DE1955963A1

DE1955963A1 - Optisches UEbertragungsmittel,insbesondere Festkoerperlaser mit hoher Ausgangsleistung

Info

Publication number: DE1955963A1
Application number: DE19691955963
Authority: DE
Inventors: Teiji Uchida
Original assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Current assignee: Nippon Selfoc Co Ltd
Priority date: 1968-11-16
Filing date: 1969-11-06
Publication date: 1970-10-15
Also published as: NL6917219A; GB1269103A; FR2023459A1; US3617917A

Description

Optisches übertragungsmittel, insbesondere Festkörperlaser mit hoher Ausgangsleistung

Die Erfindung betrifft ein optisches Übertragungsmittel, insbesondere Festkörperlaser mit hoher Ausgangsleistung aus transparentem Material wie Glas oder Kunststoff.

Es sind kürzlich Festkörperlaser für kontinuierliche Schwingung entwickelt worden, deren Ausgangsleistung so hoch ist wie die der herkömmlichen Gaskörperlaser·

Ein derartiger Festkörperlaser ist beispielsweise ein dünner Glaskörperlaser nach der älteren, nicht vorveröffentlichten, deutschen Patentanmeldung P 19 34 141.4 Hierbei ist die Brechungsindexverteilung über dem Querschnitt senkrecht zur Achse des Glaskörperlasers in der Achse am höchsten und nimmt zur Oberfläche hin ab, wobei laseraktive Oxyde wenigstens über einem Teil der gesamten Länge des Lasers angereichert sind.

Bei dem vorgeschlagenen Glaskörperlaser kann die

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Brechungsindexverteilung-durch di· Gleichung

π - N(I - -i- ar²) (i>

bestimmt sein, wobei N der Brechungsindex in der Achse des Lasers, r der radial· Abstand von der Achse, a eine Konstante und η der Brechungsindex lsi Abstand r von der Achse sind.

In eine« zylindrischen Gasmedium, das die vorgenannte Brechungsindexverteilung aufweist, wird ein Lichtstrahl, der an de» einen Ende des Gasaediums unter eine« Winkel zur Achse auffällt, welcher kleiner ist als ein gewisser Grenzwert, in Achsrichtung durch das Gasmediusi hindurchgeleitet, wobei er üb die Achse schwingt, ohne von den Gasmedium abzuweichen. Dieser Vorgang ist von S. E. Miller in einer Abhandlung näher analysiert worden, die in der Zeitschrift "The Bell System Technical Journal", Vol. 44, Nr. 9, Seiten 201? bis 2064 veröffentlicht worden ist.

" In den vorerwähnten Glaskörperlaser, der laseraktiv· Ionen enthält, und der weiterhin als Konvergenz-Glaskörperlaser bezeichnet wird, bestehen zwischen den Lichtstrahlen selbst dann keine Unterschiede in den optischen Weglängen, wenn der stabförmige Laser einen relativ schmalen Querschnitt aufweist. Mit anderen Worten, die Phasengeschwindigkeiten zwischen den Lichtstrahlen, die durch den Glaskörperlaser hindurchwandern sind gleich groß. Daher kann eine ultraschnelle Lichtimpulskette ohne Verzerrungen verstärkt werden, wenn ein Laserverstärker nach Art eines in der vorgenannten älteren Patentanmeldung offenbarten Konvergenz-

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Glaskörperlasers ausgebildet ist.

Auch wenn der Konvergenz-Glaskörperlaser einer optischen Erregung unterworfen wird, die für die Laserschwingung und Laserverstärkung notwendig ist, werden die Erregerlichtstrahlen, die den Laser von außen bestrahlen, aufgrund seiner vorgenannten Brechungsindexverteilung im Axialbereich konzentriert. Da der Laserlichtstrahl, der durch das Erregerlicht von dem Laser ausgesendet wird, in Achsrichtung durch ihn hindurchläuft, wobei er üb die Laserachse oszilliert, ist die Erregerleistung sehr hoch.

Wie sich aus des vorstehenden ergibt, entspricht der vorgeschlagene Konvergenz-Glaskörperlaser hinsichtlich seiner Brechungsindexverteilung, definiert durch die Gleichung (1), de« Gaskörperlaser nach Miller. Daher ist aufgrund der erwähnten Untersuchungen von Miller die Fleckgröße tt (Durchmesser) der Eingangs- und Ausgangelichtstrahlen in der Grundart bestimmt durch die Gleichung

wobei Xo die Wellenlänge des Lichtes im freien Raum ist.

Ein Lichtstrahl, der mit der vorstehenden Fleckgröße auf einen Konvergens-Glaskörperlaser auftrifft, wird verstärkt und erscheint an der Austrittsendfläche des Lasers mit der gleichen Fleckgröße. Da die Energie des Lichtstrahles durch seine Fleckgröße begrenzt ist, ist auch die Intensität des Laserausgangs begrenzt.

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In anderen Worten, die Sättigung tritt in der Nähe der Ausgangsendflache des Lasers ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisches Übertragungsmittel, insbesondere einen Festkörperlaser, anzugeben, wobei eine erhöhte Ausgangsleistung erzielbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Brechungsindex des Ubertragungsaittels in seinem Querschnitt von der Achse zur Oberflüche abnimmt und außerdem sich in Achsrichtung verändert.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß laseraktives Material wenigstens in einem Teil der axialen Erstreckung des Ubertragungsaittels vorgesehen ist und daß der Brechungsindex η im Querschnitt senkrecht zur Laserachse in einem Punkt mit dem Abstand r von der Laserachse im wesentlichen durch den Ausdruck

η - N ( i - \ ar²)

definiert ist, worin N der Brechungsindex in der Achs« und a eine positive Konstante sind, wobei wenigstens eine der Größen N oder a oder beide Größen sich entlang der Laserachse ändern.

Weitere Ausführungen oder Weiterbildungen nach der Erfindung können den weiteren Unteransprüchen entnommen werden.

Da sich wenigstens eine der Größen N oder a entlang der Achse verändert, ist die Fleckgroße an der Ausgangs— endfläche eines erfindungsgemäßen Konvergenz-Glaskörperlasers unterschiedlich von der an der Eingangsendfläche.

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ι Ο J J j C υ - 5 -

Da auch der Sättigungsgrad des Laserausganges, der in der Nähe der Ausgangsendfläche beobachtet wird, von der Lichtenergiedichte abhängt, führt die größere Fleckgröße am Ausgangsende des Lasers zu einer erhöh· ten Ausgangsleistung·

Das Licht, das durch den Glaskörperlaser nach der Erfindung hindurchwandert, hat an seiner Ausgangsendfläche eine größere Fleckgröße als an der Eingangsendfläche, so daß sich im ganzen eine höhere Ausgangsleistung ergibt.

Die Erfindung wird anhand von schematischen Zeichnungen mehr im einzelnen erläutert. Hierin zeigt bzw. zeigen

Fig.l einen Längsschnitt durch einen Festkörperlaser nach der Erfindung mit einem in Achsrichtung durch den Laser hindurchtretenden Lichtstrahl und

Fig. 2a und b scheraatisch die Veränderung der Fleckgröße der Lichtstrahlen, die durch den Laser hindurchwandern.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Laser mit 1 bezeichnet. Der Laser 1 weist eine längliche Kegelstumpffor« mit Endflächen 3-3' und 4-4* senkrecht zur Achse 20 - 20* auf. Geht man von einem zylindrischen Koordinatensystem aus, in dem die z-Achse in der Achse 20 20' in Richtung von der Endfläche 3-3* zur Endfläche 4-4* liegt, dann ist der Brechungsindex n.Cr, z) an einem willkürlichen l*unkt des Lasers im wesentlichen gegeben durch die Beziehung

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ORiGiNAi. IWSPcCTED

n(r, ζ) - N(z) [l - a(z) r²] , (3)

wobei ζ ein Ort auf der Achse, r der radiale Abstand von der Achse, N(z) der Brechungsindex an eines Punkt ζ auf der Achse und a(z) eine positive Konstante sind, und a(z) ist nur durch die Koordinate ζ bestiaat. Es wird vorausgesetzt, daß sowohl N(z) als auch a(z) in den Maße gleichmäßig abnehnen wie ζ zunimnt.

Mit 2 sind die laseraktiven Ionen (zum Beispiel Neodyeion Nd ⁺) und außerdem der Aktivator (zum Beispiel Uranion U ) bezeichnet, die gleichmäßig in dem Glaskörper 1 verteilt sind»

Ein Lichtstrahl 11 wird auf der Eingangsendfläche 3-3* an einen Punkt zum Einfallen gebracht, wie es Fig. 1 zeigt. Die Fleckgröße des Lichtstrahles ist im wesentlichen gleich der spezifischen Fleckgröße, die durch die Brechungsindexverteilung an der Eingangsendfläche 3-3' bestirnt ist.

Da der Laser 1 aufgrund der Brechungsindexverteilung, die durch die Gleichung 3 definiert ist, eine Konvergenzwirkung besitzt, oder, in anderen Worten, wegen des hohen Brechungsindex in der Achse und des relativ kleinen Brechungsindex an der Peripherie des Lasers 1, tritt der Lichtstrahl 11 durch den Laser 1 hindurch und schwingt dabei im die Laserachse.

Außerdem nimmt der Brechungsindex des Lasers 1 in Richtung der Achse 7 ab.

Die Konvergenzwirkung des Lasers 1 niurt daher in den

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HaBe ab, wie der Laserstrahl In Fig. 1 von rechts nach links entlang der z-Achse wandert. Daher wird der Querschnitt des Lichtstrahles um so größer, je näher er sich der Ausgangsendfläche 4-4' nähert, wie der «it 11* bezeichnete Lichtstrahl in Fig. 1 innerhalb des Lasers 1 verdeutlicht. Wenn also die Brechungsindexverteilung entlang der z-Achae in vorstehender Weise derart gewählt ist, daß der Lichtstrahl 11* nicht von der Peripherie des Lasers 1 abgelenkt wird, wird der Lichtstrahl, der auf die Eingangeendfläche auffällt, durch den Laser 1 hindurchgeführt, wie es in Fig. 1 »it 11* veranschaulicht ist, und schwingt dabei um die Laserachse. Der Lichtstrahl trifft hierbei auf laseraktive Stoffe 2 und tritt sodann aus der Ausgangeendfläche 4-4* aus. Mit de« Erregerlichtstrahl 5 , der auf den Laser 1 konzentriert wird, tritt der Eingangslichtstrahl 11 als Ausgangelichtstrahl 11'' aus des Laser 1 wieder heraus.

Da die Größen a(e) und N(e) des Glaskörperlasers nach der Erfindung fortlaufend in des Maße abnehmen, wie s größer wird, sind die Fleckgrößen an den Eingangs- und Ausgangsendflächen entsprechend den Gleichungen (2) und (3) bestimmt durch die Beziehungen

Ν_ο r2

O O 9 8 L 2 ' ι 5 B 9

INSPECTED

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(5)

worin a. und N₁ bzw. a und N Größen von a(z) bzw. N(z) an den Eingangs- und Ausgangsendflächen bezeichnen und η « n(r, z) ist. Da die Beziehungen &* y a_n und N₁> N₀ gelten, gilt die Ungleichheit W_Q > W₁ . Die Fleckgröße aa Ausgang ist daher sichtbar größer ia Vergleich ait der Fleckgröße aa Eingang.

Als Ergebnis kann der Sättigungswert, der durch die Energiedichte des Lichtstrahles an der Ausgangsendfläche 4-4* bestiaat ist, vergrößert werden, ua eine relativ große Ausgangsleistung zu erhalten.

Fig. 2a zeigt scheaatisch die Verbreiterung der Fleckgröße bei eineä erfindungsgeaäßen Laser.

Obgleich bei de« vorstehenden Laser nach der Erfindung angenoaaen ist, daß beide Größen a(z) und N(z) gleichaäßig ait ζ kleiner werden, ergibt sich aus den Gleichungen (4), (5), (6) und (7), daß der gleiche Effekt sogar für den Fall erhalten werden kann, daß nur eine der beiden Größen a(z) oder N(z) ait ζ abnehaen.

Auch die Gestalt des Lasers nach der Erfindung kann

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des dargestelltem Beispiel in Fig;« 1 in der Farn eines länglichen Kegel st umpXes einreichen« Eine zylindrische Gestalt, wie sie in Fig. 2Ii angedeutet ist* kenn w&a Vorteil sein, wenn nur eine der beiden Größe» a(x) eÄer K{z) »it z abniwrt.

Wie sieb an* des Vorstellenden ergibt, läßt sich erfin ein Festkörperlaser sit heater Ausgangeleiverwirklichen.

Obgleich die Erfindung anhand eines Glaekörperlasers Biber beschrieben und erläutert wurde, ist die Erfineteng nicht auf Glaakörperlaeer beschränkt* So kann statt Glas auch jedes andere transparente Material) wie Kunststoffe als Material für einen Festkörperlaser nach der Erfindung Verwendung finden.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

f1 «1 Optische» ÜbertraguagsjKittel, insbesondere Festkörperlaser Kit hoher Anggangsleistung, sos parentes Material vie (Has oder Kunststoff, d & durch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex des Ühertregungseittele in mmtamm, Querschnitt von der Aeks-e xmt Oberfläche abniaat und außer des sich in Achsrichtung rerändert«

2* Optisches Übertragung»»! ttel nach Anspruch 1 , d adurch gekennzeichnet, daft laseraktives Material wenigstens in eines feil der axialen Erstreckung des tlhertragungSÄittels vorgesehen ist und daß der Brechungsindex η ie Querschnitt senkrecht zur Laeerachse in eimern Punkt alt de« Abstand r von der Laserachse im iresentlichen durch· den Ausdruck

η « Il Cl - I *Λ

definiert ist» worin IF der Brechungeindex in der Achse und a eine positiv» Konstante sind, wobei wenigstens eine der Größen If oder a oder beide Größen sich entlang der Laserachse andern·

3« Optisches Übertragungseittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ÜbertragungsBittel eine längliche Kegelstuapfgestalt aufweist und beide Größen K und a vom der kleineren Eingangsendfläehe des Übertragungselttels in Richtung; seiner Achse zur größeren Ausgangsendfläche gleichKäßig abniurt.

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4. Optisch·« übertragungsmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet-, daß das Übertragungsmittel eine zylindrische Gestalt aufweist und eine der beiden Größen N oder a von der Eingangsendfläche gleichmäßig abnimmt.

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