DE4139833C2 - Abstimmbares Zweifrequenz-Lasersystem für Superheterodyn-Interferometer - Google Patents

Description

Absolut messende Interferometer nach dem Superheterodyn-Verfahren ermöglichen es, Abstandsmessungen über relativ große Distanzen mit einer relativen Auflösung von besser als 10^-6, bezogen auf die absolute Distanz, vorzunehmen. Ein besonderer Vorteil dieser Superheterodyn-Interferometer liegt darin, daß sie zwar einerseits optisch, d. h. mit Hilfe von ausgesandter Laserstrahlung messen, die Meßgröße selbst jedoch aus einer sogenannten synthetischen Wellenlänge bestimmt wird, welche, meist im Mikrowellenbereich liegend, durch Überlagerung zweier Laserwellenlängen mit nur geringer Wellenlängendifferenz erzeugt wird.

Aus der DE 38 01 110 A1 ist ein Lasersystem mit zwei Laserdioden im longitudinalen Einmodenbetrieb bekannt, bei dem eine Laserdiode unter thermischer Einflußnahme in ihrer Emissionswellenlänge periodisch moduliert wird und so die beiden entstehenden Laserfrequenzen eine Differenzfrequenz aufweisen. Für eine optimale Heterodyn-Interferometrie sind jedoch die zu erzielenden Meßgenauigkeiten noch zu gering.

In der DE 36 09 371 A1 ist ein Zeitbereichsreflektometer mit Heterodyn- Empfang offenbart, bei dem ebenfalls Laserdioden eingesetzt werden, wobei die Differenzfrequenz bei einem Wert zwischen 0,5 und 15 GHz liegt. Auch hier trifft das vorstehend zum Stand der Technik Gesagte zu.

Aus der Druckschrift KAZOVSKY, L.G., ATLAS, D. A: "Miniature Nd: YAG-Lasers: Noise and Modulation Characteristics", in US-Z: Journal of Lightwave Technology, Vol. 8. No. 3, 1990, pp 294-301, ist ein Festkörperlasersystem mit Miniatur-Ringglasern beschrieben, mit dem jedoch eine erforderliche Abstimmung der Zwischenfrequenz von 0 GHz bis 30 GHz nicht durchführbar ist.

Eine bevorzugte Methode zur Erzeugung von Laserstrahlung mit sehr kleiner Linienbreite ist die Verwendung von sogenannten Mikrokristall-Lasern, wie sie zum Beispiel in EP 0327310 A2 beschrieben sind. Aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften emittieren diese vorzugsweise diodengepumpten Festkörperlaser im infraroten oder sichtbaren Wellenlängenbereich, bei Linienbreiten, welche typisch kleiner als 10 kHz sind.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Zweifrequenz-Lasersystem mit Mikrokristall-Festkörperlasern zu schaffen, die im Frequenzbereich von etwa 0 bis 30 Gigahertz entsprechend einer synthetischen Wellenlänge von 1 cm bis nahezu unendlich, durch Temperaturänderung ohne Modensprünge durchstimmbar sind.

Diese Aufgabe wird durch das Zweifrequenz-Lasersystem nach Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Anordnung basiert auf der Verwendung von sogenannten monolithischen Mikrokristall-Lasern, was besagt, daß ein Laserkristall Verwendung findet, welcher so geartet ist, daß die zum Laserbetrieb notwendigen Spiegel direkt auf den Laserkristall aufgebracht sind. Weiterhin sind die Abmessungen des monolithischen Laserkristalles so gewählt, daß eine hinreichend kurze Resonatorlänge resultiert, aufgrund derer der Mikrokristall- Laser nur auf einer einzelnen longitudinalen Mode emittiert. Die monolithische Anordnung des Laserresonators hat insbesondere zur Folge, daß die Laserstrahlung eine ausgesprochene geringe Linienbreite aufweist und einem deutlich reduzierten Frequenzjitter unterworfen ist im Vergleich zu halbmonolithischen oder externen Resonatoraufbauten.

Die Emissionswellenlänge eines solchen Mikrokristall-Festkörperlasers kann insbesondere dadurch beeinflußt werden, daß man die Temperatur des Laserkristalles in kontrollierter Weise verändert. So resultiert zum Beispiel eine Temperaturänderung von 1 Kelvin im Falle des bekannten Nd :YAG Materials in einer Linienverschiebung von typisch 4,6 GHz, wobei diese Linienverschiebung zum einen zurückzuführen ist auf eine Längenänderung des Laserkristalles (ca. 3,1 GHz/K), und zum anderen auf einer Niveauverschiebung der am Laserprozeß beteiligten Enegieniveaus der Elektronenhülse des Aktivatorions (ca. 1,4 GHz/K).

Da die Laserfrequenzen derart gegeneinander verschoben werden sollen, daß eine Differenzfrequenz von 0 bis etwa 30 Gigahertz erzielt wird, werden in vorliegender Ausführung zwei Mikrokristall-Laser aus identischem Material so aufgebaut , daß bei Überlagerung ihrer Laseremission die gewünschte synthetische Wellenlänge im oben erwähnten Frequenzbereich erzeugt werden kann.

Bei der Auswahl des Lasermaterials und der Resonatorlänge ist einerseits zu beachten, daß die Floreszenzlinienbreite des Lasermaterials hinreichend breit ist, um einen erforderlichen Abstimmbereich von ca. 0 bis 30 Gigahertz zu ermöglichen, andererseits der Resonator hinreichend kurz ist, so daß nur eine einzelne longitudinale Mode auftritt. Drittens ist die Resonatorläng so zu wählen, daß bei Raumtemperatur die Lasermode in der Mitte des Verstärkungsprofiles zu liegen kommt, so daß bei Temperaturänderungen um diesen stabilen Punkt herum keine Modensprünge im Bereich des Abstimmens von 0 bis 30 Gigahertz auftreten.

Es wird weiter davon ausgegangen, daß die Mikrokristall-Laser mit Halbleiter- Laserdioden optisch angeregt werden, was dem Stand der Technik entspricht (s. auch hierzu EP 0327310 A2). In der folgenden Beschreibung wird die optische Anregung der Laserkristalle vorausgesetzt und nicht weiter darauf Bezug genommen.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und der Beschreibung, worin anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigt

Fig. 1a-d schematisch die erfindungsgemäße Anordnung mit getrennten Elementen zur Temperaturregelung für beide Laserkristalle und Diagramme für ihr Verhalten,

Fig. 2a-b eine Anordnung mit gemeinsamen Peltierelement für die beiden Laserkristalle und Diagramme für ihr Verhalten,

Fig. 3a-e eine Anordnung mit getrennten Peltierelementen für die beiden Laserkristalle zur Durchführung der Wellenlängen mit Diagrammen für ihr Verhalten,

Fig. 4a-b eine Anordnung mit gemeinsamen Peltierelementen für die beiden Laserkristalle zur Durchstimmung der Wellenlängen mit einem Diagramm für ihr Verhalten,

Fig. 5a-b eine weitere Anordnung mit gemeinsamem Peltierelement für die beiden Laserkristalle mit einem Diagramm für ihr Verhalten, und

Fig. 6a-c eine weitere Anordnung mit zweiteiligem Peltierelement für die beiden Laserkristalle mit einem Diagramm für ihr Verhalten.

In einer einfachen Ausführung nach Fig. 1 werden zwei Laserkristalle geeigneter gleicher Resonatorlänge so gehaltert, daß einer der beiden Laserkristalle 1 zum Beispiel mit Hilfe eines Peltierelementes 2 aufgeheizt bzw. abgekühlt werden kann, wohingegen der zweite Laserkristall 3 mit einer einfachen Wärmesenke 4 in Verbindung steht. Ein idealer Betrieb dieser Anordnung gemäß der Aufgabe der Erfindung wäre nun dadurch gegeben, daß gemäß der Fig. 1b der temperaturkontrollierte Laser im zeitlichen Wechsel genau so aufgeheizt bzw. abgekühlt wird, daß die Laserwellenlänge respektive die Laserwellenlängenfrequenz sich periodisch in Form einer Dreiecksfunktion ändert. Der zweite Laser wird hierbei in seiner Frequenz konstant gehalten, so daß, wie im Diagramm 1b eingezeichnet, die Differenzfrequenz im zeitlichen Verlauf ebenfalls einer idealen Dreiecksfunktion entspricht. Hierbei sollte der Frequenzhub so gewählt werden, daß der erforderliche Abstimmbereich von 0 bis 30 Gigahertz erreicht wird. Der erforderliche Hub der Temperaturänderung ergibt sich hierbei aus der spezifischen Frequenzänderung mit der Temperatur, die Starttemperatur ergibt sich aus der Wellenlängendifferenz der beiden Laser bei gleicher Temperatur, gerade so, daß die Funktion der Frequenzänderung die konstante Funktion der Frequenz des zweiten Lasers berührt.

Da unter realen Bedingungen die Laserfrequenz des unkontrollierten Lasers sich z. B. mit der Raumtemperatur ändern kann, ist es für den praktischen Betrieb günstiger, den Frequenzshift des unkontrolllierten Lasers 3 etwa zu erhöhen und einem negativen Offset derart zu unterwerfen, daß die Dreiecksfunktionen der Frequenzänderung die konstante Funktion des frequenzkonstanten Lasers schneidet. Die Differenzfrequenz der beiden Laser ergibt sich hierbei gemäß Fig. 1c resultierend in einer periodischen Funktion mit zwei Dreicksspitzen innerhalb einer Periode, wobei die Amplitudendifferenz der beiden Dreiecksspitzen durch den Frequenzoffset des temperaturkontrollierten Lasers gegeben ist.

Da der Wirkungsgrad von kälteerzeugenden Systemen immer kleiner als 1 ist, müßte die Temperaturansteuerung für das Heiz- bzw. Kühlsystems, in diesem Falle z. B des Peltierelementes 2, so aussehen, daß zur Erzielung einer idealen Dreiecksfunktion für die Differenzfrequenz der Laserkristall über eine kürzere Zeitspanne geheizt und über eine längere Zeitspanne abgekühlt wird, so daß Aufheizungs- und Abkühlungsprozeß temperaturmäßig gleich schnell verlaufen. Da andererseits der Wirkungsgrad eines solchen Peltierelementes stark von der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur der Wärmesenke abhängt, erzeugt ein solches System unter realen Betriebsbedingungen selten eine ideale Dreiecksfunktion in der Frequenzänderung, vielmehr verläuft wie in Fig. 1d unter realen Bedingungen der Aufheizprozeß meist schneller als der Abkühlungsprozeß, wodurch auch eine asymmetrische Funktion der Differenzfrequenz beider Laser resultiert.

Dieses Problem kann dadurch behoben werden, daß beide Laser also sowohl der temperturkontrollierte Laser 1 als auch der temperaturkonstante Laser 3 ihrerseitse auf einen Peltierelement 5 befestigt werden (Fig. 2a), welches auf konstanter Temperatur gehalten wird. In diesem Falle wird die Wärmesenkentemperatur kontrolliert, so daß unabhängig von Raumtemperaturänderungen eine relativ ideale Dreiecksfunktion in der Frequenzänderung gemäß Fig. 2b erzielt wird.

Nachteil einer Anordnung, bei welcher ein Laser bei konstanter Frequenz betrieben wird, ist, daß gerade in diesem Falle die Emissionswellenlänge des abgestimmten Lasers nicht in der Mitte des Verstärkungsprofiles bei Raumtemperatur liegen kann, sondern vielmehr die longitudinale Mode einseitig von einer Seite des Verstärkungsprofiles zur anderen Seite des Verstärkungsprofiles geschoben werden muß. Eine solche Anordnung ist also nur in bestimmten Rahmen in der Wellenlänge veränderbar, begrenzt durch das Einsetzen von Modensprüngen an den Rändern des Verstärkungsprofiles.

Ein größerer Durchstimmbereich kann erzielt werden, in dem wie in Fig. 3a skizziert, beide Laserkristalle in der Temperatur gegeneinander verfahren werden, in der Wellenlänge also gegeneinander durchgestimmt werden. Fig. 3b zeigt hierbei das periodische Verhalten der Laserfrequenz beider Laser sowie das periodische Verhalten der Differenzfrequenz. Die Phasendifferenz für das periodische Aufheizen und Abkühlen der beiden Laser beträgt hierbei 180 Grad, die maximale Differenz des einen Lasers wird gerade so gewählt, daß sie mit der minimalen Frequenz des anderen Lasers zusammenfällt und so ein Nulldurchgang in der Differenzfrequenz erzielt wird. Fig. 3c zeigt das Abstimmverfahren unter realen Bedingungen, bei denen auch eine negative Differenzfrequenz zwischen den beiden Laserfrequenzen auftreten kann; zu beachten ist, daß in den Diagrammen als dritte Kurve immer der Betrag der Differenzfrequenz aufgetragen ist, aus welchem sich letztlich die Größe der synthetischen Wellenlänge berechnet.

Bei dieser Art der Temperatursteuerung ist streng darauf zu achten, daß der Heiz/Kühlzyklus für beide Peltierelemente genau gleich ist, anderenfalls es zu einem Frequenzverhalten gemäß Fig. 3d kommen würde. Diagramm 3e zeigt das Abstimmverhalten unter dem Einfluß von Raumtemperaturschwankungen, welche insbesondere in Wirkungsgradschwankungen der Kühlsysteme resultieren. Das kommt daher, daß Aufheiz- und Abkühlprozeß verschieden lange dauern und somit im zeitlichen Verlauf der Differenzfrequenz Asymmetrien auftreten können.

Dieses Problem kann, wie oben gezeigt, dadurch umgangen werden, daß nach Fig. 4a beide temperaturgeregelten Laserkristalle auf einem gemeinsamen Peltierelement 5 plaziert werden, so daß die Außentemperaturschwankungen abgeblockt werden und die Wärmesenkentemperatur der die Frequenzänderung bestimmenden Peltierelemente konstant gehalten wird. Das Frequenzverhalten dieses Systemes ist in Fig. 4b dargestellt.

Fig. 5a zeigt eine weitere bevorzugte Anordnung nach der Erfindung, bei welcher die Aufheiz- bzw. Abkühlprozesse für beide Laserkristalle so miteinander gekoppelt sind, daß kein spezieller Abgleich der Ansteuerungsphasen bzw. der Wärmeleistung zweier unterschiedlicher Peltierelemente vorgenommen zu werden braucht, und zwar dadurch, daß zwei Mikrokristallaser 1 und 3 auf jeweils einer gegenüberliegenden Seite desselben Peltierelementes 6 angebracht werden. Während also der eine Kristall abgekühlt wird, wird der auf der anderen Seite des Peltierelementes befindliche Kristall gleichzeitig aufgeheizt. Frequenzverhalten bzw. die Differenzfrequenz für dieses System ist aus Fig. 5b zu entnehmen.

Da Peltierelemente, wie bereits gesagt, mit einem Wirkungsgrad kleiner 1 arbeiten, resultiert eine Abkühlung der kalten Seite um Δt1 in einer Aufheizung der warmen Seite um Δt2<Δt1. Bei zyklischer Aufheizung/Abkühlung des Pelterielementes bleibt zwar die Wellenlängendiffernez beider Laserwellenlängensysteme beschränkt, die Absolutionstemperatur der Kalt- bzw. Heißseite eines Zyklus steigt jedoch stetig an, wie in Fig. 5b skizziert. Bei hinreichend langem Betrieb eines solchen Systems käme es sozusagen zu einem Temperaturkollaps.

Montiert man dieses Peltierelement 6 entsprechend Fig. 6a so auf einem zweiten, senkrechten hierzu befindlichen Peltierelement 7, daß sowohl Heiß- als auch Kaltseite eines Zyklus des die Laserfrequenz beeinflussenden Peltierelementes auf die Kaltseite des zweiten Peltierelementes kontaktiert werden über Wärmekontakte 8 mit definierter Wärmeleitfähigkeit, also quasi ein thermischer Kurzschluß des ersten Peltierelementes 6, und regelt man die Kaltseitentemperatur des zweiten Peltierelementes gerade so, daß über das zweite Peltierelement genau die Wärmemenge transportiert wird, welche der Verlustwärme des ersten Peltierelementes entspricht, so kann bei hinreichend kurzer Periodendauer das Aufheiz-/Abkühlungsprozeß des ersten Peltierelementes ein Fig. 5b analoges Abstimmverhalten nach Fig. 6b erzeugt werden, mit dem Unterschied, daß der stetige Anstieg der Absoluttemperatur respektive der Absolutfrequenz verhindert wird. Dies funktioniert aber lediglich in diesem Falle, in welchem die Abstimmrate für die Frequenzänderung hinreichend kurz ist. Weitere Einflußgrößen sind hierbei die thermische Leitfähigkeit des Verbindungsmaterials 8 der beiden Peltierelemente und die spezifische Wärmekapazität der Laserkristalle. Fig. 6c skizziert das Abstimmverhalten im realen Laserbetrieb, bei dem das zweite Peltierelement reinen Temperaturschwankungen im Regelprozeß unterworfen ist. In der Figur ist hierbei das Verhalten über einen längeren Zeitraum betrachtet.

Bei hinreichend langer Periode des Temperaturregelprozesses für Peltierelement 7 und hinreichend kurzer Periode für Peltierelement 6 können die hieraus resultierenden Schwankungen im Differenzfrequenzhub jedoch vernachlässigt werden.

Zusammenfassend werden mehrere Ausführungsformen von diodengepumpten Mikrokristall-Festkörperlasern vorgestellt, welche es ermöglichen, eine Frequenzverschiebung von zwei bei ähnlicher Wellenlänge emittierenden Festkörperlasern im Bereich von 0 bis 30 Gigahertz zu erzeugen, so daß bei Überlagerung der Laserstrahlung eine synthetische Wellenlänge von 1 cm bis nahezu unendlich erzielt werden kann. Kennzeichnend hierfür ist, daß die Differenzfrequenz weitgehend linear ist, die Differenzfrequenz den zeitlichen Verlauf einer Dreiecks- oder Sägezahnfunktion annimmt und einen Nulldurchgang aufweist.

Claims (6)

1. Abstimmbares Zweifrequenz-Lasersystem für Superheterodyn-Interferometer mit folgenden Merkmalen:

• a) das Zweifrequenz-Lasersystem enthält zwei Mikrokristall-Laser (1, 3), deren Mikrokristalle monolithisch verspiegelt sind und Resonatoren für die Laserstrahlung bilden,
• b) die Resonatoren für die Laserstrahlung sind so kurz, daß nur eine longitudinale Schwingungsmode anschwingen kann, die bei Raumtemperatur in der Mitte des Verstärkungsprofils liegt, so daß bei der Frequenz- Durchstimmung keine Modensprünge auftreten,
• c) die Mikrokristalle bestehen aus laseraktivem Material, dessen Verstärkungsprofil eine kontinuierliche Frequenzdurchstimmung der Mikrokristall-Laser im Frequenzbereich von 0 GHz bis 30 GHz ermöglicht,
• d) die Mikrokristalle werden mit Halbleiter-Laserdioden optisch gepumpt,
• e) und die Mikrokristalle sind mit mindestens einem Heiz- und/oder Kühlelement (2, 4; 2, 4, 5; 2a, 2b, 5; 6; 6, 7) verbunden, mit dem ihre Temperaturen und damit ihre Laserfrequenz periodisch so gesteuert werden können, daß sich eine Differenzfrequenz ergibt, die sich periodisch in einem Bereich von 0 GHz oder nahezu 0 GHz bis 30 GHz ändert

2. Zweifrequenz-Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung der beiden Mikrokristall-Laser (1, 3) separiert ist.

3. Zweifrequenz-Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzänderungen der beiden Mikrokristall-Laser (1, 3) aufgrund der Temperaturänderungen eine Phasenbeziehung von 180° aufweisen, so daß die Differenzfrequenzen maximalen Hub hat.

4. Zweifrequenz-Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als laseraktives Material Kristalle oder Gläser vorgesehen sind, welche mit Ionen der seltenen Erden dotiert sind.

5. Zweifrequenz-Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlelemente (2, 4; 2, 4, 5; 2a, 2b; 2a,2b, 5; 6; 6, 7) mikromechanisch geregelte Kühler vorgesehen sind.

6. Zweifrequenz-Lasersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlelemente (2, 4; 2, 4, 2a, 2b; 2a, 2b, 5; 6; 6 7) Peltierelemente vorgesehen sind.