DE3013217A1 - LASER DEVICE - Google Patents
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Description
Patentanwälte Dipl. log. Hans-Jürgen Mfiller Dr. rer. net. Thomas Berendt Patent attorneys Dipl. Log. Hans-Jürgen Mfiller Dr. rer. net. Thomas Berendt
Dr.-Big. Hans Leyh LvcIf*-Grahn'-StraBe38 OSMOndianW Dr.-Big. Hans Leyh LvcIf * -Grahn'-StraBe38 OSMOndianW
Unser Zeichen: A 14 Lh/fiOur reference: A 14 Lh / fi
Ferranti LimitedFerranti Limited
Hollinwood, Lancashire, EnglandHollinwood, Lancashire, England
Laser-VorrichtungLaser device
030044/0662030044/0662
Perranti Ltd. - A 14 370 -Perranti Ltd. - A 14 370 -
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft eine Laser-Vorrichtung, insbesondere eine robuste, gegen Schwingungen widerstandsfähige Laser-Vorrichtung. The invention relates to a laser device, in particular a robust, vibration-resistant laser device.
Laser werden in vielen Anwendungsfällen benutzt und sie sind in manchen Fällen beträchtlichen Schwingungen ausgesetzt. Es ist oft erforderlich, die Ausrichtung oder Fluchtung der optischen Komponenten, die einen Laserhohlraum bilden, sehr genau aufrechtzuerhalten und dies führt zu Problemen wenn Schwingungen auftreten. In vielen Fällen sind Konstruktionen, die ausreichend stabil oder steif gehalten sind, um Schwingungen zu widerstehen, zu massiv und zu schwer für die praktische Benut *.ung. Dies gilt besonders dann, wenn Größe und Gewicht wichtig sind, beispielsweise in Luftfahrzeugen.Lasers are used in many applications and in some cases they are subjected to significant vibrations. It is often necessary to adjust the alignment or alignment of the optical components that make up a laser cavity very accurately and this leads to problems when vibrations occur. In many cases, constructions which are sufficiently stable or stiff to withstand vibrations, too massive and too heavy for practical use Usage. This is especially true when considering height and weight are important, for example in aircraft.
Die Länge der optischen Bahn, die durch einen Laserhohlraum gebildet wird, ist ein Faktor, der die Eigenschaften des Laser-Ausganges bestimmt und es ist häufig notwendig, einen Hohlraum größerer Länge vorzusehen, als der zur Verfügung stehende Raum zuläßt. Dieses Problem kann überwunden werden durch Falten bzw. Hin- und Herführen der optischen Bahn mit Hilfe von Spiegeln oder Prismen verschiedener Arten. In den meisten Fällen müssen diese jedoch genau positioniert werden. Eine Ausnahme ergibt sich dann, wenn ein Prisma verwendet wird, das als Eck-Kubus bekannt ist, da die entsprechenden Richtungen der optischen Eingangs- und Ausgangsachsen durch eine begrenzte Bewegung des Eck-Kubus-Prismas (corner cube prism) nicht beeinflußt werden.The length of the optical path formed by a laser cavity is one factor that affects the properties of the Laser output is determined and it is often necessary to provide a cavity of greater length than the one available standing room. This problem can be overcome by folding the optical path back and forth with it Using mirrors or prisms of various types. In most cases, however, these need to be precisely positioned. An exception arises when a prism is used, which is known as a corner cube, because the corresponding Directions of the optical input and output axes through a limited movement of the corner cube prism (corner cube prism) are not affected.
Das Problem kann noch stärker werden, wnn mehr als eine Umlenkung der optischen Bahn erforderlich ist.The problem can be exacerbated if more than one deflection of the optical path is required.
- 2 030044/0662 - 2 030044/0662
-S--S-
Nach der Erfindung ist ein Laser vorgesehen, der ein Paar rechtwinklige End-Pri?-nen aufweist/ ferner ein Eck-Prisma und ein Umlenk-Prism*, die zusammen einen doppelt umgelenkten optischen Hohlrair* bilden, in welchem ein Strahl, der vom einen End-Prisma zum andern läuft, einmal durch das Eck-Prisma und zweimal durch das ümlenk-Prisma hindurchläuft, wobei die rechtwinkligen Prismen so angeordnet sind, daß ihre Scheitet linien normal zur optischen Achse des Lasers liegen, ferner mit einem aktiven Medium in dem optischen Hohlraum, Einrichtungen zum Anregen des aktiven Mediums zur Erzeugung einer Laserstrahlung, sowie mit einem strahlteilenden Polarisator in dem optischen Hohlraum, um einen Teil der Strahlung aus dem optischen Hohlraum abzulenken, um einen Ausgangsstrahl zu bilden. Das Xubusförmige Prisma oder Eck-Prisma und das ümlenk-Prisma können so angeordnet sein, daß die Bahnen der Strahlung, die in das Ümlenk-Prisma eintreten oder es verlassen, in zwei parallelen Ebenen liegen.According to the invention, a laser is provided which has a pair has right-angled end prisms / furthermore a corner prism and a deflecting prism *, which together form a double deflected optical hollow space * in which a ray emanating from the one end prism to the other runs, once through the corner prism and twice through the deflecting prism, with the Right-angled prisms are arranged so that their Scheit lines are normal to the optical axis of the laser, further with an active medium in the optical cavity, means for exciting the active medium to be generated a laser radiation, as well as with a beam-splitting polarizer in the optical cavity to a part of the Deflecting radiation from the optical cavity to form an output beam. The Xubus-shaped prism or corner prism and the deflecting prism may be arranged so that the paths of radiation entering the deflecting prism or leave it lying in two parallel planes.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in derAn example embodiment of the invention is explained below with reference to the drawing in which
Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform eines Lasers zeigt.1 schematically shows a first embodiment of a laser shows.
Fig. 2 zeigt in gleicher Ansicht eine zweite Ausführungsform undFig. 2 shows a second embodiment in the same view and
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform.Fig. 3 shows a third embodiment.
Fig. 1 zeigt einen Laser mit Doppelfaltung (double-fold) nach der Erfindung. Der optische Hohlraum des Lasers ist durch ein Paar rechtwinkliger End-Prismen P1 und P2 definiert, bei denen jeweils ihre Scheitellinie senkrecht zur optischen Achse des Lasers verläuft. In dem durch die beiden PrismenFig. 1 shows a double-fold laser according to the invention. The optical cavity of the laser is defined by a pair of right-angled end prisms P1 and P2, each of which has its apex line perpendicular to the optical axis of the laser. In that through the two prisms
- 3 030044/0662 - 3 030044/0662
-C--C-
definierten optischen Hohlraum ist ein Umlenk-Prisma FP in Form eines rechtwinkligen Prismas angeordnet sowie ein Eck-Kubus-Prisma CP. Die Positionen und Ausrichtungen der beiden Prismen FP und CP sind derart, daß eine vom End-Prisma P1 reflektierte Strahlung durch das Umlenk-Prisma FP zum Eck-Prisma CP und dann zurück über das Umlenk-Prisma FP zum anderen End-Prisma P2 läuft. Das aktive Lasermedium ist ein Stab R aus einem Material, wie z.B. Nd.YAG., das durch Licht aus einer Blitzröhre FT erregt wird und eine gepulste oder kontinuierliche Strahlung erzeugt. Das aktive Medium kann i«SSt irgendeinem der vier Arme der optischen Bahn angeordnet sein. Da die End-Prismen P1 und P2 total reflektierend sind, ist ein Strahlteilungs-Polarisator BS im optischen Hohlraum angeordnet, um einen Laser-Ausgangsstrahl LO zu erzeugen. Der Polarisator kann beispielsweise ein Nicol'sches Prisma sein.Defined optical cavity, a deflecting prism FP is arranged in the form of a right-angled prism and a corner cube prism CP. The positions and orientations of the two prisms FP and CP are such that radiation reflected from the end prism P1 runs through the deflecting prism FP to the corner prism CP and then back over the deflecting prism FP to the other end prism P2. The active laser medium is a rod R made of a material such as Nd.YAG., Which is excited by light from a flash tube FT and generates pulsed or continuous radiation. The active medium can be located in any of the four arms of the optical path. Since the end prisms P1 and P2 are totally reflective, a beam splitting polarizer BS is arranged in the optical cavity to generate a laser output beam LO. The polarizer can be, for example, a Nicol prism.
Die Anordnung arbeitet wie folgt.The arrangement works as follows.
Unabhängig von der Polarisation der Strahlung, die von dem Laserstrahl R austritt, liegt der Effekt der totalen Innenreflexion entweder durch das Umlenkprisma FP oder das Eck-Prisma CP darin, eine elliptische Polarisierung mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen der beiden Komponenten der polarisierten Strahlung zu erzeugen. Jede totale Innenreflexion erzeugt weitere, jedoch unterschiedliche Phasenverschiebungen der beiden Komponenten. Die Strahlung, die den Polarisator BS von dem Umlenkprisma FP erreicht, ist daher elliptisch polarisiert. Der Strahlteiler ist ausgerichtet, so daß seine Durchgangsebene mit der Polarisationsebene von einer der Komponenten der elliptisch polarisierten Strahlung zusammenfällt,und diese Komponente läuft durch den Strahlteiler BS zum End-Prisma P2. Bei der anderen Komponente der elliptisch polarisierten Strahlung liegt ihre Polarisationsebene senkrecht zu der Durchgangsebene des Strahlteilers BS undThe effect of total internal reflection is independent of the polarization of the radiation that emerges from the laser beam R either through the deflecting prism FP or the corner prism CP therein, an elliptical polarization with different To generate phase shifts of the two components of the polarized radiation. Every total internal reflection generates further but different phase shifts of the two components. The radiation that reaches the polarizer BS from the deflecting prism FP, is therefore elliptically polarized. The beam splitter is aligned so that its plane of passage coincides with the plane of polarization of one of the components of the elliptically polarized radiation coincides, and this component passes through the beam splitter BS to the end prism P2. The other component of the elliptically polarized radiation is its plane of polarization perpendicular to the plane of passage of the beam splitter BS and
- 4 030044/0662 - 4 030044/0662
sie wird aus dem optischen Hohlraum hinaus reflektiert und bildet den Ausgangsst- >hl LO.it is reflected out of the optical cavity and forms the starting point > hl LO.
Der beschriebene "aser ist sehr robust, da die Prismen relativ stabil sind und er ist weitgehend unempfindlich gegen begrenzte Bewegungen der Prismen. Die Ebene, die die vier Arme oder Schenkel der optischen Bahn enthält, wird als Ketroreflektive Ebene des Umlenkprismas FP bezeichnet, und es ist ein Merkmal dieser Art von Prismen, daß eine begrenzte Drehung um eine Achse RA, die senkrecht zu dieser Ebene liegt, keine Auswirkung auf die Richtungen der vier Arme der optischen Bahn hat. In gleicher Weise hat eine Drehung des Umlenk-Prismas um eine Achse parallel zu einem dieser Arme keinen Einfluß solange diese Bewegung klein genug ist, daß eine Reflexion an den rechteckigen Flächen des Prismas erfolgen kann, wie dargestellt. Eine Ebene senkrecht zu der retro-reflektiven Ebene und zu den Achsen der vier Arme der optischen Bahn wird als Spiegel-Ebene des Umlenk-Prismas bezeichnet» Eine Drehung des Umlenk-Prismas in dieser Ebene führt zu einer Richtungsänderung der Achsen der optischen Bahn. Das Eck-Prisma CP bleibt jedoch vollständig unbeeinflußt von einer solchen Drehung,und infolge des doppelten Durchganges der Strahlung durch das Umlenk-Prisma bleibt die Richtung des Laser-Ausgangsstrahles LO unverändert. Die Kombination aus dem Umlenk-Prisma und dem Eck-Prisma in der vorstehend beschriebenen Weise macht daher den Laser unempfindlich gegenüber Bewegungen dieser beiden Prismen. In gleicher Weise sind die beiden End-Prismen P1 und P1, die mit totaler Innenreflexion arbeiten, relativ unempfindlich gegen eine begrenzte Fehl-Fluchtung.The described "aser is very robust because the prisms are relatively are stable and it is largely insensitive to limited movements of the prisms. The plane that the four arms or legs of the optical pathway is called ketroreflective The plane of the deflecting prism is called FP, and it is a feature of this type of prism that a limited Rotation about an axis RA which is perpendicular to this plane has no effect on the directions of the four arms the optical path has. In the same way, a rotation of the deflecting prism about an axis parallel to one of these has Arms have no effect as long as this movement is small enough that a reflection on the rectangular faces of the prism can be done as shown. A plane perpendicular to the retro-reflective plane and to the axes of the four arms of the optical path is called the mirror plane of the deflecting prism »A rotation of the deflecting prism in this plane leads to a change in direction of the axes of the optical path. The corner prism CP remains completely unaffected by such a rotation, and as a result of the double passage of the radiation through the deflecting prism, the direction of the remains Laser output beam LO unchanged. The combination of the deflecting prism and the corner prism in the one described above Thus, way makes the laser insensitive to movements of these two prisms. The two end prisms are in the same way P1 and P1, which work with total internal reflection, relatively insensitive to limited misalignment.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform, die gegenüber derjenigen nach Fig. 1 zwei Modifizierungen enthält. Diese können einzeln oder zusammen verwendet werden. Der Laserstab R und die Blitzröhre FT nach Fig. 1 sind ersetzt worden durch ein durch Ent-Fig. 2 shows a second embodiment, the opposite of that according to Fig. 1 contains two modifications. These can be used individually or together. The laser rod R and the flash tube FT according to Fig. 1 have been replaced by a
030044/0662030044/0662
-t--t-
ladungen erregtes gasförmiges aktives Medium, das in einer Röhre FT enthalten ist, die Stirnfenster im Brewster-Winkel aufweist. Diese Art einer Röhre wird benutzt, um einen kontinuierlichen Ausgang zu erhalten. Der optische Hohlraum umfaßt ebenfalls ein Q-Schaltgerät QS, das benutzt werden kann, um den Laserausgang LO ein-* und auszuschalten. Wegen der Polarisierungseffekte, die zur Erhaltung des Laserausganges benutzt werden, sollten die schnelle und die langsame Achse des Q-Schalters vorzugsweise korrekt fluchten, wobei seine schnelle Achse parallel zur Scheitellinie einer der End-Prismen liegen sollte.Charges excited gaseous active medium contained in a tube FT, the front window at Brewster's angle having. This type of tube is used to obtain a continuous output. The optical cavity also includes a Q-switching device QS that are used can to switch the laser output LO on * and off. Because of the polarization effects that help preserve the laser output are used, the fast and slow axes of the Q-switch should preferably be correctly aligned, where its fast axis should be parallel to the vertex of one of the end prisms.
Eine dritte Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt, in welcher das aktive Lasermedium schematisch mit AM bezeichnet ist. In dieser Ausführungsform wird das Eck-Prisma CP benutzt, um eine Umlenkung in einer Ebene senkrecht zu derjenigen der Umlenkung zu erzeugen, die durch das Umlenk-Prisma FP eingeführt wird, so daß zwei retro-reflektive Ebenen mit denselben Eigenschaften erzeugt werden. Ein Vorteil dieser Anordnung ist der, daß die Bahnlänge der Strahlung in dem Material des Prismas und damit die Dämpfung reduziert wird. Ferner kann das Umlenk-Prisma, obwohl es evtl. größer ist, kegelstumpfförmig ausgebildet sein, wodurch die Gesamtlänge des Lasers verringert wird.A third embodiment is shown in FIG. 3, in which the active laser medium is schematically denoted by AM is. In this embodiment, the corner prism CP is used to deflect in a plane perpendicular to that to generate the deflection, which is introduced by the deflecting prism FP, so that two retro-reflective planes with the same properties can be generated. An advantage of this arrangement is that the path length of the radiation in the Material of the prism and thus the attenuation is reduced. Furthermore, the deflecting prism, although it may be larger, can be frustoconical, reducing the overall length of the laser is reduced.
Wie bereits erwähnt, können jede einzelne oder mehrere der beschriebenen Modifikationen in der Grundausführung nach Fig. 1 verwendet werden. Andere auf dem Gebiet der Laser bekannten Modifikationen können ebenfalls verwendet werden.As mentioned earlier, any one or more of the described modifications in the basic version of FIG. 1 can be used. Others known in the laser field Modifications can also be used.
Es ist möglich, den Ausgang des Lasers durch Drehung der End-Prismen zu verändern, so daß der Zusammenhang zwischen der Durchtrittsebene des Strahlteilers BS und den Polarisationsebenen der beiden Komponenten der elliptisch polarisierten Strahlung verändert wird.It is possible to control the output of the laser by rotating the end prisms to change, so that the relationship between the plane of passage of the beam splitter BS and the planes of polarization of the two components of the elliptically polarized Radiation is changed.
- 6 030044/0662 - 6 030044/0662
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