DE3148905A1

DE3148905A1 - Optical resonator

Info

Publication number: DE3148905A1
Application number: DE19813148905
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Altmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1981-12-10
Filing date: 1981-12-10
Publication date: 1983-06-23
Also published as: DE3148905C2

Abstract

The invention relates to an optical resonator having a high Fresnel number, whose mirrors are constructed to have a large area, one of the two or both mirror surfaces having a two-dimensional periodic structure, and smaller regions of the mirror surface being constructed in a translationally symmetrical manner with respect to specific displacements within a plane at right angles to the resonator axis, and, in consequence, a uniform intensity distribution being ensured over the entire resonator cross-section and, in addition, producing high coherence of the radiation and little divergence of the radiation which is coupled out.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Re-The invention relates to an optical re-

sonator mit großer Fresnelzahl.sonator with a large Fresnel number.

Solche Resonatoren sind an sich bekannt. Aufgrund ihrer großflächigen Spiegelausbildung sind daher auch die Fresnelzahlen dieser Resonatoren groß, was zu einer hohen Anzahl von angeregten Transversalmodn führt.Such resonators are known per se. Because of their large area Mirror training are therefore also the Fresnel numbers of these resonators, what leads to a high number of excited transversal modes.

Hierdurch jedoch wird die Strahlungsintensität sehr ungleichmäßig über die Spiegelfläche verteilt, was sowohl für astabile wie auch für stabile Resonatoren gleichermaßen gilt. In beiden Fällen ergibt sich aus experimentellen und theoretischen Untersuchungen eine annähernd schalenförmige Intensitätsverteilung.However, this makes the radiation intensity very uneven Distributed over the mirror surface, which is for both astable and stable resonators equally applies. In both cases results from experimental and theoretical Investigations an almost bowl-shaped intensity distribution.

Zu erwähnen ist hierzu, daß bei rechteckigen Aperturen eine Konzentration der Strahlungsintensität an den Ekken zusätzlich auftritt. Dies führt nun dazu, daß das Medium nicht über die gesamte Fläche ausgenutzt wird.It should be mentioned here that there is a concentration in the case of rectangular apertures the radiation intensity also occurs at the corners. This now leads to that the medium is not used over the entire area.

Bei Lasern mit strömendem Medium wird in solchen Fällen der mittlere Strömungsquerschnitt schlechter genutzt, was zu einem Verlust eines erheblichen Anteils der auskoppelbaren Energie führt.For lasers with a flowing medium, the middle one is used in such cases Flow cross-section poorly used, resulting in a significant loss Part of the energy that can be extracted leads.

Ein weiteres Problem stellt die Kohärenz der ausgekoppelten Strahlung dar. Um eine solche Strahlung zu erhalten, muß der Auskoppelbereich auf den Spiegelrand beschränkt werden. Da die durch Beugung bedingte Divergenz eines Strahls proprotional zum Durchmesser der strahlenden Fläche ist, hat dies eine schlechtere Fokussierbarkeit des Strahls zur Folge. Soll der Strahl über größere Entfernungen geleitet werden, so wirkt sich dies besonders nachteilig aus.Another problem is the coherence of the coupled-out radiation In order to obtain such radiation, the coupling-out area must be on the edge of the mirror be restricted. Since the divergence of a ray caused by diffraction is proportional to the diameter of the radiating surface, this has a poorer focusability of the beam. If the beam is to be guided over greater distances, so this has a particularly disadvantageous effect.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Resonator der eingangs genannten Art zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile nicht mehr aufweist und sowohl eine gleichmäßige Intensitätsverteilung über den Resonatorquerschnitt gewährleistet als auch eine hohe Kohärenz der Strahlung und eine geringe Divergenz der ausgekoppelten Strahlung ermöglicht und eine vollständige Auskoppelung der verfügbaren Energie gewährleistet.The present invention is based on the object of an optical To create a resonator of the type mentioned, which has the aforementioned disadvantages no longer has and both a uniform intensity distribution Guaranteed over the resonator cross-section as well as a high coherence of the radiation and allows a small divergence of the coupled-out radiation and a complete Decoupling of the available energy guaranteed.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen gelöst. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und schematisch in den Figuren der Zeichnung erläuternd dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Spiegelfläche nach der Erfindung, Fig. 1a einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1, Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1 in einem weiteren Ausführungsbeispiel, Fig. 3 ein Diagramm eines Resonators mit zwei Potentialmulden.This task is accomplished by the measures laid down in the claims solved. In the following, exemplary embodiments of the invention are described and schematically Illustrated in the figures of the drawing. 1 shows a plan view on a mirror surface according to the invention, Fig. 1a shows a section along the line A-A according to FIG. 1, FIG. 2 shows a section along the line A-A according to FIG. 1 in one further exemplary embodiment, FIG. 3 shows a diagram of a resonator with two potential wells.

Die vorgeschlagene und in der Fig. 1 schematisch dargestellte Spiegelfläche 10 wird mit einer zweidimensionalen periodischen Struktur versehen, die dergestalt ausgebildet ist, daß in die ebene Spiegelfläche kleine konkav-sphärische Mulden 11 periodisch angeordnet sind.The proposed mirror surface shown schematically in FIG. 1 10 is provided with a two-dimensional periodic structure which is in this way is designed that small concave-spherical troughs in the flat mirror surface 11 are arranged periodically.

Die hier gezeigte Fläche 10 weist von Mulde zu Mulde 11 "eckige" Ubergänge 12 auf. In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei hier diese Übergänge 12 abgerundet sind. Im Resonator kann nun die eine Spiegelfläche wie vorbeschrieben a-sgestaltet sein und die andere Spiegelfläche eine ebene Fläche aufweisen oder aber beide Spiegelflächen sind wie vorbeschrieben ausgestaltet.The surface 10 shown here has "angular" transitions from trough to trough 11 12 on. In Fig. 2 is another Embodiment shown these transitions 12 being rounded here. One mirror surface can now be in the resonator be designed as described above and the other mirror surface is a flat surface have or both mirror surfaces are designed as described above.

Die transversalen Moden eines optischen Resonators lassen sich mit Hilfe der nicht relativistischen Quantentheorie berechnen, indem man als Teilchenmasse die relativistische Masse des Photons benutzt.The transverse modes of an optical resonator can be used with Using the non-relativistic quantum theory, calculate by taking as particle mass uses the relativistic mass of the photon.

(P 31 25 544.2). Die Transversalmoden eines Resonators mit periodischer Struktur entsprechen daher den Eigenfunktionen eines Teilchens im periodischen Potentialfeld. In einem solchen Potentialfeld sind diskrete gebundene und freie Kontinuumszustände möglich. Die Beschreibung der Transversalmoden, welche den gebundenen Zuständen entsprechen, erhält man, wenn man die sphärischen Bereiche als Einzelresonatoren auffaßt und die Kopplung zwischen ihnen vernachlässigt. Auf diese Weise erhält man für jeden dieser Einzelresonatoren dieselben Transversalmoden mit denselben diskreten Energieniveaus der Photonen. Wegen der in der Realität bestehenden wechselseitigen Kopplung dieser Einzelresonatoren sind diese Niveaus jedoch N-fach aufgespalten, wobei "N" die Anzahl der Einzelresonatoren ist.(P 31 25 544.2). The transverse modes of a resonator with periodic Structure therefore correspond to the eigenfunctions of a particle in the periodic potential field. In such a potential field there are discrete bound and free continuum states possible. The description of the transverse modes, which are the bound states are obtained by using the spherical areas as individual resonators and neglects the coupling between them. That way you get the same transverse modes with the same discrete ones for each of these individual resonators Energy levels of the photons. Because of the mutual in reality Coupling of these individual resonators, however, these levels are split N-fold, where "N" is the number of individual resonators.

Der Krümmungsradius und der Durchmesser dieser sphärischen Flächen 11 können nun so gewählt werden, daß in ihnen nur ein einziges diskretes Niveau möglich ist.The radius of curvature and the diameter of these spherical surfaces 11 can now be chosen so that in them only a single discrete level is possible.

Das heißt, daß in ihnen nur der Grundmode anschwingen kann. Wegen der Kopplung der Einzelresonatoren ist jedoch dieser Mode n-fach aufgespalten, d.h., daß - bezogen auf den gesamten Resonator - n verschiedene Überlagerungen der Grundmoden der Einzelresonatoren möglich sind, die sich hinsichtlich der Symmetrieeigenschaften bezüglich einer Vertauschung der Einzelresonatoren unterscheiden.That means that only the basic mode can oscillate in them. Because the coupling of the individual resonators, however, this mode is split n-fold, i.e., that - based on the entire resonator - n different Overlays the basic modes of the individual resonators are possible, which differ in terms of the symmetry properties differ with regard to interchanging the individual resonators.

Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Resonators mit nur zwei Einzelresonatoren dargestellt.Fig. 3 shows an embodiment of a resonator with only two single resonators shown.

Den beiden Energieniveaus entsprechen ein symmetrischer und ein antisymmetrischer Mode t s und Da die zugehörigen Intensitäten proportional zu den Betragsquadranten / WS/2 und sind, folgt aus Fig. 3, daß der symmetrische Mode das Medium besser ausnutzt als der antisymmetrische. Der symmetrische Mode wird daher eine größere Verstärkung erfahren und somit den anti symmetrischen am Entstehen verhindern.The two energy levels correspond to a symmetrical and an antisymmetrical one Mode t s and Da are the associated intensities proportional to the absolute quadrants / WS / 2 and are, it follows from Fig. 3 that the symmetric mode makes better use of the medium than the antisymmetric. The symmetrical mode therefore becomes a larger gain experienced and thus prevent the anti-symmetrical from arising.

Dieser Effekt läßt sich nun verstärkten, indem man die Auskoppelstellen in die Potentialmulden legt, denn dann sind zusätzlich noch die Auskoppelverluste des antisymmetrischen Mode größer als die des symmetrischen.This effect can now be increased by adding the decoupling points in the potential wells, because then there are also the output losses of the antisymmetric mode is greater than that of the symmetric.

Dies gilt nun sinngemäß auch für einen Resonator mit einer N-fachen Potentialmuldenanzahl. Das zeigt, daß es möglich ist, auch in einem solchen Resonator nur den vollständig symmetrischen Grundmode zum Anschwingen zu bringen.This also applies analogously to a resonator with an N-fold Number of potential wells. This shows that it is possible, even in such a resonator only to bring the completely symmetrical basic mode to oscillate.

Die Auskoppelstellen müssen nicht unbedingt in die Mulden 11 des periodisch strukturierten Spiegels 10 gelegt werden. Es kann zur Erreichnung eines parallelen Strahlenganges zweckmäßiger sein, sie in entsprechender Weise auf den gegenüberliegenden ebenen Spiegel zu verteilen.The decoupling points do not necessarily have to be in the troughs 11 of the periodic structured mirror 10 are placed. It can be used to achieve a parallel Beam path it may be more appropriate to place them in a corresponding manner on the opposite planes Distribute mirrors.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen wird es in einem Resonator großer Fresnelzahl ermöglicht, nur einen einzigen Transversalmode zum Anschwingen zu bringen und daher ist die erzeugte Laserstrahlung auch vollständig kohärent. Außerdem wird - wie aus der Fig. 3 auch hervorgeht - das Medium ziemlich gleichmäßig ausgenutzt. Dies kann nun bei Lasern mit strömendem Medium noch dadurch verstärkt werden, daß man die in Fig. 1 gezeigte Struktur nicht exakt parallel zur Strömungsrichtung anordnet, sondern leicht verdreht dazu.The proposed measures make it larger in a resonator Fresnel number enables only a single transverse mode to oscillate and therefore the generated laser radiation is also completely coherent. Also will - as can also be seen from FIG. 3 - the medium is used fairly evenly. In lasers with a flowing medium, this can be intensified by the fact that the structure shown in Fig. 1 is not arranged exactly parallel to the direction of flow, but slightly twisted to it.

In den Fällen, in denen ein Anschwingen von Kontinuumsmoden oder von höheren diskreten Transversalmoden auftreten, können diese durch Frequenzfilter ausgeschlossen werden. Solche Frequenz filter basieren zweckmäßigerweise auf Interferenzeffekten, z. B. Fabry-Perot-Etalons.In those cases in which an oscillation of continuum modes or of higher discrete transverse modes occur, this can be done by frequency filters be excluded. Such frequency filters are expediently based on interference effects, z. B. Fabry-Perot etalons.

Da bei Lasern mit strömendem Medium der Verstärkungsfaktor des Mediums nach dem Eintritt in den Resonator in Strömungsrichtung abnimmt, wird das'im Resonator bestehende Strahlungsfeld einseitig verstärkt. Dies kann zu Störungen führen, da eine unsymmetrische Intensitätsverteilung mit dem Anschwingen eines einzigen Transversalmodes unvereinbar ist. Um dies zu verhindern, ist es zweckmäßig den Transmissionskoeffizienten der Auskoppelstellen in Strömungsrichtung abnehmen zu lassen.Because in lasers with a flowing medium the amplification factor of the medium decreases in the direction of flow after entering the resonator, this becomes' in the resonator existing radiation field reinforced on one side. This can lead to disruptions as an asymmetrical intensity distribution with the start of a single transverse mode is incompatible. To prevent this, it is useful to adjust the transmission coefficient to decrease the decoupling points in the direction of flow.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist nun ein optischer Resonator großer Fresnelzahl geschaffen, der keine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über den ge- samten Resonatorquerschnitt mehr aufweist und dessen Strahlungskohärenz wesentlich verbessert.As a result of the proposed measures, there is now an optical resonator large Fresnel number created, which does not have any uneven intensity distribution over the ge entire resonator cross section has more and its radiation coherence much improved.

Außerdem hat der Resonator den Vorteil, daß die Spiegelflächen in einen oder beiden Dimensionen sehr groß gewählt werden können, was insbesondere bei Lasern mit schnellströmenden Medien (z.B. gasdynamischer Laser) zur Erreichung einer vollständigen Auskopplung der verfügbaren Energie von Bedeutung ist.In addition, the resonator has the advantage that the mirror surfaces in one or both dimensions can be chosen very large, which in particular for lasers with fast-flowing media (e.g. gas-dynamic laser) to achieve a complete decoupling of the available energy is important.

Angezogener Stand der Technik: P 31 25 544.2Applied prior art: P 31 25 544.2

Claims

Optical resonator Patent claims Optical resonator with large Fresnel number, indicated by the fact that at least one of the resonator mirror surfaces (10) has a two-dimensional periodic structure (11, 12), with smaller Area areas translationally symmetrical with respect to displacements within a to the resonator axis perpendicular plane are formed.

2. Resonator-according to claim 1, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t, that the periodic structure is a hexagonal grid in the manner of a honeycomb.

3. Resonator according to claims 1 and 2, characterized g e -k e n n z e i c h n e t that in the resonator mirror surface (10) small juxtaposed concave-spherical individual mirrors (11) (potential wells) are embedded.

4. Resonator according to claims 1 to 3, characterized g e -k e n n z e i c h n e t that the transitions (12) between the flat and the spherical mirror surfaces are rounded.

5. Resonator according to claims 1 to 4, characterized g e -k e n n z e i c h n e t that the periodic structure (11,12) of the mirror surfaces (10) of the Parallels to the direction of flow of the LasermEium is designed differently.