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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Erfindungsgebiet:
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Isolation
und insbesondere zum Verhindern einer optischen Rückkopplung
in laseroptischen Systemen.
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Beschreibung des Stands
der Technik:
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Die Leistung von optischen Systemen
erfährt oftmals
aufgrund von Streustrahlung in Form von spiegelnder und diffuser
Reflexion von verschiedenen optischen und nichtoptischen Grenzflächen, auf die
ein sich vorwärts
ausbreitender Strahlungsstrahl trifft, eine Verschlechterung. Ein
besonderes Problem bei laseroptischen Systemen und insbesondere
bei laseroptischen Festkörpersystemen
ist, daß spiegelnde
und diffuse Reflexionen von Grenzflächen in den Laserhohlraum wieder
eintreten und die eingeschwungene Lasertätigkeit stören. Die reflektierte Energie
ist in laseroptischen Systemen als „optische Rückkopplung" bekannt, und sie
kann im Laserausgangsstrahl Leistungsamplitudenfluktuationen, Frequenzverschiebungen
und Rauschen verursachen.
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Bei Laseranwendungen, die eine strenge Steuerung
von Laserstrahlparametern an einer Laserarbeitsfläche erfordern,
ist die optische Rückkopplung
für die
Beibehaltung der Gleichförmigkeit der
Leistung eine schwerwiegende Beschränkung. Dieses Problem ist besonders
gravierend in laseroptischen Systemen mit einer Ausgangsstrahlleistung über 1 Watt,
da Hochenergiedichten an allen Grenzflächen auftreten, und sogar die
Grenzflächen
von transmissiven optischen Elementen, die in der Regel einen Reflexionsgrad
zwischen 0,5 und 4,0% pro Oberfläche
aufweisen, erzeugen spiegelnde und diffuse Reflexionen, die zu einer
optischen Rückkopplung
führen.
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In laseroptischen Systemen ist es
allgemein bekannt, die Optik und die Laserarbeitsflächen so
zu neigen, daß spiegelnde
Reflexionen von diesen Grenzflächen
vom Laserhohlraum weggelenkt werden. In vielen Fällen jedoch divergieren reflektierte Strahlen
schnell, so daß selbst
dann, wenn die optischen Elemente geneigt werden, mindestens ein
Teil der spiegelnd reflektierten Energie wieder in den Laserhohlraum
eintreten kann. Um so gut wie die ganze optische Rückkopplung
zu eliminieren, wären
große Neigungswinkel
erforderlich. Die großen
Neigungswinkel sind jedoch unpraktisch, da sich die optische Leistung
des geneigten Elements verschlechtern würde.
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Später wurde bekannt, einen optischen
Isolator, z. B. einen Faraday-Isolator, in der Nähe der Laserhohlraumaustrittsöffnung in
den Weg des Laserausgangsstrahls zu integrieren, um reflektierte
Energie zu isolieren und die optische Rückkopplung zu reduzieren. Ein
Faraday-Isolator ist ein optischer Isolator, da er die Vorwärtsübertragung
eines Strahlungsstrahls, in diesem Fall des Laserausgangsstrahls,
gestattet und gleichzeitig die Rückübertragung
eines Strahlungsstrahls mit einem hohen Extinktionsgrad verhindert.
Hier wird die von den verschiedenen optischen und nichtoptischen
Grenzflächen
reflektierte Laserenergie von dem Faraday-Isolator gefangen und
vernichtet.
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Zum Einsatz in Lasersystemen sind
Faraday-Isolatoren bekannt, die Permanentmagnete verwenden, z. B.
vom US-Hersteller OPTICS FOR RESEARCH. Ein Faraday-Isolator umfaßt einen
ersten Linearpolarisator zum parallelen Ausrichten der Ebene der
linearen Polarisation eines Laserausgangsstrahls auf die erste Linearpolarisatorübertragungsachse,
ein magnetooptisches Material und einen Permanentmagneten zum Drehen
der Ebene der linearen Polarisation des Laserausgangsstrahls, um
ihn auf eine zweite Polarisationsachse auszurichten, z. B. gedreht
im Uhrzeigersinn um 45 Grad von der Übertragungsachse des ersten
Linearpolarisators, und einen zweiten Linearpolarisator mit einer
auf die zweite Polarisationsachse ausgerichteten Übertragungsachse.
Der Laserausgangsstrahl tritt deshalb mit einem willkürlichen
Polarisationszustand in den Faraday-Isolator ein und verläßt diesen
linear polarisiert, wobei seine Ebene der linearen Polarisation
auf die zweite Polarisationsachse ausgerichtet ist.
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Ein reflektierter Strahl, der von
einer Grenzfläche
des laseroptischen Systems zum Faraday-Isolator zurückkehrt,
wird ungeachtet seines Polarisationszustands durch den zweiten Linearpolarisator linear
polarisiert, so daß seine
Ebene der linearen Polarisation parallel zur zweiten Polarisationsachse
verläuft.
Das magnetooptische Material dreht nun die Polarisationsebene des
reflektierten Strahls in der gleichen Drehrichtung, d. h. im Uhrzeigersinn,
um 45 Grad, wodurch die Ebene der linearen Polarisation des reflektierten
Strahls entlang einer Achse ausgerichtet wird, die senkrecht zur Übertragungsachse des
ersten Linearpolarisators verläuft.
Der reflektierte Strahl wird somit durch den ersten Linearpolarisator gelöscht. Auf
diese Weise kann man Extinktionsverhältnisse von 100000 zu 1 erreichen,
und Faraday-Rotatoren bewirken geringe Verluste an dem sich vorwärts ausbreitenden
Strahl, wobei eine Einfügedämpfung von
unter 5% möglich
ist.
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Allgemein liegt in allen laseroptischen
Systemen ein eingeschwungener Hintergrundpegel der optischen Rückkopplung
vor. Selbst mit einem Faraday-Isolator in der Nähe der Laseraustrittsöffnung treten
Reflexionen von den optischen Oberflächen des Faraday-Isolators selbst
als optische Rückkopplung
wieder in den Laserhohlraum ein. Der Laserausgangsstrahl wird jedoch
im allgemeinen von der mit der Zeit nicht variierenden optischen
Rückkopplung nicht
beeinflußt.
Fluktuationen bei den Parametern des Laserausgangsstrahls beginnen
stattdessen aufzutreten, wenn sich die Amplitude der optischen Rückkopplungsleistung
abrupt ändert.
Derartige abrupte Schwankungen bei der optischen Rückkopplung
können
zur Ausbildung von Laserspikes („laser spiking") führen, d.
h. eine Reihe störender
Amplitudenspitzen in der Laserausgangsleistung. Das Laser-Spiking
verschlechtert die Leistung des laseroptischen Systems und kann
zu physischen Schäden
an der Optik führen.
Die Frequenz, mit der Amplitudenschwankungen der optischen Rückkopplung
auftreten, ist ebenfalls ein Faktor beim Einsetzen des Laser-Spiking,
und andere Ausgangsstrahlparameter, da die Dynamik, die das Laser-Spiking,
die Laserstrahlungsfrequenzverschiebungen und Rauschen bewirkt,
vom jeweiligen Laserhohlraum abhängt
und je nach der Hohlraumlänge,
seinem Design und dem verwendeten Lasermaterial variiert. Aus diesem
Grund ist eine allgemeine Lösung
für die optische
Rückkopplung
in laseroptischen Systemen nicht gefunden worden. (Siehe LASERS
von Siegman, University Science Books, Mill Valley, Kalifornien,
1986, Seite 955.) Eine Ursache für
abrupte Änderungen
der Leistungsamplitude der optischen Rückkopplung ist auf Änderungen
des Reflexionsgrads an der Laserarbeitsfläche zurückzuführen, wenn sich z. B. die Temperatur
oder die Phase der Arbeitsfläche abrupt ändert, wie
bei thermischen Laseranwendungen, wie etwa beim Schweißen oder
in der Chirurgie. Ein weiteres Beispiel für abrupte Änderungen der Leistungsamplitude
der optischen Rückkopplung,
die auf Änderungen
des Reflexionsgrads der Laserarbeitsfläche zurückzuführen sind, findet man in Scanningsystemen,
bei denen eine vom Laserausgangsstrahl gescannte Oberfläche über ihre
Fläche
hinweg einen räumlich
variierenden Reflexionsgrad aufweist. Wenn die Arbeitsfläche gescannt
wird, verursachen die Schwankungen ihres Reflexionsgrads, daß die Leistungsamplitude
von spiegelnden und diffusen Reflexionen, die zum Laserhohlraum
zurückkehren, stark
variiert. Wenngleich man mit dem Einsatz eines Faraday-Isolators
sowohl für
spiegelnde als auch diffuse Reflexionen ein hohes Extinktionsverhältnis erhält, ist
bei bestimmten Anwendungen, insbesondere für spiegelnde Reflexionen in
Lasersystemen, ein sehr hohes Extinktionsverhältnis für spiegelnde Reflexionen erforderlich,
was der Faraday-Isolator alleine, nicht liefert.
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Bei Interferometersystemen werden
bekannterweise ein Linearpolarisator und ein Viertelwellenverzögerer hintereinander
verwendet, um eine spiegelnde Reflexion von einer Spiegel- oder
Strahlteilergrenzfläche,
die bezüglich
eines sich vorwärts
ausbreitenden Laserstrahls senkrecht einfällt, auszulöschen. Durch eine derartige
Kombination aus Elementen wird, wenn sie mit senkrechtem Einfall
im Weg des Strahls zwischen dem Laser und einer Spiegel- oder Strahlteilergrenzfläche angeordnet
sind, der sich vorwärts
ausbreitende Strahl zuerst am Linearpolarisator linear polarisiert
und dann zirkular polarisiert, bevor er auf die Spiegel- oder Strahlteilergrenzfläche auftrifft.
Der zirkular polarisierte, sich vorwärts ausbreitende Laserstrahl
wird, wenn er auf die Spiegel- oder Strahlteilergrenzfläche auftrifft,
mit umgekehrter Zirkularpolarisation reflektiert, d. h., eine linke
Zirkularpolarisation wird eine rechte Zirkularpolarisation. Der
reflektierte, zirkular polarisierte Strahl tritt dann wieder durch
den Viertelwellenverzögerer und
wird wieder linear polarisiert, doch verläuft seine Ebene der linearen
Polarisation nunmehr senkrecht zur Ebene der linearen Polarisation
des sich vorwärts ausbreitenden
Strahls. Somit wird der reflektierte Strahl durch den Linearpolarisator
ausgelöscht.
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Ein Linearpolarisator in Kombination
mit einem Viertelwellenverzögerer
ist ein bekannter Isolator, der zirkular polarisierte reflektierte
Energie auslöscht
und nicht-zirkular polarisierte reflektierte Energie dämpft. Durch
einen derartigen Isolator erhält man
die größte Isolation
für spiegelnde
Reflexionen von einer Grenzfläche
mit senkrechtem Einfall bezüglich
eines sich vorwärts
ausbreitenden Strahls, der auf sie auftrifft.
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Ein optischer Isolator, der einen
ersten und zweiten Linearpolarisator und Viertelwellenplättchen enthält, ist
aus EP-A-0 396 308
bekannt. Ein System zum Reduzieren des Rauschens eines Lasers unter Verwendung
eines Faraday-Elements wird in den Patent Abstracts of Japan, Band
012, Nr. 173 (P-706) und JP-A-62 283 429 beschrieben. Es offenbart
einen optischen Kopf, der ein Faraday-Rotationselement und ein Viertelwellenlängenplättchen enthält, die
durch einen polarisierten Strahlteiler getrennt sind.
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In JP-A-62 283 429 wird kein „erstes
zirkular polarisierendes Mittel" verwendet,
wie im kennzeichnenden Teil von Anspruch 8 festgestellt, doch werden darin
alle anderen Merkmale von Anspruch 8 offenbart. In EP-A-0 396 308
wird kein „Linearpolarisator" verwendet, wie im
kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 festgestellt, doch werden darin
alle anderen Merkmale von Anspruch 1 offenbart.
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Angesichts der Beschränkungen
des oben beschriebenen Stands der Technik besteht eine allgemeine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung dementsprechend in der Bereitstellung
eines verbesserten Verfahrens und einer verbesserten Vorrichtung zur
optischen Isolation.
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Eine spezifische Aufgabe der vorliegenden Erfindung
besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und
einer verbesserten Vorrichtung zum Isolieren von optischer Rückkopplung
in einem laseroptischen System.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens
und einer verbesserten Vorrichtung zum Isolieren von optischer Rückkopplung
in einem laseroptischen System, wobei gleichzeitig ein sich vorwärts ausbreitender
Laserstrahl eine geringe Leistungsamplitudeneinfügungsdämpfung erhält.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Bei der Erfindung handelt es sich
um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Isolieren von Reflexionen
von mindestens einer Grenzfläche,
auf die ein sich vorwärts
ausbreitender Strahlungsstrahl trifft. Reflexionen von jeder Grenzfläche führen zu
einem spiegelnd reflektierten Strahlungsstrahl und einem diffus
reflektierten Strahlungsstrahl, die jeweils einen Teil aufweisen,
der sich in einer Richtung ausbreitet, die der Ausbreitungsrichtung
des sich vorwärts
ausbreitenden Strahlungsstrahls im wesentlichen entgegengesetzt
ist. Das Verfahren zum Isolieren des spiegelnd und des diffus reflektierten
Strahlungsstrahls umfaßt
die folgenden Schritte:
- (a) lineares Polarisieren
des sich vorwärts
ausbreitenden Strahlungsstrahls parallel zur Ebene der linearen
Polarisation im wesentlichen parallel zu einer ersten Polarisationsachse;
- (b) Drehen der Ebene der linearen Polarisation des linear polarisierten,
sich vorwärts
ausbreitenden Strahlungsstrahls zu einer zweiten Polarisationsachse;
- (c) Zirkularpolarisieren des linear polarisierten, sich vorwärts ausbreitenden
Strahlungsstrahls mit einem ersten Drehsinn, bevor der sich vorwärts ausbreitende
Strahlungsstrahl auf die Grenzfläche
trifft, und lineares Polarisieren des spiegelnd reflektierten Strahlungsstrahls,
wenn der spiegelnd reflektierte Strahlungsstrahl mit einem Drehsinn
zirkular polarisiert ist, der dem ersten Drehsinn entgegengesetzt
ist;
- (d) lineares Polarisieren des spiegelnd reflektierten Strahlungsstrahls
und des diffus reflektierten Strahlungsstrahls, wobei die Ebene
der linearen Polarisierung im wesentlichen parallel zur zweiten Polarisationsachse
verläuft;
- (e) Drehen der Ebene der linearen Polarisation des spiegelnd
reflektierten Strahlungsstrahls und des diffus reflektierten Strahlungsstrahls
zu einer Polarisationsachse, die im wesentlichen senkrecht zur ersten
Polarisationsachse verläuft;
und
- (g) Durchschicken des spiegelnd reflektierten Strahlungsstrahls
und des diffus reflektierten Strahlungsstrahls durch einen Linearpolarisator mit
einer Übertragungsachse,
die im wesentlichen parallel zur ersten Polarisationsachse verläuft.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die oben dargelegten Aufgaben und
Merkmale und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung lassen
sich am besten anhand einer ausführlichen
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dieser verstehen,
die zum Zweck der Veranschaulichung ausgewählt und in den beiliegenden Zeichnungen
gezeigt ist. Es zeigen:
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1 ausführlich einen
Teil eines laseroptischen Systems, das einen Laser, einen sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahl, die spiegelnde und diffuse Reflexion isolierende Komponenten
und eine Grenzfläche,
von der spiegelnde und diffuse Reflexionen isoliert werden sollen,
enthält;
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2 ein
Vektordiagramm, das zu Veranschaulichungszwecken aufgenommen ist,
um die Orientierung verschiedener linearer Polarisationsachsen bezüglich der
vertikalen Achse zu detaillieren;
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3 ausführlich einen
sich vorwärts
ausbreitenden Strahlungsstrahl, der durch eine Vorrichtung hindurchläuft, um
spiegelnde und diffuse Reflexionen von einer Grenzfläche zu isolieren,
und eine Grenzfläche,
von der spiegelnde und diffuse Reflexionen isoliert werden sollen;
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4 ein
laseroptisches System mit einem einzigen Laser, der mehr als eine
Laserstrahlausbreitungsachse aufweist, und mit mehr als einem Spiegelreflexionsisolator,
der in Verbindung mit einem einzigen Faraday-Isolator verwendet
wird, um Reflexionen von Grenzflächen,
auf die der Laserstrahl entlang jeder der Strahlausbreitungsachsen
trifft, optisch zu isolieren; und
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5 ein
scannendes laseroptisches System, das einen Laser, einen sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahl, einen Strahldeflektor zum Ablenken des sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahls zum Abtasten einer Grenzfläche und die spiegelnde und diffuse
Reflexion isolierende Elemente zum Isolieren von Reflexionen von
der abgetasteten Grenzfläche enthält.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nunmehr unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen wird die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung in 1 gezeigt,
bei der ein Teil eines laseroptischen Systems, der optische isolierende
Komponenten zum Isolieren einer Laserrückkopplung spezifisch näher zeigt,
allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet ist. Das partielle
laseroptische System 10 umfaßt einen Laser 12 mit
einer Austrittsöffnung 14 und
einem sich vorwärts
ausbreitenden Laserstrahl 16, der aus der Laseröffnung 14 austritt
und sich entlang einer Ausbreitungsachse 18 von links nach
rechts ausbreitet.
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Der sich vorwärts ausbreitende Laserstrahl 16 tritt
zuerst in einen allgemein mit der Bezugszahl 20 bezeichneten
Faraday-Isolator ein. Der Faraday-Isolator 20 weist eine
optische Achse 22, eine Eintrittsöffnung 24 und eine
Austrittsöffnung 26 auf. Der
Faraday-Isolator 20 ist
so positioniert, daß seine optische
Achse 22 mit der Laserstrahlausbreitungsachse 18 im
wesentlichen zusammenfällt,
so daß der sich
vorwärts
ausbreitende Laserstrahl 16 in die Eintrittsöffnung 24 des
Faraday-Isolators eintritt, im wesentlichen entlang der optischen
Achse 22 des Faraday-Isolators verläuft und aus der Austrittsöffnung 26 des
Faraday-Isolators austritt. Der Faraday-Isolator 20 ist
in einer Entfernung 28 von der Laseraustrittsöffnung 14 positioniert, doch ist die Entfernung 28 unkritisch
und braucht nur ausreichend klein zu sein, damit der sich vorwärts ausbreitende
Laserstrahl 18 durch die Isolatoreintrittsöffnung 24 nicht
zu sehr beschnitten wird.
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Der Faraday-Isolator 20 umfaßt die folgenden
Elemente, die jeweils eine optische Achse aufweisen, die mit der
optischen Achse 22 des Faraday-Isolators zusammenfällt und
relativ zur Eintrittsöffnung 24 hintereinander
angeordnet sind. Einen ersten Linear polarisator 30 zum
linearen Polarisieren des sich vorwärts ausbreitenden Laserstrahls 16 und zum
Dämpfen
eines reflektierten Strahls. Einen magnetooptischen Polarisationsrotator 32 zum
Drehen der Polarisationsebene des linear polarisierten, sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahls 16 und einen zweiten linearen Polarisator 34 zum
linearen Polarisieren eines reflektierten Strahls, der in den Faraday-Isolator 20 durch
dessen Austrittsöffnung 26 eintritt.
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Nunmehr unter Bezugnahme auf die 1 und 2 läuft
der sich vorwärts
ausbreitende Laserstrahl 16 von der Laseraustrittsöffnung 14 zur
Eintrittsöffnung 24 des
Faraday-Isolators und durch den ersten Linearpolarisator 30,
wo er linear polarisiert wird, wobei seine Ebene der linearen Polarisation
parallel zur ersten Polarisationsachse 36 ausgerichtet ist.
Er läuft
dann durch den magnetooptischen Polarisationsrotator 32,
der die Ebene der linearen Polarisation im Uhrzeigersinn um einen
Winkel von im wesentlichen 45 Grad dreht, wodurch die Ebene
der linearen Polarisation des Laserstrahls 16 auf eine zweite
Polarisationsachse 38 ausgerichtet wird. Der Strahl 16 läuft nun
durch den zweiten Linearpolarisator 34, dessen Übertragungsachse
parallel zur zweiten Polarisationsachse 38 ausgerichtet
ist, so daß der
sich vorwärts
ausbreitende Strahl 16 vom zweiten Linearpolarisator 34 im
wesentlichen nicht gedämpft wird.
Der Laserstrahl 16 tritt dann aus dem Faraday-Isolator 20 durch
dessen Austrittsöffnung 26 mit einem
Polarisationszustand aus, der linear polarisiert ist und dessen
Ebene der linearen Polarisation parallel zur zweiten Polarisationsachse 38 verläuft. Diese Achse
kann auch als die Übertragungsachse
des Faraday-Isolators 20 bezeichnet werden. Man beachte, daß unabhängig vom
Polarisationszustand des Strahls 16 bei seinem Eintritt
in den Faraday-Isolator 20 der Polarisationszustand bei
seinem Austritt gleich dem ist, der oben beschrieben ist. Wenn jedoch
der sich vorwärts
ausbreitende Laserstrahl 16 anfangs linear polarisiert
ist, sollte seine Ebene der linearen Polarisation parallel zur Übertragungsachse des
ersten Linearpolarisators 30 ausgerichtet sein, d. h. parallel
zur ersten Polarisationsachse 36, um die Einfügungsdämpfung des
Faraday-Isolators 20 zu minimieren.
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Der erste und der zweite Linearpolarisator 30 und 34,
die oben näher
dargestellt sind, und der Linearpolarisator 58, der unten näher dargestellt
ist, polarisieren jeweils linear einen Strahlungsstrahl, der durch
sie hindurchtritt. Die Polarisatoren 30, 34 und 58 weisen
jeweils eine nicht gezeigte optische Achse auf, die im wesentlichen
parallel zur Strahlausbreitungsachse 18 ausgerichtet ist,
und eine nicht gezeigte Übertragungsachse,
die senkrecht zur optischen Achse verläuft. Die Übertragungsachse jedes Linearpolarisators
stellt die Achse der maximalen Leistungsamplitudenübertragung
für einen
durch ihn hindurchtretenden Strahl dar. Das heißt, wenn die Ebene der linearen
Polarisation des sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahls 16 parallel zur Übertragungsachse des Linearpolarisators 30, 34 oder 58 ausgerichtet
ist, durch den er hindurchtritt, dann wird der Strahl 16 vom
Linearpolarisator im wesentlichen nicht gedämpft. Wenn der Laserstrahl 16 nicht
linear polarisiert ist, z. B. zufällig, zirkular oder elliptisch
polarisiert ist, oder wenn der Laserstrahl 16 linear polarisiert
ist, aber die Ebene der linearen Polarisation nicht parallel zur Übertragungsachse
des Linearpolarisators 30, 34 oder 58 ausgerichtet
ist, dann wird der Laserstrahl 16 gemäß dem unten aufgeführten Malusschen
Satz vom Linearpolarisator gedämpft,
wobei die maximale Dämpfung
oder Extinktion auftritt, wenn der Strahl 16 linear polarisiert
ist und seine Ebene der linearen Polarisation senkrecht zur Übertragungsachse
des Linearpolarisators 30, 34 oder 58 verläuft.
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Unabhängig vom Polarisationszustand
des Strahls 16 bei seinem Eintritt in einen beliebigen
Linearpolarisator 30, 34 oder 58 ist
der Polarisationszustand des Laserstrahls 16 nach seinem
Durchtritt durch den Polarisator linear polarisiert, wobei seine Ebene
der linearen Polarisation parallel zur Übertragungsachse des Polarisators
verläuft.
Zudem sind die Eigenschaften aller Linearpolarisatoren 30, 34 und 58 unabhängig von
der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 16 und sind optimiert,
wenn sich der Strahl 16 entlang einer Achse ausbreitet,
die fast parallel zur optischen Achse des Polarisators verläuft.
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Die Polarisatoren 30, 34 oder 58 können dichroitisch,
d. h. durch selektive Absorption polarisierend, reflektierend, d.
h. durch selektive Reflexion polarisierend, streuend, d. h. durch
selektive Streuung polarisierend, oder doppelbrechend, d. h. durch
selektive Transmission polarisierend, sein, oder sie können andere Konfigurationen
aufweisen, z. B. elektrooptisch. Bei der bevorzugten Ausführungsform
hat sich ein reflektierender Polarisator als die optimale Auswahl
herausgestellt, da seine Einfügungsdämpfung für den Laserstrahl 16 gering
war, während
er nicht durch den Laserstrahl 16 beschädigt wurde, der 5 Watt übersteigen
kann. Es versteht sich jedoch, daß jeder Linearpolarisator verwendet werden
kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen,
und daß die
Auswahl eines Polarisators zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung
von der Leistungsamplitude, der Wellenlänge, der Frequenz und der Modulationsrate des
jeweiligen Laserstrahls 16 abhängt, der in dem optisch zu
isolierenden laseroptischen System verwendet wird.
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Der magnetooptische Rotator 32 ist
eine wohlbekannte Vorrichtung zum Drehen der Polarisationsebene
eines übertragenen
Strahls, und er basiert auf der Anwendung eines Magnetfelds auf
ein normalerweise optisch inaktives Kristallmaterial, um eine Polarisationsdrehung
zu erhalten. Die Faraday-Drehung ist jedoch nur eine Teilmenge der
optischen Aktivität,
ein Phänomen
der Festkörperoptik, wobei
die Polarisationsebene eines linear polarisierten Strahlungsstrahls
gedreht wird, während
er durch einen optisch aktiven Kristall hindurchläuft. Eine
Reihe von Kristallen sind bekannterweise optisch aktiv, einschließlich Quarz,
Natriumchlorat und Zinnober (siehe INTRODUCTION TO MODERN OPTICS
von G. R. Fowles, Copyright 1975 von Holt, Rinehart and Winston,
Seite 169). Optisch aktive Materialien drehen die Polarisationsebene
eines durchgelassenen Strahlungsstrahls ohne Anlegen irgendeines
elektrischen oder Magnetfelds. Eine weitere Art von Polarisationsrotator,
die Kerr-Zelle,
dreht die Polarisationsebene eines hindurchtretenden Strahls, wenn
an einen optisch inaktiven Kristall ein elektrisches Feld angelegt
wird. Es versteht sich, daß anstelle
des magnetooptischen Rotators 32 eine andere Polarisationsrotatorkonfiguration
verwendet werden kann, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen.
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Ein allgemein mit der Bezugszahl 50 bezeichneter
Spiegelreflexionsisolator, der eine optische Achse 52,
eine Eintrittsöffnung 54 und
eine Austrittsöffnung 56 aufweist,
ist zwischen dem Faraday-Isolator 20 und
einer Grenzfläche 70,
von der eine Reflexion isoliert werden soll, angeordnet. Der Spiegelisolator 50 ist
so positioniert, daß seine
optische Achse 52 im wesentlichen mit der Laserstrahlausbreitungsachse 18 zusammenfällt, so
daß der sich
vorwärts
ausbreitende Laserstrahl 16 durch seine Eintrittsöffnung 54 eintritt
und durch seine Austrittsöffnung 56 austritt.
Die Grenzfläche 70 ist
eine beliebige Übergangsfläche, über die
hinweg eine Änderung
des Brechungsindexes auftritt und von der eine Reflexion isoliert
werden soll.
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Der Spiegelreflexionsisolator 50 umfaßt hintereinander
nach der Eintrittsöffnung 54 einen
dritten Linearpolarisator 58 und einen Viertelwellenverzögerer 60.
Der Viertelwellenverzögerer 60 weist
eine optische Achse 62 auf, die so ausgerichtet ist, daß sie mit
der Strahlausbreitungsachse 18 im wesentlichen zusammenfällt. Die Übertragungsachse
des dritten Linearpolarisators 58 ist im wesentlichen parallel
zur Polarisationsebene des sich vorwärts ausbreitenden Laserstrahls 16 ausgerichtet,
wenn er aus dem Faraday-Isolator 20 austritt, d. h. parallel
zur zweiten Polarisationsachse 38, so daß der Strahl 16 bei
seinem Durchtritt durch den dritten Linearpolarisator 58 im wesentlichen
nicht gedämpft
wird und mit seiner Linearpolarisationsachse parallel zur zweiten
Polarisationsachse 38 linear polarisiert bleibt.
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Der Viertelwellenverzögerer 60 ist
ein doppelbrechendes Element mit einer „schnellen Übertragungsachse" und der „langsamen Übertragungsachse" (nicht gezeigt).
Die schnelle und die langsame Übertragungsachse
verlaufen senkrecht zueinander und zur optischen Achse 62 des
Viertelwellenverzögerers.
Ein linear polarisierter Strahl, der durch den Viertelwellenverzögerer 60 hindurchtritt,
wird zirkular polarisiert, wenn seine Ebene der linearen Polarisation
einen Winkel von 45 Grad zur schnellen Übertragungsachse des Verzögerers 60 bildet.
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Bei der vorliegenden Erfindung tritt
der Laserstrahl 16 so aus dem dritten Linearpolarisator 58 aus,
daß seine
Ebene der linearen Polarisation auf die zweite Polarisationsachse 38 ausgerichtet
ist, und der Viertelwellenverzögerer 60 ist
so orientiert, daß seine
schnelle Übertragungsachse
parallel zur ersten Polarisationsachse 36 ausgerichtet
ist. Somit wird der Laserstrahl 16 bei seinem Durchtritt
durch den Viertelwellenverzögerer 60 zirkular
polarisiert. Die Richtung der Zirkularpolarisation, d. h. rechts oder links,
ist bei der vorliegenden Erfindung willkürlich, kann aber durch Drehen
des Viertelwellenverzögerers 60 um
90 Grad umgekehrt werden, so daß seine
langsame Übertragungsachse
auf die zweite Polarisationsachse 38 ausgerichtet ist.
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Der Zweck des Viertelwellenverzögerers 60 besteht
in der Bereitstellung eines zirkular polarisierten Strahls an der
Grenzfläche 70.
Die Leistung des Viertelwellenverzögerers 60 ist wellenlängenabhängig, weshalb
die zirkulare Polarisation als solche nur dann erzielt wird, wenn
ihre Materialeigenschaften und ihre Dicke an die jeweilige Wellenlänge des
Laserstrahls 16 angepaßt
sind. Auch die Richtung der vom Verzögerer 60 erzeugten
Polarisationsdrehung kann materialabhängig sein.
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Obwohl einelementige Viertelwellenverzögerer kommerziell
erhältlich
sind, z. B. vom US-Hersteller MELLES GRIOT, kann ein Viertelwellenverzögerer allgemeiner
definiert werden. Eine derartige Vorrichtung erzeugt eine Phasendifferenz
von einer Viertelwelle zwischen zwei linear polarisierten Strahlungsstrahlen,
die die gleiche optische Frequenz, aber orthogonale Ebenen der linearen
Polarisation aufweisen, wenn die Strahlen gleichzeitig durch ihn hindurchtreten.
Es versteht sich, daß jede
beliebige Einrichtung zum Konvertieren eines sich vorwärts ausbreitenden,
linear polarisierten Strahlungsstrahls in einen sich vorwärts ausbreitenden,
zirkular polarisierten Strahl mit einer ersten Richtung der Polarisationsdrehung
nicht vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweicht, vorausgesetzt
ein zirkular polarisierter Strahlungsstrahl mit einer entgegengesetzten
Drehrichtung, der in der entgegengesetzten Richtung durch die Einrichtung
hindurchtritt, wird in einen linear polarisierten Strahlungsstrahl
mit einer Ebene der linearen Polarisierung konvertiert, die orthogonal
zu der des sich vorwärts
ausbreitenden, linear polarisierten Strahlungsstrahls ist.
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Der zirkular polarisierte, sich vorwärts ausbreitende
Laserstrahl 16 breitet sich nach dem Austritt aus dem Spiegelreflexionsisolator 50 weiterhin entlang
der Achse 18 aus, bis er auf die Grenzfläche 70 trifft.
Die Grenzfläche 70 ist
in einer Entfernung 88 von der Spiegelreflexionsisolatoraustrittsöffnung 56 angeordnet,
und sie kann relativ zur Strahlausbreitungsachse 18 einen
Einfallswinkel aufweisen, der vom senkrechten Einfall abweicht (d.
h. normal zur Laserstrahlsausbreitungsachse 18), bis zum
streifenden Einfall (d. h. parallel zur Laserstrahlausbreitungsachse 18).
Die Entfernung 88 ist unkritisch, doch steigt durch geringere
Entfernungen 88 allgemein die Menge reflektierter Energie,
die zum laseroptischen System 10 zurückkehren kann.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
breitet sich der Laserstrahl 16 durch Luft aus, die einen
Brechungsindex von fast Eins aufweist, bis er auf die Grenzfläche 70 trifft,
die ein Volumen 72 mit einem Brechungsindex begrenzt, der
von dem von Luft verschieden ist. Die Wechselwirkung des Laserstrahls 16 mit
der Grenzfläche 70 führt zu einer
spiegelnden Reflexion, einer diffusen Reflexion und einer Übertragung
eines Teils des Laserstrahls 16 über die Grenzfläche 70 in
das Volumen 72. Der übertragene
Teil des Laserstrahls 16 breitet sich weiter im Volumen 72 aus,
wo der Strahl 16 zumindest teilweise absorbiert wird, und
er kann sich weiter ausbreiten, bis er auf eine weitere Grenzfläche 74 trifft,
wo der Strahl 16 wieder spiegelnd und diffus reflektiert
wird und wo ein Teil des Strahls 16 in das nächste Volumen 76 übertragen
werden kann.
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Die Grenzflächen 70 und 74 können optische Flächen sein,
z. B. ein Spiegel, eine Linse, ein Polarisationselement oder Laserarbeitsflächen, oder nichtoptische
Oberflächen,
z. B. eine Abdeckung, ein Sicherheitsschirm oder eine mechanische
Struktur. Weiterhin liegen in einem typischen laseroptischen System
mehrere Grenzflächen,
wie die Flächen 70 und 74 vor,
und der Einfallswinkel, den der Laserstrahl 16 mit jeder
der mehreren Grenzflächen 70 und 74 bildet,
kann von normalem bis zu streifendem Einfall variieren.
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In der folgenden ausführlichen
Beschreibung, wie die vorliegende Erfindung reflektierte Energie
von mehreren Grenzflächen,
wie etwa 70 und 74, optisch isoliert, wird verstanden,
daß jede
der mehreren Grenzflächen 70 und 74 eine
spiegelnde Reflexion erzeugt und daß ein resultierender, spiegelnd
reflektierter Strahl 78, der einen Teil der spiegelnd reflektierten
Energie von jeder der Flächen 70 und 74 umfaßt, sich
im wesentlichen entlang der Achse 18 in einer Ausbreitungsrichtung
ausbreitet, die der Ausbreitungsrichtung des sich vorwärts ausbreitenden Laserstrahls 16 im
wesentlichen entgegengesetzt ist. Der resultierende, spiegelnd reflektierte Strahl 78 breitet
sich in Richtung der Laseraustrittsöffnung 14 aus und
stellt deshalb eine potentielle Quelle einer zu isolierenden Laserrückkopplung
dar. Zudem ist zu verstehen, daß der
resultierende, spiegelnd reflektierte Strahl 78 aus Reflexionen
stammen kann, die bei mehreren Einfallswinkeln auftreten, so. daß der resultierende,
spiegelnd reflektierte Strahl 78 mehrere spiegelnd reflektierte
Strahlen umfaßt,
die jeweils einen Polarisationszustand aufweisen, der von dem Einfallswinkel
abhängt,
den der sich vorwärts
ausbreitende Laserstrahl 16 mit der jeweiligen reflektierenden
Grenzfläche 70 oder 74 bildete,
von der er reflektiert wurde.
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Zudem breitet sich ein resultierender,
diffus reflektierter Strahl 80 im wesentlichen auch entlang der
Achse 18 in einer Ausbreitungsrichtung aus, die der Ausbreitungsrichtung
des sich vorwärts
ausbreitenden Laserstrahls 16 zur Laseraustrittsöffnung 14 im
wesentlichen entgegengesetzt ist, und daß der resultierende, diffus
reflektierte Strahl 80 mindestens einen Teil der diffus
reflektierten Energie umfaßt,
die von jeder der mehreren Grenzflächen 70 und 74 reflektiert
wird. Der resultierende, diffus reflektierte Strahl 80 stellt
auch eine potentielle Quelle von zu isolierender Laserrückkopplung
dar. Es ist zu verstehen, daß der
resultierende, diffus reflektierte Strahl 80 auch von Reflexionen
stammt, die bei mehreren Einfallswinkeln auftreten, so daß der resultierende, diffus
reflektierte Strahl 80 mehrere diffus reflektierte Strahlen
mit jeweils einem Polarisationszustand umfaßt, der vom Einfallswinkel
abhängt,
den der sich vorwärts
ausbreitende Laserstrahl 16 mit der jeweiligen reflektierenden
Grenzfläche 70 oder 74 bildete, von
der er reflektiert wurde.
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Wenn beispielsweise eine einzige
Grenzfläche 70 und
ein einziger spiegelnd reflektierter Strahl 78 angenommen
wird, wird der zirkular polarisierte, sich vorwärts ausbreitende Laserstrahl 16 spiegelnd von
der Oberfläche 70 reflektiert,
wodurch ein spiegelnd reflektierter Strahl 78 entsteht.
Für den
besonderen Fall des senkrechten Einfalls zwischen dem sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahl 16 und der Fläche 70 wird der spiegelnd
reflektierte Strahl 78 zirkular polarisiert und die Drehrichtung
der zirkularen Polarisation wird durch die Reflexion umgekehrt,
d. h., ein rechts zirkular polarisierter Strahl wird nach der Reflexion
ein links zirkular polarisierter Strahl.
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Bei der Rückkehr durch den Viertelwellenverzögerer 60 wird
der zirkular polarisierte, spiegelnd reflektierte Strahl 78 vom
Verzögerer 60 linear
polarisiert und seine Ebene der linearen Polarisation ist parallel
zu einer Polarisationsachse 82 ausgerichtet. Dadurch wird
der spiegelnd reflektierte Strahl 78, der aus einer Reflexion
von der Grenzfläche 70 mit
senkrechtem Einfall resultierte, durch den dritten Linearpolarisator 58 vollständig ausgelöscht, da
die Polarisationsachse 82 senkrecht zu seiner Übertragungsachse
verläuft.
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Bei dem Fall, daß der Einfallswinkel zwischen
dem sich vorwärts
ausbreitenden Laserstrahl 16 und der Grenzfläche 70 zwischen
fast senkrechtem Einfall und fast streifendem Einfall liegt, wird
der spektral reflektierte Strahl 78, der aus einer Reflexion des
zirkular polarisierten Laserstrahls 16 herrührt, elliptisch
polarisiert und auch die Drehrichtung der Polarisation wird durch
die Reflexion umgekehrt, d. h. ein rechts zirkular polarisierter
Laserstrahl 16 wird nach Reflexion zu einem links elliptisch
polarisierten, spiegelnd reflektierten Laserstrahl 78.
Wenn sich der Einfallswinkel zwischen dem sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahl 16 und der Grenzfläche 70 bei einem streifenden
Einfall befindet, wird der spiegelnd reflektierte Strahl 78 linear
entlang einer Achse polarisiert, die parallel zur Grenzfläche 70 verläuft. Obwohl
ein derartiger Strahl zum partiellen laseroptischen System 10 nicht
direkt zurückkehren
würde, versteht
sich, daß ein
durch streifenden Einfall spiegelnd reflektierter Strahl nach darauffolgenden
Reflexionen von anderen Grenzflächen,
z. B. 74, zum partiellen laseroptischen System 10 zurückkehren
kann.
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Nach Rückkehr durch den Viertelwellenverzögerer 70 bleibt
ein elliptisch polarisierter, spiegelnd reflektierter Strahl 78 elliptisch
polarisiert, aber die Ausrichtung der langen Achse der Ellipse variiert
von fast parallel zur Polarisationsachse 82 für Reflexionen
aufgrund von fast senkrechten Einfallswinkeln zu fast parallel zur
zweiten Polarisationsachse 38 für Reflexionen aufgrund von
fast streifenden Einfallswinkeln.
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Nach dem Durchgang durch den dritten
Linearpolarisator 58 wird der spiegelnd reflektierte Strahl 78 gemäß dem Malusschen
Satz so gedämpft,
daß seine
Leistungsamplitude nach dem Austritt aus dem dritten Linearpolarisator 58 ein
Minimum ist, wenn die Ebene der linearen Polarisation fast parallel
zur Polarisationsachse 82 liegt, und ein Maximum, wenn
die Ebene der linearen Polarisation des Strahls fast parallel zur
zweiten Polarisationsachse 38, d. h. der Übertragungsachse
des dritten Linearpolarisators 58, liegt und variiert für Winkel
dazwischen entsprechend der Beziehung I(∅) = I(0)*COS2(∅), wobei ∅ der Winkel
zwischen der Ebene der linearen Polarisation des Strahls 78 und
der Übertragungsachse des
zweiten Linearpolarisators 58, I(0) die Intensität des Strahls 78 vor
dem Durchtritt durch den zweiten Linearpolarisator 58 und
I(∅) die Intensität
des Strahls 78 nach dem Durchtritt durch den zweiten Linearpolarisator 58 als
Funktion des Winkels ∅ ist. In diesem Fall ist ∅ gleich
Null für
Reflexionen aufgrund eines streifenden Einfalls und ∅ ist
gleich 90 Grad für Reflexionen
aufgrund von Reflexionen bei normalem Einfall.
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Bei spiegelnden Reflexionen, die
sich daraus ergaben, daß der
sich vorwärts
ausbreitende Laserstrahl 16 einen streifenden Einfall mit
der Grenzfläche 70 aufwies,
wird der spiegelnd reflektierte Strahl 78 linear polarisiert,
und nach der Rückkehr
durch den Viertelwellenverzögerer 60 ist
der spiegelnd reflektierte Strahl 78 mit linearer Polarisation
entweder unverändert
oder wurde elliptisch polarisiert, je nach dem Winkel zwischen seiner
Ebene der linearen Polarisation und der schnellen Übertragungsachse
des Viertelwellenverzögerers 60.
Bei der Rückkehr
durch den dritten Linearpolarisator 58 wird ein linear
oder elliptisch polarisierter Strahl gemäß dem Malusschen Satz gedämpft.
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Es wird nun der Fall einer einzigen
Grenzfläche 70 mit
einem einzigen diffus reflektierten Strahl 80 betrachtet,
wobei der zirkular polarisierte, sich vorwärts ausbreitende Laserstrahl 16 von
der Fläche 70 diffus
reflektiert wird und ein diffus reflektierter Strahl 80 entsteht.
Der diffus reflektierte Strahl 80 strahlt im wesentlichen
gleichförmig
in eine Halbkugel um den Schnittpunkt der Ausbreitungsachse 18 mit
der Grenzfläche 70,
so daß mindestens
ein Teil der Strahlen zum Spiegelreflexionsisolator 50 gelenkt wird.
Die Polarisation des diffus reflektierten Strahls 80 variiert
mit seiner Ausbreitungsrichtung nach der Reflexion, so daß im wesentlichen
entlang der Ausbreitungsachse 18 reflektierte, diffus reflektierte Strahlen
im wesentlichen zufällig
polarisiert sind, während
im wesentlichen parallel zur Grenzfläche 70 reflektierte,
diffus reflektierte Strahlen im wesentlichen linear polarisiert
sind und diffus reflektierte Strahlen, die bei dazwischenliegenden
Reflexionswinkeln reflektiert werden, zufällig und linear polarisierte
Teile umfassen.
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Der Polarisationszustand des diffus
reflektierten Strahls 80, der teils zufällig polarisiert und teils linear
polarisiert sein kann, wird bei Rückkehr durch den Viertelwellenverzögerer 60 von
diesem modifiziert. Der diffus reflektierte Strahl 80 wird
bei Rückkehr
durch den dritten Linearpolarisator 58 gemäß dem Malusschen
Satz gedämpft,
was bei einem im wesentlichen zufällig polarisierten Strahl zu
einer Dämpfung
von etwa 50% führt.
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Die oben angeführten Merkmale des Spiegelreflexionsisolators 50 bestehen
darin, daß er
spiegelnd reflektierte Strahlen auslöscht, die aus Reflexionen von
mit einem senkrechten Einfall orientierten Grenzflächen herrühren, er
spiegelnd reflektierte Strahlen, die aus Reflexionen von Grenzflächen herrührten, die
unter Einfallswinkeln zwischen senkrechtem und streifendem Einfall
orientiert sind, dämpft und
er im Mittel eine Dämpfung
von 50% für
diffus reflektierte Strahlen bietet. In allen Fällen weist jeder Teil des spiegelnd
reflektierten Strahls 78 oder des diffus reflektierten
Strahls 80 die aus dem Spiegelreflexionsisolator 50 austreten,
einen Polarisationszustand auf, der linear ist, wobei seine Ebene
der linearen Polarisation parallel zur zweiten Polarisationsachse 38 ausgerichtet
ist.
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Nach dem Durchtritt durch den Spiegelreflexionsisolator 50 breiten
sich der spiegelnd reflektierte Strahl 78 und der diffus
reflektierte Strahl 80, die jeweils gedämpft sind, weiterhin im wesentlichen
entlang der Achse 18 aus und treten in die Austrittsöffnung 26 des
Faraday-Isolators 20 ein. Da jeder Strahl entlang der zweiten
Polarisationsachse 38 linear polarisiert ist, durchlaufen
sie den zweiten Linearpolarisator 34 ungedämpft.
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Dann laufen die reflektierten Strahlen 78 und 80 durch
den magnetooptischen Rotator 32, der die Polarisationsebene
jedes Strahls im Uhrzeigersinn um einen Winkel von 45 Grad dreht
und sie dabei parallel zu einer Polarisationsachse 82 ausrichtet.
Man beachte, daß der
magnetooptische Rotator 32 die besondere Eigenschaft aufweist,
daß er
die Polarisationsebene eines sich vorwärts ausbreitenden Strahls und
eines sich entgegengesetzt ausbreitenden Strahlungsstrahls um den
gleichen Drehwinkel und in der gleichen Richtung dreht. Da die Polarisationsachse 82 senkrecht
zur Übertragungsachse
des ersten Linearpolarisators 30 verläuft, werden der restliche Teil
des spiegelnd reflektierten Strahls 78 und des diffus reflektierten
Strahls 80 durch den ersten Linearpolarisator 30 ausgelöscht, so
daß keine
reflektierte Energie die Laseraustrittsöffnung 14 erreicht.
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Die Merkmale der Kombination aus
einem Faraday-Isolator 20 und einem Spiegelreflexionsisolator 50 bestehen
darin, daß sie
unabhängig
vom Einfallswinkel des sich vorwärts
ausbreitenden Laserstrahls 16 mit der Grenzfläche 70 sowohl
den spiegelnd reflektierten Strahl 78 als auch den diffus
reflektierten Strahl 80 vollkommen auslöscht. Im allgemeinen Fall,
wenn der sich vorwärts
ausbreitende Strahl 16 nach dem Durchgang durch mehrere
begrenzte Gebiete 72 von mehreren Grenzflächen 70 und 74 reflektiert
wird, werden der resultierende, spiegelnd und diffus reflektierte
Strahl 78 und 80 auf die gleiche Weise ausgelöscht, wie
dies oben für
den besonderen Fall einer einzigen Grenzfläche 70 beschrieben
wurde.
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Aus der vorausgegangenen Erörterung,
die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Isolation
der optischen Rückkopplung
in Lasersystemen ausführlich
darlegt, ist zu sehen, daß sich
durch die kombinierte Verwendung des Faraday-Isolators 20 und
des Spiegelreflexionsisolators 50 im Vergleich zur Verwendung
der beiden Elemente für
sich eine verbesserte optische Isolation ergibt. Es ist weiter zu
erkennen, daß die
in 1 gezeigten Abstände 28, 84, 86 und 88 für die Leistung
der vorliegenden Erfindung nicht kritisch sind, sondern nur ausreichend
klein sein müssen,
daß der
zu isolierende spiegelnd und diffus reflektierte Strahl 78 und 80 ausreichend
eingefangen werden. Weiterhin kann man feststellen, daß der dritte
Linearpolarisator 58 in der bevorzugten Ausführungsform entfallen
kann, ohne den Operationsmodus der Erfindung zu ändern. Bei einer in 3 gezeigten allgemeineren
Ausführungsform
arbeitet der optische Isolator 400 auf genau die gleiche
Weise wie die oben beschriebene bevorzugte Ausführungsform, außer daß der in
der bevorzugten Ausführungsform
verwendete dritte Linearpolarisator 58 zusätzliche
Dämpfung
liefert, um ein Leck zu überwinden,
das auftreten kann, wenn ein einziger Polarisator für sich verwendet
wird. Ein derartiges Leck kann aus Fehlern in den Polarisatormaterialien und
einer fehlerhaften Ausrichtung der Polarisatorübertragungsachsen resultieren.
Es ist weiterhin zu erkennen, daß die Leistung weiter verbessert
werden kann, wenn mehrere Linearpolarisatoren eingesetzt werden,
die jeweils zwischen dem magnetooptischen Rotator 32 und
dem Viertelwellenverzögerer 60 angeordnet
sind, um ein Leck zu überwinden.
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Bei einer allgemeineren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist in 3 ein
optischer Isolator gezeigt, der allgemein mit der Bezugszahl 400 bezeichnet
ist. Der optische Isolator 400 umfaßt einen Faraday-Isolator,
der allgemein mit der Bezugszahl 20 bezeichnet ist und
einen Viertelwellenverzögerer 60.
Der Faraday-Isolator 20 und
der Viertelwellenverzögerer 60 weisen
jeweils eine optische Achse 22 beziehungsweise 62 auf,
die im wesentlichen parallel zu einer Strahlungsstrahlausbreitungsachse 402 positioniert
sind.
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Ein unpolarisierter Strahlungsstrahl 404 breitet
sich entlang der Ausbreitungsachse 402 von links nach rechts
aus und tritt bei einer Eintrittsöffnung 406 in den
optischen Isolator 400 ein. Der unpolarisierte Strahlungsstrahl 404 läuft durch
den Faraday-Isolator 20 und dann durch den Viertelwellenverzögerer 60 und
tritt bei einer Austrittsöffnung 408 aus.
Der Faraday-Isolator 20 ist so ausgerichtet, daß die Übertragungsachse
seines zweiten Linearpolarisators 34 parallel zur zweiten
Polarisationsachse 38 verläuft. Die schnelle Übertragungsachse
des Viertelwellenverzögerers 60 ist
parallel zur ersten Polarisationsachse 36 ausgerichtet.
Der Polarisationszustand des unpolarisierten Strahlungsstrahls 404 wird
vom Isolator 400 derart verändert, daß durch die Austrittsöffnung 408 ein
zirkular polarisierter Strahlungsstrahl 404 austritt. Der
Polarisationszustand des Strahls 404, während er durch jedes Element
des Isolators
400 hindurchtritt, wird oben in der bevorzugten
Ausführungsform
beschrieben, doch enthält
der Isolator 400 nicht den dritten Linearpolarisator 58 der
bevorzugten Ausführungsform.
Der Isolator 400 löscht,
wie bei der bevorzugten Ausführungsform,
den von der Grenzfläche
spiegelnd und diffus reflektierten Strahlungsstrahl 78 und 80 im
wesentlichen aus.
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Bei einer in 4 gezeigten weiteren Ausführungsform
wird ein einziger sich vorwärts
ausbreitender Laserstrahl 100 so in zwei Strahlen aufgeteilt, daß sich jeder
Strahl entlang einer anderen Ausbreitungsachse ausbreitet und zwei
Spiegelreflexionsisolatoren Reflexionen von Grenzflächen isolieren,
auf die jeder Strahl trifft. In diesem Fall wird in Kombination
mit einem einzigen Faraday-Isolator 20 mehr
als ein Spiegelreflexionsisolator verwendet.
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Bei dieser Ausführungsform tritt ein erster sich
vorwärts
ausbreitender Laserstrahl 100 aus einer Laseröffnung 14 aus,
breitet sich entlang einer ersten Ausbreitungsachse 18 aus
und läuft
durch einen Faraday-Isolator 20, der den ersten sich vorwärts ausbreitenden
Laserstrahl 100 derart linear polarisiert, daß seine
Ebene der linearen Polarisation parallel zur zweiten Polarisationsachse 38 ausgerichtet ist.
Der linear polarisierte, erste sich vorwärts ausbreitende Laserstrahl 100 läuft dann
durch einen teilreflektierenden Strahlteiler 102, und ein
Teil des Strahls 100 breitet sich weiter entlang der ersten
Ausbreitungsachse 18 aus. Ein anderer Teil des linear polarisierten,
ersten sich vorwärts
ausbreitenden Laserstrahls 100 wird vom teilreflektierenden
Strahlteiler 102 reflektiert, wodurch ein zweiter, linear
polarisierter, sich vorwärts
ausbreitender Laserstrahl 104 mit einer zweiten Ausbreitungsachse 106 entsteht.
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Nach dem Durchlaufen des Strahlteilers 102 läuft der
linear polarisierte, erste sich vorwärts ausbreitende Laserstrahl 100 durch
einen ersten Spiegelreflexionsisolator, der allgemein mit der Bezugszahl 150 bezeichnet
ist und der die spezifische Aufgabe hat, spektrale und diffuse Reflexionen
von einer Linse 108 und einer Grenzfläche 116 zu isolieren.
Die Linse 108 weist eine nicht gezeigte optische Achse auf,
die mit der Ausbreitungsachse 18 zusammenfällt, und
zwei Grenzflächen 110 und 112.
Der Spektralreflexionsisolator 150 umfaßt einen Linearpolarisator 58 und
einen Viertelwellenverzögerer 60.
Der Spiegelreflexionsisolator 150 und der Faraday-Isolator 20 löschen gemeinsam
den von den Linsengrenzflächen 110 und 112 und
von der anderen Grenzfläche 116 spiegelnd
und diffus reflektierten Strahl 78 und 80 aus.
Die Übertragungsachse
des Linearpolarisators 58 ist parallel zur zweiten Polarisationsachse 38 und
die schnelle Übertragungsachse
des Viertelwellenverzögerers 60 ist
parallel zur ersten Polarisationsachse 36 ausgerichtet,
so daß der
Spektralreflexionsisolator 150 und der Faraday-Isolator 20 genau wie
in der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform funktionieren.
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Der linear polarisierte, zweite sich
vorwärts ausbreitende
Laserstrahl 104 breitet sich entlang der Ausbreitungsachse 106 aus
und läuft
durch einen zweiten Spiegelreflexionsisolator, der allgemein mit der
Bezugszahl 118 bezeichnet ist und der in diesem Fall einen
Viertelwellenverzögerer 120 und
den zweiten Linearpolarisator 34 umfaßt (im Faraday-Isolator 20 enthalten).
Der zweite Spiegelreflexionsisolator 118 ist identisch
mit der in 3 gezeigten
Ausführungsform
und weist die spezifische Aufgabe auf, Spektralreflexionen von der
Grenzfläche 122 zu
isolieren. Die schnelle Übertragungsachse
des Viertelwellenverzögerers 120 ist
auf die erste Polarisationsachse 36 ausgerichtet.
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Die in 4 gezeigte
Ausführungsform
weist eine einzige Eintrittsöffnung 130 und
eine erste Austrittsöffnung 132,
durch die der Strahl 100 austritt, und eine zweite Austrittsöffnung 134 auf,
durch die der Strahl 104 austritt. Die Spiegelreflexionsisolatoren 150 und 118 isolieren
jeweils Reflexionen von so vielen Grenzflächen, wie die Strahlen 100 und 104 möglicherweise
antreffen können,
und es versteht sich, daß für jede neue
Ausbreitungsachse weitere Strahlen und Spiegelreflexionsisolatoren
hinzugefügt werden
können
und daß jeder
der weiteren Spiegelreflexionsisolatoren in Kombination mit dem
einzigen Faraday-Isolator 20 verwendet werden kann. Es
ist außerdem
zu verstehen, daß der
Linearpolarisator 58 vom Spiegelreflexionsisolator 150 entfernt
werden kann, so daß der
Viertelwellenverzögerer 60 zusammen
mit dem Linearpolarisator 34 Reflexionen von den Grenzflächen 110, 112 und 116 isoliert.
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Bei einer in 5 gezeigten letzten Ausführungsform
läuft ein
Laserstrahl 100 durch einen Faraday-Isolator 20 und
einen Spiegelreflexionsisolator, der allgemein mit der Bezugszahl 150 bezeichnet
ist, bevor er von einem Strahldeflektor 200 abgelenkt wird.
Der Spiegelreflexionsisolator 150 umfaßt einen Linearpolarisator 58 und
einen Viertelwellenverzögerer 60 oder
nur einen Viertelwellenverzögerer 60,
wie in den obigen Ausführungsformen
beschrieben ist. Der Strahldeflektor 200 lenkt den Strahl 100 ständig ab,
so daß er
eine Scanlinie 202 auf einer Grenzfläche 204 überquert,
wodurch die Grenzfläche 204 im wesentlichen
von einer ersten Kante 206 zu einer weiteren Kante 208 gescannt
wird.
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Zum Scannen eines Gebiets der Grenzfläche 204 bewegt
eine schrittweise oder kontinuierliche Bewegung entlang einer im
wesentlichen senkrecht zur Scanlinie 202 verlaufenden Achse
entweder die Grenzfläche 204 relativ
zum scannenden Laserstrahl 100 oder den scannenden Laserstrahl 100 relativ
zur Grenzfläche 204,
so daß die
Grenzfläche 204 oder
der scannende Laserstrahl 100 nach Beendigung jeder Scanlinie 202 für die nächste Scanlinie vorwärts bewegt
wird, bis das ganze zu scannende Gebiet mit jeweils einer Scanlinie
linienmäßig gescannt
ist. Eine Linse 210 fokussiert den Laserstrahl 100 auf
die Grenzfläche 204,
wodurch ein fokussierter Fleck gebildet wird. Spiegelnd und diffus
reflektierte Strahlen 78 und 80 kehren durch den
Strahldeflektor 200 zurück
und werden vom Spiegelreflexionsisolator 150 und vom Faraday-Isolator 20 ausgelöscht, wie
in der bevorzugten Ausführungsform
oben beschrieben ist.
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Bei dieser letzten Ausführungsform
kann der Strahldeflektor 200 ständig gedreht oder selektiv
positioniert werden, indem zum Beispiel ein optisches oder holographisches
Strahldeflektorelement oder eine akustooptische oder elektrooptische
Scanvorrichtung verwendet wird, um den Strahl 100 als Reaktion
auf ein elektrisches Signal abzulenken. Die Grenzfläche 204 kann
eine beliebige Form aufweisen, einschließlich einer planaren oder zylindrischen Grenzfläche, und
die Grenzfläche 204 kann
ein zu scannendes Bild oder ein Bildaufzeichnungsmaterial umfassen,
auf dem ein Laserbild aufgezeichnet werden soll.
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Anhand der oben beschriebenen Ausführungsformen
ist zu verstehen, daß auch
andere Ausführungsformen
hergestellt werden können,
ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den folgenden
Ansprüchen
definiert ist.