DE2940344A1

DE2940344A1 - Laser-spektrum-konditioniervorrichtung

Info

Publication number: DE2940344A1
Application number: DE19792940344
Authority: DE
Inventors: Norman Roy Greiner
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1978-10-04
Filing date: 1979-10-04
Publication date: 1980-04-24
Also published as: GB2034067A; US4235518A; CA1122311A; JPS5550125A; FR2438261A1

Description

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4. 10. 1979 79-R-3744

United States Department of Energy, Washington, D.C. 20545, Vereinigte Staaten von Amerika

Laser-Spektrum-Konditioniervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Laser und speziell auf Laser-Spektrum-Konditioniervorrichtungen.

Die Quantennatur von Gasmolekular-Lasern und chemischen Lasern hat die Erzeugung verschiedener diskreter Frequenzen im einem erzeugten Ausgangslaserstrahl zur Folge. Ge-

\ legentlich ist es zweckmäßig, diesen Ausgangsstrahl derart zu konditionieren, daß er eine einzige oder einen vorbestimmten Satz von Ausgangsfrequenzen enthält. Dies ist von Interesse bei der Untersuchung verschiedener Molekularlasergase zur Betrachtung bei individuellen Linien zur Bestimmung, ob sie miteinander im Wettstreit stehen und auch, um die Pump- und Relaxations-Aspekte des Molekulargases zu beobachten. Es ist auch bei dem Multiphotonprozess der Laserisotopentrennung von Interesse, einen optimalen Satz an Frequenzen zum Betrieb des Prozesses auszuwählen.

Bekannte Vorrichtungen wurden jedoch in erster Linie derart konstruiert, daß sie ein einziges Frequenzsignal und nicht einen Satz von Frequenzen auswählen. Die Adaption eines solchen Systems zur Auswahl eines Satzes von Frequenzen liefert nicht den gewünschten kollinearen parallelen Strahl, der in vielen Anwendungsfällen erforderlich ist.

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Die Erfindung überwindet die Nachteile und Beschränkungen des Standes der Technik durch eine Laser-Spektrum-Konditioniervorrichtung mit hohem Wirkungsgrad. Erfindungsgemäß werden Mittel vorgesehen, um einen Mehrfachfrequenzstrahl in eine Serie von räumlich gesonderten Einzelfrequenzstrahlen aufzutrennen. Im Ausgangsstrahl nicht erwünschte Frequenzen werden durch Blockierung ausgewählter Einzelfrequenzstrahlen maskiert, übertragene Einzelfrequenzstrahlen werden darauffolgend re-kollimiert und rück-gebrochen (Rediffraktion), und zwar in einen einzigen kollinearen parallelen Ausgangsstrahl.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Spektrum-Konditioniervorrichtung mit hohem Wirkungsgrad vorzusehen, und zwar insbesondere auch eine Vorrichtung zur Erzeugung eines einzigen parallelen kollinearen Strahls mit einem vorbestimmten Satz von Frequenzen. Ein weiteres Ziel besteht in der Vorsehung einer Vorrichtung zur Konditionierung des Spektrums des Laserstrahls, und ferner in der Vorsehung einer Vorrichtung zur Eliminierung spezieller Frequenzen aus einem Mehrfachfrequenzlaserstrahl. Weiterhin hat sich die Erfindung zum Ziel gesetzt, eine Laser-Spektrum-Konditioniervorrichtung vorzusehen, die leicht zur Auswahl eines bestimmten Frequenzsatzes adaptiert werden kann. Weiterhin bezweckt die Erfindung, eine Laser-Spektrum-Konditioniervorrichtung anzugeben, um einen kollinearen parallelen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der einen speziellen Satz von Frequenzen enthält, die über das Volumen des Strahls hinweg verteilt sind.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ;

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Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;

Fig, 3 eine Seitenansicht der Vorrichtung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei ein kollinearer paralleler Ausgangsstrahl 10 aus einer Serie von Eingangsfrequenzen 6L bis Ct. erzeugt wird. Der parallele Eingangsstrahl 12 ist ein typischer Laserstrahl, wie er beispielsweise durch einen HF-Laser erzeugt wird, der eine Vielzahl von Frequenzen W₁ bis *». enthält. Der Zentralstrahl oder Mittelstrahl 14 folgt dem Pfad des Eingangsstrahls 12. Wie in Fig. 1 gezeigt, trifft der parallele Eingangsstrahl 12 auf ein Gitter 16 auf und wird in eine Vielzahl von Einzelfrequenzstrahlen gebrochen, von denen zwei bei 18 und 20 gezeigt sind. Jeder der Einzelfrequenzstrahlen wird durch Gitter 16 gebrochen, um auf einen

\ sphärischen Spiegel 22 an unterschiedlich mit Abstand angeordneten Stellen aufzutreffen. Jede spezielle innerhalb : des parallelen Eingangsstrahls enthaltene Frequenz erzeugt einen gesonderten Einzelfrequenzstrahl, der zu einer unterschiedlichen räumlichen Stelle hin gebrochen wird. Der sphärische Spiegel 22 besitzt seinen Brennpunkt zentriert auf dem Gitter 16 derart, daß die durch das Gitter 16 gebrochenen Einzelfrequenzenstrahlen von sphärischem Spiegel 22 entlang paralleler Bahnen zu einer Maske 24 reflektiert werden. Anders ausgedrückt werden die Zentralstrahlen 26 und 28 vom sphärischen Spiegel 22 längs Parallelpbahnen reflektiert. Aperturen oder öffnungen, wie beispielsweise die öffnungen 30 und 32, sind innerhalb der Maske 24 ausgebildet, um gewünschte Einzelfrequenzstrahlen zu übertragen. Die durch die Maske 24 übertragenen Einzelfrequenzstrahlen werden zum Gitter 34 über den sphärischen Spiegel 36 übertragen,

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um den parallelen kollinearen Ausgangsstrahl 10 zu bilden. Gitter 16 und 34 sind angepaßt und auf einer gemeinsamen Brennebene derart angeordnet, daß der Ausgangsabschnitt der Vorrichtung identisch zum Eingangsabschnitt gemacht werden kann, um so einen identischen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der nur die gewünschten Frequenzen enthält.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, wobei die Zentralstrahlen der drei Einzelfrequenzstrahlen «., u und 0. dargestellt sind. Es sei darauf hingewiesen, daß die Gitter 16 und 34 auf einer gemeinsamen Brennebene 38 mit Maske 24 angeordnet sind. Da die Gitter 16 und 34 identisch sind, sind die Winkel und 02'^auf denen diese Gitter mit der Brennebene 38

angeordnet sind, gleich.

Fig. 3 ist eine Seitenansicht der Vorrichtung des bevorzugten Ausfuhrungsbeispiels, wobei deutlich dargestellt ist, wie der Strahl durch die Vorrichtung sich fortpflanzt. Der Mittelstrahl 14 wird durch die Vorrichtung oberhalb des sphärischen Spiegels 22 eingegeben, der gegenüber der Vertikalen um einen Winkel ©₂ verkippt ist. Gebrochene Einzelfrequenzstrahlen vom Gitter 16 treffen auf den sphärischen Spiegel 22 auf und werden horizontal auf Maske 24 gerichtet. In gleicher Weise ist der Spiegel 36 um einen gleichen Winkel ©₁ gekippt, um den maskierten Strahl mit der Einzelfrequenz auf Gitter 34 zu leiten. Der rekollimierte Ausgangsstrahl tritt darauffolgend aus der Vorrichtung unterhalb des sphärischen Spiegels 36 aus.

Die Erfindung sieht eine Vorrichtung vor, die das Konditionieren von Mehrfachfrequenzlaserstrahlen mit hoher Leistungsdichte in einer sehr effizienten Weise gestattet. Die Symmetrie der Vorrichtung erhöht die Ausgangsstrahlqualität und vermindert Aberrationen, die jedem optischen System innewohnen, auf ein Minimum. Sehr große öffnungen

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von f/5 oder größer können erhalten werden, wobei Mittel vorgesehen sind, um in einfacher Weise die gewünschten zur Rekollimation im Ausgangsstrahl zu übertragende Frequenzen auszuwählen.

Abwandlungen sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise können statt der gezeigten angepaßten Gitter und Spiegel, die Symmetrie erzeugen, zur Erreichung des gleichen Resultats in einer nichtsymmetrischen Weise nicht angepaßte Elemente verwendet werden, um den gewünschten Ausgangsstrahl zu erzeugen.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit eine Laser-Spektrum-Konditioniervorrichtung mit hohem Wirkungsgrad vor, um einen kollinearen parallelen Ausgangsstrahl zu erzeugen, der einen vorbestimmten Satz von Frequenzen aus einem Mehrfachfrequenzlaser enthält. Ein Brechungsgitter und ein sphärischer oder kugelförmiger Spiegel werden in Kombination verwendet, : um die verschiedenen Frequenzen des Eingangslaserstrahls aufzuteilen und diese Frequenzen längs verschiedener paralleler Linien räumlich voneinander getrennt zu einer mit Öffnungen versehenen Maske zu leiten. Die Auswahl der gewünschten Frequenzen wird dadurch erreicht, daß man die Öffnungen an Stellen auf der Maske anordnet, wo die gewünschten Frequenzen die Maske schneiden. Ein rekollimierter paralleler Ausgangsstrahl mit dem gewünschten Satz von Frequenzen wird darauffolgend unter Verwendung eines Spiegels und Gitters angepaßt und geometrisch ausgerichtet in der gleichen Weise wie das Eingangsgitter und der Spiegel.

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Claims

Patentansprüche

1.7 Vorrichtung zur Konditionierung des Spektrums iines Laserstrahls, gekennzeichnet durch ein Gitter zum Brechen des Laserstrahls in eine Vielzahl von räumlich gesonderten Einzelfrequenzstrahlen, Mittel zum Maskieren von mindestens einem der Einzelfrequenzstrahlen ,

Mittel zum Rekollimieren der Einzelfrequenzstrahlen, übertragen durch die Mittel zur Maskierung,zur Bildung eines kollinearen parallelen AusgangsStrahls mit konditioniertem Spektrum.

2. Vorrichtung zum Eliminieren spezieller Frequenzen aus einem Mehrfachfrequenzlaserstrahl, gekennzeichnet durch

ein erstes Gitter, angeordnet zur Brechung des Laserstrahls in eine Vielzahl von Einzelfrequenzstrahlen, Mittel zum Maskieren spezieller Eineelfrequenzstrahlen entsprechend den speziellen Frequenzen, ein zweites Gitter, angeordnet zur Brechung und Rekollimation der Einzelfrequenzstrahlen, die durch die Maskiermittel übertragen wurden.

3. Vorrichtung zur Erzeugung eines im wesentlichen parallelen Strahls von Laserstrahlung mit einem vorbestimmten Satz an Frequenz, gekennzeichnet durch ein erstes Gitter, ausgerichtet zur Brechung eines Mehrfachfrequenzlaserstrahls in eine Vielzahl von räumlich gesonderten Einzelfrequenzstrahlen, einen ersten Spiegel, ausgerichtet zur Fokussierung der Einzelfrequenzstrahlen auf eine Brennebene, eine mit Öffnungen versehene Maske, angeordnet an der Brennebene, wobei die mit Öffnungen versehene Maske die Öffnungen an vorgewählten Stellen besitzt, um einen vorgewählten Satz von Einzelfrequenzstrahlen zu übertragen, einen zweiten Spiegel, ausgerichtet zur Leitung des vorgewählten Satzes von Einzelfrequenzstrahlen zu einem Punkt auf der Brennebene, und ein zweites Gitter, angeordnet

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an dem erwähnten Punkt auf der Brennebene und ausgerichtet zur Brechung des vorgewählten Satzes von Einzelfrequenzstrahlen in einen im wesentlichen parallelen Strahl mit einem vorbestimmten Satz von Frequenzen.

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