DE3829747C2 - Optischer Güteschalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Modulator, und insbesondere einen optischen Güteschalter.

Es sind optische Modulatoren bekannt, die Kristalle aus einem geeigneten Material verwenden, deren optische Eigenschaften durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an den Kristall senkrecht zu dessen optischer Achse verändert werden können. Das Anlegen eines solchen Feldes beeinflußt die Polarisierung einer optischen Strahlung, die durch den Kristall läuft. Eine sehr verbreitete Anwendung eines solchen optischen Modulators ist der sogenannte Laser mit Güteschaltung, in welchem der Modulatorkristall verwendet wird, um die optischen Bedingungen innerhalb des Laserhohl­ raumes so zu variieren, daß die Laserwirkung je nach Wunsch entweder verhindert oder induziert werden kann. Ein optimaler Laserbetrieb be­ dingt, daß der Güte- bzw. Q-Schalter die Phasenmodulation der optischen Strahlung zwischen zwei bestimmten und klar definierten Polarisationszuständen umschaltet. Alles was bewirkt, daß diese beiden Zustände weniger klar definiert oder bestimmt sind, beeinträchtigt nachteilig den Betrieb des Lasers.

Ein übliches Material für einen Laser-Q-Schalter bzw. Laser-Güteschalter ist ein Kristall aus Lithium-Niobat. Dieser Kristall zeigt den pyroelektrischen Effekt, als dessen Folge Veränderungen der Temperatur des Kristalles zur Entstehung von statischen elektrischen Ladungen entgegengesetzter Polarität an entgegengesetzten Enden des Kristalles führen. Wenn diese Ladung sich auf den Flächen des Kristalles ansammeln kann, wird der Betrieb und die Wirkung des Lasers beeinflußt. In normalen Atmosphären tritt eine Leckage dieser Ladung auf. Laser mit Güte- bzw. Q-Schaltung des beschriebenen Typs sind jedoch oft eingeschlossen in ein Gehäuse mit extrem trockener Atmosphäre, wodurch eine Leckage der Ladung verhindert wird.

Die US-A-3,965,439 zeigt ein elektrooptisches Güteschaltsystem für einen Laser, wobei Elektroden in physikalischem Kontakt mit Kristallen sind. Diese Elektroden sind zum primären Schal­ ten des Güteschalters vorgesehen. An sie wird über einen Schalter mittels einer Gleichspannungsquelle eine Spannung in der Größenordnung von 1500 V bis 2500 V angelegt.

Die JP-A-57-196 166 zeigt eine Vorrichtung zur Messung einer Spannung unter Ausnutzung eines elektrooptischen Effekts. Zum Eliminieren von Ladungen auf gegenüberliegenden Flächen, durch welche ein Laserstrahl verläuft, sind transparente Elektroden vorgesehen, die mit den Flächen in elektrischem Kontakt ste­ hen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Güte­ schalter zu schaffen, bei welchem die nachteiligen Folgen der pyroelektrischen Wirkungen im wesentlichen eliminiert sind.

Diese Aufgabe wird durch einen optischen Güteschalter gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er­ findung sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.

Zusätzlich zu den Merkmalen, die beispielsweise aus der JP-A- 57-196 166 bekannt sind, sind erfindungsgemäß insbesondere Einrichtungen vorgesehen, um eine elektrische Ladung, die sich auf den optischen Flächen des Kristalls aufbaut, durch Ionisieren oder Ableiten zu neutralisieren.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine allgemeine Form eines Lasers mit Q-Schaltung zeigt, der einen optischen Modulator enthält.

Fig. 2 zeigt perspektivisch einen optischen Modulatorkristall.

Fig. 3 bis 7 zeigen schematisch Diagramme zur Erläuterung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine übliche Form eines Lasers mit Güte- bzw. Q-Schaltung mit einem Stab 10 aus einem aktiven Lasermaterial, wie z. B. Neodym-YAG zusammen mit einer zuge­ hörigen Blitzröhre 11 zum optischen Pumpen des aktiven Materials. Zwei Prismen 12 und 13 begrenzen den optischen Hohlraum des Lasers, der außerdem einen Polarisator 14 und einen Q-Schalter 15 enthält. Der Q-Schalter bzw. Güteschalter ist ein Kristall aus einem Material, wie z. B. Lithium-Niobat, und er ist mit zwei Elektroden 16 ausgestattet, die an eine modulierende Energiequelle 17 ge­ legt sind. Die optischen Komponenten sind längs einer optischen Achse 18 angeordnet, wobei die Elektroden 16 am Kristall 15 auf gegenüberliegenden Seiten der optischen Achse liegen.

Der Güteschalter 15 enthält einen Kristallaus einem blockförmigen Material und er ist in einem elektrisch isolierenden Gehäuse 20 untergebracht und gehalten, wie Fig. 2 zeigt. Die Stirnflächen 21 sind diejenigen, durch welche die Laserstrahlung durchläuft. Insbesondere an diesen Stirnflächen kann sich infolge des pyro­ elektrischen Effektes eine statische elektrische Ladung aufbauen. Die Beseitigung dieser statischen elektrischen Ladung kann prinzipiell auf zwei Wegen erreicht werden. Einer besteht darin, die Ladung in irgendeiner Weise zu neutralisieren, während beim anderen die Ladung von den Stirnflächen des Kristalles abgeleitet wird.

Die Polarität der Ladung hängt davon ab, ob die Temperatur des Kristalles zunimmt oder abnimmt.

Fig. 3 zeigt eine Methode zur Neutralisierung irgendwelcher statischer Ladung an den Stirnflächen des Kristalles. Es ist außerhalb der Bahn irgendwelcher optischer Strahlung durch Emission von Spitzen­ elektroden 30 benachbart zu jeder Stirnfläche eine Ionenquelle benachbart zu jeder Stirnfläche vorgesehen. Eine Hochspannungsenergie­ quelle 31 ist an die Elektroden angeschlossen. Wenn die Hochspannungs­ quelle 31 erregt wird, wird durch jede Elektrode 30 emittiert ein Strom von Ionen und diese Ionen, die eine entgegengesetzte Ladung zu derjenigen auf der angrenzenden Stirnfläche des Kristalls haben, werden an diese Stirnfläche angezogen und neutralisieren die durch den pyroelektrischen Effekt hervorgerufene Ladung. Da die Polarität der Ladung auf einer Stirnfläche variieren kann, sollte die Energiequelle 31 vorzugsweise eine Hochspannungs-Wechselstromversorgung sein.

Alternativ zur Ausführungsform nach Fig. 3 können die neutralisierenden Ionen durch eine Funkenentladung erzeugt werden. Hierbei kann die Anordnung nach Fig. 4 verwendet werden, in der ebenfalls außerhalb des Strahlengangs ein Paar Elektroden 40 vorgesehen ist, die eine Funkenstrecke benachbart zu jeder Stirnfläche, bilden. Eine Elektrode jedes Paares ist zweckmäßigerweise geerdet. Die Hoch­ spannungsenergiequelle 31, die eine Gleichstromquelle sein kann, kann getriggert werden, um einen Funken zwischen jedem Elektrodenpaar zu er­ zeugen. Hierdurch wird eine Folge aus sowohl positiven als auch negativen Ionen erzeugt und die passenden hiervon neutralisieren die Ladung auf der Stirnfläche des Kristalls.

Die Methode, die anhand der Fig. 3 und 4 beschrieben wurde, kann am besten angewendet werden, ehe der Laser aktiviert wird, da die durch die elektrischen Ladungen erzeugten Ionen unter Umständen in Wechselwirkung mit den Modulierungs­ elektroden auf den Seiten des Güteschalter-Kristalles treten können.

Eine Methode, die keine Hochspannungsquelle benötigt, um die Ionen zu neutralisieren, ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Hier wird nahe bei jeder Stirnfläche des Kristalles eine kleine radioaktive Quelle 50 an­ geordnet. Jede dieser Quellen emittiert eine ionisierende Strahlung auf die benachbarte Fläche des Kristalls zu. Eine solche Strahlung wird so­ wohl durch die Atmosphäre vor den Stirnflächen, als auch durch die Stirn­ flächen selbst aufgehalten oder abgebremst, wodurch Ionenpaare erzeugt werden, von denen jedenfalls ein Teil die statische Ladung neutralisiert. Dieser Prozess ist ein kontinuierlicher, da es praktisch kaum möglich ist, die Emission von Alphateilchen aus der radioaktiven Quelle zu kontrollieren oder zu steuern.

Als Alternative zur Erzeugung von Ionen zur Neutralisierung einer Ladung, die sich auf den Stirnflächen des Kristalls aufbaut, ist es möglich, die Ladung von der Stirnfläche abzuleiten. Dies erfordert die Bildung einer optisch transparenten, jedoch elektrisch leitenden Schicht auf der Stirn­ fläche, welche Schicht geerdet ist.

Fig. 6 zeigt eine solche Anordnung. Die leitende Schicht 60 darf aber den Durchgang der optischen Strahlung durch die Stirnflächen des Kristalles nicht beeinträchtigen. Andererseits darf die Schicht nicht durch die Energie der durch sie hindurchlaufenden Strahlung beschädigt werden.

Als Alternative hierzu ist es möglich, die aufgehäufte Ladung durch Abwischen der Flächen mit einem elektrisch leitenden Material intermittierend zu entfernen.

Fig. 7 zeigt eine solche Ausführung, bei der ein elektrisch leitendes Messer oder ein Blatt oder ein Schaber oder ein Wischer oder dgl. 70 verwendet wird, der geerdet ist und über die Stirnfläche 21 des Kristalles mittels eines Motors 71 geführt und damit die Stirnfläche abgewischt wird. Andere mechanische Anordnungen sind ebenfalls möglich.

Die optischen Komponenten eines Lasers mit Güte- bzw. Q-Schaltung sind manchmal in einen versiegelten Behälter eingeschlossen, so daß die Atmosphäre kontrolliert werden kann, und zwar insbesondere um ein Beschlagen der optischen Flächen zu verhindern, wenn Bedingungen auftreten, bei denen eine Kondensation auftreten kann. Jede der oben beschriebenen Methoden zur Entfernung der Ladung kann auch innerhalb eines solchen abgedichteten Behälters angewendet werden. Die Methode eignet sich auch für Güteschalter- Kristalle aus anderen Materialien als Lithium-Niobat, die den pyro­ elektrischen Effekt haben.

Der optische Modulator kann auch für andere Anwendungen als für Laser mit Güteschalter verwendet werden und die vorbeschriebenen Techniken eignen sich auch für solche Anwendungsfälle.

Claims (6)

1. Optischer Güteschalter mit einem elektrooptischen Kristall (15) aus einem Material, das den pyroelektrischen Effekt zeigt, wobei der Kristall (15) gegenüberliegende optische Flächen (21) hat, durch welche ein Laserstrahl verlaufen kann, und wobei eine Ladungsneutralisierungseinrichtung zum Neutralisieren statischer elektrischer Ladung auf den optischen Flächen (21) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsneutralisierungseinrichtung (30, 31; 31, 40; 50; 70, 71) zum Neutralisieren durch Ionisieren mittels einer Ionisierungseinrichtung (30, 31; 31, 40; 50) in der Nähe der optischen Flächen (21) des Kristalls (15) oder Ableiten von Ladungen an den optischen Flächen (21) ange­ ordnet ist und/oder betrieben wird.

2. Optischer Güteschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ionisierungseinrichtung (30, 31) eine Spitzenelektrode (30) aufweist, welche mit einer Hochspan­ nungsquelle (31) verbunden ist.

3. Optischer Güteschalter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hochspannungsquelle (31) eine Wechsel­ spannung zum Anlegen an die Spitzenelektroden (30) er­ zeugt.

4. Optischer Güteschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ionisierungseinrichtung (31, 40) eine Funkenstrecke aufweist.

5. Optischer Güteschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ionisierungseinrichtung eine radioaktive Quelle (50) aufweist, welche ionisierende Strahlung auf die optischen Flächen emittiert.

6. Optischer Güteschalter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ladungsneutralisierungseinrichtung (70, 71) an jeder optischen Endfläche einen elektrisch leiten­ den Wischer (70) aufweist, welcher mit Masse verbunden ist und die zugeordnete Fläche überstreicht.