DE1221377B - Optischer Sender oder Verstaerker fuer stimulierte Strahlung mit einem mehrfachbrecheden Einkristall, insbesondere mit einem optisch einachsigen Kristall, z. B. Rubin, alls stimulierbarem Medium - Google Patents

Description

• Optischer Sender oder Verstärker für stimulierte Strahlung mit einem mehrfachbrechenden Einkristall, insbesondere mit einem optisch einachsigen Kristall, z. B. Rubin, als stimulierbarem Medium Zusatz zum Patent: 1191041 Die Erfindung betrifft die besondere Ausbildung eines optischen Senders oder Verstärkers für stimulierte Strahlung, der im englischsprachigen Schrifttum die Bezeichnung »Laser« erhalten hat, mit einem mehrfachbrechenden Einkristall, insbesondere mit einem optisch einachsigen Kristall, z. B. Rubin, als stimulierbarem Medium, der nach Anregung und ein- oder mehrmaligen an der Oberfläche des Kristalls erfolgenden, nicht senkrechten Reflexionen an einer oder mehreren den Strahl im Kristall vorzugsweise total reflektierenden Reflexionsflächen der von den angeregten Termen des Kristalls ausgehenden und im Innern des Kristalls verlaufenden, durch stimulierte Emission verstärkten Strahlung einen scharf gebündelten optischen Strahl auszusenden vermag, insbesondere einen optischen Sender oder Verstärker nach Patent 1191041.
• Solche Verstärker sind für Lichtfrequenzen im optischen und infraroten Spektralbereich bekannt. Bei diesen bekannten Verstärkern besitzt der z. B. aus einem Rubin bestehende Kristall zwei optisch möglichst genau planparallele, davon mindestens eine schwachdurchlässig, verspiegelte Flächen, zwischen denen dann unter ständiger Verstärkung die von den Termen ausgehende Strahlung hin- und herläuft, wobei beim Auftreffen des Strahls auf die durchlässige Verspiegelung jeweils ein Teil der Strahlungsenergie aus dem Kristall austritt. Das austretende Licht ist jedoch bei diesen bekannten Anordnungen trotz Verwendung eines optisch anisotropen, insbesondere einachsigen Kristalls, wie Rubin, nicht notwendig linear polarisiert, weil der Strahl im Kristall immer nur senkrecht auf die Reflexionsflächen auftrifft.
• Im Patent 1191041 wurde bereits eine Anordnung vorgeschlagen, bei der der Strahl auf wenigstens eine Reflexionsfläche schräg, d. h. nicht senkrecht, auftrifft; insbesondere sollen die Reflexionsflächen den Strahl total reflektieren. Zur Auskopplung des Strahls wurde ferner vorgeschlagen, die Strahlenergie mittels Tunneleffekts an einer der Total-Reflexionsflächen austreten zu lassen, indem der Reflexionsstelle gegenüber in einem sehr kleinen, vorzugsweise einstellbaren Abstand, dessen Größe höchstens etwa gleich dem 5- bis 10fachen, insbesondere gleich dem 1- oder 3fachen der Wellenlänge der austretenden Strahlung ist, ein für den austretenden Strahl durchlässiger Körper, vorzugsweise ein Prisma, angeordnet ist. Der Brechungsindex im Prisma muß so groß sein, daß bei einer Berührung von Kristall und Prisma der unter dem gegebenen Winkel auf die Grenzfläche auftreffende Lichtstrahl keine Totalreflexion erfahren würde. Verwendet man für einen derartigen Verstärker in an sich bekannter Weise einen Rubin oder einen anderen, ebenfalls doppelbrechenden Kristall, so verlaufen bekanntlich die Strahlwege für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl nach einer Reflexion verschieden.
• Es ist nun vielfach erwünscht und hat sich als vorteilhaft erwiesen, aus einem optischen Verstärker erfindungsgemäß durch entsprechende Strahlführung im Kristall durch Ausbildung und Anordnung der Reflexionsflächen linear polarisiertes Licht verstärkt austreten zu lassen. Hierzu schlägt die Erfindung einen optischen Sender oder Verstärker für stimulierte Strahlung mit einem mehrfachbrechenden Einkristall vor, der nach Anregung und ein- oder mehrmaligen an der Oberfläche des Kristalls erfolgenden, nicht senkrechten Reflexionen an einer oder mehreren den Strahl im Kristall vorzugsweise total reflektierenden Reflexionsflächen der von den angeregten Termen des Kristalls ausgehenden und im Innern des Kristalls verlaufenden, durch stimulierte Emission verstärkten Strahlung, einen scharfgebündelten optischen Strahl auszusenden vermag, insbesondere ein optischer Sender oder Verstärker nach Patent 1191041 und der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß wenigstens eine dieser Reflexionsflächen 3 so angeordnet ist, daß die Richtung des an ihr reflektierten,- durch stimulierte Emission verstärkten, beispielsweise ordentlichen Strahls, in der dieser bei seinem Umlauf im Kristall 1 zwischen dieser Fläche und einer weiteren Reflexionsfläche 3, 4 ungebrochen verläuft, mit einer optischen Kristallachse einen won 90° abweichenden Winkel bildet, insbesondere ihr parallel ist.
• Die im Kristall erzeugte Strahlung wird also durch ein- oder mehrfache, nicht senkrechte Reflexionen an den Oberflächen des Kristalls in die Anteile der ordentlichen und der außerordentlichen Strahlung aufgespalten. Dadurch sind die Bedingungen geschaffen, denen entsprechend sich jeweils nur ein ordentlicher oder außerordentlicher Strahl in dem Kristall des optischen Verstärkers durch stimulierte Emission verstärken kann. Da die Strahlung sowohl des ordentlichen als auch des außerordentlichen Strahls linear. polarisiert ist, liefert ein dementsprechend aufgebauter optischer Verstärker linear polarisierte Strahlung. Zwecks Erreichung einer guten Bündelung der vori dem Verstärker ausgesandten Strahlung wird eine langgestreckte Anordnung gewählt, vorzugsweise so, daß die optische Achse in der Einfallsebene des Strahlenganges, gebildet aus einfallendem Strahl und Einfallslot, liegt.
• Bei einem derartigen Kristall mit der Längsrichtung etwa parallel oder senkrecht zur optischen Achse beschreibt also beispielsweise der ordentliche Strahl einen in sich geschlossenen Weg, etwa ein Rechteck, wie dies im folgenden an Hand der Figur näher gezeigt wird. Der außerordentliche Strahl kann dagegen kein solches geschlossenes Rechteck durchlaufen, da der Brechungsindex des Kristalls für den ordentlichen Strahl von dem für den außerordentlichen Strahl verschieden ist, so daß der außerordentliche Strahl nicht auf dem Wege des ordentlichen Strahls verläuft, dadurch vom ordentlichen Strahl getrennt wird. Durch geeignete Ausbildung des Kristalls, insbesondere durch Austrittsflächen für den außerordentlichen Strahl am Ende des stabförmigen Kristalls, läßt man dann den so vom ordentlichen Strahl getrennten außerordentlichen Strahl aus dem Kristall austreten. Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und dem in der Figur gezeigten und im folgenden erläuterten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hervor.
• 1 bezeichnet einen optisch anisotropen Kristall, z. B. Rubin oder Calciumwolframat. Es wird ein Kristall mit vorzugsweise länglicher Form und z. B. rechteckigem oder rundem Querschnitt gewählt, dessen eine optische Achse nicht senkrecht auf der Ebene des Strahlenumlaufs, der in der Figur in der Papierebene liegt, steht; vorzugsweise liegt eine optische Achse in dieser Ebene 1, vorteilhaft parallel oder senkrecht zur Längsachse des Kristalls.
• An dem Kristall 1 ist mindestens eine Fläche 3 schräg zur Richtung des Strahlenganges vorgesehen, deren Flächennormale in die Ebene des Strahlenganges fällt. Es ist vorgesehen, daß an dieser Fläche Totalreflexion auftritt, bei der in optisch anisotropem Material die Aufspaltung eines Lichtstrahls in einen ordentlichen und einen außerordentlichen Strahl stattfindet, solange der Strahlengang eine Komponente in Richtung einer optischen Achse enthält. Der ordentliche Strahl ist linear polarisiert und seine Polarisationsrichtung steht senkrecht auf der gemeinsauren durch die Strahlenrichtung und die optische Achse gebildeten Ebene.
• Bekanntlich ist der Brechungsquotient n eines optisch anisotropen Kristalls für den ordentlichen und für den außerordentlichen Strahl unterschiedlich groß: nerdentlich C nausserordentlich, wodurch Sich bei der Totalreflexion an 3 im Kristall eine Richtungsaufspaltung zwischen ordentlichem und außerordentlichem Strahl ergibt. Die übrigen Reflexionsflächen 4 werden vorzugsweise, wie in der Figur dargestellt, als totalreflektierende Flächen so angeordnet, daß der ordentliche Strahl einen in sich geschlossenen Umlauf macht (siehe den ausgezogen gezeichneten, im Ausführungsbeispiel verlaufenden und mit Pfeilen versehenen Strahlweg 5), wohingegen der außerordentliche Strahl davon abweichend einen in sich nicht geschlossenen Weg (siehe den strichpunktiert gezeichneten Strahlweg 6) einnimmt und nach einem oder mehreren Umläufen durch eine der für ihn praktisch nichtreflektierenden übrigen Flächen des Kristalls, z. B. durch die mit 7 bezeichnete, diesen verläßt (s. 6'). Sind mehrere totalreflektierende Flächen, wie z. B. in der Figur dargestellt, vorgesehen, wird dieser Auswahlprozeß beschleunigt. Hierdurch wird erreicht, daß der außerordentliche Strahl sich nicht auf einem geschlossenen Weg bis zu einer hohen Energie verstärken kann; dagegen wird der ordentliche Strahl dadurch, daß sein Weg in der Anordnung in sich geschlossen ist, sehr energiereich und es wird ein sehr starkes, einwandfrei linear polarisiertes Licht erzeugt.
• Die Auskopplung des ordentliches Strahls wird vorzugsweise durch Aufsetzen eines weitgehend optisch durchlässigen Körpers 8 von geeignetem Brechungsindex - im folgenden mit Prisma bezeichnet - auf eine der totalreflektierenden Flächen, z. B. in der in der Figur angedeuteten Art, vorgenommen. Das Prisma wird in einem geringen Abstand d etwa in der Größenordnung der Wellenlänge des erzeugten Lichtes auf der oben bezeichneten Kristallfläche aufgebracht, so daß durch den wellenmechanischen Tunneleffekt ein Teil 5' der Strahlung aus dem Kristall in das Prisma übertreten kann. Das Prisma wird vorzugsweise mit einem Kitt angekittet, der einen gegenüber dem Kristall genügend kleinen Brechungsquotienten hat, so daß die Totalreflexion im Kristall nicht aufgehoben wird.
• Die optische Strahlung, die in das Prisma übertritt, pflanzt sich, ebenso wie im Kristall, als ebene Welle entsprechend den Richtungen des Durchtritts durch die durch Tunneleffekt zu überbrückende Grenzfläche 9 und im Verhältnis der Brechungsquotienten des Kristalls für den ordentlichen Strahl n. und des Materials des Prismas n",. fort und tritt aus dem Prisma durch die Flächen 10 bzw. 10' aus. Insbesondere werden bei n. = n",. die Richtunden des im Kristall sich einstellenden Strahlenganges fortgesetzt. Durch Reflexion der Strahlung an einer der Flächen 10,10' kann darüber hinaus eine Verstärkung des aus der anderen der Flächen 10,10' austretenden Strahls erreicht werden. Hierzu empfiehlt es sich, z. B. den auf 10' fallenden Strahl an der Verspiegelung dieser Fläche so zu reflektieren, daß er nach Totalreflexion an der Fläche 9 in die Richtung des durch die Fläche 10 austretenden Strahls fällt. Das Prisma besteht vorzugsweise z. B. mit Rücksicht auf die Totalreflexion an 9 aus optisch isotropem Material. Ebenso kann aber auch durch Wahl der optischen Weglänge für den im Prisma z. B. an 10' reflektierten Strahl durch Interferenz zwischen 9 und 10 eine teilweise oder vollständige Auslöschung des aus der Anordnung austretenden und durch 10 hindurchtretenden Strahls erreicht werden. Durch Variation des Maßes der Auslöschung durch Interferenz wird somit eine Steuerung des aus der gesamten Anordnung austretenden Strahls möglich.
• Durch zusätzliche Anbringung des mit 11 bezeichneten Seitenkörpers bzw. der Seitenkörper auf einer Fläche oder mehreren Flächen des Kristalls, die nicht vom gewünschten Strahlenumlauf getroffen werden, kann gegebenenfalls der außerordentliche Strahl, bzw. im Kristall auftretendes Streulicht (siehe den gestrichelt gezeichneten Strahlweg 11'), beseitigt werden. Der Brechungsindex der zusätzlich angebrachten Körper ist vorteilhaft größer oder gleich dem des Kristalls; dadurch wird die Totalreflexion an diesen Flächen beseitigt. Vorteilhafterweise soll dieser Körper, der auch Bestandteil des Kristalls sein kann, oder seine nach außen liegenden Oberflächen oder Teile davon eine für das Streulicht hohe Absorption haben, bzw. ist hierzu seine Oberfläche gerauht, beispielsweise geriffelt, um ein möglichst gutes Austreten des Streulichtes aus dem Körper zu ermöglichen, ohne daß das Eintreten des Anregungslichtes in den Kristall wesentlich gehindert wird.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 1. Optischer Sender oder Verstärker für stimulierte Strahlung mit einem mehrfachbrechenden Einkristall, insbesondere mit einem optisch einachsigen Kristall, z. B. Rubin, als stimulierbarem Medium, der nach Anregung und ein- oder mehrmaligen an der Oberfläche des Kristalls erfolgenden, nicht senkrechten Reflexionen an einer oder mehreren den Strahl im Kristall vorzugsweise total reflektierenden Reflexionsflächen der von den angeregten Termen des Kristalls ausgehenden und im Innern des Kristalls verlaufenden, durch stimulierte Emission verstärkten Strahlung einen scharf gebündelten optischen Strahl auszusenden vermag, insbesondere ein optischer Sender oder Verstärker nach Patent 1191041, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine dieser Reflexionsflächen (3) so angeordnet ist, daß die Richtung des an ihr reflektierten, durch stimulierte Emission verstärkten, beispielsweise ordentlichen Strahls, in der dieser bei seinem Umlauf im Kristall (1) zwischen dieser Fläche und einer weiteren Reflexionsfläche (3,4) ungebrochen verläuft, mit einer optischen Kristallachse einen von 90° abweichenden Winkel bildet, insbesondere ihr. parallel ist.
2. 2. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall in Richtung seiner optischen Achse langgestreckt ausgebildet ist.
3. 3. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall senkrecht zur Richtung seiner optischen Achse langgestreckt ist.
4. 4. Optischer Sender oder Verstärker nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Kristall (1) an seinen schmalen Enden (7) mit schräg, vorzugsweise unter 45°, zur optischen Achse angeordneten Reflexionsflächen (3, 4) angeschliffen ist. 5. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (1) neben einer oder zwischen zwei Reflexionsflächen wenigstens eine Austrittsfläche für den außerordentlichen Strahl (11') hat. 6. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einem Ende des stabförmigen Kristalls (1) eine Austrittsfläche (7) für den außerordentlichen Strahl (6, 6') angeordnet ist. 7. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einer der Reflexionsflächen eine Vorrichtung, insbesondere ein Prisma (8), zur Auskopplung eines Teils des verstärkten ordentlichen Strahls aus dem Kristall (1) angeordnet ist. B. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Auskopplung eines Teils des verstärkten ordentlichen Strahls mittels Tunneleffekts dienende Prisma (8) in etwa dem Abstand einiger Wellenlängen des Strahls unter Verwendung eines Klebemittels aufgebracht ist. 9. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Klebemittels so klein ist, daß an dieser Grenzfläche im Innern des Stabes, vorzugsweise auch im Innern des Prismas, Totalreflexion auftritt. 10. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung eines Teils des ordentlichen Strahls das den Tunneleffekt ermöglichende Prisma (8) zwecks Regelung des Grades der Auskopplung relativ zum Kristall verstellbar angeordnet ist. 11. Optischer Sender oder Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Längsflächen des stabförmigen Prismas insbesondere planparallele Platten (11) ausreichender Dicke aufgebracht sind, die aus einem Material mit einem Brechungsindex bestehen, der vorzugsweise gleich oder größer ist als der Brechungsindex des stimulierbaren Mediums (1). In Betracht gezogene Druckschriften: Electronics vom 27. 10. 1961, S. 44, insbesondere Fig.
5. 5 C; D'A n s und Lax, »Taschenbuch für Chemiker und Physiker, 1943, S. 214, A120, unter Spalte »Brechungszahl«. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsche Patente Nr. 1151601, 1167 978.