DE2053327C3

DE2053327C3 - Optische Weiche zur Ein- und Auskoplung eines in einem Ringlaser umlaufenden Laserstrahls

Info

Publication number: DE2053327C3
Application number: DE19702053327
Authority: DE
Inventors: Millard Alvin Poughkeepsie N.Y. Habegger
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-11-05
Filing date: 1970-10-30
Publication date: 1981-11-19
Also published as: FR2070711A1; SE361741B; DE2053327B2; FR2070711B1; DE2053327A1

Description

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 wünschenswert, ein nicht reziprokes optisches Glied zur Verfugung zu haben, um in einer ersten Einfallsrichtung einfallende Lichtstrahlen 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 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 Modulationsgliedes in zwei Polarisationsrichtungen zerlegt. Der Strahlungsanteil in der einen Polarisationsrichtung verläuft weiterhin im Ringlaser, wohingegen der Strahlungsanteil in der anderen Polarisationsrichtung, welcher aufgrund entsprechender Steuerung des Modulationsgliedes sowohl in gegenüber der einen Polarisaionsrichtung 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 kann. 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 einfallendcT 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 Lasersti ahlbeeinflussung, 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 verwendete optische Weiche in erster Richtung ein, so daß die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen parallel zur optischen Achse der doppelbrechenden Platte verläuft, dann ergibt sich ein erster Betriebszustand und fällt der Lichtstrahl auf die doppelbrechende Platte in zweiter Richtung ein, so daß die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der doppelbrechenden Platte gerichtet 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 Ringpfad leicht einkoppeln, so daß die Erforde-nis nicht mehr besteht, in einen optischen 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 höchstens gleich dem der Anordnung nach der obengenannten Auslegeschrift. Mit anderen Worten, mit einer optischen Weiche gemäß der Erfindung läßt sich ein Laser unter optimalen Bedingungen zur Erzielung seines höchsten Wirkungsgrades betreiben, 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 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 Lichtbrechungskörper verwendete Material besteht vorzugsweise aus 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 lassen.

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 bei fortdauernder Lasereinstrahlung ergibt.

Ein weiterer Vorteil bei Laserbetrieb mit der erfindungsgemäßen optischen Weiche ergibt sich daraus, daß Maßnahmen zur Verbesserung oder

:>o gesteuerter Beeinflussung der Laserbetriebsweise nun nicht mehr innerhalb der Laseranordnung selbst, also z. B. zwischen den Spiegeln eines Fabry-Perot-Interferometers, 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

ίο 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 Frequenzvervielfa-

i") chung 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

4j 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,

j(i 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

V) 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.

Wi 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

to Rin^pfad umlaufenden Laserstrahls so abgeändert, daß die doppelbrechende Platte in der optischen Weiche statt reflektierend durchlassig wird, dann gelangt der Lichtstrahl innerhalb des Lichtbrechungskörpers 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 folgen -n werden Ausführungsbeispielc der Erfindung annand der unten aufgeführten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 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,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für eine elektrooptische Weiche,

F i g. 4 sin 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 isi 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 Polarisationszustand 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 F i 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 I^ durch eine Brechungsindexgrenze an der Plattenober fläche 13 zum Medium 11 beeinflußt wird.

Die zweite Betriebsart für nichtreziproke Betriebs weise der optischen Weiche ist schematisch in Fig. Ί wiedergegeben. Der Lichtstrahl 20 fällt dabei gegenübei vorher in entgegengesetzter Richtung auf die Platten oberfläche 13 ein; d. h. mit Bezug auf den reflektierter Lichtstrahl 16 in Fig. 1. Die Polarisationsrichtung 21 des einfallenden Lichtstrahls 20 steht mit einei wesentlichen Komponente senkrecht zur optischer Achse 12, befindet sich jedoch in gleicher Ebene mi dieser optischen Achse 12. Da für die Platte 10 eine Substanz mit doppelbrechender Eigenschaft verwende wird, wirkt auf den Lichtstrahl 20 in erster Näherung de: ordentliche Brechungsindes der Platte 10 ein, der in wesentlichen mit dem Brechungsindex des Mediums 11 in dem die Platte 10 eingebettet ist, übereinstimmt. Da: bedeutet aber, daß in diesem Falle der Lichtstrahl 2( keine Brechungsindexgrenze feststellt, so daß die Platte 10 für den Lichtstrahl durchlässig ist, der dann als Strah 22 aus dieser Platte 10 austritt.

Es dürfte ohne weiteres klar sein, daß eine Substan; mit positiv doppelbrechenden Eigenschaften ebensogu als doppelbrechendes Material für die optische Weiche zu verwenden ist, wie das oben erwähnte Material. Eine solche Substanz ist z. B. Quecksilberchlorür. Besitzt da: für die Platte 10 verwendete Material positiv doppelbre chende Eigenschaften, dann muß der Brechungsinde> des Mediums 11 so gewählt werden, daß der in wesentlichen im dem außerordentlichen Brechungsin dex der doppelbrechenden Substanz übereinstimmt. Die Betriebsweise eines positiv doppelbrechenden opti sehen Bauelements unterscheidet sich von der nacl F i g. 1 und 2 insofern, als ein Lichtstrahl 14 durch die Platte 10 hindurchgelangen würde und der Lichtstrah 20 von der Platte 10 total reflektiert würde. Um die nichtreziproke Betriebsweise für die optische Weiche zi erhalten, ist es erforderlich, daß bestimmten Etedingun gen genügt wird. Für Totalreflexion gilt folgende Gleichung:

1 +

Für Θ δ 0,„, und totale Durchlässigkeit gilt dii Beziehung:

j/l + (-^J- - l) COS²C₁,+ 00

In diesen Gleichungen bedeutet qmcdder Brechungsin dex des Mediums, θ der Einfallswinkel des Lichtstrahl' 5}o der ordentliche Brechungsindex der doppelbrechen den Plattenmaterials, ij_e der außerordentliche Bre chungsindex des doppelbrechenden Platten material und γ den Winkel zwischen der optischen Achse de Platte 10 und der beleuchteten Plattenoberfläche. Θ' is der Beugungswinkel des einfallenden Lichtstrahls in de doppelbrechenden Platte 10, wenn im Durchlässigkeits betrieb 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 0g 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 Glasblocks 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 Glasblock 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 vor. etwa 72°.

In F i g. 4 ist eine vorteilhafte Anwendungsweise der in F i g. 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, nunmehr in viel wirksamerer Weise bei wesentlich geringerem Aufwand jeweils außerhalb des eigentlichen optischen Resonators getroffen werden können.

Wird die Sⁿannung an den clektrooⁿtischcn !Cristell 380 impulsförmig unter gleichzeitiger Zuführung kontinuierlicher 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-

Umgekehrt läßt sich aber auch bei anderer 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 konti- ■■> nuierlichen 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 Fig. 5. So zeigt κι Fig. 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 r> 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 2» 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 r> Überlappungszeitdauer. Die Ausgangsslrahlung 59 besteht dann also nicht aus einzelnen Impulsen, sondern besitzt im wesentlichen einen konstanten Pegel, der nöchstens leicht gewellt sein kann.

Die Anordnung nach F i g. 6 ist gegenüber den bisher i« 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 ⁴⁽¹ 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 Ausführungs- beispielen 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 kontinuierliche Strahlung dar. Beispielsweise läßt sich hierfür ein Nd/YAG-Laser verwenden, der eine Ausgangsstrahlung bei einer Wellenlänge von 1,06 μίτι erzeugt.

Der Laserstrahl 40 wird, wie bereits oben beschrieben, in die optische Weiche 300 eingekoppelt, um hieraus dann als Lichtstrahl 42 auszutreten, wobei die Poiarisationsrichtung 4Ί 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 (BaiNaNbsOisJ-Kristall. Die Wellenlänge der zweiten Harmonischen für den Ausgangsstrahl 49 beträgt 0,53 μιτι. Dies stellt die Wellenlänge des grünen Lichtes dar: einer Strahlung, die sich bisher nur mit Gas-Lasern erzielen ließ.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 ι ο darstellenden Grenzfläche (13) besitzt,
daß die Brechzahl (??„,«/) des jeweils den Grenzflächen des doppelbrechenden Mediums (IC) vorgelagerten, einfach brechenden Mediums (11) sowohl bei negativer als auch bei positiver Maximaldoppelbre- H chung 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 (r)mcd) des einfach brechenden Mediums (11) vorgegebenen, kritischen Winkels (ß_cm) besitzt, indem für Reflexion an der Grenzfläche (13):

i_lm„,sine,_Ti, =

35

und für Durchgang durch das doppelbrechende Medium (10) sowie Θ sä 0,,„:

//,„„/Λϊ'/ΐΘ =

;_/(, .SV/Z Θ'

l/l + (-4-

cos²(y + 0')

gilt, wobei η_η die Brechzahl für den ordentlichen Lichtstrahl, t)_c 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 Laserstrahls (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).