DE1464678B2

DE1464678B2 - Laser mit einem prisma als optischem resonator

Info

Publication number: DE1464678B2
Application number: DE19621464678
Authority: DE
Inventors: Peter Pitirimovich Westehester County N.Y.; Holly Sandor Cambridge Middlesex County Mass.; Sorokin (V.StA.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1961-10-10
Filing date: 1962-10-10
Publication date: 1973-03-22
Also published as: US3222615A; US3308395A; DE1464678A1; DE1464678C3; GB1017221A

Description

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Bei diesem Wert ergibt sich ein kritischer Winkel von F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen

etwa 44°, so daß Strahlen, die auf die Flächen des optischen Resonator gemäß der Erfindung.

Prismas mit Einfallwinkeln auftreffen, die größer als Der optische Resonator 10, F i g. 1, ist ein recht-

44° sind, total reflektiert werden. Nach mehreren Um- winkliges Parallelepiped quadratischen Querschnitts

laufen ergibt sich durch die Wirkung der leicht vom 5 mit den Ecken a, b, o, d, e, f, g und h. Die Fläche

rechten Winkel abweichend angeordneten Reflexions- a-b-o-d liegt in der Ebene XZ, und die Fläche a-o-e-g

fläche ein Einfallwinkel, der kleiner als 44° ist, so daß liegt in der Ebene YZ, während die Fläche b-d-f-h

dann für diese Strahlen diese Fläche durchlässig wird. senkrecht zur Fläche a-b-o-d und die Fläche e-g-f-h

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist senkrecht zur Fläche a-o-e-g verläuft. Eine erste

vorgesehen, daß das stimulierbare Medium zwischen io Planfläche o-d-g-h des optischen Resonators 10 liegt

jeweils zwei aneinanderstoßenden, total reflektieren- in der Ebene XY. Die gegenüberliegende oder zweite

den Stirnflächen weitere parallel zum Strahlengang Planfläche a-b-e-f verläuft hier parallel zur Plan-

der Laserstrahlung zwischen diesen Stirnflächen- fläche o-d-g-h, aber grundsätzlich braucht dies nicht

paaren liegende Begrenzungsflächen als Mantel- der Fall zu sein.

flächen aufweist. Eine solche Anordnung bietet den 15 Eine Anregungsstrahlung 12 wird der ersten Plan-Vorteil, daß diese Mantelflächen überhaupt nicht zur fläche o-d-g-h des optischen Resonators 10 zugeführt, totalen inneren Reflexion herangezogen werden und Hierdurch werden die Atome auf das Energieniveau deshalb auch nicht irgendwelchen Genauigkeitsan- des Anregungszustandes angehoben, wenn die der forderungen genügen müssen. Da lediglich erforder- Planfläche o-d-g-h zugeführte Energie einen für den Hch ist, daß nur eines der Stirnflächenpaare einen 20 optischen Resonator 10 vorgegebenen Schwellenwert rechten Winkel einschließt, ist der Herstellungsauf- überschreitet. Die so angeregten Atome fallen dann wand einer solchen Anordnung wesentlich geringer, zunächst selbsttätig über einen nicht strahlenden als es bei den genau geschliffenen Prismen quadra- Übergang auf ein metastabiles Niveau zurück. Ein tischen Querschnitts der Fall sein muß. Außerdem Fluoreszenz-Übergang zwischen diesem metastabilen ist es nicht erforderlich, daß besondere Maßnahmen 25 Niveau und dem Grundzustand der Atome findet getroffen werden müssen, um die kohärente Licht- statt, wenn der optische Resonator 10 ein Festkörper energie überhaupt auskoppeln zu können. mit vorwiegend drei Energieniveaus ist, z. B. ein

Eine weitere vorteilhafte Anordnung ergibt sich Rubinkristall, und es ergibt sich ein solcher zwischen dadurch, daß die Länge der Mantelflächen, gemessen metastabilem Niveau und Endniveau, wenn es sich zwischen den reflektierenden Stirnflächen, größer als 30 um einen Festkörper mit vier Energieniveaus handelt, die der Stirnflächen selbst ist. Damit wird sichergestellt, z. B. um einen mit dreiwertigem Uran oder Samarium daß das stimulierbare Medium bei entsprechender dotierten Kalziumfiuoridkristall. Im Kristall mit vier Wahl des Brechungsindexes in Verbindung mit der Energieniveaus findet außerdem ein weiterer nichtAbweichung des Neigungswinkels eines der reflek- strahlender Übergang zwischen Endniveau und Grundtierenden Stirnflächenpaare in optimaler Weise zur 35 zustand statt.

Ausbildung der internen stehenden Wellen ausgenutzt Zur Anregung der Atome ist ein optischer Reso-

werden kann. nator mit hoher Resonanzgüte Q vorteilhaft, damit

Eine äußerst geringe Anzahl von sich im stimulier- die Atome leicht in den Anregungszustand gebracht baren Medium ausbildenden Eigenschwingungen läßt werden können. Die Güte Q läßt sich als das Versich dadurch erzielen, daß der Brechungsindex nahezu 40 hältnis der elektromagnetischen Energie der Lichtgleich dem Wert von ]/2 gewählt wird. wellen zum Energieverlust pro Volumeinheit des

Mit der optimalen Ausnutzung des stimulierbaren optischen Resonators definieren. Strahlen, die im Mediums ist die zur induzierten Emission erforderliche Kristall, als optischem Resonator, nur eine kurze Anregungsenergie auf ein Minimum herabgesetzt; die Strecke zurücklegen, bevor sie aus dem Kristall in Auskopplung erfolgt in optimaler Weise, ohne die 45 das ihn umgebende Medium austreten, tragen verinternen Vorgänge im stimulierbaren Medium zu hältnismäßig wenig zur induzierten Emission bei, stören und ohne besondere Maßnahmen am fertigen so daß hierfür der Kristall ein niedriges Q aufweist, optischen Resonator treffen zu müssen; schließlich In einem Kristall der in F i g. 1 gezeigten Form trifft sind die Anforderungen an die Begrenzungsflächen eine große Anzahl von Strahlen intern auf die Flächen des optischen Resonators im ganzen gesehen nicht so 50 und Planflächen des optischen Resonators 10 unter streng wie bei bekannten bzw. vorgeschlagenen Vor- Winkeln auf, die jeweils größer und kleiner als ein richtungen. kritischer Winkel sind, der je nach der Kristallsubstanz

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Aus- den Wert angibt, unterhalb dessen an Stelle einer

führungsbeispielen mit Hilfe der aufgeführten Zeich- Reflexion Durchlässigkeit auftritt,

nungen näher erläutert. Es zeigt 55 Aus F i g. 2 läßt sich ersehen, daß bei jeweils

F i g. 1 einen optischen Resonator zur Erläuterung durch die stark ausgezogenen Linien 14 dargestelltem

des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips, Lichtweg und bei Einfallswinkeln des Strahls, die

F i g. 2 eine Draufsicht auf den in F i g. 1 dar- jeweils größer als der kritische Winkel sind, der

gestellten optischen Resonator mit angedeuteter optische Resonator 10 ein hohes Q für die sich längs

■Potentialverteilung bei Einwirken der Anregungs- 60 dieses Weges 14 jeweils ausbildenden stehenden Wellen

energie, bereitstellt. Die Strahlen werden in diesem Falle

Fig. 2a einen Querschnitt durch den optischen nämlich an jeder der vier in Betracht kommenden

Resonator in Fig. 2, Flächen total reflektiert, vorausgesetzt, daß diese

F i g. 3 ein Frequenzfeld für den optischen Reso- optisch eben sind und jeweils im Winkel von 90°

nator nach Fig. 1, 65 zu den angrenzenden Flächen stehen.

F i g. 4 eine Draufsicht auf den optischen Reso- Wenn angenommen wird, daß die sich längs des

nator nach der Erfindung mit angedeuteten Licht- gezeigten Weges 14 ausbildenden stehenden Wellen

wegen, linear polarisiert sind, wobei die elektrischen Feld-

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vektoren senkrecht zur Zeichenebene gerichtet sein Ic₂Zc₁ .

sollen, und daß die Strahlen jeweils einen Einfall- · " ~^H« = —j^~ cos k₂y sin k,x

winkel von 45° haben, so wird bei kleinerem kritischen -

Winkel als 45° der Strahl mit äußerst geringem (etwa H_z — 0

1 Teil zu 1 Million) oder keinem Energieverlust intern $ -' ' ■ kr,

reflektiert. Wenn dagegen die Strahlen intern mit " H_x = —f sin k₂y cos k_xχ _; ...

einem Winkel auffallen, der kleiner als der kritische ^;

Winkel ist, dann treten sie in einem bestimmten Anteil In ηπ

aus dem optischen Resonator 10 aus. Fallen die ^; -^{2 =} 7~' ! ⁼ ~T~

Strahlen intern mit einem Winkel ein, der nur wenig io

größer als der kritische Winkel ist, dann entspricht * kr = k\ + /c; -

jeweils die reflektierte Amplitude derEinfallsamplitude.

Die Strahlen längs des Pfades 14, mit einem Einfall- Hierin sind E_y und E_x elektrische Feldvektoren,

winkel von 45°, der größer als der kritische Winkel H_y, H_z und H_x magnetische Feldvektoren, Ic₁ und k₂ des Materials des optischen Resonators 10 ist, werden 15 Konstanten und / und η ganze Zahlen. F i g. 2 zeigt nacheinander von den Flächen a-o-e-g, e-g-f-h, zwar nur eine einzige Wellentype, die im optischen b-d-f-h und a-b-o-d reflektiert. Da jeweils hierbei Resonator 10 auftritt, tatsächlich treten aber in der wenig oder gar kein Energieverlust eintritt, besitzt Regel eine große Anzahl von Wellentypen gleichzeitig der optische Resonator 10 ein hohes Q für die sich auf.

längs des Lichtweges 14 ausbildenden stehenden 20 F i g. 3 deutet die Wellentypen an, die im optischen Wellen. Ebenso läßt F i g. 2 erkennen, daß es weitere, Resonator 10, F i g. 1 und 2, erzeugt werden können, zum Lichtweg 14 parallel verlaufende Lichtwege 14a Jede Wellentype wird durch einen der Punkte 18 in und 146 gibt, längs denen sich die stehenden Wellen F i g. 3 dargestellt. Die vertikalen und horizontalen •ausbilden können, wobei die gleichen Einfallwinkel Abstände zwischen zwei benachbarten Punkten 18 sind auftreten. Durch Zuführung einer geeigneten An- a₅ ,_eich C _wobej _c _{ldch dgr Lichtgesc}Windigkeit regungsstrahlung 12 wird somit also ein raumliches ° IL : _r

elektromagnetisches Wechselfeld' stehender Wellen im stimulierbaren Medium ist. Die Anzahl der Punkte im optischen Resonator 10 erzeugt. Dieses räumliche in einer Spalte ist gleich /, und die Anzahl der Punkte Wechselfeld weist das in F i g. 2 und 2a angedeutete in einer Zeile ist gleich n. Die Frequenz ν einer Wellen-Muster auf, wobei in F i g. 2a ein Querschnitt durch 30 type ist gleich dem radialen Abstand des Wellentypenden optischen Resonator 10 in der Ebene la von punkts vom Ursprung. Jede Resonanzfrequenz oder F i g. 2 gezeigt wird. Hierin stellen die Lichtwege 14, die Frequenz jeder Wellentype läßt sich demnach 14a und 146 gewissermaßen Knotenpunkte stehender bestimmen durch
Wellen dar, so daß die Bereiche zwischen den Licht- _Λ 2 L

wegen entsprechende Potentialhöhen oder elektrische 35 ^A ⁼ _r-_o —~">

Feldstärken aufweisen, wie durch die Wellenkurve 16 . I''" + "

in Fig. 2a angedeutet. Die Potentialverteilung längs , _o _o

der Diagonalen zwischen den Punkten / und j des da ν = —, ergibt sich: ν = ^c p² + ""

durch den Lichtweg 14 in F i g. 2 gebildeten Quadrats λ 2 L '

gleicht der durch die Wellenkurve 16 angedeuteten; 40 -

dies gilt ebenso für die jeweilige Potentialverteilung wobei mit λ die Wellenlänge bezeichnet ist. Der längs der Linien, die zu einer dieser Diagonalen kritische Winkel <X>_C der Substanz des optischen Resoparallel und jeweils in einem Abstand hierzu von einer nators 10 ist in F i g. 3 durch den Winkel der Linie Φ_ο halben Wellenlänge verlaufen. zur Abszisse angedeutet. Da der Querschnitt des

Die an der Planfläche oder der Fläche a-b-e-f des 45 optischen Resonators 10 ein Quadrat ist, bei dem optischen Resonators in F i g. 2 und 2a auftretende jede Ecke einen Winkel von 90° bildet, muß der Potentialverteilung ist ebenfalls gleich der Potential- Strahlenwinkelbereich mit hohem Q gleich der Differenz verteilung in jeder der zur Fläche a-b-e-f im Abstand von 90°—<P_C und Φ_ο sein. Daraus ergibt sich, daß von einer halben Wellenlänge parallel verlaufenden ein Winkel von 45° den Winkelbereich, in dem eine Ebene des optischen Resonators. Ein solches Wechsel- 50 induzierte Emission auftreten kann, in zwei Hälften feld ergibt sich also wie die Felder, die durch Mikro- teilt. Sin Φ_ο ist gleich dem reziproken Wert des Brewellen in einem Rechteckhohlraum erzeugt werden. chungsindex n₀. Daraus ergibt sich, daß bei Annähe-Allerdings gilt hier die Ausnahme, daß die für einen rung des Brechungsindexes an l/sin 45° und ]/2 beide Rechteckhohlraum gegebene Grenzbedingung E_z = 0 Grenzwinkel Φ_ο und 90°—Φ_ο nach 45° konvergieren bei x = 0, x = L und für y = 0, y = L, wobei E_z 55 und so die mögliche Anzahl optischer Wellentypen ein elektrischer Feldvektor und L der Abstand vom bei entsprechend hohem Q reduziert wird. Das Ursprung, also gleich der Seitenlänge des optischen bedeutet aber, daß der optische Resonator 10 einen Resonators 10 ist, ersetzt wird durch die Bedingung, Brechungsindex haben muß, dessen Wert so nahe wie daß E_z für χ = 0, χ = L und y = 0, y = L ein Maxi- möglich an ]/2 liegt, aber zweckmäßigerweise nicht malwert ist. Somit ergibt sich für die optischen TE- 60 darunter, wenn sich nur wenige Wellentypen ausbilden Typen: - sollen. Verwendbare Kristalle sind Kalziumfluorid,

Strontiumfluoiid und Bariumfiuorid, deren Brechungs-

Ey = 0 ■ indizes gleich 1,434, 1,438 bzw. 1,474 sind, die also

gerade etwas größer als ]/2~ oder 1,414 sind. Diese

ρ _ k₂ , · , 65 Brechungsindizes gelten für Licht mit einer Wellen-

k ' lange von 5892,62 A. Im optischen Resonator muß

die Wellentype, bei der induzierte Emission erfolgt,

E_x = 0 eine Frequenz haben, die nicht nur innerhalb des

durch 90°—2Φ₍- definierten Winkels liegt, sondern die sich auch innerhalb der Linienbreite Av des Übergangs befindet, der die zum Aufbau einer induzierten Emission mit dieser Wellentype benötigte Energie liefert. Durch den ringförmigen Bereich Av sind die Wellentypen erfaßt, bei denen im allgemeinen spontane Emission eintritt. Der Schnittpunkt dieses ringförmigen Bereichs Av mit dem Winkelbereich Φ_ο bis 90°—Φ gibt jedoch den Bereich an, der bei induzierter Emission kohärente Schwingungsmoden in dem in F i g. 1, 2 und 2a gezeigten optischen Resonator 10 zuläßt. In F i g. 3 entspricht das dem schraffierten Bereich 15. Wird die Dimension L hinreichend klein gewählt und der Brechungsindex des Materials dadurch angepaßt, daß der optische Resonator 10 in ein Medium mit dem Brechungsindex /J₁ eingebettet wird, wobei («„//7, — j/2) <ξ 1, dann läßt sich die im Bereich 15 entstehende Wellentypyenzahl auf einen sehr kleinen Wert, ja sogar auf eins reduzieren.

Ist der optische Resonator von Luft umgeben oder ao befindet er sich im Vakuum, dann läßt sich die Anzahl der Wellentypen M, die im Bereich 15 (F i g. 3) liegen, leicht nach folgender Formel ermitteln:

M =

16L²vAvAn₀

c²1/2

; wobei A n₀ = /;₀ — l/T.

35

Diese Beziehung gilt jedoch nur, wenn «₀ angenähert J/2 ist.

Für folgende Werte:

An₀ = 0,016

Av = 0,2 cm-¹ = 0,2 · ΙΟ⁸ Α"¹ (λ = 10 000 Ä)

ν = 3 · ΙΟ¹⁴ (λ = 10 000 Ä)

L = ¹J₂ cm

läßt sich feststellen, daß der Wert für 90°-2i>_c = 0,01 im Bogenmaß oder 0,57° ist und daß sich für M etwa 90 Wellentypen ergeben. Wird die Länge L der Seite des quadratischen Querschnitts des optischen Resonators auf 1 Millimeter reduziert, dann ergeben sich für M etwa drei Wellentypen. Daraus folgt, je kleiner die Abmessungen des optischen Resonators 10 sind, um so besser ist die Wellentypen-Auswahl. Außerdem wird dann auch der Anregungsenergie-Bedarf um so geringer.

Außer einem quadratischen Querschnitt kann der optische Resonator auch andere Formen, z. B. die eines rechtwinkligen Blocks, haben, dessen x- und ^-Abmessungen entsprechend L_x bzw. L₂ nicht beide gleich L sind. Es zeigt sich, daß die Wellenlänge bzw. Resonanzfrequenz in einem solchen rechtwinkligen ■ Block mit den Abmessungen L₁ und L₂ gleich

ir

L\

+ Tr

ist.

Die Wellentypen lassen sich auch hier in ähnlicher Weise wie in F i g. 3 auftragen, jedoch ist hierbei der vertikale Abstand zwischen benachbarten Wellentypen gleich ClIL₁, während der horizontale Abstand zwischen zwei benachbarten Wellentypen gleich CJlL₂ ist.

Da es sehr schwierig und sehr aufwendig ist, einen optischen Resonator 10 als Festkörper herzustellen, dessen Flächen Winkel von genau 90° mit angrenzenden Flächen bilden, ergeben sich im allgemeinen nicht Lichtwege, wie sie in F i g. 2 und 2a dargestellt sind, d. h., ein von einem gegebenen Punkt im Lichtweg 14 von F i g. 2 ausgehender Strahl dürfte hierbei im allgemeinen nicht zu diesem Punkt zurückkehren, nachdem er von jeder der vier Seitenflächen des stimulierbaren Mediums 10 einmal reflektiert worden ist. Ein Beispiel für einen optischen Resonator eines Lasers nach der Erfindung, dessen Flächen nicht Winkel von genau 90° einschließen, ist im Querschnitt in F i g. 4 dargestellt. Das stimulierbare Medium 20 dieses optischen Resonators hat vier Flächen, die durch die Geraden 22, 24, 26 und 28 dargestellt sind. Die Geraden 22 und 28 bilden einen Winkel von 90°, die Geraden 26 und 28 einen Winkel von 90°, die Geraden 22 und 24 einen Winkel von 90° + Θ und die Geraden 24 und 26 einen Winkel von 90° — Θ. Im optischen Resonator 20 trifft ein vom Punkt 30 ausgehender Strahl auf die Fläche 22 mit einem Einfallwinkel Φ_χ auf, der größer ist als der kritische Winkel Φ_ο, wird von den Flächen 24, 26 und 28 reflektiert und trifft dann wieder auf die Fläche 22, aber jetzt mit einem Winkel Φ₂, der zwar kleiner als der Winekl Φ₁ ist, aber immer noch größer als der kritische Winkel Φ_ο ist. Nachdem er auf die Fläche 22 mit dem Winkel Φ₂ aufgetroffen ist, wird er wieder von jeder der anderen Flächen 24, 26 und 28 reflektiert, bevor er zum dritten Mal auf die Fläche 22, nun aber mit einem Einfallwinkel <2>_c, dem kritischen Winkel, auftrifft. Da der Strahl jetzt auf die Fläche 22 mit dem kritischen Winkel Φ_ο auftrifft, gelangt er aus dem stimulierbaren Medium 20 hinaus, um längs der Fläche 22 in der durch den Pfeil 32 angegebenen Richtung abgestrahlt zu werden. Es entsteht ein Strahlungsbündel mit einer Querschnittsfläche, deren Breite durch die Fläche 22 des optischen Resonators 22 bestimmt ist.

Obwohl in diesem Beispiel die Fläche 22 als Ausgangsfläche des Festkörper-Resonators 20 gewählt worden ist, kann ebenso als Ausgangsfläche auch jede der anderen Flächen des optischen Resonators je nach Geometrie oder Unvollkommenheit im Aufbau dienen. Weiterhin versteht es sich, daß ein dem in F i g. 4 gezeigten Lichtweg folgender Strahl nicht unbedingt vom Punkt 30 auszugehen braucht, sondern von jedem beliebigen, vor dem Punkt 30 gelegenen Punkt gekommen sein kann, da der in F i g. 4 gezeigte Lichtweg nur ein Teil eines vollständigen Lichtweges ist, der praktisch den ganzen Querschnittsbereich des stimulierbaren Mediums 20 einnehmen kann. Da sich die Strahlen im stimulierbarem Medium 20 nicht nur in der durch die Pfeile angegebenen Richtung, sondern auch entgegengesetzt dazu ausbreiten, wird in diesem stimulierbaren Medium 20 ein Muster von Wellentypen erzeugt, das dem in F i g. 2 und 2 a gezeigten ähnelt, wobei, wie gesagt, die Lichtenergie aus dem stimulierbaren Medium entlang einer seiner Seitenflächen in der oben beschriebenen Weise austritt. Offenbar werden jedoch die Strahlen durch die aneinandergrenzenden Flächen mehrmals innerhalb des stimulierbaren Mediums 20 reflektiert, bevor sie austreten können. Während sich die Strahlen so im stimulierbaren Medium 20 ausbreiten, wird durch Zufuhr optischer Anregungsenergie ständig induzierte Emissionsstrahlung erzeugt. Es werden damit also leicht sehr viele Atome in den Anregungszustand angehoben, die so zu induzierter Emission beitragen,

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die im durch den Pfeil 32 angedeuteten Strahleriweg festzustellen ist. Da die Strahlung an jeder der vier Seitenflächen des stimulierbaren Mediums total reflektiert wird, bevor der Einfallwinkel· dem Wert des kritischen Winkels entspricht, ergibt sich also, daß der optische Resonator 20 nach der Erfindung ein sehr leistungsfähiges Mittel zum Erzeugen einer kohärenten monochromatischen Laserstrahlung darstellt.

Die Erfindung ist nicht auf optische Resonatoren beschränkt, deren Querschnitte regelmäßig Vierecke sind. In F i g. 5 ist ein optischer Resonator 74 dargestellt, dessen Querschnitt die Form eines Sechsecks hat, das weder gleichwinklig -noch gleichseitig ist. Vier der sechs Seiten des Sechsecks sind etwa gleichlang und mit L₁ bezeichnet, während die übrigen beiden Seiten, die einander gegenüberliegen, je eine Länge L₂ besitzen, die größer als die Länge der Seiten L₁ sein kann. Obwohl also die Seiten L₂ länger als die Seiten L₁ dargestellt sind, können sie auch kürzer sein. Die zwischen den Seiten L₁ gebildeten Winkel sind 90°, und daher treffen die Linien eines Lichtweges 76, wenn sie parallel zu den Seiten L₂ gezogen werden, die Seiten L₁ mit einem Winkel von 45°, so daß die Strahlen, die entlang des Lichtweges 76 wandern, auf jede der Seiten L₁ mit einem Winkel von 45° auftreffen. Das stimulierbare Medium mit der in| Fig. 5 gezeigten geometrischen Form kann daher aus demselben Material bestehen wie die in F i g. 1, 2, 2a und 4 gezeigten optischen Resonatoren, z. B. aus

ίο Kalziumfluorid, das den Brechungsindex 1,43 und damit einen kritischen Winkel von etwa 47° hat. Wie bei den in den anderen Figuren gezeigten optischen Resonatoren sind die zu induzierter Emission nützlichen Strahlen nicht auf die sich längs des Lichtweges 76 ausbreitenden Strahlen beschränkt. Aus den obenstehenden Erläuterungen geht hervor, daß sich die Strahlen vielmehr auch längs anderer Strahlenwege ausbreiten können, um mehrfache interne Reflexionen zu bewirken, bevor die Strahlen mit ihrem Einfallwinkel einen kritischen Winkel erreichen, um das stimulierbare Medium verlassen zu können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 lusten führen bei mehrfachen Reflexionen, aber zu Patentansprüche: einem spürbaren Energieabfall beitragen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn, wie vorgeschlagen,

1. Laser mit einem den optischen Resonator in eine Fehlstelle vorgesehen wird, um die induzierte Form eines Prismas ganz ausfüllenden, stimulier- 5 Emissionsstrahlung aus dem stimulierbaren Medium baren Medium und mit Begrenzungsflächen, die auszukoppeln.

als Stirnflächen zugleich total reflektierende Spiegel- Eine bessere Lösung zur Auskopplung der inneren flächen für die sich in einem im wesentlichen in Strahlung besteht gemäß einem weiteren älteren Vorvier aufeinander senkrecht stehenden Richtungen schlag darin, einem optischen Resonator eine prismenverlaufenden Polygonzug ausbildenden stehenden io förmige Gestalt quadratischen Querschnitts zu verWellen der Laserstrahlung darstellen, wobei eine leihen, bei dem dann an den Seitenflächen jeweils der Flächen des optischen Resonators zur Aus- totale Reflexion auftritt und an einer seiner Seitenkopplung der Laserstrahlung vorgesehen ist, d a- flächen zur Ausnutzung des Tunneleffekts ein für den d u r c h ge k e η η zei ch η e t, daß einem stimu- austretenden Strahl durchlässiger Körper in einem Iierbaren Medium (20) mit einem Brechungsindex 15 sehr kleinen Abstand entsprechender Größe angeordnet von mindestens ]/5 zur Ausbildung stehender ist.

Wellen hierin zu drei rechtwinklig zueinander ange- Wenn auch mit diesen Anordnungen bessere Erordneten, optisch ebenen Begrenzungsflächen gebnisse zu erzielen, sind als es bei Verwendung ver-(Stirnflächen 22, 26, 28) eine vierte, geringfügig spiegelter Flächen der Fall ist, so ist doch nicht zu vom rechten Winkel in bezug auf zwei der vorge- 20 übersehen, daß beim jeweiligen Auftreffen auf eine nannten Stirnflächen abweichend angeordnete, Fehlstelle oder eine den Tunneleffekt ausnutzende optisch ebene Stirnfläche (24) ^zugeordnet ist. Durchlaßstelle ein Energieverlust unvermeidlich ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Hinzu kommt, daß bei Verwendung von Festkörpern zeichnet, daß das stimulierbare Medium zwischen als stimulierbares Medium unbedingt plangeschliffene jeweils zwei aneinanderstoßenden total reflek- 25 Reflexionsflächen unter genauestem Einhalten der tierenden Stirnflächen (L₁) weitere parallel zum Winkel zueinander, bei einem Prisma quadratischen Strahlengang der Laserstrahlung (76) zwischen Querschnitts nämlich jeweils 90°, einzuhalten sind, diesen Stirnflächenpaaren liegende Begrenzungs- Dies stellt natürlich hohe Anforderungen an das entflächen als Mantelflächen (Z₁₂) aufweist. sprechende Herstellungsverfahren.

3. Laser nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge- 30 Hinzu kommt, daß für die Betriebsweise eines kennzeichnet, daß die Länge der Mantelflächen Lasers in Dauerbetrieb Interesse daran besteht, die (L₂), gemessen zwischen den reflektierenden Stirn- Anregungsenergie auf einem möglichst kleinen Wert flächen (L₁), größer als die der Stirnflächen (L₁) ist. zu halten.

4. Laser mindestens nach Anspruch 1, dadurch Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, gekennzeichnet, daß der Brechungsindex nahezu 35 einen optischen Resonator mit einem ihn gänzlich gleich dem Wert von ]/2 ist. ausfüllenden stimulierbaren Medium, insbesondere als

Festkörper, bereitzustellen, bei dem die Verluste unter Ausnutzung innerer Totalreflexion praktisch

ausgeschaltet sind, wobei der Herstellungsaufwand

40 gegenüber bisher herabgesetzt ist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einem den gelöst, daß einem stimulierbaren Medium mit einem optischen Resonator in Form eines Prismas ganz aus- Brechungsindex von mindestens ]/2 zur Ausbildung füllenden, stimulierbaren Medium und mit Be- stehender Wellen hierin zu drei rechtwinklig zueingrenzungsflächen, die zugleich total reflektierende 45 ander angeordneten, optisch ebenen Begrenzungs-Spiegelflächen für die sich in einem im wesentlichen flächen eine vierte, geringfügig vom rechten Winkel in vier aufeinander senkrecht stehenden Richtungen in bezug auf zwei der vorgenannten Begrenzungsverlaufenden Polygonzug ausbildenden stehenden flächen abweichend angeordnete, optisch ebene BeWellen der Laserstrahlung darstellen, wobei eine der grenzungsfläche zugeordnet ist.
Flächen des optischen Resonators zur Auskopplung 50 Wie in den bereits vorgeschlagenen Anordnungen der Laserstrahlung vorgesehen ist. wird auch hierbei vorzugsweise ein Festkörper als Laser bekannter Art besitzen ein stimulierbares stimulierbares Medium gewählt, dessen reflektierende Medium zwischen zwei optisch ebenen planparallelen Flächen nicht verspiegelt ausgebildet sind, sondern verspiegelten Flächen, die es gestatten, die auf Grund lediglich durch optischen Schliff ein genügendes induzierter Emission entstehende Strahlung mehrmals 55 Reflexionsvermögen besitzen. Die Strahlen werden durch das stimulierbare Medium zu lenken, um so zu hierbei intern so lange total reflektiert, bis der auf eine einer Verstärkung der Laserstrahlung beizutragen. der spiegelnden Fläche einfallende Strahl den kri-Zur Auskopplung der Laserstrahlung ist zumindest tischen, vom Brechungsindex abhängigen Winkel eine der verspiegelten Flächen teildurchlässig. Dies erreicht, so daß die Strahlen längs dieser Kristallhat dann zur Folge, daß ein Teil der Energie verloren- 60 fläche in entsprechender Bündelung abgestrahlt wergeht, da nicht jeweils die volle Energie in das stimu- den.

lierbare Medium zurückreflektiert wird. Zur Aus- Wie ohne weiteres zu ersehen, sind die internen schaltung dieser Verluste ist deshalb vorgeschlagen Mehrfachreflexionen völlig verlustfrei, so daß nach worden, das stimulierbare Medium als optischen mehreren Umläufen im stimulierbaren Medium bei Resonator so zu gestalten, daß hierin innere Total- 65 der Abstrahlung ein optimaler Wirkungsgrad erzielt reflexion auftreten kann; jedoch ist es zur Aus- wird. Wird so z. B. in an sich bekannter Weise ein kopplung gebündelter Lichtenergie erforderlich, Maß- Kalziumfluoridkristall als stimulierbares Medium genahmen zu treffen, die zwar nicht zu erheblichen Ver- wählt, dann liegt ein Brechungsindex von 1,435 vor.