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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Reflektor, welcher
dazu bestimmt ist, einen Eingangsstrahl zu empfangen und welcher
einen Ausgangsstrahl parallel und in entgegengesetzter Richtung
abgibt, der eventuell dem Eingangsstrahl überlagert ist.
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Es
ist gut bekannt, dass die Ausrichtung der optischen Bestandteile
ausschlaggebend für
die Qualität
der Geräte
ist, welche diese Bestandteile beinhalten. Aus diesem Grund ist
eine Selbstausrichtung wünschenswert,
d.h. eine Anordnung, in der die Eigenschaften des ausgehenden Lichtflusses
wenig empfindlich in Bezug auf die Orientierung oder die Lage eines
oder mehrerer Bestandteile sind.
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Unter
den seit langer Zeit bekannten selbstausrichtenden retroreflektierenden
Systemen wird als Beispiel die in 1 dargestellte
Würfelecke genannt,
mit der ein Eingangsstrahl 1, 1' auf einem reflektierenden rechtwinkligen
Trieder 3 einen parallelen Ausgangsstrahl 2, 2' generiert,
unabhängig
von dem Eingangswinkel gegenüber
der Diagonale 5 des Würfels
und der Lage des Einfallspunktes 4.
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Ebenfalls
ist die als "Katzenauge" benannte Anordnung
bekannt, die aus einem zu der optischen Achse 9 konvergenten
optischen System 8 besteht, in dessen Brennpunktfläche ein
Spiegel 10 angeordnet ist, welcher ungefähr rechtwinklig
zu der Achse 9 ist. Ein kollimierter Eingangsstrahl 11, 11' konvergiert auf
dem Spiegel 10, wird hier reflektiert und kehrt dann in
das optische System 8 zurück, das einen Ausgangsstrahl 12, 12' erzeugt, welcher
ebenfalls kollimiert und parallel zu 11 ist. Ein solches
Katzenauge ist in 2 dargestellt.
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Diese
zwei oben beschriebenen Systeme bieten eine Selbstausrichtung des
Ausgangsstrahles 2, 2' und 12, 12' auf dem entsprechenden
Eingangsstrahl 1, 1' und 11, 11' in zwei Dimensionen
an, d. h. in allen parallelen Flächen
zu der Richtung der Eingangsstrahlen. In bestimmten Systemen wird
eine Selbstausrichtung in nur einer Dimension angestrebt, in diesem
Fall wird dann entweder ein rechtwinkliger Dieder statt des Trieders
in 1 verwendet oder ein zylindrisches Katzenauge,
d. h. eine zylindrische Linse oder ein zylindrisches optisches System
statt des sphärischen
optischen Systems im Fall von 2. Der Dieder
gewährleistet
die Selbstausrichtung in der zu seiner Kante rechtwinkligen Fläche, und
das zylindrische Katzenauge in der Fläche, welche rechtwinklig zu
der Generierenden seiner zylindrischen Linse liegt. In der parallelen
Ebene verhalten sich diese Systeme wie ein Spiegel.
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Anderseits
sind selbstausrichtende separierende optische Komponenten oder Geräte bekannt, welche
ausgehend von einem einzigen Eingangsstrahl zwei untereinander parallele
Ausgangsstrahlen erzeugen. Dies kann zum Beispiel ein Periskop oder eine
Platte mit parallelen Flächen
sein, bei der eine der Flächen
teilweise metallbeschichtet ist, um ihren Reflektionskoeffizienten
auf einem Teil ihrer Oberfläche
zu verändern.
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Die
klassischen Dieder und Trieder gestatten jedoch nur eine Totalreflektion
des Strahles, während in
bestimmten Anwendungsfällen
eine zweite Teilausgangsöffnung,
zusätzlich
zu der ersten Retroreflektierenden gewünscht sein kann.
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Die
Erfindung verwendet eine interferometrische Vorrichtung in der Art
eines Sagnac-Interferometers, die zwei Strahlen erzeugen kann, im
Folgenden als reziprok und nicht reziprok bezeichnet, je nach der
Anzahl der Reflexionen, die jeder der zwei interferierenden Strahlen
erlitten hat, um die Ausgangsstrahlen zusammenzusetzen.
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Die
Sagnac-Interferometer sind sehr bekannt, z. B. aus dem Dokument
EP 0 030 891 A .
Sie bestehen aus einem Strahlenseparator und einem Ring, also aus
einem geschlossenem optischen Pfad, der auf der Ebene des Strahlenseparators
beginnt und endet.
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Dieser
Ring und der Strahlenseparator sind so angeordnet, dass ein Eingangsstrahl
in zwei sekundäre
Strahlen getrennt wird, wobei jeder dieser Strahlen jeweils im Ring
in entgegengesetzten Richtungen umläuft.
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Bei
der Rückkehr
interferieren die zu jedem dieser zwei Strahlen zugehörigen Wellen
und erzeugen zwei Ausgangsstrahlen.
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Dieser
Ring besteht oft aus drei unabhängigen
Spiegeln und es ist bekannt, dass derart ein reziproker Ausgang
erzeugt wird, für
welchen die interferierenden Wellen die gleiche Anzahl Reflexionen
im Verlauf des Ringes erlitten haben, und einen nicht reziproken
Ausgang, für
den diese Wellen eine unterschiedliche Anzahl von Reflexionen erlitten
haben.
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Als "blasse Tönung" wird der Interferenzzustand
bezeichnet, der erreicht wird, wenn die Orientierung der Spiegel
so eingestellt wird, dass die Interferenzzonen gestreckt werden,
bis diese beseitigt werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, ein solches Sagnac-Interferometer vorzustellen,
welches einen optischen Reflektor bildet, der die Vorteile einer selbstausrichtenden
reflektierenden Vorrichtung aufweisen soll und als solches insbesondere
einfach einstellbar sein soll und dessen zeitliche Stabilität verbessert
werden soll.
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Ein
anderer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, einen Laser zu schaffen,
der in seiner Wellenlänge
regelbar ist, eventuell stufenlos, und der eine Gewinnung des Ausgangsstrahles
unter optimierten Bedingungen mit minimalen Verlusten gestatten
soll.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist es möglich,
einen Laser zu schaffen, dessen aus der ASE-Emission (Amplified
Spontaneous Emission – Spontane
Verstärkte
Emission) herrührendes
Grundgeräusch
spektral ausgefiltert sein soll und der folglich eine bessere Effizienz
für die
Emissionswellenlänge
des Lasers aufweisen soll.
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Die
Erfindung gemäß Patentanspruch
1 betrifft folglich einen optischen Reflektor, welcher einen Eingangsstrahl
empfängt
und welcher einen reziproken retroreflektierenden Ausgangsstrahl
abgibt und der einen Strahlenseparator enthält, der einen ersten sekundären Strahl
und einen zweiten sekundären Strahl
generiert, welche parallel zueinander sind, und reflektierende Mittel,
welche jeden der sekundären Strahlen
zum Strahlenseparator senden und die ein Sagnac-Interferometer bilden.
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Gemäß der Erfindung,
wonach die genannten reflektierenden Mittel ein selbstausgerichteter
Totalreflektor sind, ist auch der Strahlenseparator selbstausgerichtet.
Einzelne Ausführungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
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Vorzugsweise
weisen verschiedene Ausführungsformen
jeweils ihre spezifischen Vorteile auf:
- – der selbstausrichtende
Totalreflektor ist eindimensional;
- – der
selbstausrichtende Totalreflektor ist zweidimensional;
- – der
Strahlenseparator ist energetisch nicht ausgeglichen, wobei der
genannte Reflektor ebenfalls einen nicht reziproken Ausgangsstrahl
generiert;
- – der
optische Reflektor enthält
ein Diffraktionsraster (Diffraktionsnetz), welches mit dem totalen Reflektor
ein Littman-Metcalf-System bildet;
- – das
Diffraktionsraster ist zwischen dem Strahlenseparator und dem Totalreflektor
angeordnet.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls eine Laserquelle mit externem Resonator,
mit einem Verstärker und
einer retroreflektierenden Streuvorrichtung, die einen optischen
Reflektor enthält,
welcher aus einem Sagnac-Interferometer mit einem Totalreflektor
und einem Diffraktionsraster als Littman-Metcalf-System gebildet
wird.
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Vorzugsweise:
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- – ist
das Verstärkermedium
ein Wellenleiter und ist an eine Kollimatoroptik angeschlossen,
welche den erzeugten Strahl kollimiert wiedergibt;
- – ist
die Außenseite
des Wellenleiters totalreflektierend und der nicht reziproke Strahl
ist der einzige von der Quelle emittierte Strahl;
- – ist
der Dieder rotationsmobil, um die Änderung der Wellenlänge zu ermöglichen;
- – ist
der Dieder rotations- und translationsmobil, um die stufenlose Änderung
der Wellenlänge
zu ermöglichen;
- – weist
die Laserquelle mehrere zur retroreflektierenden
- Streuvorrichtung im Winkel versetzte Verstärkerleiter auf und ermöglicht Emissionen
der Quelle mit mehreren Wellenlängen.
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Die
Erfindung wird im Detail mit Bezug auf die Figuren im Anhang beschrieben,
wobei:
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1 eine
Würfelecke
darstellt, welche eine zweidimensionale selbstausrichtende Vorrichtung aus
dem Stand der Technik darstellt;
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2 ein
Katzenauge darstellt, welches eine zweidimensionale selbstausrichtende
Vorrichtung aus dem Stand der Technik darstellt;
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3 ein
optischer Reflektor gemäß der Erfindung
ist;
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4 die
Seitenansicht eines Lasers gemäß der Erfindung
ist;
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5 die
Draufsicht eines Lasers gemäß der Erfindung
ist;
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6 eine
Platte mit parallelen Flächen
darstellt, welche als selbstausrichtender Strahlenseparator verwendet
wird.
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Der
in 3 dargestellte Totalreflektor enthält einen
Strahlenseparator 20 und einen selbstausgerichteten Totalreflektor 21.
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Der
Eingangsstrahl 22 wird von dem selbstausgerichteten Strahlenseparator 20 in
zwei parallelen Strahlen aufgeteilt: einen ersten separierten Strahl 23 und
einen zweiten separierten Strahl 24, die sich frei im Raum
ausbreiten. Der erste separierte Strahl 23 wird von dem
selbstausgerichteten Reflektor 21 reflektiert und bildet
einen separierten reflektierten Strahl 23', der zu dem Strahlenseparator 20 gesendet
wird, welcher diesen teilweise reflektiert und teilweise durchläßt. Der übertragene
Strahl 23" wird
parallel und in entgegengesetzter Richtung zu dem Eingangsstrahl 22 gesendet.
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Der
von dem Strahlenseparator 20 reflektierte Strahl ist ein
Strahl 23''' welcher dem Eingangsstrahl 22 überlagert
und zu diesem in entgegengesetzter Richtung ist. In analoger Weise
wird der Strahl 24 selbst, welcher aus dem Eingangsstrahl 22 durch
Reflexion auf dem Strahlenseparator 20 erzeugt wird, von
dem Totalreflektor 21 reflektiert und bildet den Strahl 24', der zum Strahlenseparator 20 gesendet
wird, der ihn in zwei Strahlen 24'' und 24''' aufteilt,
die mit den Strahlen 23'' und 23''' interferieren
und somit zwei entsprechende parallele Ausgangsstrahlen 27 und 28 erzeugen.
Der Strahl 28 wird durch die Interferenz der Strahlen 23''' und 24''' erzeugt,
die jeweils eine einzige Reflexion auf dem Separator 20 erlitten
haben. Dieser Strahl 28, reziprok genannt, ist dem Eingangsstrahl 22 überlagert und
in entgegengesetzter Richtung zu diesem orientiert.
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Im
Gegensatz dazu wird der Strahl 27 durch die Interferenz
des Strahles 23'', der keine
Reflexion auf dem Separator 20 erlitten hat, und des Strahls 24'' erzeugt, der zwei Reflexionen
auf demselben Separator erlitten hat. Diese Differenz in der Anzahl
der Reflexionen, die jeder der Strahlen erlitten hat, führt zu einer
Phasenverschiebung von π Radianten
und der Ausgang 27 wird als nicht reziproker Ausgang bezeichnet.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
stellt also einen optischen Reflektor dar, der, ausgehend von einem
Eingangsstrahl 22, zwei Ausgangsstrahlen erzeugt, einen
reziproken 28 und einen nicht reziproken 27, welche
parallel zueinander und auf den Eingangsstrahl selbstausgerichtet
sind. Der reziproke Strahl 28 ist dem Eingangsstrahl 22 überlagert,
während
der nicht reziproke Strahl 27 verschoben ist.
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Die
Verwendung des selbstausgerichteten Totalreflektors 21 erleichtert
die Einstellung der Vorrichtung und verbessert somit deren Wirkungsgrad.
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Wenn
der Separator 20 ein 50/50-Separator ist, ist die Intensität der separierten
Strahlen 23 und 24 gleich, und bei ihrer Rückkombinierung
wird die Gesamtenergie beim reziproken Ausgang in einem Strahl 28 gesammelt,
während
der Strahl 27 wegen der Wellenverschiebung zwischen den
Strahlen 24'' und 23'' eine Energie gleich Null hat,
also nicht existiert.
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Es
ist möglich,
einen Separator 20 zu verwenden, der energetisch nicht
ausgeglichen ist, der die Aufteilung der Eingangsenergie zwischen
den zwei Ausgangsstrahlen 27 und 28 ermöglicht.
Wenn R und T der Reflexionskoeffizient bzw. der Energiedurchlaßkoeffizient
des Strahlenseparators 20 sind, finden sich diese an dem
nicht reziproken Ausgang (1 – 4
RT) der Eingangsenergie wieder. Beispielsweise erhält man mit
R = 90 % und T = 10 % an dem nicht reziproken Ausgang (1 – 4 RT)
= 64 %.
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Der
selbstausgerichtete Separator 20 kann vorzugsweise ein
Periskopseparator sein, der aus einer Separierschnittstelle 20' und aus zwei
zu dieser parallelen Spiegel 25 und 26 besteht.
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Die
Verwendung eines Diffraktionsrasters 29 in der Bahn des
Lichtflusses ermöglicht
die geometrische Streckung des Spektrums der Lichtflüsse am Ausgang
und eventuell die Auswahl eines Teiles davon.
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Dieses
Diffraktionsraster 29 ist vorzugsweise in einem Littman-Metcalf-System zwischen
dem selbstausgerichteten Strahlenseparator 20 und dem selbstausrichtenden
Totalreflektor 21 angeordnet.
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4 und 5 stellen
eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Laserquelle gemäß der Erfindung
dar und in diesen Figuren wurden die mit 3 gemeinsamen
Elemente mit der gleichen Bezugsziffer beibehalten.
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Ein
Verstärkermedium,
vorzugsweise ein Verstärkerwellenleiter 30,
dessen innerer Endpunkt 30' in
dem Brennpunkt der Kollimierlinse 31 in der Mitte 31' angeordnet
ist, erzeugt den kollimierten Eingangsstrahl 22. Die Außenseite 30'' dieses Verstärkerwellenleiters 30 ist
totalreflektierend und der Separator 20 ist unausgeglichen.
Somit bildet sich ein Resonator zwischen der totalreflektierenden
Seite 30'' und dem selbstausrichtenden
Totalreflektor 21 durch den reziproken Ausgang, wo der
Strahl 28 dem Eingangsstrahl 22 überlagert
wird. Der nicht reziproke verschobene Ausgang 27 stellt
den Ausgang des Lasers dar und bildet somit den Ausgangsstrahl.
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Das
Vorhandensein eines Rasters 29 in dem Littman-Metcalf-System
mit dem selbstausgerichteten Totalreflektor 21 in dieser
Laserquelle ermöglicht dem
nicht reziproken Ausgang 27 die spektrale Ausfilterung
der kontinuierlichen ASE-Störgrundstrahlung
und somit die Isolierung der Emissionslinie des Lasers.
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Die
Regelung der Emissionswellenlänge kann
entweder durch Drehung des Rasters oder durch Drehung des Totalreflektors 21 oder
auch durch Drehung der durch das Raster 29 und den Totalreflektor 21 gebildeten
Zusammenstellung erfolgen, und der nicht reziproke gefilterte 27 Strahl
bleibt stabil, da er parallel zu dem Eingangsstrahl ist. Dieser
Strahl kann eventuell in einer monomodalen optischen Faser gekoppelt
werden.
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Eine
koordinierte Rotations- und/oder Translationsbewegung des Winkelreflektors 21 mit
der Bewegung des Rasters 29 ermöglicht die Schaffung einer
Laserquelle mit stufenloser Regelung. Eine solche koordinierte Bewegung
ist z. B. in dem französischen
Patent FR – 2.724.496
beschrieben.
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Eine
solche Laserquelle kann ebenfalls mit mehreren Verstärkermedien
oder Wellenleitern 30 geschafft werden, welche in der Brennfläche der
Linse 31 angeordnet sind. Es entsteht somit eine Quelle mit
mehreren Wellenlängen,
welche durch Überlagerung
mehrerer Laserstrahlen gebildet wird, jeder entsprechend einem Wellenleiter,
und mit einer Wellenlänge,
die von dem Winkel abhängig
ist, unter dem dieser Wellenleiter anfangend von der reflektierenden
Streuvorrichtung gesehen wird.
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Die
Figuren und die Beschreibung wurden erstellt unter Verwendung einer
Würfelecke
oder eines Dieders als selbstausgerichtetem Reflektor, analoge Ergebnisse
können
unter Verwendung eines Katzenauges erreicht werden. Die Würfelecke
und der Dieder können
aus ebenen Spiegeln zusammengestellt werden, aber ebenfalls ausgehend
von einem vollen Trieder oder von einem gleichschenkligen rechteckigen
Prisma, das in interner Totalreflektion funktioniert, hergestellt
werden.
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Es
wurde oben erwähnt,
dass der selbstausrichtende Separator 20 ein Periskopseparator
sein kann. Er kann ebenfalls eine Platte mit parallelen Flächen sein.
Eine solche Platte 40 ist in 6 dargestellt.
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Die
Eingangsfläche 41 dieser
Platte ist teilweise mit einer Antireflexbeschichtung 42 und
mit einer totalreflektierenden Beschichtung 43 bedeckt.
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Die
Ausgangsfläche 44 ist
teilweise mit einer totalreflektierenden Beschichtung 45 und
in einem anderen Bereich mit einer Antireflexbeschichtung 46 bedeckt.
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Somit
ist ein Eingangsstrahl 47 teilweise in 48 übertragen
und der Reststrahl ist nach zwei Reflexionen in 49 übertragen.
Es wird somit die gewünschte
Funktion erreicht.