DE2053327B2 - Optische Weiche zur Ein- und Auskopplung eines in einem Ringlaser umlaufenden Laserstrahls - Google Patents
Optische Weiche zur Ein- und Auskopplung eines in einem Ringlaser umlaufenden LaserstrahlsInfo
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Description
und für Durchgang durch das doppclbrechende Medium (10) sowie 0 ä &„„:
,,„ sin ι
cos2(y + &)
gilt, wobei ηο die Brechzahl für den ordentlichen
Lichtstrahl, t\t die Brechzahl für den außerordentlichen
Lichtstrahl und Θ' den Brechungswinkel des sich im doppelbrechenden Medium (10) ausbreitenden
Laserstrahls darstellen, und
daß das sich flach mit zueinander parallelen, gleichzeitig als Grenzflächen dienenden Oberflächen erstreckende, doppelbrechende Medium (10) zwischen zwei, das einfach brechende Medium (11) bereitstellenden Prismatoiden (32, 37) angeordnet ist, deren jeweils beide als Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen der optischen Weiche zu verwendenden Seitenflächen (33, 34 bzw. 35, 36) unter jeweils gleichem Neigungswinkel zu den Grenzflächen angeordnet sind, so daß bei Einkopplung eines Lasersttdhls (40) in bzw. bei Auskopplung eines Laserstrahls aus dem Ringlaser an diesen Seitenflächen (33 bis 36) jeweils der Brewstersche Winkel einzuhalten ist (F i g. 1,2,3).
daß das sich flach mit zueinander parallelen, gleichzeitig als Grenzflächen dienenden Oberflächen erstreckende, doppelbrechende Medium (10) zwischen zwei, das einfach brechende Medium (11) bereitstellenden Prismatoiden (32, 37) angeordnet ist, deren jeweils beide als Lichteintritts- und Lichtaustrittsflächen der optischen Weiche zu verwendenden Seitenflächen (33, 34 bzw. 35, 36) unter jeweils gleichem Neigungswinkel zu den Grenzflächen angeordnet sind, so daß bei Einkopplung eines Lasersttdhls (40) in bzw. bei Auskopplung eines Laserstrahls aus dem Ringlaser an diesen Seitenflächen (33 bis 36) jeweils der Brewstersche Winkel einzuhalten ist (F i g. 1,2,3).
2. Optische Weiche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung eines Laserstrahls
(40) in den Ringlaser als erste eine (35) der Seitenflächen (34 bis 36) des ersten Prismatoiden (37)
gewählt ist, welche den Durchgang des Laserstrahls durch das doppelbrechende Medium (30) sowie den
Laserstrahlaustritt aus einer zweiten, dem zweiten Prismatoiden (32) zugeordneten Seitenfläche (34)
gestattet, und daß mittels Spiegelumlenkung innerhalb des Ringlasers der Laserstrahl (50) auf eine
dritte, dem zweiten Prismatoiden (32) zugeordnete und der ersten Seitenfläche (35) gegenüberliegende
Seitenfläche (33) gelenkt ist, so daß unter Reflexion
des Laserstrahls an der Grenzfläche der Wiedereintritt des Laserstrahls in den Ringlaser über die
zweite Seitenfläche (34) gewährleistet ist (F i g. 3,4).
3. Optische Weiche nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung des
Laserstrahls (59) aus dem Ringlaser die dem ersten Prismatoiden (37) zugeordnete vierte Seitenfläche
(36) dient, indem der im Ringlaser umlaufende Laserstrahl vor Eintritt in die dritte Seitenfläche (33)
in seiner linearen Polarisation mittels eines entsprechend steuerbaren, elektrooptischen Kristalls (380)
umkehrbar Ist (F i g. 3,4).
Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist
Optische Baueinheiten dieser Art wirken, wenn von Reflexion an dünneren Medien abgesehen wird, im
allgemeinen reziprok; d. h. unabhängig von der Lichteinfallsrichtung wird hiermit immer die gleiche Wirkung
erzielt. So sind z. B. Strahlteiler bekannt, die bei einfallenden Lichtstrahlen in Abhängigkeit von der
Intensität des einfallenden Lichtes Lichtstrahlen über zwei getrennte Ausgangspfade abgeben. Unabhängig
von der Einfallsrichtung der Lichtstrahlen jedoch tritt dabei immer wieder gleiche Strahlteilung auf. Auch
Strahlteiler, die in Abhängigkeit von der Polarisation des einfallenden Lichtes eine Strahlteilung durchführen,
arbeiten insoweit unabhängig von der Einfallsrichtung.
Für viele Anwendungsfälle jedoch wäre es wünsehenswert,
ein nicht reziprokes optisches Glied zur Verfugung zu haben, um in einer ersten Eintallsrichtung
einfallende Lichtstranlen zu reflektieren und in einer zweiten Einfallsrichtung einfallende Lichtstrahlen
durchzulassen. Für andere Zwecke sollte es möglich sein, bei zwei aus verschiedenen Richtungen einfallenden
Lichtstrahlen im Ansprechen hierauf Lichtstrahlen nur in einer einzigen Richtung wieder abzugeben.
Letzteres Prinzip wird bei einer Anordnung, wie sie den deutschen Auslegeschriften 12 85 073 und 12 95 742
μ zu entnehmen ist, ausgenutzt, um eine Laserstrahlungsmodulation
in nicht reziproker Weise durchzuführen. Bei der Anordnung nach der zuerst genannten
Druckschrift wirken in einem Ringpfad für Laserstrahlen Modulations- und Auskoppelglieder derart zusammen,
daß in Abhängigkeit von der Modulation unterschiedliche Anteile der Strahlung ausgekoppelt
werden. Im einzelnen wird ein im im optischen Ringpfad liegendem Lasermedium erzeugter Laserstrahl aufgrund
der doppelbrechenden Eigenschaft des Modulate tionsgliedes in zwei Polarisationsrichtungen zerlegt.
Der Strahlungsanteil in der einen Polarisationsrichtung verläuft weiterhin im Ringlaser, wohingegen der
Slrahlungsanteil in der anderen Polarisationsrichtung, welcher aufgrund entsprechender Steuerung des Modut)5
lationsgliedes sowohl in gegenüber der einen Polarisationsrichtung senkrechten Richtung polarisiert ist als
auch in seiner Intensität schwankt, durch das, z. B. als Nicoisches Prisma ausgebildete, Auskoppelglied den
optischen Ringpfad verläßt Ein weiterhin vorgesehener, nichtreziproker Richtungsleiter in Form zweier
einen Analysator einschließender Polarisatoren gewährleistet dabei, daß die Strahlung im optischen
Ringpfad selbst nur in einer einzigen Richtung umlaufen kana Hierbei wird also die Tatsache ausgenutzt, daß zur
Totalreflexion des einfallenden Lichtstrahls eine erste Polarisationsrichtung so einstellbar ist, daß der niedrigere
Brechungsindex des doppelbrechenden Körpers zur Wirkung kommt und zur völligen Durchlässigkeit des
einfallenden Lichtstrahls eine im wesentlichen hierzu senkrecht ausgerichtete, zweite Polarisationsrichtung
einstellbar ist, bei der der höhere Brechungsindex dann von wesentlichem Einfluß ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen
derartigen optischen Ringpfad für Laserstrahlen eine geeignete optische Weiche bereitzustellen, so daß der
Ringpfad als optischer Speicherring wirkt und den Betrieb von Lasern dadurch erheblich erleichtert, daß
ohne nennenswerte Dämpfung Laserstrahlbeeinflussung, die sonst im optischen Resonator des Lasers
vorgenommen werden muß, nun außerhalb des optischen Resonators ohne Störung der Laserfunktion
vorgenommen werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen
ist. Fällt hierbei also der Lichtstrahl auf die \ erwendete optische Weiche in erster Richtung ein, so daß die
Polarisationsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur optischen Achse der doppelbrechenden jo
Platte verläuft, dann ergibt sich ein erster Betriebszustand und fällt der Lichtstrahl auf die doppelbrethende
Platte in zweiter Richtung ein, so daß die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen senkrecht zur
optischen Achse der doppelbrechenden Platte gerichtet r> ist, dann stellt sich ein zweiter Betriebszustand der
optischen Weiche ein. Auf diese Weise läßt sich der Laserstrahl in den durch einen Ringlaser gebildeten
optischen R;ngpfad leicht einkoppeln, so daß die Erfordernis nicht mehr besteht, in einen optischen w
Ringpfad für Laserstrahlen auch noch den Laser selbst bzw. das Lasermedium einzugliedern. Damit liegt aber
der Vorteil gegenüber dem optischen Ringpfad der bereits genannten deutschen Auslegeschrift 12 85 073
auf der Hand. Da gemäß der Erfindung der Laser außerhalb des. optischen Ringpfades angeordnet ist,
kann er auch in seiner Funktion durch Maßnahmen, die innerhalb des optischen Ringpfades zur Laserstrahlbeeinflussung
getroffen werden, nicht gestört werden. Dabei ist der Aufwand zur Realisierung der Erfindung so
höchstens gleich dem der Anordnung nach der obengenannt Auslegeschrift. Mit anderen Worten,
mit einer optischen Weiche gemäß der Erfindung läßt sich ein Laser unter optimalen Bedingungen zur
Erzielung seines höchsten Wirkungsgrades ge* reiben, ohne daß Rücksicht auf oder Kompromisse mit
Maßnahmen in Kauf zu nehmen sind, welche zur Beeinflussung der Laserstrahlen eingesetzt werden
sollen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Gestaltungen t>o
der erfindungsgemäß verwendeten optischen Weiche sind den Patentansprüchen 2 und 3 zu entnehmen.
Derart ausgebildete optische Weichen bereiten keine Verluste für hindurchgeleitete Laserstrahlen; es tritt
also keine Dämpfung auf. Das für die Prismen als b5 Lichtbrechungskörper verwendete Material besteht
vorzugsweise aur> Glas mit für die erfindungsgemäße
Anwendung gewähltem Brechungsindex. Damit ergibt sich der Vorteil einer erheblichen Verbesserung und
einer erhöhten Mannigfaltigkeit zum Betrieb von Lasern, wenn, wie erfindungsgemäß vorgesehen, linear
polarisiertes Laserlicht in den optischen Ringpfad eingekoppelt wird, um es hierin umlaufen zu lassea
Wird also von außen über die optische Weiche gemäß der Erfindung Laserstrahlung in den optischen Ringpfad
eingekoppelt, dann zirkuliert diese hierin. Da bei den
Laserstrahlumläufen nahezu keine Verluste des eingekoppelten Laserlichtes zu verzeichnen sind, stellt sich
nach einer gewissen Zeit im optischen Ringpfad ein Gleichgewichtszustand ein, bei dem dann die Lichtenergie
innerhalb des optischen Ringpfades um mehrere Größenordnungen über der der zugeführten Laserstrahlung
liegt, so daß sich also ein Verstärkungseffekt bd fortdauernder Lasereinstrahlung ergibt
Ein weiterer Vorteil bei Laserbetrieb mit der erfindungsgemäßen optischen Weiche ergibt sich
daraus, daß Maßnahmen zur Verbesserung oder gesteuerter Beeinflussung der Laserbetriebsweise nun
nicht mehr innerhalb der Laseranordnung selbst also z. B. zwisciien den Spiegeln eines Fabry-Perot-lnterferometers,
oder gar innerhalb des aktiven Lasermediums selbst vorgenommen werden müssen, sondern in
vorteilhafter Weise außerhalb hiervon in einer gesonderten Baueinheit getroffen werden können. So lassen
sich also bei ungestörtem Laserbetrieb Betriebszustandsänderungen ohne großen Aufwand und in
einfachster Weise ohne Gefahr einer schädlichen Rückwirkung durchführen.
So kann bei einem durch Hohlspiegel vervollständigen optischen Ringpfad z. B. durch Anordnung eines
nichtlinearen optischen Kristalls in den Strahlengang zwischen zwei Hohlspiegeln eine Frequenzvervielfachung
der Laserlichtfrequenz vorgenommen werden. Bei Verwendung eines aus Barium-Natriumniobat
bestehenden, nichtlinearen, optischen Kristalls der im Brennpunkt der beiden genannten Hohlspiegel liegt,
ergibt sich z. B. Frequenzverdopplung. Zur Auskopplung der Laserstrahlung mit vervielfachter Frequenz
läßt sich allgemein der eine Hohlspiegel für diese Harmonische transparent gestalten, während er für die
Grundwellenlänge der Laserstrahlung reflektierend ausgebildet ist. Auf diese Weise läßt sich die
Laserstrahlung eines Nd/YAG-Lasers in eine Wellenlänge des grünen Lichtes umsetzen, das bekanntlich zur
Lichtausbreitung in Meerwasser geeignet ist. Eine andere Ausnutzung der Frequenzvervielfachung bietet
sich für die Ausgangsstrahlung eines Diodenlasers an, welche sich so in den sichtbaren Bereich des Spektrums
umsetzen läßt, um die Anwendungsmöglichkeiten von Diodenlasern auf diese Weise zu erleichtern bzw.
auszuweiten.
Weiterhin ergeben sich große Vorteile in Anwendung der Erfindung, wenn unter Einsatz von völlig reflektierenden
Hohlspiegeln im optischen Ringpfad zur Auskopplung der Laserstrahlung über die optische
Weiche in den optischen Ringpfad in an sich bekannter Weise ein elektrooptischer Kristall angeordnet wird.
Ein derartiger elektrooptischer Kristall dient unter entsprechender Steuerung zur Polarisationsdrehung im
Ansprechen auf ein hieran angelegtes elektrisches Signal. Wird nun mit Hilfe eines derartigen elektrooptischen
Kristalls die Polarisation des im optischen Ringpfad umlaufenden Laserstrahls so abgeändert, daß
die doppelbrechende Platte in der optischen Weiche statt reflektierend durchlässig wird, dann gelangt der
Lichtstrahl innerhalb des l.ichtbrechungskörpers nicht
auf die Lichtaustrittsfläche, die im Strahlengang des optischen Ringpfades liegt, sondern auf eine andere
Lichtaustrittsfläche, bei der nämlich dann der Laserstrahl aus dem optischen Ringpfad ausgekoppelt wird.
Dieser Laserstrahl läßt sich dann über eine besondere Lichtauffangfläche zur weiteren Verwendung weiterleiten.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der unten aufgeführten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung der optischen Weiche mit angedeutetem ersten Betriebszustand,
F i g. 2 eine optische Weiche wie in F i g. 1, jedoch mit
angedeutetem zweiten Betriebszustand,
F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine elektrooptische Weiche,
Fig.4 ein Schema eines optischen Ringpfads mit
einer optischen Weiche gemäß F i g. 3,
F i g. 5 graphische Darstellungen zur Erläuterung der Betriebsweise des optischen Ringpfads nach F i g. 4,
F i g. 6 eine Anordnung zur Anwendung des optischen Ringpfads als Oberwellengenerator.
Die in einem optischen Ringpfad verwendete optische Weiche stellt ein nichtreziprokes optisches
Bauelement dar, wirkt also in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Die optische Weiche selbst wird von
einer doppelbrechenden Platte 10 gebildet, die in ein Medium 11, wie z.B. Siliconöl, eingebettet sein kann.
Die optische Weiche 10 besitzt eine optische Achse 12, die in einem spitzen Winkel zu derjenigen Plattenoberfläche
13 liegt, die einer Lichtstrahlung 14 ausgesetzt werden soll. Der Brechungsindex des Mediums 11 ist
dabei so gewählt, daß er dem höheren Brechungsindex der doppelbrechenden Platte 10 entspricht. Der
Lichtstrahl 14 wird von einer geeigneten Lichtquelle über ein optisches Fenster derart auf die doppelbrechende
Platte 10 übertragen, daß keine Lichtverluste beim Eintritt in das doppelbrechende Medium auftreten
können.
Der Lichtstrahl 14 besitzt, wie durch den Pfeil 15 angedeutet, einen linearen Polarisationszustand. Dieser
lineare Poiarisationszustand und die optische Achse 12 der Platte 10 liegen in der gleichen Ebene; also bei
F i g. 1 in der Zeichenebene. Der Lichtstrahl 14 besitzt gegenüber der Plattenoberfläche 13 einen vorgegebenen
Winkel Θ, welcher größer ist als der kritische Winkel dieser Platte 10. um die Eigentümlichkeit
nichtreziproker Betriebsweise zu ermöglichen. Der kritische Winkel wird bestimmt durch das Verhältnis des
niedrigen Brechungsindexes der Platte 10 und des hohen Brechungsindexes des Mediums 11, in dem die Platte 10
eingebettet ist. Auf den einfallenden Lichtstrahl 14 wirkt sich der niedrige Brechungsindex der Platte 10 so aus,
daß er total reflektiert wird. Der von der Plattenoberfläche 13 reflektierte Lichtstrahl 16 besitzt dabei die
gleiche lineare Polarisation wie der einfallende Lichtstrahl.
Wenn die Substanz der Platte 10 negative doppelbrechende Eigenschaft besitzt, wie z. B. Calzit, dann ergibt
sich für den Winkel γ ein Wert von 17° 20' und für den
Einfallswinkel θ ein Wert von 83°. Diese Winkel ergeben sich in Abhängigkeit von der jeweils gewählten
Plattensubstanz. So läßt sich z. B. auch Natriumnitrat
verwenden, das ebenfalls negative doppelbrechende Eigenschaft besitzt; jedoch ergeben sich für eine Platte
10 aus dieser Substanz andere Winkel γ und Θ.
Um, wie in Fi g. 1 gezeigt, Totalreflexion zu erhalten,
ist es erforderlich, daß die Polarisationsrichtung 15 des Lichtstrahls 14 mit einer wesentlichen Komponente
parallel zur optischen Achse 12 der Platte 10 verläuft. Eine Reflexion tritt deshalb ein, weil der Lichtstrahl 14
durch eine Brechungsindexgrenze an der Plattenoberfläche 13 zum Medium 11 beeinflußt wird.
Die zweite Betriebsart für nichtreziproke Betriebsweise der optischen Weiche ist schematisch in F i g. 2
wiedergegeben. Der Lichtstrahl 20 fällt dabei gegenüber vorher in entgegengesetzter Richtung auf die Plattenoberfläche
13 ein; d. h. mit Bezug auf den reflektierten Lichtstrahl 16 in Fig. 1. Die Polarisationsrichtung 21
des einfallenden Lichtstrahls 20 steht mit einer wesentlichen Komponente senkrecht zur optischen
Achse 12, befindet sich jedoch in gleicher Ebene mit
is dieser optischen Achse 12. Da für die Platte 10 eine
Substanz mit doppelbrechender Eigenschaft verwendet wird, wirkt auf den Lichtstrahl 20 in erster Näherung der
ordentliche Brechungsindes der Platte 10 ein, der im wesentlichen mit dem Brechungsindex des Mediums 11,
in dem die Platte 10 eingebettet ist, übereinstimmt. Das bedeutet aber, daß in diesem Falle der Lichtstrahl 20
keine Brechungsindexgrenze feststellt, so daß die Platte 10 für den Lichtstrahl durchlässig ist, der dann als Strahl
22 aus dieser Platte 10 austritt.
Es dürfte ohne weiteres klar sein, daß eine Substanz mit positiv doppelbrechenden Eigenschaften ebensogut
als doppelbrechendes Material für die optische Weiche zu verwenden ist, wie das oben erwähnte Material. Eine
solche Substanz ist z. B. Quecksilberchlorür. Besitzt das für die Platte 10 verwendete Material positiv doppelbrechende
Eigenschaften, dann muß der Brechungsindex des Mediums 11 so gewählt werden, daß der im
wesentlichen im dem außerordentlichen Brechungsindex der doppelbrechenden Substanz übereinstimmt. Die
i") Betriebsweise eines positiv doppelbrechenden optischen
Bauelements unterscheidet sich von der nach F i g. 1 und 2 insofern, als ein Lichtstrahl 14 durch die
Platte 10 hindurchgelangen würde und der Lichtstrahl 20 von der Platte 10 total reflektiert würde. Um die
4<· nichtreziproke Betriebsweise für die optische Weiche zu
erhalten, ist es erforderlich, daß bestimmten Bedingungen genügt wird. Für Totalreflexion gilt folgende
Gleichung:
'/„,„, sind,,,, =
-iff- - lj sin2)·
Für Θ δ O,„, und totale Durchlässigkeit gilt die
Beziehung:
V„ sin &
l/i + (-yf ~ ')
«'s2 (y+en
In diesen Gleichungen bedeutet 7jro«/der Brechungsindex
des Mediums, θ der Einfallswinkel des Lichtstrahls, Tjo der ordentliche Brechungsindex der doppelbrechenden
Plattenmaterials, jjc der außerordentliche Brechungsindex
des doppelbrechenden Plattenmaterials und γ den Winkel zwischen der optischen Achse der
b5 Platte tO und der beleuchteten PJattenoberfläche. Θ' ist
der Beugungswinkel des einfallenden Lichtstrahls in der doppelbrechenden Platte 10, wenn im Durchlässigkeitsbetrieb
gearbeitet wird.
In F i g. 3 ist ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der optischen Weiche dargestellt, wo die doppelbrechende
Platte 30 mit optischen Bauelementen zusammenwirkt, die mit Strahleneintritts- und Strahlaustrittsfenstern
versehen sind, wie z. B. die Glasblocks 37 und 32, die in diesem Falle auf entsprechende Flächen 71, 72 der
Platte 30 mit der angedeuteten Mittenebene 70 aufgebracht sind. Diese Glasblocks besitzen Eintrittsbzw. Austrittsflächen 33, 34, 35 und 36, die Brewstersche-Winkel-Fenster
darstellen. Die Brewstersche Winkel selbst sind mit Θβ bezeichnet. Zwischen den
Glasblocks 37 und 32 und den jeweils gegenüberliegenden Oberflächen der Platte 30 befindet sich jeweils ein
Ölfilm mit einem Brechungsindex, der gleich dem höheren Brechungsindex der Platte 30 ist Die
G'.asblocks 37 und 32 besitzen jeweils einen Brechungsindex,
der ebenfalls dem höheren Brechungsindex der Platte 30 entspricht Besteht die doppelbrechende
Substanz der Platte 30 aus Natriumnitrat, dann entspräche demnach der Brechungsindex des Ölfilms
und der Glasblocks dem ordentlichen Brechungsindex dieses Materials.
Die optische Achse 31 der Platte 30 liegt in einem spitzen Winkel in bezug auf die beleuchtete Oberfläche
72 der Platte 30. Für Natriumnitrat bestimmt sich dieser Winkel zu ungefähr 32°. Bei Betrieb wird der einfallende
Lichtstrahl 40 mit einer Polarisationsrichtung 41 in der gleichen Ebene wie die optische Achse 31 auf die
Eintrittsfläche 35 des Glasblocks 37 gelenkt Dieser Lichtstrahl wird durch die Platte 30 gänzlich hindurchgelassen,
da nur, wenn überhaupt, der Einfluß einer nahezu unbedeutenden Brechungsindexgrenze zwischen
dem Glasblock 37 und der Platte 30 wirksam ist Es wird weiterhin darauf hingewiesen, daß die
Polarisationsrichtung 41 des eintretenden Lichtstrahls 40 im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 31
steht Das Licht tritt dann in Form des Strahls 42 aus der Austrittsfläche 34 aus.
Wird der Lichtstrahl der optischen Weiche in Form des Lichtstrahls 50 über Eintrittsfläche 33 zugeführt, und
zwar unter der Polarisationsrichtung 51, dann wird dieses Licht total an der Fläche 72 zwischen dem
Glasbiock 32 und der Platte 30 reflektiert und tritt ebenfalls in Form des Lichtstrahls 42 aus der
Austrittsfläche 34 aus. Bei dieser Betriebsart wird der Lichtstrahl 50 durch eine Brechungsindexgrenze zwischen
dem Glasblock 32 und der Platte 30 beeinflußt und damit total reflektiert Die Polarisationsrichtung 51 des
Lichtstrahls 50 ist im wesentlichen parallel zur optischen Achse 31 der Platte 30 gerichtet Besteht die Substanz
der Platte 30 aus Natriumnitrat, dann ergibt sich für den
Einfallswinkel θ des Lichtstrahls 50 auf die Grenzfläche ein Wert von etwa 72°.
In F i g. 4 ist eine vorteilhafte Anwendungsweise der in Fig.3 gezeigten optischen Weiche 300 dargestellt
Diese Weiche 300 liegt in einem Speicherring, der durch entsprechende Anordnung von Spiegeln 310 und 320
vervollständigt ist Der Austrittslichtstrahl 42 fällt auf einen Hohlspiegel 310, der den reflektierten Lichtstrahl
auf den zweiten Hohlspiegel 320 lenkt, dessen reflektierter Strahl dann als Strahl 50 wieder auf die
optische Weiche 300 gelangt
Als Lichtquelle für die Eingangsstrahlen 40 dient ein Laser 340. Auch hier wiederum ist der Lichtstrahl 40 in
Richtung 41 linear polarisiert Dieser Eingangslichtstrahl 40 fällt auf die Lichteintrittsfläche 35 der
optischen Weiche 300 ein. Für diesen Lichtstrahl ist die doppelbrechende Platte 30 vollständig durchlässig, so
daß dieser Lichtstrahl an der Lichtaustrittsfläche 34 die optische Weiche 300 wieder verläßt Dieser Lichtstrahl
42 folgt dann dem durch die Spiegel 310 und 320 gebildeten Pfad, um über die Lichteintrittsfläche 33
wieder in die optische Weiche 300 zurückzugelangen. Der als Lichtstrahl 50 so in die optische Weiche 300
gelangende und dort gebrochene Lichtstrahl wird an der doppelbrechenden Platte 30 total reflektiert, so daß ein
Ausgangsstrahl 42 wiederum die Lichtaustrittsfläche 34 verläßt.
Wird der Speicherring in der Anordnung nach F i g. 4 als Energiespeicher verwendet, dann lassen sich relativ
große Energiebeträge auf diesen Speicherring übertragen, und zwar mit einem Wirkungsgrad von nahezu
100%. Die optische Weiche überträgt nämlich das Licht
praktisch verlustlos. Wenn also der Laser 340 eine Leistung von nur einigen mW abgibt, dann kann sich im
Speicherring ohne weiteres ein Gleichgewichtszustand bei einigen 100 W einstellen.
Zur Auskopplung von Lichtstrahlen aus diesem Speicherring dient ein elektrooptischer Kristall 380, der
im Strahlengang des Lichtstrahls 50 liegt In an sich bekannter Weise besteht ein solcher elektrooptischer
Kristall z. B. aus Kaliumdideuteriumphosphat (KDP), an dessen entsprechenden Kristallflächen transparente
Elektroden angebracht sind. Es soll also gewährleistet sein, daß der hier speziell verwendete KDP-Kristall bei
Durchlässigkeit möglichst geringe Lichtverluste herbeiführt. Wird bei elektrooptischen Kristallen dieser Art
eine λ/2-Spannung an die Elektroden angelegt dann wird die Polarisation des Lichtstrahls, der auf diesen
elektrooptischen Kristall einfällt, in einen orthogonalen Polarisationszustand versetzt, also um 90°, gedreht Bei
Anwendung des elektrooptischen Kristalls 380 wird demnach die Polarisation des in die optische Weiche 300
über die Eintrittsfläche 33 wieder eintretenden Lichtes derart gedreht daß sie nunmehr im wesentlichen
senkrecht zur optischen Achse 31 der doppelbrechenden Platte 30 gerichtet ist Das bedeutet aber, daß der
Lichtstrahl völlig durch die doppelbrechende Platte 30 durchgelassen wird und als Strahl 39 auf die
Austrittsfläche 36 gelangt Der Ausgangsstrahl 59 läßt sich dann entsprechend dem vorgesehenen Zweck
verwerten.
Aus diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich, daß die in
einen optischen Speicherring betriebene optische Weiche es in vorteilhafter Weise gestattet, Maßnahmen,
die bisher in Laser-Resonatoren selbst durchgeführt werden mußten, um bestimmte Ziele zu erreichen,
so nunmehr in viel wirksamerer Weise bei wesentlich geringerem Aufwand jeweils außerhalb des eigentlichen
optischen Resonators getroffen werden können.
Wird die Spannung an den elektrooptischen Kristall
380 impulsförmig unter gleichzeitiger Zuführung konti
nuierlicher Laserstrahlung zugeführt, dann ergibt sich
auch die Ausgangsstrahlung 59 in Form entsprechender Impulse. Der Energiebetrag, der sich hierbei für jeden
Impuls ergibt, bestimmt sich aus der zugeführten Laser-Strahlungsenergie und der Periode der Impulsfol-
eo ge.
Umgekehrt läßt sich aber auch bei arderer Betriebsweise eine kontinuierliche Ausgangsstrahlung 59 aus
dem optischen Speicherring erzielen, wenn die Laserstrahlung 40 in Form von Impulsen zugeführt wird. Ein
einmal in den Speicherring eingekoppelter Lichtimpuls zirkuliert nämlich immer weiter. Um eine quasi
kontinuierliche Ausgangsstrahlung zu erhalten, wird ein geringer Bruchteil der zirkulierenden Lichtenergie aus
dem optischen Speicherring am Ende eines jeden Umlaufs ausgekoppelt. Der Grad der Auskopplung
bestimmt sich durch den Betrag der an den elektrooptischen Kristall 380 angelegten Spannung. Um eine
gleichförmige Ausgangsstrahlung in Form eines kontinuierlichen Ausgangsstrahls 59 zu erhalten, muß die
Spannung am elektrooptischen Kristall 380 am Ende eines jeden Umlaufes leicht angehoben werden. Diese
Betriebsweise ergibt sich im einzelnen aus den graphischen Darstellungen nach F i g. 5. So zeigt
F i g. 5A die Impulsfolge der Laserstrahlung 40. An den elektrooptischen Kristall 380 wird eine Sägezahnspannung
gemäß Fig.5B angelegt. Die Sägezahnperiode stimmt dabei mit der Impulsperiode überein, so daß sich
schließlich die kontinuierliche Ausgangsstrahlung 59 ergibt, wie sie in F i g. 5C gezeigt ist.
Bei geeigneter, zweckgemäßer Auslegung des oben beschriebenen optischen Speicherrings benötigt das
Licht für einen kompletten Umlauf einige Nanosekunden. Wird nun als Laser 340 einer der bekannten Laser
verwendet, die einen Impuls alle 50 Nanosekunden liefern, dann überlappt der Impulsabfall des Eingangslichtimpulses
die Vorderflanke des im optischen Speicherring zirkulierenden Lichtimpulses. Wird die
Impulsdauer vergrößert, dann ergibt sich eine größere Überlappungszeitdauer. Die Ausgangsstrahlung 59
besteht dann also nicht aus einzelnen Impulsen, sondern besitzt im wesentlichen einen konstanten Pegel, der
höchstens leicht gewellt sein kann.
Die Anordnung nach F i g. 6 ist gegenüber den bisher beschriebenen Anordnungen so abgewandelt, daß sie als
Oberwellengenerator Verwendung finden kann. Das bedeutet, daß die Grundwelle des zugeführten Lichtstrahls
im optischen Speicherring so geändert wird, daß eine Ausgangsstrahlung entsteht, deren Wellenlänge
einer vorgegebenen Harmonischen entspricht. Während in den oben beschriebenen Beispielen die
verwendeten Hohlspiegel für alle Wellenlängen 100% reflektierend sind, ist dies im Ausführungsbeispiel nach
F i g. 6 nur für den Spiegel 310 der Fall, wohingegen der Spiegel 420, der ebenfalls als Hohlspiegel ausgebildet ist,
nur für die Grundwellenlänge 100% reflektierend ist. Er ist aber 100%ig durchlässig für eine vorgegebene
Harmonische. Im übrigen ist die Krümmung der Hohlspiegel in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen so gewählt, daß sich eine geringfügige
Fokussierung der jeweils übertragenen Lichtstrahlen ergibt. Im Lichtpfad zwischen den Spiegeln 310 und 420
ist ein nichtlinearer optischer Kristall 48 angeordnet. Der nichtlineare optische Kristall 48 kann dabei in einer
Vorrichtung untergebracht sein, die eine vorgegebene Kristalltemperatur konstant beizubehalten vermag. Im
übrigen ist der nichtlineare Kristall 48 mit Antireflexbelägen versehen.
Der aus dem Laser 340 austretende Lichtstrahl 40 besitzt die Polarisationsrichtung 41 und stellt eine
ίο kontinuierliche Strahlung dar. Beispielsweise läßt sich
hierfür ein Nd/YAG-Laser verwenden, der eine Ausgangsstrahlung bei einer Wellenlänge von 1,06 μηι
erzeugt.
Der Laserstrahl 40 wird, wie bereits oben beschrieben, in die optische Weiche 300 eingekoppelt, um
hieraus dann als Lichtstrahl 42 auszutreten, wobei die Polarisationsrichtung 41 beibehalten wird. Diese Einkopplung
geschieht praktisch verlustlos. Dieses Licht mit der Grundwelle zirkuliert im optischen Speicherring,
wobei die Verluste für jeden Umlauf weniger als 1% betragen. Wie bereits beschrieben, stellt sich dann
nach mehreren Umläufen ein Gleichgewichtszustand bei mehreren 100 Watt ein.
Die Grundwelle breitet sich im nichtlinearen Kristall 48 nur in einer Richtung aus. Der Umsetzungswirkungsgrad
während jedes Durchlaufs der Grundwelle ist umgekehrt proportional der vierten Potenz des
Durchmessers des im nichtlinearen Kristall 48 fokussierten Lichtflecks. Das bedeutet aber, daß dieser Lichtfleck
so klein wie möglich zu halten ist. Um eine solche Fokussierung zu gewährleisten, sind die Spiegel 310 und
420 in einer Entfernung zueinander angeordnet, die der halben Summe der Krümmungsradien beider Spiegel
310 und 420 entspricht.
Die Grundwelle läuft fortgesetzt im optischen Speicherring um, wohingegen die Ausgangsstrahlung
bei einer vorher bestimmten Harmonischen an dem hierfür transparenten Spiegel 420 in Form der
Ausgangsstrahlung 49 ausgekoppelt wird.
Ein solcher nichtlinearer Kristall 48, der zur Erzeugung der zweiten Harmonischen herangezogen
werden kann, ist ein Barium-Natriumniobat (Ba2NaNb5OiS)-KnSIaIl. Die Wellenlänge der zweiten
Harmonischen für den Ausgangsstrahl 49 beträgt 0,53 μΐη. Dies stellt die Wellenlänge des grünen Lichtes
dar: einer Strahlung, die sich bisher nur mit Gas-Lasern erzielen ließ.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Optische Weiche mit doppelbrechendem Medium zur Ein- und Auskopplung eines in einem
Ringlaser umlaufenden, polarisierten Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Achse (12) des nicht polarisationsdrehenden, doppelbrechenden Mediums (10) einen
spitzen Winkel (γ) zur die Lichteinfallsfläche darstellenden Grenzfläche (13) besitzt,
daß die Brechzahl (tjm«/) des jeweils den Grenzflächen des doppelbrechenden Mediums (10) vorgelagerten, einfach brechenden Mediums (11) sowohl bei
negativer als auch bei positiver Maximaldoppelbrechung des doppelbrechenden Mediums (10) jeweils
im wesentlichen seiner höheren Brechzahl entspricht,
daß der praktisch verlustlos durch das einfach brechende Medium (11) hindurchgelangende und auf
die Grenzfläche (13) auffallende, in der Ebene der optischen Achse (12) linear polarisierte Laserstrahl
(14 bzw. 20) bei Reflexion an der Grenzfläche (13) einen Lichteinfallswinkel (Θ) mit höherem Wert als
der des durch das Verhältnis niedrigere Brechzahl des doppelbrechenden Mediums (10) zur Brechzahl
famed) des einfach brechenden Mediums (U)
vorgegebenen, kritischen Winkeis (8crn) besitzt,
indem für Reflexion an der Grenzfläche (13):
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US87417469A | 1969-11-05 | 1969-11-05 | |
US87417369A | 1969-11-05 | 1969-11-05 | |
US87417169A | 1969-11-05 | 1969-11-05 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2053327A1 DE2053327A1 (de) | 1971-05-13 |
DE2053327B2 true DE2053327B2 (de) | 1981-02-26 |
DE2053327C3 DE2053327C3 (de) | 1981-11-19 |
Family
ID=27420480
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19702053327 Expired DE2053327C3 (de) | 1969-11-05 | 1970-10-30 | Optische Weiche zur Ein- und Auskoplung eines in einem Ringlaser umlaufenden Laserstrahls |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2053327C3 (de) |
FR (1) | FR2070711B1 (de) |
SE (1) | SE361741B (de) |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1285073B (de) * | 1963-04-11 | 1968-12-12 | Siemens Ag | Anordnung zur inneren Modulation der Strahlung eines quantenmechanischen Senders |
US3481661A (en) * | 1965-12-27 | 1969-12-02 | Ibm | Light deflector |
-
1970
- 1970-09-28 FR FR7036297A patent/FR2070711B1/fr not_active Expired
- 1970-10-30 DE DE19702053327 patent/DE2053327C3/de not_active Expired
- 1970-11-03 SE SE1483770A patent/SE361741B/xx unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
SE361741B (de) | 1973-11-12 |
DE2053327C3 (de) | 1981-11-19 |
FR2070711B1 (de) | 1974-08-23 |
DE2053327A1 (de) | 1971-05-13 |
FR2070711A1 (de) | 1971-09-17 |
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Legal Events
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |