DD145803A1 - Polarisationsweiche zur ein-und auskopplung und trennung kohaerenter strahlung - Google Patents

Abstract

Die Anordnung dient zur Einkopplung in oder zur Auskopplung aus Resonatoren sowie zur kollinearen Zusammenfuehrung oder zur Trennung zweier Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation. Diese Aufgabe wird geloest durch eine aus einem einzigen Stueck doppelbrechenden Materials bestehende,auf innerer Totalreflexion beider Polarisationsrichtungen an einer Auszenflaeche basierende Polarisationsweiche mit achromatischem ordentlichen Strahl, die vorzugsweise die Form eines Prismas mit einem gleichschenkligen Trapez als Grundflaeche besitzt, fuer beide Polarisationsrichtungen eine annaehernd gleiche, hohe Transmission aufweist, eine hohe Strahlenfestigkeit besitzt und in einem breiten Spektralbereich anwendbar ist.

Description

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Titel der Erfindung

Polarisationsweiche zur Sin- und Auskopplung und Trennung kohärenter Strahlung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Polarisationsweiche zur Ein- und Auskopplung und Trennung kohärenter Strahlung. Sie ist geeignet zum Einsatz in der Quantenelektronik, insbesondere zum Pumpen von Farbstofflaser^, zur Einkopplung in Ringresonatoren, als Auskopplungseinrichtung aus dem Resonator und zur Trennung zweier Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Quantenelektronik bestehen häufig die Aufgaben

- zwei Lichtstrahlen kollinear zusammenzuführen; >

- kollineares Licht unterschiedlicher Polarisation und/oder Frequenz zu trennen.

Diese Aufgaben können durch teildurchlässige Spiegel, Teilerplatten u.a., dispergierende Elemente oder Spektralteiler gelöst werden. Diese Vorrichtungen besitzen einen oder mehrere der folgenden Nachteile: Geringe Transmission, spektrale Selektivität, Dispersion, geringe Strahlungsfestigkeit.

Andererseits ist zur Lösung dieser Aufgaben auch die Anwendung von Polarisationsweichen möglich. Polarisationsweichen bestehen im allgemeinen aus zwei oder mehreren zusammengesetzten Teilprismen aus optisch einachsigen Kristallen» Prismenpaare mit Kittschichten besitzen eine geringe Strahlungsfestigkeit. Prismenpaare mit Luftspalt sind verlustbehaftet. Die Verwendung von planparallelen Platten au3 doppelbrechenden Material erlaubt eine räumliche Trennung der Polarisationsrichtungen. Dabei sind allerdings nur wenige genügend stark doppelbrechende Materialien verwendbar, die außerdem sehr teuer und in genügender Qualität und Größe nur schwer herstellbar sind.

Ziel der- Erfindung

Die Erfindung verfolgt das Ziel, die Mangel der bekannten technischen Lösungen zu beheben.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mittels einer Polarisationsweiche zwei Lichtstrahlen kollinear zusammenzuführen bzw. kollineares Licht unterschiedlicher Polarisation zu trennen.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Ein- und Auskopplung; und/oder Trennung von kohärenten Strahlen zur Anwendung in der Quantenelektronik erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine aus einem einzigen Stück doppelbrechenden Materials bestehende, auf innerer Totalreflexion beider Polarisationsrichtungen an einer Außenfläche basierende Polarisationsweiche mit achromatischen ordentlichen Strahl vorgesehen ist, die vorzugsweise die Form eines Prismas mit einem gleichschenkligen Trapez als Grundfläche besitzt, für beide Polarisationsrichtungen eine annähernd gleiche, hohe Transmission aufweist, eine hohe Strahlenfestigkeit besitzt und in einem breiten Spektralbereich anwendbar ist.

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Ausführungsbeispiele

Das Wesen der Erfindung soll an einigen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert v/erden. .

Es zeigen

Pig. 1 eine mögliche Ausführungsform der Polarisationsweiche, Fig. 2 u. 3 die Anwendung der Polarisationsweiche

zum Einkoppeln von Pumpstrahlung, Pig. 4 u. 5 die Anwendung der Polarisationsweiche

zur Auskopplung,

Fig. 6 die Anwendung der Polarisationsweiche zur kollinearen Zusammenführung zweier Lichtstrahlen.

Damit ist eine Polarisationsweiche vorhanden

- die aufgrund der fehlenden Zwischenschicht die Anwendung in Hochleistungslasern erlaubt;

-.die eine räumliche Trennung zweier kollinearer Lichtstrahlen unterschiedlicher Polarisation "bzw. die kollineare Zusammenführung zweier Lichtstrahlen erlaubt;

- die gewährleistet, daß polarisiertes Licht die Weiche möglichst verlustarm passiert;

- die für beide Polarisationsrichtungen annähernd den gleichen Transmissionsgrad besitzt und

- die für eine Polarisationsrichtung achromatisch ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine|^:aus einem Stück bestehende Polarisationsweiche verwendet, die die Form eines Prismas mit einem gleichschenkligen Trapez als Grundfläche besitzt und aus einem doppelbrechenden Material besteht (Fig. 1). Der Winkel zwischen optischer Achse des Materials c und Strahlrichtung sowie der Basiswinkelc werden so gewählt, daß ordentlicher und- außerordentlicher Strahl nach innerer Totalreflexion-unter einem bestimmten Winkel zueinander die Polarisationsweiche verlassen. Die Lage der optischen Achse kann auch eine andere als die in Fig. 1 dar-

gestellte sein. Dabei kann man erreichen, daß die Intensität der beiden Polarisationsrxchtungen nach Durchlaufen der Polarisationsweiche angenähert gleich ist. Der ordentliche Strahl ist achromatisch, während der außerordentliche Strahl bei verschiedenen Wellenlängen verschiedene Ablenkwinkel erfährt.

Bei einer Ausführungsform der Polarisationsweiche wurde KDP verwendet.

Im ersten Ausführungsbeispiel (Pig. 2) wird die Polarisationsweiche zum Einkoppeln von Pumpstrahlung in einen Farbstofflaser verwendet. Dabei passiert der Pumpstrahl einer Pumplichtquelle 1 (z. B. Ar - oder EU-Laser) ^^e Polarisationsweiche 2 als außerordentlicher Strahl e. Da im allgemeinen nur Pumplicht einer Wellenlänge verwendet wird, stört die Frequenzabhängigkeit des Elnkoppelwinkels ei nicht. Nach Durchlaufen der Polarisationsweiche 2 wird das aktive Medium 4, z. B. Rhodamin 6 -G-, gelöst in Äthanol, das in einem aus den Spiegeln 5 und 6 gebildeten Resonator untergebracht ist, gepumpt.

Die Polarisationsrichtung der Farbstofflaserstrahlung entspricht dem ordentlichen Strahl in der Polarisationsweiche. Da die Ausbreitungsrichtung des ordentlichen Strahls ο nicht 'dispersionsbehaftet ist, können dispersive Elemente 3 ohne zusätzliche Justierung der Polarisationsweiche bei Frequenzänderung verwendet v/erden. Die Laserstrahlung wird über den Auskoppelspiegel 5 ausgekoppelt.

In einem anderen Ausführungsbeispiel wird die Polarisationsweiche zum Einkoppeln der Pumpstrahlung für eine Frequenzwandlung -mittels Effekten der nichtlinearen Optik verwendet (Fig. 3). Der Pumpstrahl der Pumplichtquelle 1 (z. B. gütegeschalteter Kd: Glas-Laser) passiert die Polarisationsweiche 2 als außerordentlicher Strahl. Der Einstrahlwinkel ©'^ ist dispersionsbehaftet und wird entsprechend der Frequenz der Pumplichtquelle fest eingestellt. Der nichtlineare optische Effekt (z. B. Pararaetergeneration) tritt im nichtlinearen Kristall 7 (z. B; KDP oder ADP) auf. Benutzt man die Aus-

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breitungsrichtung entgegen dem Pumpstrahl, so verläßt der frequenzgewandelte Strahl den aus den Spiegeln 8, 9, 10 gebildeten Ringresonator als ordentlicher Strahl ο über den Auskoppelspiegel 10. Dabei ist aufgrund der Ausbreitungsrichtung der frequenzgewandelte Strahl vollständig vom Pump-strahl getrennt. Die Resonatorverluste sind bei entsprechender V/ahl der Parameter der Polarisationsv/eiche 2 im wesentlichen durch die Verluste am Auskoppelspiegel bestimmt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch das kollineare Pumpen die Umwandlungsrate wesentlich erhöht v/erden kann. Ia Verbindung mit einer Anordnung zur Drehung der Polarisationsebene kann die Polarisationsv/eiche zum Auskoppeln aus einem geschlossenen Laserresonator benutzt werden (Fig. 4). Der Laser schwingt als ordentlicher Strahl in einem aus den Spiegeln 11 und 12 bestehenden geschlossenen Resonator an. Die Strahlung wird bei jedem Durchlauf in einem aktiven Medium 13 verstärkt, die Strahlparameter können in einem Modulator 14 (z. B. aktive oder passive Gütemodulation oder Modensynchronisation) verändert werden.

Zu einem geeigneten Zeitpunkt erfolgt mittels eines Elementes 15 (z. B. Kerr- oder Pockels-Zelle) eine Drehung der Polarisationsebene, und der Strahl wird über die Polarisationsv/eiche 2 als außerordentlicher Strahl e ausgekoppelt. Der Vorteil der Anordnung besteht darin, daß die Verluste im Resonator gering werden, und daß andererseits der Strahl vollständig ausgekpppelt wird. Diese Ausführung kann z. B. verwendet werden zur Auskopplung eines einzelnen ultrakurzen Lichtimpulses direkt aus dem geschlossenen Resonator.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Polarisationsv/eiche zum Auskoppeln der frequenzgewandelten Strahlung direkt aus einem geschlossenen Resonator verwendet. Dazu wird ein Aufbau gemäß Pig. 4 unter Verzicht auf Element 15 verwendet. Die,Polarisationsweiche v/ird so gewählt, daß in der Polarisationsweiche selbst mittels nichtlinearem optischen Effekt eine frequenzgewandelte Strahlung ent-

steht, die den Resonator als außerordentlicher Strahl verläßt (ζ. B. Erzeugung der 2. Harnionischen aus dem geschlossenen Resonator) . Der Vorteil der Anordnung besteht darin, daß die Strahlung verlustarm ausgekoppelt werden kann, daß die Anwendung kostspieliger frequenzselektiver Spiegel vermieden wird und daß die frequenzgewandelte Strahlung vollständig frei von Grundwellenanteilen ist.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Polarisationsweiche zur gleichzeitigen Erzeugung von Licht mit verschiedenen Frequenzen sowie deren räumlichen Trennung benutzt (Fig. 5). Ein aktives Medium 16 (z. B. Rhodamin 6 G, gelöst in Äthanol) wird in einem aus den Spiegeln 17 und 18 bestehenden Resonator entweder mittels Blitzlampen oder nach dem zuerst beschriebenen Verfahren gepumpt. Die entstehende unpolarisierte Strahlung wird in der Polarisationsweiche 2 in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl zerlegt. Danach kann man mittels dispergierender Elemente 19 in Verbindung mit dem Auskoppelspiegel 18 die gewünschten Frequenzen auskoppeln. Da die Ausbreitungsrichtung des außerordentlichen Strahls e dispersionsbehaftet ist, sollte dieser Strahl eine fest fixierte Frequenz besitzen.

Die Frequenz des ordentlichen Strahls ο kann dispersionsfrei variiert werden. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Polarisationsweiche 2 für beide Strahlen angenähert denselben hohen Transmissionsgrad besitzt. Damit wird die Inversion im aktiven Medium für beide Frequenzen gleich abgebaut.

Bei Auskopplung über den Spiegel 17 ist die Strahlung der beiden Frequenzen kollinear. Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß eine weitere Frequenzwandlung (z. B. up- oder Down-Conversion) unmittelbar angeschlossen werden kann.

Die Polarisationsweiche kann auch zur Kontrolle der Justierung von modensynchronisierten Festkörperlasern verwendet werden.

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Im Unterschied zu dem in Fig. M- dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Polarisationsweiche so gewählt, daß unter einem kleinen Winkel zur Strahlrichtung eine nichtphasenangepaßte Strahlung der doppelten 'Frequenz entsteht. Da die Helligkeit der zweiten Harmonischen von der Intensität der Strahlung im Resonator abhängt, kann aus der Helligkeit der zweiten Harmonischen auf den Grad der Modensynchronisation geschlossen werden· Dieses Verfahren ist besonders dann von "Vorteil, wenn die Laserwellenlänge im nahen Infrarot liegt (z. B. M: YAG- und Hd: Glas-Laser).

In einem weiteren Ausführungsbeispiel (Fig. G) wird die Polarisationsweiche 2 zur kollinearen Zusämmenführung zweier Lichtstrahlen benutzt. Unter Ausnutzung nichtlinearer optischer Effekte in einem nichtlinearen Medium 20 ist es danach möglich, z. B. Summen- oder Differenzfrequenzen mit hoher . Effektivität zu erzeugen oder die Korrelationsfunktion zweier Lichtimpulse zu bestimmen.

Claims (1)

1. Erfindungsanspruch

   Anordnung zur Ein- und Auskopplung und/oder Trennung von kohärenten Strahlen zur Anwendung in der Quantenelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus einem einzigen Stück doppelbrechenden Materials bestehende, auf innerer Totalreflexion beider Polarisationsrichtungen an einer Außenfläche basierende Polarisationsweiche mit achromatischen ordentlichen Strahl vorgesehen ist, die vorzugsweise die Form eines Prismas mit einem gleichschenkligen Trapez als Grundfläche besitzt, für beide Polarisationsrichtungen eine annähernd gleiche, hohe Transmission aufweist, eine hohe Strahlenfestigkeit besitzt und in einem breiten Spektralbereich anwendbar ist.

   Hierzu hielten Zeichnungen