DE3032026A1 - Doppel-gaslaser - Google Patents

Description

DOPPEL-GASLASER

Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppel-Gas laser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Es ist bekannt, daß die Strahlungsfrequenz eines Impuls-Lasergenerators stabilisiert werden kann, indem ein Dauerstrich-Lasergenerator entsprechender Frequenz dem Impuls-Lasergenerator als Pilot vorgeschaltet wird. Eine solche Anordnung ist beispielsweise in der Zeitschrift "Applied Optics", Vol. 17 Nr. 7, 1978, Seiten 1015 bis 1017 beschrieben. Der vom Dauerstrich-Lasergenerator ausgehende Strahl gelangt über eine Viertelwellenlängen-Lamelle und einen Polarisator in den Resonanzraum des Impuls-Lasergenerators. Jeder der beiden Generatoren besitzt einen auf einem piezoelektrischen Element befestigten Spiegel. Jedes der piezoelektrischen Elemente wird mit einer geeigneten Spannung versorgt, derart, daß die Frequenz des Dauerstrich-Lasergenerators und die Frequenz des Impuls-Lasergenerators stabilisiert werden.

Eine derartige Anordnung ist kompliziert und bedarf zweier getrennter Regelkreise für die Versorgungsspannungen der beiden piezoelektrischen Elemente. Außerdem ist es schwierig, Instabilitäten und eine Sättigung eines den Teil des Dauerstrich-Lasersfcrahls, der in den Impuls-Lasergenerator eintritt, messenden Detektors zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Doppel-Gaslaser der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß diese Mängel nicht mehr auftreten.

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Dieses Ziel wird durch den im Anspruch 1 gekennzeichneten Doppel-Gas laser erreicht. Bezüglich von Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gaslasers wird auf die Unteransprüche verwiesen.

Nachfolgend wird" die Erfindung anhand dieses bevorzugten Ausführungsbexspiels mithilfe der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Doppe1-Gaslaser.

Fig. 2 zeigt im Schnitt das Gasrohr eines in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendeten Dauerstrich-Lasers.

Fig. 3 zeigt in Perspektive den Gasumlauf in einem in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendeten Impuls-Lasergenerator.

Fig. 4 zeigt das elektrische Schaltschema für den Gaslaser nach Fig. 1.

Fig. 5 zeigt ein Betriebsdiagramm des Gaslasers gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Doppel-Gaslaser enthält im wesentlichen zwei Gaslaser-Generatoren, die auf einem gemeinsamen Gerüst 1, das auch als Gehäuse ausgebildet sein kann, entlang zweier zueinander paralleler Achsen 2 und 3 montiert sind. Der erste Lasergenerator entlang der Achse 2 ist ein Dauerstrich-Laser und enthält ein Gasrohr 4, das sich im Inneren eines durch zwei zueinander parallele Spiegel 5 und 6 begrenzten optischen Resonanzraums befindet. Der Spiegel 5 ist voll reflektierend, während der Spiegel 6 teilweise transparent ist und den Ausgangsstrahl durchläßt. Der andere Generator, der sich

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entlang der Achse 3 befindet, liefert Impulse und besitzt ein Gasrohr 7 innerhalb eines von zwei zueinander parallelen, teilweise transparenten Spiegeln begrenzten optischen Resonanzraums.

Die Spiegel 5 und 9 sind je auf einem Stapel von piezoelektrischen Keramikringen 10 und Il befestigt, zwischen denen sich jeweils Elektroden befinden. Der unterste Ring jedes Stapels ist auf einer ebenen Fläche 12 des Gerüsts 1 befestigt. Die anderen beiden Spiegel 6 und 8 sind direkt auf einer ebenen Fläche 13 des Gerüsts befestigt, und zwar parallel zu den Spiegeln 5 und 9 und in axialer Flucht mit diesen. Der Abstand zwischen dem Spiegel 5 und dem Spiegel 6, d.h. die Länge des ersten Resonanzraums, ist gleich dem Abstand zwischen den Spiegeln 8 und 9, d.h. der Länge des zweiten Resonanzraums. Die beiden aus den Stapeln von Keramikringen gebildeten piezoelektrischen Elemente 10 und 11 besitzen gleiche Höhenabmessungen, und die Spiegel 5, 6, 8 und 9 weisen gleiche Dickenabmessungen auf.

Das Gerüst 1 besteht aus einem einstückigen Rahmen

aus einem homogenen Material mit einem geringen Ausdehnungs-

(Quarz) koeffizienten. Es kann beispielsweise aus Kieselerde foder Nickelstahl bestehen. Das Gerüst kann, wie in Fig. 1 dargestellt, eine rechteckige Rahmenform besitzen.-Im Rahmen sind Öffnungen 14, 15 und 16 für .den Durchgang des Laserstrahls vorgesehen.

Die Anordnung· gemäß Fig. L enthält außerdem ein optisches System mit einem halbdurchlässigen Spiegel 17, der den Ausgangsstrahl 18 des Dauerstrich-Lasergenerators in zwei. Teilstrahlen aufteilt. Der den Spiegel 17 durchdringende Teil

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des Strahls 18 wird über zwei Umlenkspiegel 19 und 20, zwischen denen sich ein optisches Entkopplungssystem 56 befindet, entlang der Achse 3 in den Impuls-Lasergenerator eingespeist. Das System 56 kann aus einer Viertelwellenlängen-Lamelle und einem Polarisator bestehen, ähnlich wie dies im oben erwähnten Artikel beschrieben ist.

Der im halbdurchlässigen Spiegel 17 abgelenkte Teilstrahl 22 gelangt in einen elektro-optischen Modulator 21, z.B. eine Stark-Zelle. Der Ausgang des Modulators 21 ist an einen Detektor 23 angekoppelt. Ein Synchrondetektor 24 besitzt zwei Eingänge, von denen der eine an den Ausgang des Detektors 23 angeschlossen ist und der andere an einen Bezugs-Wechselspannungsgenerator, der außerdem die Modulationsspannung für den elektro optischen Modulator 21 liefert. Der Ausgang des Synchrondetektors 24 ist über einen Verstärker 57 an die Elektroden der piezoelektrischen Elemente 10 und 11 angeschlossen. Die Elektroden der beiden piezoelektrischen Elemente werden also parallel mit der Stellspannung des Regelkreises versorgt^und die Einzelelektroden eines Stapels werden ebenfalls parallel mit der Stellspannung versorgt.

Fig. 2 zeigt genauer das Laserrohr 4 des Dauerstrich-Lasergenerators. Dieses Rohr 4 besteht im wesentlichen aus einem Glasrohr 26, dessen Enden an zwei seitliche Öffnungen 27 und angeschlossen sind und über diese Öffnungen an den Kreislauf des aktiven Lasergases angeschlossen sind.Als Lasergas dient beispielsweise eine Mischung aus Helium, Kohlenstoffgas und Stickstoff bei einem Druck von etwa 1333 Pa. Zwei seitliche

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Verlängerungen 29 und 30 des Rohres 26 enthalten Elektroden 31 und 32, die an die beiden Ausgangspole einer stromstabilisierten Hochspannungsquelle 33 angeschlossen sind. Das Rohr 26 ist von einer Hülle 34 umgeben, in der eine Kühlflüssigkeit wie z.B. Wasser zwischen zwei Öffnungen 35 und 36 zirkuliert. Stirnseitig ist das Rohr 26 durch zwei transparente Fenster 37 und 38 verschlossen.

Fig. 3 zeigt einen Kanal 39 mit Rechteckquerschnitt, in dem das aktive Gas des Impuls-Lasergenerators entlang der Achse 3 (Fig. 1) zirkuliert. Dieses Gas gleicht dem Gas des Dauerstrich-Lasergenerators. Es strömt unter Atmosphärendruck von einem Eingang 40 zu einem Ausgang 41, die sich seitlich am Kanal 39 befinden. Eine Seitenfläche des Kanals 39 wird von der Anode 42 gebildet, während die Kathode 43 sich im Inneren des Kanals auf der der Anode gegenüberliegenden Seite befindet. Isolierte Leiter 44 sind in die Kathode 43 eingesetzt. Der Kanal 39 wird stirnseitig durch zwei nicht dargestellte transparente Fenster verschlossen und bildet somit das Rohr 7 aus Fig. 1.

Fig. 4 zeigt das elektrische Schaltbild der Elektroden 42 und 43 und der isolierten Leiterdrähte 44 gemäß Fig. 3. Der Schaltkreis enthält einen Kondensator 45, der aus einer Hochspannungsquelle 46 über einen Widerstand 47 in Reihe mit der Primärwicklung 48 eines Transformators 49 geladen wird. Ein Unterbrecher 5O liegt parallel zur Serienschaltung des Kondensators 45 und der Wicklung 48 und besteht aus einer Funkenstrecke, die beispielsweise mithilfe eines elektrischen, von einem

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Impulsgenerator 51 stammenden Impulses kurzgeschlossen werden kann. Die Anschlüsse der Sekundärwicklung 52 des Transformators sind an die beiden Pole eines Kondensators 53 angeschlossen, sowie an die Anode 42 bzw. die Kathode 43. Die isolierten elektrischen Drähte 44 sind über einen Kondensator 54 mit der Anode 42 verbunden.

Die Betriebsweise des oben beschriebenen Doppel-Gaslasers wird nunmehr beschrieben.

Der Dauerstrich-Gaslasergenerator wird eingeschaltet, indem die Hochspannungsquelle 33 (Fig. 2) eine Spannung liefert und Aktivgas im Rohr 26 umläuft. Die Leistung des Teilstrahls 22 wird im Modulator 21 mit der vom Bezugswechselspannungsgenerator 25 gelieferten Wechselspannung moduliert. Fig. 5 zeigt in Form einer Kurve die Abhängigkeit der Leistung P des Dauerstrich-Lasergenerators von der Sendefrequenz f, die wiederum von der Länge des Resonanzraums zwischen den beiden Spiegeln 5 und 6 abhängt. Die Modulation At, deren Amplitude gleich der Frequenz des Bezugsspannungsgenerators 25 ist, entspricht an einem Arbeitspunkt N der Kurve einer Leistungsmodulation ^P des Laser-

durch generators. Da die Arbeitskennlinie/ein Maximum M läuft, die der Frequenz fo entspricht, verringert sich die Leistungsmodulation Λ P bei Annäherung des Arbeitspunktes N an dieses Maximum. Der in Fig. 1 dargestellte Regelkreis fördert diese Annäherung und führt dazu, daß die Sendefrequenz des Dauerstrich-Lasers dem festen Wert fo entspricht. Hierzu wird das Modulationssignal mit der Amplitude ZlP mit dem Bezugssignal Λf im Synchrondetektor 24 verglichen. Dieser liefert ein nach Absolutwert und Vorzeichen repräsentatives Signal für die Phasenabweichung zwischen dem Modulationssignal Δ P und dem Bezugssignal. Nach

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Verstärkung in einem Verstärker 57 dient dieses Signal der Ansteuerung der Elektroden des piezoelektrischen Elements Dadurch wird der Abstand der beiden Spiegel 5 und 6 im Sinn einer Verringerung der Phasenverschiebung verändert. Ist diese Phasenverschiebung Null, dann liegt die Frequenz des Dauerstrich-Lasergenerators bei der Frequenz fo.

Schließt man den Unterbrecher 50, dann entlädt sich der vorher aufgeladene Kondensator 45 über die Primärwicklung 48 des Transformators 49. Der Kondensator 53 lädt sich dabei auf, bis die Spannung an seinen Polen hinreichend groß wird um eine Entladung im Kanal 39 zwischen den Elektroden 42 und 43 zu bewirken, wobei der Kanal von einem aktiven Gas durchströmt wird. Die isolierten Leiterdrähte 44, die sich auf dem Potential der Anode befinden, homogenisieren diese Entladung, die senkrecht zur Achse 3 verläuft.

Der Strahl 55, der aus dem Impulslasergenerator über den Spiegel 9 austritt, besteht also aus der Überlagerung der Strahlung in Impulsform, die aus dem aktiven Gas im Rohr 7 stammt, und der Dauerstrahlung, die aus dem aktiven Gas im Rohr 4 stammt. Letztere, gelangt.in den zweiten Resonanzraum mit den Spiegeln 8 und 9, über das System 56, das verhindert, daß Impulse, die vom zweiten Resonanzraum, ausgehen, wieder in den Dauerstrich-Laser zurückgekoppelt.werden. · .. , ■ Die..Leistung des Dauerstrich-Lasergenerators ist

vernachlässigbar im. Vergleich mit der Leistung des Impuls-Lasergenerators., ..Die. Einspeisung des Dauerstrich-Strahls in den zweiten Resonanzraum mit den Spiegeln 8 und 9 führt zu einer

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Stabilisierung der Frequenz des Strahls in Impulsform.

Die Stabilisierung der Strahlungsfrequenz des Impuls-Lasergenerators wird dadurch besonders wirksam, daß die Längen der beiden Resonanzräume, d.h. die Abstände zwischen den Spiegeln 5 und 6 sowie 8 und 9 dauernd denselben Wert aufweisen. Dies wird erreicht, indem die beiden Resonanzräume in einem gemeinsamen Gerüst 1 montiert sind, das aus einem Stück eines homogenen Materials mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten gebildet wird. Die geringen Längenveränderungen der Resonanzräume aufgrund der Temperaturschwankungen werden mithilfe des Regelkreises kompensiert, der in gleicher Weise auf die beiden Resonanzräume einwirkt, da die beiden piezoelektrischen Elemente IO und 11 parallel angesteuert werden.

Die Erfindung findet insbesondere Anwendung beim Aufbau von Fernmeßgeräten, die nach Art eines Heterodyn-Detektors arbeiten.

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Leerte

Claims (1)

1. Fo Il 699 D

   2 5. ΑίίΏ, 198Q

   COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE S.A. 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 Frankreich

   DOPPEL-GASLASER

   PATENTANSPRÜCHE

   y- Doppel-Gaslaser, bestehend aus einem Dauerstrich-Lasergenerator mit einem von zwei Spiegeln begrenzten ersten Resonanzraum, wobei einer der Spiegel auf einem piezoelektrischen Element befestigt ist, so daß durch Anlegen einer Gleichspannung an dieses Element die Länge des Resonanzraums bestimmt wird, und aus einem nachgeschalteten Impuls-Lasergenerator mit einem von zwei teiltransparenten Spiegeln begrenzten zweiten Resonanzraum, wobei auch hier einer der Spiegel auf einem piezoelektrischen Element befestigt ist, das mit einer Gleichspannung versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lasergeneratoren in einem gemeinsamen einstückigen Gerüst (1) aus einem homogenen Material untergebracht sind, das zwei zueinander parallele Seitenflächen (12, 13) aufweist, daß auf einer dieser Flächen die beiden piezoelektrischen Elemente (10, 11) mit ihren Spiegeln (5, 9) und auf der anderen die beiden restlichen Spiegel (6, 8) befestigt sind, und daß die beiden Elemente (10, 11) parallel mit einer gemeinsamen Gleichspannung versorgt werden, derart, daß die optischen Längen der beiden Resonanzräume einander gleich sind.

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   2 - Doppel-Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannung, mit der die beiden piezoelektrischen Elemente (10, 11) versorgt werden, aus einem Synchrondetektor (24) abgeleitet wird, der eine vom Vorzeichen und der Amplitude der Phasenverschiebung zwischen einer Bezugswechselspannung und dem Ausgangssignal eines Wechsel

   -.(23)
   signaldetektors \ abhängiges Signal liefert,und daß ein elektro optischer Modulator (21) vorhanden ist, in dem ein Teil der Energie des Dauerstrich-Lasers mit der Bezugswechselspannung moduliert wird und dessen Ausgangssignal dem Signaldetektor (23) zugeführt wird.

   3 - Doppel-Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß das Gerüst (1) aus Kieselerde besteht.

   4 - Doppel-Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerüst (1) aus Nickelstahl besteht.

   5 - Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Gase der beiden Generatoren die gleiche Zusammensetzung besitzen.

   6 - Doppel-Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß das aktive Gas des Impuls-Gas lasers unter Atmosphärendruck steht und daß Anregungsmittel für den Impulsgaslaser vorgesehen sind, die ein im wesentlichen senkrecht zur Emissionsachse des Impulslasers gerichtetes elektrisches Feld erzeugen.

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   7 - Doppel-Gaslaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Weg zwischen den beiden Lasergeneratoren ein optisches Entkopplungssystem (56) liegt, das verhindert, daß vom Impulslaser ausgehende Impulse in den Resonanzraum des Dauerstrich-Lasers eindringen.

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