DE3020410A1

DE3020410A1 - Laser-anordnung

Info

Publication number: DE3020410A1
Application number: DE3020410A
Authority: DE
Inventors: David Corbett Hamilton; Kenneth Samuel Lipton
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1979-06-02
Filing date: 1980-05-29
Publication date: 1980-12-04
Also published as: CA1151757A; SE8004009L; GB2050683A; IT1143169B; SE446793B; US4340969A; GB2050683B; AU5891180A; IT8048818A0; AU531887B2

Description

Unser Zeichen: A 14 392 Lh/fi

Ferranti Limited

Hollinwood, Lancashire, England

Laser-Anordnung

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Λ Ferranti Ltd.

- A 14 392 -

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung und insbesondere einen reflektierenden Polarisator zur Verwendung in einem Laserhohlraum.

Es gibt viele Anwendungsfälle, in denen es erforderlich ist, daß ein Laser linear polarisierte Strahlung emittiert, und um dies zu erreichen, ist es notwendig, irgendeinen Polarisator im optischen Hohlraum des Lasers anzuordnen.

Geeignete Polarisatoren können verschiedene Formen haben. Beispielsweise ist es möglich, ein Beugungsgitter zu verwenden. Die Beugungsstärken sind für zwei rechtwinklig zueinander liegenden Polarisationsebenen unterschiedlich, was dazu führt, daß der Laser in der Ebene mit dem geringeren Verlust oder der geringeren Dämpfung schwingt. Nachteilig bei diesen Ausführungsformen ist, daß das Gitter leicht beschädigt werden kann, entweder durch unsachgemäße Handhabung oder durch zu hohe Laserenergie, und die Einfügungsdämpfung kann beträchtlich sein.

Eine andere Form eines Polarisators ist das Brewster-Fenster. Dies ist eine Platte aus einem geeigneten Material, die im optischen Hohlraum im Brewster-Winkel bezüglich der optischen Achse des Lasers angeordnet ist. Die Platte überträgt vorzugsweise Strahlung mit einer Polarisationsebene, wodurch ein Laser entsteht, der in dieser Ebene schwingt. Oft kann das Brewster-Fenster auch anderen Zwecken dienen, beispielsweise kann es einen Teil des Gehäuses bilden, das ein aktives gasförmiges Medium enthält. Nachteile sind ein hoher Einfügungsverlust, wegen der Absorption durch das Plattenmaterial,

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sowie eine unerwünschte PlatzVergeudung, da die Platte in einem relativ großen Winkel zur optischen Achse eingesetzt werden muß, typisch etwa mit 70°.

Es ist ein Charakteristikum eines Lasers, daß, wenn beträchtlich mehr der Strahlung ein einer von zwei senkrechten Ebenen absorbiert wird als von der Strahlung in der anderen Ebene, der Laser nur in der einen Polarisationsebene schwingt. Das heißt, die Differenzdämpfung oderDifferenzverlust zwischen den beiden senkrechten Ebenen muß derart sein, daß die Laserwirkung in einer Ebene verhindert wird. Dies erfordert eine Differenzdämpfung in der Größenordnung von 20% bei kleinvolumigen Gaslasern.

Es ist häufig erwünscht oder vorteilhaft, eine reflektierende Fläche in einem Laserhohlraum anzuordnen, zur Umlenkung oder zu anderen Zwecken, und es ist Aufgabe der Erfindung, einen reflektierenden Polarisator für eine Laseranordnung zu schaffen.

Nach der Erfindung ist eine Laseranordnung vorgesehen, die mit einer Wellenlänge im Bereich von 8 bis 50 Mikron arbeitet und die in ihrem optischen Hohlraum einen Reflektor aufweist, der in einem Einfügungswinkel (insertion angle) im Bereich von 20 - 70° angeordnet ist und ein Substrat aufweist, das einen metallischen reflektierenden überzug trägt, auf welchem eine Schicht aus einem dielekrischen Material gebildet ist, mit solcher Zusammensetzung und Dicke, daß bei der Betriebswellenlänge der Absorptionsunterschied zwischen der Strahlung, die in zwei senkrechten Ebenen polarisiert ist, einen Laserbetrieb in einer der beiden Ebenen verhindert.

Wenn der Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 8 bis 12 Mikron arbeitet, so ist das dielektrische Material vorzugsweise Aluminiumoxid (Al^O^).

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Wenn der Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 12 bis 50 Mikron arbeitet, so ist das dielektrische Material vorzugsweise Siliciumdioxid oder Magnesiumoxid.

Zweckmäßigerweise ist der Einfügungswinkel der reflektierenden Fläche in der Größenordnung von 45°.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine Ausführungsform eines Lasers nach der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Laser einen optischen Hohlraum, der durch zwei Endspiegel M1 und M2 definiert oder begrenzt ist, wobei der Spiegel M1 nominal 100% reflektierend ist, während der Spiegel M2 teilweise reflektierend ist. Zwischen diesen Spiegeln ist das aktive Lasermedium AM zusammen mit Einrichtungen zum Pumpen des aktiven Mediums (nicht gezeigt) angeordnet. Wenn das aktive Medium ein Feststoff ist, können die Pumpmittel eine helle Lichtquelle sein, während ein aktives gasförmiges Medium durch eine elektrische Entladung erregt werden kann. Wie Fig. 1 zeigt, umfaßt der optische Hohlraum des Lasers ferner den reflektierenden Polarisator RP. Dieser ist mit einem Einbauwinkel oder Einfügungswinkel von 45° dargestellt, d.h. seine reflektierende Fläche liegt in einem Winkel von 45° zur einfallenden und zur reflektierten Strahlung. Dies hat die Wirkung einer Umlenkung von 90° in der optischen Achse des Lasers.

Der reflektierende Polarisator Rp besiäit aus einem geeigneten Substrat, z.B. Metall, Glas oder Keramik, auf welchem eine

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metallische reflektierende Schicht niedergeschlagen ist. Diese Schicht besteht zweckmäßigerweise aus Silber, Gold oder Aluminium. Die reflektierende Schicht selbst ist mit einem Überzug aus einer dielektrischen Schicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumdioxid (SiO₂) oder Magnesiumoxid (MgO) versehen. Die Dicke der Schicht bestimmt die Verluste für die Polarisation in der P-Ebene, während die Verluste in der S-Ebene praktisch unbeeinflußt bleiben. Die Dicke der dielektrischen Schicht ist so gewählt, daß der Differenzverlust zwischen den beiden Ebenen im wesentlichen 20% beträgt. Um dies zu erreichen, hat eine Schicht aus Aluminiumoxid eine Dicke im Bereich von I0008 bis 4000Ä. Die optimale Dicke hängt ferner von der Wellenlänge der Strahlung ab, die zwischen 8 und 50 Mikron liegen kann. Die Differenzdämpfung oder der Differenzverlust wird ferner durch den Einbauwinkel des reflektierenden Polarisators beeinflußt und dieser Winkel kann z.B. zwischen 20°und 70° variiert werden, um den gewünschten Verlust zu bewirken.

Der reflektierende Polarisator führt zu einem geringeren Gesamtverlust für die Strahlung, die in der gewählten Polarisationsebene schwingt, als ein Beugungsgitter und in vielen Fällen auch als die Brewster-Platte. Dies ist von beträchtlicher Wichtigkeit bei Kurzwellen-Lasern oder Lasern mit niedriger Verstärkung. Ferner ist er robuster und billiger als die Brewster-Platte oder das Beugungsgitter.

Da bei Verwendung des reflektierenden Polarisators im «sentlichen eine Ablenkung in der optischen Achse des Lasers vorhanden ist, eignet er sich besonders in Verwendung mit einem Laser mit Ablenkung, bei dem eine Ablenkung von 180° vorgesehen ist. Fig. 2 zeigt einen solchen Laser. Die verschiedenen Elemente des Lasers sind dieselben, wie in Ver-

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bindung mit Fig. 1 beschrieben, außer daß der reflektierende Polarisator RP nunmehr zwei Spiegel umfaßt, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind. Da der reflektierende Polarisator aus zwei Spiegeln aufgebaut ist, braucht jeder nicht mehr als etwa 10% Differenzverlust oder Differenzdämpfung zu erzeugen, weshalb die dielektrischen Schichten dünner ausgeführt sein können. Alternativ kann eine Kombination aus einem polarisierenden Spiegel und einem konventionellen ebenen Spiegel verwendet werden.

Durch Verwendung des beschriebenen, reflektierenden Polarisators kann ein sehr kompakter Laser gebaut werden, insbesondere bei Verwendung eines Lasers mit Umlenkung, der nicht mehr optische Elemente benötigt als ein konventioneller Laser mit Umlenkung. Die beiden reflektierenden Flächen können in Form eines Dach-Reflektors ausgebildet sein, um die Vorteile hinsichtlich der Stabilität bei dieser Art von Reflektoren auszunutzen.

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Claims

302041Q Ferranti Ltd. - A 14 392 - Patentansprüche

1. Laseranordnung, die in einer Wellenlänge im Bereich von 8 bis 50 Mikron arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß in ihrem optischen Hohlraum ein Reflektor in einem Einbauwinkel im Bereich von 2O°bis 70° angeordnet ist, der ein Substrat aufweist, das einen metallischen reflektierenden Überzug trägt, auf welchem eine Schicht aus einem dielektrischen Material ausgebildet ist, mit solcher Zusammensetzung und Dicke, daß bei der Betriebswellenlänge der Absorptionsunterschied zwischen einer Strahlung, die in zwei senkrechten Ebenen polarisiert ist, einen Laserbetrieb in einer der beiden Ebenen verhindert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der metallische reflektierende überzug aus einem der Materialien der Gruppe Gold, Silber und Aluminium besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Betriebswellenlänge des Lasers im Bereich von 8 bis 12 Mikron liegt, und daß das dielektrische Material Aluminiumoxid (Al-O₃) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebswellenlänge des Lasers im Bereich von 12 bis 50 Mikron liegt, und daß das dielektrische Material Siliciumdioxid oder Magnesiumoxid ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

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OWQINAL IN6PECTED

zeichnet , daß die Dicke der dielektrischen Schicht im Bereich von 1OOO bis 4OOo8 liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbauwinkel des Reflektors 45° beträgt.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor zwei Flächen aufweist, die in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind, so daß die optische Achse des Lasers um 180° umgelenkt wird.