DE3728104A1 - Arrangement for optical beam guidance by means of prisms - Google Patents

Abstract

The invention relates to an arrangement for optical beam guidance by means of prisms. In contrast to conventional beam widening arrangements with two lenses having fixed focal lengths, the optical beam is guided by means of prisms. By changing the angle of incidence into the prism, the widening of the beam in this case is rendered capable of being adjusted continuously and separately in one dimension. The optical losses, when the beam passes through the prism, are in this case considerably lower than in the case of conventional two-lens widening systems. At the same time, the prism deflects the beam in such a manner that compact optical constructions with folded optical beam paths and beam diameters which can be adjusted separately in each direction can be implemented.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Führung eines Laserstrahls in optischen Aufbauten. Die Strahlführung wird dabei mit Prismen durchgeführt.The invention relates to an arrangement for guiding a Laser beam in optical structures. The beam guidance is carried out with prisms.

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.When realizing optical structures, the optical beam must be guided between different optical components. To achieve a small focus diameter, for example, the beam must be widened. This is done conventionally by using two lenses based on the Galilei or Kepler expansion principle. In order to be able to implement spatially compact structures, the beam is often deflected using mirrors. A cylindrical lens arrangement is usually used to adapt the beam shape to any apertures, for example to elliptical apertures of broadband Bragg cells. When the beam is expanded with two lenses with a fixed focal length, the beam passes through two boundary surfaces per lens almost vertically ( FIG. 1). If the lenses are not specially coated, 4% of the beam intensity is lost at each interface. In addition, there is a need to adjust both lenses in all three dimensions. Adjustment in the optical direction of propagation is particularly unpleasant, since on the one hand the focal points of both lenses must coincide (confocal arrangement), and on the other hand fine adjustment elements with their micrometer screws in the direction of propagation are bulky. The same disadvantages also apply to arrangements with cylindrical lenses. If the beam is to be deflected in order to achieve a compact optical structure, mirrors with further power losses are to be inserted into the structure as additional optical components, which also have to be finely adjusted.

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.The invention has for its object the necessary Beam guiding tasks, as beam expansion or reduction as well as the beam deflection separated in each dimension with the least adjustment effort and small optical loss of intensity to realize. This requirement is according to the invention satisfied that as beam-guiding components Prisms instead of lenses and mirrors be used.

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 mitThe basic arrangement of a beam guide with a prism is shown in Fig. 2. The incoming beam consists of the two polarization components (vertical pole. E ⟂ and parallel pole. E //) and strikes the hypotenuse of a prism cut at right angles at an angle α . By refraction of the beam at the interfaces "1" and "2" of the prism, the diameter of the exit beam in the drawn plane is changed one-dimensionally and deflected by the angle ϕ to the original direction of propagation. The change in the beam diameter and the deflection angle are dependent on the angle of incidence α . In Fig. 3 are the dependencies of the deflection angle d and the change factor V of the beam diameter, which with

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.is defined for the two cases of a right-angled prism ( α _c = 5.3 °) and an equilateral prism (also 60 ° prism, α _c = 28.67 °). BK-7 glass was used as the material of the prism (n = 1.51). Such prisms can be purchased for around 30 DM. Due to the size of the prism in the dimension perpendicular to the plane of the drawing ( Fig. 2), adjustment is not necessary. By simply rotating the prism, the beam expansion factor and the deflection angle can be set continuously and independently of the other dimension. As an adjustment measure, a flat base plate and a rough twisting of the prism are sufficient.

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.A parallel entrance beam leaves the prism again in parallel. The divergence of an entry beam is reduced. This is another advantage when using the prism in front of a laser diode. Likewise, no disturbing back reflections into the laser resonator from the prism are possible, since the entrance surface is rotated by the entrance angle α .

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.Such an arrangement with prisms allows a lot compact optical structures because of beam expansion only the distance within the prism (type 3 cm) is required (comparison lens expansion: distance of the two focal lengths) and by the simultaneous Deflection of the beam enables folded beam paths will.

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.The optical losses when passing through the prism are very low. Compared to a conventional lens arrangement, in which two interfaces per lens cause reflection losses of 4% of the optical intensity (i.e. ≈8% per lens) due to vertical incidence, when passing through a prism that takes on the task of a two-lens construction (i.e. ≈16% comparable) Losses with lenses), only up to 1% intensity loss with perpendicularly polarized incidence beam and a 60 ° prism. In FIG. 4, the transmission coefficient of the intensities for vertical and parallel polarization of the laser beam are for the two cases of the 90 ° prism (α _c = 5.3 °) and the 60 ° prism (α _c = 28.67 °) calculated as a function of the angle of incidence a . These excellent efficiencies can be achieved without Antire flex coating.

Claims (1)

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.Arrangement for guiding a laser beam, characterized in that the beam on one side of a prism enters the prism at an entry angle α to the surface normal of the boundary surface of the prism and in accordance with two uses of the law of refraction at an angle ϕ to the original direction of propagation the prism on the opposite side leaves again. The beam diameter of the emerging light beam can be changed continuously by changing the entry angle α . Such an application has the effect of a variable focal length cylindrical lens. The deflection angle ϕ is also changed by changing the entry angle α . The optical losses of widening or narrowing a laser beam with a prism are very low, even without an anti-reflective coating, especially for perpendicularly polarized light. If the entrance beam is parallel, the beam emerging from the prism is also parallel. When a divergent beam is irradiated, its divergence is reduced by the beam refraction in the prism.