DE2439179A1

DE2439179A1 - Optische bandpass-filter

Info

Publication number: DE2439179A1
Application number: DE2439179A
Authority: DE
Inventors: Michael Martin Mann
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1973-08-13
Filing date: 1974-08-13
Publication date: 1975-03-06
Also published as: US3907430A; FR2241086B1; JPS5083048A; FR2241086A1; GB1454800A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Filtersysterne» insbe-

sondere auf solche, die in der Lage sind, nur bestimmte Wellenlängen aus einer Bandbreite herauszufiltern, wobei die anderen Wellenlängen relativ unbeeinflusst.bleiben. Vor allen Dingen bezieht sich die Erfindung bei einen Ausführungsbeispiel auf ein Filtersystem, das dahingehend ausgelegt ist, einen kollimierten ( parallelen ) Eingangsstrahl einer Strahlung mit einem vorgegebenen Wellenlängenspektrum aufzunehmen, sein Spektrum durch Brechung zu steuern, dann bestimmte Wellenlängen auszufiltern ( z.B. durch mechanische Sperrung ihres Durchgangs ) und dann über Brechung

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die Bandbreite symmetrisch zu rekonstituieren, wobei sie ohne bemerkenswerte Verzeichnung auf ihr Original, zurückgeführt wird und kolinear und kollimiert mit dem Eingangsstrahl belassen wiru so daß. auch vorzugsweise jeglicher Astigmatismus korrigiert wiru. Auf'diese Weise besteht die einzige wesentliche Änderung in uer. austretenden Spektrum in der Entfernung der bestimmten oder ausgewählten Wellenlängen aus dem eintretenden Spektrum. Bisher bekannte Vorrrichtungen zur Erzielung solcher Ergebnisse waren insgesamt zu kompliziert und unzuverlässing und / oder zeigten gewisse Unzulänglichkeiten. Beispielsweise haben sie vor allen cer. austretenden Strahl verzeichnet, so daß nach der Wiederzusammensetzung alle austretenden Wellenlängen ( nicht herausgefiltert ) räumlich mit dem eintretenden Strahl nicht fluchteten und nicht übereinstimmten . Herkömmliche Streueinrichtunge, z.B. Mo nochron^ tor erver schoben die Winkel - und / oder räumliche Beziehung von wenigstens einigen der austretenden Wellenlängen."Gleichermaßen sind die meisten dieser Filtersysterne vergelichsweise schwierig und / oder komplex abzustimmen. In jedem Fall zeichen sie sich durch die oben beschriebenen " Verschiebungen " aus. Filtersysteme gemäß der Lrfindung weisen ein Abtastvermögen aus, das schneller und einfacher i3ü- und sie haben nur wenige Niedrigträgheit - Elemente ohne übermäßige Toleranzen.

Line ideale Filteranordnung für Anwendungsfalle wie die oben beschriebenen kann Eingangsstrahlung aufnehmen, die kollimiert ist; sie wird die Filterung ohne wesentliche Veränderung der Strahlung-

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eigenschaften durchführen. Sie wird dies, vorzugsweise* ohne Einführung wesentlicher Transmissionsverluste bewerkstelligen, gleichermaßen ohne Erzeugung optischer .Aberration — oder es findet eine Korrektur statt- über das gesamte Spektrum und vorzugsweise automatisch. Darüberhinaus wird eine solches " Ideales Filter " Multi- Bandpass-Eigenschaften aufweise^ eine Vielzahl verschiedener Bandbreiten verarbeiten und es gestatten, verschiedene äußere Bandgrenzen im Bandpass .auszuwählen ( ober und / oder untere Wellenlängen ) ; dies soll möglich sein, ohne besondere kritsche oder übertriebene¹ Abstimmungen notwendig zu machen Wie der Durchschnittstachnann weiß ist es praktisch leider jedoch unmöglich eine ideale Filteranordnung mit alle diesen Merkmalen zu erstellen, insbesondere, wenn ein aufwendiger Mechanismus mit beschränkter Zuverlässigkeit vermieden werden soll und wenn vernünftig lange Service-Perioden erzielt werden sollen. Mit der Erfindung ist beabsichtigt, wenigstens einige der vorstehenden Probleme zu lösen und die entsprechenden vorteilhaften Merkmale aufzuzeigen. Zum Beipiel dient die Erfindung bei einen Ausführungsbeispiel als ein symmetrischer optischer Bandpass-Filter mit einer einfachen Durchlässigkeitsöffnung und arbeitet derart, daß ein Ausgangsstrahl rait im wesentlichen den gleichen Eigenschaften wie der Eingangsstrahl erzeugt wird, wobei Verzeichnungen v/ie Astigmatismus vermieden werden und wobei selbst Abgleichung erzielt wird. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel werden diese Merkmale mit einem einfachen mechanischen Abtast-Monochroinator unter Verwendung einer einfachen rotierenden^ geschlitzten Scheibe^ die als bewegliche Durchlässigkeitsöffnung mit veränderlicher Größe und Zinordnunc; dient, Lewirkt, Lin an..tes

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Ausführungsbeispiel zeigt einen instabilen konfokalen Ringresonator mit dem die gleiche Filterungsart bewirkt wird. Bei allen Ausführungsbeispielen wird ein Paar von ( positiven / negativen ) Streuelementen verwendet, um einen Strahl zunächst zu zerteilen₍und ihn dann wieder zusammenzuführen und zu rekonstituieren .

Die Aufgabe'der Erfindung besteht mithin darin, Lösungsmöglichkeiten für die vorstehenden Probleme aufzuzeigen und die genannten Vorteile zu erreichen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, Bandpass-Filter der genannten Art anzugeben.

Auch liegt es im Rahmen der Erfindung eine solche Strahlungsfilteranordnung zu schaffen, die Auswahl der oberen und unteren Wellenlängenbegrenzungen des Bandpasses erleichert. Ein solches Filter solleine Multi- Bandpass - Arbeitsweise ermöglichen. Gleichermaßen sollbei einem solchen Filter die Abstimmungsehr einfach und zuverlässig ermöglicht v/erden, zum Beispiel mit brechenden Streuelementen und ohne kritische Einstellungen. Auch sollen keine wesentlichen Transmissionsverluste bei einem solchen Filter auf- . treten. Darüberhinaus soll der Filter entweder nur minimale optische Aberrationen aufzeigen oder sie selbst automatisch korrigieren; dies über das gesamte Spektrum. Weiterhin soll der Ausgang eines solchen Filters die Kollimation oder Kolinearität des Ausgangs mit den Eingang nicht verzeichen. Ein besonderes Anliegen der Erfindung ist es, ein Filter zu schaffen, daß zwei Paare von Dispersionsprisncr ausweist, wobei jedes Paar an gegenüberliegenden Seiten der Filterauswahlstattion dispergiert und so angeordnet ist, daß das Spektrum

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jweils dispergiert und wieder zusammengeführt wird. AußErdem soll ein System geschaffen werden, welches zwei symmetrische Paare von symmetrisch gegenüberliegenden Brechungsprimen aufweist und schließlich soll ein solches Filtersystem in Verbindung mit einer instabilen konvokalen Ringresonator - Anordnung geschaffen werden, welches besonders zur Auswahl von Linien im inneren Strahlengang von>32SCl£ Lasern ausgebildet ist.

Weiter Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie an Hand der schematischen Zeichnungen. Hierbei zeigen:

Fig. 1 Eine vereinfachte schematische Darstellung eines symmetrischen, optischen Bandpass-Filters gemäß der Erfindung mit zwei Paaren von Steuprismen, die stromaufwärts und stromabwärts bezüglich einer Linienauswahlöffnung angeordnet sind.

Fig. 1A zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Öffnung;

Fig. 2 eine schematische vereinfachte Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1, wobei doch in Abänderung hiervon eine umlaufende geschlitzte Scheibe als Linienauswahl einrichtung verwendet wird. Das Rad ist in der Fig. 2 A in der Stirnansicht gezeigt und

Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer Filteranordnung, gemäß Fig. 1 oder 2 wie sie in. Verbindung mit instabilen, konvokalen Resonatorsystemen zur Anwendung gelangt

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In Fig. 1 ist ein eintreten-der Strahl 1 einer Strahlung gezeigt, der als hinreichend kollimiert und sich über eine vorgeschriebene Bandbreite erstreckend angesehen werden soll. Dieser Strahl durchläuft ein Dispersionssystem, ^das aus den Prismenpaaren (Ρ-3,Ρ-·1 ) besteht. Dann durchläuft er eine Durchlässigkeitsöffnung ( Stop s ) zur Wellenlängenauswahl. Anschließend wird er in Gefolge des Durchlauf s durch ein zweites Prismenpaar ( P - 3, P - 4 )_f das mit dem ersten Prismenpaar übereinstimmt - wieder rekonstituiert oder zusammengesetzt -; auf diese Weise wird die Bandbreite rekonstituiert und zum Ausgangss'crahl 2 zusammengeführt. Dieser soll mit dem F,ingangsstrahl 1 kolinear sein und gleichermaßen kolliraiert, wobei Jio Bandbreite im wesentlichen identisch zu der Eintrittbandbreite isu und alle Wellenlängen in der gleichen Beziehung ( z.B.- hinsichtlich ihrer Winkellage und ihres Verlaufs ) ,ausgenommen , daß einige Wellenlängen natürlich durch die Durchlässigkeitsöffnung oder Blende ( Stop S ) ( selektiv ) entfernt worden sind.

Zur vereinfachten Darstellung ist in dieser Zeichnung der Strahl 1 so dargestellt, daß er in das System parallel zur Basis dos er.-jtnr. Prismas P - 1 einfällt, obgleich in der Praxis zur größtmöglichen Verringerung von Streuverlusten ein Eintritt unter dem " Brewster ' Winkel ", bevorzugt v/ird. ( für die zentrale Wellenlänge der infrage stehenden Bandbreite ). Wie der Durchschnittsfachmann weiß,wird einfach die Winkelanordnung des Prismenwinkels so verändert, daß bei dieser ( zentralen ) Wellenlänge der Austrittsstrahl 2 ebenfalls unter dem " Brewster Winkel " ansteht. Zur gegenständlichen Darstellung ist der Eingangsstrahl 1 im vorliegenden Fall so dargestellt, als bestände er aus drei diskreter.

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Wellenlängen, obgleich natürlich das System mit einem Wellenlängenkontinuura arbeiten kann ( und typischerweise arbeiten wird ) . Dieses Wellenlängenkontinuum kannjegliche Anzahl von aneinanderangrenzenden ' Wellenlängen umfassen. Eine Ausrichtung kann mit jeglicher repräsentativer Wellenlänge durchgeführt werden, z.B. mit einem sichtbaren "Ue - K Laser Standard", ect.

" Eintrittsdispersion - oder Streustufe " ( Prismenpaaar P - 1 / P - 2 ) dispergiert oder streut die gesamte Eintrittsbandbreite mit diesen symmetrischen komplementären Erechnungselementen und zwar derart, daß der Strahl wie vorstehend beschrieben in beträchtlichem Maße zerteilt oder zerlegt wird. Allgemein gesprochen muß der Strahl durch das erste Prisma P - 1 so zerlegt und dann rekonstituiert werden, um kollimiert zu v/erden, wie er« durch das zweite Prisma P - 2 verschoben oder versetzt wird. Dieses Prisma P - 2 muß das optische Komplement von P-I sein und alle Wellenlängen in negativer Symmetrie zu ihnen brechen und dispergieren. Der Durchschnittsfachmann wird selbstverständlich wissen,, daß auch andere"Eingangsdispersionsstufen"verwendet werden können.

Als besondere Funktionsbeispiel kann man sich vorstellen, daß die durch das erste Prisma P-I bewirkte Dispersion in einer Brechung der gezeigten drei Beispielswellenlängen resultiert und zwar in drei Strahlen, die unter verschiedenen Winkeln austreten und um einen vorbestimmten Betrag voneinander versetzt sind. An dieser Stelle werden die Strahlen ebenfalls astigmatisch sein ( und auf diese Weise einen verzeichneten Ausgang erzeugen, so-fern er nicht korrigiert wird. )

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Auf diese Weise werden die so dispergierten und auseinandergezogenen Strahlen durch das zweite Prisma P - 2 gebrochen oder gebeugt, das wie gezeigt angeordnet und konstruiert ist und als das präzise symmetrische Komplement von Prisma P - 1 wirkt. Zum Beipiel kann jedes Prisma ein passendes Flintglas«prisma ( für sichtbares Spektrum ) aufweisen, das bezüglich des anderen Prismas einstellbar angeordnet ist. Die anderen Elemente des Systems können herkömmlich sein, bekannte Befestigungseinrichtungen einschließlich der entsprechenden justierbaren Ausrichtvorrichtungen die so ausgebildet sind, daß die relative Winkelanordnung verändert werden kann.

Das zweite ( stromabwärts angeordnete Prisma ) Prisma P hat im wesentlichen die gleichen Erechungseigenschaften wie das erste ( damit das durchtretende Spektrum nicht gedämpft wird ) und wird demgegenüber symmetrisch angeordnet mit einer Drehung von 18o gegenüber der Stellung des ersten Prismas.

Die am ersten Prisma austretenden Lichtstrahlen ( die in verschiedene Richtungen divergieren) werden wieder einmal parallel ausgerichtet ( kolliraiert ) nachdem sie dieses zweite Prisria durchsetzt haben.

Diese " anti-symmetrische" Anordnung der zwei Prismen eines jeotη Paares, um den daraus austretenden Strahl zu kollimieren, ist in Verbindung mit einer Linienauswahleinrichtung ( mit besonderer öffnung )neu..Bisher wurden umlaufende, brechende Elemente zur Abstimmung von Strahlungsbandbreiten verwendet, z.B. inspcktrometern. Diese Systeme zeigen jedoch typisch die mechanischen Komponenten mit " hoher Trägheit " innewohnenden Nachteile unJ Grenzen. Das Ergebnis zeigt sich dabei in langsamerer Abtast- und

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Ausrichtungsgeschwindigkeit verbunden mit größerer Kritikalität in der Ausrichtung und mit veränderlichen unbekannten Reflexionsund Brechungsverlusten deren sämtliche gemäß der Erfindung vermieden werden.

Die dann aus P-2 austretenden Strahlen setzen ihren Weg zu der Auswahlöffnung a ( längs der Ebene A-A) in Stop S oder Blockiereinrichtung ⁱⁿ Paralleler,dispergierter Weise fort wobei sie gegenüber dein Eintrittsstrahl 1 etwas gegeneinander auseinander gezogen sind. Der auf diese Weise ausgebreitete Strahl ( 1 - 1 ) wira durch die öffnung a ( oder ein unten beschriebenes Äquivalent ) geleitet und wird mit der hierdurch bewirkten Selektion oder Auswahl ( Strahl 1 - 2 ) durch seine Hindurchführung durch die stromabwärtsgelegene " Sammelstufe "_; vorzugsweise das Prismenpaar P - 3 / P - 4 zur Erzielung einer " negativen Dispersion " zusammengeführt oder gesammelt, welche mit der vorangegangenen positiven Dispersion zusammenpaßt oder übereinstimmt. Bei einem Ausführungsbeispiel wie dem hier beschriebenen sind die Prismen P - 3 / P - 4 vorzugsweise

jeweils identisch den Prismen P-2 und P - 1 und derart angeordnet, daß die gesamte Prismenstufe symmetrisch _zur Selektions ι oder Auswahlebene A-A ist, vgl. unten. Da der austretende Strahl 2 parallele Strahlen aufweist, können Beobachtungs - und / oder Aufzeichnungseinrichtungen in jeglicher angemessener Entfernung hinter dem Austrittsprisma P - 4 angeordnet sein. Es können Mikrometerschrauben vorgesehen sein, um die Stellung der Blendenkanten und / oder der Prismentische zu überwachen. Die vier Prismen können in herkömmlicherweise ausgerichtet sein, so beispielsweise unter Verwendung ' einer Standardquelle ( kollimiert ) des in Aussicht genommenen Wellenlängenbereichs ( Autokollimator ). Bei Verwendung beispiels-

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weise mit einem Farbfoto - Vergrößerungssystem mit einer Lichtquelle der in Aussicht genommenen Farbe ( Temperatur ) ausgerichtet und referenziert. Bei Laser ^wTrl^e^ne¹ Laserquelle verwendet; gleichermaßen wird bei ^Fnfrarot - oder Ultraviolett-Optik vorgegangen.

Der Eintrittsstrahl 1, nunmehr bei 1 - 1 aüseinandergebreitet und kollimiert, wird dem Stop S zugeführt, so daß bestimmte, gewünschte Teile des selben so angeordnet sind, daß sie durch Auswahl - oder Paßöffnung a hindurchgelassen werden, um den gefilterten Strahl 1 - 2 zu bilden. Die opaken, nicht durchlässigen ( gegenüber der verwendeten Strahlung ) TeHe₇WIe zum Beispiel obere / untere Teile S - H / S - L wirken derart, daß sie die nicht erwünschten Wellenlängen blockieren. Die Blende S kann mithin eine einzige öffnung a ( gegenüber den Stop S ⁷ mit seinen mehreren Öffnungen, Fig. 1 A ) aufweisen, die durch ein . Hochpass ( obereres ) - Blockiersegment S-K und ein ähnliches Niedrigpass ( unteres ) - Segment S-L definiert sind ( vorzugsweise durch dort angeordnete Messerkanten ). Diese Segmente sind angeordnet ( vorzugsweise beweglich ) und so ausgebildet, daß die äußeren ( oberen / unteren ) Wellenlänge beim gegenständlichen Eintrittsstrahl 1 - 1 abgeschnitten werden. Der Stop S,ist, wie vorgeschlagen, verschiebbar befestigt und angeordnet, sei es als Einheit oder in Teilen ( jedes Segment ); dies entlang der Öffnungsachse A-A durch nicht dargestellte, jedoch bekannte Mittel. ( z.B. ein Paar gegenüberliegend angeordnete Führungsschrauben für jedes Sement ). Natürlich kann eine getrennte Verschiebung dazu herangezogen werden, die Durchlassbandbreite der öffnung entsprechend diesen Segmenten zu verändern.

Andererseits kann die Linienauswahl mit anderen Blockiereinrichtungen auf ähnliche Weise erreicht werden, vorzugsweise in selektiver An-

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Ordnung und für wählbare Groben der Öffnung oder Offnungen. In Fig. 1 - A ist beispielsweise ein modifizierter Stop S ⁾- mit mehreren öffnungen gezeigt. Er kann als Stop S in Fig. 1 eingesetzt werden, wenn gewünscht wird, eine oder verschiedene Wellenlängen herauszunehmen und nicht nur die gesamte Bandbreite zu beschneiden. Somit weist der Stop S \ eine Anzahl von Öffnungen a ) , aa' und aaa^ auf, die durch zugeordnete undurchlässige Blockierelemente, wie vorstehend beschrieben, gebildet werden. Die öffnungen sind vorzugsweise hinsichtlich Größe und Anordnung einstellbar. Auf diese Weise und als Ergebnis dieses symmetrischen Dispersions-/ Zusammenführunys-Prismensystems sind die das letzte Prisma verlassenden Linien (Ausgangsstrahl 2) kolinear bezüglich des EingangsStrahles 1 und anderweitig im wesentlichen damit identisch (mit Ausnahme der Filterung), wobei jeglicher Astigmatismus korrigiert ist. Die zueinander passende, komplementäre optische. Symmetrie des Systems führt zu diesem Ergebnis. Die stromaufwärtsgelegene dispergierente Prismenstufe P - 1 / P - 2 und stromabwärtsgelegene zusammenführende Prismenstufe P - 3 / P - 4 bewirken, daß. jede Linie in dem Austrittsstrahl 2 die gleiche relative Lage, Eigenschaften, etc. wie die entsprechende Linie im Eintrittsstrahl.1 aufweist, wobei alle Verzeichnungen, wie z.ß. Astigmatismus, selbst kompensiert werden, unabhängig von der anfänglichen Phasenfront. Ein derartiges Filtersystem kann natürlich an jeglicher Stelle in den optischen Strahlengang eingesetzt werden, wenn der Verlängerung des Strahlenganges Rechnung getragen wird. Die mit dem erfindungsgemäßen System erzielten Ergebnisse sind überraschend. Die Linienauswahl kann so einfach ausgeführt werden und die verbleibende Strahlung ist relativ so ungestört, daß der Durchschnittsfachraann überrascht ist.
Eine Modifikation des vorangegangenen Ausführungsbeispiels nach

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Fig. 1 besteht darin, daß das System durch einfachen Ersatz veränderlicher Öffnungseinrichtungen an der Auswahlebene A - A wie vorstehend vorgschlagen, in ein Bandpassfilter mit veränderlichein Schlitz, welches leicht abstimmbar ist, umgeformt werden kann. Vorzugsweise sind wählbar anzuordnende Blockiereinrichtungen mit Öffnungen a ', a¹¹, a¹¹' angeordnet, um in der Einstellungsrichtung ( angezeigt durch die Pfeile ) gemäß Fig. 1 - A verschoben zu werden. Solch eine Verschiebung von öffnungen oder Blenden ist nützlich. Beispielsweise wird der Fachmann anerkennen, daß synchrone Querbewegungs Einstellung der undurchlässigen Blöcke hierdurch die Größe und Anordnung der zentralen Bandbreite bestimmen kann und 'oder daß die Anordnung ( obere und untere Kanten )

des hindurchgelassenen Spektrums entsprechend der Lage der Kanten, die die Auswahlöffnungen definieren, bestimmt werden kann. Diese Kanten können natürlich unter konstantem Abstand zueinander gehalten werden oder dieser Abstand kann verändert werden. ( veränderliche Bandpassbreite ).

Das Prismensystem P - 1, P - 2 ist beispielsweise so angeordnet, daß ein Spektrum vorgegebener Breite in der Ebene des Auswahlschlitzoi ( d.h.a¹) erzeugt wird; es ist ausgerichtet, damit Kollinat.i on horrGcht. Die Schlitzkanten können so angeordnet sein, daß sie diese Bandbreite und ihre Lage aufnehmen.

Als weitere Motifikation des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 ist der mechanische StopS nach Fig. 1 mit veränderlicher Breite und Lage in einer bestimmten Waise vorgesehen. Dies durch seinen ErsaU' v'urch eine umlaufende geschlitzte Scheibe W, vgl. Fig. 2. In diesem Fall wirkt die Scheibe W mit einem streuenden / zusammenführenden Prisnensystem PP-1 / PP-2 und ι PP-3 / PP-4 zusammen, das anderweitig im wesentlichen mit der Ausführungsform nach Fig. 1 übereinstiri. >t.

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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird der eintretende Strahl einer Strahlung ähnlich behandelt, die Linienauswahl ist jedoch während einer vorgegebenen, v/iederholbaren ( Abtast - ) Periode veränderlich. Im vorliegenden Fall kann auch ein Detektor zum Beobachten ( Aufzeichnen ) von Vierten des Ausgangs ( Austrittsstrahl 12 ) vorgesehen sein. Die rotierende geschlitzte scheibe \<j ( oder

ist
eine ähnliche Abtastöffnung ) in beträchtlich vereinfachter Form in einer Stirnansicht in Fig.2 - A gezeigt. Der Fachmann erkennt, daß sie eine Abtastöffnung ap au'fweist, zur Erzeugung von Bandbreiter, ./-Proben. Die Öffnung oder Blende ap empfängt eine vorgegebene Einqangs-Strahlungsbandbreite R/IH. Sie läßt · ^nur ausgewählte Teile ^durch,die sich mit der Zeit ändern (- auf periodische Weise' ),die dann als Ausgangsstrahl R-AUS ,Fig. 2, wieder austreten. Die Scheibe V, ist vorgesehen und läuft mit einer vorgegebenen Frequenz in vorgegebenen Synchronismus mit den Ausgangseinrichtungen um, z.B. dem Detektor D. Die öffnung ( Schlitz)ap weist ( vorzugsweise ) konstante radiale Höhe rr auf, ist jedoch so angeordnet, daß sie diese öffnung ( mit konstanter Höhe ) bei unterschiedlichen zeitabhängigen Bandsegraanten zeigt - entsprechend unterschiedlich radialen Abständen R vom Mittelpunkt der Scheibe. Der Abstand R ist zur Bandhöhe äquivalent und wird mit der Zeit ( Umlauf ) bei. verschiedenen Stellwinkeln θ längs eines 9o°-Sektors ( ,1/4 ) des Rades verändert. Wenn somit die Entfernung oder der Abstand R und der Winkel θ folgendermaßen in Beziehung stehen: R= Κ-θ+C,

dann kann beispielsweise eine annähernd lineare Abtastung von Wellenlänge / Zeit ( oder Winkel ) nach Art eines abtastenden Monochromators erhalten werden und zwar verhältnismäßig einfach. Mit anderen Worten^es kanndurch Ersatz des Bandpass-Stops nach Fig. oder Fig. 1 - A durch die umlaufende Scheibe W ein einfaches ab-

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tastendes Spektrophotometer hergestellt werden. Dieses ist nicht nur einfach im Aufbau und ine der Bedienung, es ist auch recht schnell ( in Geschwindigkeit und Ansprache) und^ zwar ist eine verhältnismäßig große Abtastgeschwindigkeit vorhanden, wobei es Bauteile mit sehr niedriger Trägheit verwendet. Die Scheibe W kann herkömmlich befestigt und ausgewuchtet sein. Mit einer solchen einfachen,lichtabtastenden Scheibe wird es vermieden, die herkömmlichen schwierigen Bauteilehoherr_rägheit umlaufen zu lassen und zu handhaben, z.B. Prismen oder Gitter. Verhältnismäßig hohe Abtastgeschwindigkeiten werden mit dem erfindungsgemäßen Merkmal, bei vergleichsweise einfachem und leicht auszurichtendem Mechanismus bewerkstelligt.

Auch ist es möglich, die Scheibe W gegenüber der Strahlachse hinreichend zu kippen, um die erforderliche " nicht lineare " Abtastung zu erzielen. Dem Durchschnittsfachmann ist dies verständlich. Nach einem weiteren, Fig.3 dargestellen Ausführungsbeispiel kann eine Filteranordnung gemäß der Erfindung zur Linienauswahl in- einem Resonator verwendet werden; d.h. als Filteranordnung die in einem Oszillator / Resonator für Multilinien - oder Breitband-Laser vorgesehen ist.

Wie in Fig. 3 genau dargestellt ist, soll eine Linienauswahleinrichtung 37(F) zur Linienselektion im inneren Strahlengang eines Lasers in einem instabilen, konfokalen Ringresonator bekannter Art angeordnet sein. Der Eingangsstrahl B - IN soll an einem Brechuhgssegnent 31 dispergiert und in kollimierter, paralleler Form unter Abstand durch .Hindurchführen durch ein gleiches Brechungssegment 33 ( das mit 31 wie bei den vorangegangenen Ausführungebeispielen zusamnenpaßt ) rekonstituiert werden, die parallelen kollimierten Strahlen des Strahles B - C zu bilden. Letzterer wird dann durch den Verstärker

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35 geleitet ( er urafaßt beispielsweise eine längliche Entladungsröhre, die in bekannter Weise als Teil eines solchen Resonators Verwendung findet). Er tritt dort aus als verstärkter Strahl Β-Λ. Der Strahl B-A wird dann durch das Auswahl ( Filter )-System 37 geleitet, und nachdem er in der vorstehend angegebenen Weise .der Linienauswahl unterzogen wurde, tritt er als " gefilterter" Strahl B-S aus, um über Reflektoren 38, 39 umgeleitet und als Ausgangsstrahl B - AUS ausgestrahlt zu werden. Die Filter ( Linienauswahl )- Einrichtung 37 weist eine Filteranordnung entsprechend den vorgeschriebenen Gegenständen der Fig. 1 und 2 auf, die an den vorliegenden Fall angepaßt ist. In diesem Fall dient die Filteran-· Ordnung auch dazu, um eine einzige Fortpflazungrichtung in dem Ringresonator auszuwählen, dader Strahl in der Vorwärtsrichtung kollimiert ist und durch die Vorrichtung ohne Störnung durchläuft. Demgegenüber divergiert er in entgegengesetzter Richtung. Auf diese Weise kann die Einrichtung dahingehend ausgelegt v/erden, daß hohe Verluste für eine Fortpflanzungsrichtung in ungekehrter Richtung erzeugt werden.

Selbstverständlich kann sich der Durchschnittsfachmann andere Verkörperungen der Erfindung vorstellen. Geraäß der Beschreibung sind Prismen als dispergierende / zusar.-jraen führende Elemente bei den Ausfführungsbeispielen verwendet worden.Es liegt jedoch auf der Hand daß andere Verfahren und Einrichtungen verwendet v/erden können, z.B. optische Gitter.

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Claims

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PATENTANS PRÜC HE

Verfahren zur optischen Filterung und Entfernung ausgewählter Linien aus einer vorgegebenen Bandbreite einer Strahlung ohne Weitergehende, wesentliche Beeinflussung der Kenngrößen dieser Strahlung, v/ie relative räumliche Beziehung oder Winkelbeziehung des Restes dieser Linien_; dadurch gekennzeichnet, daß die eintretende Bandbreite durch eine vorgegebene Dispersionseinrichtung zum Ausbreiten des Bandes mit anschließendem kollimierendem Rekombinieren ohne wesentliche Verzeichnung geschickt wird, daß das resultierende Spektrum durch eine erste vorgegebene zusammenführende Einrichtung geschickt wird,die in ihren Kenngrößen mit der Dispersionseinrichtung übereinstimmt und gegenüber dieser so angeordnet ist, daß eine vorgegebene, auseinandergezogene die ursprünglichen Eingangslinien wiedergebende Bandbreite erzeugbar ist, die jedoch weiter auseinandergezogen und kollimiert ist, daß vorgegebene oder bestimmte Linien der Strahlung zwecks Entfernung mit einer vorgegebenen lichtundurchlässigen Einrichtung aufgefangen werden, daß die / resultierende,!Bandbreite zur kollimierenden Zusarnmenführung und Rekombination ohne wesentliche Störung durch eine vor-

..Ia β

gegebene Zusammenführungseinrichtung geschickt wird,Vdas zusammengeführte resultierende Spektrum mit einer vorgegebenen gleichartigen Kollimationseinrichtuny rekonstituiert und rckollimiert wird,- die zu der Zusammenfügungseinrichtung paßt und gegenüber dieser so angeordnet ist, daß ein kollimierter Au^sn-

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gangsstrahl erzeugt wird, der im wesentlichen gleich« dem Eingangsstrahl kolinear mit diesem ist mit Ausnahme der entfernten Linien und daß die Dispersionseinrichtung und die Zusammenführungseinrichtung zusammen-passend asymmetrisch komplementär gewählt v/erden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eintretende Bandbreite durch ein^erstes ausbreitendes, dispergierendes Element und dann durch ein vorgegebenes rekombinierendes Element geschickt wird, welch letzteres bezüglich seiner Kenngrößen mit dem dispergierenden Element zusammenpaßt und so gegenüber diesem angeordnet ist, daß eine vorgegebene, expandierte Bandbreite erzeugt wird, die die urspünglichen Eingangslinien wiedergibt, jedoch v/eiter ause.inander-

¹¹ auseinandergezogene

gezogen und kollimiert ist und aats αxersT Bandbreite gleichermaßen durch eine Rekombinationseinrichtung geschickt wird, um das resultierende, zusammengeführte Spektrum zu rekonstituieren und rekollimieren _{f V};obei die Rekombinationseinrichtung in ihrem Kenngrößen mit der Zusamiaenführungseinrichtung zusammenpaßt und so bezüglich dieser angeordnet ist, daß eine vorgeschriebene zusammengeführte Bandbreite erzeugt wird, die die ursprüngliche Eintrittsbandbreite wie.ip.rrribt, wobei die Linien kollimiert und kolinear gehalten werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionseinrichtung Brechungsprismen aufweist, daß das Rekombinationsbauteil, ein Prisma aufv/eisb, das in seinen Kenngrößen wit der Dispersionseinrichtung zusammenpaßt und ihr gegenüber symuetrisch gegenüberliegend angeordnet ist, daß die Zusammcnführungseinrichtung ein zweites Brechungsprisma aufweist und die zugeordnete Rekombinationseinrichtung ein Prisma,

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das in seinen Kenngrößen mit der Zusammenführungseinrichtung zusammenpaßt und ihr gegenüber symmetrisch gegenüber-liegend angeordnet ist.
4^# Verfahren nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet/ daß die Filte-· rung durch.eine gegenüber der Strahlung undurchlässige Blockier- oder Stopeinrichtung bewirkt wird, die so angeordnet wird, daß die zur Entfernung ausgewählten oder bestimmten Linien aufgefangen v/erden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Entfernung durch eine verstellbar angeordnete, selektive Multilinienstopeinrichtung bewirkt wird, um nur die für Entfernung bestimmten Linien zu blockieren und eine Anzahl von Bandbreiten-Segmenten " hindurchzulassen ".
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linienselektion in. 'Vvariabeler Segment " - Weise mit einer veränderlich angeordneten Abtasteinrichtung mit einer Durch-„laßöf fnung bewirkt wird, die so angeordnet ist, daß-da--wenigstens ein Öffnungsschlitz periodisch über wenigstens einem Teil der Bandbreite zu dessen " Durchlaß " vorgesehen wird.
7. Verfahren nach Anspruchö, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswahl oder ie Selektion mittels einer rotierenden, geschlitzten Scheibe bewirkt wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, . daß vorgesehen sind, eine Eintritts-Dispersionseinrichtung, mit der die eintretende Bandbreite projektierbar ist und die vorgegebene Dispersionsstufe aufweist, die so angeordnet und ausgebildet ist, daß das Band ausetnanderbreitbar und kollimierend rekombinierbar ist ohne wesentliche

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Verzeichnung, eine Filtereinrichtung, die eine vorgegebene, gegenüber der Strahlung undurchlässige Stopeinrichtung aufweist und so ausgebildet und angeordnet ist, daß die ausgewählten von der Dispersionseinrichtung ankommenden Linien der Strahlung auffangbar und entfernbar sind sowie eine'Austrittszusammenführunqseinrichtunrf. Zur Zusammenführung der

" gefilterten "

resultierenden"^* "Bandbreite ' welche Einrichtung eine vorgegebene Zusammenführungsstufe aufweist, die so angeordnet und ausgebildet ist, daß diese Bandbreite kollimierend zusammenführbar und rekombinierbar ist ohne wesentliche Verzeichnung, um eine kollimierte Ausgangsbandbreite zu erzeugen, die im wesentlichen die gleiche wie die Eintrittsbandbreite ist, sowie kolinear mit dieser ist mit Ausnahme der entfernten Linien, wobei die Dispersions- und die Zusammenführungsstufen symmetrisch komplementär zusammenpassen.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionseinrichtung ein Brechungsp'risma, sowie ein damit kombiniertes Rekombinationselenent aufweist, welches seinerseits'· ^ein Prisma aufweist, das in seiner Kenngröße mit dem Brechungsprisma zusammenpaßt und symmetrisch gegenüberliegend zu diesem vorgesehen ist und d.'_;i" die Zusammenführungseinrichtung ein zweites Brechungsprisma sowie eine diesem zugeordnete Rekombinationseinrichtung aufweist, die ihrerseits ein Prisma aufweist,das hinsichtlich seiner Kenngrößen zu dem zwei ton Prisma paßt und symmetrisch diesem gegenüberliegend isl·.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung eine den ausgewählten Strahlungslinion gegen-

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über undurchlässige und diese blockierende Einrichtung aufweist.
11.Vorrichtung nach Anspruch 1o_f dadurch gekennzeichnet/ daß die Filtereinrichtung eine selektive Multilinienstopeinrichtung aufweist, ^die verstellbar zur Blockierung nur der zur Entfernung ausgewählten Linien angeordnet ist.
12.Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet , daß die Filtereinrichtung zur Linienauswahl in " veränderlicher ' Segment " V7eise ausgebildet ist und veränderbar angeordnete Durchlaßöffnung aufweist, die ihrerseits so ausgebildet ist, daß die Bandbreite abtastbar ist,und daß wenigstens eine Öffnungsschlitz periodisch über einem Teil der Bandbreite vorsehbar ist, zur Bewirkung eines Durchlasses des-selben während vor-bestimmter Intervalle.
13.Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß, die Filtereinrichtung eine rotierende, geschlitzte Blockierscheibe aufweist.
14.Vorrichtung nach Anspruch 1o. dadurch gekennzeichnet , daß die Dispersionseinrichtung ein Paarzusammenpassenderdispergierender und kollimierender Prismen aufweist, daß die Zusammeηführungseinrichtung ihrerseits ein Paar zusammenpassender, zusammenführender- kollimierender Prismen aufweist, die konplenont.'a zum dispergierenden-kollimiorenden Paar sind, wobei die Prismen eines jeden Paares symmetrisch gegenüberliegend zur Autokorrektion von Verzeichnung vorgesehen sind.
15.Vorrichtung nacl· Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß d.!.< Filtereinrichtuny eine Stopeinrichtur/j mit einer verst eill··.·",-angeordneten öffnung.aufweist.

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16. Vorrichtung nach Anspruah 15, dadurch gekennzeichnet/ daß die Stopeinrichtung einen Multilinienauswahlstop aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch f5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopeinrichtung mit einer abtastenden Öffnung versehen ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopeinrichtung eine umlaufende, geschlitzte Scheibe aufweist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzelehnet, daß

die abtastende/geschlitzte Scheibe als abtastender Monochromator für einen Spektralstrahlungsstrahl ausgebildet ist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Filteranordnung ein Band-Paß-Filter aufweist, das mit einer Laser-Strahlungsquelle zusammenwirkt und zur Filterung deren Ausgangsstrahlung ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß

die Filteranordnung als Linienauswahl-einrichtung in Zusammen-.wirkung mit einem Ringresonator ausgebildet "ist..
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß 'der Resonator einen instabilen i, konfokaien Ringresonator aufweist, daß die-tdispergierende und damit zusammenwirkende kollimierende Einrichtung so vorgesehen sind, daß ein Eingangsstrahl verarbeitbar und an eine Verstärkerstufe weiterleitbar ist, die ihrerseits am Eingang der Linienauswahleinrichtung angeordnet ist, von der der " gefilterte " Strahlungsausgang abnehmbar ist.
23. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 23

zur Selektion und Entfernung wenigstens eines Strahlungswellen-

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längensegments aus einer gegebenen Bandbreite ohne weitere wesentliche Beeinflussung der Bandbreite und somit zur Selbstkompensation jeglicher Verzeichnung, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Merkmale in Kombination vorliegen: eine Linienabschneideeinrichtung sowie positive und negative Einrichtungen, die jeweils stromaufwärts und stromabwärts an der Abschneideeinrichtung vorgesehen sind _t wobei diese eine ätrahlungsundurchlässige Blockiereinrichtung zusammen mit einer oder mehreren Durchlassöffnungen aufweist, die derartige Breite und Lage haben, daß nur bestimmte, " nicht entfernte " Teile der Bandbreite hindurchgelassen werden.
24.Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Dispersionseinrichung eine Eintrittsstufe einer optischen Qispersionseinrichtung aufweist und daß die negative : Dispersionseinrichtung· mit einer Austrittsstufe einer optischen Zusammenführungseinrichtung versehen ist.
25.Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die dispergierende und die zusammenführende Einrichtung zusammenpassen und komplementär sind und daß jede der selben ein Paar einander symmetrisch gecrpniMVier-liegender Brechungseleraente aufweist.
26.Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die dispergierende und die zusammenführende Einrichtung je ein dispergierendes, optisch brechendes Stufenpaar aufweist, die an gegenüberliegenden Seiten der Absehneideeinrichtung vorgesehen sind, unclvX^tztere als Linienauswahlfilter angeordnet und ausgebildet ist.

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27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß jede optische, brechende Stufe ein Paar zusammenpassende symmetrisch einander-gegenüberliegende Prismen aufv/eist zum Durchlass derStrahlungsbandbreite und deren positiver oder negativer Dispersion bis zu einem vorvorgegebenen, vergleichsweise uniformen Grad.

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