DD285858B5 - METHOD AND ARRANGEMENT FOR THE QUANTITATIVE DISPLAY OF FREQUENCY FLUCTUATIONS OF PARTICULARLY STABILIZED TWO-MODE INTERNAL SPIEGEL - Google Patents

METHOD AND ARRANGEMENT FOR THE QUANTITATIVE DISPLAY OF FREQUENCY FLUCTUATIONS OF PARTICULARLY STABILIZED TWO-MODE INTERNAL SPIEGEL Download PDF

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Abstract

A method for the quantitative indication of frequency fluctuations of specially stabilized two-mode internal reflector lasers 14 is achieved in that maximum voltages of the laser light occurring at the I/U converter 9 during one mode run-through are brought to the same level, the voltage change effected is standardised (by standardising amplifier 12) to the same amplitude values and the frequency change of the laser light belonging to a particular voltage change in a reference laser is determined using a known heterodyne measuring method, and then the desired sensitivity for the frequency fluctuation indication 13 is adjusted (at frequency regulator 3). <IMAGE>

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung findet Anwendung im optischen Präzisionsgerätebau bei Laserwegmeßsystemen, wo vorzugsweise frequenzstabilisierte Zwei-Moden-Innenspiegellaser eingesetzt werden.The invention finds application in precision optical device construction in laser path measuring systems, where preferably frequency-stabilized two-mode internal mirror lasers are used.

Charakteristik des bekannton Standes der TechnikCharacteristic of bekannton state of the art

Das Problem der quantitativen Anzeige von Frequenzschwankungen bei speziell stabilisierten Zwei-Moden-Innenspiegellasorn ist in der Fachliteratur noch relativ ungelöst. Es wurde bereits ein Verfahren zur Einstellung der Havariegrenzen und zur Überwachung der Frequenzstabilität stabilisierter Zwoi-Moden-Innenspiegellaser voigeschlagen, wobei die Intensitäten der beiden Moden verglichen werden und die am Differenzverstärker auftretende Spannungsdifferenz AU (AU entspricht der Laserlichtleistungsdifferenz der beiden ausgewählten Moden ν, und V2) wird über einem jeden Laserrohr individuell entsprechend angepaßten Verstärker so variiert, daß die gewünschte Anzeigemeßempfindlichkeit bzw. Havariegrenze erreicht wird. Hierzu wird der Spitzenstrom eines Modes gemessen, einmalig auf einem Heterodynmeßplatz eine Konstante K bestimmt (V wird an einem Laser variiert, bis die gewünschte Havariegrenze bzw. Empfindlichkeit erreicht ist) und nach der BeziehungThe problem of the quantitative indication of frequency fluctuations in specially stabilized two-mode internal mirror lasers is still relatively unresolved in the specialist literature. A method for adjusting the accident margins and for monitoring the frequency stability of stabilized Zwoi-mode internal mirror lasers has already been made, the intensities of the two modes being compared and the voltage difference AU (AU corresponding to the laser light power difference of the two selected modes ν, and V) occurring at the differential amplifier 2 ) is adjusted over each laser tube individually matched amplifier so that the desired Anzeigemeßempfindlichkeit or Havariegrenze is achieved. For this purpose, the peak current of a mode is measured, once a constant K is determined on a heterodyne measuring station (V is varied at a laser until the desired marginal limit or sensitivity is reached) and according to the relationship

wird dt rch die Messung des (individuellen) Spitzenstromes die einzustellende Verstärkung bestimmt.For example, the measurement of the (individual) peak current determines the gain to be set.

Diese Lösung hat den prinzipiellen Nachteil, daß durch die Havariegrenzen die Verstärkung des gesamten Regelkreises vorgeschrieben ist. Insbesondere bei gewünschten weiten Interruptgrenzen (bzw. geringer Anzeigeempfindlichkeit) von z. B.This solution has the fundamental disadvantage that is prescribed by the accident limits the gain of the entire control loop. In particular, at desired wide interrupt limits (or low display sensitivity) of z. B.

bis 100MHz wird die Verstärkung des Regelkreises relativ gering. Das äußert sich beispielsweise in größeren Frequenzdriften während der Einlaufphase (Frequenzdrift dos Lasers ab Zeitpunkt des Regeleinsatzes bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichtes des Lasers) oder in einer stärkeren Temperaturabhängigkeit der stabilisierten Laserwellenlänge. Außerdem sinkt die Anzeigegenauigkeit bei Laserrohren stark unterschiedlicher Verstärkung.up to 100 MHz, the gain of the control loop becomes relatively low. This manifests itself, for example, in larger frequency drifts during the break-in phase (frequency drift dos lasers from the time the rule is used until reaching the thermal equilibrium of the laser) or in a stronger temperature dependence of the stabilized laser wavelength. In addition, the display accuracy drops for laser tubes strongly different gain.

Weitere technische Lösungen zum Problem der quantitativen Überwachung von stabilisierten Zwei-Moden-Innenspiegellasern sind nicht bekannt.Other technical solutions to the problem of quantitative monitoring of stabilized two-mode internal mirror lasers are not known.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, die quantitative Anzeige von Frequenzschwankungen genauer und einfacher zu gestalten.The aim of the invention is to make the quantitative display of frequency fluctuations more accurate and easier.

Wesen der ErfindungEssence of the invention

Per Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wellenlängenschwankungen, die infolge von äußeren Störungen stabilisierten Zwei-Moden-Innenspiogellasern auftreten, quantitativ anzuzeigen und beim Überschreiten einer maximal erlaubten Schwankung der Frequenz innerhalb der Messung ein geeichtes Interrupt-Signal abzuleiten. Des weiteren soll die volle offene Verstärkung des Operationsverstärkers (Regelverstärker) genutzt werden können und die Anzeigegenauigkeit weitgehend unabhängig von der unterschiedlichen Verstärkung der Laserrohre, welche sich u.a. in unterschiedlicher Laserlichtleistung der verschiedenen Laserrohre äußert, gemacht werden, wobei die Interrupt-Grenzen 50 MHz betragen und die Frequenzanzeige bzw. das Interrupt einfach und schnell einstellbar sein sollen.The object of the invention is to quantitatively display wavelength fluctuations that occur as a result of external interference-stabilized two-mode internal mirror lasers and to derive a calibrated interrupt signal when a maximum fluctuation of the frequency is exceeded within the measurement. Furthermore, the full open gain of the operational amplifier (control amplifier) should be able to be used and the display accuracy largely independent of the different amplification of the laser tubes, which u.a. in different laser light power of the different laser tubes expresses made, the interrupt limits are 50 MHz and the frequency display or the interrupt should be easily and quickly adjustable.

Erfindungsgomäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Anzeige der Frequenzschwankungen in folgenden drei Verfahiencschritten erfolgt:Erfindungsgomäß this object is achieved in that the display of the frequency fluctuations in the following three Verfahiencschritten occurs:

1. Für alle Laserrohre wird die hinter dem Strom-Spannungs-(l/U-)Wandler während des Modendurchlaufs gemessene Maximnlspannung auf gleiche Höhe gebracht.1. For all laser tubes, the maximum voltage measured behind the current-voltage (L / U) converter during the mode run is brought to the same level.

2. Die hinter dem Differenzverstärker entstehende Spannung hat für die einzelnen Laserrohre unterschiedliche Amplituden. Sie wird mit Hilfe eines Normierverstärkers normiert, sodaß die Amplitudenwerte der Spannungskurven für alle Laserrohre gleich sind.2. The voltage generated behind the differential amplifier has different amplitudes for the individual laser tubes. It is normalized by means of a normalizing amplifier, so that the amplitude values of the voltage curves are the same for all laser tubes.

3. Die zu einer bestimmten, am Normierverstärker gemessenen Spannungsänderung gehörende Frequenzänderung des Laserlichtes wird an einem Probelaser mit Hilfe des optischen Hetorodynmeßverfahrons bestimmt und dann wird die gewünschte Empfindlichkeit der Frequenzschwankungsanzeige am Regler eingestellt.3. The frequency change of the laser light associated with a particular voltage change measured at the normalizing amplifier is determined on a sample laser by means of the optical hetorodyne measuring method, and then the desired sensitivity of the frequency fluctuation display is set on the controller.

Bekanntlich unterliegen die Laserlichtleistungen der Lasermoden von He-Ne-Lasarn kurzer Baulänge in der Einlaufphase (Erwärmung des Laserrohres) periodischen Schwankungen. Die Laserlichtleistung ist maximal, wenn sich der Mode in der Linienmitte der Verstärkungskurve befindet. Sie ist minimal, wenn sich der Resonatorabstand um weitere λ/2 (λ = 633 πm) vergrößert hat. Die zu einem Laserrohr der Resonatorlänge I = 233mm gehörende Frequenzverschiebung des Modes ist dann ca. 640MHz.As is known, the laser light powers of the laser modes of He-Ne-Lasarn of short overall length in the running-in phase (heating of the laser tube) are subject to periodic fluctuations. The laser light power is maximum when the mode is in the center line of the gain curve. It is minimal when the resonator spacing has increased by a further λ / 2 (λ = 633 πm). The frequency shift of the mode belonging to a laser tube of the resonator length I = 233 mm is then approximately 640 MHz.

F.s wurde gefunden, daß die Kurvenverläufe der Modenintensitäten auch für Laserrohre stark unterschiedlicher Laserlichtleistung (Verstärkung) nahezu identisch sind, wenn man die Schwankungsbreiten normiert. Insbesondere für den Bereich des RegHpunktes (je nach Verstärkung zwischen 60% bis 80% des Maximalwertes) ergeben sich gleicht) Anstiege der Kurven. Dieser Sachverhalt ermöglicht eine geeichte Anzeige der Frequenzschwankung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.F.s it was found that the curves of the mode intensities are also almost identical for laser tubes of strongly different laser light power (amplification) when normalizing the fluctuation widths. In particular, for the range of the RegHpunktes (depending on the gain between 60% to 80% of the maximum value) is equal to) increases in the curves. This situation allows a calibrated indication of the frequency fluctuation according to the method of the invention.

Ausf OhrungsbeispielException example

Anhand der Abbildungen soll das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert werden.Based on the figures, the inventive method will be explained in more detail.

Fig. 1 bis 3 /eigen die Modenschwankungen dreier Laser mit und ohne Modensprung, einmal, nicht normiert (a) und normiert (b). Fig. 1 zeigt die beiden Diagramme eines 0,6-mW-Lasers mit Modensprung, Fig. 2 die Diagramme eines 1,4-mW-Lasers ohne Modensprung und Fig. 3 die Diagramme eines 2,1-mW-Lasers mit Modensprung. In Fig. 4 ist das Prinzip der von einander unabhängigen Frequenzregelung (Regelverstärker 11, Heizquelle 16, Stellglied für die Heizwicklung 18) und Frequenzanzeige dargestellt. In Fig. 5 ist die Normierung der an (Anzeige 13) zwei verschiedenen Laserrohren (I, II) gemessenen unterschiedlichen Spannungsamplituden dargestellt.Fig. 1 to 3 / own the mode fluctuations of three lasers with and without mode jump, once, not normalized (a) and normalized (b). 1 shows the two diagrams of a 0.6 mW laser with mode jump, FIG. 2 shows the diagrams of a 1.4 mW laser without mode jump and FIG. 3 shows the diagrams of a 2.1 mW laser with mode jump. In Fig. 4, the principle of independent frequency control (control amplifier 11, heat source 16, actuator for the heating coil 18) and frequency display is shown. FIG. 5 shows the normalization of the different voltage amplitudes measured at (display 13) of two different laser tubes (I, II).

Für die Laserrohre 14 (Fig.4) wird die durch einen Mode (Polarisationsfilter 8, Empfänger 15) hinter dem I/U-Wandler 9 während des Modendurchlaufs gemessene Maximalspannung U41 bzw. U4M (Fig.5a) mittels des Reglers 1 gleich groß goregelt (Meßpunkt 4), dabei werden die Spannungen so groß wie möglich eingestellt, damit eine maximal mögliche Verstärkung und etwa eine identische Verstärkung unterschiedlicher Geräte gesichert wird. In einem Referenzsignalbildner 1*. wird ein bestimmter Teil der während des Modondurchlaufes in der Einlaufphase des Lasers nach dem U/I-Wandler 9 gemessenen Maximalspannungen U4 gespeichert (Erzeugung einer Referenzspannung U6). Einem Differenzverstärker 10 wird die vom Mode erzeugte Spannung U4 und die Referenzspannung U6 zugeführt. Die hinter dem Differenzverstärker 10 am Meßpunkt 6 entstehende Spannung U6 ist in Fig. 5 b dargestellt, wobei der Einfachheit halber angenommen wurde, daß der Regelpunkt in der Mitte der Schwankungsbreite liegt. Der Regelpunkt und damit die Größe der Referenzspannung U61 bzw. U5n in Fig. 5 a, gemessen am Meßpunkt 5, werden zuvor durch Gleichmachung der Laserlichtintensitäton im Output-Laserstrahl im Regelfall bestimmt. Mit Hilfe des Normierverstärkers 12 wird die durch den Modendurchlauf am Meßpunkt 6 bewirkte Spannungsänderung normiert für unterschiedliche Lasergeräte (Regler 2). Diese normierte Spannungsänderung U 7 wird im Meßpunkt 7 gemessen. Wie Fig. 5c zeigt, sind jetzt alle Amplitudenwerte der Spannungskurven gleich. Die zu einer bestimmten, am Meßpunkt 7 gemessenen Spannungsänderung gehörende Frequenzänderung des Laserlichtes wird an einem Probelaser mit Hilfe des optischen Heterodynverfahrens bestimmt. Danach wird die gewünschte Empfindlichkeit der Frequenzschwankungsanzeige 13 am Regler 3 eingestellt. Für weitere einzustellende Laser ist die Heterodynmessung dann nicht mehr erforderlich, wenn 1. wie bereits erwähnt, am Meßpunkt 7 alle Lasergeräte auf gleiche Spannungsänderung eingestellt sind und 2. die Empfindlichkeiten der Anzeigen identisch sind mit der bei der Hetorodynmessung am Probelaser ermittelten.For the laser tubes 14 (FIG. 4 ), the maximum voltage U 4 1 or U 4 M (FIG. 5 a) measured by a mode (polarization filter 8, receiver 15) behind the I / U converter 9 during the mode run is determined by means of the controller 1 equal goregel (measuring point 4), while the voltages are set as large as possible, so that a maximum possible gain and about an identical gain of different devices is secured. In a reference signal generator 1 *. a certain part of the measured during the Modondurchlaufes in the running-in phase of the laser after the U / I converter 9 maximum voltages U 4 (generation of a reference voltage U 6 ). A differential amplifier 10, the voltage generated by the mode U 4 and the reference voltage U 6 is supplied. The resulting behind the differential amplifier 10 at the measuring point 6 voltage U 6 is shown in Fig. 5 b, wherein for the sake of simplicity, it was assumed that the control point is in the middle of the fluctuation range. The control point and thus the size of the reference voltage U 6 1 and U 5n in Fig. 5 a, measured at the measuring point 5, are previously determined by equalization of Laserlichtintensitäton in the output laser beam as a rule. With the help of the normalization amplifier 12, the voltage change caused by the mode run at the measuring point 6 is normalized for different laser devices (controller 2). This normalized voltage change U 7 is measured at the measuring point 7. As Fig. 5c shows, all the amplitude values of the voltage curves are the same now. The frequency change of the laser light belonging to a specific voltage change measured at the measuring point 7 is determined on a test laser with the aid of the optical heterodyne method. Thereafter, the desired sensitivity of the frequency fluctuation display 13 is set on the controller 3. For further lasers to be adjusted, the heterodyne measurement is no longer required if, as already mentioned, all laser devices are set to the same voltage change at the measuring point 7 and the sensitivities of the displays are identical to those determined during the hetorodynometry on the test laser.

Claims (2)

1. Verfahren zur quantitativen Anzeige von Frequenzschwankungen, speziell stabilisierter Zwei-Moden-Innenspiegellaser während eines Meßeinsatzes unter Verwendung des optischen Heterodynmeßverfahrens, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtintensität eines Modes eines zu prüfenden Lasers während eines Modendurchlaufes in eine Spannung gewandelt und deren Maximalwert einer für alle zu prüfenden Laser gleich großen Größe angepaßt wird, daß diese angepaßte Spannung über einen Differenzverstärker mit einer konstanten Referenzspannung verknüpft wird, daß die so gebildete Differenzspannung auf einen für alle zu prüfenden Laser gleichen Ainplitudenwert normiert wird, daß die normierte Spannung einer Frequenzschwankungsanzeige zugeführt wird und daß beim ersten Verfahrensdurchlauf mittels des Heterodynmeßverfahrens die der Änderung der normierten Spannung zugehörige Frequenzänderung bestimmt und daraus abgeleitet die Empfindlichkeit der Frequenzschwankungsanzeige eingestellt wird.1. A method for the quantitative display of frequency fluctuations, specially stabilized two-mode internal mirror laser during a Meßeinsatzes using the optical Heterodyneßverfahrens, characterized in that the light intensity of a mode of a laser to be tested during a mode pass in a voltage converted and their maximum value one for all adapted to be tested laser of the same size, that this matched voltage is linked via a differential amplifier with a constant reference voltage, that the difference voltage thus formed is normalized to a same for all laser to be tested amplitude value, that the normalized voltage of a frequency fluctuation display is supplied and that in the first process run by means of the heterodyne measuring method determines the change in the normalized voltage associated frequency change and derived therefrom, the sensitivity of the frequency fluctuation display is presented. 2. Anordnung zur quantitativen Anzeige von Frequenzschwankungen, speziell stabilisierter Zwei-Moden-Innenspiegellaser mit einem Polarisationsfilter (8), einer Photodiode (15), einem Strom-Spannungs-Wandler (9), einem Referenzsignalbildner (17) und einem Differenzverstärker (10), gekennzeichnet dadurch, daß der Strom-Spannungs-Wandler (9) einen Regler (1) aufweist und dem Differenzverstärker (10) ein Normierverstärker (12) und eine Frequenzschwankungsanzeige (13) mit einem Empfindlichkeitsregler (3) nachgeordnet sind.2. Arrangement for the quantitative display of frequency fluctuations, specially stabilized two-mode internal mirror laser with a polarization filter (8), a photodiode (15), a current-voltage converter (9), a reference signal generator (17) and a differential amplifier (10) , characterized in that the current-voltage converter (9) has a regulator (1) and the differential amplifier (10) a normalizing amplifier (12) and a frequency fluctuation display (13) with a sensitivity regulator (3) are arranged downstream.
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