DE2223298A1 - Lichtquelle mit stimulierter Emission einstellbarer Wellenlaenge - Google Patents

Description

Dipl.-Ing. Egon Prinz

Dr. Gertrud Hauser ⁸⁰⁰° ^{M ünchen 6}^

PjpL-lng. Gottfried Leiser ^.'^«V^-

Patentanwälte

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THOMSON-CSi¹

173, Bd.Haussmann

Paris 8e, P ran lere ich

lichtquelle mit stimulierter Emission einstellbarer Wellenlänge

Pie Erfindung betrifft ein Laser einstellbarer Wellenlänge bei welchem die stimulierte Emission in einem flüssigen. Medium oder einem amorphen Stoff angewendet wird,.

Bei den Pigmentlasern, auch Elüssiglasern genannt, kann die stimulierte Emission in einem ausgedehnten, Spektralbereich erzeugt werden; ein Sitter mit einstellbarer lieigung, das in den Reson_;anzh.ohlraum eingeführt wird, ermöglicht im allgemeinen die Wahl der gewünschten Wellenlänge.

Es ist andererseits bekannt,in; den Resqnanzjioh|r,aum einer Laservorrichtung eine dünne Schicht eines nematischen Kristalls einzubringen, auf der lichtdurchlässige Elektroden angebracht sind, damit im Innern äes Hohlraums mit Hilfe von an die Schicht angelegten Spannungen eine oder mehrere Schwingungszonen, ausgewählt werden, wobei der Kristall dann einfach die Rolle eines Verschlusses spielt.

Lei/Ba

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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den in den nematischen Flüssigkristallen bestehenden elektrooptischen Effekt zur Auswahl der Emissions wellenlänge in den Pigment lagern anzuwenden.

Nach der Erfindung iBt eine Lichtquelle mit stimulierter Emission einstellbarer Wellenlänge mit einem Erregungslichtgenerator, einem Verstärkermedium, und mit zwei Spiegeln , die zu beiden Seiten des Verstärkermediums angeordnet sind und einen optischen Hohlraum mit hohem Gütefaktor bilden, gekennzeichnet durch wenigstens eine Schicht eines nematischen Flüssigkristalls, die parallel zu den Spiegeln zwischen zwei Polarisatoren angeordnet und auf jeder ihrer Flächen mit wenigstens einer lichtdurchlässigen Elektrode versehen ist, wobei die Elektroden das Anlegen einer Spannung an wenigstens einen bestimmten Bereich der Schicht ermöglichen.

Die Anwendung des elektro-optischen Effekts macht es im Vergleich zu den Anordnungen mit Gitter möglich, einen kompakteren Aufbau und eine viel schnellere Durchstimmung des Spektralbereichs zu erzielen. Im Vergleich zu den anderen Materialien, die im allgemeinen zur Erzielung eines elektro-optischen Effekts verwendet werden, weisen die nematischen Flüssigkristalle den Vorteil auf, daß sie sehr viel billiger sind und nur geringe Steuerspannungen benötigen, die direkt von Transistoren erhalten werden können.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielahalber beschrieben. Die einzige Figur zeigt in perspektivischer Ansicht eine Lichtquelle nach der Erfindung.

Bei dem dargestellten Auafuhrungsbeispiel liefert eine Lichtquelle 1 ein Erregungslichtbändel 2, das die stimulierte Emission in einem Verstärkermedi um 3 auslöst,

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das in einem quaderförmigen Behälter 30 mit lichtdurchlässigen Wänden enthalten ist ι das Lichtbündel 2 steht senkrecht zu zwei Flächen des Behälters. Parallel zu den beiden anderen !flächen sind zwei Spiegel angeordnet, von denen der eine Spiegel 40 totalreflektierend ist, während der andere Spiegel 41 halbdurchlässig ist; diese Spiegel bilden zusammen einen optischen Resonanzhohlraura mit hohem Gütefaktor.

Ein gleichfalls quaderförmiger, lichtdurchlässiger und in Richtung der Achse des optischen Resonanzhohlraums sehr schmaler Behälter 50 ist an den Behälter 30 angefügt und hat eine Wand mit diesem gemeinsam. Der Behälter 50 enthält eine Schicht 5 eines nematischeη Flüssigkristalle. Die Innenwände deaBehälters 50 sind mit einer lichtdurchlässigen leitenden Schicht bedeckt, die zwei Elektroden 60 und 61 bildet, zwischen denen die Flüssigkristallschicht liegt , und an die eine einstellbare Potentialdifferenz V gelegt ist. Im Innern des Resonanzhohlraums und zu beiden Seiten der Behälter sind zwei Polarisatoren 70 und 71 in Ebenen angeordnet, die parallel zu den Ebenen der Spiegel liegen.

Durch Einwirkung auf die an die beiden Elektroden 60 und 61 angelegte Potentialdifferenz V wird die Wellenlänge des aus dem halbdurchlässigen Spiegel 41 austretenden parallelen Licht bündels 8 gesteuert.

Es ist nämlich bekannt, daß die nematischen Kristalle, die normalerweise doppelbrechend sind, außerdem unter der Wirkung eines elektrischen Feldes eine sehr beträchtliche induzierte Doppelbrechung aufweisen. Dieser Effekt entsteht bei kleinen angelegten Spannungen V, die kleiner als die Schwellenspannung Y-^ sind, bei welcher der Effekt

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der äytiamischen Diffusion entsteht; er ist außerdem stark von der Wellenlänge abhängig.

Es sei als Beispiel angenommen, daß die Polarisa-toren gekreuzt und um 45° gegen die neutralen Linien der nematischen Kristallschicht geneigt sind. Bei einer gegebenen Wellenlänge, die in einem Spektralbereich liegt, in welchem die stimulierte Emission des Verstärkermediums entstehen kann, gibt es dann stets eine Vorspannung V, für welche die Schicht als Halbwellenlängenschicht erscheint. Pur diese Wellenlänge dreht sich die vom ersten Polarisator festgelegte Polarisationsebene um einen rechten Winkel beim Durchgang durch die Schicht, und die Welle wird ohne Dämpfung vom zweiten Polarisator übertragen; der Gütefaktor des Hohlraums ist also nicht verändert. Je weiter man sich bei der gleichen angelegten Spannung von dieser Wellenlänge entfernt, umso stärker elliptisch wird die von der Schicht übertragene Schwingung, umso stärker wird sie vom zweiten Polarisator gedämpft, und umso mehr wird der Gütefaktor des Resonanzhohlraums herabgesetzt. Man verfügt somit über ein Mittel, mit welchem der Gütefaktor des Resonanzhohlraums und demzufolge die Wellenlänge der stimulierten Emission durch eine einfache elektrische Spannung gesteuert werden kann.

Das beschriebene System kann mit einer großen Anzahl von verschiedenen Verstäfckermedian arbeiten. Ein mögliches Beispiel ist Umbelliferon in Lösung in einer Flüssigkeit oder in einem Träger aus einem amorphen Stoff; der Spektralbe reich, in dem die stimulierte Emission entstehen kann, beträgt dann ejtwa 2000 R. Eine ausgezeichnete Erregungsquelle für ein solches Medium besteht aus einem irapulsweise betriebenen Stickstofflaser, dessen Emission im Ultraviolettbereich liegt.

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Die die Wellenlänge der stimulierten Emission steuernde nematische KristalIschicht kann sehr dünn sein, in der Größenordnung von etwa 10 Mikron; sie ist dann vollkommen durchsieht ig.Es ist möglich, Zinnoxidschichten als lichtdurchlässige Elektroden zu verwenden.

Die an die Elektroden angelegte Vorspannung schwankt zwischen O und 5 V; Bie induzierte Doppelbrechung bildet sich dann in einigen Millisekunden aus. Eine mögliche Variante für den Fall, daß sich die induzierte Doppelbrechung schneller ausbilden soll, besteht darin, zur Vorspannung an die Schicht Impulse mit einer Dauer von weniger als 50 ns anzulegen, die mit den den Erregun^aser steuernden Impulsen synchronisiert sind, wobei sich die Spitzenspannung um etwa 50 V ändert; obgleich diese Spannung sehr weit oberhalb der Schwelle liegt, bei deren Überschreiten der Effekt der dynamischen Diffusion eintritt, hat diese wegen der Kürze de.s Impulses keine Zeit , um sich auszubilden. Die Span~ nungen sind immer noch klein im Vergleich zu den Spannungen, die bei anderen zur Zeit bekannten elektrooptischen Vorrichtungen benötigt werden.

Der räumliche Aufbau des gesamten Resonanzhohlraums ist bemerkenswert einfach und kompakt. Ein bemerkenswerter Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die emittierende Fläche des Verstärker mediums verhältnismäßig ausgedehnt sein kann« Diese Eigenschaft kann dazu ausgenutzt werden, auf einer der Flächen der nematischen Kristallschicht mehrere verschiedene Elektroden anzubringen, die von unabhängigen Spannungen gesteuert werden, während die an der anderen Fläche liegende gemeinsame Elektrode auf ein Bezugspotential gelegt ist. Dadurch wird das monochromatische Lichtbündel durch ebensoviele nebeneinanderliegende parallele Licht-

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bündel ersetzt, wie unabhängige Elektroden vorhanden sind, wobei die Wellenlänge jedes Lichtbündels dann getrennt eingestellt werden kann.

Pate nta ns prüche

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Claims (3)

1. ⁷ 7223298

   Pa te nt ans prüche

   ( 1. ^Lichtquelle mit stimulierter Emission einstellbarer Wellen-—'"länge mit einem Erregungslichtgenerator, einem Verstärlcermedium, und mit zwei Spiegeln, die zu beiden Seiten des Verstärkermediums angeordnet sind und einen optischen Hohlraum mit hohem Gütefaktor · bilden, gekennzeichnet durch wenigstens eine Schicht eines nematischen Flüssigkristalls , die parallel zu den Spiegeln zwischen zwei Polarisatoren angeordnet und auf jeder ihrer Flächen mit wenigstens einer lichtdurchlässigen Elektrode versehen ist, wobei die Elektroden das Anlegen einer Spannung an wenigstens einen bestimmten Bereich der Schicht ermöglichen.
2. 2. Lichtquel-le nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung einen Wert hat, der kleiner als die Schwellenspannung ist, bei deren Überschreit©*» die Erscheinung der dynamischen Diffusion auftritt.
3. 3. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung an die lichtdurchlässigen Elektroden in Form von Impulsen angelegt wird, die mit den Erregungslichtimpulsen synchron sind, und daß der Spitzenwert der Spannung sehr viel größer als die Schwellenspannung ist, bei derenübersehreiten die Erscheinung der dynamischen Diffusion auftritt.

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