DE1221377B - Optical transmitter or amplifier for stimulated radiation with a multi-refractive single crystal, in particular with an optically uniaxial crystal, e.g. B. Ruby, all stimulable medium - Google Patents
Optical transmitter or amplifier for stimulated radiation with a multi-refractive single crystal, in particular with an optically uniaxial crystal, e.g. B. Ruby, all stimulable mediumInfo
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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.Optical transmitter or amplifier for stimulated radiation with a multi-refractive single crystal, in particular with an optically uniaxial crystal, e.g. B. Rubin, as a stimulable medium supplement patent: optically uniaxial 1191 041 The invention relates to the special design of an optical transmitter or amplifier of stimulated radiation, which has received the term "laser" in the English-language literature, with a multi-breaking single crystal, particularly with a Crystal, e.g. B. ruby, as a stimulable medium that occurs after excitation and one or more times on the surface of the crystal, non-perpendicular reflections on one or more of the beam in the crystal preferably totally reflecting reflection surfaces of the excited terms of the crystal and inside the Crystal-running radiation amplified by stimulated emission is able to emit a sharply bundled optical beam, in particular an optical transmitter or amplifier according to 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.Such amplifiers are for light frequencies in the optical and infrared Spectral range known. In these known amplifiers, the z. B. off a ruby existing crystal two optically as exactly as possible plane-parallel, of them at least one slightly permeable, mirrored surface, between which then under constant amplification of the radiation emanating from the terms moving back and forth, whereby when the beam hits the transparent mirror coating, one in each case Part of the radiant energy emerges from the crystal. The outgoing light is but in these known arrangements despite the use of an optically anisotropic, in particular uniaxial crystals such as ruby, not necessarily linearly polarized, because the beam in the crystal always hits the reflection surfaces perpendicularly.
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.In patent 1191041 an arrangement has already been proposed at that the beam is inclined on at least one reflection surface, d. H. not vertical, hits; in particular, the reflection surfaces should totally reflect the beam. To decouple the beam, it has also been proposed to use the beam energy To let the tunnel effect emerge at one of the total reflection surfaces by the Reflection point opposite at a very small, preferably adjustable distance, its size at most about 5 to 10 times, in particular equal to 1 or 3 times the wavelength of the outgoing radiation, one for the outgoing radiation Beam permeable body, preferably a prism, is arranged. The index of refraction in the prism must be so large that when the crystal and prism touch the light beam impinging on the interface at the given angle is not total reflection would experience. Is used for such an amplifier in a known per se If a ruby or another, also birefringent crystal, then run like this as is well known, the beam paths for the ordinary and the extraordinary beam different after a reflection.
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.It is now often desired and has proven to be advantageous to allow linearly polarized light to emerge from an optical amplifier in accordance with the invention by appropriate beam guidance in the crystal through the design and arrangement of the reflection surfaces. For this purpose, the invention proposes an optical transmitter or amplifier for stimulated radiation with a multi-refractive single crystal, which after excitation and one or more times occurring on the surface of the crystal, non-perpendicular reflections on one or more of the beam in the crystal, preferably totally reflecting reflection surfaces of radiation emanating from the excited terms of the crystal and running inside the crystal, amplified by stimulated emission, is able to emit a sharply focused optical beam, in particular an optical transmitter or amplifier according to patent 1191 041 and which is characterized according to the invention in that at least one of these reflective surfaces 3 so is arranged such that the direction of light reflected on it, - amplified by stimulated emission, such as ordinary ray in which this unbroken at its circulation in the crystal 1 between this surface and another reflecting surface 3, 4 v runs, forms an angle deviating from 90 ° with an optical crystal axis, in particular is parallel to it.
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.The radiation generated in the crystal is thus caused by single or multiple, non-perpendicular reflections on the surfaces of the crystal in the proportions of the ordinary and extraordinary radiation. As a result, the Conditions created, which correspond to only an ordinary or extraordinary ray in the crystal of the optical amplifier stimulated by Can amplify emission. Since the radiation of both the ordinary and the extraordinary ray linear. is polarized, provides a correspondingly structured optical amplifier linearly polarized radiation. In order to achieve a good The bundling of the radiation emitted in front of the amplifier becomes elongated Arrangement chosen, preferably so that the optical axis in the plane of incidence of the beam path, formed from the incident beam and the incidence perpendicular, lies.
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.With such a crystal with the longitudinal direction approximately parallel or perpendicular to the optical axis, for example, describes the ordinary Ray a self-contained path, like a rectangle like this one below is shown in more detail on the basis of the figure. The extraordinary ray, on the other hand, cannot traverse such a closed rectangle as the refractive index of the crystal for the ordinary ray different from that for the extraordinary ray so that the extraordinary ray is not in the way of the ordinary ray runs, thereby being separated from the ordinary ray. Through appropriate training of the crystal, especially through exit surfaces for the extraordinary ray at the end of the rod-shaped crystal, one then lets the ordinary ray out separate extraordinary ray emerge from the crystal. more details of the invention will proceed from the following description and that shown in the figure and the preferred exemplary embodiment of the invention explained below.
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.1 denotes an optically anisotropic crystal, e.g. B. Ruby or Calcium tungstate. It is a crystal with preferably elongated shape and z. B. rectangular or round cross-section selected, one of which is not perpendicular to the optical axis stands on the plane of the ray orbit, which in the figure lies in the plane of the paper; an optical axis preferably lies in this plane 1, advantageously parallel or perpendicular to the long axis of the crystal.
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.On the crystal 1, at least one surface 3 is oblique to the direction of the beam path provided, the surface normal in the plane of the beam path falls. It is envisaged that total reflection occurs on this surface when in optically anisotropic material the splitting of a light beam into a regular one and an extraordinary ray takes place as long as the ray path is a component in the direction of an optical axis. The ordinary beam is linearly polarized and its direction of polarization is perpendicular to the common axis through the direction of the rays and the plane formed by the optical axis.
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.It is well known that the refraction quotient n of an optically anisotropic crystal is different for the ordinary and the extraordinary ray: nerdy C nexcellent, which results in a directional split between ordinary and extraordinary ray in the case of total reflection at 3 in the crystal. The remaining reflection surfaces 4 are preferably, as shown in the figure, arranged as totally reflecting surfaces so that the ordinary beam makes a self-contained cycle (see the solid beam path 5, which runs in the exemplary embodiment and is provided with arrows), whereas the extraordinary beam deviating from this, a path that is not closed in itself (see the dash-dotted beam path 6) and after one or more revolutions through one of the remaining surfaces of the crystal, which are practically non-reflective for it, e.g. B. by the designated 7, this leaves (see 6 '). Are several totally reflective surfaces, such as B. shown in the figure, provided, this selection process is accelerated. This ensures that the extraordinary ray cannot amplify itself up to a high level of energy in a closed path; on the other hand, the ordinary beam becomes very energetic because its path in the arrangement is closed and a very strong, perfectly linearly polarized light is generated.
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.The decoupling of the ordinary beam is preferably done by touching it down a largely optically transparent body 8 with a suitable refractive index - hereinafter referred to as prism - on one of the totally reflecting surfaces, z. B. in the type indicated in the figure, made. The prism is in one small distance d approximately in the order of magnitude of the wavelength of the light generated Applied on the crystal face referred to above, so that by the wave mechanical Tunnel effect a part 5 'of the radiation from the crystal passes into the prism can. The prism is preferably cemented with a putty, the one opposite the crystal has sufficiently small refraction quotient, so that the total reflection is not canceled in the crystal.
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.The optical radiation that passes into the prism is planted, just as in the crystal, as a plane wave corresponding to the directions of passage through the interface 9 to be bridged by the tunnel effect and in the ratio of the refraction quotients of the crystal for the ordinary ray n. And the material of the prism n ",. and emerges from the prism through the surfaces 10 or 10 '. In particular, when n. = n",. the directions of the beam path established in the crystal continued. By reflecting the radiation on one of the surfaces 10, 10 ', the beam emerging from the other of the surfaces 10, 10' can also be amplified. For this purpose, it is recommended, for. B. to reflect the beam falling on 10 'on the mirroring of this surface so that it falls after total reflection on surface 9 in the direction of the beam exiting through surface 10. The prism is preferably z. B. with regard to the total reflection at 9 made of optically isotropic material. But also by choosing the optical path length for the in the prism z. B. at 10 ' reflected beam by interference between 9 and 10 a partial or complete extinction of the exiting from the arrangement and passing through 10 beam can be achieved. By varying the degree of cancellation by interference, it is thus possible to control the beam emerging from the entire arrangement.
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.By additionally attaching the side body labeled 11 or the side body on one or more surfaces of the crystal that are not affected by the desired beam circulation, the extraordinary Beam or scattered light occurring in the crystal (see the dashed line Beam path 11 '), can be eliminated. The refractive index of the additionally attached Body is advantageously greater than or equal to that of the crystal; this creates total reflection eliminated on these surfaces. Advantageously, this body should also be part of it of the crystal, or its outwardly facing surfaces or parts of which have a high absorption for the scattered light, or is its surface for this purpose roughened, for example corrugated, in order for the scattered light to escape as well as possible to allow from the body without the entry of the excitation light into the Crystal is significantly hindered.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1962
- 1962-07-03 DE DES80217A patent/DE1221377B/en active Pending
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