DE4303217A1 - Device for frequency-stabilisation of He-Ne internal mirror lasers - Google Patents

Abstract

The invention is based on the object of providing a quick adjustment device for controlling even large changes in resonator lengths, which adjustment device is suitable both for rapidly compensating fluctuations in ambient temperature and for modulation. According to the invention, this object is achieved in that the heater can be controlled and can be applied to the laser tube in the form of an electrically conductive layer, the layer preferably consisting of nickel, silver or a similar coating which is applied in a planar, bifilar or meandering structure with the aid of a coating agent. The invention relates to a device for frequency stabilisation of He-Ne internal mirror lasers on the main beam or on the rear beam, consisting of an optical assembly, a measuring transducer, a control unit, an electronic drive unit for the heater, and a heater as adjustment element of the control circuit. <IMAGE>

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fre­quenzstabilisierung von He-Ne-Innenspiegellasern am Hauptstrahl oder am rückseitigen Strahl, bestehend aus einer optischen Baugruppe, einem Meßwandler, einer Regeleinheit, einer Ansteuerelektronik für die Heizung und einer Heizung als Stellglied des Regelkreises.The invention relates to a device for Frerate stabilization of He-Ne interior mirror lasers onMain jet or on the rear jet, consistingfrom an optical assembly, a transducer,a control unit, control electronics forthe heater and a heater as an actuator of theControl loop.

Im Stand der Technik sind zur Frequenzstabilisie­rung von He-Ne-Innenspiegellasern verschiedene Ver­fahren bekannt, wie beispielsweise die 2-Moden-Sta­bilisierung, die Zeeman-Stabilisierung, Lamb-Dip etc. Die Wirkungsweisen dieser Verfahren stimmen darin überein, daß die Resonatorlänge und dadurch die Laserfrequenz konstant gehalten wird. Nachtei­lig ist dabei, daß dies bei Innenspiegellasern auf­grund der kompakten Bauweise nur indirekt erfolgen kann. Weiterhin ist für die Zeeman-, Lamp-Dip- oder ähnlichen Stabilisierungen eine zusätzliche Modula­tion der Resonatorlänge erforderlich, um die Meß­größe mit Hilfe der Lock-In-Technik phasenempfind­lich verstärken zu können.In the prior art are frequency stabilizationHe-Ne interior mirror lasers various Verdrive known, such as the 2-mode stabilization, Zeeman stabilization, Lamb dipetc. The effects of these procedures are correctagree that the resonator length and therebythe laser frequency is kept constant. Night egglig is that this occurs with interior mirror lasersdue to the compact design only indirectlycan. Furthermore, for the Zeeman, lamp dip orsimilar stabilizations an additional modulation of the resonator length required to measuresize with the help of the lock-in technique phase sensitivityable to strengthen. 

Nach GB-PS 1 448 676 und Applied Optics 12 (1973) 7, S. 1406 ist es bekannt, für die Resonatorlängen­änderung eine elektrischen Heizwicklung auf das Laserrohr aufzubringen. Weiterhin ist nach Optics Communications 55 (1985) 5, S. 367 ff und nach Applied Optics 28 (1989) 9, S. 1608 f bekannt auf das Laserrohr eine Heizfolie aufzubringen. Nachteilig sind hierbei die geringen Grenzfrequenzen und die langen Ansprechzeiten dieser Stellglieder. Deshalb sind sie nur als langsame Stelleinrichtungen, je­doch nicht zur Modulation der Resonatorlänge ge­eignet.According to GB-PS 1 448 676 and Applied Optics 12 (1973) 7,P. 1406 it is known for the resonator lengthschange an electric heating coil to thatApply laser tube. Furthermore, according to OpticsCommunications 55 (1985) 5, pp. 367 ff and afterApplied Optics 28 (1989) 9, p. 1608 f known to theLaser tube to apply a heating foil. Disadvantageousare the low cut-off frequencies and thelong response times of these actuators. That's whyare they just as slow actuators, everbut not for modulating the resonator lengthis suitable.

Ein weiteres Temperaturstellglied ist die induktive Heizung eines Spiegelhalters gemäß US-PS 4 819 246. Die Mängel dieses Verfahrens bestehen u. a. darin, daß speziell geformte Spiegelhalterungen erforder­lich sind, daß elektromagnetische Störstrahlungen entstehen und das starke Überhitzen der Spiegelhal­terung.Another temperature control element is the inductive oneHeating a mirror holder according to US Pat. No. 4,819,246.The shortcomings of this procedure exist. a. in this,that specially shaped mirror mounts requiredLich are that electromagnetic interferencearise and the excessive overheating of the Spiegelhalture.

Die mechanische Dehnung oder Stauchung des Laser­rohres mit Hilfe von Piezokeramiken, elektromecha­nischen Stellgliedern oder ähnlichen, die in Ap­plied Optics 19 (1980) 18, S. 3173 ff beschrieben sind, ist aufgrund der geringen möglichen Längenän­derung nicht dazu geeignet, große Resonator­längenänderungen auszuregeln. Aufgrund der hohen Grenzfrequenz werden diese Verfahren jedoch als zu­sätzliche Stelleinrichtung zur Modulation genutzt.The mechanical expansion or compression of the lasertubes with the help of piezoceramics, electromechaAfrican actuators or similar, which are described in Applied Optics 19 (1980) 18, p. 3173 ffare due to the small possible lengthsnot suitable for large resonatorto compensate for changes in length. Because of the highCutoff frequency, however, these methods are considered tooadditional control device used for modulation.

In neueren Untersuchungen wird der Entladestrom ge­nutzt, um sowohl die Verlustleistung und damit die Temperatur und Länge des Laserrohres (Applied Op­ tics 11 (1972) 4, S. 742 ff; PTB-Mitteilung (1973) 2, S. 83 ff; Japanese Journal of Applied Physics 23 (1984) 5, S. 593 ff) als auch eine scheinbare Än­derung der Resonatorlänge als optische Weglängenänderung über eine Brechzahlverschiebung des aktiven Mediums zu variieren (IEEE Journal of Quantum Electronics QE-23 (1987) 4, S. 427 ff). Nach­teilig ist bei dem ersten Verfahren die geringe Grenzfrequenz und bei dem zweiten die geringe mög­liche Längenänderung.In more recent studies, the discharge current is geuses both the power loss and thus theTemperature and length of the laser tube (Applied Op tics 11 (1972) 4, p. 742 ff; PTB announcement (1973)2, p. 83 ff; Japanese Journal of Applied Physics23 (1984) 5, p. 593 ff) as well as an apparent aenchange of the resonator length as opticalPath length change via a refractive index shiftof the active medium (IEEE Journal ofQuantum Electronics QE-23 (1987) 4, p. 427 ff). Afterthe small part is part of the first methodCutoff frequency and the second the low possiblechange in length.

Die aufgeführten Stellglieder eignen sich entweder zum Ausregeln von Umgebungstemperaturschwankungen bei niedriger Grenzfrequenz oder zur Modulation der Resonatorlänge. Deshalb werden bei Zeeman-, Lamb-Dip- oder ähnlichen Stabilisierungen ein langsames Stellglied mit einem großen Stellbereich (z. B. die elektrische Heizwicklung) und ein Modulationsstell­glied (z. B. die piezokeramische Dehnung des Laser­rohres) kombiniert.The actuators listed are either suitableto regulate ambient temperature fluctuationsat a low cut-off frequency or for modulating theResonator length. That is why Zeeman, LambDip or similar stabilizations a slow oneActuator with a large adjustment range (e.g. theelectrical heating winding) and a modulation controllink (e.g. the piezoceramic expansion of the lasertubes) combined.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schnelle Stelleinrichtung für die Regelung auch großer Resonatorlängenänderungen zu schaffen, die sowohl für das schnelle Ausregeln der Umgebungstem­peraturschwankungen als auch zur Modulation ge­eignet ist.The invention has for its object afast control device for the regulation tooto create large resonator length changes thatboth for the quick adjustment of the environmenttemperature fluctuations as well as for modulationis suitable.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Heizung regelbar ist und in Form einer elektrisch leitenden Schicht auf das Laserrohr auf­getragen ist, wobei die Schicht vorzugsweise aus einer Nickel-, Silber oder ähnlichen Beschichtung besteht, welche mit Hilfe von Lack in einer flächi­gen, bifilaren oder mäanderförmigen Struktur aufge­tragen ist.According to the invention, this object is achieved bythat the heating is adjustable and in the form of aelectrically conductive layer on the laser tubeis worn, the layer preferably made ofa nickel, silver or similar coating exists, which with the help of lacquer in a flatgene, bifilar or meandering structureis wearing.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 ange­geben.Further expedient design options of theInvention are set out in the subclaims 2 to 4give.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The invention is based on the in theDrawing illustrated embodiments closerexplained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Frequenzstabili­sierung eines He-Ne-Innenspiegellasers mit Hilfe eines analogen Reglers.Fig. 1 shows a device for frequency stabilization of a He-Ne internal mirror laser using an analog controller.

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Frequenzstabili­sierung eines He-Ne-Innenspiegellasers mit Hil­fe eines Analogreglers und eines Lock-In-Ver­stärkers zur Ableitung der Meßgröße.Fig. 2 shows a device for frequency stabilization of a He-Ne internal mirror laser with Hil fe an analog controller and a lock-in amplifier for deriving the measured variable.

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Frequenzstabili­sierung eines He-Ne-Innenspiegellasers mit Hil­fe eines Digitalrechners, der gegebenenfalls die Modulation der Resonatorlänge und die Ab­leitung der Meßgröße übernimmt.Fig. 3 shows a device for frequency stabilization of a He-Ne internal mirror laser with Hil fe a digital computer, which optionally takes over the modulation of the resonator length and the derivation of the measured variable.

Die inFig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Fre­quenzstabilisierung eines He-Ne-Innenspiegellasers1 verfügt über eine optische Baugruppe4, durch die ein bestimmter Teil des Hauptstrahles2 ausgeblen­det und durch einen Meßwandler5 in eine laserfre­quenzproportionale Regelgröße6 umgewandelt wird.The device shown inFig. 1 for frequency stabilization of a He-Ne interior mirror laser1 has an optical assembly4 through which a certain part of the main beam2 is deflected and converted by a transducer5 into a laser frequency-proportional variable6 .

Mit Hilfe der Führungsgröße7 wird die Regelabwei­chung8 gebildet, die von der analogen Regeleinheit9 verarbeitet und als Stellgröße10 über die An­steuerelektronik11 an die schnelle Heizung zur Re­sonatorlängenänderung12 weitergeleitet wird.With the help of the reference variable7 , the control deviation8 is formed, which is processed by the analog control unit9 and passed on as a control variable10 via the control electronics11 to the rapid heating for the change in sonator length12 .

InFig. 2 ist die inFig. 1 dargestellte Anord­nung so erweitert, daß die Resonatorlänge des He-Ne-Innenspiegellasers1 über einen Funktionsgenera­tor14 mit beispielsweise einer Sinusfunktion modu­liert und die Meßgröße6 über einen Lock-In-Ver­stärker13 phasenempfindlich verstärkt wird. Diese Anordnung eignet sich insbesondere zur Lamb-Dip- und Zeeman-Stabilisierung. Die Grenzfrequenz der Heizung12 ist ausreichend groß, so daß mit einem einzigen Stellglied sowohl die Temperaturänderung des Laserrohres ausgeregelt als auch die Resonator­länge moduliert werden kann.InFIG. 2, the Anord shown inFig. 1 is planning expanded so that the resonator length of the He-Ne internal mirror laser1 via a Funktionsgenera tor14 lines modu with, for example, a sine function and the measured variable6 more via a lock-in Ver13 is amplified phase sensitive. This arrangement is particularly suitable for Lamb Dip and Zeeman stabilization. The cut-off frequency of the heater12 is sufficiently large so that both the temperature change of the laser tube can be corrected and the resonator length can be modulated with a single actuator.

InFig. 3 handelt es sich um eine Anordnung, bei der durch den Meßwandler15 eine quantisierte Re­gelgröße16 erzeugt, von einem Digitalrechner17 verarbeitet und als quantisierte Größe23 an die Heizungsansteuerung24 und die Heizung12 weiterge­leitet wird. Diese Anordnung besitzt gegenüber der inFig. 1 und 2 dargestellten Ausführung den Vor­teil, daß komplexe, leicht veränderbare Regelalgo­rithmen und -parameter implementiert werden können.InFig. 3 it is an arrangement in which a quantized re gel size16 generated by the transducer15 , processed by a digital computer17 and passed on as a quantized size23 to the heater control24 and the heater12 . This arrangement has over the embodiment shown inFIGS. 1 and 2 the part before that complex, easily changeable control algorithms and parameters can be implemented.

Die Arbeitsweise der digitalen Regelung17 beruht im wesentlichen auf einem digitalen Regelalgorith­mus18, der aus der Meßgröße16 und der Regelungs­legende die Stellgröße22 berechnet und aus einem Steuerungsalgorithmus21, der das Anfahren in den Arbeitspunkt der Stabilisierung, die Arbeitsweise der Regelung etc. überwacht. Für die Lamb-Dip-, Zeeman-, oder ähnlichen Stabilisierung ist weiter­hin ein Modulationsalgorithmus20 zur Modulierung der Resonatorlänge und ein Lock-In-Algorithmus19 zur Ableitung der Meßgröße16 notwendig.The mode of operation of the digital control17 is essentially based on a digital control algorithm18 , which calculates the manipulated variable22 from the measured variable16 and the control legend, and on a control algorithm21 which controls the approach to the stabilization operating point, the control mode, etc. supervised. For the Lamb-Dip, Zeeman, or similar stabilization, a modulation algorithm20 for modulating the resonator length and a lock-in algorithm19 for deriving the measured variable16 are also necessary.

Für das Auftragen der Struktur der Heizung12 be­stehen verschiedene Möglichkeiten. Das kann im ein­fachsten Fall flächig, oder zur Vermeidung elektromagnetischer Felder vorzugsweise in bifila­rer, mäanderförmiger oder ähnlicher Struktur auf das Laserrohr12 erfolgen. Die Struktur sollte so gewählt sein, daß das Laserrohr radial gleichmäßig erwärmt wird, um Verkippungen der Resonatorspiegel zu vermeiden, die durch eine ungleichmäßige Erwär­mung des Laserrohres12 verursacht werden können.There are various options for applying the structure of the heater12 . In the simplest case, this can take place over a wide area, or, in order to avoid electromagnetic fields, preferably in bifila, meandering or similar structure on the laser tube12 . The structure should be chosen so that the laser tube is radially evenly heated to avoid tilting of the resonator mirror, which can be caused by an uneven heating of the laser tube12 .

Claims (4)

Translated fromGerman

1. Vorrichtung zur Frequenzstabilisierung von He-Ne-Innenspiegellasern (1) am Hauptstrahl (2) oder am rückseitigen Strahl (3), bestehend aus einer op­tischen Baugruppe (4), einem Meßwandler (5), einer Regeleinheit (9), einer Ansteuerelektronik für die Heizung (11) und einer Heizung (12) als Stellglied des Regelkreises,dadurch gekennzeichnet, daß die Heizung (12) regelbar ist und in Form einer elek­trisch leitenden Schicht auf das Laserrohr (1) auf­getragen ist, wobei die Schicht vorzugsweise aus einer Nickel-, Silber oder ähnlichen Beschichtung besteht, welche mit Hilfe von Lack in einer flächi­gen, bifilaren oder mäanderförmigen Struktur aufge­tragen ist.1. Device for frequency stabilization of He-Ne interior mirror lasers (1 ) on the main beam (2 ) or on the rear beam (3 ), consisting of an op-tical assembly (4 ), a transducer (5 ), a control unit (9 ), one Control electronics for the heater (11 ) and a heater (12 ) as an actuator of the control circuit,characterized in that the heater (12 ) is adjustable and in the form of an electrically conductive layer on the laser tube (1 ) is carried, the layer preferably consists of a nickel, silver or similar coating, which is applied with the help of lacquer in a flat, bifilar or meandering structure.2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Regelung der Heizung (12) mit ei­ner Schaltungsanordnung erfolgt, die aus einer op­tischen Baugruppe (4), einem Meßwandler (5), einem Lock-In-Verstärker (13), einer analogen Regelein­heit (9), einem Funktionsgenerator (14), einer An­steuerelektronik für die Heizung (11) und einer Heizung (12) besteht.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the control of the heater (12 ) is carried out with egg ner circuitry consisting of an op table assembly (4 ), a transducer (5 ), a lock-in amplifier (13 ) , an analog control unit (9 ), a function generator (14 ), control electronics for the heater (11 ) and a heater (12 ).3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein Regelalgorithmus (18) und ein Steuerungsalgorithmus (21) auf einem Digitalrechner (17) implementiert sind, der über eine Heizungsan­steuerung (24) mit der Heizung (12) verbunden ist.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that a control algorithm (18 ) and a control algorithm (21 ) are implemented on a digital computer (17 ) which is connected via a heating control (24 ) to the heater (12 ).4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­zeichnet, daß ein Modulationsalgorithmus (20) und ein Lock-In-Algorithmus (19) auf dem Digitalrechner (17) implementiert sind.4. The device according to claim 3, characterized in that a modulation algorithm (20 ) and a lock-in algorithm (19 ) are implemented on the digital computer (17 ).