DE4009116A1

DE4009116A1 - Festkoerperlaseranordnung

Info

Publication number: DE4009116A1
Application number: DE19904009116
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Phys Phillipps
Original assignee: FESTKOERPER LASER INST BERLIN
Current assignee: FESTKOERPER LASER INST BERLIN
Priority date: 1990-03-19
Filing date: 1990-03-19
Publication date: 1991-09-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Festkörperlaser anordnung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei Hochleistungsfestkörperlasern ist es erwünscht, sowohl eine gute Strahlqualität als auch einen möglichst hohen Wirkungsgrad bezüglich der Um wandlung von elektrischer Leistung in optische Leistung des Laserstrahls zur Verfügung zu haben. Eine Festkörperlaseranordnung nach dem Stand der Technik, die als Linearlaser aufgebaut ist, weist üblicherweise einen aus zwei Spiegeln im festen Abstand angeordneten Resonator auf. Zwischen den Spiegeln befindet sich das laseraktive Medium, das das Laserlicht verstärkt. Bei einem Festkörperlaser handelt es sich dabei um einen Kristall wie Nd : YAG oder Cr,Nd : GGG, wobei die Eigenschaften der unterschiedlichen Kristalle die Wellenlänge des Laserlichts bestimmen. Neben dem Kristall befinden sich üblicherweise ein oder mehrere Blitzlampen als Pumplichtquellen, mit denen der Kristall optisch gepumpt wird und als Folge dessen das Laserlicht verstärkt. Durch das optische Pumpen tritt eine Erwärmung des Kristalls auf, so daß dieser gekühlt werden muß. Aufgrund der daraus resultierenden Temperatur verteilung im Laserkristall wirkt dieser wie eine Linse auf das Lichtfeld im Resonator, die als thermische Linse bezeichnet wird. Für eine vorgegebene feste Linse im Resonator ist es möglich, einen Laser bezüglich der Strahl qualität zu optimieren. Die thermische Linse ändert aber ihre Eigenschaften in Abhängigkeit von der Pumpleistung der Blitzlampen, so daß sich mit der Pumpleistung der Blitzlampen und damit mit der Ausgangsleistung des Systems die Struktur und die Qualität des Laserstrahls ändert. Außerdem werden Laserstäbe, die bis knapp an die mechanische Bruchgrenze gepumpt werden, zunehmend optisch inhomogen, wodurch sich ebenfalls die Strahlqualität des Laser strahls mit steigender Ausgangsleistung ver schlechtert.

Um die störenden Einflüsse der thermischen Linse und sonstiger Brechzahlinhomogenitäten auf das Strahlungsfeld des Laserkristalls auszuschalten, ist versucht worden, einen phasenkonjugierenden Spiegel zu verwenden. Die Eigenschaft eines phasenkonjugierenden Spiegels im Unterschied zu einem konventionellen Spiegel besteht darin, daß er einen auf ihn auftreffenden Lichtstrahl immer in diejenige Richtung zurückreflektiert, aus der er gekommen ist. Wenn beispielsweise eine Strahlung als ebene Welle auf einen phasen konjugierenden Spiegel gerichtet wird, wobei ein Teil der Welle durch einen Glasstab geleitet wird, wodurch sich die Wellenfront aufgrund des längeren optischen Weges durch den Glasstab verzögert, dann reflektiert der phasenkonju gierende Spiegel die Welle derart, daß sie nach dem wiederholten Durchgang durch den Glasstab wieder den Ausgangszustand einnimmt.

Eine Phasenkonjugation von Laserstrahlen wird nach dem Stand der Technik mit "SBS-Zellen" (SBS-stimulierte Brillouinstreuung) durchgeführt. Die einfachste Bauform einer solchen Zelle be steht aus einer Linse und dem sogenannten SBS-Medium, das eine Flüssigkeit, beispielsweise Aceton, oder auch ein unter hohem Druck befindliches Gas, beispielsweise Methan, sein kann. Dabei kann sie die Linse innerhalb oder außerhalb des Gefäßes, das das SBS-Medium enthält, befinden. Das SBS-Medium weist die Eigenschaft auf, daß, solange die Laserstrahlleistung kleiner ist als eine von der SBS-Zelle abhängige Schwellen leistung P_th, keine Reflexion des Laserstrahles stattfindet. Sobald die Laserstrahlleistung größer wird als die Schwellenleistung P_th wird der Strahl phasenkonjugiert reflektiert, wobei der Reflexionsgrad von der Leistung des auftreffenden Lichtstrahles abhängt. Die Kennlinie des Reflexionsgrades eines SBS-Spiegels in Abhängigkeit von der Strahlungsleistung ist in Fig. 1 dargestellt. Die Schwellenleistung P_th ist abhängig von der Brennweite der Linse, von der Länge der Zelle, die das SBS-Medium enthält, von dem SBS-Medium selbst und von der Kohärenzlänge des Laserstrahls.

Bezüglich des Polarisationszustandes eines zu reflektierenden Lichtstrahls verhält sich der SBS-Spiegel wie ein konventioneller Spiegel.

Damit bei Verwendung eines phasenkonjugierenden Spiegels bei einer Festkörperlaseranordnung der Laser auch bei Leistungen unter der Schwellen leistung P_th des phasenkonjugierenden Spiegels anschwingt, ist zusätzlich ein konventioneller Resonator vorgesehen, d. h. dem phasenkonju gierenden Spiegel ist ein konventioneller Spiegel nachgeschaltet. Wenn in diesem Fall der Laser strahl nach dem Anschwingen mit Hilfe des kon ventionellen Resonators die Schwellenleistung P_th erreicht, beginnt der als SBS-Zelle ausge bildete phasenkonjugierende Spiegel zu reflektieren. Mit zunehmender Leistung bzw. Lichtintensität nimmt die Reflexion der SBS-Zelle gemäß Fig. 1 und damit die Güte Q des Resonators zu, so daß die SBS-Zelle damit als Güteschalter (Q-Switch) wirkt. Die Folge davon ist, daß der Laser innerhalb weniger Nanosekunden einen Großteil seiner gespeicherten Energie in Form eines extrem starken Lichtpulses emittiert und danach die Lasertätigkeit erlischt. Auf diese Weise ist es nicht möglich, eine stabile Ausgangsleistung der Festkörperlaseranordnung zu erzielen.

Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik liegt somit der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Festkörperlaseranordnung mit stabiler Ausgangsleistung und guter Strahl qualität zu schaffen, wobei die Strahlqualität unabhängig von der Pumpleistung der Pumplicht quellen sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, daß zwei phasenkonjugierende Spiegel vorgesehen sind, die vorzugsweise unterschiedliche Schwellenwerte für die Laserstrahlleistung aufweisen, bei denen die Reflexion der Laserstrahlung ein setzt, wobei die von dem phasenkonjugierenden Spiegel, der näher am Laserelement liegt und vorzugs weise einen größeren Schwellenwert aufweist als der andere weiter entfernt liegende Spiegel, reflektierte Strahlung zur Vermeidung ihrer Mehrfachreflexion ausgekoppelt wird, wird er reicht, daß kein Q-Switch-Lichtimpuls auftritt, sondern es wird ein quasi-cw-Betrieb ermöglicht. Das bedeutet, daß die Laserausgangsleistung im wesentlichen proportional zur Pumplichtleistung ist. Der Laser wird stabil gehalten, wodurch eine stabile Ausgangsleistung zur Verfügung gestellt wird. Durch die Verwendung der phasenkonjugierenden Spiegel wird darüber hinaus der Linseneffekt kompensiert, so daß eine sehr gute Strahlqualität gegeben ist.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nach folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Kurve des Reflexionsgrades einer SBS-Zelle in Abhängigkeit von der einfallenden Strahlungsleistung,

Fig. 2 die Kurve des Reflexionsgrades der gemäß der Erfindung hintereinander geschalteten SBS-Zellen abhängig von der einfallenden Strahlungs leistung, wobei der Reflexionsgrad definiert ist als das Verhältnis des von dem ersten phasenkonjugierenden Spiegel reflektierten Lichtanteils zum gesamten Lichtfeld, das auf die beiden SBS-Zellen zuläuft,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Prinzipdarstellung, und

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Prinzipdarstellung.

Die in Fig. 3 dargestellte Festkörperlaseranordnung weist ein Laserelement 1 mit nicht dargestellten Pumplichtquellen und einen Resonator auf, der aus den konventionellen Spiegeln 2, 3 und einem als SBS-Zelle ausgebildeten phasenkonjugierenden Spiegel 4 besteht. Dabei ist der Reflexionsgrad des konventionellen Spiegels 3 relativ gering. Diese Anordnung stellt eine bekannte Festkörper laseranordnung dar. Zusätzlich dazu sind weitere gestrichelt umrandete optische Elemente vorge sehen, nämlich ein dem Laserelement 1 nachge schalteter Polarisator 5, eine erste λ/4-Platte 6, ein weiterer als SBS-Zelle ausgebildeter phasen konjugierender Spiegel 7 und eine zweite λ/4-Platte 8. Die optischen Achsen der beiden λ/4-Platten 6, 8 sind parallel zueinander ausgerichtet und beschreiben bezüglich der von dem Polarisator 5 definierten Polarisationsrichtung einen Winkel von 45°.

Der Leistungs-Schwellenwert, von dem ab die phasenkonjugierenden Spiegel 4, 6 zu reflektieren beginnen, ist für den phasenkonjugierenden Spiegel 7 wesentlich höher als derjenige des phasenkonjugierenden Spiegels 4.

Beim Anschwingen der Festkörperlasersanordnung nach Fig. 3 haben die phasenkonjugierenden Spiegel 4, 7 keine Wirkung, wie aus Fig. 1 und Fig. 2 zu erkennen ist, da die Laserleistung unterhalb des Schwellenwertes P_th1 bzw. P_th2 liegt. Der Laser beginnt daher mit den beiden konventionellen Spiegeln 2, 3 zu oszillieren. Aufgrund des Polarisators 5 ist das Lichtfeld vor dem Spiegel 2 vertikal polarisiert. Nach dem Durchgang durch die beiden λ/4-Platten 6, 8, deren optische Achsen um 45° gegen die Polarisationsrichtung des Polarisators 5 geneigt sind, ist das Lichtfeld vor dem Spiegel 3 horizontal polarisiert. Die durch den Spiegel 3 reflektierte Strahlung gelangt nach dem Durchgang durch die beiden λ/4-Platten 8, 6, bei dem der ursprüngliche vertikale Polarisationszustand wieder hergestellt wird, im wesentlichen verlust frei durch den Polarisator 5 wieder zum Spiegel 2.

Sobald die einfallende Laserstrahlleistung größer wird als der zum Einsetzen der Reflexion des phasenkonjugierenden Spiegels 4 notwendige Schwellenwert P_th1, beginnt der Spiegel 4 phasen konjugiert zu reflektieren, wobei bei einem Reflexions grad,der wesentlich größer ist als der Refexionsgrad des konventionellen Spiegels 3, so daß die Strahlung, die vom konventionellen Spiegel 3 noch reflektiert wird, vernachlässigt werden kann. Bezüglich des Polarisationszustandes des reflektierten Lichts verhält sich der phasenkonjugierende Spiegel 4 wie ein konventioneller Spiegel, so daß sich an der Art der Rückkopplung nichts ändert. Mit zunehmender Strahlungsleistung reflektiert der phasenkonju gierende Spiegel 4 gemäß Fig. 2 immer stärker, so daß infolge der größerwerdenden Güte des Resonators die Laserstrahlungsleistung stark zunimmt.

Sobald die Laserstrahlleistung bzw. die Intensität im Resonator den Schwellenwert P_th2 des phasen konjugierenden Spiegels 7 übersteigt, beginnt auch dieser Spiegel die Strahlung phasenkonjugiert zu reflektieren. Die nichtreflektierte Strahlung gelangt aber über die λ/4-Platte 8 weiterhin auf den phasenkonjugierenden Spiegel 4. Allerdings ist der Polarisationszustand der am phasenkon jugierenden Spiegel 7 reflektierten Strahlung im Vergleich zur reflektierten Strahlung des Spiegels 4 unterschiedlich. Durch die λ/4-Platte wird die von dem Polarisator 5 vertikal polarisierte Strahlung zirkular polarisiert. Da sich der Spiegel 7 hinsichtlich des Polarisationszustandes wie ein konventioneller Spiegel verhält, ist die von ihm reflektierte Strahlung nach dem erneuten Durchgang durch die λ/4-Platte horizontal polarisiert und wird daher von dem Polarisator 5 aus dem Resonator ausgekoppelt. Die von dem phasenkonjugierenden Spiegel 7 reflektierte Strahlung trägt somit nicht zur Rückkopplung des Strahlungsfeldes in den Resonator bei.

Je stärker die Intensität des auf die beiden Zellen zulaufenden Strahlungsfeldes ist, um so stärker reflektiert der phasenkonjugierende Spiegel 7, so daß der relative Anteil des Strahlungsfeldes, der nach der Reflexion an den beiden phasenkonjugierenden Spiegeln 4, 7 im Resonator verbleibt, mit zunehmender Strahlungsleistung kleiner wird, wobei sich dann aber das System auf einen stabilen Arbeitspunkt auf dem abfallenden Teil der Kurve nach Fig. 2 einstellt, da jeweils die Güte des Resonators mit zunehmender Strahlungsleistung wieder abnimmt. Gemäß Fig. 3 wird somit ein Laser mit einem optischen Rückkopplungssystem realisiert, das oberhalb des Schwellenwertes P_th1 einen Reflexionsgrad gemäß der Fig. 2 aufweist, wodurch ein quasi-cw- Betrieb mit langen Pulsen ermöglicht wird.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Bezugszeichen beibehalten worden sind. Bei dieser Anordnung liegt der Polarisator 5 vor dem Laserelement 1, d. h. zwischen konventionellem Spiegel 2 und Laserelement. Die λ/4-Platte 6 befindet sich zwischen Laserelement 1 und phasen konjugierendem Spiegel 7 und die sonstige An ordnung bleibt unverändert. Die Bezeichnung λ/4 bezieht sich in der gesamten Beschreibung auf die Wellenlänge des zu reflektierenden Licht feldes. Die Funktionsweise der Anordnung nach Fig. 4 entspricht der Funktionsweise des Fest körperlasers nach Fig. 3.

Claims

1. Festkörperlaseranordnung mit einem Laser element, mindestens einer Pumplichtquelle, einem Resonator zur Erzielung einer Mehrfach reflexion der Laserstrahlung, der mindestens einen konventionellen Spiegel und einen ersten phasenkonjugierenden Spiegel auf weist, dadurch gekennzeichnet,
daß vor dem ersten phasenkonjugierenden Spiegel (4) mindestens ein weiterer phasen konjugierender Spiegel (7) angeordnet ist, und
daß die von dem zweiten phasenkonjugierenden Spiegel (7) reflektierte Strahlung zur Ver meidung ihrer Mehrfachreflexion ausgekoppelt wird.

2. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite phasenkonjugierende Spiegel (7) einen gleichen oder größeren Schwellenwert als der des ersten phasenkonjugierenden Spiegels (4) aufweist, wobei bei dem Schwellenwert die Reflexion der Laserstrahlung einsetzt.

3. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Polarisations vorrichtung (5, 6, 7) vorgesehen ist, die die auszukoppelnde Strahlung derart polarisiert, daß sie zu der mehrfach zu reflektierenden Strahlung eine unterschiedliche Polarisations richtung aufweist.

4. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisations vorrichtung einen Polarisator (5) und zwei λ/4-Platten (6, 8) aufweist, wobei die λ/4-Platten jeweils vor einem phasenkonjugierenden Spiegel (7, 4) angeordnet sind.

5. Festkörperlaseranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der λ/4-Platten (6, 8) gegen die Polarisationsrichtung des Polarisators (5) um einen Winkel, vorzugsweise um 45°, geneigt sind.

6. Festkörperlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter konventioneller Spiegel (2, 3) vorgesehen sind, wobei der zweite Spiegel (3) hinter den phasenkonjugierenden Spiegeln (7, 4) angeordnet ist und einen kleinen Reflexions grad aufweist.

7. Festkörperlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die An ordnung bestehend aus Polarisator (5), erster λ/4-Platte (6), zweitem phasenkonjugierenden Spiegel (7) und λ/4-Platte (8) zwischen Laser element (1) und erstem phasenkonjugierenden Spiegel (4) angeordnet ist.

8. Festkörperlaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisa tor (5) zwischen erstem konventionellen Spiegel (2) und Laserelement (1) und die Anordnung bestehend aus erster λ/4-Platte (6), zweitem phasenkonjugierenden Spiegel (7) und zweiter λ/4-Platte (8) zwischen Laserelement (1) und erstem phasenkonjugierenden Spiegel (4) angeordnet sind.