NO761237L - Laser. - Google Patents

Description

" 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.

i

For hver av de longitudinale modi eksisterer en rekke transversale modi med forskjellig feltfordeling over et tverrsnitt normalt på resonatoraksen.

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.

Mange høyere ordens transversale modi har et meget veldefinert

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.

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.

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,

og det er vanskelig å stabilisere dem.

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.

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

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.

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

består i å anbringe masken eller mønsteret på en av speilflatene i laseren.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningen, hvor

figur 1 viser en forenklet skisse av et aktuelt konstruksjons-

eksempel på en laser ifølge oppfinnelsen, og

figur 2 viser en mode-selekterende innretning som inngår i

anordningen på figur 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

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.

Den aktuelle resonator er begrenset av de to konvekse speil 1

pg 2. Imidlertid er en hvilken som helst annen speilkombina-

sjon mulig så sant den oppfyller de vanlige stabilitetskrav for en laserresonator (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.

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.

Den modus man ofte vil være interessert i å fremheve i forbindelse méd foreliggende oppfinnelse, er TEM^ eller TEM^

idet nodal-planene for disse danner et veldefinert kors som er

godt egnet for bl.a. de spesielle anvendelseseksempler som er nevnt innledningsvis, dvs., for oppliningsf ormål. Det trådkors

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.

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.

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.

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.

Claims (10)

1. Laser, særlig for oppliningsformål, innrettet til å generere lys på én eller flere høyere ordens modi, karakterisert ved at det i ett eller flere vilkårlige tverrsnitt inne i laserresonatoren er anordnet en innretning (6) som har varierende transmisjonskoeffisient over resonatortverrsnittet og som selek-terer og stabiliserer ønskede modi eller kombinasjoner av modi.

2. Laser i henhold til krav 1, karakterisert ved at den eller de mode-selekterende innretninger dannes av masker eller mønstre av forutbestemt geometri og med transmisjonskoeffisient større eller mindre enn over resten av resonatortverrsnittet . i

3. Laser i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at de mode-selekterende innretninger er plassert på innsiden av ett eller begge speil eller i selve utladningsrøret eller, hvis laseren har eksterne speil, mellom speil og utladningsrør eller på utladningsrørets endeflater.

4. Laser i henhold til krav 3, karakterisert ved at det er anordnet en mode-selekterende innretning i form av et belegg på overflaten av ett av speilene.

5. Laser i henhold til krav 2 eller.3, karakterisert ved at masken eller mønstret har form av et trådkors med mindre transmisjon enn resten av resonatortverrsnittet.

6. Laser i henhold til et av kravene 1-5, karakterisert ved at man har transparente spedl i én eller begge ender ■ av kaviteten.

7. Laser i henhold til krav 6, karakterisert ved at den er utført slik at de to utgående laserstråler er kolineære. .

8. Laser i henhold til krav 7, karakterisert ved at den har innstillingsorganer for å gjøre de to stråler kolineære.

9. Laser i henhold til et av kravene 1-8, karakterisert ved at den 'er utstyrt med fokuseringsanordninger.

10. Laser i henhold til et av kravene 2-9, karakterisert ved en anordning for justering av posisjonen av masker eller mønstre i laserresonatoren.