DE19711838C2 - Startresonatoranordnung für einen phasenkonjugierten Laser-Oszillator - Google Patents

Description

Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die gegenüber konventionellen Resonatoren, die als Startresonatoren für phasenkonjugierte Laser-Oszillatoren dienen, eine Vergrößerung des Stabilitätsbereiches bezüglich der thermisch induzierten Brechkraft des aktiven Mediums ermöglicht. Die Vorrichtung besteht aus einem oder mehreren Spiegeln, die jeweils als Resonatorspiegel für den Startresonator fungieren, jedoch bedingt durch den unterschiedlichen Krümmungsradius und/oder eine Positionierung in unterschiedlichen Ebenen einen stabilen Betrieb des Startresonators in unterschied­ lichen Brechkraft-Intervallen erlauben. Dabei werden bevorzugt entweder teildurchlässige Spiegel unterschiedlichen Krümmungsradius seriell in geeigneten Abständen aufge­ reiht, oder es wird über einen oder mehrere Strahlteiler der Laserstrahl auf unter­ schiedliche Resonatorspiegel aufgespalten. Durch geeignete Aneinanderreihung der Stabilitätsbereiche der einzelnen Resonatoren kann erreicht werden, daß der Startre­ sonator immer nur zwischen denjenigen Spiegeln oszilliert, die für die gerade vorliegende Brechkraft des aktiven Mediums einen stabilen Betrieb ermöglicht. Beim Übergang von einem zum anderen Stabilitätsbereich geht die Laser-Oszillation auf einen anderen Resonator über.

Ein phasenkonjugierter Oszillator besteht aus einem konventionellen Spiegel (dh. einem Substrat mit einer dielektrischen oder metallischen Beschichtung), einem phasenkonjugierenden Spiegel (im folgenden kurz Phasenkonjugator) sowie einem zwischen diesen Spiegeln befindlichen aktiven (dh. lichtverstärkenden) Medium. Der Phasenkonjugator zeichnet sich dadurch aus, daß er ein einfallendes elektromagne­ tisches Feld in ein Feld mit konjugiert komplexer Phase transformiert. Dies bedeutet insbesondere eine exakte Umkehr der Ausbreitungsrichtung des einfallenden Feldes. Hierdurch ist es möglich, Phasenstörungen in einem optischen Resonator, insbeson­ dere bedingt durch das aktive Medium, zu kompensieren. Insbesondere hervor­ zuheben ist dabei die sogenannte thermische Linse bei optisch gepumpten Festkörper­ lasern. Hierbei besteht das aktive Medium aus einem mit aktiven Atomen dotierten zylinderförmigen Kristall, der über die Mantelfläche gekühlt wird. Bei der optischen Anregung solcher Kristalle wird ein Teil der absorbierten Lichtleistung in Wärme umgesetzt. Bedingt durch die Kühlung des Kristalles auf den Mantelflächen und die Wärmeleitung im Kristall kommt es dabei zu einem sich entlang der Radialkoordinate ausbildenden, in erster Näherung parabolischen, Temperaturprofil. Da der Bre­ chungsindex in der Regel von der Temperatur abhängt, resultiert aus dem entspre­ chenden Brechungsindexprofil eine Linsenwirkung des Kristalles beim Durchgang eines Laserstrahles. Die Brennweite dieser sogenannten thermischen Linse nimmt mit der optischen Pumpleistung ab und kann leicht in die Größenordnung der verwende­ ten Resonatorlänge gelangen, so daß die transversale Modenstruktur des Resonators signifikant beeinflußt wird. Insbesondere kann es dazu kommen, daß für bestimmte Brechkräfte der thermischen Linse der Resonator instabil wird, d. h. es kann sich keine nach einem Resonatorumlauf reproduzierende Feldverteilung ausbilden. Das Pumpleistungs- bzw. Brechkraftintervall, in dem der Resonator stabil ist, hängt von der Resonatorgeometrie ab, kann aber bei für Grundmodebetrieb optimierten Resona­ toren weniger als 10% der maximal verfügbaren Pumpleistung betragen. Daher können konventionelle Resonatoren ohne aktive Veränderung der Resonatorgeometrie in der Regel nur in einem eingeschränkten Stabilitätsbereich betrieben werden.

Im Gegensatz dazu zeichnen sich phasenkonjugierte Resonatoren dadurch aus, unabhängig von der thermischen Linse einen stabilen Laserbetrieb zu ermöglichen. Da jedoch Phasenkonjugation in der Regel auf nichtlinear von der Laserleistung abhängigen Effekten basiert, ist zum Starten des phasenkonjugierten Resonators ein konventioneller Resonator erforderlich, der zunächst einen Reflexionsgrad des Phasenkonjugators anregt. Aufgrund der oben diskutierten Problematik ist dies jedoch nur in einem eingeschränktem Brechkraftbereich der thermischen Linse möglich.

Zur Zeit werden mit blitzlampengepumpten Nd-Laser-Oszillatoren und sogenannten SBS-Zellen als phasenkonjugierende Elemente mittlere Ausgangsleistungen von einigen 10 Watt erzielt. Da diese Aufbauten lediglich einen Startresonator bestehend aus zwei Laserspiegeln besitzen (wie in DE 40 09 116 A1 beschrieben), ist es erforderlich, bei einer Erhöhung der mittleren Pumpleistung eine optische Komponente im Strahlengang nachzuführen (z. B. durch Verschiebung einer Linse), um die Stabilität des Startresonators zu gewährleisten. Dies ist bezüglich potentieller Anwendungen derartiger Laser nicht praxisgerecht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Stabilitätsbereich derartiger Startresonatoren zu verbreitern.

Die Erfindung besteht aus einer Vorrichtung aus mehreren Laserspiegeln, die aufgrund unterschiedlicher Krümmungsradien bzw. Positionen einen stabilen Betrieb des Startresonators in verschiedenen Brechkraftintervallen ermöglichen. Der Laser­ strahl wird über eine geeignete Anordnung der Spiegel, ggf. zusammen mit einem oder mehreren Strahlteilern, auf mehrere Laserspiegel gelenkt, von denen nur jeweils ein Spiegel zu einer gegebenen Brechkraft des aktiven Mediums einen stabilen Resonator ergibt.

Das Problem der Verbreiterung des Stabilitätsbereiches des Startresonators wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Durch Ersetzen des einen Resonatorspiegels des Startresonators durch mehrere Resonatorspiegel kann der phasenkonjugierte Oszillator durch mehrere Startresona­ toren angeregt werden. Die Stabilitätsbereiche der einzelnen Startresonatoren bezüglich der Variation der Brechkraft des aktiven Mediums können mit Hilfe der Position und der Krümmungsradien der Spiegel so angepasst werden, daß durch alle Spiegel zusammen effektiv ein erweiterter Stabilitätsbereich abgedeckt wird. Durch Verwendung mehrerer Resonatorspiegel für den Startresonator, die jeweils einen anderen Krümmungsradius besitzen und/oder in unterschiedlichen Ebenen positioniert sind, wird der effektive Stabilitätsbereich des Startresonators durch Aneinanderreihung der Stabilitätsbereiche mehrerer geschachtelter Startresonatoren auf das erforderliche Maß verbreitert. Zweck­ mäßigerweise werden die einzelnen Stabilitätsbereiche so gewählt, daß sie sich aneinanderanschließen und nicht überlappen, so daß zu einer gegebenen Brechkraft immer nur einer der möglichen Startresonatoren stabil ist. Die restlichen Startresona­ toren liefern dann keinen Beitrag zur Anregung des phasenkonjugierten Oszillators. Die Vorrichtung ermöglicht den Betrieb von phasenkonjugierten Laser-Oszillato­ ren über einen beliebig großen Variationsbereich der Brechkraft des aktiven Medi­ ums, ohne daß hierzu eine aktive Veränderung des Resonatordesigns erforderlich ist. Auf dieser Grundlage können Laser-Oszillatoren im Grundmode-Betrieb realisiert werden, bei denen die mittlere elektrische Pumpleistung in einem vorgegebenen Intervall beliebig variiert werden kann, ohne daß dies einen Einfluß auf die Strahl­ qualität des Lasers hat.

Im folgenden sind zwei Ausführungsbeispiele erläutert.

• a) Eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung ist in Abb. 1 dargestellt. Der phasenkonjugierte Oszillator besteht aus dem phasenkonjugierten Element (2), dem aktiven Medium (3) sowie einem konventionellem Laserspiegel (4). Der phasenkon­ jugierte Resonator wird aus dem Phasenkonjugator (2) und dem Spiegel (4) gebildet. Die spontane Emission des aktiven Mediums (3) reicht in der Regel nicht aus, um eine Laser-Oszillation im phasenkonjugierten Resonator anzuregen, da Phasenkon­ jugation in der Regel auf der Grundlage von nichtlinearen (dh. intensitätsabhängigen) Effekten realisiert wird. Daher sind ein oder mehrere zusätzliche konventionelle Resonatoren erforderlich, um zunächst im Phasenkonjugator einen Reflexionsgrad aufzubauen. Im vorliegenden Fall werden mit Hilfe zweier seriell angeordneter zusätzlicher Spiegel (1a, 1b), die für die Laserwellenlänge teildurchlässig sind, mit dem Spiegel (4) jeweils zwei Resonatoren gebildet, die den Phasenkonjugator (2) und das aktive Medium (3) umschliessen. Die Krümmungsradien der Spiegel (1a, 1b) werden dabei so gewählt, daß die jeweiligen Resonatoren in verschiedenen Brech­ kraftbereichen des aktiven Mediums (3) stabil sind.
  Die Stabilität der Resonatoren ist schematisch in Abb. 3 dargestellt. Dabei ist ein dimensionsloser Stabilitätsparameter als Funktion der Brechkraft n aufgetragen. Der Stabilitätsparameter ergibt sich aus einer Berechnung der sogenannten ABCD- Matrix des Resonators für einen Resonatorumlauf zu (A + D)²/4, wobei A und D die entsprechenden Matrixelemente der Umlaufmatrix bedeuten, die u. a. von der Brech­ kraft des aktiven Mediums abhängen. Es läßt sich zeigen, daß ein Resonator dann stabil ist, wenn der Stabilitätsparameter kleiner als eins ist. Diese sogenannte Stabili­ tätsgrenze ist in Abb. 3 als horizontale Linie (3) eingezeichnet. Dargestellt sind ferner die Stabilitätsparameter (4, 5) der beiden Startresonatoren (Spiegel 1a und Spiegel 4 bzw. Spiegel 1b und Spiegel 4) als Funktion der Brechkraft n. Durch Wahl ge­ eigneter Krümmungsradien und/oder der Position der Spiegel (1a, 1b) läßt sich erreichen, daß der aus den Spiegeln 1a und 4 gebildete Resonator in einem Brech­ kraftintervall (6) stabil ist (schraffierter Bereich), und der aus den Spiegeln 1b und 4 gebildete Resonator in einem direkt angrenzenden Brechkraftintervall (7).
  Hierdurch wird erreicht, daß der phasenkonjugierte Oszillator effektiv über einen Brechkraftbereich angeregt werden kann, der der Summe der Brechkraftbereiche (6 und 7) entspricht. Damit die Resonatorgüte der beiden Startresonatoren gleich ist, muß die Transmission bzw. der Reflexionsgrad der Spiegel entsprechend angepasst werden, d. h. der Reflexionsgrad von Spiegel 1a muß höher gewählt werden, als der der von Spiegel 1b, um den Transmissionsverlusten beim Durchgang durch Spiegel (1b) Rechnung zu tragen.
• b) Eine gegenüber a) modifizierte Ausführungsform der Vorrichtung ist in Abb. 2 dargestellt. Hier werden die beiden Spiegel (1a, 1b) zur Bildung zweier Startresonato­ ren nicht seriell angeordnet, sondern über einen zusätzlichen für die Laserwellenlän­ ge teildurchlässigen Strahlteiler (1c) gebildet. Der durch Spiegel 1a und 4 gebildete Startresonator wird in Transmission durch den Strahlteiler (1c) betrieben, während der Startresonator, gebildet aus Spiegel 1b und 4, in Reflexion über der Strahlteiler (1c) betrieben wird. Bei einem Strahlteiler mit einer Transmission von 50% kann der Reflexionsgrad der beiden Startspiegel (1a, 1b) gleich gewählt werden, um zwei Resonatoren gleicher Güte zu erhalten. Ansonsten müssen die Reflexionsgrade entsprechend angepasst werden.
  Für die Lage der Stabilitätsbereiche der beiden Startresonatoren bezüglich der Brechkraft des aktiven Mediums (3) gilt das unter a) beschriebene in analoger Art und Weise.

Claims (8)

1. Startresonatoranordnung für einen phasenkonjugierten Laser-Oszillator (2, 4), dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei Spiegel (1a, 1b, 4) vorgesehen sind, die in ihrer Beschaffenheit, insbesondere dem Krümmungsradius, so ausgebildet und/oder derart angeordnet sind, daß mehrere Startresonatoren gebildet sind, die in unterschiedlichen Bereichen der Brechkraft des aktiven Mediums stabil sind.

2. Startresonatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Spiegel (1a, 1b) in unterschiedli­ chen Ebenen positioniert sind.

3. Startresonatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spiegel (1a, 1b) seriell an­ geordnet sind und mindestens einer von ihnen (1b) für die Laserwellenlänge teildurchlässig ist, so daß der an einem vorbestimmten Spiegel (1a) reflektierte Strahl den bzw. die anderen Spiegel teilweise transmittieren kann und zur Rückkopplung in den Resonator beiträgt.

4. Startresonatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß ein teildurchlässiger Strahltei­ ler (1c) vorgesehen ist, durch den der Strahl aufgespalten wird und die Strahlanteile auf verschiedene Spiegel (1a, 1b) und somit in verschiedene Startresonatoren gelenkt werden.

5. Startresonatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strahl zur Ausrichtung auf mehrere Spiegel durch polarisierende Elemente oder durch diffraktive optische Elemente aufgespalten wird.

6. Startresonatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß statt eines aktiven Mediums mehrere getrennte aktiven Medien vorgesehen sind.

7. Startresonatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem Startresonator zusätzliche konventionelle optische Kompo­ nenten, insbesondere Umlenkspiegel, Linsen und Blenden, und/oder polarisationsbeeinflussende optische Komponenten angeordnet sind.

8. Startresonatoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschaffenheit und/oder Position der Spiegel derart gewählt sind, daß der effektive Stabilitätsbereich der Startresonatoranordnung auf das für die Variation der mittleren elektrischen Pumpleistung in einem vorgegebenen Bereich ohne Beeinflus­ sung der Strahlqualität erforderliche Maß verbreitert ist.