203171. lajstromszámú szabadalom • Stabilizált lézer fényforrás
1 HU 203 171 A 2 A találmány tárgya stabilizált lézerfényforrás stabilizált frekvenciájú és intenzitású lézersugárzás előállítására, elsősorban folyamatos üzemű gázlézerrel vagy szilárdtestlézerrel. Mint ismeretes, a lézerek teljesítmény-, illetve frekvenciastabilizálását általában visszacsatolt szabályozókörrel oldják meg. Ennek egyik szokásos formája az, hogy a kilépő fényt alkalmasan megválasztott Bragg cellán vezetik keresztül, és a diffrak tála tlan, 0-ad rendben terjedő fény intenzitását figyelik (pl. T/39 884— 945/85. sz. közzétett találmányi bejelentés). Ha valamely oknál fogva a 0-ad rendben az intenzitás növekszik, ez a szabályozójelet úgy befolyásolja, hogy a Bragg cellára nagyobb teljesítmény kerül, ami azt eredményezi, hogy a 0-ad rendből több energia csatolódik ki a diffrakciós rendekbe. Fordított esetben - a csökkenő 0-ad rendhez csökkenő akusztikus teljesítmény tartozik, ami a fény nagyobb hányadát tereli vissza a 0-ad rendbe. A módszer kétségtelen előnye a nagy dinamikus tartomány (akár a teljes kilépő teljesítmény 80 %-a), gyors reakcióképesség (c.c 100 kHz sávszélesség), továbbá univerzális jellege a szabályzandó fény forrását illetően (független a kisülési mechanizmustól, rezonátor-geometriától, stb.). Hátránya a módszer elvéből származik, ti. ez a fajta beavatkozás csak a változó intenzitást szabályozza vissza, és nem szünteti meg a változás okát. Ily módon a sugárzási frekvencia stabilizálatlan marad, másrészt a kibocsátott fény jelentős részét kell veszteségként állandóan kicsatolni, éppen a nagy dinamikus tartomány érdekében. Hátrányként megemlítendő továbbá, hogy a legolcsóbb Bragg cellás rendszerek ára is vetekszik vagy meghaladja az egyszerűbb lézerek árát, így alkalmazása csak nagy rendszerekben gazdaságos. A lézerek frekvenciájának szabályozását megnehezíti az a körülmény, hogy a szokványos szabályozási körökben felhasználható frekvencia-alapjel, illetve ellenőrzőjel előállítása nehézségekbe ütközik. Az igen magas (pl. 1014 Hz nagyságrendű) lézerfrekvenciákat ugyanis közvetlenül nem lehet mérni, másrészt pedig az alapjel előállítására alkalmas frekvenciatalonok több nagyságrenddel drágábbak, mint egy átlagos lézer. Ezt a nehézséget próbálja kiküszöbölni a francia SORO cég Metrilas 100E rendszerében alkalmazott lézerteljesítmény és frekvenciaszabályozási módszere, mely a két axiális módusban működő gázlézerek esetén használható. A lézerfizikából ismeretes, hogy ezen módusok polarizációja egymásra merőleges. A polarizáció irányát a rezonátor-geometria határozza meg. A rezonátor tükörtávolságainak bizonyos értékeinél e két módus az erősítési görbe közepére szimmetrikusan helyezkedik el, és így a módusokban terjedő fény intenzitása azonos. A tükörtávolság növekedésével az egyik módusban nő, a másikban csökken a fényteljesítmény, és fordítva. Ezt a két módust polarizációs szétválasztással figyelik, és a rezonátor tükörtávolságát egy szabályozó- elektronika segítségével pl. fűtéssel úgy szabályozzák, hogy a két módusban terjedő fény intenzitása azonos legyen. Ennek érdekében a két módust szétválasztó polarizációs optikát alkalmaznak, és fotodetektorokkal figyelik az egyes módusokban terjedő fény intenzitását. A fotodetektorok kimenő jeleit egy különbségi erősítő hasonlítja össze, amelynek kimenete egy beavatkozóegységre csatlakozik. A beavatkozóegység kimenete a lézeren elhelyezett, a lézer rezonátorának tükörtávolságát változtató fűtésre van kapcsolva. A módszerben tehát két helyen kell figyelni a fényteljesítményt, ezekből hibajelet képezni, és ennek alapján beavatkozni. A szabályozást természetesen csak a lézer bekapcsolása után egy adott idővel, felfűtött állapotban lehet megkezdeni. Ekkor azonban a lézer, a különböző körülményektől függően, még viszonylag messze van az elérni kívánt üzemállapottól. Megfelelő eredményt ezért csak nagy szabályozási tartományt biztosító, bonyolult és költséges elektronikával lehet elérni. További hátrányt jelent az, hogy ha a felhasználónak csak az egyik frekvenciára van szüksége (holográfia, interferometria), akkor jelentős teljesítményveszteség is fellép a polarizációs kettéosztás miatt. Ismeretes továbbá egy eljárás és berendezés lézerfrekvencia hosszútávú driftjének csökkentésére precíziós frekvenciastabilizált gázszereknél (4 730 323 sz. US szabadalmi leírás), amelyek integrált végtükrökkel ellátott plazmacsöveket tartalmaznak. Ezeknél a lézereknél a plazma által felmelegített tükrök vastagságának változása - igen kis mértékben - befolyásolja a visszaverődés fázisát és a frekvencia stabilitását. Az ennek következtében fellépő frekvenciadriftet a tükör vastagságának megfelelő változtatásával csökkentik egy olyan szabályozó segítségével, amelyet a lézer kisülési áramával táplálnak. Ez a módszer egy nagyon kis tartományban rendkívül finom szabályozást tesz lehetővé, éppen ezért csak a valamilyen más módon - pl. az előzőleg említett ismert megoldással - már frekvenciastabilizált lézerekhez alkalmazható. Bonyolultsága és magas ára miatt használata csak különleges pontossági követelmények esetén indokolt. A találmánnyal célunk a fentiekben vázolt összes hiányosság kiküszöbölése, és egy olyan általánosan használható és olcsó stabiliziált lézerfényforrás megalkotása, amelynek szabályozási mechanizmusa lehetőséget nyújt a fényforrásban felhasznált lézerek, elsősorban folyamatos üzemű gáz- vagy szilárdtestlézerek egyszerű teljesítmény- és frekvenciastabilizálására. A találmány alapja az a felismerés, hogy a fenti célt a lézer frekvenciájának vagy intenzitásának érzékelése nélkül úgy is elérhetjük, hogy a lézerrezonátor hosszát közvetlenül a hőmérséklettel szabályozzuk, mivel minden lézerre meg lehet határozni a rezonátorhosszra vonatkoztatott hőtágulási együtthatót, és ennek ismeretében azt a hőmérséklettartományt, amelyben az egész lézert tartani kell a kívánt stabilitás eléréséhez. A kitűzött feladatot egy olyan lézerrel oldjuk meg, amely stabilizált tápforrással van ellátva. A lézeren a lézer rezonátorának tükörtávolságát változtató fűtés, célszerűen egyenletes menetsűrűséggel a lézerre tekercselt fűtőszál van elhelyezve, továbbá a lézerfényforrás egy 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2
