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Laserstrahlimpulsteiler
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufteilung eines Laserstrahlimpulses
in zwei aufeinanderfolgende Teilimpulse mit einstellbarem Zeitabstand, bei welcher
der ankommende Strahl an einer teildurchlässigen Spiegel fläche in zwei Teilstrahlen
aufgeteilt und über verschieden lange Wege entsprechend der gewünschten Laufzeitdifferenz
geführt wird.
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Die Aufteilung von Laserstrahlimpulsen in zwei aufeinanderfolgende
Teilimpulse hat man bisher mit einer Spiegelanordnung durchgeführt, bei welcher
ein ankommender Impuls mittels eines teildurchlässigen Spiegels in zwei Teilimpulse
zerlegt wird, deren einer den Spiegel durchdringt und dann mit Hilfe von vier weiteren
Spiegeln mehrfach umgelenkt wird, während der andere an dem zuerst erwähnten Spiegel
umgelenkt und dann mit Hilfe zweier weiterer Spiegel nochmals umgelenkt wird, um
dann mit dem ersten Teilstrahl in einem zweiten halbdurchmassigen Spiegel wieder
in ein und denselben Strahlengang eingeblendet zu werden, in welchem dann die beiden
Teilimpulse
entsprechend den von ihnen durchlaufenen verschiedenen
langen Wegen zeitlich aufeinanderfolgen. Die verwendeten Spiegelflächen halten jedoch
im allgemeinen keine höhere Leistung aus, wie sie in Laserstrahlen auftreten, und
halten daher nicht lange. Außerdem läßt sich praktisch die erwünschte Starrheit
der gegenseitigen Anordnung der einzelnen Spiegel in ihren Halterungen nicht im
gewünschten Maße erreichen, da bereits geringfügige Schwingungen unerwünschte Laufzeitmodulationen
bewirken. Schließlich ist die Justierung der einzelnen Spiegelabstände auf Bruchteile
von Wellenlängen des verwendeten Laserlichtes praktisch nicht durchführbar, und
wegen der großen Anzahl einzelner Spiegel ist die Justierung der Anordnung insgesamt
sehr mühselig und zeitraubend.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Strahlteilers,
der sich nicht nur durch einen kompakten Aufbau auszeichnet und eine starre Position
der einzelnen Spiegelflächen gewährleistet, sondern der sich auch sehr einfach und
reproduzierbar hinsichtlich der unterschiedlichen Weglängen, also des zeitlichen
Abstandes der beiden Teilimpulse, einstellen läßt, und außerdem eine Einstellbarkeit
der Aufteilung der Impulsleistung auf die beiden Teilimpulse erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
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Durch die Verwendung von Spiegelflächen, bei welchen das Prinzip der
sogenannten verhinderten Totalreflexion ausgenutzt wird, läßt sich eine sehr viel
höhere Strahlenbelastbarkeit erreichen. Die erfindungsgemäße Anordnung hat also
eine wesentlich längere Lebensdauer. Ferner läßt sie sich für einen größeren Wellenlängenbereich
verwenden als die bisherigen Apparaturen. Der optische Weglängenunterschied für
die beiden Strahlen läßt sich mit einer Genauigkeit von einem Bruchteil von Wellenlängen
bestimmen und einstellen, was ebenfalls bisher
nicht möglich war.
Der Aufbau ist räumlich kompakt und in sich sehr starr, daß Schwingungseinflüsse
der Spiegelflächenhalterungen nicht mehr zu befürchten sind. Auch lassen sich mit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung Störungen vermeiden, die durch statistische Brechungsindexschwankungen
der zwischen den einzelnen Spiegeln der bisherigen Apparaturen befindlichen Luft
aufgetreten sind. Vielmehr hat man es nun mit konstanten Verhältnissen zu tun, die
sich bei der Einjustierung von vornherein berücksichtigen lassen. Für die Einstellung
des Laufzeitunterschiedes, also des Impulsabstandes, genügt bei der erfindungsgemäßen
Anordnung ein einziger Justierknopf, während die bisherigen Spiegelapparaturen nicht
weniger als sechzehn verschiedene Einstellungen erfordert hatten. Ein wesentlicher
Vorteil der Erfindung besteht ferner darin, daß sich in relativ einfacher Weise
das Verhältnis der Leistungsaufteilung der Strahlleistung auf die beiden Teilimpulse
praktisch beliebig variieren läßt. Auch besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße
Vorrichtung so auszugestalten, daß die beiden Teilimpulse nicht wieder miteinander
vereinigt werden und in derselben Richtung austreten, sondern in getrennten Austrittsrichtungen
zur Verfügung stehen. Wenn es jedoch erwünscht ist, in diesen beiden Austrittsrichtungen
jeweils Doppel impulse zur Verfügung zu haben, so ist auch dies mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung durchführbar.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind anhand der nachfolgenden
Beschreibung eines in den beiliegenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf die prinzipielle Anordnung
der einzelnen Prismen zur Veranschaulichung des Strahlengangs; Fig. 2 eine Draufsicht
auf die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Veranschaulichung näherer Einzelheiten
des Aufbaus;
Fig. 3 einen schematischen Schnitt längs der Linie
III-III in Fig. 2; und Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 3.
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Die Schemazeichnung der Fig. 1 läßt eine Anzahl von Prismen erkennen,
mit Hilfe deren der ankommende Laserstrahl E in zwei Teilstrahlen T1 und T2 aufgeteilt
wird, welche mehrfach umgelenkt werden, um dann in Form eines oder zweier Austrittsstrahlen
A1 bzw. A2 zur Verfügung zu stehen, welche jeweils durch einen oder zwei Impulse
einstellbaren Abstandes und Leistungsverhältnisses gebildet werden. Der Eintrittsstrahl
E tritt zunächst in eine Kathetenfläche eines rechtwinkligen gleichschenkligen Eingangsprismas
2 ein und trifft auf dessen Hypotenusenfläche auf. Diese Hypotenusenfläche liegt
an einer Kathetenfläche eines weiteren Prismas 3 an, und diese beiden Prismenflächen
bilden eine teildurchlässiae Grenzfläche. durch -- - welcher welche ein Teilstrahl
T1 hindurchtritt undAein zweiter Teilstrahl T2 gespiegelt wird. Das Leistungsverhältnis
zwischen diesen beiden Teilstrahlen T1 und T2 läßt sich mit Hilfe des Druckes P
verändern, mit welchem die beiden Prismenflächen aneinanderliegen. Ist dieser Druck
sehr gering, dann wird der gesamte Eingangsstrahl E reflektiert und als Strahl T2
umgelenkt. Bei höherem Druck liegen die beiden Prismenflächen so dicht aneinander,
daß eine Totalreflexion des Strahles verhindert wird, die gebildete Spiegelfläche
also teildurchlässig wird und ein Teilstrahl T1 vom ankommenden Strahl abgezweigt
wird. Über den Druck zwischen diesen beiden Spiegelflächen, also über deren mikroskopischem
Abstand, läßt sich das Verhältnis der Strahlaufteilung wählen und einstellen.
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Der Teilstrahl T1 wird an der zweiten Kathetenfläche des Prismas 3
wiederum umgelenkt und tritt durch dessen Hypotenusenfläche aus. Der austretende
Strahl durchläuft nun ein Stück freie Weglänge, die in der Zeichnung mit der Bezugsziffer
40 angegeben ist, und wird dann in einem ebenfalls
rechtwinkligen
Prisma 5 zweimal umgelenkt und durchläuft in Gegenrichtung wiederum die freie Weglänge,
um dann in ein dem Prisma 3 entsprechendes Prisma 3a einzutreten. Mit Hilfe des
mit G bezeichneten Doppelpfeils läßt sich der Abstand des Umlenkprismas 5 von den
Prismen 3 und 3a verändern. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform der Erfindung
geschieht dies mit Hilfe einer Gewindespindel, die über einen Mikrometertrieb betätigt
wird und eine sehr genaue und reproduzierbare Einstellung der freien Weglänge 40
gestattet. Auf diese Weise läßt sich der Laufzeitunterschied zwischen dem Teilstrahl
T1 und dem über das Umlenkprisma 1 laufenden Teilstrahl T2 sehr gut einstellen.
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In einer der beiden freien Wegstrecken ist zum Ausgleich etwaiger
geringfügiger Keilfehler der Prismen eine Keilscheibe 41 eingefügt, die sich verdrehen
läßt und auf diese Weise die Eliminierung restlicher Keilfehler der Anordnung erlaubt.
Das verschiebbare Umlenkprisma 5 ist ebenfalls mit Hilfe einer noch zu beschreibenden
feinmechanischen Justiereinrichtung um einen geringen Winkelbetrag kippbar, so daß
auch hiermit durch die Montage bedingte geringfügige Winkelfehler kompensiert werden
können. Im Prisma 3a wird der Teilstrahl T1 wieder in seine ursprüngliche Richtung
umgelenkt und trifft auf die ebenfalls unter einem Druck mit der Hypotenusenfläche
des Ausgangsprismas 2a zusammenliegende Kathetenfläche auf, wobei wiederum eine
Grenzfläche gebildet wird, an welcher je nach Einstellung des Druckes P eine Aufteilung
in zwei Ausgangs strahlen A1 und A2 erfolgt.
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Der vom Eingangsstrahl abgezweigte zweite Teilstrahl T2 tritt in ein
Umlenkprisma 1 ein, durchläuft dieses unter zweimaliger Umlenkung und tritt dann
in eine hierfür vorgesehene Kathetenfläche des Ausgangsprismas 2a ein, wo er ebenfalls
auf die bereits erwähnte Grenzfläche zwischen den Prismen 2a und 3a, allerdings
von der anderen Seite her, auftrifft. Auch der Teilstrahl T2 teilt sich hier wiederum
je nach Einstellung des
Druckes P in zwei weitere Teilstrahlen
auf, die sich in den Ausgangsstrahlen A1 bzw. A2 wiederfinden. Bei sehr geringem
Druck wird der Teilstrahl T2 vollständig zum Ausgangsstrahl Al umgelenkt, während
der Teilstrahl T1 vollständig zum Ausgangsstrahl A2umgelenkt wird. Wählt man den
Druck P dagegen so groß, daß eine Totalreflexion an der Grenzfläche verhindert wird,
dann treten die Strahlen T1 und T2 teilweise durch die Grenzfläche hindurch, und
es finden sich in beiden Ausgangsstrahlen A1 und A2 Anteile der beiden Teilstrahlen
T1 und T2, deren Leistungsverhältnis sich mit Hilfe der auf die beiden Prismen 2
und 2a einwirkenden Drücke beliebig wählen läßt.
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Stellt man diese Drücke beispielsweise so ein, daß jeweils eine 50%-ige
Leistungsaufteilung erfolgt, dann hat man in den beiden Ausgangsstrahlen A1 und
A2 jeweils gleich große Teilimpulse, deren zeitlicher Abstand sich über eine Veränderung
der freien Wegstrecke 40, also durch Verschiebung des Umlenkprismas 5, einstellen
läßt.
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Außer der mechanischen Verschiebung des Umlenkprismas 5 läßt sich
eine Feineinstellung der Laufzeit mit Hilfe des in der freien Wegstrecke 40 herrschenden
Gasdruckes erreichen. Zu diesem Zweck ist die in Fig. 1 schematisch dargestellte
Anordnung in ein angedeutetes Gehäuse 28 eingebaut, wie aus Fig. 2 im einzelnen
ersichtlich ist, in welchem sich ein gewünschter fein regulierbarer Gasdruck einstellen
läßt, und entsprechend der damit geringfügig veränderbaren Ausbreitungsgeschwindigkeit
für den Laserstrahl erhält man ebenfalls eine Laufzeitdifferenz zu dem im festen
Medium des Prismas 1 verlaufenden Teilstrahl T2.
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Fig. 2 läßt die Konstruktionseinzelheiten der in Fig. 1 nur im Prinzip
dargestellten Vorrichtung besser erkennen. Innerhalb des evakuierbaren Gehäuses
28 sind die einzelnen Prismen auf einer Bodenplatte 27 montiert und gehaltert. Die
Prismen 1 und 4 (das Prisma 4 hat für den Strahlengang keine besondere Funktion)
sowie das aus den Teilen 3 und 3a bestehende Doppelprisma
sind
zwischen der Bodenplatte 27 und einer Deckplatte 33 eingeklemmt. Die Prismen 2 und
2a werden mit ihren Hypotenusenflächen gegen die beiden äußeren Kathetenflächen
des Prismas 3, 3a gedrückt, indem eine Druckschraube 43 über einen Druckverteiler
25 auf die rückwärtige Kante des betreffenden Prismas drückt.
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Die Druckschrauben sitzen mittels eines Gewindes jeweils in einer
Stütze 34, die an der Bodenplatte 27 befestigt ist und eine zum Einstellen des gewünschten
Druckes zwischen den Prismenflächen geeignete Elastizität hat. Am rückwärtigen Ende
haben die Druckschrauben eine Rändelscheibe 43a, mit deren Hilfe der auf die Prismen
2 bzw. 2a über deren Druckverteiler 25 ausgeübte Druck eingestellt werden kann.
Auf diese Weise läßt sich das Energieverhältnis der aufgespaltenen Teilimpulse in
gewünschter Weise einstellen.
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Innerhalb des Stückes freier Weglänge 40 ist auf der Bodenplatte 27
eine Keilscheibenhalterung 41a befestigt, welche zwei kreisbogenförmige Ausnehmungen
aufweist, in die je nach Erfordernis die drehbare Keilscheibe 41 eingelegt wird,
die zum Ausgleich von Keilfehlern bis zu deren Eliminierung verdreht und dann in
geeigneter Weise (Klebstoff) festgelegt wird.
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Das Umlenkprisma 5 ist auf einem Schlitten 7 befestigt, der in den
Fig. 3 und 4 in seiner Funktion erkennbar ist. Der Schlitten 7 läßt sich auf einer
Schlittenplatte 8 mittels eines Gewindetriebes hin und her schieben. Der Gewindetrieb
ist über eine Kardankupplung 44 mit einer Mikrometerschraube 45 verbunden, mit Hilfe
deren der Schlitten 7 um sehr genaue Wegstrecken in Richtung des Doppelpfeils (Fig.
3) verschiebbar ist. Dieser Antrieb ist durch eine vakuumdichte Durchführung 46
des Gehäuses 28 hindurchgeführt. Über diese Mikrometerschraube wird die freie Weglänge
40 verändert und damit der Impulsabstand der beiden Teilimpulse eingestellt.
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Die Neigung des Prismas 5 gegenüber dem rechts in Fig. 1 dargestellten
feststehenden Prismensatz läßt sich mit Hilfe einer Doppelhebelanordnung ebenfalls
sehr feinfühlig einstellen, welche in den Fig. 3 und 4 veranschaulFcbt ist. Ein
Einstellrad 30,
welches mit Magneten 31 versehen ist, die bei geschlossenem
Gehäuse eine Einstellung von außen durch Mitnahmemagneten gestatten, greift mit
einer Spindel 32 in ein Gewinde 35 ein, welches im Endstück 14 eines Hebels 10 angeordnet
ist, der mit seinem anderen Ende mit Hilfe eines Federblattes 13 zwischen Klemmstücken
11 und 12 gelagert ist. Bei einer Drehung der Einstellschraube 30 wird das in Fig.
4 linke Ende des Hebels 10 aufwärts bzw. abwärts bewegt. Dabei drückt entsprechend
der Hebelübersetzung ein dem rechten Einspannende benachbarter Teil des Hebels über
eine Kugel 36 auf ein Endstück 9 der Schlittenplatte 8, welche dabei ebenfalls um
einen geringen Winkelbetrag um ihr in Fig. 3 rechtes Einspannende bewegt wird. Die
Schlittenplatte 8 ist ebenfalls mit Hilfe einer Blattfeder 17 und Klemmstücken 15,16
für eine solche geringfügige Kippung gelagert.
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Durch lese doppelte Hebelübersetzung (Hebel 10 und Schlittenplatte
8) ist über die Einstellschraube 30 eine sehr feinfühlige Winkeleinstellung des
Prismas 5 möglich, so daß dieses sich exakt innerhalb einiger Bogen sekunden gegenüber
den übrigen Prismen justieren läßt.
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Das Gehäuse 28 ist mit einem Evakuierungsstutzen 47 versehen.
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Ferner ist ein Gasstutzen 48 vorgesehen, über welchen sich ein Arbeitsgas,
beispielsweise SFs einführen läßt, das dann mittels einer geeigneten Einrichtung
unter einem gewünschten Druck gehalten wird, der sich zur Feinjustierung des Impulsabstandes
wählen läßt. Ferner sind eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung 49 bzw. 50 in
Form von Rohrstutzen vorgesehen, durch welche der Laserstrahl E in die Vorrichtung
eintritt bzw. der eine Austrittsstrahl A1 diese Vorrichtung wieder verläßt. Bei
dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist für den Strahl 2 keine Austrittsöffnung
vorgesehen, jedoch läßt sich dies durch eine entsprechende Abwandlung der Konstruktion
ohne weiteres machen. Die Strahllaufrichtung kann natürlich auch umgekehrt werden,
also der Eingangsstrahl kann durch die offnung 50 und der Ausgangsstrahl durch die
öffnung 49 geführt werden. Das Eingangsprisma wäre dann das Prisma 2a und das Ausgangsprisma
das
Prisma 2.
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Eine in der Zeichnung nicht sichtbare gläserne Abdeckplatte, welche
der Bodenplatte 27 gegenüberliegt und die Vorrichtung nach oben verschließt, erlaubt
eine Beobachtung der einzelnen Teile beim Einjustieren und des Strahlengangs im
Betrieb.
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Eine spezielle Ausgestaltung besteht darin, daß die Prismen nicht
unmittelbar auf der Bodenplatte 27 befestigt sind, sondern auf einer eigenen Grundplatte
6, welche vorzugsweise aus dem gleichen Glas wie die Prismen besteht und mittels
eines federnden Klemmstückes etwas nachgiebig gegenüber der Bodenplatte 27 gelagert
ist. Auf diese Weise erhält man eine stabile Prismenzusammenstellung, in der keine
unerwünschten Spannungen oder Bewegungen infolge von Temperatureinflüssen zu befürchten
sind.
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Die federnde Lagerung nimmt Ausdehnungsunterschiede zwischen der metallischen
Bodenplatte und den Glasteilen auf. Die federnde Lagerung der Prismengrundplatte
6 ist auf der in Fig. 2 oberen Seite vorgesehen und besteht aus Klemmstücken 19,
20 und 21 sowie einer zwischen diesen Klemmstücken eingespannten Blattfeder 20a.
Auf der gegenüberliegenden Seite (also in Fig.2 unten) liegt die Prismengrundplatte
6 unmittelbar an einem Lagerplättchen 18 an.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung eignet sich besonders gut
für die Aufteilung von Lasernadelimpulsen und von im angelsächsischen Sprachgebrauch
mit mode locked pulses" bezeichneten Impulsen in Doppelimpulse, wobei deren Abstand
einschließlich des Abstandes Null und ihr Energieverhältnis kontinuierlich einstellbar
sind. Auch für Anwendungsgebiete mit polarisiertem (Laser) Licht eignet sich die
Vorrichtung, wobei man die beiden Teilstrahlen durch Einfügung eines 900 Drehers
in ihrer Polarisationsebene um 900 gegeneinander verdrehen kann.
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Ein solcher Dreher kann in das Stück freie Weglänge 40 eingefügt werden,
günstigerweise durch Einsetzen einer A/2-Scheibe in eine der kreisbogenförmigen
Ausnehmungen der Keilscheibenhalterung
41a. Durch Veränderung
der Verzögerung der beiden in ihren Polarisationsebenen gegeneinander verdrehten
Teilstrahlen läßt sich eine gewünschte Überlappung der Impulse beider Strahlen erreichen,
mit deren Hilfe sich beispielsweise extrem kurze Lichtimpulse durch Oberwellenanregung
eines geeigneten Halbleiterkristalls erzeugen lassen (wie dies beispielsweise in
den Applied Physics Letters vom 1. Januar 1967, Band 10, Nr. 1 auf den Seiten 16
bis 18 im Artikel "Measurement of Picosecond Laser Pulse Widths" von J.A. Armstrong
beschrieben ist.