DE1923466A1 - Transversalschwingungsform-Zwangskopplung und Strahlabtastung in optischen Sendern oder Verstaerkern mit stimulierbarem Medium - Google Patents

Description

Western Electric Company lHCorporated kamin ο τ» ϊ-8 195 Broadway, Hew York T, Έ. Y./U.S.A.

Transversalschwingungsform-Zwangskopplung und Strahl— abtastung in optischen Sendern oder Verstärkern mit stimulierbarem Medium .

Die Erfindung bezieht sieJü. auf l¹ransversalschwingungsform-Zwangskopplung (transverse mode-locking) und Straiilabtastung in optischen Sendern oder Verstärkern mit stimulierbarem Medium (Laser).

Eines der aussicntsreicasten Anwendungsgebiete des Lasers ist die Nachrichtenübertragungstechnik, wo die bei optischen Frequenzen verfügbaren hoLien Bandbreiten praktisen unbegrenzte Informationsübertragung gestatten. Die Information kann auf einen optischen Strahl nacii allgemein bekannten Amplituden- oder i'requenzmodulationsmetiioden aufmoduliert werden, jedoca ist die Pulskodemodulation wegen iarer offensicatlicaen Vorteile eine bevorzugte Methode und b.at desiialo die einschlägigen Fachleute zur ointwiotelung eine« im. DauerR+riohbetrieb gepulsten Lasers, α.Λ. eines solciien Lasers angeregt, dessen Ausgang ein Impulszug ist, der als dsr !"rager bei einem mit PuIskodsmOdulation aroei^endea optisoaen übertragungssystem aianen -könntej :ier^Toei ^ird der Imaulazug durch, selektives eliminieren von Impulsea entsprechend der zu übertro-genden Information kodiert;.

vielleicht größte js: i*ol_ö beim itealten eines im Dauer ^!-ri.;uuetr.ieu _&epuluteu jüa.issrb wird ij.ii. hargrove

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zugeeeiirieben, der gefunden itatte, daß" die" Longitudinal— seJavsingungsi'ormen eines Lasers la" der Paase zwangsgeiLoppelt, alc?o püasenstarr gekoppelt sind und einen .aus-" gang simp als ug erzeugten, weiia sie üei der vfiivo.ngung->x'oriaabstaiiäsfrequenz ma-auiiert vjeraen. ,largroves Vex— vvendujg eii)ss akust χ teilen Xntr&resonator—Moaula^ory zu aieseia Z^eciß: ist Detc: _£rieoeni in aem. Artikel "iockijag" ox Ke-fie iaser uodes Iziaiaeeti sj üyno-roiius iBtracavit;/ Modulaitioja," Jj. jS. nargroTe- st al, Applied Puysics Letters 5, 4 (1964). Daraofriin uaben andere i'orsciier im einzelnen das PrasenzwangekopplimgE-Pjcänomen urji-ersucxit, wie dieses siaa auit die Lon i'oriaeB eines Lasers Dezie^t:. aie.ie "üiiaracteristios of Mode Cioapleci Lasers," ii. ^. üro".7ell,. i^ü^, J. Quaatuia Kleo-i-roaxcs, '4^i-I, 12 (I90-,;. ^ε viurae srkaaiii;, aaS eine Loü£itiiG.ijo.is-'-i"~fingur;gix⁼ormzwjas2cMopp— lang, die Loa^ituainaleaergxever·⁴" eilliag iiuier::alß ά^ε .lOi^iraujsareeocators veranlaßt, aux eia einzelnes iinargie— pE-ket oaer elnea eioaelaea Impuls begrenzt zu weraan, der zfflisc^eri üen iteEOBatorspifegslii ~a.n tica zier läux'~ una .jeaes &ai einen ^.usgaüg.aiiapu.lK erzeugt, "w'enn er &tu' aiiie der bpiegel aux"triff-;. 'u&h- -^eiiBt, das ÄU-^gang&c-ignai" iu't ein Impuls au einer ImpalEwisaerüOluugsxrequeaz e/2L, wenn e die Lic^xtgescawinaigkeit uaci ^i "axe "Rundreise¹¹— ifegläi3ge bedeuten. i)ie iMpulebreite &te:at mit der des i'requenζ spektrums im ausgang in aiigelceiirter OtJgleiüü der IntraresoBator—Impuls ein longituäi—

nalbegrenztes jlnergiepaket ist_r ist er ^edocä flicht aux"

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irgendeinen speziellen jjereicii innerhalb der Systemaper tür -transversal begrenzt, d.n. die Energie des Intraresonator-Impulses ist in transversaler EieJxtung über die ganze Systemapertur verteilt.

Die Auffassung der Paeuwelt, daß die Longitudinalschwingungsform-Zwangskopplung eine Hetnode zum ürhalt eines PÜM-Trägers ist, natte zum Ergebnis, daß nur wenig Anstrengung gemacht worden ist, um die liöglie jkeiten einer phasen starren Kopplung der Sransversalschwingungsformerj eines Lasers zu erforschen. Alles was hierüber Dericiiset worden ist, richtete sich auf eine Selost-Zwangskopplung transversaler Scliwingungsformen, d.h. eine pnasenstarre Kopplung wurae bei Ee.ilen von jeglicäer Modulation oder anderer bewußter btörungen άβε Lagere oeobaptite-*-. Öiene iiierzu den Artikel von K. Kohiyama et al.τ "belf-Loeking ox iranενerse .äguer-Orcer Modes in a He-iie Laser," Proc. IEias 56, 333 (196b). Die beouajiitete Selbst-Zwangskopplun^, ist jeaocji weder vorausr.egbar noch zuverlässig und kann lei c»"t auf eine Betrieos- aact umschalten, in w.elc.ier die iransversalsenwinginiigsrormen freilaufend sind.

Ini Gegensatz .ierzu rioa^et sie., die Erfindung auf den LSr..alt einer erzwungenen phasen starrem Kopplung der

n (ä.ü, einer phasen sparren Kopplung, die duro. gewisse "oewu3~e und gesteuerte S⁺Orungsj:: aee Larers errei.;..^ weräöii), sowie auf die

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Anwendung dieses Phänomens bei Stralilabtastungsvorrichtungen»

Demgemäß wird eine Shwingungsformzwangskopplung einer bestimmten Transversalschwingungsformsymmetriegruppe in einem Laser-Oszillator durch eine Intrasesonator-'Jiransversalstörung erreicht, die sieh, zeitlich mit der Sransversalschwingungsformabstandsfrequenz ändert. Mit Symmetriegruppe ist hier beispielsweise die rechteckig symmetrische l'EM-öchwingungsformgruppe I'EMqq, TEMq^ 'I¹BMq₂ gemeint. Bezüglich einer Analyse, die zeigt, daß die !Frequenz für jedes Paar benachbarter Iransversalsc'rwingungsformen gleich ist, sieixe "Generalized Oonfocal Resonator Theory," Bo.yd & Kogelnik, Bell System Technical Journal, 41, 1347 (1962). Die Störung kann atweder ein transversaler Gradient der optischen Phasenverschiebung oder der optischen Dämpfung sein. Ein Phasenverschiebungsgradient kanh durch einen elektrischen Feldgradienten und/oder durch einen G-radienten der optischen Weglänge erzeugt werden. Ein Dämpfungsgradient kann andererseits durch einen Polarisator in Kombination mit einem optischen Verzögerungsgradienten erzeugt werden.

Iransversalseiiwingungsformzwangskopplung kann in einem Laser-Oszillator durcn einen Intraresonior-Pnasenmodulator mit einem elektrooptischen Kristall, typischerweise Kaliummonopnosp:;at (kDP; erreicat weraen, in welchem ein transversaler G-raaient des ^reciiungsinaexes durch rapol-relaaiiornriune aufrecjuteri.-.alte.a wira.

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Das heißt, zwei gegeneinander um 180° phasenverschobene Spannungen werden an gegenüberliegende Flächen des Kristalls und längs dessen o-Achse angelegt, die quer zur Strahlrichtung verläuft. Im allgemeinen wird der Lichtstrahl längs der induzierten optischen Hauptachse, z.B. der x^f- oder y¹-Achse für OP polarisiert. Wenn sich die angelegten elektrischen Felder bei der iransversalschwingungsformabstandsfrequenz ändern, dann werden die Iransversalschwingungsformen phastenstarr gekoppelt werden und im Laser eine zeitabhängige Energieverteilung erzeugen, die gekennzeichnet ist durcn einen längeren Energiebereich, der sich zwischen den Reflektoren des Hohlraumresonators erstreckt. Der längliche Bereich nimmt im Querschnitt nur einen kleinen Seil der Laser-Apertur ein und bildet daher einen kohärenten Liciitfleck auf den Reflektoren. Weil der längliche Ber-eicn transversal im Resonator schwingt, und zwar mit der sicu transversal ändernden störung scuritthaltend, läuft der Liciitfleck über, die Reflektoren, tastet diese also au, weiche ihrerseits teilaurcnlässig gemacht werden können, so daß der Lichtfleck eine geeignete Verbrau-•.j...ereinriciitung, z.B. eine optiscne SpeiCiiermatrix aotasten kann. AIn Paar solcher Modulatoren, die mit ihren u-Achöen zueinander orthogonal angeordnet sind, wurden zwei ortao^onale Sransversalschwingungsform-S.yijimetriegruppen oefähigen, zwangsgekoppelt zu werden. 2wei abtaut ende Lichtflecke wurden dann erhalten werden.

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ils wurde gefunden, daß die Größe des kohärenten Licrrtfleeks annähernd gleich der Groß« des von der 5Dransversalgrundschwingungsform erzeugten Idcatflecks ist. Zusätzlich ist die Anzahl auflösbarer ±d entflecke annänerjad gleich aer Anzalil im Hohlraumresonator paa sen-starr gekoppelter Zransversalsciai/singungsforitteii. Dauer ist es nunsehenswert, die Anzahl schwingender Sransversalsciiwingungsformen zu erliöiien, was bedinge, daß die xransversalschwingungsformabs^andsfrequenza.f., kleingemacht wird, damit alle i'ransversalsehröigungsiormen ua\>er die Verstärkuagskur^e fallen. j)ie letztere Eorderung wird durch eioen aaüeza kojazeatrisciaen HoiilrauunTesoaa— tor erfüllt, der naiieza entartet ist, ά.ϊχ. daß alle Sciiwingungsformen bei annäiaernd der gleichen ii'req^uenz liegen und daß die Sir answer sal se msingungsformab stand sfrequenz klein ist im Tergleich zur LongituainalscmsiingungsformabstaadsfreqttenzÄf-r. Damit der Stranl glatt und nicht diskret abtastet, ist es wünschenswert, daß nur eine einzige Ijongitudinalsciiwingungsform im Resonator schwingt (beispielsweise durch Verkürzen der- Eesonatorlänge derart, daß e/21 =Afr größer ist als die las er-Ban dbreitφ

'üransyersalschwingungsformzwangskopplung kann auch durch die Verwendung eines Int rare sonator-Däjppfungs- oder Amplitudenmodulators ereicnt werden, der wiederum einen elektrooptischen Kristall, wie KDtP, in Quadrupolanordnung entüält, wobei aber die c-Acn.se parallel zur Fort-

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I f *

pflanzungsrichtung des Mchtes ist, das vorzugsweise unter einem Winkel von 45° zu den kristallographischen x¹- und y¹-Achsen des KDP-Kristalls polarisiert ist. Im allgemeinen wird das Dicht bei 45° zur induzierten optischen Hauptachse des elektrooptisehen Kristalls polarisiert. Siehe beispielsweise den Artikel "Electrooptlc Light Modulators,¹¹ von Kaminow und Eurner, Applied Optics, 5, 1612 (1966).

Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und in der Zeichnung beschrieben! es zeigens

Eig. 1,2 und 3 schematische Ansichten der Energieverteilung im nicht zwangsgekoppelten, longitudinalzwangsgekoppelten und transversalz^angsgeköppelten Zustand,

Fig. 4 einen Dämpfungsmodulator

KLg- 5 eine Draufsicht auf den Ausgangsspiegel der Anordnung nach Eigur 4, zur Darstellung der Art und Weise auf,welcne der üchtstraiilfleck abtastet,

EIg. 6 eine schematische Ansicht des Dämpfungsmodulators nach ELg. 4,

Eig. , ein Diagramm zur Darstellung der kristallograpiiisciien Acnse in Beziehung zu den verschiedenen Feldriciitungen, wie diese si en auf die Ausfünrungsform nach SIg. 4 beziehen,

EIg. 8 ein Diagramm der Zeitabhängigkeit der optischen Dämpfung für den oberen, uateren und mittleren

Bereit: öes AmolitttdenmooulB^ors nae>. i'igrj 4, .. 909847/0932 .JWDORKWMAL '

Pig. 9 und 10 Diagramme zur Darstellung der durchgelassenen Intensität über der Verzögerungskonstante, für die optische Vorspannung.EuIl bzw. für endliche optische Vorspannung,

Fig.11 ein Paar Phasenmodulatoren

Fig.12 eine Scnrägansicht eines der Phasenmodulatoren ' nach Fig. 11 ,

Fig. 13 ein Diagramm der kristallographischen Achsen in bezug auf die verschiedenen Feldrichtungen, wie sie mit den Ausführungsformen nach Fig. 11 und 12 in Beziehung stehen,

Fig.14 Ansichten von Quadrupol-Phasenmodulatoren,

Fig. 1t) eine scnematiscne Ansicht eines weiten Phasenmodulators und

Fig. 16 ein Diagramm der krist allograph! seilen Achsen in uezieiung zu den verschiedenen Feldrichtungen, wie diese sich auf die Anordnung nach Fig. 15 beziehen.

Vor der ins einzelne genenden Beschreibung der Erfindung erscheint es nützlich, die Energieverteilung in einem-ÜaRer-.ionlraumreEonator in ihren verschiedenen zwangsgekoppelten und nicxjt zwangsgekoppelten Schwingungsformzuständen zu betrachten. Figur 1 zeigt die Energieverteii lung oaer longituäinale Stranlform für einen nicht zwangsgekoppelten Laser. Die energie ist sowohl über die Longitudinal- als auch die 'xransversalctimension des Resonators verteilt, v;ooei die letztere durc.j die effektive U6F o;/L. ami ce^renst ist.

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BADORierNAL

Wenn die Longitudinalschwingungsformen des Lasers in der Phase zwangsgekoppelt sind, würde die Energie immer noch, über die ganze ifrausversaldimensiqn verteilt, aber auf nur ein schmales Energiepaket oder Impuls in der Longitudinaldimension oegrenzt sein, wie dieses in I¹Xg. 2 dargestelüfcijst. Dieses Jänergiepateb oder dieser Impuls schwingt in Longitudinalrichtung und läuft zwischen den Resonatorspiegeln hin und her. Jedes Mal wenn der Impuls auf einen der Spiegel, beispielsweise auf den recnten Spiegel auftrifft, erzeugt er einen Ausgangsimpuls, also alle 2Ii/c Bekunden einen Impuls.

Im Gegensatz hierzu ist, wenn eine üymmetriegruppe der iL'ransversalscriwingungsformen eines in einer einzigen Longitudinalsüliwinguflgsform schwingenden Lasers phasenstarr gekoppelt sind, die Energie gleicnförmig über die Longitudinaldimension verteilt, aber in der i'ransversalüimension auf einen verlängerten xsereicii begrenzt, wie dieser in ilg. 3 dargestellt ist, der in iTransversalricii-Tung mit der i'ransversalschwingungsformabstandsfrequenz i;.. schwingt.. I st der spiegel teil durchlässig., so ist cis Ausgangssignal ein Li ent strahl, der üoer den Ausgangspiegel hin und ner st τ ei ent, diesen also abtastet.

Amplituden- oder Dämpfun^smoαulator

Wie erwärmt, vdrd eine fransversalscnwinguiigsform-Zwangskopplung einer Symmetriegruppe von i'ransversal-

scawingungsformen erreicht durch Erzeugen einer jBrans-9 0^847/^3 2 M>QtmA

versalen Störung im !Resonator, die sick zeitlich, mit der !'ransversalschwingtrngsformaostandsfreqiuenz ändert. Bs ist zu beachten, daß uaerwünschte^iransversalschwiagungsformen, z.B. jene der nientausgewäiilten Symmetriegruppe, unterdrückt werden können durcii die Einfügung einer geeigneten Apertur im Hohlraumresonator. Bin Dämpfungsmodulator, bei welchem die transversale Störung ein Gradient der optischen Phasen-Verzögerung is-fr, ist in Piguren 4 und 6 dargestellt. Der Madilator, siehe Eig. 6, weist einen elektrooptischen Kristall 12 in Kombination mit einem Polarisator 14 (z.B. einen Kalzitkristall, dessen Prismeneintrittsfläciie gegenüber dem einfallenden "Li eilt unter d^ni Brew st er'seilen ¥fiLnkel geneigt ist; auf. Der Einfachheit halber sei für die nachstehende- üescareibung angenommen, daß der Kristall 12 ein KDP-Kristall ist. Zwei gegeneinander um 180° in der 3?iiase versciiofeeiie Spannungen werden an gegenüberliegeaäe WlJsicnen des Kristalls 12 von einem Signalgenerator 16 zugeführt. Im EaIIe von KDP ist das Feld parallel zur kristallograpniscüen c-Achse, die aucii die lücntstrahlfatpflanzungsriciitungist, siehe Big. 7. Zusätzlich ist das einfallende licJxt vorzugsweise indder Bbene der und unter 45 zu. den kri— stallograpJaischen x'- und y'-ilchsen polarisiert, um die Größe der PJiasenverzögerung des LicirtStrahls durch den Kristall hinduroh zu maximal! si er en (d.h.. um die S-röße des senkrecht zur JOrtpflanzungsriciitung des Lichtes polarisierte Lichtm'enge zu maximalisieren).

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¥H.e in Pig. 4 dargestellt, befindet sich der Dämpfungsmodulator 10 in einem Hohlraumresonator, der durch, ein Paar im Abstand gelegener sphärischer Spiegel 20 und 22 gebildet ist, wobei der Spiegel 22 teildurciilässig ist. Zur Minimalisierung der Reflexionsverluste wird ein Dreieckprisma 18, dessen Eintrittsfläehe unter dem BrewsterIschen Winkel geneigt ist» in Kombination mit dem Modulator 10 verwendet. Ein aktives (stimulierbares) Medium ist im Behälter 24 zur Erzeugung kohärenten Idcht#s nach allgemein bekannten Methoden eingeschlossen. Des weiteren sorgt eine Verzögerungsplatte 1^r/ (z.B. eine doppelbrechende Kristallplatte, wie Quarz) für eine optische Dämpfungsvorspannung, deren Zweck nachstehend noch erläutert wird. Die Hatte 17 liegt vorzugsweise zwischen dem Spiegel 20 und dein Polarisator I9.

Beim Betrieb erzeugt der Signalgenerator 16 eine Spannung, die bei der Transversalschviingungsformabstandsfrequenz schwingt. Die Spannung erzeugt nach ihrem Anlegen an den Kristall 12 in der dargestellten Weise einen transversalen Phasen-Gradienten der optischen Dämpfungsverzögerung, der sicn zeit Ii cn mit der 2ransversalschwingungsformabstandsfrequenz ändeft. Die Änderung in der Phasen-Verzögerung erzeugt Änderungen in der Polarisation des Id.ciitstranls, dernden Kristall passiert. Da der Polarisator 14 Licat einer bevorzugten Polarisation selektiv durchläßt, erfahren die Seile des Liöktstrajals, die in Polarisation gedreüt worden sind, eine Dämpfung,

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während die !Delle der bevorzugten Polarisation wenig ." <₍ oder gar keine Dämpfung erfahren.

Daß verschiedene Teile des gleichen Strahls verschiedenen Dämpfungen unterliegen, rührt von der. Tatsache her, daß der sich zeitlich ändernde Gradient der Phaeenverzögerung in Kombination mit dem Polarisator 14 einen transversalen G-radienten der optischen Dämpfung erzeugt, der sich gleichfalls zeitlich mit der TransversalschwingungsformabstandsfrequenzAfm ändert. Dieses Phänomen kann aniiand der Figuren 8 bis 10 leichter verstanden werden. In Pig-. 8 ist die optische Dämpfung als Punktion der Zeit für den oberen, unteren und mittleren Bereich des Dämpfungsmodulators aufgetragen und die Dämpfungsänderungen sind jeweils mit L₁^₁, L^ und L^ bezeichnet. Die Dämpfung L_n im Mittelbereich ist zeitlich konstant und wird hauptsäciilioQ durch die Phasenverzögerungsplatte (in Kombination mit dem Polarisator) erzeugt, der eine gewisse konstante Pnasenverzögerung)f q einführt, die ihrerseits einer fixierten Dämpfung entspricht. Im oberen Bereich des Kristalls 12 erzeugt jedocn zu einem gegebenen Zeitpunkt das angelegte Feld eine zusätzliche Phasenverzögerung, die eine zusätzliche Dämpfung erzeugt, welche sicii zu Lq hinzu addiert. Das gleiche Feld ist 180°später in der Richtung umgekehrt und erzeugt daher eine zusätzliche Phasenverzögerung, die sich von · _Q abzieht und daher die Dämpfung kleiner als L^, werden läßt. Die resultierende Kurve ist mit L_fp bezeichnet. In ähnlicher

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Weise folgt die Dämpfungsänderung für den unteren [Ceil der Kurve Lg, die gegenüber der Kurve I^ um 180° außer Phase ist. D$r Licht strahl bevorzugt natürlich Bereiche minimaler Dämpfung, folglich passiert zum Zeitpunkt t-g, ■wenn die Dämpfung im unteren Kristallbereich kleiner ist als sonst irgendwo im Kristall, der Strahl nur den unteren Bereich. Einige Zeit t„, später ist die Dämpfung im oberen Bereich des Kristalls kleiner als irgendwo sonst im Kristall. Folglich läuft der Strahl nur durch den oberen Bereich. Da die Dämpfungsänderungen allmählich sind, ist die Wirkung die, daß der Strahl glatt hin und her vom oberen zum unteren Bereich des Kristalls 12 streicht und zwar bei der l'ransversalschwingungsformabstandsfreq.uenz.

Daß die Yerzb'gerungsplatt.e 17 bevorzugt ist, ergibt sich leicht anhand der Figuren 9 und 10,'die zeigen, daß die Intensität des durch parallele Polarisatoren (Prismen 14 und 18) durchgelassenen Lichtes eine Funktion sin (K/2) der Phasenverzögerungskonstante If ist. Bei fehlender Platte 17 ist bei Fehlen jeglicher' dem Kristall 12 zugeführter Spannung^ nahezu Null und die Intensität des durchgelassenen Lichtes ist ein Maximum Iq. Wird eine Spannung angelegt, so ist die Intensität des durchgelassenen Licntes (I und I ) die gleiche sowohl in den Bereichen, in den das Feld positiv ist " als auch in den Bereichen, in denen das Feld negativ ist. Daher würden'die Dämpfungen im oberen und unte-

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ren Bereich immer gleich, sein und sich synchron Mü«= dem, statt ungleich zu sein und sich alt 180° &uje? Phase zu-ändern. Diese Situation nird durch die Einfügung einer optischen Vorspannung korrigiert, die fixierte Phasenverzögerung^f q einführt, wie dieses in Fig. 10 dargestellt ist. 3Jun erzeugen die peitiven und negativen Felder ungleiche durchgelesene Intensitäten I₊ und I_, folglich ungleiche Dämpfungen im oberen und unteren Bereich des Kristalls. Der letztere Zustand ist selbstverständlich bevorzugt, um einen'sich seitlieh ändernden Gradienten der optischen Dämpfung zu erieugen.

Die optische Vorspannung kann auch entweder durch Drehen der c-Achse (für KDP) erzeugt werden derart, ä&B diese nicht mehr mit der Lichtfortpflanzungerichtung parallel ist, oder durch Drehen der Polarisation des Lichtes erzeugt werden derart, daß diese nicht mehr parallel zur Achse des Polarisatore ist. ■ '

Folglich wird es nur demjenigen Seil dee Strahles ermöglicht, zu existieren, der sich sohritthaltend mit der sich transversal ändernden Dämpfungsstörung fortpflanzt. Bs entsteht daher ein sich längs ©retreckender Äährenförmiger Energiebereich, der schritthaltend mit der Störung in transversaler Hichtung schwingt. Wie in Fig. 4 dargestellt, kann der Strahl oder der röhrenförmige Bereich in einem gegebenen Moment charakterisiert werden durch den Weg K.., wenn sich aber der Dämpfungsbereich

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-■ 15 *-

bewegt j lirä dsr Weg des röhrtnförisigen Bereichs ii Bpittr gi*ioii Kj uöW« Im Ergebnis ist

dir Yoisioirtani eiß Lichtfleck, der über BBpiegtlihinnegatreicht (s. Fig. 5).

tf|uyadttlatör

Bin abt&etehdar Strahl kann durch Phasenmodulation der ißranefer aal schwingung-isf ormen ebenso wie durch Amp lit uai»modulatipn erhalten werden, wobei Aber die Abtast i% tatiachlioh eine Strahlneigung im Gegensatζ au der daroh β·η Aeplituäenmodulator erzeugten seitlichen Tersetzungiet.

Sin PJbiasenmodulator ist in Figur 12 dargestellt. Wieder werden jswei um 180° gegeneinander phasenverschobene S^MiHungen an gegenüberliegende Flächen eines elektro- #|itiBöhen Kristalle 350 Ton einem nicht dargestellten Sigrtii^genöre.tor aiigtlfttfc*t«¹WiQ vorhin sei ein KDP-Kristall ^noamtn, und A*,* I^Xfi wird länge der c-Achse angelegt, ätakreoht ittr iortpflanKungeriehtang dee Lichtstrahls stiiit* Ia allgÄHtinen wiacÄ ftas Licht längs der induziertii\ »ptlsohen HftUptaohBe dee elektrooptischen Kri stalls pollM^tiieit. Wie in S¹IgUr 1J dargestellt ist, ist, wenn ■ dig*ftpfotstrahl l&nge der f«-Achse verlauft,. das Lient voi*agsweise längs der ac¹-Achse polarisiert. Die Wirkung des elektrischen Feldes ist, Änderungen im Brecnungi?- index des Kristalle iu erzeugen, üie Änderungen der ü-eücnwindigkei+ üep sich fortpflanzenaen Lichte- ixiau -

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zieren. Im üJffekt werden daher Änderungen der optischen .Weglänge durch den Kristall erzeugt. Beispielsweise können zu einem beliebigen Zeitpunkt die Felder so sein, daß der Brechungsindex im oberen Bereich des Kristalls größer ist als im unteren, was bedeutet, daß der Kristall im oberen Bereicn länger zu sein scheint als im unteren Bereicxi, d.n. er erscheint dem Kristall gegenüber als Keilform. FoIgIicn wird der strahl geschwenkt.

Zum i/'rhalt einer 'ransversalscjawingungsform-Zwangskopplung wird dae Feld wiederum mi-· der iransversalschwingungRformabstandtl'requenz geändert, aber zusätzlich wird aer üo^lraumresonator des Lasers vorzugsweise nahezu konzentrisch gemacnt (α.η, der bpiegelabetand iet annänernd gieicn dem Doppelten des Krümmungeradiue der Spiegel), ebenso kurz genug, so daß nur eine einzige Longitudinalecawingungsform zu äonwingungen angeregt werden kann. Die letztere Forderung stellt sicner, daß axe Strahlschwenkung oder -abtastung glatt und nicnt diskret verläuft, während die erstere Forderung sicherstellt, daß die xransversalBCuwingungsformresonanzen naxxezu in der Frequenz entartet sind und deshalb alle iransversalscnwingungsformen existieren (a.h. βε wird siciiergestellt, daö4 f.-, « c/2List).

Der Pnasenmodulator kann verschiedene Betriebsarten oder ytranlab^astuiigen erzeugen, und zwar in Abhängigkei" νori 6er Re o^s-crkor.figura^ion unci eier Anordnung 909847/093^ BAD 0R18INAL

Λ ,

eines oder mehrerer Modulatoren. In Pig. 11 ist beispielsweise ein Paar Phasenmodulatoren 32 und 34 vorgesehen, die» wenn beiAf,_T und mit 180° außer Phase gegeneinander durch eine nicht dargestellte Signalquelle betrieben, eine Transversalsohwingungsform-Zwangskopplung eines engen röhrenförmigen Bereichs oder Strahls erzeugen, der seinerseits in einer Richtung über den Spiegel 36 streicht und in der anderen Richtung über den Spiegel 38. Der Resonator ist vorzugsweise nahezu konzentrisch und die Modulatoren sind vorzugsweise in einer Entfernung vom Strahleinsciinürungspunkt angeordnet, die gleich etwa der Hälfte des koniokalen Parameters des Hohlraumes ist. Der Strahleinsciinürungspunkt ist der Ort des minimalen Strahlquersotinittes oder der minimalen ffleckgröße. Der konfokale Parameter ist mit Hilfe des Abstandes zwiscnen dem Strahleinschnürungspunkt und einer Stelle definiert, in welcher die lüeckgroße gleich dem 2 ' -fachen der Pleckgröße im ötrahleinschnürungspunkt ist. Die tatsächliche Größe des könfokalen Parameters ist das Doppelte der vorerwähnten Entfernung und liegt symmetrisch zur Strahleinschnürstelle. Die Anordnung des P-i.asenmödulators beim halben konfokalen Parameter, gerechnet vom btraiileinschnürpunkt aus, bringt den Modulator in einen .bereich eines nanezu maximalen Strahlabtastwinkels. In ähnlicher Weise (s* 3?ig. H) kann ein einzelner Phasenmodulator 40 zum Erhalt einer 'i'ransversälsohwingungeform~2wangskopplung und Strahlabtastung benutzt werden j wenn er in einem nanezu konzentriscnen Resonator,

BAD ORJQlNAL

der durch ein Paar im Abstand gelegener spÜSriscner Spiegel 42 und 44 gebildet ist, angeordnet wird. Der Modulator veranlaßt, wenn bei der Transversälschwingungsformabstandsfrequenz betrieben, den Strahl, über beide Spiegel in der gleichen Richtung und bei einer Frequenz gleicht fm zu streichen (s. die dargestellten Pfeile). Der Modulator ist vorzugsweise langer als die in Hg* 11 dargestellten, um sicherzustellen, daß die Modulatorenden an den Punkten des konfokalen Parameters liegen, d.h. wenn 1 die Länge des Modulatorkii'stalls ist, dann ist vorgezogen, daß 1 größer oder gleich b ist, wenn b der konfokale Parameter bedeutet.

Weitere Aus führung si'or in des Phasenmodul at Q rs

Wie anhand des Phasenmodulators nach Fig. 1 2-beschrie-» ~ ben worden ist, ist die Wirkung des zugeführten elektrischen Feldes die, daß der elektrooptische Kristall dem Lichtstrahl als Keilform erscneint und folglich eine Strahlschwenkung und Scnwingungsform-Zwangskopplung erzeugt. Wie in Fig. 15 dargestellt, kann ein ähnlicnes Resultat erhalten werden durcn. die Verwendung eines Paares dreieckiger Prismen 50 und 52 aus elektroopti- scnen Material, wooei jedes Prisma auf gegenüberliegenden parallelen Flächen Elektroden angeordnet hat, um dadurch im Effekt einen Keil zu erzeugen* Die Prismen sind durch ein Medium, hier luft,, getrennt, dessen Permiabilität viel kleiner ist als die des Prismenmaterialsj um Feldstreifung zu reduzieren.

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Bit duroh ein elektrisches Feld in jedem Prisma erzeugten Breohungelndexänderungen «erden eine Schwenkung des Strahls rerUrsachen, und zwar in der gleichen Weise •it YOrhin, und ebthso eine phasenstarre Kopplung der fransvtrsalechwingungsfarmen, wenn die Brechungsindex- tnderungen belj f_£ und um 180° gegeneinander außer Fhase alt Hilfe eines nicht dargestellten Signalgenera- tors erieugt «erden. Wie in Fig. 16 dargestellt, wird, wenn die Kri et al Ip riemen aus KEP sind, das Feld längs deren o-Achsen angelegt, die senkrecht zur Fortpi'lan- cungeriohtung des Lichtes längs den y¹-Achsen sind, und Aas Licht «ird längs den χ'-Αούεβη polarisiert. Obgleich . «in einilges dieser Dreieck-Prismen eine Schwingungsform-

iMAf!kopplung und Strahlschwenkung erzeugen würde, j Vttrde der Ausgangsstrahl bei dem Feld Null gebrochen , «erden statt «it dem Eingangsstraül kollinear zu laufen.

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Claims (1)

1. Patentansprücxie

   i.jOptischer Strahlabtaster mit einem Laser-Oszillator, aer einen Resonator, in welchem kohärente Licht schwingungen bei einer Mehrzahl transversaler Schwingungsformen auftreten, aufweist, wobei jede dieser Sohwingungsformen von ihren benachbarten Schwingungsformen jeweils den gleichen Frequenzabstand haben, und wobei Mittel zum Auskoppeln der Energie aus dem Resonator vorgesehen sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erzeugen einer transversalen Störung im Resonator, aie si cn. zeitlicii mit der i'ransversalschwingungsform-Abstandsfrequenz ändert, um daduron eine phasenstarre Kopplung der [Transversal Schwingungsformen zu verursachen und einen länglicnen Energiebereich zu erzeugen, der sich in Längsricntung des Resonators erstreckt und nierin transversal bei der Snmngungsafast and sfrequenz schwingt.

   2. Strahlabtaster nacn Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störungseinrichtung durch einen Dämpfungs^ modulator gebildet ist, der im Strahlengang angeord-. net ist und in welcaem die Störung ein transversaler Gradient der optischen Dämpfung ist, die sich zeitlich mit der iransversalscJiwingungsform-Abstandsfrequenz ändert.

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   3. Optischer Strahlabtaster nach Anspruch 2, dadurcn. gekennzeichnet, daß der D impf ungsmodulator einen elektrooptischen Kristall aufweist, ferner Mittel zum Zuführen einer Spannung bei der [Eransversalschwingungsformabstandsfreq.uenz zu dem Kristall, um ein elektrisches Feld längs einer Achse desselben zu erzeugen und Brechungsindexänderungen zu induzieren, um dadurch eine Phssenverzögerung des durch den Kristall durchgelassenen Lichtes zu verursachen, und schließlich einen Polarisator zum selektiven Durchlassen von Lieht einer bevorzugten Polarisation.

   4· Optischer Strahlabtaster nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Feld erzeugt wird durch Mittel zum Anlegen einer Spannung der einen Phase an eine Fläche des Kristalls und zum Zuführen einer hiergegen um 180 phasenverschobenen Spannung an die gegenüberliegende Fläche, wobei die Spannungen ein elektrisches , Feld in einer Richtung erzeugen, derart, daß Brechungsindexänderungen im Kristall induziert werden, und daß Mittel zum Polarisieren des hierdurch hindurchgelassenen Lichtes unter etwa 45° gegenüber der induzierten optischen Hauptachse 'des Kristalls vorgesehen sind.

   ?. Optischer Btrahlabtaster nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall aus Kaliummonophosphat mit k±istallograph!sehen x¹-, y¹- und c-Acnsen aufge-_ baut ist, wobei die c-Achse parallel sowohl zur Rieh-

   k 11 ο 9 3 2 \bad or&inal

   tung des elektrischen Feldes ale auch zur lichtfortpflanzungsrichtung ist und die Polarisation des Llchtes in der Ebene der x'-y¹-Achsen gelegen und unter
   einem Winkel zu diesen Achsen von annähernd 45° orientiert ist.

   6. Optischer Strahlabtaster nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Erzeugen einer optischen Dämpfungsvorspannung in dem Modulator vorgesehen sind.

   7. Optischer Strahlabtaster nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Dämpfungsvorspannung
   durch eine Phasenverzögerungsplatte gebildet ist, die im Lichtfortpflanzungsweg angeordnet ist.

   8. Optischer Strahlabtaster nacn Ansprucn 1, dadurch'ge- , kennzeichnet, daß die Störungeeinrichtung durch einen im Lichtweg angeordneten Phasenmodulator gebildet ist, in welchem die [transversalstörung ein transversaler
   Gradient der optischen Weglänge ist, die sich zeitlich mit der Transversalschwingungsform-Abstandsfreguenz
   ändert.

   9. Optisaner Strahlabtaster nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Phasenmddulator zumindest .edu^en elektrooptischen Kristall aufweist, ferner Mittel _tζ um Anlegen einer Spannung an den Kristall bei der iransversalschwingungsformabstandsfrequenz, wobei die- -S'päh-nung ein elektrisches PeId in einer Richtung derart «

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   erzeugt, daß Brechungsindexänderungen in dem Kristall induziert Herden, sowie Mittel zum Polarisieren des duroh'den Kristall durchgelassenen Lichtes längs der induzierten optischen Hauptachse des Kristalls.

   10.Optischer Strahlabtaster nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld erzeugt wird durch Mittel zum Inlegen einer Spannung der einen Pnase •n eine Fläche des Kristalls und zum Anlegen einer Hiergegen um 180° phasenverschobenen Spannung an die entgegengesetzte Fläche, wobei die Spannungen ein elektrisches Feld in einer Kicntung erzeugen, um Brechungsindexänderungen in dem Kristall zu erzeugen, und daß Mittel zum Polarisieren des durch den Kristall durchgelassenen IdLelites längs der induzierten optischen Hauptachse des Ktistalls vorgesehen sind.

   11.Optischer ßtrahlabtaster nacn Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall als Kaliummonopnosphat ■it kristallographiscnen ac¹-, y¹- una c-Achsen vorliegt, wobei die c-Aonse parallel zur Ricntung der elektrischen Felder verläuft, ferner x'-Acuse parallel zur Polarisation dee durch den Kristall duroogelassenen Idcutes sowie die y¹ -Achse parallel zur l'ortpflanzungsricatung des Lichtes üurau den Kristall. ο r

   S^rahlabtaster nacn Anspruch 9, dadurch geie^,, -daß der Pjaasenmoäula-or einen ele'tc+roop

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   tiscxien Kristall aufweist, der zentral innerhalb des iiorilraumresonators angeordnet ist und eine Länge besitzt, die zumindest so groß ist wie der konfokale Parameter des Resonators.

   3·Optischer Strahlabtaster nach Anspruch. 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator weitgehend konzentrisch i st.

   14.0ptiscner Strahlabtaster nach Anspruch 9» dadurch gekennzeicxinet, daß der Phasenmodulator durch ein Paar elektrooptiscrier Kristalle gebildet ist, von denen der eine auf der Resonatorachse in einer Entfernung in der einen Ricntung angeordnet ist, die gleich dem halben konfokalen Parameter, gerechnet vom Strahleinschnürungspunkt aus, ist, und von denen der andere auf der Resonatorachse in der gleichen Entfernung in der anderen Richtung angeordnet ist, und daß die Kristalle mit gegenseitiger 180° Phasenverschiebung betrieben werden.

   1p.Optiscner Strahlabtaster nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß die Felderzeugungsmittel ein Paar dreieckig geformter elektrooptiseher Prismen aufweisen, die im Lichtfortpflanzungsweg angeordnet sind, daß ein die schiefen Fläciien der Prismen trennendes Medium vorgesehen ist, das niedrigere Permeabilität als das Material der Prismen besitzt,_xö.aß i£ittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in -edem der Prismen längs einer Achse vorgesenen sind, um !ßrecnungsindexänderun-

   i/e.'j in öei. Prieme.: ^u induzieren, und daß itittel 909847/0932

   zum Polarisieren des sich, längs der induzierten optischen Hauptachse der Prismen fortpflanzenden Lichtes vorgesehen sind.

   16. Optischer Strahlabtaster nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser-Oszillator dafür ausgelegt ist, hauptsächlich in einer vorausgewählten Symmetriegruppe von Iransversalschwingungsformen zu schwingen.

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