NO761237L

NO761237L - LASER.

Info

Publication number: NO761237L
Application number: NO761237A
Authority: NO
Inventors: Kjell Bloetekjaer; Noralf Ryen; Audun Weierholt
Original assignee: Inst For Skipsprosjektering Nt
Priority date: 1976-04-09
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1977-10-11

Description

" Laser" "Laser"

Det er kjent at en laser kan oscillere på flere såkalte longitudinale modi som hver for seg oppfyller det krav at resonator-lengden må tilsvare et helt antall halve bølgelengder, og de er følgelig adskilt i frekvens. Metoder for å selektere be-stemte longitudinale modi er kjent fra litteraturen. It is known that a laser can oscillate in several so-called longitudinal modes, each of which fulfills the requirement that the resonator length must correspond to a whole number of half wavelengths, and they are consequently separated in frequency. Methods for selecting specific longitudinal modes are known from the literature.

i in

For hver av de longitudinale modi eksisterer en rekke transversale modi med forskjellig feltfordeling over et tverrsnitt normalt på resonatoraksen. For each of the longitudinal modes, a number of transverse modes exist with different field distribution over a cross-section normal to the resonator axis.

De transversale modi kan defineres ut fra antall og geometrisk fordeling av de maxima og minima som kan observeres i strå-lingsmønsteret fra en laser som genererer slike modi. Modiene benevnes TEM^j, hvor indeksene i og j angir antall nodal-plan i henholdsvis x- og y-retning. Rotasjonssymmetriske modi benevnes ofte med en stjerne i tillegg, TEM^_. , hvor indeksene i og j angir henholdsvis sentersymmetriske nodal-sylindre og radielle nodal-plan. The transverse modes can be defined based on the number and geometric distribution of the maxima and minima that can be observed in the radiation pattern from a laser that generates such modes. The modes are called TEM^j, where the indices i and j indicate the number of nodal planes in the x and y directions, respectively. Rotationally symmetric modes are often named with an asterisk in addition, TEM^_. , where the indices i and j indicate centre-symmetric nodal cylinders and radial nodal planes, respectively.

Mange høyere ordens transversale modi har et meget veldefinertMany higher-order transverse modes have a very well-defined

og kontrastrikt strålemønster slik at f.eks. bestemmelse av strålesenteret lett kan utføres visuelt og med stor presisjon i relativt store avstander fra laseren. Dette er et forhold som utgjør noe av bakgrunnen for den her angitte oppfinnelse. and contrasting beam pattern so that e.g. determination of the beam center can easily be carried out visually and with great precision at relatively large distances from the laser. This is a situation that forms part of the background for the invention stated here.

Spesielt vil et slikt mønster kunne utnyttes i en rekke instrumen-ter for sikte- og opprettings- og måleformål hvor man anvender en laserstråle som referanselinje eller til å frembringe et re-feranseplan (f.eks. v.h.a. et roterende pentaprisme). Disse særlig interessante anvendelser skal her samles under betegnelsen opplining. In particular, such a pattern can be used in a number of instruments for aiming and alignment and measuring purposes where a laser beam is used as a reference line or to produce a reference plane (e.g. with a rotating pentaprism). These particularly interesting applications will be gathered here under the term oplining.

Høyere ordens transversale modi fremkommer lett. hvis man jus-terer speilstilling og speilavstand i en laserresonator. Imidlertid er det temmelig tilfeldig hvilke modi man får frem, Higher order transverse modes emerge easily. if you adjust the mirror position and mirror distance in a laser resonator. However, it's pretty random which modes you get,

og det er vanskelig å stabilisere dem.and it is difficult to stabilize them.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er derfor primært å muliggjøre seleksjon av en eller flere høyere ordens transversale modi (TEM-modi), som har et ønsket strålemønster. The purpose of the present invention is therefore primarily to enable the selection of one or more higher order transverse modes (TEM modes), which have a desired beam pattern.

I denne forbindelse er det av interesse å bemerke at US-patentene 3.283.262 og 3.777.280omhandler lasere som oscillerer på høyere ordens modi frembragt ved hjelp av særskilte In this connection, it is of interest to note that US patents 3,283,262 and 3,777,280 deal with lasers that oscillate in higher order modes produced by means of special

og kompliserte elementer anordnet i laseren. Som det vil fremgå av det følgende er foreliggende oppfinnelse basert på generering pg seleksjon av modi som er prinsipielt forskjellige fra dem som de to nevnte patentskrifter omtaler. Mer spesielt er imidlertid foreliggende laser beregnet for andre formål og bruker en helt annen seleksjonsmetode enn de to kjente utførelser. and complicated elements arranged in the laser. As will be apparent from the following, the present invention is based on the generation and selection of modes which are fundamentally different from those mentioned in the two aforementioned patents. More particularly, however, the present laser is intended for other purposes and uses a completely different selection method than the two known designs.

Nærmere bestemt er således denne oppfinnelse rettet mot en laser, særlig for oppliningsformål, innrettet til å generere lys på én eller flere høyere ordens modi, og det nye og særegne ved laseren ifølge oppfinnelsen til forskjell fra kjente utførelser består i første rekke i at det i ett eller flere vilkårlige tverrsnitt inne i laserresonatoren er anordnet en innretning som har varierende transmisjonskoeffisient over resonatortverrsnittet og som selek-terer og stabiliserer ønskede modi eller kombinasjoner av modi. Hver slik mode-selekterende innretning kan dannes av en maske eller et mønster av forutbestemt geometri og med transmisjonskoeffisient større eller mindre enn over resten av resonatortverrsnittet. I en foretrukken utførelse har masken eller mønsteret form av et trådkors e.l. med mindre transmisjon enn resten av resonatortverrsnittet. En særlig interessant praktisk utførelse More specifically, this invention is therefore aimed at a laser, particularly for alignment purposes, designed to generate light in one or more higher order modes, and the new and distinctive feature of the laser according to the invention, as opposed to known designs, consists primarily in the fact that in one or more arbitrary cross-sections inside the laser resonator, a device is arranged which has a varying transmission coefficient across the resonator cross-section and which selects and stabilizes desired modes or combinations of modes. Each such mode-selective device may be formed by a mask or pattern of predetermined geometry and with transmission coefficient greater or less than over the rest of the resonator cross-section. In a preferred embodiment, the mask or pattern has the shape of a crosshair or the like. with less transmission than the rest of the resonator cross-section. A particularly interesting practical design

består i å anbringe masken eller mønsteret på en av speilflatene i laseren. consists of placing the mask or pattern on one of the mirror surfaces in the laser.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawing, where

figur 1 viser en forenklet skisse av et aktuelt konstruksjons- figure 1 shows a simplified sketch of a relevant construction

eksempel på en laser ifølge oppfinnelsen, ogexample of a laser according to the invention, and

figur 2 viser en mode-selekterende innretning som inngår i figure 2 shows a mode-selecting device which is included in

anordningen på figur 1.the device in figure 1.

Laseranordningen på figur 1 bygger på en konvensjonell HeNe-gass-laser med eksterne speil 1 og 2, og et utladningsrør 3 med Brewster-vinduer 4 og 5. Den modeselekterende innretning 6 er plassert mellom det ene speilet 2 og utladningsrøret 3. Begge speilene 1 The laser device in Figure 1 is based on a conventional HeNe gas laser with external mirrors 1 and 2, and a discharge tube 3 with Brewster windows 4 and 5. The mode-selecting device 6 is placed between one mirror 2 and the discharge tube 3. Both mirrors 1

og 2 er delvis transmitterende. Kolineær utgang i begge ender vil f.eks. kunne være en fordel om laseren anvendes til konstruksjons-formål. Hvis de to utgangsstrålene ikke er kolineære, kan laseren suppleres med innstillingsutstyr for å oppnå dette. and 2 is partially transmitting. Collinear output at both ends will e.g. could be an advantage if the laser is used for construction purposes. If the two output beams are not collinear, the laser can be supplemented with tuning equipment to achieve this.

Den aktuelle resonator er begrenset av de to konvekse speil 1The relevant resonator is limited by the two convex mirrors 1

pg 2. Imidlertid er en hvilken som helst annen speilkombina-pg 2. However, any other mirror combi-

sjon mulig så sant den oppfyller de vanlige stabilitetskrav for en laserresonator (Ref. Yariv, "Introduction to Optical Electronics") tion possible as long as it meets the usual stability requirements for a laser resonator (Ref. Yariv, "Introduction to Optical Electronics")

Den modeselekterende innretning 6, som i det foreliggende kon-struks jonseksempel er et tynt trådkors, er vist på figur 2. The mode selecting device 6, which in the present design example is a thin crosshair, is shown in figure 2.

Det består av to tynne metalltråder 8,9 oppspent på en ramme 7. Rammen er forsynt med justeringsskruer10,11,12slik at tråd-korsets posisjon i resonatortverrsnittet kan innstilles. Kun modi med nodal-plan langs eller parallelt med korsets akser, kan eksiteres i laserresonatoren, idet modi med andre feltfordelinger hindres i å bygge seg opp. Årsaken til denne virkning er absorb-sjon i og spredning fra trådkorset. It consists of two thin metal wires 8,9 stretched on a frame 7. The frame is provided with adjustment screws 10,11,12 so that the position of the wire cross in the resonator cross-section can be adjusted. Only modes with a nodal plane along or parallel to the axes of the cross can be excited in the laser resonator, as modes with other field distributions are prevented from building up. The reason for this effect is absorption in and scattering from the reticle.

Den modus man ofte vil være interessert i å fremheve i forbindelse méd foreliggende oppfinnelse, er TEM^ eller TEM^ The mode that one will often be interested in highlighting in connection with the present invention is TEM^ or TEM^

idet nodal-planene for disse danner et veldefinert kors som eras the nodal plans for these form a well-defined cross which is

godt egnet for bl.a. de spesielle anvendelseseksempler som er nevnt innledningsvis, dvs., for oppliningsf ormål. Det trådkors well suited for e.g. the special application examples mentioned at the beginning, i.e., for alignment purposes. The crosshairs

som er vist på figur 2, vil kunne bringes til å danne et stråle-mønster av denne art. Det skal imidlertid tilføyes at også andre former for mønster eller masker kan benyttes for å frembringe strålingsmønsre som har de ønskede egenskaper for oppfinnelsens formål, f.eks. et trådkors eller en maske bestående av én enkelt vertikal .tråd eller linje eller tre radielle linjer som med en innbyrdes vinkel på 120° forløper radielt utad fra et midtpunkt. which is shown in Figure 2, can be brought to form a beam pattern of this kind. However, it should be added that other forms of pattern or masks can also be used to produce radiation patterns that have the desired properties for the purposes of the invention, e.g. a crosshair or a mesh consisting of a single vertical wire or line or three radial lines extending radially outwards from a central point at a mutual angle of 120°.

For en fagmann vil det være åpenbart at det tverrsnitts- eller strålemønster som blir oppnådd med en gitt utformning av masken eller trådkorset, ikke nødvendigvis svarer til denne konfigurasjon. Således vil f.eks. en maske bestående av én enkelt vertikal tråd eller linje kunne resultere i et korsformet tverrsnittsmønster i utgangsstrålen. It will be obvious to a person skilled in the art that the cross-sectional or beam pattern obtained with a given design of the mask or reticle does not necessarily correspond to this configuration. Thus, e.g. a mesh consisting of a single vertical thread or line could result in a cross-sectional pattern in the output beam.

Som velkjent for fagfolk på laserområdet vil det undertiden som følge av mindre variasjoner i laserens elementer, aperturer etc. . tilfeldig kunne oppstå spesielle tverrsnittskonfigurasjoner i utgangsstrålen. Slike tilfeldig oppnåddekonfigurasjoner vil imidlertid sjelden eller aldri være reproduserbare. I motsetning til slike resultater er de mønstre som foreliggende oppfinnelse inne-bærer fullt ut reproduserbare og muliggjør en praktisk og rasjonell fremstilling av lasere for de her nevnte formål og andre anvendelser hvor de særlige egenskaper ved strålemønstre fra laseren ifølge oppfinnelsen kan utnyttes. As is well known to professionals in the laser field, sometimes as a result of minor variations in the laser's elements, apertures etc. . special cross-sectional configurations could randomly occur in the output beam. However, such randomly obtained configurations will rarely, if ever, be reproducible. In contrast to such results, the patterns that the present invention entails are fully reproducible and enable a practical and rational production of lasers for the purposes mentioned here and other applications where the special characteristics of beam patterns from the laser according to the invention can be utilized.

Laseren ifølge oppfinnelsen kan anvende synlig lys, men dette er ikke nødvendig. For praktiske anvendelser av slike lasere kan det godt tenkes brukt detektorer som reagerer på lys utenom det syn-lige område. The laser according to the invention can use visible light, but this is not necessary. For practical applications of such lasers, it is conceivable to use detectors that react to light outside the visible range.

Claims

1. Laser, particularly for alignment purposes, designed to generate light in one or more higher-order modes, characterized in that a device (6) is arranged in one or more arbitrary cross-sections inside the laser resonator which has a varying transmission coefficient across the resonator cross-section and as a belt -ters and stabilizes desired modes or combinations of modes.

2. Laser according to claim 1, characterized in that the mode-selecting device or devices are formed by masks or patterns of predetermined geometry and with a transmission coefficient greater or less than over the rest of the resonator cross-section. in

3. Laser according to claim 1 or 2, characterized in that the mode-selecting devices are placed on the inside of one or both mirrors or in the discharge tube itself or, if the laser has external mirrors, between the mirror and the discharge tube or on the end surfaces of the discharge tube.

4. Laser according to claim 3, characterized in that a mode-selecting device is arranged in the form of a coating on the surface of one of the mirrors.

5. Laser according to claim 2 or 3, characterized in that the mask or pattern has the shape of a crosshair with less transmission than the rest of the resonator cross-section.

6. Laser according to one of the claims 1-5, characterized in that it has transparent blades at one or both ends ■ of the cavity.

7. Laser according to claim 6, characterized in that it is designed so that the two outgoing laser beams are collinear. .

8. Laser according to claim 7, characterized in that it has setting means to make the two beams collinear.

9. Laser according to one of claims 1-8, characterized in that it is equipped with focusing devices.

10. Laser according to one of claims 2-9, characterized by a device for adjusting the position of masks or patterns in the laser resonator.