DE2232073A1

DE2232073A1 - Polarisations-strahlenteiler fuer laser

Info

Publication number: DE2232073A1
Application number: DE2232073A
Authority: DE
Inventors: Samuel J Holmes; Frank Joseph Woodberry
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1971-08-16
Filing date: 1972-06-30
Publication date: 1973-02-22
Also published as: FR2149344A1; GB1319936A; CA954357A; JPS4829453A; US3704934A; FR2149344B3

Description

DIPL-.NG FRANZ WERDERMANN _HAMBURG ^ . g fl , PATENTANWALT ·™ *ä λ. λ «s λ r» λ

INNOCENTIASTRASSE 30 223/073 TELEFON 452139

U. 72038 Fl.

Union Carbide Corporation 270 Park Avenue,New York, N. Y. (V. St. v. A.)

Polarisations-Strahlenteiler für Laser.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S. Anmeldung Ser. No. 172 130 vom 16. August 1971 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Bauelemente in Läsersystemen und insbesondere auf einen verbesserten Polarisations-Strahlenteiler für Laser mit insbesondere hohen Laserstrahl-Leistungsdichten.

Polarisations-Strahlenteiler dienen in bekannter Weiee dazu, eine hohe Durchlässigkeit für die P-Komponente von Laserlicht und ein hohes Reflexionsvermögen für die S-Komponente desselben zu ergeben. Eine bekannte Ausführung eines derartigen Strahlenteilers besteht aus einem Prismenpaar, wobei die Diagonalflächen beider Prismen vermittels eines auf einer Diagonalfläche aufgebrachten dielektrischen Mehrschichtenbelages miteinander verkittet sind. Bei hohen Leistungsdichten von beispielsweise mehr als 100 Megawatt pro QuadratZentimeter treten jedoch Beschädigungen an allen, in optischen Elementen verwendeten Kitt- oder Klebemitteln auf, so daß das Element unbrauchbar wird. In vielen Fällen wird zur Herstellung des Strahlen-

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tellers Calzitkriatall verwendet. Dieser Werkstoff ist jedoch sehr kostspielig und läßt sich nur unter Schwierigkeiten in größeren Stücken verarbeiten. Daher sind aus Calzit bestehende Strahlenteiler, auf solche Anwendungen beschränkt, bei denen das Laserstrahlungsbündel eine verhältnismäßig kleine Querschnittsfläche aufweist.

Schließlich sind die heutzutage erhältlichen Strahlenteiler im allgemeinen für eine bestimmte Wellenlänge wie z.B. eine Rubinlaser-Wellenlänge von 0,69** um oder eine Neodymlaser-Wellenlänge von 1,06 pm ausgelegt. Folglich muß für jeden einzelnen Laser ein besonderer Strahlenteiler verwendet werden. Dagegen wäre es für manche Lasersysteme vorteilhaft, einen Strahlenteiler zur Verfügung zu haben, der gleichermaßen gut für die Wellenlängen von Rubin- und Neodymlasern brauchbar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Polarisations-Strahlenteiler für Laser zu schaffen, der nicht mit den vorstehend beschriebenen Nachteilen der bekannten Strahlenteiler behaftet ist.

Der zur Lösung der gestellten Aufgabe vorgeschlagene Polarisations-Strahlenteiler für Laser besteht aus ewei Prismen, deren Diagonalfliehen unter Belassung eines kleinen Zwischenraums eng einander benachbart angeordnet sind, und ist erfindungsgeaäß gekennzeichnet durch ein an den sich gegenüberliegenden Randabschnitten der Diagonalflächen der beiden Prismen angeordnetes, diese Flächen in einem gegenseitigen Abstand haltendes und eine flache

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Kammer zwischen den Flächen ausbildendes Material, einen auf eine Diagonalfläche aufgebrachten dielektrischen Mehrschichtenbelag, der ein hohes Reflexionsvermögen für die S-Komponente, und eine hohe Durchlässigkeit für die P-Komponente eines Laserstrahlungsbündels aufweist, und durch einen die Kammer ausfüllenden fluorierten flüssigen Kohlenwasserstoff.

Die Diagonalflächen der beiden Prismen sind also nicht miteinander verkittet oder verklebt, sondern werden durch das Material eng einander benachbart gehalten. Die auf diese Weise gebildete Kammer ist mit einem flüssigen Kohlenwasserstoff gefüllt, dessen Brechzahl an die der Prismen angepaßt ist. Die Priemen können beispielsweise aus Glas bestehen.

Bei der vorgeschlagenen Anordnung befindet sich kein Zement, Kitt oder Klebstoff im Weg des Laserstrahlungsbündels, so daß die mit Laserstrahlungsbündeln hoher Leistungsdichte auftretenden Probleme wie Alterung oder Zersetzung des Kitt- oder Klebemittels vermieden werden. Bei Verwendung von Glasprismen in Verbindung mit der fluorierten Kohlenwasseretofflüssigkeit unterliegt die Größe des Strahlenteilers keinen Beschränkungen, so daß die Vorrichtung vielseitig und auch für Lasersysteme mit Strahlungsbündeln großer Querschnittsfläche verwendbar ist. Außerdem läßt sich der Strahlenteiler auch in großen Abmessungen im Vergleich zu Calzit-Strahlenteilern wirtschaftlich herstellen.

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Das dielektrische Mehrschichtenfilter bewirkt eine ausgezeichnete Trennung der Strahlungskomponenten über einen breiten Wellenlängenbereich, der die Wellenlängen von Rubin- und Neodymlasern umfaßt, so daß ein einziger, erfindungsgemäß ausgebildeter Strahlungsteiler für beide genannte Lasersysteme verwendbar ist.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines typischen Lasers, bei dem es sich um einen Rubin- oder Neodymlaser handeln kann, wobei sich der erfindungsgemäße Polarisations-Strahlenteiler im Wege des LaserstrahlungsbUndels befindet und zur Trennung der Strahlungskomponenten dient,

Fig. 2 eine schaubildliche Zerlegungsdarstellung der Einzelteile des in Fig. 1 dargestellten Strahlenteilers, Fig. 3 ein Querschnitt durch den Strahlenteiler

im zusammengesetzten Zustand und

Fig. *i eine qualitative grafische Darstellung des Durchlaßvermögens des Strahlenteilers innerhalb eines verschiedene Wellenlängen umfassenden Wellenlängenbereichee. In Fig. 1 ist schematisch ein Lasermedium 10 dargestellt, das von einer schraubenförmig gewendelten Blitz-

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lampe 11 umgeben ist, welche von einer Lichtpumpquelle 12 gespeist wird. Die Endflächen des Lasermediums bestehen entweder aus auf die Stirnflächen des Lasermediums IO aufgedampften spiegelnden Flächen oder aus in einem Abstand von den Stirnflächen angeordneten Endspiegeln. Die Darstellung von Fig. 1 ist lediglich schematisch, und die Ausbildung und Anordnung der Lichtpumpquelle und des Lasermediums sind lediglich zur Veranschaulichung gedacht. Das Lasermedium selbst kann aus einem Rubin- oder einem mit Neodym dotierten Lasermedium bestehen.

Das Laserstrahlungsbündel oder der Laserstrahl ist durch die Linie 13 angedeutet und durchsetzt entsprechend der Darstellung einen entsprechend der Erfindung ausgebildeten Polarisations-Strahlenteiler 14 für Laser. Der Strahlendler dient zur Trennung der P- und S-Komponenten des Laserlichts, die bei 15 bzw. 16 angedeutet sind.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der Strahlenteiler 14 aus zwei Prismen 17 und 18, die beispielsweise aus Glas hergestellt sein können. Aus Herstellungsgründen sind diese Prismen vorzugsweise rechtwinklig und weisen jeweils eine Diagonalfläche 19 bzw. 20 auf, die unter Belassung eines kleinen Zwischenraums eng einander benachbart angeordnet werden, so daß eine allgemein würfelförmige Form des Strahlenteilers erhalten wird. An den Randabschnitten der sich gegenüberliegenden Diagonalflächen befindet sich ein Material, durch welches diese Flächen in einem gegenseitigen Abstand gehalten werden. In Fig. 2

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ist dieses Material losgelöst von den Diagonalflächen bei 21 dargestellt und kann beispielsweise aus einem dünnen Abstandsstreifen wie z.B. aus Mylar bestehen, der an den Rändern der Diagonalflächen befestigt ist. Dabei werden bei 22 kleine Spalte oder öffnungen freigelassen. Eine der beiden Diagonalflächen ist mit einem dielektrischen Mehrschichtenbelag 23 versehen, der jedoch in Fig. 2 abgelöst von dieser Oberfläche dargestellt ist. Die Eintrittsund Austrittsflächen für den Laserstrahl sind jeweils mit einem entsprechenden reflexionsmindernden Belag 24 bzw. 25 versehen.

In Fig. 3 sind die Prismen 17 und 18 im zusammengebauten Zustand dargestellt, wobei ersichtlich ist, daß der Abstandsstreifen 21 zwischen den sich gegenüberliegenden Diagonalflächen 19 und 21 eine flache Kammer 26 bildet. Die Dicke dieser Kammer ist durch die Dicke des Streifenmaterials vorgegeben, welche zwischen 2,5¹I und 7,62 \xm betragen kann. Aus Fig. 3 ist weiterhin ersichtlich, daß der dielektrische Mehrschichtenbelag 23 auf die Diagonalfläche 19 des Prismas 17 aufgebracht ist.

Entsprechend der Erfindung wird die flache Kammer 26 durch die Spalte oder öffnungen 22 mit einer Flüssigkeit gefüllt, wonach die Spalte luftdicht verschlossen werden. Die Flüssigkeit besteht aus einem fluorierten Kohlenwasserstoff, beispielsweise aus dem unter der Bezeichnung FC-77 von der Firma DuPont vertriebenen Erzeugnis.

Diß Stärke ■;>;· den dielektrischen Mehr?chichten-

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belag 23 bildenden Schichten ist so bemessen, daß sich ein hohes Reflexionsvermögen bzw. eine hohe Durchlässigkeit für die S- und P-Komponenten 15 bzw. 16 des Laserlichts über einen verhältnismäßig breiten Wellenlängenbereich ergeben.

In Fig. 4 ist eine Durchlässigkeitskurve P dargestellt, welche die prozentuale Durchlässigkeit der P- Komponente im Wellenlängenbereich von etwa 0,6 ym bis 1,1 ym zeigt. Wie aus der grafischen Darstellung ersichtlich, ergibt sich eine sehr hohe Durchlässigkeit für die P-Komponente, und diese liegt zwischen den Wellenlängen von 0,690 μΐη und 1,060 ym bei mehr als 99 %.

Die gestrichelte Kurve S zeigt die Unterdrückung der S-Komponente im geradlinigen Durchgang durch den Belag. Der Reziprokwert dieser Kurve stellt damit das prozentuale Reflexionsvermögen in dem hier betrachteten Wellenlängenbereich zwischen 0,690 ym und 1,060 ym dar, welches somit bei mehr als 99 % liegt.

Dielektrische Mehrschichtenbeläge haben in der dem Fachmann geläufigen Weise eine hohe Durchlässigkeit und ein hohes Reflexionsvermögen für die verschiedenen Wellenlängen. Der für den erfindungsgemäßen Strahlenteiler verwendete spezielle dielektrische Mehrschichtenbelag bildet an sich nicht die Erfindung, sondern lediglich in Verbindung mit den Prismen, der zwischen diesen gebildeten Kammer und der in der Kammer befindlichen Flüssigkeit, welche insgesamt einen verbesserten optischen Strahlenteiler

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ergeben. Der dielektrische Mehrschichtenbelag kann beispielsweise aus 15 Schichten von angenähert Viertelwellenlängendicke bei einer mittleren Wellenlänge von 0,850 μηι aus Stoffen hohar und niedriger Bresihsahlen wie z.B. abwechselnden Ceroxid- und Magnesiumfluoridechichten bestehen. An den Grenzflächen sind geeignet® Anpaßschichten aufgebracht.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemfißen Strahlenteilers ist wie folgt» Die zwischen den sich gegenüberliegenden Diagonalflächen der Prismen befindliche Kohlenwaseerstofflüssigkeit ersetzt das herkömmliche Kitt -oder Klebemittel, das bei hohen Leistungsdichten zerstört werden würde. Wenn nun das in Fig. 1 dargestellte Strahlungsbündel 13 in den würfelförmigen Strahlenteiler 14 eintritt, bewirken die auftretenden Reflexionsinterferenzen eine hohe Durchlässigkeit für die P-Komponente und ein hohes Reflexionsvermögen für die S-Komponente. Die Eigenschaften sind dabei in der vorstehend beschriebenen Weise so gewält, daß mehr als 99 % der P-Komponente durch den würfelförmigen Strahlenteiler hindurchgehen und mehr als 99 % der S~Komponente aus diesem herausreflektiert wird.

Bei Verwendung von Glaspriemen mit flüssiger Grenzschicht, die in der beschriebenen Weise zusammengesetzt sind, ist die Größe des Strahlenteilars praktisch unbegrenzt, so daß dieser auch für Laserstrahlungsbündel großen Querschnitts verwendet werden kann. Per Strahlenteiler ist wie beschrieben so ausgelegt, daß er sowohl für Wellen-

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längen von Rubin- ale auch von Neodymlasern verwendet werden kann, so daß ein einziger Strahlenteiler für beide Systeme anwendbar ist. Der vorstehend beschriebene Strahlenteiler läßt sich verhältnismäßig preiswert herstellen und kann als Ersatz für die nach dem Prinzip der Doppelbrechung wirkenden und sehr kostspieligen Calzit-Strahlenteiler dienen.

Wie somit ersichtlich geworden sein dürfte, ist der erfindungsgemäß vorgeschlagene Polarisations-Strahlenteiler nicht mit den verschiedenen Nachteilen bekannter Strahlenteiler behaftet, ist jedoch in seiner Funktion diesen gleichwertig.

- Patentansprüche: -

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Claims

Patentansprüche :

.y Polarisations-Sfcrahlenteiler für Laser, bestehend aus zwei Prismen, deren Diagonalflächen unter Belassung eines kleinen Zwischenraums eng einander benachbart angeordnet sind, gekennzeichnet iurch ein an den sich gegenüberliegenden Randabschnitten der Diagonalflächen (19, 20) der beiden Prismen (17, 18) angeordnetes, diese Flächen in einem gegenseitigen Abstand haltendes und eine flache Kammer (26) zwischen den Diagonalflächen ausbildendes Material (21), einen auf eine Diagonalfläche (19) aufgebrachten dielektrischen Mehrschiohtenbelag (23), der ein hohes Reflexionsvermögen für die S-Komponente (16), und eine hohe Durchlässigkeit für die P-Komponente (15) eines Laserstrahlungsbündels (13) aufweist, und durch einen die Kammer (26) ausfüllenden fluorierten flüssigen Kohlenwasserstoff.
2. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekenneeiohnet, daß das an den sich gegenüberliegenden Randabschnitten angeordnete Material aus einem dünnen Streifen eines mit den Randabschnitten verkitteten Werkstoffs besteht, wobei die Stärke des Streifens zwischen 2,54 und 7,62 ym beträgt und die Dicke der Kammer (26) vorgibt.
3. Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennselchnet, daß die Prismen (17, 18) aus rechtwinkligen Priemen bestehen, die bei d&r einander eng benachba/'-■&.! Luge

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ihrer Diagonalflächen in etwa einen Würfel bilden, dessen Eintritts- und Austrittsflächen für das Laserstrahlungsbündel (13) jeweils mit einem reflexionsmindernden Belag (2^ bzw. 25) versehen sind.

Strahlenteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der den dielektrischen Mehrschichtenbelag bildenden Schichten so bemessen sind, daß das hohe Beflexionsvermögen und die hohe Durchlässigkeit für Laserwellenlängen im Bereich von 0,690 pm bis zu 1,060 μπι jeweils über 99 % betragen.

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