DE69102790T2

DE69102790T2 - Laser mit zwei verschiedenen Wellenlängen.

Info

Publication number: DE69102790T2
Application number: DE69102790T
Authority: DE
Inventors: Fabien Bretenaker; Floch Albert Le
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1990-02-13
Filing date: 1991-02-11
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2011-02-12
Also published as: US5091912A; FR2658367B1; DE69102790D1; EP0443902A3; FR2658367A1; EP0443902B1; EP0443902A2

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit zwei Wellen verschiedener, nahe benachbarter Frequenzen. Sie findet Anwendung in allen Bereichen der Meßtechnik, die einen heterodynamischen Effekt benutzen, insbesondere in der Metrologie; sie ist gleichermaßen anwendbar in der optischen Spektrometrie.
Es sind bereits Laser mit zwei Wellen verschiedener Frequenz bekannt, welche gegenseitig rechtwinklige lineare Polarisationen aufweisen und einen Mittellaser umfassen, der in einem Laserresonanzhohlraum angeordnet ist, welcher durch Spiegel begrenzt und mit Anregungsmitteln des Mittellasers verbunden ist, und einen doppelbrechenden Bestandteil aufweist, der in der Bahn der beiden Wellen angeordnet ist.
Der Artikel "Two frequency gas laser in mutually orthogonal transverse magnetic fields" von Gudelev et al, Sov. J. Quantum electron. 18(2), Februar 1988, Seite 166, beschreibt einen Laser mit Helium-Neon-Ladung des vorbeschriebenen Typs, in welchem die verschiedenen Zonen des aktiven Mittellasers zueinander rechtwinkligen Magnetfeldern unterzogen sind, wobei der doppelbrechende Bestandteil von einem der den Hohlraum begrenzenden Fenster gebildet ist, welcher einer Druckspannung unterworfen ist.
Ein solcher Laser erlaubt es effektiv, zwei Wellen mit einer Frequenzdifferenz in Funktion der linearen Phasenanisotropie zu erhalten, welche 50 MHz im Beispiel des vorzitierten Dokumentes erreichen kann, wobei ein Resonanzhohlraum von 31 cm Länge verwendet wird.
Unabhängig von dem komplexen Aufbau weist der in dem vorzitierten Dokument beschriebene Laser wie die anderen bereits zur Erzeugung von zwei Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen vorgeschlagenen Laser Nachteile auf. Aufgrund der Tatsache, daß der optische Weg für beide Wellen der gleiche ist, sind die Arten der Oszillation sehr stark gekoppelt und es ist schwierig, gleichzeitige Oszillationen in den zwei reinen Zuständen ohne gegenseitige Beeinflussung zu erhalten. Die Regelung der Frequenzdifferenz ist schwierig und wenig zuverlässig, weil sie durch Modifikation einer Spannung bewirkt wird, die schwierig zu bewerten ist, und nicht durch eine Verschiebung eines Bestandteils.
Ein Laser nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist in der Druckschrift US-A-3 506 362 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laser mit zwei Frequenzen des vorbeschriebenen Typs zu schaffen, bei dem die beiden Wellen ausreichend im Mittellaser entkoppelt sind, um die Phänomene einer gegenseitigen Kupplung weitgehend zu vermeiden.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung insbesondere einen Laser vor, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Mittellaser an einem Ort des Hohlraums angeordnet ist, wo die beiden Wellen räumlich getrennt sind und daß zwei Lambdaviertelwellenplättchen, von denen eines neutrale Linien mit etwa 45º zu den Polarisationsachsen des doppelbrechenden Bestandteils aufweist, in der Bahn der beiden Wellen angeordnet sind, um diesen Wellen eine schraubenförmige Polarisation zwischen den Plättchen zu geben.
Durch Orientierung der Lambdaviertelwellenplättchen (desjenigen, das dem doppelbrechenden Bestandteil am nächsten ist) mit 45º zu den Polarisationsachsen dieses Bestandteils gleicht man die Lichtintensitäten der zwei Wellen aus und man vermeidet eine elliptische Polarisation. Die zwei Wellen entsprechen zwei reinen Zuständen, die unabhängig voneinander aufgrund der Tatsache funktionieren, daß die Wellen räumlich im Mittellaser getrennt sind. Die Lambdaviertelwellenplättchen und der doppelbrechende Bestandteil können derart angeordnet sein, daß die Bahnen der beiden Wellen räumlich im ganzen Laserresonanzhohlraum voneinander getrennt sind, aber es ist nicht unverzichtbar, diese Bedingung zu erfüllen, welche die Spannungen verstärkt.
Die Erfindung erlaubt es gleichermaßen, die Differenz zwischen den beiden Frequenzen leicht zwischen einem von 0 ausgehenden Bereich bis zu einem Wert, der durch die Intervallzwischenarten des Hohlraums fixiert ist, durch Rotation des Lambdaviertelwellenplättchens zu regeln, das am weitesten vom doppelbrechenden Bestandteil entfernt ist, dessen Orientierung nur wenig Einfluß auf das Gleichgewicht der Intensitäten hat. Diese Regelung kann durch die Regelung der Länge des Hohlraums komplettiert werden, was es erlaubt, die mittlere Frequenz der beiden Wellen zu regeln, d.h. die beiden reinen Zustände des Hohlraums. Aufgrund der Tatsache, daß die Variationen der mittleren Frequenz immer sehr gering bleiben, bleiben die Plättchen genau ein Lambdaviertelwellenplättchen, selbst wenn eine solche Regelung benutzt wird.
Der doppelbrechende Bestandteil wird im allgemeinen ein Kristall einer geläufigen Art sein, der es erlaubt, ein nicht polarisiertes Einfallen des Bündels in ein gewöhnliches Bündel und ein außergewöhnliches Bündel mit geradliniger gegenseitig rechtwinkligen Polarisationen zu trennen. Es ist nicht unverzichtbar, daß die Polarisation der gewöhnlichen und außergewöhnlichen Bündel absolut ist, weil die Polarisation durch die Funktion des Resonanzhohlraums und des aktiven Mittellasers verstärkt wird.
Die Erfindung läßt sich mit verschiedenen Arten von Lasern ausführen, insbesondere mit Lasern mit einer Gasladung und solchen mit einem Farbstoff. Der Laser gemäß der Erfindung ist im Patentanspruch 1 definiert. Verschiedene besondere Ausführungsformen dieser Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Diese zeigt in:
Fig. 1 ein nicht maßstäbliches Schema mit der relativen Anordnung der wesentlichen Bestandteile eines Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 ein Regelungsschaltungsschema für einen Laser nach Fig. 1 und in den
Fig. 3, 4 und 5 verschiedene Ausführungsformen eines Lasers ähnlich der Darstellung nach Fig. 1.
Der Laser nach Fig. 1 weist auf klassische Weise einen umschlossenen Raum 10 auf, der einen Mittellaser enthält und in einem Resonanzhohlraum angeordnet ist, welcher durch Spiegel 12 und 14 mit einem Reflektionskoeffizienten nahe 100 % bei einer mittleren Funktionsfrequenz begrenzt wird. Gemäß einer klassischen Anordnung ist einer der Spiegel 14 plan, während der andere Spiegel 12 sphärisch ist und auf den Spiegel 14 zentriert ist. Eine Membran 16, die in Nachbarschaft des Spiegels 12 angeordnet ist, selektiert den Haupttransversalmodus TEM&sub0;&sub0;
Gemäß der Erfindung enthält der Hohlraum die Bestandteile, welche die Erzeugung von zwei Wellen mit verschiedenen Frequenzen erlauben. Die Position der Membran 16 und die dieser in Fig. 1 gezeigten Bestandteile sind so, daß die reinen Zustände, d.h. die Bahnen der Wellen, räumlich voneinander in eine Fraktion des Hohlraums getrennt werden, welcher durch den Spiegel 14 begrenzt wird, der folglich ein planer Spiegel sein muß.
Die Bestandteile zur Erzeugung von zwei Wellen mit zwei im Mittellaser getrennten Bahnen weisen einen doppelbrechenden Kristall 18 auf, der zwei reine Achsen hat, welche jeweils parallel und rechtwinklig zur Figurenebene angeordnet sein sollen. Ein erstes Lambdaviertelwellenplättchen 20 für die mittlere Frequenz der beiden Modi ist in Nachbarschaft des doppelbrechenden Kristalls 18 angeordnet, seitlich des Kristalls, wo das gewöhnliche Bündel und das außergewöhnliche Bündel derselben Bahn folgen. Die neutralen Linien des Lambdaviertelwellenplättchens 20 sind mit 45º zu den reinen Polarisationsachsen des doppelbrechenden Kristalls 18 angeordnet, um die Lichtintensitäten der beiden in dem Hohlraum erzeugten Modi auszugleichen. Ein zweites Lambdaviertelwellenplättchen 22, das gleichfalls auf der gemeinsamen Bahn der beiden Bündel angeordnet ist, ist weiter vom Bestandteil 18 als das Lambdaviertelwellenplättchen 20 entfernt. Wenn man die Differenz Δν zwischen den reinen Frequenzen der beiden Modi regeln möchte, ist das Lambdaviertelwellenplättchen 22 derart ausgebildet, daß man dieses um die Achse des Bündels orientieren kann.
Wenn man mit:
- c die Lichtgeschwindigkeit,
- d die Länge des Resonanzhohlraums,
- den Winkel, der zwischen den neutralen Linien der dünnen Platte 22 und den reinen Polarisationsachsen des Kristalls 18 gebildet wird, und
- φ die Phasendifferenz zwischen der außergewöhnlichen Welle und der gewöhnlichen Welle bezeichnet, die durch den Durchtritt durch das Kristall hervorgerufen wird,
ist die Differenz Δν zwischen den reinen Frequenzen:
Δν = (c/2d)[(2 /Π)-(φ/Π)-(1/2)] (1)
Die Formel (1) zeigt, daß man im Prinzip die Frequenzdifferenz Δν in jedem Intervall von 0 bis c/2d regeln kann, d.h. in einem freien Spektralintervall des Hohlraums zwischen den beiden Modi. In der Praxis jedoch machen es die Wirkungen einer Annäherung erforderlich, es zu vermeiden, die Differenz unter einen unteren Wert zu reduzieren, der im allgemeinen bei einigen KHz liegt.
Der Laser kann mit einer Vorrichtung zur automatischen Aufrechterhaltung einer Frequenzdifferenz mit einem vorbestimmten Wert durch Steuerung des Plättchens 22 versehen sein. Er kann außerdem mit Mitteln versehen sein, die es erlauben, die mittlere Frequenz der beiden reinen Zustände in einem Bereich zu justieren und/oder zu stabilisieren, der durch das Variationsgesetz der Verstärkung im Mittellaser begrenzt ist. Die Figur 2 zeigt schematisch eine Schaltung, welche es erlaubt, automatisch den Durchschnitt der beiden Frequenzen auf einem Wert ν0 zu halten und die Differenz auf einen Wert Δν0, wobei die beiden Werte selbstregelbar sind.
Die Schaltung gemäß Fig. 2 weist zu diesem Zweck einen Detektor 24 für die optische Überlagerung der beiden Wellen auf, der die Ausflüsse quer durch den Spiegel 14 auffängt. Die Überlagerungsfrequenz wird mittels eines Filters 26 isoliert, auf welchen das elektrische Ausgangssignal des Detektors 24 angewendet wird. Ein Komparator 28 zwischen dem für die reelle Frequenzdifferenz repräsentativen Signal und einem Bezugswert Δν0 liefert an seinem Ausgang 30 ein Irrtumssignal, welches zur Steuerung eines Organs verwendet wird, das zum Drehen des Plättchens 22 dient, z.B. ein Schrittmotor.
Ein Teil der Lichtenergie der Wellen kann am Ausgang des Spiegels 14 durch eine halbtransparente Platte 32 getrennt werden und auf eine Unterjochungsschaltung 34 der Wellenlänge angreifen, die z.B. die Länge des Hohlraums durch Einwirkung auf eine den Spiegel 14 tragende piezoelektrische Keramik 36 regelt, um die Intensitäten der beiden Wellen auszugleichen.
In dem Zwischenraum zwischen den beiden Lambdaviertelwellenplättchen 20 und 22 haben die beiden stationären Wellen eine schraubenförmige Polarisierung. Demgegenüber haben die beiden Wellen eine gekreuzte Polarisierung jeweils mit 45º zu den neutralen Linien des benachbarten Lambdaviertelwellenplättchens außerhalb dieses Zwischenraums. Dies überträgt sich in dem Laser nach Fig. 1 aufgrund der Tatsache, daß:
- die beiden rechtwinkligen Polarisationsrichtungen von der Orientierung des Plättchens 22 am Ausgang des Spiegels 12 abhängen, wobei der oder die optischen Wege der Ausbreitung zusammenfließen,
- die gekreuzten Polarisationsachsen mit den reinen Polarisationsachsen des doppelbrechenden Kristalls 18 im Mittellaser 10 und am Ausgang des Spiegels 14 übereinstimmen.
Entsprechend der Eigenschaften, die man für die Austrittsbündel zu erhalten wünscht, wird man die Ausführungsform nach Fig. 1 wählen oder eine der nunmehr beschriebenen, um feste oder durch die Orientierung des Plättchens 22 gesteuerte Polarisationen zu erhalten, oder um zusammenfallende oder getrennte optische Ausbreitungswege von einer und/oder der anderen Seite des Laserresonanzhohlraumes zu erhalten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3, bei der dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwandt sind, sofern gleiche Teile bezeichnet sind, sind die Lambdaviertelwellenplättchen 20 und 22 zwischen dem den umschlossenen Raum 10 besetzenden Mittellaser und dem planen Spiegel 14 angeordnet. Das dem doppelbrechenden Kristall 18 am nächsten angeordnete Lambdaviertelwellenplättchen 20 weist neutrale Linien mit 45º zu den reinen Polarisationsrichtungen des Kristalls 18 auf. Bei dieser Ausführungsform drehen sich die Polarisationsrichtungen der Wellen, welche aus dem Laserhohlraum durch den planen Spiegel 14 austreten und verschiedenen optischen Bahnen folgen, mit dem Plättchen 22.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 sind die Lambdaviertelwellenplättchen 20 und 22 jeweils zu einer Seite des Mittellasers 10 angeordnet, was zur Polarisation mit denselben Eigenschaften wie bei der Fig. 3 führt.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Bestandteile zur Bildung von zwei Modi derart vorgesehen, daß die Zone des Hohlraums, in dem die reinen Oszillationszustände räumlich voneinander getrennt sind, keinen der beiden Spiegel 12 und 14 erreicht, welche folglich beide jeweils konkave Spiegel sind. Diese Bestandteile umfassen einen zweiten doppelbrechenden Kristall 18a, identisch zum ersten, der derart im Hohlraum angeordnet ist, daß die Ausbreitungsachsen der beiden reinen Zustände außerhalb einer den aktiven Mittellaser umschließenden Zone zusammenfallen, insbesondere nahe den beiden Spiegeln, wobei somit das System einen besseren Widerstand gegen Deformationen des Hohlraums aufweist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 läßt sich die Phasendifferenz Δν durch die folgende Formel ermitteln:
Δν = (c/2d)[(2 /Π)-(2φ/Π)-1/2)] (1 bis)
Die Phasendifferenz ist somit im Prinzip zwischen 0 und c/2d regelbar.
Die vorstehende Beschreibung zeigt, daß der Laser zusätzlich zu den klassischen Bestandteilen eines Lasers nur einfache Bestandteile hinzufügt. Er kann insbesondere ein Ladungsrohr in einer Mischung He-Ne, mit 3,39 um oder 633 nm, einen doppelbrechenden Kristall und zwei Lambdaviertelwellenplättchen aufweisen, welche einen den Kristall nicht enthaltenen Hohlraum begrenzen, aber den aktiven Mittellaser (Fig. 4) enthalten können oder nicht (Fig. 1, 3 und 5). Aber in jedem Fall erscheinen zwei gleichzeitige reine Zustände, die räumlich in dem aktiven Mittellaser getrennt sind.

Claims

1. Laser mit zwei Wellen verschiedener Frequenz, mit gegenseitig rechtwinkligen linearen Polarisationen, welcher einen Mittellaser, der in einem Laserresonanzhohlraum angeordnet ist, welcher durch Spiegel begrenzt und mit Anregungsmitteln des Mittellasers verbunden ist, und einen doppelbrechenden Bestandteil aufweist, der in der Bahn der beiden Wellen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Mittellaser an einem Ort des Hohlraums angeordnet ist, wo die beiden Wellen räumlich getrennt sind, und daß Lambdaviertelwellenplättchen (20,22), von denen eines neutrale Linien mit etwa 45º zu den Polarisationsachsen des doppelbrechenden Bestandteils (18) aufweist, in der Bahn der beiden Wellen angeordnet sind, um diesen Wellen eine schraubenförmige Polarisation zwischen den Plättchen zu geben und einen Raum im Hohlraum zu begrenzen, welcher nicht den doppelbrechenden Bestandteil enthält.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lambdaviertelwellenplättchen, welches mit 45º zu den Polarisationsachsen des doppelbrechenden Bestandteils (18) angeordnet ist, dem Bestandteil am nächsten ist.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Lambdaviertelwellenplättchen (22) orientierbar ist.

4. Laser nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Mittel (24,28) zur Steuerung der Orientierung des anderen Plättchens, um die Frequenzdifferenz auf einem vorbestimmten Wert zu halten, wobei die Mittel zur Steuerung Mittel zum Messen der Überlagerungsfrequenz zwischen den beiden Wellen aufweisen.

5. Laser nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittellaser von dem doppelbrechenden Bestandteil (18) und einem zusätzlichen doppelbrechenden Bestandteil (18a) eingerahmt ist.

6. Laser nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der doppelbrechende Bestandteil ein Kristall ist.