DE1928665C3 - Optischer Resonanzreflektor mit periodischer Charakteristik - Google Patents

Description

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 nngformige oder rahmenförmige, dünne Zwischenschicht (2) aus gut haftendem Material festgelegt sind.

5. Optischer Resonanzreflektor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch se.ne Verwendung als modcnselektiver Auskoppelsp.egel sehr hoher Belastbarkeit bei einem optischen Resonator eines Riesemmpulslasers, be, dem die optische Länge des Abstandes (ft, zwischen zwei einander benachbarten Platten (I) des Reflektors für einen Wert festgelegt ist, der em optimales Reflexionsvermögen des Riesenimpulslasers ge-

^Wl6.^wendung eines optischen ₍Resonanzreflek tors nach einem der Ansprüche 1 bis 4 als Filter mit periodischer Struktur, insbesondere zur Kanaltrennung bei einem optischen Mehrkanal-Nachrichtenubertragungssystem.

,!.ι« innerhalb eines optischen Resonators rdnei ist Die erwünschte stimulierte Strahlung S dadurch'gewonnen, daß aui das stimulierbar? H" im die Energie einer Pumpcnencrgiequelle emjaiun hierdurch die für die Anregung der stimuu^u _h, ,,.forderliche Inversion seiner Eiicr- » ~_{s herb}eigeführt wird, m allgemeinen sind ytnive· _Rcsonators eine Vielzahl von axialen

"^^.,icn Moden anrcgungslahig. Die An-" _bcdingungen für diese Vielzahl von Moden & fa^ _crhcb1ich eingeschränkt werden. 5ί5 wenigstens einer der den optischen Resonator ^" ,!LA_n beiden Spiegel als modcnselcktiver ReJ2"_reflcklor ausgebildet ist. , . son«m* _{fachc Aus}nihrungsrorm eines optischen „ *;" _nzrcflcktors ist der sogenannte dielektrische «■»» . _{aus mehrerC}n. aiii einen Glaslriigcr auf- l^'_{tcn Schichten aus lichtdurchlässigem Material ζ~7\[ _Durcn die Anzahl der Schichten, den Brerhimasindex des verwendeten Schichtmatenals sowie cnuug ^.^ ^ _{Schichtcn )asscn s},_ch derartige aur di jili Gb

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g ^^ ^ _{Schichtcn )assc} g

aur ^.^ Grenzen an die jeweiligen Gegebenopicg ■ anpassen. Sie haben jedoch den Nach" ή _daß ^H _sie bei größeren Belastungen rasch zerstört [„"'. _{b w ihrc} reflektierenden Eigenschaften in JJjJjJ^ _{Wcisc ündcr}„.

u™iwu ^^.^ _bckannt- Rcsonanzreflcktorcn mit „„rinrlischer Charakteristik dadurch herzustellen, daß pen «ι ^^ _pi_anparail_c|c Glasplatten nach Art zwc . _{ketes unter} Wahrung gleicher gcgen-

S„ _AbsUm_dc zusammengefügt werden. Solche

^s _p ^e" fe_n._Resonanzrefl_claoren halten auch noch BcIana«en ^^ ^ ^^ _{Aurircffen ejncs von cinom}

Riesenimpulslaser erzeugten Lichtimpulses auftreten. ^J" _einscht^:iaiec Untersuchungen zeigen, weisen sol^'^e ^" . " _ein Reflexionsverhalten aui. dessen

«Jriodische Struktur außerordentlich vielgestaitig im penodiscnc . _{ankunRen dcr über der Frequenz}

Mine aufeinanderfolgenden Reflexionsmaxima

""^ ,' _uncrwünschten Efgenscharten schränken die »1· _du , _{h r} pianen-Rcsonanzreflektorcn so-Anwendunt so,_{c modensele}ktivcr Reflektor,

wohl Her as a _{Riescnirnpulslasei}·. erheblich nsbusondcru De. . modenselektiven

]^Lageranordnung _{setzt nümlich}

es Spitzenreflexionsvermögen bei Jj P^ _Su._{ahlu voraus}

der Wellen lange Sitflionsvermö-

55

gens ^be ^

onanzrc läßt

_{Bmlenmg des Spil}.

Die Erfindung bezieh, sich au₍ einen oplischen *, fK ^ ^be zugrunde, für _b y insbesondere hoher

^ _{c ne}\veitere Lösung anzugeben, die ein

g^ _c ^P _nrormigcr periodischer Struktur gewährleistet und darüber hinaus die Möglichkeit gibt, das Spitzenrefiexionsvermögen innerhalb weiter Grenzen kontinuierlich zu wählen.

Ut mi HiSe des Srs kohärente optische Wellen 6₅ gleicher gegenseitiger Abslände zusammcng g
ho'hei Lei tun« zu"e zeugen haben derartige Rcfick- wird diese Auigabc gemäß der Erfindung dadurch geboren cVne erhöhte prakUsche Bedeutung gewonnen. löst, daß bei einer Dicke der Platten, die sehr viel gro-Bekanntl ch besteht ein Laser aus einem aktiven ßer als die Wellenlänge der kohärenten Strahlung ist.

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die optische Länge des Abstandes 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 ungcradzahligen Vielfachen davon, verkürzt ist.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis ausgegangen, daß durcn die Bemessung der optischen Länge des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Platten auf maximal mehrere ungeradzahlige Viertel der Wellenlänge der kohärenten Strahlung die Vielgestaltigkeit der Periode des Reflexionsvermögens in dem Sinne wesentlich übersichtlicher und einfacher wird, als die Rcflexionsmaxima zwischen zwei auf der Frequenzachse 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 Struktur des Reflexionsvermögens gibt die vorteilhafte Möglichkeit, einen in dieser Weise bemessenen optischen Resonanzreflektor 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 opiische Länge des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten 3c 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 weiten 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 Ausführungsbeispicl 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 haftendem Material festgelegt.

An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet

F i g. 1 eine Seitenansicht eines optischen Reso nanzreflcktors nach der Erfindung,

Fig. 2 die stirnseitige Ansicht einer Platte des optischen Resonanzrellektors nach Fig. I,

F i g. 3 ein Diagramm des über der Wcllenlän genändcrung aufgetragenen periodischen Verlaufe* des Reflcxionsverhaltcns des Rcsonanzreflcktors nacl Fig. I,

F i g. 4 ein Diagramm des über dem Brechungsindex 11 des Plattcnmaterials aufgetragenen maxi malen Spitzenreflexionsvermögens in Abhängigkei der Plattenanzahl,

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

Der optische Resonanzrefleklor nach F i g. 1 besteht aus drei kreisförmigen Glasscheiben I 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 /1, zur optischen Dicke der Glasscheiben 1, die durch das Produkt aus ihrer geometrischen Breite /i₂ und dem Brechungsindex /1 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 I auf Grund der ringförmigen Zwischenschicht 2 bildenden Luftspalt 3.

Wie bereits einleitend ausgeführt worden ist, führt die erfindungsgemäße Bemessung der Abstände /1 zwischen zwei einander benachbarten Glasplatten zu einer nahezu einförmigen periodischen Struktur des Reflexionsverhaltens. In Fig. 3 ist dieses Reflexionsverhalten über der Wellenlängcnänderung I/. aufgetragen. Das auf der Ordinate angegebene Reflexionsvermögen ist mit R bezeichnet. Zunächst se: nur die ausgezogen gezeichnete Kurve betrachtet die sich bei einem Abstand /i, gleich einem Vierte! der Wellenlänge /„ 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 /I₁ = ^- liefert bei gegebener Anzahl k dci

verwendeten Glasplatten, im vorliegenden Falle k = 3 maximale Höhe der Reflexionsspitzen.

Ganz allgemein kommt die Pcriodizität des Rcflexionsverhaltens dadurch zustande, daß das maximale Spitzenreflexionsvermögen eines aus k Glasplätten mit dem Brechungsindex /1 bestehenden Reso nanzreflektors für alle solche Wellenlängen erreich! wird, für die sowohl der Abstand /i, zwischen zwe

einander benachbarten Glasplatten als auch die optische Dicke η · h₂ einer Glasplatte gleich einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge A₀ ist.

Wie sich zeigen läßt, ist das maximale Spitzenreflexionsvermögen R_mux eines optischen periodischen Resonanzreflektors der dem Erfihdungsgcgenstand zugrunde liegenden Art durch die Beziehung

R =ί--^ΐ

^lyinux I j ι „2 Ii

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

Wie das Diagramm der F i g. 4 erkennen läßt, bei dem das maximale Spitzenreflexionsvermögen R_imx über dem Brechungsindex η aufgetragen ist, *o kann theoretisch durch geeignete Wahl der Plattenanzahl k und des Brechungsindexes η des gewählten Plattenmaterials ein Resonanzreflektor mit beliebigem Spitzenreflexionsvermögen verwirklicht werden. In der Praxis sehen die Verhältnisse jedoch wesentlich ungünstiger aus, da geeignete Glassorten, wie sie insbesondere Tür die Anwendung des erfindungsgemäßen Resonanzreflektors bei Laseranordnungen gefordert werden müssen, nicht in einer Variationsbreite des Brechungsindexes η von 1 bis 2 zur Verfügung stehen. Beispielsweise würde, wie das Diagramm der F i g. 4 erkennen läßt, ein zu forderndes maximales Spitzenreflexionsvermögen von 0,3 eine Glassortc verlangen, deren Brechungsindex entweder kleiner 1,4 oder aber größer 1,8 ist. Der Brechungsindex handeisüblicher geeigneter Glassorten liegt aber im Bereich zwischen 1,4 und 1,8.

Durch die gemäß der Weilerbildung der Erfindung gegebene Lehre der Bemessung des Abstandes zwischen zwei einander benachbarten Platten vcrschieden von einem Viertel der Wellenlänge /₀ der kohärenten Strahlung oder mehreren ungeradzahligen Vielfachen davon läßt sich jedoch das Spitzenreflexionsvermögen bei einem Plattcn-Rcsonanzreflektor in weiten Grenzen einstellen, ohne daß sich hierbei die nahezu einförmige periodische Struktur der Spitzenreflexion wesentlich ändert. Im Diagramm der Fig. 5 ist über dem auf ein Viertel der Wellenlänge A₀ bezogenen Abstand zwischen zwei Platten die Änderung des Spitzenreflexionsvermögens R,. für verschiedene Brechungsindizes η der verwendeten Glassorten in den Grenzen von 1,4 bis 1,8 aufgetragen, und zwar für einen Resonanzreflektor mit einer Plattenzahl Zc = 3. Wie z. B. die Kurve π = 1,5 zeigt, läßt sich bei einer Änderung des Abstandes Zi₁ in den Grenzen zwischen -^ und ^ die Spitzenreflexion R,_p im Verhältnis 3,5: 1 ändern.

Im Diagramm der Fig. 3 ist neben der ausgezogenen Kurve, die den Verlauf des Reflexionsvermögens R über der Änderung der Wellenlänge für den Fall angibt, bei dem der Abstand Zi₁ zwischen zwei Platten = ^- gewählt ist, auch noch der Verlauf für den Fall Zi₁ = ^ (unterbrochene Linie) und der Fall Zi₁ = || (strichpunktierte Linie) angegeben. Der Vergleich der Kurve Zi₁ = j- mit den Kurven

Zi, = γ und Zi₁ = ^l zeigt, daß sich in dem gewählten Beispiel mit zunehmender Verringerung des Abstandes /i| unter den Wert eines Viertels der Wellenlänge A₀ der kohärenten Strahlung die Maxima der Reflexionsspitzen etwas gegen niedrigere Wellenlängen verschieben und dabei die Welligkeit in den als Durchlaßbereiche anzusprechenden Zwischenbereichen leicht zunimmt. Der Charakter der Reflexionsstruktur bleibt jedoch in erwünschter Weise bei mit abnehmendem Abstand Zi₁ kontinuierlich abnehmender Amplitude der Reflexionsspitzen mit guter Näherung erhalten. Dies gilt insbesondere auch für eine in einem weiten Wellcnlängenbereich konstante Amplitude der äquidistanlcn Reflcxionsmaxima in Abhängigkeit der Wellenlängenänderung IA.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

io 15 20 Patentansprüche:

1. Optischer Resonanzreflektor mit periodischer Charakteristik Tür kohärente Strahlung, bestehend aus zwei oder mehr planparallelen lichtdurchlässigen Platten, vorzugsweise Glasplatten die nach Art eines Plattenpaketcs unter Wahrung gieicher gegenseitiger Abstände zusammengefügt sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Dicke (A,) der Platten (1), die sehr viel großer als die Wellenlänge (/„) der kohärenten Strahlung ist, die optische Länge des Abstandes (Zi₁) zwischen zwei einander benachbarten Platten auf einen Bereich in den Grenzen eines Bruchteils einer Wellenlänge und wenigen Wellenlängen der koharenten 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 Lange des Abstandes (Zj₁ ) zwischen zwei einander benachbarten Platten (1) von einem Viertel der Wellenlänge U₀) der kohärenten Strahlung oder menreren ungeradzahligen Vielfachen davon versch.eden im Sinne eines vorgegebenen gewünschten Spit-

zenreflexionsvermögens (R) gewählt ist.

3. Optischer Resonanzreflektor nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die optische Lange des Abstandes (Zi₁) zwischen zwei einander benachbarten Platten (1) kleiner als ein Viertel der Wellenlänge (X₀) der kohärenten Strahlung gewählt