (A) riktning.

7. Laseranordning enligt krav 4 - 6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att laserelementet (1) är placerat på ett fäste vars huvud- del är en basplatta (27) utformad som ett elastiskt gångjärn för intrimning av laserns strålningsvåglängd genom förskjut- ning av laserelementets läge, att gångjärnet efter intrim- ning av laserelementets läge kan fixeras genom t.ex. svets- ning (89), att på basplattan är monterad en isolerande keramisk kuts (82) och på denna en lödtunga (81) från vilken bondning (80) kan göras till laserelementet.

8. Laseranordning enligt något av kraven 4-7 k ä n n e t e c k n a d a v, att den optiska frekvensen kan varieras genom att den rela- tiva positionen mellan den optiska resonatorns plana ändyta och gittret, med bibehållande av é = 90 °, ändras på ett styrbart eller modulerbart sätt, t.ex. med hjälp av ett eller flera piezoelektriska element eller med andra likartat fungerande element.

9. Laseranordning enligt något av kraven 4-8 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den genererade optiska frekvensen stabiliserats passivt mot yttre eller inre termisk påverkan genom att olika kon- struktionselement, gjorda av material med olika temperatu- rutvidgningskoeffiocienter utformats så, att den opt;ska längden hos resonatorn bibehålls vid förändringar inom ett visst temperaturintervall. -[2> C\ 10 15 20 25 30 35 CCI LN OJ \J

10. Laseranordning enligt något av kraven 4-9 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den optiska frekvensen aktivt stabiliserats mot termisk påverkan genom konstanthållning av temperaturen i lasern medelst värmetillförsel och värmebortförsel (37), eller medelst enbart värmetillförsel, t.ex. genom resistiv värm- ning då temperaturen i lasern hålls på en temperatur som väsentligt överstiger den yttre temperaturen.

11. Laseranordning enligt något av krav 4-10 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v,. att den tillslutits hermetiskt, genom lasersvetsning (31-34) eller likartat så att brytningsindex i den inre miljön ej påverkas av ändring i tryck, fukt och gaskomposition i den yttre miljön.

12. Laseranordning enligt något av krav 4-11 k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att frekvensen i lasern (9) styrs genom återkoppling av signalen från en i den yttre miljön befintlig våglängds- registrerande interferometer (45), eller från ett likartatat optiskt mätinstrument, så att den av lasern utsända strål- ningen har en i den yttre miljön konstant våglängd, även när brytningsindex i denna miljö varierar genom t.ex ändring i tryck, temperatur, fukt eller gaskomposition.

13. Laseranordning enligt krav 12, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att ovan nämnda interferometer (45) är fast förbunden med lasern (9).

14. Laseranordning enligt krav 12 eller 13, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att skillnaden i frekvens mäts mellan strålningen lasern från (9), vars våglängd i en yttre miljö hålls konstant, och från en laser (66) i anordningen, som fungerar som optisk lokaloscillator med konstant frekvens , varvid frek- 468 337 vensskillnaden kan användas som ett proportionellt mått på ändringen i det inverterade brytningsindexet i den yttre miljön.