Opublikowano: 26.1.1970 58935 KI. 21 g, 53/00 MKP H 01 s CZY UHDrzedu Twórca wynalazku: mgr Stanislaw Kozikowski Wlasciciel patentu: Polska Akademia Nauk (Instytut Fizyki), Warszawa (Polska) Katowe zródlo swiatla spójnego Przedmiotem wynalazku jest katowe zródlo swiatla spójnego dajace dwie wiazki' swiatla spójne¬ go pod dowolnym katem wzgledem siebie.Dotychczas w technice laserowej stosuje sie re¬ zonatory typu Fabry-Perot z róznymi konfigura¬ cjami zwierciadel. (W kazdym z tych ukladów na osi optycznej znajduje sie czynny osrodek lasero¬ wy, w którym nastepuje akcja laserowa. W ogól¬ nosci z Obydwu stron lasera poprzez zwierciadla, które tworza rezonansowa komore Fabry-Perot, po¬ jawiaja sie silne wiazki swiatla spójnego* a ich wza¬ jemny stosunek natezen zalezy od transmisji zwier¬ ciadel. Kat jaki tworza te zwiazki wynosi zawsze 180°. Przez kazde ze zwierciadel wychodzi wiec tylko jedna wiazka swiatla laserowego, rozumiana jako wiazka o danym kierunku w przestrzeni (za¬ niedbujac oczywiscie mozliwosc traktowania róz¬ nych rodzajów drgan jako samodzielnych wiazek swiatla).Celem wynalazku jest opracowanie takiego ka¬ towego zródja promieniowania spójnego, aby jedno ze zwierciadel wyjsciowych takiego lasera mozna bylo traktowac jako zródlo emitujace dwie wiazki swiatla doskonale spójnego przestrzennie pod pew¬ nym "katem wzgledem siebie, który bedzie mozna zmieniac dowolnie w granicach od €° do 180°.Cel ten zostal osiagniety poprzez nowe rozwia¬ zanie rezonatora laserowego. Polega ono na tym, ze zwierciadla koncowe rezonatora nie znajduja sie na jednej osi, a wiec nie tworza prostego re- 2 zonatora typu Fabry-Perot. Jedno z rozwiazan po¬ lega na „zlamaniu" osi optycznej rezonatora typu Fabry-Perot. Czesciowo przezroczysta plytka zawra¬ cajaca „lamie" jak gdyby os zwyklego rezonatora 5 Fabry-Perot, na pozór wnoszac do konwencjonalne¬ go ukladu FajbrynPerot (jedynie straty dyfrakcyjne.Jednakze sytuacja taka mialaby miejsce jedynie wtedy, gdyby odbicie tej plytki bylo równe lOW/o a jedno ze zwierciadel koncowych bylo pólprzezro- io czyste przy calkowitym odbiciu drugiego ze zwier¬ ciadel koncowych rezonatora tak, jak ma to miej- sce w zwyklym laserowym rezonatorze Fabry-Perot.Tutaj natomiast Obydwa zwierciadla koncowe maja zerowe transmisje (chociaz niekoniecznie), a 15 plytka zawracajaca jest pólprzezroczysta. Dlatego tez jakosciowo jest to zupelnie nowy uklad rezona¬ tora — mianowicie taki, który z jednego zwiercia¬ dla koncowego daje dwie wiazki swiatla laserowe¬ go pod pewnym katem a, którego wartosc daje sie 20 dowolnie zmieniac (o ile oczywiscie traktowac ply¬ tke zawracajaca na równi ze zwierciadlem konco¬ wym w zwyklym rezonatorze laserowym z uwagi na pelniona role aparatury wyjsciowej swiatla la¬ serowego). 25 Co wiecej natezenia obydwu wiazek, przy jedno¬ rodnym napyleniu warstwy zwierciadlanej na plyt¬ ce zawracajacej, powinny byc te same, a poniewaz wiazki te wychodza z tego samego punktu, powim-* ny byc idealnie spójne przestrzennie, a takze sa- 30 mo i spójne czasowo z uwagi na scisle zachowa- 58935L 3 nie korelacji fazowej pomiedzy dwiema wiazkami powstalymi z jednej wiazki pierwotnej poprzez podzial amplitudowy (natezeniowy). Mozna równiez wykazac, ze straty dyfrakcyjne przy odbiciu na plytce swiatlodzielacej „lamiacej" rezonator sa niniejsze ni£ w przypadku natezeniowego dzielenia wiazki swiatla laserowego poza rezonatorem.Jednakze te straty dyfrakcyjne moga — w przy¬ padku osrodka laserowego o bardzo malym wzmóc*; nieniu — byc nawet przyczyna niewzbudzenia sie akcji laserowej, jako ze zwiekszenie sie strat dy¬ frakcyjnych powoduje podniesienie sie progu wzbu¬ dzenia. Azeby wiec skompensowac te straty nalezy w ukladach o malym wzmocnieniu pomiedzy plytke zawracajaca a drugim zwierciadlem koncowym umiescic takze osrodek laserowy, albo podnosic moc wzbudzenia, . . . ¦ Drugie rozwiazanie polega na adoptowaniu do tego celu ukladu typu interferometru Michelsona, a wlasciwie zupelnienowego ukladu, w którym moz¬ na dopatrzec sie cech zarówno ukladu typu inter¬ ferometru Michelsona, jak i rezonatora typu Fabry- -Perot. Gdyby ukladu tego uzyc jako ukladu pa¬ sywnego otrzymalibysmy kolowe pierscienie interfe¬ rencyjne, a wiec tak jak w interferometrze Fabry- -Eeroj^Jednakze geometria i*kl.aclu jest. tutaj pra¬ wie identyczna jak w .przypadku interferometru Michelsona. Z uwagi na to, ze tutaj promien pada na plytke swiatlodzielaca pod dowolnym katem, a nie jak w interferometrze Michelsona — pod ka¬ tem 45°, jak równiez ze wzgledu na to, ze tutaj zwierciadla koncowe sa pólprzezroczyste (w ukla¬ dzie interferometru Michelsona sa one calkowicie odbijajace).Dzieki rozwiazaniu wedlug wynalazku przy pierwszym rozwiazaniu uzyskuje sie jednoczesna emisje dwóch wiazek laserowych identycznych co do natezenia i polaryzacji, pod dowolnymi katami wzgledem siebie. Oczywiscie mozliwa jest jednocze¬ sna emisja 4-ch wiazek laserowych ¦— przy zacho¬ waniu pewnych niezerowych transmisji zwierciadel koncowych rezonatora, jednakze dwie dalsze wiaz¬ ki otrzymywane teraz ze zwierciadel koncowych mialyby te same kierunki co dwie wiazki wycho¬ dzace z plytki zawracajacej, a róznilyby sie tylko zwrotami i natezeniami od tych ostatnich, jednakze takie rozwiazanie jest równiez dopuszczalne...,. W przypadku drugiego rozwiazania uzyskuje sie jednoczesna emisje dwóch wiazek o dowolnych sto¬ sunkach natezen w zaleznosci od transmisji zwier¬ ciadel koncowych rezonatora i pod dowolnymi ka¬ tami. Rzecz jasna przy dostatecznie duzym wzmoc¬ nieniu stosowanego w tym ukladzie osrodka lase¬ rowego i przy niezerowych transmisjach zwierciadel koncowych, mozna uzyskac jeszcze dwie wiazki la¬ serowe analogicznie jak w pierwszym rozwiaza¬ niu.Ponadto uklad ten jest ibardzo operatywny, gdyz jednoczesnie moze gwarantowac katy pomiedzy wiazkami o wartosciach a i 180° — «, co moze od¬ dawac nieocenione uslugi w pewnych kategoriach pomiarów. Rozwiazanie wedlug wynalazku stanowi idealne zródla swiatla do zapisu obrazu holograficz¬ nego w ukladzie dwuwiazkowym. Wynalazek zosta- 4 nie blizej omówiony na przykladach wykonania przedstawionych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia rozwiazanie z jednym osrodkiem lase¬ rowym, fig. 2 — z dwoma osrodkami laserowymi, 5 fig. 3 — inny przyklad wykonania Przedstawione na fig. 1 i 2 rozwiazanie sklada sie* z dwóch zwierciadel koncowych ZKr i ZK2 umieszczonych nie na jednej osi, oraz osrodka la¬ serowego OL, przy czym rozwiazanie przedstawio- io ne na fig. 2 zawiera jeszcze jeden osrodek lasero¬ wy OLj umieszczony miedzy plytka zawracajaca pólprcezroczysta PZ a zwierciadlem ZK2. Oznacze¬ niami PWj i iPW2 sa oznaczone promienie wyjscio¬ we. Linia ciagla przedstawia os . optyczna rezo- 15 natora katowego, a linia, praerywana — kierunki laserowych promieni wyjsciowych. Dowolna war¬ tosc kata a pomiedzy dwiema wiazkami wejsciowy¬ mi PWi i FWg-otrzymuje sie poprzez odpowiednie skrecenie pólprzezroczystej plytki zawracajacej PZ -20 wzgledem Jrierunku osi optycznej ..^.odpowiadaja- ce temu skreceniu przesuniecie drugiego zwiercia¬ dla . koncowego ZK* tak, azeby znalazlo sie ono prostopadle do kierunku ósi optycznej odbitej w plytce zawracajacej- Przesuniecie to dotyczy rów- 25 niez osrodka laserowego OLt o ile ma on byc umieszczony równiez pomiedzy zwierciadlem ZK2 a plytka PZ. ;~' —¦ ---¦<---• ¦—¦ — W przypadku drugiego rozwiazania przedstawio¬ nego na fig. 3 dana wartosc kata a pomiedzy pro- 30 mieniami wyjsciowymi PWX i PW2 zapewnia sie odpowiednim skreceniem plytki swiatlodzielacej PS i jednoczesnym przemieszczeniem zwierciadel koncowych ZK*2 i ZK82 do polozenia prostopadlego wzgledem nowego kierunku osi optycznej dbitej 35 w plytce swiatlodzielacej.W obydwu rozwiazaniach obrót plytki swiatlo¬ dzielacej PS. czy tez plytki zawracajacej PZ moze byc sprzegniety z przesuwem zwierciadel konco¬ wych tworzacych dodatkowa os optyczna ukladu, *o a wiec w przypadku pierwszego rozwiazania — czesc osi optycznej pomiedzy zwierciadlem ZK2 i plytka PZ, a w przypadku drugiego rozwiazania ¦*¦ os optyczna pomiedzy zwierciadlem ZK^ i ZK*2.Mozna tego dokonac w ibardzo prosty sposób, a 45 mianowicie zapewniajac przekladnie obu tych ob¬ rotów w stosunku ,1 :2, poniewaz zmianie kata na^ chylenia plytki PZ lub PIS wzgledem osi optycznej o Aa'-musi odpowiadac przesuniecie dodatkowej osi optycznej o kat 2Aa. Oczywiscie, przy kazdorazowej 60 zmianie kata a trzeba bedzie przeprowadzac plyn¬ ne justowanie korekcyjne ukladu.Do dzialania generatora laserowego w ogólnosci potrzebne jest pewne wzmocnienie swiatla (prze¬ kraczajace poziom strat w ukladzie) jakie zapewnia 35 tu osrodek laserowy OL, oraz sprzezenie zwrotne realizowane przez rezonator. W przypadku pierw¬ szego rozwiazania przedstawionego na fig. 1 i 2 rezonator stanowia zwierciadla koncowe ZK4 i ZKj pomiedzy którymi — za posrednictwem plytki za- 60 wracajacej PZ .— nastepuje wyostrzanie rezonansów komory. Promienie -wyjsciowe wychodza z plytki zawracajacej i(pólprzezroczystej) pod tymi samymi katami wzgledem niej, a wiec w jednakowym stop¬ niu ulegaja polaryzacji przy przechodzeniu przez 65 teplytke. *58935 Poniewaz natezenie swiatla laserowego wewnatrz rezonatora jest takie samo na odcinku zwierciadlo ZKj — plytka PZ jak na odcinku zwierciadlo ZK2 — plytka PZ, a plytka zawracajaca jest napylona jednorodnie, wiec i natezenia obydwu wiazek wyj- 5 sciowych PWj i PW2 sa takie same, a zatem otrzy¬ mujemy dwie identyczne wiazki laserowe wycho¬ dzace z jednego punktu pod dowolnym katem a wzgledem siebie. Analiza drgan powstajacych w tym ukladzie bedzie analogiczna jak w przypadku 10 prostego rezonatora Fabry-nPerot, a modyfikowana jedynie przez dyfrakcje na plytce zawracajacej PZ, a zatem opis dzialania ukladu sprowadza sie tutaj do opisu dzialania dobrze znanego ukladu lasera o prostym ukladzie rezonatora typu Fabry-Perot. 15 W przypadku drugiego rozwiazania przedstawio¬ nego na fig. 3 teoretyczna analiza powstajacych w ukladzie drgan bedzie wymagala uwzglednienia po¬ szczególnych dyfrakcji na wszystkich zwierciadlach koncowych i wielokrotnych dyfrakcji na plytce 20 swiatlodzielacej. Gdy odleglosci: ZK21 •— PS, ZK2* — PS i ZK2* — PS sa takie same, pozorne obrazy zwierciadel ZK2* i ZK28 jakie powstaja dzieki od¬ biciom osi optycznej w plytce swiatlodzielacej PS, dla obserwatora umieszczonego od strony zwier- 25 ciadla ZKj pokryja, fcie ze zwierciadlem ZK22, a wiec pozornie bedzie to prosty rezonator¦-Fabry-Perot, o zwierciadlach koncowych ZKj i pewnym wypadko¬ wym zwierciadle, a jego dzialanie — jak powie¬ dziano wyzej — bedzie sie róznic od prostego re- M zonatora Farby-Perot jedynie innymi wartosciami dyfrakcji na zwierciadle koncowym. Jednakze w przypadku rzeczywistym dostaniemy tu dwie wiaz¬ ki wyjsciowe o dowolnym wzajemnym stosunku natezen i o tej samej polaryzacji, wychodzace z 35 jednego punktu plytki swiatlodzielacej pod dowol¬ nym katem a wzgledem siebie.Mozliwe jest takze uzyskanie trzeciej wiazki o tym samym kierunku co jedna z dwóch dotychcza¬ sowych ale o przeciwnym zwrocie z tym, ze w ogól- 40 nosci nie beda tu juz tak dobrze zachowane sto¬ sunki polaryzacyjne. Odnosi sie to równiez do wiazki o przeciwnym zwrocie do drugiej z wiazek wyjsciowych. Justowanie ukladu tego rezonatora sprowadza sie do takiego ustawienia jego zwiercia- 45 del koncowych, azeby ich obrazy widziane z kie¬ runku zwierciadla koncowego ZK1 pokrywaly sie ze zwierciadlem koncowym ZK22 tworzac wypadko¬ we zwierciadlo koncowe i z kolei, azeby wielokrot¬ ne odbicia zwierciadla koncowego w zwierciadle 50 ZKj pokrywaly sie ze soba.Gdy warunek ten bedzie spelniony, w ukladzie takiego rezonatora — przy odpowiednim zasilaniu osrodka laserowego OL — nastapi akcja laserowa i poprzez pólprzezroczyste zwierciadla koncowe ZKg1 i ZK2S dostaniemy dwie wiazki swiatla lasero¬ wego o natezeniach okreslonych poprzez transmisje tych zwierciadel koncowych, o tych samych stosun¬ kach polaryzacyjnych — ze wzgledu na przechodze¬ nie przez plytke swiatlodzielaca PS pod tym samym katem^ i doskonale spójne przestrzennie — jako wychodzace z tego samego punktu plytki swiaitlo- dzielacej, a takze bardzo dobrze spójne czasowo — jako swiatlo lasera, a wiec zródla emitujacego bar¬ dzo dlugie ciagi falowe. PL