DE2817573A1

DE2817573A1 - Vorrichtung zum mischen gepulster strahlung

Info

Publication number: DE2817573A1
Application number: DE19782817573
Authority: DE
Inventors: John A Weis
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1977-04-22
Filing date: 1978-04-21
Publication date: 1978-11-30
Also published as: SE7804579L; IT7867916A0; BE866261A; AU513744B2; CA1090182A; JPS53133050A; AU3510078A; NL7804311A; FR2388290A1; IL54319A; ES468972A1

Description

Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc. Bellevue, Washington 98009, V.St.A.

Vorrichtung zum Mischen gepulster Strahlung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen getrennter Strahlen elektromagnetischer Strahlungsimpulse in einen einzigen Strahl von Strahlungsimpulsen und zum Teilen einzelner Strahlen von Strahlungsimpulsen in mehrere getrennte Strahlen von Strahlungsimpulsen, und insbesondere eine Vorrichtung, bei der die dynamische Winkeländerung in den Strahlungsimpulsen der Ausgangsstrahlen sehr klein ist.

In Vorrichtungen mit gepulster Laserstrahlung soll oft eine höhere Folgefrequenz für die gepulste Laserstrahlung verwendet werden, als gewöhnlich von einem Einkomponenten-Laser verfügbar ist. Oft werden Dreh-Optiken verwendet, um sequentielles Mischen von Strahlen gepulster Laserstrahlung in einen einzigen gemeinsamen axialen Strahl zu ermöglichen (vgl. US-PS 3 543 183, 3 310 753, 3 5¹Il 468, 3 568 O87 und 3 924 937).

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Bei einer Anwendung einer Hoch-Pulsfrequenz-Laserstrahlung wird Isotopentrennung durch isotopenselektive Laser-Photoionisation in einer Umgebung mit hohem Durchsatz von mehreren Isotopenarten erreicht. Der hohe Durchsatz erfordert eine Hoch-Pulsfrequenz, wenn die gesamte Umgebung beleuchtet wird, was wegen des Wirkungsgrades angestrebt wird. Solche hohe Durchsätze werden gewöhnlich nur durch Mischen von Strahlen von mehreren Lasern erreicht (vgl. US-PS 3 92*1 937).

Für eine derartige Anwendung der Laser-Isotopentrennung sollte es Laserstrahl-Strahlengänge bzw. -Strahlenwege geben, die sich über beträchtliche Entfernungen erstrecken und daher eine genaue und unveränderliche Winkelorientierung und überlagerung mehrerer verschiedener Laserstrahlen benötigen. Z. B. wird in vorteilhafter Weise oft ein Laseroszillator mit genau bestimmter Frequenz verwendet, der als Steueroszillator bezeichnet wird, um die Frequenzen mehrerer "injection-locked" (injektionsgekoppelter) Laseroszillatoren zu steuern, die oft Hochleistungsvorrichtungen sind, die nicht mit der hohen Folgefrequenz des Steueroszillators arbeiten können. Die Laser-Impulsdauern liegen insbesondere im Bereich eines wesentlichen Bruchteiles einer ,us für diesen Zweck. Wenn Dreh-Optiken zum Empfang jedes sequentiellen Impulses von mehreren Lasern verwendet werden, um diese auf einen einzigen Strahlengang zu mischen, so führt die Winkelbewegung dieser Optiken oft zu einer Bewegung der gemischten Laserstrahlen über der Impulsdauer. Diese Bewegung kann als Strahlablenkung sowie als Drehung der Ablenkungsebene von Impuls zu Impuls auftreten. Bei Anwendungen der Laser-Isotopentrennung, die eine dichte Beleuchtung eines vorbestimmten Kanales durch die Umgebung der zu trennenden Isotopen benötigt, sollte eine derartige Winkelbewegung der Strahlung vermieden werden.

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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum Teilen eines einzigen Strahles gepulster elektromagnetischer Strahlung in mehrere eng beabstandete, langsam divergierende Strahlen oder zum Mischen von zwei oder mehr sequentiell gepulster Strahlen auf langsam konvergierenden Strahlengängen in einen Strahl. Beim Teilen eines einzigen Strahles in mehrere Strahlen wird kollimierte bzw. parallele gepulste elektromagnetische Strahlung von einem Strahler oder einer anderen Quelle auf einen umlaufenden oder kreisenden Spiegel gerichtet, dessen Oberfläche lediglich leicht bezüglich einer Ebene senkrecht zur Drehoder Nutationsachse geneigt ist, so daß die reflektierende Fläche etwas um die Achse kreist. Der umlaufende oder kreisende Spiegel verteilt den einen parallelen Eingangsstrahl aus einer Folge von Impulsen in eine Anzahl von Ausgangsstrahlen, die um eine Kegelfläche mit sehr spitzem Winkel eng beabstandet sind. Durch derartiges Begrenzen des Winkels zwischen aufeinanderfolgenden Ausgangsstrahlen auf einen Winkel, der gerade etwas oberhalb des zur Erreichung der Trennung erforderlichen Wertes liegt, wird die Winkelbewegung jedes Ausgangsstrahles während eines Impulses ausreichend klein gehalten.

Beim Mischen von zwei oder mehr Strahlen in einen einzigen Strahl arbeitet die Vorrichtung in umgekehrter Weise. Mehrere parallele Strahlen elektromagnetischer Strahlungsimpulse mit genauer Richtung und Lage werden zum umlaufenden oder kreisenden Spiegel geschickt, was zu einem einzigen Ausgangsstrahl paralleler elektromagnetischer Strahlungsimpulse führt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung zum

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Teilen und Vereinigen von Strahlen elektromagnetischer Strahlungsimpulse wird ein einziger Eingangsstrahl (oder Ausgangsstrahl) zu (von) einer ersten Fläche eines umlaufenden Brechungsprismas geschickt (oder abgegeben). Die mehreren Ausgangsstrahle" (oder Eingangsstrahlen) treten von (in) einer (eine) zweite(n) Flache des Dreh-Prismas aus (ein), die leicht bezüglich der ersten Fläche geneigt ist, so daß der einzige Eingangsstrahl (Ausgangsstrahl) geteilt (ein gemischter Strahl) ist.

Die Erfindung sieht also eine Umschalt-Optik zum Umschalten gepulster Strahlung zwischen einem gemeinsamen Strahlengang relativ hoher Pulsfrequenz und mehreren eng beabstandeten, leicht divergierenden Strahlengängen vor, auf denen die Impulse verteilt sind. Die Vorrichtung kann so als Strahlenmischer (-vereiniger) oder Strahlenteiler arbeiten.

Die Vorrichtung verwendet ein optisches Reflexionsoder Brechungselement, das angetrieben wird, um eine sehr geringe Schwingung in der Orientierung der Brechungs- oder Reflexionsfläche des Elements zu erzeugen, die sich insbesondere über lediglich einige Grad erstreckt. Der Schwingungswinkel wird so klein als möglich gehalten, wobei er lediglich groß genug ist, um die Strahlungsimpulse auf die langsam divergierenden Strahlengänge aufzulösen oder zu trennen. Die sehr geringe Winkeländerung zwischen benachbarten Strahlengängen der divergierenden Strahlengänge ermöglicht eine große Anzahl von Strahlen in einem Bündel von divergierenden Strahlengängen, wobei jedoch liegen der geringen Winkeländerung lediglich eine kleine Winkelabtastung eintritt, die auf der endlichen Impulsdauer beruht. Diese können gut innerhalb annehmbarer Grenzen für die Verwendung mit langen Strah-

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lengängen gehalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Einfluß der Drehung eines typischen Laser-Leistungsverstärker-AusgangsStrahles ,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Teilen eines einzigen Strahles in mehrere Strahlen,

Fig. 3 ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Mischen mehrerer Strahlen in einen Strahl,

Fig. 3A Signale zur Erläuterung des Betriebs des Ausführungsbeispiels der Fig. 3,

Fig. 4 ein weiteres Ausführunrsbeisüiel der Erfindung zum Teilen oder Mischen von Strahlen einer Strahlung,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem mehrere Strahlen geteilt oder mehrere Strahlen einer Strahlung gemischt werden, und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Teilen oder Mischen von Strahlen einer Strahlung.

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-OQ-

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung zum Erhöhen der wirksamen Pulsfrequenz eines gepulsten Lasersystems durch sequentielles Mischen der Ausgangsstrahlen mehrerer gepulster Laser in einen gemeinsamen Strahl vor, dessen Pulsfrequenz über der Frequenz jedes einzelnen Lasers erhöht ist. Die Vorrichtung erzeugt einen Ausgangsstrahl mit sehr kleiner dynamischer Winkeländerung, indem die Strahlen auf eng beabstandete, leicht konvergierende Strahlengänge gebracht und mittels eines optischen Ablenkers abgelenkt werden, der so den Ablenkungswinkel lediglich leicht zwischen den Strahlen ändern muß, um diese auf einen gemeinsamen Strahlengang einzuschränken. Die dynamische Winkeländerung oder Abtastung wird so auf annehmbare Pegel verringert, wobei die Verwendung getrennter oder aufwendiger Dreh-Optiken zur Kompensation der WinkelSnderung vermieden wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für Lasersysteme besonders vorteilhaft; sie kann aber auch zum Mischen beliebiger gepulster Strahlen eingesetzt werden. Weiterhin kann bei der Erfindung der Betrieb unigekehrt werden, um eine Vorrichtung zum Teilen eines einzigen Strahles in mehrere Strahlen mit den oben erläuterten Vorteilen zu erhalten.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt I^ eines Ausgangsstrahles einer Strahlung von einem Laser-Leistungsverstärker. Das Ausgangssignal eines derartigen Laser-Leistungsverstärkers und von Laser-Leistungsverstärkern allgemein hat keinen radial symmetrischen Querschnitt. Obwohl es zahlreiche Vorrichtungen zum Mischen verschiedener Laserstrahlen gibt, um einen einzigen Laserstrahl mit höherer Durchschnittsleistung zu erzielen, ist ein gemeinsames Problem aller dieser Vorrichtungen, daß im gemischten Ausgangsstrahl eine Bilddrehung auftritt. Diese führt zu einer merklichen Drehbewegung des Strahles während

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eines Ausgangsimpulses, wie dies in Fig. 1 durch einen Pfeil 16 und einen Querschnitt 18 in Strichlinien gezeigt ist. Wegen der Strahl-Querschnittsform ändert diese Drehung stark den beleuchteten Bereich. Diese Winkeldrehung führt weiterhin zu Schwierigkeiten bei der Einstellung der Winkelorientierung der einzelnen Laserverstärker eines Strahlmischers, um einen Ausgangsstrahl zu erhalten, dessen Querschnitt und Orientierung so konstant als möglich sind.

Die Querschnittsform und die Größe des dargestellten Strahles bleiben jedoch nicht konstant, wenn sich dieser über Entfernungen von einigen zehn Metern oder mehr ausbreitet, was bei der Laser-Anreicherung auftritt. Der Strahl divergiert und kann in unterschiedlichen Beträgen als Funktion des Winkels um die Ausbreitungslinie um wenigstens den durch die Beugung begrenzten Mindestwert abhängig von der Strahlgröße divergieren. Andere Faktoren, wie z. B. Störungen oder Schwankungen in dem den Strahl erzeugenden Medium können zu zusätzlicher Streuung beitragen. Der in Fig. 1 dargestellte Strahl streut oder erweitert sich mit dem Abstand, wobei er sich einem Kreis- oder elliptischen Querschnitt annähert. Wenn so ein derartiger Strahl geteilt werden soll, müssen die mehreren Strahlen, in die er geteilt ist, voneinander mit einem größeren Winkel divergieren als die Streuung jedes Strahles, so daß bei einer Entfernung von praktischen Abmessungen die Strahlen vollständig getrennt und ausgeprägt sind.

Beim Teilen oder Mischen führt die Streuungseigenschaft des betrachteten Strahles unvermeidlich zu einer Begrenzung der Strahlqualität. Damit ist eine Strahlbewegung aufgrund der Wirkungen der Bewegung der Misch- oder Teiler-Optiken annehmbar, wenn diese vergleichbar oder vorzugsweise kleiner als die vorhandene Streuung ist. Dies erlaubt die Verwendung

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von Optiken wie bei der Erfindung, bei der die vorhandene Strahlbewegung innerhalb dieser Richtlinien steuerbar klein gemacht wird.

Fig. 2 zeigt in einem Diagramm die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Teilen eines einzigen Eingangsstrahles elektromagnetischer Strahlungsimpulse in mehrere Ausgangsstrahlen elektromagnetischer Strahlungsimpulse. Demgemäß erzeugt eine Quelle 20 gepulster Laserstrahlung einen parallelen Strahl 22 elektromagnetischer Strahlungsimpulse. Dieser Strahl 22 von Impulsen dient als Eingangsstrahl von Impulsen in die Vorrichtung. Der Strahl 22 fällt auf einen Spiegel 24 oder eine andere reflektierende Einrichtung ein. Der Spiegel 24 wird um eine Achse 26 durch einen Antrieb 2^R gedreht, der mit dem Spiegel 24 über eine Welle 30 oder eine andere geeignete Einrichtung zum Drehen des Spiegels 24 verbunden ist.

Die reflektierende Oberseite 32 des Spiegels 24 ist vorzugsweise plan oder nahezu so gestaltet, wobei die Ebenheit oder Regelmäßigkeit der Oberseite 32 für die Verringerung von Störungen in den Ausgangsstrahlen hiervon bedeutsam ist, wie weiter unten näher erläutert wird. Die reflektierende Oberseite 32 ist leicht bezüglich einer Ebene senkrecht zur Drehachse 26 geneigt. D. h., die Normale zur Oberseite 32 ist leicht bezüglich der Achse P6 geneigt und läuft um die Achse 26 um, wodurch eine Kegelfläche beschrieben wird, wenn der Spiegel 24 durch den Antrieb 28 in Drehung versetzt wird. Dies bewirkt, daß die reflektierende Oberseite 32 des Spiegels 24 die Eigenschaften einer Nutation aufweist, nämlich ein geringes Wobbein. Der Spiegel kann auch so ohne Drehung in eine tatsächliche Wobbel-Bewegung angetrieben werden. Für die vorliegenden Zwecke wird diese Bewegung als Nutation bezeichnet, da sie deren Erscheinungen hat.

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2d ι /o73

Als Ergebnis wird der Eingangsstrahl 22 durch die reflektierende Oberseite 32 unter verschiedenen Winkeln reflektiert, wenn die reflektierende Oberseite 32 um die Achse 26 umläuft oder kreist. Dies ist durch Ausgangsstrahlen 3^ bis 37 gezeigt. Wenn der Spiegel 2k so ausgerichtet oder orientiert ist, daß die Neigung der reflektierenden Oberseite 32 unter einem Winkel zum Eingangsstrahl 22 ist, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, dann wird der Ausgangsstrahl unter einem Winkel reflektiert, wie dies durch den Ausgangsstrahl 34 dargestellt ist. Wenn der Spiegel 24 mit einer Frequenz kleiner als die Pulsfrequenz des Strahles 22 durch den Antrieb umläuft, tritt jeder Ausgangsstrahl auf verschiedenen Linien in einer Kegelfläche auf. Wenn ein Eingangsstrahl aus einer Folge von einzelnen Impulsen zusammengesetzt ist, so bewirkt damit die Drehung der reflektierenden Oberseite 32, wie dies oben erläutert wurde, daß diese Impulse in verschiedenen Richtungen reflektiert werden, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist.

Gewöhnlich liegt ein Synchronisierglied 39 zwischen der gepulsten Strahlungsquelle 20 und dem Antrieb ?K, um die Drehung der reflektierenden Oberseite 32 mit den einzelnen, von der Strahlungsquelle 20 abgegebenen Impulsen auszurichten, so daß mehrere Strahlungsimpulse von der Strahlungsquelle, die während einer vollständigen Umdrehung des Spiegels 24 auftreten, unter der gleichen Winkelorientierung des Spiegels 24 während jeder von dessen folgenden Umdrehungen hervorgerufen werden. Diese Operation erzeugt eine gewählte Anzahl getrennter Ausgangsstrahlen von der reflektierenden Oberseite 32, wobei jeder Strahl aus gewählten Impulsen von der Strahlungsquelle 20 entsprechend der Winkelorientierung des Spiegels 24 zusammengesetzt ist und eine kleinere Pulsfrequenz hat.

Der oben erläuterte Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung wird umgekehrt, um mehrere Eingangsstrahlen gepulster

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Strahlung in einen einzigen Ausgangsstrahl gepulster Strahlung mit höherer Pulsfolgefrequenz zu mischen. Der Betrieb ergibt sich deutlicher aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3, bei dem mehrere gepulste Laser 41 bis 44 jeweils einen Ausgangsstrahl mit Laser-Strahlungsimpulsen abgeben. Die gepulsten Laser 4l bis 44 können durch andere Quellen gepulster elektromagnetischer Strahlung ersetzt werden, einschließlich gepulster Laserverstärker, die von einer einzigen Quelle der Laserstrahlung angesteuert sind. Die Ausgangsstrahlen von den gepulsten Lasern 41 bis 44 liegen auf einer Kegelfläche, so daß jeder Strahl auf die reflektierende Oberseite 32 bei ungefähr dem gleichen Punkt auftrifft, eventuell dem Schnittpunkt der reflektierenden Oberseite 32 mit der Drehachse 26. Dieser Schnittpunkt erlaubt es, daß die reflektierende Oberseite 32 für eine gegebene Laserstrahlgröße so klein als möglich ist. Von der Drehachse 26 versetzte Schnittpunkte können bevorzugt werden, insbesondere bei Anwendungen, bei denen es von Bedeutung ist, die Leistungsdichte an der Spiegelfläche 32 gering zu halten. Der Neigungswinkel der reflektierenden Oberseite 32 bezüglich einer Ebene senkrecht zur Drehachse 26 wird durch die Anordnung und die Trennung der Strahlen gepulster Strahlung von den gepulsten Lasern 41 bis 44 bestimmt, wie dies weiter unten näher erläutert wird, er ist aber im allgemeinen so flach, als praktische Überlegungen dies erlauben. Ein Synchronisierglied 46 ist mit den gepulsten Lasern 4l bis 44 und dem Antrieb 28 so verbunden, daß jeder gepulste Laser einen Impuls in einem Zeitpunkt entsprechend der genauen Winkelausrichtung der reflektierenden Oberseite 32 abgibt, um einen einzigen Ausgangsstrahl 4R gepulster Laserstrahlung mit einer Folgefrequenz und einer Durchschnittsleistung zu erzeugen, die viermal dem Wert jedes einzelnen Lasers 41 bis 44 entspricht.

Fig. 3A zeigt die Art und Weise, in der einzelne Strahlen der gepulsten Strahlung synchronisiert und durch die Vor-

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richtung der Fig. 3 gemischt werden. In Fig. 3A bezeichnen die Impulse in einem Signal 50 die Ausgangsimpulse vom Laser ^l\l der Fig. 3. Auf ähnliche Weise bezeichnen Signale 52, 54 und 56 die Ausgangs impulse der Laser 42 bzw. 43 bzw. 44. Die Impulse von jedem der gepulsten Laser 41 bis 44 sind vorzugsweise gleichmäßig zeitlich beabstandet und entsprechend der Drehung der reflektierenden Oberseite 32 durch das Synchronisierglied 46 synchronisiert.

Das Ergebnis ist ein Ausgangsstrahl der gepulsten Strahlung 48, der durch ein Signal 58 gezeigt ist, wobei der Ausgangsstrahl in der Folgefrequenz und Durchschnittsleistung um einen Faktor entsprechend der Anzahl der einzelnen Strahlen von den Lasern 41 bis 44 erhöht ist.

Der Neigungswinkel der reflektierenden Oberseite 32 bezüglich der Achse 26 bestimmt den Betrag, um den die Strahlen in einem gegebenen Abstand T von der reflektierenden Oberseite 32 getrennt oder trennbar sind. Die Gleichungen für die optische Geometrie für den Strahlteiler der Fig. 2 und den Strahlmischer der Fig. 3 sind gleich. Größere Neigungswinkel führen zu größerer Trennung, und der Betrag der Neigung bestimmt auch die Drehwinkeländerung während einer gegebenen Pulszeit des Ausgangsstrahles. Größere Neigungswinkel führen zu größeren Drehwinkeländerungen. Für eine Vorrichtung, deren Eingangs/Ausgangsstrahlen um einen Kreis eines Durchmessers d in einer Entfernung T von der reflektierenden Oberseite verteilt sind, ist der Neigungswinkel oc der reflektierenden Oberseite 32 bezüglich der Drehachse 26 gegeben durch:

cc =

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-T(T-

2 31 7 5 7

Die Neigung <λ soll st-h" '·'. "loin gehalten werden, wobei ein kleiner Bruchteil eines rad wesentlich ist. Ein Winkel von einen Grad oder weniger ist für Laser-Anreicherungsanlagen vorteilhaft. Der Winkel wird gewöhnlich so klein als möglich gemacht, so daß die Drehwinkeländerung während einer gegebenen Irnpulszeit vernachlässigbar ist.

Für praktische Anwendungen ist die Impulszeit t sehr klein im Vergleich zur Zeit t für eine Umdrehung des Spiegels. Die Änderung im Winkel Δ θ des Ausgangsstrahles während eines ImpuLses ist klein und gegeben durch:

it D t
ΔΘ = E. .

T · t
r

Δθ Daraus folgt die Winkeländerung je Zeiteinheit -r-i"'

ΔΘ NRD
At T '

mit H = Anzahl der zu mischenden Strahlen,

R = Winkelgeschwindigkeit des Spiegels in Umdrehungen/s,

D = Entfernung zwischen den Mitten benachbarter Strahlen bei einem Abstand T vom Spiegel.

Z. F5. sind typische Werte N = 80 Strahlen, R = 500 U/s, D = I cm, T = 3000 cm und At = 1 ,us. Dann kann die Winkeländerung über einen Impuls berechnet werden zu:

Δθ = 13,33 /Urad.

8 0 9 8 4 8/0611 _OR1G!NAL INSPECTED

Die Fig. 4,5 und 6 zeigen andere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung. Der zu teilende Eingangsstrahl oder der zu mischende Ausgangsstrahl kann jeden geeigneten Winkel bezüglich der Spiegel^-Drehachse haben. In Fig. 4 ist der Teiler-Eingangsstrahl oder Ausgangsstrahl 60 parallel zur Drehachse 26 des Spiegels 2H. In diesem Fall sind die getrennten Strahlen 62 bis 65, die den geteilten Ausgangsstrahl oder getrennte Eingangsstrahlen bilden, auf einer Kegelfläche verteilt, deren Achse mit dem einzigen Strahl 60 und der Drehachse 26 kolinear ist oder fluchtet.

Mehr als ein Strahl kann aufgeteilt werden, und mehr als eine Folge von Strahlen können gleichzeitig durch den gleichen Dreh-Spiegel gemischt werden. Dieser Betrieb wird anhand von Fig. 5 erläutert. Ein erster zu teilender Eingangsstrahl oder ein gemischter Ausgangsstrahl 70 trifft auf eine reflektierende Oberseite 32 unter einem ersten Winkel auf oder wird von dieser unter einem ersten Winkel abgegeben. Ein zweiter zu teilender Eingangsstrahl oder ein gemischter Ausgangs strahl 7²I ist unter einem zweiten, verschiedenen Winkel auf die reflektierende Oberseite 32 gerichtet oder von dieser abgegeben. Eine entsprechende Kegelverteilung getrennter Strahlen 76, die die Teiler-Ausgangsstrahlen oder die zu mischenden Eingangsstrahlen sein können, ist bezüglich des entsprechenden EingangsStrahles 70 und der reflektierenden Oberseite 32 vorgesehen, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Auf ähnliche Weise liegt eine Kegelverteilung von Eingangs- oder Ausgangsstrahlen 78, die einem einzigen Ausgangs/Eingangsstrahl 7^ zugeordnet sind, auf einem verschiedenen Kegel-Strahlengang, der auf dem verschiedenen Winkel des einzigen Strahles 74 bezüglich der Drehachse 26 beruht.

Es sei darauf hingewiesen, daß mehr als zwei Teiler/

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Mischer nach Fig. 5 einer einzigen umlaufenden reflektierenden Fläche zugeordnet sein können, und daß Teilen und Mischen von Strahlen gepulster Strahlung durch die gleiche Vorrichtung ausführbar ist.

PMg. fi zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein umlaufendes, brechendes Bauteil, wie z. B. ein Prisma, zum Teilen oder Mischen des einzigen Strahles bzw. der getrennten Strahlen dient. Entsprechend wird beim Teilen eines einzigen Strahles gepulster elektromagnetischer Strahlung in mehrere einzelne Strahlen gepulster elektromagnetischer Strahlung ein Eingangsstrahl 80 auf ein umlaufendes Prisma 82 gerichtet. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Eir.gangsstrahl 80 kolinear zu der Achse, um die das rotierende Prisma 82 umläuft. Der Eingangsstrahl 80 tritt in das Prisma 82 an einer Fläche 84 ein, die senkrecht zum Eingangsstrahl 80 und zur Drehachse dargestellt aber nicht notwendig so ausgerichtet ist. Der Eingangsstrahl verläuft dann durch das Prisma 82 und tritt aus diesen an einer Fläche 86 aus. Die Fläche B'i ist etwas zur Fläche 84 geneigt. Der Prisma-Keilxfinkel bewirkt, daß der Winkel, untor dem der Eingangsstrahl 80 vcm Prisna 82 abgegeben wird, etwas verschieden von dessen Eingangüwinkel ist. Wenn das Prisma 82 umläuft, werden die Ausgangsstrahlen auf einer Kegelfläche verteilt, deren Achse die Drehachse ist und deren Spitze auf der Fläche 82 liegt, wie dies durch dir beispielsweisen Ausgangsstrahlen 88 bis 91 in Fig. 6 gezeigt int . Auf ähnliche Weise zu den in den Fig. 2, 3, 4 und ^r; gezeigten Vorrichtungen kann das Ausführungsbeispiel dor Fig. C- entweder als Strahlteiler oder als Strahlmischc?r oder als hoides gleichzeitig verwendet werden. (Um die Auswirkungnn der, Wobbelnn aufgrund der Lager des Prismar. 8Γ möglichst klein zu machen, sind alternativ die Flächen 8h und 8^ gleich und entgegengesetzt zur Drehachse geneigt.

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MSPEGTED

- TC) _

■■> -ι ι -7 Γ η ο L 0 I / 0 / J

und die Strahlen 80 werden dann um einen Mindestwert abgelenkt.) Es können auch andere Formen als die beschriebenen Ausführungsbeispiele für das brechende !Bauteil 82 verwendet werden, z. B. eine abgestumpfte Linse, die so angebracht ist, daß sie um eine von der optischen Achse der Linse versetzte Achse umläuft. Für das brechende Bauteil P*2 können also auch andere Formen gleich vorteilhaft vorgesehen werden.

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Claims

Ansprüche

2.

Vorrichtung zum Mischen von Strahlen gepulster Strahlung, mit

mehreren Strahlungsquellen für die gepulste Strahlung zum Erzeugen räumlich getrennter Strahlen aus Strahlungsimpulsen in Zeitfolge,

wobei die Strahlungsimpulse eine endliche Zeitdauer haben,

wobei die Strahlen bezüglich einer Mittenachse geneigt und um diese verteilt sind, so daß sie auf einer Kegelfläche liegen, deren Achse die Mittenachse ist, und

wobei jeder der Strahlen von der Mittenachse um einen vorbestimmten Winkel geneigt ist, der ein kleiner Bruchteil eines rad ist,

gekennzeichnet durch

einen Empfänger (2*1) für die Folge der räumlich getrennten Strahlen in im wesentlichen deren Schnittpunkt mit der Mittenachse, um die getrennten Strahlen auf einen gemeinsamen Strahlengang abzulenken.

Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß der vorbestimmte Winkel kleiner als 1° ist.

052-{JNA-74)-KoE

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3. Vorrichtung nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet,

daß jeder der Strahlen sich durch einen Streuwinkel und eine vorbestimmte Zeitdauer auszeichnet, und

daß der Empfänger (2¹I) Mittel hat, um die Winkelbewegung der auf den gemeinsamen Strahlengang über jeder Impulsdauer gerichteten Impulse kleiner als deren Streuwinkel zu machen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (24) eine reflektierende Fläche (32) hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (24) eine zur reflektierenden Fläche (32) senkrechte Achse (26) einer Kegelfläche folgen läßt, die um ihre Achse um einen kleinen Bruchteil eines rad geneigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (24) Mittel (28, 30) zum Drehen der reflektierenden Fläche (32) hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spitze der Kegelverteilung der Strahlen im wesentlichen in der Ebene der reflektierenden Fläche (32) liegt.

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß die Spitze die reflektierende Fläche (32) in einem von deren Drehachse entfernten Punkt berührt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquellen (41-44) gepulste Laser sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (24) weiterhin ein Synchronisierglied (46) für die Drehung der reflektierenden Oberseite (32) mit den Strahlungsimpulsen von jeder der Strahlungsquellen (41-44) aufweist, um Jeden empfangenen Impuls auf den gemeinsamen Strahlengang zu reflektieren.

11» Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlungsquellen (41-44) Impulse sequentiell in einer Reihenfolge entsprechend der Reihenfolge der Strahlen um die Mittenachse abgeben.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß die reflektierende Fläche (32) eine Umdrehung während einer vollständigen Folge von Impulsen von jeder der Strahlungsquellen (41-44) ausführt.

13, Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch

eine zweite Anzahl von Strahlungsquellen für gepulste Strahlung, die räumlich getrennte Strahlen gepulster Strah-

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-H-

lung in Folge erzeugen,

wobei die Strahlungsimpulse von der zweiten Anzahl von Strahlungsquellen eine endliche Zeitdauer haben,

wobei die Strahlen der Strahlungsimpulse von der zweiten Anzahl von Strahlungsquellen um eine zweite Mittenachse verteilt und bezüglich dieser geneigt sind sowie die zweite Mittenachse im wesentlichen im gleichen Punkt schneiden, so daß die Strahlen der Strahlung von der zweiten Anzahl von Strahlungsquellen im wesentlichen in einer zweiten Kegelfläche um die zweite Achse liegen₃ und

wobei der Empfänger (2*0 betätigbar ist,, um die getrennten Strahlen der Strahlung von der zweiten Anzahl von Strahlungsquellen auf einen zweiten im vresentlichen geneinsamen Strahlengang zu richten, der vom ersten gemeinsamen Strahlengang verschieden ist,

IiJ. Vorrichtung nach Anspruch I₃

dadurch gekennzeichnet_s

daß der Empfänger (24) eine optisch durchlässige Brechungseinrichtung aufweist, die einen von der Umgebung verschiedenen Brechungsindex hat und so angeordnet ist j daß sie die Strahlen der gepulsten Strahlung empfängt_s um den Strahlengang der Strahlen der gepulsten Strahlung auf getrennte Strahlen der Strahlungsimpulse auf dem im wesentlichen gemeinsamen Strahlengang zu leiten.

15. Vorrichtung nach Anspruch lU, dadurch gekennzeichnet_s

daß die Brechungseinrichtung eine erste und eine zweite Planfläche hat, deren Normalen bezüglich des gemeinsamen Strahlenganges unter gleichen Winkeln geneigt sind.

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? 8 1 7 S 7

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlen der gepulsten Strahlung in die Brechungseinrichtung in einer zweiten Fläche eintreten und die Brechungseinrichtung in deren ersten Fläche verlassen.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Fläche im wesentlichen in der Spitze der Kegelfläche liegt.

18. Vorrichtung nach Anspruch I¹I, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (2'I) Mittel (?3) zum Drehen der Brechungseinrichtung um eine Drehachse aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet,

daß die Drehachse parallel zum gemeinsamen Strahlengang ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (24) ein Synchronisierglied (46) zum Synchronisieren der Drehung der Brechungseinrichtung mit den Strahlungsimpulsen von jeder Strahlungsquelle (41-44) hat, so daß jeder Impuls durch die Brechungseinrichtung auf den gemeinsamen Strahlengang gerichtet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Strahlungsquelle!! (Ul-UiQ Impulse im wesentlichen in der Reihenfolge abpeben, in der die Strahlen von jeder Strahlungsquelle (Ul-UU) um die Mittenachse angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach Anspruch dadurch (^«kennzeichnet,

daß sich die Brechungseinrichtung einmal für jede vollständige Folge von Impulsen von den Strahlungsquellen dreht.

23. Vorrichtung nach Anspruch ??., dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlen der Strahlungsimpulse mehrere Impulse paralleler bzw. kollimierter elektromagnetischer Strahlung aufweisen.

2U. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlungsquellen (Ul-UU) gepulste Laser aufweisen.

25. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (2U) aus einer einzigen reflektierenden Fläche besteht.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet,

daß sich die reflektierende Fläche um eine Achse dreht, die bezüglich der Normalen zur reflektierenden Fläche geneigt ist.

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27. Vorrichtung zum Teilen eines Strahles gepulster Strahlung in mehrere räumlich getrennte Strahlen gepulster Strahlung, mit

einer Strahlungsquelle für gepulste Strahlung zum Erzeugen eines Strahles von Strahlungsimpulsen in Zeitfolge,

wobei die Strahlungsimpulse eine endliehe Zeitdauer haben,

gekennzeichnet durch

einen Empfänger (24) für die Strahlungsimpulse, um einzelne Impulse auf vorbestimmte mehrere räumlich getrennte Strahlengänge zu richten, die um einen vorbestimmten Winkel eines kleinen Bruchteiles eines rad bezüglich einer Mittenachse verteilt und zu dieser geneigt sind, wobei die mehreren Strahlengänge aus im wesentlichen einem Punkt auf der Mittenachse austreten und um eine Kegelfläche verteilt sind, deren Achse die Mittenachse ist,

■wobei der Empfänger (2'0 im wesentlichen in der opitze der Kegelfläche liegt.

28. Torrichtung nach Anspruch 27₉
dadurch gekennzeichnet,

daß der vorbestimmte Winkel höchstens 1° beträgt.

29. Vorrichtung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger eine reflektierende Planfläche (32) und Mittel (28) zu deren Drehung um eine Achse aufweist, die bezüglich zur Normalen zur reflektierenden Fläche (32) um einen kleinen Bruchteil eines rad geneigt ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet,

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daß die Schnittstelle der Drehachse und der reflektierenden Fläche (32) im wesentlichen in der Spitze der Kegelverteilung der Strahlen liegt.

31. · Vorrichtung nach Anspruch 29,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlungsquelle (20) einen gepulsten Laser aufweist, der zeitsequentielle Impulse der Laserstrahlung erzeugt.

32. Vorrichtung nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger weiterhin ein Synchronisierglied (39) für die Drehung der reflektierenden Fläche (32) mit den Strahlungsimpulsen von der Strahlungsquelle (20) aufweist, so daß jeder Strahlungsimpuls von der Strahlungsquelle (20) durch die reflektierende Fläche (32) auf einen der vorbestimmten räumlich getrennten Strahlengänge reflektiert wird.

33· Vorrichtung nach Anspruch 32,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Anzahl der getrennten Strahlengänge und entsprechend der getrennten Strahlen der Strahlungsimpulse gleich ist der Anzahl der Strahlungsimpulse von der Strahlungsquelle (20) während einer vollständigen Drehung der reflektierenden Fläche (32), und

daß das Synchronisierglied·(39) so betätigbar ist, daß jeder der mehreren Impulse während einer vollständigen. Umdrehung der reflektierenden Fläche (32) auf einen entsprechenden Strahlengang der mehreren Strahlengänge gerichtet ist, um einen entsprechenden Strahl der räumlich getrennten Strahlen der Strahlungsimpulse zu erzeugen.

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34. Vorrichtung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (32) eine optisch durchlässige Brechungseinrichtung aufweist, die einen von der Umgebung verschiedenen Brechungsindex hat und so angeordnet ist, daß sie den Strahl der gepulsten Strahlung von der Strahlungsquelle (20) empfängt, um den Strahlengang des Strahles der gepulsten Strahlung abzulenken, so daß einzelne Impulse auf die räumlich getrennten Strahlengänge gerichtet sind.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Brechungseinrichtung eine erste und eine Planfläche hat, deren Normalen bezüglich der Mittenachse um den gleichen Winkel geneigt sind, und

daß der Strahl der Strahlungsimpulse von der Strahlungsquelle (20) in die Brechungseinrichtung in der ersten Fläche eintritt und die Brechungseinrichtung in der zweiten Fläche verläßt.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger (24) Mittel (28) zum Drehen der Brechungseinrichtung um eine zur Mittenachse parallele Achse hat.

37. Vorrichtung nach Anspruch 36,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Strahlungsquelle (20) einen gepulsten Laser aufweist, um zeitsequentielle Impulse einer Laserstrahlung zu erzeugen.

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38. Vorrichtung nach Anspruch 36,
dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere Strahlungsimpulse, die in der Anzahl gleich sind den mehreren räumlich getrennten Strahlengängen, während jeder vollständigen Drehung der Brechungseinrichtung auftreten, und

daß das Synchronisierglied (39) weiterhin bewirkt, daß die mehreren Impulse von der Strahlungsquelle (20) während jeder vollständigen Umdrehung der Brechungseinrichtung auf einen entsprechenden Strahlengang der mehreren getrennten Strahlengänge gerichtet sind.

39. Vorrichtung zum Mischen mehrerer Strahlen gepulster Strahlung in einen Strahl gepulster Strahlung und zum Teilen eines Strahles gepulster Strahlung in mehrere Strahlen gepulster Strahlung,

gekennzeichnet durch

einen Empfänger (24) für mehrere Strahlen gepulster Strahlung, die um eine Mittenachse verteilt und um einen kleinen Bruchteil eines rad bezüglich dieser geneigt sind und die Mittenachse in im wesentlichen einem Punkt schneiden, so daß die Strahlen der Strahlung im wesentlichen auf einer Kegelfläche um die Mittenachse liegen, und wobei der Empfänger die getrennten Strahlen der Strahlungsimpulse auf einen im wesentlichen gemeinsamen Strahlengang richtet,

wobei der Empfänger (24) weiterhin einen einzigen Eingangsstrahl sequentieller Strahlungsimpulse empfängt und einzelne Impulse hiervon auf mehrere getrennte Strahlengänge richtet, um räumlich getrennte Strahlen der Strahlungsimpulse zu erzeugen, wobei die getrennten Strahlengänge um eine Ausgangsachse verteilt und bezüglich dieser um einen kleinen Bruchteil eines rad geneigt sind und im wesentlichen aus einem Punkt auf dieser austreten, so daß die sich

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ergebenden mehreren Strahlen der Strahlung im wesentlichen in einer Kegelfläche liegen, deren Achse die Ausgangsachse ist.

¹JO. Vorrichtung nach Anspruch 39,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger weiterhin aufweist:

eine reflektierende Fläche (32), und

Mittel (28) zum Drehen der reflektierenden Fläche (32) um eine bezüglich der Normalen zur reflektierenden Fläche (32) geneigte Achse, so daß die Normale einen Kegel beschreibt,

wobei die Schnittstelle der Drehachse und der reflektierenden Fläche (32) im wesentlichen in den Spitzen der kegelförmigen Verteilungen der Strahlen liegen.

¹Il. Vorrichtung nach Anspruch 39,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Empfänger aufweist:

eine optisch durchlässige Brechungseinrichtung mit einem von der Umgebung unterschiedlichen Brechungsindex zum Ablenken der Strahlen gepulster Strahlung, und

Mittel (28) zum Drehen der Brechungseinrichtung um eine zum gemeinsamen Strahlengang parallele Achse.

42. Dynamische optische Vorrichtung in einer Anlage mit wiederholter Folge von Zeitpunkten, deren jeder das Auftreten eines Strahlungsimpulses in einer Folge von Strahlungsimpulsen festlegt, um eine Winke!transformation der Folge von Strahlungsimpulsen zwischen einer ersten Achse, die einen gemeinsamen Strahlengang der räumlich überlagerten Strahlungsimpulse festlegt, und mehreren räumlich getrennten Strahlengängen zu erzeugen, deren jeder zur Mittenachse geneigt und um diese verteilt ist,

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gekennzeichnet durch

eine Optik (24) mit wenigstens einer Fläche (32) zur Strahlungsablenkung,

wobei die Fläche (32) die erste Achse und die Mittenachse schneidet,

eine Einrichtung (28) zum zyklischen Verändern des Winkels, unter dem die Fläche (32) der Optik (24) die erste Achse unter einem begrenzten Winkel schneidet, der ein kleiner Bruchteil eines rad ist, und eine Einrichtung zum Festlegen der Folge von Zeitpunkten,

wobei die Einrichtung (28) zum zyklischen Verändern ein Synchronisierglied (39) hat, um die zyklische Veränderung im Schnittwinkel der Fläche (32) zu synchronisieren, so daß ein vorbestimmter Schnittwinkel der Fläche (32) für jeden der Zeitpunkte in der Folge von Zeitpunkten entsteht.

43· Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (24) einen Spiegel hat.

44. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (24) eine Brechungseinrichtung hat.

45. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet,

daß die Einrichtung (28) zum zyklischen Verändern Mittel zum Drehen der Optik (24) hat.

46. Vorrichtung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß der begrenzte Winkel höchstens 1° beträgt.

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47. Vorrichtung nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (20) zum Erzeugen einer Folge von Strahlungsimpulsen auf dem gemeinsamen Strahlengang, der zur Optik (24) gerichtet ist, um mehrere Impulse zu erzeugen, die sequentiell auf den mehreren räumlich getrennten Strahlengängen (34-37) verteilt sind.

48. Vorrichtung nach Anspruch 42, gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (41-44) zum Erzeugen mehrerer zeitsequentieller Strahlungsimpulse, die auf die mehreren räumlich getrennten Strahlengänge zur Optik (24) gerichtet sind, um in mehrere Strahlungsimpulse erhöhter Impulsfrequenz auf den gemeinsamen Strahlengang mischbar zu sein.

49. Vorrichtung zum Übertragen einer Folge von Impulsen einer Strahlung zwischen einem gemeinsamen Strahlengang auf einer ersten Achse mit räumlich überlagerten Impulsen und mehreren eng beabstandeten langsam divergierenden getrennten Strahlengängen, auf denen die Impulse der Laserstrahlung unter den getrennten Strahlengängen in einer vorbestimmten, sich wiederholenden Zeitfolge verteilt sind,

gekennzeichnet durch

eine Optik (24) mit wenigstens einer Fläche (32), die die Strahlung ablenkt, und

eine Einrichtung (28) zum zeitlichen Verändern der Ausrichtung der optischen Fläche der Optik (24) in einer zur Zeitfolge der Impulse synchronisierten Bewegung, um die Impulse der optischen Strahlung zwischen dem gemeinsamen Strahlengang und aufeinanderfolgenden Strahlengängen der mehreren eng beabstandeten und langsam divergierenden Strahlengänge in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten der Im-

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pulse zu erzeugen, die in der sich wiederholenden Zeitfolge auftreten,

wobei die Einrichtung (28) eine Änderung in der Winkelausrichtung der optischen Fläche (32) während jedes aufeinanderfolgenden Impulses in der sich wiederholenden Zeitfolge erzeugt, die ein kleiner Bruchteil eines Grades ist.

50. Vorrichtung nach Anspruch 49,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Winkeländerung in der Ausrichtung der optischen Fläche (32) über allen Impulsen ein kleiner Bruchteil eines rad ist.

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