DE60011188T2

DE60011188T2 - Teilreflektierendes optisches Bauteil und dessen Verwendung in Laserquellen

Info

Publication number: DE60011188T2
Application number: DE60011188T
Authority: DE
Inventors: Philippe Graindorge
Original assignee: Nettest Photonics
Current assignee: Nettest Photonics
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2005-07-07
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: JP4886103B2; JP2001057457A; EP1065766B1; US6529327B1; FR2795877A1; EP1065766A1; CA2312663A1; JP5123421B2; DE60011188D1; FR2795877B1; JP2012033956A

Description

Diese Erfindung betrifft ein teilreflektierendes optisches Bauteil, das aus einem eintreffenden Strahl zwei Nebenstrahlen, einen übertragenen und einen reflektierten, erzeugt und eine eindimensionale Selbstausrichtung des reflektierten Strahls mit dem eintreffenden Strahl sicher stellt, wobei der übertragene Strahl und der reflektierte Strahl jeweils aus zwei halben Strahlen mit übereinstimmenden Wellenfronten gebildet sind.
Tatsächlich weist ein solches Bauteil wesentliche Vorteile in zahlreichen Anwendungen, wie Laserquellen mit selbst ausgerichtetem externem Hohlraum, auf. Nach dem Kenntnisstand der Erfinder wurde eine solche Vorrichtung bisher weder entwickelt noch scheint es, dass das Problem ihrer Realisierung bisher gestellt worden ist.
Mit Selbstausrichtung bezeichnet man die Eigenschaft eines optischen Systems, für das die Eigenschaften des austretenden Lichtstroms wenig empfindlich auf die Ausrichtung oder die Position des Systems in Bezug auf den eintretenden Lichtstrom sind. Die Selbstausrichtung kann in zwei Dimensionen erfolgen, d.h. in allen Ebenen, die parallel zur Richtung des eintretenden Strahls sind, oder in einer einzigen Dimension, d.h. in einer einzigen von diesen Ebenen.
Die europäischen Patentanmeldungen EP-A-0702438 und EP-A-0917261 beschreiben einen Laserhohlraum, der einen vollständig selbst ausgerichteten eindimensionalen Reflektor, wie in 1 schematisch dargestellt, verwendet. Dieser Reflektor umfasst zwei reflektierende ebene Flächen 2 und 3, die an Spiegeln oder an den Flächen eines Prismas vorgesehen werden. Ein eintreffender Strahl 1 wird von der Fläche 2 und dann von der Fläche 3 reflektiert und, sofern diese Flächen senkrecht zueinander sind, wird der austretende Strahl 4 in einer parallelen Richtung mit einer der Übertragungsrichtung des eintreffenden Strahls 1 entgegen gesetzten Übertragungsrichtung reflektiert.
Es sind ebenfalls teilübertragende Spiegel bekannt, die unter anderem auch für die Extraktion des Lichtflusses von den meisten Laserhohlräumen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung erlaubt es daher, die Funktion der selbst ausgerichteten eindimensionalen Retroreflexion mit der Funktion der Teilübertragung in einem einzigen Bauteil zu kombinieren. Bisher wurden diese beiden Funktionen mit unterschiedlichen, an unterschiedlichen Positionen im Laserhohlraum platzierten Bauteilen realisiert.
Ziel dieser Erfindung ist es, ein einziges Bauteil bereitzustellen, das gleichzeitig eine Funktion eines selbst ausgerichteten eindimensionalen Reflektors und eine Funktion der Teilung des eintreffenden Flusses gewährleistet.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung ein teilreflektierendes optisches Bauteil, das aus einem eintreffenden Strahl zwei Nebenstrahlen, einen übertragenen und einen reflektierten, erzeugt.
Gemäß der Erfindung umfasst das teilreflektierende optische Bauteil:

– eine erste, vollreflektierende ebene Fläche und
– eine zweite, teilreflektierende ebene Fläche, wobei die zweite Fläche zur ersten senkrecht steht;
– eine dritte, vollreflektierende ebene Fläche,
– wobei sich die erste und die dritte Fläche in derselben Ebene befinden,
– wobei dieses optische Bauteil die eindimensionale Selbstausrichtung des reflektierten Strahls mit dem eintreffenden Strahl sicher stellt, wobei der übertragene Strahl bzw. der reflektierte Strahl jeweils aus zwei halben Strahlen mit übereinstimmenden Wellenfronten gebildet sind.

Vorteilhafterweise kann die Erfindung nach den folgenden Ausführungsformen angewandt werden, die nach allen technisch möglichen Kombinationen verbunden werden können und von denen jede ihre eigenen Vorteile aufweist:

– die erste und die zweite Fläche sind die Flächen eines selben ersten Prismas und die dritte Fläche ist an einem zweiten Prisma vorgesehen, das eine vierte Fläche in Kontakt mit der zweiten Fläche des ersten Prismas aufweist, wobei die beiden Prismen vorzugsweise den selben Brechungsindex aufweisen;
– der übertragene Strahl wird parallel zum eintreffenden Strahl durch eine vollreflektierende fünfte Fläche, die an dem zweiten Prisma vorgesehen ist, reflektiert;
– die fünfte Fläche verläuft parallel zur zweiten Fläche, wobei der übertragene Strahl in die zum eintreffenden Strahl entgegen gesetzte Richtung reflektiert wird;
– die fünfte Fläche verläuft parallel zur dritten Fläche, wobei der übertragene Strahl in dieselbe Richtung wie der eintreffende Strahl reflektiert wird;
– das erste und das zweite Prisma sind aneinander befestigt und bilden einen Einheitsblock, dessen Ausrichtungen der Flächen zueinander kontrolliert werden, unabhängig von dem Prisma, dem sie angehören;
– eine der zweiten oder vierten Flächen weist eine teilreflektierende Behandlung auf.

Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Laserquelle mit externem Hohlraum, welche ein eindimensional selbst ausgerichtetes Reflexionssystem wie oben beschrieben umfasst, das das eindimensional selbst ausgerichtete Reflexionssystem bildet und bei derselben Position in der Quelle die Extraktion eines aus der Quelle austretenden Flusses ermöglicht.
Diese Laserquelle mit externem Hohlraum kann vorzugsweise in dem Hohlraum ein Brechungsnetz aufweisen, das in Bezug auf den selbst ausgerichteten Reflektor in der Littman-Metcalf-Konfiguration angeordnet ist. Sie kann hinsichtlich der Wellenlänge einstellbar sein, und der austretende Strom wird vorteilhafterweise in einer zur Achse des Hohlraums parallelen Richtung auf das Netz gerichtet. Sie kann auch meh rere Wellenlängen besitzen unter Verwendung eines Halbleiter-Chips mit mehreren Leitungen.
Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
1 eine Darstellung einer Seitenansicht eines vollständig selbst ausgerichteten eindimensionalen, dem bisherigen Stand der Technik entsprechenden Reflektors;
2 eine Ansicht eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden optischen Bauteils, dargestellt in drei orthogonalen Richtungen;
3 ein dieser Erfindung entsprechendes optisches Bauteil, das den extrahierten Lichtstrom in einer zum eintreffenden Strahl parallelen und entgegen gesetzten Richtung reflektiert;
4 ein dieser Erfindung entsprechendes optisches Bauteil mit Reflexion des ausfallenden Verlaufs in einer zum eintreffenden Strahl parallelen gleichen Richtung;
5 eine Laserquelle mit externem Hohlraum, welche das optische Bauteil der oben erwähnten Erfindung in einer ersten Konfiguration umfasst;
6 eine Laserquelle mit externem Hohlraum, welche das optische Bauteil der oben erwähnten Erfindung in einer zweiten Konfiguration umfasst;
7 eine Laserquelle mit externem Hohlraum, welche das optische Bauteil der oben erwähnten Erfindung in einer dritten Konfiguration umfasst.
2 ist somit eine Ansicht eines optischen Bauteils 11, das aus zwei geraden gleichschenkligen rechtwinkligen Prismen gebildet ist.
Der eintreffende Strahl 12 wird durch das optische Bauteil 11 in zwei Nebenstrahlen geteilt, in einen reflektierten 13, der parallel und in entgegen gesetzter Richtung zum eintreffenden Strahl 12 verläuft, und in einen übertragenen und reflektierten Strahl 14, der hier in einer senkrecht zum eintreffenden Strahl 12 verlaufenden Richtung verläuft.
Das optische Bauteil 11 umfasst eine erste, vollreflektierende ebene Fläche 15, eine zweite, teilreflektierende ebene Fläche 16, die senkrecht zur ersten ebenen Fläche 15 steht.
Es umfasst ebenfalls eine dritte, vollreflektierende ebene Fläche 17, die sich in derselben Ebene wie die erste ebene Fläche 15 befindet.
So wird der retroreflektierte Strahl 13, basierend auf dem eintreffenden Strahl 12, durch zwei aufeinander folgende Reflexionen bzw. Reflexionen auf den beiden senkrechten Flächen 15 und 16 des Bauteils 11, gebildet. Es ist bekannt und es wurde unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben, dass unter diesen Bedingungen der durch den retroreflektierten Strahl 13 mit dem eintreffenden Strahl 12 gebildete Winkel 180° beträgt, was dem Doppelten des durch die beiden Flächen 15 und 16 gebildeten Winkels von 90° entspricht. Der retroreflektierte Strahl 13 wird somit parallel und in die dem Strahl 12 entgegen gesetzte Richtung reflektiert.
Der Strahl 14 wird durch die zweite Fläche 16 übertragen und wird durch Reflexion auf der ersten Fläche 15 und der dritten Fläche 17, die koplanar sind, gebildet. Wenn der eintreffende Strahl 12 in Bezug auf die Normale zur aus den ebenen Flächen, insbesondere der ersten 15 und dritten 17, gebildeten Ebene um 45° geneigt wird, verläuft der übertragene Strahl 14 senkrecht zum eintreffenden Strahl 12.
Das optische Bauteil 11 erfüllt somit die beiden Funktionen, für die es vorgesehen ist, d.h. einerseits die Erzeugung eines eindimensionalen, selbstausgerichteten, reflektierten Strahls 13 und andererseits die Erzeu gung eines übertragenen Strahls 14, basierend auf einem eintreffenden Strahl 12.
Das Energieverhältnis zwischen dem Strahl 13 und dem Strahl 14 ist abhängig von der Reflexionsrate der teilreflektierenden Fläche 16.
Vorteilhafterweise sind die erste und die zweite Fläche 15 und 16 die Flächen eines Prismas 18, und die dritte Fläche 17 ist an einem Prisma 19 vorgesehen, das eine vierte Fläche 20 im Kontakt mit der zweiten Fläche 16 des ersten Prismas 18 aufweist. Die Prismen 18 und 19 weisen rechtwinklige gleichschenklige Bereiche auf. Auf ihre letzten Flächen ist mit 21 und 22 Bezug genommen.
Die von diesem Bauteil erzeugten ausfallenden Strahlen 13 und 14 werden aus zwei halben Strahlen gebildet, von denen jeder mit dem anderen übereinstimmt, d.h. dass für den retroreflektierten Strahl 13 die Wellenfronten der beiden halben Strahlen 131 und 132 übereinstimmen. Das gleiche gilt für die halben Strahlen 141 und 142, die den extrahierten Strahl 14 bilden. Mit anderen Worten wird der eintretende Strahl 12 durch dieses Bauteil geteilt, die zwei halben Strahlen 121 und 122 bilden die reflektierten Halbstrahlen 131 beziehungsweise 132 und die übertragenen halben Strahlen 141 und 142. Die halben Strahlen 131 und 132 einerseits und die halben Strahlen 141 und 142 andererseits stimmen überein; ihre Wellenlängen sind übereinstimmend, was es jedem von ihnen erlaubt, in einer Faser oder einem Monomode-Wellenleiter wieder verbunden zu werden.
Bei bestimmten Anwendungen ist es nützlich, wenn die Richtung des übertragenen Strahls 14 parallel zu derjenigen des eintreffenden Strahls 12 verläuft.
Das in 3 dargestellte optische Bauteil ermöglicht es, ein solches Ergebnis zu erreichen, indem die Richtung des extrahierten Strahls 14 entgegengesetzt zur Richtung des eintreffenden Strahls 12 verläuft. In dieser Figur finden sich somit die Elemente 15 bis 21 des in 2 dargestellten Prismas und eine fünfte Fläche 23, die einen Teil desselben Pris mas bildet und mit demselben Prisma verbunden ist wie die dritte Fläche 17 und die vierte Fläche 20, auf der der ausfallende Strahl 14 erneut reflektiert wird. Da diese Fläche 23 parallel zur zweiten Fläche 16 des optischen Bauteils steht, verläuft die Richtung des ausfallenden Strahls parallel und in entgegen gesetzter Richtung zur Richtung des eintreffenden Strahls 12.
Analog und wie durch 4 dargestellt, kann dieses Ergebnis, d.h. die Parallelität des ausfallenden Strahls 14 zum eintreffenden Strahl 12, durch den Einbau eines zweiten Prismas, das eine fünfte Fläche 24 aufweist, die parallel zur dritten Fläche 17 verläuft, erreicht werden.
Da diese vollreflektierende Fläche 24 parallel zur dritten Fläche 17 ist, verläuft der ausfallende Strahl 14, der auf dieser Fläche 24 reflektiert wird, parallel und in die gleiche Richtung wie der eintreffende Strahl 12.
5 stellt die Verwendung des mit Bezug auf 3 vorgestellten optischen Bauteils, auf das allgemein mit 11 Bezug genommen ist, zur Extraktion des austretenden Lichtstroms 25 eines Laserhohlraums auf schematische Art und Weise, dar. Dieser Hohlraum ist gebildet zwischen der äußeren Fläche 26 einer Laser-Diode 27 und dem durch das optische Bauteil 11 der Erfindung gebildeten teiltransparenten Reflektor, und der einen teilreflektierten Fluss bzw. Verlauf 29 (flux); basierend auf dem eintretenden Lichtstrom 28, erzeugt. Es ist verständlich, dass das optische Bauteil 11 die Entsprechung eines teiltransparenten Fensters, das die Fläche eines Ausgangs eines Laserhohlraums bilden kann und gleichzeitig die Entsprechung eines teilreflektierenden Spiegels, der einen Teil des eintreffenden Lichtstrahls mit einer eindimensionalen Selbstausrichtung auf sich selbst reflektiert, was die Gewährleistung einer guten Stabilität des Hohlraums ermöglicht, bildet.
Vorteilhafterweise ist eine Linse 31 innerhalb des Hohlraums mit einem Brechungsnetz 32 platziert, das derart in Bezug auf den Teilretroreflektor 30 platziert ist, dass die Kombination aus dem Netz 32 und dem Retroreflektor 30 in einer Littman-Metcalf-Konfiguration betrieben wird.
Somit ist eine besonders stabile Laserquelle geschaffen, die, wie beschrieben, durch die Drehung des Retroreflektors 30 allein oder im Zusammenhang mit dem Netz 32 oder sogar durch eine veränderte Platzierung der Linse 31 einstellbar ist. Ferner ist bekannt, dass die entsprechenden Bewegungen des Netzes 32 und des Retroreflektors 30 kontrolliert werden können, derart, dass eine kontinuierliche Variation der durch einen solchen Laser erzeugten Emissionswellenlänge gewährleistet werden kann.
Zudem wird der ausfallende Strahl 25 in eine Richtung reflektiert, die parallel zur Achse 33 des Armes des Laserhohlraums zwischen dem Netz 32 und dem Retroreflektor 30 verläuft. Diese Anordnung ermöglicht es, einen austretenden Strahl 34 zu erzeugen, mit dem eine zusätzliche Spektralfilterung auf dem Netz vorgenommen wurde, was eine wirksame Filterung der verstärkten spontanen Restemission (ASE – Amplified Spontaneous Emission) der Laserquelle ermöglicht.
Diese Konfiguration ermöglicht außerdem die Realisierung einer inversen Anamorphose zur Kompensation der Elliptizität des Strahles 25, die durch seine Erzeugung durch das Netz 32, das in Bezug auf die Achse 35 des Lichtstroms im Hohlraum zwischen der Diode 27 und dem Netz 32 geneigt ist, bedingt ist. Der austretende Strahl 34 des Lasers verfügt somit über ein Größe, die mit derjenigen des Strahls 35 zwischen der Linse 31 und dem Netz 32 identisch ist und parallel dazu bleibt, unabhängig von der Variation der Orientierung des Netzes 31 oder des Bauteils 11. Tatsächlich sind die ausgehende Wellenlänge und diejenige des Hohlraums identisch, und der Winkel zwischen den übertragenen Strahlen 25 und 34 ist identisch mit demjenigen der Achsen 33 und 35 der Strahlen innerhalb des Hohlraums.
Diese Anordnung kann daher bereitgestellt und verwendet werden für eine Quelle mit einstellbarer Wellenlänge, in der das Bauteil 11 in der Drehung mobil ist, da es ein konstantes Beibehalten der Richtung des austretenden Strahles nach der zweiten Durchquerung auf dem Netz ermöglicht.
Die Stabilität der so realisierten Quelle ermöglicht ebenfalls die vorteilhafte Ausnutzung der Montage, die in 6 dargestellt ist und in der die mit 5 gemeinsamen Elemente dieselbe Nummerierung behalten. Der übertragene Strahl 36 tritt immer parallel zu den Strahlen 28 und 29 innerhalb des Hohlraums aus, durchquert jedoch nicht nochmals das Netz 32.
Diese Anordnung ist besonders nützlich für die Realisierung einer Quelle mit mehreren Wellenlängen, in der ein Chip mit mehreren Dioden anstelle der einzigen Diode 27 platziert wird. Damit werden ausfallende Verläufe (des flux) erzeugt, die sich unabhängig von der Wellenlänge in Richtung und Position überlagern.
7 zeigt eine zusätzliche Ausführungsform der in 6 gezeigten Anordnung, in der ein zusätzlicher Reflexionsdieder 37 den Hohlraum verschließt und in der das Bauteil 11 der Erfindung den Hohlraum nach einer zweiten Brechung auf dem Netz 32 schließt.
Der austretende Strahl 38 verläuft parallel zur Achse des Strahles 35 innerhalb des Hohlraums und verfügt über die gleichen Dimensionen, da nach der zweiten Brechung auf dem Netz eine inverse Anamorphose auf ihn angewendet wurde. Diese Anordnung kann auch einen Chip mit mehreren Dioden anstatt der einzigen Diode 27 verwenden.

Claims

Teilreflektierendes optisches Bauteil (11), das aus einem eintreffenden Strahl (12) zwei Nebenstrahlen, einen reflektierten (13) und einen übertragenen (14), erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst: – eine erste, vollreflektierende ebene Fläche (15) und – eine zweite, teilreflektierende ebene Fläche (16), wobei die zweite Fläche zur ersten senkrecht steht; – eine dritte, vollreflektierende ebene Fläche (17); – wobei sich die erste und die dritte Fläche in derselben Ebene befinden; – wobei dieses optische Bauteil die eindimensionale Selbstausrichtung des reflektierten Strahls (13) mit dem eintreffenden Strahl (12) sicher stellt, wobei der übertragene Strahl (14) und der reflektierte Strahl (13) jeweils aus zwei halben Strahlen mit übereinstimmenden Wellenfronten gebildet sind.
Teilreflektierendes optisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste (15) und die zweite Fläche (16) die Flächen eines selben ersten Prismas (18) sind und dass die dritte Fläche (17) an einem zweiten Prisma (19) vorgesehen ist, das eine vierte Fläche (20) in Kontakt mit der zweiten Fläche (16) des ersten Prismas aufweist.
Teilreflektierendes optisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der übertragene Strahl (14) parallel zum eintreffenden Strahl (12) durch eine vollreflektierende fünfte Fläche, die an dem zweiten Prisma (19) vorsehen ist, reflektiert wird.
Teilreflektierendes optisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Fläche (23) parallel zur zweiten Fläche (16) verläuft, wobei der übertragene Strahl (14) in die zum eintreffenden Strahl (12) entgegengesetzte Richtung reflektiert wird.
Teilreflektierendes optisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fünfte Fläche (24) parallel zur dritten Fläche (17) verläuft, wobei der übertragene Strahl (14) in dieselbe Richtung wie der eintreffende Strahl (12) reflektiert wird.
Teilreflektierendes optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste (18) und das zweite Prisma (19) aneinander befestigt sind und einen Einheitsblock bilden, dessen Ausrichtungen der Flächen zueinander kontrolliert werden, unabhängig von dem Prisma, dem sie angehören.
Teilreflektierendes optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der zweiten (16) und vierten Fläche (20) eine teilreflektierende Behandlung aufweist.
Laserquelle mit externem Hohlraum, umfassend ein eindimensional selbst ausgerichtetes Reflexionssystem, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst, das das eindimensional selbst ausgerichtete Reflexionssystem bildet und bei derselben Position die Extraktion eines aus der Quelle austretenden Flusses ermöglicht.
Laserquelle mit externem Hohlraum nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie in dem Hohlraum ein Brechungsnetz aufweist, das in Bezug auf den selbst ausgerichteten Reflektor in der Littman-Metcalf-Konfiguration angeordnet ist.
Laserquelle mit externem Hohlraum nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie hinsichtlich der Wellenlänge einstellbar ist.
Laserquelle mit externem Hohlraum nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum mit einem zusätzlichen Reflexionsdieder umgeklappt ist und dass der selbst ausgerichtete Reflektor (11) den Hohlraum nach einer zweiten Brechung im Netz schließt.
Laserquelle mit externem Hohlraum nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere Wellenlängen besitzt.
Laserquelle mit externem Hohlraum nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (11) den austretenden übertragenen Strahl (25) zu dem Netz entlang einer Richtung parallel zur Achse des Hohlraums zwischen dem Netz und dem Reflektor lenkt, um einen Strahl (34) parallel zum Strahl (35) innerhalb des Hohlraums zu erzeugen.