Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung eines Laserstrahls

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Laserstrahls. Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines Laserstrahls.

Bei der Verwendung von Lasern jeglicher Art ist es bekannt, dass der aus einem Laser austretende Laserstrahl eine Pendelbewegung ausführt. Ein Laserstrahl ist daher nicht 100%ig richtungsstabil, was in empfindlichen Versuchsanordnungen zu Störungen führen kann. Darüber hinaus ist es bekannt, dass das Laserprofil, d.h. der Strahlquerschnitt senkrecht zur Ausbreitungsrichtung nicht immer vollständig symmetrisch ist. Dabei kann sich weiterhin ein Profil auch zeitlich ändern.

Im Stand der Technik ist es bekannt, insbesondere zur Verbesserung der Richtungsstabilität und somit zur Erzielung einer besseren sogenannten beam point stability aktive Vorrichtungen einzusetzen und somit einen Laserstrahl beispielsweise über angesteuerte Aktoren kontinuierlich in seiner Richtung zu stabilisieren. Solche aktiven Vorrichtungen erweisen sich dabei jedoch zum einen als unzuverlässig und zum anderen als aufwändig, so dass es die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen auf einfache Art und Weise und besonders bevorzugt ohne aktive Elemente eine Stabilisierung eines Laserstrahls erzielt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Stabilisierung eines Laserstrahls, insbesondere zur Stabilisierung der Profilintensität und/oder der Pendelbewegung eines Laserstrahls, welches sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass ein ursprünglicher Laserstrahl aufgeteilt wird in zwei Teilstrahlen, wobei die beiden Teilstrahlen relativ zueinander um 180 Grad um die Ausbreitungsrichtung herum gedreht werden und beide Teilstrahlen wieder zu einem Gesamtstrahl überlagert

werden. Die Ausbreitungsrichtung bzw. der Laserstrahl bildet somit die Drehachse dieser 180 Grad-Drehung.

Ein derartiges Verfahren kann durch eine rein passive Anordnung optischer Elemente durchgeführt werden, so dass das Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung eine gegenüber dem Stand der Technik regelkreislose Korrektur von Schwankungen der Strahlrichtungs- oder auch der Profilinstabilität ermöglicht.

Ein solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist, hat dabei den Vorteil, dass durch die Drehung der beiden Teilstrahlen um einen Winkelbetrag von 180 Grad um die Ausbreitungsrichtung relativ zueinander und die nachfolgende überlagerung zu einem neuen Gesamtstrahl eine Symmetrisierung hervorruft. So ist beispielsweise das Strahlprofil des überlagerten Gesamtstrahls punktsymmetrisch zum Strahlmittelpunkt. Dies bedeutet, dass eventuelle Profilinhomogenitäten, also z.B. einseitige Intensitätsspitzen in einem Profil, durch die Drehung punktsymmetrisch auf die andere Seite des Strahlprofils übertragen werden. Das so erzeugte Profil des Gesamtstrahls weist daher eine höhere Symmetrie auf und somit eine bessere Homogenität im Vergleich zum ursprünglichen Strahl.

Fehlinterpretationen, die ansonsten in Versuchsaufbauten aufgrund derartiger ursprünglicher Profilinhomogenitäten hervorgerufen werden können, werden durch diese künstlich eingeführte Symmetrisierung deutlich verringert.

Ebenso werden Pendelbewegungen reduziert, da eine Pendelbewegung des ursprünglichen Strahls in eine Richtung aufgrund der Aufspaltung in zwei Teilstrahlen ebenso aufspaltet in zwei gegenläufige Bewegungen der beiden Teilstrahlen, so dass sich aufgrund der anschließenden überlagerung der beiden zueinander gedrehten Teilstrahlen die exakt gegenläufigen Bewegungen ausgleichen und somit zu einer höheren Strahlstabilität bezüglich der Ausbreitungsrichtung führt.

Das hier beschriebene Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit einer Anordnung entsprechender optischer Elemente zur Durchführung dieses Verfahrens ist daher besonders geeignet für jegliche Versuchsaufbauten, in denen ein oder mehrere

Laserstrahlen als Mess- oder Manipulationsmittel eingesetzt werden und eine hohe Präzision gefordert ist. Beispielhafte Anwendungen sind z.B. die optische Pinzette, die Cantileverbeleuchtung in einem Rasterkraftmikroskop oder jegliche Orts-, Intensitäts- oder auch Kraftmesssysteme, die auf Laserpositionsdetektoren basieren.

Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist es dabei, dass die aus einem ursprünglich erzeugten Laserstrahl aufgespaltenen zwei Teilstrahlen relativ zueinander um 180 Grad gedreht und wiedervereinigt werden. Dabei ist es zunächst für das grundsätzliche Wirkprinzip der Erfindung unerheblich, um welche Winkelbeträge die beiden Teilstrahlen jeweils um ihre Ausbreitungsrichtung gedreht werden, solange der Gesamtbetrag der relativen Drehung beider Teilstrahlen zueinander 180 Grad beträgt, bevor diese wieder exakt überlagert werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird es dabei vorgesehen sein, einen ursprünglichen Laserstrahl derart aufzuteilen, dass einer der beiden Teilstrahlen sich in der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung des ursprünglichen Laserstrahls weiter ausbreitet und lediglich der andere Teilstrahl, insbesondere somit der, der aus der ursprünglichen Richtung aufgrund der Aufteilung abgelenkt wird, alleinig um 180 Grad gedreht wird.

Sodann können anschließend beide Teilstrahlen wieder zu einem Gesamtstrahl überlagert werden. Diese Ausführung wird bevorzugt, da Maßnahmen zur Manipulation der Drehung um die Ausbreitungsrichtung lediglich auf einen der Teilstrahlen angewandt werden müssen, was das Verfahren vereinfacht und präziser durchzuführen erlaubt, als wenn beide Teilstrahlen gedreht werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung desselbigen hat dabei weiterhin den Vorteil, dass die Maßnahmen zur Stabilisierung eines Laserstrahls vollständig außerhalb eines Resonators durchgeführt werden können und somit ein Eingriff in einen ansonsten empfindlichen Laserresonator vollständig unterbleiben kann. Insbesondere werden Intensitätsverluste, die ansonsten durch bekannte Eingriffe zur Strahlenstabilisierung in Laserresonatoren, wie beispielsweise Raumfilter etc. vollständig vermieden.

In bevorzugter Ausführung ist es dabei vorgesehen, dass der ursprüngliche Laserstrahl linear polarisiert ist und in einem nicht polarisierend wirkenden Strahlteiler, wie beispielsweise einem Strahlteilerwürfel, in die beiden Teilstrahlen aufgeteilt wird. Hierbei kann die Aufteilung derart erfolgen, dass einer der Teilstrahlen die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung beibehält. Allgemein kann es dabei bei jeglicher Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, die Aufteilung derart vorzunehmen, dass beide Teilstrahlen zumindest im Wesentlichen, bevorzugt exakt die gleiche Intensität aufweisen. Weiterhin ist es bevorzugt, dass beide Teilstrahlen bei der überlagerung unter Berücksichtigung aller Verluste an den optischen Elementen in den jeweiligen Strahlwegen im Wesentlichen die gleiche, bevorzugt exakt die gleich Intensität aufweisen.

Eine Drehung des einen Teilstrahls um seine Ausbreitungsrichtung um 180 Grad kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass dieser Teilstrahl mehrfach, insbesondere dreimal in seiner Richtung umgelenkt wird. Hierbei kann durch eine zweifache Umlenkung die Ausbreitungsrichtung des vom ursprünglichen Laserstrahl abgeteilten Teilstrahls zunächst um 180 Grad geändert werden, woraufhin dann dieser umgelenkte Teilstrahl nochmals umgelenkt wird, um eine Ausbreitungsrichtung zu erhalten, die dem ursprünglichen Laserstrahl bzw. dem zweiten Teilstrahl entspricht.

Dieser mehrfach umgelenkte Teilstrahl kann somit parallel und in einem Abstand zum ursprünglichen Laserstrahl bzw. zu dem anderen Teilstrahl verlaufen. Eine überlagerung der beiden Teilstrahlen kann dann derart erfolgen, dass der Parallelversatz der beiden Teilstrahlen, von denen der eine, der mehrfach umgelenkt wurde, nunmehr auch um 180 Grad um seine Ausbreitungsrichtung gedreht ist, eliminiert wird.

Hierzu kann es vorgesehen sein, dass entweder der nicht umgelenkte Teilstrahl oder der mehrfach umgelenkte Teilstrahl unter Beibehaltung seiner Ausbreitungsrichtung parallel versetzt wird, so dass hierdurch beide Teilstrahlen wieder zu einem Gesamtstrahl überlagert werden. In bevorzugter Ausführung ist es dabei vorgesehen, den ursprünglich nicht abgelenkten Teilstrahl parallel zu versetzen und mit dem mehrfach umgelenkten und um 180 Grad gedrehten Teilstrahl zu überlagern.

Für die überlagerung kann ein Strahlteiler, z.B. Strahlteilerwürfel dienen, der bei reversiertem Strahlengang für die Teilstrahlen kombinierend wirkt. In bevorzugter Ausführung kann ein polarisierend wirkender Strahlteiler eingesetzt werden, wie beispielsweise ein polarisierend wirkender Strahlteilerwürfel.

Um in einem solchen polarisierenden Würfel eine einwandfreie überlagerung durch Transmission des einem (z.B. des mehrfach umgelenkten) Teilstrahls und Reflektion des anderen (z.B. parallel zu versetzenden) Teilstrahls durchzuführen, müssen die beiden Teilstrahlen zwei verschiedene, senkrecht zueinander stehende Polarisationen aufweisen, so dass je nach Anordnung eines polarisierend wirkenden Strahlteilerwürfels, d.h. ob die überlagerung auf den mehrfach umgelenkten Teilstrahl oder auf den ursprünglich nicht abgelenkten Teilstrahl erfolgen soll, einer der beiden Teilstrahlen in seiner Polarisation um 90 Grad gedreht werden muss.

Bei der bevorzugten Ausführung, bei der die überlagerung auf den mehrfach umgelenkten Teilstrahl erfolgt, wird es bevorzugt vorgesehen sein, denjenigen Teilstrahl um 90 Grad in seiner Polarisation zu drehen, der den ersten Strahlteiler ohne Ablenkung durchlaufen hat. Hierfür kann beispielsweise eine Halbwellenplatte eingesetzt werden.

Die überlagerung der beiden Teilstrahlen mit zueinander senkrecht stehender Polarisation hat dabei neben dem Vorteil, einen polarisierend wirkenden Strahlteilerwürfel nahezu verlustfrei hierfür einsetzen zu können, den weiteren Vorteil, dass Interferenzeffekte zwischen den beiden zu überlagernden Teilstrahlen keine Rolle spielen. Es besteht daher keine Gefahr, dass das Profil des so überlagerten Gesamtstrahls Interferenzartefakte aufweist.

Da der überlagerte Gesamtstrahl nunmehr zwei senkrecht zueinander stehende Polarisationsanteile aufweist, kann es in einer weiteren bevorzugten Ausführung vorgesehen sein, dass durch einen linearen Polarisationsfilter unter 45 Grad zu den beiden Polarisationsrichtungen der Gesamtstrahl linear polarisiert wird. Dies führt lediglich zu einem Intensitätsverlust auf etwa 70% der ursprünglichen Intensität.

Dabei kann es sodann vorgesehen sein, den so erhaltenen linear polarisierten Gesamtstrahl mit wenigstens einem weiteren polarisationsdrehenden optischen Element in eine gewünschte lineare Polarisationsrichtung zu drehen und so eine solche Polarisationsrichtung zu erhalten, die beispielsweise für ein entsprechend vorgesehenes Experiment oder eine sonstige Versuchsanordnung benötigt wird.

Bei dem zuvor beschriebenen Verfahren wird die Aufteilung des ursprünglichen Laserstrahls in zwei Teilstrahlen sowie die Zusammenfügung der beiden Teilstrahlen zu einem neuen Gesamtstrahl bevorzugterweise durch die bereits eingangs genannten Strahlteilerwürfel vorgenommen. Dabei soll bevorzugt der erste Strahlteilerwürfel für die Aufspaltung nicht polarisierend und der zweite für die Zusammenführung der Laserstrahlen polarisierend wirken.

Als weitere optische Elemente kommen beispielsweise für die Umlenkung des ausgekoppelten Teilstrahls und zur Bewirkung der 180 Grad-Drehung um die Ausbreitungsrichtung Spiegel, insbesondere oberflächenbeschichtete Spiegel zum Einsatz. Um den Parallelversatz einer der beiden Teilstrahlen zu vollziehen, wird einer der Teilstrahlen bevorzugt mit einem Spiegel, beispielsweise wiederum einem Oberflächenspiegel, um 90 Grad abgelenkt und dieser abgelenkte Strahl auf den Strahlteilerwürfel zur Kombination der beiden Teilstrahlen justiert, so dass die interne Oberfläche des kombinierend wirkenden Strahlteilerwürfels wiederum um 90 Grad ablenkend wirkt und hierdurch insgesamt der Parallelversatz erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figur erklärt, wobei sowohl das durchzuführende Verfahren als auch gleichsam die hierfür eingesetzte Vorrichtung und deren optische Komponenten erläutert werden.

Die hier dargestellte Anordnung von optischen Elementen dient zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und bildet somit die erfindungsgemäße Vorrichtung.

Erkennbar ist hier, dass ein linear polarisierter Laserstrahl 1 mit einer vertikalen Polarisationsrichtung auf einen Strahlteilerwürfel ST trifft, in welchem der ursprüngliche Laserstrahl 1 aufgespalten wird in zwei Teilstrahlen 2 und 3, die jeweils

die vertikale Polarisation beibehalten haben. Dabei verläuft aufgrund der Aufspaltung im Strahlteilerwürfel ST bei optimaler Justage die Ausbreitungsrichtung dieser beiden Teilstrahlen senkrecht zueinander, wobei der eine den Strahlteiler ST durchlaufenden Teilstrahl die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 1 aufweist.

Um erfindungsgemäß die Drehung von 180 Grad um die Ausbreitungsrichtung der beiden Teilstrahlen relativ zueinander zu bewirken, ist es hier in dieser Ausführung vorgesehen, nur den Teilstrahl 3 zu drehen, der aus dem Strahlteilerwürfel ST unter 90 Grad zur ursprünglichen Ausbreitungsrichtung herausreflektiert wird.

Hierfür wird der Teilstrahl 3 zunächst mit einem Spiegel SP2 unter 90 Grad abgelenkt, so dass die Ausbreitungsrichtung des Laserteilstrahls 3 zwischen den beiden Spiegeln SP2 und SP3 senkrecht zu derjenigen Ebene steht, die durch den unabgelenkten Teilstrahl 2 und den aus dem Strahlteilerwürfel ST abgelenkten Teilstrahl 3 aufgespannt wird.

Eine weitere Umlenkung erfolgt wiederum um 90 Grad mit einem Spiegel SP3 derart, dass die Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 3 nunmehr entgegen der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 3 ist, nachdem er den Strahlteilewürfel ST verlassen hat.

Eine weitere 90 Grad-Umlenkung erfolgt mit einem Spiegel SP4 derart, dass der Teilstrahl 3 nunmehr eine Ausbreitungsrichtung aufweist, die dem ursprünglichen Laserstrahl 1 bzw. dem nicht abgelenkten Teilstrahl 2 entspricht, d.h. diese beiden Teilstrahlen sind nunmehr, nach dieser dreifachen Umlenkung in einem Abstand parallel zueinander, wobei der Abstand gegeben ist durch den Abstand zwischen den Reflektionsstellen des Laserteilstrahls 3 auf den beiden Spiegeln SP2 und SP3.

Durch die mehrfache Umlenkung ist es zu einer 180 Grad-Drehung des Teilstrahls 3 senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung gekommen, so dass es nunmehr erfindungsgemäß vorgesehen ist, den Teilstrahl 3 nach dieser mehrfachen Umlenkung mit dem Teilstrahl 2 wieder zu vereinen.

Dafür ist es vorgesehen, diese beiden Teilstrahlen in einem polarisierend wirkenden Würfel PW exakt miteinander zu überlagern. Da dieser Würfel polarisierend wirkt, ist es notwendig, dass der durch den Würfel hindurchtretende Teilstrahl 3 bei dieser Anordnung eine vertikale Polarisation aufweist, die der Teilstrahl 3 in dieser Anordnung beibehalten hat.

Um eine Reflektion des Teilstrahls 2 an der internen Reflektionsfläche des Strahlteilerwürfels PW zu bewirken, muss dieser jedoch bei der hier dargestellten Orientierung des Strahlteilerwürfels PW eine horizontale Polarisationsrichtung aufweisen, so dass es hier zunächst vorgesehen ist, im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler ST und dem Strahlteiler PW an einer beliebigen Stelle eine Halbwellenplatte HWP anzuordnen, um die Polarisationsrichtung von der vertikalen linearen Polarisation in die horizontale linear Polarisation zu drehen.

Es können sodann in dem Polarisationswürfel PW die beiden Teilstrahlen 2 und 3 zu einem neuen Gesamtstrahl 4 überlagert werden, der nunmehr beide Polarisationsrichtungen aufweist, die senkrecht zueinander stehen. Es kann demnach hier vorgesehen sein, einen linear polarisierend wirkenden Filter in den Strahlengang zu stellen unter 45 Grad zu den beiden Polarisationsrichtungen, um eine linear Polarisation zu bewirken.

Bei dieser Ausführung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Strahlteiler ST 50% des einfallenden ursprünglichen Laserstrahls 1 reflektiert und 50% transmittiert. Bis auf interne Reflektionsverluste an den reflektierenden bzw. transmittierenden Oberflächen entspricht daher die Gesamtintensität des rekombinierten Strahls 4 der ursprünglichen Intensität des Laserstrahls 1. Die hier dargestellte Anordnung aus optischen Komponenten bildet somit eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei deutlich wird, dass sämtliche optischen Elemente Passivelemente sind, so dass auf jegliche Regelung oder ähnliches hier verzichtet werden kann und somit eine ausschließlich passive Strahlstabilisierung bezüglich Pendelbewegung und bezüglich des Querschnittprofils des Laserstrahls erfolgt.

Mit Bezug auf die hier dargestellte Vorrichtung wird auch deutlich, dass der Laserteilstrahl 3 auf seinem Weg bis zur Wiedervereinigung mit dem Gesamtstrahl 4 einen etwas längeren Weg zurücklegt als der Teilstrahl 2. Dieser Weg ergibt sich durch die Wegstrecken zwischen dem Strahlteiler ST und dem Spiegel SP2 sowie dem Weg zwischen dem Spiegel SP3 und dem Spiegel SP4. Die Wegdifferenz ist bei idealer Anordnung dieses Aufbaus somit 2 x (ST-SP2).

Aufgrund dieser immer vorherrschenden Wegdifferenz kann daher die dargestellte Anordnung nur für kontinuierlich betriebene Laser verwendet werden. Es besteht jedoch die Möglichkeit den Strahlweg des Teilstrahls 2 zwischen den Strahlteilern ST und PW künstlich zu verlängern und so die Weglängen aneinander anzupassen. Dann können auch Laserpulse wieder überlagert werden.

Diese ansonsten vorherrschende Wegdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen 2 und 3 wird bevorzugt möglichst gering gewählt, wobei die Differenzstrecke 2 x (ST- SP2) bevorzugt kleiner gewählt wird als die Strecke zwischen ST und PW.