SE463952B

SE463952B - DEVICE TO ENABLE A WAVE STABILIZATION OF A SEMI-ELECTRIC WASTE LIGHTED AND RADIATED

Info

Publication number: SE463952B
Application number: SE8903363A
Authority: SE
Inventors: Hans Martin
Original assignee: Hans Martin
Priority date: 1989-10-13
Filing date: 1989-10-13
Publication date: 1991-02-11
Also published as: FI921592A; SE8903363D0; WO1991006141A1; EP0495874A1; AU6547090A; FI921592A0

Description

463 952 2 Den insikten föreligger att om en och samma halvledarlaser skulle, som funktion av tiden kunna generera ljusstrâlar med exakt samma våglängd, så skulle erhållna mätresultat kunna fastställas med större noggrannhet. 463 952 2 There is the insight that if one and the same semiconductor laser could, as a function of time, generate light beams with exactly the same wavelength, the obtained measurement results could be determined with greater accuracy.

Praktiska tillämpningar har givit vid handen att det är mycket svårt att få en halvledarlaser att alstra en ljusstrâle med en och samma våglängd från gång till gång och få den att arbeta med en bestämd våglängd eller inom ett viss snävt våglängdsområde.Practical applications have shown that it is very difficult to get a semiconductor laser to generate a light beam with one and the same wavelength from time to time and make it work with a certain wavelength or within a certain narrow wavelength range.

I vart fall är det mycket svårt att från ett tillfälle till ett annat, med olika yttre betingelser, få en sådan halvledarlaser att alstra en och samma ljusstråle med en fast våglängd.In any case, it is very difficult to get from one occasion to another, with different external conditions, such a semiconductor laser to produce one and the same light beam with a fixed wavelength.

Under beaktande av de för föreliggande uppfinning grundläggande åtgärderna och avvägandena bör jämväl beaktas att till teknikens tidigare ståndpunkt hör även betydligt dyrbarare gaslasrar, med den egenheten att dessa kan alstra från gång till gång, en ljusstråle med en och samma fasta frekvens eller våglängd i ljusstrålen och detta väsentligen oberoende av yttre betingelser.Taking into account the basic measures and considerations of the present invention, it should also be noted that the prior art also includes significantly more expensive gas lasers, with the peculiarity that they can generate from time to time, a light beam with one and the same fixed frequency or wavelength in the light beam and this is essentially independent of external conditions.

Det bör dock nämnas att gaslasrar för deras ljusalstring bygger på urladd- ningsförlopp och dessa är som regel inhomogena och ger därför vissa varia- tioner i frekvensen och våglängden.It should be mentioned, however, that gas lasers for their light generation are based on discharge processes and these are usually inhomogeneous and therefore give certain variations in frequency and wavelength.

Dessa gaslasrar är så konstruerade att de kan, som styrparameter för frek- vensstabilisering och våglängdsstabilisering, nyttja den energidifferens som en atom- eller molekyl-, i det efterföljande benämnt atomär-, övergång ger i ljusstrålen för att kunna alstra en närmefrekvens.These gas lasers are so designed that they can, as control parameters for frequency stabilization and wavelength stabilization, use the energy difference that an atomic or molecular, hereinafter referred to as atomic, transition gives in the light beam to be able to generate a near frequency.

Ett inställt och reglerbart optisk avstånd, mellan i gaslasern utnyttjade speglar, är avsett att erbjuda önskad noggrann våglängd. Regleringen sker här vanligtvis med hjälp utav en mekanisk återkoppling, d.v.s. avståndet mellan speglarna regleras mekaniskt.A set and adjustable optical distance, between mirrors used in the gas laser, is intended to offer the desired accurate wavelength. The regulation here usually takes place with the aid of a mechanical feedback, i.e. the distance between the mirrors is mechanically regulated.

Till teknikens tidigare ståndpunkt hör även det som är visat och beskrivet i den amerikanska patentskriften 4,730,112, där det visas en apparat för 3 463 952 mätning av ljusabsorptionen i ett gasformigt prov, speciellt mäts syrgaskoncentrationen, genom att utnyttja en halvledarlaser.The prior art also includes that shown and described in U.S. Pat. No. 4,730,112, which discloses an apparatus for measuring light absorption in a gaseous sample, in particular measuring the oxygen concentration, by using a semiconductor laser.

BESKRIVNING UVER NU FURESLAGEN UTFURINGSFORM TEKNISKT PROBLEM Under beaktande av teknikens tidigare ståndpunkt, såsom den kommit till uttryck genom de ovan angivna publikationerna och de ovan angivna allmänna övervägandena vad avser halvledarlaserns och gaslaserns olika förutsätt- ningar, torde det få anses vara ett kvalificerat tekniskt problem att kunna erbjuda en enkel stabilisering utav frekvensen och våglängden hos en halv- ledarlaser, utan att därför behöva utnyttja tillbehör som interferometrar, våglängdsmätare och liknande.DESCRIPTION OF THE CURRENT TYPE OF ENGINEERING TECHNICAL PROBLEM Taking into account the prior art, as expressed by the above publications and the above general considerations regarding the different conditions of the semiconductor laser and the gas laser, it should be considered a qualification problem. be able to offer a simple stabilization of the frequency and wavelength of a semiconductor laser, without therefore having to use accessories such as interferometers, wavelength meters and the like.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att helt kunna eliminera en tidigare känd interferometer, som inte bara är förhållandevis dyrbar utan dessutom uppvisar den olägenheten att den icke ger skarpa för en sty- rande regleringen av våglängden mot ett utvalt värde erforderliga paramet- rar.It must also be considered a technical problem to be able to completely eliminate a previously known interferometer, which is not only relatively expensive but also has the disadvantage that it does not provide sharp for a controlling regulation of the wavelength to a selected value required parameters. .

Därjämte torde det få anses vara ett tekniskt problem att kunna skapa så- dana förutsättningar att en halvledarlaser kan komma att generera en ljus- stråle med en och samma känd våglängd från gång till gång.In addition, it should be considered a technical problem to be able to create such conditions that a semiconductor laser may generate a light beam with one and the same known wavelength from time to time.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem och ett kvalificerat tekniskt övervägande att i beroende av en vald känd fast våglängd välja ett lämpligt "infångningsområde", anpassat att tillförsäkra en låsning till en och samma våglängd, från gång till gång, utan alltför stor risk att utnytt- jad reglerkrets låser på en annan intillvarande våglängd.It must also be considered a technical problem and a qualified technical consideration to choose a suitable "capture range", adapted to ensure a lock to one and the same wavelength, from time to time, without excessive risk, depending on a selected known fixed wavelength. that utilized control circuit locks on another adjacent wavelength.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att inse betydelsen av att låta ett antal lasern tilldelade parametrar, såsom aktuell temperatur, drivström eller liknande, vara valbara på förhand, så att lasern med säker- het kommer att alstra en ljusstråle med en våglängd som svarar mot eller väsentligen svarar mot en, en utvald atomär övergång tillhörig, fast våg- längd. 463 952 4 Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att inse betydelsen av att i beroende av vald fast våglängd välja erforderligt våglängdsområde för ett "infångningsområde" så att inte styrkretsen låser på en intillvarande fast våglängd, gällande för en intillvarande atomär övergång.It must also be considered a technical problem to realize the importance of allowing a number of parameters assigned to the laser, such as current temperature, drive current or the like, to be selectable in advance, so that the laser will surely produce a light beam with a wavelength corresponds to or essentially corresponds to a fixed wavelength belonging to a selected atomic transition. 463 952 4 It must also be considered a technical problem to realize the importance of selecting the required wavelength range for a "capture range" depending on the selected fixed wavelength so that the control circuit does not lock on an adjacent fixed wavelength, valid for an adjacent atomic transition.

Det är ävenledes ett tekniskt problem att anpassa reglerkretsen så att den, vid ett stort “infångningsområde“, tendera att fjärma sig en intillvarande fast våglängd.It is also a technical problem to adapt the control circuit so that, at a large "capture area", it tends to distance itself from an adjacent fixed wavelength.

Det måste vidare få anses vara ett tekniskt problem att kunna anvisa ett utnyttjande utav en halvledarlaser, som bygger på principen att kunna fast- ställa den fasta våglängd som en utvald atomär övergång ger och tillförsäk- ra att halvledarlasern kan låsa på nämnda våglängd varje gång den utnyttjas och därigenom erbjuda ett alstrande av en ljussignal, som ger en entydigt bestämd och stabil frekvens och våglängd, som erbjuder mätningar med sju till nio siffrors noggrannhet.Furthermore, it must be considered a technical problem to be able to assign a utilization of a semiconductor laser, which is based on the principle of being able to determine the fixed wavelength given by a selected atomic transition and ensure that the semiconductor laser can lock at said wavelength each time it are utilized and thereby offer the generation of a light signal, which provides a uniquely determined and stable frequency and wavelength, which offers measurements with an accuracy of seven to nine digits.

Det blir därför ett ytterligare kvalificerat tekniskt problem att kunna åstadkomma en våglängdsstabilisering av en av en halvledarlaser alstrad och utsänd ljusstråle, modulerad med en signal, företrädesvis mellan 500 Hz och 20 kHz, varefter nämnda ljusstråle är avkännbar i en ljusmottagare och anvisa i nämnda ljusmottagare ingående kretsar, som är anordnade att kunna avkänna en av en utvald atomär övergång i ett ljusstrâlen passerande medium beroende fast våglängd och att därtill, på känt sätt, anvisa kretsar som är anordnade att så påverka en halvledarlasern matande ström och/eller den halvledarlasern uppvisande temperaturen, att varje tendens till våglängds- ändring kommer att kompenseras genom en styrd variation i den matande ström- men och/eller en styrd variation av aktuell temperatur.It therefore becomes a further qualified technical problem to be able to provide a wavelength stabilization of a light beam generated and emitted by a semiconductor laser, modulated with a signal, preferably between 500 Hz and 20 kHz, after which said light beam is sensible in a light receiver and instructed in said light receiver circuits arranged to be able to sense a fixed wavelength of a medium passing through a selected atomic transition in a light beam and to additionally, in a known manner, direct circuits arranged so as to influence a current conducting a semiconductor laser and / or the temperature of the semiconductor laser, that any tendency to change wavelength will be compensated by a controlled variation in the supply current and / or a controlled variation of the current temperature.

Det torde vara ett tekniskt problem att med hjälp av en halvledarlaser kunna, från gång till gång, skapa sådana förutsättningar att den kan direkt alstra en, mot en, bland ett flertal tillgängliga, utvald atomära övergång, säg syrgasens atomära övergång, svarande, fast våglängd samt låsa och styra den alstrade våglängden mot denna fasta våglängd.It would be a technical problem to be able to use a semiconductor laser, from time to time, to create such conditions that it can directly generate a, against one, among several available, selected atomic transition, say the atomic transition of oxygen, corresponding, fixed wavelength and lock and direct the generated wavelength to this fixed wavelength.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att kunna inse bety- delsen av att låta nämnda i ljusmottagaren uppträdande signalen, på ett 5 465 952 känt sätt, bli föremål för en signalbehandling, för att därav erbjuda ett väl definierat reglerområde, med ett utpräglat negativt och ett utpräglat positivt värde på var sida nämnda fasta våglängd och inse att en reglering utav amplituden för den modulerade signalen skall vara reglerbar för att med ökande värde kunna öka definierat reglerområde eller "infångningsom- råde" och med minskande amplitudvärde kunna minska definierat reglerområde med_brantare reglerparametrar, för att få en automatisk sökning mot och låsning till utvald fast våglängd, för en på förhand bestämd och utvald atomär övergång.It must also be considered a technical problem to be able to realize the importance of allowing the signal appearing in the light receiver, in a known manner, to be the subject of a signal processing, in order to offer a well-defined control area, with a distinct negative and a pronounced positive value on each side said fixed wavelength and realize that a control of the amplitude of the modulated signal must be adjustable in order to increase the defined control range or "capture range" with increasing value and with decreasing amplitude value can decrease the defined control range with control parameters, to obtain an automatic search for and locking to the selected fixed wavelength, for a predetermined and selected atomic transition.

Det måste därför få anses vara ett tekniskt problem att under ett startför- lopp för en sådan halvledarlaser inse betydelsen av att styrbart variera amplituden för den modulerande signalen så att den successivt minskar, från en hög nivå till en normal nivå, för att närma sig ett väl definierat och smalt reglerområde, inom vilket erforderlig våglängdsstabilisering skall föreligga.It must therefore be considered a technical problem to realize during a start-up process for such a semiconductor laser the importance of controllably varying the amplitude of the modulating signal so that it gradually decreases, from a high level to a normal level, in order to approach a well-defined and narrow control range, within which the required wavelength stabilization must be present.

Det måste också få anses vara ett tekniskt problem att inse betydelsen av att till ljusmottagaren låta ansluta en krets för en automatisk känslig- hetsinställning och en automatisk förstärkningskontroll, för att därigenom få en väl anpassad och enkel våglängdsstabilisering kring en, av en utvald atomär övergång beroende, fast våglängd vid drift utav en halvledarlaser.It must also be considered a technical problem to realize the importance of connecting a circuit for an automatic sensitivity setting and an automatic gain control to the light receiver, in order to thereby obtain a well-adapted and simple wavelength stabilization around a dependent atomic transition. , fixed wavelength during operation of a semiconductor laser.

Eftersom en halvledarlaser, avsedd att våglängdsstabiliseras med hjälp utav sin egen ljussignal, som innehåller en information om minst en atomär över- gång i ett ljusstrålen passerande medium och då ett flertal sådana fasta våglängder för olika atomära övergångar kan få anses vara förhanden vid ett och samma medium, såsom luft, måste det få anses vara ett tekniskt problem att för inställningen utav en grundvåglängd, bland ett av flera tillgäng- liga atomära övergångar, inse att temperaturen för utnyttjad laser måste vara vald inom ett smalt temperaturområde och strömmen genom halvledar- lasern måste vara anpassad inom snäva områden, vilket i praktiken innebär att varje nyttjad halvledarlasern måste vara förkalibrerad, så att våg- längden för utsänd ljusstråle är bestämd i beroende av temperatur och mat- ningsström. 465 952 6 Det måste också få anses vara ett tekniskt övervägande och inbegripa ett kvalificerat tekniskt problem att för en mätning av en gaskoncentration i ett ljusstrålen passerande medium, med hjälp utav en halvledarlaser, enbart behöva utvärdera den i ljusmottagaren mottagna ljusstrålens amplitudvärde, för den fasta våglängden, där detta amplitudvärde är jämförbart med en annan signals amplitudvärde för nämnda våglängd, gällande som kalibreringen för samma atomära övergång i en bestämd konstaterad koncentration.Since a semiconductor laser, intended to be stabilized in wavelength by means of its own light signal, which contains information about at least one atomic transition in a medium passing through a light beam and then several such wavelengths for different atomic transitions can be considered to be present at one and the same medium, such as air, it must be considered a technical problem that for the setting of a fundamental wavelength, among one of several available atomic transitions, it must be realized that the temperature of the laser used must be selected within a narrow temperature range and the current through the semiconductor laser must be adapted in narrow areas, which in practice means that each semiconductor laser used must be pre-calibrated, so that the wavelength of the emitted light beam is determined depending on the temperature and supply current. 465 952 6 It must also be considered a technical consideration and include a qualified technical problem that for a measurement of a gas concentration in a medium passing through the light beam, by means of a semiconductor laser, only need to evaluate the amplitude value of the light beam received in the light receiver. the wavelength, where this amplitude value is comparable to the amplitude value of another signal for said wavelength, valid as the calibration for the same atomic transition in a determined observed concentration.

Därjämte måste det få anses vara ett kvalificerat tekniskt framsteg att kunna erbjuda en billig längdmätare, som utnyttjar en halvledarlaser inställd på en fast våglängd, svarande mot en utvald atomär övergång i ett ljusstrålen passerande medium, och där längdmätningen kan ske med en noggrannhet upp till l0'9.In addition, it must be considered a qualified technical advance to be able to offer a cheap length meter, which uses a semiconductor laser set at a fixed wavelength, corresponding to a selected atomic transition in a light beam passing medium, and where the length measurement can be done with an accuracy of up to 10 '9.

Det är slutligen ett tekniskt problem att kunna inse att en våglängdssta- biliserad halvledarlaser med alstrad ljusstråle moduleras med enkla medel skall kunna samverka med en annan halvledarlaser som därmed kan styras till en fast våglängd utan modulering av dess ljusstråle.Finally, it is a technical problem to be able to realize that a wavelength-stabilized semiconductor laser with generated light beam modulated by simple means must be able to cooperate with another semiconductor laser which can thus be controlled to a fixed wavelength without modulation of its light beam.

LUSNINGEN För att kunna lösa ett eller flera av ovan angivna tekniska problem utgår föreliggande uppfinning från att erbjuda en anordning för att möjliggöra en våglängdsstabilisering av en av en halvledarlaser alstrad och utsänd ljus- strâle och där denna ljusstråle är modulerad med en signal, säg 2kHz, varefter nämnda signal är avkännbar i en ljusmottagare.THE SOLUTION In order to be able to solve one or more of the above-mentioned technical problems, the present invention proceeds from offering a device for enabling a wavelength stabilization of a light beam generated and emitted by a semiconductor laser and where this light beam is modulated with a signal, say 2kHz, after which said signal is sensible in a light receiver.

I denna ljusmottagare ingående kretsar skall vara så anordnade att de kan avkänna de av atomära övergångar i ett ljusstrålen passerande medium bero- ende fasta våglängder.Circuits included in this light receiver shall be arranged so that they can sense the fixed wavelengths depending on atomic transitions in a medium passing through the light beam.

Enligt uppfinningen föreslås nu att lasern tilldelade parametrar (tempera- tur, ström eller liknande) skall vara anpassbara för att lasern skall alst- ra en ljusstråle med en våglängd svarande mot eller väsentligen svarande mot en, en utvald atomär övergång tillhörig, fast våglängd. En reglerkrets är anordnad att (på känt sätt) vid alstrad ljusstråle, med en våglängd av- vikande från den av den atomära övergången bestämda fasta våglängden, alst- ra erforderliga styrparametrar för att våglängdsreglerat kunna utsända 465 952 ljusstrålens våglängd med en mot nämnda fasta våglängd svarande våglängd.According to the invention, it is now proposed that the parameters assigned to the laser (temperature, current or the like) be adaptable for the laser to generate a light beam with a wavelength corresponding to or substantially corresponding to a fixed wavelength associated with a selected atomic transition. A control circuit is arranged to (in a known manner) in the case of generated light beam, with a wavelength deviating from the fixed wavelength determined by the atomic transition, generate the required control parameters in order to be able to transmit the wavelength of the light beam with a wavelength fixed to said fixed wavelength. corresponding wavelength.

Erforderligt våglängdsområde för ett "infångningsområde" måste vara valt i beroende av vald fast våglängd och i beroende av erforderlig information om intillvarande fast våglängd.The required wavelength range for a "capture range" must be selected depending on the selected fixed wavelength and depending on the required fixed wavelength information.

Som föreslagna utföringsformer, fallande inom ramen för uppfinningen, före- slås att nämnda reglerkrets skall vara anordnad att från en detekterad ljusstråles intensitetsvariation alstra en våglängdsändrande signal, anpas- sad för att ge en sådan elektrisk påverkan av halvledarlasern att den änd- rar sin ljusstråles våglängd mot nämnda fasta våglängd.As proposed embodiments, falling within the scope of the invention, it is proposed that said control circuit should be arranged to generate from a intensity variation of a detected light beam a wavelength changing signal, adapted to give such an electrical effect of the semiconductor laser that it changes the wavelength of its light beam against said fixed wavelength.

Reglerkretsen är anordnad att så påverka den halvledarlasern matande ström- men och/eller den halvledarlasern uppvisande temperaturen att varje tendens till våglängdsförändring kompenseras genom en anpassad och styrd variation i den matande strömmen och/eller en anpassad och styrd variation av aktuell temperatur.The control circuit is arranged so as to affect the semiconductor laser supply current and / or the semiconductor laser having the temperature that each tendency to change the wavelength is compensated by an adapted and controlled variation in the supply current and / or an adapted and controlled variation of the current temperature.

Såsom ytterligare föreslagna utföringsformer, inom ramen för uppfinnings- tanken, föreslås att nämnda modulerade signal skall vara föremål för en anpassning, för att därav erbjuda ett väl definierat reglerområde eller infångningsområde, med ett utpräglat negativt och ett utpräglat positivt värde intill var sida om nämnda fasta och utvalda våglängd.As further proposed embodiments, within the scope of the inventive concept, it is proposed that said modulated signal be subjected to an adaptation, to thereby provide a well-defined control area or capture area, with a pronounced negative and a pronounced positive value adjacent each side of said fixed and selected wavelength.

Det föreslås vidare att amplituden för den modulerade signalen är reglerbar för att med ett ökande värde kunna öka definierat reglerområde och spe- ciellt under ett startförlopp föreslås att amplituden för signalen skall styrbart vara minskande, från en hög nivå till en normal nivå, för att närma sig ett väl definierat smalt reglerområdet.It is further proposed that the amplitude of the modulated signal is controllable in order to be able to increase the defined control range with an increasing value, and especially during a start-up process it is proposed that the amplitude of the signal be controllably decreasing, from a high level to a normal level. a well-defined narrow regulatory area.

Vidare föreslås att till ljusmottagaren är ansluten en krets för automatisk känslighetsinställning och automatisk förstärkarkontroll.Furthermore, it is proposed that a circuit for automatic sensitivity setting and automatic amplifier control is connected to the light receiver.

Vidare föreslås att för förinställningen av våglängden till en utvald, av flera tillgängliga, atomär övergång är temperaturen för en laser vald till ett värde, som vid en på förhand bestämd ström, alstrar en ljusstrâle vars våglängd, i beroende av vald fast våglängd, är i närheten av nämnda fasta våglängd. 463 952 i 8 Vidare föreslås en möjlighet att med hjälp utav en våglängdsstabiliserad halvledarlaser, av ovan angiven beskaffenhet, erbjuda en mätning av aktuell gaskoncentration i ett ljusstrålen passerande medium, där denna gaskoncent- rations värde utvärderas med hjälp av den i ljusmottagaren mottagna ljusstrå- lens amplitudvärde för den valda fasta våglängden. Detta sker enkelt i det fall en annan signals amplitudvärde är kalibrerad för samma atomära över- gång i en bestämd konstaterad koncentration.Furthermore, it is proposed that for the presetting of the wavelength to a selected, of several available, atomic transitions, the temperature of a laser is selected to a value which, at a predetermined current, produces a light beam whose wavelength, depending on the selected fixed wavelength, is in close to said fixed wavelength. 463 952 i 8 Furthermore, it is proposed to offer, with the aid of a wavelength-stabilized semiconductor laser, of the above-mentioned nature, a measurement of the current gas concentration in a medium passing through the light beam, where the value of this gas concentration is evaluated by the light beam received in the light receiver. amplitude value for the selected fixed wavelength. This is easily done in the case where the amplitude value of another signal is calibrated for the same atomic transition in a certain determined concentration.

Denna mätning av gaskoncentrationens värde sker genom en sekvensiell mätning.This measurement of the value of the gas concentration takes place by a sequential measurement.

En något mera komplex mätanordning, för att utvärdera gaskoncentrationens momentana värde, är att utnyttja två laserljusstrålar i en parallell mät- ning, en ljusstråle är våglängdsanpassad enligt ovan angivna riktlinjer och en ljusstråle får passera mediet som skall mätas, varvid det blir möjligt att utvärdera aktuell koncentration med en kontinuerlig kalibrering.A slightly more complex measuring device, to evaluate the instantaneous value of the gas concentration, is to use two laser light beams in a parallel measurement, a light beam is adapted to the wavelength according to the guidelines given above and a light beam may pass the medium to be measured, making it possible to evaluate current concentration with a continuous calibration.

En annan möjlighet är att låta en halvledarlaser få låsa på en atomär över- gång i en gas, säg syrgas,och låta en annan ljusstråle från halvledarla- sern, givetvis med samma våglängd, får passera en vätska, i vilken då mo- mentan ämneskoncentration (syrekoncentration) kan utvärderas.Another possibility is to allow a semiconductor laser to lock at an atomic junction in a gas, say oxygen, and allow another beam of light from the semiconductor laser, of course with the same wavelength, to pass a liquid in which then instantaneous substance concentration (oxygen concentration) can be evaluated.

Det senare gäller givetvis under förutsättning att vätskan erbjuder en absorption av ljusstrålens våglängd på så sätt att absorptionen varierar med momentan koncentration.The latter of course applies provided that the liquid offers an absorption of the wavelength of the light beam in such a way that the absorption varies with instantaneous concentration.

Uppfinningen erbjuder även en möjlighet att med parallellmätning kunna mäta en vätskekoncentration, genom att enbart utvärdera ena ljussignalens ampli- tudvärde, där en annan signals amplitudvärde är kalibrerad för samma ato- mära övergång i en bestämd konstaterad vätskekoncentration gällande för samma vätska.The invention also offers a possibility to measure a liquid concentration with parallel measurement, by only evaluating the amplitude value of one light signal, where the amplitude value of another signal is calibrated for the same atomic transition in a determined ascertained liquid concentration valid for the same liquid.

Vid längdmätning skall den utsända vågländen vara låst till utvald atomär övergång för en i luft ingående gas.When measuring length, the emitted waveform must be locked to the selected atomic transition for a gas contained in air.

Slutligen anvisas att en modulerad ljusstråle är anordnad att kunna sam- verka med en icke modulerad, ytterligare, ljusstråle, tillhörande en ytter- ligare halvledarlaser, genom heterodynteknik, för att därmed kunna styra 9 463 952 nämnda y' wligare ljusstråle till en utvald fast våglängd, samma som gäl- ler för den modulerade ljusstrålens våglängd.Finally, it is indicated that a modulated light beam is arranged to be able to co-operate with a non-modulated, additional, light beam, belonging to an additional semiconductor laser, by heterodyne technology, in order thereby to be able to direct said further light beam to a selected fixed wavelength. , the same as for the wavelength of the modulated light beam.

FÖRDELAR De fördelar som främst kan få anses vara förknippade med en anordning, i enlighet med föreliggande uppfinning, är att härigenom har det skapats möj- lighßter att med enkla medel kunna utnyttja en halvledarlaser och få denna våglängdsstabil vid en, av en atomär övergång i ett ljusstrålen passerande medium beroende, fast våglängd samt att få halvledarlasern att kunna låsa på nämnda frekvens från gång till gång genom att i beroende av vald våg- längd välja ett lämpligt "infångningsområde" och.reglerområde anpassat så att halvledarlasern icke låser på en intillvarande atomär övergång och därmed "fel" frekvens eller våglängd.ADVANTAGES The advantages which can mainly be considered to be associated with a device, in accordance with the present invention, are that in this way it has been possible to use a semiconductor laser with simple means and obtain this wavelength stable at a, of an atomic transition in a light beam passing medium dependent, fixed wavelength and to cause the semiconductor laser to be able to lock at said frequency from time to time by selecting a suitable "capture area" and control region depending on the selected wavelength so that the semiconductor laser does not lock on an adjacent atomic transition and thus "wrong" frequency or wavelength.

Det som främst kan få anses vara kännetecknande för en anordning, i enlig- het med föreliggande uppfinning, anges i det efterföljande patentkravets 1 kännetecknande del.What can primarily be considered as characteristic of a device, in accordance with the present invention, is stated in the characterizing part of the appended claim 1.

KORT FIGURBESKRIVNING En för närvarande föreslagen utföringsform av en anordning, uppvisande de med uppfinningen signifikativa egenheterna, skall nu närmare beskrivas med hänvisning till bifogad ritning där; figur 1 visar i stark förenkling ett principschema för en anord- ning för att möjliggöra en våglängdsstabilisering av en från en halvledarlaser alstrad och utsänd ljusstråle till en utvald av en atomär övergång beroende fast vâglängd,, figur 2' visar en till en ljusmottagare ansluten krets för en automatisk känslighetsinställning och en automatisk för- stärkarkontroll, 463 952 figur 3a figur 3b figur 3c figur 4a figur 4b figur 5 figur 6 figur 7 10 visar jordatmosfärens transmittansegenskaper vid låg- spektral upplösning, vid vinkelrätt infallande ljus mot jordytan som funktion av våglängden, visar en delförstoring av syrets absorptionsspektrum enligt figur 3a, visar en delförstoring av syrets absorptionsspektrum enligt figur 3b, visar en signal erhållen från en analog derivering av signalen i figur 3c och denna signal är lämplig för styr- ning av halvledarlasern mot en fast våglängd ";\L“, visar hur signalerna enligt figur 4a ändras när utnyttjad moduleringsamplitud väljes större än den i figur 4a, valda. visar en normerad signal för våglängdsstabilisering för den utvalda våglängden utan modulation av laserfrekven- sen, visar en anordning för att våglängdsstabilisera en halv- ledarlaser för att använda densamma för haltbestämning av den gas till vars absorptionsvåglängd lasern är låst, där en streckad del av visat blockschema är avsedd att illust- rera en möjlighet att kontinuerligt kunna korrigera för varierande optiska förluster med hjälp av en icke-gasre- sonans och användandet av en ej inritad laser och visar en utföringsform där en halvledarlaser, våglängds- stabiliserad enligt uppfinningen, kan samverka med en ytterligare halvledarlaser, för att bilda en ljusstråle med fast våglängd utan modulation. 11 463 952 FKRIVNING UVER NU FURESLAGEN UTFURINGSFORM L J hänvisning tiii figur 1 visas sâiedes där i biockschemaform en anord- ning för att möjiiggöra en frekvens- eiïer vâgiängdsstabiiisering av en från en haiviedariaser 1 aistrad och utsänd ïjusstråie 2, och viiken ijus- stråie är moduierad med en LF-signai aistrad i en generator 3. Denna mo- duiering kan variera, och är här vaïd tiii 2kHz.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS A presently proposed embodiment of a device, having the peculiarities significant with the invention, will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing therein; Figure 1 shows in strong simplification a principle diagram of a device for enabling a wavelength stabilization of a light beam generated and emitted from a semiconductor laser to a selected fixed wavelength dependent on an atomic transition, Figure 2 'shows a circuit connected to a light receiver for an automatic sensitivity setting and an automatic amplifier control, 463 952 figure 3a figure 3b figure 3c figure 4a figure 4b figure 5 figure 6 figure 7 10 shows the transmittance properties of the earth atmosphere at low spectral resolution, at perpendicular incident light towards the earth surface as a function of wavelength, shows a partial magnification of the oxygen absorption spectrum according to Figure 3a, shows a partial magnification of the oxygen absorption spectrum according to Figure 3b, shows a signal obtained from an analogous derivation of the signal in Figure 3c and this signal is suitable for controlling the semiconductor laser at a fixed wavelength "; L ", shows how the signals according to Figure 4a change when the utilized modulation amplitude is selected larger than the n in Figure 4a, selected. shows a standardized wavelength stabilization signal for the selected wavelength without modulation of the laser frequency, shows a device for wavelength stabilizing a semiconductor laser to use the same for determining the content of the gas to whose absorption wavelength the laser is locked, where a dashed part of the shown block diagram is intended to illustrate an opportunity to continuously correct for varying optical losses by means of a non-gas resonance and the use of a non-plotted laser and shows an embodiment where a semiconductor laser, wavelength stabilized according to the invention, can cooperate with a additional semiconductor lasers, to form a beam of fixed wavelength without modulation. 11 463 952 DESCRIPTION OF THE CURRENTLY EMBODIMENT OF THE EMBODIMENT LJ with reference to Figure 1, there is shown in a diagrammatic diagram form a device for enabling a frequency or longitudinal stabilization of a radiating radius radiated from a high voltage radiator and emitted. an LF signal aistrad in a generator 3. This modulation can vary, and is here vaïd tiii 2kHz.

Nämnda utsända ijusstråie 2 är passerar ett medium "M" och avkännbar i en ijusmottagare 4, som via en iedning 5 är ansiuten tiii en automatisk käns- iighetsinstäiining och en automatisk förstärkarkontroiikrets 6, vars biock- schemaform visas i figur 2.Said emitted light beam 2 passes through a medium "M" and is sensible in a light receiver 4, which is connected via a line 5 to an automatic sensitivity setting and an automatic amplifier control circuit 6, the cinema diagram form of which is shown in Figure 2.

I figur 1 framgår att kretsen 6 står i förbindeise över en ledare 8' med en faskänsiig förstärkare 8, anordnad att demoduiera den från kretsen 6 kommande eiektriska signaier samt aistra en styrsignaï tiïi haiviedariasern 1, så att denna ökar eiïer minskar vågiängden för utsänd ijusstråie 2.In Figure 1 it can be seen that the circuit 6 is connected via a conductor 8 'with a phase-sensitive amplifier 8, arranged to demodulate the electrical signals coming from the circuit 6 and to provide a control signal to the high-voltage diode 1, so that it increases or decreases the wavelength of emitted light beam. .

Denna styrsignai är såiedes anordnad att påverka haiviedariasern 1 så att den automatiskt vâgiängdsstabiiiseras mot en fast frekvens.This control signal is thus arranged to actuate the haiviedariaser 1 so that it is automatically stabilized in the direction of travel at a fixed frequency.

En temperaturreguiator 7 håiier iasern vid en bestämd temperatur. Aiterna- tivt kan regieringen ske med iedning av en ijusdetekterande signai, viiken avkänner ïaserns emitterande stråining.A temperature regulator 7 maintains the laser at a certain temperature. Alternatively, the government can be made by means of a light-detecting signal, which senses the emitter's emitting radiation.

Med hänvisning tiii figur 2 visas där en föresiagen inkoppiing av ïjussmot- tagaren 4, med en automatisk känsiighetsinstäiining 6a, en buffertkrets 6b och en automatisk förstärkarkontroiikrets 6c. Då dessa enskilda deiar är i och för sig tidigare kända beskrives inte det detaijerade kretsschemat för dessa.Referring to Figure 2, there is shown a preferred connection of the light receiver 4, with an automatic sensitivity setting 6a, a buffer circuit 6b and an automatic amplifier control circuit 6c. Since these individual days are per se previously known per se, the detailed circuit diagram for these is not described.

Kretsen 6c är över en iedare 8' ansiuten till förstärkar- och demoduiator- kretsen 8.The circuit 6c is connected via a conductor 8 'to the amplifier and demoduator circuit 8.

I figur 2 visas även exempei på oiika kurvformer för den eiektriska signa- ien som passerar över ïedaren 8'. 463 952 12 Den övre signalen 10 illustrerar att kretsen Ga ger en konstant amplitud och visar två, från en atomär övergång hänförliga signifikativa absorp- tionsdippar 10a, 10b, vilken signal behandlas i kretsen 8 och genererar eller alstrar en positiv korrektionssignal, vilken styr parametrarna för halvledarlasern 1 att öka sin våglängd för den utsända ljusstrålen på i och för sig känt sätt genom likriktning av signalen.Figure 2 also shows examples of different waveforms of the electric signal passing over the conductor 8 '. The upper signal 10 illustrates that the circuit Ga gives a constant amplitude and shows two significant absorption dips 10a, 10b associated with an atomic transition, which signal is processed in the circuit 8 and generates or generates a positive correction signal, which controls the parameters for the semiconductor laser 1 to increase its wavelength of the emitted light beam in a manner known per se by rectifying the signal.

Den mellersta signalen 11 anger att absorptionsdipparna lla, llb är belägna så att i kretsen 8 alstras en negativ korrektionssignal med åtföljande sänkande våglängdsförändring.The middle signal 11 indicates that the absorption dips 11a, 11b are located so that in the circuit 8 a negative correction signal is generated with a concomitant decreasing wavelength change.

Den nedersta signalen 12 anger att absorptionsdipparna 12a, 12b är belägna rätt (helt symmetriska) vid vald fast våglängd och ingen korrektionssignal alstras.The lowest signal 12 indicates that the absorption dips 12a, 12b are located correctly (completely symmetrical) at the selected fixed wavelength and no correction signal is generated.

Med hänvisning till figur 3a visas där jordatmosfärens transmitteringsegen- skaper vid låg spektral upplösning vid vinkelrätt infallande ljus mot jord- ytan och representerar den ljusintensitetsvariation som en ljusstråle alst- rar när den mottages av ljusmottagaren 4 vid olika våglängder.Referring to Figure 3a, the transmission characteristics of the earth's atmosphere at low spectral resolution at perpendicularly incident light to the earth's surface are shown and represent the light intensity variation generated by a light beam when received by the light receiver 4 at different wavelengths.

Enligt uppfinningen kan man här välja en bland flera tydligt markerande signaldippar med en bestämd våglängd, speciellt efterosm alla representerar en atomär övergång.According to the invention, one can here choose one of several clearly marked signal dips with a certain wavelength, especially after all they all represent an atomic transition.

I det efterföljande skall detta illustreras med den fasta våglängden (unge- fär 0,7635 pm) som är representativ för syrgas "G2".In the following, this will be illustrated by the fixed wavelength (approximately 0.7635 μm) which is representative of oxygen "G2".

Uppfinningens insikt kan ej utläsas ur det i figur 3a visade diagrammet utan härför krävs inte bara en delförstoring av syrets absorptionsspektrum, enligt figur 3a, utan jämväl en delförstoring av syrets absorptionsspektrum enligt figur 3b, vilket visas i figur 3c.The insight of the invention can not be read from the diagram shown in Figure 3a, but this requires not only a partial enlargement of the oxygen absorption spectrum, according to Figure 3a, but also a partial enlargement of the oxygen absorption spectrum according to Figure 3b, as shown in Figure 3c.

Man kan från figur 3c konstatera att signalen 13, representerande det förstorade absorptionsspektrat, uppvisar en väl markerad signaldipp 13a, vilken i utföringsexemplet valts att tjäna som reglernorm “;lL". ll B 463 952 Denna dipp 13a har en våglängdsomslutning av 0,000006 um vid atmosfärstryck och ligger symmetrisk i förhållande till den fasta våglängden "ÃLL".It can be seen from Figure 3c that the signal 13, representing the enlarged absorption spectrum, has a well-marked signal dip 13a, which in the exemplary embodiment has been chosen to serve as a control standard "; lL". Ll B 463 952 This dip 13a has a wavelength circumference of 0.000006 μm at atmospheric pressure and is symmetrical in relation to the fixed wavelength "ÃLL".

Av betydelse för uppfinningen är jämväl att på förhand veta det aktuella vâglängdsavståndet 13d till intillvarande signaldipp 13b. Härigenom blir det möjligt att göra styrkretsarna tillräckligt selektiva för att garantera att våglängden av styrkretsarna inte låses till den fasta våglängden vid "fel" signaldipp (13b).It is also important for the invention to know in advance the current wavelength distance 13d to the adjacent signal dip 13b. This makes it possible to make the control circuits sufficiently selective to guarantee that the wavelength of the control circuits is not locked to the fixed wavelength at "wrong" signal dip (13b).

Vid en vald halvledarlaser kan man en konstatera att vid konstant drivström "i" ger en ökning av temperaturen 1°C en vâglängdsändring som kan medföra låsning till signaldippen 13b.With a selected semiconductor laser, it can be stated that with a constant driving current "i", an increase in the temperature of 1 ° C gives a wavelength change which can lead to locking to the signal dip 13b.

Vid konstant temperatur "T" krävs en strömvariation av ca 15mA för att risk skall finnas att låsa pâ fel våglängd.At a constant temperature "T" a current variation of approx. 15mA is required for there to be a risk of locking at the wrong wavelength.

Således blir det möjligt att anpassa temperaturen "T" med max 0,5°C variation kring ett bestämt värde och anpassa strömvärdet med max 7mA variation kring ett bestämt värde för att få halvledarlasern att alstra en våglängd som av utnyttjade styrkretsar kan ändras till “JLL“.Thus, it becomes possible to adjust the temperature "T" with a maximum of 0.5 ° C variation around a certain value and adjust the current value with a maximum of 7mA variation around a certain value to make the semiconductor laser generate a wavelength that can be changed to "JLL" by used control circuits. “.

I figur 4a visas en signal som är erhållen av en analog derivering av sig- nalen visad i figur 3c. Denna derivering sker i kretsen 8 och denna signal är lämplig för styrning av halvledarlaserns våglängd mot den fasta vågläng- den "IL L".Figure 4a shows a signal obtained from an analogous derivation of the signal shown in Figure 3c. This derivation takes place in the circuit 8 and this signal is suitable for controlling the wavelength of the semiconductor laser against the fixed wavelength "IL L".

Signalen 14 uppvisar ett positivt omrâde 14a och ett negativt område 14b, bildande ett akutellt "infångningsomrâde" "A" däremellan.The signal 14 has a positive area 14a and a negative area 14b, forming an acute "capture area" "A" therebetween.

Härvid framgår att en ändring av våglängden i ljusstrålen 2 ger ett föränd- rat spänningsvärde, som kan tjänstgöra som en reglerstorhet för att konti- nuerligt ändra halvledarlasern våglängd mot det fasta värdet "illfﬂ Infångningsområdets "A" våglängdsomrâde är beroende av amplituden hos den modulerade signalen och kan därför med minskande amplitud minskas ytter- ligare. 463 952 14 Vid start krävs dock ett större infångningsomrâde “A'“, vilket erhålles genom att öka amplituden. Detta visas i figur 4b, vilken figur även visar ett infångningsområde som är något förskjutet åt höger i förhållande till den fasta våglängden "7\ L" på grund av förekomsten av avsnitten 14d och 14e, speciellt avsnittet 14e, härrörande från dippen 13b i figur 3c.Hereby it appears that a change of the wavelength in the light beam 2 gives a changed voltage value, which can serve as a control variable to continuously change the wavelength of the semiconductor laser towards the fixed value "illf ﬂ The wavelength range of the capture area" A "depends on the amplitude of the modulated signal 463 952 14 At start-up, however, a larger capture area "A '" is required, which is obtained by increasing the amplitude. This is shown in Figure 4b, which figure also shows a capture area which is slightly offset to right in relation to the fixed wavelength "7 \ L" due to the presence of the sections 14d and 14e, in particular the section 14e, originating from the dip 13b in Figure 3c.

För en fullständigare förståelse utav vissa delar i kretsschemat enligt figur 1, hänvisas till innehållet i den ovan angivna publikationen GB-A-2 163 286.For a more complete understanding of certain parts of the circuit diagram of Figure 1, reference is made to the contents of the above-mentioned publication GB-A-2 163 286.

Sammanfattningsvis kan sägas att utnyttjad halvledarlaser måste vara kali- brerad eller uppmätt så att man vet vid vilken temperatur och vilken driv- ström en viss våglängd föreligger, så att rätt temperatur och rätt driv- ström kan väljas mot en viss önskad våglängd.In summary, it can be said that used semiconductor lasers must be calibrated or measured so that you know at what temperature and which drive current a certain wavelength is, so that the right temperature and the right drive current can be selected against a certain desired wavelength.

Vidare krävs en insikt om våglängdsavstândet (13d i figur 3c) till närmast intillvarande absorptionsdipp, så att erforderligt infångningsområde "A" och den modulerade signalens amplitud, kan väljas så att låsning sker mot en utvald, bland ett flertal valbara, fast våglängd.Furthermore, an insight into the wavelength distance (13d in Figure 3c) to the nearest absorption dip is required, so that the required capture area "A" and the amplitude of the modulated signal can be selected so that locking takes place against a selected, among a plurality of selectable, fixed wavelengths.

Den i figur 2 visade kretsen är tilldelad en funktion att göra den efter- följande signalbehandlingen oberoende av tidsberoende faktorer, som smuts, upplinjering av optikern, vibrationer och andra störningar. Vidare erbjuder den en möjlighet att låta effekten av moduleringen av ljusstrålen, bärvå- gen, subtraheras bort från effekten av den atomära absorptionen, även då den senare är mycket svagare än den förra.The circuit shown in Figure 2 is assigned a function to make the subsequent signal processing independent of time-dependent factors, such as dirt, alignment of the optician, vibrations and other disturbances. Furthermore, it offers an opportunity to allow the effect of the modulation of the light beam, the carrier, to be subtracted away from the effect of the atomic absorption, even when the latter is much weaker than the former.

En på ovan angivet sätt våglängdsstabiliserad halvledarlaser kan nu med fördel även utnyttjas för en enkel sekvensiell mätning av en momentan gas- koncentration, enbart genom att utvärdera den mottagna signalens amplitud- värde, speciellt andra derivatan utav signalen 3c. Det är lämpligt att som kalibrering utnyttja en annan signals amplitudvärde, gällande för samma atomära övergång och för en viss konstaterad koncentration.A wavelength stabilized semiconductor laser as indicated above can now also be used to advantage for a simple sequential measurement of an instantaneous gas concentration, only by evaluating the amplitude value of the received signal, especially the second derivative of the signal 3c. It is appropriate to use as a calibration the amplitude value of another signal, valid for the same atomic transition and for a certain observed concentration.

Det är känt att ett mycket linjärt samband existerar mellan gaskoncentra- tion och absorptionssignalens andra derivata för vissa gaser. 15 463 952 Om det antages att mediet "M" utgöres av luft och om vâglängdsstabilise- ringen sker för syre kommer amplituden 13a' för signalen 13a, visad i figur 3c, att kunna kalibreras till 21,6%.It is known that a very linear relationship exists between the gas concentration and the other derivatives of the absorption signal for certain gases. If it is assumed that the medium "M" consists of air and if the wavelength stabilization takes place for oxygen, the amplitude 13a 'of the signal 13a, shown in Figure 3c, will be calibrated to 21.6%.

En ovan angiven våglängdsstabiliserad halvledarlaser kan även utnyttjas för mätning en momentan vätskekoncentration genom en parallellmätning enbart genom att utvärdera signalernas amplitudvärden. Även här kan föreslås att en annan signals amplitudvärde får vara kalibrering för en viss våglängd i en viss konstaterad vätskekoncentration.An above-mentioned wavelength stabilized semiconductor laser can also be used for measuring an instantaneous liquid concentration by a parallel measurement only by evaluating the amplitude values of the signals. Here too, it can be suggested that the amplitude value of another signal may be calibration for a certain wavelength in a certain ascertained liquid concentration.

Föreliggande uppfinning anvisar således en möjlighet att erbjuda en våg- längdsstabilisering med ovan angiven noggrannhet och bygger på en åter- koppling av erhållen signal från en atom/molekyl-övergång. Genom en liten våglängdsmodulering av lasern, i kombination med en faskänslig detektion av en vâglängdsberoende signal, (laserabsorption, laserinducerad emission, optogalvanisk effekt eller annan laserspektroskopisk detektionsmetodik) erhålles en derivering av den sistnämnda signalen, som efter lämplig förs- tärkning kan tjäna som reglerkretsens felsignal. Genom detta förfarande låses laservâglängden till den atomära centralfrekvensen. Även utan frekvensmodulering kan laserns våglängd låsas till nämnda refe- rens, men då inte till dess centralfrekvens utan till ett läge på endera den uppåtgâende eller den nedåtgående flanken av den vâglängdsberoende signalen. Detta visas i figur 5.The present invention thus provides a possibility to offer a wavelength stabilization with the above accuracy and is based on a feedback of the obtained signal from an atom / molecule transition. By a small wavelength modulation of the laser, in combination with a phase-sensitive detection of a wavelength-dependent signal, (laser absorption, laser-induced emission, opto-galvanic effect or other laser spectroscopic detection methodology) a derivation of the latter signal is obtained which, after appropriate amplification, can serve. . By this method, the laser wavelength is locked to the atomic central frequency. Even without frequency modulation, the wavelength of the laser can be locked to said reference, but then not to its central frequency but to a position on either the ascending or the descending edge of the wavelength-dependent signal. This is shown in Figure 5.

Denna lâspunkt definieras av en referenssignalnivâ (ref). Om den dispersiva signalen av naturen är intensitetsstabil eller är normerad på lämpligt sätt med avseende på de signalpåverkande faktorerna så kan även denna sistnämnda stabiliseringsmetod ge en god och reproducerbar känd eller kalibrerbar laservâglängd.This lock point is defined by a reference signal level (ref). If the dispersive signal is by nature stable in intensity or is standardized in a suitable manner with respect to the signal influencing factors, this latter stabilization method can also give a good and reproducible known or calibrable laser wavelength.

En kombination av dessa föreslagna våglängdsstabiliseringsmetoder kan under vissa omständigheter ge nya fördelar. Exempelvis kan en omodulerad högsta- bil halvledarlaser låsas med en eventuellt ännu större noggrannhet till en temperaturstabiliserad, lång, högfiness, interferometer, vars optiska reso- nansvåglängder i sin tur är aktivt kopplade till en atomövergång via en annan, eventuellt vâglängdsmodulerad, laser. Pâ detta sätt kan stabilise- 463 952 16 rade laservåglängder erhållas som inte nödvändigtvis är desama som de tillgängliga atomära/molekylära våglängderna, utan kan skilja sig från dessa med en multipel av interferometerns fria spektralområde.A combination of these proposed wavelength stabilization methods may, under certain circumstances, provide new benefits. For example, an unmodulated high-speed semiconductor laser can be locked with possibly even greater accuracy to a temperature-stabilized, long, high-precision, interferometer, whose optical resonant wavelengths are in turn actively connected to an atomic transition via another, possibly wavelength-modulated, laser. In this way, stabilized laser wavelengths can be obtained which are not necessarily the same as the available atomic / molecular wavelengths, but can differ from them by a multiple of the free spectral range of the interferometer.

Den i patentkraven valda formuleringen är avsedd att även innefatta extensiv- tolkning.The wording chosen in the claims is intended to also include extensive interpretation.

Likaså kan en omodulerad, högstabil, laser låsas till den modulerade atom- frekvensstabiliseringslasern 1 genom heterodynteknik, varvid en ännu större frekvensnoggrannhet kan uppnås - kopplad till en atomär övergång.Likewise, an unmodulated, highly stable, laser can be locked to the modulated atomic frequency stabilization laser 1 by heterodyne technology, whereby an even greater frequency accuracy can be achieved - coupled to an atomic transition.

Inom uppfinningens ram faller således möjligheten att använda en av de resonansfrekvenser eller -våglängder som återfinns i naturlig luft. Syrgas (0,76 pm), vattenånga (0,81l1m, 0,92 flm, l,1pm, 1,4 ym, 1,9 pm) och koldi- oxid (1,4-pm, 2,0 pm, 2,7 pm) finnes allmänt och naturligt tillgängligt utan att någon speciell gascell behöver införas i systemet (våglängderna inom parenteser anger exempel på spektralområden för respektive gas, där i detta sammanhang användbara absorptionslinjer återfinns). En laserreflex från någon yttre komponent, registrerad av en detektor, kan ge systemet tillräcklig information för att låsa laservåglängden till en förutbestämd luftabsorptionsvåglängd.Thus, the scope of the invention falls within the possibility of using one of the resonant frequencies or wavelengths found in natural air. Oxygen (0.76 μm), water vapor (0.81 μm, 0.92 μm, 1.1 μm, 1.4 μm, 1.9 μm) and carbon dioxide (1.4-μm, 2.0 μm, 2 , 7 pm) is generally and naturally available without the need for any special gas cell to be introduced into the system (the wavelengths in parentheses indicate examples of spectral ranges for each gas, where useful absorption lines are found in this context). A laser reflex from any external component, detected by a detector, can provide the system with sufficient information to lock the laser wavelength to a predetermined air absorption wavelength.

För att uppnå förutbestämda och kända referensvåglängder kan exempelvis lasertemperaturen regleras i en uppstartningssekvens till en i förväg be- stämd temperatur. Denna skall vara vald så att lasern från början har un- gefärlig rätt våglängd, tillräckligt rätt för att återkopplingen skall styra våglängden mot rätt absorptionslinje. Modulationsamplituden kan vara extra stor i startsekvensen för att utöka låsdynamiken ("tracking range") vid start.To achieve predetermined and known reference wavelengths, for example, the laser temperature can be regulated in a start-up sequence to a predetermined temperature. This must be chosen so that the laser from the beginning has approximately the right wavelength, sufficiently correct for the feedback to direct the wavelength towards the correct absorption line. The modulation amplitude can be extra large in the start sequence to increase the tracking dynamics ("tracking range") at start.

Figur 6 beskriver en anordning enligt föreliggande uppfinning. En billig kommersiell GaAlAs-halvledarlaser 30 av CD-skivspelartyp (Mitsubishi ML4405) sänder ut laserljus över en schematisk sträcka 31-32-33, som detek- teras av en fotodetektor 34. Denna lasers våglängd är omkring 0,76 pm, vilket sammanfaller med det spektralområde där syrgas har absorptionslinjer med en styrka av ca 1 procent absorption per meter luft. Inte några absorp- tionslinjer från några andra ämnen än syre finnes i detta valda spektralom- ” 463 952 råde. Lasern 30 har även en inbyggd fotodetektor, som känner av laserns emitterade ljusnivå. Skulle denna bli för hög sänker en transistor 38 reg- lerspänningen till laserns drivregulator 39, så att ljusintensiteten inte kan öka ytterligare.Figure 6 describes a device according to the present invention. An inexpensive commercial CD-player GaAlAs semiconductor laser 30 (Mitsubishi ML4405) emits laser light over a schematic distance 31-32-33, which is detected by a photodetector 34. This laser wavelength is about 0.76 μm, which coincides with the spectral range where oxygen has absorption lines with a strength of about 1 percent absorption per meter of air. No absorption lines from any substance other than oxygen are found in this selected spectral range ”463 952. The laser 30 also has a built-in photodetector, which senses the emitted light level of the laser. Should this become too high, a transistor 38 lowers the control voltage to the laser drive regulator 39, so that the light intensity cannot increase further.

I startögonblicket uppvärms lasern delvis snabbt av laserdrivströmmen och delvis långsamt av en resistiv uppvärmning 40.At the start moment, the laser is heated partly rapidly by the laser drive current and partly slowly by a resistive heating 40.

En uppvärmning svarar mot att laservåglängden ökar. Lasern frekvensmodule- ras med hjälp av en oscillator 34, genom en liten modulering av laserns drivström. Efter förstärkning 35 av detektorns 34 växelströmskomponent ger en faskänslig demodulator 36 en signal, till vilken en konstant spänning adderas i en adderare 37. Denna konstanta spänning är tillräckligt hög för att få regulatorn 39 att driva lasern så hårt att en laserintensitetsbe- gränsning träder i funktion. Den enda som kan få ljusnivân att sjunka och transistorn 38 att stänga är att en spektrallinje passeras när laservåg- längden ökar. Då så sker kommer derivatasignalens förstärkta, negativa underpuls att påverka regulatorn 39 så att laserintensiteten kommer att minska. Transistorn 39 drivs så att laserintensiteten kommer att minska och transistorn 38 stängs. Laserdrivningen har nu övergått från ljusbegränsad funktion till strömreglerad av spektrallinjens derivatasignal, d.v.s. våg- längdsstabiliserad funktion. Den ljusbegränsande signalen som styr transis- torn 38 styr även transistorn 41, som i sin tur reglerar laserns omgiv- ningstemperatur via den resistiva uppvärmningen 40. På så sätt långtidsstabiliseras denna så att laserintensiteten hålles på en nivå som hela tiden medger fullständig strömreglering av laservåglängden.A heating corresponds to an increase in the laser wavelength. The laser is frequency modulated by means of an oscillator 34, by a small modulation of the laser driving current. Upon amplification of the AC component of the detector 34, a phase sensitive demodulator 36 provides a signal to which a constant voltage is added in an adder 37. This constant voltage is high enough to cause the regulator 39 to drive the laser so hard that a laser intensity limitation comes into operation. . The only thing that can cause the light level to drop and the transistor 38 to close is that a spectral line is passed as the laser wavelength increases. When this happens, the amplified negative negative pulse of the derivative signal will affect the regulator 39 so that the laser intensity will decrease. Transistor 39 is driven so that the laser intensity will decrease and transistor 38 will be closed. The laser drive has now changed from light-limited function to current-regulated by the spectral line's derivative signal, i.e. wavelength stabilized function. The light-limiting signal controlling transistor 38 also controls transistor 41, which in turn regulates the ambient temperature of the laser via the resistive heater 40. In this way, it is long-term stabilized so that the laser intensity is kept at a level that allows complete current control of laser wavelength.

Den här beskrivna anordningen kan utbyggas för att ge ett koncentrations- mått på det ämne som laservåglängden är låst till. Låt den schematiska sträckan 31-32-33 utgöras av en referenscell, innehållande nämnda gas med känt innehåll. Låt så en lika lång sträcka 31-42-43 utgöra en mätcell, innehållande den okända gasen, vars halt utav referensgasen skall bestäm- mas.The device described here can be expanded to provide a concentration measure of the substance to which the laser wavelength is locked. Let the schematic section 31-32-33 consist of a reference cell, containing said gas with known content. Let this be an equally long distance 31-42-43 constituting a measuring cell, containing the unknown gas, the content of which of the reference gas is to be determined.

Som mått på de båda absorptionernas storlekar användes första övertonen (eller någon jämn multipel av denna) till laserns modulationsfrekvens, vid vilken symmetriska linjeprofiler erhålles med maximalt utslag vid den sta- 465 952 ß biliserade laservåglängden. Signal/brus-förhållandet blir dessutom bättre för övertonerna jämfört med grundfrekvensen, då laserns amplitudmodulering stör vid den senare frekvensen. Den önskade frekvensen filtreras fram av demodulatorerna 44 och 45 genom att utnyttja en differentialförstärkare 46.As a measure of the magnitudes of the two absorptions, the first harmonic (or some even multiple thereof) is used for the modulation frequency of the laser, at which symmetrical line profiles are obtained with maximum response at the stabilized laser wavelength 465 952 ß. The signal-to-noise ratio is also better for the harmonics compared to the fundamental frequency, as the amplitude modulation of the laser interferes with the latter frequency. The desired frequency is filtered out by the demodulators 44 and 45 by using a differential amplifier 46.

En analog dividerare 47 ger så den procentuella avvikelsen mellan de båda gascellerna i form av A-B/A, som presenteras på en display 48.An analog divider 47 then gives the percentage deviation between the two gas cells in the form of A-B / A, which is presented on a display 48.

För att minimera olika påverkan av smuts, damm och annat tidsberoende hos de båda gascellerna kan man överlagra de båda strålgångarna med ljus från en annan laser, som inte är i resonans med nâgra atomer/molekyler. Detta laserljus amplitudmoduleras vid en annan frekvens 53 än den våglängdsstabi- liserade lasern och belyser likaså detektorerna 33 och 43. Efter faskänslig detektering vid denna annorlunda grundfrekvensen via filter kan så de rent optiska förlusterna bortnormeras med dividerare, enligt formen (A1-Bl)/A1 A2/(A2-BZ).To minimize the different effects of dirt, dust and other time dependence of the two gas cells, the two beams can be superimposed with light from another laser, which is not in resonance with any atoms / molecules. This laser light is amplitude modulated at a different frequency 53 than the wavelength stabilized laser and also illuminates the detectors 33 and 43. After phase-sensitive detection at this different fundamental frequency via filter, the purely optical losses can be normalized away with dividers, according to the form (A1-B1) / A1 A2 / (A2-BZ).

Observera att vid koncentrationsmätning med ovan beskrivna anordning är våglängdens värde ointressant. Lasern kan således tillåtas att låsa till första bästa absorptionslinje som tillhör rätt ämne. Vid interferometriska tillämpningar, däremot, kan tidigare beskrivna uppstartningsförfarande behöva läggas till för att den här beskrivna anordningen skall ge samma kända laservåglängd ut under alla omgivande omständigheter. En förenklad anordning kan exempelvis arbeta vid en i förväg given konstant temperatur, experimentellt bestämd för varje laserexemplar, så att en given absorp- tionsvåglängd skall uppnås. Denna arbetstemperatur ger ett närmevärde för laservåglängden som genom återkoppling medelst drivström skall korrigeras till exakt värde. Laserströmmens modulationsamplitud ger det avsöknings- område i våglängdsrummet ("capture range") inom vilket absorptionsvåg- längden måste befinna sig för att automatisk låsning av laservåglängden skall kunna ske.Note that when concentrating with the device described above, the value of the wavelength is uninteresting. The laser can thus be allowed to lock to the first best absorption line belonging to the correct substance. In interferometric applications, on the other hand, the start-up procedure previously described may need to be added in order for the device described here to provide the same known laser wavelength in all ambient circumstances. A simplified device can, for example, operate at a predetermined constant temperature, determined experimentally for each laser copy, so that a given absorption wavelength is to be achieved. This operating temperature gives an approximate value for the laser wavelength which must be corrected to the exact value by means of feedback by driving current. The modulation amplitude of the laser current provides the scanning range in the wavelength space within which the absorption wavelength must be in order for automatic locking of the laser wavelength to take place.

Vid start är det därför lämpligt att väsentligt öka modulationsamplituden för att minska kravet på exakt lasertemperatur. När låsning skett skall dock modulationsamplituden åter minskas så mycket som signalstorleken med- ger, så att våglängdsnoggrannheten blir maximal. Denna anordning kan lätt realiseras, t.ex. med en kortslutande transistor kopplad i mitten på en *w ” 465 952 spänningsdeïare, som delar ned moduiationsampïituden med en tidskonstant given av en RC-koppiing till nämnda transistors bas.At start-up, it is therefore advisable to significantly increase the modulation amplitude to reduce the requirement for exact laser temperature. When locking has taken place, however, the modulation amplitude must again be reduced as much as the signal size allows, so that the wavelength accuracy is maximum. This device can be easily realized, e.g. with a short-circuited transistor connected in the middle of a * w ”465 952 voltage divider, which divides the modulation amplitude by a time constant given by an RC coupling to the base of said transistor.

Det bör även noteras att en gas under undertryck ger en smalare atomär resonans med högre noggrannhet än en gas vid atmosfärstryck.It should also be noted that a gas under negative pressure gives a narrower atomic resonance with higher accuracy than a gas at atmospheric pressure.

Figur 7 visar en utföringsform där en haiviedariaser 1 är vågïängdsstabiii- serad enïigt uppfinningens principer och denna skaii samverka med en ytter- iigare halvïedariaser 1' genom heterodynteknik, för att kunna biida en ijusstråie med en fast vâgiängd utan moduiation.Figure 7 shows an embodiment where a halibut diacid 1 is wavelength stabilized according to the principles of the invention and this co-operates with an additional semiconductor diacid 1 'by heterodyne technique, in order to be able to produce a light beam with a fixed wavelength without modulation.

Detta sker genom att aviänka ijusstråïen 2 från iasern 1 ti11 samverkan med en ijusstråie 2' aïstrad av den ytterligare iasern 1'.This is done by deflecting the light beam 2 from the laser 1 in conjunction with a light beam 2 'generated by the further laser 1'.

Dessa ijusstråiar 2, 2' sammanföres ti11 en gemensam ijusstråie 22 och upptages av en ijusdetektor 4' och föres ti11 en bredbandig förstärkare 6', som aistrar erforderiig styrsignai för att ändra iaserns 1' ïjusstrâies 2' vâgiängd mot en vaïd fast vågiängd, utan att ljusstrâien 2' bïir överiagrad med en moduierande signaï.These light beams 2, 2 'are combined into a common light beam 22 and picked up by a light detector 4' and fed to a broadband amplifier 6 ', which provides the necessary control signal to change the path length of the light beams 1' of the laser beams 1 'to a wide fixed wavelength. the light beam 2 'is superimposed with a modulating signal.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad ti11 den ovan såsom exempei angivna utföringsformen utan kan genomgå modifiationer inom ramen för efterföijande patentkrav ilïustrerande uppfinningstanken.The invention is of course not limited to the above-mentioned embodiment, but may undergo modifications within the scope of the appended claims illustrating the inventive concept.

Claims

: to 4 5 5 9 5 2 PATENTKRAv

Device for enabling a wavelength stabilization of a light beam generated and emitted by a semiconductor laser, modulated with a signal, after which said beam is sensible in a light receiver, in that circuits included in the light receiver are arranged to be able to sense the atomic transitions in a light beam passing medium depending on fixed wavelengths, characterized in that the parameters assigned to the laser (temperature, current or the like) are adaptable for the laser to produce a light beam with a wavelength corresponding to or substantially corresponding to a selected atomic transition associated and determined, fixed wavelength, that a control circuit is arranged to generate, in the case of generated light beam, with a wavelength deviating from the fixed wavelength determined by the atomic transition, the required control parameters for wavelength regulating emitted light beam wavelength to said fixed wavelength. a required wavelength range for a capture range is selected depending on the selected fixed wavelength.

Device according to claim 1, characterized in that said control circuit is arranged to generate a wavelength changing signal from an intensity variation of a detected light beam, adapted to give an electrical influence of the semiconductor laser to change the wavelength of its light beam towards said fixed wavelength.

3. A device according to claim 1 or 2, characterized in that said control circuit is arranged to influence the semiconductor laser supplying current and / or the semiconductor laser having the temperature that each tendency to change the wavelength is compensated by an adapted variation in the feeding current and / or a variation in temperature.

Device according to claim 1, characterized in that said modulated signal is subject to an adaptation to offer therefrom a well-defined control area or capture area, with a pronounced negative and a positive value on each side of said fixed wavelength.

Device according to claim 4, characterized in that the amplitude of the modulated signal is adjustable in order to increase with defined value a defined control range or capture range. lit) 463 952

6. A device according to claim 1, 4 or 5, characterized in that during a start-up, the amplitude of the modified signal decreases, from a high level to a normal level, to approach a well-defined small control area.

7. A device according to claim 1, characterized in that the light receiver is connected to a circuit for automatic sensitivity setting and / or an automatic amplifier control.

8. An apparatus according to claim 1, characterized in that for predetermining the wavelength to an extended, of several accessible, atomic transitions, the temperature of a free range to a value which at a predetermined current, in which faii is in the vicinity of said fixed wavelength.

Device according to claim 1, characterized in that for measuring a gas concentration in a medium passing through the light beam, the amplitude value of the light beam received in the light receiver is evaluated for the fixed wavelength, this amplitude value being comparable to another signal's wavelength value. for the same atomic transition at a certain determined concentration.

10. A device according to claim 1, characterized in that for measuring a liquid concentration, the amplitude value of the signal is evaluated, where the amplitude value of another signal is calibrated for a certain atomic transition in a certain determined liquid concentration.

11. A device according to claim 1, characterized in that for measuring a length, the emitted wavelength is locked to an atomic transition for a gas-containing gas.

12. A device according to claim 1, characterized in that the thus modified light beam is arranged to co-operate with an additional light beam, belonging to an additional haiviedariaser, by means of heterodynamics, for controlling said further fixed light beam.