Tijdschrift van het
Nederlands Elektronica- en Radiogenootschap
D E E L 2 9 N o . 5 1 9 6 4
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde
door P. de W a a r d *)
Voordracht gehouden voor het Nederlands Elektronica- en Radiogenootschap op 10 oktober 1963.
Summary
This p a p e r gives a short survey on cu rrent methods, in use for the m easurem ent of mechanical quantities.
Classifications are given for different tra n sd u c e r types, m easurem ent of tra n sd u c e r signals is discussed, methods for excitation of mechanical vi
brations are summarized, and recorders for output d a ta are considered.
A short description is given of a system for digitizing f.m. recordings from instrum entation tape recorders.
T w o examples of instrum entation systems arc given.
1. Inleiding
H et is u ite raa rd onmogelijk, in k o rt bestek een enigszins vol
ledig overzicht te geven van de toepassingen d e r elektrische en elektronische meettechnieken in de w erktuigbouw kunde. H e t hierna volgende is alleen een poging, om een indruk te geven van de stand d er techniek, w aarbij aangenomen is, d a t de lezer op de hoogte is van de technieken voor het meten van elektrische stromen, spanningen, impedanties, frequenties, enz.
Een groot deel van de stof heeft betrekking op het omzetten van mechanische in elektrische grootheden. D e typische eigen
schappen van de omzetters en het praktisch gebruik d a a rv a n veroorzaken bepaalde eigenaardigheden d er elektrische a p p a ra -
*) Instituut T N O voor W e rk t u ig k u n d ig e C onstructies ( 1 W E C O * 1 N O )
202 P. de W aard tuur, w a a rd o o r deze zich onderscheidt van a p p a r a tu u r uit andere gebieden. K arak te ristie k zijn b .v .:
a. H e t frequentiegebied. S terke n a d ru k valt op het gebied van 0-100 Hz.
b. D e aanpassing aan de beschikbare omzetters.
c. D e bedrijfsomstandigheden. V a a k moet w o rd en gemeten in
„ r u w e ” bedrijven, in corrosieve omgeving, in moeilijk to e gankelijke ruimten.
T ab el 1.
O v erzich t van de belangrijkste mechanische grootheden.
G rootheid M eetgebied
V erp laa tsin g IO m ju — IO m
(afmetingen, hoek verdraaiing)
Relatieve verplaatsing, rek IO“6 - IO“1
K rachten IO“2 - IO7 N (I g - IOOO ton)
Koppels IO-4 — IOr' Nm (i g cm — IOO ton m)
G as- en vloeistofdruk IO2 — IO8 N /m (i cm H 2 O — IOOO atm)
Lineaire snelheid O — 5000 m/sec
R o tatie snelheid 0 — 2 OOOO rad. / sec
V ersnelling io-3 — io5 m/sec2
R uk (,,jerk”) ... m/sec3
Frequentie en tijd o,i — io5 H z ( ( i o / i sec — io sec) T em p era tu u r 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 w 0
o
‘2.
Mechano-elektrische omzetters
In tabel I is een overzicht gegeven van de voornaam ste mechanische grootheden met het meetgebied w a a rin ze vo o r
komen. De extreme w a a rd e n zijn enigszins willekeurig gekozen.
D e hoogste versnellingen, snelheden en frequenties komen alleen voor in s to o tp ro b le m e n ; voor statische metingen ligt de fre
quentie lager dan 0,1 Hz.
V a n de grootheden uit tab el 1 kunnen alleen verplaatsing, snelheid, en te m p e ra tu u r onmiddellijk in een ele kt rische g ro o t
heid w o rd en omgezet. T ab el II geeft een overzicht van de meest gebruikte principes voor het meten van verplaatsingen. T ab el III
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 203
Tabel II. Principes voor het meten van mechanische verplaatsingen V eran d erd e
grootheid b e w e e g b a a r element symbool type omzetter
R
sch a k e la a ra rm sleepcontact
afmetingen geleider en soortelijke w eerst.
" 5
O---
* ' —
sc h a k elaar potentiom eter
w e e rsta n d s-re k s trookje Û1
L
anker, kern
kortsluit w i n d i n g , vlakke geleider
i 1 1
( W p -
HT) 0
inductieve omzetters 1---1
W 1t r
f m
M ,k
kern
prim. spoel
_________________
pmnnrj pmnnr| differentiaal tra n s fo r
m ator synch ro
C
condensatorelektrod e diëlektricum
anode
/ P { E5G325523
T t
l ^ r f
V
±W77/A
= i ï i
capacitieve omzetters mech an o -elec tronie
transducer, R C A 573d
Q kristalal meting piëzo-elektrische
om zetter
l a b e l III. Sam engestelde omzetters
Te meten grootheid
P rim a ire om zetter
Secondaire grootheid
Tertiaire grootheid
K r a c h t veer verplaatsing
Koppel torsieveer verplaatsing
D r u k m e m b raan kracht, koppel
balg
R otatiesnelheid verplaatsingsom zetter elektr. spanning frequentie Stroomsnelheid tu rb inerotor rotatiesnelheid
vaste leidschoepen k ra c h t restrictie n
venturibuis ( d ru k
pitotbuis 1
V ersnelling m assa-veersysteem k ra c h t verplaatsing
R uk m assa-veer systeem k ra c h t snelheid
204 P. de W aard
Fig. 1
Rekstrookje, gem onteerd op m etaalplaatje. H e t geheel w o r d t op een te onderzoeken constructie gelijmd
1. 2. 3.
4.
C onstru ctie van een drukdoos
meetcilinder, w a a r o p de rekstrookjes geplakt w o rd en afdichtend m e m b r a a n
geperforeerde cilinder voor droogmiddel w a te rd ic h te kabelaansluiting
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 205 geeft een overzicht van samengestelde om zetters voor andere
grootheden dan verplaatsing.
Snelheden w o rd e n gemeten met omzetters, w a a rin tengevolge van een bew egend meetelement een verandering van een m ag
netisch veld o p treed t, zodat in een spoel een e.m.k. w o r d t g e - ind ucee rd.
E r zijn tw ee varianten. Bij de eerste bew egen spoel en veld ten opzichte van e lk a a r (elektrodynamische omzelters), terwijl bij de tw eed e het veld v e ra n d e rt door verandering der magnetische w e e rs ta n d (bew egend a n k e r in elektrom agnetische omzetters).
In de figuren 1 t/in 3 zijn een a a n ta l omzetters afgebeeld, zoals die voor speciale metingen bij het In stitu u t T N O voor W e r k tuigkundige C onstructies in de afgelopen jaren w erd en ontwikkeld.
Fig. 3
C onstructie van een inductieve versnellingsmeter 1. b e w e e g b a re m assa
2. opbangveren
3. i’errom agnetisch anker, bevestigd aan m assa
*4. steunconstructie
5. spoelen, bevestigd op steunconstructie
6. w e e rs ta n d e n , ter completering der L R -b ru g sc h a k e lin g
206 P. de W aard Een bijzonder principe is nog d a t van de elektrokinetische omzetter, ontw ikkeld door C onsolidated E lectrodynam ics Corp.
(fig. d). Een polaire vloeistof, die door een capillair stroomt, ver- oorzaa kt een potentiaalverschil tussen de uiteinden der capillair door richten van de moleculaire dipolen. E r is vrij veel druk nodig voor de stroming door de capillair, zodat deze om zetter p r a k tisch als dynamische d ru k m e ter moet w o rd en gebruikt.
i s o l er e n d e a f d i c h t e n d e ring ( p o r c e l e i n )
p o r eu z e schijf ( porcelein)
fijn gaas, ver bonden aar:
memb ra a n m emb r a a n
Elektrokinetische om zetter van C . E . C .
V o o r het meten van verplaatsingen leent zich ook het gebruik van straling.
D e opstelling lichtbron-modulator-fotocel w o r d t in hoofdzaak gebruikt in combinatie met elektrische tellers en frequentieme- cers. Interferentiem ethoden w orden gebruikt voor m odelonder
zoek en voor het n au w k eu rig ijken van verplaatsingsom zetters.
A bsorptie van /?- of ^-straling, geleverd door een geschikte isotoop, en gemeten met een geschikte stralingsdetector w o r d t gebruikt voor niveaumeting, diktemeting, slijtageonderzoek, stro- mingsonderzoek. In v erb an d met de gevaren van radio-actieve straling kunnen alleen zw akke stra le rs gebruikt w orden. D a a r de straling statistisch fluctueert moet men bij zw akke stralers vrij lang meten, v o o rd a t men de gemiddelde intensiteit van de ontvangen straling voldoende nauw keurig kent, zodat deze m eet
methode niet b r u ik b a a r is voor snel veranderende verschijnselen.
D e vele noodzakelijke veiligheidsmaatregelen beperken verder de toepassingsmogelijkheden.
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 3.
Meetmethoden
207
3.1 M etingen met wecrstandsrekstrookjes
V o o r de w e e rstan d sv eran d erin g van een rekstrookje geldt A R , A /
--- = k . —
A I
V o o r het meest gebruikte m ateriaal, constantaan, is k = 2 . D e temperatuurcoëffiiciënt van de w e e rs ta n d ligt tussen + IO-5 per ° C en — lO~5 per °C. D e kleinste rek, die men wil kunnen meten, ligt rond IO-6. T em p eratu u rv ariaties kunnen daarom een zeer m erk b are invloed hebben en tem peratuurcom pensatie is nodig; deze is gelukkig tamelijk eenvoudig te verwezenlijken in brugschakelingen.
D e ijkfaktor k is gewoonlijk bekend met een nauwkeurigheid van 1 % . D it b e p a a lt de m eetnauw keurigheid in opstellingen, w a a rin de rekstrookjes niet geijkt kunnen worden.
Instrum enten, w a a rin rekstrookjes w orden toegepast, kunnen w orden geijkt. D e techniek van het aanbrengen en beschermen van rekstrookjes is zover gevorderd, d a t de re p ro d u c e e rb a a r
heid van instrum enten w a a rin rekstrookjes w7orden toegepast, binnen enkele hond erd sten procenten kan liggen.
Fig. 5 geeft een elektrisch schema van een drukdoos met tw ee actieve rekstrookjes, tw ee passieve rekstrookjes, die voor tem peratuurcom pensatie zorgen, een co rrectiew eerstan d R 0 voor het nulpunt in een d er brugtakken, een co m p en satiew eerstan d R t voor het nulpuntsverloop met de te m p e ra tu u r in de andere brugtak, een w e e rstan d R m voor compensatie d er te m p e ra tu u ra fh a n k e lijkheid d e r elasticiteitsmodulus in een d er voedingstakken van de brug, een a freg elw eerstan d R c voor het instellen d er juiste gevoeligheid in de andere voedingstak.
Tengevolge van de kleine w e e rstan d sv a ria tie s en de grote nauw keurigheden, die verlangd w orden, moeten verfijnde scha
kelingen gebruikt w o rd en voor het meten met rekstrookjes. V o o r statische metingen w o rd en vrijwel uitsluitend compensatiemetho- den gebruikt, hetzij handcom pensatoren, hetzij autom atische com pensatoren (zelfbalancerende potentiom eters). Digitale rek- meters zijn er eigenlijk nog niet, hoewel digitale w eerstan d s- meters in een a a n ta l gevallen wel b ru ik b a a r zijn.
M en kan de rekstrookbrugschakeling voeden met gelijkspan
ning, m a a r men moet dan b ed ach t zijn op therm o - emk's, en
208 P. de W aard
R
Fig. 5
R e k s tr o o k b r u g van een drukdoos
iedere meting zo nodig herhalen met omgepoolde voeding.
Als nulindicator w o r d t voor deze metingen gewoonlijk een trille rv e rste rk e r gebruikt.
M en kan de rekstrookbrugschakeling ook voeden met w issel
spanning. D e therm o-em k s vormen dan geen probleem meer, m a a r men krijgt dan het probleem van de capacitieve onbalans.
D e rekstrookjes hebben een capaciteit tegen de constructie w a a ro p ze geplakt zijn van enkele honderden p F , de toevoer- leidingen hebben onderling en tegen a a rd e aanzienlijke capaci
teiten. D e nulindicator van de com pensatorschakeling moet dan zeer nauw keurig fasegevoelig zijn uitgevoerd, om geen elfecten van capacitieve onbalans mee te meten. V e r d e r is het meestal nodig, de re k stro o k b ru g ook capacitief te balanceren, om dat anders de capacitieve onbalansspanning de nulindicator o v e r
stuurt.
D e grootte van de brugvoedingsspanning w o r d t begrensd door de to e la a tb a re verw arm ing van de rekstrookjes, die de m eetnauw- keurigheid beinvloedt.
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 209 V o o r rekstrookjes met een w e e rs ta n d van 240 ohm is gebrui
kelijk 4 V brugspanning voor precisiemetingen, 6 - IO V bij minder strenge eisen.
Bij een rek van IO-6, een ijkfactor 2, en een brugspanning van 4 V b e d ra a g t de bruguitgangsspanning voor I actief rek- strookje 2 ju V.
R ekstrookjes met meer w e e rs ta n d (tot ÓOO ohm ongeveer) kunnen een hogere brugspanning verdragen, en geven dan ook meer spanning af, echter is de isolatiew eerstand en de parallel- capaciteit van de leidingen dan van g ro ter invloed.
Fig. 6
A utom atische rekm e ter (48 punts) voor w r in g b a n k 40 ton meter der Technische H ogesc hool, D elft
V o o r dynamische metingen gebruikt men steeds wisselspan- ningsvoeding van de brug, dus een draaggolfsysteem .
Gebruikelijk zijn draaggolffrequenties tot 5 °°° Hz. Bij hogere frequenties w o r d t de capacitieve balancering te moeilijk en w o r d t de lengte van de toevoerleidingen d a a rd o o r teveel b e p erk t M en kan nu geen com pensatiem ethoden meer gebruiken, en is aangew ezen op direct aanwijzende methoden, al oi niet met registratie. U ite ra a rd is nog steeds lasegevoelige detectie nodig.
210 P. de W aard V o o r statische metingen a a n grote aantallen m eetpunten ge
bru ik t men steeds gelijkspanningsvoedmg, om dat bi) het grote a a n ta l lange leidingen, d a t nodig is, capacitief balanceren te omslachtig is. H e t is dan tevens gew enst de metingen te a u to matiseren om m eetlouten te voorkomen en redelijk snel te kunnen
w erken.
O n g e v e er 6 j a a r geleden w e rd voor dit doel a p p a r a tu u r o n t
wikkeld, die een groep van 48 m eetpunten autom atisch aftast, meet, en re g istree rt met een snelheid van ongeveer I m eetpunt per 5 sec. D oor omschakelen met de hand kunnen verschillende groepen w o rd en gemeten. O p deze wijze zijn aantallen m eet
punten to t 400 verw erk t.
Fig. 6 too n t deze a p p a r a tu u r in een meetopstelling. D e m eet
resultaten kunnen w o rd en getypt ol met behulp van een code- om zetter en een bandpons in pap ierb an d w orden geponst, zodat zij in een digitale rekenm achine v e rd e r v e rw e rk t kunnen w orden.
D e totale meettijd is bij deze a p p a r a t u u r nog vrij lang zodat om gevingstem peratuurvariaties oorzaak kunnen zijn van meet- onnauw keurigheden. D a a ro m is snellere m e e ta p p a ra tu u r in o n t
wikkeling voor een snelheid van ongeveer IO m eetpunten per sec.
3.2 M etingen met inductieve omzetters
In t algemeen is de stabiliteit van zelfinducties aanzienlijk geringer dan die van w eerstanden. H e t gebruik van ferromagne- tisch k e rn m ateriaal m a a k t de stabiliteit nog ongunstiger. In d u c
tieve om zetters moeten daarom m et g ro ter im pedantievariaties we rken d an r e k s tr o o k je s ; de kleinste b ru ik b a re zelfinductieva- riatie is van de orde I O -3, de grootste I a 5% ° f bij dubbel- we rkende configuraties IO - 50%.
W a n n e e r men de inductieve om zetter in een geschikte brug- schakeling opneem t kan de meestal toch al beschikbare rek- s tro o k m e e ta p p a ra tu u r w orden gebruikt. U ite r a a r d is fasegevoelige detectie en capacitief balanceren van de brug nodig.
3.3 M etingen met capacitieve omzetters
C apacitieve om zetters munten uit door hun eenvoud, en zijn geschikt voor het meten van zeer kleine to t grote verplaatsingen.
D e stabiliteit ervan is aanzienlijk b e te r dan die van inductieve omzetters, m aar slechter dan die van rekstrookjes; tem peratuur^
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 211 compensaties zijn tengevolge van de noodzakelijke combinatie van
isolator en geleider lastig uit te voeren.
B ru ik b a re capaciteitsvariaties liggen tussen io -4 en I k 5%»
voor d u b b elw erk en d e combinaties zijn variaties to t IO a 5°%
mogelijk.
V o o r kleine verplaatsingen is de vlakke c o n d en sato r het meest geschikt, voor grote verplaatsingen de schuifcondensator, b.v.
in de vorm van een messing cilinder w a a rin een stuk messing- s ta f axiaal kan w orden verplaatst.
D a t men zeer kleine verplaatsingen kan meten, blijkt uit het volgende voorbeeld.
Een capaciteitsvariatie van IO -3, gemeten aan een vlakke con
d e n sa to r met p la a ta fs ta n d O, I mm kom t overeen met een af- standsvariatie l O - 3 X o , l mm of IOO m ju. T e r vergelijking: de golflengte van groen licht is 2 = 55O tn ju. P la a ta fs ta n d e n to t 25 (i zijn uitvoerbaar.
D e capaciteit van praktische om zetters is laag ( 2 0 - 2 0 0 ) zodat de ingangsimpedantie zeer hoog is bij gebruik van de ge
wone d raag g o lfrek m eters voor rekstrookjes. V e r d e r s t a a t de capaciteit van de toevoerleidingen parallel aan de omzettercapa- citeit. H e t is d aarom noodzakelijk achter capacitieve omzetters speciale a p p a ra tu u r te gebruiken.
4. Het opwekken van mechanische trillingen
In hoofdzaak zijn drie ty p en excitatoren van belang:
a. E lektrodynam ische excitatoren
Elektrodynam ische trillingsopw ekkers w o rd en in tra n sp o rtab e le vorm alleen voor kleine vermogens gebruikt. V o o r grote v e r
mogens, to t 5 ton, w o rd en de afmetingen van magneetsysteem, versterker, en tra n s fo rm a to r zo groot, d a t ze alleen nog in vaste opstellingen gebruikt kunnen worden.
b. M echanische onbalans-excitatoren
Fig. 7 geeft een beeld van het principe. T w ee excentrische gewichten draaien tegen e lk a a r in, zodat de resulterende massa- krachten in één richting w erken. V o o r deze z.g. vrije-massa- excitator is slechts één steunvlak nodig. E r kunnen geen s t a tische krachten mee w o rd en opgewekt. D e dynamische k ra c h t is evenredig met het k w a d r a a t van de omwentelingssnelheid.
Fig. 8 toont een uitvoering voor 5 ton vanal 3»5 Hz, gebruikt voor scheepsmetingen.
212 P. de W aard
Fig. 7
Principe van een onbalans-excitator. D e r e sultante der m a ss a k ra c h te n van tw ee tegen e lk aar in d ra a ie n d e gew ichten, w e r k t in één richting. D o o r keuze van de plaats der gew ichten k unnen horizontale of verticale
k rach ten w o rd e n o p g e w e k t
H y d raulische excitatoren
Fig. 9 toont het principe van een hydraulische excitator. De krac ht uitgeoefend met een hydraulische cilinder, w o r d t gemeten met een drukdoos. D e uitgangsspanning van de drukdoos w o rd t vergeleken met een referentiespanning, met de verschilspanning w o r d t een servoklep b e stu u rd ; deze servoklep regelt de druk in de cilinder zodanig d a t het verschil met de referentie ,,nul”
w ordt. Fig. 10 too n t een uitvoering, gebruikt voor het aan sto ten van een vizierklep in de stuw bij H agestein. D e maximale k ra c h t
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 213
Fig. 8
Uitvoering van een onbalans-excitator voor 5 ton v a n a l 3,5 H z
oliedruk
inlaat è olie1 I u itlaa t
Fig. 9
Principe van een hydraulische excitator
214
P. de W aardH y d ra u lisc h e
Fig. 10
excitator van 10 ton tot 5 H z op klep van de stu w te H agestein
een vizier-
b e d ra a g t 10 ton bij frequenties van 0 - 5 Hz. V o o r hogere frequenties w o r d t de maximale k ra c h t kleiner.
5.
Afleesapparatuur
Uiteindelijk moeten m eetresultaten in de vorm van getallen beschikbaar komen, hetzij in tabelvorm , hetzij in de vorm van grafieken. E en b ek n o p t overzicht van instrum enten voor dit doel is gegeven in T abel IV . V o o r het v erd er v e rw e rk e n van m eet
gegevens is het veelal nodig, ze b esch ik b aar te hebben in digi
tale vorm. E r b e sta a n instrum enten voor h et autom atisch of halfautom atisch „aflezen” van krommen, zoals die geprodu-
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 215
Tabel IV O v e rz ic h t a f le e sa p p a ra tu u r
T y p e F r e q u e n t i e b e r e i k
! Automatische com pensator , Penschrijvers, papier/inkt
w a sp a p ie r, tel edel (ospa pi er
• Lusoscillo” ral en
Ële kt ronenst raai-oscillogra
fen met lopende film met trom m elcam era M a g neet band recorders Bandpons
1 1
ai 1 io io2 io* io‘ io*
cee rd w orden door schrijvers en oscillografen. D e t o e p a s b a a r heid van deze instrumenten is door allerlei nevenomstandigheden echter beperkt.
Logischer is het, de gehele m e e ta p p a ra tu u r zo tc kiezen, d a t de m eetresultaten in digitale vorm besch ik b aar zijn. D it stuit v a a k o p b ezw aren i.v.m. de omvang der a p p a ra tu u r.
E r is een tussenw eg door gebruik te maken van een mag- n eetb an d re c o rd er van het instrum entatie-type w a a rm ee een signaal geregistreerd w o r d t als Irequentiem odulatie van een draaggolf. Gewoonlijk w o rd t na demodulatie het signaal w eer in analoge vorm afgegeven. M e n kan echter de in frequentie ge
moduleerde draaggolf zeil gebruiken om op betrekkelijk een
voudige wijze het signaal in digitale vorm te verkrijgen.
M e t behulp van tellers en poorten kan men n.1. periodiek de frequentie meten, en de gemeten w a a rd e , die in digitale vorm is, vastleggen. In ons In stituut is een a p p a r a a t ontw ikkeld voor dit doel. U itgangspunt is, d a t op één van de sporen van de b a n d rec o rd e r een signaal van constante f requentie is geregistreerd als referentiesignaal.
M en kiest nu een a a n ta l perioden van het in frequentie ge
moduleerde signaal en telt het a a n ta l perioden van het re fe rentiesignaal d a t ge lijk tijd ig ermee geregistreerd is. D e eind
w a a rd e van de telling w o r d t in ponsband vastgelegd, en dit w o rd t periodiek herhaald. H e t signaal w o r d t dus periodiek bem onsterd. Fig 11 geeft een vereenvoudigd blokschema. D e referentiedeler T i telt ononderbroken door en opent bij iedere
216 P. de W aard
f o u t g e t a l
S y n c h puls uit p o n s tijd e n s t r o n s p o r t
4 m s e c
l * r * q l P o o r t »•r « s ' _
P u l » . 5 D » l « r » c h o k c l in g 3 * r « g l
v o r m e r T_1 R « g « 1 4 * r « g l
k i t z t r 5 " r « g l
S i g n m g a n i
Re» i n g a n g
R« f _ f r » q P o o r t
v u l d i g t p P 2
F l i p . f lo p
F F 2 s e t
P o o r t P l
ilo p
•i_r F lip _ flo p F F I
re s e t
n n n n m
s t a r t
H t m n m
R e » pu v o r n
t t I s . n s r - 1 1---
r e s e t
P o n » t r o n t p o r t S ig n , v e r t r a g e n
Fig. 11
V ereenvoudigd blokschem a van digitalisator W E 6208
nulpassage de poort P I . D e eerstvolgende signaalimpuls (op de nuldoorgang van het signaal) opent P 2, w a a r n a deler 7 2 een a an tal signaalimpulsen aftelt, terwijl de teller 7 4 de gelijktijdig optredende referentieimpulsen telt. N a een zeker a a n ta l (te voren ingestelde) signaalperioden, sluit de teller 7 2 de poorten P 2 en P I en s t a r t tevens het p o n stran sp o rt.
De pons geelt nu synchronisatie-im pulsen terug, die door deler T 3 afgeteld w orden, en w a a rd o o r op 4 achtereenvolgende regels de inhoud van de teller 7'4 op de ponsband w o r d t overgeno- men, D e vijfde regel is een scheidingsteken (b.v. ,,line-feed” voor schrijfmachine). N a de vijfde regel w o r d t de pons geblokkeerd.
Is bekend d a t het signaal om een ol andere reden o n b ru ik baar, is dan kan men uitwendig de indicatie ,,fout getal geven, w a a rd o o r de ,,parity check” w o r d t om gedraaid en het geponste getal als fout herkend kan w orden.
D it systeem heeft verschillende voordelen
1. M e t behulp van de referentiedeler kan de plaats der b e monstering op de band gereproduceerd w orden, zodat men de bem onstering kan herhalen. Schuilt men de bemonste- ringsperiode de volgende keren steeds juist één periode op, dan kan men in 2 a 4 keer een aaneensluitende bemonstering verkrijgen. D it kan niet in één keer, d a a r voor het pon
sen tijd nodig is. D o o r d a t de bem onsteringsplaats vastligt,
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 217 kan men na e lk a a r de verschillende sporen digitaliseren.
2. D o o r gebruik te maken van een referentiespoor heeft een onregelmatige bandloop (wow. llutter) nagenoeg geen invloed op de uitkomsten d er digitalisatie.
6, Twee instrumentatievoorbeelden
6.1 G olfhoogtemeting
Enkele jaren geleden w as het nodig, een correlatie te vinden tussen de scheepsbewegingen en de mechanische spanning in de scheepsromp enerzijds en de hoogte en vorm van de golven anderzijds.
In sam enw erking met de Koninklijke M a rin e w erd d a a rv o o r een goll h o o g tem eetap p aratu u r ontwikkeld. Deze bestond uit een vrij drijvend vlot, w a a ro p een zender gegevens uitzond over versnellingen van het vlot en de helling ervan t.o.v. het hori
zontale vlak. Versnellingen loodrecht op het vlot (en dus ook nagenoeg loodrecht op het w a tero p p erv lak ) w erden gemeten met een capacitieve versnellingsmeter, die onmiddellijk de d ra a g gollfrequentie van de zender moduleerde. De helling in tw ee richtingen w e rd gemeten met een gyroscoop (kunstmatige horizon) w a a rv a n de signalen gemoduleerd w erden op de draaggolifre- quentie van tw ee hulpdraaggolf oscillatoren. Deze tw ee hulp-
Fig. 12
Blokschema golt hoogte-zendap p a ra tuur
218 P. de W aard
Fig. 13
Blokschema g o lf h o o g te -o n tv a n g a p p a ra tu u r
Fig. 14
T e w a te rla tin g van de golf hoogtemeter voor een proefmeting
Elektrische metingen in de werktuigbouwkunde 219 draaggolfsignalen w erd en w e e r op de h.f.-draaggolffrequentie gemoduleerd.
D e ontvanger met registratiem iddelen bevond zich aan boord van het schip, w a a r a a n de metingen w e rd e n uitgevoerd.
D e op magnetische b a n d geregistreerde signalen w e rd e n in het laboratorium gedigitaliseerd en u itg e w e rk t op een digitale rekenmachine.
Fig. 12 geeft het blokschema van de a p p a r a tu u r aan de zend- zijde, fig. 13 geeft het blokschema aa n de ontvangzijde. Fig. 14 toont de te w a te rla tin g van h et vlot bij een proefmeting.
6.2 Compressor onder zoek
V o o r metingen aa n roterende onderdelen van langzaam lopende machines w o rd e n gewoonlijk sleepringen gebruikt. V o o r snel
lopende ro to ren kunnen to t 20.000 k 40.000 omwentelingen p er minuut nog speciale typen sleepringen gebruikt worden, m a a r boven deze snelheden is dit (heden) onmogelijk. O m snellopende com pressoren te kunnen onderzoeken bij toerentallen, die in de toekom st to t 150.000 omwentelingen p e r minuut kunnen gaan, is besloten een telem etrie-systeem te ontwikkelen, d a t gebruik m a a k t van inductieve overdracht.
Bij de korte afstand, die overbrugd moet w orden, is het niet nodig, elektromagnetische straling te gebruiken.
V o o r metingen met rekstrookjes is een speciale oscillator o n t
wikkeld, w a a r v a n de frequentie-afwijking evenredig is met de brugonbalans van een rek stro o k b ru g . D e grootste moeilijkheid is de afmetingen klein genoeg te maken, d a a r de hele oscillator moet kunnen w o rd en o n d erg eb rach t in een boring in de hartlijn van een betrekkelijk dunne as.
H e t blokschem a is w eergegeven in fig. 15.
D e verklaring van de w erking k a n men als volgt formuleren.
E e n brug, die met wisselspanning w o r d t gevoed en w a a r v a n de w e e rs tan d e n periodiek variëren zo d at de bruguitgangsspan- ning periodiek door nul gaat, levert als uitgangsspanning een signaal, d a t in amplitude is gemoduleerd en w a a r v a n de draag- golf o n d e rd ru k t is. V o e g t men aan dit signaal de draaggolf over 90° verschoven w e e r toe, dan o n ts ta a t een fasegem oduleerd signaal. W o r d t dit voldoende v e r s te rk t nogmaals over 90° v e r
schoven en toegevoerd aan de voedingszijde van de brug dan heeft men een oscillatorschakeling, w a a r v a n de frequentie be-
220
P. de W aardFig. 15
B lokschem a van een oscillator m et frequentiem odulatie door het u itg angssignaal van een b ru g
p a a ld w o r d t door de totale fasedraaiing, en dus door de on- b a la n sto e s ta n d van de brug.
E e n eerste p ro to ty p e is in beproeving op langzaam d raaie n d e assen van scheepsmotoren.
D e uiteindelijke afmetingen w o rd e n b e p a a ld door de v e rk rijg b a a rh e id van m iniatuuronderdelen en de m ontagevaardigheid van de man, die h et instrum ent bouw en moet. O m de hoge v e r
snellingen, die v e rw a c h t w orden, te kunnen d o o rstaan , is ingieten noodzakelijk.
D e ontwikkeling van inductieve „ o v e rd ra g e rs " voor hoge toerentallen is nog in h et beginstadium.
Manuscript ontvangen 28 november 1963
D eel 29 - N o. 5 - 1964 221
Etat actuel de la technique des lasers
par M . Pauthier *)
Conférence prononcée devant Nederlands Elektronica- en Radiogenootschap, Koninklijk Instituut voor Ingenieurs et Nederlandse Natuurkundige Vereniging,
novembre 11, 1963.
Sommaire
O n esquisse les principes généraux de ce quis p eut être appelé 1 a r t de l’ingénieur en m atière de laser et on en donne les p rin cipaux résultats et les principales conséquences en l’illustrant de quelques exemples.
1. Introduction
O n ne va pas faire une revue des dernières expériences qui ont été effectuées, mais on va plutôt esquisser les principes géné
rau x de ce qui peut être appelé l’a r t de 1 ingénieur en matière de laser et en donner les principaux résu ltats et les princi
pales conséquences en l’illustrant de quelques exemples.
2. Absorption, émission stimulée et émission spontannée
Il est nécessaire de ra p p e le r quelques principes de base.
Considérons un petit volume de matière qui contient des systèmes pouvant être à deux niveaux distincts d ’énergie E 2 et E l en équilibre avec une radiation électro-magnétique de fréquence
K - E x v = --- .
h
O n sait que le r a p p o r t du nombre N 2 des systèmes à 1 é ta t excité au nombre N x des systèmes non excités est donné p a r la loi de Boltzmann.
N 2 £* - £'
—- = e kT N x
D ’autre p art, la loi de Planck
*) L a b o ra to ire C en tral de Télécom m unications, Paris.
222
M. Pauthier ik T
8 ri h v3
C3
donne la densité spectrale Uv de 1’énergie électromagnétique en fonction de la fréquence.
L ’ensemble des systèmes peut être considéré comme réso n a
te u r de fréquence v en interaction avec une excitation de même fréquence. E n 1’absence d ’excitation, le ré so n a teu r s’am o rtit et cela correspond à la désexcitation, p a r émission spontanée. Le temps d ’am ortissem ent est inversem ent proportionnel à la p r o
babilité d ’émission spontanée A . E n présence d ’une onde exci
tatrice U v , le réso n a teu r p re n d ra de l’énergie ou en cédera à la radiation excitatrice suivant que son oscillation est en phase ou non avec l’excitation. C ela c o rresp o n d ra à une ab so rp tio n dont la probabilité sera B U v N t ou à une émission stimulée dont la probabilité sera B Uv
Si l’on est à l'é ta t d ’équilibre, il y a a u ta n t d ’excitations que de désexcitations. O n peut donc écrire l’équation suivante :
( A + B Uv ) N 2 = B Uv N , ( 3 )
O n en déduit
A B
8 n h v3
C3 N h v
A est le coefficient d ’émission spontanée et B est le coefficient d ’émission stimulée. N est le nombre de modes dans la cavité p a r unité de volume et de fréquence.
D ’après la formule (1), on voit que si l’on fait a rriv e r un faisceau de lumière de fréquence v sur de la matière pouvant avoir deux états d ’énergie A2 et R x, il a plus de chances d ’être renforcé. P a r conséquent, le ré s u lta t en général sera une dimi
nution de l’intensité de la lumière émergente dans la direction d ’incidence. P a r contre, s ’il éta it possible que N 2 soit supérieur à N 1, la lumière incidente re s s o rtira it amplifiée. C e tte r e m a r que est à la base du fonctionnement des lasers et des masers et les procédés qui ont permis de lui donner des conséquences partiques sont les procédés qui ont permis de faire N a N 1, c’est-à-dire d ’obtenir une inversion de population,
3 .
Inversion de population
N ous décrirons seulement les procédés qui sont utilisés dans
les la se rs. Ils se ram ènent à deux typ es p rin cip au x: le ty p e à tro is n iveau x et le ty p e à qu atre n iveau x. L a figure I m ontre au m oyen d une com paraison h yd rau liq u e comment peut fonction
ner le systèm e à tro is n iveau x. Il est éviden t que si la fuite du b assin 2 dans le b assin I est beaucoup plus petite que les fu ites du bassin 3 ve rs le b assin 2 et le bassin 1 , il y au ra accum ulation de liquide dans le b assin 2 et on p o u rra obtenir une situation où il y a u ra plus de liquide dans le b assin 2 que dans le bassin I. C eci co rresp o n d ra à une in version de popu lation entre le niveau 2 et le niveau I. Si Io n suppose que la fuite de 3 v e rs 2 est très gran de, il y a u ra très peu de systèm es
excités à l'é ta t 3 et pour obten ir une inversion de population entre le niveau 2 et le niveau I, on se ra obligé de pom per au moins la moité des systèm es du niveau I , ce qui correspon d à une grande dépense d'én ergie. L e schém a d 'in version de population à 4 n iveau x perm et de rem édier à cet inconvénient.
E n effet, la pompe dém arre à p a rtir d'un niveau O bien en-dessous du ni
veau I. L e niveau I est généralem ent vide à la tem p ératu re de fonctionne-
Etat actuel de la technique des lasers 223
Fig. 1
L e fonctionnem ent sché
m atique d ’un septèm e à trois niveaux
ment et p a r conséquent l'in versio n de population entre le niveau 2 et le niveau I s'effectu e au ssitô t que 1 on a une population ap p réciab le au ni
veau 2.
4. Cavités optiques
N ou s savo n s qu'un o scillateu r est constitué p a r un d isp o sitif donnant du gain et une cavité accordée. N o u s avon s m ontré comment l'in versio n de population p o u vait fou rn ir du gain de lum ière. Il nous reste à tro u ve r la cavité accordée. C on sid éron s p a r exem ple deux p lan s p a ra llè le s p arfaitem en t réfléch issan ts.
L e s ondes lum ineuses qui se p ro p agen t à l'in térieu r de ces deux plan s et perpendiculairem ent à eux au ron t des p ertes nulles si le régim e d'ondes statio n n aires qui s'é ta b lit correspon d à des noeuds de cham p électrique su r les p aro is conductrices.
L a condition pour qu 'il en soit ainsi est que la distance entre les deux plan s soit égale à un nom bre en tier de 1/2 longueurs
224 M. Pauthier
d'onde. M a is en pratiqu e, les deux plans réflecteurs ne peuvent a v o ir de dim ensions infinies. P a r conséquent, même si les p e r
tes p a r réflexion sont n égligeab les, on a u ra des p ertes p a r d iffra c
tion. S i I on rem place ces m iroirs plans p a r des m iroirs sphé
riques, on peut m ontrer facilem en t qu’on a rriv e à des configu
ration s ferm ées de rayo n s lum ineux à l'in térieu r de ces m iroirs si la distan ce entre eux est in férieure à deux fois leu r rayo n . D an s ce cas, les p ertes p a r d iffractio n seron t beaucoup moins gran d es que dans le cas de m iroirs plan s et c 'e st en gén éral des configurations sim ilaires que Ton u tilisera. Il fa u t re m a r
quer que ces cavités sont des réso n ateu rs à très haut coefficient de surtension Q
C e tte form ule s'é ta b lit aisém ent en p a rta n t de la définition su ivan t laq u elle Q est ég al à n fois le ra p p o rt de l'én ergie em m agasinée dans la cavité sur l'én ergie dissipée p a r cycle. P o u r des la se rs à gaz, on tro u ve une v a le u r de Q = 3-io8 (en su p p o san t une longueur d 'im , une longueur d'onde d'un m icron et un coefficient de réflexion r de 99°/0). D a n s le cas d'un la s e r à
rubis de longueur 4 cm a y a n t un coefficient de réflexion de 90°/0 et ou la longueur d'onde à l'in térieu r du ru bis est de l'o rd re de 0,4 m icron, on trou ve Q = 3.IO6 D a n s le cas d'un la s e r à arsen iu re de gallium , la d istan ce entre m iroirs est de l'o rd re de 0,25 mm.
L e coefficient de réflexion est donné p a r la différence des indices de l'arse n iu re de gallium et de l ’a ir et vau t 3 O ° /0. O n trou ve a lo rs une v a le u r de Q de 4.IO3. O n vo it donc que les la se rs à
arsen iu re de gallium utilisent des cavités qui ont un coefficient de surtension infinim ent moins bon que les la se rs à gaz et même les la se rs à cristau x.
5.
Conditions d'oscillation
L a raie de fluorescence a une certain e la rg e u r pour de nom
breu ses raison s. L a prem ière est que l'ém ission spontanée elle- même, pu isqu'elle n 'est p as cohérente, provoqu e un certain é la r gissem ent de la raie qu on ap p elle la rg e u r n atu relle : nous avon s vu en effet que l'ém ission spontanée correspon d à un term e d'am ortissem en t. M a is bien d 'a u tre s causes concourent à cet élargissem en t. C ito n s p a r exem ple l'e ffe ct D o p p le r dû à la vitesse des m olécules dans les gaz et l'élargissem en t inhom ogène dû
Etat actuel de la technique des lasers 225 aux légères irrégularités de structure des cristaux. E n général, ces causes provoquent un élargissem ent qui est beaucoup plus gran d que la largeur naturelle et également beaucoup plus grand que la larg eu r de la résonance de la cavité. P a r exemple dans le laser à gaz à hélium néon, en re p re n a n t l'exemple ci-dessus, la largeur de la cavité est de io6 cycles/sec et la larg eu r de la raie de fluorescence est de io9 cycles/sec.
D a n s le cas du rubis, la larg eu r de la cavité est de io8 cycles p a r seconde et la largeur de la fluorescence est de 3. i o11. D a n s le cas de l'arseniure de gallium, il en est aussi de même, la larg eu r de la cavité est de IO11 et la largeur de la fluorescence est de IO12. L a courbe re p ré se n ta n t l'intensité de la fluorescence en fonction de la fréquence est proportionnelle à celle qui r e présenterais la valeur du coefficient d'émission spontanée en fonction de la fréquence. O n peut donc dire que dans un in te r
valle de fréquence d v , la valeur du coefficient d'émission spon
tanée est A g (v) dv avec la condition
J
g (v) dv = I . Comme v varie très peu dans l'intervalle où g (v) n'est pas négligeable, on peut a d m e ttre que B suit la même loi de variation en fonction de la fréquence. Le coefficient d'émission stimulée dans l'intervalle dv sera donc B Uv g (y) dv.
Considérons m aintenant un mode m de fréquence vm de largeur dv et suppson que cette cavité ait un volume unité. Le nombre de photons produits p a r émission spontanée dans ce mode sera
A N ag ( v m) dv N d v
puisque l'émission spontanée est isotrope.
C es photons seront détruits d'une p a r t p a r absorption dans le m atériau et d 'a u tre p a r t p a r p ertes dans la cavité. O n arrive donc à ce moment à la formule
- ( N , - A \ ) g ( v m) + 2 n ô v N
qui peut se m ettre sous la forme
2 n ' dv Itf
N , = n [N c + N t - N J avec N , = ---— (7) A g (yni)
O n peut donner une in terp rétatio n de cette valeur N e en supposant que vm corresponde au maximum de la courbe de
A N .3 g (vm) N
226
M. Pauthierfluorescence. D a n s ce cas est de T ordre de g ran d eu r de S (y*n)
la la rg e u r A v de la tran sition et en se ra p p e la n t que la la r geur n atu relle est donnée p a r — on a rriv e à la form ule suivante
Ne = (ôv) mode . N (Av) transition
(ôv) naturelle (8)
D e cette form ule, on peut déduire les fa cte u rs qui sont fa v o ra b le s à Tobtention de l'e ffe t la se r. I l fa u t que les p ertes dans la cavité soient trè s petites, et il fa u t que la la rg e u r de la tran sition soit trè s petite. O r, on sait que dans la p lu p art des cas, cette la rg e u r diminue avec la tem p ératu re. O n vo it donc que Ton a u ra toujours in térêt à tra v a ille r à une tem p ératu re b asse.
L a dém onstration que nous avon s esquissée p o u rra it ég ale m ent donner la finesse de la raie d é m issio n produite p a r le la se r, de la même faço n qu'on peut calcu ler la finesse d'une onde émise p a r un o scillateu r à tube, finesse qui, on le sait, est en gén éral beaucoup plus gran de que la finesse de la cavité pilote.
6. Puissance de sortie
A l'aid e de raisonnem ents sim ples, on peut calcu ler le nom
bre de photons n qui existen t dans la cavité et, con n aissan t les p ertes à l'e x té rie u r, en déduire la pu issance ém ise. A p pe- lens P le nom bre de systèm es excités p a r seconde au niveau 2.
S i toutes les d ésexcitatio n s sont ra d ia tiv e s, nous aurons la form ule
P = A N , + — (AT, - N ,) n
M avec M = N
g ( y m)
qui exprim e que ces systèm es sont d ésexcités soit p a r ém ission spontanée, soit p a r ém ission stim ulée dans le mode. L a form ule (7) et la form ule (9) nous donnent deux équations et nous avon s
3 inconnues: n, N 2 N x. O n peut tire r n si Ton fa it des h yp o thèses su r N 2 et N t .
Cas d'un système à trois niveaux
A dm etton s que la fuite de 3 vers 2 soit extrêm em ent rap id e
Etat actuel de la technique des lasers 227 et qu'il n'y a, en é ta t stationnaire, pratiq u em en t pas de systèmes excités à l'é ta t 3-
N ous aurons alors N x + N a = N , N é ta n t la concentration de systèmes actifs. D e cette équation, on tire alors :
u M
2
avec tm = I
2 n ôv (10) en su p p o san t que n est très gran d p a r r a p p o r t à I, ce qui est vrai aussitôt qu'on a un to u t petit peu dépassé le seuil de l'effet laser. C e tte formule s'interprète simplement: pour obtenir
l’effet laser, la pompe doit m aintenir —° systèmes au niveauN
2
excité et doit en plus fournir 1/2 photon p a r mode.
de r energie de pom page
O n voit qu'il existe une relation linéaire entre la puissance de sortie et la puissance de pompage. L'expérience montre que c'est également vérifié dans le cas de lasers à rubis pour 1 énergie de sortie en fonction de l'énergie de pompage. L a figure 2 montre la courbe obtenue p o u r un laser à rubis refroidi à l'azote liquide qui a été réalisé au L a b o ra to ire C e n tra l de Télécom
munications. L'énergie de 1 50 joules est émise dans un temps de l'ordre de IOO microsecondes. O n voit donc que la puissance de crête est de 1 ordre d'un m ég aw att. Le rendem ent total est
228 M. Pauthiei
Fig. 3
P erçage <d une lame d ’acier de 3 mm épaisseur p a r un laser 5 rubis ( T y p e 200.240)
de 1 ordre de 1 à 2°/0, ce qui doit être considéré comme bon, compte tenu du nombre de causes de pertes d ’énergie qui peut exister dans ce S3rstëme. L a figure 3 et la figure 4 m ontrent les effets q u ’ une telle concentration d ’énergie peut avoir; perçage d un trou à tra v e rs une plaque d ’acier d ’une épaisseur de 3 mm.
L a relation 7 montre en outre que 1 inversion de population est toujours légèrement inférieure à N c. Toute la puissance de pompage que l'on ajoute à celle qui est nécessaire pour obtenir le seuil laser est transform ée, au rendem ent près, en effet laser.
Fig. 4
Vue d ’ensemble avec faisceau laser
Etat actuel de la technique des lasers 229
O n vo it donc que le la se r ag it comme un lim iteur su r la v a le u r qu'on peut obten ir de N a — N x. S ’il n 'y a v a it p as d 'e ffe t la se r
N 9 - N x p o u rrait être beaucoup plus gran d.
C e tte rem arque a conduit à la réalisatio n de la se rs à im pul
sion géante. E n effet, supposons que l'on pompe un rubis en dehors de sa cavité optique. Puisque la fluorescence du rubis a une durée de l'o rd re de quelques m illisecondes, on v a pouvoir exciter beaucoup d'atom es de chrom e au n iveau 2. S i m aintenant on in troduit soudain ce rubis à l'in térieu r d'une cavité optique, tous ces atom es excités vont se d éch arg er d'un seul coup dans une im pulsion géante qui p o u rra être très b rève, L a réalisatio n pratiqu e d ’un tel d isp o sitif est constituée p a r un in terférom ètre extérieu r au rubis dont l'un des m iroirs est m obile ou bien dans lequel on a in tercalé un in terru p teu r trè s rap id e comme, p a r exem ple, une cellule de K e rr . L e s vale u rs typ iq u es que l'on peut obten ir sont des énergies de l'o rd re d ’un joule pendant 50 nanosecondes, ce qui donne des intensités lum ineuses d'une vin g
taine de m ég aw atts. A v e c une au ssi haute intensité du cham p électrom agnétique, il y a beaucoup de corps qui ne sont plus optiquem ent lin éaires et on peut ré a lise r des con version s de fréquence, p a r exem ple des doublages de fréquence ou bien des
excitation s de fréquence R am an .
Système à 4 niveaux
P o u r un systèm e à 4 n iveaux, on p o u rrait pren dre comme h yp o thèse que N x est nul, m ais c'e st notablem ent in exact. Il vau t m ieux con sid érer que le n iveau I a une durée de vie non nulle.
O n obtient donc N 1 = — .P tj
II est bien éviden t que tx doit être bien in férieu r à —, sans
A
quoi on ne p o u rrait p as obten ir l'in versio n de population. A ce moment, le calcu l effectué dans les mêmes conditions que p ré cédem m ent donne la form ule 1 1 qui s'in terp rète au ssi sim plem ent que la précédente
n = P (1 — A tx) tm — M (11)
7.
Applications
P o u r le moment, les ap p licatio n s des la se rs sont encore dans
230 M. Pauthier
l'en fan ce. I l est même difficile d 'e n v isa g e r effectivem en t ce qu 'elles pou rron t être. D e même aux environs de 1900, il é tait difficile d 'e n visag e r les ap p licatio n s de la rad io activité. O n peut cependant e s s a y e r de les c la sse r: ces ap p licatio n s sont des conséquences de la cohérence sp atiale et tem porelle des rad iatio n s ém ises.
Ju sq u ' à présen t, les ap p licatio n s ré alisé es ont su rtou t fait ap p el à la cohérence sp atiale. L e s plus évid en tes sont la con
cen tration de puissance dans un volum e extrêm em ent rédu it, ce qui perm et de po u vo ir v a p o rise r les m atériau x les plus r é fr a c ta ire s, de fa ire de la chirurgie extrêm em ent d élicate et é g a le m ent d 'am o rcer des réaction s de photochim ie.
O n peut égalem ent u tiliser la cohérence sp atiale pour d é te r
m iner la position d'un o b jectif en distance et en angle. E n effet la très faib le longueur d'onde perm et d 'a v o ir une gran de d irec
tivité avec cependant une antenne de dim ensions très rédu ites.
A u L a b o ra to ire C e n tra l de Télécom m unications, on a ré alisé un télém ètre qui perm et de déterm iner la d istan ce d 'o b jets a y a n t des dim ensions de l'o rd re du m ètre avec une précision de l'o rd re du m ètre sur des d istan ces a lla n t ju squ ' à 10 km. Il y a quand même des lim itations à ces ap p licatio n s. E lle s sont in trodu ites d'une p a rt p a r le fa it que la lum ière ou les ra y o n s in fraro u ges ne peuvent pas p a sse r à tra v e rs les nuages de pluie ou de grêle et que, d 'au tre p a rt, au b ru it électronique classiqu e des ap p areils de m esure s'ajo u te un b ru it photonique extrêm em ent im portant.
E n effet, on sait comme le b ru it électronique est rep éré p a r
kT. L e b ru it photonique est rep éré p a r la gran d eu r de l'én ergie du photon soit hv . hv et k T sont égaux à la tem p ératu re am biante pour des longueurs d'onde de l'o rd re de 20 M ic ro n s; pour des longueurs d'ondes plus courtes, le b ru it photonique est de loin le b ru it prép on d éran t.
O n peut p en ser à u tiliser la cohérence tem porelle du la se r pour m esu rer de très fa ib le s variatio n s de vitesse p a r effet D o p p le r, m ais ces ap p licatio n s sont encore au stad e expérim en tal.
E n ce qui concerne les com m unications à la rg e s ban des de fr é quence, on a ju squ ' à, p résen t ren con tré de gran d es difficultés pour m oduler le faisce au lum ineux. Il e st en effet extrêm em ent dispendieux en énergie de vo u lo ir m oduler un faisceau lum ineux à l ’in térieu r d'une gran de bande de fréquen ce. O n peut con si
d é re r que dans l'é ta t actu el de la technique, la lim ite p ratiq u e de la bande que l'on peut obten ir est de l ’o rd re de 50 m éga
cycles. D 'a u tre p a rt, il existe des difficultés p ou r la détection.
N ou s avon s vu que les la se rs sont d 'a u tan t plus difficiles à
Etat actuel de la technique des lasers 231
fa ire fonctionner que leu r longueur d onde est plus courte. O n tro u ve constam m ent de nouvelles longueurs d ’ondes de la se r dans l’in fraro u ge, m ais non p as dans le visib le. M a lh e u re u se ment, il n’existe p as encore pour l ’in frarou ge des détecteu rs rap id es com parables à la photocathode. Il est toutefois perm is de p en ser que ces inconvénients ne sont p as fondam entaux et p ou rron t être surm ontés dans un proche aven ir, p a r exem ple en d évelo p p an t des d étecteu rs à sem iconducteurs. A ce moment, la transm ission d’inform ation au m oyen de liaison s optiques p résen tera un très v if in térêt.
Manuscript ontvangen 27 december 1963
♦
D eel 29 - N o. 5 - 1964 233
Modulationsverfahren für Laser
von R. M üller
V ortrag gehalten vor N ederlands Elektronica- en Radiogenootschap Koninklijk Instituut van Ingenieurs und N ederlandse N atuurkundige
V ereniging am 11 N ovem ber 1963.
D ieser U eb ersich tsv o rtrag beschreibt nach einer kurzen A uf
zählung d er zur Lichtmodulation in Frage kommenden Effekte wie Kerr-Efifekt, Pockels-Efifekt, F a ra d a y -E ffe k t usw. folgende drei M o d u lationsverfahren an H a n d des linearen e lek tro o p tischen oder P o c k e ls-E ftek t:
1 . Die externe M odulation. Diese klassische A r t d er L icht
modulation beeinfluszt die von einem L ichtsender abgegebene kontinuierliche Strahlung.
2. Die interne M odulation. Bei ihr w ird die Erzeugung von optischer S trahlung d irek t beeinfluszt. D ieses von H e llw a rth - M cC lu n g und G ü rs für den L a se r eingeführte V e rfa h re n eignet sich sehr gut zur hochfrequenten a b e r schmalbandigen M odulation optischer Signale.
3. Die von uns eingeführte Auskoppel- und G eg e n tak tm o d u lation.
Sie b e r u h t a u f einer Steuerung d er Auskopplung des im L a s e r kontinuierlich erzeugten Lichtes und ist besonders für hoch
frequente und breitbandige M odulation geeignet. Die verfüg
b are B an d b reite kann dabei ohne w eiteres W e r t e von G H z erreichen.
Bei d er externen M o d u latio n ist die für eine 100°/o~ige M o dulation erforderliche Spannung am K ristall gleich 11 k V , wenn es sich beim M o d ulationskristall um K alium dihydrogenphosphat ( K D P ) handelt. D ie erforderliche M odulationsleistung ist aus diesem G ru n d sehr grosz, beispielsweise einige 100 W für M o d u lationsfrequenzen im M ikrow ellenbereich und B an d b reiten der G röszenordnung 10 M H z .
Bei d e r internen M odulation w ird die Licht-Emission d irekt gesteuert. E s w ird dazu ein M odulationskristall in den inneren S trahlengang eines L asers gebracht. Im V o r tr a g w ird an H a n d *)
*) F o rsch u n g slab o rato riu m d e r Siem ens & H a lsk e A G ., M ü n ch en
234 R. Müller von theoretischen U eberlegungen und praktischen Experim enten gezeigt, dasz bei diesem V e r f a h r e n wesentlich kleinere M o d u lationsleistungen erforderlich sind. Als N ach teil d e r internen
M odulation musz die B eschränkung d e r B an d b re ite genannt w erden; d a nämlich bei d e r M o d u latio n die im optischen R e s o n a to r gespeicherte elektrom agnetische Energie auf- bzw. ab g e b au t w erd en musz, begrenzt dieser R e s o n a to r die B andbreite. W i l l man sehr hohe M odulationsfrequenzen benutzen, so k an n man den optischen R esonator, d e r eine ganze Serie von Eigenfrequen
zen aufweist, so abstimmen, dasz T r ä g e r und Seitenband in verschiedene Eigenfrequenzen fallen.
Bei d er A uskoppelm odulation t r i t t die Begrenzung d e r B a n d breite durch den optischen R e s o n a to r nicht auf. Es w ird hier ein geringer P rozentsatz d er im R e s o n a to r laufenden W e lle moduliert ausgekoppelt; die Energie im R e s o n a to r musz sich dazu nicht ändern. D e r A uskoppelvorgang vollzieht sich e tw a folgen- dermaszen: Eine kleine M o d ulationsspannung am K D P - K r i s t a l l b e w irk t eine Erzeugung einer geringen Elliptizität, w enn linear polarisiertes Licht in den M o d u la tio n sk rista ll eintritt. D ie hi er neu en tstan d en e auf die ursprüngliche P olarisationsrichtung senk
rech t stehende K om ponente w ird in einem nachfolgend als P o la risationsweiche dienenden R ochon-P rism a ausgekoppelt.
Im V o r t r a g w e rd e n Experim ente an R u b in -L a se rn mit M o d u lationsfrequenzen von 30 M H z beschrieben. W e i t e r e Experim ente an einem im D a u e rs tric h b e trie b laufenden G a s m a s e r bestätigen die theoretischen U eberlegungen und zeigen, dasz nur sehr geringe M odulationsleistungen erforderlich sind. In einem Beispiel w e rd en zur Erzeugung von 1 K H z Impulsen Spannungen von e tw a 200 V gebraucht, in dem an d eren Beispiel genügen M odulationsleistungen von e tw a 10 mW^ zur M o d u lu latio n einer sichtbaren L a s e r strahlung mit einem 2 G H z Signal.
In einem Vergleich zwischen den verschiedenen M o d u latio n s
v erfahren erk en n t man, dasz d e r L eistu n g sb ed arf d e r K o p p el
modulation bei gleicher B a n d b reite e tw a um den F a k to r 100 — 1000 kleiner ist als d er d er externen M odulation. Es sind demnach B an d b reiten d e r G röszenordnung G H z mit M odulationsleistungen von e tw a 20 W^ zu erzielen. D e r L e istu n g sb e d arf d er internen M o d u latio n ist äu szerst gering (G röszenordnung W^att und darunter); die B a n d b re ite ist jedoch in d e r Praxis auf W^erte von e tw a 10 M H z begrenzt.
M a n u s c r i p t o n t v a n g e n 2 4 j a n u a r i 1 9 6 4 .
