DE2306282A1

DE2306282A1 - Laser

Info

Publication number: DE2306282A1
Application number: DE2306282A
Authority: DE
Inventors: Ronald Douglas Ward
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1972-02-11
Filing date: 1973-02-08
Publication date: 1973-08-23
Also published as: NO137469C; NL7301956A; NL173003B; AU5204173A; US3831106A; JPS5424639B2; IT977226B; NO137469B; FR2171352B1; CA987775A; AU466196B2; GB1358023A; DE2306282B2; JPS4894386A; DE2306282C3; NL173003C; FR2171352A1; SE388732B

Description

23Q6282

Patentanwälte

DIPL.-ING. LEO FLEUCHAUS

DR.-ING. HANS LEYH

München 71,

Melchiorstr. 42

Unser Zeichen: A 12586

Ferranti Ltd.

Hollinwood-Lancashire

England

Laser

Die Erfindung betrifft einen Laser in Q-Sehaltuikj, mit einem Paar rechtwinkeliger Prismen, deren Hypotenusen-Flächen aufeinander zu gerichtet und im wesentlichen normal zu der optischen Achse des Lasers angeordnet sind und ihre rechtwinkeligen Scheitellinien im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen, um einen optischen Hohlraum zu bilden, in welchem ein aktives Lasermaterial angeordnet ist, einer Einrichtung zum Anregen diesos aktiven Materials, einem elektro-optisehen Q-Schaltgerät, das in dem optischen Hohlraum angeordnet ist und mit einem Polarisator zur Strahlaufspaltung, der zwischen dem aktiven Lasermaterial und derri Q-Schaltgerät angeordnet ist.

Laser mit Q-Sehaltung werden häufig dann verwendet, wenn die Ausgangsstrahlung in Impulsen gewünscht wird, beispielsweise bei der Entfernungsmessung. Wie bei den Lasern mit kontinuierlichem Ausgang nimmt die Energie zu, die von modernen Lasern mit Q-Sehaltung erzeugt wird. Dies führt zu Problemen bei Lasern, bei denen das

Lh/fi - 2 -

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(^Schaltelement ©Iss Kristall au© @in©m "Material alt solchen elektrooptischen Eigenschaften ist, dag ©s als "Xeicht-Schalter" verwendet werden kann·-Es wurS®.gefunden, da© fo@i hohen Energie-N&veaus." das

Material des Q~Seh®ittalstalls dBreh cSi® Strahlung beschädigt werden ketale die dureh äi@s®s Material tiipö«S"©hgeht, ,wie @s der Fall ist, w®nn des· optisch® Hohlraum-durch -sw©£ Reflektoren gebildet. , b@i denen dUjrdti ©inen @in T@il ä©3r @infall©RÖ@n Strahlung , ym dasi Ausg.aagsstratil au bilden« Dieses Pi?obl@m kann

®ίη Polarisator a-ur Strahlaufspaltung aag©©rösiat werden, wodurafo Strahlung,die in ©tasse· Ebmn® polarisiert ist, durch dl©ü© hindurch su ®ln®M R©flekfe©E in ä@ra Hohlraum läuft, während Strahlung,. di@ in ain@r hiairzu sesskrsehfessi Ebea© polarisi®s"fe ist, au© d©m Hohlramn heraus abgelenkt, wis-ct? raa~ d@a Äusgangsstrahl zu bild@n_o

Ein w@It@r©s Pirobl®» besteht in der H@rst®llung

©ptisehesi Eolilraöiass, ^?ss arforderlieh ist, w@ris Spisgol'benutst t-i©rd@a₀ luffises w@srd©& häufig anfeeE Bedingungen varw@nd©t, in denen si© mechaföischen- St6ß®B aBsg©s@tst minä_e s_oB_c bsi beweglichen Gs=- tandversiessusig, b©i welchen @® ©ehwierlg und t^wai" ist, piegel g®sa«s aiassai-iehten -und'di© ÄöSriehfemig a«£s"®ehfe aus

B®i ham®xm_g di© k@in© Q-Schaltkristall©" ^©rwenösn, wurde di©s@a F^oblea. üniscb, V©CT?eadöag voa total reflektierenden r®cht%yink®ligen Fs-ism©a als Eiid^Reflaktoran su lösen _o In elektrooptischen Lasern mit QhSchaltung konnt©n- soleh© Prisme.n bister j©·= doeh alsfat verwandet tJQKü&n₀ w@g©n des" Polarisatbns©ff®kt@, di@ .bei des "totalen Innanrefl©2siosa aöftE'sfeon «ad die di© Q^Sehaltuagi, die selbst won d@r F©l®rlsi@i¹uffig -abhängt,

csin©B Laser mit •Schaltisisg au sehaff©Hiff &®s di© vorgenannten E3acht®il© bei der

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Q-Schaltelement mit seiner schnellen Achse parallel zur Scheitellinie von einem der Prismen angeordnet 1st, und daß der Polarisator mit seiner Durchgangsfläche in einem beträchtlichen Winkel zu der schnellen Achse und zu der langsamen Achse des Q-Schaltelementes angeordnet ist.

Vorzugsweise liegt die Durchgangsebene des Polarisators in einem Winkel von 45° zu der schnellen und zu der langsamen Achse des Q-Schaltelementes.

Die Bezeichnung "in einem beträchtlichen Winkel" bedeutet, daß der fragliche Winkel eine Größe hat, die sich von O° oder von 90° nicht nur unwesentlich unterscheidet.

Die schnelle und die langsame Achse des Q-Schaltelernentes sind die Achsen, welche die Polarisierungs-Richtungen in dem Kristall darstellen, in welchen die durch den Kristall hindurchgehende Strahlung sich entsprechend mit maximaler bzw. mit minimaler Geschwindigkeit ausbreitet.

Die Durchgangsebene des Polarisators ist die Ebene, in der die durch den Polarisator in Richtung auf das benachbarte rechtwinkelige Prisma hindurchgehende Strahlung beim Austritt aus dem Polarisator polarisiert wird.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die schematisch in Seitenansicht einen erfindungsgemäßen Laser zeigt.

In der Zeichnung ist ein Laserstab L in einem optischen Hohlraum angeordnet, der durch zwei rechtwinkelige Prismen Pl und P2 begrenzt ist. Die beiden Prismen sind mit ihren Hypotenusen-Flächen Hl und

2 aufeinander zu gerichtet und im wesentlichen normal zu der optischen Achse X des Lasers angeordnet. Die Scheitelkanten Al und A2, an denen

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Form das Laserstabes.

Dia auf das Nicoische Prisma N fallende Strahlung tritt polarisiert aus dar Durchgangsebene das Prismas aus und gaht durch das Q-Schalt-βlernent Q. Dia linaar polarisierte Strahlung, die auf das Q-Eles»nt füllt, Kann betrachtet werden, als habe sie swei Komponenten, die längs der schnellen und der langsamen Achse polarisiert sind und sich längs der Achse X des Q-Schaltkristalls mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Die «wischen den beiden Komponenten auftretende Phasenverschiebung hängt ab von der Größe des an das Q-Elernent angelegten elektrischen Feldes.

Hegen der gewählten Orientierung der Prismen relativ zu dem Q-Schaltkristall fallen die beiden Komponenten auf die erste reflektierend« Fläche des Prismas P2, wobei die Polarisierungsebene der einen Komponente in und die Polarisierungsebene der anderen Komponente normal zur Einfallebene liegt. Der Einfall auf die zweite reflektierende Fläche erfolgt ebenso.

Da die totale innere Reflexion eine Phasenverschiebung zur Folge hat, die unterschiedlich ist für das Licht, das in der Einfalleebene polarisiert ist und das Licht, das normal zur Einfallsebene polarisiert ist, wird durch jede Reflexion eine weitere differenzielle Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponenten erzeugt.

Aufgrund der gewählten Orientierung, die gewährleistet, daß dl« Vektoren der Komponenten entweder normal zu oder in der Einfallsebene liegen und nicht geneigt zu dieser sind, können si« beide in Richtung der Einfallsebene und normal zu dieser zerlegt werden, wodurch zwei Vektoren entstehen mit unterschiedlicher Phase und gegebenenfalls auch Größe, wobei die differenziellen Phasenverschiebungen einfach additiv z.u nehmen sind.

Die rückfallende Strahlung vom Prisma P2 läuft zurück durch das Q-

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Sahaltelement wo eine weitere diffarensleiie Phasenverschiebung hinzukommt. Damit eine. Laserwirkung entsteht, rauS die Strahlung, die auf das polarisierende Prisma, H fällt in der Durchgangsebene des Polarisator s linear polarisiert sein« Wenn dies nicht der Fall 1st, ergeben eich swei Folgen*

1. kann ein Teil der Strahlung von der Trennebene des Polarisators reflektiert werden und einest .unerwünschten" Ausgangsstrahl bilden.

2. kann der hierdurch entstehende Energievorlust ausreichen, eine Laserwlrkuag su verhindern» .

Die linear polarisiert® Strahlung-, die durch das üicolsehe Prisma N., ISuft, wird während ihres Durchganges dtasrsh den Basars tab L verstärkt "und si© tritt aus, um in das Prisma PS einzutreten· Sei ihrem Durchgang dusreh das Prism® wird sie ailtptiseh polarisiert oder falls si© bereits b@i ihs?©is Bugehgeng 'torch ά&η Las©rstafe @liiptiseh polarisiert worden ist, wird aim differesisiffill® Phas@sv@rsehlebung verändert« Die Strahlung läuft dana gias-tiek dur@h Sen L@s@r@tab L amf- das Prisma M. Die Komponente der Strahlung $ Si© auf das Nicolscha Prisma fällt/ die In der B'orchgangs@b®n© dieses Prismas polarisiert ist, wird dursla das Prisma übertragen, vm Sie IjsssrtStigkoit aufrecht su erhalten, wlhrend di@ Komponent® <ä@r Strahliang, die in der senkrechten Ebene hiersu polarisiert ist, asas ctem &ptis<sU@n Raum felnsiws reflektiert wird mau Sen Aissgaagestraiil % bl!<ä@fe_e ... ·

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Durchgang der Strahlung durch da» Q-Schaltelemant und einmal durch das Prisma P2 ein ungerades vielfaches von TV ist* Diese Sttingungen ergeben sich aufgrund der relativen Ausrichtung der Prismen Pl und P2 und .des Q-Schaltelementes. Andere Ausrichtungen des Q-Sehalt* elementes und der Prismen würden su dem Problem fuhren, zwei Vektoren unterschiedlicher Phasen und Amplituden zusammenzufassen.

Bei einer anderen Ausrichtung dieser Elemente kann die an das Q-Element angelegte Schaltspannung unzweckmäßig hoch sein und die Spannungsänderung zum Umschalten des Lasers von Sin nach Aus kann eine andere sein als die Halbwellen-Spannung, wobei su bemerken ist» daß aus rein geometrischen Betrachungen die Differenz der Phasenverschiebung infdfce der Reflexion an den beiden Flächen des Prismas 180° beträgt.

Bei Verwendung eines Materials fUr das Q-Schalteleiäent, das in. Ab« Wesenheit eines elektrischen Feldes nicht dopp«lbr«cliend ist; so ist es notwendig, daß bei Verwendung ©Infacthar Splogslreflektoren die das Feld erzeugende Spannung awf «i.ßea Weä*% verändert wird, der notwendig ist, um das Q-El&rmnt auf 'KnIl Volt $u sperren. Um die Schaltgeschwindigkeit äss Q-Eiemaiit«» sw ashßima, kann Polarität der angelegten Spannung umgekehrt vn&xäBn, womit der Schalter öffnet. Die Verwendung von Prismen anstelle einfacher Spiegel macht es erforderlich, da£ eine dauernd« Vorspannung vorhanden ist, deren Stärke von der Differenz der Phasenverschiebung abhingt, die durch das Prisma P2 eingeführt wird. Wenn demzufolge die Spannung, die notwendig ist, um den Schalter su öffnen,dieselbe Polarität wie, aber eine kleinere Stärke als diejenige, die notwendig ist, um den Schalter zu sperren hat, dann kann die erstere Spannung auf Null gehalten werden, um den Steuerkreis des Q-Elamentes su vereinfachen·

Xn manchen Fällen hat ein Material (für das Q-£lement), derArt, die das Anlegen eines elektrischen Feldes erfordert, um den Durchgang «iner Strhalung durch sich selbst su sperren, den Machteil, daß das

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Ansprüche

Laser ait Q-Schaltung, mit einen Paar rechtwinkeliger Priemen, deren Hypotenusen-Flächen aufeinander au gerichtet und im wesentlichen normal zur optischen Achse des Lasers angeordnet sind und deren Scheltellinien, an denen der rechte Winkel anliegt, im wesentlichen senkrecht zueinander ausgerichtet sind« um einen optischen Hohlraum su bilden, einen aktiven Laseraaterial« das in dem optischen Hohlraum angeordnet ist, einer Einrichtung zum Anregen des aktiven Lasermaterials, einem elektrooptischen Q-Schaltelement in dem optischen Hohlraum und mit einem Polarisator sur Strahlaufspaltung, der «wischen dem aktiven Lasermaterial und den Q-Slement angeordnet ist« dadurch gekennzeichnet , da» das Q-Schaltelement mit seiner schnellen Achse parallel sur Scheitellinie von einem der Prismen (Pl bsw. P2) angeordnet ist und daß der Polarisator (N) mit seiner Durchgangsebene in einem wesentlichen Winkel su der schnellen und su der langsamen Achse des Q-Elementes angeordnet 1st.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet « das durch den Polarisator (M) ein Ausgangsstrahl (Z) von der Strahlung abgelenkt wird« dessen Energie durch die Winkel zwischen der Durchgangsebene des Polarisators einerseits und der schnellen Achse und der langsamen Achse des Q-Schaltelementes andererseits bestimmt ist.
3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daO die Durchgangsebene des Polarisators in einem Winkel von im wesentlichen 45° zur schnellen und sur langsamen Achse des Q-Schaltelementes angeordnet ist.
4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Polarisator ein Nicolsches

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Prisma ist·

S. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e kennzeichnet , daß das aktive Lasermaterial ein Feststoff ist, und daß die Einrichtung zum Anregen des Lasermaterials wenigstens eine Lichtquelle mit hoher Intensität aufweist.

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