DE3335317A1

DE3335317A1 - Abstimmbarer laser

Info

Publication number: DE3335317A1
Application number: DE19833335317
Authority: DE
Inventors: Frederick 55447 Plymouth Minn. Faxvog; Hans W. 55405 Minneapolis Minn. Mocker
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1982-09-30
Filing date: 1983-09-29
Publication date: 1984-04-05
Also published as: DE3335317C2; JPS5984487A; CA1223949A; JPH0136987B2; GB8324111D0; US4601036A; GB2129201A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen abstimrnbaren Laser nach dem Gattungsbegriff des Anspruches 1. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf gepulste Laser, die in einerLittrow-Konfiguration betrieben werden.

Ebene und konkave reflektierende Beugungsgitter werden in einer Littrow-Konfiguration so angeordnet, daß deren Oberfläche die optische Achse eines Spektrographen bzw. Lasers enthält. Im Zusammenhang mit einem Laser wird die Oberfläche eines Beugungsgitters unter verschiedenen Winkeln zu der optischen Achse angeordnet, so daß unterschiedliche Wellenlängen des auftreffenden Lichtes entlang der optischen Achse des Lasers reflektiert werden. Die spezielle reflektierte Wellenlänge Λ ist durch folgende Formel vorgegeben:

k · X = a sin θ

wobei a den Abstand der Beugungselemente des Gitters, θ den Einfallswinkel des Laserlichts in Bezug auf das Lot zu dem Gitter und K eine durch die Beugungsordnung vorgegebene ganze Zahl darstellt.

Drehbar gelagerte Beugungsgitter sind im Stand der Technik vielfach bekannt. Durch Veränderung des Winkels θ können somit verschiedene Wellenlängen ausgewählt werden und der Laser auf die jeweilige Wellenlänge abgestimmt werden. In der US-PS 3 443 243 ist ein Beugungsgitter hinter den Reflektoren angeordnet, die den optischen Hohlraumresonator des Lasers vorgeben und das von dem Beugungsgitter reflektierte Licht verläuft durch eine Blende,um eine maximale Frequenzauflösung vorzugeben. Das dort verwendete reflektierende Beugungsgitter kann um eine Achse parallel zu den Gitterlinien gedreht werden.

In der US-PS 3 739 295 wird ein drehbares reflektierendes Beugungsgitter als Abstimmelernent in einem Farbstofflaser verwendet. Eine Blende befindet sich zwischen dem Beugungsgitter und einem der Reflektorelemente des Hohlraumresonators,um fluoreszierende Strahlung zu blockieren, die von dem Beugungsgitter zu dem angeregten Medium zurückgeworfen wird.

In der US-PS 4 241 318 können durch ein ebenes reflektierendes Beugungsgitter zusammen mit einem zwei optische Elemente aufweisenden Rad die optischen Elemente periodisch in der Strecke des Laserstrahls angeordnet werden. Hierdurch wird der Laserstrahl so abgelenkt, daß der Auftreffwinkel des Strahls auf das Beugungsgitter verändert wird und eine unterschiedliche Wellenlänge entlang der Längsachse des Lasers für jedes optische Element reflektiert wird. Das Beugungsgitter und das Rad drehen zusammen als eine Einheit in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Längsachse des Lasers, so daß mehr als zwei Wellenlängen ausgewählt werden können.

Die US-PS 4 287 486 zeigt eine Anordnung mit einem doppelten Beugungsgitter, wobei die Beugungsgitter einander gegenüber liegen, jedoch verschoben und nicht parallel sind, so daß unterschiedliche Wellenlängen des Laserlichts auf einen Spiegel geworfen werden. Der Spiegel wird gedrehtem der Reihe nach nur eine Wellenlänge aus einer Reihe von Wellenlängen zu jedem Zeitpunkt zu erzeugen. Der Laser wird getriggert und gezündet, wenn Licht der ersten Wellenlänge senkrecht auf den Spiegel auftritt, wobei der Impuls fortgesetzt erzeugt wird, bis alle interessierenden Wellenlängen abgetastet sind. Es wird somit ein Zitterimpuls, d.h. ein Impuls mit einer wechselnden Wellenlänge innerhalb des Impulses erzeugt. In dieser US-PS wird jedoch nicht

ein gepulster Laser angegeben, bei dem jeder Impuls auf eine unterschiedliche Wellenlänge abgestimmt und insbesondere eine sehr schnelle Umschaltung vorgenommen werden kann.

In einem Aufsatz von S.Holly und S.Aiken mit dem Titel "CO₂ Probe Laser with Rapid Wavelength Switching" erschienen in Advances in Laser Engineering 1977, Band 122, wird eine schnelle Abstimmung eines CO₂-DauerStrichlasers beschrieben. Dies geschieht durch die Anordnung von acht Beugungsgittern um einen auf einem Abtaster gelagerten Spiegel und durch einen Antrieb mit einem Schrittmotor. Die acht Beugungsgitter werden der Reihe nach in den optischen Resonator des Lasers bewegt. Eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Wellenlängen soll hierbei innerhalb von ΙΟμΞ möglich sein. Die Anzahl der Wellenlängen, die abgetastet werden können, ist jedoch durch die Anzahl der Beugungsgitter begrenzt und Ausrichtprobleme erfordern dort eine komplexe elektrisch-optische Regelschleife.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von den bekannten Anordnungen, ein verhältnismäßig einfaches System anzugeben, das die rasche Abtastung von dutzenden oder gar bis zu hundert Wellenlängen aus einer einzigen Laserquelle gestattet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des abstimmbaren Lasers sind den UnteranSprüchen entnehm-0 bar.

Der erfindungsgemäße abstimmbare Laser eignet sich insbesondere für die spektroskopische Messung sowohl in diagnostischen Laborexperimenten, Fernmeßsystemen für Um-Weltverschmutzungen und toxische Gase und für bestimmte

-6-Laser-Waffensysteme.

Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein regelmäßiger Polygonspiegel verwendet, der mit seinen total reflektierenden Spiegeln kontinuierlich um seine zentrale Achse ' rotiert und der Reihe nach jeweils nur eine einzige Wellenlänge von einer Spiegelfläche bei seiner Drehung reflektiert. Es wird ein gepulstes Verstärkungsmedium zusammen mit dem Polygonspiegel benutzt, wobei die Impulse zeitverzögert sind, so daß der durch das Verstärküngsmedium emittierte Lichtimpuls auf die verschiedenen Spiegelflächen des Polygonspiegels unter unterschiedlichen Winkeln jedesmal dann auftrifft, wenn der Laser gepulst wird. Die verschiedenen Auftreffwinkel werden so ausgewählt, daß eine und nur eine in dem von dem Verstärkungsmedium emittierten Licht enthaltene . Wellenlänge ausgewählt und auf die Längsachse des Laser ausgerichtet wird. Die Spiegelflächen des Polygonspiegels können selbst Beugungsgitter in einer Littrow-Konfiguration sein oder sie können den Laserstrahl auf ein einziges Beugungsgitter in der Littrow-Konfiguration reflektieren.

Anhand von in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen sei im folgenden die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: ·

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines gepulstes CO2-TEA (Transverse Excited Atmospheric)-Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig.2 eine schematische Darstellung jenes Teiles innerhalb von Fig. 1 der einen Synchronmotor und ein modifiziertes

rotierendes Beugungsgitter umfaßt; 35

Fig.3 ein Diagramm zur Veranschaulichung

der Ausgangsdaten/ wie sie mit einer modifizierten Einrichtung gemäß Fig.1 und der Struktur gemäß Fig.2 erhalten werden;

Fig.4 eine schematische Darstellung der elek

trischen Ansteuerung des Synchronmotors gemäß Figur 1;

Fig.5 eine schematische Darstellung eines alternativen Äusfuhrungsbeipxeles der Erfindung;

Fig.6 eine Darstellung einer Ausgangs-Intensität svertexlung aufgetragen über der Zeit für zwei durch ein kurzes Zeitintervall getrennte Impulse;

Fig.7 zwei Darstellungen der Absorption über der Wellenlänge für zwei unterschiedliche Gase, die mit einer Doppelimpulseinrichtung identifiziert werden; und

Fig.8 eine schematische Darstellung einer Doppelimpulseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
25

Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel 10 der vorliegenden Erfindung. Dort umfaßt ein Laser 12_ybeispielsweise ein CO2~TEA-Laser_feinen Abschnitt 14 mit einem Verstärkungsmedium, eine teilweise reflektierende Einrichtung 16, beispielsweise einen teilweise reflektierenden ebenen Spiegel, und eine im wesentlichen total reflektierende Einrichtung 18. Die reflektierenden Einrichtungen 16 und 18 bilden den Resonatorraum für den Laser 12. Das Verstärkungsmedium 14 des CC^ Lasers enthält CC>2 (und andere Gase wie beispielsweise N

CO, Xe, He usw.)/ welches Gas in einer Plasmaröhre 20 eingeschlossen ist, die ihrerseits durch ein Brewster ~ fenster 22 abgeschlossen ist. Das Brewsterfenster 22 ist unter dem Brewsterwinkel angeordnet, um lediglich Licht mit einer ausgewählten linearen Polarisationsrichtung zu der reflektierenden Einrichtung 18 ungehindert hindurchzulassen.

Die reflektierende Einrichtung 18 besteht vorzugsweise aus einem Körper mit gleichförmigem Polygonquerschnitt, wobei jede Fläche 24 gleich ausgebildet ist und benachbarte Flächen unter dem gleichen Winkel schneidet. Die Reflektoreinrichtung 18 besitzt eine zentrale Achse, die mit einer Welle 26 zusammenfällt. Ein hexagonaler Querschnitt ist zweckdienlich und ist in Fig.1 dargestellt.

Die Flächen 24 können aus reflektierenden Beugungsgittern bestehen, d.h. aus der bekannten Littrow-Konfiguration. Wie zuvor beschrieben, können durch Veränderung des Auftreffwinkels des Lichtstrahles 27 von dem Laser 12 verschiedene Lichtwellenlängen innerhalb des Strahles 27 einzeln ausgewählt werden, so daß sich diese entlang der Längs- bzw. Schwingungsachse 28 des Lasers 12 fortpflanzen. Wenn eine ganze Anzahl von halben Wellenlängen des ausgwählten Lichts der Resonatorlänge entspricht, so wird ein Ausgangs-Laserstrahl 30 erzeugt.

Bezüglich CO₂.kann bei einer Anregung des Verstärkungsmediums 14 der Laser mehr als 70 Wellenlängen in dem emittierten Strahl 27 enthalten. Dies ist auf die zahlreichen Rotationsenergie-ünterpegel der drei Vibrations-Energiepegel des CO₂-Moleküls zurückzuführen. Diese Wellenlängen treten in den R- und P-Zweigen der Wellenlängenbänder von 9 und 10μ des CO₂-Spektrums auf. Das ΙΟμ-Band ist in Fig. 3 dargestellt.

Ein Synchronmotor 31 kann die Reflektoreinrichtung 18 um die Welle 26 drehen. Die Welle 26 erstreckt sich zu einem Winkelcodierer 32 (s.Fig.2), welcher die Winkelposition der Flächen 24 in Bezug auf eine Referenzebene parallel zu der Welle 26 erfaßt.

Idealerweise wird der Laser 12 während der Zeit gepulst, in der jede neue Fläche 24 der Reflektoreinrichtung 18 von der Achse 28 getroffen wird. Vorzugsweise ist jede Fläche 2 4 identisch ausgebildet und der Laser 12 wird zeitlich so gepulst, daß der Strahl 27 auf die Flächen unter verschiedenen Winkeln auftrifft, wobei die Winkel ausgewählt werden,um eine und nur eine Wellenlänge des emittierten Lichtstrahles 27 zurück entlang der Achse zu reflektieren. Wenn somit 70 Wellenlängen von Interesse sind, so werden vorzugsweise 70 unterschiedliche Auftreffwinkel des Strahles 27 (d.h. θ aus Gleichung 1) auf die Flächen 24 der Reflektoreinrichtung 18 so ausgewählt, daß die 70 interessierenden Wellenlängen der Reihe nach und einzeln entlang der Achse 28 jedesmal reflektiert werden, wenn eine neue Fläche 24 sich in der geeigneten Position in Bezug auf die Achse 28 befindet.

Ein Beispiel einer elektronischen Steuerung, die für die Abtastung einer Folge von Wellenlängen geeignet ist, ist in einem Blockdiagramm in Figur 1 dargestellt. Der Winkelcodierer 32 ist so ausgelegt, daß er mit einem Impulszähler 34 zusammenarbeiten kann. Der Winkelcodierer 32 kann beispielsweise eine nicht dargestellte Scheibe mit 1000 in gleichmäßigem Abstand angeordneten Markierungen entlang ihres Umfangs umfassen. Diese Scheibe dreht sich zusammen mit der Reflektoreinrichtung 18. Zusätzlich kann eine Referenzmarke auf der Scheibe angeordnet sein, oder es kann eine der 1000 im Abstand angeordneten Marken gegenüber den anderen Marken unterscheidungsfähig ausge-

staltet sein. Der Zähler 34 ist so ausgestaltet, daß er auf Null zurückgesetzt wird, wenn die Referenzmarke an einem in dem Zähler 34 enthaltenen und nicht dargestellten Sensor vorbeiläuft. Danach zählt der Zähler 34 Marken und ein Komparator 36 vergleicht die Gesamtzahl der gezählten Marken mit einer ersten vorgegebenen Zahl (AD. A 1 entspricht einer ersten interessierenden Wellenlänge ( X 1) und wird in einem Grob-Auswahlspeicher 36 gespeichert. Wenn der Zählstand des Zählers 34 die Zahl Δ 1 erreicht, so wird eine Fein-Zeitverzögerung 40 durch ein Signal des Komparators 36 freigegeben. Die Fein-Zeitverzögerung 40 verzögert ein Ausgangssignal derselben um eine Zeit, die durch eine Verzögerungszeit (T1) entsprechend der Wellenlänge λ 1 vorgegeben ist und in einem Fein-Auswahlspeicher 42 gespeichert ist. Ein zweiter Komparator 44 vergleicht die erste Verzögerungszeit T1 mit der Zeitperiode, die verstrichen ist seit das Freigabesignal an die Fein-Zeitverzögerung 40 ausgegeben wurde und wenn die erste Verzögerungszeit T1 dieser Zeitperiode entspricht, so triggert der Komparator 44 einen Impulsformerschaltkreis 46 des Lasers 12.

Bei einem bestimmten Laser 12 wird eine besondere weitere Verzögerung zwischen der Triggerung des Impulsformerschaltkreises 46 und dem Schwingungseinsatz des Lasers 12 vorliegen. Um diese Verzögerung zu kompensieren, werden Fein-Verzögerungszeiten (T1,2,3...n) in dem Fein-Auswahlspeicher 42 gespeichert, um sicherzustellen, daß der Laser 12 nur in den geforderten Zeitpunkten gezündet wird.

Die Fein-Verzögerungszeiten Tn werden so gewählt, daß der Laser in Winkelpositionen des Winkelcodierers 32 und somit der Flächen 24 zünden kann, die zwischen zwei der 1000 Referenzmarken liegen. Dies gestattet eine Feinauswahl des Auftreffwinkels des Strahles 27 auf die Flächen 24. Da der

Einrichtung 10 eine Zeitverzögerung zwischen der Erkennung der Winkelposition der Flächen 24 und der Zündung des Lasers 12 anhaftet, muß die Elektronik der Einrichtung 10 dem Laser 12 die Zündung signalisieren, bevor sich die Reflektoreinrichtung 18 in der durch die Gleichung 1 vorgegebene Position befindet, so daß der Strahl 27 auf den Flächen 24 unter den richtigen Winkeln θ 1,2,3,....η auftrifft und eine bestimmte Wellenlänge ausgewählt wird. Dies bedeutet, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Reflektoreinrichtung 18 bei der Festlegung des Zündzeitpunktes des Lasers 12 berücksichtigt werden muß.

Die elektronische Steuerung gemäß Figur 1 weist weitere bevorzugte Merkmale auf. Eine Auswahleinrichtung 48 kann automatisch der Grob-Auswahleinrichtung 38 und der Feinauswahleinrichtung 42 befehlen, der Reihe nach verschiedene η und Tn-Werte der Reihe nach auszuwählen und zu speichern, die in dem Grobspeicher 50 und dem Feinspeicher 52 entsprechend enthalten sind. Vorzugsweise wird die Auswahleinrichtung 48 der Grob-Auswahleinrichtung 38 und der Fein-Äuswahleinrichtung 42 befehlen, den Speicherplatz der in den Speichern 50 und 52 ausgesuchten Daten nach jeder Zündung des Laserimpulses 12 um eins zu erhöhen. Selbstverständlich kann die elektronische Steuerung gemäß Figur 1 durch einen Mikroprozessor verwirklicht werden. Ferner ist die Auswahleinrichtung 48 vorzugsweise neu programmierbar, um die Auswahl verschiedener in dem Laserstrahl 27 enthaltene Wellenlängenmuster zu ermöglichen, d.h. es ist eine Auswahlmöglichkeit mit wahlfreiem Zugriff vorhanden.

Von besonderem Vorteil ist bei der Einrichtung 10 eine Reflektoreinrichtung 18 mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit um die Welle 26. Dies erleichtert eine genaue Bestimmung der Winkelposition der Flächen 24 zu allen Zeitpunkten insbesondere dann, wenn der Winkelcodierer 32

Referenzmarken verwendet, um die Winkelposition festzulegen und die interessierende Winkelposition zwischen zwei solcher Marken liegt.

Figur 2 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,mit der die Daten gemäß Figur 3 erzielt wurden, wobei eine im wesentlichen konstante Rotationsgeschwindigkeit der Reflektoreinrichtung 18 realisiert wurde. Dort wurde ein Hysterese-Synchronmotor 54 verwendet, wie er durch das Modell NCH-13 der Firma Bodine Electric Company vorliegt. Der Motor 54 wurde über Wellen 26 und 58 an einen Stahlzylinder 56 angeschlossen. Die Wellen 56 und 58 sind in eine Hülse 60 eingesteckt, die aus heißgewalztem Stahl besteht und besonders weich ist, so daß Vibrationen des Motors 54 bedämpft werden, bevor sie die Welle 26 erreichen. Nicht dargestellte Lager mit sehr hoher Qualität z.B.,der Klasse ABEC Nr.7 dienen der Abstützung der Welle 26 in der Hülse 60, wobei eine sehr genaue Parallelführung in Bezug auf die Erde erfolgt. 0 Ferner wurde eine große Rotationsmasse von z.B. mehreren Kilo als Stahlzylinder 56 verwendet, um Auswirkungen von Änderungen der Rotationsgeschwindigkeit der Welle 58 auf die Rotationsgeschwindigkeit des Stahlzylinders 56 auf ein Minimum zu reduzieren. Ferner wurden weiche Lagerungen 62 unter dem Motor 54 vorgesehen, um eine weitere Dämpfung von Vibrationseffekten herbeizuführen.

Bezüglich Figur 2 sei vermerkt, daß nur ein polygonales Beugungsgitter 64 verwendet wurde. Das Beugungsgitter 64 besitzt 130 Gitterlinien pro mm. Als Laser 12 wurde ein Tachisto Trac. II TEA Laser des Modells 215A verwendet. Die Daten gemäß Figur 3 wurden erhalten, indem die Grob-Auswahlzahl Δ η und die Fein- Zeitverzögerung Tn für jede Wellenlänge λ η manuell ausgewählt wurden. Als

Codierer 32 kam ein optischer Winkelcodierer der Firma Teledyne Gurley mit der Katalognuminer 8625-1000-012-1OS zur Anwendung; als Impulszähler 34 wurde ein voreinstellbarer und umkehrbarer Akkumulator des Typs 6014 der Firma Beckman verwendet und der Fein-Verzögerungstaktgeber 40 war ein digitaler Verzögerungsgenerator des Modells 7055 der Firma Berkeley Nucleonics Corp..

Die elektrische Antriebssteuerung für den Motor 54,die benutzt wurde, um die Daten gemäß Fig.3 zu erhalten, ist in Fig.4 dargestellt. Dort werden Audio-Leistungsverstärker 66 und 68 des Typs MC-60S der Firma Mclntosh durch einen Sinuswellengenerator 70 des Typs 208 A der Hewlett Packard angesteuert, um den Motor 54 mit 100 0 Umdrehungen pro ms zu drehen.

Die Daten gemäß Figur 3 zeigen, daß die Einrichtung 10 in der Tat zwischen CO₂-Rotationspegellinien mit 10ms oder weniger eine Abstimmung herbeiführen kann. Die Änderung des Auftreffwinkels θ des Strahls 27 auf dem Beugungsgitter 64, welche erforderlich ist, um die B- und R-Zweige der 9μ und ΙΟμ-Bänder des CO₂-TEA Lasers abzutasten, war geringer als 9°. Der Stahlzylinder 56 besaß zwei gegenüberliegend angeordnete flache Teile in seiner Oberfläche, wobei das Beugungsgitter 64 auf einer flachen Oberfläche und eine Ausgleichsplatte auf der gegenüberliegenden flachen Oberfläche angeordnet war.

Ein sehr geringes Zittern wird in den TEA-Laserimpuls aufgrund der veränderlichen Positionen der Flächen 24 während des Auftreffens der Impulse des Strahles 27 auf diese Flächen eingeführt. Die Impulsdauer ist jedoch sehr kurz, d.h. in der Größenordnung von 70ns für einen TEA-Laser, im Vergleich zu der Winkelgeschwindigkeit der Reflektoreinrichtung 18, so daß im allgemeinen Messungen

unter Verwendung der Einrichtung 10 nicht beeinflußtwerden. Trotzdem können für spezifische Anwendungsfälle zusätzliche elektronische Einrichtungen erforderlich sein. Das Zittern läßt sich bezüglich der Daten in Figur 3 in der Größen-

5 Ordnung von 5MHz pro Sekunde abschätzen. Das Beugungsgitter 64 mit 130 Linien pro mm, gestattet eine teilweise Überlappung der Ausgangs-Impulsformen der Daten in Fig.3 mit benachbarten Impulsen, wobei jedoch die einzelnen Impulsformen klar hervortreten. Beugungsgitter mit höherer Auflösung können verwendet werden, um benachbarte Ausgangsimpulse weiter zu trennen.

Ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in Fig.5 als Einrichtung 72 dargestellt. Entsprechende Komponenten zwischen den Einrichtungen 10 und 66 sind der Übersichtlichkeit wegen gleich beziffert. Das alternative Merkmal der Einrichtung 72 besteht in der Verwendung eines polygonalen im wesentlichen total reflektierenden Spiegels 74 zusammen mit einem getrennten Beugungsgitter 76 anstelle der Reflektoreinrichtung 18. Das Beugungsgitter 46 ist nunmehr insofern vereinfacht, als es stationär angeordnet ist. Die Einrichtung 72 ist wesentlich billiger als die Einrichtung 10 und Polygonspiegel mit geringen Winkeltoleranzen zwischen den Spiegelflächen sind im Handel erhältlich.

Für Fernmeß-Anwendungsfalle ist es von Vorteil, ein Impulspaar mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen und einem Impulsabstand von 100με oder weniger auszusenden. Dies ist in Fig.6 gezeigt, wo die beiden Impulse 80 und 82 einen Impulsabstand 78 aufweisen. Einer der beiden Impulse 80 und 82 gibt eine Referenzwellenlänge vor und der andere Impuls ist ein Testimpuls mit einer Wellenlänge, die auf A 1,2,3...η abstimmbar ist. Die Impulse weisen die gleiche Intensität auf.

Der Zweck dieseslmpulsschemas wird anhand von Fig.7 erläutert. Es seien erste und zweite gasförmige Verunreinigungen mit den Absorptionsprofilen 84 und 90 zu untersuchen. Die Verunreinigungen werden mit ersten und zweiten Impulsen, die 100με oder weniger voneinander getrennt sind und die Wellenlängen 86 und 88 aufweisen,durchstrahlt. Die Wellenlänge 88 ist so gewählt, daß sie durch die Absorption und die Streuung des ersten Gases relativ unbeeinflußt bleibt, während die Wellenlänge 86 so gewählt ist, daß sie stark beeinflußtwird. Die optische Intensität bei den Wellenlängen 86 und 88 wird gemessen nachdem die ersten und zweiten Impulse das erste Medium durchlaufen haben. Das Verhältnis dieser beider Signale ist charakteristisch für die erste Verunreinigung. Somit kann das Vorhandensein der ersten Verunreinigung in einem unbekannten Gas leicht durch dieses Verfahren festgestellt werden. In gleicher Weise kann die zweite Verunreinigung durch die Verwendung von Impulsen mit den Wellenlängen 92 und 94 erfaßt werden. Der Testimpuls und der Referenzimpuls weisen vorzugsweise einen Abstand von 100μΞ oder weniger auf, um sicherzustellen, daß das zu prüfende Gas zwischen den Impulsen unverändert bleibt, so daß bezüglich beider Impulse die gleichen atmosphärischen Bedingungen angetroffen werden.Atmosphärische Ereignisse wie beispielsweise eine Turbulenz , treten typischerweise mit einer Frequenz von 100Hz auf.

Eine Einrichtung zur Verwirklichung des Doppelimpulsverfahrens ist in Fig.8 dargestellt. Zwei Paare von Rogowsky Elektroden 96 werden in einem TEA-Laser 97 benutzt, da zwei Impulse in rascher Folge in einem TEA-Verstärkungsabschnitt nicht erzeugt werden können. Diese Einschränkung ergibt sich aufgrund des hohen Ionisationsgrades aus der ersten Entladung und dem sich ergebenden Lichtbogen für die zweite Entladung, wodurch eine gleichförmige Anregung des Gases in dem TEA Laser verhindert wird. In der Praxis ergibt sich bei TEA-

Lasern eine Begrenzung der Wiederholfrequenz von 100 bis 1000Hz in Abhängigkeit von der Gasflußrate.

In Fig.8 werden zwei Elektrodenpaare 96 durch eine gefaltete Resonatorkonfiguration vorgegeben. Die Erzeugung des Impulspaares wird sodann durch Triggerung beider Impulsformerschaltkreise 98 und 106 mit einer spezifischen Verzögerungszeit erzielt, die der Wellenlängentrennung der zwei emittierten Spektrallinien entspricht. Dies geschieht in ähnlicher Weise wie dies hinsichtlich der Abstimmung eines einzelnen Laser-Ausgangsimpulses beschrieben wurde. In diesem Fall werden jedoch zwei Wellenlängen pro Beugungsgitterfläche des Beugungsgitters 100 emittiert. Der Laser 97 oszilliert entlang der gestrichelten Linie in Fig.8. Das Brewsterfenster 102 schließt das Gas in dem Laser 97 ein und die Eckspiegel 104 richten den Ausgangsstrahl 108 durch den teilweise reflektierenden Spiegel 110 hindurch.

Claims

HONEYWELL INC. 27.September 1983

Honeywell Plaza A4109398 DE

Minneapolis, Minn. USA Hz/umw

Abstimmbarer Laser
Patentansprüche:

/1./Abstimmbarer Laser, gekennzeichnet durch

erste und zweite Einrichtungen (16,18) zur wenigstens teilweise Reflektierung des Laserlichts, wobei die zweite Reflektoreinrichtung (18) kontinuierlich um eine erste Achse (26) rotiert und beide Reflektoreinrichtungen (16,18) einen optischen Resonator vorgeben; ein Medium (14) in dem Resonator, das entlang einer zweiten Achse (28) zwischen den Reflektoreinrichtungen (16,18) mit mehreren Wellenlängen anregbar ist; und eine Streueinrichtung (24) zur individuellen Auswahl und Ausrichtung verschiedener Wellenlängen entlang der zweiten Achse (28) beim Rotieren der zweiten Reflektoreinrichtung (18).
2. Laser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuerung (32-52) zum Anregen des Mediums (14) zu ausgewählten Zeitpunkten und zum Erzeugen eines Laser-Lichtimpulses in diesen ausgewählten Zeitpunkten entlang der zweiten Achse (28J₇ wodurch die Streueinrichtung (24) der Reihe nach verschiedene Wellenlängen, aber nur eine Wellenlänge von jeweils einem der Impulse, bei der Rotation der zweiten Reflektoreinrichtung (18) auswählt.
3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streueinrichtung (24) mehrere auf der Oberfläche der zweiten Reflektoreinrichtung (18) angeordnete Gitter aufweist.
4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der zweiten Reflektoreinrichtung (18) senkrecht zur ersten Achse (26) durch ein regelmäßiges Polygon vorgegeben ist.
5. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (24) alle einander gleich sind.
6. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine unterschiedliche Wellenlänge durch die Streueinrichtung (24) aus jedem der Laserimpulse während einer festen Anzahl von Impulsen ausgewählt wird.
7. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Reflektoreinrichtung (18) mit mindestens 1000 U/min rotiert.
8. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i chne t, daß die Laserimpulse wenigstens alle 10ms auftreten.
9. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungssteuerung (32-52) zwei im wesentlichen getrennte Teile des Mediums (14) in unterschiedlichen Zeitpunkten anregt,so daß Paare von Laser-Lichtimpulsen (80,82) erzeugt werden, wobei der zeitliche Abstand zwischen den Impulsen dieser Impulspaare nicht mehr als 100]xs beträgt.