DE2162848A1 - Anordnung zur steuerbaren richtungsablenkung optischer strahlung - Google Patents

Anordnung zur steuerbaren richtungsablenkung optischer strahlung

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Description

Anordnung zur ,steuerbaren Richtungsablenkung optischer Strahlung - . . ; · .
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur steuerbaren Richtungsablenkung optischer Strahlung , insbesonders Laserstrahlung, aus dem Inneren optischer Resonatoren in diskrete Richtungen, bestehend aus einem optischen Resonator und einem aktiven Material.
Im Zusammenhang mit der optischen Datenverarbeitung sind Einrichtungen erforderlich, die Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, in bestimmte Richtungen ablenken/ Der Wechsel zwischen zwei beliebigen Positionen des Lichtstrahls soll dabei möglichst rasch erfolgen. Zusätzlich wird ein hohes Auflösungsvermögen, d.h. eine große Anzahl unterscheidbarer Richtungen pro Raumwinkel gefordert.
Die bisher bekannten Anordnungen (siehe beispielsweise Applied Optics, Vol.. 10, 1966, S. 1675 - 1682) benutzen dafür externe Strahlablenkung zur Erzeugung verschiedener Strahlrichtungen, Unter externer Strahlablenkung ist dabei zu verstehen, daß der Lichtstrahl außerhalb des optischen Resonators durch einen mechanischen.oder elektrisch steuerbaren Lichtablenker in verschiedene Richtungen abgelenkt werden kann. Diese externen Verfahren weisen jedoch nur einen begrenzten Yfirkungsgrad oder eine zu geringe Strahlablenkung auf.
Der vorliegenden Erfindung lag nun die Aufgabe augrunde, eine Anordnung zur steuerbaren Richtungsablenkung optischer Strahlung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine hohe Umschaltgesohw.indigkeit zwischen zwei beliebigen Strahlrichtungen erzielt v/erden kann, bei einer Leistung von einigen
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Watt des abgelenkten Lichtstrahls und mit der ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.
Ausgehend von einer Anordnung, bestehend aus einem optischen Resonator, der das aktive Material zur Erzeugung der Laserstrahlung enthält wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß im optischen Resonator ein Lochspiegel derart angeordnet ist, daß. zwei Teilresonatoren entstehen, wobei im ersten Teilresonator das aktive Material so angeordnet istr daß sich nur der axiale Strahl im aktiven Material ausbilden kann und im zweiten Teilresonator ein steuerbarer Transversalinoden-Koppler angeordnet ist.
Dieser Transversalmoden-Koppler kann dabei ein elektrooptisch oder akustooptisch modulierbarer Kristall mit einem Phasenoder Amplitudengitter sein, oder eine senkrecht zur Aus— breitungsrichtung des Lichtstrahles elektrisch simulierte Blende, die die Verluste örtlich steuert.
Die vom Lichtstrahl durchsetzten G-renzflachen des Transversalmoden-Kopplers sind dabei entweder mit einem auf die Lichtwellenlänge abgestimmten Antireflexbelag versehen oder unter dem Brewsterwinkel zur Lichtausbreitungsrichtung angeordnet.
Der den Transversalmoden-Koppler enthaltende Teilresonator ist vorteilhafterweise ein konzentrischer Resonator, in dem der Transversalmoden-Koppler an der Stelle angeordnet ist* an der die Mittelpunkte der Krümmungsradien der diesen konzentrischen Resonator bildenden Spiegel zusammenfallen.
Vorzugsweise weist der Lochspiegel das Loch in der Mitte auf, während der Außenspiegel des den Transversalmoden-Koppler enthaltenden Teilresonators an einer Ecke eine Aussparung aufweist. · -
-Diese Aussparung ist vorzugsweise so bemessen, daß der axial VPA 9/712/1146 309825/0630 -3-
die optischen !Beilresonatoren durchlaufende Strahl .voll reflektiert wird. ■
Es wurde gefunden, daß die Kopplung transversaler Moden ein geeignetes "Mittel ist, die Ablenkung von licht strahlen aus dem Inneren optischer Resonatoren sehr effektiv bei Um-Schaltgeschwindigkeiten von 10 see und weniger zu ver- . wirklichen. Ein Transversal.moden-Koppler ist dabei ganz / allgemein ein Element, in dem die Eigenschaften des Raumes-,. die für die Liehtausbreitung verantwortlich sind, örtlich zeitlich schwanken. .. * -
Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden. - . Es zeigen: ■
Figur 1 eine erste Ausführungsforra der erfindungsgemäßen An-Ordnung, ■
Figur 2 eine Ansicht eines der Resonatorspiegel,
Figur 3 eine vorteilhafte Anordnung des Transversalßioden-Kopplers im optischen Resonator und
Figur 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die in Figur 1 dargestellte schematische Anordnung ermöglicht es, einen einzigen Strahl in eine, gewünschte Richtung aus dem Inneren eines optischen Resonators auszukoppeln. Mit 1_ ist hierbei das aktive Lasermater.ial bezeichnet, z.B. ein Hd-dotierter YACr-Sta/b. Die linke Seite des Stabes ist.mit einem Reflexbelag 2 mit möglichst hohem Reflexionsfaktor versehen. Die rechte Seite des Laserstabs 1 trägt einen Antireflexbelag für die verv/6ndcte Laserwellenlänge. Feben dem aktiven Material 1 befindet sich ein Spiegel 3 mit einem Loch 4 in der Mitte. Durch dieses Loch 4 wird die im aktiven Laserinaterial 1 verstärkte Laserstrahlung in den Teilresonator 11 eingekoppelt. Das
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Loch 4 ist dabei so dimensioniert, daß sich im aktiven Material nur der axiale Strahl ausbilden kann und im Teilresonator 11 alle nicht-axialen Strahlen verbleiben. Der Lochspiegel "3 ist auf seiner rechten Seite mit einem . Reflexbelag" mit möglichst hohem Reflexionsfaktor versehen. Sein Krümmungsradius ist R1. Das licht, das im aktiven Material verstärkt wird, tritt durch das Loch 4 im Lochspiegel 5 in den Teilresonator 11 ein und durchläuft dann den Transversalmoden-Koppler 5, der z.B. eine Brechungsindexvariation entsprechend cos k χ in x-Richtung und entsprechend cos k y in y-Richtung aufweist.
Eine solche Brechungsindexvariation läßt sich z.B. durch den akustooptischen oder elektrooptischen Effekt in geeigneten Kristallen erzeugen. Dabei kommen für den akustooptischen Effekt Z.B. 9C-HJO5 oder-PbMoO*-Kristalle in Präge. Für den elektrooptischen Effekt sind z.B. KTN-Kristalle geeignet.
Die vom Lichtstrahl durchsetzten Grenzflächen des Transversalmoden-Kopplerkristalls 5 werden vorteilhafterweise mit Antireflexschichten für die verwendete Laserwellenlänge belegt. Wenn in den Transversalmoden-Koppler 5 eine Welle mit der Portpflanzungsrichtung k in z-Richtung eintritt, so treten
ζ ■ "
ebene Wellen in die Beugung'sOrdnungen (m, n) mit (m, η = 0, + 1, + 2, . ..·) aus. Diese Wellen laufen auf den rechten' Spiegel 6 zu. Dieser Spiegel hat den Krümmungsradius Rp. Sein Reflexionsfaktor beträgt 100 $ für die verwendete Laserwellenlänge. Der Spiegel. 6 ist durch eine Aussparung an einer seiner Ecken so ausgebildet, daß nur der Strahl in der gewünschten BeugungsOrdnung (m, n) ausgekoppelt wird. Alle übrigen Strahlen, insbesondere derjenige der nullten Ordnung, und diejenigen der niedrigen BeugungsOrdnungen, in denen viel Energie enthalten ist, werden nicht ausgekoppelt. Ihre Energie bleibt im Teilresonator 11 und gelangt schließlieh durch Modenkopplung in den Strahl mit der gewünschten Baugungs-
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•rdnung (m, η). : .
Diese Energie "beträgt z.B. bei He-Ne-Lasern etwa 10 bis 100 mW oder bei YAG:lid5+-Lasern 1 bis 100 W im Dauerbetrieb.
Die Ablenkwirkungsgrade des Transversalmoden—Kopplers können unter 1 $> betragen und sind damit./sehr klein. Wenn ein Laser z.B. 1 W Leistung im Dauerbetrieb emittiert, so ist der Leistungsfluß im Inneren des Resonators etwa 100 W bei 99 i> Reflexionsfaktor des Auskoppelspiegels. Wenn nun der Reflexionsfaktor des Auskoppelspiegels auf 100 $ erhöht wird, so kann also 1 W, d.h. 1 fo des inneren Leis.tungsflusses von 100 W in die gewünschte Richtung z.B. nr= 1, η = 1 durch einen Ablenkwirkungsgrad von 1 $ des internen Transversalmoden-Kopplers emittiert werden.
Der Transversalmoden-Koppler kann durch ein Element verwirklicht werden, in dem auf elektrooptischen! oder akustooptischera Wege ein Gitter erzeugt wird. Diese Elemente ermöglichen Umschaltzeiten zwischen zwei beliebigen Richtungen
—7
von 10 see.
Der Lochspiegel 3 und der rechte Außenspiegel 6 bilden einen konzentrischen Teilresonator 11. Dort wo die Mittelpunkte der Krümmungsradien R1, Rg der beiden Spiegel zusammenfallen, befindet sich der Transversalmoden-Koppler 5. Dies hat zur Folge, daß die Strahlen der nichtausgekoppelten Beügungsordnungen in sich zurücklaufen und ihre Energie im wesentlichen nach und nach dem ausgekoppelten Strahl 7 zugeführt wird.
Figur 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform des verwendeten Resonatorspiegels 6, der ebenfalls einen möglichst hohen Reflexionsfaktor aufweist. Da die nullte Ordnung im optischen Resonator festgehalten werden soll, reicht die Aussparung 10 des Spiegels 6 nicht genau bis zur x- und y-Achse. Der
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Abstand ^' muß etwas größer als der halbe Strahldurchmesser am rechten Spiegel 6 gewählt werden. Durch zeitliche Steuerung von k und k kann die Richtung des Strahls 7 der Beugungsordnung (m, n) beliebig eingestellt werden.
Die Anzahl der auflösbaren Richtungen F pro Radian hängt von der Konfiguration des Resonators zwischen linkem Lochspiegel 3 und rechtem Außenspiegel 6 ab. Durch die Struktur dieses Resonators wird ein Strahldurchmesser d an der Stelle des Transversalmoden-Kopplers 5 definiert. Damit ist.:
Mit Λ ist dabei die Laserwellenlänge bezeichnet. Für .·'. = 1 /um und d -- 2 mm folgt N "^ 2000, d.h. innerhalb eines Winkels
von 1 liegen etwa 30 unterscheidbare Ablenkrichtungen.
Ein zweites schematisches Ausführungsbeispiel zeigt Figur Der Laserstab 1 ist hier an der dem Resonatorspiegel 2 abgewandten Seite unter dem Brewsterwinkel geschnitten. Auch die vom Lichtstrahl durchsetzten Grenzflächen des Transversalmoden-Kopplers 5 sind unter dem Brewsterwinkel zur Lichtausbreitungsrichtung angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 sind zusälzlich zwei P Linsen 8 und 9 rechts und links vom Transversalmoden-Koppler 5 angeordnet. Die vom Lichtstrahl durchsetzten Grenzflächen des Transversalmoden-Kopplers 5, sowie die dem Resonatorspiegel 2 abgewandte Seite des aktiven Materials 1 sind wiederum mit einem Antireflexbelag für die verwendete , Laserwellenlänge bedampft. Die Brennweite f.. der Linse 8 ist gleich dem Krümmungsradius R^ des Lochspiegels 3. Ein Strahlenbündel, das von einem Punkt der rechten Oberfläche des Lochspiegels 3 nach rechts läuft wird dadurch auf der rechten Seite der Linse 8 in ein paralleles Strahlenbündel umgewandelt, das in den Transversalmoden-Koppler 5 eintritt, Auf
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der rechten Seite des Transversalmoden-Kopplers 5 "treten dann eigene Wellen in die verschiedenen. Beugungsrichtungen aus. Diese Wellen werden von der linse 9 mit der Brennweite fg auf den rechten Spiegel 6 mit dem Krümmungsradius Rp fokussiert,"j Per Strahl"7 mit der Beugungsordnung (m, n) ist der Futzstrahl und wird durch die Aussparung des Spiegels 6 ausgekoppelt. Auqh hier reicht die Aussparung des Spiegels 6 nicht ganz Ms zur x- und y-Achse,. damit die nullte Ordnung im Teilresonator 11 festgehalten wird. Da die Brennweite f2 gleich dem Radius E2 des Spiegels 6 ist, laufen die Strahlen der reflektierten BeugungsOrdnungen in sich zurück. Ihre Energie wird nach und nach in Energie der gewünschten Beugungsordnung (m, n) umgewandelt.
Der Teilresonator 11 zwischen dem Lochspiegel 3 und dem Resonatorspiegel 2 ist so ausgebildet, daß eine Punktlichtquelle, die im Loch 4 des Lochspiegels 3 sitzt, und deren Licht durch das aktive Medium hin und zurück läuft in sich abgebildet wird, . Dadurch wird dem Transversalmoden-Koppler 5 ein breites Liehtfeld zur Verfügung gestellt, um die Anzahl der ünterscheidbaren Richtungen zu erhöhen. Die Lichtfeldbreite kann durch geeignete Wahl der Resonatordaten sehr groß gemacht werden. Bei einer Laserwellenlänge von Λ = 1 yum lassen sich bis zu 90 unterscheidbare Ablenkrichtungen pro Grad erzielen.
Auf die zusätzlichen Linsen 8 und 9 im Teilresonator 11 kann . verzichtet werden, wenn die vom Lichtstrahl durchsetzten Grenzflächen des Transversalmoden-Kopplers 5 durch geeignet gekrümmte Flächen ausgebildet sind. Auch in diesem Pail kann auf die Verwendung von Antireflexschichten auf den Grenzflächen des Transversalffioden-Kopplers verzichtet, werden, wenn dieser unter dem Brewsterwinkel zur Lichtausbreitungsrichtung im Resonator angeordnet ist.
9 Patentansprüche · . . ,
4 Figuren
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Claims (8)

  1. Patentansprüc h e
    s1) Anordnung zur steuerbaren Richtungsablenkung optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, aus dem inneren optischer Resonatoren, in diskreite Richtungen, bestehend aus einem optischen Resonator und einem aktiven Material, dadurch gekennzeichnet , daß im optischen Resonator ein Lochspiegel derart angeordnet ist, daß zwei Teilgesonatoren entstehen, wobei im ersten • Teilresonator das aktive Material so angeordnet ist, daß sich nur der axiale Strahl im aktiven Material ausbilden kann; und im zweiten Teilresonator ein steuerbarer Transversalmoden-Koppler angeordnet ist,
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Transversalmoden-Koppler ein 'elektrooptisch· oder akustooptisch modulierbarer Kristall mit einem Phasen- oder Amplitudengitter ist.
  3. 3· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Transversalmoden-Koppler eine senkrechte zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles elektrisch simulierte Blende ist.
  4. 4. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2,' dadurch g e k e η η « zeichnet , daß die vom Lichtstrahl durchsetzten Grenzflächen des Transversalmoden-Kopplers mit einem auf die Lichtwellenlänge abgestimmten Antireflexbelag versehen sind. ■ . ,
  5. 5. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die vom Lichtstrahl durchsetzten Grenzflächen des Transversalmoden-Kopplers unter .den Brewsterwinkel zur Lichtausbreitungsrichtung angeordnet sind.
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  6. 6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch -gekennzeichnet , daß der den Transversalmoden-Koppler enthaltende Teilresonator ein konzentrischer Resonator ist und daß der Transversalmoden-Koppler an der Stelle angeordnet ist, an der die Mittelpunkte der Krümmungsradien der diesen konzentrischen Resonator "bildenden Spiegel zusammenfallen.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Lochspiegel das Loch in der Mitte aufweist.
  8. 8. Anordnung nach Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Außenspiegel des den Transversalmoden-Koppler enthaltenden Teilresonator an einer Ecke eine Aussparung aufweist.
    9· Anordnung nach Anspruch 8, dadurch . gekennzeichnet , daß die Aussparung des Außenspiegels so "bemessen ist, daß. der axial die optischen Teilresonatoren durchlaufende Strahl voll reflektiert wird.
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