DE2817129C2

DE2817129C2 - Optische Anordnung zur Bildung einer Weilenfront mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung aus einem aufgeweiteten Laserstrahl

Info

Publication number: DE2817129C2
Application number: DE19782817129
Authority: DE
Inventors: David Leslie Dr.-Phys. Oberwil Greenaway; Benedikt Dr.Phil. Zug Steinle
Original assignee: LGZ Landis and Gyr Zug AG
Current assignee: Siemens Building Technologies AG
Priority date: 1978-03-29
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1980-06-19
Also published as: DE2817129B1; JPS54128748A

Description

des aufgeweiteten Laserstrahls (6) bedeutet

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 χ kontinuierlich abnehmende Absorption aufweist

ίο gemäß der Fig.3 die Intensität / bis zu einem Abschneidepunkt x_a durch den die Begrenzungslinie 9 läuft, auf eine gleichmäßige Intensität I_r 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 Ii und 12 bezeichneten Bereiche werden ausgeblendet

Die durch den Bereich 14 dargestellte nutzbare Gesamtintensität ist maximal, wenn die Bedingung

erfüllt wird, wobei α die Streuung der Intensität (Standardabweichung) bedeutet. Es ist dann

Für viele Anwendungen der kohärenten Optik, z. B. in der Holografie, für Interferenzexperimente usw. wird ein aufgeweiteter Laserstrahl benötigt, der quer zur <io 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 η 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 v> Intensitätsverteilung 7 von Gaußscher Kurvenform. In der Achse 8 des aufgeweiteten Laserstrahls 6 weist die Intensität / den maximalen Wert /₀ auf und fällt in Funktion vom Achsenabstand χ nach einer Gaußschen Kurve ab. π

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 F i g. 2 stellt der innerhalb bo senkrechter Begrenzungslinien 9 liegende Balken 10 den auswertbaren Teil des aufgeweiteten Laserstrahls für den Fall dar, daß eine Gleichmäßigkeit der Intensität von ±1% verlangt wird und die schraffierten Bereiche 11, 12 auf beiden Seiten des Balkens 10 ausgeblendet tr> 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.

/_r ^

(e= Basis der natürlichen Logarithmen). Die Transmission im Zentrum des Korrekturelementes ist also .

Der Gewinn C, d. h. das Verhältnis der nutzbaren Gesamtintensität zu der bei der bekannten Methode nach der F i g. 2 nutzbaren Gesamtintensität, beträgt

35 G =

wobei ε den relativen Intensitätsfehler, d. h. den relativen Unterschied zwischen der maximalen Intensitat Imax=k und der minimalen Intensität /,,„„, bei der Methode nach der F i g. 2 bedeutet. Bei der Methode gemäß der F i g. 3 kann theoretisch ein Intensitätsfehler ε = Ο erzielt werden.

Es ist auch ein optisches Absorptionsfilter 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 χ kontinuierlich abnehmende Dicke aufweisen, daß die Intensität h 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. 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 Linie 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

K = Kn -r . . ι

4 A' rs

und der Intensitätsfehler ε ist hierbei

' * 32r7"-A²

14)

(5)

wobei k den Absorptionskoeffizienten des absorbierenden Materials bedeutet Für den Optimalfall x₂=\f2o 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 Fig.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 Kollinationslinse 15 aus absorbierendem Material. Der Durchmesser der Kollimationslinse 15 ist gemäß den Gleichungen (1) und (2) so gewählt, daß die Teilstrahlen

mit der Intensität /= " des aufgeweiteten Laserstrahls

6 den Rand der Kollimationslinse treffen und die Teilstrahlen mit geringerer Intensität ausgeblendet werden.

Bei der Anordnung nach der Fig.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 /> ". Der Durchmesser des transparenten

Teils 19 kann gleich oder größer sein als jener des absoi bierenden 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 mil 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 F i g. 4, bei welcher die Brennweite / 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 Jt bei
Ä=441,6nm	1,172 mm-¹
Intensitätsfehler ε	0,004
Gewinn C	92

Selbstverständlich ist es nicht notwendig, daß die Transmission im Zentrum der beschriebenen

j Korrekturelemente genau den Wert ^ aufweist Abweichungen von ±20% vom optimalen Wert 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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 (x_a) mindestens annähernd in jenem Punkt liegt, in welchem die Intensität (I) des aufgeweiteten Laserstrahls (6) den

Wert " aufweist, wobei /o die Intensität im Zentrum