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Verfahren zur Korrektur eines optischen Systems Die vorliegende Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Korrektur eines optischen Systems, insbesondere ein Verfahren
zur Anpassung einer Grenzfläche eines optischen Systems an die Form der Fläche gleicher
Phase einer die Grenzfläche durchsetzenden Wellenfront. Ein bevorzugtes, jedoch
nicht ausschließliches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Festkörper-Lasern.
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Bei der Festlegung von die Eigenschaft optischer Systeme bestimmenden
Grenzflächen, also von Flächen, an die Medien verschiedener Brechzahl angrenzen,
wird im allgemeinen vorausgesetzt, daß die Medien, die das optische System bilden,
in sich weitgehend homogen sind. Die für optische Zwecke verwendeten festen Werkstoffe,
wie Gläser oder Kristalle, sind jedoch in der Praxis nie ideal homogen. Die Eigenschaften
eines optischen Systems weichen daher stärker von den theoretischen Werten ab, als
auf Grund der Abmessungstoleranzen zu erwarten wäre.
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Inhomogenitäten wirken sich natürlich um so stärker aus,
je häufiger sie von ein und demselben Lichtstrahl durchlaufen werden. Ein
solcher Fall liegt bei einem Festkörper-Laser vor, dessen aktives optisches System
bekanntlich einem Fabry-Perot-Interferometer entspricht.
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Aufbau und Wirkungsweise eines Festkörper-Lasers können als bekannt
vorausgesetzt werden, so daß es hier genügt, nur die direkt mit der Erfindung zusammenhängenden
Fragen näher zu erörtern.
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Ein Festkörper-Laser enthält als aktives optisches Element einen dotierten
Festkörper, beispielsweise einen Rubinkristall, der zwischen einem 100%ig reflektierenden
Spiegel und einem absorptionsfrei zwischen 95 und 99 ()/o reflektierenden
Spiegel angeordnet ist. Die Spiegel sollen im Idealfall planparallel sein und werfen
eine Welle, deren Front parallel zu den Spiegeln verläuft, sehr viele Male in sich
zurück. Wellen anderer Richtung verlassen nach wenigen Reflektionen die Anordnung.
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Im Kristall sind infolge der Dotierung neben Grundtermen auch höhere
Energieterme vorhanden, in die Elektronen durch äußere Energiezufuhr angehoben werden
können. Beim Übergang der angeregten Elektronen von den höheren Termen zurück in
die Grundterme wird Strahlung einer bestimmten Wellenlänge, z.B. beim Rubin-Laser
rotes Licht, emittiert. Die übergangswahrscheinlichkeit ist jedoch wie bei der Lumineszenz
verhältnismäßig klein. Der Übergang von den angeregten Termen in die Grundterme
kann jedoch durch Strahlung der dem über-,gang entsprechenden Wellenlänge angeregt
oder »stimuliert« werden. Bewegt sich eine Welle der betreffenden Wellenlänge durch
den Kristall, so erzeugt sie also eine stimulierte Emission, die ein exponentielles
Ansteigen der Intensität bewirkt, wenn genügend viele angeregte Elektronen vorhanden
sind. Aus dem teildurchlässigen Spiegel tritt dann Licht sehr kleiner öffnung und
sehr kleiner Spektralbreite aus.
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Bekanntlich tritt das Licht aus dem teildurchlässigen Spiegel jedoch
an bestimmten eng umschriebenen Stellen sehr intensiv und an anderen Stellen mit
geringerer Intensität aus. Dies rührt daher, daß die optischen Wege des Lichtes
trotz genügender geometrischer Planparallelität der Spiegel infolge geringer Kristallinhomogenitäten
verschieden groß sind. Es ist bekannt, daß man eine gleichmäßigere Lichtemission
dadurch erreichen kann, daß man die Fläche des teildurchlässigen Spiegels nicht
plan schleift, sondern sie der Form der Fläche gleicher Phase der vom vollständig
reffektierenden Spiegel herkommenden Welle anzugleichen versucht. Hierzu wird die
den teildurchlässigen Spiegel tragende Stirnfläche des Kristalls in geeigneter Weise
abgeschliffen. Da sich der sehr häufig verwendete Rubin infolge seiner -roßen Härte
nur schwer bearbeiten läßt ist es auch bekannt, eine Schicht aus einem weicheren
Werkstoff nahezu gleicher Brechzahl wie der Kristall auf dessen Stirnfläche aufzutragen
und diese dann selektiv abzuschleifen.
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Die obenerwähnten bekannten Korrekturverfahren haben vor allem den
Nachteil, daß zur Feststellung des Ortes und des Betrages des abzutragenden Materials
eine sehr aufwendige Apparatur erforderlich ist, man*ver%vendet in der Praxis komplizierte
Interferometer, und daß selbst bei weichem Werkstoff das selektive Abtragen nur
mühsam und nur mit Hilfe einer sehr genau steuerbaren Vorrichtung möglich ist.
Durch
die Erfindung wird nun ein bedeutend einfacheres Verfahren angegeben, durch das
auf photographischem Wege und mit chemischen Mitteln die Stirnfläche eines Laserkristalls
od. dgl. so korrigiert werden kann, daß sie der Fläche gleicher Phase einer die
Stirnfläche durchsetzenden Wellenfront entspricht.
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Es ist außerdem ein Verfahren zum Beeinflussen des Korrektionszustandes
optischer Systeme, insbesondere von Mikroobjektiven bekannt, bei dem in den Strahlengang
ein durchsichtiger Schichtträger eingeschaltet wird, der mit einem ebenfalls durchsichtigen,
einige Wellenlängen starken Belag versehen ist, der dem jeweiligen Objekt erforderlichenfalls
durch Auswahl aus einem Satz von Schichtträgern mit unterschiedlicher Dickenverteilung
angepaßt wird. Es handelt sich dabei also um ein mehr oder weniger empirisches Verfahren,
das höheren Ansprüchen nicht genügt. Außerdem enthält das bekannte Verfahren keinerlei
Hinweise, wie Korrekturschichten hergestellt werden können, die dem zu korrigierenden
optischen System optimal angepaßt sind.
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Ein Verfahren zur Anpassung einer Grenzfläche eines optischen Systems
an die Form einer Fläche gleicher Phase einer die Grenzfläche durchsetzenden Wellenfront
unter Verwendung einer durchsichtigen Korrektionsschicht geeigneter Dickenverteilung
ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein die Phasenfehler oder -unterschiede
der die unkorrigierte Grenzfläche durchsetzenden Wellenfront als Intensitätsunterschiede
wiedergebendes Bild der Grenzfläche hergestellt wird; daß dieses Intensitätsbild
dann auf eine an die Grenzfläche angrenzende Schicht, deren LöslichkeitsverhaIten
durch Bestrahlen veränderlich ist, zurückprojiziert wird und daß dann unter Steuerung
durch die belichtete Schicht Selektivmaterial derart weggelöst wird, daß die entstehende
neue Grenzfläche besser mit der Fläche gleicher Phase übereinstimmt als die unkorrigierte
Grenzfläche.
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Stoffe, die ihr Löslichkeitsverhalten unter Bestrahlung mit Licht
bestimmter Wellenlänge ändern, sind bekannt, z. B. lichtempfindliche Ätzschutzschichten
oder sogenanntes Photoglas.
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Die strahlungsempfindliche Schicht kann einen Teil des optischen Systems
bilden oder nur als Ätzschutzschicht verwendet werden.
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Die Erfindung soll nun an Hand des bevorzugten Anwendungsgebietes,
nämlich der Herstellung von Festkörper-Lasern, in Verbindung mit der Zeichnung näher
erläutert werden. Es zeigt F i g. 1 eine Längsschnittansicht eines Laserkristalls,
F i g. 2 eine Sti rnansicht des Kristalls der F i g. 1
und F i
g. 3 bis 5 schematische Darstellungen verschiedener Verfahrensschritte
einer Ausführungsforin der Erfindung.
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In F i g. 1 ist ein Laserkristall 10 dargestellt, der
beispielsweise aus einem zylindrischen Rubinkristall hoher Dotierung mit planparaUel
geschliffenen Endflächen 12, 14 bestehen kann. Die Stirnfläche 12 ist mit einem
100 % reflektierenden Spiegel 16, die Stimfläche 14 mit einem
95 bis 99 % reflektierenden absorptionsfreien Spiegel 18 versehen.
Die außer der beschriebenen Anordnung noch zum Betrieb eines Festkörper-Lasers erforderlichen
Einrichtungen können in bekannter Weise ausgeführt sein, sie sind in der Zeichnun-
nicht dargestellt, da sie für die Er-C läuterung der vorliegenden Erfindung nicht
nötio, D
sind.
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F i g. 2 zeigt ein Beispiel einer ungleichförmigen Intensitätsverteilung
eines durch den teildurchlässigen Spiegel 18 austretenden Lichtbündels. Die
schraffierten Bereiche sollen hier beispielsweise Bereiche schwächerer Lichtintensität
bedeuten.
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Dieser auf geringen Kristallinhomogenitäten (Brechzahlschwankungen)
beruhende Fehler kann gemäß der Erfindung auf folgende Weise verhältnismäßig einfach
korrigiert werden.
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Bei dem im folgenden zu beschreibenden Verfahren gemäß der Erfindung
soll vorausgesetzt werden, daß es sich bei dem Kristall 10 um einen Rubinkristall
handelt, der rotes Licht emittiert. In diesem Fall läßt sich die Erfindung besonders
einfach durchführen, da man sich die Tatsache zunutze machen kann, daß die üblichen
im Handel befindlichen Ätzschutzschichten praktisch nur für kurzwelliges Licht,
nicht jedoch für die rote Strahlung des Kristalls empfindlich sind.
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Wie F i g. 3 zeigt, wird als erstes auf die Stirnfläche 14'
des Kristalls 1-0', die nicht notwendigerweise völlig plan geschliffen sein
muß, eine transparente Schicht 20 aufgebracht, die ihre Löslichkeit gegenüber bestimmten
Lösungsmitteln bei Bestrahlung mit kurzwelligem Licht ändert, für die rote Laserstrahlung
jedoch unempfindlich ist. Die Oberfläche 22 der Schicht 20 wird dann plan geschliffen
und mit einem schwach durchlässigen, nicht absorbierenden Spiegel 18' bedampft.
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Die so vorbereitete Anordnung wird dann in ein nicht dargestelltes
Lasersystem eingesetzt, und der Kristall 10' wird zu stimulierter Emission
angeregt. Die Oberfläche des Spiegels 18' wird durch ein optisches System
24 auf eine photographische Schicht 26, z. B. eine Platte oder einen Film,
abgebildet, so daß auf der Platte ein Bild entsteht, das die Intensitätsverteilung
in dem den Spiegel 18' durchsetzenden Lichtbündel wiedergibt. Im Prinzip
könnte man wegen der sehr kleinen Öffnung des Laserstrahles bei der Abbildung der
Stirnfläche des Kristalls auf die photographische Schicht auch ohne die Optik auskommen.
Das Bild wäre dann zwar etwas unschärfer und nicht seitenverkehrt wie bei der beschriebenen
Abbildung unter Verwendung der Optik 24, und es ergäbe sich etwa der in F i
g. 3 gestrichelt gezeichnete Strahlengang für ein von einem Punkt der Stimfläche
des Kristalls ausgehendes Strahlenbüschel, dessen Öffnungswinkel jedoch der Deutlichkeit
halber übertrieben groß gezeichnet ist. Bei der Rückprojektion müßte dann jedoch
entweder wieder ein Strahlenbündel sehr kleiner Öffnung, das homogen sein muß, oder
eine doppelte Abbildung mittels eines entsprechenden optischen Systems, das keine
Seitenumkehr bewirkt, verwendet werden.
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Der Spiegel 18' wird nun entfernt, z. B. durch Weglösen, und
die photographische Schicht 26 wird entwickelt und fixiert.
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Wie F i g. 4 schematisch zeigt, wird anschließend das auf der
entwickelten Schicht 26' erzeugte Intensitätsbild mit Licht, für das die
Schicht 20 empfindlich ist, auf die Schicht zurückprojiziert. Lichtintensität, Belichtungszeit,
Stärke des Lösungsmittels und dessen Einwirkungsdauer werden so gewählt, daß die
löslicheren Bereiche der Schicht bis zu einer Tiefe
von einigen
Zehnteln heraus-elöst werden. Die yenauen Arbeitsbedingungen werden am zweckmäßigsten
empirisch ermittelt.
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Die Oberfläche der geätzten Schicht wird gespült, aetrocknet und dann
wieder mit einem absorptionsfreien Spiegel hohen Reflexionsvermögens bedampft, wie
Fig. 5 zeigt. Der auf diese Weise korrigierte Kristall weist bei stimulierter
Emission eine nahezu gleichmäßig ausgeleuchtete Austrittsfläche auf.
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Das oben beschriebene Verfahren läßt sich in der verschiedensten Weise
abwandeln. So ist es beispielsweise möglich, die Verfahrensschritte, ein Intensitätsbild
herzustellen, dieses Intensitätsbild auf die strahlungsempfindliche Schicht zurückzuprojizieren
und die Schicht anzuätzen, mehrmals zu wiederholen, wobei Belichtung und Ätzung
so gesteuert werden, daß jeweils nur eine Teilkorrektur erfolgt.
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Anstatt die lichtempfindliche Schicht wie im oben beschriebenen Beispiel
auf dem Kristall zu belassen, so daß sie einen Teil des optischen Systems bildet,
kann man sie auch nur als Ätzschutzschicht benutzen und den Kristall direkt anätzen.
Dies ist vor allem dann erforderlich, wenn das zur Herstellung des Intensitätsbildes
verwendete Licht im Empfindlichkeitsbereich der strahlungsempfindlichen Schicht
liegt.
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Die Erfindung läßt sich auch auf die Korrektur anderer optischer Systeme
als Laser anwenden, z. B. auf die Korrektur von photographischen Objektiven. Es
sind Prüfungsverfahren für photographische Ob-
jektive bekannt, bei denen
ein Intensitätsbild hergestellt wird, das einer Fläche gleicher Phase analog der
oben beschriebenen Fläche beim Laserkristall entspricht. Durch ein dem oben beschriebenen
Verfahren analoges Verfahren kann mit Hilfe dieses Intensitätsbildes die Form der
Außenfläche der vordersten oder hintersten Linse im Sinn emer Fehlerkompensation
geändert werden.
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Das Verfahren läßt sich auch auf spiegelnde Flächen anwenden.