DE1489979B1

DE1489979B1 - Optischer Resonator

Info

Publication number: DE1489979B1
Application number: DE19651489979
Authority: DE
Inventors: Spaeth Mary L; Congleton Robert S
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1964-12-17
Filing date: 1965-11-09
Publication date: 1969-09-25
Also published as: GB1092579A; FR1457081A; US3471800A; SE312873B; JPS4937316B1

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Resonator für einen optischen Sender oder Verstärker (Laser), der von einem für das Ausgangssignal teildurchlässigen Reflektor begrenzt wird.

Wie bekannt, ist bei einem optischen Sender oder Verstärker an jedem Ende eines stimulierbaren Mediums ein Reflektor angeordnet, und es bilden diese beiden Reflektoren einen optischen Resonator. An derjenigen Stirnseite des optischen Senders, an der der stimulierte Lichtstrahl austritt, wird von dem dort angeordneten Reflektor ein Teil des Austrittsstrahles durchgelassen und ein Teil wieder in das stimulierbare Medium zurückgeworfen.

Bei optischen Sendern hoher Leistung, beispielsweise mit einem Rubinstab als stimulierbares Medium, besteht das Problem, daß der stimulierte Strahl hoher Energie die bisher bekannten spiegelnden Reflektoren des optischen Resonators zerstört, auch wenn der optische Sender nur zeitweise ausstrahlt, beispielsweise impulsgetastet ist.

Ebenso leiden andere bekannte Reflektoren, nämlich vielschichtige dielektrische Reflektoren, die von einer Vielzahl von λ/4-Schichten mit abwechselnd hohem und niederem Brechungsindex Gebrauch machen, an einer Minderung ihrer Eigenschaften infolge von Zerstörungen und Alterungserscheinungen, wenn sie in optischen Sendern hoher Leistung Verwendung finden, in denen die dielektrischen Schichten durch die Ausgangsleistung des optischen Senders zerstört werden können, die in der Größen-Ordnung von 100 MW/cm² liegt. Weiterhin sind die mehrschichtigen dielektrischen Reflektoren nicht abriebfest und haben den Nachteil, daß ihr Gebrauch zu einem Strahl mit relativ großer Spektralbreite führt und daher eine verminderte spektrale Strahldichte zur Folge hat.

Weiterhin sind manche bekannte Reflektoren optischer Resonatoren unerwünscht temperaturabhängig und haben ein tatsächliches Reflexionsvermögen, das beträchtlich unter dem theoretischen Maximum liegt. Bei solchen Reflektoren haben Temperaturänderungen von nur einigen Graden starke Änderungen des Reflexionsvermögens zur Folge. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Reflektor für optische Resonatoren von optischen Sendern oder Verstärkern zu schaffen, der sich durch eine hohe Stabilität und eine lange Lebensdauer auszeichnet, auch wenn er in optischen Sendern mit extrem hohen Ausgangsleistungen Anwendung findet. Weiterhin soll der erfindungsgemäße Reflektor im wesentlichen das theoretische Maximum des Reflexionsvermögens für einen stimulierten Strahl mit der gewünschten Arbeitswellenlänge aufweisen, und es soll das Reflexionsvermögen im wesentlichen temperaturunabhängig sein.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der teildurchlässige Reflektor aus zwei unverspiegelten planparallelen Platten gleicher Dicke . aus durchsichtigem Material mit relativ hohem Brechungsindex besteht, die durch eine ebenfalls planparallele Schicht eines optisch dünneren Mediums mit relativ niedrigem Brechungsindex getrennt sind, und daß die Dicken der drei Schichten so gewählt sind, daß jede der drei Schichten für die stimulierte Strahlung innerhalb ihrer Linienbreite mehrere wenige Resonanzen aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Platten aus durchsichtigem Material von einer Gasschicht, vorzugsweise von einer Luftschicht, getrennt. Die Dicke dieser drei von den Platten und der Gasschicht gebildeten Schichten des teildurchlässigen Reflektors ist so gewählt, daß jede Schicht für die stimulierte Strahlung innerhalb ihrer Linienbreite wenigstens fünf und insbesondere mehr als acht Resonanzen aufweist. Beispiele für geeignete durchsichtige Medien sind Glas, Saphir, Quarz, Zirkon und Glimmer. Gewisse durchsichtige Kunststoffe und Harze würden ebenfalls geeignet sein, wenn sie chemisch und mechanisch stabil sowie wärmebeständig genug sind, um eine stimulierte Strahlung hoher Leistung zu übertragen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausfuhrungsbeispiels beschrieben, dem weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung zu entnehmen sind. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Senders mit einem optischen Resonator, der einen teildurchlässigen Reflektor nach der Erfindung aufweist,

F i g. 2 eine Rückansicht des teildurchlässigen Reflektors des optischen Resonators nach F i g. 1 in vergrößertem Maßstab und

F i g. 3 einen Querschnitt längs der Linie 3-3 durch die Anordnung nach F i g. 2.

Der erfindungsgemäße Reflektor des optischen Resonators kann als mehrfacher Fabry-Perot-Bausatz betrachtet werden. Das maximale Reflexionsvermögen einer solchen Anordnung ist durch die folgende Gleichung gegeben:

n^N-

In dieser Gleichung sind R das Reflexionsvermögen, η der Brechungsindex des durchsichtigen Mediums und N die Anzahl der Grenzflächen zwischen Luft und dem durchsichtigen Medium.

Bei einem Reflektor, der von zwei durchsichtigen Platten Gebrauch macht und bei dem daher vier Grenzflächen zwischen der Luft und dem durchsichtigen Medium vorhanden sind, kann das gewünschte Reflexionsvermögen erzielt werden, indem die durchsichtigen Platten aus einem Material hergestellt werden, das den gewünschten aus der obigen Formel errechneten Brechungsindex aufweist.

Bei einer solchen Anordnung ist die Änderung des Reflexionsvermögens in Abhängigkeit von der Temperatur sehr gering. Beispielsweise war bei einem Reflektor, der zwei gleiche Glas- oder Saphirplatten und eine Trennschicht aus Luft von je etwa 6,35 mm Dicke aufwies, die maximale Änderung des Reflexionsvermögens gegenüber dem theoretischen Maximum kleiner als 5%. Ein derartiger Reflektor ist für den Gebrauch in einem optischen Sender, der einen Rubinstab als stimulierbares Medium aufweist, gut geeignet.

Die beiden Platten aus durchsichtigem Material, die im wesentlichen gleich sind, sollten in ihrer Dicke vorzugsweise voneinander nicht um mehr als ein Achtel der Arbeitswellenlänge, für die der optische Resonator ausgebildet ist, voneinander abweichen, so daß die beiden in diesen Platten möglichen Resonanzen innerhalb der Linienbreite der stimulierten Strahlung, bei der der optische Resonator benutzt wird, sehr dicht zusammenliegen oder genau über-

einstimmen. Bei Glasplatten mit einer Dicke von 6,35 mm und mit einem Brechungsindex von etwa 1,45 bis 1,70 sind für die im Rubin stimulierte Fluoreszenzlinie etwa 11,5 bis 13,5 Resonanzen möglich. Bei einer Luftschicht von 6,35 mm Dicke gibt es etwa acht Resonanzen. Daher ist die Möglichkeit, zwei Resonanzen sehr nahe beieinander in der Mitte der Linienbreite der stimulierten Strahlung des Rubins zu plazieren, sehr gut. An einer Stelle innerhalb der Linienbreite von 3 Ä der im Rubin stimulierbaren Strahlung, die eine mittlere Wellenlänge von 6943 Ä hat, liegt das Reflexionsvermögen des Reflektors bei 95 bis 100% des theoretischen Maximums: F i g. 1 zeigt schematisch den Gebrauch eines erfindungsgemäßen Reflektors 10 auf der Seite des Lichtaustritts des Rubinstabes 11 des optischen Senders. Eine Anregungslichtquelle 12, beispielsweise eine von einem Netzgerät 13 gespeiste Xenon-Blitzlampe, wird im Zusammenwirken mit einer reflektierenden Kammer 16 dazu benutzt, den Rubinstab 11 in einen Zustand umgekehrter Besetzungsverteilung anzuregen, um in bekannter Weise einen stimulierten Ausgangsstrahl 14 zu erzeugen. Ein Reflektor 17, beispielsweise ein Spiegel oder ein total reflektierendes Prisma, ist gegenüber der anderen Stirnfläche des Rubinstabes 11 angeordnet, um den stimulierten Strahl in den Rubinstab zurückzuwerfen. Der Spiegel oder das Dachkantprisma 17 kann um eine vertikale Achse 18 gedreht werden, wie es durch einen Pfeil 19 angedeutet ist, um Impulse des Ausgangsstrahles 14 zu erzeugen, wie es bei bekannten Ortungsgeräten mit kohärentem Licht der Fall ist.

Es versteht sich jedoch, daß der Reflektor 10 des optischen Resonators auch bei Dauerstrichbetrieb benutzt werden kann, und zwar unabhängig vom Aggregatzustand des stimulierbaren Mediums. Auch kann dieser Reflektor bei optischen Sendern Anwendung finden, die der Signalgebung, dem Schweißen, medizinischen und anderen Anwendungsgebieten dienen und bei denen an der Lichtaustrittseite ein teildurchlässiger Reflektor angeordnet ist.

Einzelheiten einer speziellen Ausführungsform eines Reflektors 10 der in F i g. 1 gezeigten Art sind in den F i g. 2 und 3 dargestellt. Die beiden durchsichtigen planparallelen Platten 21 und 22 bestehen aus Glas und sind so gewählt, daß sie den gewünschten Brechungsindex und das gewünschte Reflexionsvermögen für das benutzte stimulierbare Medium aufweisen. Die Glasplatten 21 und 22 sind jeweils 6,35 mm dick und unterscheiden sich in der Dicke um weniger als ein Achtel der Arbeitswellenlänge, bei der der optische Resonator benutzt werden soll.

Ein Abstandsring 23, der ebenfalls aus Glas besteht, ist gleichfalls 6,35 mm dick. Die Oberflächen der Platten 21 und 22 und des Abstandsringes 23 sind im wesentlichen parallel zueinander, und es soll auch der Parallelitätsfehler geringer als ein Achtel der vorgesehenen Arbeitswellenlänge sein. In dem Ring 23 kann eine Nut 24 vorgesehen sein, die ein Entweichen der Luft gestattet, wenn die Luft sich infolge der Erwärmung durch den stimulierten Strahl 14 ausdehnt.

Die aus den vom Abstandsring 23 getrennten Platten 21 und 22 bestehende Reflektoranordnung ist am vorderen, also dem Lichtaustritt dienenden Ende des Gehäuses 26 des optischen Senders befestigt. Vor die Platte 21 des Reflektors ist in eine Gehäuseöffnung 28, die ein Loch 29 für den Austrittsstrahl umgibt, eine ringförmige Dichtung 27 eingesetzt. Der Resonator 10 ist in der öffnung mit Hilfe von Schrauben 31 befestigt, die einen Klemmring durchdringen und in Gewindebohrungen des Gehäuses 26 eingeschraubt sind.

Beim Betrieb trifft ein stimulierter Strahl 14, der die öffnung des Klemmringes 32 durchdringt, auf die Rückseite des Reflektors 10 auf und tritt durch die öffnung in dem Dichtungsring 27 und durch das Ausgangsloch 29 des Gehäuses 26 aus, wie es durch die Strahlabschnitte 14 und 34 in F i g. 1 angedeutet ist. Ein Teil des Austrittsstrahles. 14 wird in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Strahles, der Platten 21 und 22 und der Luftschicht 33 von den vier Grenzflächen 36, 37, 38 und 39 der Scheiben 22 und 21 in das stimulierbare Medium 11 zurückgeworfen. Es ist leicht möglich, dem Reflektor 10 des optischen Resonators ein Reflexionsvermögen von etwa 40 bis 80% zu erteilen.

Claims

Patentansprüche:

1. Optischer Resonator für einen optischen Sender oder Verstärker, der von einem für das Ausgangssignal teildurchlässigen Reflektor begrenzt wird,dadurch gekennzeichnet, daß dieser teildurchlässige Reflektor (10) aus zwei unverspiegelten planparallelen Platten (21 und 22) gleicher Dicke aus durchsichtigem Material mit relativ hohem Brechungsindex besteht, die durch eine ebenfalls planparallele Schicht (33) eines optisch dünneren Mediums mit relativ niedrigem Brechungsindex getrennt sind, und daß die Dicken der drei Schichten (21,22 und 33) so gewählt sind, daß jede der drei Schichten für die stimulierte Strahlung innerhalb ihrer Linienbreite mehrere wenige Resonanzen aufweist.

2. Optischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei Schichten (21, 22 und 33) des teildurchlässigen Reflektors für die stimulierte Strahlung innerhalb ihrer Linienbreite mindestens fünf Resonanzen aufweist.

3. Optischer Resonator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei Schichten (21, 22 und 33) des teildurchlässigen Reflektors mehr als acht Resonanzen aufweist.

4. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige, optisch dichtere Medium für die Platten (21, 22) im festen Aggregatzustand vorliegt und das dazwischenliegende, optisch dünnere Medium gasförmig ist.

5. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch dünnere Medium aus Luft besteht.

6. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige, optisch dichtere Medium für die Platten (21, 22) aus Saphir besteht.

7. Optischer Resonator nach einem · der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige, optisch dichtere Medium für die Platten (21,22) aus Quarz besteht.

8. Optischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das

10. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Planflächen (36 bis 39) der beiden planparallelen Platten (21 und 22) aus durchsichtigem Material einen Parallelitätsfehler aufweisen dürfen, der höchstens gleich einem Achtel der Arbeitswellenlänge ist, für die der optische Resonator ausgebildet ist.

durchsichtige, optisch dichtere Medium für die Platten (21,22) aus Glas besteht.

9. Optischer Resonator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken der planparallelen Platten (21 und 22) gleicher Dicke sich nicht um mehr als ein Achtel der Arbeitswellenlänge unterscheiden, für die der optische Resonator ausgebildet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen