DE2843274A1

DE2843274A1 - Laser mit mehreren wellenlaengen

Info

Publication number: DE2843274A1
Application number: DE19782843274
Authority: DE
Inventors: Jean Comera; Claude Jaussaud
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-10-04
Filing date: 1978-10-04
Publication date: 1979-04-05
Also published as: GB2007014A; JPS5488791A; GB2007014B; US4241318A

Description

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE, Paris Frankreich

Laser mit mehreren Wellenlängen

Die Erfindung betrifft einen Laser mit mehreren Wellenlängen und mit schneller Kommutierung. Sie ist insbesondere bei der Zumessung bzw. quantitativen Analyse von Verschmutzungen in der Luft anwendbar.

Wenn Absorptionsmessungen mit einem Laserstrahl durchgeführt werden, beispielsweise bei der Messung der Luftverschmutzung mittels Absorptionsspektroskopie, ist es üblich und in bestimmten Fällen notwendig, einen Bezugsstrahl vorzusehen, damit in den Schwankungen oder Änderungen der aufgezeichneten Signale der Teil unterschieden werden kann, der von der zu messenden Absorption stammt, von denjenigen, die infolge parasitärer Erscheinungen auftreten, wie der Luftfeuchtigkeit, deren Gehalt an kohlenwasserstoffhaltigen Gasen und deren Staubgehalt usw. Es hat sich daher als nützlich erwiesen, Laser anzuordnen, die zwei oder mehr als zwei Bündel oder Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen

410-(B 6294/B A 6483.3)-Me-r

909814/1 101

abgeben können, deren einer zur eigentlichen Messung dient und deren anderer als Bezugsstrahl oder -strahlenbündel dient. ₈

Im besonderen Fall der quantitativen Analyse von Verunreinigungen in der Atmosphäre oder Luft müssen die beiden Strahlen bzw. Strahlenbündel soweit möglich die folgenden Bedingungen vereinigen:

Ihre Strahlenverläufe müssen im Raum zusammenfallen derart, daß beide die gleiche atmosphärische oder Luftzone durchqueren und von der gleichen Optik empfangen werden können,

sie müssen eine gut definierte Form oder räumliche Energieverteilung besitzen, damit sie einer Berechnung unterzogen werden können fdas ist die Gauß'sche Verteilung des Grundmodus, der der einzig verwendbare ist},

sie müssen sequentiell abgegeben werden sowie mit vergleichbaren Intervallen, beispielsweise alle 10 ms, derart, daß sie atmosphärische oder Luftzonen durchqueren, die den gleichen Zustand besitzen, derart, daß sie frei von Turbulenzeffekten sind.

Zu diesen Bedingungen in bezug auf die abgegebenen Strahlen können Bedingungen in bezug auf den abgebenden Laser hinzugefügt werden: Dieser muß robust sein, einfach betreibbar sein und darf keine häufigen Einstellungen durch hochqualifiziertes Personal erfordern.

Es gibt bereits auf zwei unterschiedlichen Wellenlängen arbeitende Laser (vgl. z. B. US-PS 3 857 109).

9098U/1 101

Es handelt sich dabei um ein System, bei dem ein Polarisator den Hohlraum in zwei Zweige trennt, in denen zwei auf die verschiedenen Wellenlängen eingestellte Diffraktions- oder Beugungsgitter angeordnet sind.

Ein derartiges System hat Nachteile bei der Anwendung auf die quantitative Analyse von Verunreinigungen der Atmosphäre. Der Laser ist sehr kompliziert bzw. schwierig zu betreiben vor allem im mittleren Infrarotbereich, in dem wenig passende Polarisatoren vorhanden sind. Weiter erfordert er verstärkende Umgebungen großen Verstärkungsfaktors, da die durch die Polarisatoren eingeführten Verluste sehr erheblich sind.

Es gibt weitere auf zwei Wellenlängen arbeitende Laser (vgl. HAIM LOTEM,R. T. LYNCH, „Double-wavelength laser", in „Applied Physics Letters", Bd. 27 £15.09.1977} Nr. 6, S. 344 - 346). Es handelt sich dabei um eine Vorrichtung, bei der ein Prisma an einem Teil des den Hohlraum durchlaufenden Lichtstrahls vor einem Beugungsgitter angeordnet ist. Das Beugungsgitter empfängt daher zwei verschiedene Strahlen bzw. Strahlenbündel unter unterschiedlichen Einfallwinkeln, wodurch zwei Betriebs-Wellenlängen definiert sind.

Auch bei diesem Fall gibt es zahlreiche Nachteile. Die beiden Strahlen bzw. Strahlenbündel auf unterschiedlichen Wellenlängen fallen im Raum nicht zusammen. Ihre Form ist schwierig zu definieren, da die Gesamtanordnung keine Drehsymmetrie besitzt.

Weiter gibt es Laser, die zwei verschiedene Wellenlängen sequentiell abgeben (vgl. z. B. FR-GM 2 054 627). Ein

9098U/1 101

sich drehendes Rad ist in dem Hohlraum eines Helium-Neon-Lasers angeordnet. Es ist mit dünnen Platten mit parallelen Flächen und mit öffnungen versehen, die abwechselnd im Strahlverlauf des Lichtstrahls angeordnet werden. Die dünnen Platten sind in bezug auf den Einfllswinkel gemäß Brewster ausgerichtet, um die Verluste zu verringern. Das periodische Zwischenlegen der dünnen Platten verändert die Wellenlänge des Hohlraums und ändert die Schwingungsbedingungen derart, daß die Sende-Wellenlänge des Lasers abwechselnd von einem Wert zu einem anderen übergeht. Diese beiden Werte sind nicht beliebig, sondern durch die Eigenschaften der verstärkenden Umgebung zwangsweise festgelegt.

Es handelt sich daher im wesentlichen um eine Modulationseinrichtung der Länge des Hohlraumes eines Lasers, was nur auf Laser anwendbar ist, die auf zwei bestimmten Strahlen schwingen können gemäß der vom Hohlraum gegebenen Wellenlänge. Da es sich um einen Helium-Neon-Laser handelt, der dieser Vorgehensweise unterworfen wird, ist es nicht allgemein bei den anderen Laserarten gleich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, unter Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile eine Einrichtung anzugeben, durch die mehrere Strahlen bzw. Strahlenbündel unterschiedlicher Wellenlängen mit Lasern beliebiger Art erreicht werden können, wobei die Strahlen bzw. Strahlenbündel sequentiell abgegeben werden und die gleichen Strahlverläufe außerhalb des Lasers durchlaufen.

Der erfindungsgemäße Laser beruht im wesentlichen auf der Verwendung eines streuenden, reflektierenden Elementes, das an sich bekannt ist, in dem Hohlraum, zusammen mit einer

9098U/1 101

Einrichtung zur sequentiellen Änderung des Einfalls bzw. Einfallswinkels des Lichtstrahls bzw. -Strahlenbündels auf den Reflektor. Auf diese Weise wird die Wellenlänge des Lichtstrahls, der in sich selbst von dem reflektierenden Element reflektiert wird, im Zusammenhang mit seinem Einfall bzw. Einfallwinkel verändert.

Die Erfindung gibt somit einen Laser mit mehreren Wellenlängen und schneller Kommutierung an, der aufweist: eine verstärkende Umgebung zwischen einem ersten Reflektor und einem zweiten streuenden Reflektor, wobei letzterer in sich selbst einen Lichtstrahl zurücksendet, der einen bestimmten Einfallwinkel für nur eine bestimmte Wellenlänge besitzt, die von dem Einfallwinkel abhängt, wobei sich der Laser auszeichnet durch ein sich drehendes Rad, das mehrere ablenkende optische Elemente oder Glieder trägt, die zwischen der verstärkenden Umgebung und dem zweiten streuenden Reflektor angeordnet sind, periodisch im Strahl_enverlauf des Lichtstrahls angeordnet sind und den Lichtstrahl so ablenken, daß sequentiell der Einfallwinkel des Lichtstrahls geändert wird, der von der verstärkenden Umgebung stammt, und dem Einfallswinkel soviel unterschiedliche Werte gegeben werden, wie es gewünschte Wellenlängen gibt.

Vorzugsweise ist zumindest eines der optischen Elemente ein Teil einer Linse mit einer optischen Achse, die mit der Drehachse des Rades zusammenfällt, wobei der Abschnitt am Rad eine exzentrische Lage einnimmt. Um mit derartigen Linsen unterschiedliche Ablenkwinkel zu erreichen, werden vorteilhaft Linsen verwendet, die verschiedene oder unterschiedliche Brennweiten besitzen.

9098U/1101

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält das Rad ein erstes Element, das durch einen Abschnitt einer Linse mit bestimmter Brennweite gebildet ist, und ein zweites Element, das durch eine dünne Platte mit parallelen Flächen gebildet ist, die auch als Linse mit unendlich großer Brennweite angesehen werden kann.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch allgemein den Laser gemäß der Erfindung,

Fig. 2a, 2b, in Aufsicht bzw. im Querschnitt ein sich drehendes Rad, das mit einem Linsenabschnitt und einer dünnen Platte mit parallelen Seiten versehen ist,

Fig. 3 im Längsschnitt ein verbessertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Lasers.

Obgleich verschiedene streuende Reflektorsysteme bei dem erfindungsgemäßen Laser verwendet werden können, erfolgt die Beschreibung, lediglich beispielhaft, anhand eines Reflektors, der durch ein reflektierendes Beugungsgitter gebildet ist. Dieses kann leicht durch äquivalente Systeme ersetzt werden, wie beispielsweise Prismen- und Spiegelanordnungen .

Der in Fig. 1 dargestellte Laser enthält eine verstärkende Umgebung 2, die von einer nicht ausführlich dargestelltn Erregeranordnung 4 geeignet erregt wird. Die ver-

9098U/1 101

stärkende Umgebung 2 ist zwischen einem ersten Reflektor 6 und einem zweiten streuenden Reflektor angeordnet, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein reflektierendes Beugungsgitter 8 ist. Die Anordnung enthält weiter eine Einrichtung 10, durch die der Einfallwinkel des von der verstärkenden Umgebung 2 kommenden Lichtstrahls bzw. Lichtstrahlenbündels gegenüber der Normalen zur Ebene des Beugungsgitters 8 geändert werden kann. Ein derartiges Beugungsgitter, das beispielsweise in Form einer kleinen Treppe ausgebildet sein kann, sendet in sich selbst Lichtstrahlen unter einem Einfallwinkel θ und einer Wellenlänge A zurück, wenn folgende Bedingung erfüllt ist:

2a sin θ = k λ,

mit a = Schrittweite des Beugungsgitters,

k = eine durch die verwendete Ordnung bestimmte ganze Zahl.

Für zwei Einfallwinkel Θ.. und θ~ werden daher zwei Wellenlängen λ₁ und λ 2 erhalten,für die die Lichtstrahlen in sich selbst reflektiert sind.

Gemäß der Erfindung ermöglicht die Einrichtung 10 das sequentielle Ändern des Einfallswinkels des Lichtstrahls und beispielsweise, wie im dargestellten Fall, den alternierenden Übergang des Einfallswinkels vom Wert Q₁ zum Wert O₃. Unter diesen Bedingungen oder Betriebszuständen besitzt das vom Laser beispielsweise durch den Spiegel 6 abgegebene Lichtstrahlenbündel 12 bzw. der Lichtstrahl entweder die Wellenlänge *\ - oder die Wellenlänge 'λ _.

Es ist festzustellen, daß die Einrichtung 10 im gesamten

9098U/1 101

von der verstärkenden Umgebung 2 kommenden Lichtstrahl angeordnet ist und nicht nur an einem Teil dieses Lichtstrahls, wie beim eingangs erwähnten bekannten Laser.

Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbexspiel der
Einrichtung 10, die die Änderung des Einfallswinkels des
Lichtstrahls ermöglicht. Diese Einrichtung 10 ist durch ein sich drehendes Rad 14 gebildet, das mit einer von einem Motor 18 gedrehten Achse 16 einstückig ist. An diesem Rad 14 sind zwei optische Elemente 20, 22 diametral gegenüberliegend angeordnet. Das optische Element 20 ist ein Abschnitt oder Teil einer Linse, deren optische Achse mit der Drehachse des Rades 14 übereinstimmt. Das zweite optische Element 22 ist durch eine dünne Platte mit parallelen Flächen gebildet.

Dieses sich drehende Rad 14 ist in dem Hohlraum des
Lasers derart angeordnet, daß die beiden optischen Elemente 20, 22 abwechselnd im Strahlenverlauf des Lichtstrahls
sind. Dieser wird folglich dann abgelenkt, wenn er die Linse bzw. deren Abschnitt durchquert, wird jedoch nicht abgelenkt, wenn er die dünne Platte mit parallelen Flächen durchsetzt. Auf diese Weise werden auf dem Rad 14 zwei Strahlen oder Strahlenbündel unterschiedlicher Richtungen erhalten, die daher auf dem Beugungsgitter 8 unter zwei unterschiedlichen Einfallwinkeln auftreffen, was das erstrebte Ziel
ist.

Dieses Ausführungsbexspiel der Einrichtung 10 zum Ablenken des Lichtstrahls ist bei diesem Anwendungsfall besonders vorteilhaft, denn

9098U/1 101

τ-■>·> ω 4-λ ν·» ,

im Hohlraum/optische Verluste auftreten, die gering sind, wenn die Flächen der optischen Elemente mit Antireflexionsschichten bedeckt sind, jedoch kann das Rad 14 offensichtlich auch unter dem Einfallswinkel gemäß Brewster angeordnet sein,

der Lichtstrahl verbleibt über seinem gesamten Strahlverlauf im Hohlraum ein Gauß¹scher Strahl, da eine außerhalb ihrer Achse, jedoch in der Gauß'sehen Annäherung arbeitende Linse einen Gauß'sehen Strahl in einen weiteren Gauß'sehen Strahl umformt,

die Verwirklichung einer derartigen optischen Anordnung ist einfach und stellt für den Fachmann kein Problem dar,

der Ablenkwinkel kann leicht verändert werden durch Translationsbewegung des Rades 14 senkrecht zu seiner Achse, wobei diese Einstellung eine Vergrößerung der Herstelltoleranzen der Linse ermöglicht,

durch einfaches Austauschen der Räder 14 kann die Anzahl und der Wert der gewählten Wellenlängen verändert werden,

durch Vergrößern der Anzahl der Linsen mit unterschiedlichen Brennweiten können entsprechend viele unterschiedliche Wellenlängen abgegeben werden,

durch Vervielfachen der Anzahl der Paare aus Linse und dünner Platte mit parallelen Seiten, die im gleichen Rad 14 angeordnet sind, kann die Kommutierungsfrequenz von einer Wellenlänge zur anderen erhöht werden.

9098U/1101

SeibstVerstand^ch ist die Erfindung nicht auf das einzige Ausführungsbeispiel· der Einrichtung 10 beschränkt, die die Abienkung des Lichtstrahis eriaubt. Andere Einrichtungen können vom Fachmann vorgesehen werden. Jedoch erscheinen diese ausnahmsios nicht so vorteiihaft wie die eriäuterte. Das gut auch dafür, daß daran gedacht werden kann, ein Prisma zu verwenden, das durch abwechseinde Transiationsbewegung vor das Beugungsgitter gebracht wird. Jedoch ermöglicht dieses System keine schneiie Kommutierung (höchstens einigem HertzJL Darüber hinaus werden dadurch für den Betrieb des Lasers schädliche Schwingungen eingeführt.

Schließlich kann auch daran gedacht werden, ein auf einem sich drehenden Rad befestigtes Prisma zu verwenden. Jedoch ändert sich der Einfaliswinkel des Lichtstrahis gegenüber dem Beugungsgitter während der Drehung des Rades, weil·, wenn der einfaMende und der reflektierte Strahl· in einer Ebene senkrecht zum Scheitel· des Prismas sind, der abgeienkte bzw. gebeugte Lichtstrahl· einen Konusabschnitt beschreibt, der die Achse des Rades zur Achse besitzt. Der Laser ist daher nur für eine bestimmte Lage des Prismas richtig ausgerichtet, d. h. während einer sehr kurzen Zeit. Darüber hinaus verändert sich die Form des Bündeis während des Betriebes.

SchiieBiich könnte auch daran gedacht werden, einen Konusabschnitt zu verwenden, der auf einem Rad befestigt ist. Das System würde eine Drehsymmetrie besitzen, und die Betriebsbedingungen des Lasers würden sich nicht während der Drehung des Rades ändern. Jedoch besitzt dieses System den Nachteil·, daß eine Form des Lichtbündeis erreicht wird, die schiecht angepaßt ist und die insbesondere keine Gauß'sche

9098U/1101

ist. Darüber hinaus ergeben sich Schwierigkeiten bei der Herstellung während des Schneidens des Stückes in Kegelstumpf form.

Bei dem vorstehend beschriebenen Laser ist der Lichtstrahl, der der Beugungsordnung Null des Beugungsgitters entspricht, verloren, da ja lediglich das der Ordnung 1 entsprechende Bündel verwendet wird.Das ist im übrigen einer der normalen Betriebsmoden des Lasers dieser Art. Das hat zur Folge, daß als erstes reflektierendes Element im Hohlraum ein halbdurchlässiger Spiegel verwendet wird, damit ein Anteil des Lichtstrahls oder der Lichtstrahlung diesen Spiegel verlassen kann und den Ausgangsstrahl des Lasers bilden kann.

Natürlich kann auch anders vorgegangen werden und der Lichtstrahl verwendet v/erden, der einer Spiegelreflexi.osi am Beugungsgitter unterliegt, d. h. der Strahl oder das Strahlenbündel, das dem Beugungsmodus Null entspricht, um das Ausgangsbündel des Lasers zu bilden. Diese Lösung hätte den Vorteil, daß als erster Reflektor ein vollständig reflektierender Spiegel mit engen Verlusten verwendet werden kann, der leichter herzustellen ist als ein halbdurchlässiger Spiegel, wodurch eine Verringerung der sich durch den Hohlraum ergebenden Verluste erreichbar ist.

Dieser Betriebsmodus ist im übrigen für sich selbst bekannt, insbesondere bei Farbstoff-Lasern. Jedoch besitzt sie einen starken Nachteil bei der hier vorgesehenen Anwendung, nämlich der quantitativen Analyse der Verschmutzungen der Atmosphäre. Bei dieser Anwendung ist es nämlich notwendig,

9098U/1 101

daß die beiden Lichtstrahlen verschiedener Wellenlängen im Raum zusammenfallende Strahlverläufe besitzen, derart, daß beide die gleiche atmosphärische oder Luftzone durchsetzen. Wenn der Lichtstrahl der Ordnung Null als Ausgangsstrahl verwendet wird, besitzt dieser nun im Raum eine Winkellage, die von der gewählten Wellenlänge abhängt, was unzulässig ist. Aus Fig. 2 b ergibt sich, daß tatsächlich eine Winkelabweichung zwischen den beiden Lichtstrahlen der Ordnung Null der Wellenlängen /^₁ und X„ besteht, wobei diese Abweichung ©2 - θ₁ beträgt.

Um dem Lichtstrahl der Wellenlänge X₂ die Richtung des Lichtstrahls der Wellenlänge % ^ wieder zu geben, muß entweder das Beugungsgitter um einen Winkel ©₂ - Θ.. periodisch geschwenkt werden, oder muß ein bewegbarer Umlenkspiegel verwendet werden, der abwechselnd zwei in Winkelrichtung voneinander um θ₂ - Θ. beabstandete Lagen[einnimmt, wobei die Schwingung des Beugungsgitters oder des Spiegels mit der Drehzahl der sich drehenden Scheibe bzw. des sich drehenden Rades synchronisiert werden muß. Es handelt sich dabei somit um eine Einrichtung, die zu kompliziert ist, als daß sie in der Praxis tatsächlich verwendbar ist.

Die Erfindung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel überwindet dieses Problem, ohne dabei ein zusätzliches bewegliches Teil hinzufügen zu müssen.

Dies wird dadurch erreicht, daß ein fester Umlenkspiegel im Strahlverlauf des Lichtstrahls bzw. Lichtstrahlenbündels angeordnet ist, der einer Spiegelreflexion am Beugungsgitter unterlegen ist, d. h. im Strahlverlauf des Lichtstrahls der Ordnung Null, derart, daß dieser Lichtstrahl das sich

9098U/1101

drehende Rad von neuem durchsetzt und einer neuen Ablenkung unterliegt, die zum Korrigieren der Winkelabweichung zwischen den beiden Strahlen der unterschiedlichen Wellenlängen geeignet ist.

Der in Fig. 3 dargestellte Laser enthält gemäß diesem Ausführungsbeispiel die verstärkende Umgebung 2, die geeignet von der Erregereinrichtung 4 erregt ist und zwischen dem ersten Reflektor 6 und dem zweiten streuenden Reflektor angeordnet ist, der ein reflektierendes Beugungsgitter 8 ist. Die Anordnung enthält weiter die Einrichtung 10 zum Verändern des Einfallswinkels des von der verstärkenden Umgebung 2 kommenden Lichtstrahls auf das Beugungsgitter 3. Diese Einrichtung 10 ist durch das sich drehende Rad 14 gebildet, das mit der . von einem (hier nicht dargestellten) Motor gedrehten Achse 16 einstückig ist. An diesem Rad 14 sind die beiden optischen Elemente 20, 22 diametral gegenüberliegend angeordnet. Das Element 20 ist ein Abschnitt oder Teil einer Linse, deren optische Achse mit der Drehachse des Rades 14 zusammenfällt. Das optische Element 22 ist durch eine dünne Platte mit parallelen Flächen gebildet.

Das sich drehende Rad 14 ist im Hohlraum des Lasers derart angeordnet, daß die beiden optischen Elemente 20, 22 abwechselnd in dem Strahlverlauf des Lichtstrahls 30 angeordnet sind. Dieser wird daher abgelenkt, wenn er die Linse durchsetzt, wird jedoch nicht abgelenkt, wenn er die dünne Platte mit parallelen Flächenjdurchsetzt. Auf diese Weise werden nach dem Rad 14 zwei Bündel oder Strahlen 32, 34 unterschiedlicher Richtungen erhalten, die auf dem Beugungsgitter 8 unter verschiedenen Einfallwinkeln auftreffen.

9098H/1 101

Der Laser enthält weiter einen umlenkspiegel 24, der senkrecht zur Einfallsebene des Beugungsgitters 8 ist, sowie orthogonal zu diesem Beugungsgitter 8. Das heißt, die Ebene des Spiegels 24 und die Ebene des Beugungsgitters 8 bilden einen Flächenwinkel, dessen Scheitel 26 parallel zu den Strichen oder Stufen 28 des Beugungsgitters 8 ist. Die Lage des Spiegels 24 ist derart, daß der Lichtstrahl, der einer Spiegelreflexion am Beugungsgitter 8 unterlegen ist sowie dann einer Reflexion am Spiegel 24₇ das untere optische Element des Rades 14 durchsetzt.

Diese Anordnung bzw. dieses Ausführungsbeispiel wirkt folgendermaßen: Zunächst ist es bekannt, daß ein Lichtstrahl, der auf einen rechtwinkligen Flächenwinkel auftrifft, an diesem Flächenwinkel parallel zum einfallenden Strahl reflektiert wird, unabhängig davon, wie dieser einfällt. Der vom Spiegel 24 reflektierte Lichtstrahl ist somit stets parallel zum auf das Beugungsgitter 8 auftreffenden oder einfallenden Lichtstrahl. Es gibt somit zwei alternierende oder abwechselnde Zustände: Wenn das zwischen der verstärkenden Umgebung 2 und dem Beugungsgitter 8 vorhandene optische Element der Abschnitt der Linse (optisches Element 22) ist, tritt der Lichtstrahl 32 von dieser Linse unter einem Winkel et gegenüber seiner Richtung in der verstärkenden Umgebung 2 aus. Der gleiche Lichtstrahl 32 unterliegt einer Spiegelreflexion am Beugungsgitter 8, dann der Reflexion am Spiegel 24 und erreicht schließlich das dem optischen Element

20 diametral gegenüberliegende optische Element, das unter der genannten Annahme die dünne Platte mit parallelen Flächen ist. Der Lichtstrahl erreicht diese dünne Platte unter einem Einfallswinkel ei. Die Richtung des Lichtstrahls 32 wird daher nicht beim zweiten Durchtritt durch das Rad 14 geändert. Folglich tritt der Lichtstrahl 32 aus dem Laser

9098 U/1 101

unter einem Winkel oL gegenüber der Ausbreitungsrichtung in der verstärkenden Umgebung 2 aus.

Wenn das optische Element, das zwischen der verstärkenden Umgebung 2 und dem Beugungsgitter 8 ist, die dünne Platte 20 mit parallelen Flächen ist, d. h. eine Stellung nach einer Drehung um eine halbe Umdrehung des Rades 14, wenn diese zwei sich diametral gegenüberliegende optische Elemente 20, 22 enthält, ist der Lichtstrahl 34, der aus dieser dünnen Platte 20 austritt, parallel zur Ausbreitungsrichtung in der verstärkenden Umgebung 2. Der Lichtstrahl 34 erreicht das diametral gegenüberliegende optische Element 22 unter einem Einfallswinkel Null. Jedoch ist dieses optische Element nun ein Abschnitt oder Teil einer Linse, wodurch nun der einfallende Lichtstrahl um einen dem Winkel OC gleichen Winkel abgelenkt wird. Der austretende Lichtstrahl 34 nimmt somit einen Winkel OL gegenüber der Ausbreitungsrichtung in der verstärkenden Umgebung 2 ein. Er ist folglich parallel zum Lichtstrahl 32.

Auf diese Weise besitzen die austretenden beiden Lichtstrahlen oder Strahlenbündel 32, 34 einen gleichen Winkel gegenüber einer Richtung und sind somit parallel, unabhängig davon, welches optische Element im Hohlraum des Lasers vorhanden ist.

Wie weiter oben erwähnt, ermöglicht die Verwendung des der Ordnung Null der Beugung entsprechend^ Strahls als Ausgangsstrahl die Verwendung eines Spiegels 6, der vollständig reflektierend mit engen Verlusten ist. Die Verluste des Resonators sind daher äußerst gering, wodurch die Längsabmessungen des Verstärkers und damit der gesamten Vorrichtung verringert werden können.

9098U/1 101

Selbstverständlich kann ein halbdurchlässiger Spiegel als Spiegel 6 verwendet werden, wobei dann ein zweites Paar von Lichtstrahlen erhalten wird, die bestimmte Wellenlängen besitzen. Die Strahlen, die die gleichen Wellenlängen besitzen in dem der Beugungsordnung Null entsprechenden ersten Paar und der Ordnung 1 entsprechenden zweiten Paar sind kohärent. Das zweite Paar kann daher als Bezugsgröße dienen.

Weiter kann nun gemäß einer weiteren Eigenheit des Paars aus Beugungsgitter und orthogonalem Spiegel die Anordnung aus Beugungsgitter und Spiegel um den Scheitel 26 gedreht oder verschwenkt werden, um das Paar der gewählten Wellenlängen zu verändern, und dies, ohne dabei die Lage des Austrittsstrahles zu verändern. Die Einrichtung , die diese Einstellung ermöglicht,ist schematisch dargestellt durch ein Ritzel 36, das zum Drehen der Anordnung aus Beugungsgitter 8 und Spiegel 24 vorgesehen ist, die durch einen Rahmen 38 einstückig gehalten sind.

9098U/1101

-to -

Leerseite

Claims

Ansprüche

M.j Laser mit mehreren Wellenlängen und schneller Kommutierung, mit einer verstärkenden Umgebung zwischen einem ersten Reflektor und einem zweiten streuenden Reflektor, wobei letzterer einen Lichtstrahl in sich selbst zurücksendet vor einem bestimmten Einfall lediglich für eine bestimmte Wellenlänge,

gekennzeichnet durch

ein sich drehendes Rad (14),das mehrere beugende optische Elemente (20, 22) enthält, die zwischen der verstärkenden Umgebung (2) und dem streuenden zweiten Reflektor (8) angeordnet sind, periodisch im Strahlverlauf (30) des Lichtstrahls angeordnet sind und den Lichtstrahl so ablenken, daß der Einfallswinkel des von der verstärkenden Umgebung (2) kommenden Lichtstrahls sequentiell änderbar ist, und daß dem Einfallswinkel so viel verschiedene Werte (Q₁, Θ-) gegeben werden, wie es gewünschte Wellenlängen ( X, ₁, X~) gibt.
2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der optischen Elemente (20) ein Abschnitt

410-(B 6'294/B A 6483.3)-Me-v

9098 U/1 101

oder Teil einer Linse ist, die eine optische Achse besitzt, die mit der Drehachse des Rades (14) zusammenfällt, wobei der Abschnitt der Linse an dem Rad (14) eine exzentrische Lage einnimmt.
3. Laser nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (14) Abschnitte von Linsen unterschiedlicher Brennweiten enthält.
4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Rad (14) zumindest ein erstes optisches Element (20) enthält, das durch einen Abschnitt einer Linse gebildet ist, sowie diametral gegenüberliegend ein zweites optisches Element (22) , das durch eine dünne Platte mit parallelen Flächen gebildet ist.
5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite streuende Reflektor durch ein reflektierendes Beugungsgitter (8) gebildet ist.
6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen ebenen Umlenkspiegel (24), der auf der gleichen Seite des sich drehenden Rades (14) wie das Beugungsgitter (8) angeordnet ist, wobei der Umlenkspiegel (24) senkrecht zur Einfallsebene auf das Beugungsgitter (8) und orthogonal zu dem Beugungsgitter (8) angeordnet ist, wobei das Beugungsgitter (8) und der Umlenkspiegel (24) so angeordnet sind, daß der von der verstärkenden Umgebung (2) kom-

9098U/1 101

mende Lichtstrahl (30), der eines der von dem Rad (14) getragenen beugenden optischen Elemente (20, 22) durchsetzt hat, anschließend das dem ersten diametral gegenüberliegende optische Element (22, 20) durchsetzt, nach einer Spiegelreflexion an dem Beugungsgitter (8) und einer Reflexion an dem Umlenkspiegel (24) , wobei dieser Lichtstrahl (32, 34) nun den Ausgangsstrahl des Lasers bildet.
7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Reflektor halb-reflektierend ist.
8. Laser nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Umlenkspiegel (24) und Beugungsgitter (8) um den Scheitel (26) des durch sie gebildeten rechtwinkligen Flächenwinkels drehbar ist.

9098 U/1 101