DE2127463A1 - Moden-Selektor für Scanlaser - Google Patents

Description

Philips Patentverwaltung GmbH., 2 Hamburg 1, Steindamm 94·

Modon-Selektor für Scanlaser

Die Erfindung bezieht sica auf einon Koden-Selektor mit einer einen elektro-optischen Effekt zeigenden Platte in einem elektrischen Feld zur Steuerung der Schwingungsrcoden in einem Scanlaser.

Ein Scanlaser ist ein Laser, dessen Ausgangsstrahl wahlweise in verschiedene Richtungen gesch-'-ltet odor in verschiedene Positionen parallel versetzt werden kann. Ein solcher Laser besteht wie ein gewöhnlicher Laser aus einem aktiven Medium, welches eine Verstärkung des Lichtes bewirkt und einem Resonator, der für die Rückkopplung sorgt und damit eine Selbsterregung hervorruft. Der Resonator muß eine besondere Eigenschaft haben. Er muß entartet sein; d.h. er muß in verschiedenen Moden der gleichen Frequenz schwingen können. Fig. 1, zeigt einen solchen Resonator. Zwei Linsen 1 der Brennweite f stehen im Abstand 2f. Zwischen ihnen befindet sich das aktive Medium 2.

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Sch/KU -2~

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Auf beiden Seiten stehen im Abstand f von den Linsen parallele ebene Spiegel 3, 3'. Es sind verschiedene Moden möglich, die sich durch den Winkel α zwischen optischer Achse ο und Mittelachse m der Mode unterscheiden. In der Fig. 1 sind zwei derartige Moden durch ihre Achsen und ihre seitlichen Begrenzungslinien dargestellt (siehe Myers, R.Α., Pole, R.V.: The Electron Beam Scanlaser: Theoretical and Operational Studies, IBM Journal Sept. 1967, 502). .Eine genauere Untersuchung nach der Modentheorie ergibt den folgenden Zusammenhang: Alle Moden haben in der Mittelebene 4 zwischen beiden Linsen 1, 1· eine Taille vom Durchmesser 2w. und in der Brennebene 3" auf den Spiegeln ebenfalls eine Taille vcm Durchmesser 2Wp (Fig. 1b). Zwischen w^ und w~ besteht die Beziehung

W₁W₂ = fX/Vr

wobei f die Brennweite der Linsen und λ die Wellenlänge ist. Für ein hohes Auflösungsvermögen des' Scanlasers (möglichst viele räumlich um d bzw. h getrennte Brennpunkte in der Brennebene) sollte w_o möglichst klein sein. Ein optimaler Wert für W₂ ergibt sich aus den Abmessungen des aktiven Mediums .

Der in Fig. 1 dargestellte Resonator ist nur eine Form eines Scanlaser-Resonators. Es sind auch Resonatoren vorgeschlagen worden, bei denen die Brennebenen außerhalb der Spiegelebenen liegen. Das hat den Vorteil, daß unvermeidliche kleine Fehler auf den Spiegeln sich nicht auf die Güte der Resonanz auswirken.

Zu einem Scanlaser wird die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung dadurch, daß verschiedene Moden, die sich durch den Winkel α unterscheiden, wahlweise angeregt werden können, oder anders ausgedrückt: Es sollen Moden angeregt werden können, deren Brennpunkte mit dem Abstand voneinander wahlweise an verschiedenen Stellen der Brennebene liegen. Bei dem bekannten Scan-

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laser wird zu diesem Zweck in einer der Brennebenen (d.h. in der Ebene eines der Spiegel in Fig. 1) ein Modenselektor angeordnet. Das ist eine Vorrichtung, die den Reflexionsfaktor des Spiegels so steuert, daß nur jeweils ein bestimmter Bereich mit einem Durchmesser von ungefähr 2Wp hochreflektierend ist, der übrige Spiegel aber schlecht (z.B. weniger als 80/5) reflektiert. Das geschieht folgendermaßen: Vor dem Spiegel ist eine ebene Platte aus elektrooptischen Material (KDP) und außerdem eine doppelbrechende ebene Platte (Quarz) angeordnet. Die Quarzplatte verursacht eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes. Der Laser kann aber nun wegen der Brewster-Fenster, mit denen das Entladungsgefäß (es enthält das aktive Plasma) abgeschlossen ist, nur in einer bestimmten Polarisationsrichtung schwingen. Eine Drehung der Polarisationsebene führt daher zu Verlusten des Lichtes auf dem Hin- und Herweg. Der Laser wird daher nicht anschwingen. Mit Hilfe eines Elektronenstrahles wird nun an der geschwünschten Stelle des elektrooptischen Materials eine elektrische Ladung aufgeschossen. Sie veursacht ein elektrisches Feld in dem Material. Dadurch wird über den sog. Pockels-Effekt eine Drehung der Polarisationsebene bewirkt, die der vom Quarz herrührenden entgegengesetzt ist. Bei richtig gewählter Feldstärke, d.h. bei der richtigen Ladungsdichte wird die Gesamtdrehung verschwinden und die Verluste sind minimal'. Der Quarz schwingt dann in einer Mode, die an der gewählten Stelle einen Brennpunkt hat.

Die aus der KDP-Platte, der Quarzplatte und der Elektronenstrahlröhre bestehende Vorrichtung stellt also einen Modulator dar, der die Transmission des Lichtes örtlich.und zeitlich steuert. Diese Vorrichtung heißt optischer Selektor oder Moden-Selektor.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Moden-Selektor zu verbessern. Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß jeder Scan-Laser-Resonator mindestens zwei Brennebenen hat, Es ist

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daher nicht nötig, nur in einer Brennebene den-z.B. durch die Koordinaten χ und y bezeichneten Ort des Brennpunktes zu steuern. Stattdessen besteht die Erfindung darin, daß der Moden-Selektor aus zwei um 90° gegeneinander gedrehten identischen Selektoren besteht, die in je einer Brennebene des Laserresonators angeordnet sind und von denen der eine die x-Koordinate und der andere die y-Koordinate des Brennpunktes steuert.

Gemäß weiterer Erfindung werden die elektrischen Feldstärken zur Steuerung nicht mit Hilfe eines Elektronenstrahls, sondern durch ein System mit metallischen Elektroden erzeugt. Das ist besonders einfach, da das System nur zweidimensional ist, die Elektroden also zylindrische Gestalt haben können.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der einzelne Selektor nach Fig. 2 folgendermaßen aufgebaut:

Eineplanparallele Schicht oder Platte 5 aus elektrooptischen! Material (KDP, Nitrobenzol, flüssige Kristalle oder andere Stoffe, die einen elektrooptischen Effekt zeigen), wird auf beiden Seiten mit zwei gleichen aus parallelen Drähten bestehenden Gittern 6, 6¹ versehen. Die Drähte sollten möglichst dünn sein und einen Abstand von etwa 2w~ haben. Die beiden Gitter sind so angeordnet, daß sich jeweils zwei Drähte genau gegenüberstehen. Die elektrooptische Platte 5 ist so orientiert, daß bei fehlender elektrischer Feldstärke keine Drehung der Polarisation des Lichtes, welches die Platte senkrecht durchsetzt, auftritt. Zur Verbesserung der Transmission können beide Seiten der Platte, reflexionsvermindernde Schichten tragen.

Je nach verwendetem elektrooptischen Material können longitudinale (d.h. in Richtung des Lichtweges) oder transversale elektrische Feldkoraponenten erzeugt werden, je nachdem ob die Drähte b, b¹ eines Gitters gleich oder abwechselnd entgegen-

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gesetzte Potentiale haben. Im Falle longitudinaler Felder geschieht die Steuerung in der in Fig.3 dargestellten Weise. Die Drähte des einen Gitters 6 haben ein Potential +U, die des anderen 6' ein Potential -U. Nur zwei herausgegriffene benachbarte Drähte und die beiden gegenüberliegenden haben das Potential Null. Die ganze Platte 5 wird dann von elektrischen Feldern durchsetzt, der elektrooptische Effekt bewirkt eine Polarisationsdrehung und damit Verluste. Eine Ausnahme bildet nur ein streifenförmiger Bereich 5¹, in dem keine Felder auftreten und der durch die vier Elektrode · mit dem Potential Null begrenzt wird. Dort tritt keine Drehung auf und damit keine Schwächung einer durch die Brewster-Fenster polarisierten Lichtwelle.

Durch Umschalten der Potentiale auf andere Drähte kann der streifenförmige Bereich versetzt werden, wobei wahlweiser Zugriff möglich ist.

Eine abgewandelte Form eines Moden-Selektors zeigt Fig.4. Die elektrooptische Schicht 5 ist von vier zylindrischen Elektroden 7, 7' , 8, 8' umgeben. An den beiden Elektroden 7, 8 liegt eine Spannung +IL. bzw. -U*, an den beiden Elektroden 7', 8¹ entsprechend -Up bzw. +Up. Die Vorzeichen der Spannungen sind so gewählt, daß ein Quadrupolfeld entsteht. Ein solches Feld ist stark inhomogen und hat im Zentrum 5¹ einen feldfreien Bereich , wenn U₁ = U₂ ist. Ist dagegen U^U₂, so wird es nach wie vor einen feldfreien Bereich geben, er wird aber seitlich in Richtung auf die Elektroden mit der kleineren Spannung verschoben sein. Auf diese Weise läßt sich ein von elektrischen Feldern freier streifenförmiger Bereich innerhalb des elektrooptischen Materials längs der Linie 9 durch Änderung der Elektrodenspannung örtlich verschieben. Da nur innerhalb dieses Bereiches die Drehung der Polarisationsebene nicht auftritt, ist damit die Koordinate des Brennpunktes in einer der

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beiden Brennebenen festgelegt. Die Breite des Bereiches, in dem keine Polarisationsdrehung auftritt, ist umso kleiner,

je größer die Vierte der Spannungen IL· und Up sind. i

Patentansprüche:

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Claims (4)

1. Moden-Selektor mit einer einen elektro-optischen Effekt zeigenden Platte in einem elektrischen Feld zur Steuerung der Schwingungsmoden in einem Scanlaser, dadurch gekennzeichnet, daß der Moden-Selektor aus zwei um 90° gegeneinander gedrehten identischen Selektoren besteht, die in je einer Brennebene des Laserresonators angeordnet sind und von denen der eine die x-Koordinate und der andere die y-Koordinate des Brennpunktes steuert.
2. 2. Moden-Selektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmigeE elektrooptisches Material, beispielsweise KDP, von gitterartigen Elektroden umgeben ist, und elektrische Felder erzeugt werden, die überall ttit Ausnahme eines streifenförmigen Bereichs eine gewisse Mindeststärke überschreiten, in dem streifenförmigen Bereich aber verschwinden oder sehr klein sind.
3. 3. Moden-Selektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus zwei Gittern paralleler Drähte bestehen und die einzelnen Drähte ein solches Potential haben, daß entweder ein transversaler oder ein longitudinaler elektrooptischer Effekt in dem elektrooptischen Material auftritt.
4. 4. Moden-Selektor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß vier zylindrische Elektroden ein elektrisches Quadrupolfeld bilden, dessen mittlerer feldfreier Bereich durch Änderung der Spannung zwischen den Elektroden örtlich verschiebbar ist.

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