DE3007271C2 - Resonator-Spiegelanordnung für einen Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rcionator-Spiegelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für Lasermedien, die ein VieTinienspekfrum über einen großen Spektralbereich aufweisen und Wellenlängen enthalten, die zur additiven Mischung von Farben geeignet sind, ist es erforderlich, einen Resonator zu rinden, der die Selektierung von drei Primärfarben ermöglicht Ein solches Lasermedium ist beispielsweise He-Se⁺.

Bei anderen bisher für die Farbmischung in Frage kommenden Lasern, wie dem He—Cd Hohlkathodeniaser und dem Krypton-Argon Laser treten entweder nur drei Primärfarben auf oder die ungeeigneten Farben (Wellenlängen), die zwar schwach noch vorhanden sind, werden nicht weiter unterdrückt. Dies gewährleistet jedoch keine definierte Farbmischung.

Aus Applied Optics, Bd. 9 (1970), Nr. 5, S. 1209, ist eine Resonator-Spiegelanordnung für einen Laser bekannt der drei Wellenlängenbereiche zur additiven Mischung von Farben erzeugt Dabei sind die Resonatorspiegel breitbandig. Aus einem Viellinienspektrum können die Primärfarben dadurch nicht selektiert werden.

In D. Ross »Laser«, Akademische Verlagsgesellschaft Frankfurt a. M. 1966, S. 231 bis 233 ist erläutert daß zur Bevorzugung einer einzelnen Laserlinie schmalbandige, dielektrische Resonatorspiegel und dispergierende «i Prismen verwendet werden können. Mit der dort beschriebenen Anordnung kann jedoch nur eine einzige Wellenlänge selektiert werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Resonator-Spiegelanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, mit deren Hilfe aus einem breiten für die Farbmischung geeigneten Viellinien-Laserspektrum einerseits die Primärfarben optimiert und andererseits die übrigen Laser-Spektrallinien sicher und vollständig unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung nach dem Anspruch 1 ist Gegenstand des Anspruchs 2.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert In dieser zeigt

Fig. 1 die Spiegel- und Prismenanordrung des Resonators,

F i g. 2 das verwendete Pellin-Broca Prisma,

Fig.3 die selektive spektrale Bedampfung der Spiegel

a) ausgezogene Kurven: realisierter Fall

b) gestrichelte Kurven: Optimalfall,

Fig.4 die Meßergebnisse des Drei-Farben-Resonators am Ausführungsbeispiel des He-Se⁺ Lasers,

F i g. 5 Transmissionskurve für Spiegel Sp 1, F i g. 6 Transmissionskurve für Spiegel 5p Z

Die Beschreibung des Drei-Farben-Resonators erfolgt an einem Ausführungsbeispiel mit dem He-Se⁺ Laser, das in F i g. 1 dargestellt ist

Der Resonator gemäß F i g. 1 besteht aus zwei ineinandergesetzten Laserresonatoren R X und R 2, die in Spiegel Sp 1 einen gemeinsamen Resonatorabschluß haben. Der zweite r-otwendige Resonatorabschluß wird für den Resonator R1 durch Spiegel Sp 2 gebildet, für den Resonator R 2 durch Spiegel Sp 3.

Der Resonator R X liegt innerhalb des Resonators R 2. Durch ersteren werden zwei von insgesamt drei Primärfarben aus dem Viellinienspektrum selektiert Dies geschieht durch eine selektiv spektrale Bedampfung mit vorzugsweise dielektrischen Schichten insbesondere des Spiegels Sp 2. Ihre Funktion besteht darin, daß sie für zwei der drei Primärfarben höchstreflektierend ist und große Transmission für die zu unterdrükkenden Wellenlängen aufweist Da dieser Resonator R X als innerer Resonator die kleinsten internen Verluste enthält, sind zur Selektierung die beiden Primärfarben vorzuziehen, die die kleineren Kleinsignalverstärkungen haben.

Der Spiegel 5p 1, der für beide Resonatoren den gemeinsamen Abschluß bildet, ist ein breitbandiger Auskoppelspiegel für alle drei Primärfarben.

Der Resonator R 2 hat die Aufgabe, aus dem Viellinienspektrum des Lasers eine weitere Primärfarbe zu selektieren und alle anderen Linien zu unterdrücken. Dies geschieht durch ein in den Resonator /7 2 eingefügtes dispersives optisches Element vorzugsweise ein Prisma. Wegen der höheren internen Verluste des Resonators R 2, die insbesondere durch die eingefügten optischen Teile Sp 2 und das Prisma P entstehen, sollte die Primärfarbe mit der größeren Kleinsignalverstärkung mit diesem Resonator selektiert werden.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde wegen des geometrisch einfachen Resonatoraufbaus für das Prisma Pein Pellin-Broca Prisma gewählt, das eine konstante rechtwinkelige Ablenkung ermöglicht, so daß der Spiegel 5p 3 senkrecht zur Laserachse stehend angeordnet werden kann. Dieses Pellin-Broca Prisma ist in F i g. 2 dargestellt. Das Prisma ist senkrecht zur Einfallsebeni: drehbar angeordnet. Dadurch kann die im Resonator R 2 selektierte Primärfarbe wahlweise verändert werden.

Um den Resonator Λ 2 auf einem Minimum an Verlusten zu halten, muß das Pellin-Broca Prisma in den

Winkeln β, γ, 6 so dimensioniert werden, daß sich für den Eintritts- und für den Austrittswinkel der Brewsterwinkel ergibt Die geometrische Größe des Prismas ist zu dimensionieren unter der Berücksichtigung der Minimierung des optischen Weges bei ausreichender Selektierung der Primärfarbe, d.h. der sicheren Unterdrückung der benachbarten Laserlinien.
Für die Berechnung der Winkel gilt

β = arc sin

,,=90°-arc sin

δ =45° + arc sin

Dabei ist oca der Brewsterwinkel und π der Brechungsindex des Prismenmaterials. Durch die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindexes η ist auch der Brewsterwinkel wellenlängenabhängig, so daß die Berechnung des Prismas für die zu selektierende Wellenlänge in Resonator RI vorgenommen werden muß.

Sollen mehrere Wellenlängen wahlweise als Primärfarbe dienen, so muß das Prisma für die mittlere Wellenlänge des gewählten Welleniängenbereichs berechnet werden.

Die vorläufigen Ergebnisse des Drei-Farben-Resonators für das Ausführungsbeispiel mit dem He-Se ⁺ Laser sind in Fig.3 und in Fig.4 dargestellt. Fig.3 zeigt die selektiven spektralen Transmissionskurven der Spiegel 5p 1, Sp 2 und Sp 3. Dabei wurden als Primärfarbe blau das Linienpaar 460 und 464 nm zusammengefaßt, als Primärfarbe grün 522 nm und als Primärfarbe rot schließlich das Paar 644 und 649 nm. Die Wellenlängenunterschiede bei den Linienpaaren spielen für die Farbmischung keine spürbare Rolle; sie dienen jedoch der Leistungserhöhung der Primärfarbe. Die beiden Linienpaare werden durch den Resonator R1 selektiert, 522 nm durch den Resonator R 2. Die ausgezogenen Kurven in Fig.3 zeigen den vorläufig realisierten Fall. Deutlich ist das Transmissionsmaximum für 522 nm bei Spiegel Sp 2 zu erkennen. Die gestrichelten Kurven zeigen den Optimalfail für den He-Se⁺ Laser.

In Fig.4 sind schließlich die Meßergebnisse des Drei-Farben-Resonators am Ausfülirungsbeispiel zu sehen. Hier wurde die Laserleistung über den Auskoppelgrad aufgetragen. Der Auskoppelgrad konnte mit Hilfe einer drehbaren planparallelen Glasplatte im Resonator kontinuierlich verändert werden, da der Reflexionsgrad der planparallelen Platte vom Einfallswinkel abhängt Auch in F i g. 4 zeigen die ausgezogenen Kurven den vorläufig realisierten Fall, der hauptsächlich durch die spektrale Bedampfung des Spiegels Sp 2 in F i g. 3 erreicht wird. Die mit -Θ- angegebenen Punkte zeigen die Auskoppelgrade des Spiegels Sp 1 und die Ausgangsleistungen der jeweiligen Primärfarben. So konnte zunächst eine Mischlichtlaserleistung von 5 mW erreicht werden. .

Die gestrichelten Kurven stellen die Auskoppelkennlinien für den Optimalfall dar, wie sie mit den gestrichelten spektralen Bedampfungskurven in F i g. 3 erreicht werden können. Gemessen wurden diese Kurven mit jeweils höchstreflektierendem Spiegel Sp 1. Der Spiegel Sp 2 wurde für die beiden schwächeren Primärfarben blau und rot durch jeweils einen höchstreflektierenden Spiegel ersetzt und bei grün weggelassen. Von diesen Kurven ausgehend zeigt sich, daß mit dem He-Se⁺ Laser ca. 30 mW Mischlichtleistung erreicht werden können.

ίο Die Transmissionskurven für die Spiegel SpI und Sp2 zeigen Fig.5 und Fig.6. Sie können durch spezielle Schichtsysteme erreicht werden, die nachfolgend beschrieben werden. Für den Spiegel Sp 3 genügt die in F i g. 3 gezeigte herkömmliche Transmissionskurve.

Die Laserspiegel sollen nach der Erfindung für jeweils drei Wellenlängenbereiche unterschiedliche Reflexionen aufweisen. Im Ausführungsbeispiel am He-Se ⁺ Laser sind die Wellenlängenbereiche blau (460 u.

464 nm), grün (506, 517, 522 u. 530 nm wahlweise) und rot (644 u. -0*9 nm). Im allgemeinen können die nötigen Reflexionen und Auskoppelgrade in .-cm Weilenlängenbereich von nahezu 200 nm nur mit dielektrischen Breitbandsystemen erreicht werden, die jedoch wegen ihrer hohen Schichtzahl bis zu 40 Schichten zu relativ hohen Absorptions- und Streuverlusten führen. Um diese Verluste so klein wie möglich zu halten, wurden Spiegelsysteme mit kleinen Schichtzahlen entwickelt.

Die Spiegelsysteme werden abwechselnd durch Vakuum-Aufdampfen einmal des hochbrechenden Titandioxid TiO₂ fn=2,46 bei 550 nm) und des niederbrechenden Siliziumdioxids SiO₂ (n= 1,46 bei 550 nm) hergestellt. Zur Beschreibung des Schichtaufbaus werden die λ/4-Schichten aus TiO₂ mit H, die aus SiO₂ mit L bezeichnet Die optische Dicke dieser Schichten beträgt nc/= λ/4, wobei mit λ die Zentralwellenlänge des zu erfassenden spektralen Bereiches bezeichnet wird, die im Ausführungsbeispiel bei 540 nm liegt

Die Schichtsysteme für Spiegel Sp 1 und Sp 2 setzen sich wie folgt zusammen:

SpI: In den teilreflektierenden Auskoppelspiegel ist zur Erhöhung der Transmission um 522 nm ein Spacer (1,85L) eingefügt worden. Der Schichtaufbau setzt sich nach folgender Formel zusammen:

(HL)⁵H 1,85LHLH (15 Schichten)

Sp 2: Das Schichtsystem ist ein Interferenzbandfilter mit drei Spacern, die aus der Mitte des Reflexionsbandes zu kürzeren Wellenlängen verschoben wurden. Der Schichtaufbau setzt sich nach folgender Formel zusammen:

H(2LHLH)*2LH (19 Schichten)

Sp 3: Dieser Spiegel ist ein hochreflektierender Spiegel herkömmlicher Art. Sein Schichtsystem hat die folgende Formel:

(HL)⁸H

(Ί7 Schichten)

Die Rückseite von Sp 1 ist mit einer herkömmlichen Breitband-Antireflexschicht, die von Sp 2 mit einer Schwerpunkt-Antireflexschicht für 522 nm beschichtet

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Resonator-Spiegelanordnung für einen Laser, der Strahlung in drei Wellenlängenbereichen zur additiven Mischung von Farben erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß drei Spiegel (SpX, Sp2, Sp 3) vorgesehen sind, von denen der erste und der zweite Spiegel (Sp 1, Sp 2) einen ersten Resonator (R X) bilden, während der erste Spiegel (Sp X) in Verbindung mit dem dritten Spiegel (Sp 3) "einen zweiten Resonator (R 2) bildet, der den ersten Resonator (R X) umfaßt und zusätzlich ein dispersives Element (P) aufweist, welches zur wahlweisen Selektion einer ersten Primärfarbe mit einer im is Vergleich zu den beiden anderen Primärfarben größeren Kleinsignalverstärkung verstellbar angeordnet ist wobei die Spiegel in der Weise selektiv bedampft sind, daß der erste Spiegel (SpX) eine optimale Auskopplung aller drei Primärfarben ergibt de¹" zweite Spiegel (Sp 2) für die zweite und dritte Priniärfarbe höchstreflektierend, dagegen für die übrigen Wellenlängen hochdurchlässig ist, und der dritte Spiegel (Sp 3) für die erste Primärfarbe höchstreflektierend ist

2. Resonator-Spiegelanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das dispersive Element (P) ein Prisma mit Brewsterwinkeln (ocb) an der Eintritts- und Austrittseite der Laserstrahlung ist

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