DE3728104A1

DE3728104A1 - Anordnung zur optischen strahlfuehrung mit prismen

Info

Publication number: DE3728104A1
Application number: DE19873728104
Authority: DE
Inventors: Adalbert Dipl Ing Bandemer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-22
Filing date: 1987-08-22
Publication date: 1989-03-02

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung eines Laserstrahls in optischen Aufbauten. Die Strahlführung wird dabei mit Prismen durchgeführt.

Bei der Realisierung optischer Aufbauten muß der optische Strahl zwischen verschiedenen optischen Komponenten geführt werden. Zur Erzielung eines geringen Fokusdurchmessers muß beispielsweise der Strahl aufgeweitet werden. Dies geschieht konventionell durch den Einsatz zweier Linsen nach dem Galilei- bzw. Kepler- Aufweitungsprinzip. Um räumlich kompakte Aufbauten realisieren zu können, wird der Strahl oft durch den Einsatz von Spiegeln umgelenkt. Zur Anpassung der Strahlform an beliebige Aperturen, beispielsweise an elliptische Aperturen von breitbandigen Braggzellen, wird meist eine Zylinderlinsen-Anordnung eingesetzt. Bei der Strahlaufweitung mit zwei Linsen fester Brennweite tritt der Strahl quasi senkrecht durch zwei Grenzflächen je Linse (Fig. 1). Sind die Linsen nicht speziell beschichtet, gehen bei jeder Grenzfläche 4% der Strahlintensität verloren. Zusätzlich besteht die Notwendigkeit der Justierung beider Linsen in allen drei Dimensionen. Besonders unangenehm ist dabei die Justierung in optischer Ausbreitungsrichtung, da zum einen die Brennpunkte beider Linsen aufeinanderfallen müssen (konfokale Anordnung), zum anderen Feinverstellelemente mit ihren Mikrometerschrauben in Ausbreitungsrichtung platzraubend sind. Die gleichen Nachteile treffen auch auf Anordnungen mit Zylinderlinsen zu. Soll der Strahl zur Erreichung eines kompakten optischen Aufbaus umgelenkt werden, sind Spiegel mit weiteren Leistungsverlusten als zusätzliche optische Komponenten, die ebenfalls feinjustiert werden müssen, in den Aufbau einzufügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die notwendigen Aufgaben der Strahlführung, als Strahlaufweitung oder -verkleinerung sowie die Strahlumlenkung in jeder Dimension getrennt bei geringstem Justieraufwand und kleinen optischen Intensitätsverlusten zu realisieren. Diese Anforderung wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß als strahlführende Komponenten Prismen anstelle von Linsen und Spiegeln eingesetzt werden.

Die prinzipielle Anordnung einer Strahlführung mit einem Prisma ist in Fig. 2 dargestellt. Der eintretende Strahl besteht aus den zwei Polarisationsanteilen (senkrechte Pol. E ⟂ und parallele Pol. E //) und trifft unter dem Winkel α auf die Hypothenuse eines rechtwinklig geschnittenen Prismas. Durch Brechung des Strahls an den Grenzflächen "1" und "2" des Prismas wird der Austrittsstrahl in seinem Durchmesser in der gezeichneten Ebene eindimensional verändert sowie um den Winkel ϕ zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung umgelenkt. Die Veränderung des Strahldurchmessers und der Umlenkwinkel sind dabei vom Einfallswinkel α abhängig. In Fig. 3 sind die Abhängigkeiten des Umlenkwinkels d und des Veränderungsfaktors V des Strahldurchmessers, der mit

definiert ist für die beiden Fälle eines rechtwinkligen Prismas (α _c=5,3°) und eines gleichseitigen Prismas (auch 60°-Prismas, α _c=28,67°) berechnet. Dabei ist jeweils BK-7-Glas als Material des Prismas angenommen worden (n=1,51). Derartige Prismen sind für zirka 30,- DM käuflich zu erwerben. Durch die Größe des Prismas in der Dimension senkrecht zur Zeichenebene (Fig. 2) ist eine Justierung nicht nötig. Durch einfache Drehung des Prismas kann der Strahlaufweitungsfaktor und der Umlenkwinkel kontinuierlich und unabhängig von der anderen Dimension eingestellt werden. Als Justiermaßnahme genügt eine ebene Grundplatte und eine grobe Verdrehung des Prismas.

Ein paralleler Eintrittsstrahl verläßt das Prisma wiederum parallel. Die Divergenz eines Eintrittsstrahls wird reduziert. Dies ist ein weiterer Vorteil bei Einsatz des Prismas vor einer Laserdiode. Ebenso sind keine störenden Rückreflexionen in den Laserresonator von dem Prisma möglich, da die Eintrittsfläche um den Eintrittswinkel α verdreht ist.

Eine derartige Anordnung mit Prismen gestattet sehr kompakte optische Aufbauten, da zur Strahlaufweitung nur die Wegstrecke innerhalb des Prismas (typ 3 cm) benötigt wird (Vergleich Linsenaufweitung: Wegstrecke der zwei Linsenbrennweiten) und durch die gleichzeitige Umlenkung des Strahls gefaltete Strahlengänge ermöglicht werden.

Die optischen Verluste sind beim Durchlaufen des Prismas sehr gering. Verglichen mit einer konventionellen Linsenanordnung, bei der pro Linse zwei Grenzflächen durch senkrechten Einfall Reflexionsverluste von 4% der optischen Intensität (also ≈8% pro Linse) verursachen, sind beim Durchlaufen eines Prismas, das die Aufgabe eines Zweilinsenaufbaus übernimmt (also ≈16% vergleichbare Verluste bei Linsen), nur bis zu 1% Intensitätsverluste bei senkrecht polarisiertem Einfallsstrahl und einem 60°-Prisma zu erhalten. In Fig. 4 sind die Transmissionskoeffizienten für die Intensitäten für senkrechte und parallele Polarisation des Laserstrahls für die beiden Fälle des 90°-Prismas (α _c=5,3°) und des 60°-Prismas (α _c=28,67°) als Funktion des Einfallswinkels a berechnet. Diese ausgezeichneten Wirkungsgrade werden schon ohne Antire flex-Beschichtung erreicht.

Claims

Anordnung zur Strahlführung eines Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl auf einer Seite eines Prismas unter einem Eintrittswinkel α zur Flächennormale der Grenzfläche des Prismas in das Prisma eintritt und gemäß zweimaliger Anwendung des Brechungsgesetzes unter einem Winkel ϕ zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung das Prisma auf der gegenüberliegenden Seite wieder verläßt. Der Strahldurchmesser des austretenden Lichtstrahls ist dabei durch Änderung des Eintrittswinkels α kontinuierlich veränderbar. Eine derartige Anwendung hat die Wirkung einer Zylinderlinse mit variabler Brennweite. Durch Änderung des Eintrittswinkels α wird auch der Umlenkwinkel ϕ verändert. Die optischen Verluste einer Aufweitung oder Einengung eines Laserstrahls mit einem Prisma sind dabei selbst ohne Antireflexbeschichtung speziell für senkrecht polarisiertes Licht sehr gering. Ist der Eintrittsstrahl parallel, so ist auch der aus dem Prisma austretende Strahl parallel. Bei Einstrahlung eines divergenten Strahls wird dessen Divergenz durch die Strahlbrechung im Prisma reduziert.