DE2350181A1

DE2350181A1 - Lasergenerator

Info

Publication number: DE2350181A1
Application number: DE19732350181
Authority: DE
Inventors: Francis Sanchez
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1972-10-06
Filing date: 1973-10-05
Publication date: 1974-04-18
Also published as: FR2202383B1; BE805313A; US3872402A; FR2202383A1; GB1393664A

Description

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Dipi-Irvg. K. LAMPiiECHT

Dr.-lng. R. BEETZ Jr. β MI»*Jt«n 22, 8t*irwdorfrr. Vi

410-21.5O3P 5. 10. 1973

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Lasergenerator

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lasergenerator mit einem eingeengten oder begrenzten Emissionsspektrum.

Sie ist in der Physik und insbesondere in der Optik immer dann anwendbar, wenn eine angeregte Strahlung mit schmalem Spektrum von einem Laser erhalten werden soll, der Licht in einem breiten Wellenlärigenbereich aussendet.

Das Problem einer Einengung oder Begrenzung des Emissionsspektrums eines Lasers oder, was nahe dabei liegt, einer Auswahl der longitudinalen Wellenschwingungen hat bereits mehrere Lösungen.

409816/088Q

410-(B4547.3)-Ko-r (8)

Eine erste Lösung besteht in einer Kopplung eines Hauptlaserresonators mit mehreren Hilfsresonatoren, deren Länge wesentlich unterhalb der Länge des Hauptresonators liegt. Die Übereinstimmungen der Frequenzen zwischen den Resonanzpunkten der beiden Resonatoren sind so ausgewählt, daß lediglich einige hervorragende oder ausgewählte Wellen schwingen können. Diese Vorrichtungen führen zu einem sehr komplizierten Aufbau, dessen Regelung immer schwierig ist. Sie passen zu gewissen Laserarten mit relativ schmalem Frequenzband (Gaslaser); aber da es mit diesen Vorrichtungen schwierig ist, zwischen ausgewählten Wellen große Spektralintervalle zu erhalten, sind sie für die Verwendung in Lasern mit einem sehr großen Emissionsfrequenzband wenig geeignet, wie dies der Fall ist für gewisse Festkörper-Laser (mit Neodym (Nd) dotiertes Glas) oder Flüssigkeits-Laser (Farbstofflaser).

Eine zweite manchmal benutzte Lösung besteht in der Einfügung eines Perot-Fabry-Etalons in den Hauptresonator, das bei der Übertragung arbeitet. Diese Lösung hat Vorteile, die in ihrer großen Einfachheit liegen. Sie paßt insbesondere gut zu Gaslasern, für die die spektrale Breite der Verstärkungskurve des aktiven Mediums relativ schwach ist. Tatsächlich setzt die Auswahl der Wellenarten mit Hilfe eines Perot-Fabry—Etalons (interferometer) voraus, daß das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenarten (Moden), die durch das Etalon übertragen werden, um ungefähr die· Hälfte größer ist als die Breite des Verstärkungsprofils des aktiven Mediums.

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e = Dicke des Etalons,

η = Index (Brechzahl) des Materials,, das das Etalon bildet, c = Lichtgeschwindigkeit, und

Δλ = Abstand der Wellenlängen zwischen zwei durch das Etalon übertragenen Wellenarten (Moden) um die Wellenlänge und

Δ-f = gleicher Abstand (frequenzmäßig)

gelten für diese Größen die folgenden Beziehungen, wie gezeigt werden kann:

= c/2en und Δλ = λ

2en

Wenn mit Lasern gearbeitet wird, deren Verstärkungsprofil relativ schmal ist, beispielsweise in der Größenordnung von einigen

3
10 MHz, was in der Wellenlänge einer Strahlung sbreite in der Gr ö-

o
ßenordnung von einigen 100 A entspricht, ist es möglich, zwischen zwei übertragenen Wellenarten mit einem Perot-Fabry-Etalon einer Dicke von ungefähr 2 cm ein spektrales Intervall dieser Größenordnung zu erhalten. Wenn dagegen die Breite des Profils wesentlich oberhalb einigen 100 A liegt, was insbesondere bei bestimmten Festkörper-Lasern und Farbstoff-Lasern der Fall ist, ist es praktisch ' nicht mehr möglich, ein Perot-Fabry-Etalon zu verwirklichen, das geeignet ist, nur einen schmalen Frequenzbereich aus dem gesamten Verstärkungsprofil auszuwählen. Für beispielsweise eine Breite des Verstärkung spr of ils von 200 A , die ein spektrales Intervall erfordert,

A098 1 B/088 Π

das frei ist von einem Auswahl-Etalon von ungefähr 100 A, fällt die Dicke e auf ungefähr 30 yum ab. Obwohl ein derartiges Plättchen mit seiner ganzen Festigkeit nicht unmöglich hergestellt werden kann, ist es dennoch offensichtlich, daß es sehr schwierig herstellbar ist, da die Qualitäten eines Perot-Fabry-Etalons zu einem großen Teil von der Parallelität seiner Flächen, vom Zustand der Oberfläche sowie von der Ausrichtung des Etalons insgesamt abhängen, wobei alle diese schwierigen Eigenschaften mit Plättchen einer ebenfalls geringen Dikke schwierig beizubehalten sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser mit sehr breitem Frequenzband und einer selektiven Einrichtung (Wähler) für Wellenarten (Moden) und daher einem Reduzierer für das Spektrum anzugeben, der die Nachteile der oben beschriebenen Vorrichtungen vermeidet. Das Hauptanwendungsgebiet der Erfindung betrifft also Laser mit einem breiten Verstärkungsband, einschließlich insbesondere Rubinlasern, Nd-Lasern und Farbstoff-Lasern, wobei dies selbstverständlich nicht der einzige Anwendungsbereich ist, da die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf bestimmte Gaslaser, insbesondere Ionenlaser mit einem relativ breiten Band, angewendet werden kann.

Diese Aufgäbe wird bei einem Lasergenerator mit eingeengtem Emissionsspektrum einschließlich.eines anregbaren und in einem Resonator vorgesehenen aktiven Mediums dadurch gelöst, daß der Resonator durch einen Spiegel mit großem Reflexionskoeffizienten und durch eine selektive Reflektoreinrichtung mit mehreren Plättchen mit parallelen Oberflächen gebildet ist, die aus doppelbrechendem Ma-

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terial parallel zur optischen Achse geschnitten sind, wobei die Plättchen parallel zueinander sowie zu ihren neutralen Linien sind, und wobei vor jedem Plättchen ein Polarisator vorgesehen ist, dessen Polarisationsrichtung mit den neutralen Linien einen Winkel von 45 bildet.

Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lasergenerators besteht darin, daß die Reflektoreinrichtung Plättchen aufweist, deren Eigenschaften und Lage so sind, daß die optischen Dicken, die von den Lichtstrahlen getroffen werden, sowie die doppelbrechenden Dicken geometrische Reihen bilden. Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel sind die geometrischen Reihen im Verhältnis 2, was die optischen Dicken anbelangt,' und im Verhältnis 4, was die doppelbrechenden Dicken anbelangt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der Einengung des Spektrums eines Lasers durch einen selektiven Reflektor,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Reflektoreinrichtung,

Fig. 3 Kurven der selektiven Reflexion der verschiedenen Filter, die die Reflektoreinrichtung bilden _r und

Fig. 4 eine Darstellung eines Lasers mit einem eingeengten Emissionsspektrum.

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Die Fig. 1 dient zur Erläuterung des Prinzips der Einengung des Spektrums eines Lasers mittels eines selektiven Reflektors oder Spiegels. In dieser Figur sind auf der Abszisse die Frequenzen F aufgetragen. Auf der Ordinate sind der Verstärkungsfaktor G des verstärkenden Mediums des Lasers, die Verluste P des Resonators, in dem das verstärkende Medium angeordnet ist, oder, was hierzu gleichwertig ist, der Reflexionskoeffizient R von einem der Spiegel aufgetragen, wenn der andere Spiegel einen Einheitsreflexionskoeffizienten aufweist. Die Kurve G stellt die Veränderungen des Verstärkungsfaktors des Verstärkermediums eines Lasers abhängig von der Frequenz dar. Die Breite auf der Grundlage der Kurve ist AF. Das Verstärker medium liegt in einem Resonator, dessen Verluste durch die Kurve P dargestellt sind. Die Fig. 1 entspricht einem Idealfall, bei dem die Veränderungskurve der Verluste abhängig von der Frequenz so ausgebildet ist, daß allein der mittlere Teil der Kurve des Verstärkungsfaktors des Verstärkermediums zu einer angeregten Emission führt. Tatsächlich überwiegt in diesem mittleren Teil der Breite Af der Verstärkungsfaktor des Verstärker mediums die Verluste, was die wesentliche Bedingung für eine Schwingung ist. Bei jeder anderen Frequenz überwiegen die Verlust e den Verstärkungsfaktor, und eine Schwingung ist unmöglich. Dies setzt natürlich voraus, daß die Breite der Kurve P mindestens in der Größenordnung der halben Breite AF/2 der Kurve des Verstärkungsfaktors liegt. In gleicher Weise müssen nicht nur die Verluste des Resonators, sondern auch der Reflexionskoeffizient der Reflektoreinrichtung beachtet werden, wenn vorausgesetzt wird, daß der andere Spiegel, der den Hohlraum bildet, einen Einheits-Reflexionskoeffizienten besitzt. Die Kurve R,

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die durch das Komplement der Kurve P zum Einheitswert erhalten wird, stellt also den idealen Reflexionskoeffizienten dar, der erhalten werden soll. Die vorliegende Erfindung will einen Laser mit einer selektiven Einrichtung angeben, die eine derartige Reflexionseigenschaft aufweist.

Die Reflektoreinrichtung, die zu diesem Ergebnis führt, ist allgemein in der Figur 2 gezeigt. In dieser Figur trifft ein Lichtstrahl 2 nacheinander einen ersten Polarisator P , ein Plättchen L mit parallelen Oberflächen und einer Dicke e , einen Polarisator P , ein

X ■ d»

Plättchen L' mit parallelen Oberflächen und einer Dicke e usw.

Cd dt

Die Plättchen L₁, L usw. mit parallelen Oberflächen sind aus einem

X M . ·

doppelbrechenden Material parallel zur optischen Achse dieses Materials geschnitten. Alle diese Plättchen sind zueinander sowie zu ihren neutralen Linien parallel. Die Plättchen sind durch Abstände a , a usw. voneinander getrennt. Vor jedem Plättchen ist ein Polarisator angeordnet, dessen Polarisationsrichtung einen Winkel vqn 45 mit den neutralen Linien bildet. In der Fig. 2 sind lediglich zwei Plättchen und deren zugeordnete Polarisatoien dargestellt; aber die selektive Reflektoreinrichtung, die bei der ,vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann mehrere derartige Anordnungen und insbesondere mehr als zwei Anordnungen aufweisen.

Im folgenden wird der Betrieb dieser Einrichtung näher erläutert. Das einfallende Lichtbündel 2 trifft auf den ersten Polarisator P , der eine Polarisationsrichtung begünstigt, und der jedoch nicht unbedingt ein Totalpolarisator ist, was weiter unten näher erläutert wird.

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Zur Vereinfachung kann angenommen werden, daß die Polarisation der einfallenden Strahlung hinter dem Polarisator P so ausgerichtet ist, wie dies durch einen Pfeil 4 dargestellt ist, d. h. sie liegt in der Ebene der Fig. 2. Weiterhin kann in gleicher Weise angenommen werden, daß die Polarisatoren vernachlässigbare Verluste aufweisen. Der einfallende polarisierte Strahl unterliegt auf der Eintrittsoberfläche des Plättchens L einer teilweisen Reflexion, was zu einem reflektierten Strahl 6 führt. Auf gleiche Weise unterliegt der von der Eintrittsfläche des Plättchens L durchgelassene Teil des Strahles einer teilweisen Reflexion an der Austrittsoberfläche dieses Plättchens, was zu einem zweiten reflektierten Strahl 8 führt. Ebenso unterliegt schließlich der Teil des einfallenden Lichtstrahles 2, der vom Plättchen L durchgelassen wurde, einer teilweisen Reflexion an der Eintrittsoberfläche des Plättchens L , was zu einem Teilstrahl 10 führt, der wieder den Polarisator P , dann das Plättchen L und schließlich den Polarisator P durchdringt. Die reflektierten Strahlen 6,8 und 10 sind in Wirklichkeit mit der Richtung des einfallenden Strahles 2 vermengt. Zur deutlicheren Darstellung wurden sie jedoch in üblicher Weise in der Zeichnung winkelmäßig zueinander versetzt, damit sie besser zu unterscheiden sind.

Obwohl die Beschreibung des Betriebsverhaltens der Reflektoreinrichtung eine Untersuchung der Interferenzen aller Teilstrahlen erfordert, die an den verschiedenen Dioptern reflektiert werden, auf die der einfallende Lichtstrahl 2 auftrifft, können zur Vereinfachung lediglich die Strahlen 6, 8 und 10 betrachtet werden, die weiter oben definiert wurden. Wenn das Plättchen L nicht doppelbrechend wäre,

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so würde lediglich eine solche interferometrische Erscheinung vorliegen, wie sie bei einem gewöhnlichen Perot-Fabry-Etalon auftritt, dessen Oberflächen nicht entspiegelt sind. Es ist bereits beschrieben worden, daß diese Erscheinung zu einer maximalen Reflexion für eine Folge von Frequenzen führt, die durch ein spektrales freies Intervall

getrennt sind, dessen Wert -—: beträgt, wenn-e und η jeweils

die Dicke und den Index (Brechzahl) des Plättchens L bezeichnen. Die Doppelbrechung im Plättchen L fügt dieser lediglich interferometrischen Erscheinung eine zweite polar im etrische Erscheinung hinzu: Damit die Teilstrahlen 6 und 8 konstruktiv interferieren können, ist es erforderlich, daß sich die Anfangspolarisation,· die durch den Pfeil 4 dargestellt ist und der Polarisation des reflektierten Strahles 6 entspricht, nach einem ersten Durchgang des Plättchens L , einer Reflexion an der Ausgangsfläche und einem zweiten Durchgang dieses Plättchens wieder einfindet. Die Phasendifferenz zwischen dem Strahl 6, der nicht durch das doppelbrechende Material gelaufen ist, und dem Strahl 8, der diesen Durchgang zweimal ausgeführt hat, beträgt

2e
2 Il

η = Abweichung der Indizes (Brechzahlen) entlang den beiden neutralen Linien des doppelbrechenden Plättchens L- . Die Folge der Wellenlängen, für die die Strahlen 6 und 8 die glei chen Polaritäten aufweisen, ist also gegeben durch:

2e ₁

2 B . —~—- = 2 k IT

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mit k = eine ganze Zahl. Für die Frequenzen F folgt:

F = k

^2ei

Das spektrale freie Intervall beträgt also c/2e Δη . Es kann daher angenommen werden, daß das doppelbrechende Plättchen L einem Plättchen der optischen Dicke e An entspricht, das aus einem homogenen Material besteht und dessen interferometrisches Verhalten untersucht wird. Mit anderen Worten, es müssen zur Untersuchung der Interferenzen zwischen den Teilstrahlen 6 und 8 gleichzeitig die interferometrischen Bedingungen, die einem Plättchen der optischen Dicke en entsprechen, und die polarimetrischen Bedingungen, die einem fiktiven gleichwertigen Plättchen der Dicke e.. A η entsprechen, untersucht werden. Im folgenden wird die "Dicke der Doppelbrechung" durch die Größe e An bezeichnet.

Auf gleiche Weise muß der Einfluß des Strahles 10 untersucht werden, der durch die Teilreflexion an der Eintrittsfläche des Plättchens L entsteht. Dieser Strahl durchquert den Polarisator P und

dt - d*

ist dann bei seinem Eintritt in das Plättchen L polarisiert. Sein Zustand nach dem Durchgang durch das Plättchen L ist so, wie wenn ein Strahl betrachtet wird, der zweimal ein Plättchen der halben Dicke durchquert hat. Die auf Reflexionen an den hinter dem Polarisator P

gelegenen Dioptern beruhenden Teilstrahlen können also so betrachtet werden, wie wenn sie auf einem gleichwertigen fiktiven homogenen Plättchen der Dicke e A η /2 beruhen.

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Zusammenfassend kann daher gesagt werden, daß eines der doppelbrechenden Plättchen der Dicke e, der Brechzahl η und der Doppelbrechung Δη, das in der Anordnung der Figur 2 vorgesehen ist, zu einem fiktiven System mit drei homogenen Plättchen gleichwertig ist, die optische Dicken en, e An und e An/2 aufweisen. Der Vorteil einer derartigen Vorrichtung ist offensichtlich: Der kleine Wert von A.η (für Quarz beträgt Zs. η 10 ) führt zu großen spektralen Intervallen, ohne daß es erforderlich ist, Plättchen sehr geringer Dicke herzustellen.

Wenn N ausgerichtete Plättchen verwendet werden, folgt aus den obigen Ausführungen, daß die Reflektoreinrichtung gleichwertig ist zu 2N-1 Paaren von Dioptern, die interferometrische Erscheinungen hervorrufen, N fiktiven Plättchen der doppelbrechenden Dicke e An und N fiktiven Plättchen der doppelbrechenden Dicke e An/2, was insgesamt 4N-1 Grundfilter ergibt. Wenn die Plättchen wie bei den bereits beschriebenen Vorrichtungen nicht doppelbrechend sind, beträgt die Anzahl der Grundfilter nur 2N-1. Aus dieser Gleichwer^ tigkeit folgt, wie mehrere doppelbrechende Plättchen,, die zwischen den Polarisatoren vorgesehen sind, eine sehr selektive Reflektoreinrichtung ermöglichen. Dies ist in der Fig. 3 dargestellt.

In dieser Figur ist eine Folge von Reflexionskurven verschiedener Grundfilter gezeigt, die die Reflektoreinrichtung bilden. In der Fig. 3a ist die Reflexionskurve des Plättchens dargestellt, dessen doppelbrechende Dicke am geringsten ist, nämlich e An · Das spektrale freie Intervall beträgt c/2e An. Diese doppelbrechende

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Dicke ist so berechnet, daß das entsprechende spektrale freie Intervall die Hälfte der halben Breite des Bandes A.F/2 des Verstärkungsprofils des verwendeten aktiven Mediums überschreitet. Es ergibt sich, wie dies bereits anhand der Fig. 1 näher erläutert wurde, daß ein derartiges System für sich allein zur Auswahl eines mittleren Bereiches geeignet ist, der relativ breit ist wiegen der geringen spektralen Empfindlichkeit der Reflexionskurve. Wenn dieser Bereich für zu sehr ausgedehnt gehalten wird, ist es erforderlich, dieser ersten Reflexionskurve eine zweite Kurve hinzuzufügen, die den ausgewählten Schwingungsbereich mehr einschränkt. Deshalb ist es erforderlich, daß das spektrale freie Intervall dieser zweiten selektiven Reflexionskurve kleiner als das vorhergehende spektrale freie Intervall ist. In der Fig. 3 b ist vorausgesetzt, daß das spektrale Intervall dieser zweiten · Kurve die Hälfte des spektralen freien Intervalles nach der Fig. 3a bildet.

Es ist also möglich, eine Folge von Kurven hinzuzufügen, indem nur die Erscheinungen polarimetrischer Natur betrachtet werden. Damit wird eine "polarimetrische Folge" SP erhalten. Die Kurven dieser polarimetrischen Folge gipfeln bei einem Wert, der theoretisch "1" entspricht, wenn die Verluste in den Polarisatoren als "0" angenommen werden. Die gesamte Reflexion einer derartigen Anordnung wird aus dem Produkt der Reflexionen durch jeden Teil erhalten. Diese Reflexion erreicht den Einheitswert, wenn eine vollständige Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Höchstwerten vorliegt.

Wie weiter oben näher erläutert wurde, können die großen spek-

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tralen freien Intervalle der polarimetrischen Folge leicht durch die Doppelbrechung und die Polarisatoren erhalten werden. Da immer größere Dicken der doppelbrechenden Materialien nach Maßgabe des Forts ehr eitens in der polarimetrischen Folge verwendet werden müssen, liegt dennoch eine Grenze vor, oberhalb der eine Verwirklichung des gewünschten freien spektralen Intervalles leichter ist, indem nicht die polarimetrische Erscheinung, sondern die interferometrische Erscheinung verwendet wird. Dieser Übergang erfolgt, da das' spektrale freie Intervall aufgrund eines polarimetrischen Ursprunges c/2e A. η in der Nähe eines spektralen freien Intervalles interferometrischen Ursprunges liegt. .

In der Fig. 3 c ist eine Reflexions kurve dargestellt ₅ die auf interferometrischen Ursachen beruht und durch ein freies spektrales Intervall der Form c/2en festgelegt ist= Um den Schwingungsbereich noch zu erreichen, ist diese Kurve anderen Kurven mit geringeren spektralen Intervallen zugeordnet. Beispielsweise ist in der Fig. 3d die letzte selektive Reflexionskurve dargestellt, die diese zweite Folge festlegt - sie kann als "interferometrische Folge" SI bezeichnet werden - und deren spektrales Intervall die Hälfte des spektralen Intervalles der vorhergehenden Kurve beträgt =

Wenn mit η , η ... η die mittleren Indizes der N Plättchen bezeichnet werden, dann ist der maximale Reflexionskoeffizient R, der erhalten werden kann, durch die folgende klassische Formel gegeben:

0 9 816/0880.

Dies setzt natürlich voraus, daß die maximalen Reflexionen jedes Plättchens übereinstimmen. Da die polarimetrische Folge eine selektive Reflexion ermöglicht, die theoretisch beim Wert "1" gipfelt, kann die maximale Reflexion der Anordnung der beiden polarimetrischen und interferometrischen Folgen also im Prinzip den vorhergehenden Wert R erreichen.

Die Einrichtung ist also, was ihre selektive Reflexion betrifft, durch die Einheit von zwei Folgen festgelegt, von denen die eine polarimetrisch und die andere interferometrisch ist, und die so aneinander angepaßt sind, daß die eine den Schutz (frz.: relais) der anderen übernimmt. In der Fig. 3 sind freie spektrale Intervalle dargestellt, die lediglich beispielsweise in einer geometrischen Reihe des Verhältnisses 2 vorgesehen sind. Es ist jedoch offensichtlich, daß diese Bedingung nicht notwendig erfüllt sein muß, da ebenso eine geometrische Reihe des Verhältnisses 2,5 oder 3 gewählt werden kann, wobei das Wesentliche darin liegt, daß die Zusammensetzung aller dieser Kurven einen möglichen einzigen Schwingungsbereich für den zugeordneten Laser ergibt. Dennoch ist der Faktor 2 von Bedeutung, da er eine Übereinstimmung gewisser Höchstwerte einer Reflexionskurve mit den kleinsten Werten der vorhergehenden Kurve erlaubt, was die Einmaligkeit des ausgewählten Bereiches festlegt. In der Praxis können daher die optischen Dicken e n,, en usw. ... der verschiedenen Plättchen und die Intervalle a , a usw. .., der zwi-

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sehen den Plättchen L , L usw. ... vorgesehenen Luftschichten _;so festgelegt werden, daß die gesamten optischen Dicken der .2 N-I Paare von Dioptern eine geometrische Reihe des Verhältnisses 2 oder in der Nähe des Verhältnisses 2 bilden.

Was nun die polarimetrische Folge anbelangt, so kann die durch die freien spektralen Intervalle gebildete geometrische Folge ebenfalls in vorteilhafter Weise in der Nähe des Verhältnisses 2 gebildet werden. Dennoch wurde ermittelt, daß ein Plättchen der Dicke e und ein Indexabstand A. η unter dem polarimetrischen Gesichtspunkt gleichwertig ist zu einem ersten fiktiven Plättchen der optischen Dikke eAn und zu einem zweiten fiktiven Plättchen der Dicke e A n/2. Wenn ein zweites Plättchen der Dicke 2e verwendet wird, ist es gleichwertig zu drei Plättchen der Dicken 2en, 2eAn und 2e Δη/2. Ein drittes Plättchen der Dicke 4e ist gleichwertig zu jeweils drei Plättchen der Dicken 4en, 4eAn und 4e Δ.η/2» Das Plättchen der Dicke 2e erscheint also vom polarimetrischen Gesichtspunkt als überflüssig , da es fiktive Plättchen bewirkt, die bereits durch Plättchen der Dicken e und 4e eingeführt wurden. Um die polarimetrische Folge der spektralen Intervalle in einer geometrischen Reihe des Verhältnisses 2 zu erhalten, genügt es also, Plättchen zu verwenden, deren doppelbrechenden Dicken e ^.η eine geometrische Reihe des Verhältnisses 4 bilden. Die beiden geometrischen Folgen sind angepaßt, wenn die größere der doppelbrechenden Dicken im wesentlichen die Hälfte der kleineren der doppelbrechenden Dicken beträgt. Wenn das Verhältnis der geometrischen Reihen 2 entspricht, ist die Verringerung des Spektrums der gesamten Anordnung auf N Plättchen im wesentlichen in der.

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4N-1
2 .In einem Fall, indem N=3 gilt, ist die Reflektor -

einrichtung gleichwertig zu 4N-I=Il Grundfiltern, die ein Verklei-

11 nerungsverhältnis des Spektrums von 2 »2 000 bewirken.

Wenn die obigen Bedingungen in gewissen praktischen Fällen schwierig zu verwirklichen sind, in denen nicht Plättchen genauer Dicke oder mit genauen Indizes vorgesehen sind, können den gegebenen Plättchen immer dünnere und leichter neigbare Plättchen zugeordnet werden, die die gewünschten Dicken oder die gewünschten Doppelbrechungen erlauben.

Die Polarisatoren P , P usw. müssen ihre Polarisationsrichtung unter 45 von den neutralen Linien der Plättchen haben. Deshalb liegt keine Beschränkung vor, was die Ausrichtung der Polarisationsrichtungen der einen Plättchen mit den anderen betrifft: Diese Polarisationsrichtungen sind nicht notwendigerweise alle unter sich parallel; und gewisse Polarisationsrichtungen können bis zu 90 von den anderen abweichen. Es ist deshalb offensichtlich, daß eine Drehung eines Polarisators um 90 die Fortpflanzungsbedingungen in dem System verändert und die gewählte Frequenz verschiebt.

Nach dieser Beschreibung des Betriebes der selektiven Reflektoreinrichtung soll nun der Betrieb des erfindungsgemäßen Lasergenerators näher erläutert werden, der in der Fig. 4 dargestellt ist. In dieser Figur liegt ein aktives Medium 20 in einem Resonator, der einerseits aus einem Spiegel 24 mit einem Reflexionskoeffizienten in der Nähe von "1" und andererseits aus einer selektiven Reflektor-

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einrichtung 26 besteht, die im folgenden näher beschrieben wird. Das aktive Medium wird durch geeignete Einrichtungen 28, insbesondere optische Einrichtungen, erregt. Die Reflektoreinrichtung 26 liegt in einem thermostatischen Behälter 30. Ein Polarisator 32 ist gegebenenfalls im Strahlengang 34 vorgesehen, der vom Lasergenerator ausgeht. Die Einrichtung 26 umfaßt mehrere doppelbrechende Plättchen 36 und Polarisatoren 38, von denen zur Vereinfachung der Darstellung lediglich zwei Paare dargestellt sind.

Im folgenden wird der Betrieb eines derartigen Lasergenerators näher erläutert. Das aktive Medium 20 hat ein sehr breites Verstärkung sSpektrum, in dessen Inneren ein gerader oder ausgerichteter Bereich gewünscht wird. Hierfür dient der selektive Reflektor 26. Der vom Lasergenerator ausgesandte Strahl 34 hat deshalb ein schmales Spektrum. Die ausgewählte Frequenz hängt von den Reflexionseigenschaften der Einrichtung 26 ab. Da die Doppelbrechung temperaturempfindlich ist, ist es einerseits erforderlich, diese Einrichtung thermostatisch zu halten, um stabile spektrale Eigenschaften zu erhalten, was durch den thermostatischen Behälter 30 erreicht wird; und es ist andererseits möglich, durch Ausrichtung der Temperatur dieses Behälters die ausgewählte Frequenz zu verschieben und folglich einen Strahl 34 zu erhalten, dessen Wellenlänge einstellbar ist. .

Die im Innenraum des Lasers gelegenen Polarisatoren 38 können nicht totalpolarisierend sein. Tatsächlich ist bereits beschrieben worden, daß es in einem Laserinnenraum genügt, die geneigten homo-

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geften Plättchen anzuordnen, um die angeregte Strahlung insgesamt in der Einfallsebene zu polarisieren. Dagegen muß der Polarisator 32, der außerhalb des Innenraumes angeordnet ist, wenn er ggf. zur Auswahl einer Teilpolarisation verwendet wird, eine Totalpolarisation aufweisen. Hierzu kann ein "Glan-Prisma" oder jede andere bereits beschriebene Einrichtung verwendet werden.

Der von reflektierenden oder transparenten Schichten befreite ' Reflektor 26 ist vollkommen achromatisch, was ermöglicht, ihn bei einer großen Vielzahl von verschiedenen Lasern zu verwenden, für die die Emissionswellenlänge nicht notwendigerweise die gleiche ist. Beispielsweise ist es bei Farbstoff-Lasern insbesondere wünschenswert, den oben beschriebenen Laser für verschiedene Farbstoffe zu verwenden, deren Emissionsbereiche in einem breiten Spektrum von rot bis blau aufgeteilt sind. Mit der gleichen Einrichtung 26 können Lösungen von Rhodamin 6G oder Rhodamin B oder Fluoreszin oder Cumarin verwendet werden, ohne die selektive Einrichtung zu verändern. Die Abwesenheit von Schichten erlaubt es in gleicher Weise, laser nach der vorliegenden Erfindung für sehr große ausgesandte Leistungen zu verwenden, ohne daß die Gefahr einer Zerstörung vorliegt (Impulsbetrieb mit einem Verstärkungsmedium aus beispielsweise einem mit Nd dotiertem Glasstab oder Dauerbetrieb mit beispielsweise einem Stab aus YAG).

Was die doppelbrechenden Plättchen anbelangt, so können ohne Einschränkung der Erfindung auf einzelne Materialien Quarz oder Spat verwendet werden. Die Plättchen 38, die als Polarisatoren dienen, können Plättchen aus homogenem Silizium sein.

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Die bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Laser verwendete Reflektoreinrichtung erinnert in gewissen Punkten an ein "Lyot-Filter", weicht von diesem jedoch in den folgenden zahlreichen Punkten ab:

Die Plättchen L , L usw. müssen genau ausgerichtet sein, obwohl bei dem "Lyot-Filter" die Plättchen nicht parallel sein müssen.

Die Dicken der doppelbrechenden Schichten e An der Plättchen können eine geometrische Reihe des Verhältnisses 4 bilden, obwohl das Verhältnis bei einem "Lyot-Filter" nur 2 beträgt.

Die Einrichtung arbeitet mit der Reflexion, obwohl das "Lyot-Filter" im Durchlaßbetrieb arbeitet, was zu einer Verringerung der Reflexionen durch die nichtreflektierenden Schichten (was sie chromatisch macht) oder durch die angepaßten Medien führt, in denen die Teile vorgesehen sind.

Die Pplarisatoren brauchen nicht totalpolarisierend sein und können durch einfache geneigte Plättchen gebildet sein, obwohl bei dem Lyo.t-Filter die Polarisatoren alle kompliziert, teuer und zerbrechlich sind.

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Claims

Patentansprüche

lJ Lasergenerator mit eingeengtem. Emissionsspektrum einschließlich eines anregbaren und in einem Resonator vorgesehenen aktiven Mediums, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator durch einen Spiegel (24) mit großem Reflexionskoeffizienten und durch eine selektive Reflektoreinrichtung (26) mit mehreren Plättchen (L , L₀ ··.) mit parallelen Oberflächen gebildet ist, die aus doppelbrechendem Material parallel zur optischen Achse geschnitten sind, wobei die Plättchen parallel zueinander sowie zu ihren neutralen Linien sind, und wobei vor jedem Plättchen ein Polarisator (P , P ··.) vorgesehen ist, dessen Polarisationsrichtung mit den neutralen Linien einen Winkel von 45 bildet.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Folgen der optischen Dicken der Plättchen (L , L ) und der

Zwischenräume zwischen den Plättchen eine geometrische Reihe bilden.
3. Generator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der geometrischen Reihe in der Nähe von 2 liegt.
4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechenden Dicken der Plättchen eine geometrische Reihe bilden.

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5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der geometrischen Reihe in der Nähe von 4 liegt.
6. Generator nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die stärkste der doppelbrechenden Dicken im wesentlichen die Hälfte der schwächsten der doppelbrechenden Dicken beträgt.
7. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisatoren (P , P ...) transparente oder durchscheinende

J. tu

Plättchen sind,- die zur Achse des Generators geneigt sind.
8. Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Totalpolarisator hinter dem letzten doppelbrechenden Plättchen.
9. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung (26). in einem thermostatischen Gehäuse (30) mit einstellbarer Temperatur vorgesehen ist.
10. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium ein mit Nd dotiertes Glas ist.
11. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Medium eine flüssige Lösung ist, wobei der gelöste Stoff ein Farbstoff ist. '

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