DE2851147A1 - Laser - Google Patents

Description

Beschreibung:

Die Erfindung befaßt sich mit einem Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter den verschiedenen Arten von Lasern befinden sich einige, z.B. Farblaser, die in einem verhältnismäßig breiten Wellenlängenband (z.B. ungefähr 40 nm Bandbreite) arbeiten. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einer Einrichtung zur Einstellung der Ausgangswellenlänge eines solchen Lasers.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Einstellung der Wellenlänge des austretenden Laserstrahls zu vereinfachen und die Effizienz zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Laser mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen. Bevorzugte Weiterbildungen dieses Lasers sind Gegenstand der Unteransprüche.

Durch die Anordnung der doppelbrechenden Platte gemäß Anspruch 2 wird eine Polarisation des Lichtstrahlenbündels im Lasergefäß erreicht. Alternativ könnten aber auch Polarisatoren im Lasergefäß angeordnet werden. Schließlich könnte man die Polarisation des Lichtstrahlenbündels im Lasergefäß auch dadurch erreichen, daß man für den Laser eine polarisiertes Licht erzeugende Lichtpumpe verwendet.

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Gewöhnlich wird als Laser ein Farblaser der Art verwendet, wie er in dem Aufsatz von Runge et. al. "Unconfined Flowing Dye Films for CW Dye Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, Dezember 1972, beschrieben ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert.

F i g . 1 zeigt den Laser mit den hier wesentlichen Elementen,

F i g . 2 zeigt eine doppelbrechende Platte zur Verwendung in dem Laser gemäß Fig. 1, und

F i g . 3 ist ein Vektordiagramm zum leichteren Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung.

In der durch die Reflektoren 11A, 11B, HC gebildeten Laserkammer/befindet sich eine Farbschicht 10 am Ort des Krümmungsmittelpunkts des Reflektors HA und zugleich im Abstand des halben Krümmungsradius des Reflektors HB vom Reflektor HB, sodaß das Laserlichtstrahlenbundel zwischen den Reflektoren HB und HC parallel gebündelt wird. Die Farbschicht 10 wird durch eine unbegrenzte Strömung eines Farbstoffs gebildet, so

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wie es in dem genannten Aufsatz von Runge beschrieben ist. Zum Pumpen des Farblasers dient ein Argon-Ionen—Pumplaser 12, dessen Ausgangsstrahlenbündel durch einen Fokussierspiegel 13 auf die Farbschicht 10 geworfen wird. Zur Einstellung der Wellenlänge des Lasers befindet sich im Strahlengang zwischen den beifen Reflektoren 11B und HC eine keilförmige Platte 14 aus doppelbrechendem Material, am zweckmäßigsten aus Quarz. Der Keilwinkel der Platte 14 kann sehr klein sein und etwa 1 betragen. Vorzugsweise wird die Platte 14 unter dem Brewster¹sehen Winkel β im Strahlengang angeordnet. Die Farbschicht 10 ist unter dem Brewster'sehen Winkel im Strahlengang zwischen den Reflektoren 11A und HB angeordnet.

Die Wirkungsweise der Einrichtung zur Einstellung der Laser-Wellenlänge soll nun anhand des Vektordiagramms in Fig. 3 erläutert werden, welches sich auf einen im Innern der Quarzplatte 14 laufenden Lichtstrahl bezieht. Am Punkt O tritt ein Lichtstrahl

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OS in die Platte 14 ein} ON bezeichnet die Normale auf der Oberfläche der Platte 14 und OZ ist die optische Achse der Platte Im vorliegenden Fall ist das Licht in der durch die Vektoren

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ON und OS aufgespannten Ebene polarisiert; c< ist der Komplementärwinkel zum Brewster¹sehen Winkel (ungefähr 33° bei Quarz).

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Es müssen zwei Bedingungen erfüllt sein, die die Lage der optischen Achse OZ in der Platte 14 definieren. Da die Platte 14 den Lichtstrahl unterschiedlich verzögert, muß als erstes sichergestellt werden, daß gleiche Polarisationskomponenten in der Ebene des ordentlichen (schnellen) und des außerordentlichen (langsamen) Strahls liegen, das sind die Ebenen, die durch

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die Vektoren OS und OZ bzw. ON und OS aufgespannt werden. Man erreicht dies dadurch, daß der Winkel ψ zwischen den Projektionen

der Vektoren ON und OZ auf/normal zum Vektor 03 liegende Ebene gleich einem ungeraden Vielfachen von 45° ist.

Zweitens muß die Differenz der relativen Verzögerung für unterschiedliche Wellenlängen so gewählt werden, daß der Frequenzabstand benachbarter Durchlaßbereiche der sogenannte freie Spektralbereich (free spectral range FSR), größer ist als der Frequenzbereich, in dem bei einem typischen Farbstoff Lichtverstärkung auftreten kann. In diesem Fall wird im ganzen einstellbaren Frequenzbereich bei jeweils nur einer Wellenlänge Lichtverstärkung auftreten.

Die relative Phasenverzögerung der beiden Polarisationskomponenten ist gegeben durch die Beziehung

6 ' - ^21C · ^T(ne- "

worin Tl ^di^ Wellenlänge, T die Dicke der Platte 14, η und η

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die Brechnungsindizes des doppelbrechenden Materials für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl sind.

Wenn die relative Phasenverschiebung einer vollen Wellenlänge entspricht oder dem sehr nahe kommt (£ = 2 Ttn , wobei η ganzzahlig ist), dann ist das vertikal polarisierte einfallende Licht beim Austritt aus der Platte 14 ebenfalls nahezu vertikal polarisiert und erleidet an der Brewster¹sehen Fläche nur eine minimale Reflexion.

Bei jeder anderen Phasenverschiebung ist das austretende Licht nicht vertikal polarisiert und in der Platte 14 treten hinreichend starke Reflexionsverluste auf, um eine Lichtverstärkung zu verhindern.

Die mittlere Dicke der Platte 14 wird vorzugsweise zu etwa 2 mm gewählt. Bei einer vorgegebenen mittleren Wellenlänge /j wird die Größe γ dann so bestimmt, daß die nächste Wellenlänge, bei der Lichtverstärkung auftritt (S = 2(n +_ 1)7C ), hinreichend weit, beispielsweise 100 nm, entferrt liegt. Auf diese Weise wird O so bestimmt, daß φ ein ungerades Vielfaches von 45° ist.

Zur Änderung der Wellenlänge, bei der Lichtverstärkung eintritt,

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kann man entweder γ oder T ändern. Die bisherige Methode, bei der die Platte um die Normale ON auf der Oberfläche gedreht wurde, um den Brewster'sehen Winkel beizubehalten, hat den Nachteil, daß die Bedingung, daß CD ein ungerades Vielfaches von 45 sein soll, nicht beibehalten werden kann, sodaß die Einrichtung bei Wellenlängen abseits der mittleren Wellenlänge weniger effizient arbeitet. Erfindungsgemäß wird stattdessen die Größe T geändert, indem die Lage des Keils relativ zum Strahlenbündel 16 verschoben wird, wobei die Bedingung, daß der Winkel ψ ein ungerades Vielfaches von 45° sein soll, über den ganzen Einstellbereich beibehalten werden kann. Bei einer Quarzplatte 14 mit einem Keilwinkel von 1° erhält man bei einer mittleren Wellenlänge von 600 nm einen 100 nm breiten Einstellbereich bei einer wirksamen Plattenlänge von etwa 35 mm.

Die doppelbrechende Platte 14 kann auf einer gewöhnlichen, kompakten, linearen Verschiebeeinrichtung montiert werden, die im Brewster'sehen Winkel zum Strahlengang 16 zwischen den Reflektoren 11B und HC angeordnet ist, denn bei dieser Winkellage erreicht man minimale Oberflächenflexion und maximale Polarisation des Lichtstrahls 16 zwischen den Reflektoren HB und HC. Versuche haben gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung beträchtlich geringere Linienbreiten erzielt werden

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können als mit den bekannten Fabry-Perot-Platten, bei denen man obendrein noch Probleme mit der Beschichtung hat, die Schaden nehmen kann. Die Linienbreiten entsprechen etwa denen, die auch durch das bekannte Drehen doppelbrechender Platten erzielt werden können, doch benötigt man dafür sehr dünne Platten, was zu unerwünschten Etalon-Effekten führen kann. (Interferenzerscheinungen an dünnen Platten). Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt demgegenüber darin, daß eine lineare Bewegung bei der geforderten großen Genauigkeit leichter vollzogen werden kann als eine Drehbewegung. Fig. zeigt szhematisch die keilförmige Platte 14 im Strahlengang 16 und verbunden mit einer linearen Verschiebeeinrichtung 15.

Die geringfügige Verschiebung des Strahls 16, die durch den doppelbrechenden Keil 14 hervorgerufen wird, kann dadurch beseitigt werden, daß man auf den doppelbrechenden Keil 14 einen Keil aus nicht doppelbrechendem Material, z.B. aus Quarzglas aufkittet, sodaß die dadurch entstandene Verbundplatte parallele Flächen hat.

Eine weitere Möglichkeit, die Linienbreite des Laserstrahls in der Laserkammer zu verringern, besteht darin, Stapel von doppel-

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brechenden Platten in an sich bekannter Weise vorzusehen. Eine gleichartige Wirkung erzielt man, wenn man einen Satz linear beweglicher keilförmiger Platten vorsieht, die unterschiedlich dick sind, deren optische Achsen aber gleichgerichtet sind; man könnte aber auch die Platten gleich dick wählen und stattdessen den Winkel Y so wählen, daß man den erforderlichen freien Spektralbereich erhält.

Im beschriebenen Beispiel ist für die doppelbrechende Platte ein Keilwinkel von 1° angenommen worden. Eine Beschränkung auf derart kleine Winkel ist jedoch nicht erforderlich. Vorzugsweise liegt der Keilwinkel unter 10 , aber es sind sogar Keilwinkel bis etwa 30 oder 40 herauf möglich, wenn man die doppelbrechende Platte 14 zusammen mit einem oder mehreren Prismen aus nicht doppelbrechendem Material benutzt.

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Leerseite

Claims (1)

1. PATENTANWÄLTE 28 51 U7

   DR. RUDOLF BAUER ■ DIPL.-ING. HELMUT HUBBUCH DIPL.-PHYS. ULRICH TWELMEIER

   WESTLICHE 29-31 (AM LEOPOLOPLATZ) D-753O PFORZHEIM, (WEST-QERM ANY) "g? (O7231) 102390/70

   23. November 1978 III/Be

   Barr & Stroud Limited, Glasgow (Schottland)

   " Laser "

   Patentansprüche;

   Ein Laser, bei dem Lichtverstärkung mit polarisiertem Licht in einem verhältnismäßig breiten Wellenlängenband auftreten kann und bei dem die Wellenlänge des austretenden Laserstrahls durch eine Einstelleinrichtung veränderbar ist, die eine im Strahlengang des Laser-Lichtstrahls innerhalb der Laserkammer angeordnete Platte aus doppelbrechendem Material umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (14) keilförmig und derart linear verschieblich ist, daß dadurch die vom Laser-Lichtstrahl (16) zu durchquerende Plattendicke veränderbar ist.

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   INSPECTED

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   2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (14) unter dem Brewster¹ sehen, Winkel (A) zum

   Laser-Lichtstrahl (16) angeordnet ist.

   3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser-Lichtstrahl (16) von einer unbegrenzt

   und frei fließenden Schicht (10) eines Farbstoffs ausgeht, die optisch mit einem CW-Pumplaser (12) gekoppelt ist.

   4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserkammer durch einen ebenen Austrittsspiegel (HC)

   und zwei konkave Spiegel (HA, HB) gebildet wird, wobei die Farbstoff-Schicht (10) am Ort des Krümmungsmittelpunktes des ersten konkaven Spiegels (HA) und im Abstand des halben Krümmungsradius des zweiten konkaven Spiegels (11 B) vor dem zweiten konkaven Spiegel (HB) liegt, während die keilförmige Platte (14) aus doppelbrechendem Material zwischen dem zweiten konkaven Spiegel (HB) und dem Austrittsspiegel (HC) liegt.

   5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbstoff-Schicht (10) unter dem Brewster¹sehen Winkel

   zum Laser-Lichtstrahl (16) zwischen den beiden konkaven Spiegeln (HA, HB) angeordnet ist.

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   6. Laser nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch

   gekennzeichnet, daß der Keilwinkel der doppelbrechenden Platte (14) nicht größer als 10° ist.

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