Strahstabilisierung für einen Laser

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From: Michael Lestinsky (Lestinsky_at_urz.uni-heidelberg.de)
Date: 11. Sep 1999


Hallo allerseits,

So, mal wieder ein etwas Offtopic-Artikel von mir:

Vor einiger Zeit hatten wir mal auf einem unserer Treffen von einer
"Automatischen Positionierung" von einem Laserstrahl gesprochen. Es ging
vor allem darum, dass jemand (Mark?) davon geträumt hatte, einen Laser
zur Kommunikation zwischen 2 Häusern zu benutzen.

Ich sitze hier in Darmstadt an der GSI und baue gerade genau so ein Teil
auf. Vielleicht interessiert es ja jemanden, wie man sowas macht.

Zur Nomenklatur: die Z-Achse ist die Strahl-Achse, unabhängig von der
Umlenkung durch Spiegel. X und Y sind normal zur Z-Achse.

Also, was braucht man: Einen Laser, samt "Empfänger-Optik" und dann noch
einen Strahlteiler und eine sogennante 4-Quadranten-Photodiode. Dann draucht
man nur noch eine Logik und einen verstellbaren Spiegel.

Die 4q-Diode sieht so aus:

      Y-Achse
      ^
      |

    A | B
    --+-- ->X-Achse
    C | D

Jedes der Felder A-D repräsentiert dabei eine eigenständige Photodiode.

der Strahlaufbau sieht so aus:
                                           Restliche Leistung
                                            |
                                            V
    /- - - - - - - - - - - - - - - - - - \ - - - |Empfänger
    | |
 |Laser| | <- ca. 1 mWatt
                                     |4q-Diode|

Dabei ist "/" der verstellbare Spiegel und "\" der Strahlteiler.

Man liest nun die Werte der 4q-D. aus und berechnet daraus den Schwerpunkt
des Strahls. Dabei ist:

  \Delta X=(A+C)-(B+D)

die Abweichung des Schwerpunkts auf der X-Achse und

  \Delta Y=(A+B)-(C+D)

die Abweichung des Schwerpunkts auf der Y-Achse.

Daraus kann man dann eine Verstellgröße für den Spiegel berechnen.

Ich habe hier als Logik einen analogen Schaltkreis, der wiefolgt funktio-
niert:

1. Eingang mit Vorverstärker, und je nach Anwendung noch ein RC-Glied
2. Comparator (Zeigt mittels LEDs an, ob die Spannung auf der 4q-D. innerhalb
   gewisser Grenzen liegt, zur Grob-Positionierung)
3. Analoge "Rechen-Schaltung", die den Schwerpunkt berechnet
4. Integrator
5. HV-Verstärker zur Steuerung des Speigels.
6. Motorsteuerung.

Zwischendrinn sind immer wieder mal "Monitor-Ausgänge".

Wen es interessiert, dem kann ich die Schaltpläne des Systems mitbringen.

Der Spiegel wird in unserem Fall wie folgt verstellt:

Er ist beweglich auf einem Spiegelhalter monitiert, der einmal auf jeder
Achse einen Schrittmotor hat. Die Schrittmotoren dienen der Grobpositio-
nierung (Kippen um die X- und Y-Achse).
Dann ist der Spiegel selbst auf einer Eisenplatte montiert, die auf einer
Metall-Kugel im Speigelhalter sitzt. Gehalten wird der Spiegel von einem
kleinen Magneten. Über und neben der Kugel sitzen dann zwei Piezos, die man
für die Feinsteuerung verwendet (Zum Kippen des Spiegels um die X und
Y-Achse).

Die Piezos werden mit dem Ausgang des HV(-150 bis +300V)-Verstärkers
verbunden. Über-/unterschreiten die Spannungen am Piezo bestimmte Grenzwerte,
dann kommt die Motorsteuerung zum tragen, und fährt den Spiegel auf eine
neue Position.

Ich bin gerade dabei diese Schaltung, die mit einem Kontinuierlichen (cw)
Laser hervorragend arbeitet, auszutesten, ob sie auch mit einem Puls-
Laser geht, oder ob man daran irgendwelche Modifikationen vornehmen muss.

Der Einfangbereich, in dem die Schaltung den Laser selbst fängt ist im
wesentlichen von der Größe der 4q-Diode abhängig, was man aber mit einer
Sammellinse auch noch verbessern kann. Ich habe hier einen Einfangsbe-
reich von ca. +/-2cm um jede Achse.

Ich habe zwar noch keinerlei fassbare Messdaten, aber auf einem Oszi
sieht das im cw-Fall ganz ausgezeichnet aus. Momentan läuft die Schaltung
seit einem Tag, und ich kann Abweichungen auf den X- und Y-Achsen auf einen
zehntel Milimeter genau korrigieren (bei einem Strahlweg von ca. 10m)

Im Puls-betrieb haben wir momentan noch ein Problem, weil wir keinen
Puls-laser frei haben, und ich den cw-Laser momentan noch mit einer
rotierenden Schweibe künstlich pulse. Dabei fährt ein "Loch" von Oben
nach unten durch den Strahl und macht entweder dicht, oder nicht. Leider
wird dabei jedesmal der Strahl-Schwerpunkt (also der Schwerpunkt der
Intensitäten auf den 4q-D) verschoben, wodurch die Schaltung jedesmal
beim Auf- oder Zumachen beinahe ausflippt und mir die Piezos zerreisst.

Mal sehen, wie es mit einem echten Puls-Laser aussieht.

Alternativ kann man das ganze ja auch digital machen, man braucht dazu
entweder eine SPS, eine VME oder einen kleinen Microkontroller. Dann
braucht man noch einen FADC und FDAC. Das Programm selbst ist nicht
sonderlich schwiedig, man prüft, ob die Diode eine Mindestspannung über-
schreitet, und wenn ja, dann triggert man damit den Rest des Programmes.
Dann braucht man nur den Schwerpunkt zu berechnen, und dann das Signal
mit einem Gain-Faktor, zu den aktuellen Werten am DAC zu addieren und
über einen HV-Verstärker rauszuschreiben.

Was korrigiert die Lagestabilisierung nun? Meine Daten zeigen, dass die
momentane Lösung nur eher niederfrequente Störungen korrigiert. Das liegt
einmal an der geschwindigkeit der Regelung, des HV-Vertärkers und der
nicht beliebig kleinen Masse des Spiegels, und damit eine Trägheit
beim Rückstellen.
Ausserdem werden Störungen druch thermische Deformationen korrigiert,
und solche durch Luftdruckänderung (und damit der Änderung des Brechungs-
indizes).
Oberhalb von 2,5kHz funktioniert die momentane Schaltung auch wieder
"ausreichend gut". Nur im bereich bis 2kHz flippt sie aus. (Vielleicht
ist auch der HV-Verstärker das Problem, der nicht sauber genug so schnelle
Signaländerungen macht).
Ab 2,5kHz wirkt dann die Photodiode selbst wie ein Integrator, so dass man
da wieder arbeiten kann.

Digital wäre das alles kein Problem, aber wenn ich zu meinem Chef gehe,
und sage, kauf mir die Teile, dann motzt der nur rum, das sei zu teuer. :-(

So, ich hoffe, dass das der eine oder andere bis hier gelesen hat und
vielleicht die eine oder andere Anregung bekommen hat.

Das Prinzip ist einfach.

Bye
Michael Lestinsky

-- 
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