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Diese Erfindung betrifft im allgemeinen Laser und genauer
abstimmbare Halbleiterlaser mit externern Resonator. In der
folgenden Diskussion wird die erste Ziffer einer Bezugsziffer
die erste Figur angeben, in der das Element dargestellt ist,
das mit der Bezugsziffer bezeichnet ist.
Definitionen
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Die "optische Achsen" eines Laserstrahls ist eine Achse
parallel zu der Richtung des Laserstrahls und lateral
innerhalb des Strahls zentriert.
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Ein "Gaußscher Strahl" ist ein optischer Strahl, bei dem die
Leistungsdichte eine im wesentlichen Gaußsche Verteilung als
eine Funktion des senkrechten Abstandes von der optischen
Achse zeigt.
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Ein "elliptischer Gaußscher Strahl" ist einer, bei dem, in
einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse, der Ort von
Punkten des Strahls, an denen die Leistungsdichte des
Strahles 1/e² der Leistungsdichte auf der optischen Achse
ist, eine elliptische Form hat.
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Ein "Laserpunkt" in einer Ebene, die einen Laserstrahl
schneidet, ist der Abschnitt eines Laserstrahls, der auf die
Ebene mit einer Leistungsdichte größer als 1/e² der
Leistungsdichte auf der optischen Achse des Laserstrahls
einfällt.
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Ein "kreisförmiger Gaußscher Strahl" ist ein elliptischer
Gaußscher Strahlt bei dem der Laserpunkt in einer Ebene
senkrecht zu der optischen Achse kreisförmig ist.
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Eine "meridionale Ebene" ist eine Ebene die die optische
Achse enthält.
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An einem gegebenen Punkt auf der optischen Achse ist eine
"meridionale Hauptebene" eine meridionale Ebene, die eine der
elliptischen Achsen des Laserpunkts in der Ebene enthält.
Diese beiden meridionalen Hauptebenen sind senkrecht
zueinander.
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Bei einem Lasersystem mit einem Beugungsgitter-Retroreflektor
ist die "parallele meridionale Ebene" parallel zu den
Gitterlinien des Beugungsgitters, und die "senkrechte meridionale
Ebene" ist senkrecht zu den Gitterlinien des Beugungsgitters.
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Ein "Bauch" eines kreisförmigen Laserstrahls tritt an jedem
Punkt entlang der optischen Achse auf, an dem die
Wellenfronten des Lichtes des Laserstrahles eben sind.
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Bei einem elliptischen Gaußschen Strahl tritt ein "Bauch an
der meridionalen Hauptebene" an jedem Punkt entlang der
optischen Achse auf, an dem die Strahlen des Lichtes des
Laserstrahles innerhalb der meridionalen Hauptebene parallel
sind.
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Ein "anamorphotisches Linsensystem" ist eines, das in zwei
meridionalen Hauptebenen eine unterschiedliche Vergrößerung
hat. Beispielsweise werden anamorphotische Linsensysteme
benutzt, um Weitwinkel-Bewegungsbilder in ein reguläres
Filmformat zu komprimieren das durch ein weiteres
anamorphotisches Linsensystem auf dem Bildschirm wieder expandiert
werden kann.
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Ein "astigmatisches Linsensystem" ist eines, das versetzte
Bildebenen für Licht, das sich in zwei unterschiedlichen
meridionalen Ebenen fortpflanzt, erzeugt Beispielsweise ist.
ein üblicher Fehler des Auges der Astigmatismus, bei dem die
horizontalen Linien eines Schachbrettes gut fokussiert werden
können, während die vertikalen Linien verschwommen sind.
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Ein Gitter wird als in der "Littrow-Konfiguration"
bezeichnet, wenn es so ausgerichtet ist, daß es eine ausgewählte
Wellenlänge einer seiner Beugungsordnungen zurück entlang der
Richtung eines einfallenden Lichtstrahles retroreflektiert.
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Die "Wellenlängen-Auflösung" eines durch ein Beugungsgitter
abgestimmten Lasers mit externem Resonator ist der
Wellenlängenbereich, in dem die optische Rückkopplung von dem externen
Resonator auf den Laserchip größer als 50 % des Spitzenwertes
der Rückkopplung ist.
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Ein "entarteter Resonator" ist ein retroreflektives optisches
System, das immer eine gegebene Eingangsverteilung so
zurückgibt, daß sie mit der Startverteilung übereinstimmt,
ungeachtet der Fehlausrichtung der Startverteilung.
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Ein "linearer Laserpunt" ist ein elliptischer Laserpunkt,
bei dem die Höhe der Ellipse viel geringer ist als die Breite
der Ellipse.
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Ein "nichthomogener Strahldehner" ist ein Element, das eine
laterale Dimension eines Strahles unterschiedlich zu seiner
senkrechten lateralen Dimension streckt.
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Ein "homogener Strahldehner" dehnt beide senkrechten
lateralen Dimensionen eines Strahles gleichermaßen.
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Ein Laser besteht aus einem Fabry-Perot-Resonator (Hohlraum),
der einen Rückkopplungsweg durch ein optisches Zuwachselement
(d.h. einen optischen Verstärker) bereitstellt. Der optische
Hohlraum kann optische Komponenten enthalten, so wie Linsen
Spiegel, Prismen, optische Wellenleiter, Filter, Etalone und
Beugungsgitter. Der Laser emittiert optische Strahlung, wenn
er über einen Schwellenwert durch eine externe Energiequelle
gepumpt wird. Dieser Resonator zeigt einen ausreichenden
Zuwachs, um nur in engen resonanten Peaks, die auf einer
Menge diskreter optischer Frequenzen liegen, zu lasern. Somit
wird der Laserstrahl eine oder mehrere dieser diskreten
Frequenzen enthalten.
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Wegen der Wellennatur des Lichtes hat der Laserstrahl keine
scharf definierte äußere Kontur. Die Parameter, die einen
Laserstrahl kennzeichnen, sind in Figur 1 veranschaulicht. In
der Figur ist die z-Achse so gewählt worden, daß sie mit der
optischen Achse 11 eines Gaußschen Strahles 12 übereinstimmt.
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Im allgemeinen zeigt die Leistungsdichte in einem Laserstrahl
eine im wesentlichen Gaußsche Verteilung als eine Funktion
des senkrechten Abstandes von der optischen Achse. Solche
Strahlen werden als Gaußsche Strahlen bezeichnet. In der
x-z-Ebene, die in Figur 1A gezeigt ist, ist der Ort der
Punkte, an denen die Energiedichte 1/e2 der Energiedichte auf
der optischen Achse bei demselben Wert von z ist, durch die
Linien 13 und 14 dargestellt Der Querabstand von der z-Achse
zu einem Punkt auf der Linie 13 oder 14 ist als rx(z)
dargestellt und wird die Punktgröße des Laserstrahls in der
x-z-Ebene genannt.
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Ein Bereich 15, in dem die Linien 13 und 14 parallel sind,
wird als ein Bauch des Laserstrahls bezeichnet. Der Radius
des Strahles in dem Bauch wird als wox dargestellt, und die
z-Position des Bauches ist als zox dargestellt. Die
Wellenfronten 16 des Laserstrahls haben einen Radius mit der
Krümmung Rx(z), der eine Funktion von z ist. Im
Fernfeldbereich (d.h. in Abständen von dem Bauch, die viel größer sind
als wo), sind die Wellenfronten 16 im wesentlichen auf einen
gemeinsamen Punkt P zentriert, so daß es scheint, daß der
Strahl von dem Punkt P ausgesandt worden ist. In dem
Fernfeldbereich eines monochromatischen Lasers divergieren die
Linien 13 und 14 mit einem Winkel θdivx, der gleich dem
Zweifachen der Wellenlänge des Laserstrahls ist, dividiert
durch das pi-fache der Größe des Bauches wo.
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Der Abstand zwischen dem Punkt P und einem Punkt Q bei zo
wird der Rayleigh-Abstand genannt, wird mit zRx bezeichnet
und ist gleich dem pi-fachen von wox quadriert, dividiert
durch die Wellenlänge. Somit ist die Form eines Gaußschen
Strahles eindeutig durch den Ort des Bauches zo und der
Punktgröße des Bauches wox definiert (siehe z.B. A.E.
Siegman, Laser, University Science Books, Mill Valley,
Kalifornien 1986).
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Optische Elemente, so wie Linsen, Prismen und Spiegel,
beeinflussen den Größenradius des Punktes rx(z) und die
Krümmung der Wellenfront Rx(z) . Geeignete Anordnungen dieser
Elemente können zusätzliche Bäuche entlang der optischen
Achse erzeugen. Die Matrixmathematik zum Analysieren der
Fortpflanzung von Gaußschen Strahlen durch optische Systeme
ist gut entwickelt und geradlinig (siehe z.B. A. Gerrard und
J.M. Burch, Introduction to matrix Methods in Optics
(Einführung in Matrixverfahren in der Optik), John Wiley and Sons,
London, 1975)
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Im allgemeinen muß ein Gaußscher Strahl nicht
zylindersymmetrisch um die optische Achse sein. Im allgemeinen werden die
Wellenfronten elliptisch sein und werden in irgendeinem
Querschnitt senkrecht zu der optischen Achse eine elliptische
Punktgröße zeigen. Der Ort zox eines Bauches in der xz-Ebene
muß nicht mit dem Ort zoy eines Bauches in der yz-Ebene
übereinstimmen. Die x- und y-Achse können so ausgewählt
werden, daß sie jeweils entlang der größten und kleinsten
Hauptachse einer solchen Ellipse ausgerichtet sind, so daß
die xz- und yz-Ebenen die meridionalen Hauptebenen an dem
Punkt sind. Wenn dies benutzt wird, ist der Gaußsche Strahl
durch den Punktgrößenradius rx(z) in der xz-Ebene, den
Punktgrößenradius ry(z) in der yz-Ebene, den Krümmungsradius
Rx(z) der Wellenfronten in der xz-Ebene, den Krümmungsradius
Ry(z) der Wellenfronten in der yz-Ebene, den Ort des Bauches
zox in der xz-Ebene und den Ort des Bauches zoy in der
yz-Ebene gekennzeichnet. In Figur 1B ist ein Querschnitt dem
Strahles in der yz-Ebene gezeigt.
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Bei einem Halbleiterlaser wirkt der Halbleiterchip als das
Zuwachsmedium und auch als ein Abschnitt des optischen
Wellenleiters. Ein solcher Laser kann auch Strukturen
enthalten, die als Spiegel oder verteilte
wellenlängenselektive Reflektoren wirken. Wenn der Rückkopplungsweg
vollständig in den Grenzen des Halbleiterchips enthalten ist, wird
der Laser ein Halbleiterlaser mit internem Resonator genannt,
und er ist in den Figuren 2A - 2C veranschaulicht. Diese
Figuren veranschaulächen jeweils einen Festkörperlaser mit
internem Resonator einen Laser mit einseitigem externem
Resonator und einen Laser mit beidseitigein externem
Resonator. Der interne Wellenleiter endet an den Endflächen des
Laserchips. Von jeder Endfläche wird Licht aus einem kleinen
emittierenden Bereich vom ungefähr 1 - 2 Mikron Durchmesser
emittiert.
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Es ist für einen Laser wünschenswert, eine enge Linienbreite
zu haben. Diese Linienbreite ist umgekehrt proportional zu
dem Resonator Q, der mit der Resonatorlänge zunimmt. Da
jedoch der Schwellenwert eines Halbleiterchips mit der Länge
zunimmt, wenn er über einen optimalen Wert hinaus erstreckt
wird, beträgt die Länge L von Halbleiterlasern im allgemeinen
0,20 0,25 mm, was zu einem Modusabstand von 1 nm führt. Da
der Resonator Q mit der Länge zunimmt, bewirkt das Begrenzer
der Länge des Chips, daß die Schärfe der Linienbreite des
Lasers begrenzt wird. Auch die wellenlängenselektiven
Strukturen, die gegenwärtig in einen Halbleiterchip
integriert werden können, sind nicht so weit abstimmbar wie
optische Elemente, die nicht in den Chip integriert werden
können.
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In den Figuren 2B und 2C sind Laser mit externem Resonator
(ECLs) dargestellt, die so heißen, weil ein Teil des
Rückkopplungsweges des Lasers außerhalb des Halbleiterchips
liegt. Bei einem ECL-Laser müssen die externen Elemente die
Auswahl der Laser-Oszillationswellenlänge steuern. Daher muß
die Rückkopplung aus dem externen Teil des Resonators die
Rückkopplung aus dem internen Teil des Resonators dominieren.
Um die interne Rückkopplung abzuschwächen, können die
Endflächen mit einem Antireflexionsüberzug überzogen werden, um den
Prozentanteil an Licht zu verringern, der an den Endflächen
reflektiert wird, oder sie können schräg gestellt werden, so
daß Reflexionen nicht in resonante Moden rückkoppeln.
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In Figur 2B ist nur eine Endfläche mit einem
Antireflexionsüberzug überzogen. Die andere Endfläche dient weiterhin als
ein Spiegel. Diese Ausführungsform ist ein einseitiger ECL.
In Figur 2C sind beide Endflächen mit einem
Antireflexionsüberzug überzogen, und zwei externe Rückkopplungswege sind
eingeschlossen. Dies ist ein zweiseitiger ECL.
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Jeder externe Rückkopplungsabschnitt umfaßt im allgemeinen
einen Abschnitt für die Übertragungsoptik und einen
Retroreflektor. Die Komponenten des Abschnittes für die
Übertragungsoptik sammeln, leiten und übertragen im allgemeinen
Licht aus dem emittierenden Bereich der Chipfläche auf den
Retroreflektor und dann zurück auf den emittierenden Bereich.
Obwohl die folgende Diskussion die Ausdrücke der ebenen
emittierenden und retroreflektierenden Flächen benutzt
findet die folgende Analyse auch Anwendung auf solche Fälle,
in denen diese Flächen nicht eben sind. Beispielsweise kann
ein gekrümmter Retroreflektor durch einen ebenen
Retroreflektor plus einer Linse ersetzt werden, und dann kann der
Linsenanteil dieses modifizierten Retroreflektors als Teil
der Übertragungsoptik eingruppiert werden.
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Für die Abstimmbarkeit kann entweder ein
wellenlängenselektiver Retroreflektor (z.B. ein Beugungsgitter) benutzt
werden, oder ein Übertragungsfilter kann in den Abschnitt für
die Übertragungsoptik eingeschlossen werden. Um eine starke
externe Rückkopplung zu erreichen: (1) sollte der Abschnitt
für die externe Rückkopplung verlustarm sein; (2) sollte er
das rückgekoppelte Licht auf einen Punkt derselben Größe wie
den emittierenden Bereich fokussieren und (3) muß der
Rückkopplungspunkt den emittierenden Bereich überlappen.
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Bei einem durch ein Beugungsgitter abgestimmten Laser (wie in
den Figuren 3 und 4 dargestellt) ist ein Gitter 31 in einem
Halter angebracht, der um eine Achse P drehbar ist, welche im
wesentlichen parallel zu der Achse 32 liegt, das heißt
parallel zu den Gitterlinien 33 des Gitters. Da das Gitter
den einfallenden Strahl in eine Vielzahl spektraler Ordnungen
(in Figur 4 veranschaulicht) beugt, die alle über einen
schmalen Winkelbereich um die Achse P gestreut sind, kann
jede dieser Ordnungen als der retroreflektierte Strahl
benutzt werden. Die Wellenlängenselektion wird dann durch
Drehung des Gitters um diese Drehachse P erreicht, um diese
Ordnung über die emittierende Fläche des Lasers zu bringen.
Unglücklicherweise ist eine perfekte Ausrichtung dieser
Drehachse P mit der Richtung 32 der Gitterlinien 33 nicht
möglich, so daß die Drehung um die Achse P auch ein
bestimmtes Schrägliegen des Gitters um eine Achse T erzeugen wird,
die zu dem Gitter koplanar und senkrecht: zur Drehachse P
liegt. Wegen des geringen Durchmessers des Laserstrahls
relativ zu der Entfernung des Gitters von der emittierenden
Fläche des Lasers ist die Kopplungsgröße vom Gitter zurück
zum Laser bezüglich der Drehung um die T-Achse sehr
empfindlich.
Dies macht ein solches Lasersystem empfindlich für
mechanischen Stoß uiid Vibration zusätzlich zu Drehungen um
die P-Achse für die Auswahl der Laserweilenlänge.
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Für die langdauernde Stabilität der Ausgangsleistung und zum
Anstimmen über einen weiten Bereich muß das Gitter 31
gegebenenfalls um die T-Achse gedreht werden, um die unerwünschte
Drehung der Gitterlinien 33 um die T-Achse auszugleichen,
wenn das Gitter um die P-Achse gedreht wird. Diese strengen
Ausrichtungstoleranzen machen es schwierig, ein robustes
kommerzielles, durch Gitter abgestimmtes Lasersystem mit
externem Resonator zu gestalten.
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Gegenwärtig wird die kontinuierliche Ausrichtung durch
manuelle oder elektromechanische Einstellung des Gitters um
die P-Achse aufrechterhalten. Unglücklicherweise ist die
manuelle Einstellung langsam, erfordert den kontinuierlichen
Eingriff eines versierten Operators und bietet sich nicht von
sich aus für den fernprogrammierten Betrieb an. Die
elektromechanische Einstellung hat eine begrenzte Ansprechbandbreite
und wird von den allgemeinen Problemen von Servomechanismen
beeinflußt (z.B. kann mechanischer Stoß die Ausrichtung aus
dem Einfangbereich der Servoschleife bringen).
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In den Figuren 2B bzw. 2C sind Seitenansichten von Lasern mit
einseitigem und zweiseitigem externem Resonator dargestellt.
Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht des einseitigen
Lasers mit externem Resonator der Figur 2B, für den
speziellen Fall, in dem dei Retroreflektor ein Beugungsgitter ist.
Jeder externe Resonator umfaßt einen Abschnitt für die
Übertragungsoptik und einen Retroreflektor. Für starke
Rückkopplung muß an jedem Retroreflektor die Wellenfront
d.h. die Fläche konstanter Phase) des Laserstrahls mit der
Fläche des Retroreflektors übereinstimmen.
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Daß diese Bedingung für die starke Rückkopplung notwendig
ist, kann wie folgt gesehen werden. Jeder Punkt einer
Wellenfront bewegt sich in eine Richtung senkrecht zu der
Wellenfront an dem Punkt. An dem Retroreflektor, wenn diese
Wellenfront dieselbe Form hat wie die reflektierende
Oberfläche des Retroreflektors, ist dann die Richtung der Bewegung
des Punktes in der Wellenfront normal zu der reflektierenden
Oberfläche und wird daher von der reflektierenden Fläche
urückgeworfen. Wein dieses über die gesamte Fläche der
Wellenfront geschieht, wird jeder Punkt der Wellenfront
entlang desselben Weges retroreflektiert, auf dem er von dem
Laser zu dem Retroreflektor gekommen ist. Dies führt dazu,
daß der Laserstrahl an der emittierenden Fläche des Lasers in
Phase über den gesamten Strahl zurückkommt. Zusätzlich, da
jeder Strahlanteil des Strahles seinen Weg von dem Laser zu
dem Retroreflektor spurgenau zurückverfolgt, wird der
retroreflektierte Strahl eine Punktgröße an dem Laser haben, die
gleich der Größe dei emittierenden Fläche des Lasers ist.
Dies ist wichtig nicht nur beim Richten im wesentlichen der
gesamten ausgewählten Wellenlänge des Lichtes zurück in den
Laser, sondern ist auch dahingehend wichtig für das Licht,
daß es zu dem Modus des Lasers paßt, der für die Erzeugung
des Modus verantwortlich ist. Die Mathematik der
Siegman-Referenz kann verwendet werden, um diese Ergebnisse zu
beweisen.
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Wenn die emittierende Fläche des Lasers eben ist, hat der
Laserstrahl einen Bauch in beiden meridionalen Hauptebenen an
dieser Fläche. Wenn die reflektierende Fläche des
Retroreflektors eben ist, ist die Forderung, daß die Wellenfront an
dem Retroreflektor dieselbe Form hat wie die
retroreflektierende Fläche erfüllt, wenn und nur wenn der Strahl einen
Bauch an der retroreflektierenden Fläche in beiden
meridionalen Hauptebenen zeigt.
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Eine einfallende Wellenfront des Strahles wird mit der
reflektierenden Fläche des Retroreflektors nur dann
übereinstimmen,
wenn der Retroreflektor sorgfältig in bezug auf dem
Laserstrahl ausgerichtet ist. Die Toleranz auf winkelmäßige
Fehlausrichtung des Retroreflektors wird durch den
Divergenzwinkel einer Beugungsordnung des Gitters bestimmt Wenn das
Gitter um 1/2 des Divergenzwinkels gedreht wird, dann wird
die Intensität des Strahles auf der Emissionsfläche des
Lasers weniger als 1/e² der Peakintensität des Strahles
betragen, was somit die Rückkopplung zum Laserchip stark
absenkt. Wie in Figur 1 angegeben ist der Divergenzwinkel
umgekehrt proportional zur lateralen Abmessung der Quelle des
Gaußschen Strahles. Für die Beugungsordnung, die zu dem
Laserchip zurückgerichtet ist, ist die Quelle für diese
Beugungsordnung der Laserpunkt, der auf dem Beugungsgitter
abgebildet wird.
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Daher ist die Toleranz der Fehlausrichtung für die Drehung
des Gitters um die P-Achse umgekehrt proportional zu der
Breite 2 WP des Laserpunktes auf diesem Gitter.
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Wie in Figur 4 veranschaulicht, beugt ein Beugungsgitter 31
einen einfallenden Lichtstrahl 42 in mehrere
Beugungsordnungen (so wie die Ordnungen 43 und 44). In einem durch Gitter
abgestimmten Lasersystem ist das Gitter 31 drehbar um eine
Achse P gerichtet (das heißt, parallel zu den Gitterlinien 33
des Gitters 31) um Licht in einer einzelnen dieser Ordnungen
zurück zu dem Laser zu retroreflektieren. Diese
retroreflektierende Konfiguration ist als Littrow-Konfiguration bekannt.
Das Profil jeder der Gitterlinien 33 ist typischerweise so
gewählt, um diese retroreflektierte Ordnung viel stärker all
die anderen Ordnungen zu machen. Die Wellenlängenauswahl für
den Laser wird durch Drehung des Gitters um die P-Achse
erreicht.
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In Figur 4 wird die Achse senkrecht zu der Gitterfläche 46
als die N-Achse bezeichnet und die Achse, die senkrecht
sowohl zu der P- als auch zu der N-Achse liegt, wird als die
T-Achse bezeichnet. Die Achse des einfallenden Strahls 42
wird hierin als die optische Achse A bezeichnet, die AP-Ebene
wird hierin als die parallele meridionale Ebene bezeichnet
und die AT-Ebene wird hierin als die senkrechte meridionale
Ebene bezeichnet. In der senkrechten meridionalen Ebene
streut das Gitter Licht entsprechend der Bragg-Bedingung. In
der parallelen meridionalen Ebene wirkt das Gitter wie ein
Spiegel. Somit wird die Fehlausrichtung des Gitters um die
T-Achse den retroreflektierenden Strahl weg von der
emittierenden Fläche des Lasers schrägstellen, was die Operation des
Lasers stark verschlechtert.
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Die Wellenlängenauflösung eines durch Gitter abgestimmten
Lasersystems mit externem Resonator ist proportional zu der
Anzahl der Gitterlinien 33, die von dem einfallenden
Laserstrahl 42 bedeckt wird, und ist daher proportional zu der
Breite (2 WT) in der T-Richtung des Laserpunktes 47 auf der
Gitterfläche 46. Daher wird gemäß der dargestellten
bevorzugten Austührungsformen ein anamorphotischer
Übertragungsbereich benutzt, um auf der Gitterfläche 46 einen Punkt 57 mit
einer Höhe (2 WP) zu erzeugen, die viel kleiner ist als seine
Breite (2 WT), so daß der Laser viel weniger empfindlich auf
Drehungen um die T-Achse als um die P-Achse ist. Der Punkt 47
ist im wesentlichen elliptisch, so daß die Höhe 2 WP und die
Breite 2 WT gerade die Längen der kleinsten und größten
Achsen des elliptischen Punktes 47 sind. Wie oben angegeben
hat ein anamorphotischer optischer Bereich unterschiedliche
Vergrößerungen in den beiden meridionalen Hauptebenen (siehe
die Referenz von A.E. Siegman) Ein solcher Abschnitt wird
typischerweise anamorphotisch und/oder astigmatische Elemente
umfassen. Wie oben angegeben erzeugt ein astigmatisches
optisches Element versetzte Bildebenen für Licht, das sich in
zwei verschiedenen meridionalen Ebenen fortpflanzt.
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Um sicherzustellen, daß das Abstimmverhalten des Lasers mit
externem Resonator von der Modenstruktur des externen
Resonators anstatt der des Resonators, der intern auf dem
Halbleiterchiplaser liegt, dominiert wird, muß die
Wellenlängenauflösung des externen Resonators in der Größenordnung
von oder von weniger als einem Zehntel des Modenabstandes des
Chipresonators sein (d.h. der Wellenlängendifferenz zwischen
benachbarten Moden des Chipresonators). Für eine typische
Gitterteilung (d.h. den Abstand benachbarter Gitterlinien des
Gitters) von 0,83 Mikron und einer Wellenlänge von 1.300 nm
erfordert diese Auflösungsbedingung eine Punktbreite 2 WT
des Strahls auf dem Gitter in der Größenordnung von oder
größer als 0,2 cm. Wenn der Punkt im wesentlichen kreisförmig
wäre, würde diese Punktgröße eine Toleranz der
Drehausrichtung um die T-Achse von weniger als 1 Milliradian erfordern.
Eine solche strenge Ausrichtungstoleranz ist für ein
wartungsarmes, beanspruchtes Gerät nicht praktikabel.
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Zusätzlich zu der winkelmäßigen Fehlausrichtung der Elemente
ist das Lasersystem auch empfindlich auf laterale (d.h.
senkrecht zu der optischen Achse des einfallenden Strahles)
und longitudiale (d.h. parallel zu der optischen Achse des
einfallenden Strahles) Fehlausrichtung der Elemente. Figur 5
veranschaulicht den Fall, in dem die Übertragungsoptik
lateral um einen Abstand δ vom emittierenden Bereich des
Laserverstärkers fehlausgerichtet ist. Eine laterale
Fehlausrichtung um einen Abstand δ gleich der lateralen Abmessung
des emittierenden Bereichs kann die Rückkopplung aus dem
externen Resonator stark. verringern. Die Empfindlichkeit auf
eine solche Fehlausrichtung wird verkleinert, indem die
Abmessungen des externen Resonators so gewählt werden, daß er
einen entarteten Resonator bildet (siehe J.A. Arnaud,
Beam and Fiber Optics, Academic Press, New York, 1976), wie
in Figur 6 dargestellt. Ein entarteter Resonator ist ein
retroreflektives optisches System, das immer eine gegebene
Eingangsverteilung so rückreflektiert, daß es mit der
Startverteilung übereinstimmt, ungeachtet der Fehlausrichtung
der Startverteilung. Vom Gesichtspunkt des Spurfolgens eines
geometrischen Strahls folgt ein beliebiger Strahl seinem
eigenen Weg nach einem einzigen Umlauf durch das System. Vom
Gesichtspunkt der optischen Übertragungstheorie (siehe die
Referenz von A. Gerrard u.a.) erfordert die
Entartungsbedingung, daß ein Strahl einen geschlossenen Weg auf einem
einzigen Lauf von dem Emitter zu dem Retroreflektor und
zurück zu dem Emitter durchläuft und daß die
Nichtdiagonalelemente der Strahlmatrix für den gesamten Umlauf Null sind.
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Die vorliegende Erfindung trachtet danach, einen Laser mit
externem Resonator mit einem verbesserten anamorphotischen
Übertragungsabschnitt zur Verfügung zu stellen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem der
Bauart, die einen Laserverstärker, der einen Laserstrahl
emittiert, ein Gitter, das den Laserstrahl empfängt und einen
Teil des Laserstrahls zurück auf den Verstärker entlang einer
optischen Achse (A) retroreflektiert, wobei das Gitter und
der Verstärker zusammen einen Laser mit externem Resonator
definieren, wobei das Gitter drehbar um eine erste Achse (P)
ist, um den Verstärker abzustimmen, und eine Querachse (T)
hat, die einen schiefen Winkel in bezug auf die optische
Achse (A) bildet, und einen anamorphotischen
Übertragungsabschnitt aufweist, der so arbeitet, daß er den Laserstrahl
derart formt, daß er auf dem Gitter einen Laserpunkt bildet,
mit einem Verhältnis von Höhe zu Breite, das viel kleiner als
Eins ist. Ein solches Lasersystem ist in dem US-Patent
3868590 offenbart. Ähnliche Systeme sind in Applied Physics
letters, Band 17, Nr. 2, Oktober 1978, Seiten 131 - 136, und
in dem US-Patent 4016504 offenbart. Weiterhin offenbart
Electronics letters, Band 21, Nr. 15, 18. Juli 1975, Seiten
658 - 659 einen Halbleiterlaser mit externem Resonator, der
ein Beugungsgitter aufweist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen durch ein Gitter
abgestimmten Laser, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der
Übertragungsbereich eine längliche, konische Linse aufweist.
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Figuren 1A und 1B sind Ansichten eines Gaußschen optischen
Strahles von oben bzw. von der Seite.
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Figur 2A ist eine Seitenansicht eines Laserchips mit internem
Resonator.
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Figur 2B ist eine Seitenansicht eines Lasers mit einseitigem
externem Resonator
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Figur 2C ist eine Seitenansicht eines Lasers mit
zweiseitigem externem Resonator.
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Figur 3 ist eine perspektivische Ansicht eines durch Gitter
abgestimmten Lasers mit externer Rückkopplung.
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Figur 4 veranschaulicht ein Paar von Ordnungen, das von einem
einfallenden Strahl auf ein Beugungsgitter erzeugt worden
ist.
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Figur 5 veranschaulicht die Wirkung der lateralen
Fehlausrichtung optischer Elemente in einem Laser mit externem
Resonator.
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Figur 6 veranschaulicht einen beispielhaften entarteten
Resonator.
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Figur 7 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung mit der Verwendung eines
anamorphotischen Elementes, um an einem planaren Gitter einen Bauch
eines Laserstrahls zu erzeugen, der eine Breite parallel zu
den Gitterlinien hat, die viel geringer ist als seine Breite
senkrecht zu diesen Linien; und
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Figur 8 veranschaulicht eine Anordnung, die verwendet wird,
um eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu
beschreiben.
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In Figur 7 ist ein verbesserter, durch Gitter abgestimmter
Laser mit externem Resonator gezeigt. Dieses Lasersystem
umfaßt einen optischen Verstärker 71, einen anamorphotischen
optischen Übertragungsbereich 72' und ein planares Gitter 73,
das eine Vielzahl von Linien 74 enthält. Ein optischer
Strahl 75, der von dem Verstärker 71 ausgesendet wird, wird
abgebildet, so daß er an dem Gitter 73 einen Bauch bildet.
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Das Gitter 73 ist drehbar angebracht, so daß es sich um eine
Achse P dreht, die im wesentlichen parallel zu den
Gitterlinien 74 ist. Ein Satz von drei orthogonalen Achsen an dem
Gitter wird mit P (die Achse parallel zu den Linien 74), N
(die Achse normal zu der Fläche der Linien) und T (die Achse
senkrecht zu den Achsen P und N) bezeichnet.
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Typischerweise hat der Verstärker 71 eine emittierende
Fläche, die näherungsweise kreisförmig ist. Daher, um ein
solches langgestrecktes Bild auf dem Gitter zu erzeugen, ist
der optische Übertragungsbereich 72' anamorphotisch und
enthält typischerweise anamorphotische und/oder astigmatische
Elemente. Der Abschnitt 72' für die optische Übertragung
umfaßt eine zylindersymmetrische Linse mit der Brennweite f&sub1;
und eine konische Linse 87, die ein anamorphotisches
optisches Element bildet. Der Laserstrahl 75 bildet einen im
wesentlichen kreisförmigen Laserpunkt 78 auf der Linse 76 und
einen im wesentlichen kreisförmigen Laserpunkt 79 auf der
Linse 87, bildet jedoch einen stark langgestreckten
zylindrischen Laserpunkt 710 auf der Vorderfläche 711 des Gitters 73.
Da die Höhe WP des Punktes 710 viel geringer (d.h. in der
Größenordnung von oder weniger als eine Länge) als die Breite
WT des Punktes 710 ist, ist dieses Lasersystem viel weniger
empfindlich auf Fehlausrichtungen des Gitters um die T-Achse
als auf Umdrehungen um die P-Achse, um den Laser abzustimmen.
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Die extreme Elliptizität des Laserpunktes auf dem Gitter
bedeutet, daß dieser Punkt im wesentlichen die Form einer
Linie hat und hierin als ein "linearer Punkt" bezeichnet
werden wird.
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In der Littrow-Konfiguration bildet die Achse N
typischerweise einen Winkel θ in der Größenordnung von 50º mit der
optischen Achse A des Laserstrahls. Deswegen haben nicht alle
Punkte des Gitters 73 denselben Abstand entlang der optischen
Achse.
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Da die konische Linse 87 einen kleineren Krümmungsradius an
einem Ende 88 hat, als sie ihn an dem anderen Ende 89 hat,
ist die Brennweite f&sub3; an dem Ende 88 kleiner, als es die
Brennweite f&sub4; an dem Ende 89 ist. Dies ermöglicht es, daß die
Achse L' der Linse 87 unter einem unterschiedlichen Winkel Φ
von der optischen Achse A als dem Winkel θ +π/2 zwischen der
Achse T und der optischen Achse A angeordnet ist.
Insbesondere kann der Winkel Φ so gewählt werden, daß L' senkrecht zu
der optischen Achse A für alle Winkel θ zwischen der N-Achse
und der optischen Achse A ist. Optimierung des Grades der
Fokussierung über den Abstimmbereich dieses Lasersystems wird
im wesentlichen erreicht, indem f&sub3; und f&sub4; so gewählt werden,
daß sie den gesamten Laserpunkt 710 auf die Vorderfläche 711
des Gitters 73 an dem Mittenpunkt θm des Bereiches der
Abstimmwinkel θ fokussieren.
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Die z-Achse stimmt mit der optischen Achse A überein, die
x-Achse liegt parallel zu der P-Achse, und die y-Achse bildet
ein rechtshändiges Dreibein mit der x- und z-Achse. Mit der
"projektiven Entfernung" zwischen zwei Elementen in Figur 7
ist der Unterschied in der z-Koordinate zwischen zwei Punkten
auf diesen beiden Elementen mit denselben x- und
y-Koordinatenwerten gemeint. D&sub1; ist der projektive Abstand zwischen
dem Ende 88 der Linse 87 und seinem projektiven (in der
z-Richtung) Bild aui dem Gitter 73. D&sub2; ist der projektive
Anstand zwischen dem Abstand 89 der Linse 87 und seinem
projektiven (in der z-Richtung) Bild auf dem Gitter 73. f&sub3;
und f&sub4; sind jeweils so gewählt, daß sie für θ = θm (wobei θm
der Mittenpunkt des Winkelbereiches ist, über den das Gitter
gedreht wird, um den Laser abzustimmen) gleich D&sub1; und D&sub2;
sind. Für die besondere Wahl (auf der z-Achse) von Abständeit
zwischen Elementen 71, 76 und 87, die in Figur 7 gezeigt
sind, ist der externe Resonator dieses Lasersystems für
θ = θm entartet und ist damit gegenüber kleinen
Verschiebungs-Fehlausrichtungen der Elemente dieses Systems
unempfindlich.
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Bei einer alternativen Ausführungsform kann die konische
Linse 87 auf einer drehbaren Spindel angebracht sein, die
entlang einer Drehachse P" ausgerichtet ist. Das
anamorphotische Element 87 kann so gebaut sein, daß es zusammen mit
dem Gitter 73 rotiert.
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Für die hohe Leistungsfähigkeit ist es vorteilhaft, eine
Linse 76 mit einer kleinen Brennweite f&sub1; zu verwenden, um
einen hohen Bruchteil des Lichtes von dem Laser einzufangen.
Jedoch erzeugt eine solche Linse 76 einen kollimierten
Zylinderstrahl mit kleineren lateralen Abmessungen als der
Breite WT des gewünschten Laserpunktes des Beugungsgitters
73. Daher werden optische Elemente in der optischen
Übertragung benötigt um den Laserstrahl auszudehnen.
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In Figur 8 ist eine Anordnung gezeigt, die benutzt wird, um
eine zusätzliche Ausführungsform eines durch Gitter
abgestimmten Lasers mit externem Resonator zu beschreiben, bei
dem die optische Übertragung 72 durch eine optische
Übertragung 72" ersetzt ist, die einen Strahldehner, so wie das
Prismenpaar 811, umfaßt. Ein "nichthomogener Strahldehner"
ist ein Element, das eine laterale Abmessüng eines Strahls
verschieden von der in seiner senkrechten lateralen Abmessung
streckt. Ein "homogener Strahldehner" dehnt beide senkrechten
lateralen Abmessungen eines Strahles gleichermaßen. Das
Prismenpaar 811 ist ein Beispiel eines nichthomogenen
Strahldehners und wird verwendet, um die Breite WT des
Laserpunktes 710 zu vergrößern. Wie bei der Ausführungsform
der Figur 7 verringert eine Linse 77 die Höhe WP des
Laserpunktes 710. Obwohl die Figur 8 die Linse 77 als zylindrisch
zeigt, ist sie bei der Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung konisch, wie es in Figur 7 gezeigt ist. Bei anderen
Ausführungsformen kann das Prismenpaar 811 durch einen
homogenen Strahldehner ersetzt werden. Jedoch erzeugt die
Verwendung sowohl eines nichthomogenen Strahldehners, um WT
zu vergrößern, und eines anamorphotischen Elementes, um WP zu
verringern, ein vergrößertes Verhältnis von WT : WP so daß
die größte Unempfindlichkeit auf Drehungen um die T-Achse für
eine gegebene Empfindlichkeit auf Drehungen um die P-Achse
erzeugt wird.
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Die obigen Ausführungsformen sind auch auf Systeme anwendbar,
in denen das Gitter nicht eben ist. In nicht ebenen Gittern
sind die Gitterlinien keine parallelen Linien.
Beispielsweise sind bei holographischen Gittern die Linien nur die
Schnitte zwischen der Gitterfläche mit einem Satz
Hyperboloide, die durch Interferenz zwischen einem Paar von
Laserstrahlen erzeugt wurden, die bei einem photolithographischen
Prozeß benutzt wurden, um das Gitter zu erzeugen. Für ein
solches Gitter ist die P-Achse so gewählt, daß sie maximal
parallel zu diesen gekrümmten Linien ist. Die P-Achse wird
dann als im wesentlichen parallel zu diesen Linien bezeichnet
werden, selbst wenn die Linien gekrümmt sind und nur eine
mittlere tangentiale Richtung haben, die parallel zu der
Ächse P liegt.