DE3019193A1 - Stabilisierung eines lasers, insbesondere eines farbstofflasers - Google Patents
Stabilisierung eines lasers, insbesondere eines farbstofflasersInfo
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Description
C. Hamburg, 12. Mai 1980 ' w 22480 .
Priorität: 29.5.1979 U.S.A.
Pat.Anm.Nr. 043,466
Anmeldsr:
Spectra Physics, Inc.
Mountain Vieu, CaI. 94042
U'. S. A.
Mountain Vieu, CaI. 94042
U'. S. A.
Stabilisierung eines Lasers, insbesondere eines Farbstofflasers
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Einrichtung
zur Stabilisierung von Lasern und Ringlasern, insbesondere Farbstofflasern mit Dauerstrahlung.
Handelsübliche Farbstofflaser können eine Spektralbreite
in der Größenordnung von 10 MHz und eine Drift in der
Grööenordnung von 10 MHz pro Minute erzeugen. Dies ist
030050/0700
jedoch für einen großen Teil spektroskopischer oder spek- ;
troanalytischer Arbeiten nicht ausreichend, und es sind '_.
häufig gefingere Spektral- oder Linienbreiten, erforderlich.
Theoretisch sollte ein Farbstofflaser, der in einer einzelnen Schwingungsart arbeitet, eine reine Sinusuelle mit
einer Infinitesimalen Spektralbreite bei der jeweiligen
optischen Arbeitsfrequenz erzeugen. In der Praxis istaber die Linien breite durch verschiedene Einflüsse und
Faktoren bestimmt, zu welchen u. a. durch akustische Wellen oder durch die Farbstoffstrahlen im Farbstofflaser hervorgerufene
Schwankungen oder Änderungen im optischen Ueg gehören.
Obwohl es also erwünscht ist, die Spektralbreite auf 1 MHz oder weniger zu steuern, ist es bisher schwierig,
derart schmale Spektraillinien zu erreichen.
Die nach dem bisherigen Stand der Technik bekannten Versuche zur Erzielung geringer Spektralbreiten beruhen allgemein
auf einer. Servosteuerung des Farbstofflaserkopfes
unter Verwendung eines Bezugsnormals, das stabiler ist als
der Laserkopf. Zu diesem Zweck ist die Verwendung eines
Fabry-Perot-Inteiferometers als Referenzinstrument1 bekannt.
Bei derartigen bekannten Systemen wird ein kleiner Teil
des vom Laser abgestrahlten Lichtes durch das Interferometer
gelenkt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dessen Ampli-
030050/070 0
tude sich bei einer Frequenzänderung des Farbstofflasers
ändert. Das Referenz-Interferometer wandelt also eine Frequenzmodulation in eine Amplitudenmodulation um. Die AmpÜ- '
tudenänderung kann photoelektrisch erfaßt und als Teil eines Servomechanismus-zur Steuerung der Ausgangsfrequenz des
Lasers verwendet uerden. Die Ausgangsfrequenz des Farbstofflasers kann eher charakteristisch für das Referenz-Interferometer
gemacht uerden als der Laserkopf des Farbstofflasers.
Das Ziel einer derartigen Steuerung mit einem Referenz-Interferometer
war dann, die Frequenzstabilität des Laser-r
kopfes als charakteristische Eigenschaft für das Referenz-Interferometer
zu haben, weil das Interferometer gewöhnlich kleiner und kompakter aufgebaut und wirksamer abgedichtet
bzw. abgeschirmt uerden kann als der Laserkopf selbst, und zwar grundsätzlich wegen der geringeren Größe
des Referenz-Interferometers.
Dabei wird die Frequenzstabilität eines derartigen Servosystems
gewöhnlich durch zwei Merkmale bestimmt.
Diese Merkmale sind das Auflösungsvermögen und der freie
Spektralbereich des Referenz-Interferometers.
Der freie Spektralbereich ist allgemein durch die Länge
■ - 4 _
030050/0700
'■!■
des Interferometers bestimmt und. gibt die äquivalente Frequenzdifferenz
zwischen aufeinanderfolgenden Durchlaßbereichen des Interferometers an.
Das Auflösungsvermögen wird als PIaQ der Auflösung eines
Fabry-Perot-Interferometers verwendet und ist gleich dem
Verhältnis des Spitzenabstandes zur Breite eines Übertragungs-Bandpasses.
Die Breite des Bandpasses uird bei der halben Maximal—"Amplitude gemessen. Die'tatsächliche
Form der Übertragungskurve eines Fabry-Perot-Interferometers
ist durch die als Airysche Formel bekannte Funktion gegeben, während das Auflösungsvermögen weitgehend von der Reflexionskraft
der verwendeten Spiegel abhängt. Das Auflösungsvermögen steigt also mit der Reflexionskraft der Spiegel.
Um den Farblaserkopf in Abhängigkeit vom Referenz-Ferometer
zu stabilisieren, wird an einer Seite eines Übertragungsinterferenzbandes
des Referenz-Interferometers mit einem
Wert Null für das üblicherweise etwa in der Mitte des Interferenzbandes
liegende Fehlersignal eine Servoverriegelung vorgenommen. Entweder das Referenz-Interferometer oder der
Farblaser wird abgestimmt, bis die Verriegelung an der Seite des'Interferenzbandes in diesem Bereich erfolgt
ist. Danach führt dann eine geringe Frequenzänderung des Farblasers zu einer verhältnismäßig großen Änderung der
über das Referenz-Interferometer übertragenen Amplitude.
030050/0700
-P-■ Μ)·
Um die schmälste Linienbreite zu erhalten, ist es allgemein
erwünscht, den kleinsten freien Spektralbereich für das Referenz-Interferometer zu verwenden, weil die durch die Ver- : riegelung erreichbare Linien- oder Spektralbreite zum Teil .
durch den freien Spaktralbereich des Interferometers bestimmt wird. Ein kleinerer freier Spektralbereich des Re- ferenz-Interferometers gestattet die Erzeugung einer schmaleren Linie mit dem Farbstofflaser. . ,.
erwünscht, den kleinsten freien Spektralbereich für das Referenz-Interferometer zu verwenden, weil die durch die Ver- : riegelung erreichbare Linien- oder Spektralbreite zum Teil .
durch den freien Spaktralbereich des Interferometers bestimmt wird. Ein kleinerer freier Spektralbereich des Re- ferenz-Interferometers gestattet die Erzeugung einer schmaleren Linie mit dem Farbstofflaser. . ,.
Sobald aber der freie Spektralbereich des Referenz-Interferometers
verringert uird, wird das System weniger stabil
mit Bezug auf eine Verriegelung an aufeinanderfolgenden- V Durchlaßbändern des Referenz-Interferometers. Ueil der
Farbstofflaser abstimmbar ist und in einer großen Zahl :J verschiedener Schwingungsarten schwingen kann, heißt dies,
daß durch Reduzierung des freien Spektralbereiches des
Interferometers die verstärkte Möglichkeit eines Sprunges r des Farblasers von einer Schwingungsart zu einer der
anderen möglichen Schwingungsfrequenzen und einer Μβτ- ■ riegelung der neuen Frequenz an einer Seite eines anderen > Übertragungs-Interfsrenzbandes des Referenz-Interferometers '. besteht, ohne daß eine nennenswerte Änderung in der Amplitude des Ausgangssignals des Referenz-Interferometers auftritt . - i
mit Bezug auf eine Verriegelung an aufeinanderfolgenden- V Durchlaßbändern des Referenz-Interferometers. Ueil der
Farbstofflaser abstimmbar ist und in einer großen Zahl :J verschiedener Schwingungsarten schwingen kann, heißt dies,
daß durch Reduzierung des freien Spektralbereiches des
Interferometers die verstärkte Möglichkeit eines Sprunges r des Farblasers von einer Schwingungsart zu einer der
anderen möglichen Schwingungsfrequenzen und einer Μβτ- ■ riegelung der neuen Frequenz an einer Seite eines anderen > Übertragungs-Interfsrenzbandes des Referenz-Interferometers '. besteht, ohne daß eine nennenswerte Änderung in der Amplitude des Ausgangssignals des Referenz-Interferometers auftritt . - i
Die Verwendung eines Referenz-Interferometers mit kleineren
• - 6 -
030050/0700
- ■'- -" "-"'·■" 3013193
-/> - ■ ;■."■■
freien Spektralbereichen zur Stabilisierung des Farblasers bei einer "kleineren Linienbreite vergrößert also die Möglichkeiten
für einen unentdeckten Sprung zwischen den möglichen SchwLngungsarten. Dieser Versuch zur Erzielung einer
stabileren Vergleichsgröße kann also im Ergebnis zu einer ■-weniger" stabilen Vergleichsgröße führen.
Der Grund,für derartige Sprünge eines Farbstofflasers sind
Störungen, die Z...B. durch Blasenbildung in der Strahlströmung
des Farbstoffiasers hervorgerufen werden, jedoch
auch auf anderen Ursachen beruhen können.
Im Fälle einer Störung wird der Laserbetrieb bzw. der
.Laserstrahl kurz unterbrochen und setzt dann wieder ein. .:
Das erneute Einsetzen kann dann bei der gleichen Frequenz
oder bei einer anderen Hohlraum-Resonanzfrequenz erfolgen.
Die Erfindung bezweckt hauptsächlich die Überwindung der
mit dem Stabilisieren eines Farbstoffiasers bei einer
schmälen Linienbreite verbundenen Stabilitätsprobleme.
Die vorliegende Erfindung gewährleistet dies durch eine
Steuereinrichtung und ein Steuerverfahren, welche zur Steuerung der Arbeitsf reqienz eines Farbstof fiasers mit ."..-.
kontinuierlichen, im wesentlichen ungedämpften Schwin- . -:;
gungeh mit einem Doppel-Referenz-Interferometer arbeiten.;
030050/0700
- Y-
Nachdem der Farbstofflaser in einer einzelnen Schwingungsart
bei einer ausgewählten Frequenz in Betrieb genommen uird, dient erfindungsgemäß ein erstes Referenz-Interferometer
mit einem kleinen freien Spektralbereich und mit geringem bis mittlerem Auflösungsvermögen zur Stabilisierung
der Arbeitsfrequenz des Farblasers bei einer verhältnismäßig
schmalen Linien- bzw. Spektralbreite. Dabei
ist dem ersten Referenz-Interferometer ein Servomechanismus
betrieblich zugeordnet, um den Farbstofflaser an einer Seite eines Übertragungs-Interferenzbandes des Referenz-Interferometers
zu verriegeln und die Schwingung bzw.' Uellenaussendung des Lasers bei der gewählten Frequenz
aufrechtzuerhalten, wenn keine Störungen auftreten, die einen Schwingungssprung im Farblaser verursachen können.
Ferner ist bei der Erfindung dem ersten Raferenz-Interferometer
und dem Servomechanismus zur Erfassung eines Schuingungsart-Sprunges im Farbstofflaser sowie zur Feststellung der Größe und der Richtung des Schwingungssprunges
erfindungsgemäß ein zweites Referenz-Interferometer
betrieblich zugeordnet. Das zweite Interferometer hat
wiederum ein geringes bis mittleres Auflösungsvermögen, besitzt aber einen freien Spektralbereich, der wesentlich
größer ist als der des ersten Referenz-Interferometers,
so daß irgendein Sprung der Schwingungsart, der möglicherweise vom ersten Referenz-Interferometer nicht erfaßt
030050/0700
.β.
/werden sollte, als Änderung der durch das zweite Referenz-Interferometer.übertragenen
Lichtmenge erscheint bzw. erfaßt wird. Im Falle eines Sprunges der Schwingungsart
hält das zweite Interferometer das Abtastsystem des Farbiasers
an,treibt den Servomechanismus zurück, um die ursprünglich
gewählte Frequenz zu erzeugen, und setzt dann das Abtastsystem des Farbstofflasers wieder bei der ausgewählten
Frequenz in Betrieb, wobei sämtliche Schritte in einer verhältnismäßig kurzen Zeit ausgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung normiert also den Ausgang des
Referenz-Interferometers gegenüber dem Eingang, so daß
Änderungen der Intensität des vom Farbstofflaser ausgestrahlten Lichtes nicht zu einem Verstärkungsfehler dar
Servoschleife führen. Die Erfindung gewährleistet also,
daß die Servoschleifenverstärkung unabhängig von der Intensität
des Farbstofflaserstrahles bleibt.
Doppel- bzw. Zweifach-Ref erenz-1 nterferometer-S teuer einrichtungen
und -verfahren mit den vorstehend beschriebenen Bau- und Verfahrensmerkmalen, deren Wirkung die beschriebene
Arbeitsweise gewährleistet, bilden die wesentlichen Gegenstände der Erfindung. ·
Zusammenfassend ist also festzustellen, daß erfindungsgemäß
ein Farbstofflaser für den Betrieb bei einer
030050/0700
schmalen bzu. geringen Linienbreite bzw. Spektralbreite
durch ein neuartiges Steuersystem unter Verwendung von
. ■ ■ . ■ -. ι
zwei Referenz-Interferotnetern stabilisiert wird.
■i--Dabei hat ein Referenz-Interferometer einen kleinen freien
Spektralbereich zur Stabilisierung der· Arbeitsfrequenz ...
des Farblasers bei der verhältnismäßig geringen Linien- . ■
breite, während das andere Referenz-Interferometer einen j
wesentlich größeren freien Spektralbereich hat als'das
erste Referenz-Interferometer.
Der Farblaser uird an einer Seite eines Übertragungs- · ;
Interferenzbandes des ersten Referenz-Interferometers .
servöv/erriegelt, um den Betrieb mit der geringen Linien- ■
breite bei einer ausgewählten Frequenz aufrechtzusrhalten,;
wenn keine Störungen auftreten, die einen Schuingungssprung
verursachen.
Sobald eine Störung einen Schuingungssprung auslöst^. , ■
tastet das zweite Referenz-Interferometer die Größe und. .>:
Richtung dieses Sprunges ab, unterbricht dann automatisch . '
den Betrieb des. Abtastsystems des Farbstofflasers, stellt !
das Servosystem auf die ausgewählte Frequenz zurück und :
schaltet das Abtastsystem des Farblasers wieder bei der ;.
gewählten Frequenz sin. Dabei zeichnet sich die Erfindung '
030050/0700 :
vor; allem dadurch aus, daß alle diese Steuermaßnahmen innerhalb
kürzester Zeit durchgeführt werden»
Ueitsre, Vorzüge und Merkmale, der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus den Ansprüchen souie aus der nachfolgenden
Beschreibung und der Zeichnung, in bleichen bevorzugte AUsführungsbeispiele
der Erfindung und deren prinzipielle Arbeitsweisen unter Beachtung der für die Anwendung dieser
Grundprinzipien am besten geeigneten Schwingungsarten näher erläutert und dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. i ein· Blockdiagramm der Anordnung dar wesentlichen
Bestandteile einer bevorzugten Ausführungsform
"..;■;"."-"-■ einer erfindungsgemäßen Doppel-Referenz-Interferometer-Steuereinrichtung,
Fig. 2 ein Airy-Funktions-Diagramm, · das vexanschaulicht,
uie die Über'tragungs-Charakteristika eines
Fabry-Perot-Interferometers oder -Etalons sich
als eine Funktion des Reflexionsgrades (R) der
in dem Etalon verwendeten Spiegel ändern, wobei
sich die Schärfe der entstehenden Interferenzen und das Auflösungsvermögen (F) mit steigendem
Reflexionsgrad der Spiegel erhöhen,
Fig. 3 ein der Fig. 2 entsprechendes Airy-Funktions-
.■.■■■"■;.■■■■;■■■' - 11 -
030050/0700 :
• Ab ·
Diagramm für ein Etalon mit einem gegebenen
Spiegel-Reflexionsgrad zur zusätzlichen Veranschaulichung zweier wichtiger, charakteristischer
Eigenschaften, nämlich des freien Spektralbereiches (FSR) und des Auflösungsvermögens (F),
bezogen auf den Spiegelabstand (L) und den Reflexionsgrad bzw. die Reflexionskraft (R) der
Spiegsl sowie zur Verdeutlichung, wie unter Verwendung der Seite einer Übertragungs-Interferenzlinie
mit dem eingezeichneten, etwa in der Mitte ■der Interferenzlinie angeordneten Null-Punkt (ZP)
für das Fehlersignal eine Seruoverriegelung durchgeführt
wird, so daß Änderungen in der Frequenz von diesem Nullpunkt eine entsprechende Änderung
in der Amplitude des durch das Etalon übertragenen Lichtes bewirken, .
Fig. 4 eine Vsrstärkungskurve, die beispielhaft einige
mögliche Longitudinal-Schuingungsfrequenzen zeigt, die in einem Farbstofflaser mit einer gegebenen
intrakawitären Abstandsbemessung und einem ortsfesten Abstimmelement, uie z. B. einem doppelbrechenden
Filter, erzeugt uerden können, um eine Anfangsbegrenzung des Bereiches der zugelassenen
Schuingungsfrequenzen zu bewirken,
- 12 -
030050/0700
•ft'
Fig. 5 eine aufgezeichnete Airy-Funktions-Kurve eines
: ersten in der erfindungsgemäßön Steuereinrichtung
gemäß Fig. 1 vorhandenen Rsferenz-Interferometers,
wobei in dieser Figur ein größerer Horizontalmaßstab als in Fig. 4; verwendet ist und,
wie die Darstellung verdeutlicht, das erste Referenz-Interferometer einen verhältnismäßig;
kleinen freien Spektralbereich für die Stabilisierung der Arbeitsfrequenz des Farbstofflasers
bei einer verhältnismäßig schmalen Linienbreite besitzt, -."..■·■
Fig. 6 die Aufzeichnung einer Airy-Funktions-Kurve
eines zusätzlichen, in der Steuereinrichtung nach
Fig. 1 vorhandenen zweiten Referenz- bzu. Servo-Interferometers.
Eine in Fig. 1 gezeigte Steuereinrichtung 21 mit einer
Doppel-Referenz-Interferometer-Anordnung besitzt erfindungsgemäß
zuei Referenz-Interferometer.
Die.Steuereinrichtung 21 stabilisiert den Betrieb eines"
Farbstofflasers 23. Bei der gezeigten Ausführungsform ist
der Farbstofflaser 23 beispielsweise ein Farbstoff-Ring-laser
zum Aussenden kontinuierlicher, im wesentlichen ungedämpfter Schwingungen.. Die vorliegende Erfindung ist aber
- 13 -
0.30050/0700
für alle Farbs.tofflaser mit kontinuierlicher Schuingungsaussendung
brauchbar.
Spiegel 25, 27, 29 und 31 des Lasers 23 bilden einen Resonator
bzw. Resonator-Hohlraum.
Der Strahlungsueg im Resonator ist mit dem Bezugszeichen
33 bezeichnet. ■
Das im Strahlueg 33 angeordnete aktive Medium ist ein
Farbstrahler bzu. eine Farbstoffquelle 35. Der Farbstoffstrahler
35 bildet eine Strahlströmung eines Farbstoffes, · wie z. B. in Äthylenglykol gelöstes Rhodamin 6G,.im Strahlueg
33 des optischen Resonators. ·
Eine Ionen-Pump-Strahlung 37 des Lasers uird mittels eines
Injektionsspiegels 39 in den Farbstrahler 35 geleitet. .-:/-
Der Farbstofflaser 23 ist mittels eines piezoelektrisch
betätigten Antriebs für.den Spiegel 27 sowie mittels eines
Galvanometer-gesteuerten Fensters 41 des Breusterschen
Winkels über einen typischen Bereich von 30 GHz stetig
abstimmbar. Die Galvanometer-Steuerung des Fensters 41 für den Breusterschen Winkel bildet einen Teil einer langsamen
Schleife einer Servosteuerung für die Abstimmung. Für den piezoelektrisch angetriebenen Spiegel 27 sind
zuei Servoschleifen vorhanden, und zUar eine mittel-
-14-.
030050/0700
.-■#■-
schnelle und eine schnelle Schleife.
Die anderen Teile des dem Spiegel 27 und dem Fenster 41
zugeordneten Servosystems uerden noch näher erläutert.
Ein doppelbrechendes Filter 45 dient zur Grobabstimmung
" "-"■" "■ " v - '■ ■ ' i . ■ '-.■"■■
des bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1
verwendeten* speziellen!Lasers 23, und ein Etalon oder '
Normalmaß, beispielsueise ein Fabry-Perot-Etalon zur Feinabstimmung,
sorgt für eine ueitere Beschränkung der Bandbreite
der Frequenzen, die mit Hilfe der einstellbaren Abstimmittel des· Farbstofflasers ausgewählt uerden können.
Die Hauptfunktion des Fein-Etalons 46. ist, Schuingungsart-Sprüngö
von 75 GHz eines Abtastungsetaions zu verhindern.
Der Farbstofflaser 23 uird mit Hilfe einer in einer Richtung
wirkenden Vorrichtung 43 als Ringlaser betrieben. Die Vorrichtung. 43 kann in einer bevorzugten Ausführungsform einen auf dem Farday-Effekt beruhenden Richtungsuähler
enthalten. Die Uirkung der in einer Richtung arbeitenden Einueg-Vorrichtung 43 ruft einen kleinen Differentialverlust
in einer Laufrichtung der beiden möglichen entgegengesetzt drehenden Arten der Schuingungsausbreitung
in ,dem Ringresonator hervor. Dadurch uird die Laufrichtung des Strahls ausgeuählt und eine Auslöschung der
. .■--■■.-■ - 15 -
0300 50/07 0 0.
anderen Laufrichtung bewirkt. Eine derartige Eintragvorrichtung
43 ist im einzelnen in der parallelen US-Patentanmeldung Nr. 854,514 der gleichen Anmelderin im
einzelnen beschrieben.
Die Ausgangsstrahlung des Lasers 23 tritt durch den Spiegel 31 in Richtung des Strahles 47 aus.
Gemäß Fig. 1 kann ein Abtastetalon 49 für einen an sich
üblichen Abtastbetrieb des Farbstofflasers 23 verwendet
werden. Die Abmessung des Abtastetalons ist unter der Steuerung eines Verriegelungskreises 53 des Abtastetalons
durch einen piezoelektrischen Antrieb veränderbar.
Ein Photodetektor 51 ist dem Ausgangsstrahl 47 über einen teilweise reflektierenden Spiegel 52 zur Messung der Intensität
des Ausgangsstrahles zugeordnet. Dieses Intensitätssignal
uird warn Photodetektor 5t dem Uerriegelungskreis
53 des Abtastetalon über eine Leitung 55 zugeführt. Dieser Schaltkreis verriegelt das Abtastetaldn 49 bei
einer Resonanzsch.wingung des Farbstoff lasers.
Wie unten noch näher erläutert uird, uird die durch einen weiteren Photodetektor 95 gemessene Intensität
des Ausgangsstrahls auch einem Normierungs-Schaltkreis
für die beiden Referenz-Interferometer zugeführt-,
- 16 -
0 300 50/070 0
■"ν.-;- "" "V*" 3013193
• Si.
Der Verriegelungskreis 53 empfängt■über eine weitere Eingangsleitung
57 auch ein von einem Abtast-Generator-
und Treiberkreis 59 kommendes Signal.
Der Ab'tast-Generator- und Treiberkreis 59 ist über eine
Leitung 60 auch mit dem galvanometergesteuerten Fenster
für den Brewstarschen Winkel verbunden.
Der Schaltkreis 59 empfängt ein Eingangssignal von einem Überkreuzungs-Schaltkreis 61 über eine Leitung 62 und ein
zweites Eingangssignal von einem ersten Raferenz-Interferometer
63 über eine Leitung 65.
Das Licht für das Referenz-Interferometer 63 wird durch
Ablenken eines Strahls 48 über Spiegel 70 und 73 vom Ausgangsstrahl 47 abgezweigt. Der Spiegel 73 richtet einen
Lichtstrahl zum Eingang des Referenz-Interferometers 63,
Das Referenz-Interferometer 63 enthält, wie in Fig. 1
schematisch angedeutet, ein Abstimmelement in Form eines
galvanometergesteuerten Fensters 77 für den Brewsterschen-Winkel
zur Abstimmung des Referenz-Interferometers. Bei
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung besitzt ein zweites Referenz-oder Servo-Interferometer 81 einen
piezoelektrischen Antrieb zur Verstellung der Spiegel des Servo-Interferometers zur Abstimmung.
-17-0 30050/0700
Der Galvanometerantrisb des Interferometers 63 und der
"piezoelektrische Antrieb des Interferometers 81 werden
durch einen Abtast-Generator- und Treiberkreis 78 gesteuert, um die beiden Interferometer synchron abzutasten.
Das Ausgangssignal des Referenz-Interferometers 63 wird
mit einem Photodetektor 79 gemessen, dessen über eine
Leitung 80 übertragenes Ausgangssignal zur Steuerung der
Stellung des Fensters 41 für den Brewsterschen Uinkel über
den Galvanometeran.trieb und die Verstellung des Spiegels über den piezoelektrischen Antrieb verwendet, uird.
Die anfängliche Abstimmung des Farbstofflasers 23 für
den Betrieb in einer einzelnen Schwingungsart bei einer ausgewählten Frequenz (mit oder ohne Abtastung· durch das
Abtast-Etalon 49) ähnelt im. wesentlichen den schon bekannten Interferometer-Steuerungen zur Stabilisierung von
Farbstofflasern. Die Abstimmung .des Farbstofflasers ist
also gegenüber dem Referenz-Interferometer durch Servomechanismen
der einleitend erläuterten Art verriegelt.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der
Technik durch die zusätzliche Anordnung, des Servo-Interferometers
81 in Verbindung mit dem ersten Referenz-Interferometer
63 und dem Farbstofflaser 23, so daß eine Anzahl·
wichtiger Funktionen durchgeführt werden können.
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-"-. ;-'-" *-"-' 301S193
Uie in Fig. 1 gezeigt ist, tritt sin Teil des vom Spiegel
73 reflektierten Lichtes durch einen metallisierten Spiegel
83 hindurch und wird durch einen Spiegel 85 zum Eingang
des Servo-Interferometers 81 umgelenkt. Die Ausgangsstrahlung
des Servo-Interferometers 81 uiird mit einem Phptodetektor 87 gemessen,und der Phptodetektor 87 ist
über eine.Leitung 89 mit einem Fehler-Detektorkreis 101
der Servoschaltung und dann über eine Leitung 93 mit einem
Uiederverriegelungskreis 91 verbundsn.
Der Spiegel 83 lenkt einen Teil des Lichtes vom Strahl 48
zu einem PhotOdetektor 95, dessen Ausgang über eine Lei-'
tung 97 mit den Eingängen.der Fehler-Detektorkreise 99
und 101 verbunden ist. Jeder Fehler-Detektorkreis normiert den Ausgang seines zugehörigen Referenz-Interferometers,
um Intensitatsänderungen des Lichtes der Ausgangsstrahlung des Lasers 23 infolge von Beeinträchtigungen des Betriebes
des über die Referenz-Interferometer gesteuerten servogetriebenen
Abstimm-^^chanismus zu verhindern.
Da das Interferometer 63 die Arbeitsfrequenz des Farbstoff
lasers 23 durch Erzeugung eines dieser Frequenz entsprechenden Amplitudensignals rniß^ könnte allein eine Änderung
der Intensität des Laserausgangsstrahls eine Amplitudenänderung am Ausgang des Photodetektors 79 hervorrufen,
die nicht von einer Amplitudenänderung am Ausgang des
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3019133
Photodetektors aufgrund einer Frequenzänderung beim Betrieb
des Farbstofflasers zu unterscheiden uäre.
Jeder Fehler-Detektorkreis enthält einen Analog-Vervielfacher/Teiler-Chip,
einen Differenz-Verstärker und vier dem Oifferenz-Verstärker und den Licht-Intensitätssignalen
auf den Leitungen 80 und 97 zugeordnete Widerstände, um. Amplitudenänderungen, die durch Intensitätsänderungen im
Strahlungsueg 33 des Resonators des Flüssigkeitslasers
hervorgerufen werden können, zu normieren.
Diese Schaltkreise geuährleisten, daS die Serv/aschleif enverstärkung
unabhängig von der Intensität des Laserstrahles .selbst ist. Dies stabilisiert die Seruo-Verstärkungssphleife,
so daß die Verstärkung dieser Schleife bei Änderungen der Lichtintensität des Lasers nicht geändert zu werden
braucht. ·
Das Referenz-Interferometer 63 hat einen verhältnismäßig
kleinen freien Spektralbereich, so daß eine Servo-Verriegelung
des Farbstofflasers 23 an einer Seite des Übertragungs-Interferenzbandes
dieses Referenz-Interferometers für eine ganz schmale Linienbreite des Ausgangsstrahles 47
sorgt.
Das Servo-Interferometer 81 hat einen freien Spektral-
- 20 -
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• as- ■ ■ ..
bereich, der wesentlich größer ist als dar des Referenz-„Intarferometers
63, Der Farbstofflaser 23 ist also auch
an einer Seite eines Übertragungs-interferenzbandes bzw.
Interferenzstreifens das Servo-Interferometers verriegelt,
uenn.: der Farbstoff laser für einen Betrieb in einer einzelnen
Schwingungsart bei einer ausgewählten Frequenz
abgestimmt ist. .
Diess Verbindung der beiden Referenz-Interferometer mit
dem in einer einzelnen Sehwingungsart bei einer ausge- ·
wählten Frequenz arbeitenden Farbstofflaser ist in den ·
Fig. 4 - 6 graphisch verdeutlicht.
Bei der besondirsn, in Fig. 4 veranschaulichten AusführungsfQ5tn
mit einem 35" GHz-Bereich könnte der Farbstoffläser
ohne Abtastung jeweils bei Frequenzen in Abständen von 21.Q MHz arbeiten, wenn angenommen wird, daß der Farbstofflaser
nicht abgetastet wird. In Fig. 4 sind nur einige wenige der 166 möglichen Frequenzen gezeigt,und
die Darstellung verdeutlicht auch, wie eine Störung im Farbstofflaser dazu führen kann, daß der Laser einen
Schwingungeartsprung von einer ausgewählten Frequenz zu
■liner- anderen Frequenz (Schwingungsart-Sprungfreqüenz)
der zugelasgensn Frequenzen für Längsschwingungsarten
unter der Verstärkungskurve verursachen kann.
- 21 -
0 30050/0700
36.
Bei der besonderen, in Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsform besitzt das Referenz-Interferometer einen
freien Spektralbereich von 0,5 GHz. Das Interferometer
könnte also in dem 35-GHz-Bereich unter der Verstärkungskurve nach Fig. 4 7G Spitzen bereitstellen. Fig.
zeigt, wie die Verriegelung auf eine ausgewählte Frequenz durch das erste Referenz-Interferometer wieder auf
die Schwingungsart-Sprungfrequenz gebracht werden kann, ohne irgendeine Änderung in der beobachteten Amplitude
der Übertragung durch das erste Referenz-Interferometer
hervorzurufen. ■
Fig. 6 zeigt eine besondere Ausführungsform der Erfindung,
bei welcher der freie Spektralbereich des Servo-Interferometers
81 etwa 10 GHz ist, der für die optische Anordnung besonders günstig liegt. Fig; 6 ist vertikal
und maßstabsgleich mitFig. 5 ausgerichtet und verdaut- licht,
wie der wesentlich größere freie Spektralbereich des zweiten Interferometers einen Sch'wingungsart-Sprung
bewirkt, um sine Änderung bei dem durch das zweite Referenz-Interferometer
übertragenen Licht hervorzurufen, die sowohl die Größe als auch die Richtung des Sprunges der Schwingungsart
von der gewählten Frequenz anzeigt.
Bei einer besonderen' Ausführung der Erfindung wird ein
Interferometer-Typ mit einem konfokalen System verwendet,
um diesen freien Spektralbereich zu.erzeugen,
■■■'■-- 22 -
. 0300 50/07 0 0
Ein paralleles Interferometer kann verwendet werden, um
einen größeren freien Spektralbereich, beispielsueise-70
GHz, einzustellen*
Beide Referenz-Interferometer haben vorzugsweise ein
niedriges bis mittleres Auflösungsvermögen im Bereich von 2 bis 4.
Das in Fig. 2 gezeigten Kurven veranschaulichen die prozentuale
Übertragung eines Fabry-Perot-Interferömeters.
oder '-Etalon bei verschiedenen Reflexionsgraden (R). Die
in Fig. 3 gezeigte Kurve zeigt die über der Frequenz aufgetragene Übertragung in Prozent bei einem vorgegebenen
Spiegel-Reflexionsgrad, wobei die Durchlaßbreite etwa ;
in Höhe der halben Maximal-Amplitude gemessen wird. ■
Gemäß.Fig. 4 wurde der Farbstofflaser 23 so abgestimmt,
daß er in einer einzelnen Schwingungsart bei einer ausgeuählten
Frequenz 121 arbeitet.
In diesem Betriebszustand sind der piezoelektrisch angetriebene
Spiegel 27 und das galvanometer-getriebene Fenster 41 über die .Schaltungsteile 61, 91, 99, 79, 101,
und 59, siehe Fig. 1, gegenüber dem Referenz-Interferometer 63 und dem Servo-Interferometer 81 servo-ver.riegelt.
Die ServorUerriegeluhg gegenüber dem Referenz-Interfero-
.;■"■■." "■'" .:: " ν '■-■■■" · - 23 -
030050/0700,
■i .'- -: -: :-: ·- 3013193
■ - 28 - ■
meter ist in Fig. 5 durch den Punkt 123 auf einer Seite
eines Übertragungs-Interferenzstreifens 125 veranschaulicht
un'd liegt auf einem Gleichstrompegel 130 in der Mitte zwischen der Spitze und dem Tal eines Interferenzstreifens.
Eine Frequenzabueichung das Farbstofflasers, die nicht durch eine gesteuerte Frequenzänderung sondern
.durch normalen Abtastbetrieb des Abtast-Etalon 49 des Farbstofflasers
in einer Richtung erfolgt, ändert die Amplitude des durch das Referenz-Interferometer 63 übertragenen Lichtes.
So erhöht ein beispielsweise angenommenes Absinken der Frequenz die Amplitude des durch das Referenz-Interferometer
63 übertragenen Lichtes,um ein über dem durch die Pegellinie 130 dargestellten Null-Punkt liegendes Ausgangssignal
zu erzeugen, während eine Frequenzänderung in der anderen Richtung ein unterhalb der Pegellinis 130
liegendes Ausgangssignal erzeugt. Eins stetige, kontinuierliche Frequenzänderung, uie sie durch den normalen Abtastbetrieb
des Abtast-Etalon 49 erzeugt wird, führt aber nicht
zu einer Amplitudenänderung des Ausgangssignales eines der beiden Referenz-Interferometer, weil.die Schaltkreise
53, 59 und 78 bewirken, daß während dieses Normalbetriebes.
das Abtasten der Referenz-Interferometer synchron mit dem
Abtast-Etalon erfolgt.
Die Verriegelung des Servo-Interferometers 81 ist durch
den Punkt 127 an der Seite eines Übertragungs-Intsrferenz-
- 24 030050/0700
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- 2/r -
streifensi 129 in Fig. 6 angezeigt, · der auf einer
Gleichstrom-Pegellinie 132 liegt.
Mit der Servo-VörriegelUng am Referenz-Interferometer
bei 123,- siehe Fig, -.5,- erzeugt also jede unbeabsichtigte
Änderung oder Drift in der Arbeitsfrequenz das Farbstofflasers
eine merkliche Änderung der. Amplitude des durch das erste Ref ergfvz^Interf erSiiister 63 übertragenen Lichtes,
wegen des. grüß Siren" freien Spektralbereiches des Servo-'
Interferometers QT aber nur eine kleine Änderung der Ampli
tude des Servö-Int§:fferometers* So ist bei Normalbetrieb
und in Abwesenheit einer Störung, die einen Sprung der
Schwingungsart iffl Farbstofflaser verursachen könnte, das
Referenz-IntscfiSSfnetif S3 Ufibiff Kontrolle und hält die
Linien— oder Spektfilfereite d§s Ausgangsstrahls 47 innerhalb
ganz enger Grenzen υοη beispielsweise 1 MHz oder
weniger. Bei dieSBf normalen Betriebsart des Farbstofflasers lsi Qäs Seruo-InteifefSffieter 81 nicht besonders
wichtig, weil das Referenz-Interferometer 63 ein feineres
und genauer ansprechendes Regelverhalten besitzt.
Beim Auftreten einer Störung kann aber der Farbstofflasar
einen Schwingungssprung mächen von der ausgewählten Frequenz
121 zu irgendeiner der anderen zugelassenen Längsschwingungs-Frequenzen
unter der Verstärkungs-kurve 131, siehs Fig. 5 ,und innerhalb irgendeiner stärker einge-
030050/0700
.30-
schränkten Bandbreite, als sie durch das Feiri-Etalon 46
und das doppelbrechende Filter 45 vorgesehen ist. In
Abhängigkeit vom Abstand zwischen den möglichen Frequenzen und der Größe des freien Spektralbereiches des Referenz-Interferometers
63 kann also der Farbstofflaser einen Frequenzsprung zu bestimmten möglichen Frequenzen
machen und ohne irgendeine wahrnehmbare Änderung in der ■
Amplitude vom Ausgangssignal des Referenz-Interferometers
63 an einer Seite eines Übertragungs-In.terferenzstreifens
wieder verriegelt werden. Bei den durch Fig. 4 und 5 ver- .
anschaulichten Ausführungsbeispielen schwingt der Farbstofflaser 23 bei Frequenzen in Abständen von 210 MHz
vonüinnnder. Es ist deshalb vorstellbar, daS der Farbstofflaser
an jedem zweiten Übertragungs-Interferenz—
streifen des Referenz-Interferometers 63 verriegeln könnte;,
wenn dieses, wie dargestellt, einen freien Spektralbereich von etwa 0,5 GHz hat.
Ein möglicher Sprung der Schwingungsart ist in Fig. 4j 5---."-
und 6 veranschaulicht. Dabei hat der Farbstofflaser aufgrund einer Störung einen Frequenz-Sprung von der ausgewählten
Frequenz 121 zu einer anderen (Sprung-) Frequenz 133 ausgeführt.
UiB Fig. 5 zeigt, kann diese Sprung-Frequenz 133 an einem"
Punkt 135 an einer Seite eines Übertragungs-Interferenz- :
- 2 6 -■"■■
Q30 0 50/07Q0
ORIGINAL
· :.'■ ■·" ■ : - ti. - .·■■..■
.3/1·
streifehs137. derart verriegeln, daG am Ausgang des RefeTenz-Interferometers
63 genau die .gleiche Lichtamplitude erscheint uie-bei. einer Verriegelung am Interf erervzstreifen
125 beim Punkt 123.
unter solchen Betriebszuständen kann das Referenz-Interferometer
63 also keinerlei Unterscheidungs- oder Dis- ■ kriminator^Fünktion ausüben, und der Versuch, den Farbstofflaser
bei einer ausgewählten Frequenz 121 zu stabilisieren, könnte völlig zunichte gemacht uerden, da ein
Frequenzsprung infolge einer Störung unentdeckt bliebe. ·
Dies ist der Punkt, an dem sich die Wichtigkeit und Bedeutung des zusätzlichen Servo-Interferometers 81 zeigt.
UIe in Fig. 6 zu sehen ist, erzeugt sine Verschiebung von
der Frequenz 121.zur Frequenz 133 in Fig. .4 eine beträchtliche
Änderung inder ömplitude des-durch das Servo-Interferometer
81 übertragenen Lichtes, uie durch die Lage des
Punktes 139 In Fig. 6 angezeigt uird. Der Punkt 139 liegt
unterhalb des. Pegels 132 und bei der in Fig. 6 gewählten Darstellung rechts vom Bezugspunkt 127.
In diesem Betriebszustand liefert das Interferometer 81
ein Signal zum Ulederverriegelungskreis 91, über welchen
das Abtastsystem des Farbstofflasers angehalten und die
Servo-Interferometer-Kurv.e rechtzeitig verriegelt wird.
030050/0700
.38-'
Dig Lago des Punktes 139 unterhalb der Linie 127 und innerhalb
des in Fig. 6 angezeigten stabilen Bereiches des Servo-Interferometers
81 führt zur Auslösung eines solchen Signales für den Uiederverriegelungskreis, daß eine Steuerung
in der durch den Pfeil 151 angezeigten Richtung erfolgt.
Wenn ein Frequenzsprung eine Verschiebung zu einem oberhalb
der Linie 132 auf der Interferenzstreifen-Kurus liegenden
Punkt verursacht hat, würde die angetriebene Servo-Einrichtung eine Steuerung in Richtung des Pfeiles
bewirken. Der Wiederverriegelungskreis 91 treibt dann das
Galvanometer-Fenster 41 zurück in eine Lage zur Wiedereinstellung der ausgewählten Frequenz 121. Das Servo-Interferometer
und der Uiederverriegelungskreis setzen dann mit den, uie oben beschrieben, an dem Referenz-Interferometer
63 und dem Servo-Interferometer 81 servoverriegelten
Teilen das Abtastsystem des Farbstofflasers uieder bei der
gewählten Frequenz 121 in Betrieb. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung und Bemessung der Anordnung erfolgt die Erf-assung
eines Frequenz- bzu. Schwingungsartsprunges, die Korrektur und die erneute Inbetriebnahme innerhalb von
etwa 10 bis 15 usec.
Ansprüche
030050/0700
Le erseite
Claims (1)
- An s ρ r ü ch e1^ Steuereinrichtung mit Referenz-Interferometer zur Erfassung und Steuerung der Arbeitsfrequenz eines Lasers, insbesondere eines Farbstofflasers mit kontinuierlicher Uellenaussendung, gekennzeichnet durch einen Laser-Resonator zur Anregung einer Laserstrahlung in mehreren Schwingungsarten, durch Abstimmmittel zur Erzeugung einer Laserstrahlung in einer einzelnen Schuingungsart bei einer ausgewählten Frequenz, durch ein erstes Referenz-Interferometer (63) mit einem verhältnismäßig kleinen, freien Spektralbereich zur Stabilisierung der Arbeitsfrequenz des Lasers bsi einer verhältnismäßig schmalen Spektralbreite, durch dem ersten Referenz-Interferometer und den Abstimm-Mitteln betrieblich zugeordnete ServO'-Mitter für eine Servo-Verriegelung der Abstimmmittel an einer Seite eines Übertragungs-Int'erferenz-Streifens des ersten Referenz-Interferometars zur Aufrechterhaltung der Laserschwingung auf der aus- ' gewählten Frequenz bei einem von Schwingungssprüngen .im Laser-Resonator hervorrufenden Störungen freien Betrieb, sowie durch ein zweites Referenz-Interferometer (81) mit einem gegenüber dem ersten Referenz-Interferometer wessntlich größeren freien Spektralbereich, wobei das zweite Interferometer dem ersten- 29 -030050/0700Interferometer und den Seruomitteln betrieblich züge-, ordnet ist zur Erkennung eines Schuingungssprunges in dem Laser-Resonator nach Größe und Richtung des t Schuingungssprunges und zur Auslösung der Rückstellung des Lasers au.f die ausgewählte Arbeitsfrequenz.•2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Referenz-Interferometer (63, 81) außerhalb des Resanatorraums (33)" des Lasers angeordnet sind. _3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (23) ein Ringlaser ist.4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Referenz-Interferometer (63) einen · freien Spektralbereich von etwa 0,5 GHz und das zweite Referenz-Interferometer (81) einen mehr als 10 mal so großen freien Spektralbereich als das erste Referenz-Interferometer besitzt.5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Referenz-Interferometer (81) ein konfokales System besitzt.6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,'.-■■■- - 30 -. -030050/0700daß daszueite Referenz-Interferameter (81) ein planparalleles System enthält.7. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Licht-Normierungsmittel zur Normierung der AusgangssignalederReferenz-Interferometer (63, 81) bei Änderungen der Intensität des vom Laser erzeugten Lichtes zur.Verhütung einer Beeinträchtigung der/den Servomitteln über die Referenz-Interferometer zugeführten Steuersignale durch eine Intensitätsänderung des durch den Laser erzeugten Lichtes.8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, /daß beide Referenz-Interferometer (63, 81) ein geringes Auflösungsvermögen in einem Bereich von 2 bis 4 haben.9. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abtast-Etalon (49) innerhalb des Resonatorraumsdes Lasers, durch Abtastmittel in jedem Referenz-Interferometer (63, 81), durch Abtaststeuerungsmittel zur Erzielung einer synchronen Abtastung sou/ie durch betrieblich mit dem zweiten. Referenz-Interferometer (81) verbundene Uiederver-" riegelungsmittel (91) zum Einfrieren der Abtastung bei Erfassung eines Schuingungssprunges bis zu- 31 -0 30050/07QOeiner über die Servo-Mittel erfolgenden Rückstellung der Abstimmittel für einen Betrieb bei der ausgewählten, noch unmittelbar vor dem Schwingungssprung abgetasteten Frequenz und zur anschließenden Uiederaufnähme dar Abtastung bei dieser Frequenz.10. Verfahren zum Abtasten und Steuern der Arbeitsfrequenz eines 'Lasers, insbesondere eines Farbstofflasers mit einem Hohlraum-Resonator zur Erzeugung von Laserschwingungen in mehreren Schwingungsarten, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraum-Resonanz auf eine einzelne Schwingungsart bei einer ausgewählten Frequenz' abgestimmt wird, daß die Erzeugung der Laserstrahlung durch eine erste interferometrische Messung in einem verhältnismäßig kleinen freien Spektralbereich und durch eine zweite interferometrische Messung in einen wesentlich größeren freien Spektralbereich überwacht wird, daß die Abstimmung an einer Seite eines Übertragungs-Interferenzstreifens der bei der ersten Messung erzeugten Interferenzen und. auch an einer Seite eines Interferenzstreifens der bei der zweiten Messung erzeugten Interferenzen verriegelt wird, um die Laserstrahlung bei der gewählten Frequenz aufrechtzuerhalten, solange keine Störungen auftreten, die einen Freqtienz- bzw. Schwingungssprung im Hohlraum-Resonator des Lasers hervorrufen, und daß ein Frequenzsprung der Hohlraum-030050/0700Resonanz des Lasers nach Größe und Richtung durch eine
Änderung: des Übertragungssignales der zweiten Interferenz-Messung^ erfaßt, die Hohlraum-Resonanz in Abhängigkeit von der Größs und Richtung des durch die zweite
interferometrische Referenzmessung erfaßten Frsqusnz-. Sprunges wieder abgestimmt wird, um erneut auf die aus- ; gewählte Frequenz einzustellen und zu verriegeln, bevor anschließend die Laserstrahlung bei der ausgewählten Frequenz fortgesetzt wird.11. Uerfahr-jn nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung und die Signale beider interferometrischen Referenzmessungen synchron abgetastet werden, daß der Abtastvorgang beim Auftreten eines Frequenzsprunges unterbrochen wird, wobei gleichzeitig die zweite Interferometer-Kurve für das erneute Abstimmen der Hohlraum-Resonanz des Lasers eingefroren und der Abtastvorgang
wieder aufgenommen wird, nachdem der Laser wieder in
seinen Betriebszustand bei der ausgewählten Frequenz
•zurückgekehrt ist.0 30050/07 0 0
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