DE2003397A1

DE2003397A1 - Vorrichtung zur Verbesserung der Homogenitaet eines Lichtstrahls

Info

Publication number: DE2003397A1
Application number: DE19702003397
Authority: DE
Inventors: Hubert Guillet; Louis Jacob; Jacques Mouchart; Bernard Sturel
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1969-01-28
Filing date: 1970-01-26
Publication date: 1970-10-01
Also published as: CH520421A; GB1272051A; FR2038560A6; JPS4817092B1; BE744452A; ES375897A1; LU60220A1; DE2003397B2; US3663087A; FR2020466A5; CA920715A; NL7001154A; SU412698A3

Description

410-15.335P 26.1.1970

Commissariat d I¹Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Vorrichtung zur Verbesserung der Homogenität eines Lichtstrahls

Di· Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung der Homogenität eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls.

Es ist bereits bekannt, daß wegen der Absorption von Laserlieht duroh die Laserstäbe selbst deren optisohes Pumpen im allgemeinen In der Mitte bedeutend sohwäoher als am Rand ist, so daß die radiale Verteilung der in einem Zylinderstab erregten Ionen am Ende des optisohen Pumpen· die Fon· ein·· Trog· hat· Man spricht davon, daß die "Bin· de" de· Stab· bedeutend stärker als sein "Stamm¹* gepumpt wird» Die Dichte der Beseteungsumkehr, die proportional »u

3001 + BA 31O5)-Hd-r (7)

der Dichte der beim Pumpen gespeicherten Energie ist, fällt daher stark vom Rand zur Mitte ab, und die emittierte Leistung ist praktisch in einem Kranz am Umfang des Stabs konzentriert. Bei einer Verstärkerkette tritt dieses Phänomen in jeder Stufe stärker hervor, so daß die Lichtintensität des Strahls eine radiale Verteilung hat« die mehr und mehr zum Rand ansteigt. Oa die Energiestromdiohte durch die Bruchgrenze des Materials begrenzt ist, ist man gezwungen, aktive Stäbe mit einem Durchmesser zu verwenden, der bedeutend größer ist, als wenn die Energieverteilung homogen wäre.

Zur Verbesserung der Homogenität des Laserstrahls in einer Verstärkerkette ist bereits in Erwägung gezogen worden, zwischen zwei Stäbe ein afokales System anzuordnen, dessen Zerstreuungslinse absorbiert, wobei die absorbierende Dicke von der Achse zum Umfang zunimmt. Diese Lösung hat jedooh den Nachteil, eine beträchtliche Sohwäohung des Lichtstrahls hervorzurufen. Außerdem ist bereite versuoht worden, die radiale Änderung der Diohte der Besetzungsumkehr, die durch das Pumpen eines Stabs erzeugt wird, duroh eine entgegengesetzte radiale Änderung der Länge des Materials zu kompensieren, das durch die verschiedenen Lichtstrahlen durchsetzt wird, die den zu verstärkenden Liohtstrom bilden, um so die duroh den Stab erzeugte Verstärkung auf seinem ganzen Querschnitt konstant bu maohen. Zu diesem Zweok wird das eine Snde der Stäbe so verjüngt» daß ihre Länge von der Aohse sum Umfang abnimmt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe sugrunde, eine größere Sohwäohung de· Laserstrahls einerseits und eine besondere Verjüngung der Stabenden andererseits bu vermeiden.

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Eine Vorrichtung zur Verbesserung der Homogenität
eines Lichtstrahls ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch ein Organ zur radial veränderlichen Drehung
der Polarisationsebene des Lichtstrahls und durch zwei
zu beiden Seiten des Organs in der Bahn des Lichtstrahls angeordnete Polarisatoren.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigent

Fig. 1 ein AusfUhrungsbeispiel gemäß der Erfindung, das eine Faraday-Dreheinrichtung verwendet)

Fig. 2 ein Ausfuhrungsbeispiel gemäß der Erfindung, das eine Pockels-Zelle verwendet;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, das eine Linse mit großem Krümmungsradius
aus einem doppelbrechenden Material benutzt) und

Fig. k ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung, das eine Platte mit parallelen Flächen verwendet, die aus einer plankonvexen und einer plankonkaven Linse besteht, die an ihren
komplementär rundgeformten Flächen zusammengefügt sind.

Eine erste Möglichkeit zur Korrektur der Inhomogenität eines Laserstrahls besteht gemäß der Erfindung in der Verwendung (vgl. Fig. 1) einer Faraday-Dreheinrichtung 1,

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die zwischen zwei Polarisatoren 2 und 3 eingesetzt ist, deren Polarisationsebenen um 90° gekreuzt sind· Die Faraday-Dreheinrichtung 1 besteht aus einem Material k, das eine Verdet-Konstante aufweist, ζ. Β. aus Bleiglas, und einem Solenoid 5» das gleichachsig zu dem Material angeordnet ist und dort ein Magnetfeld erzeugt. Unter diesen Bedingungen erfährt ein durch den Polarisator 2 polarisierter Laserstrahl bei der Ausbreitung im Material 4, das unter dem Einfluß des vom Solenoid 5 erzeugten Magnetfelds steht, eine Drehung seiner Polarisationsebene um einen Winkel CC, dessen Wert durch folgende Gleichung gegeben istt

CC= K L B,

in der K die Verdet-Konstante des Materials 4, L die Länge des durchsetzten Materials und B die Feldstärke des erzeugten Magnetfelds ist.

Da das durch ein Solenoid erzeugte Magnetfeld in dem durch die Windungen des Solenoids begrenzten Raum nicht homogen ist, sondern von seiner Symmetrieachse aus ansteigt, dreht sich die Polarisationsebene des Laserstrahls nicht überall um den gleichen Winkel. Auf einer Linie, auf der das Magnetfeld den Wert B hat, beträgt der Drehwinkelt

CC m K L B . r

Aus der rotationssymmetrischen Form des Materials 4 und des Solenoids 5 folgt, daß die Linien gleicher Drehung konzentrische Kreise sind, wobei der Drehwinkel von der Achse des Solenoids aus abnimmt.

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Venn man also das Solenoid 5 durch einen solchen Strom erregt, daß das Magnetfeld B auf der Achse eine Drehung der Polarisationsebene des Lichts um einen Winkel von etwa 90° hervorruft, wird ein mit der Achse zusammenfallender Lichtstrahl praktisch ohne Schwächung durch den Polarisator übertragen, weil seine Polarisationsebene im wesentlichen parallel zu diesem Polarisator verläuft. Je mehr man sich jedoch von der Achse entfernt, um so größer nimmt die Differenz zwischen der Polarisationsebene der Strahlen und der Polarisationsebene des Polarisators 3 ^zu» so daß das Licht immer mehr geschwächt wird.

Auf diese Weise bildet die Faraday-Dreheinrichtung 1, deren Drehwirkung von der Achse zum Rand abnimmt, mit den gekreuzten Polarisatoren 2 und 3 ein System, das eine LiehtUbertragung zeigt, die ebenfalls von der Achse zum Rand abnimmt. Ein Lichtstrahl, dessen Intensität in umgekehrter Richtung abnimmt, d. h. vom Rand zur Mitte, erfährt daher bei seiner Ausbreitung durch dieses System eine Schwächung, die von der Achse so ansteigt, daß er am Ausgang des Polarisatore 3 eine bessere Homogenität zeigt.

Dieses System ist nur offen, wenn das Material k einem Magnetfeld ausgesetzt ist, weshalb es u, a. einen Verschluß bilden kann, der das Ausblenden von sehr dynamischen Laserimpulsen, d« h. mit steiler Vorderflanke, erlaubt. Μ·ηη das Solenoid nicht erregt wird, breitet sich das Licht im Material k ohne Änderung seiner Polarisation aus, so daß es nicht vom Polarisator 3 durchgelassen wird, dessen Polarisationsebene zu der des ersten Polarisators 2 gekreuzt ist. Es genügt daher, das Magnetfeld in dem Zeit-

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punkt einzuschalten, wenn ein Laserimpuls in Höhe des Materials k auftritt, um am Ausgang des zweiten Polarisatore einen sehr steilen Impuls zu erhalten, der eine ziemlich homogene Energieverteilung aufweist.

Eine zweite Möglichkeit zur Korrektur der Inhomogenität eines Laserstrahls besteht gemäß der Erfindung in der Verwendung (vgl. Fig. 2) einer elektrooptischen Zelle 6 zur Phasenverschiebung des Axialfelds, die sich zwischen zwei Polarisatoren 7 und 8 mit um 90° gekreuzten Polarisationsebenen befindet.

Diese Zelle ist vorzugsweise eine Pockels-Zelle, die aus einem Kristall 9 aus Kaliummonophosphat (abgekürht KDP) oder Ammoniummonophosphat (abgekürzt ADP) besteht, die zwischen zwei Ringelektroden 10 und 11 so angeordnet ist, daß ihre kristallographische Hauptachse im wesentlichen parallel zu den Kraftlinien des elektrischen Felds verläuft, die durch die Elektroden 10 und 11 erzeugt werden. Der erste Polarisator hat seine Polarisationsebene um 45° zu den Achsen geneigt, die in dem Kristall durch den Pockels-Effekt gebildet werden.

Durch das Anlegen einer Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden 10 und 11 ist offensichtlich wegen deren Ringform das im Kristall 9 entstehende elektrische Feld nioht homogen: es wächst von der Achse der Zelle zu deren Rand an. Diese inhomogene Verteilung der Feldlinien wird ausgenutzt, um die Inhomogenität eines Laserstrahls zu kompensieren. Im wesentlichen wird zwisohen die Elektroden 10 und 11 eine solohe Spannung angelegt, daß für einen Lichtstrahl der Wellenlänge A, der mit der Achse zusammenfällt, die Diffarena der optisohen Veglänge, die bei

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der Ausbreitung durch den Kristall 9 zwischen den beiden polarisierten Wellen entlang den durch den Pockels-Effekt erzeugten Achsen auftritt, —— beträgt. Wegen der Inhomogenität des für diesen Effekt verantwortlichen elektrischen Felds wächst daher die Differenz der optischen Weglänge von diesem Mindeetwert an, wenn man sich von der Achse entfernt. Auf diese Weise erfährt ein auffallender Lichtstrahl, der durch den Polarisator 7 polarisiert worden ist und die Zelle 6 auf dessen Achse durchsetzt, dort eine Drehung von 90 seiner Polarisationsebene, so daß er praktisch ohne Schwächung vom Polarisator 8 durchgelassen wird, da seine Polarisationsebene parallel zu der des Polarisators 8 ist. Je mehr man sich jedoch von der Achse entfernt, um so stärker erfahren die polarisierten Strahlen, die die Zelle durchsetzen, eine Drehung ihrer Polarisationsebene. Der Unterschied zwischen ihrer Polarisationsebene und der Polarisationsebene des Polarisators 8 nimmt daher nach und nach zu, so daß das Licht mehr und mehr geschwächt wird.

Die Pockels-Zelle, in der die erzeugte Doppelbrechung sich durch eine Drehwirkung äußert, die von der Achse zum Rand zunimmt, bildet mit den gekreuzten Polarisatoren 7 und 8 ein System, dessen Durchlässigkeit von der Achse zum Rand abnimmt. Ein Laserstrahl, dessen Intensität in umgekehrter Richtung abnimmt, d. h. vom Rand zur Achse, zeigt daher am Ausgang des Polarisators 8 eine bessere Homogenität.

Die Inhomogenität des Feldes im Innern der Zelle 6 kann gesteigert werden durch Variieren des Innendurchmessers der beiden Ringelektroden 10 und 11. Das erlaubt die Einstellung der Durchlaßchar&kterlefclk der Zelle auf die Energieverteilung des zu korrigierenden Laserstrahls·

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Dieses System 1st nur offen, wenn der Kristall 9 durch ein elektrisches Feld erregt wird, weshalb dieses System wie das vorhergehende System einen Verschluß bilden kann, der das Ausblenden von stell ansteigenden Laserimpulsen erlaubt. Bei fehlender Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 10 und 11 breitet sich das Licht im Kristall 9 ohne Änderung seiner Polarisation aus, so daß es vom zweiten Polarisator nicht durchgelassen wird, dessen Polarisationsebene zu der des ersten gekreuzt ist.

Die in Fig. 2 gezeigte Zelle ist eine einfache Pokkels-Zelle mit einem einzigen Kristall, sie kann Jedoch auch durch eine Dreielektrodenzelle mit zwei Kristallen ersetzt werden, die Seite an Seite angeordnet und durch eine ringförmige Mittelelektrode getrennt sowie von zwei Seitenelektroden eingerahmt sind, die gleichfalls ringförmig und elektrisch untereinander verbunden sind, wobei die Kristalle ihre kristallographische Hauptachse parallel zu den Feldlinien des elektrischen Felds ausgerichtet haben, das durch die Elektroden erzeugt werden kann. Da in diesem Fall die Differenzen des optischen Wegs in den beiden Kristallen sich addieren, ist die angelegte Spannung so bemessen, daß auf der Aohse diese Differenz gleich -£— ist.

Eine dritte Möglichkeit zur Korrektur der Inhomogenität eines Laserstrahls besteht gemäß Fig. 3 darin, in der Bahn dieses Strahle zwischen zwei um 90 gekreuzten Polarisatoren 12 und 13 eine Linse "\k anzuordnen, deren Dicke von der Achse weg abnimmt und aus einem einachsigen doppelbrechenden Material wie Quarz besteht, wobei die Aohse dieses Materials im wesentlichen senkrecht zum Strahl verläuft.

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Unter diesen Bedingungen erfährt ein polarisierter Lichtstrahl bei seiner Ausbreitung durch die Linse Ik eine Drehung seiner Polarisationsebene, deren Wert von der Dicke des durchsetzten Materials abhängt, d. h. bei Annäherung an dessen Achse zunimmt. ¥enn die Dicke der Linse auf ihrer Achse so groß ist, daß ein polarisierter Lichtstrahl, der sie an dieser Stelle entlang der Achse durchläuft, eine Drehung von etwa 90° seiner Polarisationsebene erfährt, wird dieser Strahl praktisch ohne Schwächung durch den Polarisator 13 durchgelassen, weil seine Polarisationsebene im wesentlichen parallel zu der des Polarisators verläuft. Wenn man sich jedoch von der Achse der Linse entfernt, nimmt die Drehung der Polarisationsebene der Strahlen ab und die Differenz zwischen ihrer Polarisationsebene und der des Polarisators 13 so zu, daß das Licht mehr und mehr geschwächt wird.

Auf diese Weise bildet die Linse 14, die eine Drehwirkung zeigt, die von der Achse zum Rand abnimmt, mit den Polarisatoren 12 und 13 ein System, dessen Durchlässigkeit ebenfalls von der Achse zum Rand abnimmt. Ein Laserstrahl, dessen Intensität in umgekehrter Richtung abnimmt, erfährt also eine Schwächung, die mit zunehmendem Abstand von der Achse zunimmt, so daß er am Ausgang des Polarisators 13 eine bessere Homogenität zeigt.

Der Krümmungsradius der Linse ~\k, der an jeder Stelle unterschiedlich sein kann, muß aus folgendem Grund groß genug βeint Ein Lichtstrahl erfährt dort eine Richtungsänderung, die vom Brechungsindex des Llnsenmaterials abhängt. Dieses Material ist doppelbrechend, so daß es für einen auffallenden Strahl zwei gebrochene Strahlen gibt, weshalb am Ausgang der Linse die Wellenfläche des

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Lichtstrahls verdoppelt ist. Dieser Nachteil wird vernachlässigbar klein, wenn einerseits die Differenz zwischen dem ordentlichen und außerordnetlichen Brechungsindex des Materials und andererseits der Ein- und Ausfallswinkel der Lichtstrahlen klein ist. Die erste Bedingung hängt nur von dem gewählten doppelbrechenden Material ab j Quarz ist in diesem Fall besonders gut geeignet* Die zweite Bedingung kann erfüllt werden, indem einfach ein großer Krümmungsradius für die Linse gewählt wird.

Eine vierte Möglichkeit der Korrektur der Inhomogenität eines Laserstrahls besteht gemäß Fig. k in der Verwendung eines besonderen Barbinet-Kompensators. Der Kompensator 15 besteht aus zwei optischen Teilen 16 und 17, die die Form einer plankonkaven bzw. plankonvexen Linse haben, deren abgerundete Flächen einen komplementären Verlauf zeigen· Die Linsen 16 und 17 sind entweder durch molekulare Adhäsion oder durch eine Flüssigkeit mit geeignet gewähltem Brechungsindex an ihrer abgerundeten Fläche zusammengefügt, so daß sie eine Platte mit parallelen Flächen ergeben. Sie bestehen aus einem einachsigen doppelbrechenden Material, im allgemeinen Quarz, und sind so zueinander angeordnet, daß ihre optischen Achsen gekreuzt sind* Der so gebildete Kompensator 15 befindet sich in der Bahn des Laserstrahls zwischen zwei Polarisatoren 18 und 19, deren Achsen untereinander parallel und unter 45° gegen die optischen Achsen der Linsen 16" und 17 geneigt sind*

Daraus folgt unmittelbar, daß ein polarisierter Liohtstrahl beim Durohlaufen duroh den Kompensator 15 ein· Drehung seiner Polarisationsebene erfährt, die von der Dif-

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ferenz Ae. der Dicke der beiden Linsen 16 und 17 im Abstand h von der Achse abhängt. Unter diesen Bedingungen ergibt sich, wenn man die Form der Linsen 16 und 17 so wählt, daß sie in der Mitte im wesentlichen die gleiche Dicke haben und die Differenz Δ e, mit h zunimmt, daß

h *

ein polarisierter Lichtstrahl, der die Mitte des Kompensators 15 durchläuft, keine Drehung seiner Polarisations ebene durchmacht· Der Polarisator 19» dessen Polarisationsebene parallel zu der des Polarisators 18 ist, läßt den Lichtstrahl daher praktisch ohne Absorption durch. Mit zunehmendem Abstand von der Achse wird jedoch die Polarisationsebene der Lichtstrahlen zunehmend gedreht, so daß sie immer schwächer am Ausgang des Polarisators 19 ankommen· Ein Laserstrahl, der von einem Stab emittiert wird, dessen Außenzone stärker als die Innenzone gepumpt ist, zeigt daher nach seinem Durchlauf durch den Polarisator 19 eine bessere Homogenität·

Man kann leicht zeigen, daß die Intensität I, eines Lichtstrahls, der im Abstand h von der Achse austritt, folgender Gleichung genügt:

I_h - S₁₁ ² cos² ²^^eh </^ue - /^uo>

a. a maximale Sohwingungsamplitude des Lichtstrahls an der Eintrittsfläche des !Compensators,

/U und /U β außerordentlicher bzw. ordentlicher Brechungs-/ e /o

Index der Linsen 16 und 17»

A= Wellenlänge des betrachteten Lichts.

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Diese Gleichung erlaubt bei Kenntnis der Verteilung der Energie eines Laserstrahls (d. h. des Werts a. an jedem Punkt), an jedem Punkt den Wert Δ e, zu bestimmen, so daß an der Austrittsfläche eine homogene Verteilung der Lichtintensität erhalten werden kann.

Bei der Formgebung der Linsen 16 und 17 entsprechend dem durch die vorstehende Gleichung bestimmten Profil können gewisse Schwierigkeiten auftreten. Daher kann man sich mit einer angenäherten Kompensation begnügen, indem Δ e. für eine kleinere Anzahl von Abständen h bestimmt und ein konstanter Krümmungsradius gewählt wird, der am besten mit den berechneten Werten verträglich ist.

Der Kompensator 15 niuß nicht notwendigerweise aus einer Platte mit planparallelen Flächen bestehen. Seine Außenfläohen für den Ein- und Austritt der Lichtstrahlen können so abgerundet sein, daß der Kompensator ein optisches System wird, daß entweder afokal (zum Verkleinern oder Vergrößern des Strahls) oder zerstreuend bzw. sammelnd wirkt. Um eine Verdoppelung der Wellenfront des austretenden Strahle zu vermeiden, wie es beim vorher beschriebenen AusfUhrungsbeispiel der Fall ist, müssen die Krümmungsradien der Ein- und Austrittsfläche des Kompensator· groß genug sein. Außerdem kann eine der beiden Linsen, die den Kompensator bilden, aus einem einachsigen Material bestehen, während die andere Linse dann aus einem isotropen Material gefertigt ist. Schließlich können die beiden Linsen gegeneinander versetzt sein.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Verbesserung der Homogenität eines Lichtstrahls, gekennzeichnet durch ein Organ zur radial veränderlichen Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahls und durch zwei zu beiden Seiten des Organe in der Bahn des Lichtstrahls angeordnete Polarisatoren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ eine Faraday-Effekt-Dreheinrichtung (i) ist, die aus einem Material (k) mit einer Verdet-Konstanten und einem dieses umgebenden Solenoid (5) besteht (Fig. 1).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (U) Bleiglas ist (Fig. 1).

k. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ eine elektrooptisch^ Zelle (6) zur ungleichmäßigen Feldphasenverschiebung ist (Fig. 2).

5. Vorrichtung nach Anspruch h_t dadurch gekennzeichnet, daß die Zelle (6) aus einem Einkristall (9) besteht, der den Pockels-Effekt zeigt, zwischen zwei Ringelektroden (1O, 11) angeordnet 1st sowie mit seiner kristallographisehen Hauptachse parallel zu den Kraftlinien des elektrischen Felds liegt, das durch die Ringelektroden erzeugbar ist (Fig. Z)·

6. Vorrichtung nach Anspruch k_t dadurch gekennzeich-

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net, daß die Zelle aus zwei den Pockels-Effekt zeigenden Einkristallen besteht, die Seite an Seite angeordnet, durch eine mittlere Ringelektrode getrennt und von zwei seitlichen, elektrisch verbundenen Ringelektroden eingefaßt sind, und daß die Kristalle mit ihrer kristallographisehen Hauptachse parallel zu den Kraftlinien des elektrischen Felds liegen, das durch die Elektroden erzeugbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ eine Linse (i4) mit radial unterschiedlicher Dicke ist, die aus einem einachsigen Material besteht, dessen Achse im wesentlichen senkrecht auf der Richtung des Lichtstrahls steht (Fig. 3)„

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ zwei Linsen (i6, 17) aufweist, die jeweils eine zu der anderen komplementäre Fläche haben, und daß mindestens eine der beiden Linsen aus einem einachsigen Material besteht (Fig. k)₀

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linsen (16, 17) an ihren komplementären Flächen zusammengefügt sind (Fig. 4).

10. Vorrichtung naoh Anspruch 9, daduroh gekennzeichnet, daß die beiden Linsen (16, 17) eine plankonkav· bzw. plankonvexe Form haben, um eine Platte (15) mit im wesentlichen planparallelen Flächen zu bilden (Fig. k),

11. Vorrichtung naoh Anspruch 8, daduroh gekennaseioh-

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net_f daß die beiden Linsen (ΐό, 17) aus einem einachsigen Material bestehen, wobei die optische Achse der einen Linse senkrecht auf der optischen Achse der anderen Linse steht (Fig. 4).

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