DE68914414T2 - Lichtquelle. - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lichtguellenvorrichtung, die in der Lage ist, Wellen der zweiten Harmonischen zu erzeugen und im Anschluß daran die Wellen in parallele Lichtstrahlen umzuwandeln. Die Wellen der zweiten Harmonischen werden unter Verwendung eines Laserstrahls erzeugt, der durch ein die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugendes Element hindurchtritt.
- In dem die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugenden Element in der Art eines optischen Wellenleiters werden die Wellen der zweiten Harmonischen jedoch aus der optischen Wellenleitereinheit mit einer vorgegebenen Breite gegen das Substrat hin derart abgestrahlt, daß keine geeigneten Wellenoberflächeneigenschaften erhalten werden. Insbesondere sind die Wellen der zweiten Harmonischen aus Gruppen von eine Oberflächensyrnmetrie aufweisenden parallelen Lichtstrahlen zusainmengesetzt, und folglich gibt es das folgende Problem, daß die Lichtstrahlen nicht auf einen kleinen Punkt konvergieft werden können. Als Folge davon ist es bis jetzt schwierig, die Wellen der zweiten Harmonischen zum Beschreiben eines optischen Speichermediums, wie z.B. einer Photoscheibe mit sehr kleinen Einsenkungen, und zum Lesen von einem solchen Speichermedium anzuwenden.
- Im Gegensatz dazu weist ein die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugendes Element eines optischen Fasertyps eine axiale Symmetrie auf, und daher sind diese Wellen der zweiten Harmonischen in eine ringahnliche Anordnung aufgeweitet. Man erwartet, daß geeignete Konvergenzeigenschaften geschaffen werden.
- Um genau zu sein, die aus dem die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugenden Element eines optischen Fasertyps austretenden Wellen der zweiten Harmonischen haben phasengleiche Oberflächen, die jeweils eine konische Form annehmen. Die Fig. 8 zeigt diese Eigenschaft. Die Wellen der zweiten Harmonischen breiten sich derart aus, daß ein konischer Strahl B mittels eines Mantels 42 einer optischen Faser 4 gebildet wird. Zum Zwecke des Konvergierens des Strahls B in parallele Lichtstrahlen, wie es in der Fig. 9 dargestellt ist, kann eine konische Kollimatorlinse 50 verwendet werden.
- Da die konische Kollimatorlinse 50 eine beträchtliche Dicke aufweist, ist es schwierig, daraus eine Lichtguellenvorrichtung geringer Größe zu schaffen und die Handhabung und Einstellung davon sind aufwendig und umständlich. Ein zusätzliches Problem besteht darin, daß die Lichtguellenvorrichtung nicht in ausreichender Weise miniaturisiert werden kann.
- Die Erzeugung der zweiten Harmonischen in einer optischen Faser ist in der JP-A-63-15235 gezeigt, wo der Mantel der Faser gegen das Ausgangsende der Faser konisch abgeschrägt ist, um einen kleinen Lichtpunkt der zweiten Harmonischen für eine verbesserte Fokussierbarkeit zu erhalten. Die Kollimation von aus einer optischen Faser emittiertem Licht unter Verwendung einer Mikro-Fresnel-Linse ist in der JP-A-63-33716 gezeigt.
- Ein nichtlinearer optischer Effekt kann als ein Phänomen verstanden werden, bei dein die Polarisation eines Mediums proportional zu den Gliedern ist, die eine höhere Ordnung als die quadratische Ordnung in dem elektrischen Feld des auf das Medium einfallenden Lichts haben. Dieses Phänomen erlaubt die Erzeugung der Wellen der zweiten Harmonischen durch das Medium.
- Ein Element mit solch einem Medium wird als ein nichtlineares optisches Element bezeichnet. Inorganische Materialien, wie z.B. KH&sub2;PO&sub4;, LiNbO&sub3; und ähnliche, werden oft verwendet. Viel Aufmerksamkeit wurde in jüngster Zeit organischen Materialien zugewendet, die durch 2-Methyl-4-Nitroanilin (MNA) vertreten werden, weil diese Materialien eine große nichtlineare optische Konstante aufweisen.
- Wenn das nichtlineare optische Element als ein Wellen der zweiten Harmonischen erzeugendes Element verwendet wird, kommt das zum Gebrauch geeignete, die Welle der zweiten Harmonischen erzeugende Element in der Art eines optischen Wellenleiters vor. Eine Anordnung der optischen Wellenleiterart besteht aus einer länglichen optischen Wellenleitereinheit, durch die das Licht sich ausbreitet, während es darin eingeschlossen ist, und welche auf einem Substrat ausgebildet ist, und die von einer Überzugschicht abgedeckt wird. Ein Ausbreitungsweg in dem optischen Wellenleiter muß eine Struktur haben, die an die Ausbreitungsphasengeschwindigkeit der Wellen der zweiten Harmonischen anpaßbar ist, um die in der optischen Wellenleitereinheit oder ähnlichem erzeugten Wellen der zweiten Harmonischen zu propagieren. Insbesondere muß der Ausbreitungsweg des optischen Wellenleiters in der Phase an die Wellen der zweiten Harmonischen angepaßt sein. Es gibt eine große Vielfalt von Verfahren zum Erhalten dieser Phasengleichmäßigkeit. Das einfachste Verfahren zum Erhalten der Phasengleichmäßigkeit kann die Verwendung eines Cerenkov-Strahlungssystems beinhalten.
- Das Cerenkov-System ist auf eine solche Weise, wie in der Fig. 7 dargestellt ist, angeordnet, daß bei Eintreten von Wellen der zweiten Harmonischen, die aus dem durch eine optische Wellenleitereinheit 11 sich ausbreitendem Licht an einem Punkt A erzeugt werden, in eine obenliegende Schicht 13 und auch in ein Substrat 12 unter einem Winkel θ die Wellen der zweiten Harmonischen in einem durch den Winkel θ bestimmten Bereich abgestrahlt werden, wobei gleichphasige Oberflächen der Wellen der zweiten Harmonischen erneut in einer θ-Richtung an einem Punkt B nach dem Verstreichen einer Zeiteinheit austreten, die mit gleichphasigen Oberflächen der obenerwähnten Wellen der zweiten Harmonischen zusammenfallen. Es sei nS(w) der Brechungsindex des Substrats 12 oder der darüberliegenden Schicht 13 für die fundamentalen Wellen, es sei nG(w) der Brechungsindex für die Wellenleitereinheit 11, und es sei nS(2w) der Brechungsindex des Substrats 12 oder der darüberliegenden Schicht 13 für die Wellen der zweiten Harmonischen. Die Phasengleichmäßigkeit kann automatisch erhalten werden und die Cerenkov-Strahlung kann auch bewirkt werden, unter der Voraussetzung, daß die folgende Bedingung erfüllt ist:
- nS(2w) > nG(w) > nS(w)
- Folglich wird die Cerenkov-Strahlung als ein System eingeführt, mit dem man die Phasengleichmäßigkeit auf die einfachste Weise erhalten kann.
- Es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtguellenvorrichtung zu schaffen, die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugen kann, die von auf ein Wellen der zweiten Harmonischen erzeugendes Element einfallendem Laserlicht erzeugt werden, und deren Ausgangslicht einfach zu kondensieren ist. Dies erleichtert die Handhabung und Einstellung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung und ermöglicht eine weitere Miniaturisierung der Anordnung.
- Zum Lösen der obigen Aufgabe wird erfindungsgemäß eine kollimierende, eine zweite Harmonische erzeugende Lichtquellenvorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen.
- Das kollimierende optische Element hat ein ringförmiges Beugungsinuster, wobei jeweils schräge Oberflächen des Beugungsmusters in konzentrischen Kreisen bei gleichen Abständen ausgebildet sind, wobei die schrägen Oberflächen teilweise die Seitenflächen einer Vielzahl von konischen Körpern angeben, die zu den konzentrischen Kreisen konzentrisch sind.
- Gemäß der auf der oben beschriebenen Bauweise basierenden Lichtguellenvorrichtung werden die von der Laserquelle emittierten Lichtstrahlen zu dem die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugenden Element eines optischen Fasertyps geführt, in dem die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugt werden. Die Wellen der zweiten Harmonischen werden in eine axiale Symmetrie aufweisende Wellen umgewandelt und weisen Oberflächen mit gleichen Phasen auf, die jeweils eine konische Form annehmen, und die solcherweise aus einer Endoberfläche der optischen Faser heraus sich ausbreiten.
- Wenn man die Wellen der zweiten Harmonischen durch eine Vielzahl von konzentrisch mit gleichen Beabstandungen angeordneten Beugungsgittern treten läßt, werden die Wellen der zweiten Harmonischen in parallele Lichtstrahlen eines vorbestimmten Grads (Ordnung) durch die Beugungswirkung des Beugungsmusters umgewandelt. In diesem Fall bilden die jeweiligen schrägen Oberflächen des Beugungsmusters die Seitenoberflächen der konischen Körper, wodurch die parallelen Lichtstrahlen auf eine von Lichtstrahlen eines anderen Grads (Ordnung) gut getrennte Weise ausgestrahlt werden.
- Die vorliegende Erfindung wird nun in bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- Fig.1 ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform einer kollimierenden, eine zweite Harmonische erzeugenden Lichtguellenvorrichtung darstellt;
- Fig.2(a) eine Vorderansicht, die eine Anordnung eines kollimierenden optischen Elements zeigt;
- Fig.2(b) eine Schnittansicht des in der Fig. 2(a) gezeigten Elements, die entlang der Linie b-b genommen wurde;
- Fig.3 eine Ansicht, um den Zustand zu erläutern, in dem die Strahlen der zweiten Harmonischen in das kollimierende optische Element eintreten, und um auch das Verhalten der Strahlen zu erläutern;
- Fig.4-6 Ansichten, die mögliche Abwandlungen des kollimierenden optischen Elements zeigen;
- Fig.7 ein ein Cerenkov-System erläuterndes Diagramm;
- Fig.8 eine die von einer optischen Faser abgestrahlten Strahlen darstellende Ansicht; und
- Fig.9 eine ein Beispiel aus dem Stand der Technik zeigende Ansicht, bei dem Lichtstrahlen durch eine konische Linse kondensiert werden.
- Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun in bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben:
- Zunächst wird in der Fig. 1 eine kollimierende, die zweite Harmonische erzeugende Lichtguellenvorrichtung dargestellt, die aus folgenden Teilen aufgebaut ist: einer Laserlichtguelle 1, wie z.B. einem Halbleiterlaser oder ähnlichem; einer sphärischen Linse 2 zum Kollimieren der von der Laserlichtquelle 1 emittierten Lichtstrahlen; einer kondensierenden sphärischen Linse 3 zum Kondensieren der parallelen Lichtstrahlen; einem nachgeordneten, Wellen höherer Harmonischer erzeugenden Element 4 eines optischen Fasertyps, das einen aus einem bekannten nichtlinearen optischen Material, wie z.B. MNA, gebildeten Kern 41 und einen aus Glas gebildeten Mantel 42 umfaßt; und einem kollimierenden optischen Element 5 zum Kollimieren der von dem die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugenden Element 4 eines optischen Fasertyps erzeugten Wellen der zweiten Harmonischen. Eine optische Achse des kollimierenden optischen Elements ist so angeordnet, daß sie mit der Symmetrieachse des die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugenden Elements 4 des optischen Fasertyps zusammenfällt. Eine Bauart des kollimierenden optischen Elements 5 besteht darin, daß, wie in der Fig. 2 gezeigt, ein Glassubstrat konzentrische Einschnitte mit einer Vielzahl von ringförmigen Beugungsmustern mit einem Wiederholabstand d aufweist. Schräge Oberflächen 51 des Beugungsmusters sind geradlinig geformt, um jeweils einen bestimmten Winkel einzunehmen, wie in der Fig. 2(b) gezeigt ist, die einen Schnitt entlang einer zentralen Achse 52 des konzentrischen Kreises darstellt. Mit anderen Worten, unter der Annahme, daß eine Vielzahl von konischen Körpern gebildet ist, die in bezug auf die zentrale Achse 52 den gleichen vertikalen Winkel aufweisen, sind die schrägen Oberflächen 51 so angeordnet, daß sie teilweise die Seitenflächen dieser konischen Körper bilden, wobei a der durch die schrägen Oberflächen 51 des Beugungsmusters und durch die zentrale Achse 52 gebildete Winkel ist. In der so aufgebauten kollimierenden, die zweite Harmonische erzeugenden Lichtquellenvorrichtung fallen die aus dem die Wellen der zweiten Harmonischen erzeugenden Element 4 des optischen Fasertyps austretenden Wellen der zweiten Harmonischen, wie in der Fig. 3(a) dargestellt, auf das kollimierende optische Element 5 unter einem gegebenen Winkel θ&sub0; in bezug auf die Symmetrieachse (Hauptachse) der optischen Faser 4 ein, wodurch, wie in der Fig. 3(b) dargestellt ist, Beugungslichtstrahlen aufgrund der Beugung in der 1., der 0., der -1. und der -2. Ordnung erzeugt werden.
- Um beispielsweise das Licht der -1. Ordnung in einen parallelen Lichtstrahl umzuwandeln, wird die Wiederholrate d des Beugungsmusters so eingestellt, daß die folgende Beugungsformel erfüllt wird:
- sin θ&sub0; = λ / d
- Um das Licht der -1. Ordnung unter einem zum Trennen des Lichts der -1. Ordnung von Lichtstrahlen anderer Ordnungen gut geeigneten Winkel zu bekommen, kann ein Neigungswinkel α&sub0; der Oberfläche des Beugungsgitters gleich oder ungefähr einem Winkel α&sub0; sein, der die folgende Formel erfüllt:
- tan α&sub0; = (n-cos θ&sub0;) / sin θ&sub0;
- wobei n der Brechungsindex des Glases ist. Es sei bemerkt, daß die Neigungswinkel der jeweiligen Beugungsmuster nicht notwendigerweise genau miteinander zusammenfallen. Es besteht kein Rroblem, wenn diese Winkel voneinander unterschiedlich sind, vorausgesetzt, daß sie annähernd die Größe von α&sub0; haben.
- Somit können parallele Lichtstrahlen aus dem kollimierenden optischen Element 5 emittiert werden. Diese Lichtstrahlen werden durch eine wohlbekannte kondensierende Vorrichtung kondensiert, wodurch ein kleiner Fleck erhalten wird, der im wesentlichen durch den Grenzwert aufgrund der Lichtwellenlänge bestimmt ist.
- Das kollimierende optische Element 5 wird durch Bilden des ringförmigen Musters auf dem Glassubstrat aufgebaut und kann deshalb ohne Schwierigkeiten dünn ausgebildet sein. Zusätzlich zu diesem Vorteil ermöglicht das kollimierende optische Element 5 die Miniaturisierung der kollimierenden, die zweite Harmonische erzeugenden Lichtguellenvorrichtung als Ganzes.
- Es sei bemerkt, daß das kollimierende optische Element 5 nicht auf die oben beschriebene Anordnung beschränkt ist. Beispielsweise kann das kollimierende optische Element 5 eine solche Anordnung annehmen, daß Beugungsmuster 53 und 54 auf beiden Oberflächen des Elements vorgesehen sind, wie es in der Fig. 4 abgebildet ist. Mit dieser Anordnung kann die Wiederholrate d des Beugungsmusters aufgeweitet werden. In vorteilhafter Weise erleichtert dies wiederum die Bearbeitung des Beugungsmusters und führt zu einer Verbesserung in der Bearbeitungsgenauigkeit.
- Wie in der Fig. 5 dargestellt ist, kann eine Oberfläche in einer sphärischen Form 55 ausgebildet sein, wodurch ein optisches Element erhalten wird, bei dem das Beugungsmuster zum Kollimieren der Lichtstrahlen und eine konvexe Linse zum Kondensieren der Lichtstrahlen kombiniert sind.
- Die Beugungsmuster sind nicht notwendigerweise über der gesamten Oberfläche des kollimierenden optischen Elements 5 vorgesehen. Wie in der Fig. 6 gezeigt ist, können die Muster nur in Bereichen 56 und 57 ausgebildet sein, auf die die Wellen der zweiten Harmonischen einfallen. Man kann eine Vielzahl von Abwandlungen in der Bauart ausführen, ohne von dem wesentlichen Gehalt der vorliegenden Erfindung sich zu entfernen. In der kollimierenden, die zweite Harmonische erzeugenden Lichtquellenvorrichtung nach der Erfindung emittiert das Wellen der zweiten Harmonischen erzeugende Element des optischen Fasertyps Wellen der zweiten Harmonischen, die eine axiale Symmetrie und konische Oberflächen gleicher Phase aufweisen. Die Wellen der zweiten Harmonischen treten durch das kollimierende optische Element mit den Beugungsmustern hindurch, an dem Beugungsmusterelemente bei gleicher Beabstandung konzentrisch ausgebildet sind, und wobei deren schräge Oberflächen die Seitenflächen einer Vielzahl von konischen Körpern darstellen, die eine mit den konzentrischen Kreisen gemeinsame zentrale Achse haben. Somit ist es möglich, parallele Lichtstrahlen zu erzeugen, die gut von den Lichtstrahlen anderer Ordnungen getrennt sind.
- Folglich können die Lichtstrahlen zu einem kleinen Punkt konvergiert werden, und die Kollimatorlinse kann von dünner Form sein. Dies weist einen Vorteil darin auf, daß die vorliegende Erfindung insbesondere eine Anwendung als eine kollimierende, die zweite Harmonische erzeugende Lichtquelle mit geringer Größe hat.
- Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit der gegenwärtig besten und vorteilhaftesten Ausführungsform beschrieben wordenist, ist es offensichtlich, daß die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern daß auch beabsichtigt ist, verschiedene Ausführungsformen und äquivalente Anordnungen mit einzuschließen.
Claims (7)
1. Eine kollimierende, eine zweite Harmonische erzeugende (SHG)
Lichtquellenvorrichtung mit:
einer Laserlichtquelle (1);
einer optischen Faser (4), die aufgrund des Cerenkov-Effekts
Licht der zweiten Harmonischen aus einem eingetretenen, von
der Laserlichtquelle (1) emittierten einfallenden Laserstrahl
erzeugen kann; und
einem kollimierendem optischen Element (5) zum Umwandeln des
Lichts der zweiten Harmonischen, das aus der die zweite
Harmonische erzeugenden optischen Faser austritt, in parallele
Lichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsende der
optischen Faser derart ausgebildet ist, daß das aus der
optischen Faser (4) austretende Licht der zweiten Harmonischen
eine ringförmige, konische Formcharakteristik aufweist; daß das
kollimierende optische Element (3) eine ebene Beugungsstruktur
(51) aufweist, die aus ringförmigen, schrägen Flächen besteht,
die als konzentrische Ringe mit gleicher radialer Beabstandung
angeordnet sind, wobei die schrägen Flächen die äußere
Oberfläche eines Kegelstumpfes bilden.
2. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Beugungsstruktur
in einem konzentrischen, ringförmigen Bereich (56, 57) um eine
zentrale Achse (52) des kollimierenden optischen Elements
ausgebildet ist.
3. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das kollimierende
optische Element eine sphärische Ausgangsseite (55) zum
Fokussieren der Strahlen der zweiten Harmonischen zu einem
kleinen Punkt aufweist.
4. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das kollimierende
optische Element eine Beugungsstruktur sowohl auf einer
Eingangs- (54) als auch an einer Ausgangsseite (53) zum
Aufweiten einer Periode in der Beugungsstruktur aufweist.
5. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das kollimierende
optische Element ein mit der optischen Achse der Faser
ausgerichtetes Zentrum (52) aufweist.
6. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiter umfaßt:
eine kollimierende sphärische Linse (2) zum Kollimieren des
von der Laserlichtquelle emittierten Lichts; und
eine sphärische Kondensorlinse (3) zum Kondensieren des
kollimierten Lichts auf die optische Faser.
7. Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Laserlichtquelle
(1) ein Halbleiterlaser ist.
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