DE69015980T2 - Frequenzdetektor zur Unterscheidung eines Mehrfachlängsmodes im Laser-Betrieb. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der U.S.-Regierung gemäß Vertrag Nr. N00014-87-C-0090, der vom Marineministerium erteilt worden ist, entwickelt. Die U.S.-Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Frequenzdetektor, der das Vorhandensein einer vorbestimmten Frequenzkomponente in einem optischen Laserstrahl erfaßt. Die Erfindung ist insbesondere zum Unterscheiden zwischen einem Betrieb eines gepulsten Lasers in Einzellongitudinalmode (SLM) und Vielfachlongitudinalmode (MLM) geeignet.
Beschreibung des Stands der Technik
• Gepulste Laser erzeugen durch optische Resonanz in einem geeigneten Material kohärente Lichtstrahlen. Ein Ausgangsstrahl kann erzeugt werden, wenn die Amplitude einer optischen Schwingung in dem Material die Verluste darin überschreitet. Obwohl in den meisten Laseranwendungen eine Schwingung in einem Einzellongitudinalmode wünschenswert ist, müssen verhältnismäßig sorgfältige Schritte bei dem Aufbau eines besonderen Lasers unternommen werden, um eine Oszillation in Longitudinalmoden, die anders ist als die erwünschte, zu unterdrücken. Eine Schwingung in jedem Longitudialmode tritt bei einer Frequenz auf, welche sich von einer Schwingung in den anderen Moden unterscheidet.
• Eine Diskussion von Vielfachlongitudinalmoden einer Schwingung in einem Laserhohlraum, ebenso wie von Verfahren, die vorgeschlagen werden, um einen Einzellongitudinalmode-Betrieb zu erreichen, ist in dem Lehrbuch mit der Überschrift "An Introduction to Lasers and Their Operation", von D. O'Shea et al, Addison-Wesley Publishing Company, Kapitel 5, Seiten 107-124 (1978), zu finden.
• Laser, welche dauerhaft in SLM arbeiten, sind auf einer Grundlage einer kommerziellen Fertigung teuer in der Herstellung. Selbst schwierige, gut aufgebaute Laser, die in der Lage sind, einen MLM-Betrieb zu unterdrücken, erzeugen aufgrund von thermischem Rauschen und unvorhersehbaren Änderungen in Umgebungsbedingungen einen bestimmten Umfang von Vielfachmode-Pulsen.
• Gepulste SLM-Laser werden zur wissenschaftlichen Forschung auf zahlreichen technischen Gebieten ausgedehnt verwendet. Häufig wird ein Material mit einem oder mehreren Laserpulsen bestrahlt, um die Auswirkungen der Bestrahlung auf das Material zu erforschen und zu messen. Verschiedene Materialien werden von SLM- und MLM-Pulsen unterschiedlich beeinträchtigt. Um die Bestrahlungsauswirkungen korrekt zu erkennen und größenmäßig zu bestimmen, ist es notwendig, zwischen den Ergebnissen, die von SLM-Pulsen und gelegentlich vorkommenden MLM-Pulsen erzeugt werden, zu unterscheiden. Dies ist in der Vergangenheit durch ein Anschließen eines Hochgeschwindigkeit-Oszilloskops an den Ausgang eines Fotodetektors, welcher von einem Teil des Laserstrahls bestrahlt wird, durchgeführt worden. Die zeitliche Form oder das Profil eines SLM-Pulses ist glatt, wohingegen eine oder mehrere Überlagerungsfrequenzkomponenten auf dem Profil eines MLM-Pulses überlagert sind. Jede Überlagerungsfrequenzkomponente wird durch ein Zusammenwirken von zwei Longitudinalschwingungsmode-Frequenzen bei der dazwischenliegenden Differenz erzeugt. Der Forscher ist in der Lage, MLM-Pulse von SLM-Pulsen durch ihre unterschiedlichen Formen visuell zu unterscheiden. Jedoch kann dies besonders dann ungünstig sein, wenn der Forscher versucht, die Auswirkungen des Pulses auf das Material, das untersucht wird, zusätzlich zu der Form des Pulses auf dem Oszilloskop zu beobachten und es ist bei einer Pulsgeschwindigkeit von mehr als zwei oder drei Pulsen pro Sekunde praktisch unmöglich.
• Anwendungen, die Hochleistungs-Laserstrahlen benötigen, verwenden für gewöhnlich Verstärker, die den Leistungspegel eines Strahls, der von einem verhältnismäßig kleinen Quellenlaser erzeugt wird, vergrößern. Diese Verstärker beinhalten häufig Elemente, welche ziemlich groß und teuer sind, und werden für einen maximalen Wirkungsgrad gerade unterhalb ihres Materialbeschädigungsschwellwerts betrieben. Während der Beschädigungsschwellwert von SLM-Pulsen nicht überschritten wird, kann die zusammenwirkende Kombination von Frequenzkomponenten in einem MLM-Puls zu einer zusammengesetzten Pulsamplitude führen, welche den Schwellwert überschreitet. Das Ergebnis ist ein katastrophaler Ausfall des Verstärkerelements.
• Aus dem Dokument zum Stand der Technik US-A-3 363 104 ist ein optisches Überlagerungs-Erfassungssystem bekannt, das ein Signal liefert, das die Modulation eines ankommenden kohärenten Trägerstrahls anzeigt. Das Erfassungssystem ist als ein Teil eines kohärenten Systems beschrieben, das zwei Laser verwendet, bei dem ein Laser in dem Sender verwendet wird, der den kohärenten Trägerstrahl sendet, der andere Laser als ein lokaler Oszillator (LO) in dem Erfassungssystem verwendet wird. Das System beinhaltet ein optisches System, das ein sich bewegendes Interferenzmuster durch ein Kombinieren des Trägerlichtstrahls und des Referenzlichtstrahls des lokalen Oszillators erzeugt. Des weiteren ist eine Detektorgruppe vorgesehen, die eine Mehrzahl von parallel geschalteten lichtempfindlichen Elementen beinhaltet, die derart angeschlossen sind, das sie zwei Gruppen von hin- und herwechselnden Elementen ausbilden. Diese hin- und herwechselnden Elemente sind derart positioniert, daß jede Gruppe von Detektorelementen ein Licht von hin - und herwechselnden Rändern des Interferenzmusters empfängt. Die erste Gruppe der lichtempfindlichen Elemente erzeugt ein erstes Signal, die zweite Gruppe von lichtempfindlichen Elementen erzeugt ein zweites Signal, das zu dem ersten Signal 180º außer Phase ist. Schließlich ist eine Einrichtung vorgesehen, die das erste Signal von dem zweiten Signal subtrahiert, um ein Rauschen in den Signalen auszulöschen, um eine Gewinnung der Modulation des kohärenten Trägerstrahls zu ermöglichen.
• Aus dem Dokument zum Stand der Technik Optical Engineering, vol. 25, Nr. 4, April 1986, Bellingham US Seiten 575 - 579; L. G. Kazovsky, sind kohärente optische Empfänger bekannt, die durch ein Phasenrauschen des Lasersenders und des lokalen Laseroszillators und durch das Schrotrauschen aufgrund des Detektors, der in dem Empfänger verwendet wird, beeinträchtigt werden. Dieser Lösungsweg im Stand der Technik richtet sich auf eine Wirksamkeitsanalyse und die Anforderung einer maximal zulässigen Laserzeilenbreite für kohärente optische Kommunikationssysteme. Einer der optischen Empfänger, der in einem Überlagerungs-DPSK-Autokorrelationsempfänger diskutiert wird, kombiniert einen Referenzlichtstrahl eines optischen lokalen Oszillators mit einem ankommenden Laserstrahl, der das zu erfassende Signal beinhaltet. Beide Strahlen, sowohl der ankommende Laserstrahl als auch der Referenzlichtstrahl, fallen auf einen Fotodetektor ein, auf welchem ein Interferenzmuster ausgebildet ist. Das Ausgangssignal des Fotodetektors wird mit einer 180º-verzögerten Version von sich selbst gemischt. Das resultierende Signal wird an ein Tiefpaßfilter und einen Intergrierer angelegt und wird schließlich von einem Schwellwertvergleicher mit einem Schwellwert verglichen.
• Im Hinblick auf das Vorhergehende ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Frequenzdetektor zu schaffen, der eine vorbestimmte Frequenzkomponente in einem ankommenden optischen Laserstrahl erfaßt, wobei der Frequenzdetektorstrahl insbesodere zum Unterscheiden zwischen einem SLM- und MLM-Betrieb eines Lasers geeignet ist.
• Diese Aufgabe wird durch einen Frequenzdetektor gemäß Anspruch 1 und die Verwendung eines Frequenzdetektors gemäß Anspruch 9 gelöst.
• Insbesondere weist der erfindungsgemäße Frequenzdetektor eine Fotodetektoreinrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals im Ansprechen auf Bestrahlung durch einen ankommenden optischen Laserstrahl auf. Phasenschiebereinrichtungen sind zum Verschieben der Phase des Fotodetektorausgangssignals vorgesehen, um ein phasenverschobendes Signal zu erzeugen, in welchem die vorbestimmte Frequenzkomponente im wesentlichen um 180º außer Phase zu der vorbestimmten Frequenzkomponete in dem ankommenden optischen Laserstrahl ist.
• Eine Differentialmischereinrichtung verbindet das Ausgangssignal der Fotodetektoreinrichtung mit dem phasenverschobenenen Signal subtraktiv. Des weiteren ist eine Integrierereinrichtung zum Erzeugen eines Intergrierer-Ausgangssignals vorgesehen, das eine Größe aufweist, welche sich in Übereinstimmung mit dem Wert des Differentialmischer-Ausgangssignals ändert. Eine Vergleichereinrichtung erzeugt schließlich ein Erfassungssignal im Ansprechen auf das Integrierer-Ausgangssignal, welches mit dem Vorhandensein der vorbestimmten Frequenzkomponente in dem ankommenden optischen Laserstrahl, die eine Größe aufweist, die höher als ein vorbestimmter Wert ist, übereinstimmt.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Frequenzdetektor, welcher insbesondere zum Unterscheiden zwischen einem SLM- und MLM-Betrieb eines Lasers geeignet ist. Jedoch ist der Detektor in der Lage, in allen Anwendungen verwendet zu werden, in welchen es erwünscht ist, das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein einer vorbestimmten Frequenzkomponente in einem aus einem Laserstrahl abgeleiteten zusammengesetzten elektrischen Signal, welches mindestens eine andere Frequenzkomponete beinhaltet, zu erfassen. In einer beispielhaften wissenschaftlichen Anwendung, in der der Detektor verwendet wird, um zwischen einem SLM- und MLM-Betrieb eines Lasers, der verwendet wird, um ein zu untersuchendes Material zu bestrahlen, zu unterscheiden, kann der Ausgang des Detektors an einen Eingang einer Vorrichtung, wie zum Beispiel eines Computer, angeschlossen sein, welche verwendet wird, um Meßwerte oder Ausgaben, die von einem Sensor erhalten werden, der verwendet wird, um das Ansprechen des Materials auf die Pulse zu erfassen, auf zuzeichnen. Der Sensor wird an einen anderen Eingang oder Datenkanal der Aufzeichnungsvorrichtung angeschlossen. Diese schafft eine automatische Korrelation der Ausgaben von dem Sensor mit dem Typ eines Pulses, mit welchem das Material bestrahlt worden ist, um die Ausgabe zu erzeugen.
• Die Erfindung ermöglicht eine Entscheidung darüber, ob ein Puls aus einem SLM oder aus einem MLM hergestellt worden ist, und eine Funktionsweise, die als ein Ergebnis der Entscheidung erhalten wird, in einem Zeitrahmen, der viel kürzer ist, als dies unter Verwendung manuellen Eingreifens möglich sein würde.
• Diese und andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden für Fachleute aus der folgenden detaillierten Beschreibung, die zusammen mit der beiliegenden Zeichnung durchgeführt wird, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, offensichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Fig.1 zeigt ein Blockschaltbild, das einen Frequenzdetektor darstellt, der die vorliegende Erfindung verkörpert und der verwendet wird, um zwischen einem SLM- und MLM-Betrieb eines Lasers zu unterscheiden;
• Fig. 2 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild eines grundlegenden Ausführungsbeispiels des vorliegenden Detektors;
• die Figuren 3a bis 3d zeigen Graphen, die elektrische Signale, die von dem Detektor im Ansprechen auf einen SLM- Betrieb des Lasers erzeugt werden, darstellen;
• die Figuren 4a bis 4d sind den Figuren 3a bis 3d ähnlich, stellen aber einen MLM-Betrieb des Detekors dar;
• Fig. 5 zeigt ein Blockschaltbild, das eine beispielhafte Anwendung der Erfindung darstellt, die zur wissenschaftlichen Forschung verwendet wird;
• Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, das den vorliegenden Frequenzdetektor darstellt, der als eine Schutzvorrichtung für einen Laserverstärker verwendet wird; und
• Fig. 7 zeigt ein schematisches elektrisches Schaltbild, das ein abgeändertes Beispiels des vorliegenden Frequenzdetektors darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Laser, welche in Vielfachlongitudinalmoden betrieben werden, erzeugen optische Strahlen, welche eine Frequenzkomponente beinhalten, die jedem Longitudinalmode einer Schwingung entspricht. Für gewöhnlich gibt es einen vorherrschenden Mode einer Schwingung, welcher die einzelne Frequenz erzeugt, die im SLM-Betrieb vorhanden ist. Die Hauptfrequenzkomponente weist die größte Amplitude auf, während die Frequenzkomponten, die den anderen Longitudinalmoden entsprechen, Amplituden aufweisen, welche sich stetig verringern, wenn die Differenz zwischen ihnen und der Hauptfrequenz ansteigt. Für einen Laser mit einem angemessen hohen Gütefaktor (Q) weisen nur die beiden Moden welche relativ zu dem Hauptmode angrenzend höher und tiefer in der Frequenz sind, Amplituden auf, welche groß genug sind, um Probleme in vielen praktischen Anwendungen hervorzurufen.
• Die Longitudinalmoden in einem Laser sind voneinander durch einen vorbestimmten Zuwachs Δf = c/21 getrennt, wobei c die lokale Geschwindigkeit eines Lichts in dem Lasennedium ist und 1 die Länge des Hohlraumresonators in dem Laser ist. Für einen typischen eine Hohlraumlänge von 1 = 1.5 m aufweisenden Nd:Yag-Laser, der bei einer Wellenlänge von 1.06 Mikrometer (2.82 x 10¹&sup4; Hz) arbeitet, wird Δf in der Größenordnung von 100 MHz sein. Die Longitudinalmodefrequenz auf jeder Seite der Hauptmodefrequenz wird zusammenwirkend mit der Hauptfrequenz zur Erzeugung einer Überlagerungsfrequenz, die gleich der dazwischenliegenden Differenz ist, welche 100 MHz beträgt, kombiniert. Somit zeigt das Vorhandensein einer Überlagerungsfrequenzkomponente von 100 MHz in dem zusammengesetzten Puls, der von dem Laser erzeugt wird, einen MLM-Betrieb an, während das Nichtvorhandensein einer Komponente von 100 MHz einen SLM-Betrieb anzeigt. Andere Überlagerungsfrequenzkomponenten können vorhanden sein, ihre Amplituden werden jedoch wesentlich niedriger sein, als die der Komponente von 100 MHz. Eine Erfassung lediglich einer Überlagerungsfrequenzkomponente ist für gewöhnlich ausreichend, um den MLM-Betrieb von dem SLM- Betrieb zu unterscheiden.
• Obgleich sich die bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung auf die Unterscheidung eines MLM- von einem SLM- Betrieb bezieht, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Es befindet sich innerhalb des Umfangs der Erfindung, einen Betrieb in Vielfachmoden, die anders sind als longitudinale, wie zum Beispiel Vielfachtransversalmoden und eine Kombination von Logitudinal- und Transversalmoden, zu unterscheiden.
• Es wird nun Bezug auf Fig. 1 der Zeichnung genommen, wobei ein Frequenzdetektor, der die vorliegende Erfindung verköpert, allgemein mit 10 bezeichnet ist und einen Fotodetektor 12 beinhaltet, der derart angeordnet ist, daß er mindestens von einem Teil eines optischen Strahls aus einem Laser 14 bestrahlt wird. Der Fotodetektor 12 erzeugt ein elektrisches Signal, das eine Wellenform aufweist, welche der optischen Wellenform des Laserstrahls entspricht. Das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 wird direkt in einen Eingang eines Differentialmischers 16 eingegeben und durch eine Verzögerungseinheit 18 zu einem anderen Eingang des Mischers 16.
• Die Verögerungseinheit 18 ist derart aufgebaut, daß sie eine Zeitverzögerung, die gleich der Hälfte der Periode eines Zyklusses der Frequenz ist, welche zu erfassen ist, erzeugt. Wenn eine Überlagerungsfrequenzkomponete von 100 MHz, die in dem Laserstrahl vorhanden ist, als einen MLM- Betrieb anzeigend vorbestimmt ist, eine entsprechende Periode von 10 ns aufweist, wird die Verzögerungseinheit 18 so aufgebaut, daß sie eine Verzögerung von einer Hälfte der Periode der Überlagerungskomponente oder 5 ns erzeugt. Es ist anzumerken, daß die Verzögerung 1.5 Perioden, 2.5 Perioden usw., sein kann, solange die Phase der Überlagerungsfrequenzkomponente in dem Ausgangssignal der Verzögerungseinheit 18 um 180º außer Phase zur Überlagerungsfrequenzkomponente in dem Eingangssignal ist. Jedoch wird ein Verzögern des Eingangsignals um mehr als einen halben Zyklus die Wirksamkeit der Schaltung durch ein Verringern des Betrags, um welchen das Laserpulsprofil unterdrückt wird, verschlechtert.
• Wenn sich eine Verzögerung inhärent in dem direkten Schaltungspfad von dem Fotodetektor 12 zu dem Mischer 16 befindet oder wenn eine Verzögerung in diesem Schaltungspfad aus einem anderen Grund eingefügt wird, kann die Verzögerungsperiode der Verzögerungseinheit 18 durch den gleichen Betrag derart erhöht werden, daß die Überlagerungsfrequenzkomponenten der zwei Signale an den Eingängen des Mischers 16 zueinander um 180º außer Phase sind. Es befindet sich desweiteren innerhalb des Umfangs der Erfindung, die Verzögerungseinheit 18 durch jeden Typ einer Phasenverschiebungseinrichtung zu ersetzen, welche verursacht, daß die Überlagerungsfrequenzkomponeten der zwei Signale an den Eingängen des Mischers 16 zur subtraktiven Kombination durch den Mischer 16 zueinander um 180º außer Phase sind.
• Der Differentialmischer 16 erzeugt ein Signal, welches die Hauptwellenform oder das Profil des unterdrückten Laserstrahlpulses aufweist und wobei die Überlagerungsfrequenzkomponente von 100 MHz verstärkt ist. Alle anderen Frequenzkomponeten, welche wesentlich von der Überlagerungsfrequenz abweichen, werden ebenso unterdrückt. Der Mischer 16 erzeugt ein Ausgangssignal, welches des weiteren von einem Resonanzverstärker 20 verstärkt wird und in eine Schwellwertdetektor/Anzeigeeinheit 22 eingegeben wird. Wie es im Detail unterhalb beschrieben wird, beinhaltet die Einheit 22 einen Integrierer, welcher ein Gleichstrom-Ausgangssignal erzeugt, das eine Höhe aufweist, die der Spitzenamplitude der Überlagerungsfrequenz (wenn vorhanden) entspricht. Die Einheit 22 beinhaltet des weiteren einen Vergleicher, welcher das Integrierer-Ausgangssignal mit einem vorbestimmten Schwellwert, welcher ausgewählt wird, um einen MLM von einem SLM zu unterscheiden, vergleicht und ein Detektor-Ausgangssignal erzeugt, welches eine Anzeigeeinheit wie z.B. eine Lampe aktivieren kann, wenn das Integrierer-Ausgangssignal oberhalb des Schwellwerts ist.
• Der vorliegende Detektor 10 ist detaillierter in Fig. 2 dargestellt. Der Fotodetektor 12 beinhaltet eine Fotodiode 24, die eine Anode, die an Masse angeschlossen ist, und eine Kathode, die über einen Widerstand 26 an eine positive Spannungsquelle +V angeschlossen ist, aufweist. Das Ausgangssignal aus dem Fotodetektor 12 wird nach einer Bestrahlung durch den Strahl aus dem Laser 14 an dem Knotenpunkt der Fotodiode 24 und des Widerstands 26 erzeugt. Die Verzögerungseinheit 18 kann einfach als ein Stück eines Drahtes oder eines anderen Materials verkörpert sein, das eine derart ausgewählte Länge aufweist, daß eine Übertragung eines elektrischen Signals dadurch 5 ns länger benötigt, als eine direkte Übertragung des Signals durch den unverzögerten Schaltungspfad zu dem Mischer 16.
• Der Differentialmischer 16 beinhaltet zwei symetrische Mischerspulen 28 und 30, wobei von jeder ein Ende an Masse angeschlossen ist. Das andere Ende der Spule 28 ist derart angeschlossen, daß es das Ausgangssignal aus der Verzögerungseinheit 18 empfängt, wohingegen das andere Ende der Spule 30 derart angeschlossen ist, daß es das unverzögerte Ausgangssignal aus dem Fotodetektor 12 empfängt.
• Die Spulen 28 und 30 sind um eine gemeinsame zylindrische Form herumgewickelt und weisen eine gleiche Anzahl von Wicklungen auf. Jedoch sind die Spulen 28 und 30 in entgegengesetzten Richtungen gewickelt, wodurch sie Ströme in entgegengesetzen Richtungen leiten, und sind zueinander induktiv gekoppelt, um ein magnetisches Feld zu erzeugen, welches zu der Differenz zwischen den zwei Eingangs strömen proportional ist. Dieses magnetische Feld induziert einen Strom in einer anderen Spule 32, welche zu einem Kondensator 34 parallelgeschaltet ist, um eine parallele Resonanzschaltung zu bilden. Die Induktivität der Spule 32 und die Kapazität des Kondensators 34 sind so ausgewählt, daß sie bei 100 MHz eine Resonanz erzeugen. Der Differentialmischer 16 wird durch die Spulen 28, 30 und 32 gebildet.
• Die Differentialeingänge eines RF-Operationsverstärkers 36 sind über den Kondensator 34 derart angeschlossen, daß das Signal darüber verstärkt wird. Der Resonanzverstärker 20 ist durch die Resonanzschaltung, die die Spule 32 und den Kondensator 34 beinhaltet, in Kombination mit dem Operationsverstärker 36 gebildet. Die Spule 32 liefert die zweifache Funktion eines induktiven Auskoppelns des Differentialsignals, das von den Spulen 28 und 30 erzeugt wird, und eines Erzeugens einer Resonanz in Kombination mit dem Kondensator 34. Der Zweck dieser Resonanzschaltung ist es, die Selektivität des Detektors zu der Überlagerungsfrequenz zu erhöhen und eine zusätzliche Verstärkung davon zu schaffen. Die Resonanzfrequenz F der Schaltung hängt von der Induktivität L der Spule 32 und der Kapazität C des Kondensators 34 in Übereinstimmung mit der Formel F = 1/(2π(LC)1/2) ab. Die Selektivität der Resonanzschaltung hängt von ihrem Gütefaktor (Q) ab. Es wird ein beispielhafter Fall angenommen, in welchem die Laserpulsdauer 50 ns beträgt und die Überlagerungsfrequenz 100 MHz beträgt, wobei 5 Überlagerungen von 100 MHz innerhalb der Dauer eines Pulses auftreten können. In diesem Fall wird eine optimale Selektivität erreicht, wenn das Q der Schaltung als 5 ausgewählt ist. Die Resonanzschaltung kann weggelassen werden, wenn der Differentialmischer eine ausreichende Selektivität und Verstärkung aufweist. Der Verstärker 36 kann weggelassen werden, wenn das Signal über der Resonanzschaltung eine ausreichende Amplitude aufweist und wenn die Schwellwert-Detektoreinheit 22 eine ausreichend hohe Eingangsimpedanz aufweist.
• Der Integrierer der Einheit 22 beinhaltet eine Diode 38, deren Anode an den Ausgang des Operationsverstärkers 36 angeschlossen ist. Die Kathode der Diode 38 ist durch einen integrierenden Kondensator 40 an Masse angeschlossen. Das Ausgangssignal aus dem Verstärker 36 wird durch die Diode 38 halbwellengleichgerichtet und durch den Kondensator 40 integriert, um ein gewöhnliches Gleichstromsignal zu erzeugen, das eine Höhe oder eine Spannung aufweist, die dem Spitzenwert oder einer anderen vorbestimmten Funktion des Wechselstrom-Ausgangsignals aus dem Verstärker 36 entspricht. Der Knotenpunkt der Diode 38 und des Kondensators 40, welcher den Ausgang des Integrierers bildet, wird an einen positiven Eingang des Operationsverstärkers 42 angeschlossen. Eine Schwellwertspannung +VT wird derart an den negativen Eingang des Verstärkers 42 angelegt, daß der Verstärker 42 den Vergleicher der Einheit 22 bildet. Genauer gesagt erzeugt der Verstärker 42 das Detektorausgangssignal als ein Signal des Zustands logisch hoch, wenn die Spannung über dem Kondensator 40 oberhalb der Schwellwertspannung +VT liegt und umgekehrt. Die Spannung +VT entspricht dem vorbestimmten Schwellwert, der vorderhalb diskutiert worden ist, welcher so ausgewählt wird, daß er den MLM- von dem SLM-Betrieb des Lasers 14 unterscheidet. Das logisch hohe Detektorausgangssignal aktiviert eine Anzeigeeinrichtung 44, welche eine Lampe oder etwas ähnliches sein kann, um die Erzeugung eins MLM-Pulses durch den Laser 14 anzuzeigen.
• Die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung kann unter Bezugnahme auf die Figuren 3a-3d und die Figuren 4a-4d der Zeichnung besser verstanden werden, in welchen die horizontalen Achsen die Zeit T darstellen und die vertikalen Achsen die Spannung V darstellen. Fig. 3a stellt das Ausgangssignal des Fotodetektors 12 im Ansprechen auf den SLM- Laserpuls dar. Die Wellenform weist ein geglättetes Gauß'sches Profil auf. Fig. 3b stellt den Laserpuls nach einer Verzögerung durch die Einheit 18 dar. Die Form ist die gleiche und die Wellenform ist lediglich zeitlich verschoben worden. Fig. 3c stellt das Ausgangssignal aus dem Differentialmischer 16 dar. Die Wellenform ist im wesentlichen flach, weist aber bedeutsame positive und negative Teile auf, die den vorauseilenden und nachlaufenden nichtüberlappten Bereichen der Signale entsprechen, die an den Eingängen des Mischers 16 erscheinen.
• Fig. 3d stellt das Ausgangssignal aus dem Integrierer der Einheit 22 dar, welches an dem Knotenpunkt der Diode 3B und des Kondensators 40 erscheint. Das Signal ist für gewöhnlich Gleichstrom und weist eine Höhe oder Spannung V1 auf, die durch eine Integration der gleichgerichteten Hochfrequenz-SLM-Komponente in dem Laserstrahl, welche in diesem Fall die einzige Komponente ist, erzeugt wird. Die SLM- Komponente wird zu einem Großteil von der Resonanzschaltung abgeschwächt, aber ein restlicher Teil davon kann verbleiben, um einen Wert von V1 ungleich Null zu erzeugen. Der Schwellwert +VT wird so ausgewählt, daß er oberhalb des Wertes V1 liegt, so daß der Verstärker 42 im Ansprechen auf die Spannung V1 an seinem Eingang kein Detektorausgangssignal erzeugt.
• Die Figuren 4a-4d entsprechen jeweils den Figuren 3a- 3d, stellen aber den Fall dar, daß ein MLM-Puls von dem Laser 14 erzeugt wird. Die direkten und verzögerten Ausgangsignale aus dem Fotodetektor 12, die in den Figuren 4a bzw. 4b gezeigt sind, weisen die gleiche Form auf, welche das Haupt-Gaußprofil des Laserpulses mit einer darüber überlagerten Überlagerungsfrequenzkomponente von 100 MHz beinhaltet. Fig. 3c stellt das Ausgangssignal aus dem Differentialmischer 16 dar. Es ist zu sehen, daß die Hauptform des Pulses wie in dem Fall des SLM-Pulses unterdrückt wird, aber die Überlagerungsfrequenzkomponente von 100 MHz in der Amplitude erhöht wird. Dies geschieht aufgrund der Halbzyklusverschiebung zwischen den Eingangssignalen des Mischers 16 und ihrer subtraktiven Kombination, was dazu führt, daß die invertierten positiven Halbzyklusteile des verzögerten Signals zu den negativen Halbzyklusteilen des unverzögerten Signals addiert werden und umgekehrt. Die Amplitudenerhöhung ist proportional zu dem Kopplungsfaktor zwischen den Spulen 28, 30 und der Spule 32, was zu einer Verdopplung der Amplitude für den Fall einer Kopplung von 100% führt.
• Fig. 4d stellt das Ausgangssignal über dem Kondensator 40 dar, welches für gewöhnlich ein Gleichstrom ist und einen Wert V2 aufweist, welcher größer als der Schwellwert +VT ist. Die Spannung V2 verursacht, daß der Verstärker 42 das Erfassungs-Ausgangssignal erzeugt, welches die Anzeigeeinrichtung 44 aktiviert. Die Spannung V2 ist größer als V1, da die gleichgerichtete Überlagerungsfrequenzkomponente zu der gleichgerichteten Hochfrequenz-SLM-Komponente addiert wird.
• Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar, welches die oberhalb diskutierten Probleme, die sich auf wissenschaftliche Forschung der Auswirkung einer Laserbestrahlung auf ein Material beziehen, überwindet. Eine Probe 50 des Materials wird von dem Strahl aus einem Laser 52 bestrahlt. Der Laser 52 ist derart angeordnet, daß ein Teil des Strahls auf einen Detektor oder Diskriminator 54 der Erfindung gerichtet ist. Ein Computer 56 oder eine andere Aufzeichnungsvorichtung weist einen ersten Dateneingangskanal 58 auf, der so angeordnet ist, daß er Signale aus dem Sensor (nicht gezeigt) empfängt, die Ausgaben entsprechen, die durch eine Bestrahlung der Probe durch Pulse aus dem Laser 52 erzeugt werden. Der Detektor 54 ist im wesentlichen der gleiche, wie er in Fig.2 dargestellt ist, aber er ist in der Lage, das Ausgangssignal aus dem Verstärker 42 an einen zweiten Dateneingangskanal 60 des Computers 56 anzulegen. Die Kanäle 58 und 60 können jeder bekannte Typ von analogen oder digitalen Dateneingangskanälen sein. Der Computer 56 kann mit einem Takt oder einem anderen Zeittakt-Stromkreis (nicht gezeigt) versehen sein, welcher verursacht, daß Daten aus den Kanälen 58 und 60 in eine Speichereinrichtung (nicht gezeigt) in dem Computer 56 in der Form eines Paares eingegeben werden. Jedes Datenpaar besteht aus ersten Daten, die den erfaßten Ausgaben von der Probe 50 entsprechen und zweiten Daten (logisch hoch oder niedrig) aus dem Diskriminator 54, die anzeigen, ob der Puls, der die jeweiligen ersten Daten erzeugt hat, ein SLM oder ein MLM war. Alternativ kann das Ausgangssignal aus dem Diskriminator 54 als ein Gattersignal für den ersten Dateneingangskanal 58 verwendet werden, der es nur Daten erlaubt, die durch SLM-Pulse erzeugt werden, in den Computer 56 eingegeben zu werden.
• Fig. 6 stellt die verkörperte vorliegende Erfindung zum Schutz einer Einpfängereinrichtung dar, welche einer Bestrahlung aus dem Laser ausgesetzt ist und welche durch MLM-Pulse beschädigt werden könnte. In diesem Fall richtet der Laser 52 seinen Strahl in einen Leistungsverstärker 62, welcher die Leistung des Strahls erhöht und ein Ausgangssignal für eine erwünschte Anwendung erzeugt. Ein Teil des Strahls aus dem Laser 52, der in diesem Fall durch eine Durchlaßstrahlung aus der Rückseite des Laserhohlraums gebildet wird, wird auf den Diskriminator 54 gerichtet. Der Ausgang des Diskriminators 54 ist mit einem Steuereingang einer elektrooptischen Blende 64, die zwischen dem Laser 52 und dem Verstärker 62 angeordnet ist, verbunden. Die Blende 64 ist normalerweise offen, wodurch dem Laserstrahl erlaubt wird, dadurch geleitet zu werden. Jedoch verursacht das Erfassungs-Ausgangssignal aus dem Diskriminator 54, das die Erzeugung eines MLM-Pulses durch den Laser 52 anzeigt, daß sich die Blende 64 schließt, wodurch verhindert wird, daß der MLM-Puls den Verstärker 62 erreicht und eine Beschädigung des gleichen verursacht.
• Elektrooptische Blenden sind bereits technisch bekannt und beinhalten typischerweise einen Polarisator in Kombination mit einem doppeltbrechenden Kristallmaterial. Der Laserstrahl wird von dem Polarisator auf eine ausgewählte Polarität polarisiert, bevor er den Kristall erreicht. Der Kristall ist so aufgebaut, daß er beim Nichtvorhandensein eines elektrischen Feldes unpolarisiert ist oder die gleiche Polarisation wie der Polarisator aufweist. Ein Anlegen eines elektrischen Feldes, in diesem Fall im Ansprechen auf das Erfassungssignal, verursacht, daß der Kristall auf eine unterschiedliche Polarisation zu der des Polarisators polarisiert wird, wodurch verhindert wird, daß der Laserstrahl dadurch geleitet wird. Obgleich eine elektrooptische Blende aufgrund ihrer hohen Betriebsgeschwindigkeit zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung bevorzugt ist, kann jede Blende, welche in der Lage ist, einen optischen Strahl im Ansprechen auf ein angelegtes elektrisches Signal in einer zulässig kurzen Zeitperiode abzublocken, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
• Um das Ausführungsbeispiel in Fig. 6 zu betreiben, muß die Zeitdauer, die der Laserpuls benötigt, um aus dem Laser 52 zu der Blende 64 geleitet zu werden, länger sein, als die Zeitdauer, die der Diskriminator 54 benötigt, um die Blende 64 im Ansprechen auf einen erfaßten MLM-Puls zu schließen. Dies kann dadurch durchgeführt werden, daß der Diskriminator 54 und die Blende 64 relativ nah an dem Laser 52 plaziert werden und ein optischer Verzögerungspfad zwischen dem Laser 52 und der Blende 64 vorgesehen wird. Der optische Verzögerungspfad kann durch Ref lektoren 66, 68, 70 und 72 gebildet werden, welche verurachen, daß der Laserstrahl eine relativ lange Gesamtdistanz in einem Pfad zwischen dem Laser 52 und der Blende 64 zurücklegt. Die optische Verzögerungsperiode ist proportional zu der Länge des Verzögerungspfads.
BEISPIEL
• Fig. 7 stellt ein detailliertes Beispiel der vorliegenden Erfindung dar, das einen leicht abgeänderten Differentialmischer beinhaltet. Gleich Elemente sind durch die gleichen Bezugszeichen, die in Fig. 2 verwendet werden, bezeichnet, wohingegen ähnliche, aber abgeänderte Elemente, durch gleiche mit Strich versehene Bezugszeichen bezeichnet sind.
• Der Differentialmischer 16' beinhaltet sowohl die symmetrisch gewickelten Mischerspulen 28 und 30 als auch die induktiv gekoppelte Spule 32, welche mit dem Kondensator 34' so kombiniert ist, daß sie die Resonanzschaltung bilden. Der Mischer 16' weist des weiteren eine Kopplungsspule 33 auf, welche das Ausgangssignal der Resonanzschaltung induktiv zu dem Verstärker 36 koppelt. Es ist anzumerken, daß die Eingänge des Verstärkers 36 in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 direkt über den Kondensator 34' verbunden sind. Die Anordnung in Fig. 6 sieht eine Isolation der Resonanzschaltung von dem Verstärker 36 vor, wodurch sein Laden verhindert wird.
• Der Differentialmischer 16' ist durch ein Vorsehen eines Nylonstabs mit einem Durchmesser von 1/2" aufgebaut worden, welcher Schraubengewinde aufweist, die in seine Oberfläche mit einer Teilung von 13 Umdrehungen/Zoll eingeschnitten worden sind, um als eine Form für die Spulendrähte zu dienen und sie gleichmäßig beabstandet zu halten. Die Spule 33 ist durch zwei Wicklungen eines Drahtes aufgebaut worden, die um den Mittenteil der Form herumgewickelt worden sind. Die Spulen 28 und 30 sind jeweils durch zwei Wicklungen eines Drahtes aufgebaut worden, die auf entgegengesetzen Seiten der Spule 33 um die Form herumgewickelt worden sind und davon ungefähr durch zwei Gewinde getrennt sind. Die Spulen 28 und 30 sind so verbunden, daß die Eingangsströme dadurch in entgegengesetzten Richtungen fließen. Die Spule 32 ist durch sechs Windungen eines Drahtes aufgebaut, die durch das Zwischenstück einer Isolationsschicht auf die Oberseite der Spule 33 gewickelt worden sind.
• Der Kondensator 34' ist eine variable Einheit von 15 pf. Die Induktivität der Spule 32, welche in der Schaltung mit dem Kondensator 34' verbunden war, um die parallele Resonazschaltung zu bilden, war ungefähr 0.34 mH. Wenn der Kondensator auf dem Mittelpunkt seines Bereichs bei 7.5 pf eingestellt war, war die Resonanzfrequenz der Schaltung auf 100 MHz abgestimmt.
• Obgleich verschiedene erläuternde Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, treten zahlreiche Anderungen und alternative Ausführungsbeipiele für Fachleute auf, ohne die Lehre und den Umfang der Erfindung zu verlassen. Zum Beispiel kann sie, obgleich sie als insbesonders zur Verwendung mit einem gepulsten Laser geeignet beschrieben worden ist, ebenso Verwendung in Anwendungen finden, die Dauerlaser enthalten. Demgemäß ist es beabsichtigt, daß die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich durch die spezifischen beschriebenen erläuternden Ausführungsbeispiele begrenzt wird. Verschiedene Abänderungen sind erwägbar und können durchgeführt werden, ohne den Umfang der Erfindung, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, zu verlassen.

Claims (13)

1. Frequenzdetektor (10; 10'; 54) zum Erfassen einer vorbestimmten Frequenzkomponente in einem ankommenden optischen Laserstrahl, mit:

a) einer Fotodetektoreinrichtung (12) zum Erzeugen eines Ausgangssignals im Ansprechen auf Bestrahlung durch den optischen Laserstrahl;

b) einer Phasenschiebereinrichtung (18) zum Verschieben der Phase des Fotodetektor-Ausgangssignals, um ein phasenverschobenes Signal zu erzeugen, in dem die vorbestimmte Frequenzkomponente im wesentlichen um 180º außer Phase zur vorbestimmten Frequenzkomponente im ankommenden optischen Laserstrahl ist;

c) einer Differentialmischereinrichtung (16; 16') zum subtraktiven Verbinden des Ausgangssignals der Fotodetektor-Einrichtung (12) mit dem phasenverschobenen Signal;

d) einer Integriereinrichtung (22) zum Erzeugen eines Integrierer-Ausgangssignals, das eine Größe aufweist, welche sich in Übereinstimmung mit einem Wert des Differentialmischer-Ausgangssignals ändert;

e) einer Vergleichereinrichtung (42) zum Erzeugen eines Erfassungssignals im Ansprechen auf das Integrierer-Ausgangssignal, welches mit dem Vorhandensein der vorbestimmten Frequenzkomponente in dem ankommenden optischen Laserstrahl, die eine Größe aufweist, die höher als ein vorbestimmter Wert ist, übereinstimmt.

2. Frequenzdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Phasenschiebereinrichtung (18) eine Verzögerungseinrichtung umfaßt, die das Fotodetektor-Ausgangssignal um eine Zeitdauer verzögert, die gleich der Hälfte eines Zyklus der vorbestimmten Freqenzkomponente ist.

3. Frequenzdetektor nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin eine Resonatoreinrichtung (32, 34; 33, 34') umfaßt, die schaltungsmäßig zwischen der Differentialmischereinrichtung (16, 16') und der Integriereinrichtung (22) angeordnet ist.

4. Frequenzdetektor nach Anspruch 3, der weiterhin eine Verstärkereinrichtung (36) umfaßt, die schaltungsmäßig zwischen der Resonatoreinrichtung (32, 34; 33, 34') und der Integriereinrichtung (22) angeordnet ist.

5. Frequenzdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2-4, bei dem die Differentialmischereinrichtung (16, 16') zwei symmetrische, induktiv gekoppelte Mischerspulen (28, 30) umfaßt, welche schaltungsmäßig angeordnet sind, um das Fotodetektor-Ausgangssignal bzw. das Verzögerungseinrichtungs-Ausgangssignal zu empfangen.

6. Frequenzdetektor nach Anspruch 5, bei dem die Differentialmischereinrichtung (16; 16') weiterhin eine Resonatorspule (32), die mit den zwei Mischerspulen (28, 30) induktiv gekoppelt ist, und einen Kondensator, der schaltungsmäßig mit der Resonatorspule (32) verbunden ist, um mit ihm bei einer vorbestimmten Frequenz zu schwingen, umfaßt.

7. Frequenzdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin eine optische oder elektro-optische Verschlußeinrichtung umfaßt, die so ausgeführt ist, daß sie normalerweise offen ist und im Ansprechen auf das Erfassungssignal schließt.

8. Frequenzdetektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Integriereinrichtung (22) so ausgeführt ist, daß sie das Integrierer-Ausgangssignal erzeugt, dessen Größe sich in Übereinstimmung mit einem Spitzenwert des Differentialmischer-Ausgangssignals ändert.

9. Diskriminator zur Unterscheidung zwischen Einmoden - und Vielfachmoden-Betrieb eines den ankommenden Laserstrahl erzeugenden Lasers (14, 52), der den Frequenzdetektor (10; 10'; 54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 umfaßt, bei dem die vorbestimmte Frequenzkomponente eine Überlagerungsfrequenzkomponente ist, die durch das Zusammenwirken von zwei Frequenzkomponenten in dem ankommenden optischen Laserstrahl erzeugt wird, die einer jeweiligen von zwei vorbestimmten Betriebsmoden des Lasers entsprechen.

10. Laser/Empfänger-Kombination, mit

a) einem Laser (52), der einen optischen Laserstrahl erzeugt,

b) einem Empfänger (62), der den optischen Strahl aus dem Laser empfängt,

c) einem Diskriminator (54) nach Anspruch 9, und

d) einer elektro-optischen Verschlußeinrichtung (64), die zwischen dem Laser (52) und dem Empfänger (62) angeordnet ist, wobei die Verschlußeinrichtung (64) so ausgeführt ist, daß sie normalerweise offen ist und im Ansprechen auf das Erfassungssignal aus dem Diskriminator (54) schließt, um den optischen Laserstrahl aus dem Laser (52) zu blockieren.

11. Laser/Empfänger-Kombination nach Anspruch 10, sofern dieser auf Anspruch 2 zurückbezogen ist, bei dem die Verzögerungseinrichtung (18) aus optischen Verzögerungseinrichtungen (18) gebildet ist, die zwischen dem Laser (52) und dem Empfänger (62) angeordnet sind, wobei die optische Verzögerungseinrichtung (18) den optischen Strahl aus dem Laser (52) um eine Zeitdauer verzögert, welche größer als eine Zeitspanne ist, die der Diskriminator benötigt, um die optische Verschlußeinrichtung (64) im Ansprechen auf den erfaßten Vielfachmoden-Betrieb des Lasers zu schließen.

12. Laser/Empfänger-Kombination nach Anspruch 11, bei der die optische Verzögerungseinrichtung (18) eine Vielzahl von Reflektoren (66, 68, 70, 72) umfaßt.

13. Vorrichtung, die einen Laser (52), eine Aufzeichnungseinrichtung (56), die eine erste Datenkanal-Einrichtung (58) zum Empfangen eines Sensorsignals im Ansprechen auf Bestrahlung eines Materials (50) durch einen optischen Strahl aus dem Laser (52), und eine zweite Datenkanal-Einrichtung (60) aufweist, und einen Diskriminator (54) nach Anspruch 9 zum Unterscheiden zwischen Ein- und Vielfachmoden-Betrieb des Lasers (52) beinhaltet, wobei die Vergleichereinrichtung (42) das Erfassungssignal an die zweite Datenkanal-Einrichtung (60) der Aufzeichnungseinrichtung (56) anlegt.