degree of presented by Dipl. Phys. ETH - ETH E

Di
SS.
ETH No.
7417
HELICAL DISTRIBUTEO FEEDBACK GAS LASER:
THEORY AND REALIZATION
A dissertation
SWISS FEDERAL
submitted to the
INSTITUTE OF TECHNOLOGY,
for the
Doctor
of
of
degree
Natural
ZUERICH
Sciences
presented by
PETER
HANS
PREISWERK
Dipl. Phys.
January 10, 1953
born
Citizen
accepted
Prof.
Dr.
of
Dr.
R.
F.K.
Kneubuhl
Dandliker, Neuchatel
1983
t
Basel
the recommendation of
on
Prof.
ETH
Zusammenfassung
Distributed Feedback
(DFB)
kopplungsmechamsmus
bei
und Shank
periodischen Modulationen
an
1971 DFB erstmals
wiesen
darauf gelang dies Yariv et al.
waren
in
dann Affolter und Kneubtfnl
Gaslaser
zur
Rifckkopplung
Anwendung
in
bringen.
zu
Bragg-Reflexion
durch
in
an
Lage,
DFB-Prinzip
das
diesen Lasern
all
deshalb
Kernstuck
Mit
Hilfe
ein
genannt.
Laser
neuartiger DFB Laser,
In der
einem
erfolgt
die
Sie werden
Arbeit wird
vorliegenden
Helix-DFB Gaslaser,
ein
in
periodischen Brechungs¬
linear
index-, Querschnitts- und/oder Verstärkungsmodulationen.
lineare DFB
Kurz
Festkörperlaser. Erst 1979
einem
Bei
Kogelnik
Farbstofflaser nach.
einem
der
Ruck-
als
ist
Lasern seit einiger Zeit bekannt.
vorgestellt,
ein
dessen
Metallwellenleiter mit Schraubenstruktur bildet.
gruppentheoretischer Methoden
vorerst untersucht,
wird
ob
schraubenförmige Strukturen überhaupt Bragg- und DFB-Effekte zeigen
können.
die
Ausgehend
vom
förmige Strukturen
Kreuzungspunkte
irreduzibler
kung.
Mit
Zweige
an
Störung analog
diesen
Stellen für
Bragg-
wird demonstriert,
Stellen bei
verhalten
schrauben¬
und
Gruppentheorie
der
bilden die
Dispersionsrelationen mit identischer
von
die
Storungsrechnung
Laserstrukturen.
für
der
hergeleitet. Aufgrund
Darstellung
sionsrelationen
gen
runden, glatten metallischen Hohlleiter werden
Dispersionsrelationen für verschiedene periodische
wie
und DFB-Wechselwir¬
dass
Einfuhrung
diejenigen
von
sich
einer
linear
Disper¬
die
schraubenförmi¬
periodischen
Damit wird der Beweis erbracht, dass DFB nicht
periodische sondern auch für schraubenförmige Strukturen
nur
exi¬
stiert.
Im Hinblick auf die Realisierung
nächsten Kapitel
Gaslasers diskutiert.
Theorie
Helix-OFB Lasers werden
Unsere Experimente
eines
zeigten,
Indexmodulation
für
Dieses Resultat diente
einen
als
dass die
helixförmigen DFB-Wellenleitern.
linearen DFB Gaslaser
Ausgangspunkt
für die
im
linearen DFB
gekoppelter Wellen hergeleitete Modengleichung für
schwacher
ist.
eines
Modeneigenschaften
vorerst die
aus
der
DFB mit
geeignet
Herstellung
Diese Gewindestrukturen erfordern
von
Steigung,
eine
welche
ungefähr
die
länge beträgt. Unsere Messungen
Hälfte der entsprechenden Wellen-
Transmission
der
von
derartigen
»
Wel¬
lenleitern, einerseits mit Mikrowellen und andrerseits mit Submillimeter-Wellen, werden
Kapitel
in
zen
können als durch
gen
interpretiert werden.
Die erste
mit
ser
Es handelt
zu
sich
um
Temperaturregelung
einem
linearen DFB
in
Kapitel
optisch gepumpten 496
einen
Laserwellenlänge
sehr präzise
abgestimmt
Gaslaser wird eine
viel
La¬
Die
kann mittels
und
werden
5 be¬
CH3F
um
metallischer Wellenleiterstruktur.
Hälfte der
rund die
Die beobachteten Resonan¬
verursachte Modenumwandlun¬
Helix-DFB Gaslasers wird
eines
schraubenförmiger,
Steigung beträgt
einer
Bragg-Wechselwirkung
Realisierung
schrieben.
4 beschrieben.
Im
Vergleich
stärkere Modenselektion
beobachtet.
Schliesslich wird
gewiesen.
Durch
rischen Kristall
len.
im
Kapitel
Einbringen
lässt
Dies wurde bereits
sich
vor
6 auf
eines
ein
rund
einen
weiteren
Laserfarbstoffes
flussiger
zehn
DFB
Jahren
schrieben, jedoch ohne Bezug auf Helix-DFB.
wegen
der
ebenfalls
Doppelhelix-Symmetrie
ein
der
Helix-DFB Laser hin¬
in
einen
cboleste-
Farbstofflaser herstel¬
in
einem
US-Patent be¬
Unsere Theorie zeigt,
cholesterischen Kristalle dies
Helix-DFB Laser darstellt.
dass
i
Summary
Distributed
feedback
(DFB)
do not
lasers
conventional
use
resonator
mirrors, but provide feedback via backward Bragg scattering from
periodic variations of refractive index, waveguide cross-section and/
of the
gain
or
laser medium
The principle of DFB
Shank in 1971,
and
in
a
linear DFB lasers.
helical
a
theoretical
helical
riodic
laser
considerations
waveguide
is
on
1979.
therefore, they
and
new,
dye laser by Kogelnik
these DFB
All
or
and the
guides
are
that these
not
are
structures.
are
introduced
source.
walls
linear pe¬
The
perturbations.
as
relations
are
discussed.
In
re¬
spite
the dispersion relations of continuous helical
wave-
periodic in the propagation constant it is demonstrated
structures also reveal
Bragg
and DFB effects.
been
performed.
or
with
The helical
an
were
are
passive helical
performed either with
optically pumped 496 |im
waveguides
on
They show the predicted Bragg
The transmission measurements
klystron
um
from the passive
Starting
symmetries of linear periodic and helical structu¬
waveguides have
resonances.
laser,
derived by group
addition, microwave and far-infrared experiments
In
metal
are
called
are
cylindrical, circular linear periodic
corresponding dispersion
of the fact that
1973, and
in
lasers
different type of DFB
type of laser
laser
and
a
a
presented.
new
helical modulations
lations between the
7
in
in
by Yariv et al.
laser
cylindrical waveguide with ideally conducting
hollow
res
al.
In this paper
DFB
The basic features of this
and
et
State
linear periodic modulations
on
namely
solid
laser by Affolter
gas
based
a
incorporated
first
was
in
itself.
CH3F
laser
as
a
a
essentially metallic nuts with
a
pitch close to half the guide wavelength of the corresponding radiation.
sed
The observed
resonances
by Bragg interaction.
are
interpreted
as
mode
conversions
cau-
These studies
first
pumped 496
guide.
passive structures served
is
be
can
CH3F
um
whose pitch
laser
on
realization of
helical
laser with
close
tuned
a
to
an
half the
as
laser.
gas
starting-point
It
is
oversized helical
guide wavelength
an
zation of the pump radiation
helical
is
discussed.
DFB provides
for
waveguide
brass
of the emission.
The
wave¬
influence of the polari-
An important result
higher
the
optically
by temperature Variation of the metallic
Besides construction, Performance and
Observation that
to
DFB
mode
is the
selectivity compared
linear DFB.
Finally,
it
is
demonstrated
that
the concept of
DFB
helical
also
mixture of
applies to dye
internal
the dye with
cholesteric
liquid crystal. This represents another il-
lustration
a
of the concept of helical
incorporated by
DFB
lasers with
DFB.
a