DE3301092A1

DE3301092A1 - Mehrfarbenlaser

Info

Publication number: DE3301092A1
Application number: DE19833301092
Authority: DE
Inventors: Robert Dallas Tex. Mays jun.; David Harry Emerson N.J. Pollock; Kevin Barnard Bayside N.Y. Ward
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1982-01-22
Filing date: 1983-01-14
Publication date: 1983-08-04

Description

Mehrfarbenlaser
Die Erfindung betrifft einen Rehrfarbenlaser. Aus dem Aufsatz "Megawatt Power At 1.318 p in Nd3+ VAG and Simultaneous Oscillation at Both 1.06tan 1.318 ,u" von C.G.Bethea in IEEE Journal of Quantum Electronics, Februar 1973, Seite 254 ist ein Laser mit einem Q-geschalteten Laserresonator mit drei Spiegeln bekannt. Mit ihm können gleichzeitig Schwingunqen mit den Wellenlägen 1,06yumund 1,32/umerzeugt werden. Von dem darin beschriebenen Mehrfarbenlaser können gleichzeitig maximal drei Farben erzeugt werden, wobei zu beachten ist, daß die Leistung für jede Farbe reduziert ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mehrfarbenlaser anzugeben, mit dem ein Lichtstrahl erzeugt werden kann, der gleichzeitig oder nacheinander zwei Lichtfrequenzen enthält.
Der Laserresonator weist vier Spiegel auf. Ob die beiden Frequenzen gleichzeitig oder nacheinander vorhanden sein sollen bestimmt der Bediener.
Der Lichtstrahl wird zur Verstärkung der Leistung der bei den zunächst vorhandenen Frequenzen einem Verstärker zugeführt.
Der Mehrfarbenlaser kann so weitergebildet werden, daß aus dem verstärkten Lichtstrahl mit zwei Frequenzen ein Lichtstrahl, der vier Frequenzen enthält, erzeugt wird.
Auch die Erzeugung von sechs Frequenzen ist möglich.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels beispielsweise näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Lasers zur Erzeugung eines Lichtstrahls mit zwei Frequenzen, und Fig. 2 Weiterbildungen des Lasers gemäß Fig. 1 zu bzw. 3 Lasern, mit denen vier bzw. sechs Frequenzen erzeugt werden.
Es ist allgemein bekannt, daß jeder Laser sekundäre zulässige übergänge hat, die normalerweise vollkommen unterdrückt werden, damit die maximale Laserausgangsleistung bei dem primären übergang vorhanden ist. Die nachfolgende Beschreibung befaßt sich mit einem Mehrfarbenlaser, bei dem am Ausgang zwei vier oder sechs Farben vorhanden sind und zwar gleichzeitig oder nacheinander, abhängig von der jeweiligen Steuerung durch den Bediener. Die Farben haben Wellenlängen von 0,53; 0,67; 1,06; 1,33; 2,12 und 2,66 ,zum.
Die Linie bei 1,06 smist der primäre Nd-übergang und die Linie bei 1,33 umist der sekundäre übergang dieses Materials.
Es wird ein Laser mit einem 'irtskristall verwendet, der sleichzeitig bei mehr als einer Wellenlänge betrieben wird.
Der Laser beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 enthält einen Oszillator mit einem Nd . YAG-Stab 1. Dieses Material hat bei Raumtemperatur einen primären uebergang bei 1,06 rm; hier ist der Gewinn am größten. Zulässige sekundäre übergänge sind bei den Wellenlängen 1,318; 1,338 und 1,358 um (für die Beschreibung werden diese Übergänge zu 1,33,ubzusammengefaßt) zulässig. Hierbei sind ungefähr 30 bis 40% des Gewinns dem übergang bei 1,06 umzuzuordnen. Es wurde ermittelt, daß bei Impulsraten von 1 kHz und bei gleicher Eingangsleistung Ausgangssignale mit 1,06 und 1,33 kmerhalten we-rden, wobei das 1,33 umSignal 32 bis 33 % des 1,06 lum Signals ist.
In Fig. 2 ist eine neue Laser-Konfiguration mit einem neuen Laserresonator 2 dargestellt, wobei die in dem Resonator 2 erzeugten Lichtstrahlen zu einem Verstärker 3 (eine gepumpte Laserstufe) geleitet werden. Um zu verhindern, daß der den Resonator 2 verlassende Lichtstrahl aufgrund seiner hohen Leistungsdichte weitere optische Bauelemente beschädigt oder zerstört, ist in den Strahlengang des Lichtstrahls nach dem Verlassen des Resonators eine Einrichtung 4 vorgesehen, die den Lichtstrahl aufweitet. Diese Einrichtung 4 ist zwischen dem Resonator 2 und dem Verstärker 3 angeordnet.
Die Einrichtung 4 kann aus einem zweilinsigen Kollimator bestehen.
Mit einem einzigen Oszillator 1, einem Polarisator 5, einer Q-Schaltzelle 6, einem Paar hochreflektierender Spiegel 7 und 8 (der Spiegel 7 ist der Wellenlänge 1,06vuFund der Spiegel 8 der Wellenlänge 1,33 /uezugeordnet) und einem Paar durchlässiger Spiegel 9 und 10 (der Spiegel 9 ist der Wellenlänge 1,06 mund der Spiegel 10 der Wellenlänge 1,33 (unzugeordnet) erhält man zwei primäre Laserausgangssignale bei den Wellenlängen 1,06 pfund 1,33 ur».Verstimmt man den 1,06lumSpiegel 7 geringfügig, dann werden gleichzeitig die beiden Wellenlängen 1,06 µmund 1,33 µm beobachtet. Die Ausgangsleistung des 1,06 µmSignals weist dann ungefähr 50 % seiner maximalen Leistung auf. Dieses Abstimmen erlaubt auch das Einstellen der Leistung zwischen den beiden Wellenlängen oder Farben.
Sind die Spiegel 7 bis 10 exakt abgestimmt, dann wird von dem Resonator 2 nur die Wellenlänge 1,06 #abgegeben. Wird zwischen die beiden Spiegel 7 und 8 ein Sperrelement, z. B.
ein Zerhacker 11, eingefügt, dann gibt der Resonator 2 nur noch Licht mit der Wellenlänge 1,33 jumab. Somit kann der Bediener bestimmen, ob die Strahlung nacheinander oder gleichzeitig zwei Farben aufweist.
Ist am Ausgang des Resonators jeweils nur Strahlung mit einer der beiden Wellenlängen vorhanden, dann ist ihre Durchschnittsleistung größer als wenn die beiden Wellenlängen kombiniert vorhanden sind. Somit besteht also auch die Möglichkeit, die Einrichtung bei 1,06 smoder bei 1,33 pm zu betreiben und zwar dann mit einem höheren Wirkungsgrad, wobei auch in diesem Fall nur ein Lasersystem bzw. Resonator notwendig ist.
Ergänzt man die Einrichtung gemäß Fig. 1 durch die in der Fig. 2 dargestellte Einrichtung, dann erhält man einen Mehrfarbenlaser mit 4 Farben. Hierzu wird dem Verstärker 3 in Fig. 1 der Energiediskriminator 12 aus Fig. 2 nachgeschaltet. Der Energiediskriminator 12 ist ein Strahlteiler, der Strahlung mit 1,06 mdurchlänt und Strahlung mit 1,33,urn reflektiert. Die Strahlung mit der Wellenlänge 1,06oumwird zu einem Kristall 13 zur Erzeugung der beiden Harmonischen der Grundwelle geleitet. Geeignet hierfür ist ein Kalium-Deuterium-Phosphat (KD*P)-Kristall). Dieser Kristall gibt Strahlung mit den Wellenlängen 1,06,unnd 0,53 pnnab; 0,53 ist die zweite Harmonische von 1,06 urn.Die Strahlung mit 1,33/µm, die vom Diskriminator 12 reflektiert wurde, wird von einem weiteren Reflektor 14 nochmals um900 abgelenkt (realisiert beispielsweise durch ein 90° -Prisma) und zu einem zweiten Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen 15 geleitet. Dieser Kristall kann ein LiJ03 (Lithiumjodat)-Kristall sein. Am Ausgang dieses Kristalls 15 ist Strahlung mit der Wellenlänge 1,33 prund der zweiten Harmonischen hierzu von 0,67 mvorhanden. Die von diesem Kristall 15 abgegebene Strahlung wird zu einem 90° Reflektor 16, beispielsweise ein 900-Prisma, geleitet. Eine Einrichtung 17 ist so angeordnet, daß auf sie die von dem Kristall 13 abgegebene Strahlung und die von dem Prisma 16 umgelenkte Strahlung auftrifft. Die Einrichtung 17 kombiniert diese beide Strahlungen und gibt somit ein Ausgangssignal ab das vier Farben enthält.
Wird die Einrichtung nach Fig. 1 durch die Einrichtung nach Fig. 3 ergänzt, dann erhält man einen Mehrfarbenlaser für sechs Farben. Es ist wiederum, wie bei der Kombination von Fig. 1 und Fig. 2, dem Verstärker 3 (Fig. 1) ein Energiediskriminator 12 (Fig. 3) nachgeschaltet. Bei der Einrichtung nach Fig. 3 sind wie bei der Einrichtung nach Fig. 2 außer dem Energiediskriminator 12 auch die Kristalle 13 und 15 zur Erzeugung der zweiten Harmonischen vorhanden, wodurch die vier Farben' wie anhand der Fig. 2 erläutert, erzeugt werden. Um die zwei weiteren noch notwendigen Farben für den Sechsfarbenlaser zu erzeugen, sind optische parametrische Verstärker (Kristalle 18 und 19) vorgesehen.
Der Kristall 18 erhält Strahlung rrit der Wellenlänge 1,06/um von dem Energiediskriminator 12 über einen Energiediskriminator 19, die beide Strahlung mit der Wellenlänge 1,06 um durchlassen bzw.
reflektieren. Es ist weiterhin ein 900-eflektor 20 ein(900-Prisma) vorgesehen. Die von dem Kristall 18 abgegebene Strahlung hat die Wellenlänge 2,12 pmund ist die parametrische Schwingung zu 1,06 Sm,wobei diese Strahlung von dem 90° Reflektor 21 (ein 90° -Prisma) zu einem Energiediskriminator 22, welcher die Energie, die vom Reflektor 21 kommt, zu dem Ausgangsenergiediskriminator 17 reflektiert und weiterhin die alle Ausgangsstrahlungen des Kristalls 13 zu dem Ausgangsenergiediskriminator 17 durchläßt.
Ein weiterer optischer parametrischer Verstärker (Kristall) 19 erhält Strahlung mit der Wellenlänge 1,33 ¢und zwar wird diese Strahlung zunächst am Energiediskriminator 12 um 90° abgelenkt dann von einem 90°-Reflektor (Prisma) nochmals um 90° abgelenkt und auf einen weiteren Energiediskriminator 23 gerichtet. Dieser weitere Energiediskriminator 23 läßt diese Strahlung einerseits zu dem Kristall 15 durch und reflektiert andererseits einen Teil zu einem weiteren 90° -Reflektor (Prisma) 24, welches wiederum die Strahlung mit der Wellenlänge 1,33 /umauf den weiteren optischen parametrischen Verstärker 19 richtet. Die von dem Kristall 19 abgegebene Strahlung hat die Wellenlänge 2,66/um und ist die parametrische Schwingung zu der Schwingung mit der Wellenlänge 1,33lumidie diesem Kristall zugeführt wurde. Die Strahlung mit der Wellenlänge 2,66 jutiiwird von einem 90°-Reflektor 25 um 900 abgelenkt und über einen Energiediskriminator 26 zu dem Ausgangsenergiediskriminator 17 geleitet. Der Energiediskriminator 26 erhält weiterhin die Strahlung des Kristalls zur Erzeugung der zweiten Harmonischen 15, welcher Strahlung mit Wellenlängen 1,33 ,um und 0,67 fMabgibt. Die Strahlung mit diesen beiden Wellenlängen wird von dem Energiediskriminator 26 um 900 zu dem Energiediskriminator 17 abgelenkt.
Wie bereits anhand der Beschreibung für die Fig. 1 erläutert ist dem Resonator 2 ein Verstärker 3 nachgeschaltet und zwar entweder direkt oder über eine Einrichtung 4 zur Aufweitung des Strahls. Dadurch erhält man für jeden der beschriebenen Laser nämlich dem Zweifarben-, Vierfarben- und dem Sechsfarbenlase eine erhöhte Leistung.
Ergebnis dieser Verstärkung ist die Zunahme der Impulsenergie bei jeder Wellenlänge um einen Faktor von mindestens 2,5 und die Reduktion der Impulsbreite von einem Wert von 30 Nanosekunden auf einen Wert von 20 Nanosekunden. Dadurch erhöhen sie die Spitzenleistungen für die verstärkte Strahlung effektiv um einen Faktor von 3,75. Sieht man in dem Laserresonator 2 den Zerhacker 11 vor und erzeugt Strahlung mit den Grundwellenlängen 1,06 Amund 1,33 ym(in regelmäßiger oder zufälliger Folge) nacheinander anstatt gleichzeitig, dann erhält man einen weiteren Verstärkungsfaktor von mindestens 2.

Claims

Patentansprüche Mehrfarbenlaser , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß ein Laserresonator (2) vorgesehen ist, in dem ein- Lichtstrahl, der gleichzeitig oder nacheinander zwei Farben aufweist, erzeugt wird und daß dem Laserresonator -ein Verstärker nachgeschaltet ist, in dem dieser Lichtstrahl verstärkt wird.
2. Mehrfarbenlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl, der eine hohe Leistungsdichte nach dem Verlassen des Laserresonators aufweist, bevor er zum Verstärker (3) gelangt einer Einrichtung (4) zugefuhrt wird, die zur Reduzierung der Leistungsdichte eine Aufweitung des Lichtstrahls bewirkt.
3. Mehrfarbenlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) eine Doppellinsenanordnung enthält.
4. Mehrfarbenlaser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch'gekennzeichnet, daß der Laserresonator folgende Teile enthält: einen gepumpten Laserstab (1), einen Polarisator (5), der an den Laserstab gekoppelt ist, einen Güteschalter (6), der an den Polarisator gekoppelt ist, ein erstes Spiege(paar (7, 8), wobei jeder Spiegel dieses Spiegelpaars hochreflektierend ist und auf eine der beiden Farben abgestimmt ist, und ein zweites Speigelpaar (9, 10), das dem Laserstab (1) benachbart ist, wobei jeder dieser Spiegel für jeweils eine andere der beiden Farben durchlässig ist.
5. Mehrfarbenlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Laserresonator weiterhin ein Zerhacker (11) vorgesehen ist und daß dieser Zerhacker zwischen den beiden Spiegeln des ersten Spiegelpaares angeordnet ist.
6. Mehrfarbenlaser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zerhacker so gesteuert wird, daß der Lichtstrahl alternierend jeweils nur eine der beiden Farben aufweist.
7. Mehrfarbenlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (3) eine erste Einrichtung (12) nachgeschaltet ist, die die beiden Farben voneinander trennt, daß der ersten Einrichtung eine zweite Einrichtung (13) nachgeschaltet ist, die eine der beiden Farben erhält und die eine zweite Harmonische der Strahlung mit dieser Farbe erzeugt, daß der ersten Einrichtung eine dritte Einrichtung (15) nachgeschaltet ist, die die andere der beiden Farben erhält und die eine zweite Harmonische der Strahlung mit dieser Farbe erzeugt, und daß der zweiten und der dritten Einrichtung eine vierte Einrichtung (16, 17) nachgeschaltet ist, die die Ausgangsstrahlung, die vier Farben aufweist, erzeugt.
8. Mehrfarbenlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (3) eine erste Einrichtung (12) nachgeschaltet ist die die beiden Farben der Strahlung voneinander trennt, dan der ersten Einrichtung eine zweite Einrichtung (13) nachgeschaltet istldie eine Strahlung mit einer der beiden Farben erhält und die eine zweite Harmonische dieser Strahlung erzeugt, daß der ersten Einrichtung eine dritte Einrichtung (15) nachgeschaltet ist die die Strahlung mit der anderen Farbe erhält und die eine zweite Harmonische dieser Strahlung erzeugt, daß der ersten Einrichtung eine vierte Einrichtung (18) nachgeschaltet ist, die Strahlung mit einer der beiden Farben erhält und die eine parametrische Schwingung zu der Strahlung mit dieser Farbe erzeugt, daß eine fünfte Einrichtung (19) der ersten Einrichtung nachgeschaltet ist, die Strahlung mit der anderen der beiden Farben erhält und die eine parametrische Schwingung zur Strahlung mit dieser Farbe erzeugt, und daß eine sechste Einrichtung (17, 21, 22, 25, 26) der zweiten, dritten, vierten und fünften Einrichtung nachgeschaltet ist, welche ein Ausgangssignal mit sechs Farben erzeugt.
9. Mehrfarbenlaser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede der vierten bzw. fünften Einrichtung jeweils einen optischen parametrischen Verstärker enthält.
10. Mehrfarbenlaser nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der dritten bzw. vierten Einrichtung einen Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen enthält.
11. Mehrfarbenlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (3) eine gepumpte Laserstufe ist.
12. Mehrfarbenlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dan die Laserstufe einen Nd YAG-Stab enthält.