DE60035420T2

DE60035420T2 - Optische polarisationsvorrichtung und polarisationsvorrichtung zum gebrauch mit einem laser

Info

Publication number: DE60035420T2
Application number: DE60035420T
Authority: DE
Inventors: Olivier Parriaux; Florent Pigeon; Alexander V. Tishchenko
Original assignee: Universite Jean Monnet
Current assignee: Universite Jean Monnet
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 2000-07-28
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2020-07-29
Also published as: CA2393924C; EP1198726A2; EP1198726B1; CA2393924A1; WO2001009650A2; DE60035420D1; WO2001009650A3; AU6835000A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft dielektrische Mehrschichtspiegel und Kopplungsvorrichtungen, insbesondere zur Verwendung in einer Laservorrichtung. Sie betrifft auch optische Vorrichtungen mit einem Mehrschichtspiegel und einem Gitter, wobei die Vorrichtung eine hohe Polarisationsselektivität, eine besonders große Konstruktionstoleranz und einen besonders großen Wellenlängenbereich aufweist.
Eine Mikrochip-Laserpolarisationsvorrichtung ist vom Markt her (Nanolase, Grenoble, Frankreich) bekannt, bei welcher eine mechanische Spannung, die in Querrichtung auf einen Nd:YAG-Mikrochip-Laser aufgebracht wird, die Laseremission begünstigt, wobei das elektrische Feld entlang der aufgebrachten äußeren Kraft polarisiert wird. Der Nachteil dieser Lösung ist, daß sie eine einzeln nacheinander erfolgende Lösung ist, angewandt auf ein ansonsten chargenweises Fertigungsverfahren für Mikrolaser. Diese Lösung ist auch deshalb beschränkt, weil sie praktisch nur zu einer gleichmäßigen Verteilung des elektrischen Felds führen kann.
Eine andere Vorrichtung ist aus der wissenschaftlichen Literatur (V.N. Beltyugov, S.G. Protsenko, Y.V. Troitsky, "Polarizing laser mirrors for normal light incidence", Proc. SPIE, Bd, 1782, 1992, S. 206) bekannt und umfaßt einen Mehrschichtspiegel, der aus wenigstens einer geriffelten Grenzschicht zwischen den Schichten besteht, wodurch das Gitter die ungewünschte Polarisation eines Gaslasers in eine geführte Mode der Mehrfachschicht einkoppelt und einen Differentialverlust in den Laserhohlraum zwischen der eingekoppelten, ungewünschten Polarisation und der nicht eingekoppelten, gewünschten Polarisation einbringt.
Diese Vorrichtung weist die folgenden praktischen Einschränkungen auf:
falls nur eine Grenzschicht geriffelt ist, ist der Wirkungsgrad der Kopplung in eine geführte Mode der Mehrfachschicht zu schwach für die Vorrichtung, um bei Mikrochip-Lasern angewandt zu werden, bei denen der Strahldurchmesser 100 μm oder weniger beträgt;
weiterhin würde das Gitter in diesem Fall die Laserlichtpolarisation in Beugungsgrößenordnungen brechen, die sich in das stark brechende aktive Kristallsystem ausbreiten. Das führt zu nicht akzeptablen Verlusten.
Außerdem ist die erste Folge des schwachen Wirkungsgrads der Kopplung, daß die Linienbreite der Kopplungserscheinung sehr schmal ist und verhindert, daß sich der Polarisationseffekt über einen breiten Wellenlängenbereich auswirkt, wie beispielsweise über die volle Verstärkungsbandbreite von etwa einem Nanometer von Nd:YAG-Lasern; eine zweite Folge ist, daß die spektrale Lage der schmalen Linie, an welcher der gewünschte Polarisationseffekt eintritt, stark von den Eigenschaften der Mehrfachschicht und mithin von den Veränderungen ihrer Fertigungsbedingungen und von der Umweltabhängigkeit des Brechungsindexes der Schichten abhängt, insbesondere von Feuchtigkeit und Temperatur. Dadurch wird die Vorrichtung nach dem Stand der Technik praktisch unverwendbar, da sie eine nachträgliche Abgleichung und Temperatursteuerung erfordern würde. Falls alle oder eine große Anzahl der Grenzschichten geriffelt sind, nimmt die Effektivität der Kopplung zu, jedoch führen diese Riffelungen zu einer Störung der Schichtaufbringungsbedingungen, die dann noch weniger reproduzierbar sind und Streuverluste an der Laserpolarisation hervorrufen.
ZUSAMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß liegt der vorliegenden Erfindung die allgemeine Aufgabe zugrunde, eine neuartige und geeignete Gittervorrichtung zu schaffen, beispielsweise einen Polarisationsspiegel oder eine polarisierende Kopplungsvorrichtung, bei welcher die oben beschriebenen Probleme beseitigt sind.
Der Erfindung liegt die weitere, speziellere Aufgabe zugrunde, tolerante Kopplungsmittel mit einem Gitter zu schaffen, das eine Polarisation eines Laserstrahls über einen großen Wellenlängenbereich dämpfen und dabei die entstehende Streuung auf einem niedrigen Grad halten kann.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ist eine optische Vorrichtung nach Anspruch 1.
Eine solche Vorrichtung kann als Laserkoppler oder als Koppler in einer Laservorrichtung verwendet werden.
Andere Merkmale der optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Durch die Kombination des Paars von Schichten mit niedrigem und mit hohem Brechungsindex und des Riffelgitters in der stark brechenden Schicht ergibt sich eine Senkung des Reflexionskoeffizienten bei einer ersten Polarisierung mit Hilfe einer Auslöschung dieser ersten Polarisation in dem Mehrschichtspiegel bei im wesentlichen keiner Änderung des Reflexionskoeffizienten bei der anderen (zweiten) Polarisierung.
Durch das Substrat hindurch wird ein Lichtstrahl in Richtung zu der optischen Vorrichtung gemäß der Erfindung gerichtet. Mit anderen Worten, der Lichtstrahl fällt von der Substratseite her ein. Dann durchquert der Strahl nacheinander den Mehrschichtspiegel und das Paar von Schichten mit niedrigem und mit hohem Brechungsindex. Die eine Polarisation des Strahls wird wie bei einem Fehlen des Gitters reflektiert. Die andere Polarisation wird auf Grund des Gitters, das auf der oder in der letzten, stark brechenden Schicht angebracht oder hergestellt ist verschieden reflektiert, beispielsweise an der Luftseite.
Der Mehrschichtspiegel reflektiert beide Polarisationen gleichermaßen. Die Polarisationsaufgabe wird von der Gitterunterstruktur mit den beiden geriffelten Schichten mit niedrigem und mit hohem Brechungsindex verrichtet.
Damit ein Riffelgitter auf der letzten Schicht eine nicht unwesentliche Wirkung auf die Laseremissionszustand in dem Hohlraum ausübt, kann der Polarisationswahleffekt nicht einfach die Einkopplung einer Polarisation in eine geführte Mode der Mehrfachschicht sein, wie sie nach dem Stand der Technik, beispielsweise in dem oben genannten Artikel von Beltygov, offenbart ist. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung lehrt den Gebrauch einer anormalen Reflexion von dem letzten, stark brechenden Wellenleitergitter bei normalem Einfall, das heißt, daß die Brechkraft mit einer Phasenverschiebung π von dem Gitter zurück reflektiert wird, wenn die einfallende Polarisierung in die letzte stark brechende Mode eingekoppelt wird. Mithin wird die Reflexion der gedämpften Polarisation nicht durch deren Einkopplung in eine Wellenleitermode gedämpft, sondern wird auf Grund der anomalen Reflexion mit einer Phasenverschiebung π effektiv in den Hohlraum zurück reflektiert, wodurch ein spürbarer Grad einer Auslöschung in dem Mehrschichtspiegel für die eingekoppelte Polarisation verursacht wird und folglich auf die letztere eine sehr viel stärkere, effektive Dämpfung ausgeübt wird.
Der Fachmann wird sich nicht dazu verleiten lassen, das Gitter auf der Seite der letzten Schicht des dielektrischen Mehrschichtspiegels, beispielsweise auf der Luftseite, zu plazieren, weil das Feld dort viel schwächer als in den ersten Schichten ist, und weil im Falle der Verwendung in einer Laservorrichtung angenommen wird, daß die Einkopplung der zu dämpfenden Polarisation in eine Wellenleitermode fast außerhalb des Laserresonators kaum einen Einfluß auf die Laseremissionsbedingungen innerhalb des Hohlraums erfolgende Polarisation haben wird.
Das Substrat kann ein Substrat aus laseraktivem Material sein, beispielsweise das aktive Material eines Mikrochip-Lasers.
Die erste Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann vorteilhaft auf einer Seite eines Laserhohlraums verwendet werden. Ihre Effektivität ist so hoch, daß man die notwendige Dämpfung der eingekoppelten Polarisation mit einem Gitter sehr kleiner Tiefe erhalten kann, was mithin zu verminderter Streuung führt.
Die Effektivität des Gitters ist hoch, weil die letzte stark brechende Schicht, die als Wellenleiter wirkt, das Modenfeld in der Schicht und insbesondere in der Gitterzone konzentriert. Durch die hohe Strahlungseffektivität des Gitters wird der Qualitätsfaktor der Wellenlängenresonanz vermindert und eine große Wellenlängentoleranz der Gittermodekopplung bewirkt.
Da die erste Ausführungsform der Erfindung im wesentlichen verlustfrei ist, wird die gedämpfte Polarisation nicht unbedingt herausgefiltert. Die Form kann mithin ein verlustfreier Polarisationsfilter sein, der zwei verschiedene Reflexionskoeffizienten für die zwei einfallenden Polarisationen aufweist.
Die Polarisationsvorrichtung gemäß der obigen ersten Ausführungsform bietet folgende spezielle Vorteile:

– sie verhindert die Beugung der nicht eingekoppelten Polarisation in das Substrat, insbesondere bei einem Mikrochip-Laser;
– das Gitter bewirkt wenig Streuung, da es sich nicht auf der Substratseite befindet; im Falle eines Lasers wird es nicht auf einer Aktivmediumseite innerhalb des Laserresonators, sondern auf der Luftseite verwendet;
– es kann für eine wesentliche und steuerbare Differenz zwischen dem Reflexionskoeffizienten für die zwei Polarisationen sorgen, ohne irgendeinen Kraftverlust an der Polarisation mit dem kleineren Reflexionskoeffizienten einzubringen;
– es kann die Polarisationswahl für sehr schmale Strahlen bewirken;
– es weist eine besonders große Spektralbandbreite auf.

Eine zweite Ausführungsform, die nicht Teil der Erfindung ist, betrifft einen optischen Spiegel, umfassend einen Mehrschichtspiegel, ein Gitter und ein metallisches oder metallisiertes Substrat oder ein mit Metall beschichtetes Substrat, wobei sich der Mehrschichtspiegel zwischen dem Substrat und dem Gitter befindet.
Die Verkleinerung des Reflexionskoeffizienten für die gedämpfte Polarisierung kommt mit Hilfe des Koppelns der letzteren mit einer der verlustbringenden Moden der auf dem Substrat abgeschiedenen Mehrfachschicht zustande. Bei einer Laservorrichtung befindet sich die Mehrfachschicht auf der Substratseite, die an der Innenseite des Laserhohlraums liegt.
Während die Einkopplung der gedämpften Polarisierung in eine geführte Mode der Mehrfachschicht gemäß dem Stand der Technik (V.N. Beltyugov et al.) zu einer schmalen Bandkopplung führt, führt die Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung zu einer breiteren Bandkopplung, da eine geführte Mode des von Luft und Metall umgrenzten Mehrschichtwellenleiters große Verluste erleidet.
Bevorzugt wird eine Kopplung in eine TM-Mode. Eine Kopplung in eine TE-Mode ist jedoch ebenfalls möglich, obwohl die Kopplungslinienbreite schmaler ist.
Die Parameter einer Konstruktion, mit der eine hohe und wellenlängentolerante Absorption erzielt wird, lassen sich mit Hilfe eines verfügbaren Beugungsmodellcodes feststellen. Die Parameter können beispielsweise die Anzahl der Schichten der Mehrfachschicht, deren erste und letzte Schicht (schwach oder stark brechend), die Art des Metalls, die Dicke des Metallfilms, die Gitterkonstante und die Gittertiefe sein.
Die zweite Ausführungsform für einen Laserspiegel hat folgende spezielle Vorteile:

die von Metall umgrenzte Mehrfachschicht bietet eine größere Anzahl möglicher TM-Moden und neue Modearten, die in dem Koppler nach dem Stand der Technik nicht vorhanden sind: zwei Plasmon-Moden und alle Moden mit einem effektiven Index, der kleiner als der Substrat-Index ns ist;
– die Ausbreitungskonstanten der TE-Moden und der TM-Moden überlappen einander, und mithin erleidet die vom Laser emittierte TE-Polarisation keine Verluste;
– ein metallisches Substrat ist mit eventueller Fluidkühlung bei hochleistungsfähigen Anwendungen verträglich;
– der Verlust der eingekoppelten Mode und mithin die Bandbreite der Polarisationsfilterung können durch die Wahl des richtigen Metalls eingestellt werden;
– das metallische Substrat oder der Metallfilm wird über die letzte Schicht der Mehrfachschicht hinaus aufgebracht, die gewöhnlich eine große Anzahl von Schichten aufweist. Deshalb liegt der Bereich des einfallenden Laserstrahls an dieser Stelle nahe bei Null.

Eine dritte Ausführungsform, die nicht Teil der Erfindung ist, betrifft sowohl einen Spiegel als auch einen Koppler. Ebenso wie bei der zweiten Ausführungsform befindet sich die Mehrfachschicht auf der Substratseite gegenüber dem Laserhohlraum, wobei das Gitter in der letzten Schicht liegt. Hier umfaßt die Vorrichtung das Gitter, eine Mehrfachschicht und das Substrat, wobei das Gitter eine derartige Periode aufweist, daß die einfallende, gedämpfte Polarisation in eine von den Schwundmoden erster Ordnung für die Mehrfachschicht mit der gleichen Polarisation eingekoppelt wird. Schwundmoden sind Querresonanzen eines elektromagnetischen Feldes mit Totalreflexion auf der Luftseite und hoher Teilreflexion auf der Substratseite. Der Schwund der Kraft bei dieser Resonanz bewirkt, daß die Einkopplung in diese Mode breitbandig und tolerant ist. Da die Ausbreitungskonstanten von Schwundmoden der zwei rechtwinkligen Polarisationen einander überlappen, läßt sich die Konstruktion, mit der ein hoher und wellenlängentoleranter Schwund der gedämpften Polarisation und ein im wesentlichen Null betragender Schwund der Laser-Polarisierung zustande kommt, mit Hilfe von auf dem Markt erhältlichen Codes finden.
Die Strukturparameter, die eingestellt werden können, sind beispielsweise die Anzahl der Schichten in der Mehrfachschicht und/oder die Art ihrer ersten und ihrer letzten Schichten (schwach oder stark brechend) und/oder die Gittertiefe und die Gitterperiode und/oder die Polarisation.
Diese dritte Ausführungsform weist die folgenden speziellen Vorteile auf:

– die Gitterperiode ist verhältnismäßig groß und mithin leichter zu fertigen, und ist im wesentlichen eindeutig und vorgegeben, da die Schwundmode erster Ordnung eines derart großen Mehrschichtwellenleiters einen effektiven Index aufweist, der sehr nahe demjenigen des Substrats liegt;
– die dritte Ausführungsform kann sowohl als Laserspiegel als auch als Laserkoppler verwendet werden;
– die Flußbeständigkeit der dritten Ausführungsform ist groß, da der Schwundmodebereich nirgendwo in der Struktur eine große Amplitude aufweist, und da der Kraftverlustmechanismus keine Absorptionseigenschaften aufweist.

Zusätzlich zu den speziellen Vorteilen der drei Ausführungsformen, die oben aufgeführt sind, besitzen alle drei Ausführungsformen die folgenden gemeinsamen Vorteile:

– der Mehrschichtspiegel der Vorrichtung gemäß der Erfindung kann derjenige eines standardmäßigen Laserspiegels sein;
– technologisch kommt der Gitterfertigungsschritt nach dem Aufbringen des gesamten Stapels von Schichten;
– die Polarisationsfilterung erfolgt mit einer Vorrichtung, die mit diskontinuierlichen Planartechniken hergestellt werden kann;
– die Gittervorrichtung gemäß der Erfindung kann lineare Polarisationsverteilungen bilden, die anders als geradlinige sind.

Zum Verbreitern des Wellenlängenbereichs, über welchen der Reflexionskoeffizient für eine Polarisation abnimmt, ist eine Vorrichtung gemäß jeder Ausführungsform der vorliegenden Erfindung derart konstruiert, daß das Gitter zu einem starken Absinken des Qualitätsfaktors der eingekoppelten Mode für den einfallenden Strahl der Polarisation führt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser aus der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen erkennbar, in denen:
1 eine Querschnittsansicht ist, die senkrecht zu den Gitterlinien der ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung verläuft;
2 das Ortsfrequenzdiagramm für einen speziellen Fall der ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist;
3 und 4 experimentelle Ergebnisse sind, die man mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung erhielt;
5 eine Querschnittsansicht ist, die senkrecht zu den Gitterlinien einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung läuft;
6 eine Querschnittsansicht ist, die senkrecht zu den Gitterlinien einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung läuft;
7 das Ortsfrequenzdiagramm für den Fall der dritten Ausführungsform der Vorrichtung ist;
8A und 8B eine Draufsicht auf eine Gittervorrichtung gemäß der Erfindung sind, die eine radiale und eine scheitelwinkelige Verteilung der Polarisation vorsieht;
9 eine Querschnittsansicht einer Gittervorrichtung gemäß der Erfindung ist, die eine Polarisationswahl mit zwei Emissionswellenlängen vorsieht;
10 eine Draufsicht auf eine Gittervorrichtung gemäß der Erfindung ist, die eine Polarisationswahl mit mehr als zwei Wellenlängen vorsieht;
11 eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß der Erfindung ist, die eine kreuzweise polarisierte Emission mit zwei Wellenlängen vorsieht;
12 eine Draufsicht auf eine andere Vorrichtung ist, die eine kreuzweise polarisierte Emission mit zwei Wellenlängen vorsieht;
13 eine Draufsicht auf eine weitere Vorrichtung ist, die eine kreuzweise polarisierte Emission mit zwei Wellenlängen vorsieht;
14 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung für Gaslaser ist;
15 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung auf einem gekrümmten Substrat ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung ausführlich angegeben. Jede Ausführungsform umfaßt eine Mehrschichtkonstruktion. Eine "Mode" einer solchen Mehrschichtkonstruktion ist eine Querresonanz eines elektromagnetischen Felds, die sich in der Richtung der Ebenen der Schichtkonstruktion ausbreitet. Die Spektralbandbreite dieser Ortsresonanz steht in Beziehung zu der Stärke ihrer Kopplung mit dem einfallenden Strahl und/oder zu ihren eigenen Absorptions- oder Schwundverlusten.
1 ist eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung. Ein einfallender Strahl IB einer Spektralbreite B ist vorzugsweise von der Substratseite aus gerichtet.
Die Vorrichtung gemäß dieser ersten Ausführungsform besteht aus einem Substrat 10, einem Mehrschichtspiegel 20, einem Paar von Schichten 30 und einem Beugungsgitter 40.
Das Substrat 10 der oberen Fläche 11 kann ein amorphes Material wie Glas sein. Es kann auch ein Laserkristall wie YAG oder ein doppelbrechender Kristall sein.
Der Mehrschichtspiegel 20, der ein standardmäßiger sein kann, umfaßt die Anzahl der Schichten mit alternierendem niedrigen und hohen Brechungsindex, der notwendig ist, um den gewünschten Reflexionskoeffizienten über die gewünschte Bandbreite bereitzustellen.
Die letzte Schicht 21 des Mehrschichtspiegels 20 kann einen hohen Index n_h oder einen niedrigen Index n_l aufweisen. Ihre Dicke beträgt t_s; die Schicht 21 ist oft eine λ/4-Schicht, was bedeutet, daß im wesentlichen t_s = λ/(4n_h) oder t_s = λ/(4n_l).
Ein zusätzliches optisches Kopplungsmittel umfaßt das Paar von Schichten 30, die mit standardmäßigen Verfahren für dielektrische Filme wie dem Ionenplattieren, dem Elektronenstrahlverdampfen, dem Vakuumzerstäuben oder dem Vakuumzerstäuben mittels Ionen aufgebracht werden. Diese Paar von Schichten 30 umfaßt eine erste Schicht 31 mit dem Brechungsindex n_l (niedrigem Brechungsindex) und einer Dicke t_l und eine zweite Schicht 32 mit dem Index n_h (hohem Brechungsindex: n_h > n_l) und einer Dicke T_h.
Das Beugungsgitter 40 wird in die zweite Schicht 32 eingeätzt. Das Gitter 40 umfaßt Nuten 41 mit einer Periode ⋀ und einer Tiefe d. Die zweite Schicht 32 ist ein optischer Wellenleiter mit dem Index n_h. Diese breitet zumindest die TE₀-Mode mit der zentralen Wellenlänge λ₀ des Laserspiegels 20 aus. Sie kann auch andere Moden ausbreiten, insbesondere wenn ihre Dicke größer ist. Eine Polarisation kann von der Vorrichtung gedämpft oder gefiltert werden, wenn sie in eine Mode eingekoppelt wird, welche von der zweiten Schicht oder dem optischen Wellenleiter 32 ausgebreitet wird.
Um die Funktionsweise des Mehrschichtspiegels 20 so wenig wie möglich zu stören, sind die Dicke und der Index des zusätzlichen Paars von stark und von schwach brechenden Schichten 31, 32 unabhängig von der Wirkung des Gitters 40 vorzugsweise auf einen zusätzlichen optischen Weg eingestellt, der für eine zusätzliche optische Gesamthin- und Rückwegphase sorgt, die gleich einer ganzen Zahl von im wesentlichen 2π mit der Betriebswellenlänge λ (innerhalb der Spektralbandbreite B) ist:
wobei t_h (bei Betrachtung durch eine optische Welle, die senkrecht auf die Substratoberfläche 11 einfällt) die durchschnittliche Dicke der letzten stark brechenden Schicht 32 ist, t_l die Dicke der letzten schwach brechenden Schicht 31 ist sowie n_h, n_l der Brechungsindex der letzten stark bzw. schwach brechenden Schicht 32 bzw. 31 sind.
Gleichung (1) gilt für den Fall, in dem die letzte Schicht 21 der Mehrfachschicht eine stark brechende ist. Wenn diese letzte Schicht 21 der Mehrfachschicht eine schwach brechende ist, sollte folgender Ausdruck verwendet werden:
Bei Vorhandensein des Polarisationsgitters mit der Tiefe d ist t_h als durchschnittliche Dicke der letzten stark brechenden Schicht 32 an der in der Mitte der Gitterriffelung liegenden Linie (siehe 1) definiert, wenn das Linien-/Raum-Verhältnis der Gitterriffelung 1:1 beträgt (wobei es in diesem Fall im wesentlichen gleich t_h = T_h – d/2 ist).
Wenn das Riffellinien-/Raum-Verhältnis nicht 1:1 beträgt, ist t_h an einer Linie definiert, die abhängig von dem Arbeitszyklus der Gitternuten zwischen dem Boden und dem Oberteil der Nuten liegt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Index n_h und die Dicke t_h der letzten stark brechenden Schicht groß genug, so daß der effektive Index n_e der Mode der letzten stark brechenden Schicht 32, in welche die ungewünschte Polarisierung eingekoppelt wird, größer als der Substratindex n_s ist; andernfalls könnte die reflektierte (ungedämpfte) Polarisierung in dem stärker brechenden Substrat 10 gebrochen werden.
Die Materialien für die letzten zwei Schichten 31 und 32 sind vorteilhafterweise die gleichen wie die Materialien für den Mehrschichtspiegel 20. Bei Bedarf können sie jedoch verschieden sein, beispielsweise wenn der Brechungsindex des in dem Mehrschichtspiegel 20 verwendeten, stärker brechenden Materials zu niedrig ist.
Wenn m = 2, beinhaltet die obige Bedingung (1), daß die Dicke t_h und t₁ der letzten zwei Schichten 31 und 32 (wobei diese Dicke mit m zunimmt) größer oder um einen Faktor von etwa 2 sehr viel größer als die Dicke der λ/4-Schichten eines standardmäßigen Mehrschichtspiegels 20 ist. Das heißt insbesondere, daß die grundsätzliche Mode der letzten stark brechenden Schicht 32 einen großen effektiven Index n_e aufweist, der mit zunehmender Dicke der Schicht 32 zunimmt. Deshalb ist ihr Modenfeld in der letzten Schicht im wesentlichen begrenzt und nimmt kaum die stark brechenden Schichten des dielektrischen Mehrschichtspiegels wahr; wenn außerdem n_h größer oder sehr viel größer als der Substratindex n_s ist, wird der effektive Index n_e der eingekoppelten Mode, wobei dieser effektive Index von n_h wie auch von der Schichtdicke abhängt, sicher größer als n_s sein.
Wenn m = 1, ist die optische Dicke 2πn_ht_h/λ der stark brechenden Schicht vorzugsweise deutlich größer oder deutlich sehr viel größer als diejenige der λ/4-Schichten des standardmäßigen Mehrschichtspiegels 20, wobei die optische Dicke 2πn_lt_l/λ der schwach brechenden Schicht 31 dementsprechend kleiner als die Dicke der λ/4-Schichten des standardmäßigen Mehrschichtspiegels 20 ist, damit der effektive Index n_e der grundsätzlichen Mode der gedämpften Polarisation größer als der Brechungsindex n_s des Substrats wird, und damit eine Begrenzung der eingekoppelten Mode im wesentlichen in der letzten stark brechenden Schicht 32 möglich wird.
2 ist das Ortsfrequenzdiagramm der ersten Ausführungsform der Erfindung oder der Kopplungsmittel gemäß dieser ersten Ausführungsform. In dem Ortsfrequenzbereich schreibt sich die Einkopplungsbedingung der ersten Gitterordnung (Synchronitätsbedingung) zwischen der normal einfallenden freien Raumwelle und einer geführten Mode für eine anomale Reflexion Kg = nek0 (2),wobei Kg = 2π/⋀ die Gitterortsfrequenz ist, k₀ = 2π/⋀ die Ortsfrequenz einer freien Raumwelle im Vakuum ist (wobei λ eine Wellenlänge innerhalb der Spektralbandbreite ist) und n_e der sogenannte effektive Index der eingekoppelten Mode der gedämpften Polarisation ist.
Aus 2 geht hervor, daß die Gittereinkopplung in eine beliebige Mode einer gegebenen Polarisation der Schicht 32, die n_e < n_s aufweist, eine Beugung der rechtwinkligen Laserpolarisation in das Substrat 10 bewirkt, was mithin zu ungewünschten Verlusten an der Laserpolarisation führt. Die Mode, die zum Herausfiltern der gedämpften Polarisation gewählt wird, kann jede Wellenleitermode mit n_e < n_s sein, wobei n_s für den Brechungsindex eines isotropen Substrats oder für den entsprechenden Brechungsindex eines doppelbrechenden Substrats steht. Das erklärt die oben für n_e und n_s gesetzte Bedingung.
Damit eine anomale Reflexion stattfindet, ist das Produkt des Feldstrahlungskoeffizienten α des Wellenleitergitters mal dem einfallenden Strahldurchmesser w, αw, vorzugsweise größer als Eins: αw > 1 (3),beispielsweise: αw = 2π.
Bei schmalen Strahldurchmessern wird dadurch eine Bedingung für eine ungewöhnlich große Strahlungsintensität des Wellenleitergitters gesetzt. Damit die anomale Reflexion an einem Strahl mit kleinem Durchmesser, wie beispielsweise demjenigen eines Mikrochip-Lasers, effektiv wirken kann, ist die von dem Strahlungskoeffizienten α des Wellenleitergitters beschriebene Strahlungsintensität mithin vorzugsweise stark.
Es ist eine weitere Bedingung bekannt, damit eine vorzugsweise hohe anomale Reflexion stattfinden kann: sie legt fest, daß die Absorptions- und Streuverluste der Wellenleiterschicht kleiner oder sehr viel kleiner als der Strahlungsverlust des Gitters sind.
Allgemeiner gesagt, die Dicke t_h der letzten Schicht sowie möglicherweise deren Index n_h werden derart eingestellt, daß das zu dem größtmöglichen Strahlungskoeffizienten α führt. Das kann durch Maximieren des Wellenleitermodenfelds der letzten Schicht in dem Gitterbereich geschehen, und indem eine Verstärkung zwischen dem nach außen und nach innen gerichteten Beugungsprodukt in dem Gitterwellenleiter hergestellt wird. Das führt zu einem Zustand an t_h und möglicherweise an n_h und bestimmt wiederum das Verhältnis zwischen t_h und t_l, wenn die Gesamtphasenverschiebung zwischen dem Oberteil des standardmäßigen Mehrschichtspiegels und der Mittellinie der Gitterriffelung nahe an 2mπ gehalten wird (siehe Gleichung (1) oben).
Beispielsweise läuft der Maximalzustand von α dann, wenn die gedämpfte Polarisation die TE-Polarisation ist (das elektrische Feld parallel zu den Gitterlinien verläuft), hauptsächlich auf eine Optimierung des von dem effektiven Indexes abhängigen Ausdrucks (n_h ² – n_e ²)/(n_et_eff) des bekannten analytischen Ausdrucks hinaus, der bei einer Strahlung in der zu dem Wellenleiter senkrechten Richtung den Strahlungskoeffizienten α einer TE-Mode durch ein Sinusgitter mit einer Tiefe von 2s in Bezug auf die optogeometrischen Parameter des Wellenleiters angibt: α = (k0s/2)2(nh 2 – nc 2)(nh 2 – 1)(nh 2 – (nh 2 – nl 2)sin2(nhk0th))/(neteff(nh 2(n1 + 1)2 + (nh 2 – 1)(nh 2 – nl 2)sin2(nhk0th))), (4)
In diesem Ausdruck haben k₀, n_h, n_l, t_h die gleiche Bedeutung wie die bereits oben angegebene. t_eff ist die effektive Dicke der bekannten effektiven Dicke einer TE-Mode, die durch t_eff = t_h + 1/(k₀(n_e ² – n_l ²)^1/2 ₎ + 1/(k₀(n_e ² – 1)^1/2) gegeben ist.
Die analytischen Formeln, welche den Feldstrahlungskoeffizienten α eines Sinusgitters angeben, das in einem Schrittindexwellenleiter für die geführten Moden TE und TM geschaffen wurde, sind zu finden in dem Artikel von V.A. Sychugov et al. "Light emission from a correguated dielectric waveguide", Sov. J. Quantum Electron, Bd. 10, Nr. 2, Febr. 1980, S. 186-189.
Bei einer TE-Polarisation nimmt α die oben gegebene Form (4) an.
Falls vorzugsweise die TM-Polarisation anstelle der TE-Polarisation gedämpft werden soll, ist der Strahlungskoeffizient α ebenfalls in dem obengenannten Artikel angegeben.
Diese Ausdrücke lassen sich ebenso für nicht sinusförmige Profile verwenden: in einem nicht sinusförmigen Gitterprofil ist s die Amplitude der ersten Harmonischen in der Fourierreihe des Gitterprofils. Beispielsweise beträgt bei einem rechtwinkligen Gitterprofil mit einer Tiefe d und einem Linien-/Raum-Verhältnis von 1:1 s = 0,5 (4d/π), oder die Tiefe d eines rechtwinkligen Gitterprofils, welche das gleiche α wie ein Sinusprofil angibt, beträgt einfach d = (2s)π/4.
Mit dem Beispiel von schwach und von stark brechenden Schichten aus SiO₂ und Ta₂O₅ (mit einem Index von jeweils 1,48 und 2,18 bei 1,06 μm Wellenlänge), die durch Ionenplattieren entstanden, läßt sich ein typischer Strahlungskoeffizient α von mehreren hundert cm^-1 mit einem 130 nm tiefen Gitter erhalten. Dadurch werden anomale Reflexionsbedingungen für einen schmalen Strahl von höchstens w = 100 μm gesetzt, was der typischen Strahlbreite von Mikrochip-Lasern entspricht.
Das zusätzliche Paar von Schichten 31, 32 mit dem Gitter 40 auf der stark brechenden Schicht 32 bildet ein Kopplungsmittel, das zu einer größeren Dämpfung der eingekoppelten Polarisation führt. Erstens reflektieren das Paar die einfallende Welle mit einer Phasenverschiebung π, Eigenschaften der anomalen Reflexion, für die eingekoppelte Polarisation; zweitens läßt sich die Beugungswirkung, die zu der phasenverschobenen Reflexion führt, durch Optimierung der Dicke der stark brechenden Schicht unter der Bedingung einer 2mπ betragenden Gesamthin- und Rückwegphasenverschiebung durch das Paar von Schichten hindurch optimieren. Dadurch ist gesichert, daß ein Gitter, das auf der Seite des Mehrschichtspiegels gegenüber dem Substrat angebracht wird, eine ausreichende Dämpfung der eingekoppelten Polarisation hervorrufen kann, ohne die andere Polarisation zu beeinträchtigen.
Die Anfangsdicke T_h der Schicht 32 und dann die Gitterdicke d werden vorzugsweise derart ermittelt, daß der maximale Strahlungskoeffizient α mit der flachsten Gittertiefe d versehen wird, welche die Bedingung αw > 1 für eine effektive Resonanzreflexion bei einer normal einfallenden freien Raumwelle mit vorgeschriebenem Durchmesser w erfüllt.
Aus der ermittelten durchschnittlichen Dicke t_h der Schicht 32 wird die Dicke t_l der schwach brechenden Schicht 31 aus Tl = (0,5λm – nhth)/nl (5)ermittelt, wobei sich diese Gleichung aus der obigen Gleichung (1) ergibt.
Wenn jedoch die letzte Schicht 21 der standardmäßigen Mehrfachschicht eine schwach brechende ist, gilt die Schicht 21 als Teil der schwach brechenden Schicht 31; in diesem Fall beträgt der Beitrag von Schicht 21 zu der Gesamthin- und Rückwegphasenverschiebung des Paars von Schichten 30 im wesentlichen π, da die Schicht 21 im wesentlichen eine λ/4-Schicht ist; deshalb lautet dann, wenn die Schicht 21 der standardmäßigen Mehrfachschicht eine schwach brechende ist, die Bedingung zu t_h, n_h, t_l, n_l für die Bewahrung der Reflexionseigenschaften der standardmäßigen Mehrfachschicht 20: Nltl = (2m – 1)λ/4–nhth, m = 2 oder 3 (6)wobei sich diese Gleichung aus Gleichung (1') oben ergibt.
Es soll n_e der effektive Index für die vorherrschende Mode der ungewünschten Polarisation der Wellenleiterschicht 32 mit dem Gitter 40 sein. Die Periode ⋀ des Gitters 40 erfüllt im wesentlichen die Synchronisierungsbedingung ⋀ = λ/n_e für die Einkopplung einer freien Raumwelle mit der Wellenlänge λ (einer Wellenlänge innerhalb der Spektralbandbreite B) bei normalem Einfall in die Wellenleitermode mit dem effektiven Index n_e. Diese Einkopplung ist wellenlängentolerant, da der Bedarf an einem großen α für eine effektive anomale Reflexion zu einer breiten Resonanz in der Erregung der Wellenleitermode gemäß dem Näherungsausdruck Δλ = α⋀λ/π für die Spektralbreite ⋀λ der anomalen Reflexion führt. Dadurch wird einer der Vorteile der Vorrichtung gemäß der Erfindung veranschaulicht, durch welchen diese Eigenschaft der Wellenlängentoleranz deren Herstellung ohne individuelle Nachjustierung ermöglicht.
Das Gitter 40 läßt sich auch durch Photoinskription in die stark brechende Schicht 32 realisieren. In diesem Fall t_h = T_h/2, und die Wellenleiterdicke T_h, welche den größten Strahlungskoeffizienten α ergibt, ist die bekannte Wellenleiterdicke der maximalen Feldbegrenzung, aus der t_h, n_e, dann t_l und schließlich λ hergeleitet werden können.
Der Konstruktionsvorgang für eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann der folgende sein.
Es wird ein Brechungsindex n_h für die Schicht 32 gewählt, vorzugsweise der gleiche wie bei dem an dem Mehrschichtspiegel 20 beteiligten, stark brechenden Material, jedoch größer oder sehr viel größer als n_s.
Dann werden die Dicke der Schicht 32 und möglicherweise deren Index n_h sowie die Gittertiefe d derart gewählt, daß ein Strahlungskoeffizient α von mindestens l/w für ein Gitter erzielt wird, das an die Grenzschicht zwischen der Schicht 32 und der Luft angelegt wird. Wenn d/⋀ < 15 %, können bekannte analytische Formeln, die auf der Rayleigh-Näherung beruhen, zur Berechnung von α als das oben für die TE-Moden gegebene verwendet werden. Wenn d/⋀ > 15 %, greift der Konstrukteur auf verfügbare Codes zurück, welche das Beugungsproblem präzis lösen, beispielsweise GSOLVER^© von der Grating Solver Development Company, Allen, Texas 75002.
Die Dicke n_l der Schicht 32 kann dann aus dem Zustand der im wesentlichen 2mπ betragenden zusätzlichen Hin- und Rückwegphasenverschiebung für eine Welle hergeleitet werden, welche das Paar von Schichten 30 von dem Mehrschichtspiegel aus durchdringt und an dem Wellenleitergitter 40 reflektiert wird, wenn die Schicht 21 eine stark brechende (m = 1, 2, 3) ist, und im wesentlichen (2m – 1)π, m = 2, 3, ... wenn die Schicht 21 eine schwach brechende ist.
Als Beispiel für die Vorrichtung gemäß der Erfindung umfaßt das Polarisationsgitter eines Nd:YAG-Mikrochip-Lasers, der bei λ = 1,064 μm emittiert, einen Mehrschichtspiegel 20 mit 95 %-iger Reflexion mit Hilfe von 11 Schichten aus Ta₂O₅ (0,1217 μm Dicke und Index 2,186) und SiO₂ (0,1795 μm Dicke und Index 1,482), wobei die erste Schicht und die letzte Schicht aus durch Ionenplattierung aufgebrachtem Ta₂O₅ bestehen, und ein Paar von zusätzlichen Schichten 30 aus SiO₂ und Ta₂O₅ mit t_l= 0,4 μm und t_h = 0,25 μm, und ein rechteckiges Profil mit der Konstanten ⋀ = 0,582 μm und einer Tiefe d = 0,13 μm (wobei T_h 0,31 μm beträgt). Der Strahlungskoeffizient α der Te₀-Mode beträgt mehrere zehn μm^-1, was hinreichend ist, um eine effektive anomale Reflexion für Strahldurchmesser w von mehr als etwa 100 μm hervorzurufen. Es kann geprüft werden, daß die gesamte Phasenverschiebung für einen Hin- und Rückweg innerhalb des Paars von Schichten 30 etwa 1,12 (4π) beträgt. Als weiteres Beispiel, in welchem die gesamte Phasenverschiebung für die Hin- und Rückweg in dem Paar von Schichten 30 im wesentlichen nur 2π anstatt 4π beträgt und die letzte stark brechende Schicht 32 die gleiche wie in dem ersten Beispiel ist, weist die letzte schwach brechende Schicht 31, welche das Maximum α ergibt, t_l = 0,04 m auf.
Eine Vorrichtung gemäß der ersten Vorrichtung schwächt eine Polarisation in der in 1 dargestellten Weise ab. Der einfallende Strahl IB umfaßt zwei Polarisationen P1 und P2. P1 wird von dem Mehrschichtspiegel 20 reflektiert, ohne durch das Gitter 40 in eine Mode der stark brechenden Schicht 32 eingekoppelt zu werden. Wenn die Vorrichtung ein Spiegel einer Laservorrichtung ist, ist P1 mithin der Laseremittierungsstrahl 43 in dem Laserhohlraum. P2 wird ebenfalls von dem Mehrschichtspiegel 20 reflektiert, wird jedoch durch das Gitter 40 in den Wellenleiter oder die stark brechende Schicht 32 eingekoppelt. Wie in 1 zu sehen ist, kehrt der Teil des Strahls P2, der mithin eingekoppelt wird, mit einer Phasenverschiebung π in den Hohlraum zurück. Damit erklärt sich, warum diese Polarisation durch eine Auslöschung in der Mehrfachschicht abgeschwächt wird.
Ein Beispiel für eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform wurde in einem Offenhohlraumsystem untersucht. Es wurde ein 1'' messender Nd:YAG-Wafer von 500 mm Dicke auf einer Seite mit einem SiO₂-/Ta₂O₅-Mehrschichtsystem beschichtet, das durch Ionenplattierung aufgebracht wurde. Der entstandene Brechungsindex bei 1064 mm Wellenlänge betrug 1,48 bzw. 2,18. Die Mehrfachschicht umfaßt eine Gruppe von 11 alternierenden λ/4-Schichten, beginnend mit einer SiO₂-Schicht auf der Waferseite. Diese standardmäßige Mehrfachschicht wurde auf einen Reflexionskoeffizienten von 94 % bei 1064 nm ausgelegt. Auf der Luftseite wurde ein Paar von SiO₂-/Ta₂O₅-Schichten mit einer optischen Gesamtdicke von im wesentlichen λ als polarisierendes Paar hinzugefügt. Dadurch sinkt der Reflexionskoeffizient auf 90 %.
Die stark brechenden Schichten der Mehrfachschicht können als Wellenleiter angesehen werden. Die vorherrschende TE₀-Mode konzentriert sich jedoch vor allem in der dickeren, letzten stark brechenden Schicht. Der effektive Index n_e der vorherrschenden TE₀-Mode des Mehrschichtspiegels wurde mit Hilfe des Prismenkopplungsverfahrens mit einem Nd:YAG-Laser mit 1064 nm gemessen. Die Periode ⋀ des Riffelgitters, die zur Einkoppelung der emittierten TE-Polarisation in die TE₀-Mode dienen sollte, wurde aus ⋀ = λ/n_c hergeleitet, was der Wellenleiterkopplung bei normalem Einfall entspricht. Die Gittertiefe in der letzten Ta₂O₅-Schicht, die zur Erzielung eines hohen Strahlungskoeffizienten notwendig ist, wurde mit Hilfe eines Mehrschichtgittercodes bestimmt, der auf einem verallgemeinerten Quellenverfahren basiert, wie dieses erläutert ist in dem Artikel von A.V. Tishenko "A generalised source method for wave propagation", Pure Appl. Opt., Bd. 7 1998, S. 1425-1449, oder in dem Artikel vom gleichen Verfasser "A generalized source method: new possibilities for waveguide and grating Problems", in Optical and Quantum Electronics, Bd. 32, S. 971-980, 2000.
Das Gitter mit 1 mm² Fläche wurde durch direktes Einschreiben in einen Elektronenstrahlphotolack mit Hilfe einer Lithografiesystems LION LV1 und einer anschließenden reaktiven Ionenstrahlätzung mit einer Tiefe von 140 nm erhalten. Dadurch steigt der Reflexionskoeffizient der gewünschten TM-Polarisation auf 95 %. Die Wahl dieses nominellen Reflexionskoeffizienten ergibt sich auf keinen Fall aus einer optimierten Laserkonstruktion. Dieser wurde nur als Bezugsgröße genommen. Für einen Dauerstrichlaser wäre gewöhnlich ein sehr viel größerer Reflexionskoeffizient vonnöten, wohingegen Impulslaser mit einer niedrigeren Reflexion funktionieren würden.
Der geriffelte Teil des Nd:YAG-Mikrolaserspiegels wurde in einem Kennzeichnungsexperiment mit der stabilisierten und kollimierten Weißlichtquelle eines Spektrometers getestet. Der Strahl fällt durch ein 1 mm² messendes quadratisches Loch, das in eine lichtundurchlässige Folie eingebracht wurde, normal auf den YAG-Wafer ein. Der reflektierte Strahl wird von einem Strahlteiler auf den Eintrittsschlitz eines Monochromators umgelenkt, der mit einem Gitter von 600 l/mm ausgestattet ist. Das Signal wurde von einem Germanium-Photodetektor erfaßt, der bei 77 °K in Kombination mit einem computergesteuerten Zählsystem wirkt. Die einfallende Polarisierung kann mit Hilfe eines Polarisators, der vor den YAG-Wafer aufgestellt wird, auf TE (ein zu den Gitterlinien paralleles elektrisches Feld) oder auf TM eingestellt werden.
3 stellt die experimentellen Ergebnisse für die Reflexion des polarisierenden Spiegels bei normalem Einfall als Funktion der Wellenlänge in beliebigen Einheiten der Brechkraft dar. Das Maximum der Reflexionsdifferenz findet sich sehr nahe bei 1,064 nm, was die Wellenlänge eines Nd:YAG-Mikrochip-Lasers ist. Die Einbruchstelle in der TE-Kurve ist ein Beweis für die gewünschte Polarisationswirkung. Die TM-Kurve ist über den gesamten Wellenlängenbereich durchgehend. Dadurch bestätigt sich, daß der k-Vektor des Gitters die einfallende TM-Polarisierung nicht in eine geführte TM-Mode des Mehrschichtspiegels einkoppelt, und groß genug ist, um jede sich ausbreitende TM-Beugungsordnung in der Luft und in dem YAG-Substrat mit Index 1,82 zu verhindern. Die TE-Einbruchstelle ist als Auswirkung der Stärke des Strahlungskoeffizienten α ziemlich breit, was zeigt, daß die Polarisationsfilterwirkung möglicherweise breitbandig ist und beispielsweise zur Polarisation sämtlicher Moden einer Mode mehrerer Längen und höhere Leistung aufweisenden Mikrochip-Lasers mit einem längeren Hohlraum verwendet werden kann. Die Tiefe der Reflexions-Einbruchstelle liegt in der Größenordnung von 50 % der TE-Amplitude. Diese ist im vorliegenden Fall mehr als notwendig und kann dennoch optimiert werden. Die notwendige Tiefe, um effektiv eine Laseremission der TE-Polarisation zu verhindern, hängt von dem Reflexionskoeffizienten des Spiegels ab: je größer der Reflexionskoeffizient ist, desto flacher muß die Einbruchstelle der TE-Reflexion sein. Quantitative Empfehlungen zu der notwendigen Tiefe der Einbruchstelle können in diesem frühen Stadium jedoch nicht gegeben werden, da die Streuwirkung sehr langsam erfolgte und nicht mit ausreichender Genauigkeit eingeschätzt werden konnte.
Um die Polarisierungsfunktion des Gitterspiegels als Funktionselement des Lasers zu beurteilen, wurde der Hohlraum des Mikrochips dann auf der Pumpenseite verschlossen. Der gleiche Nd:YAG-Wafer wurde gegen einen Glaswafer angelegt, der auf der einen Seite mit einem Mehrschichtspiegel beschichtet war, der 99 % Reflexion bei 1064 nm und 94 % Durchlässigkeit bei einer Pumpenwellenlänge von 807 nm aufwies. Die andere Seite wies keinen reflexionsmindernden Überzug auf. Mit Hilfe eines Indexes, der einem Dünnfilm aus Glycerol entsprach, erhielt man guten optischen Kontakt zwischen dem YAG-Wafer und der Spiegelplatte. Die optische Pumpwirkung wird von einem Mehrmodenhalbleiter mit Anschlußdraht bereitgestellt, der eine Pumpleistung bis zu 5 Watt lieferte. Ein Faserausgang wird durch eine Linse hindurch in die Mikrochip-Laseranordnung fokussiert. Bei der Optimierung der Erregungszustände wandte man keine besondere Sorgfalt an.
4 zeigt das von der Pumpanordnung emittierte Spektrum als Funktion der Wellenlänge für zwei Werte der Pumpleistung. Die gestrichelte Kurve entspricht einer superstrahlenden Emission. Das Verhältnis zwischen TE und TM liegt nahe bei 1. Die durchgehende Linie entspricht einem Pumpgrad oberhalb der Schwelle. Innerhalb der Verstärkungskurve kann man zwei Spitzen unterscheiden. Das Verhältnis zwischen der TE- und der TM-Polarisation liegt unter –17 dB. Das beweist eindeutig, daß ein Gitter das integrierte Element sein kann, das den Polarisationszustand eines Festkörper-Mikrochiplasers stabilisiert. Dabei könnte keine genaue Streuungsmessung erfolgen. Systemische Messungen der Art gemäß 4 scheinen jedoch anzuzeigen, daß der Streugrad an der gewünschten TM-Polarisierung weit unter 1 % liegt. Das ist zu erwarten, da sich die Beugungskonstruktion nicht direkt in dem Laserhohlraum befindet, in welchem das Feld maximal ist. Weiterhin ist es wahrscheinlich, daß für eine optimierte Konstruktion eine flachere Gittertiefe als die vorhandene von 140 nm vonnöten ist, was deshalb zu einer noch geringeren Streuung führt.
Mithin wird gezeigt, daß gemäß der Erfindung ein dem Mehrschichtspiegel eines Lasers zugeordnetes Gitter hergestellt werden kann, um die Polarisation der Emission vorzuschreiben. Dadurch läßt sich die Herstellung von polarisationsstabilisierten Mikrochip-Lasern vollkommen mit preiswerten Planartechnologien erreichen. Dieses Verfahren kann sowohl bei Impulslasern als auch bei Dauerstrichlasern angewandt werden.
Mithin kann die erste Ausführungsform der Erfindung auf einer Seite eines Laserhohlraums verwendet werden. Eine Laservorrichtung umfaßt ferner ein Pumpmittel wie eine Halbleiterdiode für einen Mikrochip-Laser oder eine Aufreihung von Halbleiterlasern in Festkörperlasern.
Die Erfindung betrifft ebenso die Polarisationssteuerung von Gaslasern. In einem Gaslaser kann als Ersatz für das in dem Hohlraum befindliche Brewstersche Element eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines einzelnen Reflexions/Polarisations-Elements gemäß der obigen Offenbarung verwendet werden.
5 ist ein Querschnitt einer zweiten Ausführungsform eines optischen Kopplungsmittels, das nicht Teil der Erfindung ist.
Der Einfall des Strahls IB mit einer Spektralbreite B erfolgt nur von der Luftseite her.
Die Vorrichtung besteht aus einem Substrat 10, eine Mehrfachschicht 20 und einem Gitter 40 in der letzten Schicht 21 der dielektrischen Mehrfachschicht 20.
Das Substrat kann aus einem Metall mit einer komplexen relativen Dielektrizitätskonstanten ε_m bestehen; das metallische Substrat enthält möglicherweise Kühlmittel 12.
Als Alternative kann das Substrat aus einem festen Material mit einem Überzug aus einem Metallfilm 33 der Dicke t_m und einer komplexen Dielektrizitätskonstanten ε_m bestehen. Die dielektrische Mehrfachschicht 20, die auf der einen Seite durch Luft und auf der anderen Seite durch die metallische Fläche 11 begrenzt wird, stellt einen Wellenleiter dar, der geführte Moden der TE- und der TM-Polarisation entlang einer zu der Ebene 11 parallelen Richtung ausbreiten kann.
Diese Moden sind Querresonanzen des elektromagnetischen Feldes. Für die gleiche Mehrfachschicht 20 beträgt deren Anzahl mehr als die doppelte Anzahl der Moden, die sich in einer Konstruktion nach dem Stand der Technik ausbreiten, der in dem oben angeführten Artikel von Beltyugov offenbart ist.
Diese Moden weisen auch einen effektiven Index n_e auf, der bei der vorliegenden Ausführungsform Werte zwischen 1 und nahe n_h (anstatt solche zwischen n_s und nahe n_h in einer Konstruktion nach dem Stand der Technik) besitzen kann.
Der effektive Index der TE- und derjenige der TM-Moden überlappen einander. Weiterhin erleiden sie Absorptionsverluste, da das Modenfeld die metallische Grenze "sieht". Die polarisierten TM-Moden erfahren eine sehr viel größere Abschwächung als die TE-Moden. Es sind auch zwei TM-Moden vorhanden, die Oberflächenplasmonmoden genannt werden und keine TM-Gegenstücke dazu aufweisen; das sind verlusthafte kollektive Elektronenschwingungen, die sich entlang der metallischen Fläche 11 und entlang der unteren Fläche 13 des Metallfilms ausbreiten.
Infolge der Metallabsorption erfährt die Linienbreite Δλ der Moderesonanz eine Verbreiterung. Das bedeutet, daß sich die Polarisationsfunktion mit großen Toleranzen über einen ziemlich breiten Wellenlängenbereich ausführen läßt
Man kann die Metallabsorptionswirkung auf die eingekoppelte TM-Mode mit dem Feldabsorptionskoeffizienten α_a der geführten TM-Mode und den Strahlungskoeffizienten der gewählten TM-Mode in Gegenwart des Gitters mit dem Feldstrahlungskoeffizienten α kennzeichnen. Die besten Bedingungen für eine Energieübertragung von der einfallenden TM-Polarisation auf die gewählte, geführte TM-Mode entsprechen α_a, das im wesentlichen gleich α ist.
In dieser bevorzugten Situation wird die Wellenlängen-Linienbreite Δλ als Δλ = aλ₀⋀/π ausgedrückt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die herauszufilternde Polarisation des einfallenden Strahls IB die TM-Polarisation, wobei das elektrische Feld rechtwinklig zu den Gitternuten 41 ausgerichtet ist. Die Periode ⋀ des Gitters 40 ist derart eingestellt, daß sie die Kopplungssynchronitätsbedingung ⋀ = λ₀/n_e erfüllt, wobei λ₀ die mittlere Wellenlänge der Linienbreite (innerhalb der Spektralbandbreite B) der gewählten, sich ausbreitenden TM-Mode ist und n_e der effektive Index der gewählten TM-Mode mit der Wellenlänge λ₀ ist. Die gewählte TM-Mode wird beispielsweise auf der Grundlage folgender Kriterien gewählt: erstens ist ihre Dämpfung auf Grund der metallischen Begrenzung groß; zweitens sollte keine TE neben der benachbarten Mode vorhanden sein, d.h. daß λ₀ deutlich außerhalb der Linienbreite irgendeiner benachbarten TE-Mode liegt. Diese Bedingungen sind leicht zu erfüllen, wenn einer von den im Handel erhältlichen Gittercomputercodes, beispielsweise die bereits oben angeführte GSOLVER-Software, verwendet wird. Der gleiche Code ergibt die Tiefe des Gitters 40, die zu der angestrebten Absenkung des Reflexionskoeffizienten der gedämpften Polarisation führt.
Als Beispiel für die zweite Ausführungsform, angewandt auf den Fall eines Laserspiegels, besteht das Substrat 10 aus Aluminium mit einer komplexen Dielektrizitätskonstanten ε_m = (–235, 42,5) bei λ₀ = 1064 nm. Die Mehrfachschicht umfaßt 23 Schichten, die mit denen der ersten Ausführungsform der Erfindung identisch sind. Das Gitter 40 mit der Periode ⋀ = 0,768 nm und der Tiefe von 100 nm, das in der letzten stark brechenden Schicht 21 mit einer Anfangsdicke von 127 nm ausgeführt ist, koppelt die TM-Polarisation des normal einfallenden Strahls IB in die TM-Mode mit dem effektiven Index n_e = 1,38542 ein. Die nächstliegenden TE-Moden weisen effektive Indizes von 1,33384 und 1,44703 auf. Die entstandenen Reflexionskoeffizienten betragen 99,8 % für die TE-Polarisation und 6,1 % für die TM-Polarisation bei λ₀ = 1064 nm. Die Linienbreite, über welcher der TM-Reflexionskoeffizient kleiner als 90 % ist, beträgt 3,7 nm, d.h. sie ist größer als die Verstärkungsbandbreite im Nd:YAG. Das heißt beispielsweise auch, daß die Toleranz der schwach brechenden Schicht 0,005 und diejenige der stark brechenden Schicht 0,01 beträgt.
Diese Toleranzen an der schwach und der stark brechenden Schicht liegen bei den meisten dielektrischen Aufbringtechnologien innerhalb ihres Umfangs.
Eine Vorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform kann als einer der Spiegel eines Laserhohlraums verwendet werden, wobei der andere Spiegel ein standardmäßiger Mehrschichtspiegel ist. Ein solcher Laserhohlraum umfaßt mithin ein aktives Medium und zwei Endspiegel, von denen einer die in Bezug auf 5 offenbarte Konstruktion aufweist. Eine Laservorrichtung umfaßt ferner ein Pumpmittel wie eine Halbleiterdiode für einen Mikrochip-Laser oder eine Aufreihung von Halbleiterlasern für Festkörperlaser.
6 ist ein Querschnitt einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung oder eines optischen Kopplungsmittels, das nicht Teil der Erfindung ist.
Der Einfall des Strahls IB (mit der Spektralbreite B) erfolgt von der Luftseite her.
Die Vorrichtung gemäß dieser Ausführungsform besteht aus einem dielektrischen Substrat 10, eine Mehrfachschicht 20 und einem Gitter 40 in der letzten Schicht 21 der dielektrischen Mehrfachschicht 20.
Die Gitterperiode ⋀ ist derart eingestellt, daß die Einkopplung von einer der Polarisationen des einfallenden Strahls IB in eine von den Schwundmoden erster Ordnung für die gleiche Polarisation der Mehrfachschicht 20 und des Substrats 10 erzielt wird.
Bei dieser Ausführungsform stellt das Substrat 10 einen optischen Kraftableiter für die Schwundmode dar, der durch das Gitter 40 mit einer Periode ⋀ = λ₀/n_c erregt wird, wobei n_c der effektive Index der gewählten Schwundmode ist. λ₀ ist eine Wellenlänge innerhalb der Bandbreite B.
Die schwundhaften TM- und TE-Moden besitzen auch einen effektiven Index n_e, der Werte zwischen 1 und n_s anstatt solche zwischen n_s und n_h in einer Konstruktion nach dem Stand der Technik besitzen kann. Die effektiven Indizes der schwundhaften TE- und TM-Moden überlappen einander ebenfalls.
Der Kraftschwund tritt in Form zweier symmetrischer Strahlen LM auf, die sich unter einem streifenden Winkel durch die Grenzschicht 11 hindurch zwischen der Mehrfachschicht 20 und dem Substrat 10 ausbreiten. Die Linienbreite Δλ einer Schwundmode ist sehr viel breiter als diejenige einer echten geführten Mode, weil die stehende Welle in der Mehrfachschicht von einem Kraftschwund begleitet ist, welcher mit der Teilreflexion an der Grenzschicht 11 zusammenhängt.
Deshalb ist diese Ausführungsform ebenfalls breitbandig und bei den Herstellungsbedingungen der Mehrfachschicht 20 tolerant. Man kann den Schwundeffekt an der eingekoppelten TM- oder TE-Mode mit dem Feldschwundkoeffizienten ai der geführten TM- oder TE-Mode und dem Strahlungskoeffizienten der gewählten TM- oder TE-Mode in Gegenwart des Gitters mit dem Feldstrahlungskoeffizienten α kennzeichnen.
Die besten Bedingungen für eine Energieübertragung von der einfallenden TM- oder TE-Polarisation auf die gewählte schwundhafte TM- oder TE-Mode entsprechen dem, daß α_l, im wesentlichen gleich α ist.
In dieser bevorzugten Situation wird die Wellenlängen-Linienbreite Δλ als Δλ = αλ₀⋀/π ausgedrückt.
In Anbetracht der standardmäßigen Mehrfachschicht eines Laserspiegels oder eines Kopplers wird mit einer Berechnung mit Hilfe eines verfügbaren Codes erkannt, welche Polarisation die erste vorherrschende Schwundmode aufweist, die zu dem geringsten Schwund der zweiten vorherrschenden Mode der rechtwinkligen Polarisation führt. Man kann beispielsweise auf R. Ulrich et al., Appl. Phys., Bd. 1, Nr. 55, 1973, verweisen.
Die Gitterperiode und -tiefe lassen sich anpassen, um die entsprechende einfallende Polarisierung des Strahls IB effektiver in die erste vorherrschende Schwundmode einzukoppeln.
Als Beispiel für die dritte Ausführungsform, angewandt auf den Fall eines Laserspiegels, besteht das Substrat aus Quarz mit n_s = 1,45. Die Mehrfachschicht ist mit derjenigen des Beispiels für die zweite Ausführungsform der Kopplungsmittel identisch. Durch die Gitterperiode ⋀ = 747 nm und die Tiefe von 70 nm, die in der letzten stark brechenden Schicht 21 mit einer Anfangsdicke von 127 nm ausgeführt sind, wird die TE-Polarisation in die vorherrschende TE-Schwundmode mit dem effektiven Index n_e = 1,42436 eingekoppelt.
Der effektive Index der vorherrschenden Mode der rechtwinkligen Polarisation beträgt 1,40129. Die entstandenen Reflexionskoeffizienten betragen 73,2 % bzw. 99,1 % für die TE- und die TM-Polarisation. Die Linienbreite, über welcher der TM-Reflexionskoeffizient kleiner als 90 % ist, beträgt 7,6 nm, d.h. sie ist größer als die Verstärkungsbandbreite im Nd:YAG.
Das entspricht einer Toleranz von 0,01 an dem schwachen und dem starken Mehrschichtbrechungsindex. Diese Toleranzen liegen ebenfalls bei den meisten dielektrischen Mehrschichtaufbringtechnologien innerhalb ihres Umfangs.
Eine Vorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung kann als einer der Spiegel eines Laserhohlraums verwendet werden, wobei der andere Spiegel ein standardmäßiger Mehrschichtspiegel ist. Ein solcher Laserhohlraum umfaßt mithin ein aktives Medium und Paar von Endspiegel, von denen einer die in Bezug auf 6 offenbarte Konstruktion aufweist. Eine Laservorrichtung umfaßt ferner ein Pumpmittel wie eine Halbleiterdiode für einen Mikrochip-Laser.
7 ist ein Ortsfrequenzdiagramm der dritten Ausführungsform der Erfindung. Das Gitter 40 mit einer Gitterkonstanten Kg = 2π/⋀ koppelt eine Polarisation des normal einfallenden Strahls IB in eine Schwundmode der Mehrfachschicht 20 und in das durch einen Ortsfrequenzvektor k_LM dargestellte Substrat 10 ein, die einen streifenden Winkel θ mit der Grenzschicht 11 ergeben.
8 ist eine Draufsicht auf eine spezielle Anordnung der Nuten 41 des Gitters 40 gemäß einer der oben offenbarten Ausführungsformen.
Die Gitterlinien 41 des Gitters 40 sind scheitelwinkelig verteilt.
In 8A wird durch das Gitter 40 eine Abschwächung der Reflexion für eine lokal scheitelwinkelige Polarisation des elektrischen Feldes durch Einkopplung derselben in die TE₀-Mode des Gitterwellenleiters 32 gemäß der ersten Ausführungsform der Kopplungsmittel oder in eine verlusthafte TE-Mode der Mehrfachschicht 20 gemäß der zweiten Ausführungsform oder in eine schwundhafte TE-Mode gemäß der dritten Ausführungsform eingebracht.
Die Polarisationsverteilung des elektrischen Feldes, die keine Reflexionsdämpfung erfährt, ist die radiale Polarisationsverteilung 60.
Bei Einbringen in einen Laserresonator ruft dieser Spiegel einen emittierten Strahl hervor, der eine radiale Polarisationsverteilung des elektrischen Feldes aufweist.
In 8B wird durch das Gitter 40 mit dem gleichen Muster wie in 8A, jedoch mit einer anderen Periode, eine Abschwächung der Reflexion für eine lokal radiale Polarisation des elektrischen Feldes durch Einkopplung derselben in die TE₀-Mode des Gitterwellenleiters 32 gemäß der ersten Ausführungsform der Kopplungsmittel oder in eine TM-Mode der Mehrfachschicht 20 gemäß der zweiten Ausführungsform oder in eine schwundhafte TM-Mode gemäß der dritten Ausführungsform eingebracht. Die Polarisationsverteilung des elektrischen Feldes, die keine Reflexionsdämpfung erfährt, ist die scheitelwinkelige Polarisationsverteilung 61.
Bei der ersten Ausführungsform der Kopplungsmittel wird der effektive Index n_e der TM₀-Mode durch geeignete Wahl des Indexes und der Dicke der Schicht 32 größer als der Substratindex n_s gestaltet. Andere Polarisationsverteilungen des von einem Laser emittierten Lichts lassen sich durch geeignete Verteilung der Gitterlinien erhalten, solange die Polarisationsverteilung im wesentlichen einer quer verlaufenden Mode des Laserresonators entspricht.
9 ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung, welche die Polarisationsfunktion an den zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ und in der Nähe derselben erfüllt.
Das Ortsfrequenzspektrum des Gitters 40 enthält zwei räumliche Frequenzen K_g1 und K_g2, die jeweils der Einkopplung einer anderen einfallenden Wellenlänge in die gleiche Mode der optischen Kopplungsmittel mit zwei verschiedenen effektiven Indizes n_e1 und n_e2 an den zwei verschiedenen Wellenlängen entsprechen.
Das kann durch Digitalisieren des Produkts einer Sinusfunktion für hohe Ortsfrequenz (K_g1 + K_g2)/2) mit einer Kosinusfunktion für niedrige Ortsfrequenz (K_g1 – K_g2)/2) in binärer Form zustande kommen, wobei K_g1 K_g1 = 2πn_e1/λ₁ erfüllt und K_g2 K_g2 = 2πn_e2/λ₂ erfüllt. In dem speziellen Fall der ersten Ausführungsform der Kopplungsmittel liegen λ₁ und λ₂ vorzugsweise nicht allzu weit auseinander, so daß die Bedingung 2mπ an der Gesamtphasenverschiebung in dem Paar von Schichten 30 immer noch annähernd für beide Wellenlängen erfüllt ist.
10 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung, bei der benachbarte, räumlich vervielfältigte Gitterbereiche 42 mit unterschiedlicher Ortsfrequenz eine Polarisationsdämpfung mit unterschiedlichen Wellenlängen einbringen, die beispielsweise mit dem Emissionsspektrum eines Gaslasers übereinstimmen. Es ist unnötig, daß ein einzelner polarisationsselektiver Gitterbereich den ganzen Einfallswellenquerschnitt bedeckt. Es genügt, daß eine ausreichende Polarisationsdämpfung bei der gedämpften Polarisation der betroffenen Laserresonatormode besteht. Es muß aneinandergrenzende Gitterbereiche geben, um Sprünge der Phasenvorderflanke in der Wellenfront der emittierten Wellen zu vermeiden. Wiederum liegen in der ersten Ausführungsform der Kopplungsmittel die verschiedenen Wellenlängen vorzugsweise nicht allzu weit auseinander, so daß die gesamte Phasenverschiebungsbedingung von 2mπ durch die Schicht 32 hindurch im wesentlichen für alle Wellenlängen erfüllt ist.
11 ist eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, umfassend zwei Gitterbereiche 43 und 44 mit paralleler Ausrichtung und unterschiedlichen Perioden ⋀₁ bzw. A₂. Der Gitterbereich 43 mit der Gitterperiode ⋀₁ koppelt die normal einfallende Freiraumwelle der elektrischen Feldpolarisierung parallel zu den Gitterlinien mit der Wellenlänge λ₁ in eine TE-Mode der Kopplungsmittel mit dem effektiven Index n_e1 mit einer Wellenlänge λ₁ ein, wodurch ⋀₁ = λ₁/n^e ₁ erfüllt ist. Der Gitterbereich 44 mit der Gitterperiode ⋀₂ koppelt die normal einfallende Freiraumwelle der elektrischen Feldpolarisierung mit der Wellenlänge λ₂ senkrecht zu den Gitterlinien in eine TM-Mode mit dem effektiven Index n_e1 mit einer Wellenlänge λ₂ ein, wodurch ⋀₂ = λ₂/n_e2 erfüllt ist. Bei der ersten Ausführungsform der Kopplungsmittel sind der Index und die Dicke der Schicht 32 vorzugsweise derart, daß n_e2 > n_s. Ein Laser mit zwei Emissionslinien bei λ₁ und λ₂ oder mit einer Verstärkungsbandbreite mit λ₁ und λ₂ darin emittiert λ₁ mit einer Polarisation des elektrischen Feldes senkrecht zu den Gitterlinien und λ₂ mit einer Polarisation des elektrischen Feldes parallel zu den Gitterlinien.
12 ist eine Draufsicht auf eine Vorrichtung gemäß einer der Ausführungsformen der Erfindung, umfassend zwei Gitterbereiche 45 und 46 mit senkrechter Ausrichtung der Linien und unterschiedlichen Perioden ⋀₁ und ⋀₂. Der Gitterbereich 45 mit der Gitterperiode ⋀₁ koppelt die normal einfallende Freiraumwelle mit der Wellenlänge λ₁ der elektrischen Feldpolarisierung parallel zu den Nuten des Gitterbereichs 45 in eine TE-Mode der Kopplungsmittel mit dem effektiven Index n_e1 ein, wodurch ⋀₁ = λ₁/n_e1 erfüllt ist. Der Gitterbereich 46 mit der Gitterperiode ⋀₂ koppelt die normal einfallende Freiraumwelle mit der Wellenlänge λ₂ der elektrischen Feldpolarisierung parallel zu den Nuten des Gitterbereichs 46 in eine TE-Mode mit dem effektiven Index n_e2 ein, wodurch ⋀₂ = λ₂/n_e2 erfüllt ist. Ein Laser mit zwei Emissionslinien bei λ₁ und λ₂ oder mit einer Verstärkungsbandbreite mit λ₁ und λ₂ darin emittiert λ₁ mit einer Polarisation des elektrischen Feldes senkrecht zu den Gitterlinien des Gitterbereichs 45 und λ₂, wobei die Polarisation des elektrischen Feldes senkrecht zu den Gitterlinien des Gitterbereichs 46 liegt.
13 ist eine Draufsicht auf eine andere Vorrichtung gemäß den drei Ausführungsformen der Kopplungsmittel, umfassend zwei rechtwinklig gekreuzte Gitter 47 und 48 mit den Perioden ⋀₁ und ⋀₂. Das Gitter 47 koppelt die Polarisierung der normal einfallenden Freiraumwelle mit der Wellenlänge λ₁ parallel zu den Linien des Gitters 47 in eine TE-Mode der Kopplungsmittel mit dem effektiven Index n_e1 mit der Wellenlänge λ₁ ein. ⋀₁ erfüllt die entsprechende Bedingung ⋀₁ = λ₁/n_e1. Das Gitter 48 koppelt die Polarisierung der normal einfallende Freiraumwelle mit der Wellenlänge λ₂ parallel zu den Linien des Gitterbereichs 48 in eine TE-Mode mit dem effektiven Index n_e2 mit der Wellenlänge λ₂ ein. Dadurch ist die entsprechende Bedingung ⋀₂ = λ₂/n_e2 erfüllt. Um bei der ersten Ausführungsform einen Brechungsverlust der einfallenden Freiraumwelle in dem Substrat 10 zu verhindern, erfüllen der effektive Index n_e1 mit der Wellenlänge λ₁ und der Index n_e2 mit der Wellenlänge λ₂ vorzugsweise das Verhältnis ((n_e1/λ₁)² + (n_e1/λ2)^1/2 < n_s/min(λ₁, λ₂).
14 ist eine Querschnittsansicht einer weiteren Gestaltung der ersten Ausführungsform für Gaslaser. Wenn die Anwesenheit des transparenten Substrats bei einer reflexionsmindernden Mehrfachschicht innerhalb des Gashohlraums auf der Seite der Gassäule ungewünscht ist, kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung in der in 14 dargestellten Weise auf der Seite der Gassäule angebracht werden. Um das Gaslaserfenster 70 mit der Mehrfachschicht mit dem zusätzlichen Paar von Schichten 30 zu verkleben, das von einem vorläufigen Substrat 10 getragen wird, wendet man das Direktbonden des Wafers oder das anodische Bonden an. Nach der Verklebung zwischen dem Laserfenster und der Schicht 32 mit dem Gitter 40 wird das Substrat durch selektives Naßätzen oder mit Hilfe einer intelligenten Schneidetechnik entfernt. Dadurch läßt sich eine nachteilige Streuung als Folge des Vorhandenseins der Riffelung in dem Laserhohlraum vermeiden.
15 stellt eine weitere Konstruktion der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar, die ein gekrümmtes Substrat 10 enthält und den Fokussierspiegel oder Koppler eines stabilen Laserresonators darstellt. Die Querschnittsansicht ist hier nur für die erste Ausführungsform der Kopplungsmittel gezeigt. Die standardmäßige Mehrfachschicht 20 ist in ähnlicher Weise mit dem Paar 30 von Schichten 31 und 32 überzogen. Das Gitter 40 kann abhängig von dem Krümmungsradius entweder eine konstante Periode besitzen oder eine Nutenperiode ⋀ aufweisen, die sich derart ändert, daß die nichtkollimierte einfallende Welle, die zu einer Laserresonatormode gehört, über den gesamten Querschnitt in eine definierte Mode der Schicht 32 eingekoppelt wird.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Substrat, einen Mehrschichtspiegel und Kopplungsmittel umfassend ein Riffelgitter. Das Gitter befindet sich in der letzten Schicht der Mehrfachschicht (zweite und dritte Ausführungsformen) oder in (oder an) der letzten stark brechenden Schicht (erste Ausführungsform).
Aus dem obigen geht hervor, daß die Erfindung Kopplungsmittel betrifft, die aus einem Riffelgitter und einer Unterkonstruktion der Vorrichtung (der letzten stark und schwach brechenden Schichten bei der ersten Ausführungsform und dem metallischen oder dielektrischen Substrat bei den anderen Ausführungsformen) bestehen, wodurch die Einkopplung des einfallenden Laserstrahls einer Polarisation in eine Mode der genannten Unterkonstruktion zu einer Abnahme des Mehrschichtreflexionskoeffizienten der Polarisation, beispielsweise um mindestens 10 %, über einen großen optischen Wellenlängenbereich führt. Die genannte Zahl von 10 % ist nur eine Hinweiszahl. Die gewünschte Abnahme des Reflexionskoeffizienten hängt von der Betriebsart des Lasers (Dauerstrich- oder Impulsbetrieb) und von der Verstärkung des aktiven Mediums ab. Der Fachmann wird leicht die notwendigen Reflexionskoeffizienten erkennen, die zu der gewünschten Polarisationsfilterung führen.
Mehrschichtspiegel, die einen Laserhohlraum verschließen, können im wesentlichen zwei Kategorien aufweisen. Der Mehrschichtspiegel wird "Spiegel" genannt, wenn es seine Aufgabe ist, beinahe 100 % der einfallenden Energie in den Hohlraum zu reflektieren. Er wird "Koppler" genannt, wenn es seine Aufgabe ist, den Laserstrahl zum Teil zu reflektieren und zum Teil zu übertragen. Wie klar aus der obigen Beschreibung erkennbar ist, kann eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in die eine oder die andere Kategorie fallen.
Die Polarisationszustände sind der quermagnetische Zustand (TM), wenn das elektrische Feld in einer zu den Gitterlinien senkrechten Ebene liegt, und der querelektrische (TE), wenn das elektrische Feld parallel zu den Gitterlinien liegt.

In den obigen Beschreibungen sind nur Beispiele für Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung gegeben. Der Fachmann kann im Lichte der vorliegenden Offenbarung leicht eine Anzahl anderer Ausführungsformen konstruieren. ÜBERSETZUNG DES TEXTES IN DEN FIGUREN Fig. 3

Intensity (a.u.)	Intensität (Hartree-Einheiten)
Wavelength (Angström)	Wellenlänge (Angström)
TM polarization	TM-Polarisation
TE polarization	TE-Polarisation

Fig. 4

Intensity (a.u.)	Intensität (Hartree-Einheiten)
Wavelength (Angström)	Wellenlänge (Angström)
TM above threshold	TM oberhalb der Schwelle
TE and TM below threshold	TE und TM unterhalb der Schwelle

Claims

Optische Vorrichtung umfassend ein Substrat (10), einen Mehrschichtspiegel (20), ein Paar von Schichten (31, 32) mit niedrigem und hohem Brechungsindex, die auf dem Mehrschichtspiegel (20) vorgesehen sind, und ein Beugungsgitter (40) in der Schicht (32) mit hohem Brechungsindex, wobei die Schicht (32) mit hohem Brechungsindex ein optischer Wellenleiter derart ist, daß die Kopplung einer einfallenden Polarisation in eine Mode der Schicht (32) mit hohem Brechungsindex in einer Abnahme des Mehrschichtreflektionskoeffizienten der Polarisation resultiert, wobei die folgende Bedingung im Ortsfrequenzbereich erfüllt ist: Kg = neK0 (2),wobei Kg = 2π/⋀ die Gitterortsfrequenz ist, wobei ⋀ die Periode des Gitters ist, K₀ = 2π/λ die Ortsfrequenz einer freien Raumwelle im Vakuum ist, λ eine vorbestimmte Wellenlänge des Betriebs der optischen Vorrichtung mit einer spektralen Bandbreite B und n_e der effektive Index einer in die Schicht (32) mit hohem Brechungsindex eingekoppelten Mode ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Dicke und der Index des Paares von Schichten (31, 32) mit niedrigem und hohem Brechungsindex so gewählt sind, daß der aus diesem Paar von Schichten resultierende zusätzliche optische Weg in einer zusätzlichen optischen Gesamthin- und -rückwegphase resultiert, die einer ganzzahligen Anzahl von im wesentlichen 2π bei der Betriebswellenlänge λ entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Index n_h und die Dicke t_h der Schicht (32) mit hohem Brechungsindex so gewählt sind, daß der effektive Index n_e der Schicht (32) mit hohem Brechungsindex, auf welche eine ungewünschte Polarisation gekoppelt wird, größer ist als der Index n_s des Substrates (10).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Produkt aw des Feldstrahlungskoeffizienten α mit dem Durchmesser w eines einfallenden Strahls größer als 1 ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Gitter (40) ein rechtwinkliges Gitter der Tiefe d mit einem Linien-Abstands-Verhältnis von 1:1 ist, wobei d so gewählt ist, daß s = 0,5 (4d/π),wobei s die Amplitude der ersten Harmonischen in der Fourierreihe des Gitterprofils ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Gitter (40) ein rechtwinkliges Gitter der Tiefe d derart ist, daß: * d = (2s)π/4, wobei s die Amplitude der ersten Harmonischen in der Fourierreihe des Gitterprofils ist, * und t_eff die bekannte effektive Dicke einer durch teff = th + 1/(k0(ne 2 – ni 2)1/2) + 1/(k0(ne 2 – 1)1/2)gegebenen Mode ist, wobei: – k₀ = 2π/λ die Ortsfrequenz einer freien Welle im Vakuum bei der vorbestimmten Wellenlänge λ ist, – t_h die Dicke der letzten Schicht (32) mit hohem Brechungsindex ist, – und wobei die Indizes n_e und n_i jeweils die effektiven Indizes der Schicht (32) mit hohem Brechungsindex für die besagte Mode und der Index der Schicht (31) mit niedrigem Brechungsindex sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Mehrschichtspiegel alternierende Schichten aus einem Material mit niedrigem Brechungsindex und einem Material mit hohem Brechungsindex umfaßt, wobei das besagte Paar von Schichten (31, 32) mit niedrigem und hohem Brechungsindex aus Materialien hergestellt ist, die identisch jeweils dem Material mit niedrigem Brechungsindex und dem Material mit hohem Brechungsindex des Mehrschichtspiegels (20) entsprechen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Paar von Schichten (31, 32) mit niedrigem und hohem Brechungsindex aus SiO₂ bzw. Ta₂O₅ hergestellt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Mehrschichtspiegel (20) zwischen dem Substrat und dem Paar von Schichten (31, 32) mit niedrigem und hohem Brechungsindex angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Substrat ein laseraktives Material ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das laseraktive Material ein Nd:YAG-Lasermaterial ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat ein amorphes Material ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Substrat ein doppelbrechender Kristall ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat das Fenster eines Gaslasers ist, der ferner eine Gassäule umfaßt, wobei der Mehrschichtspiegel (20) in Richtung auf die Gassäule gewandt ist und wobei die Schicht mit hohem Brechungsindex und das Gitter in Richtung auf das Substrat gewandt sind.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Substrat gekrümmt ist und den Fokussierspiegel eines stabilen Laserresonators bildet.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei das Gitter Gitterlinien umfaßt, die scheitelwinkelig verteilt sind.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Gitter ein Ortsfrequenzspektrum aufweist, welches zwei Ortsfrequenzen Kg1 und Kg2 umfaßt, die jeweils der Kopplung einer einfallenden Wellenlänge in dieselbe Mode des von der Schicht mit hohem Brechungsindex und dem Beugungsgitter gebildeten Gitterwellenleiters entsprechen.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Gitter aneinanderliegende räumlich vervielfältigte Gitterbereiche (42) umfaßt.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Gitter zwei Gitterbereiche (43, 44) mit paralleler Orientierung und unterschiedlichen Perioden umfaßt.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 oder 17 oder 18, wobei das Gitter zwei Gitterbereiche (47, 48) mit orthogonaler Orientierung und unterschiedlichen Perioden umfaßt.
Microchip-Laser umfassend ein aktives festes Medium, einen ersten und einen zweiten Spiegel, wobei einer der ersten und zweiten Spiegel eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 umfaßt.
Verfahren zum Dämpfen oder Filtern einer ersten Polarisation eines eine erste und eine zweite Polarisationskomponente umfassenden einfallenden Lichtstrahls, wobei das Verfahren das Richten des Lichtstrahls auf eine optische Vorrichtung umfaßt, die ein Substrat (10), einen Mehrschichtspiegel (20), ein Paar von Schichten (31, 32) mit hohem und niedrigem Brechungsindex, die auf dem Mehrschichtspiegel (20) angeordnet sind, und ein Beugungsgitter (40) in der Schicht (32) mit hohem Brechungsindex aufweist, wobei die Schicht (32) mit hohem Brechungsindex ein optischer Wellenleiter ist und wobei die erste Polarisation in eine Mode der Schicht (32) mit hohem Brechungsindex gekoppelt und von dem Gitter mit einer Phasenverschiebung von π zurückreflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Mode, an welche die erste Polarisation gekoppelt wird, eine geführte TM-Mode ist.