DE1928665B2 - Optischer resonanzreflektor mit periodischer charakteristik - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen esonanzreflektor mit periodischer Charakteristik.

Reflektoren dieser ArI linden in der ()ptik als moden- :lektive Reflektoren bei optischen Resonatoren, als ichtfillcr u.dgl. Verwendung. Nachdem es gelungen t. mit Hilfe des Lasers kohärente optische Wellen (^ oher Leistung zu erzeugen, haben derartige Rcflektren eine erhöhte praktische Bedeutung gewonnen.

Bekanntlich besieht ein Laser aus einem aktixen Medium, das innerhalb eines optischen Resnnaiurs angeordnet ist. Die erwünschte stimulierte Strahlung wird dadurch gewonnen, daß auf das stimuli erbare Medium die Energie einer Pumpenenergiequelle einwirkt und hierdurch die Tür die Anregung der stimulierten Strahlung erforderliche Inversion seiner Lner-■Meniveaus herbeigeführt wird. Im allgemeinen sind innerhalb des Resonators eine Vielzahl von axialen und transversalen Moden anregungsfah.g. Die Anregunesbedingungen Tür diese Vielzahl von Moden kann nun dadurch erheblich eingeschränkt werden. daß wenigstens einer der den optischen Resonator darstellenden beiden Spiegel als modenselektivcr Resonanzreflektor ausgebildet ist.

Eine einfache Ausführungsform eines optischen Resonanzreflektors ist der sogenannte dielektrische Spiegel der aus mehreren, auf einen Glasträger aufgedampften Schichten aus lichtdurchlässigem Material besteht. Durch die Anzahl der Schichten, den Brechunesindex des verwendeten Schichtmaterials sowie durch die Dicke der Schichten lassen sich derartige Spiegel in weiten Grenzen an die jeweiligen Gegebenheiten optimal anpassen. Sie haben jedoch den Nachteil daß sie bei größeren Belastungen rasch zerstört werden b/v.. ihre reflektierenden Eigenschaft..- in unerwünschter Weise ändern.

Fs ist bereits bekannt. Resonanzreflekioren mn periodischer Charakteristik dadurch herzustellen, daß zwei ode/ mehr planparallele Glasplatten nach Art eines Plattenpaketes unter Wahrung gleicher gegenseitiger Abstände zusammengefügt werden. Solche Plalten-Resonanzreflektoren halten auch noch Belastungen stand, die beim Auftreffen eines von einem Riesenimpulslaser erzeugten Lichtimpulses auftreten. Wie einschlägige Untersuchungen zeigen, weisen solche Reflektoren ein Reflexionsverhalten auf. dessen periodische Struktur außerordentlich vielgestaltig im Sinne starker Schwankungen der über der Frequenz unmittelbar aufeinanderfolgenden Reflcxionsniaxima ist. Diese unerwünschten Eigenschaften schränken die Anwendung solcher Plalten-Rcsonanzreflektorcn sowohl als Filter als auch als modenseleklivcr Reflektor. insbesondere bei einem Riesenimpulslaser. erheblich ein. Gerade die Anwendung eines modenselektivcn Reflektors bei einer Laseranordnung setzt nämlich ein sehr definiertes Spitzenreflexionsvermögen bei der Wellenlänge der kohärenten Strahlung voraus. Der komplizierte Verlauf des Spitzenreliexionsvermögens bei bekannten Platten-Resonanzreflektoren läßt aber praktisch eine gewünschte Einstellung des Spilzenreflexionsvermögens nicht zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen optischen Resonanzreflektor, insbesondere hoher Belastbarkeit, eine weitere Lösung anzugeben, die ein definiertes Spitzenreflexionsvermögen der Anordnung bei nahezu einförmiger periodischer Struktur gewährleistet und darüber hinaus die Möglichkeit gibt, das Spitzenreflexionsvermögen innerhalb weiter Grenzen kontinuierlich zu wählen.

Ausgehend von einem optischen Rcsonanzreflckior mit periodischer Charakteristik für kohärente Strahlung, bestehend aus zwei oder mehr planparallelen lichtdurchlässigen Platten, \orzugsweise Glasplatten, die nach An eines Platlenpaketes unter Wahrung gleicher gegenseitiger Abstände zusammengefügt sind. wird diese Aufgabe gemäß der !.Windung dadurch gelöst, daß bei einer Dicke der Platten, die sehr \iel großer als die Wellenlänge der kohärenten Strahlung ist.

die optische Länge des Abslandes zwischen zwei einander benachbarten Platten auf einen Bereich in den Grenzen eines Bruchteils einer Wellenlänge und wenigen Wellenlängen der kohärenten Strahlung, mit bevorzugten Werten von einem Viertel der Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon, verkürzt ist.

Bei der Erfindung wird von dei Erkenntnis aus- · gegangen, daß durch die Bemessung der optischen Länge des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Platten auf maximal mehrere ungeradzanlige Viertel der Wellenlänge der kohärenten Strahlung die Vielgestaicigkeit der Periode des Reflexionsvermögens in dem Sinne wesentlich übersichtlicher und ~" einfacher wird, als die Reflexionsmaxima zwischen zwei auf der F-.equenzachse aufeinanderfolgender maximaler Reflexionsspitzen auf eine praktisch vernachlässigbare Welligkeit reduziert werden und außerdem die aufeinanderfolgenden äquidistanten Maxima der Reflexionsspitzen in einem weiten Wellenlängenbereich gleiche Höhe aufweisen. Diese S.ruktur des Reflexionsvermögens gibt die vorteilhafte Möglichkeit, einen in dieser Weise bemessenen optischen Resonanzrefiektor als optisches Filter mit periodischer Struktur zu verwenden, beispielsweise zur Kanaltrennung bei einem optischen Nachrichtenübertragungssystem.

Besonders günstig gestalten sich in diesem Zusammenhang die Verhältnisse, wenn die optische Länge des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Platten gleich einem Viertel der Wellenlänge der kohärenten Strahlung oder mehreren ungeradzahligen Vielfachen davon gewählt ist. Bei dieser Abstandsbemessung der Platten wird nämlich das Verhältnis zwischen Sperrbereich (Reflexionsspitze) und Durchlaßbereich (minimale Reflexion) ein Maximum.

Wie weitere der Erfindung zugrunde liegende umfangreiche Untersuchungen ergeben haben, läßt sich die Höhe der in einem weilen Wellenlängenbereich äquidistanten Reflexionsmaxima in weiten Grenzen, und zwar bei gleichbleibender Höhe, dadurch einstellen, daß die optische Länge des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Platten von einem Viertel der Wellenlänge der kohärenten Strahlung oder mehreren ungeradzahligen Vielfachen davon verschieden gewählt wird. Diesem Sachverhalt kommt insofern eine besondere Bedeutung zu, als es bei der Anwendung eines solchen Resonanzreflektors als Modenselektor, insbesondere bei einem Riesenimpulslaser, wesentlich darauf ankommt, daß sein Spitzenreflexionsvermögen bei der Wellenlänge der kohärenten Strahlung für das betreffende Lasersystem optimal anpaßbar ist.

Besonders zweckmäßig ist es in diesem Zusammenhang, daß die optische Länge des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Platten kleiner als ein Viertel der Wellenlänge der kohärenten Strahlung gewählt wird.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung sind die gegenseitigen Abstände zwisehen den Platten durch eine auf die Platten aufgebrachte, vorzugsweise aufgedampfte, ringförmige oder rahmenförmige dünne Zwischenschicht aus gut hallendem Material festgelegt.

An I land eines in der Zeichnung dargestellten Aus- <>s führunusbeispiels soll die rrlindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

Fig. 1 eine Seitenansicht eines optischen Resonanzreflektors nach der Erfindung.

F i g. 2 die stirnseitige Ansicht einer Platte des optischen Resonanzreflektors n'ich Fig. 1.

F i g. 3 ein Diagramm des über der Wellenlängenänderung aufgetragenen periodischen Verlaufes des Refiexionsverhaltens des Resonanzreflektors nach Fig. 1.

F i g. 4 ein Diagramm des über dem Brechungsindex /1 des Plattenmaterials aufgetragenen maximalen Spilzenreflexionsvermögens in Abhängigkeil der Plattenanzahl.

Fig. 5 ein Diagramm des über dem Abstand zwischen zwei einander benachbarten Platten aufgetragenen Spitzenreflexionsvermögens für einen Resonanzreflektor nach Fig. 1 bei verschiedenem Brechungsindex des Plattenmaterials.

Der optische Resonanzrefiektor nach F i g. 1 besteht aus drei kreisförmigen Glasscheiben 1 mit planparallelen Stirnflächen. Die Glasplatten 1. die hintereinander angeordnet sind, grenzen mit ihren Stirnflächen über ringförmige Schichten 2 aneinander, deren Dicke maximal mehrere ungeradzahlige Vielfache eines Viertels der Wellenlänge der kohärenten Strahlung beträgt. Auf diese Weise entsteht zwischen den aneinandergrenzenden Glasplatten 1 jeweils ein Luftspalt entsprechender Breite, der in Fig. 1 im Hinblick auf eine vernünftige zeichnerische Darstellung wesentlich breiter angegeben ist als in Wirklichkeit. Das Verhältnis der Luftspaltbreite /i, zur optischen Dicke der Glasscheiben 1, die durch das Produkt aus ihrer geometrischen Breite U₂ und dem Brechungsindex η des Glasmaterials gegeben ist. beträgt etwa ein Tausendstel und weniger.

Die in F i g. 2 dargestellte Aufsicht auf die Stirnseite der linken Glasplatte 1 entsprechend der Schnittlinie AB verdeutlicht den sich zwischen den einander benachbarten Stirnflächen zweier Glasplatten 1 auf Grund der ringförmigen Zwischenschicht 2 bildenden Luftspalt 3.

Wie bereits einleitend ausgeführt worden ist. führt die erfindungsgemäße Bemessung der Abstände /i, zwischen zwei einander benachbarten Glasplatten zu einer nahezu einförmigen periodischen Struktur des Reflexionsverhaltens. In F i g. 3 ist dieses Reflexionsverhalten über der Wellenlängenänderung 1/ aufgetragen. Das auf der Ordinate angegebene Reflexionsvermögen ist mit R bezeichnet. Zunächst sei nur die ausgezogen gezeichnete Kurve betrachtet, die sich bei einem Abstand /i, gleich einem Viertel der Wellenlänge A₀ der kohärenten Strahlung ergibt. Der Abstand der Reflexionsmaxima hängt von der optischen Dicke der Glasplatten 1 ab und beträgt in dem gewählten Beispiel etwa 1.5 A. Die Maxima haben über einen relativ weiten Bereich der Änderung der Wellenlänge konstante Höhe. In den zwischen den Reflexionsspitzen liegenden Durchlaßbereichen ist lediglich eine geringe Welligkeit feststellbar. Die

Kurve /i, = ~ liefert bei gegebener Anzahl k der

verwendeten Glasplatten, im vorliegenden Falle k = 3. i.uiximale Höhe der Rellexionsspit/en.

dan/ allgemein kommt die Penodi/uäi de^ Rellcxionsverhaliens dadurch zustande. dal.< das maximale Spii/enrellexions\ermöücn eines aus k Cilasplatten mn dem Brechungsindex η bestehenden Resonanzrelleklors für alle solche Wellenlängen erreich! wird, für die sowohl der Abstand /1, /wischen /wei

einander benachbarten Cilasplalten als auch die optische Dicke )i ■ /i_; einer ("ilasplatte gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge Α,, ist.

Wie sieh zeigen läßt, ist das maximale Spit/enreflcxionsvermögen R₁₁₁₁₁₁ eines optischen periodischen Resonanzreflektors der dem Frfindungsgegensland zugrunde liegenden Art durch die Beziehung

reflexionsvermögen bei einem Platlen-Resonanzreflektor in weiten Ciren/en einstellen, ohne daß sieh hierbei die nahe/u einförmige periodische Struktur der Spiizenrellexion wesentlich ändert, im Diagramm der F i g. 5 ist über dem auf ein Viertel der Wellenlänge A₀ bezogenen Abstand /wischen zwei !Malten die Änderung des Spit/enreflexionsvermögcns R_sr lür verschiedene Brechimgsindiz.es /i der verwendeten Glassorien in den Grenzen von 1.4 bis I.S aufgetragen, und zwar für einen ResonanzrcflekU/i" mit einer Plattenzahl k = 3. Wie z. B. die Kurve η = 1.5 zeigt, läßt sich bei einer Änderung des Abstandes /i,

gegeben. Somit ist dieses maximale Spitzenreflexionsvermögen lediglich von der Anzahl der Platten k und vom Brechungsindex /1 des verwendeten Plattenmaterials abhängig.

Wie das Diagramm der Fig. 4 erkennen läßt, bei dem das maximale Spitzenreflexionsvermögen R„„,χ über dem Brechungsindex η aufgetragen ist. kann theoretisch durch geeignete Wahl der Plattenanzahl k und des Brechungsindexes η des gewählten Plattcnmaterials ein Resonanzreflektor mit beliebigem Spitzenreflexionsvermögen verwirklicht werden. In der Praxis sehen die Verhältnisse jedoch wesentlich ungünstiger aus, da geeignete Glassorten, wie sie insbesondere für die Anwendung des erfindungsgemäßen Resonanzrefiektors bei Laseranordnungen gefordert werden müssen, nicht in einer Variationsbreite des Brechungsindexes η von 1 bis 2 zur Verfugung stehen. \o Beispielsweise würde, wie das Diagramm der F i g. 4 erkennen läßt, ein zu forderndes maximales Spitz.cnrcficxionsvermögen von 0,3 eine Glassov'e verlangen, deren Brechungsindex entweder kleiner 1.4 oder aber größer 1.8 ist. Der Brechungsindex handeisüblieher geeigneter Glassorten liegt aber im Bereich zwischen 1.4 und 1.8.

Durch die gemäß der Weiterbildung der Erfindung gegebene Lehre der Bemessung des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Platten vcrschieden von einem Viertel der Wellenlänge A₀ der kohärenten Strahlung oder mehreren ungeradzahligen Vielfachen davon läßt sich jedoch das Spitzenin den Grenzen zwischen ~ und Jj. die Spitzenreflexion R_SI, im Verhältnis 3.5 : 1 ändern.

Im Diagramm der Fig. 3 ist neben der ausgezogenen K unc. die den Verlauf des Reflexionsvermögens R über der Änderung der Wellenlänge Tür den Fall angibt, bei dem der Abstand /ι, /wischen

zwei Platten = ^ gewählt ist. auch noch der Verlauf für den Fall Iu - -'§■ (unterbrochene Linie) und

der Fall /i, = ^ (strichpunktierte Linie) angegeben. Der Vergleich der Kurve /ι, = '-'* mit den Kurven

/1, = γ und /i, = ^Jr zeigt, daß sich in dem gewählten Beispiel mit zunehmender Verringerung des Abstandes /7, unter den Wert eines Viertels der Wellenlänge A₀ der kohärenten Strahlung die Maxima der Reflexionsspitzen etwas gegen niedrigere Wellenlängui verschieben und dabei die Welligkeil in den als Durchlaßbereiche anzusprechenden Zwischenbereichen leicht zunimmt. Der Charakter der Reflexionsstruktur bleibt jedoch in erv, unschter Weise bei mit abnehmendem Absland Zi₁ kontinuierlich abnehmender Amplitude der Reflexionsspitzen mit gute' Näherung erhalten. Dies gilt insbesondere auch für eine in einem weiten Wellenlängenbcrcich konstante Amplitude der äquidistanten Reflexionsmaxima in Abhängigkeit der Wellenlängenändcrung IA.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optischer Resonanzreflektor mit periodischer Charakteristik für kohärente Strahlung, bestehend aus zwei oder mehr planparallelen lichtdurchlässigen Platten, vorzugsweise Glasplatten, die nach Art eines Plattenpaketes unter Wahrung gleicher gegenseitiger Abstände zusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dicke (/i₂) der Platten (1), die sehr viel größer als die Wellenlänge (/.₀) der kohärenten Strahlung ist, die optische Länge des Abstandes (Vi₁) zwischen zwei einander benachbarten Platten auf einen Bereich in den Grenzen eines Bruchteils einer Wellenlänge und wenigen Wellenlängen der kohärenten Strahlung, mit bevorzugten Werten von einem Viertel der Wellenlänge oder einem ungeradzahligen Vielfachen davon, verkürzt ist.

2. Optischer Resonanzreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Länge des Abstandes (/I₁) zwischen zwei einander benachbarten Platten (1) von einem Viertel der Wellenlänge (z._o) der kohärenten Strahlung oder mehreren ungeradzahligen Vielfachen davon verschieden im Sinne eines vorgegebenen gewünschten Spitzenreflexionsvermögens (R) gewählt ist.

3. Optischer Resonanzreflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Länge des Abstandes (Zi₁) zwischen zwei einander benachbarten Platten (1) kleiner als ein Viertel der Wellenlänge (A₀) der kohärenten Strahlung gewählt ist.

4. Optischer Resonanzreflektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet. daß die gegenseitigen Abstände (Zi₁) zwischen den Platten (1) durch eine auf die Platten aufgebrachte, vorzugsweise aufgedampfte, ringförmige oder rahmenförmige, dünne Zwischenschicht (2) aus gut haftendem Material festgelegt sind.

5. Optischer Resonanzreflektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch seine Verwendung als modenselektiver Auskoppelspiege! sehr hoher Belastbarkeit bei einem optischen Resonator eines Riesenimpulslasers. bei dem die optische Länge des Abstandes (/i,) zwischen zwei einander benachbarten Platten (1) des Reflektors für einen Wert festgelegt ist, der ein optimales Reflexionsvermögen des Riesenimpulslasers gewährleistet.

6. Verwendung eines optischen Resonanzreflektors nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Filter mit periodischer Struktur, insbesondere zur Kanaltrennung bei einem optischen Mehrkanal-Nachrichtenübertragungssystem.