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Verfahren zur Frequenzstabilisierung von optischen Sendern Die Erfindung
betrifft die Frequenzstabilisierung eines optischen Senders mit gasförmigem stimulierbarem
Medium mittels magnetostriktiver Regelung der Länge des optischen Resonators über
Ströme, die von Schwebungen ausgewählter Resonanzfrequenzen gesteuert werden.
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Bei den bisher bekannten Geräten ist es sehr schwierig, eine Frequenzstabilität
genauer als 10-6 zu erhalten. Dies beruht auf verschiedenen Ursachen, z.
B. auf der Änderung der Distanz zwischen den beiden reffektierenden Spiegeln oder
der Instabilität der beiden sich gegenüberliegenden Spiegel des optischen Resonators,
welche schon durch geringfügige Einwirkungen durch Temperatur oder Stromänderungen
verursacht wird. Dieser Mangel an Frequenzstabilität in einem optischen Sender engt
dessen Anwendungsbereich ein.
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Aus der deutschen Patentschrift 1160 542 ist ein Verfahren
zur Frequenzstabilisierung eines optischen Senders bekannt, bei dem die Schwebungsfrequenzen
zwischen der der Mitte der Emissionslinie am nächsten gelegenen Frequenz und den
auf beiden Seiten nächstbenachbarten Frequenzen angezeigt werden, die Differenz
der Schwebungsfrequenzen gemessen und der optische Verstärker in Abhängigkeit von
der Abweichung der Frequenzdifferenz abgestimmt wird. Die Abstimmung erfolgt bei
diesem Gerät durch Steuerung der optischen Länge des Resonators, wobei der magnetostriktive
Effekt der zur Längeneinhaltung des Resonators verwendeten Abstandsglieder ausgenutzt
wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Frequenzstabilisierung
eines optischen Senders zu schaffen, bei der durch Steuerung der Entfernung und
der Neigungswinkel der den optischen Resonator begrenzenden Spiegel sowie der Anregungsleistung
für das stimulierbare Medium eine Frequenzstabilität von mindestens 10-9
erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der optische Resonator
- etwa mit Netzfrequenz -
bezüglich seiner Resonanz frequenzmoduliert
wird und daß die Modulationsgrundschwingung des optischen Senders sowie ihre bei
dieser Frequenzmodulation entstehenden zweiten und dritten Harmonischen zur Regelung
ausgenutzt werden, indem die Grundschwingung zur Regelung einer unerwünschten, von
der Parallelität abweichenden Neigung der Spiegel gegeneinander, die zweite Harmonische
für die Regelung der Anregung durch Steuerung des Stromes der Gasentladung und die
dritte Harmonische für eine Variation der Länge des optischen Resonators ausgenutzt
werden. Eine genaue Erklärung der vorliegenden Erfindung erfolgt in der Beschreibung,
die sich auf die Zeichnungen bezieht.
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F i g. 1 zeigt den Verlauf der Senderausgangsleistung in Abhängigkeit
des Spiegelabstandes L; F i g. 2 zeigt eine_ perspektivische Ansicht des
optischen Resonators, der bei der Durchführung des -erfindungsgemäßen Verfahrens.
benutzt wird; F i g. 3 zeigt in Gestalt eines Blockdiagramms die zut erfindungsgemäßen
Frequenzstabilisierung verwendete Regelschaltung.
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Wenn die Entfernung zwischen den reflektierenden Spiegeln des Resonators
sinusartig mit einer Frequenz co geändert wird, so erscheinen in der Modulationsfrequenz
des Lichtes im Ausgang des Resonators drei Komponenten, nämlich die Modulationsfrequenz
a), eine zweite Harmonische 2 to und eine dritte Harmonische 3 co.
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F i g. 1 zeigt die Ausgangsleistung y (L)
in der Nachbarschaft des Resonanzpunktes LO in einem optischen Resonator, aufgetragen'über
der Entfernung L zwischen den beiden sich gegenüberstehenden Spiegeln des Resonators.
In dieser Figur beschreibt die Kurve A die Ausgangsleistung des Resonators,
wenn die reffektierenden Spiegel parallel sind, die Kurve B die Ausgangsleistung,
wenn die Spiegel nicht parallel sind, und die Kurve C die Ausgangsleistung,
wenn die Anregungsleistung des Entladungsrohres im Resonator kleiner ist als im
Fall A oder- B. -
Das theoretische Prinzip des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist folgendes: Betrachtet man die ungenügende Ausrichtung der Spiegel
als eine Funktion der Längsabstimmung, so
muß der Schwellenwert
der Anregung eine sich mit der Frequenz langsam ändernde Funktion sein. Zieht man
diesen Effekt sowie einige zusätzliche Modifikationen der Theorie des optischen
Senders in Betracht, so kann die Intensität der Oszillation durch die folgende Gleichung
(1) ausgedrückt werden:
Darin bezeichnet x die Frequenzabweichung nach der Gleichung
wobei v die Oszillationsfrequenz, v. die zentrale Atomresonanzfrequenz und Av die
Dopplerverbreiterung bedeuten. Der Parameter a ist das Verhältnis der Dopplerverbreiterung
zur natürlichen Linienbreite des Übergangs, und der Parameter b ist eine
Funktion eines weiteren Parameters B, der durch die Art der atomaren Zusammenstöße
bestimmt ist und vom Druck in der Entladungsröhre abhängt.
gibt ein Maß für den Betrag, um den der optische Sender über dem Oszillationsschwellenwert
gehalten wird. Gleichung (1) ist gültig für die Oszillation entsprechend
einer Signalschwingung. Die Schwingungsintensität zeigt nahe x = 0
eine Einsenkung, wenn die Anregung nicht schwach ist. Wird die Anregung verringert,
so daß
gilt, dann verschwindet die Leistungssenke, und die Ausgangsleistung zeigt ein Maximum
nahe x = 0.
Für
zeigt die Ausgangscharakteristik einen flachen Verlauf. Die eben beschriebenen Charakteristiken
sind in F i g. 1 ersichtlich.
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Die Frequenz, die zu dem Minimum oder Maximum der Leistung bei y'
(x) = 0 gehört, ist über der Zeit nicht konstant. Sie ändert sich
nämlich beträchtlich mit der Neigung der Spiegel und mit der Höhe der Anregungsleistung.
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Es hat sich gezeigt, daß man einen stabileren Schwingungszustand mit
konstanter Frequenz erhält, wenn man den Resonator so steuert, daß gilt
t
y = y" = y... = 0, wobei y" y" und
y ... die erste, die zweite und die dritte Ableitung der Ausgangsleistung
des Resonators darstellen.
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Um jetzt Fehlersignale zur Steuerung der Neigung und des Abstandes
der Spiegel sowie der Anregungsleistung zu erhalten, bewegt man die planparallelen
Spiegel des Resonators nahezu sinusförmig. Die Frequenz des Resonators läßt sich
als eine Funktion der Zeit dann durch Gleichung (3) ausdrücken.
x # x. + x, cos (co t + 01) +
x, cos (2 a)i 1- 19,) x, cos (3 (» t
+ 19,) + x, cos (4 a) t + 0,) +
- - -
(3)
01, 0, 0, sind Phasenverschiebungen, und x, x,
. . .
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beruhen auf Nichtlinearitäten der Anregung, wie Magnetostriktion sowie
Verzerrungen im Anr.-gungsstrom. Für kleine Amplitudenmodulation kann man annehmen,
daß gilt: -
1 > x, > x2, x3 ...
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Gleichung (3) läßt sich in eine Taylor-Reihe entwickeln und
in folgende Form umschreiben: y = yr. + y, cos «v
t + »1) + y, cos (2 a) t + z9,)
+ y, cos (3 co t + t9,) ... (4) Darin
bedeuten »" 0, 0, Phasenverschiebungen und y, y, y, Amplituden,
die zu der Grundkomponenten to, der zweiten Harmonischen 2 o) und der dritten Harmonischen
3 a) gehören.
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Bei geringer Hysterese in der Anregung und symmetrischen Schwingungsform
des Anregungsstromes sind die Phasenverschiebungen klein, so daß die folgenden einfacheren
Ausdrücke benutzt werden können.
Wenn der Resonator so abgestimmt ist, daß YI = Y2 =
YI = 0 ist, so nähern sich die Ableitungen y 1, y", y...
sehr stark dem Wert Null, soweit Glieder höherer Ordnung vernachlässigbar sind.
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Es zeigt sich, daß die Abweichung von einer linearen Beziehung bei
der Magnetostriktionsabstimmung weniger als 10 0/, für eine Frequenzänderung
von 500 MHz entsprechend A x = 1 beträgt.
So ist die Amplitude x. der zweiten Harmonischen 2 a), verursacht durch Nichtlinearitäten
in der Magnetostriktion, kleiner als 0,05 x12.
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Wenn also die Verzerrung so klein ist, daß gilt x2 < x",
x3 « x? - - - , (5)
findet man für eine schnelle Abschätzung
die folgende Beziehung:
Diese Gleichungen zeigen, daß die dritte harmonische Komponente bei der Änderung
des Lichtes im Ausgang als Fehlersignal für Abweichungen des Spiegelabstandes, die
zweite harmonische Komponente als Fehlersignal für die Höhe der Anregung und die
Grundkomponente als Fehlersignal für die Neigungen der Spiegel benutzt werden können.
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Man erhält also eine stabile Schwingungsfrequenz, indem man die drei
Modulationsfrequenzkomponenten a), 2 co und 3 «) im Licht des Resonatorausganges
zu den entsprechenden Steuerelementen des Gerätes zurückführt.
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F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren benutzten Resonators. In ein Entladungsrohr 1 mit reflektierenden
Spiegeln 2a, 2b ist ein Gasgemisch von Neon und Helium eingefüllt.
Der Spiegel 2a besitzt ein Reflexionsvermögen von 1000/" der Spiege12b ein
Reflexionsvermögen von 95 bis 98 0/,. Die Spiegel 2a, 2b sind
an Halteplatten3a bzw. 3b befestigt. Das Entladungsrohr ist an beiden Enden
über Federbalgen 4a bzw. 4bmit den Halteplatten 3a bzw. 3b verbunden. Zwischen
den Halteplatten erstrecken sich vier Stäbe aus Invarstahl 5a, 5b, 5c,
5d, die mit drei Sätzen von Spulen versehen sind. Dabei dient der erste
Spulensatz 6a, 6b, 6c, 6d auf den Invarstäben (Invar
36 0/" Ni, 64 1/" Fe) 5 a, 5 b, 5 c, 5 d zur
Änderung der optischen Länge, d. h. der Entfernung der Spiegel voneinander.
Ein zweiter Spulensatz 7a, 7d auf den Invarstäben 5a, 5d dient
zur Einjustierung des Neigungswinkels der Spiegel um eine horizontal zu denkende
Achse, ein dritter Spulensatz Sc, 8d auf den Invarstäben
5c, 5d zur Ein ustierung des Spiegelneigungswinkels um eine vertikal
zu denkende Achse der F i g. 2. Auf diese Weise lassen sich die Spiegel parallel
zueinander einstellen.
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Wenn der Magnetisierungs- und Steuerstrom in den Spulen
6a, 6b, 6c, 6d fließt, dehnen sich die Invarstäbe
5a, 5b, 5c, 5d aus bzw. ziehen sich zusammen, je nach
Stromrichtung, so daß die Spiegel parallel zueinander verschoben werden. Gleichzeitig
verursacht der in den Spulen 7a und 7d fließende Strom eine Neigungsänderung
der beiden Spiegel zueinander um eine horizontale Achse, während der in den Spulen
8 c und 8 d fließende Strom eine Neigungsänderung der beiden Spiegel
um eine vertikal zu denkende Achse bewirkt.
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Die Lage des Entladungsrohres wird durch die Änderungen der Spiegeleinstellung
nicht beeinflußt '
da das Entladungsrohr über Federbälge mit den Halteplatten
verbunden ist.
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F i g. 3 zeigt ein Blockdiagramm der Regelschaltung. Der Ausgang
einer Anregungsenergiequelle 9 wirkt auf die Entladungsröhre. Die Spulen
6a, 6b, 6c, 6d
auf den Invarstäben 5a, 5b, 5c,
5d werden mit einem Wechselstrom der Modulationsfrequenz co (beispielsweise
70 Hz) durch einen Oszillator 10 gespeist. Auf gleiche Weise werden
die Spulen 8c, 8d auf den Invarstäben 5c, 5d durch einen
Oszillator 12 mit einem Wechselstrom von der Modulationsfrequenz m' (beispielsweise
25 Hz) versorgt. Infolge des Magrietostriktionseffektes dehnen sich die Invarstäbe
aus bzw. ziehen sich zusammen je nach der Richtung des in den Spulen fließenden
Stromes.
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Die Einspeisung der zweiten Grundfrequenz a)' zur Steuerung des Spiegelneigungswinkels
in der horizontalen Ebene auf den Spulensatz 8c, 8d ist theoretisch
unnötig. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß auf Grund von unterschiedlichen
Trägheitseffekten und dem Auftreten von Reibung in den Halteplatteri die Regelwirkung
der Grundfrequenz co zur Änderung des Neigungswinkels um eine vertikale Achse weniger
zur Geltung kommt als um eine horizontale Achse. Aus diesem Grund wird zur Steuerung
des Neigungswinkels in der horizontalen Ebene die weitere Grundfrequenz co' eingespeist.
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14 ist eine als Verstärker wirkende Photozelle,welche die modulierte
Lichtschwingung im Ausgang des Resonators in elektrische Signale umwandelt. Das
resultierende Signal wird zunächst durch einen Breitbandverstärker 15 und
dann durch Schmalbandverstärker 16, 17, 18 und 19 verstärkt. Dabei
verstärkt der Verstärker 16 die Komponente co', 17 die Komponente
co, 18 die Komponente 2 o) und 19 die Komponente 3 a). Die
verstärkten Komponenten «)', co, 2 co, 3 co werden an Detektoren 20, 21,
22 und 23
weitergeleitet. Der Detektor 20 erhält das Bezugssignal von dem
W-Oszillator 12. Die Bezugssignale co, 2 co und 3 co eines Modulators
11 dagegen, die in dem Oszillator 10 durch Teilen der Frequenz
6 co erzeugt werden, werden an die Detektoren 21, 22 und 23
weitergegeben.
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Die Ausrichtung der Neigungswinkel und des Abstandes der Spiegel wird
durch Steuerung des Stromes bewirkt, der in den Spulen 6a, 6b, 6c,
6d,
7a, 7d, 8 c und 8d fließt. Dies erfolgt über veränderliche
Widerstände und Servomotoren, die durch die Ausgänge der Detektoren geregelt werden.
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Die Steuerung der Anregung der Entladungsröhre erfolgt dadurch, daß
der Ausgangsstrom vom Detektor 22 zur Anregungsenergiequelle 9 negativ zurückgeführt
wird.
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Versuche haben gezeigt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
eine Stabilität der Oszillationsfrequenz im Ausgang des optischen Resonators von
10-11 erzielen ließ. Das ist die höchste bisher erreichte Genauigkeit in
dem betreffenden Bereich. Darüber hinaus kann theoretisch eine Stabilität von 10-14
erwartet werden.