DE2632904A1 - Etalon - Google Patents
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Classifications
-
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- G01J3/26—Generating the spectrum; Monochromators using multiple reflection, e.g. Fabry-Perot interferometer, variable interference filters
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Description
GLAWE, DELFS, MOLL & PARTNER
PATENTANWÄLTE
DR.-ING. RICHARD GLAWE, MÜNCHEN DlPL-ING. KLAUS DELFS, HAMBURG
DIPL.-PHYS. DR. WALTER MOLL, MÜNCHEN DIPL.-CHEM. DR. ULRICH MENGDEHL, HAMBURG
8 MÜNCHEN 26
POSTFACH 37
LIEBHERRSTR. 20
TEL. (089) 22 65 48
TELEX 52 25 05
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MÜNCHEN
Ä ÜO
Nippon Electric Co., Ltd. Tokio / Japan
2 HAMBURG13 POSTFACH 2570 ROTHENBAUM-CHAUSSEE 58 TEL. (040)410 20 08
TELEX 21 29 21
Etalon
Die Erfindung "betrifft ein Etalon mit LuftZwischenraum
zur Wellenlängenselektion mit einem Abstandshalter, der aus zwei aneinander anschließenden, untereinander ausgerichteten
Hohlzylindern besteht.
Bekanntermaßen wird ein Etalon häufig zusammen mit einem
Ionenlaser verwendet, "beispielsweise um einen Betrieb bei
einer einzelnen Frequenz zu erhalten. In der Tat stellt das erforderliche optische Element eine Art Fabry-Perot-Resona-
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1 _
tor mit einer Resonatorlänge Z dar, die wesentlich kleiner
ist als die entsprechende Länge L des Laserresonators; zur
Verwendung mit einem Laser ist dieses optische Element in dem Laserresonator eingepaßt. Im allgemeinen "beträgt "bei
einem lonenlaser die Dopplerverbreiterung des Lasermediums
wegen des Dopplereffekts mehrere Gigahertz, und Oszillationen können über eine derartige Frequenzbreite auftreten. Tatsächlich
existieren jedoch wegen des hohen Q-Wertes des Laserresonators
eine große Anzahl Spektrallinien mit einem longitudinalen Modenabstand, der durch o/2L bestimmt wird,-wobei ο
die Lichtgeschwindigkeit und L den Abstand der Reflektoren darstellen, die den Resonator bilden.
Ein derartiger Laserausgang führt Jedoch zu einem Laser, der als lichtquelle zur Verwendung in der Holographie oder
ähnlichen Techniken zur Informationsverarbeitung unter Verwendung der Lichtinterferenz oder bei der Spektroskopie unerwünscht
ist, wo das gestreute Licht wie bei der Brillouin-Streuung eine begrenzte Frequenzänderung aufweist. Insbesondere
bei der Verwendung von Lasern bei der Holographie od. dgl. kann möglicherweise die durch ein longitudinalea
Modenspektrum erzeugte Interferenzinformation duroh ein anderes
longitudinales Modenspektrum unterdrückt werden, und bei der Verwendung von Lasern in der. Spektroskopie ist es
möglich, die Frequenzabweichung dee Brillouin-geatreuten
Lichts von dem Eayleigh-gestreuten Licht zu trennen. Um Jedoch
diese Situationen abzudecken, ist es möglich, einen
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Ionenlaser mit einer einzigen Schwingungsfrequenz durch Einsetzen
eines Etalons in den Resonator des Ionenlasers herzustellen, der bei verschiedenen Frequenzen schwingt, indem
eine Art zusammengesetzter Resonator gebildet wird, Bei · · einem derartig ausgebildeten Laser findet die Oszillation
nur bei einer der Vielzahl der Spektrallinien innerhalb der Dopplerbreite statt, d.h. bei der Spektrallinie, die der
Resonanzfrequenz des Etalons am nächsten liegt.
Die Verwendung eines Etalons mit einem Ionenlaser ist oben beschrieben worden, doch ergeben sich auch viele andere
Verwendungsarten. Beispielsweise wird ein Etalon in einem Rubin-Laser mit einer Einzelfrequenz, der zu verschiedenen
Messungen bewegter Objekte verwendet wird, zum Einzelfrequenzbetrieb gegenüber der natürlichen Frequenzbandbreite dee
Lasermediums verwendet, die etwa 300 G-Hz beträgt. Außerdem
kann auf ein Etalon als übliches optisches Element zur Verringerung der Bchwingungsbreite eines Dye-Lasers nicht verzichtet
werden, der in der Spektroskopie zunehmend Bedeutung erlangt.
Vorbekannte Etalons sind jedoch gewöhnlich in Form einer Quarzplatte ausgebildet, deren einander gegenüberliegende
Flächen parallel zueinander geschliffen und poliert sind, wobei eine Reflexionsschicht mit einer Reflektivität von etwa
20 io auf jeder der polierten Flächen aufgebracht ist. Es
ist bekannt, daß Quarz ein gutes optisches Material mit ge-
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- 3 -
- 3 -
ringen Transniissionsverlusten ist und wegen seines geringen
thermischen Expansionskoeffizienten die Resonanzfrequenz des vorbekannten Etalons, die durch die Dicke der Quarzplatte bestimmt
ist, nur eine geringe Temperaturänderung in der Größenordnung von + 125 MHz/°C aufweist. Kürzlich sind jedooh im
Zusammenhang mit Ionenlasern stabilere Etalons erforderlich geworden. So sind kürzlich kristalline G-lasmaterialien mit
noch niedrigeren thermischen Expansionskoeffizienten wie "ITeoceram-Zero" der Firma Nippon Electric Glass K.K., Japan,
und "Cervit" der Firma B.T.R. Optics, Inc., USA, in den Handel
gekommen und werden zur Herstellung von gegenüber Temperaturänderungen stabileren Etalons verwendet.
Tatsächlich kann jedoch keines der kristallinen Glasmaterialien wegen der größeren optischen Verluste in der
gleichen Form wie die oben beschriebene Quarzplatte verwendet werden, wird jedoch in Form eines hohlzylindrischen Abstandshalters
verwendet, dessen einander gegenüberliegende Endflächen zueinander parallel geschliffen und poliert sind. Teilweise
reflektierende Spiegel Bind auf den entsprechenden polierten Endflächen des Abstandshalters aufgebracht, um ein
Etalon mit luftZwischenraum zu bilden. Bei einem derartig
ausgebildeten Etalon mit "Neoceram-Zero"-Glas als Füllmaterial,
dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen ITuIl ist, ergibt sich die Temperaturvariation der Resonanzfrequenz
zu + 17 MHz/°C oder zu etwa ein Siebtel der Temperaturvariation bei dem bekannten Etalon mit einer Quarzplatte.
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Die Verwendung eines derartigen hohlzylindrischen Abstandshalters
hat jedoch zu einigen Nachteilen geführt. So kann beim Poliervorgang der einander gegenüberliegenden Endflächen
eines derartigen Abstandshalters dieser kaum im
Gleichgewicht gehalten werden, da entlang der Achse des Abstandshalters wegen seiner hohlen Ausbildung im Gegensatz zu
der starren Ausbildung der Quarzplatten keine direkte Axialkraft anliegt. Bs ist daher sehr schwierig, ein Etalon mit
LuftZwischenraum mit der erforderlichen Parallelität von zwei
Bogensekunden oder weniger zu schaffen, wobei sich dies ersichtlich
aus dem schlechten Wirkungsgrad beim Polieren und durch die hohen Herstellungskosten ergibt.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde,
ein verbessertes Etalon mit einem hohlzylindrischen Abstandshalter und einem teilweise reflektierenden Spiegel an jeder
der einander gegenüberliegenden Endflächen des Abstandshalters zu schaffen; dabei zeichnet sich die Erfindung dadurch
aus, daß der Abstandshalter derartig ausgebildet und angeordnet ist, daß in erwünschter Weise zwischen den einander
gegenüberliegenden Endflächen des Abstandshalters, ohne daß eine hochpräzise Bearbeitung der Endflächen erforderlich ist,
ein hoher Parallelitätsgrad leicht erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß besteht der hohlzylindrische Abstandshalter, der an jeder seiner einander gegenüberliegenden Endflächen
mit einem teilweise reflektierenden Spiegel versehen ist,
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aus zwei Hohlzylindern, die ausgerichtet aneinander anschließen.
Bei dem Abstandshalter des erfindungsgemäßen Etalons können
die einander gegenüberliegenden Endflächen wegen seines zusammengesetzten Aufbaus besonders leicht exakt parallel
zueinander ausgeführt werden, wobei der Aufbau aus zwei Teilen von gleicher oder nahezu gleicher axialer Länge besteht,
die ausgerichtet eng aneinander anschließen. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Abstandshalter eine Parallelität
von zwei Bogensekunden oder weniger zwischen den einander gegenüberliegenden Endflächen erreichen, und zwar lediglich
durch eine Winkeleinstellung der aneinander anschließenden Hohlzylinder relativ zueinander um die Achse des Abstandshalters,
und zwar selbst dann, wenn die einander gegenüberliegenden, fertiggestellten Endflächen der einzelnen Teile
nicht vollständig parallel zueinander sind.
Die erfindungsgemäßen Etalons können daher unter verringerten Herstellungskosten mit höherer Auflösung hergestellt
werden.
Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die anliegende
Zeichnung näher erläutert. Ee zeigen:
Pig. 1 eine axiale Querschnittsansicht eines bekannten
hohlzylindrischen Etalons,
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-ν
Fig. 2A, 2B und 2C Diagramme zur Erläuterung des Prinzips der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 einer erfindungsgemäßen·
Ausführungsform und
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem relativen Drehwinkel der Teile des Abstandshalters und der
Laserausgangsleistung bei Verwendung eines Ar-Laserresonators mit dem erfindungsgemäßen Etalon.
In Fig. 1 ist ein bekanntes Etalon dargestellt. Bin einstückig
ausgebildeter, hohlzylindrischer Abstandshalter 1
weist entsprechende Endflächen auf, auf denen zwei teilweise
reflektierende Spiegel angeordnet sind. Wie oben erwähnt, ist es bei einem derartigen Etalon sehr schwierig, die einander
gegenüberliegenden Endflächen des Abstandshalters 1 mit einer hohen Parallelität von zwei Bogensekunden oder weniger herzustellen.
weist entsprechende Endflächen auf, auf denen zwei teilweise
reflektierende Spiegel angeordnet sind. Wie oben erwähnt, ist es bei einem derartigen Etalon sehr schwierig, die einander
gegenüberliegenden Endflächen des Abstandshalters 1 mit einer hohen Parallelität von zwei Bogensekunden oder weniger herzustellen.
Im folgenden wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung '
mit Bezug auf die Diagramme der Fig. 2A, 2B und 2C erläutert.
mit Bezug auf die Diagramme der Fig. 2A, 2B und 2C erläutert.
Gemäß Fig. 2A weist ein rechtwinkliger Kreiszylinder 11
einander gegenüberliegende Endflächen 12a und 12b auf, die
exakt parallel zueinander sind. Es sei angenommen, daß der
Kreiszylinder 11 in Längsrichtung in zwei gleiche Abschnitte
einander gegenüberliegende Endflächen 12a und 12b auf, die
exakt parallel zueinander sind. Es sei angenommen, daß der
Kreiszylinder 11 in Längsrichtung in zwei gleiche Abschnitte
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— 7 —
— 7 —
11a und 11b entlang einer Ebene senkrecht zur Figurenebene
und geneigt zu den Endflächen 12a und 12b unter einem Winkel θ geschnitten wird. Gemäß Fig. 2B wird einer der zwei
Abschnitte 11b dann relativ zu dem anderen Abschnitt 11a, der festliegt, um einen Winkel von 90° um die Achse des letzteren
Abschnitts gedreht. In dieser Position fällt die Nebenachse der Ellipse, die durch die Schnittendfläche des Segments 11b
definiert ist, mit der Hauptachse der Ellipse der benachbarten Endfläche des Abschnitts 11a zusammen, und eine Durohmesserlinie
d auf der Endfläche 12b, die parallel zur Nebenachse ist, ist um einen Winkel θ gegen die gegenüberliegende
Endfläche 12a geneigt. Gemäß Fig. 2C wird danach, wenn der Abschnitt 11b weiter um 90° gedreht wird, die Endfläohe 12b
in eine lage gebracht, die um einen Winkel 2Θ gegen die gegenüberliegende Endfläohe 12a geneigt ist. Daher ändert sich
der Neigungswinkel der einen Endfläche 12a relativ zu der anderen Endfläche 12b zwischen null und 2Θ, wenn einer der
zwei Abschnitte 11a und 11b relativ zu dem anderen Abschnitt um 180° gedreht wird. Mit anderen Worten können die einander
gegenüberliegenden Endflächen des geteilten Kreiszylinders in gewünschter Weise parallel oder gegeneinander geneigt angeordnet
werden, indem die Zylinderabschnitte relativ zueinander gedreht werden. Ersichtlich ist die relative Neigung
der Endflächen sowohl in der Richtung als auoh im Grad variabel.
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Es sei angenommen, daß die angrenzende Endfläche des einen Zylinderabschnitts 11a um einen Winkel Q1 gegen eine Ebene
senkrecht zur Mittelachse des Zylinderabschnitts 11a geneigt
ist, während die des anderen ZylinderaToschnitts 11b um einen
Winkel Op gegen eine Ebene senkrecht zur Achse des Segments
11b geneigt ist. Die einander gegenüberliegenden Endflächen
12a und 12b der entsprechenden Zylinderabschnitte 11a und 11b sollen senkrecht zu den Achsen der entsprechenden Zylinderabschnitte
11a bzw. 11b sein. Dann ändert sich die Parallelität der einander gegenüberliegenden Endflächen 12a und
12b der entsprechenden Abschnitte 11a und 11b, die zusammengehalten
werden, mit der relativen Drehbewegung der Abschnitte innerhalb eines Bereichs zwischen (0.. - Op) ^is (®i + ®2^'
Dies bedeutet, daß die Parallelität mit einer Genauigkeit von -[(O1 + O2) - (1O1 - Q 2I)\ /180 Pro Grad der relativen Winkeldrehung
eingestellt werden kann.
In Übereinstimmung mit dem oben beschriebenen Prinzip weist das erfindungsgemäße Etalon einen hohlzylindrischen
Abstandshalter auf, der aus zwei Abschnitten besteht, die ausgerichtet aneinander angrenzen und deren einander gegenüberliegende
Endflächen in gewünschter Weise einen hohen Parallelitätsgrad aufweisen, selbst wenn die einzelnen Abschnitte
zwischen ihren einander gegenüberliegenden Endflä-'chen keine derartige Parallelität aufweisen, da die Abschnitte
relativ zueinander winkeleinstellbar sind, so daß sich ihre Ungenauigkeiten gegeneinander aufheben.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf Mg. 3 näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
darstellt.
In lig. 3 sind Hohlzylinder oder hohlzylindrische Abschnitte
1a und 1b aus "M"eoceram-Zero"-Glas dargestellt, deren jeweilige
axiale länge der Hälfte des gewünschten Spiegelabstandes Λ, des Etalons entspricht. Bei jedem der Hohlzylinder
müssen die einander gegenüberliegenden Endflächen nicht vollständig parallel zueinander sein. Die zwei Hohlzylinder sind
eng aneinander anliegend entlang'der Etalon-Achse 3, um einen
zusammengesetzten Abstandshalter zu bilden.
Auf jeder der einander gegenüberliegenden Endflächen 2a und 2b des Abstandshalters 1a - 1b ist ein teilweise reflektierender
Spiegel 4 mit einem Substrat 4' vorgesehen, das aus einem optischen Glas besteht, wobei eine Reflexionsbeschichtung
5 auf der Substratoberfläche in der Hahe der benachbarten Hohlzylinder 1a oder 1b aufgebracht und eine Antireflexions-
oder reflexionsverringernde Beschichtung 6 auf
der gegenüberliegenden Substratfläche aufgedampft ist. Ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 7 weist am einen Ende
einen radial nach innen sich erstreckenden Halteteil oder Flansch auf; in dieses Gehäuse 7 sind die Hohlzylinder 1a
und 1b sowie die teilweise reflektierenden Spiegel 4 durch das andere, offene Ende des Gehäuses in folgender Reihenfolge
nacheinander eingepaßt: ein teilweise reflektierender Spiegel
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4, die Hohlzylinder 1a und Tb und der andere, "teilweise re-'flektierende
Spiegel 4· In dem Gehäuse 7 "ist axial außerhalb
der Etalon-Bauteile 1a, 1b und 4 eine Spiraldruckfeder 8 angeordnet,
d.h. außerhalb des zweiten teilweise reflektierenden Spiegels; eine mit G-ewinde versehene Ringklemmverbindung ist
in dieses Ende des Gehäuses einstellbar eingepaßt. Die Spiralfeder 8 wird zwischen dem benachbarten Spiegel 4 und der Ringklemmverbindung
9 zusammengedrückt, wenn diese in das Gehäuseende eingeschraubt wird, und dadurch werden die Etalon-Bauteile
1a, Ib und 4 fest gegeneinander gehalten und insgesamt gegen den Plansch angedrückt. Die relative Winkelstellung der
Hohlzylinder 1a und 1b, die in dieser Weise entlang der Achse zusammengebaut sind, kann in einfacher Weise durch Zurückdrehen
der Klemmvorrichtung 9 eingestellt werden. Die Winkeleinstellung der Hohlzylinder um die Achse 3 kann ebenfalls
leicht bewirkt werden, während sie eng aneinander anliegend sind, indem geeignete Einstelleinrichtungen, beispielsweise
eine geeignete Lehre und eine Drehvorrichtung, verwendet werden.
In dem Diagramm der Fig. 4 ist graphisch die Wirkung der Winkeleinstellung der Hohlzylinder dargestellt. In dem Diagramm
stellt die Abszisse den Winkel cp in Grad der Relativdrehung
der Hohlzylinder 1a und 1b mit einer beliebig vorgegebenen 0°-Position und die Ordinate die Einzelfrequenz-Ausgangsleistung
eines 700 mY/ Ar+ - Lasers in Milliwatt dar,
die für eine Spektrallinie von 5145 1 mit dem beschriebenen
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Etalon in dem Laserresonator erhalten wird. Nach dem Diagramm
wird die maximale Ausgangsleistung bei einem relativen Drehwinkel von etwa 280° erhalten, d.h. daß das Etalon mit den
Hohlzylindern, die in dieser relativen Winkelposition eingestellt sind, praktisch perfekt ist, wobei der volle gewünschte
Parallelitätsgrad erreicht wird.
Wie im Zusammenhang mit bekannten einstückigen Abstandshaltern oben beschrieben worden ist, ist es sehr schwierig,
die einander gegenüberliegenden Endflächen mit einem gewünschten
Parallelitätsgrad von zwei Bogensekunden oder weniger zu versehen, und es ist keine G-arantie der Eigenschaften bei
den erhaltenen Produkten möglich. Dagegen kann bei dem erfindungsgemäßen Etalon mit einem zweigeteilten Abstandshalter
eine praktisch perfekte Arbeitsweise dadurch erreicht werden, daß die Abschnitte des Abstandshalters relativ zueinander
winkeleingestellt werden. Zusätzlich wird durch die Verwendung von Material mit einem außerordentlich niedrigen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten für den Abstandshalter in einfacher Weise ein Etalon geschaffen, das gegen Temperaturänderungen
hochstabil ist, indem die Vorteile der thermischen Charakteristika des Materials für den Abstandshalter voll genutzt
werden.
Erfindungsgemäß wird somit ein hochstabiles Etalon geschaffen,
das in vorteilhafter Weise mit einem Ionen- oder einem Dye-Laser verwendet und leicht und mit verringerten Kosten
hergestellt werden kann.
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Claims (9)
- Patentansprüche'M^/ Etalon mit einem hohlzylindrisehen Abstandshalter und je einem teildurchlässigen Spiegel an dessen beiden Enden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandshalter (11) aus zwei eng aneinander anliegenden, ausgerichteten Hohlzylindern (Ha, 11b) besteht.
- 2. Etalon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlzylinder (11a, 11b) aus kristallinem G-las mit verringertem thermischen Expansionskoeffizienten bestehen.
- 3. Etalon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet , daß die einander gegenüberliegenden Endflächen (12a, 12b) der Hohlzylinder (11a, 11b) im wesentlichen senkrecht zu ihren Achsen geschliffen sind.
- 4. Etalon nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die teildurchlässigen Spiegel (4) parallel zueinander geschliffen sind.
- 5. Etalon nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die teildurchlässigen Spiegel (4) jeweils auf ihrer mit dem Abstandshalter (11) in Verbindung70 9 8 08/0755- 13 -stehenden Endfläche eine Reflexionsbesehichtung (5) mit einer Reflektivität von etwa 20 fo für eine vorbestimmte Wellenlänge und auf der anderen Endfläche eine Antireflexionsbeschichtung (6) aufweisen.
- 6. Etalon nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat des teildurchlässigen Spiegels (4) aus Quarz besteht.
- 7. Etalon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (7) und ein damit verbundenes Halteteil für die zwei Hohlzylinder (11a, 11b) und die teildurchlässigen Spiegel (4).
- 8. Etalon nach Anspruch "J, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (7) zylinderförmig ausgebildet ist und an seinem einen Ende einen sich radial einwärts erstreckenden Anschlag und an seinem anderen Ende eine Öffnung aufweist, um nacheinander einen der teildurchläasigen Spiegel (4)} die zwei Hohlzylinder (11a, 11b) und den anderen teildurchlässigen Spiegel (4) aufzunehmen, daß eine Druckfeder (8) in dem Gehäuse (7) axial außerhalb des zweiten teildurohlässigen Spiegels (4) angeordnet ist und daß eine einstellbare, ringförmige Klemmvorrichtung (9) vorgesehen ist, um die Bauteile (1a, 1b und 4) des Etalona in dem Gehäuse (7) gegeneinander und gegen den Anschlag au drücken.709808/0755- 14 -
- 9. Etalon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Eins't eil vorrichtung zum Verdrehen mindestens eines der Hohlzylinder (1a, 1b, 11a, 1.1b) um dessen Achse, wobei er in Berührverbindung mit dem anderen Hohlzylinder verbleibt.709808/0755- 15 -AbLeerseite
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| US3771066A (en) * | 1970-02-24 | 1973-11-06 | Hewlett Packard Co | Gas laser |
| US3936193A (en) * | 1974-02-13 | 1976-02-03 | Eocom Corporation | Multiplex interferometer |
| US4037942A (en) * | 1976-03-19 | 1977-07-26 | Rca Corporation | Optical adjustment device |
-
1975
- 1975-08-21 JP JP1975115264U patent/JPS5819460Y2/ja not_active Expired
-
1976
- 1976-07-21 DE DE2632904A patent/DE2632904C3/de not_active Expired
- 1976-08-11 US US05/713,499 patent/US4152674A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS5229149U (de) | 1977-03-01 |
| DE2632904C3 (de) | 1981-02-19 |
| JPS5819460Y2 (ja) | 1983-04-21 |
| US4152674A (en) | 1979-05-01 |
| DE2632904B2 (de) | 1980-06-04 |
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