DE1514639C - Optical resonator delimited by spherical concave mirrors for optical transmitters (laser) - Google Patents
Optical resonator delimited by spherical concave mirrors for optical transmitters (laser)Info
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen, von sphärischen Hohlspiegeln begrenzten Resonator für optische Sender (Laser), dessen mindestens einer Hohlspiegel von einer einseitig teildurchlässig verspiegclten Linse gebildet wird.The invention relates to an optical resonator for optical, limited by spherical concave mirrors Transmitter (laser), whose at least one concave mirror is covered by a lens that is partially transparent on one side is formed.
Als Resonatorspiegel finden im allgemeinen, sofern sie nicht direkt am stimulierbaren Medium, z. B. einem Kristall, angebracht sind, plankonkave Glaskörper Verwendung, welche für den auszukoppelnden Laserstrahl als Zerstreuungslinse wirken.As a resonator mirror in general, unless they are directly on the stimulable medium, z. B. a Crystal, are attached, plano-concave glass body use, which for the laser beam to be coupled out act as a divergent lens.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen »parallelen« Laserstrahl, der nur durch die Beugung divergiert, aus dem optischen Resonator auszukoppeln, dessen Strahltaille unabhängig vom Abstand der Resonatorspiegel eine feste Lage annimmt.The invention is based on the object of creating a "parallel" laser beam that only diffracts diverges, to be coupled out of the optical resonator, whose beam waist assumes a fixed position regardless of the distance between the resonator mirrors.
Bei einem optischen Resonator der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Zweck der Auskopplung eines kohärenten allein durch Beugung divergierenden Parallelstrahlenbündels die Linse als meniskusformige Sammellinse ausgebildet ist, deren innerhalb des optischen Resonators gelegener Brennpunkt mit dem Krümmungsmittelpunkt ihres Hohlspiegels zusammenfällt. In the case of an optical resonator of the type mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention solved in that for the purpose of decoupling a coherent divergent solely by diffraction The lens as meniscus-shaped Converging lens is formed whose focal point located within the optical resonator with the The center of curvature of their concave mirror coincides.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Erläuterungen und aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Figur.Further features and details of the invention emerge from the explanations below and from the description of an exemplary embodiment with reference to the figure.
Ein beugungsbegrenzter Lichtstrahl wird durch seine Strahltaille charakterisiert. Die Strahltaille ist durch den geringsten Strahlquerschnitt, d. h. durch den geringsten Strahlumfang, also durch den kleinsten Bündelradius vv0 gekennzeichnet. Für eine Wellenlänge / hängen der Lichtfleckradius w (2) und der Krümmungsradius R (2) der Phasenfront auf der optisehen Achse im Abstand ζ vom Taillenradius vv„ in folgender Weise ab:A diffraction-limited light beam is characterized by its beam waist. The beam waist is characterized by the smallest beam cross-section, ie by the smallest beam circumference, i.e. by the smallest bundle radius vv 0 . For a wavelength / the light spot radius w (2) and the radius of curvature R (2) of the phase front on the optical axis at a distance ζ from the waist radius vv "depend in the following way:
vv(γ) = W0 /I +( ■■■'-—, ) = Lichtfleckradius, V V-T »vr. /vv (γ) = W 0 / I + (■■■ '-—,) = light spot radius, V VT »vr. /
K (r) - ζ K (r) - ζ
4040
Krümmungsradius der Phasenfronl,
wobeiRadius of curvature of the phase front,
whereby
■τ tV()■ τ tV ( )
der Beugungswinkel des Strahles ist.is the angle of diffraction of the beam.
Aus obiger Beziehung erkennt man, daß der Krümmungsradius der Phasenfront an der Stelle ζ --- () unendlich groß wird, d. h., daß in der Strahltaille die Phasenfronl eben ist.From the above relationship one can see that the radius of curvature of the phase front at the point ζ --- () becomes infinitely large, ie that the phase front is flat in the beam waist.
Bei vorgegebenem Lichtfleckradius vv(z) und Krümmungsradius R (z) können aus den obigen Formeln umgekehrt auch derTaillenradius iv„ und tier Abstand ζ ermittelt werden:With a given light spot radius vv (z) and the radius of curvature R (z), the waist radius iv "and the distance ζ can also be determined from the above formulas:
Taillcnradius,Waist radius,
/I Λ / I Λ
.1 VV".1 VV "
λ Rλ R
I 1I 1
R λ RR. λ R
:ι VV" : ι VV "
(siehe z.B. auch R. L. Fork, D. R. Herriott und H. Kogelnik, Applied Optics, 3, 12, S. 1471 bis 1484 [1964]).(see e.g. also R. L. Fork, D. R. Herriott and H. Kogelnik, Applied Optics, 3, 12, p. 1471 to 1484 [1964]).
Strahlen dieser Art sind innerhalb jedes optischen Resonators vorhanden. Der Krümmungsradius R (.2) der Phasenfronten ist an den Resonatorspiegeln gleich dem Krümmungsradius der Resonatorspiegel, d. h. der teildurchlässig verspiegellcn Linsenflächen. Insbesondere erhält man die Krümmung der Wellenfronten vor und nach der Brechung an der Linse, indem man die Krümmungsmittelpunk Ic nach der geometrischen Optik abbildet.Rays of this type exist within every optical resonator. The radius of curvature R (.2) of the phase fronts at the resonator mirrors is equal to the radius of curvature of the resonator mirror, that is to say of the partially transparent mirrored lens surfaces. In particular, the curvature of the wavefronts before and after the refraction at the lens is obtained by mapping the centers of curvature Ic according to geometrical optics.
Am Resonatorspiegelhatdie Welleden Krümmungsradius R (z). Dieser Krümmungsradius R (r) stimmt an der als Resonatorbegrenzung und zur Auskopplung dienenden Sammellinse mit dem Krümmungsradius η der konkaven, d. h. hohlgekrümmten, teilweise durchlässig verspiegelten Linsenfläche 1 (s. Figur) weitgehend überein. Unter teilweise durchlässig verspiegelt ist hierbei zu verstehen, daß ein Teil der in dem optischen Sender erzeugten kohärenten Strahlung an dieser Fläche 1 reflektiert wird, während der andere Teil der Strahlung durch die Linsenfläche hindurchtritt, also ausgekoppelt wird.At the resonator mirror the shaft has the radius of curvature R (z). This radius of curvature R (r) largely coincides with the radius of curvature η of the concave, ie hollow-curved, partially transparent mirrored lens surface 1 (see figure) on the converging lens serving as resonator delimitation and for coupling out. In this context, partially transmissive reflective coating is to be understood as meaning that part of the coherent radiation generated in the optical transmitter is reflected on this surface 1, while the other part of the radiation passes through the lens surface, that is to say is coupled out.
Wird nun erfindungsgemäß an die Hinterseile der Linse statt einer planen Fläche eine konvexe, d. h. erhaben gekrümmte Fläche 2 so angeschliffen, daß das Bild von dem auf der optischen Achse liegenden Krümmungsmittelpunkt k der konkaven Linsenfläche 1 im Unendlichen liegt, so tritt die Welle mit ebener Phasenfront aus dem Resonator aus. Der Krümmimgsmittelpunkt k der Linsenfiäche 1 muß also der Brennpunkt F, der Linse sein.If, according to the invention, instead of a flat surface, a convex, ie raised, curved surface 2 is ground on the rear of the lens so that the image of the center of curvature k of the concave lens surface 1 lying on the optical axis is at infinity, the wave occurs with a plane phase front out of the resonator. The center of curvature k of the lens surface 1 must therefore be the focal point F, of the lens.
Der Radius vv„ der Strahltaille, der Abstand ζ von der Strahltaille zur teildurchlässig verspiegeltenThe radius vv "of the beam waist, the distance ζ from the beam waist to the partially transparent mirrored
Linsenfläche 1, der Beugungswinkel des StrahlesLens area 1, the diffraction angle of the beam
im Resonator und der Fleckradius vv, an der Linsenlläche 1 hängen sowohl von den Krümmungsradien der beiden Linsenflächen als auch von dem Abstand der teildürchlässig verspiegelten Linsen der Resonatoranordnung ab. Hat man aber die hintere Linsentläche 2 nachin the resonator and the spot radius vv on the lens surface 1 depend both on the radii of curvature of the two lens surfaces and on the distance between the partially mirrored lenses of the resonator arrangement. But if you have the rear lens surface 2 after
l'i — l'i -
I II I
1
/i-l 1
/ il
dimensioniert oder mit einer entsprechenden Korrektur für dicke Linsen, so tritt der Strahl mit der Taille tv,dimensioned or with a corresponding correction for thick lenses, the beam occurs with the waist tv,
·*" und dem Beugungswinke! ' aus dem Resonator· * "And the angle of diffraction! 'From the resonator
aus. (Es bedeutet in obiger Beziehung: ;·_, -■= Krümmungsradius der konvexen Fläche 2; /·, -- Krümmungsradius der konkaven Fläche I; η — Brechungsindex des verwendeten Linscnmatcrials). Je größer man .wL macht, beispielsweise durch Auseinanderrücken der Spiegel nahe an den konzentrischen Fall, desto kleiner wird der Beugungswinkel. Auf alle Falle hat man aber immer einen beugungsbegrenzlenout. (It means in the above relation:; · _, - ■ = radius of curvature of the convex surface 2; / ·, - radius of curvature of the concave surface I; η - refractive index of the lens material used). The larger one makes .w L , for example by moving the mirrors apart close to the concentric case, the smaller the diffraction angle becomes. In any case, one always has a diffraction limiter
im Strahl zur Verfügung.available in the beam.
Für sphärische Spiegel und Paraxialstrahlen, d.h. für Strahlen mit so kleinem öffnungswinkel, daß die· Sinus- und Tangensfunktionen ohne Einbuße an Genauigkeit durch die Winkel in Bogenmaß ersetztFor spherical mirrors and paraxial rays, i.e. for rays with such a small opening angle that the Replaced sine and tangent functions with the angles in radians without sacrificing accuracy
(15 werden können, soll weiterhin folgende Bedingung für den Krümmungsradius r, der äußeren, konvexen Linsenlliiche 2, ilen Krümmungsradius r, der inneren, konkaven Linsenlliiche 1, den Brechungsindex /1 des(15, the following condition for the radius of curvature r, the outer, convex lens areas 2, the radius of curvature r, the inner, concave lens areas 1, the refractive index / 1 des
verwendeten Linsenmaterials und die Dicke d der Linse gelten:the lens material used and the thickness d of the lens apply:
= Oi= Oi
«0-4)·«0-4)
Mittels einer derartig ausgebildeten konkav-konvexen Linse wird erreicht, daß ein Strahl aus dem optischen Sender austritt, dessen Divergenzwinkel Θ nur durch Beugung, d. h. den Fleckdurehmesser D an der teilweise durchlässig verspiegelten konkaven Linsenfläche 1 bestimmt ist. Der Divergenzwinkel Θ eines solchen »Parallelstrahles« infolge Beugung istBy means of a concave-convex lens designed in this way, a beam emerges from the optical transmitter, the divergence angle Θ of which is determined only by diffraction, ie the spot diameter D on the concave lens surface 1, which is partially reflective. The divergence angle Θ of such a "parallel ray" due to diffraction is
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung des in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiels hervor.Further details of the invention can be found in the following description of what is shown in the figure Embodiment.
Die Figur zeigt eine auf ihrer inneren, konkaven Fläche 1 teilweise durchlässig verspiegelte konkavkonvexe Linse, die als eine Resonatorbegrenzung für die in dem optischen Sender erzeugte kohärente Strahlung und zur Auskopplung eines beugungsbegrenzten »parallelen« Laserstrahles aus der Resonatoranordnung verwendet werden soll.The figure shows a concavo-convex lens that is partially transmissive mirrored on its inner, concave surface 1, which acts as a resonator delimitation for the coherent radiation generated in the optical transmitter and for coupling out a diffraction-limited radiation "Parallel" laser beam from the resonator arrangement should be used.
Durch Anschleifen einer sphärischen, konvexen Fläche mit dem Krümmungsradius r2 an der Rückseite 2 der Linse wird erreicht, daß ein Strahl aus dem optischen Sender austritt, dessen Divergenzwinkel nur durch Beugung, d. h. durch den Fleckdurchmesser D bestimmt ist.By grinding a spherical, convex surface with the radius of curvature r 2 on the rear side 2 of the lens, a beam emerges from the optical transmitter whose divergence angle is only determined by diffraction, ie by the spot diameter D.
Weiterhin sind in der Figur die optische Achse 0 der Anordnung und die beiden Hauptebenen H1 und H2 der Sammellinse, die rechts vom Scheitel A1 der ersten Linsenfläche 1 im Abstand Zi1 = d und Zj2 = d h + -^-J liegen, eingezeichnet. Mit d ist die Linsendicke bezeich.net.Furthermore, the figure shows the optical axis 0 of the arrangement and the two main planes H 1 and H 2 of the converging lens, which are to the right of the apex A 1 of the first lens surface 1 at a distance Zi 1 = d and Zj 2 = dh + - ^ - J , drawn. D the lens thickness is bezeich.net.
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Der Krümmungsmittelpunkt k der Linsenfläche 1, die den Krümmungsradius T1 besitzt, fällt erfindungsgemäß mit dem Brennpunkt F1 der Linse zusammen. Der Krümmungsmittelpunkt der konvexen Linsenfläche 2 mit dem Krümmungsradius r2 ist mit Ic2 According to the invention, the center of curvature k of the lens surface 1, which has the radius of curvature T 1 , coincides with the focal point F 1 of the lens. The center of curvature of the convex lens surface 2 with the radius of curvature r 2 is Ic 2
bezeichnet. Die beiden jeweils von den Hauptebenen H1 und H2 aus gemessenen Brennweiten sind mit / bezeichnet, die entsprechenden Brennpunkte mit F1 und F2. Die Brennweite / ist gleich / = rx + d. designated. The two focal lengths measured from the main planes H 1 and H 2 are marked with /, the corresponding focal points with F 1 and F 2 . The focal length / is equal to / = r x + d.
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