DE2510355A1

DE2510355A1 - Den faradayschen effekt ausnutzendes optisches system zur blockierung eines lichtsenders gegen den einfall reflektierter strahlen und anwendung bei einem laserverstaerker

Info

Publication number: DE2510355A1
Application number: DE19752510355
Authority: DE
Inventors: Louis Jacob
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1974-03-12
Filing date: 1975-03-10
Publication date: 1975-09-18
Also published as: SE7502770L; FR2264294A1; IT1033151B; AU468804B2; CA1026449A; GB1494001A; US3963995A; FR2264294B1; AU7871675A; JPS50123449A

Description

10> März 1975

Dlpl..lng. Jürgen WEINMILLER ' 2510355

PATETSSESSOR PATENTASSESSOR

SOSPS GmbH

80OU München 80
Zeppelinstr. 63

COMPAGNIE GENERALE D'ELECTRICITE 54, rue La Boetie, 75382 PARIS CEDEX 08 (Prankreich)

DEN FARADAYSCHEN EFFEKT AUSNÜTZENDES OPTISCHES SYSTEM ZUR BLOCKIERUNG EINES LICHTSENDERS GEGEN DEN EINFALL REFLEKTIERTER STRAHLEN UND ANWENDUNG BEI EINEM LASERVERSTÄRKER

Die Erfindung bezieht sich auf den Faradayschen Effekt ausnutzende Systeme zur Blockierung eines Lichtsenders gegen den Einfall reflektierter Strahlen und Anwendung bei einem Laserverstärker.

Unter solchen Systemen versteht man eine optische . Vorrichtung, die so aufgebaut ist, daß ein sie in einer Richtung durchlaufender Lichtstrahl sie nicht wieder in der anderen Richtung durchqueren kann. Ein bekanntes Beispiel für eine solche'Vorrichtung ist schematisch in Fig. 1 gezeigt.

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Sie umfaßt auf einer gemeinsamen optischen Achse 1 hintereinander angeordnet einen Polarisator 2, ein nachfolgend Rotator genanntes Organ 3, das die Polarisierung eines Lichtstrahls dreht, und einen Analysator 4.

Ein nicht polarisierter Lichtstrahl 10, der in den Polarisator eindringt, verläßt ihn in Form eines in Richtung des Vektors Dl polarisierten Lichts. Das Licht durchläuft den Rotator 3, der einen einem axialen Magnetfeld H ausgesetzten Stab umfaßt; die Polarisationsrichtung des die Drehvorrichtung verlassenden Lichts wird durch den Vektor D2 gekennzeichnet; das Licht hat sich um einen Winkel a gedreht, der proportional zum Wert des Magnetfelds H und zur Länge des Stabs 3 ist (Faradayscher Effekt).Dieser Winkel a wird gleich 45 gewählt. Der Analysator 4 ist so ausgerichtet, daß seine Polarisationsebene parallel zum Vektor D2 verläuft. So läßt er den aus der Drehvorrichtung kommenden Lichtstrahl passieren. Wenn das aus dem Analysator kommende Licht wieder eintreten sollte, so würde es abgewiesen werden. Der Polarisationsvektor des zurückkehrenden Lichts kann nämlich in eine senkrecht zu D2 verlaufende Komponente und eine parallel zu D2 verlaufende Komponente zerlegt werden. Die senkrechte Komponente wird schon vom Analysator 4 abgewiesen, die parallele Komponente wird ebenfalls nicht durchgelassen, da sie im Rotator um 45° gedreht wird, so daß sie im Verhältnis zum Analysator um 90 gedreht ist.

Eine solche Vorrichtung arbeitet zufriedenstellend. Jedoch muß man bemerken, daß der Lichtstrahl eine ziemlich

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starke Glasschicht (mehrere 10 cm) durchlaufen muß.

In einem Hochleistungs-Glas-Laser, der einen Generator und mehrere Verstärker enthält, muß der Lichtstrahl über eine große Länge hinweg (1 bis 3 m) durch Glas geführt werden.

Es ist bekannt, daß der Lichtstrahl eine Tendenz zur Selbstfokussierung hat, vor allen Dingen wegen der unterschiedlichen Brechungs.zahl des Glases aufgrund des Vorhandenseins von starken elektrischen Feldern.

Je langer die im Glas zu durchlaufende Strecke ist, desto stärker macht sich die Fokussierung des Lichtstrahls bemerkbar und umso größer wird die Gefahr von Beschädigungen des Geräts. Deshalb ist es unbedingt erforderlich, die vom Lichtstrahl durchlaufene Strecke kurz zu halten.

Man hat daher versucht, eine Blockiervorrieh tung herzustellen, in der die vom Lichtstrahl durchlaufene Glaslänge möglichst kurz ist, damit der Selbstfokussierungseffekt des Lichtstrahls gemindert wird.

Die Erfindung bezieht sich also auf ein optisches System zur Blockierung eines Lichtsenders gegen den Einfall reflektierter Strahlen, das auf dem oben genannten Prinzip beruht und in dem die vom Lichtstrahl durchlaufene Glaslänge kurz ist. Sie bezieht sich außerdem darauf, ein solches optisches System mit einem Laserverstärker in einem einzigen Gerät zu kombinieren.

Gemäß der Erfindung ist ein optisches Blockiersystem mit einer Anzahl N von Platten mit parallelen Vorder- und Rück-

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Seiten, die aus einem Material mit Verdet-Konstante bestehen, und mit Mitteln, mit denen man auf alle Platten ein Magnetfeld einwirken lassen kann, wobei die erste Platte, die den einfallenden Lichtstrahl aufnimmt, im Verhältnis zu diesem Lichtstrahl so ausgerichtet ist, daß der Einfallswinkel angenähert gleich dem Brewsterwinkel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die übrigen Platten so ausgerichtet sind, daß einerseits der Einfallswinkel des jeweils empfangenen Lichtstrahls angenähert gleich dem Brewsterwinkel ist und daß andererseits die Normale auf einer der parallelen Seitenflächen einer Platte mit der Normalen auf einer der parallelen Seitenflächen der davorliegenden Platte einen Winkel einschließt, der gleich dem Winkel ist, um den der Polarisationsvektor des Lichts beim Durchgang durch die genannte davorliegende Platte aufgrund des Paradayschen Effekts gedreht worden ist, wobei die Anzahl N der Platten, das Material, aus dem sie bestehen, ihre Stärke und der Wert des Magnetfeldes so gewählt sind, daß die vom Polarisationsvektor des Lichts zwischen dem Eingang des Systems und seinem Ausgang durchgeführte Gesamtdrehung etwa 45 beträgt.

Ein Laserverstärker mit einem derartigen System ist dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Platten ein aktives Material ist, wie beispielsweise ein mit Neodym dotiertes Glas, wobei die Vorrichtung darüber hinaus mit einem Mittel zur Erregung des aktiven Materials, wie beispielsweise einer Blitzlampe, ausgestattet ist.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.

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Fig. 1 zeigt wie erwähnt ein bekanntes optisches System, das unter Ausnutzung des Faradayschen Effekts arbeitet.

Fig. 2 zeigt schematised eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Blockiersystems gemäß einer ersten Ausführungsform.

Fig. 3 zeigt schematisch in Perspektive eine zweite Ausführungsform eines erfxndungsgemäßen optischen Systems.

Fig. 4 stellt schematisch im axialen Schnitt einen Laserverstärker dar, in dem das System aus Fig. 2 verwendet wurde.

Das System wie es in Fig. 2 gezeigt wird, umfaßt mehrere Platten 1, 2, 3, 8, 9, 10, die um eine Linie 25 zentriert sind. Eine von einem elektrischen Strom I durchflossene Wicklung 30 umgibt die Platten und erzeugt eine Induktion B. Aus Gründen der klareren Darstellung werden in der Zeichnung lediglich sechs Glasplatten gezeigt, während in der Praxis meist zehn und mehr vorhanden sind.

Wenn beispielsweise ein Glas verwendet wird, das eine Verdetkonstante von 0,0001 Grad/cm.gauss für die eingesetzte Lichtwellenlänge aufweist, so genügt es, wie später gezeigt werden wird, zehn Glasplatten von jeweils 1 cm Dicke zu verwenden und dem Magnetfeld einen Wert zu verleihen, der eine Induktion von 45000 Gauss hervorruft.

Die Seitenflächen der ersten Platte 1, die den einfallenden Lichtstrahl 20 aufnimmt, sind in bezug auf diesen Lichtstrahl um einen Winkel a, der gleich dem Brewsterwinkel des Materials der Glasplatte 1 ist, geneigt. Wenn die Glasplatte

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aus einem Glas mit dem Brechungsindex 1,5 besteht, so beträgt dieser Winkel 56°31'.

Die Normale 11 der Seitenflächenebene der Platte 1 schließt daher mit dem Lichtstrahl 10 einen Winkel a ein. Die zweite Platte 2 ist so angeordnet, daß der von der Platte 1 kommende Lichtstrahl mit einem Winkel einfällt, der angenähert gleich dem Brewsterwinkel ist, und daß der Polarisationsvektor des von der Platte 1 stammenden Lichts in der Einfallsebene liegt. Das Durchqueren der Platte 1 hat den Lichtstrahl IO polarisiert und seinen Polarisationsvektor um einen Winkel b = kBe gedreht, wo k die Verdetkonstante des Materials der Platte 1, B die durch die Wicklung 30 hervorgerufene Induktion und e die Länge des vom Lichtstrahl im Innern der Platte 1 durchlaufenen Wegs ist. Wenn B = 45 000 Gauss, e = 1 cm und k = 10~ Grad/Gauss.cm ist, so ergibt sich für den Winkel b der Wert von 4°3O', d.h., daß die Normale 12 der Seitenflächenebene der Platte 2 mit der Normalen .11 der Platte 1 einen Winkel von 4°3O' einschließt.

Die Platte 3 wird zur Platte 2 so ausgerichtet, daß der Polarisationsvektor des aus der Platte 2 kommenden Lichts in der Einfallsebene der Platte 3 liegt. Wenn die Platte 2 dieselbe Stärke hat wie die Platte 1 und aus demselben Material besteht, dann schließt die Normale 13 der Seitenflächenebene der Platte 3 mit der Normalen 12 einen Winkel ein, der den oben bestimmten Wert b hat. (4°3Ο· im gewählten Zahlenbeispiel).

Die Platten sind alle auf diese Weise zueinander ausgerichtet. Damit dieses System seine Blockierfunktion ausüben

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kann, muß die Anzahl N der Platten, die vom Lichtstrahl in der Platte i durchquerte Länge e., der Wert der Induktion in Höhe der Platte i B. sowie die Verdetkonstante k. des Materials der Platte i dem Werte nach so beschaffen sein,

daß die Summe von 1 bis η von .<£* (k. .B. ,e.) = 45 ergibt.

£*^ X X j-

Der rückkehrende Lichtstrahl kann in zwei Lichtstrahlen zerlegt werden, in einen parallelen, dessen Polarisationsvektor parallel zum Polarisationsvektor des aus der Platte 10 (bei 45° der Normalen 11) stammenden Lichtstrahls ist, und in einen senkrechten Lichtstrahl, dessen Polarisationsvektor mit einem Winkel von 90° zum parallelen Lichtstrahl verläuft.

Der parallele Anteil läuft durch die Platte 10 zurück, wird jedoch beim rückläufigen Druchqueren der Platten 9, 8, 3 usw. immer mehr abgeschwächt, da sein Polarisationsvektor aufgrund des Faradayschen Effekts gedreht wird und sich immer mehr von den Einfallsebenen entfernt. Beim Durchqueren der letzten Platte 1 weist er im Verhältnis zur Sinfallsebene einen Winkel von 90 auf und ist somit gut gedämpft.

Der senkrechte Anteil wird durch die Platte 10, die er als erste antrifft, schon gut gedämpft und anschließend durch die Platten 9/ 8, 7 usw. immer weniger. Wenn man auf das Zahlenbeispiel zu Beginn dieser Beschreibung zurückgreift, so läßt sich zeigen, daß bei einer Induktion von 45 000 Gauss, bei zehn Platten von je 1 cm Stärke aus einem Material mit einer Verdetkonstante von 0,0001 Grad/Gauss.cm die Gesamtdrehung des Polarisationsvektors des das System durchlaufenden Lichts gleich 45 ist.

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Das in diesem Zahlenbeispiel beschriebene optische System ist so aufgebaut, daß die Gesamtlänge des vom Licht durchlaufenen Glases IO cm beträgt. Ein herkömmliches System würde unter denselben Materialbedingungen und bei derselben Magnetinduktion eine Glaslänge von 30 bis 40 cm benötigen. Es ergibt sich hier also eine bemerkenswerte Verringerung, durch die bei gleicher Lichtstrahlleistung die Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung aufgrund der Selbstfokussierung herabgesetzt werden kann.

In der in Fig. 3 gezeigten Variante sind die Platten in denselben Bedingungen angeordnet wie die Platten der Fig. 2, außer daß die Stellungen der Platten mit geradem Rang (2a, 4a usw.) aus den Stellungen der Platten mit geradem Rang (2, 4, usw.) aus Fig. 2 durch eine Drehung um 90 um die Linie 25 abgeleitet wurden. Der Grund für die Anordnung ist folgender : - im Beispiel der Fig. 2 muß der Lichtstrahl 20, um alle Platten zu durchlaufen, am Eingang der Platte 1 einen Winkel ungleich Null mit der Linie 25 bilden; er hat nämlich aufgrund der aufeinanderfolgenden Brechungen die Tendenz, sich von der Linie 25 zu entfernen; wenn zu Beginn sein mit der Linie 25 eingeschlossener Winkel zu klein ist, könnte es geschehen, daß der Lichtstrahl auf die letzten Platten des Systems nicht mehr auftrifft.

Mit der Variante gemäß Fig. 3 kann der Lichtstrahl nunmehr parallel zur Linie 25 auf die Platte 1 gelenkt werden, ohne daß er sich von dieser Linie entfernen würde.

In einem Hochleistungslaser finden sich nacheinander ein Lasergenerator, mehrere Verstärker und ein optisches Blockiersystem.

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Es zeigt sich, daß durch Ersetzen der herkömmlichen Blockiersysteme durch das erfindungsgemäße System die Länge des vom Licht durchlaufenen Glases um mehrere zehn Zentimeter verringert wird.

Diese Länge kann noch weiter um einen Wert vermindert werden, der dem Durchlaufen eines Laserverstärkers entspricht, indem man das optische Blockiersystem so vorsieht, daß es eine Laserverstärkung hervorrufen kann. Hierzu genügt es, die Platten aus aktivem Material herzustellen, wie beispielsweise aus Neodymglas, und eine Laserpumpvorrichtung wie beispielsweise eine Blitzlampe vorzusehen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines solchen gegen den Einfall eines reflektierten Strahls geschützten Laserverstärkers, der ausgehend von- dem optischen Blockiersystem aus Fig. 2 erhalten wurde.

Die in den Fig. 2 und 4 gemeinsamen Bauteile wurden mit denselben Bezugszeichen versehen. Jede Platte aus aktivem Material ist in einer Hülse wie beispielsweise 31 untergebracht; jede dieser Hülsen weist kleine Einschnitte auf, durch die Klemmen 32 gesteckt werden, die die Platten festhalten.

Die verschiedenen Hülsen sind in einem Rohr 33,vorzugsweise aus Glas, das sie an Ort und Stelle hält, hintereinander angeordnet. Um das Rohr 33 ist eine Blitzlampe 34 angeordnet, die das aus den Platten gebildete aktive Material erregt. Um die Blitzlampe herum ist die elektrische Wicklung 30 angeordnet .

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Auf dieselbe Weise kann ein Verstärker unter Verwendung des in Fig. 3 gezeigten Blockiersysteras hergestellt werden.

Ein Verstärker der soeben beschriebenen Bauart führt in einem Hochleistungslaser zu einer zusätzlichen Verringerung der Dicke des vom Licht durchquerten Glases.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 -) Optisches System zur Blockierung eines Lichtsenders gegen den Einfall reflektierter Strahlen mit einer Anzahl von Platten mit parallelen Seitenflächen aus einem Material, das eine Verdetkonstante aufweist, und mit Mitteln zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das auf diese Platten einwirkt, wobei eine erste Platte im Verhältnis zu einem einfallenden Laserstrahl so ausgerichtet ist, daß der Einfallswinkel gleich dem Brewsterwinkel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Sextenflächenebenen der verschiedenen übrigen Platten (2, 3, 8, 9, 10) so ausgerichtet sind, daß einerseits der Einfallswinkel des empfangenen Lichtstrahls angenähert gleich dem Brewsterwinkel ist und daß andererseits die Normale (12, 13) einer Seitenflächenebene einer Platte mit der Normalen der Seitenflächenebene der davorliegenden Platten einen Winkel einschließt, der gleich dem Winkel ist, um den der Polarisationsvektor des Lichts beim Durchqueren der davorliegenden Platte aufgrund des Paradayschen Effekts gedreht wird, wobei die Anzahl der Platten, das Material, aus dem sie gebildet werden, ihre Dicke und die Magnetfeldstärke so gewählt sind, daß die gesamte vom Polarisationsvektor des Lichts durchgeführte Drehung zwischen dem Eingang des Systems und seinem Ausgang angenähert etwa 45° beträgt.

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2 - Laserverstärker, der ein optisches System gemäß Anspruch 1 enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1, 2, 3, 8, 9, 10) aus einem aktiven Lasermaterial bestehen, und daß Mittel (34) zur Erregung des aktiven Materials vorgesehen sind.

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