-
Gebiet der Erfindung: Diese Erfindung
bezieht sich auf das Gebiet von Optik und Lasern, wo der Laserstrahl
durch ein optisches Material hindurchgeht oder von der Oberfläche eines
optischen Materials reflektiert wird, das am Licht von begrenzter Haltbarkeit
ist.
-
Diese Erfindung bezieht sich weiter
auf einstellbare optische Mittel oder Organe.
-
Hintergrund der Erfindung: Optische
Festkörpermaterialien
wie zum Beispiel Festkörper-Lasermaterialien
oder nichtlineare optische Materialien sind gewöhnlich aus verschiedenen Gründen interessant.
Sie können
zum Beispiel eine geringe Grösse besitzen,
hohe Punktintensitäten
vertragen, in grossen Mengen gefertigt werden und sind leicht zu
handhaben, weil sie (im Vergleich zum Beispiel zu flüssigen Farbstoffen
oder Gasen) fest sind. In einigen Fällen haben diese Materialien
aber keine ausgedehnte Lebensdauer, wenn sie einer bestimmten Lichtintensität ausgesetzt
sind. Dies kann zum Beispiel eintreten, wenn ein nichtlinearer Kristall
für die
Frequenzkonversion von Laserlicht eingesetzt wird, wobei der Laserstrahl
gewöhnlich
auf einen kleinen Fleck fokussiert wird oder hohe Spitzenleistungen
aufweist. In ähnlicher
Weise können
Halbleiter langzeitlich Degradationserscheinungen zeigen, die die
Verwendungsdauer von Halbleitermaterialien begrenzen können, wenn
sie einer bestimmten Intensität
an einem Punkt ausgesetzt sind. Jegliche Art von weiteren optischen
Elementen kann unter ähnlichen
Erscheinungen leiden. Es ist das Ziel dieser Erfindung, nicht nur
das Material an einem bestimmten Punkt des Materials, sondern das
gesamte verfügbare
Material bzw. einen wesentlichen Teil davon zu verbrauchen. Anstatt
das Material quer zum einfallenden Lichtstrahl zu bewegen und dadurch
den Lichtfleck zu einer anderen Stelle innerhalb des Materials zu
bewegen, wird hier ein sehr einfaches Verfahren beschrieben, den
Fleck über
das Material zu bewegen; mit diesem Verfahren ist es möglich, verschiedene
Punkte auf dem Material zu verwenden.
-
Was die einstellbaren optischen Mittel
betrifft, so besteht das Ziel darin, einfache, leicht zu fertigende
und leicht zu verwendende, einstellbare optische Mittel zu schaffen.
Von besonderem Interesse sind einstellbare optische Mittel mit Laserspiegeln, die
preiswert sind und ein Minimum von Einstellmitteln verwenden, dabei
aber noch einen bestimmten Grad von Einstellbarkeit zulassen.
-
Stand der Technik
-
Nichtlineare Optik: Viele nichtlineare
optische Kristalle, die zur Frequenzkonversion verwendet werden,
haben eine begrenzte Verwendbarkeit, wenn sie Licht einer bestimmten
Intensität
ausgesetzt werden.
-
Zum Beispiel wurde berichtet, dass
der gut bekannte Kristall Kaliumtitanylphosphat (KTiOPO4, KTP)
langfristig Degradationserscheinungen erleidet, die alle noch Gegenstand
von Untersuchungen sind und wovon eine „grey tracking" genannt worden ist. Im
Handel verwenden viele Laserquellen auf Neodymbasis, die durch Erzeugung
der zweiten Harmonischen ins Grüne
konvertiert werden, KTP als den Verdopplungskristall, und zwar sowohl
innerhalb als auch ausserhalb des Resonators, und haben wegen der
Degradationseigenschaften der KTP-Kristalle am Licht eine begrenzte
Langzeit-Betriebsdauer Langzeitliche Degradation ist oft auch für nichtlineare
Kristalle berichtet worden, die benutzt werden, um (Laser-)Licht
ins Ultraviolette zu konvertieren. Zum Beispiel ist Bariumbetaborat,
als BBO bekannt, für
diese Anwendung gut bekannt, aber über Zeitdauern in der Grössenordnung
von 100 oder 1000 Stunden hat es langzeitliche Degradationserscheinungen
gezeigt. In einigen Fällen
wurde das Problem gelöst,
indem der Kristall quer zum einfallenden Strahl bewegt wurde, was
dazu führt,
dass ein anderer Fleck „verbraucht" wird. Der Nachteil
besteht aber darin, dass gewöhnlich
der Kristall bewegt werden muss, während sein Ausrichtungswinkel
mit sehr hoher Genauigkeit aufrechterhalten werden muss, um die
optimale Frequenzkonversionsleistung zu gewährleisten. Oft müssen dazu
verhältnismässig kostspielige
Verschiebetische verwendet werden.
-
Halbleitermaterialien und -oberflächen: Halbleiter
haben gewöhnlich
eine niedrigere Schwelle für optische
Schäden
als andere optische Festkörpermaterialien
wie Laserkristalle oder optische Gläser. Die begrenzte Lebensdauer
von Laserdioden ist ebenfalls wohlbekannt, sie ist auf Degradationserscheinungen
im Volumen und an der Oberfläche
zurückzuführen und
zeigt wiederum, dass das Problem einer langzeitlichen Degradation
in Halbleitern spürbar
wird. Halbleitermaterialien werden auch zur Erzeugung ultrakurzer
Impulse durch Laser und insbesondere Festkörperlaser verwendet. Solche
Vorrichtungen sind zum Beispiel die SESAMs (sättigbare Halbleiter-Absorberspiegel),
für die
gefunden wurde, dass sie Impulse bei verschiedenen Wellenlängen in einer
Vielfalt von Lasersystemen erzeugen können. In einigen Veröffentlichungen
wurde darauf hingewiesen, dass ihre Lebensdauer begrenzt ist und
dass eine optische Degradation an der dem Laserstrahl ausgesetzten
Stelle eintritt. Wiederum würde
eine Querverschiebung des SESAMs zu einer anderen Position, an der
ein „frischer", umverbrauchter
Punkt verwendet wird, die Laserlebensdauer um einen Faktor erhöhen, der
der Anzahl von Malen entspricht, die der SESAM verschoben werden
kann. Jedoch sind Verschiebetische, die zu diesem Zweck verwendet werden,
kostspielig und ziemlich gross bzw. müssen ziemlich oft ersetzt werden.
-
Lineare und andere optische Materialien:
Abgesehen von den oben aufgezählten
Materialien treten je nach dem Materialtyp, der Einfalls- und/oder der
Spitzenintensität,
der Temperatur des Materials, der einfallenden Wellenlänge usw. ähnliche
Degradationserscheinungen auch in allen anderen Arten von optischen
Materialien auf. Zum Beispiel neigen ultraviolette Wellenlängen dazu,
viele optische Materialien mit der Zeit zu schädigen, wenn sie eine bestimmte
Intensität
erreichen. Auch in diesen Fällen war
die bisher angebotene Lösung
gewöhnlich
der Ersatz des Materials nach seinem Verbrauch bzw. die Querverschiebung.
-
Spiegelhalter und optische Halter:
Die am meisten verwendeten Spiegelhalter benötigen immer noch für jede einstellbare
Achse eine Einstellschraube. Zusätzlich
ist eine Feststellschraube erforderlich, um den eingestellten Spiegel
an Ort und Stelle zu halten. Des Weiteren müssen solche normalen Spiegelhalter
mit einer Befestigungsschraube auf der optischen Plattform oder
an einem Stativ befestigt werden. Spiegelhalter dieses Typs finden
sich im Angebot der meisten Händler
optomechischer Komponenten. Die Anzahl der Schrauben, die nötig sind,
um die Freiheit zu erlangen, alle nötigen Einstellungen durchführen zu
können,
führt aber
zu erhöhten
Kosten, komplizierteren Montageverfahren und einer grösseren Gefahr
des Versagens im Langzeitbetrieb. Daher wäre ein einstellbares optisches
Mittel mit einem Spiegelhalter erforderlich, bei dem ein Minimum an
Schrauben und Einstellmitteln eingesetzt wird, die eine Einstellung
innerhalb eines bestimmten Bereichs ermöglichen, ehe alle Schrauben
festgezogen werden.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf das
Gebiet von Optik und Lasern, wo der Laserstrahl durch ein Material
hindurchgeht oder von der Oberfläche
eines Materials reflektiert wird, das am Licht von begrenzter Haltbarkeit
ist. Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, beschreibt die Erfindung
eine einfache Methode, mit der der Lichtpunkt über das Material bewegt wird,
wodurch die Lebensdauer des Lasers oder optischen Systems erhöht wird,
da mehr als nur ein einzelner Punkt des gleichen Materials verwendet wird.
Diese Methode kann in Verbindung mit Materialien verwendet werden,
die innerhalb wie auch ausserhalb eines Laserresonators eingesetzt
werden, bzw. allgemein in allen Anwendungen, in denen Licht hoher
Intensität
auf einen Teil eines optischen Materials trifft.
-
Des Weiteren bezieht sich diese Erfindung auf
einstellbare optische Mittel mit optischen Komponenten. Ein einstellbares
optisches Mittel wird beschrieben, das zugleich einfach und stabil
ist. Für
ein solches einstellbares optisches Mittel wird nur ein Minimum
an Schrauben verwendet, zum Beispiel eine Feststellschraube und
eine Befestigungsschraube, aber keine Einstellschraube. Dennoch
ermöglicht das
einstellbare optische Mittel eine Einstellung sowohl des vertikalen
als auch des horizontalen Winkels der optischen Komponente innerhalb
eines bestimmten Bereichs. Die einstellbaren optischen Mittel beruhen
auf einer Stütztechnik
mit Doppel-V-Rillen, die die optische Komponente ohne Beeinträchtigung durch
Fertigungstoleranzen auf eine vorbestimmte Art und Weise an Ort
und Stelle halten.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 zeigt
das Prinzipschema der Erfindung;
-
2a zeigt
eine Möglichkeit,
das Schema der 1 für die Frequenzkonversion
zu verwenden;
-
2bα, 2bβ und 2bγ zeigen
den Aufbau der 2a in
einer mehr verallgemeinerten Form;
-
3 zeigt
die Fortpflanzung des frequenzkonvertierten Strahls und des Fundamentalstrahls
innerhalb des nichtlinearen optischen Materials;
-
4a, 4b und 4c zeigen das Prinzip eines erfindungsgemässen optischen
Halters, wobei 4a eine
Vorderansicht, 4b eine
Querschnittsansicht senkrecht zu 4a und 4c eine Draufsicht zeigt; 4d ist eine 4a entsprechende, alternative Ausführungsform;
-
5a, 5b und 5c zeigen in Übereinstimmung mit 4a, 4b und 4c eine
alternative Ausführungsform
für ein
einstellbares optisches Mittel, und
-
6a, 6b und 6c zeigen
in Übereinstimmung
mit 4a, 4b und 4c eine
dritte Alternative für ein
einstellbares optisches Mittel.
-
Beschreibung
der Erfindung
-
Aus 1 ist
das Schema dieser Erfindung ersichtlich. Hier wird ein reflektierendes
optisches Material 1 verwendet, das einfallendem Licht
ausgesetzt wird, das durch eine Linse 2 abgebildet oder
fokussiert wird. Wenn ein einfallender Strahl 3 gebündelt wird,
ehe er die Linse 2 erreicht, so fokussiert die Linse 2 den
einfallenden Strahl (je nach dem Grad der Bündelung) ungefähr auf einen
Punkt 4 auf dem optischen Material 1, wobei das
optische Material 1 ungefähr an einer Stelle angeordnet
ist, die sich in einem Abstand von der Linse 2 befindet,
der der Brennweite f entspricht. Wenn ein reflektierender Spiegel M1
in einem Abstand, der etwa der Brennweite f der Linse 2 entspricht,
vor diese Linse gestellt wird, dann kann der Punkt 4 auf
dem optischen (Laser-) Material 1 einfach dadurch verschoben
werden, indem der Winkel des reflektierenden Spiegels M1 eingestellt wird.
Wenn M1 sich in einem Abstand von der Linse befindet, der genau
dem Wert von f entspricht, dann verändert sich der Winkel der Fortpflanzungsachse 5 des
Strahls hinter der Linse 2 (und vor dem optischen Material 1)
gar nicht. Daher bewirkt jegliche Veränderung des Winkels des Spiegels
M1 eine direkte Veränderung
der Lage des Lichtflecks 4 auf dem optischen Material 1,
ohne die relative Lage der Fortpflanzungsachse 5 des Strahls
zu beeinflussen. Es erhellt, dass die Fertigungstoleranzen für den Spiegel
M1 unkritisch sind, da die relative Lage der Fortpflanzungsachse 5 des
Strahls unverändert
bleibt.
-
Das in 1 gezeigte
Schema kann zum Beispiel innerhalb eines Laserresonators verwendet werden,
also „intra
cavity". In einem
Stehwellen-Laserresonator kann das Schema der 1 das eine Ende des Resonators sein,
in welchem Falle das optische Material 1 bevorzugt so eingestellt
wird, dass es den Strahl auf sich selbst reflektiert (zurückreflektierter
Strahl 6), was der Laserbedingung entspricht. In einer
linearen oder Ringresonatorkonfiguration braucht alternativ die
Fortpflanzungsachse nicht notwendigerweise senkrecht zur reflektiertenden
Oberfläche
des optischen Materials zu sein. Das Schema der 1 kann innerhalb eines Laserresonators
in Verbindung mit einem sättigbaren
Halbleiter-Absorberspiegel (semiconductor saturable absorber mirror: SESAM)
als dem optischen Material verwendet werden (siehe „Semiconductor
Saturable Absorber Mirrors (SESAMs) for Femtosecond to Nanosecond
Pulse Generation in Solid-State Lasers" [Sättigbare Halbleiter-Absorberspiegel
für die
Erzeugung von Femto- bis Nanosekunden-Impulsen in Festkörperlasern], U. Keller, K.
Weingarten, F. X. Kärtner,
D. Kopf, B. Braun, I. Jung, R. Fluck, C. Hönninger, N. Matuschek, J. Aus
der Au, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,
Band 2, Nr. 3, Seiten 435 ff. (1996)). Jegliche Degradationserscheinung, die
nach einer gewissen Zeit an einem bestimmten Punkt auftritt, kann
umgangen werden, indem der Spiegel M1 geneigt wird und man sich
dadurch zu einem anderen Punkt bewegt. Diese Einstellung des Spiegels
M1 beeinträchtigt
nicht bzw. nicht wesentlich die Laserausrichtung, da die Laserbedingung weiter
erfüllt
ist (Zurückreflexion
auf sich selbst). Daher besitzt der Spiegel M1 die spezielle Eigenschaft, nicht
die Laserausrichtung, sondern nur die Lage des Punktes auf dem optischen
Material oder dem SESAM zu beeinflussen. Beim Vorliegen einer genügend grossen
SESAM-Fläche
kann dies zu einer wesentlichen Verbesserung des SESAMs und somit
der Lebensdauer des Lasersystems führen.
-
2a zeigt
eine Möglichkeit,
das in 1 beschriebene
Schema für
eine Frequenzkonversion zu verwenden, und zwar in Verbindung mit
einem nichtlinearen Kristall 1a, der als ein Beispiel des
optischen Materials in die Nähe
des Brennpunktes f der Linse 2 gebracht ist, auf den der
einfallende Strahl 3 fokussiert wird. In diesem Falle geht
der einfallende Strahl 3 durch den nichtlinearen Kristall 1a hindurch und
wird auf sich selbst zurückreflektiert,
zum Beispiel durch eine reflektierende Oberfläche 7, die sich an
der Rückseite
des nichtlinearen Kristalls 1a (wie in 2a) oder weiter entfernt (nicht gezeigt)
befinden kann. Die Ausrichtung des nichtlinearen Kristalls 1a, sein
Schnitt und seine Länge
können
mit den in der nichtlinearen Optikliteratur wohl bekannten Standardregeln
festgelegt werden. Bei gegebenen Parametern des einfallenden Strahles 3 und
der Brennweite f der Linse 2 können die Strahlenparameter
am Kristall unter Verwendung von Berechnungsformeln bestimmt werden,
die standardmässig
sind und die von Nutzen sind, um die Kristallparameter zu bestimmen,
mit denen eine optimale Frequenzumsetzung erhalten wird, wie in
der nichtlinearen Optikliteratur beschrieben. Dem Schema der 2a zufolge läuft der
frequenzkonvertierte Strahl 8 entlang der gleichen Achse
wie der einfallende Strahl 3 zurück, nachdem er den Spiegel
M 1 passiert hat. Dann können
die beiden Strahlen voneinander getrennt werden, indem zum Beispiel
ein dichroitischer Spiegel 9 oder ein polarisierender Strahlenteiler
verwendet wird. Das Schema hat wiederum den Vorteil, dass ungeachtet
der Neigung des Spiegels M1 und somit ungeachtet der Lage des verwendeten
Punktes 4 auf dem optischen Material 1 bzw. 1a
der zurückreflektierte
Strahl 6 (bzw. der frequenzkonvertierte Strahl 8) auf
der Achse verbleibt und seine Eigenschaften, zum Beispiel sein Strahlenprofil,
sich insgesamt nicht ändern.
Wenn aber für
die beiden Strahlen nicht die gleiche Achse gewählt wird, können andere Mittel dazu dienen,
sie voneinander zu trennen, zum Beispiel eine Spiegelkante.
-
Ein verallgemeinerter Aufbau ist
in 2b zu sehen, wo die Einzellinse 2 der 2a durch ein allgemeines
optisches Abbildungssystem ersetzt wurde, das durch eine Matrix
ABCD beschrieben wird (siehe Siegman, „Lasers", University Science Books, Seiten 581
ff.). Die Formelrechnung mit ABCD-Matrizen kennt man sowohl in der
Strahlenoptik als auch in der paraxialen Optik, sie wird benutzt,
um die Abbildung von Strahlen und von paraxialen Strahlenbündeln zu
berechnen.
-
In einer ersten Näherung wird die ABCD-Matrix
für die
Abbildung von Strahlen durch das optische System verwendet. Mit
den Formeln der ABCD-Matrizen kann allgemein jeder optische Strahl
(r, r') abgebildet
werden, wo r die Versetzung gegenüber der optischen Achse und
r' den Winkel des
Strahlenbündels bedeutet.
Nach Durchgang durch das mit der ABCD-Matrix
(siehe auch
1) beschriebene optische System ändern sich
die Versetzung und der Winkel des optischen Strahls, wie durch einfache
Matrixberechnungen zu berechnen:
-
Dies wird benutzt, um den Weg von
verschiedenen Strahlen zu berechnen, die von dem gleichen Punkt
des in seinem Winkel einstellbaren Spiegels M1 der 2a oder 2b ausgehen.
Diese Strahlen liegen alle auf der Achse und daher r = 0. Die verschiedenen
Winkel werden durch entsprechende, verschiedene Werte für r' berücksichtigt.
Auf den in seinem Winkel einstellbaren Spiegel M1 folgt das durch
die ABCD-Matrix beschriebene optische System. Die sich ergebenden,
heraustretenden Strahlenbündel
sollten nun alle parallel zur optischen Achse sein, wenn R' = 0, was zu der
Bedingung von Cr + Dr' =
0 führt.
Dies sollte für
alle r' gelten.
Wenn man berücksichtigt,
dass r = 0, dann führt
dies zu der Bedingung, dass D = 0. Verallgemeinert ausgedrückt, führt jedes
durch eine ABCD-Matrix mit D = 0 beschriebene optische System zu
Strahlenbündelwegen,
die den in 2a beschriebenen
analog sind.
-
In einer zweiten Näherung wird
die ABCD-Matrix verwendet, um die Grösse des Laserpunktes 4b am
Ort des ersten Kristalls 1b zu berechnen. Nach den in „Lasers" von Siegman gegebenen
Regeln kann der auf den in seinem Winkel einstellbaren Spiegel M1
fallende Laserstrahl anstelle der Parameter (r, r') mit den verallgemeinerten
Parametern (p, q) beschrieben werden. Mit diesen Laserstrahlparametern
kann die gleiche ABCD-Matrix nunmehr verwendet werden, um die Grösse des
Laserpunktes 4b auf dem Kristall 1b zu bestimmen.
Da D = 0 bereits festgelegt ist, können die anderen Parameter,
also A, B und C, so gewählt
werden, dass eine vorbestimmte Punktgrösse auf dem Kristall 1b erhalten
wird.
-
In den
2b alpha,
beta und gamma werden verschiedene mögliche Schemata gezeigt, die bei
Befolgung der oben gegebenen Richtlinien erhalten werden.
2b Beta zeigt ein Beispiel, wie zwei in
Reihe befindliche Kristalle durch den Laserstrahl beleuchtet werden
können,
der zuerst den in seinem Winkel einstellbaren Spiegel passiert,
dann ein erstes optisches System, das durch
beschrieben wird, danach
den ersten Kristall
1b, dem ein zweites optisches Abbildungssystem
und dann der zweite Kristall
1c folgen.
In diesem Falle sind die Bedingungen für das zweite optische Abbildungssystem
anders, weil das Ziel darin
besteht zu gewährleisten, dass
parallele Strahlen, die in das System eintreten, auch wieder als
parallele Strahlen herauskommen. Dies ist der Fall, wenn R' = 0 und daher C2
= 0.
2b gamma zeigt
eine einfache Ausführungsform, in
der zwei Linsen für
das zweite optische Abbildungssystem
verwendet werden.
-
Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden,
dass die erste Linse
10a in einer Entfernung L1, die ihrer
Brennweite entspricht, vom ersten Kristall
1b angeordnet
wird, die zweite Linse lOb von der ersten Linse durch einen Abstand
getrennt wird, der der Summe der Brennweiten der ersten und zweiten Linse,
L1 und L2, entspricht, und der zweite Kristall
1c in einer
Entfernung angeordnet wird, die der Brennweite L2 der zweiten Linse
lOb entspricht. In einem praktischen Aufbau zum Beispiel L1 = 11
mm, f1 = 11 mm, L2 = 11 + 8 = 19 mm, f2 = 8 mm und L3 = 8 mm. In
diesen Aufbauten können
die Eigenschaften des Laserstrahls am zweiten Kristall
1c ebenfalls
unter Benutzung der gleichen Matrix
für die Berechnung dieser Parameter
erhalten werden. Der Aufbau von
2b gamma
mit den obigen Parametern kann zum Beispiel dafür verwendet werden, aus gepulstem
infrarotem Laserlicht ultraviolettes Laserlicht zu erzeugen. Zu
diesem Zweck können nichtkritisch
phasenangepasstes LBO als der erste Kristall
1b und kritisch
phasenangepasstes LBO als der zweite Kristall
1c verwendet
werden.
-
In 2a wurde
jeglicher „walk-off" vernachlässigt, der
zwischen dem Fundamentalstrahl (d. h. dem einfallenden Strahl) und
dem frequenzkonvertierten Strahl innerhalb des optischen Materials
eintreten könnte,
was dazu führt,
dass die beiden Strahlen auf der gleichen Achse sind. Das gleiche
Schema kann aber verwendet werden, wenn sich „walk-off" (selbst starker „walk-off") ergibt. Selbst dann sind, wie in 3 gezeigt, der frequenzkonvertierte
Strahl 8 und der Fundamentalstrahl (der einfallende Strahl) 3 noch
auf der Achse. Der frequenzkonvertierte Strahl 8 folgt
innerhalb des nichtlinearen optischen Materials 1a einer
anderen Achse. Alle Strahlen verlassen das Material aber auf parallelen
Achsen, wie in 3 gezeigt.
Nachdem sie am Reflektor 7a reflektiert worden sind, werden
die zurücklaufenden Strahlen 8 und 3 schliesslich
in der gleichen Achse kombiniert, wenn sie aus der Vorderseite des
nichtlinearen optischen Materials 1a austreten. Die gleichen
Betrachtungen gelten, wenn die reflektierende Oberfläche 7a senkrecht
zu Achse des einfallenden Strahles 3 direkt an die Rückseite
des nichtlinearen optischen Materials 1a angefügt ist.
Diese Betrachtungen gelten auch für jede Art von doppelbrechendem
optischem Material, sie sind nicht notwendigerweise auf nichtlineare
optische Materialien beschränkt.
-
In allen oben beschriebenen und in
den Figuren gezeigten Schemata kann die Linse 2 allgemein auch
durch einen reflektierenden Spiegel mit entsprechender Brennweite
ersetzt werden. Auch brauchen die Linse oder der reflektierende,
fokussierende Spiegel nicht sphärisch
zu sein, was in vielen Anwendungen am üblichsten wäre. Auch eine zylindrische Linse
bzw. ein zylindrischer fokussierender Spiegel könnte verwendet werden, in welchem
Falle dann alle obigen Betrachtungen nur in einer Querrichtung gelten.
Des Weiteren muss die Linse keine plankonkave Linse sein, wie der
Einfachheit halber in allen Figuren gezeichnet, sondern könnte jede
Art eines fokussierenden Organs sein. Zum Beispiel wären achromatische
Linsen, Doppellinsen, zylindrische Linsen, Parabolspiegel and viele
weitere anwendbar. Linsen und Parabolspiegel, die für Aberrationen
korrigiert wurden, hätten
sogar Vorteile in dem Sinne, dass gegenüber anderen Linsentypen Winkelabweichungen
abseits von der Achse verringert werden können. Solange die Bedingungen
für die
ABCD-Matrix erfüllt
sind, wie oben beschrieben, könnte
alternativ ein Linsensystem eingesetzt werden.
-
Alle in den Figuren illustrierten
Merkmale können
willkürlich
kombiniert werden. Fachleute der Optik und Laserphysik finden möglicherweise
Lösungen,
die in den Bereich dieser Erfindung fallen.
-
4 zeigt
die technische Zeichnung eines möglichen
Ausbaus eines einfachen und stabilen, einstellbaren optischen Mittels,
das nur zwei Schrauben benötigt.
Das ein stellbare optische Mittel ist aus einem massiven Aluminiumblock
gearbeitet. Andere Materialien könnten
ebenfalls geeignet sein. Die Bearbeitung kann von drei Seiten her
erfolgen. Als nicht eingrenzendes Beispiel ist das einstellbare
optische Mittel, das in 4 gezeigt
ist, dafür
ausgelegt, eine optische Komponente 12 oder einen Laserspiegel
mit 12,7 mm Durchmesser und 9,5 mm Länge zu halten. Es versteht
sich, dass das einstellbare optische Mittel wesentlich grösser oder
kleiner sein kann. Ein erstes Loch H1, das zum Beispiel den Laserspiegel
aufnimmt, hat einen Durchmesser, der etwas grösser als 12,7 mm ist, zum Beispiel
13,5 mm, aber mit Ausnahme des erhöhten Abschnitts, auf dem der
Spiegel sitzen soll. Ein zweites Loch H2, das senkrecht zum ersten
Loch H1 verläuft,
unterteilt diesen erhöhten Abschnitt
in vier sich berührende
Flächen 11.
Wenn in das Loch H1 gebracht, ruht die optische Komponente auf diesen
vier definierten, sich berührenden Flächen 11 in
einer bestimmten Weise. Diese Flächen
können
von unterschiedlicher Gestalt sein, wie zum Beispiel punktartige
Flächen
oder V-förmige
Nuten (4d). Die optische
Komponente 12 kann so gewählt werden, dass eine oder
beide ihrer Oberflächen 14 keilförmig sind
(die gepunktete Linie in 4b).
Dann führt
eine Drehung der optischen Komponente 12 um ihre Achse,
wie in 4b mit dem kreisförmigen Pfeil
zur Rechten angedeutet, zu einer Feinveränderung des vertikalen Winkels
der Keilfläche 14.
Auf diese Art und Weise hat eine Feineinstellung des vertikalen
Winkels der Keilflächen
zu erfolgen, ehe eine Feststellschraube 13a auf der Oberseite
des einstellbaren optischen Mittels fixiert wird. Nachdem der vertikale
Winkel und die Feststellschraube 13a fixiert sind, kann
das einstellbare optische Mittel noch horizontal gedreht und eingestellt werden,
und es wird schliesslich mit einer zweiten Schraube 13b an
einer optischen Plattform oder an einem Stativ (nicht gezeigt) fixiert.
-
Die optische Komponente 12 kann
zum Beispiel ein Laserspiegel sein, bei dem die Keilfläche mit einer
reflektierenden Beschichtung für
die interessierende Wellenlänge
versehen ist. Die optische Komponente könnte auch in Transmission anstatt
in Reflexion verwendet werden, in welchem Falle der Oberflächenwinkel
wiederum durch einen Keil vorabgestimmt werden kann. Jegliche andere
optische Materialien können
in ähnlicher
Weise verwendet werden.
-
Ein weiterer Aufbau für ein einstellbares
optisches Mittel ist in 5 gezeigt.
Nur das erste Loch H1 zur Aufnahme einer optischen Komponente steht zur
Verfügung,
während
die berührenden
Flächen
als zwei parallele Abschnitte zum Abstützen der optischen Komponente 12 gestaltet
sind. Ein einstellbares optisches Mittel dieses Typs hat den Vorteil,
dass es besonders einfach herzustellen ist. Es kann durch Bearbeitung
von lediglich zwei Seiten her gefertigt werden.
-
6 zeigt
eine dritte Alternative für
ein einstellbares optisches Mittel, wo das erste Loch H1' als einfaches Loch
ohne einen hervorstehenden stützenden
Abschnitt wie in den vorangehenden beiden Ausführungsformen gestaltet ist.
Dieses erste Loch H1' kann
dann so gestaltet werden, dass die optische Komponente 12 straff
hineinpasst, wobei die Feststellschraube 13a die Komponente
an Ort und Stelle hält.
-
Alternativ kann ein Kleber anstelle
der oder zusätzlich
zur Feststellschraube 13a verwendet werden. Wenn ein Kleber
allein verwendet wird, so ergibt sich ein einstellbares optisches
Mittel mit einem Spiegel, das lediglich eine einzige Schraube für die Montage
des einstellbaren optischen Mittels auf die optische Plattform erfordert.
Ehe der Kleber getrocknet ist, kann der Winkel der Keilfläche noch
vertikal eingestellt werden, indem die optische Komponente um ihre
Achse gedreht wird.
-
Alle oben erwähnten Merkmale können allgemein
willkürlich
kombiniert werden. Weiter können Merkmale
von einstellbaren optischen Mitteln, die fachbekannt sind, mit Merkmalen
dieser Erfindung kombiniert werden.
-
Anwendungsbeispiele
-
Diese Erfindung kann in Lasersystemen
oder optischen Systemen verwendet werden. Insbesondere dann, wenn
solche Systeme ein optisches Material enthalten, das am Licht mit
der Zeit angegriffen wird, kann diese Erfindung eine einfache Lösung dafür darstellen,
die Gesamtlebensdauer des Lasersystems oder des optischen Systems
zu verlängern.
Beispielsweise hat in einem typischen, einen SESAM verwendenden
Laser zur Erzeugung von Pico- oder Femtosekundenimpulsen der Strahl
einen Durchmesser in der Grössenordnung
von vielleicht 100 Mikrometern. Die Gesamtfläche des SESAM kann aber viel
grösser
als der Fleck unter dem Laserstrahl sein. Mit einem SESAM in der
Grösse
von beispielsweise 5 mm × 5
mm ergeben sich ungefähr
625 Flecken auf der SESAM-Oberfläche, die
ausgenutzt werden können.
Daraus ergeben sich 625 000 Betriebsstunden, wenn angenommen wird,
dass jeder Fleck etwa 1000 Betriebsstunden durchhält.
-
Im Falle optischer Materialien, die
inhomogen sind, kann diese Erfindung dazu verwendet werden, einen
guten Punkt zu suchen oder schlechte Punkte zu vermeiden, indem
M1 geneigt wird, bis die erwünschte
Punktqualität
erreicht ist.
-
Ein weiteres Beispiel ist die Erzeugung
von ultraviolettem Licht (UV) mit dem Aufbau der 2a. Um eine nichtlineare optische Frequenzkonversion aus
dem Grünen
ins UV zu erreichen, kann in der Konfiguration der 2a zum Beispiel BBO als das optische
Material verwendet werden. M1 ist sowohl für das einfallende grüne Licht
als auch für
das zurückreflektierte,
frequenz-verdoppelte ultraviolette Licht reflektierend gemacht.
Die Linse ist für
beide Wellenlängen
durchlässig
gemacht. Das in BBO auftretende „walk-off" wird gemäss dem Schema der 3 kompensiert. Der dichroitische
Spiegel kann verwendet werden, um die beiden Wellenlängen zu trennen.
Als eine Alternative kann M1 für
das UV hochdurchlässig,
aber für
die einfallende Wellenlänge
reflektierend gemacht werden, in welchem Falle M1 als ein dichroitischer
Spiegel wirken würde.
Allerdings würde
dann jede Neigung von M1 zu einer Änderung der Richtung des herauskommenden
UV führen.
-
Ein asymmetrischer Strahl würde innerhalb des
optischen Materials erzeugt, wenn eine zylindrische Linse oder ein
zylindrischer Spiegel oder aber irgendein anderes fokussierendes
Organ verwendet wird, das nur in einer Querrichtung wirkt. Das kann
zu einer Reihe von Vorteilen führen:
In einem optischen Material wie einem nichtlinearen optischen Kristall können die
unterschiedlichen Eigenschaften des Strahlenbündels in den beiden Querrichtungen
gemäss
den Standardformeln der nichtlinearen Optik getrennt gut an die
Anforderungen für
eine optimale Frequenzkonversion angepasst werden. Zum Beispiel
ist die Winkelakzeptanz für
eine Frequenzkonversion in einem optischen Material in der vertikalen Querrichtung
möglicherweise
grösser
als in der horizontalen Richtung, in welchem Falle eine stärkere Fokussierbedingung
bevorzugt in der vertikalen Richtung verwendet wird. Desgleichen
tritt „walk-off" möglicherweise
vorwiegend in der einen Querrichtung auf, in welchem Falle die Fokussierbedingung ebenfalls
an den „Walk-off"-Winkel angepasst werden kann. Ein asymmetrischer
Strahl innerhalb eines vertikal zusammengedrückten nichtlinearen optischen
Kristalls kann zu einem eindimensionalen Wärmefluss führen, der die thermische Belastung
erhöht,
die der Kristall im Vergleich zu radialer Kühlung aufnehmen kann.
-
Das in dieser Erfindung beschriebene
einstellbare optische Mittel kann in Kombination mit dem ersten
Ziel der Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel kann es als ein
einstellbares optisches Mittel für
das optische Material in einem Aufbau wie dem in 1 bis 3 beschriebenen
verwendet werden.
