DE2259217A1 - Innenmodulierter laser - Google Patents

Description

RCA 64 534 4.Dezember 1972

U.S.Ser.No. 204,812 7458-72 Dr.ν.Β/Ε

Filed:December 6, 1971

RCA Corporation

New York N.Y. (V,St.A.)

Innenmodulierter Laser

Die vorliegende Erfindung betrifft einen innenmodulierten Laser, insbesondere einen Gaslaser, mit einem rohrförmigen Bauteil, das eine mit einem stimulierbaren F,luid gefüllte Längsbojirung und zwei einander entgegengesetzte offene Enden aufweist, von denen das eine durch eine an ihm angebrachte AbschlußVorrichtung verschlossen ist.

Die Innenmodulation von Lasern ist bekannt und wird z.B. zum Güte-Schalten von Impulslasern sowie zur Modulation eines Dauer- oder CW-Lasers durch ein Analogsignal verwendet. Ein innenmodulierter Laser enthält im wesentlichen einen optischen Resonanzhohlraum, in dem ein simulierbares Lasermedium und eine in Reihe mit diesem liegende Mocliationsvorrichtung angeordnet sind.

Das aktive, stimulierbare Lasermedium eines innenmodulierten Lasers kann ein Festkörper, wie ein Kristall (z.B. Rubin), eine Halbleiterdiode, z.B. aus Gallimarsenid,

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oder auch ein Gas, wie ein Helium-Neon-Gemisch sein. Gase werden jedoch bei innenmodulierten Lasern relativ selten als Lasermedium verwendet. Der Grund hierfür liegt darin, daß Gase von allen stimulierbaren Lasermedien den kleinsten Gewinn oder Verstärkungsgrad aufweisen. Die Modulationsvorrichtung, welche bekanntlich verschiedene Formen annehmen und z.B. als elektrooptischer oder akustisch-optiseher Modulator ausgebildet sein kann, wurde bisher gewöhnlich im Abstand vom aktiven Lasermedium angeordnet. Dies gilt besonders für Gase als Lasermedium, da das Gas in ein Gefäß eingeschlossen werden muß. Die bisherigen Anordnungen dieser Art enthielten also ein System aus getrennten Elementen, die jeweils in einer vorgegebenen Orientierung in bezug'aufeinander angeordnet sein müssen, und es war daher bisher nicht möglich, einen innenmodulierten Gaslaser in Form eines einheitlichen Artikels herzustellen, bei dem alle erforderlichen Elemente integral vereinigt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, einen innenmodulierten Laser, insbesondere einen Gaslaser, anzugeben, der die Form einer integralen Einheit hat und als einstückiger Artikel leicht in größeren Stückzahlen hergestellt werden kann.

Diese Aufgjtbe wird gemäß der Erfindung durch einen innenmodulierten Laser, insbesondere einen Gaslaser der elngancp genannten Art gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das andere Ende durch ein an ihm angebrachtes, festes akustischoptisches Bauteil verschlossen ist.

Ein solcher einheitlicher oder einstückiger Laser kann leicht in größeren Stückzahlen hergestellt werden und läßt sich auch von einem Nichtfachmann leicht in Betrieb nehmen,da praktisch keine Justierungen erforderlich sind.

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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung und

Fig. 2 eine in Richtung der Pfeile 2-2 gesehene Ansicht eines Teiles des Lasers gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 als Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte .Laser 10 enthält ein rohrförmiges Bauteil 12 mit einer Längsbo^hung 14. Das rohrförmige Bauteil 12 ist mit einem Kathodenraum 16, in dem sich eine Kathode 18 befindet, und mit einem Anodenraum 20, in dem sich eine Anode 22 befindet, verbunden. Das in Fig. 1 rechte offene Ende des Bauteils 12 ist durch eine an ihm angebrachte Abschlußvorrichtung 24 dicht verschlossen. Zur Befestigung der Abschlußvorrichtung 24 dient vorzugsweise ein vakuumdichtes Epoxyharz mit niedrigem Dampfdruck. Auf der Innenseite der Abschiußvorrichtung 24 ist ein erster dielektrischer Reflektor 26 angeordnet,der in direkter Berührung mit dem rechten Ende der Längsbohrung 14 steht und» das eine Ende eines optischen Resonanzhohlraumes begrenzt.

Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, ist mit dem offenen linken Ende des rohrförmigen Bauteils 12 das rechte Ende 3O eines festen akustisch-optischen Bauteils 28 dicht verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise wieder durch ein vakuumdichtes Epoxyharz niedrigen Dampfdruckes.

Das rechte Ende 30 des Bauteils 28 ist in einem vorgegebenen Winkel bezüglich der Längsrichtung der Längsbohrung 14 geschnitten. Dieser Winkel ist in Fig. 1 Der Winkel Θ ist das Komplement des Brewster-Winkels ent-

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sprechend der folgenden Gleichung:

0 = go⁰ -arc tan n,

wobei η der Brechungsindex des Materials des akustisch-optischen Bauteils 28 bei der Wellenlänge der Laserstrahlung ist. Das Bauteil 28 soll in dem Bereich des rechten Endes 30, wo dieses an die Längsbohrung 14 angrenzt und von der Laserstrahlung durchsetzt wird, optisch eben poliert sein. Der Umfangsbereich des rechten Endes 30 kann jedoch abgerundet sein, um das akustisch-optische Bauteil 28 bei der Befestigung am rohrförmigen Bauteil 12 leicht in die richtige Lage bezüglich der Längsbohrung 14 bringen zu können.

Die Gütezahl M eines akustisch-optischen Materials ist eine Funktion des Brechungsindex η bei der Wellenlänge des durchfallenden Lichtes, der photoelastischen Kopplungskoniponente p, der Dichte p, und der Schallfortpflanzungsgeschwindigkeit V gemäß der folgenden Gleichung:

M = n⁶ p² / pV³.

Das feste akustisch-optische Bauteil 28 soll aus einem Material mit einer verhältnismäßig hohen Gütezahl M bestehen. Geeignete Materialien sind Gläser, wie Gläser des Typs Schott SF 56, SF 58 und SF 59, Quaritzglas und eine Anzahl kristallischer Werkstoffe, wie Bleimolybdat.

Wie Fig. 1 zeigt, ist das linke Ende des akustischoptischen Bauteils 28 so geschnitten, daß es den oben erwähnten Winkel Θ mit dem rechten Ende bildet. Es läßt sich zeigen, daß sich das gebrochene Licht im Bauteil 28 unter diesen Umständen senkrecht zur Oberfläche des linken Endes des Bauteils 28 fortpflanzt.

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Ünmittelbar auf die Oberfläche des linken Endes des B—auteils 28 ist ein zweiter dielektrischer Reflektor 32 aufgebracht. Dieser zweite Reflektor 32 begrenzt das linke Ende des optischen Resonanzhohlraumes. Mindestens einer der . beiden Reflektoren 26 und 32 ist teilweise durchlässig, damit Strahlung aus dem Laser ausgekoppelt werden kann.

Mit der Oberseite des akustisch-optischen Bauteils 28 ist ein Körper 34 aus einem piezoelektrischen Material, wie PZT, verbunden. Damit ein externes Modulationssignal angelegt werden kann, ist der piezoelektrische Körper 34 mit einer oberen Elektrode 36 und einer unteren Elektrode 38 versehen. Wie dargestellt, kann der Anschlußteil der unteren Elektrode 38 in einem Kanal in der Oberseite des Bauteils 28 liegen.

Wie Fig. 2 zeigt, ist an der Unterseite des akustisch-optischen Bauteils 28 eine schallabsorbierende Anordnung 40 angebracht, die aus Aluminium oder irgend einem anderen schallabsorbierenden Material bestehen kann.

Die Längsbohrung 14, der Kathodenraum 16 und der Anodenraum 20 des Lasers 10 ist mit einem geeigneten stimulierbaren Gas gefüllt, z.B. einer Mischung aus Helium und Neon. Man kann selbstverständlich auch andere stimulierbare Gase oder Metalldämpfe verwenden.

Zur Inbetriebnahme des Lasers 10 werden die Kathode 18 und die Anode 22 mit einer Spannungsquelle 42 verbunden. Durch die Spannung zwischen Anode und Kathode entsteht ein Entladungsplasma in dem die Längsbohrung, den Kathodenraum 16 und den Anodenraum 20 einschließenden Entladungsgefäß. Ferner wird an die Elektroden 36 und 38 ein Modulationssignal gelegt, das aus einer modulierten Hochfrequenzspannung mit einer Frequenz im Bereich zwischen 5 und 50 MHz bestehen ■

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kann. Hierdurch werden akustische Schwingungen erzeugt, die sich von der Oberseite des akustisch-optischen Bauteils 28 zu seiner Unterseite ausbreiten, wo sie durch die Anordnung 4O absorbiert werden. Die akustisch-optischen Wirkungen des Bauteils 28 beruhen bekanntlich auf einem durch Brechungsindexänderungen gebildeten Phasengitter, das das das Bauteil 28 durchsetzende Licht beugt.

Der durch die RefM:toren 26 und 32 begrenzte optische Resonanzhohlraum bewirkt, daß Photonen der Laserwellenlänge, die durch stimulierte Emission im Plasma in der Längsbohrung 14 entstehen, ein Laserlichtbündel erzeugen, das zwischen den Reflektoren 26 und 32 durch die Längsbohrung 14 und das Bauteil 28 hin- und hergeworfen wird. Das Laserlichtbündel wird an der durch das rechte Ende 30 des Bauteils 28 gebildeten Grenzfläche gebrochen. Die Intensität des Laserlichts hängt von der effektiven Gesamtverstarkung des Lasers IO ab, wobei das ganze Laserlicht zu berücksichtigen ist, das durch den teildurchlässigen Reflektor 24 und/oder 32 austritt und daß durch Verluste, die die Amplitude des zirkulierenden Laserlichts im optischen Resonanzhohlraum begrenzen, verlorengeht.

Das Phasengitter, das durch die das Bauteil 28 durchlaufenden akustischen Schwingungen erzeugt wird, beugt das Laserlicht, so daß nur ein Teil des Laserlichts in der nullten Ordnung, also im ungebeugten Bündel verbleibt, während der Rest des Laserlichts im Bauteil 28 in gebeugten Bündeln höherer Ordnung erscheint. Der Winkelabstand zwischen den gebeugten Bündeln der verschiedenen Ordnungen hängt von der Frequenz des modulierenden Signals ab. Die relativen Intensitäten des Laserlichts in den Bündeln der jeweiligen Ordnungen hängt dagegen von der Amplitude des modulierten Signals ab. Wenn die Amplitude des modulierenden Signals 0 wird, nimmt die Intensität des Lasexlichts in der nullten Ordnung ein Maximum an, während die relative Intensität des Laserlichtes in der

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nullten Ordnung ein Minimum annimmt, wenn die Amplitude des modulierenden Signals ihren Maximalwert hat. Da das zirkulierende Laserlicht, das im optischen Resonanzhohlraum verbleibt, ausschließlich von dem Bündel nullter Ordnung stammt, läßt sich die Intensität des Laserlichtes also durch das an den piezoelektrischen Körper 34 angelegte modulierende Signal modulieren.

Die Tatsache, daß Gaslaser von Natur aus einen schlechten Verstärkungsgrad haben, erweist sich bei dem vorliegenden Laser 10 als Vorteil, da man dadurch einen Modulationsgrad von 100% mit einem relativ kleinen Amplitudenhub des modulierenden Signales erreichen kann.

Das anhand der Figuren 1 und 2 beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich in der verschiedensten Weise abwandeln. So kann z.B. das rechte Ende 30 des Bauteils 28 in beliebigem Winkel geschnitten sein und einen beliebigen Winkel (einschließlich 90°) mit der Längsachse der Längsbohrung 14 bilden, wenn man geeignete reflexionsverminderade Schichten verwendet. Das linke Ende des Bauteils 28, auf das der Reflektor 32 aufgebracht ist, wird dabei jedoch wie bisher senkrecht zu der Richtung geschnitten, in der sich das Laserlicht im Bauteil 28 nach Brechung am rechten Ende 30 des Bauteils 28 fortpflanzt.

Das Bauteil 28 wirkt ferner auch als Prisma, das eine Dispersion von einfallendem Licht verschiedener Wellenlängen verursacht. Durch geeignete Wahl des Winkels Θ läßt sich ein aktives Lasergas, das mehrerer Betriebsarten fähig ist, bei einer einzigen gewünschten Frequenz (Einfrequenzmode) betreiben und die anderen Moden unterdrücken.

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Claims (11)

1. Patentansprüche

   \/ Innenmodulierter Laser mit einem rohrförmigen Bauteil, das eine mit einem stimulierbaren Fluid gefüllte Längsbohrung und zv/ei einander entgegengesetzte offene Enden aufweist, von denen das eine durch eine an ihm angebrachte Abschlußvorrichtung dicht verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende durch ein an ihm angebrachtes, festes akustisch-qfcisches Bauteil (28) verschlossen ist.
2. 2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Fluid aus einem Gemisch von Helium und Neon besteht.
3. 3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das akustisch-optische Bauteil (28)aus Glas besteht.
4. 4. Laser nach Anspruch 3, dadurch g e kennzei chnet, daß das akustisch-optische Bauteil (28) aus Glas einer der Typen Schott SF 26, SF 58 oder SF 59 besteht.
5. 5. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dad u'r c h gekennzeichnet, daß das akustisch-optische Bauteil (28) aus Quarzglas besteht.
6. 6. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das akustisch-optische Bauteil<28) aus Bleimolybdat besteht.
7. 7. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der

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   Abschlußvorrichtung (24) und dem akustisch-optischen Bauteil (28) je ein Reflektor (26,32) angebracht ist, von denen mindestens einer teildurchlässig ist.
8. 8. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem rohrförmigen Bauteil (12) verbundene Ende (30) des akustisch-optischen Bauteils (28) in einer Ebene liegt, die mit der Längsrichtung der Längsbohrung (14) einen Winkel (Θ) bildet, der im wesentlichen gleich dem Komplement des arc tan des Brechungsindex des Materials des akustisch-optischen Bauteils bei der Wellenlänge der Laserstrahlung ist.
9. 9. Laser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem im erwähnten Ende (30) entgegengesetzten Ende des akustisch-optischen Bauteils (28) ein Reflektor (32) angeordnet ist, der in einer Ebene liegt, die mit der Längsrichtung der Längsbohrung (14) einen Winkel (2Θ) bildet, der im wesentlichen gleich dem Doppelten des Winkels zwischen dem ersten Ende und der Längsbohrung ist und daß die Ebene des entgegengesetzten Endes im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laseriichts. im akustisch-optischen Bauteil (28) verläuft.
10. 10. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Abschlußvorrichtüng (24) ein Reflektor (26) angeordnet ist, der mit einem zweiten Reflektor (32) einen optischen Resonator für das sich in Längsrichtung der Längsbohrung (14) und im akustisch-optischen Bauteil (28) ausbreitende Laserlicht bil- ' den.
11. 11. Laser nach Anspruch 10, dadurch

    gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Reflektoren tei!durchlässig ist.

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