DE2817129B1

DE2817129B1 - Optische Anordnung zur Bildung einer Wellenfront mit gleichmaessiger Intensitaetsverteilung aus einem aufgeweiteten Laserstrahl

Info

Publication number: DE2817129B1
Application number: DE19782817129
Authority: DE
Inventors: Dr-Phys Greenaway David Leslie; Benedikt Dr Phil Steinle
Original assignee: Landis and Gyr AG
Current assignee: Landis and Gyr AG
Priority date: 1978-03-29
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1979-09-27
Also published as: DE2817129C2; JPS54128748A

Description

Parabelförmige Gebilde im optischen Strahlengang sind aber im allgemeinen nicht erwünscht. Es wurde jedoch gefunden, daß eine genügend genaue Annäherung an den optimalen Verlauf der Dicke erzielt werden kann, wenn als Korrekturelement eine Linse bzw. ein Kugelabschnitt aus absorbierendem Material verwendet wird. Die Gleichungen (1), (2) und (3) gelten in diesem Fall näherungsweise. Für den optimalen Kugelradius R eines solchen Korrekturelementes gilt und der Intensitätsfehler 8 ist hierbei 4 39 " k2 (5) wobei k den Absorptionskoeffizienten des aosorbierenden Materials bedeutet. Für den Optimalfall Xa = 72 können die Gleichungen (4) und (5) vereinfacht werden.
Das aus absorbierendem Material bestehende Korrekturelement kann Teil des Kollimationssystems sein und eine plankonvexe Form aufweisen, wie oben beschrieben, oder allgemeiner auch eine oder konvexkonkave Form.
Nachfolgend werden anhand der Fig.4 und 5, die optische Anordnungen zeigen, Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert In der F i g. 4 ist eine besonders einfache optische Anordnung dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen wie in der F i g. 1 auf gleiche Teile hinweisen. Als Korrekturelement dient eine plankonvexe Kollimationslinse 15 aus absorbierendem Material. Der Durchmesser der Kollimationslinse 15 ist gemäß den Gleichungen (1) und (2) so gewählt, daß die Teilstrahlen mit der Intensität I= !- des aufgeweiteten Laserstrahls 6 den Rand der Kollimationslinse treffen und die Teilstrahlen mit geringerer Intensität ausgeblendet werden.
Bei der Anordnung nach der F i g. 5 dient als Korrekturelement eine zwischen der Objektivlinse 3 und einer Kollimationslinse 16 angeordnete Linse 17, die aus einem absorbierenden Teil 18 und einem transparenten Teil 19 besteht. Der absorbierende Teil 18 ist gemäß den vorstehend angeführten technischen Lehren dimensioniert und erfaßt wiederum die Teilstrahlen der Intensität I2I°. Der Durchmesser des transparenten Teils 19 kann gleich oder größer sein als jener des absorbierenden Teils 18. Die beiden Teile 18, 19 können z. B. durch Zementieren miteinander verbunden werden.
Die Formgebung des absorbierenden Teils 18 erfolgt vorzugsweise nach der Vereinigung mit dem transparenten Teil 19, so daß die Herstellungsschwierigkeiten von Linsen mit sehr dünnen Randkanten vermieden werden. Als absorbierender Teil 18 eignen sich bekannte Filtergläser, vorzugsweise solche mit hoher Homogenität und konstantem Absorptionskoeffizienten über einen ausreichend weiten Längenwellenbereich.
Die Anordnung nach der F i g. 5 ist flexibler als jene nach der Fig4, bei welcher die Brennweite f nicht beliebig wählbar ist, wenn die Gleichung (4) erfüllt werden soll.
Im folgenden werden als typisches Ausführungsbeispiel die Parameter einer praktisch ausgeführten Linse 17 genannt: Dicke des Teils 18 im Zentrum 0,853 mm Durchmesser des Teils 18 15,0 mm Kugelradius R des Teils 18 33,4 mm Zweite Oberfläche des Teils 18 plan Dicke des Teils 19 im Zentrum 3,0 mm Brechungsindex des Teils 18 1,51 Absorptionskoeffizient kbei A=441,6 nm 1,172 mm-' Intensitätsfehler 8 0,004 Gewinn G 92 Selbstverständlich ist es nicht notwendig, daß die Transmission im Zentrum der beschriebenen Korrekturelemente genau den Wert l aufweist. Abweie chungen von i +20% vom optimalen Wert e führen durchaus noch zu einer befriedigend gleichmäßigen Intensitätsverteilung und einem hohen Gewinn. Bei der Montage des Korrekturelementes im aufgeweiteten Laserstrahl ist hingegen darauf zu achten, daß die Intensität an zwei kritischen Punkten identisch ist, nämlich in der Achse des Strahlengangs und am Rand des Korrekturelementes.

Claims

Patentansprüche: 1. Optische Anordnung zur Bildung einer Wellenfront mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung aus einem aufgeweiteten Laserstrahl, mit einem im Strahlengang des aufgeweiteten Laserstrahls angeordneten Korrekturelement, das eine rotationssymmetrische, in Funktion vom Achsenabstand kontinuierlich abnehmende Absorption aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturelement eine aus absorbierendem Material bestehende Linse (15, 17) ist.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (15; 17) die Form eines Kugelabschnittes aufweist
3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (17) aus einem absorbierenden Teil (18) und einem transparenten Teil (19) besteht.
4. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (15; 17) eine Kollimationslinse ist.
5. Optische Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit Mitteln zum Ausblenden der außerhalb einer vorbestimmten Abschnittstelle liegenden Teilstrahlen des aufgeweiteten Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnittstelle (xa)-mindestens annähernd in jenem Punkt liegt, in welchem die Intensität (1) des aufgeweiteten Laserstrahls (6) den Wert 10 aufweist, wobei Io die Intensität im Zentrum des aufgeweiteten Laserstrahls (6) bedeutet.

Für viele Anwendungen der kohärenten Optik, z. B. in der Holografie, für Interferenzexperimente usw. wird ein aufgeweiteter Laserstrahl benötigt, der quer zur Wellenfront eine gleichmäßige Intensitätsverteilung aufweist.

Bei bekannten Anordnungen (R. J. Collier u. a., Optical Holography, Academic Press 1971, S. 164-167) erfolgt gemäß der Fig. 1 die Aufweitung des von einem im sogenannten TEMoo-mode arbeitenden Laser 1 erzeugten Laserstrahls 2 mit einer Objektivlinse 3, einer Mikroblende (pinhole) 4 und einer Kollimatorlinse 5.

Der aufgeweitete Laserstrahl 6 besitzt, wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist, quer zur Wellenfront eine Intensitätsverteilung 7 von Gaußscher Kurvenform. In der Achse 8 des aufgeweiteten Laserstrahls 6 weist die Intensität I den maximalen Wert lo auf und fällt in Funktion vom Achsenabstand x nach einer Gaußschcn Kurve ab.

Zur Erzielung einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung kann die Kollimatorlinse 5 so angeordnet werden, daß nur ein kleiner zentraler Teil des aufgeweiteten Laserstrahls 6 ausgenützt und der restliche Teil ausgeblendet wird. In der Fig.2 stellt der innerhalb senkrechter Begrenzungslinien 9 liegende Balken 10 den auswertbaren Teil des aufgeweiteten Laserstrahls für den Fall dar, daß eine Gleichmäßigkeit der Intensität von i 1% verlangt wird und die schraffierten Bereiche 11, 12 auf beiden Seiten des Balkens 10 ausgeblendet werden. Es ist leicht ersichtlich, daß nur ein sehr kleiner Teil des Laserstrahls 2 genutzt werden kann. Diese sehr schlechte Ausnutzung des Laserstrahls 2 bedingt z. B.

bei holografischen Experimenten sehr lange Belichtungszeiten und/oder den Einsatz eines großen und teuren leistungsstarken Lasers, um die Belichtungszeiten in annehmbaren Grenzen zu halten.

Aus dem oben erwähnten Buch ist es auch bekannt, mit Hilfe eines im Strahlengang des aufgeweiteten Laserstrahls 6 angeordneten Absorptionsfilters, das eine rotationssymmetrische, in Funktion vom Achsenabstand x kontinuierlich abnehmende Absorption aufweist, gemäß der Fig. 3 die Intensität I bis zu einem Abschneidepunkt Xa, durch den die Begrenzungslinie 9 läuft, auf eine gleichmäßige Intensität Ir zu reduzieren.

Der senkrecht schraffierte Bereich 13 zwischen dem nutzbaren Bereich 14 und der Gaußschen Kurve wird vom Absorptionsfilter absorbiert. Die außerhalb der Begrenzungslinien 9 liegenden, schräg schraffierten und wiederum mit 11 und 12 bezeichneten Bereiche werden ausgeblendet.

Die durch den Bereich 14 dargestellte nutzbare Gesamtintensität ist maximal, wenn die Bedingung erfüllt wird, wobei a die Streuung der Intensität (Standardabweichung) bedeutet. Es ist dann Io Ir = e (2) e (e=Basis der natürlichen Logarithmen). Die Transmission im Zentrum des Korrekturelementes ist also e Der Gewinn G, d. h. das Verhältnis der nutzbaren Gesamtintensität zu der bei der bekannten Methode nach der F i g. 2 nutzbaren Gesamtintensität, beträgt G = (3) e.b wobei s den relativen Intensitätsfehler, d. h. den relativen Unterschied zwischen der maximalen Intensität Ima(=lo und der minimalen Intensität Imita bei der Methode nach der F i g. 2 bedeutet Bei der Methode gemäß der F i g. 3 kann theoretisch ein Intensitätsfehler = = 0 erzielt werden.

Es ist auch ein optisches Absorpüonsfflter bekannt (DE-AS 23 54 089), das eine rotationssymmetrische, in Funktion vom Achsenabstand kontinuierlich abnehmende Absorption aufweist, aus einem mit einer Emulsion versehenen Film besteht und in Verbindung mit einer mechanischen Blende in einer Lichtmoduliereinrichtung für Kameras verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach ist und sich trotzdem durch eine optimale Nutzung des Laserstrahls und eine hohe Gleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Das aus absorbierendem Material bestehende Korrekturelement müßte theoretisch eine solche in Funktion vom Achsenabstand x kontinuierlich abnehmende Dicke aufweisen, daß die Intensität 1, des aufgeweiteten Laserstrahls 6 nach dem Korrekturelement über dem Strahldurchmesser bis zum Abschneidepunkt xa konstant ist Bei einer Gaußschen Intensitätsverteilung 7 bedingt dies theoretisch einen parabelförmigen Verlauf der Dicke des Korrekturelementes.