DE2060525A1

DE2060525A1 - Einfachplatten-Laserstrahlpolarisator

Info

Publication number: DE2060525A1
Application number: DE19702060525
Authority: DE
Inventors: Holmes Samuel J; Woodberry Frank J; Buchman William W
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1970-12-09
Publication date: 1971-07-15
Also published as: GB1270204A; US3622225A

Description

DIPL-ING. FRANZ WERDERMANN 2 HAMBURG 13

INNOCENTIASTR TELEFON «2139

IB. ^δΕΖ·

PATENTANWALT INNOCENTIASTRASSE 30 9 Π R Γ) R ? R

U. 7o i4l Pl.

Union Carbide Corporation

27o Park Avenue
New York, New York (V.St.A.)

Einfaehplatten-Laserstrahlpolarisator.

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S.-Anmeldung Serial-No. 887 121 vom 22. Dezember I969 in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bauteil für Lasersysteme und insbesondere auf einen hochwirksamen Einfachplattenpolarisator für den Laserstrahl.

Zur Ausführung einwandfreier Q-Schaltungsvorgänge in Rieaenimpulslasersyetemen werden üblicherweise Polarisatoren verwendet. Die üblicherweise verwendeten Calzitpolarisatoren sind nicht nur sehr teuer, sondern auch anfällig für Beschädigungen. Daher ist es wünschenswert, andere Polarisatortypen zu verwenden. Zu diesem Zweck wurden auch bereite Stapel von Brewsterplatten vorgeschlagen, die jedoch einen hohen Lichtverlust zur Folge haben und infolge ihrer kumulativen Toleranzen unzureichend sind.

Zur Abhilfe der vorstehend beschriebenen Beschränkungen und zur Herabsetzung der Kosten wurde weiterhin vorgeschlagen,

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als Polarisator dünne optische Filter zu verwenden. Nach einem Vorschlag wird die effektive Brechzahl einer Glasplatte oder Unterlage vermittels einer dünnen Schicht auf einen Wert gesteigert, der beim Arbeiten unter dem Brewsterwinkel einen höheren Polarisationsanteil bewirkt. Diese Schicht besteht dabei aus mehreren Einzelschichten aus Stoffen hoher Brechzahl, die auf beiden Seiten der Glasplatte aufgedampft sind. Dieses Verfahren ist zwar brauch-' bar, ist jedoch durch die für die Beschichtung zur Verfügung stehenden Stoffe hoher Brechzahl beschränkt. Weiterhin können sehr große Brewsterwinkel erforderlich sein, wobei sich in diesem Fall ein nahezu streifender Lichteinfall ergibt, der wiederum eine sehr große Glasoberfläche erforderlich macht.

Durch die Erfindung soll daher ein hochwirksamer Einfachplattenpolarisator geschaffen werden, der nicht mit den vorstehend beschriebenen Nachteilen behaftet ist und die Wahl eines vorgegebenen Einfallswinkels gestattet.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird ein Mehrschichtbelag aus Schichten abwechselnd hoher und niedriger Brechzahl verwendet, um den Durchlässigkeitsgrad der einen linearen Polarisation zu verbessern und den Reflexionsgrad in der anderen Polarisation zu steigern. Der sehr kleine Strahldurchmesser und die enge Bandbreite der meisten Laserstrahlen ermöglichen die Verwendung einer derartigen .AiiordMM^ und führen ^r/,u .jein· ^uten Ergebnissen.

BAD ORiGfNAL

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Der vorgeschlagene Einfachplatten-Laserstrahlpolarisator weist eine tragende Unterlage, insbesondere aus Glas auf und ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen auf der einen Oberfläche der Unterlage angeordneten Mehrschichtbelag aus Stoffen mit abwechseln hohen und niedrigen Brechzahlen und eine Vorrichtung zum Ausrichten der Unterlage, so daß die genannte Oberfläche einen Laserstrahl geringer Bandbreite unter einem vorgegebenen Einfallswinkel schneidet, der vorzugsweise 60° beträgt, wobei die einzelnen Schichtstärken des Mehrschichtbelages entsprechend der Wellenlänge des Laserstrahls und dem Einfallswinkel und den einzelnen Brechzahlen einschließlich denen der Unterlage und der Luft in einer solchen Weise bemessen sind, daß sie nur die Komponente des Laserstrahls durchlassen, d.h. einen hohen Durchlässigkeitsgrad für die Komponente ergeben, deren elektrischer Feldvektor parallel zur Einfallsebene verläuft, und gleichzeitig die Komponente des Laserstrahls sehr stark reflektieren, d.h. für die Komponente einen hohen Reflexionsgrad ergeben, deren elektrischer Peldvektor senkrecht zur Einfallsebene verläuft.

Das vorstehend beschriebene Ergebnis wird aufgrund der Tatsache erhalten, daß die Ausbreitung der Welle, deren elektrischer Peldvektor parallel zur Einfallsebene verläuft, und die der Welle, deren elektrischer Peldvektor senkrecht zur Einfallsebene verläuft, unterschiedlich ist.

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Die Erfindung wird im nachstehenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Laserstrahlgenerators mit einem Einfachplattenpolarisator nach der Erfindung.

Fig. 2 ist ein sehr stark übertriebener Querschnittsausschnitt durch den Polarisator, in Richtung der Pfeile 2-2 der Fig. 1.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Durchlässigkeitsverlaufs des Einfachplattenpolarisators für die P-Komponente der Strahlung.

Fig. k ist eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung und zeigt den Durchlässigkeitsverlauf des Einfachplattenpolarisators für die S-Komponente der Strahlung.

In Fig. 1 ist ein Laserstrahlgenerator (optischer Sender) mit einem Laserstab Io dargestellt, der von einer wendeiförmigen Blitzlampe 11 umgeben ist, die von einer Lichtpumpquelle angetrieben wird. Der Laserstrahl ist bei 13 dargestellt und liefert in der hier beschriebenen Ausführung Strahlung einer Wellenlänge von im wesentlichen I,o6 pm.

Eine Halterung 14 dient zum Ausrichten des allgemein mit dem Bezugszeichen 15 bezeichneten Einfachplattenpolarisators unter einem Einfallswinkel A von im wesentlichen gleich 60°

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zu dem Laserstrahl 13. Vermittels des erfindungsgemässen Polarisators wird die Laserstrahlkomponente, deren elektrischer Feldvektor parallel zur Einfallsebene der Platte verläuft, im wesentlichen vollständig durchgelassen. Diese Komponente ist mit dem Buchstaben P bezeichnet, wobei durch den Pfeil 16 angedeutet ist, daß sie von der Platte durchgelassen wird. Andererseits wird die Laserstrahlkomponente, deren elektrischer Feldvektor senkrecht oder normal zur Einfallsebene verläuft, im wesentlichen vollständig reflektiert. Diese Komponente ist mit dem Buchstaben S bezeichnet, und ihr Weg ist durch die Linie 17 angedeutet.

Der Plattenpolarisator besteht aus einer Glasunterlage 18, die auf ihrer Rückseite mit einem herkömmlichen reflexmindernden Belag 19 versehen sein kann und auf der mit 2o bezeichneten vorderen Oberfläche einen Mehrschichtbelag aus Stoffen abwechselnd hoher und niedriger Brechzahlen trägt.

Wie aus dem im Maßstab stark übertriebenen Querschnittsausschnitt der Fig. 2 zu ersehen, besteht der Mehrschichtbelag 2o aus einem mittigen Abschnitt 2oa, in den sich Stoffe hoher und niedriger Brechzahl abwechseln, einem ersten Anpassungsabschnitt 2ob und einem zweiten Anpassungsabschnitt 2oe. Der Anpassungsabschnitt 2ob dient zur Erzielung einer einwandfreien Anpassung zwischen Luft und dem mittigen Abschnitt 2oa, während der zweite Anpassungsabschnitt 2oc zur Erzielung der richtigen Anpassung zwischen dem mittigen

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Abschnitt 2oa und der Glasunterlage 18 dient.

Entsprechend der bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung läuft der mittige Abschnitt 2oa an seinen beiden Enden in halbsymmetrische Abschnitte aus Stoffen von jeweils hoher bzw. niedriger Brechzahl aus. Diese symmetrischen Halbabschnitte ermöglichen eine wirksamere Anpassung jeweils an den ersten bzw. den zweiten Anpassungsabschnitt. Die richtige Anpassung wie auch die erforderliche Durchlässigkeit und das Reflexionsvermögen der entsprechenden Komponenten wird durch genaue Steuerung der Schichtstärken der einzelnen Schichten erreicht. Diese Schichtstärken werden entsprechend der Wellenlänge des Laserstrahls, dem Einfallswinkel A und den tatsächlichen Brechzahlen der Schichten, der Luft und der Glasunterlage bemessen.

Bei einer hergestellten und praktisch verwendeten Aus führungsform der Erfindung hatte die Glasunterlag;e eine Brechzahl von im wesentlichen gleich 1,51, der Einfallswinkel wurde zur Erzielung bester Ergebnisse gleich 60° gewählt, und der Laserstrahl hatte eine Wellenlänge von im wesentlichen I,o6 ym. Der Stoff hoher Brechzahl bestand aus Ceroxid mit einer Brechzahl von im wesentlichen 2,3o, das jedoch auch durch Zinksulfid ersetzt werden könnte. Der Stoff niedriger Brechzahl bestand aus Magnesiurafluorid mit einer Brechzahl von im wesentlichen 1,38. Der mittige Abschnitt 2oa bestand aus zwölf Schichten aus diesen Stoffen hoher und niedriger

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Brechzahl, wobei die mittleren zehn Schichten für schief einfallende Strahlung eine äquivalente optische Dicke gemessen an der Wellenlänge von o,2o8 hatten, und die als halbsymmetrische Abschnitte dienenden Endschichten Schichtstärken von o,lo4 aufwiesen.

Zur Erzielung einer optimalen Anpassung an die Luft wirkt der erste Anpassungsabschnitt 2ob mit dem ersten halbsymmetrischen Endabschnitt des mittigen Abschnitts zusammen. Dieser erste Anpassungsabschnitt weist eine Schicht aus einem Stoff niedriger Brechzahl und mit einer äquivalenten optischen Dicke für schief einfallende Strahlung, ausgedrückt in Wellenlänge, von o,2o8 auf, an die sich eine Schicht aus einem Stoff hoher Brechzahl und äquivalenter optischer Dicke für schief einfallende Strahlung mit einer Dicke in Wellenlängen von 0,369 anschließt. Diese beiden Schichten, welche mit dem ersten symmetrischen Halbabschnitt des mittigen Abschnitts zusammenwirken, führen zu einer sehr geeigneten Anpassung zwischen Luft und dem mittigen Abschnitt, wenn ihre äquivalenten optischen Dicken gemessen in Wellenlängen die vorstehend beschriebenen Werte haben.

Die Anpassung des anderen Endes des mittigen Abschnitts an die Glasunterlage erfolgt vermittels einer einzigen Schicht aus einem Stoff hoher Brechzahl und von äquivalenter optischer Dicke für schief anfallende Strahlung von einer viertel Wellenlänge oder o,25o, wie in Fig. 2 bei 2oc dargestellt ist.

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Es muß hierbei berücksichtigt werden, daß es sich bei den vorstehend in Wellenlängen angegebenen Schichtstärken um äquivalente optische Dicken für schief einfallende Strahlung handelt und diese Schichtstärken zur Steuerung der Bedampfung während der Herstellung entweder auf tatsächliche physikalische Schichtstärken oder auf die normalen (senkrechten) optischen Dicken umgerechnet werden müssen, wenn bei der Bedampfung eine optische überwachung senkrecht zur Schicht erfolgt. Die äquivalenten optischen Dicken für schief einfallende Strahlung werden entsprechend der Impedanzlehre und analog der Bemessung elektrischer Filter und deren Impedanzanschlüsse und nach der Impedanzanpassungstheorie berechnet.

Die in Wellenlängen gemessenen normalen optischen Dicken der entsprechenden Schichten sind in Fig. 2 dargestellt und werden außerdem in der nachstehenden Tabelle in Verbindung mit den ebenfalls in Wellenlängen gemessenen äquivalenten optischen Dicken für schief einfallende Strahlung wie folgt angegeben:

(Tabelle Seite 9)

Äquivalente optische

Dicke für schief ein- Normale optische

Tatsächliche fallende Strahlung Schichtdicke in

Schicht Brechzahl in Wellenlängen Wellenlängen

Luft	l,o	____	____
1	2,3	o,369	o,399
2	1,38	o,2o3	o,26l
3	2,3	o,lo4	o,112
4	1,38	o,2o8	o,268
5	2V3	o,2o8	o,225
6	1,38	o,2o8	o,268
7	2,3	o,2o8	o,225
8	1,38	o,2o8	o,268
9	2,3	o,2o8	o,225
Io	1,38	o,2o8	o,268
11	2,3	o,2o8	o,225
12	1,38	o,2o8	o,268
13	2,3	o,2o8	o,225
14	1,38	o,lo4	0,134
15	2,3	o,25	o,27o

Unterlage 1,51

Fig. 3 zeigt die Durchlässigkeitskurve für die Strahlungskomponente P bei Verwendung des in Verbindung mit Pig. 2 beschriebenen Einfachplattenpolarisators, bei dem die einzelnen Schichtstärken denen der vorstehenden Tabelle entsprechen. Die Durchlässigkeitskurve 21 weist für eine Laserstrahlwellenlänge von I,o6 pm einen Spitzenwert von im wesentlichen 96 % an der

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Stelle 22 auf, wobei dieser Wert den Reflexionsgrad einschließt, wenn die gegenüberliegende Oberfläche der Unterlage unbeschichtet ist. Die Wirksamkeit des Polarisators hängt in einem hohen Grade davon ab, daß der Laserstrahl in der Umgebung der Wellenlänge von I,o6 ym eine enge Bandbreite aufweist. Durch diese hervortretende Eigenschaft eines Laserstrahls wird die erfolgreiche Herstellung eines sehr wirksamen Einfachplattenpolarisators der beschriebenen Ausführung ermöglicht. Wenn sich beispielsweise die Wellenlänge der einfallenden Strahlung verschieben und beispielsweise den Wert von o,9 pm annehmen sollte, wird die Strahlungskomponente P im wesentlichen reflektiert und nicht länger durchgelassen.

Pig. H zeigt die Durchlässigkeitskurve für die Strahlungskomponente S, wobei aus der Kurve 23 ersichtlich ist, daß der Durchlässigkeitsgrad an der mit 24 bezeichneten Stelle für die Wellenlänge 1,06 pm in der Größenordnung von nur 1 % liegt. Somit wird diese Komponente vermittels des aus fünfzehn Schichten bestehenden Mehrschichtbelages im wesentlichen vollständig, d.h. zu wenigstens 99 % reflektiert.

Es lassen sich auch andere Einfallswinkel verwenden, und der mittige Abschnitt kann anstelle der beschriebenen zwölf Schichten auch mehr oder weniger Schichten aufweisen. Der Wirkungsgrad ist um so größer, desto größer die Anzahl der Schichten im mittigen Abschnitt ist. Außerdem ist es nicht erforderlich, daß der mittige Abschnitt in halbsyiii&airische

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Abschnitte ausläuft. Die beste Impedanzanpassung wird jedoch erreicht, wenn die Enden des mittigen Abschnittes in dieser Weise ausgebildet sind.

Der Polarisator läßt sich in entsprechender Weise auch für andere Wellenlängen der Laserstrahlung ausführen.

- Patentansprüohe -

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Claims

Patentansprüche

IJ Einfachplatten-Laserstrahlpolarisator, bestehend aus einer tragenden Unterlage und gekennzeichnet durch einen auf der einen Oberfläche (2o) der Unterlage (18) angeordneten Mehrschichtbelag (2o) aus Stoffen mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechzahlen und eine Vorrichtung (14) zum Ausrichten der Unterlage, so daß die genannte Oberfläche (2o) einen W Laserstrahl (13) geringer Bandbreite unter einem vorgegebenen Einfallswinkel schneidet, wobei die einzelnen Schichtstärken des Mehrschichtbelages entsprechend der Wellenlänge des Laserstrahls und dem Einfallswinkel (A) in einer solchen Weise bemessen sind, daß sie nur diejenige Komponente des Laserstrahls (P) durchlassen, deren elektrischer Feldvektor parallel zur Einfallsebene verlauft, und die Komponente (S)₇ deren elektrischer Peldvektor senkrecht zur Einfallsebene verläuft, im wesentlichen ganz reflektieren.

" 2. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die tragende Unterlage (18) aus Glas besteht, das auf der

der genannten Oberfläche (2o) gegenüberliegenden Oberfläche

mit einem reflexmindernden Belag (19) versehen ist.

3. Polarisator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mehrschichtbelag (2o) einen in halbsymmetrische Abschnitte aus Stoffen hoher und niedriger Brechzahl auslaufenden mittigen Abschnitt (2oa), einen zwischen dem halbsymmetrischen Abschnitt aus einem Stoff hoher Brechzahl und Luft angeordneten

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ersten Anpassungsabschnitt (2ob) und einen zwischen dem halbsymmetrischen Abschnitt aus einem Stoff niedriger Brechzahl und der tragenden Unterlage angeordneten zweiten Anpassungsabschnitt (2oc) aufweist.

4, Polarisator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der mittige Abschnitt (2oa) wenigstens eine Schicht aus ehern Stoff hoher Brechzahl und eine Schicht aus einem Stoff niedriger Brechzahl aufweist, die zwischen den halbsymmetrischeη Abschnitten angeordnet sind.

5. Polarisator nach Anspruch 1, insbesondere für einen Laserstrahl von im wesentlichen 1,ο6 μπι Wellenlänge, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus Glas mit einer Brechzahl von im wesentlichen 1,51 und der Mehrschichtbelag aus Stoffen mit abwechselnd hohen und niedrigen Brechzahlen von jeweils im wesentlichen 2,3o bzw. 138 besteht, der Einfallswinkel

(A) im wesentlichen 6o° beträgt, der Mehrschichtbelag einen mittigen Abschnitt (2oa) und auf dessen Seiten jeweils einen ersten bzw. einen zweiten Anpassungsabschnitt (2ob, 2oc) zur Erzielung eines geeigneten Anpassungsverlaufs zwischen dem mittigen Abschnitt und Luft bzw. zwischen dem mittigen Abschnitt und der Glasunterlage aufweist, die einzelnen Schichtstärken des Mehrschichtbelages in Beziehung zur Wellenlänge, dem Einfallswinkel und den Brechzahlen stehen, so daß ein hoher Durchläs3igkeitsgrad der Strahlungskomponente, deren elektrischer Vektor parallel zur Einfallsebene verläuft, und

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ein niedriger Durchlässigkeitsgrad der Strahlungskomponente, deren elektrischer Vektor senkrecht zur Einfallsebene verläuft, gegeben ist.

6. Polarisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff hoher Brechzahl aus Ceroxid und der Stoff niedriger Brechzahl aus Magnesiumfluorid besteht.

7. Polarisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff hoher Brechzahl aus Zinksulfid und der Stoff niedriger Brechzahl aus Magnesiumfluorid besteht.

8. Polarisator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der mittige Abschnitt (2oa) aus zwölf Schichten besteht, von denen die mittleren zehn Schichten eine äquivalente optische Dicke für schief einfallende Strahlung von o,2o8 Wellenlänge und die entsprechenden Endschichten, welche halbsymmetrische Abschnitte aus Stoffen hoher und niedriger Brechzahlen darstellen, jeweils eine äquivalente optische Dicke für schief einfallende Strahlung von o,lo4 aufweisen, der erste Anpassungsabschnitt (2ob) aus zwei Schichten aus Stoffen hoher und niedriger Brechzahl von einer äquivalenten optischen Dicke für schief einfallende Strahlung von 0,369 und o,2o3, und der zweite Anpassungsabschnitt (2oc) aus einer einzigen Schicht aus einem Stoff hoher Brechzahl von einer äquivalenten optischen Dicke für schief einfallende Strahlung von einer viertel Wellenlänge besteht.

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