DE3140086A1

DE3140086A1 - "optische trenneinrichtung mit einem fizeau'schen-keil in reflexion"

Info

Publication number: DE3140086A1
Application number: DE19813140086
Authority: DE
Inventors: Ives Hubert 91440 Bures sur Yvette Meyer; Marin Nentchev 1456 Sofia Nentchev
Original assignee: INST ELEKTRONIKA PRI BAN SOFIJ; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: INST ELEKTRONIKA PRI BAN SOFIJ; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1980-10-09
Filing date: 1981-10-08
Publication date: 1982-04-29
Also published as: FR2492176A1; US4468775A; FR2492176B1

Description

* - Λ β

Optische Trenneinrichtung mit einem Fizeau'schen-Keil in Reflexion

Beschreibung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Optik und ganz be™ sonders optische, selektive Mittel, die.insbesondere das Einstellen von Lasern erlauben=

Als optische,selektive Elemente kennt man beispielsweise Beugungsgitter sowie Fabry-Perot-Etalons» Meistens ist es notwendig, diese mit ergänzenden Vorrichtungen zu verwenden, die ihre Ausmaße vergrößern» Auf dem Gebiet der Laser mit veränderbarer Einstellung werden häufig folgende Auswahleinrichtungen verwandt:

Beugungsgitter großer Abmessung und Spiegel; Beugungsgitter (in Littrow-Anordnung) und eine Übertragungsoptik wie das sogenannte Teleskop (Vergrößerung des Bündeldurchmessers);

Vereinigung eines Beugungsgitters und eines Pabry-Perot-■

Vereinigung zweier Pabry-Perot-Etalons,

Die derart erhaltenen, ziemlich großen Hohlraumlaser weisen häufig zahlasLche, unterschiedliche Moden auf, was bei gewissen Anwendungen störend ist»

Die Erfindung will ein optisches,selektives Bauelement schaffen, welches gleichzeitig ein Reflektor ist und daher insbesondere erlaubt, kürzere Hohlraumlaser zu schaffen.

Ein optisches, unter dem Namen "3?izeau^f scher-Eeil" "bekanntes Element weist zwei Oberflächen auf, die eine teilweise Reflexion haben und mit einem zunehmend veränderbaren (zumindest örtlich) Abstand angeordnet sind.

In der Praxis handelt es sich im allgemeinen im zwei ebene Oberflächen, die zwischen sich einen kleinen Winkel bilden.

Bisher wurde ein solcher Keil mit Oberflächen mittleren Reflexionsvermögens und mit Lichttransmission verwandt.

Erstaunlicherweise wurde beobachtet, daß, wenn man zwei reflektierende Oberflächen mit höherem Reflexionsvermögen und geringer Absorption auswählt, ein optisches, selektives Element erhält; dieses reflektiert einerseits in eine gewisse Richtung ein schmales Wellenlängenband und reflektiert andererseits die übrigen, einfallenden, das schmale Band einschließenden Wellenlängen in einer anderen Richtung, welche die übliche Reflexionsrichtung an einem Spiegel ist.

Die zwei reflektierten Bündelteile können dann voneinander getrennt verwandt werden.

Obgleich dieses Phänomen von dem Anmelder unter gewissen Bedingungen für Reflexionsvermögen zwischen 0,6 und 0,9 beobachtet worden ist, wird tatsächlich bevorzugt, daß das Reflexionsvermögen größer als 0,9 ist»Sehr gute Ergebnisse wurden mit Reflexionsvermögen in der Nähe von 0,99 erhalten.

Nach der Erfindung wird auch eine optische Vorrichtung vorgeschlagen, welche wenigstens einen IPizeau¹ schen-Köil aufweist, wie er vorhergehend definiert worden ist. Im allgemeinen umfaßt eine solche optische Vorrichtung unter anderem Mittel, um ein Lichtbündel auf eine der Oberflächen des Fizeau'schen-Keils zu lenken,, Wie vorher-

■ ^:·"··" '■■' "■ 3H00.86

gehend angegeben, kann dieser einerseits ein schmales Wellenlängenband in eine gewisse Richtung und andererseits den übrigen Teil der Wellenlängen, welche dieses schmale Band einschließen, in eine andere Sichtung reflektieren, welche die übrige ReflexLonsrichtung an einem Spiegel ist. Perner sind ebenfalls Mittel vorgesehen, die einen der beiden reflektierten Teile des Bündels verwenden.

Vorzugsweise ist das auf den Pizeau'schen-Keil auftreffende Bündel divergent.

Bei einer bedeutenden Anwendung der Erfindung bildet der Fizeau'sche-Keil eine der reflektierenden Wände eines Laserhohlraums.

Diese Anwendung betrifft unter anderem Farb-Laser und andere Laser mit großer Bandbreite oder einstellbare Laser, die die Laser mit farbiger Mitte, die Laser aus Heodyme-Glas, Rubinlaser sowie Halbleiter-Lasero Die Bandbreite dieser Laser überdeckt im allgemeinen einige Angström an Wellenlängen.

Bei einer Ausfuhrungsform ist eine Lochblende zwischen ²^ dem Fizeau¹ schen-Keil und dem Bereich des Lichtverstärkers angeordnet.

Bei einer Anwendung ist der Fizeau'sche-Keil so ausgebildet, daß er direkt oder indirekt (beispielsweise ein Spiegel) die Gesamtheit der einfallenden Wellenlängen bis auf das schmale Wellenlängenband,, welches er selektiv reflektiert, längs der optischen Achse des Laserhohlraums zurückschickt. Man erhält dann einen Breitband-Laser mit

einem einstellbaren Loch.
35

ff %

Bei einer anderen, häufigeren Anwendung ist der Fizeau¹ sche-Keil so ausgebildet, daß er das schmale Wellenlängenband, welches selektiv reflektiert wird, längs der optischen Achse.des Laserhohlraums zurückschickt. Man erhält dann einen Laser mit einem einstellbaren, schmalen Band. Bei einem besonderen Einfallswinkel schickt der 3?iz eau 'sche-Keil den gewollten Teil des reflektierten Bündels direkt von sich längs der optischen Achse des Laserhohlraums zurück. Der so ausgebildete Laser ist besonders kurz.

Wenn es sich um einen Laser mit einem schmalen Band handelt, kann der Fizeau¹ sche-Keil auch als Austrittsspiegel für den Laserhohlraum dienen. Ein vorteilhafter Laserhohlraum wird so auf einer Seite durch einen Pizeau¹ sehen - Keil und auf der anderen durch ein Beugungsgitter begrenzt, welches eine kleine Größe haben kann.

TJm noch die Seite der Einzelmoden des Lasers zu verbessern, in dem die hauptsächlichen, benachbarten Ordnungen der erwünschten Ordnung entfernt werden, kann man in den Laserhohlraum einen anderen Fizeau¹schen-Keil einbringen, der in Transmissionsrichtung in dem Strahlengang des Laserbündels angeordnet ist, und/oder einen anderen Fiz-²^ eau¹ sehen Keil, der als reflektierende Wand in dem Laser-Hohlraum vorgesehen wird.

Mit einem oder mehreren Fizeau'sehen Keilen ist es nach der Erfindung möglich, einen Einglaser zu schaffen, der durch einfache Verschiebung des oder der Keile abgestimmt werden kann. Solche Ringlaser verbessern auch das Einzel-Moden-Yerhalten, indem die räumliche Sättigung in der Umgebung des Lichtverstärkers ausgeschlossen wird.

Eine andere, "besonders bemerkenswerte .Anwendung der Erfindung betrifft Laser mit zwei getrennt voneinander einstellbaren Wellenlängen.

Man geht hier von einem Laser mit einem schmalen Band mit einer optischen Trennung mittels Pizeau⁰schen-Keils aus. Es ist ferner ein zweites Element, welches eine optische Trenneinrichtung bildet, vorgesehen und so ausgebildet, daß es die anderen Wellenlängen als das schmale, selektiv,längs der optischen Achse durch den Pizeau"sehen Keil reflektierte Band empfängt. Diese zweite, optische Trenneinrichtung schickt ihrerseits ein anderes schmales Wellenlängenband längs der optischen Achse des Laserhohlraums zurück, was ermöglicht, den Laserhohlraum getrennt

¹^ auf die zwei unterschiedlichen Wellenlängen abzustimmenο

Die zweite, optische Trenneinrichtung kann auch auf einem Beugungsgitter oder als Abänderung auf einem Pizeau'schen-Keil, der mit Reflexion verwandt wird, basieren» Im letztgenannten Pail kann man einen anderen Bereich des ersten Pizeau¹sehen Keils verwenden.

Allgemein gesprochen kann der als optisches Trennelement vorgeschlagene Pizeau'sehe Keil bei den meisten bekannten Anwendungen in optischen, brechenden Systemen eingesetzt werden und beispielsweise Beugungsgitter ersetzen»

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1A einen Pleck eines von einem Pizeau"schen-Keil reflektierten Bündels,

Pig. "IB und zwei andere von einem Pizeau⁸schen-Keil 1C reflektierte Plecke mit seitlichen Interferenzsstreifen,

6 40

I"ig. 2A eine schematische Darstellung der Intensitäts-' verteilung in einem Lichtbündel,

Pig. 2B schematisch das ausgehend von einem solchen Bündel von einem Fizeau¹schen-Keil reflektierte

Licht für eine Resonanzwellenlänge,

Fig. 20 schematisch den Strahlengang des Lichtes im

Inneren des Fizeau'schen-Keils, 10

Fig. 2D das durch den Fizeau'schen-Keil hindurchgegangene Licht,

Fig. 3A die Wechselwirkung eines divergierenden, mit zwei Wellenlängen einfallenden Bündels mit

einem Fizeau¹schen-Keil,

Fig. 3B die Flecken der entsprechenden Bündel,

und 3C
20

Fig. 4- ein erstes Ausführungsheispiel eines Lasers mit Fizeau¹schem-Keil nach der Erfindung,

Fig. 5 eine Abänderung, hei der die selektive Eeflexion in der Sinfausrichtung stattfindet,

Fig. 6A drei unterschiedliche Beispiele von Laserbis 60 emissionsspektren als Funktion des Einfallswinkels auf den Fizeau¹sehen Keil, 30

Fig. 7-A- eine andere Anwendung der Erfindung bei einem Laser, bei dem ein Fizeau'scher-Keil in Reflexion und ein anderer in Transmission verwandt wird, um die hauptsächlichen Ordnungen der Interferenzstreifen zu trennen,

Pig. ?Β eine Abänderung einer solchen Trennung von

Ordnungen der Interferenzstreifen, wobei zwei Pizeau'sche-Keile in Reflexion verwandt werden,

S"ig. 8 die gemeinsame Verwendung eines Pizeau"sehen» Eeils und eines Beugungsgitters bei einem Laser,

Pig. 9 einen mittels eines Pizeau'schen-Keils einstell· baren Einglaser,

Pig. ΊΟ einen Laser mit zwei unabhängig voneinander einstellbaren Wellenlängen, was durch Pizeau¹ sche-Keile vorgenommen wird.

Pig. 11 eine Abänderung in genauere Darstellung-

Pig. 12 einen Laser mit zweU Wellenlängenjwobei jedoch ein und derselbe Piz'eau' sche-Keil die Trennung für jede der Wellenlängen erlaubt,

und

Pig. 13 verschiedene, zulässige Einstellungen bei

dem Laser mit zwei Wellenlängen gemäß Pig» . ' Es ist bekannt * daß ein Pizeau'scher-Eeil durch zwei Oberflächen begrenzt werden kann, die teilweise reflektierend sind und eine veränderlich zunehmende Beabstandung aufweisen. Im allgemeinen handelt es sich um zwei ebene Oberflächen, die zwischen sich einen kleinen Winkel bilden (typischerweise einige Milliradian)ο

Zur Ausgestaltung der Erfindung können solche Oberflächen materiell auf eine der folgenden Weisen festgelegt werden:

•V'^:..^:' ■·'■ ■'.- 3H0086 er 41

Ein Prisma mit einem kleinen öffnungswinkel, dessen beide Flächen mit einem reflektierenden Überzug versehen sind; (das Prisma kann aus Festigkeitsgründen von einem dünnen Plättchen getragen werden, mit dem es einstückig ausgebildet ist);

zwei Plättchen, die jeweils beschichtet sind und fest zueinander unter einem gewählten Winkel gehalten werden; ein Füllmittel mit einem geeigneten Brechungsindex kann

hier zwischen die zwei dünnen Plättchen eingebracht werden. 10

Es wurde festgestellt, daß die Fizeau⁸schen-Keile unter Reflexion interessante Möglichkeiten bezüglich einer Trennung bieten, vorausgesetzt, daß das Reflexionsvermögen der reflektierenden Oberflächen groß ist und daß ihr Absortpionsvermögen klein ist.

Man beaufschlagt einen Fizeau¹ schen-Keil mit einem Laserlichtbündel geringer Breite, dessen Wellenlänge man verändert. Für den größten Teil der Wellenlängen erhält man

einen isflektierten Laserlichtfleck, in der Form, wie es in Fig. 1A dargestellt ist. Für gewisse Wellenlängen beobachtet man bei dem reflektierten Laserlichtfleck auf der Oberfläche des Keils oder nahe bei dieser .Interferenzstreifen, welche Streifen gleicher Breite genannt ,werden und die außerhalb des hauptsächlichen Fleckes auf der der Kante des Keils gegenüberliegenden Seite Vorliegen (Fig. 1B und 1C- zwischen diesen beiden Figuren wurde die Wellenlänge derart geändert, daß die sekundären Interferenzstreifen um ein halbes Interwall zwischen den Interferenz-30

streifen verschoben sind). Genauergesagt betrug der Winkel des Fizeau¹ schen-Keils hier OL = 3 x 10"-⁵ Radian, sein Reflexionsvermögen R = 0,99 und seine Dicke an der Reflexionsstelle betrug e = 20 Jim. Der Fleckdurchmesser .far 700 ^m, die Divergenz des Lasers 2 5= 10 Milliradian;

der Einfallswinkel auf den Fizeau^gschen~Keil war & = 5°*

Es wurde ebenfalls festgestellt, daß die Wellenlängen A₀? bei denen diese sekundären Interferenzstreifen auftraten, sehr genau der Beziehung gehorchen:

k . ^X₀ - 2-e.cos θ

worin k eine ganze Zahl bezüglich der Reflexionsordnung ist.

Die Intensität des einfallenden Lichtes ist schematisch in lig* 2A dargestellt. Das Aussehen der Seflexionsinterferenzstreif en ist schematisch in der Figo 2B dargestellt, wo man sieht, daß die Intensität des ersten, reflektierten Streifens mit derjenigen des unmittelbar reflektierten (ohne Interferenz) Bündels vergleichbar ist» Die Figo 2C zeigt schematisch die Yielfachreflexionen, die im Inneren des Fizeau'schen-Keils auftreten. Schließlich zeigt die Pig. 2D die Intensität des durch ihn hindurchgegangenen Lichtes.

Es wurde ferner festgestellt, daß das von dem Pizeaü" schen-Keil reflektierte Lichtbündel etwas divergierender als das einfallende Lichtbündel aufgrund der Vielfachreflexion geworden ist, die in dem Keil auftritt_o Im Inneren dieses Divergenzbereiches hängt die Richtung, in der ein sekundärer, vorgegebener Interferenzstreifen erscheint, von der Wellenlänge ab» Anders ausgedrückt, bedeutet dies, daß ein Fizeau'scher-Keil eine Winkeldispersion hervorruft, wie es die S¹Ig₀, 1B und 10 zeigen, die für zwei unterschiedliche und benachbarte Wellenlängen erhalten wurden.

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Innerhalb eines Abtastbereiches der Wellenlänge von 0,3nm. verschieben sich die Interferenzstreifen, wobei sie vom Inneren des Hauptfleckes zu dessen unmittelbarer Nachbarschaft wandern.

Die Interferenzstreifen wurden auf einem 3»7 ^ von dem Keil entfernt angeordneten Schirm an dem reflektierten Laserlichtbündel beobachtet (die Divergenz des einfallenden Laserlichtbündels beträgt 2 ο = 6 m rad₉ der Einfallswinkel θ = 3°) -Eine Verschiebung der Wellenlänge von 0,085 nm stellt sich als ein Abstand von 5 ram auf dem Schirm dar. Die äquivalente Wihkeldispersion ist daher 0,016 rad/nm. Ähnliche Beobachtungen wurden gleichzeitig mit einem mit 2 nsec-Impulsen gepulsten Laser und einem Farblaser mit ununterbrochener Wellenlänge gemacht.

Andere, vergleichbare Beobachtungen sind schematisch in den Figuren 3A bis 3C dargestellt. In der Mg. 3A bezeichnet I die Intensität eines divergenten, einfallenden Laserlichtbündels. Diese Intensität ist für zwei unterschiedliche Wellenlängen Ä1 und λ2 die gleiche, welche das Laserlichtbündel enthält»

j<ür die Wellenlänge X1, welche nahe der "Resonanz" bei dem Fizeau¹schen-Keil (kÄ1 ^ 2e-cos Θ) ist, tritt eine große Winkeldispersion des reflektierten Lichtbündels auf (Fig. 3B). Mehrere Intensitätsspitzensekundäre -Interferenzstreifen- erscheinen, wobei gewisse

von ihnen außerhalb des auftreffenden Fleckes des Laserlichtstrahlenbündels liegen. Das erste Maximum kann die übrigen in bezug auf die Intensität weit übertreffen.

Es scheint, daß die Form der Interferenzstreifen nicht nur von den mit dem Fizeau¹ schen-Keil selbst zusammenhängenden Parametern ((X, E, e, 9) abhängt, sondern auch

• "" '^:'""' '·-"" ·^:· 3 H0086 yr 45

von dem Querprofil der Intensität des einfallenden Laserlichtstrahlenbündels.

Aufgrund der Divergenz des reflektierten Laserlichtbündels_; welche im wesentlichen mit derjenigen des einfallenden Lichtbündels zusammenhängt, erscheinen die sich auf dem Fizeau'schen-Keil befindenden Interferensstreifen "verstärkt" und sind ohne weiteres mit dem unbewaffneten Auge in einem Abstand von mehreren Metern von dem Keil sichtbar.

Im folgenden wird die Anwendung dieser intensiven, von. dem Fizeau¹schen-Keil reflektierten Interferenzstreifen beschrieben, um eine selektive und in einem Laserhohlraum einstellbare Rückwirkung zu erzielen»

In der Figur 4- bezeichnet das Bezugszeichen KL einen (in Richtung des Lasers) halbdurchlässigen Spiegel, weichereines der Enden eines Laserhohlraums abschließt« Dieser enthält in einem Gefäß eine Farbsubstanz COL, die optische gepumpt werden kann. Die Anregungsmittel für das Gefäß mit dem Farbmittel sind nicht dargestellt» Auf der in bezug auf das Gefäß COL mit dem Farbmittel gegenüberliegende!Seite des Spiegels M^ ist ein Fizeau° scher-Keil CF angeordnet, der die Achse des Laserhohlraums in P schneidet.

Es ergibt sich eine divergierende Verteilung der reflektierten Energie, welche schematisch durch die Flecken (rjvp^ _Tj») dargestellt ist, deren Umfangslinien denjenigen der Fig. 1B, 10 oder 3B ähneln. Sin total reflektierender Spiegel MU ist angeordnet, um das reflektierte Lichtbündel auf den Fizeau¹schen-Keil zurückzuwerfen»

In der Stellung A des Spiegels Mp wird der Hauptfleck TP nach P auf den Fizeau'schen-Keil und damit in den Laserhohlraum zurückgeworfen„ Der Laser arbeitet mithin

mit einem "breiten Band, welches diejenigen Wellenlängen umfaßt, die nicht der ungefähren Beziehung k-yl_Q - 2e'cos θ gehorchen. ]?ür letztere erscheint ein Loch in dem "breiten Band. Die Lage des oder der Locher in dem Spektrum kann durch Verschieben des Fizeau¹ schen-Keils in seiner Ebene eingestellt werden.

Wenn man statt den Spiegel EU senkrecht zur Richtung TA des ohne Interferenz reflektierten Laserlichtstrahls .

einzustellen, diesen senkrecht zur Richtung PB des ersten, intensiven Reflexionsinterferenzstrexfen TF einstellt (welcher genau einer Wellenlänge A_Q entspricht), so legt man die Emission des Lasers auf diese Wellenlänge fest, welche ebenfalls durch Verschieben des Fizeau¹ schen-Keils wie vorhergehend eingestellt werden kann. Indem man etwas den Winkel des Spiegels Mp ändert, kann man von der Winkeldispersion bezüglich der Wellenlänge um A profitieren, welche vorhergehend beschrieben worden ist.

Es wurde auch festgestellt, daß für einen besonderen Wert des Einfallswinkels θ auf dem Keil dieser einen selektiven Reflexionskoeffizienten in bezug auf die Frequenz in Einfallsrichtung aufweist. Bei einem Keil, wie er vorhergehend angegeben worden ist, liegt dieser Einfallswinkel in der Größenordnung von Milliradian. Wenn man diese Beobachtung ausnutzt, so erhält man einen sehr kurzen Hohlraum, wie es Fig. 5 zeigt. Der Fizeau¹sche-Keil CF wirft den ersten, intensiven Interferenzstreifen TP auf die Achse des Laserhohlraums zurück, die durch.das Ge-

OQ ·

faß COL mit dem Farbmittel und den halbdurchlässigen Spiegel ML-. (dessen rückwärtige Fläche vorzugsweise leicht geneigt ist) verlauft» Vorteilhafterweise steigert man noch das Trennungsvermögen indem man eine oder mehrere Blenden

auf beiden Seiten des Gefäßes mit dem Farbmittel anordnet. 35

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Beispiel 1

Ein jFizeau'scher-Keil wurde mittels zweier dünner Glasplättchen mit einer Dicke von 10 mm und einem Durchmesser von 40 mm gebildet. Diese Plättchen wurden mit einer mehrfach-dielektrischen Beschichtung versehen, was einen Reflexionskoeffizienten R = 0,99 ergab=, Solche Plättchen können insbesondere von der optischen Abteilung der französischen Gesellschaft MATRA erhalten werden»

Diese Plättchen waren durch eine Luftschicht mit einer 10

Dicke von e = 20 ^m voneinander getrennt» Die vertikale Einstellung des Keilendes wurde durch Beobachtung der Fizeau'schen-Interferenzstreifen erhaltene Der Streifenabstand wurde auf 10 mm festgelegt, was einen Winkel

DC β 3.10~^ rad bei λ = 0,6 um entspricht» Der verwandte '

Laserhohlraum, der gemäß 3?ig. 5 angeordnet war₉ hatte eine Länge von 8 cm. Das Gefäß mit dem JFarbmittel bot eine Strecke von 10 mm, welche von dem fokussierten Strahlenbündel eines Stickstofflasers gepumpt wurde,

welcher Impulse von 2 ns mit einer !Frequenz von 10 Hz 20

lieferte. Der Austrittsspiegel ÜL bestand aus einer nicht

beschichteten Platte mit einem Winkel von 4° zwischen der Eintritts- und der Austrittsfläche» Zwei Blenden von 0,3 inm wurden auf beiden Seiten des Gefäßes angeordnet„

Das Laserausgangsspektrum wurde mit einem Doppelmono-25

chromator SPEZ 1400 beobachtet, welcher mit einem optischen Vielkanalanalysator ausgerüstet war= Die Energie am Ausgang wurde mit einem Joulemeter EK 3232 (LPG) gemessen.

Durch Einstellen des Keils und des Austrittsspiegels,

um eine maximale Laserenergie zu erhalten, erhält maa eine Emission mit einem breiten Band, welches sich über 5 um erstreckt, wobei ein schmales Loch auftritt, wie g₅ es die !Fig. 5 zeigt. Die Divergenz des Laserstrahlenbündels betrug ungefähr 6 mracJL Wenn man die Gesamtheit

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des Keils um 3nu?ad verschwenkt, gelangt man von einer Breitband-Emission zu einer Emission mit einem schmalen Streifen (Pig. 6C). Bei einem dazwischenliegenden Winkel von 1,5 mrad (I¹Xg. 6B) erhält man eine Kombination des breiten Bandes, des schmalen Loches und der Spitze des schmalen Streifens. Bei der besten bei einem Verschwenken um + 5 mrad (Fig. 60) erhaltenen spektralen Einengung war die Intensität des breiten Bandes um zwei Millionstel der Intensität der Spitzenlinie kleiner.

Bei der Verwendung von Blenden mit 0,5 mm wird mehr als 50% der Energie des gesamten Bandes (1Ou J) auf eine Streifenbreite von 0,1 nm verdichtet. Bei Blenden von 0,3 mm kann die Streifenbreite bis auf 0,01 nm (gemessen mit einem Fabry-Perot- Etalon von 4- mm) verringert werden, und der Gewinn an EnergLeverdx cht ung bleibt bei ungefähr 10%.

Die veränderbare Einstellung dieses Streifens (schmales Band) auf mehr als 10 jam (mithin mehr als die Breite des gesamten Bandes) konnte durch Verschieben des Keils erreicht werden. Bei dem verwandten Keilwinkel setzt sich eine Verschiebung um 1 um in eine Verschiebung von

-4-8. 10 nm bei der Wellenlänge des Streifens um. Bei

dem verwandten IPi ζ eau¹ sehen - Keil (nützlicher Durch-²^ messer von 30 mm) erstreckt sich die mögliche Einstellbreite über 24- nm.

Ueben dem Vorteil, kürzere Laserhohlräume zu ermöglichen und infolgedessen einen besseren Einzel-Moden-Betrieb, bietet der Fizeau¹sche-Keil noch einen anderen Vorteil. Man erhält ohne weiteres eine Ansprechzeit unterhalb einer Hanosekunde, (die Ansprechzeit ist definiert durch 7? = ^T/¹ _n __ » worin T die mittlere Hin- und Rücklauf zeit ^E

in dem Keil bedeutet. Man erreicht bis Z - 15 ps für H = 0,99. Man erreicht somit eine sehr leistungsfähige, spektrale Verdichtung und diese selbst mit sehr kurzen Pumpimpulsen, wie sie beispielsweise bei einem Stickstofflaser auftreten.

Aufgrund der Tatsache, daß der Übergang von der Emission mit breitem Band zu derjenigen mit einer schmalen Spitze sehr einfach und mit einer großen Reproduzierbarkeit erfolgt, ist die Einrichtung nach der Erfindung für das Gebiet der Fotolumineszenz und für Torrichtungen bei der Laser-Spektroskopie interessant. 5¹Ur sich selbst gesehen, kann das breite Laserspektrum mit schmalem, einstellbarem Loch zur selektiven Anregung atomarer oder mole- kularer Stoffe mit Absorption in einem schmalen Streifen verwandt werden.

Im folgenden werden verschiedene andere besondere Anwendungen des Fizeau'schen-Keils bei Lasern beschrieben» 20

In der Pig. 7A sind ein Austrittsspiegel· M^ und ein Gefäß COL mit einem Farbmittel gezeigt, welches durch nicht dargestellte Mittel erregt werden kann. Auf der linken Seite in dieser Figur ist das Ende des Laserhohlraums durch den Fizeau'schen-Keil CF,- begrenzt» Vor diesem jedoch ist.ein zweiter Fizeau'scher-Keil CFp angeordnet, welcher im Durchlicht bzw. in Transmission arbeitet» Mit α und OC¹ sind die Winkel der Keile CF₁ bzw* CF₂ und mit e und e¹ ihre Dicken auf der Höhe des Laser-

³^ lichtbündels bezeichnet. Die Verwendung des zweiten Keils CFp erlaubt, benachbarte Hauptordnungen bei der Einstellfrequenz auszuschließen, da gilt j3 = j3^s «.

«?c a^:

Die frequenzmäßige Einstellung wird automatisch gegenseitig durch gemeinsame Verschiebung der zwei Keile aufrechterhalten.

'"" "'' 3U0086

Die Fig. 7B zeigt ein anderes Beispiel der Trennung von Ordnungen in einem Laserhohlraum, wobei dieses Mal zwei Fizeau'sche-Keile mit Reflexion verwandt werden. Einer CF,, "bleibt links, während der andere CPo ä.en Spiegel EL auf der rechten Seite des Laserhohlraums ersetzt. Das Gefäß COL mit dem Farbmittel ist zwischen beiden angeordnet. Das reflektierte Bündel wird durch einen total reflektierenden Spiegel KR herausgeführt. Wenn einmal die Abstimmbedingungen vorliegen, kann das Gefäß senkrecht zur optischen Achse des Hohlraums verschoben werden, was die automatische Einstellung der beiden Fizeau¹ sehen— Keile sicherstellt (wenn ja = _e' ) ·

cc φ

Unter gewissen Bedingungen kann der Spiegel MR wegge-IB

lassen werden. Tatsächlich wurde festgestellt, daß der Fizeau¹sche-Keil auch anstelle des Austrittsspiegels des Laserhohlraums treten kann, wenn dieser mit einem schmalen Streifen arbeitet.

Diese Möglichkeit ist in der Fig. 8 angewandt, wo der Laserhohlraum (mit dem Farbmittel COL) einerseits durch ein Beugungsgitter in Littrow-Anordnung (mit HL bezeichnet) und andererseits durch einen Fizeau¹ schen-Keil CFS begrenzt ist. Dieser wird vorzugsweise ziemlich dick gewählt, um sehr schmale Streifen zu ergeben, die als Ergebnis hiervon wiederum sehr nahe beieinander liegen. Das Trennungsvermögen des Gitters erlaubt, einen dieser Streifen zu isolieren. Diese Ausbildung ist insbesondere wegen seiner einfachen Anordnung interessant, welche lediglich ein Gitter mit sehr kleinen Abmessungen benötigt.

In der Fig. 9 ist nun eine andere Abwandlung dargestellt, die darauf abzielt, ganz besonders den Einzel-Moden-Betrieb des Lasers bei einem Laser mit Ringanordnung zu unterstützen.

rr a*

3H0086

Der Einglaser ist hier durch einen Keil CF, einen Austrittsspiegel It| und durch einen weiteren, halbdurchlässigen Spiegel M₂ festgelegt, hinter dem ein total reflektierender Spiegel ME folgt. Das Gefäß mit dem Farbmittel ist zxfischen ü| und CF angeordnet, wobei seine Anregungsmittel nicht dargestellt sind. Eine Verschiebung des Fizeau'sehen. Keils C¹F in seiner Ebene erlaubt, die Laserfrequenz einzustellen. Ein solcher Einglaser mit einer Eichtung schließt die Probleme aus, welche mit der Eaumsättigung in dem Verstärkungsmittel zusammenhängen und erleichtert dadurch, einen Einzel-Moden-Betrieb zu erhalten» Selbstverständlich kann man auch dort mehrere Fizeau"sehe Keile als Spiegel statt eines einzigen verwenden«,

Im folgenden werden andere Laser mit Fizsau^chen-Keilen beschrieben, die getrennt auf zwei unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt werden können»

Eine erste Ausbildung ist in Fig. 10 dargestellt= Der

Eohlraum arbeitet zwischen dem Austrittsspiegel M^ und dem Keil CF^ bei der Wellenlänge /\1 (gerade verlaufender Strahlengang durch das Farbmitte lge"faß)» Entsprechend den vorher bezüglich der Fizeau¹ schen-Keile gemachten Darlegungen werden andere Wellenlängen durch CF_x, unter einem unterschiedlichen Winkel reflektiert«. Ein total reflektierender Spiegel MEP, der ein Loch zum Durchgang des zwischen M_x. und CF_x, gerade verlaufenden Strahlenbündels aufweist, schickt die anderen Wellenlängen auf einen zweiten Fizeau'sehen-Keil CF₀, welcher selektiv ' 2>

eine Wellenlänge λ ₂ in Eichtung auf MSP und CF^ zurückwirft, damit sie schließlich auf der optischen Achse zwischen CF_x. und M_x, zurückkehrt«, Man sieht, daß die Verschiebung von CF_xJ in seiner Ebene A-j abstimmt, während diejenige von CF₀ λ « abstimmt. Es wird darauf

c. c.

hingewiesen, daß für ^₂ der Fizeau'sche-Keil CF^ ein

" \_ft ^: ""■■-^:-. 3U0086·

Spiegel mit einen Reflexionsgrad von 99% ist, ein Reflexionsgrad, der unmöglich durch "bekannte Verfahren erreicht wird, um einen Laser mit zwei getrennt voneinander einstellbaren Wellenlängen herzustellen.

Die Fig. 11 stellt allgemeiner die Ausbildung der Pig. 10 dar, wobei der zweite Fizeau'sche-Keil CEp durch einen zweiten, selektiven Reflektor von irgendeiner

Art, wie z.B. ein Beugungsgitter ersetzt ist. 10

Es wurde im einzeln die Ausbildung des Lasers dargestellt, die bei allen vorhergehend beschriebenen Fällen angewandt werden kann: zwischen dem Keil CF_x, und dem halbdurchlässigen Austrittsspiegel KL₁ (dessen Rückseite ist um 4·° geneigt) ist ein Gefäß mit einem Farbmittel COL angeordnet, welches durch Pumpen quer durch eine geeignete Fokussierungsoptik L, wie z.B. eine Zylinderlinse angeregt wird. Vorzugsweise ist eine Blende zwischen

dem Gefäß COL und dem Fizeau¹sehen Keil CF^ angeordnet. 20

Die Wellenlänge X^ (sie wird an dem ersten sekundären Interferenzstreifen des Keils Ci^ - Fleck TF-reflektiert) läuft zwischen CF_x, und KL hin und zurück.

Der übrige Anteil der Wellenlängen, welcher in einem . einzigen Hauptfleck TP enthalten ist, wird unter einem kleinen Winkel abgelenkt und von dem total reflektierenden Prisma P empfangen,um zu dem zweiten selektiven Reflektor zu gelangen, welcher nur die Wellenlänge X₀ zurückschickt; diese kehrt längs des gleichen Weges zurück, um auf die optische Achse zwischen CF_x, und KL zu gelangen. Der Austrittsspiegel KL liefert daher zwei Wellenlängen K* und >2? ä-i^e voneinander unabhängig eingestellt werden können, eine durch Verschiebung von CF_x, in seiner Ebene und die andere durch das Spiel des zweiten, selektiven, einstell-

baren Reflektors SSR.

Hierfür ist der Fizeau¹sche-Keil CP um einen kleinen Winkel θ gegenüber dem normalen Einfallswinkel des Laser— lichtstrahlenbündels (M- - CF,,) versetzt. Der jeweils besondere Wert von θ (einige Milliradian) entspricht dem Littrow-Einfallswinkel für das Beugungsgitter SSR₀, Dieses schickt dann in der gleichen Richtung nur eine einzige Wellenlänge Xg zurück. Man sieht, daß die Verschiebung von CIP^ in seiner Ebene nur die "Resonanzdicke" des Keils und damit X- verändert. Die Abstimmung durch Verschieben ist linear in bezug auf die Einheiten der Wellenlänge.

Beispiel 2

Dieses Beispiel betrifft die Ausbildung gemäß Figo 11 „ Der Keil CXj ist in dem Hohlraum eines Lasers mit Rodamin 6G- in Ethanol angeordnet, der durch einen Stickstoff laser von 100 kW gepumpt wird. Der Keil CJVj wird aus zwei Spiegeln mit einem Reflexionsvermögen von 0,99 gebildet, die auf der Höhe des Strahlenbündels 20 ^im voneinander getrennt sind und einen Winkel von ^C- 6 seko bilden» Der Einfallswinkel des Laserstrahlenbündels (die Strecke Mx| - CX₁ = 9 cm) auf den Keil ist 9=6 mrad. Das zweite streuende Element SSR ist ein Beugungsgitter mit 2400 Linien/mm, welches unter dem Littrow-Einfallswinkel ausgerichtet ist. (Selbstverständlich kann man zusätzliche, optische Einrichtungen verwenden oder einen streifenden Einfall auf das Gitter). Die Blende D beträgt 0,4 mm»

Die selektive Reflexion aufgrund von Cl^ gibt einen ersten Laserstreifen bei X^, mit einer Breite von O₉02 Jim (gemessen mit einem Ifabry-Perot-Etalon von 4 mm). Dieser

Streifen kann über 9 nm durch Verschieben des Keils bewegt werden. Drei unterschiedliche Abstimmungen von

sind in den Fig. I3A bis I3C dargestellt, wobei X~

fest ist. Wie vorhergehend wurden die Aufzeichnungen mit ' einem Monochromator SEEX, der mit einem otpischen Vielkanalanalysator ausgerüstet war, vorgenommen. Die Streifen Χ* sind ausgehend von Punkten wiedergegeben, welche an der Grenze des Auflösungsvermögens der Heßeinrichtung liegen (ihre Amplitude ist in der Zeichnung infolgedessen nicht repräsentativ).

Andererseits ist die Abstimmung auf den Streifen A-, aufgrund des Gitters SSR größer (0,5 nm) und dieser Streifen kann über 40 nm verschoben werden. Drei unterschiedliche Abstimmungen sind in den Fig. 13D bis 133? bei festem X^ dargestellt.

Die Intensität eines jeden Streifens kann verändert werden, indem die vertikale Einstellung des Keils oder des Gitters geändert wird. Daneben kann die Intensität des Kammes des Streifens A_x, aufgrund des Keils CF^ um mehr als eine Größenordnung höher als diejenige des Streifens fts, aufgrund des Gitters SSE sein. Bei einer optimalen Energieeinstellung für die beiden Streifen (hier 581,5 und 583*0 nm) betrugen die mit einem Joulemeter BK-3232 gemessenen Energien 3»4- JiJ für A-^ und 7_S8 uJ für X~. Unter Berücksichtigung der Impulslänge, welche 1,6 ns betrug, entspricht dies einer Leistung von einigen Kilowatt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Energien der zwei Streifen miteinander vergleichbar sind, während der Streifen ^ aufgrund des Keils viel schmaler als der andere ist: dies zeigt sehr gut den Mutzen des Fizeau¹ sehen Keils als Element zum Abstimmen der feinen Streifen' (wenn man den Fizeau'schen-Keil durch einen totalreflektierenden . Spiegel ersetzt, ergibt sich bei einem breiten Band die Austrittsenergie des Lasers zu 30 P.J)· In der Pig. 13

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ρτ as

ist ebenfalls zu erkennen, daß die zwei Streifen vollkommen unabhängig voneinander abgestimmt werden können, obgleich für die Abstimmung eine einfache, Experimentalmechanik verwandt wird.
5

Die Pig. 12 zeigt eine Abänderung der Ausbildung gemäß der !"ig. 11. Bei dieser Abänderung dient ein einziger IFizeau'scher-Keil CF^ dazu, die zwei Streifen unabhängig abzustimmen: das von dem totalreflektxerenden Prisma Έ empfangene Strahlenbündel wird durch einen totalreflektie— renden Spiegel m auf einen zweiten Bereich J des Pizeau" schen-Keils gelenkt, welcher etwas von dem. Bereich I beabstandet ist, wo die selektive Reflexion für X^ er= folgt. Die Reflexion von m nach J erfolgt in einer Richtung parallel zu derjenigen der optischen Achse des Lasers (von I bis M^).

Um ,^ abzustimmen wird der Pizeau¹sche-Keil CF^ in seiner Ebene zusammen mit dem Spiegel m verschoben» Um "X.^ ab·= zustimmen, bleibt der Keil CS¹,, fest und der Spiegel m wird parallel zur Vorderseite des Keils (oder der Ebene des Keils) verschoben, wobei der Spiegel mithin parallel zu sich selbst bleibt. Mit demselben Keil wie beim Beispiel 2 wurden zwei breite Streifen von 0,02nm erhalten„ die unabhängig voneinander über mehr als 5 nm (eine Begrenzung wegen der mechanischen Verschiebung) abgestimmt werden konnten. Man kann die beiden Streifen sehr nahe aneinander oder selbst in Koindizidenz führen, da die zwei unterschiedlichen Dicken des Keils (bei I und J)

^Q mit zwei unterschiedlichen Ordnungen verwandt werden können. Bei einem Keilwinkel OC= 3 · ΙΟ"'⁷ rad und Xp = 0,6^m sind die aufeinanderfolgenden Fizeau" sehen Interferenzstreifen auf dem Keil 1 cm und Wellenlängen- · mäßig (bei e = 2O₇Um) um 9 nm beabstandet. .Die Leistung ist ungefähr die gleiche bei den beiden Streifen (einige Kilowatt).

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Die so erhaltenen Laser mit zwei einstellbaren Wellenlängen weisen den Vorteil auf, daß sie praktisch, gesehen ohne Verlust bei der Auftrennung des Strahlenbündels arbeiten, welche in dem Hohlraum erfolgt,.wobei, wenn erforderlich sehr schmale Streifen vorliegen und eine große Abstimmbreite möglich ist.

Solche Laser dienen insbesondere zum Messen der Luftverschmutzung mittels LIDAR-Technik: einer der Streifen wird ausgewählt, um durch den festzustellenden Stoff absorbiert zu werden, während der andere mit einer benachbarten Frequenz als Bezug, für die Intensität dient.

Nachdem verschiedene,; bevorzugte Anwendungen des Fizeau¹

schen-Keils bei Lasern beschrieben worden sind, werden die folgenden Vorteile, welche erzielt werden, zusammengefaßt : ' -

Selektive, richtungsmäßige und winkelmäßig brechende 20

Rückkehr um eine gewollte Wellenlänge herum, wobei ein Spiegel mit großem Reflexionsvermögen für die anderen Wellenlängen gebildet wird;

Die translatorische Verschiebung, welche dazu dient, die gewählte Abstimm—Wellenlänge zu verändern, ändert weder

'

die Rückkehrrichtung dieser gewählten Wellenlänge noch diejenige der anderen Wellenlängen; Keine räumliche Verformung des reflektierten Lichtbündels, welches durch die anderen Wellenlängen gebildet wird.

Diese Vorteile ergeben, daß der Fizeau¹ sche-Keil bei vielen anderen Anwendungen dienen kann, am häufigsten als feines Bündel (wenigstens längs einer Dimension) und vorzugsweise»bei einem-Ieieht divergenten Bündel;

■ jedoch zeigen sich diese Vorteile ohne Zweifel'am besten ob ■

bei Lasern.

Claims

CENTRE ITATIOITiLL DE LA RECHERCHE SCIENTIPIQUE 15 Quai Anatole France, 75007 Paris, Frankreich INSTITUTE PO ELECTROEICA PRI BAN SOFIA Boulevard Lenine 72, Sofia, Bulgarien P 16 679-WL Optische Trenneinrichtung mit einem Fizeau1sehen-Keil in Reflexion Pat ent ansprüche

1. Optische Einrichtung von der Art eines Fizeau⁸ schen-Eeils, wobei zwei teilweise reflektierende Oberflächen festgelegt und mit einem fortschreitend veränderlich zunehmenden Abstand angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß das. Reflexionsvermögen einer jeden dieser Oberflächen größer als 0,6, vorzugsweise größer als 0,9 ist und daß ihr Absorptionsvermögen klein istο

'·'■"■·* -" ' '■■■- -'· 3H0086

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Reflexionsvermögen in der Fähe von 0,99 liegt.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel (COL) vorgesehen sind, um ein Licht strahlenbündel auf eine der Oberflächen des Fizeau¹ sehen Keils (CF) zu lenken, durch welche einerseits ein schmales Wellenlängenband selektiv in eine gewisse Richtung und andererseits der restliche, das enge Band eingrenzende Wellenlängenbereich in eine andere Richtung reflektierbar ist, welche die übliche Reflexionsrichtung an einem Spiegel ist, und daß Mittel vorgesehen sind, die einen der zwei reflektierten Teile des Lichtbündels verwenden.

4-. Einrichtung nach Anspruch J, dadurch ge k e η η zeichnet , daß das auf den Fizeau¹ schen-Keil

auftreffende Bündel divergent ist.
20

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet , daß der Fizeau¹sche-Keil eine der reflektierenden Wandungen eines Laserhohlraums

bildet. .

6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß der Laserhohlraum eine Farb-Lichtverstärkungssubstanz enthält.

7* Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Lochblende (D) zwischen dem Fizeau¹sehen Keil (CF) und der Lichtverstärkungssubstanz (COL) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7> dadurch gekennzeichnet , daß der Fizeau'sche-Keil

3 . ■

derart angeordnet ist, daß durch ihn das schmale Wellenlängenband, welches selektiv reflektiert wird, längs der optischen Achse des Laserhohlraums zurückgesandt wird=

9» Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 7? dadurch gekennzeichnet , daß der JFizeau'sche-Keil derart angeordnet ist, daß der Eest der Wellenlängen mit Ausnahme des engen Wellenlängenbandes, welches selektiv reflektiert wird, längs der optischen Achse des Laserhohlraums zurückgesandt wird.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß der ΙΊζβ&αι¹ sche-Keil derart angeordnet ist, daß er unmittelbar das schmale Wellenlängen-"band, welches selektiv reflektiert wird, längs der optischen Achse des Laserhohlraums zurückgesandt wird»

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 "bis 8 und 10, dadurch gekennzeichnet , daß der Fizeau" sche-Keil (CES) als Austrittsspiegel für den Laserhohlraum dient.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß in dem Laserhohlraum dem Fizeau" schen-Keil (Ci¹S) gegenüberliegend ein Beugungsgitter , (BL) vorgesehen ist.

13· Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet ₉ daß ein zweiter Fizeau¹scher-Keil (CEp) in Transmissionsbetrieb in dem Strahlengang des Laserbündels angeordnet ist.

14.. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Fizeau¹scher-Keil (CFp) als reflektierende Wandung in dem Laserhohlraum vorgesehen ist»

'■'- ■'-- "--· -^:- 3H0086

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 10 "bis 15» welche auf den Anspruch 8 zurückzubeziehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweites, eine optische Trenneinrichtung bildendes Element "vorgesehen und so angeordnet ist, daß es die anderen Wellenlängen mit Ausnahme des engen, selektiv längs der optischen Achse durch den 3?izeaü' schen-Keil reflektierten Bandes empfängt, und daß durch die zweite, optische Trenneinrichtung ihrerseits ein anderes schmales Wellenlängen-* band längs der optischen Achse des Laserhohlraums zurückgeworfen wird, wodurch ermöglicht wird, den Laserhohlraum getrennt auf zwei unterschiedliche Wellenlängen abzustimmen.

16. Einrichtung nach Anspruch 15? dadurch gekennzeichnet, daß die zweite, optische Trenneinrichtung ein Beugungsgitter umfaßt. ■

17· Einrichtung nach Anspruch 15i dadurch g e k e η η zeichnet, daß die zweite, optische Trenneinrichtung einen im Eeflexionsbetrieb verwandten Pizeau¹ schen-Keil umfaßt. .

18. Einrichtung nach Anspruch 15 j dadurch g e k e η η zeichnet, daß die zweite, optische Trenneinrichtung einen anderen Bereich des ersten Pizeau¹schen-Keils umfaßt.