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DE102004008673A1 - Narrow band emitting laser arrangement with a Faraday rotator switch for switching between given laser wavelengths - Google Patents

Narrow band emitting laser arrangement with a Faraday rotator switch for switching between given laser wavelengths Download PDF

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DE102004008673A1
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Abstract

The laser arrangement has a resonator with an active medium, frequency selective elements and a switching device for switching between wavelengths. The switching device is a Faraday rotator which is repeatedly powered in at least two discrete steps for generating different magnetic fields.

Description

Die Erfindung betrifft eine schmalbandig emittierende Laseranordnung gemäß der Gattung der Patentansprüche, insbesondere einen Festkörperlaser oder einen Farbstofflaser. Derartige Laseranordnungen kommen zur Anwendung in der Laserspektroskopie, bspw. bei der lasergestützten Diagnostik der physikalischen und chemischen Vorgänge bei Verbrennungsprozessen.The The invention relates to a narrow band emitting laser arrangement according to the genus of the claims, in particular a solid-state laser or a dye laser. Such laser arrangements come to Application in laser spectroscopy, for example in laser-based diagnostics the physical and chemical processes in combustion processes.

Bekanntlich werden zur Begrenzung der Bandbreite der von einem Laser emittierten Strahlung hochauflösende Reflexionsgitter eingesetzt (Lambda-Physik, Excimerlaser Compex 150T, 1993). Will man diese Laser bei zwei unterschiedlichen Wellenlängen betreiben, die schnell gewechselt werden sollen (alternierender Zwei-Wellenlängen-Betrieb), so bewegt man das Reflexionsgitter mit einem Piezoversteller zwischen zwei Lagen, die den durch die Anwendung vorgegebenen Wellenlängen entsprechen, siehe DE 196 16 028 C1 . Diese Anordnung ermöglicht mit relativ einfachen Mitteln eine zuverlässige Arbeitsweise und kann mit anderen Geräten synchronisiert betrieben werden. Nachteilig sind hierbei jedoch die hohen resonatorinternen Verluste, die mechanisch bewegten Teile und die begrenzte Frequenz der Wellenlängenumschaltung. Es ist auch schon eine Anordnung vorgeschlagen worden, die für die Messung bei jeder Wellenlänge einen Laser benutzt, wodurch ein hoher Aufwand bedingt ist.As is known, high-resolution reflection gratings are used to limit the bandwidth of the radiation emitted by a laser (lambda physics, Excimer laser Compex 150T, 1993). If you want to operate these lasers at two different wavelengths that are to be changed quickly (alternating two-wavelength operation), moving the reflection grating with a piezo-interposer between two layers that correspond to the wavelengths specified by the application, see DE 196 16 028 C1 , This arrangement allows relatively simple means a reliable operation and can be operated synchronized with other devices. The disadvantage here, however, the high resonator internal losses, the mechanical moving parts and the limited frequency of the wavelength switching. It has also been proposed an arrangement which uses a laser for the measurement at each wavelength, whereby a high cost is conditional.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine schmalbandig emittierende Laseranordnung zu schaffen, die ohne bewegte Teile und mit geringem Aufwand die Wellenlängenumschaltung von einer Wellenlänge zu einer anderen nach einem vorgegebenen Regime ermöglicht.Of the The present invention is therefore based on the object, a narrowband To provide emitting laser assembly without moving parts and with little effort the wavelength switching from one wavelength to one others according to a predetermined regime allows.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst und durch vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Unteransprüchen ergänzt. Die Anwendung des optischen Faraday-Effektes vermeidet jegliche mechanisch beweglichen Teile und lässt die Bestromung des Faraday-Rotators auch in mehr als zwei Stufen zu. Dabei ist der Faraday-Rotator vorzugsweise zwischen den als doppelbrechendes Filter und als Etalon ausgebildeten frequenzselektiven Elementen angeordnet. Diese Kombination ermöglicht das Anschwingen einer einzigen longitudinalen Lasermode und damit eine extrem schmale Bandbreite der emittierten Strahlung (Δλ << 1pm). Die Verwendung des doppelbrechenden Filters unter dem Brewsterwinkel führt zur Emission von linear polarisierter Strahlung. Zusätzlich kann durch Drehung des doppelbrechenden Filters um dessen Flächennormale die Wellenlänge des verwendeten Lasers durchgestimmt werden. Da einerseits nur geringe, im Gradbereich liegende Drehwinkel benötigt werden und andererseits eine schnelle, externe Ansteuerung erfolgen soll, weist der Faraday-Rotator einen aktivierbaren bzw. deaktivierbaren Magneten, im Gegensatz zum allgemein gebräuchlichen Permanentmagneten auf. Der Faraday-Rotator besteht deshalb aus einer entsprechend dimensionierten Spule (Elektromagnet), die einen geeigneten Kristall umgibt. Dieser dreht bei Stromdurchfluss in Abhängigkeit von dessen Stromstärke die Polarisationsebene der linear polarisierten Strahlung in gewünschter Weise um einen definierten Betrag; mit der Drehung ist eine Wellenlängenverschiebung entsprechend dem Modenabstand des eingesetzten Etalons verbunden. Bei einem an die Spule angelegten Strom von etwa 1 A ergibt sich eine Wellenlängenverschiebung von etwa 100 pm. Als laserndes Element kann eine Yb:YAG-Scheibe benutzt werden.According to the invention This task is characterized by the characterizing features of the first Patent claim solved and supplemented by advantageous embodiments according to the subclaims. The Application of the optical Faraday effect avoids any mechanically moving Parts and leaves the energization of the Faraday rotator in more than two stages to. In this case, the Faraday rotator is preferably between the as birefringent filter and etalon-trained frequency-selective Arranged elements. This combination allows the oscillation of a single longitudinal laser mode and thus an extremely narrow Bandwidth of the emitted radiation (Δλ << 1pm). The use of the birefringent filter under the Brewster angle leads to Emission of linearly polarized radiation. In addition, by turning the birefringent filter around its surface normal the wavelength of the used laser to be tuned. Since on the one hand only small, in the degree range angle of rotation are needed and on the other hand a fast, external control should be made, the Faraday rotator an activatable or deactivatable magnet, in contrast to the common ones Permanent magnets on. The Faraday rotator therefore consists of a appropriately sized coil (electromagnet), which is a suitable Crystal surrounds. This turns depending on current flow of its current strength the polarization plane of the linearly polarized radiation in the desired Way to a defined amount; with the rotation is a wavelength shift connected according to the mode spacing of the etalon used. When applied to the coil current of about 1 A results a wavelength shift of about 100 pm. The laser element can be a Yb: YAG disk to be used.

Die Erfindung betrifft insbesondere auch Laser mit geringer Kleinsignalverstärkung, bei denen das bekannte Verfahren der Wellenlängenumschaltung durch Bewegung des Reflexionsgitters nicht anwendbar ist. Bei entsprechender Auslegung der das Magnetfeld erzeugenden Spule (Material, Aufbau, Geometrie) sowie der elektrisch/elektronischen Ansteuerung lässt sich eine Folgefrequenz für den alternierenden Zwei-Wellenlängen-Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung von bis in den kHz-Bereich erreichen.The In particular, the invention also relates to lasers with low signal amplification which the known method of wavelength switching by movement of the reflection grating is not applicable. With appropriate design the magnetic field generating coil (material, structure, geometry) as well as the electrical / electronic control can be a repetition frequency for the alternating two-wavelength operation the inventive arrangement from reaching into the kHz range.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. It demonstrate:

1 einen grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Laseranordnung und 1 a basic structure of the laser arrangement according to the invention and

2 ein Beschaltungsbeispiel für einen Faraday-Rotator. 2 a wiring example for a Faraday rotator.

In 1 umfasst eine Laseranordnung 10 ein laseraktives Element 11 mit Pumpoptik, das einen Laserstrahl 12 emittiert, in dem nacheinander ein zweistufiges doppelbrechendes Filter 13, ein Faraday-Rotator 14, ein Etalon 15 und ein Auskoppelspiegel 16 angeordnet sind. Der die Laseranordnung (den Resonator) 10 verlassende Laserstrahl 12 wird in bspw. aus der DE 196 16 028 C2 bekannter Weise einer Mess- und Auswerteeinheit 32 zugeführt. Enthält die Mess- und Auswerteeinheit 32 eine Pockelszelle und einen Polarisator, so lassen sich kurze Pulse (im nm-Bereich) mit vorgebbarem Zeitabstand erzeugen oder selektieren. Das laseraktive Element 11 kann ein geeigneter Festkörper oder ein geeigneter Farbstoff sein. Im vorliegenden Fall ist es eine Scheibe aus Yb:YAG deren Durchmesser 10 mm und deren Dicke 0,3 mm beträgt, die mit einem Diodenlaser gepumpt werden kann. Hiermit werden im Schmalbandbetrieb bei 1030 nm Ausgangsleistungen von bis zu 6 W erreicht. Die wellenlängenselektiven Elemente sind das im vorliegenden Fall aus zwei planparallelen Platten 131, 132 bestehende doppelbrechende Filter 13 und der Etalon 15, die, abgestimmt auf eine übliche Resonatorlänge von ca. 40–70 cm, eine hinreichende Schmalbandigkeit von Δλ < 1 pm der von der Laseranordnung 10 emittierten Strahlung ermöglichen. Die planparallelen Platten 131, 132 bestehen aus kristallinem Quarz und haben eine Dicke von 8 mm (131) bzw. 2 mm (132). Der Etalon besteht aus synthetischem Quarzglas und hat eine Dicke von 4 mm. Die bspw. angegebenen wellenlängenselektiven Elemente 13, 15 sichern die geforderte Schmalbandigkeit der Laseranordnung 10 und ermöglichen das Durchstimmen der Wellenlänge über einen Bereich von ca. 40 nm. Außerdem gewährleistet die Montage der Platten 131, 132 unter dem Brewsterwinkel die lineare Polarisation der Laserstrahlung 12.In 1 includes a laser arrangement 10 a laser active element 11 with pump optics, a La serstrahl 12 emitted, in succession, a two-stage birefringent filter 13 , a Faraday rotator 14 , an etalon 15 and a decoupling mirror 16 are arranged. The laser arrangement (the resonator) 10 leaving laser beam 12 becomes in for example from the DE 196 16 028 C2 known manner a measuring and evaluation 32 fed. Contains the measuring and evaluation unit 32 a Pockels cell and a polarizer, it is possible to generate or select short pulses (in the nm range) with a predefinable time interval. The laser-active element 11 may be a suitable solid or dye. In the present case, it is a disc of Yb: YAG whose diameter is 10 mm and whose thickness is 0.3 mm, which can be pumped with a diode laser. This achieves output powers of up to 6 W in narrow-band operation at 1030 nm. The wavelength-selective elements are in the present case of two plane-parallel plates 131 . 132 existing birefringent filters 13 and the etalon 15 , which, matched to a usual resonator length of about 40-70 cm, a sufficient narrow band of Δλ <1 pm of the laser array 10 allow emitted radiation. The plane-parallel plates 131 . 132 consist of crystalline quartz and have a thickness of 8 mm ( 131 ) or 2 mm ( 132 ). The etalon is made of synthetic quartz glass and has a thickness of 4 mm. The example given. Wavelength-selective elements 13 . 15 ensure the required narrow band of the laser array 10 and allow the wavelength to be tuned over a range of about 40 nm. In addition, the mounting of the plates ensures 131 . 132 under the Brewster angle, the linear polarization of the laser radiation 12 ,

Der Faraday-Rotator 14 weist eine gemäß 2 beschaltete elektrische Spule 141 auf, die einen Kristall 142 umgibt. Der Faraday-Rotator 14 bewirkt eine im Bereich weniger Winkelgrad liegende Drehung der Polarisationsebene der in der Laseranordnung 10 umlaufenden Strahlung 12. Hierdurch entstehen in Kombination mit dem doppelbrechenden Filter 13 und dem Etalon 15 wellenlängenabhängige Verluste, die zu Wellenlängenänderungen während des Betriebs des Faraday-Rotators 14 führen. Die Wellenlänge der Strahlung 12 ändert sich um diskrete Werte, im vorliegenden Ausführungsbeispiel um etwa 0,090 nm bzw. ein Vielfaches davon, welche durch die Dicke des Etalons 15 gegeben sind. Durch die Veränderung der Etalondicke lässt sich also die absolute Größe der diskreten Wellenlängenänderung beeinflussen.The Faraday rotator 14 has one according to 2 wired electrical coil 141 on that a crystal 142 surrounds. The Faraday rotator 14 causes a lying in the range less angular degree of rotation of the plane of polarization of the in the laser array 10 circulating radiation 12 , This results in combination with the birefringent filter 13 and the etalon 15 wavelength-dependent losses leading to wavelength changes during operation of the Faraday rotator 14 to lead. The wavelength of the radiation 12 changes by discrete values, in the present embodiment by about 0.090 nm or a multiple thereof, which is determined by the thickness of the etalon 15 given are. By changing the etalon thickness, the absolute size of the discrete wavelength change can be influenced.

Als Kristall 142 wird ein wegen seiner Verdet'schen Konstante besonders günstiger Terbium-Gallium-Granat-(TGG-)Kristall verwendet, dessen Verdet'sche Konstante bei 1064 nm –40 Rad T-1 m-1 beträgt. Dabei ist die Verdet-Konstante der Winkel, um den sich die Polarisationebene dreht, wenn an einen 1 m langen Kristall ein Magnetfeld von 1 T Stärke angelegt wird. An Stelle des TGG-Kristalls kann bspw. auch Tb:Glas oder ein anderes Material verwendet werden. Die hier weiterhin wichtigen Parameter des TGG-Kristalls 142 sind Länge 25 mm Durchmesser 5 mm Absorptionskoeffizient 0,0015 cm-1 Thermische Leitfähigkeit 7,4 Wm-1K-1 Brechungsindex 1,95. As a crystal 142 a terbium gallium garnet (TGG) crystal, which is particularly favorable because of its Verdet constant, is used, whose Verdet's constant at 1064 nm is -40 Rad T -1 m -1 . In this case, the Verdet constant is the angle by which the plane of polarization rotates when a magnetic field of 1 T is applied to a 1 m long crystal. For example, Tb: glass or another material may also be used instead of the TGG crystal. The here further important parameters of the TGG crystal 142 are length 25 mm diameter 5 mm absorption coefficient 0.0015 cm -1 Thermal conductivity 7.4 Wm -1 K -1 refractive index 1.95.

Zur Spule 141 werden in nachfolgender Tabelle die Parameter zweier beispielhafter Ausführungsformen angegeben, die für zwei Tastverhältnisse gelten. Das Tastverhältnis ist das Verhältnis aus Bestromungszeitintervall und gesamter Periodendauer.To the coil 141 the parameters of two exemplary embodiments, which apply to two duty cycles, are given in the following table. The duty cycle is the ratio of the current flow time interval and the total period duration.

Tabelle:

Figure 00040001
Table:
Figure 00040001

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass durch die Erhöhung des Tastverhältnisses von 1:2 auf 1:20 die maximale Stromdichte von 9,5 Amm-2 auf 100 Amm-2 erhöht werden kann, während die thermische Belastung gleich bleibt. Es werden höhere Frequenzen bei kleineren Zeitkonstanten erreicht. Mit den erreichbaren Magnetfeldern von z. B. 100 mT bei einem Spulenstrom von 1,4 A werden die gewünschten Wellenlängenumschaltungen ermöglicht. Die Parameter der Spule ergeben sich aus den geometrischen und physikalischen Dimensionen des Kristalls.From the table it can be seen that increasing the duty cycle from 1: 2 to 1:20 can increase the maximum current density from 9.5 Amm -2 to 100 Amm -2 while the thermal load remains the same. Higher frequencies are achieved with smaller time constants. With the achievable mag fields of z. B. 100 mT at a coil current of 1.4 A, the desired wavelength switching possible. The parameters of the coil result from the geometric and physical dimensions of the crystal.

In 2 ist eine Ansteuerelektronik 17 für den Faraday-Rotator 14 (1) dargestellt, die im Ausführungsbeispiel auf einer Darlington-Transistorschaltung basiert. Mit 18 ist ein Anschluss an eine Betriebsspannung UB bezeichnet, die in Abhängigkeit von der unten beschriebenen Transistorschaltung wirksam ist. Ein Kondensator 19 dient zur Glättung des Stromes, zur Reduzierung der Spannungsspitzen, eine Diode 20 zur Vermeidung von Gegenströmen beim Ausschalten der Ansteuerelektronik 17. Mit 141 ist die Spule des Faraday-Rotators 14 bezeichnet, die angesteuert wird. Ein Pulsgenerator 31, der die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis zum Betreiben der Spule 141 festlegt, ist bei 21 an die Ansteuerelektronik angeschlossen; ein zugehöriger Masseanschluss ist mit 22 bezeichnet. Die Impulse gelangen über einen Anpassungswiderstand 23 zur eigentlichen Darlington-Transistorschaltung, deren Steuereingang über einen hochohmigen Widerstand an Masse 24 liegt und welche die Transistoren 25, 26 umfasst. Der Transistor 25 schaltet den Leistungstransistor 26 und damit die Spule 141 in Abhängigkeit von den Impulsen 310, die vom Pulsgenerator 31 geliefert werden, und zwar schaltet die Impulsflanke 311 den Strom durch die Spule 141 ein und die Flanke 312 den Stromfluss durch die Spule 141 aus. Der dabei hervorgerufene Spulenstrom kann bis zu 5 A bei ca. 50 V betragen. Beide Transistoren 25, 26 bzw. die gesamte Schaltung 17 wirken als Hochleistungsschalter für die Bestromung der Spule 141. Zum Messen des Spulenstroms ist ein Messwiderstand 27 vorgesehen. Eine Anschlussbuchse 28 mit einem Masseschluss 29 sind für ein Messgerät 30 vorgesehen, mit dem die Spulenspannung ermittelt werden kann.In 2 is a control electronics 17 for the Faraday rotator 14 ( 1 ), which in the exemplary embodiment is based on a Darlington transistor circuit. With 18 is a terminal to an operating voltage U B , which is effective in response to the transistor circuit described below. A capacitor 19 is used to smooth the current, to reduce the voltage spikes, a diode 20 to avoid counter currents when switching off the control electronics 17 , With 141 is the coil of the Faraday rotator 14 referred to, which is controlled. A pulse generator 31 which determines the switching frequency and the duty cycle for operating the coil 141 is at 21 connected to the control electronics; an associated ground connection is with 22 designated. The pulses arrive via a matching resistor 23 to the actual Darlington transistor circuit whose control input via a high-impedance resistor to ground 24 is and which the transistors 25 . 26 includes. The transistor 25 switches the power transistor 26 and with it the coil 141 depending on the pulses 310 that from the pulse generator 31 are delivered, and that switches the pulse edge 311 the current through the coil 141 one and the flank 312 the current flow through the coil 141 out. The resulting coil current can be up to 5 A at approx. 50 V. Both transistors 25 . 26 or the entire circuit 17 act as a high-performance switch for energizing the coil 141 , For measuring the coil current is a measuring resistor 27 intended. A connection socket 28 with a ground fault 29 are for a meter 30 provided, with which the coil voltage can be determined.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.All in the description, the following claims and the drawing Features can both individually and in any combination with each other invention essential be.

1010
Laseranordnunglaser assembly
1111
laserndes Elementlasing element
1212
Laserstrahllaser beam
1313
doppelbrechendes Filterbirefringent filter
1414
Faraday-RotatorFaraday rotator
1515
Etalonetalon
1616
Auskopplungsspiegeloutcoupling mirror
1717
Ansteuerelektronikcontrol electronics
18, 2118 21
Anschlüsseconnections
1919
Kondensatorcapacitor
2020
Diodediode
2222
Masseanschlussground connection
2323
Anpassungswiderstandmatching resistor
2424
MasseDimensions
2525
Transistortransistor
2626
Leistungstransistorpower transistor
2727
Messwiderstandmeasuring resistor
2828
Anschlussbuchsesocket
2929
Masseanschlussground connection
3030
Messgerätgauge
3131
Pulsgeneratorpulse generator
3232
Mess- und Auswerteeinheitmeasurement and evaluation unit
131, 132131 132
planparallele Plattencoplanar plates
141141
SpuleKitchen sink
142142
Kristallcrystal
310310
Impulspulse
311, 312311 312
Impulsflankenpulse edges

Claims (7)

Schmalbandig emittierende Laseranordnung mit Umschaltung zwischen vorgebbaren Laserwellenlängen, die in einem Resonator ein aktives Medium, frequenzselektive Elemente und ein Schaltmittel zur Wellenlängenumschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmittel ein Faraday-Rotator ist, dessen Bestromung zur Erzeugung unterschiedlicher Magnetfelder in mindestens zwei diskreten Stufen wiederholt erfolgt.Narrow-band emitting laser arrangement with switching between predefinable laser wavelengths, comprising in a resonator an active medium, frequency-selective elements and a switching means for wavelength switching, characterized in that the switching means is a Faraday rotator, the Current supply for generating different magnetic fields in at least two discrete stages repeatedly takes place. Schmaldbandig emittierende Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Resonator ein doppelbrechendes Filter, ein Etalon und ein Farraday-Rotator vorgesehen sind.Schmaldbandig emitting laser assembly according to claim 1, characterized in that in the resonator a birefringent Filter, an etalon and a Farraday rotator are provided. Schmalbandig emittierende Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faraday-Rotator zwischen dem doppelbrechenden Filter und dem Etalon angeordnet ist.Narrow-band emitting laser arrangement according to claim 2, characterized in that the Faraday rotator between the birefringent filter and the etalon is arranged. Schmalbandig emittierende Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Farraday-Rotator dem Etalon in Richtung eines austretenden Laserstrahlengangs nachgeordnet ist.Narrow-band emitting laser arrangement according to claim 2, characterized in that the Farraday rotator the etalon is arranged downstream in the direction of an emerging laser beam path. Schmalbandig emittierende Laseranordnung nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Bestromung des Faraday-Rotators variierbar ist.Narrow-band emitting laser arrangement after at least one of the preceding claims, characterized in that the strength of the energization of the Faraday rotator is variable. Schmalbandig emittierende Laseranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Bestromung des Faraday-Rotators variierbar ist.Narrow-band emitting laser arrangement according to claim 2, characterized in that the duration of the energization of the Faraday rotator variable is. Schmalbandig emittierende Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektronischen Ansteuerung des Faraday-Rotators eine modifizierte Darlington-Transistorschaltung verwendet wird.Narrow-band emitting laser arrangement according to claim 1, characterized in that for the electronic control of the Faraday rotators a modified Darlington transistor circuit is used.
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