Laser-stabilisatie met behulp van een piezo-elektrischeverplaatserCitation for published version (APA):Schelleman, P. (1983). Laser-stabilisatie met behulp van een piezo-elektrische verplaatser. (TH Eindhoven. Afd.Werktuigbouwkunde, Vakgroep Produktietechnologie : WPB; Vol. WPB0048). Eindhoven: TechnischeHogeschool Eindhoven.

Document status and date:Gepubliceerd: 01/01/1983

Document Version:Uitgevers PDF, ook bekend als Version of Record

Please check the document version of this publication:

• A submitted manuscript is the version of the article upon submission and before peer-review. There can beimportant differences between the submitted version and the official published version of record. Peopleinterested in the research are advised to contact the author for the final version of the publication, or visit theDOI to the publisher's website.• The final author version and the galley proof are versions of the publication after peer review.• The final published version features the final layout of the paper including the volume, issue and pagenumbers.Link to publication

General rightsCopyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright ownersand it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights.

• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain • You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal.

If the publication is distributed under the terms of Article 25fa of the Dutch Copyright Act, indicated by the “Taverne” license above, pleasefollow below link for the End User Agreement:

www.tue.nl/taverne

Take down policyIf you believe that this document breaches copyright please contact us at:

openaccess@tue.nl

providing details and we will investigate your claim.

Download date: 10. Feb. 2020

LASER-STABILISATIE MET BEHULP VAN EEN

PI~ZO-ELEKTRISCHE VERPLAATSER

door P.Schelleman WPB nr. 0048

Met dank aan P.Schellekens; J.Spronck, C.Timmermans en de medewerkers van het lab. voor lengtemeting.

-1-

SAI"'.tENVATTING

Deze stage werd verricht in het laboratorium voor lengte­meting van de Technische Hogeschool Eindhoven Cafd. W). Hier wordt o.a. onderzoek gedaan aan een lichtbron voor het gebruik in de lengtemeting (m.b.v. interferometrie). Als lichtbron blijkt o.a. een 2 modes HeNe laser zeer ge­schikt te zijn.

Het doel van deze stage was : a. Het onderzoek naar het voorkomen van Lamb-dips op de flanken van het laserprofiel. Deze kunnen voor het stabi­liseren van de laser een nadelig effekt hebben , b. Het ontwikkelen van een eenvoudig startsysteem voor deze laser, waarbij gebruik wordt gemaakt van een voeding van 2,5 kV , c. Het vervaardigen van een piezo-elektrische verplaatser die een voldoend grote verplaatsing had om de lengteverander­ingen ten gevolge van o.a. temperatuurswisselingen tegen te gaan.

Uit literatuur onderzoek blijkt dat theoretisch Lamb-dips op de flanken kunnen optreden, echter met de ontwikkelde meetmethode is hiervan geen zodanig effekt gekonstateerd dat invloed op de stabilisatie moet worden verwacht. Het startsysteem voldoet uitstekend, zodat de laser zonder gevaar op beschadigingen en met een vrij eenvoudige voeding gestart kan worden. De piezo-stack bleek een voldoend grote uitwijking te be­zi tten (20nm/V), zodat de laser over lange tijd in stabili­satie gehouden kan worden. De frequentiedrift bleek kleiner dan 5 MHz wat neerkomt op een onnauwkeurigheid van maximaal 10-8 •

INHOUD

SAMENVATTING

I INLEIDING

II DE LASER

III FREQUENTIE-STABILISATIE

IV HET STARTEN VAN DE LASER

V HET PI~ZO KRISTAL

VI OPBOUW PI~ZO STACK

VII INBOUW PI~ZO STACK

VIII TEMPERATUURS INVLOEDEN

IX DE BEATMETING

X RESULTATEN BEATMETING

XI KONKLUSIES EN AANBEVELINGEN

XII APPENDICES

XIII LITERATUUR

-2-

1

3

4

8

12

14

24

27

28

32

34

35

36

46

-3-

I INLEIDING

Deze stage moet gezien worden als een vervolg op de stage van J. Spronck. In deze stage is namelijk geprobeerd om het ontworpen laser-stabilisatie systeem te verbeteren. De voornaamste doelstellingen waren: -Ret onderzoek naar Lamb-dips op de flanken van het versterk­ingsprofiel van de laser , -Ret veilig starten van de laser, zonder risico op beschadig­ing van de plasmabuis en -Ret verbeteren van de stabilisatie van de laser zodat deze over een groter temperatuursgebied in stabilisatie blijft.

In de stage van J. Spronck is gebleken dat een stabilisatie systeem met behulp van een piezo-kristal (om de resonator­lengte te varieren) goed voldoet, maar dat het piezo-kristal niet voldoende verplaatsing gaf : ~3nm/V. De nu ontwikkelde piezo-stack (23 plaatjes van 1,1mm dikte op elkaar gestapeld) heeft een verplaatsing van ~20nm/V.

-4-

II DE LASER

De laser is opgebouwd uit een plasmabuis waarin een gasontlading aanwezig is, met op de uiteinden van die plasmabuis spiegels die een fraktie van het licht doorlaten. Tussen deze spiegels is de laser op te vatten als een resonator met resonantielengte de afstand tussen de beide spiegels. De voorwaarde voor laserwerking is dat de faseverschuiving tussen beide spiegels een geheel aantal malen 2IT is. Dus binnen de spiegels moet een geheel aantal malen de halve golflengte passen:

L = k.l/2

Waarin L de afstand tussen de spiegels is, A de golflengte en keen geheel getal. De golflengte voldoet ook aan de volgende betrekking:

). =~ n.J..

Met c de lichtsnelheid ( 3.108m/s), n de brekingsindex en f de frequentie van het laserlicht. Uit deze twee betrekkingen voIgt dat:

L :: ~~f en f k.c

::: 2nL

Het frequentieverschil tussen twee opeenvolgende modes is:

c af = 2nL

Als we in deze vergelijking de numerieke waarden invullen ( met L~22cm en n~1) dan vinden we voor de modeafstand ~f:

af .. 680 MHz

Als nu L verandert, verandert ook de modeafstand maar deze verandering is verwaarloosbaar klein omdat de verandering in L in de orde van 10-5m is, is de verandering in __ 4f:

ongeveer 0,03 MHz en dit is ongeveer 0,5% , en dit is een te verwaarlozen fout.

-5-

We kunnen ook een relatie bepalen tussen de lengteverandering en de frequentie verandering. Deze is: f/f=- L/L • Hieruit blijkt dat we de frequentie kunnen stabiliseren door de lengte van de resonatorholte (d.i. de afstand tussen de spiegels) te stabiliseren.

In het stageverslag van J. Spronck (lit.1) is een formule afgeleid voor het versterkingsprofiel van een laser en deze blijkt vrijwel symmetrisch te zijn. Hieruit kan men afleiden dat als de twee modes symmetrisch onder het versterkingsprofiel staan, zij beide een zelfde snelheidsgroep ui t het plasma gebruiken: Als een mode in het midden van het profiel staat heeft deze lopende golf interaktie met de snelheidsgroep die een snelheid gelijk aan nul bezit in de richting van de lopende golf (Dit zijn dus de atomen die in een vlak loodrecht op de voortplantingsrichting van de golf bewegen). Doordat de lopende golf heen en weer door de plasmabuis loopt, wordt deze snelheidsgroep meerdere malen aangesproken, (Dit veroorzaakt de Lamb-dip). Indien de beide modes symmetrisch onder het profiel staan heeft de ene mode interaktie met een snelheidsgroep met snelheid v, en de andere mode met de snel­heidsgroep -v. Na r~flektie nemen de modes juist de andere snelheidsgroep, zodat ook deze twee maal aangesproken worden.

fig.1Verandering van de mode-frequenties t.g.v. 'n ver­andering in het versterkingsprofiel

Hierdoor zou een verzadigingseffek~kunnen optreden met als gevolg dat er een dip in de power-output ontstaat (Er zouden dan in totaal drie dips zijn: de Lamb-dip, en twee dips ten gevolge van verzadiging (Op elke flank van het profiel een»). Zoln dip zou ongunstig zijn voor het stabiliseren van de laser, omdat we de modes symmetrisch onder het profiel willen zetten om zodoende de de temperatuursinvloeden te minimaliseren.

Uit fig.1 blijkt dat indien de modes symmetrisch onder het versterkingsprofiel staan, een verandering in het pro­fiel nauwelijks of geen invloed heeft. Maar als de modes a-symmetrisch onder het profiel staan heeft een verandering in het versterkingsprofiel weI invloed: het regelsysteem houdt het intensiteitsverschil tussen beide modes konstant en dan zullen de modes onder het profiel gaan schuiven. Een dip op de flanken zo daarom ongunstig zijn omdat de intensiteit van een mode met het verloop van de frequentie eerst by. af zou nemen, vervolgens toenemen om daarna weer af te nemen. Omdat het stabilisatiesysteem de mode-inten­siteiten gelijk houdt, zouden er drie stabiele toestanden zijn en dan zou de frequentie niet eenduidig bepaald zijn. Als er weI een dip op de flanken zou zijn, dan zou men een methode hebben om de modes gelijk af te regelen.

Daarom hebben we het profiel afgezocht naar dips op de flanken. Dit geschiede als volgt: met een stuurkast werd op het piezo­kristal dat op de tlneus n van de laser gemonteerd was, zodat de laserlengte en daarmee de frequentie veranderd kon worden, een sinusspanning met een frequentie van 610 Hz en een amplitude van ~1 V aangelegd. Deze stuurkast had een regelbare offset, zodat het hele profiel gescand kon worden. De intensi tei t van de laserbundel werd gedetekteerd door een van de fotodiodes die in het reeds bestaande regelsysteem waren opgenomen (Later werd ook gebruik gemaakt van de diode uit de Fabry-Perot inter­ferometer die sneller was). Het signaal van deze diode werd via een lock-in versterker op een oscilloscoop gezet.

~ zie lit. 7 en 8

-7-

Hierbij werd de lock-in versterker feitelijk aIleen als bandfilter gebruikt om het dc-niveau dat bij het signaal van de foto-diode aanwezig was kwijt te raken. Men zou ook de uitang van de lock-in versterker op een X-Y schrijver kunnen zetten om zo de eventuele dip op de flanken zicht­baar te maken. Maar ook met behulp van een oscilloscoop moet de dip te zien zijn: door op de andere ingang van de oscilloscoop het stuursignaal te zetten ontstaat er een Lissajous-figuur.

PZT laser

ref.f scoo

stuurkast lock-in

fig.2 Schema meetopstelling

foto­~o~

Als er een dip optreedt, ziet men op het oscilloscoopbeeld een veranderende figuur ten gevolge van fasedraaiing (Men ziet een ellips waarvan de lijn door de brandpunten een bepaalde helling

heaft, deze helling voIgt het profiel). Met bovenstaande methode (die vrij nauwkeurig was) is gssn dip op de flanken gevonden: er treedt dus blijkbaar geen verzadiging op,en de stabilisatie-methode moet dus bruikbaar zijn.

-8-

III FREQUENT IE STABILISATIE

Als de spiegelafstand van een laser verandert, verandert ook de lengte van de trilholte en daarmee ook de golflengte (en frequentie) : ~ = 2L/k • In de praktijk verandert de spiegelafstand door uitzetten of krimpen van het glas van de plasmabuis (de spiegels zijn op de plasmabuis gemonteerd). Het uitzetten of krimpen van het glas wordt veroorzaakt door temperatuursvariaties. Om de frequentie te stabiliseren kan men twee methodes aangeven, nl. : 1. De spiegelafstand mechanisch verplaatsen, dwz. een

van de spiegels zodanig verplaatsen dat de spiegel­afstand konstant blijft, of

2. De temperatuur van de plasmabuis konstant houden (en eventueel bijregelen).

Deze laatste methode is al onderzocht door P.M. Sluyter en geeft redelijke resultaten (de drift is ongeveer 10 MHz over 10 uur) maar de·ze werkt vrij traag. Rond de plasmabuis wordt namelijk een gloeispiraal gewikkeld en deze wordt elek­trisch gestookt. Gekozen is daarom voor de eerste methode. De mechanische verplaatsing van de spiegels is mogelijk door de speciale konstruktie van de plasmabuis. De verplaatsing wordt ge­realiseerd·-tl:oor een piezo-kristal waarmee men zeer kleine verplaatsingen kan krijgen (in de orde van 10-6m). Omdat de frequentie niet rechtstreeks gemeten kan worden, en dus met di t meetsignaal fiet piezo-kristal niet kan worden ge. stuurd, moet gebruik worden gemaakt van een andere methode. Het laserlicht bestaat uit twee modes die lineair en onder-ling loodrecht gepolariseerd zijn. De intensiteit van deze modes kan men met behulp van een beam-splitter en polaroid­filters afzonderlijk meten. Als men zorgt dat deze intensiteiten gelijk zijn staan de modes symmetrisch onder het versterkings­profiel en dan zal ook de temperatuurs invloed zo gering mogelijk zijn

-9-

Als de intensiteiten van beide modes gelijk zijn willen we ook van beide fotediodes een gelijk signaal. Maar door de Beam-Splitter wordt de gereflekteerde bundel meer ver­zwakt dan de rechtdoorgaande bundel, dus zullen we de rechtdoorgande bundel met een extra polaroid-filter moeten afzwakken. is ook een andere methode, dat is nl. het bijregelen (een andere rustinstelling) van de fot~diodes. Maar het bleek dat de fotodiodes moeilijk te regelen waren en dus is voor de methode met het extra polaroid-filter gekozen.

-

fig.3

~ polaroid ~

Breking en terugkaatsing aan een beam-splitter

Nu is de vraag: In welke richting zetten we de polaroid­filters, m.a.w. welke mode filteren we weg? Als we de formules van Fresnel bekijken (appendix 1) volgt hieruit dat van de gereflekteerde bundel die mode die horizontaal staat, d.w.z. loodrecht op het invalsvlak van de Beam-Splitter, het meest verzwakt wordt, dus deze zullen we wegfilteren om de mode met de grootste intensi­teit over te houden.

Opm. De plasmabuis werd van te voren zo gedraaid dat de modes horizontaal en vertikaal stonden. De fout die hierbij gemaakt wordt is gering: I/Io=IoCOS2«/Io= :cos2«=1-sin2«. De fout is dus sin2~ en deze is pas 1% als ~=5°.

De signalen van de fotodiodes werden, na eerst door filters ontdaan te zijn van frequenties boven 50 Hz, naar de ingangen van een verschilversterker gevoerd. Het verschilsignaal werd geintegreerd en dit geintegreerde signaal werd aan een hoog­spanningsversterker doorgegeven, die het piezo-kristal aan­stuurde.

-10-

Het schema van het regelsysteem is gegeven in fig.4.

PZT : Piezo-kristal B.S. : Beam-Splitter P1,P2,P3:Polaroid filters DI,DJI :Fotodiodes V Verschilversterker F Filters

·lasmabuis

A ..... ---1i00i. I ..... -.c-

I Integrator A Hoogspannings-versterker F

fig.4 : Schema regelsysteem

De elektronika van het regelsysteem was reeds aanwezig maar in diverse onderdelen zijn veranderingen aangebracht (appendix 2). Om nu een indruk te krijgen wat de laser en het stabili­satie-systeem doet kunnen we de uitgang van de verschi versterker aftakken en op een XT-schrijver zetten, we krijgen dan grafieken zoals in fig.5 waar het verschil tussen narmale drift, stabilisatie met de hand en stabi­lisatie met het regelsysteem duidelijk te zien is.

NB. Om de beide modes gelijk te regelen werd gewacht tot

nTI

de laser goed opgeward was en dus weinig last had van na­tuurlijke drift. Delaser werd toen met de hand bijgeregeld, en met een spektrum-analyser werden de modes bekeken. Als deze gelijk stonden werd de uitgangs spanning vande ver­schilversterker op nul geregeld door het extra polaroid­filterte draaien.

o.t

"- ,

o

-0. ,

-0.1

1

--I-i\-~ r-- = ." -~ r-;;;; .. ft --~ ' ;::"

in <0 1 IS' .... ~

--I

_W

.to.:

-Cot

~ -- - - r- 1

!

-1 .... ..... .... .u 1 III ~

• lIJ

7 milL ~ II

:.; ...,11 --

~ --14 -+ -t-

.., '-t-

1:

H

--t-

.i I I

1 l-+- r- I- V\

• 1/\ -U '-1 Q v'p.-

a. normale drift (opwarmen)

~

_I

"""

b. hand-sturing

~.

--'

,..

.-- -'] -i -

-11-

I ,- I - --- ... - - - f--- --

--<

, 1 -' , I -, 1

i J

;

1 r I f I

- T ..... "3 VI

---j

~ - c. stabilisatie

- t sys eem --.. -f-

It-n-~ . !L t-

: --

, .-f--

., l ' 1 J 1

I

i

--...! =F=r..1~ (I --j - I in -1~ L I

)

f ig.5 : Uitgangsspanning van de verschilversterker : a. drift tijdens het opwarmen~ b. stabilisatie met de hand en c. met het regelsysteem

-12-

IV HET STARTEN VAN DE LASER

Omdat het starten van de laser problemen gaf is gezocht naar een andere me;thode om de laser te starten. Voor het starten werd namelijk gebruik gemaakt van een Tesla, waarmee hoge elektrische velden gecreerd kunnen worden, waar­door de gasontlading op gang kan komen. Een gevolg hiervan is dat er vonken op het glas van de plasmabuis overslaan, en hier­door bestaat het risico dat er haarscheurtjes in het glas komen, waardoor de plasmabuis onbruikbaar zou worden. Meestal worden lasers gestart via de voeding. Maar de voedingen die hiervoor nodig zijn zijn vrij ingewikkeld en dus duur. Deze voedingen moeten namelijk een startspanning van ongeveer 10 kV kunnen leveren en zodra de laser brandt Cer stroom wordt getrokken) moet deze spanning zakken tot een brandspanning van plm. 2kV. Daarom is er gezocht naar een andere methode om de laser te starten: namelijk met behulp van een piezo-kristal. Vari piezo­kristallen is bekend dat wanneer er een Kracht op zoln kristal uitgeoefend wordt er aan de oppervlakte van het kristal een hoge spanning ontstaat. nit heet het direkte piezo-elektrisch effekt. Dit principe wordt ook toegepast in gasaanstekers. We hebben zo'n gasaansteker omgebouwd en hiermee geprobeerd de laser te starten. Maar dit leverde nogal wat problemen op, het eerste probleem was dat zoln aansteker een positieve en een negatieve puIs leverde, namelijk vanwege het samenknijpen en het weer loslaten van het kristal. Dit kon verholpen worden door een diode in serie te zetten. Het volgende probleem was: Waar moet de puIs aangebracht worden? Het bleek moeilijk om een geleidende draad aan de plasmabuis te hechten. Daarom is besloten om de puIs op de anode te zetten. De anode werd dan via een weerstand van 56 kn geaard en de kathode werd aan de negatieve span­ning gelegd. Doordat de puIs nu op de anode staat kan deze wegvloeien naar aarde (de weerstand van een niet-brandende laser is veel hoger dan 56 kJten ook hoger dan de inwen­dige weerstand van de voeding, dus ook de anode aan de voeding te leggen helpt niet). In de anode-Ieiding werd een diode opgenomen om het wegvloeien te voorkomen.

-13-

Het schema van het startsysteem is infig.6 gegeven.

diode diode

LASER

a k gnd

fig.6 : Schema startsysteem

anode kathode aarde

Het aldus verkregen startsysteem voldoet uistekend. De laser kan nu gemakkelijk gestart worden met spanningen vanaf ongeveer 2500 V , terwijl de optimale brandspanning van de laser in de buurt van de 1950 V ligt. De starter wordt met een hoogspanningsplug op de laserkast aangesloten. Het merk van de aansteker is Inventum.

Opm. De start-spanning kan misschien lager worden indien men in plaats van een coax-kabel een dubbel-aderige kabel gebruikt omdat een coax-kabel een capacit~it heeft die afhankelijk is van zijn lengte.

v

-14-

V HET PIEZO-KRISTAL

+

Als over piezo-elektrisch materiaal een spanningsverschil wordt aangebracht zal dit materiaal afhankelijk van de polarisatierichting inkrimpen of uitzetten. Als het elek­trisch veld (veroorzaakt door het potentiaalverschil) in dezefde richting als de polarisatie staat, dan zal het piezo-kristal uitzetten; dit heet het indirekte piezo-elek­trisch effekt. Het direkte piezo-elektrisch effekt is het geval dat er een potentiaalverschil ontstaat ten gevolge van een uitgeoefende kracht op het piezo-kristal. In ons geval waar schijfjes gebruikt worden, wordt het

potentiaalverschil in axiale r!:: ....... - ................. ,~ '~------~f~ richting aangelegd. Er treedt

~----~~----II ~ l+Aldan een lengteverandering op p._- -1

1-...... -~ zoals aangegeven in fig. 7.

I L-- -:;J--I--_.a.. Ten gevolge van het potentiaal

...... --L .. ~ '-~=d~~ verschil V zal het schijfje in ~ axiale richting uitzetten om-

fig.7 : Het indirekte piezo- dat ook de polarisatie axiaal elektrisch effekt is. O~at het volume ongeveer

konstant blijft zal de diameter iets afnemen. De uitzetting (evenals het inkrimpen) is evenredig met de spanning V. De evenredigheidskonstante, die een materiaalkonstante is, wordt gewoonlijk d33 genoemd.

AliI Al d 33 = V'7r = T

Al is de verplaatsing en 1 is de lengte gemeten in de richting van het elektrisch veld (en ook de polarisatierichting). Als men meerdere van deze plaatjes opstapelt mag men de af­zonderlijke verplaatsingen optellen. Dus als de plaatjes identiek zijn is:

waarin N het aantal plaatjes is. Zotn piezo-kristal zou dus een ideaal verplaatsingsmechanisme zijn, omdat stabiele en nauwkeurige spanningen eenvoudig te realiseren zijn. Maar helaas heeft een piezo-kristal nogal wat nadelen zoals:

-15-

a. Het niet line air zijn van de verplaatsing met de aangelegde spanning

b. Naijlen op sprongvormige spanningen c. Hysteresis

Er zijn daarom diverse metingen verricht aan het piezo­kristal. De uiterst kleine verplaatsingen werden in aIle gevallen gemeten met een Millitron die verplaatsingen van minimaal 10 nm kan registreren. Het meten gebeurt met een taster waarin zich een induktiespoel bevind, bij een ver­plaatsing zal er dus een induktiestroom gaan lopen en deze wordt door de Millitron gemeten.

millltloD

_---(1)

~~----(2) ~

1+-----(3)

-------(4)

L------(5)

(1) DrahtabheberanschluB, wird bei Nichtbenutzung mit konischer Schraube verschlossen

(2) Einstellschraube zur unteren Freihubeinstellung 0.1 -1 mm

(3) Einspannschaft 1; 8h6 (4) Faltenbalg (5) Auswechselbarer MeBeinsatz

AnschluBgewinde M 2,5 (1) Anzaillelnat,umant (2) Ooppelskala (3) Zelgar (4) Toleranzzailla.

o. Bedlenungselemente (Frontseite) Operating Elements (front side) Elements de reglage (front) Elementl dl manoyra (Ialo anterlore)

(9/10) KombinatlonssChalter

(a) (5) TolttfanzainsteUar (b) (S) MlIChanl,Cher Nulls!aller

fur Me8tastflf A und B +14., -A, +B. -8, +14.+8, +A-B. -14.+8, -A-B

(11) WahlsChalter fUr Me6beraicha von ± 311m bis ± l000"m

(1/8) Nullstallar. Grab- und Falnalnstelle, fUr dan MeOl!IS!a. A und B

fig.8: Taster (a) en Millitron (b)

und t a,3"m bit ± l00"m (nur MUl!tron 1204IC und ICIl)

(12) MaBbarelChswahllchaltar (13) Batriabskon!rollampe

-16-

a. Non-lineairiteit Gebleken is dat voor spanningen beneden 1 kV de uitzetting van het kristal niet lineair is met de aangelegde spanning. Uit literatuur blijkt dat voor spanningen boven 1 kV de verplaatsing line air wordt met de spanning (zie fig.9). Maar in ons geval kunnen deze spanningen niet gebruikt worden, omdat er dan doorslag optreedt langs de rand van plaatjes die nl. maar 1 mm dik zijn. WeI is gekeken of onder toenemende belasting de lineairiteit verbeterde. Daartoe werd de piezo-stack samen met een drukdoos inge­klemd in een statief (zie fig.10). De drukverandering die optreedt omdat de stack uitzet en dus de drukdoos induwt, kan verwaarloosd worden omdat het hier maar om mini me ver­plaatsingen gaat.

c o iii c

14

12

10

~ 6 x w

2

o

fig.9

/ /

/

0·5 10 1·5 2·0 2·5 JoO Applied potential (kV)

Lineairiteit Cuit lit.5) fig.10 uitgeze~sis de verplaatsing (expansion) tegen de span­ning(applied potential)

ui tlezing W1nI drukdoos

Opstelling verplaatsings­meting met instelbare be­lasting

Op deze manier kan men bij verschillende belastingen de verplaatsing als funktie van de spanning meten (m.b.v. de stelschroef onder aan het statief Kan men een bepaalde be­lasting instellen). Het bleek dat naarmate de belasting toenam de uitwijking Kleiner werd, maar dat de stack zich meer lineair ging gedragen (zie fig.14).

-17-

Verder bleek ook dat de polariteit van het E-veld belang­rijk is : Als het E-veld en de polarisatierichting parallel zijn dan zal het kristal bij eenzelfde waarde van de pot­entiaal een grotere verplaatsing geven dan wanneer E en P antiparallel staan (zie fig.12 en 13).

b. Na-ijlen Als op het piezo-kristal een sprongvormige spanningsver­andering wordt gezet dan zal het kristal in eerste instan­tie die sprong volgen, maar daarna nog iets na-ijlen (zie fig.11).

v t s 1

fig.11 : Naijlen piezokristal als gevolg van een stapvormige potentiaal verandering

t blijkt dat dit effekt groter wordt naarmate de poten­tiaal-stap groter wordt. Als men de verplaatsing in een grafiek uitzet tegen de tijd, heeft deze kromme de vorm van een e-macht (bij benadering). Bet effekt zou dus kunnen duiden op een inschakel-verschijnsel met een be­paalde RC-tijd, met het piezo-kristal als C en de voeding als R. We hebben zoln RC-tijd proberen te bepalen voor verschillende stappen (100 V en 500 v) en deze bleek voor beide gevallen in de buurt van 45 s te liggen (de onnauw­keurigheid is groot omdat de krornrne afwijkt van een e­Jlacht en de grafieken onregel.ri1atigvan vorm zijn). Verder blijkt dat de kruip binnen 6% van de totale ver­plaatsing blijft. Dit naijlen (kruip) is voor ons verder niet-van belang omdat wij geen gebruik maken van stapvormige spannings­veranderingen.

-18-

c. Hysteresis Het piezo-kristal blijkt ook een aanzienlijke hysteresis te bezitten, die ongeveer 22% van de totale uitwijking bedraagt (zie fig.16 en 17).

Opm. De grafieken in .16 en 17 laten links onder een nogal merkwaardig verloop zien. Dit verloop is geheel te wijten aan de gebruikte apparatuur: Op de X-as van de XY-schrijver werd dezelfde spanning gezet als op de in gang van de hoogspanningsversterker, nl. een sinus- resp. driehoeksspanning tussen -5 en +5 v, terwijl bij -4 V de hoogsp.verst. al uitgestuurd is (zie fig.30) en de stack dus geen verplaatsing meer geeft.

i'ig . 12

leDO $l)O .600 ~O

f'~.n i ~ C'L) i'ig.13 : Idem a ls f iguur 12 maar nu i s he t E-veld ..

ant i-paral l At pr. -T~

fig.14 : Ve rpla<:-ts i n g a ls f unktie van de s paz:ning voor t: ic:: :: 'h;:::: tJ :~~ verschl l l ende waa rden van de be l a s tlng : ~"'I' Iffii: :::: ::: ~'ti l

~" fRF I .. C u 1:. IE~ .. ·• @11 . ttt.. :;::fffit ttr~ • r.... ~ ... I": l'i f .ri •• T!..... ,'] .:d Ott· ' .. ,.... . .:1 tC

•• , .FE '2. <~itt ;::tt: , •. ~tI1+-rl H+ .l.. r;:r:, ,~ ~m; '- ,'t"r"- '.~ ~~ [ ,~ I t+ E··· .... l.!E.. ).1.. •• ". ~

t:: ifl ftUW':: :~]~ i:~: ::::iiIW: ::~ ~7mn..::· :P.11l; Ei: !;!f ' 1 !4:~flg ~:: :ill. . ..J t .~:, ':: :: : ;tr '0. :;' .... It; 'r'~ ....... c:.:++ ... ·-- I :~tt:m .. tj .. ::11 I ~:'L~ :ll" :;m fi+' .. ~[t-'.~J' ~. h-+<t:~ +: .rl ... r.: :+": :.-m,:

f:j: i: :+i :::: ~~ ':::m :!: - ::':;..p. Ii: JAt!ttr:Fm;:~· J h :tf~ lli=k1:P ~:~mf1:H:;:: :i. lfP·i:::: :::fu:!:i I:t .: ,;:; :u;.' : :::1 ::: . ::it tt: ':I t+m~ .. :~ ,: ::t . It.! t:1.; .:. r-tlr ' "':: .:~,;..::;: ::... :.~:: :::: ::t!t~ r:..;:; : :::: ~: :;.~ .::: .:: ~: 1::: ::" Imtl~ .:: "::±:~ ~:.:: eli 'oj :~:: .::' :;..;: :: ::::. ::::. :::: ,.i.i.~

ttt :tt :::~~~ t fit ~li ::::. :::~: ::: }i lm! ~ ~ij ~ .::~ :~:: ;j~ :: ~lHt' :.. ... _'[ ~. I: :::tf! Itr~4 ;;;; :;~::" :::: p=::' ~r,:: 0 :;,i, :t:~ :,. ):::~B ; :~~~' t1t: ~:: "fHt: ,.-..,. m

1m: IIU ... "$~ J:t . ' Itt :~ ... If: .. . 11'f!:Iml"':}H rw: "·i:I+;. Ii-tt; .. :: ">- [£ j<+ ... I tl:t1:~~~ ::: :: :t:..: : :~ lrr:~ ~41t ~ I~~ :~::: ~ lHL :iim+tl!+i: . · \..J ~ : !If ;;:::~ if"": :::'l:/R :::: i:i ';: ~,.: :til:; .: :: ''';: 'j t:T..tt

fiE: . -.Ift ::: : I n:: :~,:,%,:~$i ffi~· :t+~·tmml lmr~;i~ihFF:. ili::::: ']I!' ; ~;-:- *:. r- :I:~ I:l. .:.: ft· , : : rt~,:n=~::'!"! :r:m ll:::l:'!: wrp t;~: .r: :::L~i:lli ::: . : I ~": :::: " ~

,~ ~: : :~ .): .' ~i. r~ < ::~ ll~i. : I~: ir .. ~ t;~: E~ Hftlqgg .. :. ~~~1 ~m$ fL . W.r~J· ~ .~ tii .; -::: ::'. ti: :~i~' .. . ::~ . "+11 Iff g :: M!:E :~: t;+ .. :~3' :ir:;'>jf'· '+' if~ ,_ a. ';

1:.: :::: :±E- ':~: ~~.; I+;f •. :: < :';+ F::t.:'I.1:· ;:-: ::~ ":~ :;~E # Ii: :tE; ;;;;~~... . D~-" \') ~ ++ j:t1 ... 1 ~'::f II:I:" .... --~, r.:r: .. f l+:t ~: .. :t. . # -Q- HW:::: ... ~~ () . t :::. :.w.::; l ii~::::~ ~ .. ,; .. :tt1 ; ' rm -rt- :I:l:~. ,r: '.: !!lJ. D' ,:;":;1 ·t~: :u R 0 ~ 1

: +. :' ++:~+. r++ +l-:: :::; ·~i· : 't' c· ,+; -- :+-~.t!. ;1:;:::: :. 17.:fH,:I:: rLC .ti «> ~ ~.

~: ji:~ C ~KL ' W~ :~:'. ~ :~ ':: : 1! ~; lH: j 1tftf ~ .iJi .. :Lc:" .~ !:. · :::1 ,.. .:~ :-: c-J .r:J+::I1:.:5 :r~:~jj . ::'1- a '1:1:' .... ::::1 ~H- :~ . . : :: . :-:: '.i •• "7TT:t= : t.{..~. ~~:+- :·;t.¥ .~ : ~~!

t!'.::~: ~~. ..: ::::. . ¥~ .- t ... n:J, =£t1 1 I 2 ..,.[! r ::'; . If: ;Hii:: :p, 1!i t-n~' . tr~. ~ ~~ !f~ ~;:: ~::: . :. J- [: ~ ~

: :jj ..... ~: # I+ht . ::; 1FE.! "u ':;:1: "': ::: +ttt+l+ ::::l+;i't~i : J "+1i7f:' • M tee. -:+ Irnt .. ,.;IiH .. '1 :l.. .. ;;t I:ti... • .. lW:m.: .... ,± : P.-:L~ "f!' ". fF'

In t:::1"7

UE= :;1 lli~:li !':~ "_~~Tlq :ff: 1: .. g:: ~: . ~ ::;!i r: ~~ tf ~ lJ~ h' .:. ;: ~ :;:;:'T :: §;; H~. 0 ~ e:f! .+, ... ' : . ~ :: ~ . : ~ .. ' e E!tl: .::t:t:t m: ~ " : ... ,.:::.: - 0 ~~

rI-: Im~: ~1t;.':;~:t ~~;: ~ ~~ ~ + ~r tit J:~~;~i ~:::H'f : jC~ \Q J ~FlT~ : . ~. ~::: :::~~@ ~. .... ::~ ~ ++: t::: ~ : t:F ~ .. . :r ~ .. ~"!

!hJ~ [ J, \u fl::: .. itm ~~: ~~ .. :.!ic · l Y: : p.'ti' i~:l . ~~ .Fe .. lLJtt:t ~ •.. " .. "8 root 'ct I:f:tt:!.t .. :w.~t·~ ::,4

:[, :. 1 ~ I : : :: : .:;~~. E~t~ ~ -~>att ~: ~t: ~:: .; ~ ; ;~::~ :~. -,§ 1 ~~l~ urn J :~ iF ~ R:::i:;:: -):' ::: :::. a; i$

D :~ ~ ~/- ' ; ;; ,; : . ~ ++ ~. ~ ;:: ll: :t:: ,,: .~ '-H+++ •.

u ~ 4 t p : 00 ,:: J " ~ ] ~ .~::. iii 4.': .: i t:: ml w ~ . r 1f F: . ";:rt :" ~ ::::t:Im tV e 71tE: ,. [!It 1=P 1- __ n. ..... .... "I. _ !:!:; ;~t ... I#tt, .. .. O~- ~1mE

a: r ~.~ a; l Eili ; • . ~ ; ;r T :ft .£ ~ a: I T ~~ ".~ ::' :::: ;~ n" ..r ::~:: . • :':' .: 1 0 . t· . .. . .. tttH .... r;: .... t::.:. tt .:+ :):! tt , .. , .... 1++++ '" t . ,: : ~ : :~:~ _ ;.: :::: i.:. l±!. ;.::: i+ .: ~ r:~t. . ±::: ~ . :::: ': j !t!t1 tt t ::I ,.:ref" :; :.:

nL~: I ., - +[ l~:mff::: .::: :~ ~ ~~ ~ li ;rr :g:::!! ;~_ tC,~ : "cr 2[ij~!ff m ;~', g :ft P. : dg: ~::: .:.~~ . ~ EEE :!!fl n Iftt Tr+>dmHid : '~ i' \l , j~ ~c;:;jir: E.·· -Pi .?~. rrt, '1'I!!f' "'!'I' ' .~ .... s. ..

£HEi::: ..g ~' t ~ .... " t'" :r~ ::; :jo: : .. : ~ j-.~. 1tt 'm~ ~ ti.: ,;~: ~~ l' :r f ~ : .. ): Ij:l::ttl ... ~ _ '. _ _ _ ±H- :::j :r: ±i rt: ':.. 0 1:1: " 'W::-:.. '.i..LCttL tLt :B tff!: t ~ :. 1ttt:1 ... ~ t" t +t .. ·, . .~. . ':ti ".. '114+ .. ' 1 ~ ... <: '- . >j' l.H!E :::; I~ 113 ~ '2: <" ~ ~ ;: =+ t :: ';: ,ll . :~.; · I i.i.: :' ::. f.H t. c " • J: l

C 0 {) O § - ';: .. ':1 .. , am + ~~ '~'j ,::.:. ~ "-- V) "~ .:~ ',of + :~~ , ." :;~: ~". ~R ~Jm ilil" rm f.-:: ::: ~ EW ~ .:t: t:tt:; :::.t!1f ~ _ .: $.I

r:,E fe. ~' ~~:~ R~; ~ I~: ~:~ !-:, ~ ~ '~5' a ~j:1 ~+:~~±i j+i<. tl.:-~.w;~~: t~'J w.:~~ }f!l.' ::' [~ ~ :>a' .. J ~~- .~

If :;if t· ....,.... -... ~ E r:tt:l :jl;" . J::t H ' 4 +it :r ftj: w . II: 2::- ' ~ :t;.:j ;, ,,~: ::~1 !t ..:r=t.p :!t. it $ ~. =!'1.~ _ :l: IF ,.J:t +q ~ tt:1:

~ It: I n Wc I • . ] ~::1 It =+fl:[::tl 1mFJ ~ m :t: m:r!.' :tt:. :~P,-( \ j:m l t: Ittn:::: ;~_ w: ~~., [t ~t: ~ Im~~c: .... ~ ~~ 11 :m1 , ;: ~ ±ilit' •. ~ ["sSm·· · ~ ~ ·· t • .- lffiT- .. ,~;t.::

~ ~:!! , _ ....... .u . -'-' , I: t:.~ ...... ~!J~ ~~tt

1!J ' ~ 4J ... @J ; r .:. rr ~ :tiIW .. '::.- I : 1$ J::

6 ... , -,11 ± m C) I ~ , :fi "r' F!1: J :. I+ttt +:"'j: (j ~ ~;rt,i: m t_.:n t :t1 'j:i~ I tt;:fL;rm+:tt::

r:.r:1 ~ ~ =1::'" 'T":1: "J.;+ I~' .... ~J:ttt:t:" .. r;~ rn+lt l,.!·'n: tt+ It+HH"jj .. ··t, u+ .. +t;t ..... ~ - ~ f:;:"l;:t:: .. t!..! Itmt P ~:~m:mttttf..:·jt:': ltF:w:.m cr .. ]H-1TtI,c'1 :::·tJ c J '. ;:-t:': ~ ..... .JJiPEt.:::. ;~.t. . • :~ frc1;:~' :~mmtmt::~;l:iTr Irrd~:#;t;lt+:m:::I ;::l:. ttk r i4i::;;

--a.. ""-" t-l lm;+:· ·· iW ~t . .. ;~., . t. • ftmt:::I~. i;:m: : t+t-! ... Hm:J+;· ..

.--

t _ f

~ -

.-1--- +=

1000. .\1 +- - sl:dck : ~.3 p' Go - -

' ", oJ.- -

- -R- ~ -, - 1------ .~ --- . ~ -- -- , - , - -,

- - ~ f~ - ~

-~ t-- f.--o_~

~ f~ -,~ f-

r f-.

t - r- f- > -

1:. .00.-"-I~ .

- . --

I~' - T - I-,..

-t _ ... _li'I' .---tJt .~ .~,..

~ - f-- I~

-

>-- t- -- t- -

- - 1- -

. -I +-- -

I - -r--- t- --

- - -- I- -:~ .- -

- - - -- -

.- I~ .- - ,-- -~-,-

- _. .-f- - - -- .- -1-

- - t ~

f- ,~ -._, - ,--- t - -

. -- 0·'1- I - ,--- -

I ..... -- i~ 1--- - - -..

t.i· r \b ~ 8

L - -f-Wi~S

f-

-=-t -

=t 1- --

t -,- -, - ~ -

- -L-- -- t .-

- - - r --t ~

- ' --~-.-. -

.. _- '-'-

~ - t -

- t

1 --..... > ,

t - 0 -.-

t , 1

30fJV - ~ t

J '\ t

t -+ 1

t t t t t-

- --

+-

too V ~. ~4----' ....

"" l 0 - -- - - ,-

-- .-fo-- .--- -~

- -0 -

e--- Q ...... ~

. - '-- 0)-al.

1:::E , - f LL .

I

ov~ I

T""o V~r - -i

I , . ~ 'I L -

f -- LL

,-

- -

r

~ t f

t

--:J: t s:2 t

-

f t

- t

'-- -r--t IOOV

--- oV

f

bNrjJ"j 11 (pm)

I . -

~

1-

1-

-+ ~

~

-I - -

-~1

-

1-

"v - 0

f ~

, I\) ~

I

I--l) 1-' .

()tj . ~

(jl

::r:: <:< CIl cT ('t)

f-j ('t)

rn 1-'. rn

0' 1-'.

t:...J.

"Cl 1-'. ('t)

N 0 I

rn cT Pl ()

~

Ve~\o.o.t~ i "'3

~ ... ) f .

.!

I

0

-I

de stack bestaat uit 10 piezo-schijfjes

het spannings-verloop is een s~nus-s~anning

met een frequentie van 3.10-3HZ

100 ~oo

I f\) f\)

I

Sbo ~oo tOO> S"~~nl'~ ..

CV)

......, 1-'-oq . ~

-...:J

::r1 ~ CJ)

c-t CD t-j CD CJ) 1-'-CJ)

0' 1-'-

<:.J_

'0 1-'-CD N 0 I

CJ)

c-t P> (')

~

Ve.r p b.O..t s i ~

Y.M) 1 ~

"

-1

de stack be staat uit 23 piezo-schijfjes

het spanningsverloop is een driehoeks-spanning met een frequentie van 3.10-3HZ

100 ~o

01

/"

~-

- lOOOY

PXE 5

f 01 gegevens van de fab-

lOODV

; rikant: hysteresis van een plaatje met dezelfde afmetingen als wij gebruikt heb­ben ( ook hetzelfde materiaal: PXE5 )

I f\.: '-" I

-24-

OPBOUW VAN DE PI~ZO-STACK

Er is gekozen voor een zo goedkoop en makkelijk mogelijke methode om een piezo-stack te maken en dat is het aan elkaar lijmen van de piezo-schijfjes. Uit de literatuur blijkt dat de meeste stacks opgebouwd I

worden door de schijfjes in een omhulsel te plaatsen (bv. ingieten in een syliconen rubber). Dit heeft het voordeel dat er hogere spanningen aangelegd kunnen worden: Er treedt dan minder snel overslag op langs de rand. Het nadeel is dat deze methode vrij omslachtig is, en dat er verliezen optreden (het omhulsel moet ook mee uitzetten). Daarom hebben we voor het lijmen gekozen. Tussen de piezo-schijven werden zilverstrippen geplaatst die als elektroden fungeerden. Belangrijk is ook de keuze van de lijm: Deze moet goed vloeien (lage viscositeit) en

goed uitharden. Als de lijm niet goed uithard, wordt de lijmlaag ingedrukt en geeft de stack minder verplaatsing (dit geldt natuurlijk als de stack be last wordt). De lijm die het beste voldeed was Cyanobond (ook Locktite 495 geeft goede resultaten, maar Cyanobond vloeit iets beter tussen de schijfjes in). De zilverstrippen werden gemaakt uit zilverfolie met een dikte van 25 ~. De zilver­kontakten mogen niet te dik zijn omdat ten eerste dan de lijmlaag te dik wordt en minder goed uithardt en ten tweede zilver een vrij zacht materiaal is en dus ook goed samen­drukbaar. Het folie werd in strippen gesneden van 2 mm breedte en een lengte van plm. 27 mm. Hierbij moet zorg voor worden gedragen dat er geen bramen ontstaan, als deze toch ontstaan kan men ze wegwerken door het folie over een metalen oppervlakte te trekken (walsen). Het gebruikte piezo materiaal was 1,1 mm dik en 16 mm in doorsnede en van het type PXE5 (zie fig.18).

fig.18 Afmetingen van het piezo-kristal in mm

~f t ; .... t i :t • _t ,

( • + fig.19 : Polarisatie

richtingen in stack

-25-

In het midden van deze schijven zat een gat om het laser­licht door te laten. De schijven werden om en om gestapeld zodat de polarisatie richtingen van twee opeen volgende schijven tegengesteld waren (zie fig.19). Zo kan men tussen twee schijven in een elektrode aan brengen die beide schijven aanstuurd (anders zouden tussen twee schijven in isolatoren aangebracht moeten worden). Om kanteleffekten te voorkomen worden tussen de schijven twee zilverstrippen legd zodat het geheel stabiel op elkaar ligt (zie fig.20). Uit veiligheidsoverwegingen zijn de positieve en negatieve elektroden naar verschillende kanten van de stack uitgevoerd.

fig.20 = Stapelen stack fig.21 : Doorverbinden van de kontakten

Om alle elektroden van dezelfde polariteit met elkaar te verbinden kan men ze aan elkaar solderen, maar handiger is het om ze om te buigen naar de volgende elektrode. Op deze manier heeft men de helft minder zilverstrippen nodig. Opm. Het is raadzaam om voor de montage na te gaan of de

polariteit van de piezo-plaatjes overeenkomt met de aanduidingen Cop de pos. kant staat meestal een merk­teken).

MONTAGE

De montage geschiedde als volgt: Een bout met moer en twee ringen van de juiste afmetingen, d.w.z. bout, moer en Csluit)ringen moeten de totale piezo­stack in kunnen klemmen. Deze worden goed ingevet met syli-

conen-vet zodat deze niet

bout meegelijmd kunnen worden. De bout wordt ingeklemd zilver­

stri

~Si~~~~z:pieZOh-""f zodat men daaoverheen eerst sc ~J

fig.22 Montage van de stack

een ring en vervolgens de piezo-schijven kan plaatsen. Na iedere piezo-schijf worden de kontakten (zilverstrippen)

-26-

aangebracht: Ben strip die van onderaf naar boven wordt gebogen en een nieuwe strip (die dUs later weer naar boven wodt gebogen). Als dit gebeurd is worden de tweede ring en de moer bevestigd. De moer wordt niet al te vast aan­gedraaid: zo dat hij vast genoeg zit om alles op zijn plaats te houden. Tussen de schijven laat men nu de jm vloeien. Als de lijm hard is kan men de bout, moer en ringen verwijderen. De lijm is sneldrogend, dUs na 15·a 30 minuten is hij voldoende gehard.

Opm. De piezo-schijven en de zilverstrippen moeten eerst ontvet worden (dit in verband met het lijmen). Dit kan in een trilbad gebeuren omdat de hoge frequentie van het trilbad invloed heeft op de polarisatie van het piezo-kristal.

Op deze manier werd een piezo-stack gemaakt voor gebruik in de laser. Er werden in totaal 25 plaatjes op elkaar gelijmd, waarvan de buitenste twee plaatjes alleen dienden om de kontakten vast te houden. De effektieve stack bestond dus uit piezo-plaatjes en de totale verplaatsing bij 750 V was 14 m. Verder werd er ook een proefstack van 10 schijfjes gemaakt, dit voor het testen van o.a. de lijmsoort en de verplaatsing.

-27-

VII INBOUW PIEZO-STACK

De nieuwe stack kon gemakkelijk gemonteerd worden op de plaats~waar eerst de piezo-cylinder had gezeten. (zie het stageverslag van J. Spronck)

fig.23 : Inbouw van de stack in de laser

a: klemring b: houder c:stelschroef d: cavity e:plasmabuis f: spiegel g:zelfcentrerend

druklager h:piezo-stack i:aansluitdraden

Als aansluitdraden werden dezelfde gebruikt als die voor, de piezo-cylinder. Deze aansluitdraden zitten van de piezo­stack rechtstreeks aan de uitgang van de hoogspanningsver­sterker, zodat de piezo-stack nadelige invloeden kan onder­vinden van bewegingen van de aansluitdraad. Beter is het daarom om in de laserkast een hoogspanningsconnector te installeren waardoor de piezo-stack beveiligd is tegen abrupte bewegingen van de aansluitkabel. Met de stelse~oet die op de houder is gemonteerd kan de stack onder voorspanning gezet worden.

GEDRAG

Het werkelijke frequentie-gedrag van de laser kunnen we aIleen in een beatopstelling (zie hfdst.IX) bepalen. Maar om toch een indruk te krijgen van de stabilisatie kan men de ingang van de integrator meten, deze moet nl. ongeveer rond nul schommelen. De eerste indrukken van de stabilisatie waren goed: Na een opwarmperiode van ongeveer 40 minuten blijft de laser gedurende vele uren in stabilisatie.

-28-

TIll TEMPERATUURSINVLOEDEN

Ook zijn er metingen verricht aan de invloed die de omge­vingstemperatuur heeft op de plasmabuis, in het bijzonder natuurlijk de invloed op de stabiliteit van de laser. Tengevolge van de warmte die in de plasmabuis ontwikkeld wordt zal het glas (waar de plasmabuis van gemaakt is) uitzetten en daarmee de spiegels, die in de plasmabuis opgedampt zijn, verplaatsen, zodat ook de frequentie zal veranderen. Eerst werd gekeken wat de invloed van de laserkast zou kunnen zijn. De plasmabuis is namelijk op een aluminium chassis gemonteerd met daaroverheen een metalen kap. Zoln metalen kap dient min of meer als een doorgeefluik voor de warmte die in de plasmabuis vrijkomt, en er zal dan ook een evenwicht ontstaan tussen binnen-en buitentemperatuur. Dit evenwicht kan verstoord worden als de buitentemperatuur zou veranderen en dit zou weer nadelige gevolgen kunnen hebben voor de stabilisatie van de laser. Ook was er een tempex kap die over de metalen kap heen gezet kon worden. Zoln kap fungeert als isolator en dientengevolge zal de temperatuur binnen in de kast hoger worden, maar de plasma­buis zal waarschijnlijk minder invloed ondervinden van de buitentemperatuur. Het blijkt ",dat de plasmabuis plm. 61 0 0 wordt met de metalen kap op en met de tempex kap plm. 670 0. Als men de laser start terwijl de plasmabuis nog koud is (kamertemperatuur: 200 0) zal deze geleidelijk aan opwarmen, en uit de grafieken kan men zien dat dit opwarmen volgens een e-macht (bij benadering) gebeurt.Voor deze e-machten' kan men een tijdskonstante bepalen en deze bleek voor het geval dat de metalen kap samen met de tempex kap de plasma­buis bedekten plm. 29 min. te zijn en inhet geval dat aIleen de metalen kap aanwezig was 19 minuten. In het eerste geval is de tijdskonstante het grootst en zal bet opwarmen het langst duren. Indien men een snelle opwarmtijd wil hebben, zodat de laser zo snel mogelijk gestabiliseerd kan worden, zal men dus voor een metalen kap kiezen (een kap is sowieso nodig omdat men anders teveel last heeft van luchtstromen).

-29-

Verder werd gekeken wat de invloed van het veranderen van de buitentemperatuur zou zijn. Hierbij werd gebruikt ge~ maakt van een ventilator met verwarmings-spiralen. Op deze manier kon de temperatuur van de ruimte waarin gemeten werd enkele grad en omhoog gebracht worden. De temperatuur werd gemeten met behulp van een quarts-termometer, deze werd op diverse plaatsen aangebracht zoals: buiten de laser, op de laserkast, opde plasmabuis. Gekeken werd of de laser in stabilisatie zou blijven als de omgevingstemperatuur zou veranderen.

.ver • sp1.ra~

'" ~

,

/ fan ~

fig.24 : Schets luchtstroom langs de laser

De resultaten waren teleurstellend: de laser bleek erg ge­voelig voor temperatuurs veranderingen van buitenaf. Als de buitentemperatuur een graad stijgt gaat de laser uit stabilisatie. Op de plasmabuis was de temperatuur dan nog maar 0,50 gestegen, tewijl men op grond van:

At = 61/10'~ At : temp. verandering 61 : lengte verandering

10: beginlengte ~ : lin. uitzettingcoeff.

, 0 pas bij een temperatuursverandering van plm. 6 zou ver-wachten dat de laser uit stabilisatie gaat (de numerieke

-5 -1 waarden voor 10 en ~ zijn resp. 0,22 m en 5.10 K ; 61 is 7.10-6 m gekozen omdat de totale uitzetting van de piezo-stack 14 pm is, dus in de middenstand kan hij 7 pm naar beide kanten opvangen). De reden voor dit gedrag is moeilijk aan te geven. Een reden zou kunnen zijn de lucht­stroom van de ventilator (zie fig.24), maar ook als de ventilator zacht draait is de laser snel uit stabilisatie (uit de metingen blijkt weI dat de ventilator enige invloed heeft). Een andere reden is de temperatuurgevoel­igheid van de elektronische komponenten van het stabilisatie systeem, met name het Ie waar de integrator rond opgebouwd

-30-

is: dit IC is yan het type 741 en dit type heeft een zeer grote drift. Dit IC zou dus vervangen moeten worden door een andere operationele versterker met een geringe drift (mogelijke keuzen zijn: 0P05CY met een drift van 0,5~V/oC en 50pA/oC of de ~A725, LM725 die een drift hebben in de­zelfde orde van grootte, een andere mogelijkheid is een chopper nl. de AD260 die een faktor 5 beter is dan de eer­der genoemde IC's). Verder is er nog een mogelijkheid dat er slip optreedt, dus dat de piezo-stack geen eenduidige verplaatsing geeft.

Het is moeilijk om een voorkeur voor een bepaalde kap uit te spreken: met een tempex kap zal men waarschijnlijk min­der last hebben van temperatuurs-invloeden van buitenaf, maar zal het langer duren voordat de laser opgewarmd is en in stabilisatie zet kan worden.

• f\)

\J1!

•• j o t-------''''' 4-'-----....;.,',.

tU :(

~ c+ 1-1"

t:...I.

l,

I + .

.. "'-,----".j. -----,

P- ---+--+---+---+--.~---I--.~-+---+-""

<: ~ P­('I)

kap

tU I-' !----,,!-~,-_j---~--_l-."'-,-------,-l.,-,,--- ",., -.. ". -III Ul S ~ ~a-~---r'------~­

: 1 ~~,~ -1-----, ! ,------+--4- ----+--~.-..... -

s::::: ...." CIl

<: o o Ii

<: ('I)

fi Ul Q t:r ...." I-' I-' ('I) I:j P­('I)

;0

; :z i .~- -;---.. ~=--- --1 1 :'" j '-'f ---":~--.. l= ! I i i, -----~·-·-,i- ---. ,-.---~ !

I I

1

4r-- 10. ~ [ C"':n.) .

,:-,-•• +.~

met metalen en tempex kap

I I ' ~ __ ;_~. ~_~. ___ J __ .. __ ~ ____ ._~ _~~_~ i . i

i

I \.

-32-

IX DE BEATMETING

Om te bepalen hoe goed de stabilisatie is van de laser moet de frequentie als functie van de tijd gemeten worden. Maar deze frequentie ligt in de orde van 5.1014 Hz en is een direete meting niet mogelijk. De frequentie moet dus op een andere Manier bepaald worden, en dit is mogelijk in een beatmeting. In een beatmeting wordt de verschilfrequentie gemeten van de laser en die van een referentie laser. Deze referentie laser is vele malen beter gestabiliseerd dan de te meten laser, zodat de frequentie van de referentie laser als constant mag worden beschouwd. De beat-opstelling is schematisch getekend in fig.26.

spiegel

~.:LASS. I

mengspiegel

S.A.

X-T REC F.T.

.LABER II

D FOTODIODE A VERSTERKER S.A. SPECTRUM-ANALYZER F.T. : FREQUENT IE-TELLER

fig.26 : Schema opstelling beat-meting

Bij de mengspiegel worden de beide laserbundels gemengd en weI zo dat ze exact samenvallen, zodat de golffronten van de bundels evenwijdig lopen. Deze bundels kan men op de volgende Manier besehrijven:

E1(t)=E10ei(k1r1-w1t1)

E2(t):E20ei(k2r2-w2t2)

optellen: E(t)=E1 (t)+E2(t)

De intensiteit voIgt dan uit:

-3

(E* is de complex geconjugeerde van E) Na enig rekenwerk voIgt hieruit dat

I=I1+12+tRe(E1·~+E2·E~)

=I1+12+E10E20cos( (w1-w2 ) (n: ..;t))

Hierin is ~ -teen constante. Uit deze formule blijkt dat de intensiteit een funetie is van de verschilfrequentie, en deze

- - ...

verschilfrequentie bepaalt weer de frequentie van de te meten laser, de frequentie van de referentie laser (een J 2-laser) is nl. bekend: bv. w1~ dan is de frequentie van de te meten laser w2=w1+~w. (w1 is nagenoeg konstant omdat de referentie laser veel beter gestabiliseerd is~ ae drift in AW is dus afkomstig van de drift in w2 )

-34-

X RESULTATEN BEATMETING

Op grond van metingen aan de ingang van de integrator mocht een goede frequentiestabilisatie verwacht worden. Maar de beatmeting gaf in eerste instantie een minder resultaat te zien: de frequentie fluktueerde binnen 20 MHz met een totale drift van ~10 MHz op lange termijn (±10 uur) enop bepaalde moment en was het frequentie gedrag zeer merkwaardig. (de resultaten werden vastgelegd m.b.v. een X-T schrijver) Als oorzaak voor dit merkwaardige gedrag kan waarschijnlijk aangevoerd worden dat net regelsysteem tegeen de rand van het regelbereik zat. Bij de beatmeting waren ook positievere resultaten. Er waren namelijk bepaalde tijdsintervallen waar de frequentiedrift binnen 1 MHz bleef gedurende 6 uur en dit mag een goed re­sultaat genoemd worden. , Later zijn er nog metingen verricht waarbij ook de uitgangsspanning van de hoogspanningsversterker gemeten werd. Toen bleek dat de frequentiedrift binnen 2 a 3 MHz bleef als de hoogspanningsversterker in het midden (onge­veer) van zijn bereik stond. Dit was tevens ook met tempex kap.

We kunnen dus stellen dat de frequentiedrift op lange termijn ongeveer 2 MHz zal zijn, op korte termijn zullen naar aIle waarschijnlijkheid nog betere resultaten te zien zijn. Door het regelsysteem verdertep~rfektioneren zullen mogelijkerwijs nog enige verbeteringen ontstaan, want zoals het systeem nu is zijn er hier en daar nog wat onvolkomenheden (gevoelig voor temp.veranderingen (open kast), niet afgeschermde kabel naar de laser).

-35-

XI KONKLUSIES EN AANBEVELINGEN

Uit de beatmeting blijkt dat de frequentiedrift over lange periode ongeveer 2 MHz bedraagt, dit komt neer op een onnauwkeurigheid van 4.10-9. Het startsysteeem voldoet uitstekend: Er is slechts een eenvoudige voeding van 2,5 kV nodig, die teruggeschakeld kan worden naar 2 kV om laserwerking te verkrijgen. Het onderzoek naar de Lamb-dips op de flanken leverde geen resultaat op, zodat geen invloed op de stabilisatie

mag worden verwacht.

Er zijn nog diverse verbeteringen mogelijk, zoals: -Temperatuurstabilisatie van de laser -Verbeteringen in de elektronika:

-de integrator heeft nu een uitgang tussen -15 en +15 V terwijl de hoogspanningsversterke~slechts gevoelig is voor spanningen tussen -4 en +5 V. -het bereik van de hoogspanningsversterker veranderen: het bereik is nu 0-800 V, maar met een bereik van -800 tot +800 V Z()U de stack een maxima Ie verplaatsingheb~ ben van ongeveer 25,m. -het vervangen van het IC 741 dat als integrator gebruikt wordt, dit IC heeft nl. een zeer grote drift (deze ver­andering zal waarschijnlijk het meeste effekt sorteren).

-Een goede methode voor het afregelen van de fotodiodes (zodat de intensiteiten van beide modes gelijk zijn en dus de temperatuursinvloed zo minimaal mogelijk is).

XII APPENDICES APPENDIX 1

-36-

Het licht dat uit de laser komt en op de beam-splitter valt zal na het passeren van de beam-splitter een andere inten­siteit hebben. De vraag is nu of de beide bundels die uit de beam-splitter komen gelijke intensiteiten hebben. Om dit te kunnen berekenen maken we gebruik van de formules van Fresnel:

n1cos8i-n2cos&r Rs=n1cos6i+n2coS9r

fig.27 : Breking en terugkaa tsing van e'en e.m.-golf

Hierin stellen R en T respektievelijk de reflektie- en trans­missie-coefficient voor (dit zijn de verhoudingen van de am­plitude van de uittredende golf en de amplitude van de inval­lende golf). De indices p en s slaan op de polarisatierichting van het E-veld van de lichtbundel (EM-golf), de index p duidt een polarisatie evenwijdig aan het invalsvlak aan, seen pol­arisatie loodrecht op het invalsvlak. Als we de beam-splitter bekijken zien we dat we in feite twee scheidings-vlakken hebben (de beam-splitter bestaat uit twee tegen elkaar gelijmde prismas). De brekingsindex van het glas zal in het algemeen :1 '; 52 bedragen en die van de lijmlaag (mees­tal wordt hiervoor Canada-balsem gebruikt) 1,53 • Deze brekings­indices verschillen niet veel van elkaar en bij een invalshoek van 450 is de refektie-coeff. veel Kleiner dan de transmissie-coeff. De doorgaande golf zal aan de volgende overgang ook nog iets verzwakt worden maar de inten­siteit van de doorgaande bundel

fig.28 : Lichtstralen in een beam-spli~ter

-37-

zal toch nog groter zlJn dan die van de gereflekteerde bundel. Het feit dat de doorgande bundel ook aan de tweede overgang reflekteerd en zo ook weer een bijdrage levert aan de gereflekteerde bundel hebben we hier buiten be­schouwing gelaten daar deze bij~rage vrij klein is en naarmate de bundel steeds meer gereflekteerd wordt ook steeds Kleiner wordt.

Het blijkt dus dat de doorgaande bundel een grotere intensiteit heeft dan de gereflekteerde bundel en daarom zullen we de doorgaande bundel moe ten ver-

fig.29 : veelvuldige breking en reflektie aan een parallelle

, grenslaag

zwakken om op beide fotodiodes een gelijke intensiteit te krijgen.

Numerieke waarden

theta-i = 45.00 .raden

1"11 1.52

n2 1.53

theta-r 44.6.3

theta-i = 44.63 .raden

n1 n2 theta-r 1.53 1.52 45.00

totaal R-pi R-si.ma

R-pi 4.24E-05

R-pi -4.24E-05

T-pi -6.651:-12 2.77E-07 1.00E+OO

R-si.llla 6.51E-03

R-si.ma -6.51E-03

T-si.ma 1.00E+00

T-pi 9.94E-Ol

T-pi 1.01E+OO

T-si.ma 9.93E-01

T-si.ma 1.01E+OO

Opm. Voor 6i =44,6° blijkt dat Tp en Ts groter dan 1 zlJn, hetgeen nooit mogelijk is edit zou versterking van de golf betekenen). Daze waarden zijn te wijten aan het feit dat de Fresnel formules niet helemaal kloppen: gesteld is nl.

dat )A1=}A-2~ , maar strikt genomen is de brekingsindex

n=V~rjJr·

APPENDIX 2

Schema verschilversterker en integrator

101 : LM324 102 : 741 V = 15V + V = 15V

verw

101 j- - - --I

-, I

in1 ~I--r---; in2~

-15V +15V

Aansluitingen fotodiode

H.A.D.1000A _--....II_ ..... ® '-10-- ----- - --, I I

I 61

:::::=-~ .... <V I

1 I

~ __ 5 ___ 1_ ~ _ 4 _ § _ 7.. _ J

get allen in 0 zijn amphenol aansluitingen

-39-

Voeding fotodiodes met amphenol aansluitingen

amphenol

J7 o 12 0 1h -15V 0 o 11 0 o -15V

nc o 10 0 nc

10k! ne : 9

: nl i\10k 8

7 +15V 0 L~>~l 6 ~;p~ o +15V

5 4

nc 0 3 0 nc

nc 0 2 0 nc (nc : not connected)

nc 0 1 0 nc

.r , ~ '"" 2...> ~'-...., (J)

~ ~

-l1 " t ;+14+ t +mw:l t..- . .!ttl ~ ~ r 1 .~ ::r: M . ___.. . .. }

fig . 30 Uitgang-s panni n g a l s funktie van de i n gan gs ­s pann ing v an de hoogspann i n gsvers terker

-41-

APPENDIX 3 AFLEIDING FORMULES BEATMETING

De beide bundels (Iopende golven) kunnen beschreven worden door :

E1(t) = E10ei(k1r1-w1t1)

E2(t) = E20ei(k2r2-w2t2)

met r 1=r2=r , t1=t2=t , k=2TI/X , w=2rrf. We kunnen nu (1) en (2) vectorieel optellen

De intensiteit voIgt dan uit :

I = <E.E> = t.Re(E.E*)

Met (3) voIgt hieruit

I = tRe{(E1(t)+E2(t)).(E1(t)+E2(t))*}

En dit verder uitschrijven

I = tRe{E1~+E2~+E1~+E2~1

= <E1·E1)+<E2·E2>+tRe(E1E~+E2~)

We noemen nu <E1 .E1)=I1 en <E2 _E2J=I2 , waarbij 11 en 12

constant zijn. Dus

We schrijven (1) en (2) om naar :

E1(t) = E10(cos(k1r-w1t)+i~sin(k1r-w1t))

E2(t) = E20(cos(k2r-w2tJ+i.sin(k2r-w2t))

(1 )

(2)

(3)

(4)

en vuIIen dit resultaat in (4) in (we noemen p=k1r-w1t en q=k2r-w2t)

I = I1+I2+iRe(2E10E20[cos(p)cos(q)+sin(p)sin(q)

i (cos (p ) sin (q)j::s-in(p )cos (q)) J ) = I1+12+E10E20coS(P-q)

-42-

Met k=2IT/A=2rrnf/c=wn/c is de intensiteit :

I = I1+I2+E10E20cos( (w1-w2 ).Cn;--t))

- 43-

APPENDIX 4

! ..

.t\.)

10M Hz I

... -

f =

~ .. ~ t

m

s: I ·1 ~ l o ~ t\.)

--­o o

w

'~ I

- t

-0

I -- I - 1 I· - - I -~

Jj + I N W

I j 1--+ ~ -

l

o

I 1- I J-~r: t ~ .

Beat-met i ng van ~14 uur dd . 29/06 / 8 3

(de onders t e grafi e k is het vervolg van d e bovenste )

I

~ I

; \;:;)

~ .. --------T-~---i- ~~~~",,;---4It:---..;-..;..

---~----.------.---------'!l-'~'----='-=--+---':"--'---""-----'------------. ...,..-~-i----.---'-------:--'---~~

--------~-~------~=t_--.---~ ...... ----'-----------~.---------1I:-----'-------'-'------"-~,,-----_:_

~ : , 1

,.5

'M '9920/00

, I I I

i !

I l!\ .:::t I

, ,

, ~":.-­~-:-----'-----'---'~---~---'-~~Ii--- .- _ ..

-46-

XIII LITERATUUR

1~ Frequentie-stabilisatie van een 2-modes He-Ne laser met bahulp van een piezo-kristal Stageverslag J.Spronck

2. Piezoelectric ceramics Philips application book

3. Piezoelectric ceramics Documentatie van Quartz & Silice

4. Principles of Optics M.Born and E.Wolf (Pergamon Press '64)

5. A piezoelectric fine-movement control Mills and Hurst (J.Phys.E:Sci.lnstrum.,Vol.14,1981)

6. Meet- en aandrijfsystemen P.Schellekens (collegediktaat afd. W : VE-60)

7. Coherentie eigenschappen van multimode lasers R.E. van T~en (kandidaats verslag afd.N, THD, jan'76)

8. Introduction to lasers and masers A.E. Siegman (McGraw-Hill '71)