DE2900728C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 im Hinblick auf die Veröffentlichung von Shank et al., Applied Physics Letters, Band 18, Nr. 9, 1. Mai 1971, S. 395, 396 als bekannt vorausgesetzt wird.

Bei diesem bekannten Farbstofflaser wird das Lasermedium, das aus einer Lösung von Rhodamin 6G in Ethanol besteht, mit An­ regungsstrahlungsimpulsen von 10 ns Dauer und einer Spitzen­ leistung von etwa 180 kW angeregt. Die Laserschwelle des La­ sermediums beträgt etwa 13 kW.

Aus der US-PS 36 75 157 ist ferner ein abstimmbarer Festkör­ perlaser bekannt, der mit verteilter Rückkopplung arbeitet und ein festes Lasermedium aus Polymethylmethacrylat, das mit Rhodamin 6G dotiert ist, enthält. Die Pumpleistung ist etwa sechsmal so hoch wie die Laserschwelle.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Farbstofflaser so weiterzubilden, daß auf einfache Weise ultrakurze Laserstrahlungsimpulse erzeugt wer­ den können. Als ultrakurze Laserstrahlungsimpulse werden in der Literatur im allgemeinen Impulse mit einer Halbwertsdauer unter etwa 100 ps bezeichnet, diese Definition soll auch hier gelten.

Die obige Aufgabe wird durch einen gattungsgemäßen Farbstoff­ laser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Farbstoff­ lasers sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit dem Farbstofflaser gemäß der Erfindung lassen sich auf einfache Weise einzelne ultrakurze Laserstrahlungsimpulse er­ zeugen. Dies ist für eine ganze Reihe von Anwendungen wichtig, bei denen die einzelnen, ultrakurzen Laserstrahlungsimpulse mit relativ großen Abständen aufeinanderfolgen sollen, z. B. typischerweise mit Abständen entsprechend einer Impulsfolgefrequenz von etwa 1 Hz bis 20 kHz. Solche Impulszüge mit Impulsfolgefrequenzen unter 1 MHz, insbesondere unter 100 kHz, sollen im folgenden als aus "einzelnen" ultrakurzen Impulsen bestehend bezeichnet werden. Solche einzelne ultrakurze Laserstrahlungsimpulse konnten bisher nur mit Hilfe aufwendiger elektro-optischer oder akustisch-optischer Verfahren erzeugt werden, da bisher kein Verfahren bekannt war, mit dem einzelne ultrakurze Laserstrahlungsimpulse direkt, also Umweg über die üblicher­ weise entstehenden Impulszüge hoher Folgefrequenz erzeugt werden können.

Der Farbstofflaser gemäß der Erfindung ermöglicht es auch, auf sehr einfache Weise ultrakurze Laserstrahlungsimpulse mit niedrigen Folgefrequenzen zu erzeugen. Der erfindungsgemäße Farbstofflaser kann für einen weiten Spektralbereich Anwendung finden, insbesondere vom nahen Ultraviolett über das Sichtbare bis zum Nahen Infrarot.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vereinfachte perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Farbstofflasers gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine zweite Ausfüh­ rungsform gemäß der Erfindung.

Die vorliegende Erfindung beruht auf einer geschickten Aus­ nutzung von bisher nicht erkannten Eigenschaften von Farbstofflasern mit verteilter Rückkopplung. Solche Laser sind bekannt, siehe z. B. F. P. Schäfer (Ed.): Dye Lasers, Topics in Applied Physics, Band 1, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg New York 1977, 2. Auflage.

Bei dem vorliegenden Farbstofflaser werden vor­ zugsweise und vorteilhafterweise zwei kohärente Teilbündel einer stimu­ lierenden Anregungsstrahlung in einem stimulierbaren aktiven Lasermedium, wie einer Farbstofflösung in einer Farbstoffküvette zur Interferenz gebracht. Durch die Interferenz der beiden Teilbündel entsteht eine Interfe­ renzfigur aus in einem vorgegebenen Abstand A aufeinanderfolgenden Ebenen, in denen die Strahlungsintensität ein Maximum bzw. ein Minimum hat. Das in den Ebenen der Interferenzmaxima stimulierte Lasermedium emittiert dann senkrecht zur Ebene der Interferenzstreifen ein Laserstrahlungsbündel mit der Vakuumwellenlänge λ _o = 2 nA, wobei n der mittlere Brechungsindex der stimulierbaren Farbstofflösung ist.

Bei der Untersuchung des zeitlichen Verlaufes der emittierten Laserimpulse wurde nun überraschender Weise festgestellt, daß von einem solchen Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung unter ge­ eigneten, im folgenden angegebenen Bedingungen, einzelne ultrakurze Laser­ impulse ausgesandt werden können. Die wesentlichen Bedingungen hierfür sind

• 1. daß das Interferenzmuster nur während einiger Nanosekunden erzeugt wird, und
• 2. daß die Intensität des anregenden Strahlungsimpulses einen gewissen Maximalwert, der von den Parametern des Lasers abhängt, nicht überschreitet.

Daß unter diesen Bedingungen ein ultrakurzer Lichtimpuls entsteht, läßt sich wie folgt erklären: Beim Ansteigen des stimulierenden Anregungsstrahlungsimpulses (Pumplaserimpulses) wird im aktiven Laserme­ dium (Farbstoff) eine Inversion aufgebaut, die ständig zunimmt, jedoch nur an den Örtern der Interferenzmaxima des Interferenzmusters. In dem Maße, in dem sich die beugungsgitterartige Inversionsverteilung aufbaut, erhöht sich auch die Rückkopplung für die stimulierte Emission senkrecht zu den "Gitterebenen". Die stimulierte Emission wächst dadurch nichtlinear und überproportional an, wobei ein Laserimpuls entsteht. Der schnell anwachsende Laserimpuls baut jedoch die gespeicherte Inversion durch die stimulierte Emission schnell wieder ab, so daß dann auch der Rückkopplungsgrad für die stimulierte Emission schnell wieder abnimmt. Nachdem die Inversion auf diese Weise in einem sehr kurzen Laserimpuls bis weit unter die Schwelle der Laseremission abgebaut worden ist, dauert es wieder längere Zeit, bis die Inversion durch die laufend gespeicherte Anregungsstrahlungsleistung wieder bis über den Schwellwert aufgebaut worden ist. Dann entsteht in der eben beschriebenen Weise ein weiterer Laserimpuls. Richtet man es nun so ein, daß der stimulierende Anregungsstrahlungsimpuls (Pumplaserimpuls) eine Halbwertsbreite hat, die zwar ausreicht, um einen ersten kurzen Laser­ impuls zu erzeugen, jedoch nicht mehr, um die Schwellwertleistung für einen nachfolgenden Impuls zu erreichen, so bekommt man für jeden stimulierenden Anregungsstrahlungsimpuls einen einzelnen, sehr kurzen Laser-Ausgangsimpuls. Experimente haben gezeigt, daß z. B. bei der Anregung eines Farbstofflasers mit einem Stickstofflaserimpuls von 5,5 Nanosekunden Halbwertsbreite ein Farbstofflaserausgangsimpuls entsteht, der überraschenderweise nur eine typische Halbwertsbreite von 80 Picosekunden bis herunter zu 35 Picosekunden hat, d. h. daß überraschenderweise eine Impulsverschmälerung um einen Faktor 100 oder mehr gegenüber dem stimulierenden Anregungsstrahlungsimpuls statt­ findet. Es ist erwähnenswert, daß sich die beschriebenen Eigenschaften eines Farbstofflasers mit verteilter Rückkopplung auch durch ein mathema­ tisches Modell beschreiben läßt, das mit Gleichungen arbeitet, die in der Literatur allgemein als "Ratengleichungen" bezeichnet werden, und daß sich daraus ableiten läßt, daß es bei weiterer Verkürzung des Anregungsimpulses möglich ist, durch einen Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung Licht­ impulse zu erzeugen, deren Impulshalbwertsbreite unterhalb einer Picosekunde liegt.

Der in Fig. 1 vereinfacht dargestellte Farbstofflaser 10 weist eine Reihe von Besonderheiten auf, durch die sich überraschende, neue und vorteil­ hafte Eigenschaften ergeben. Er enthält eine Anregungsstrah­ lungsimpulsquelle 12, z. B. einen Stickstofflaser, die ein Anregungsstrah­ lungsimpulsbündel 14 erzeugt. Ferner enthält der Farbstofflaser 10 eine Küvette 18, in der sich ein stimulierbares Lasermedium in Form einer Farbstofflösung 20 befindet, ein als Bündelteiler arbeitendes Beugungsgitter 22 und eine Umlenkspiegelanord­ nung mit zwei Umlenkspiegeln 24, 26, bei denen es sich um dielektrische Spiegel handeln kann. Das Beugungsgitter 22 kann ein holographisches Gitter sein und eine Strichdichte von 2442 Gitterstrichen pro Millimeter aufweisen. Das Beugungsgitter, das anstelle der bisher üblicherweise verwendeten Strahlteilern mit teildurchlässigen Spiegeln oder Strahlteilerwürfeln ver­ wendet wird, erzeugt Teilbündel 34 und 36, die den gebeugten Bündeln der Ordnung +1 bzw. -1 entsprechen. Das Bündel nullter Ordnung ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Die beiden gleich starken Teilbündel 34 und 36 werden von einem Umlenkspiegel 24 bzw. 26 einer Umlenkspiegelanordnung in die Kü­ vette 18 geworfen. Die Spiegel 24 und 26 stehen im wesentlichen senkrecht zur Ebene des Beugungsgitters 22 und parallel zu den Gitterlinien des Git­ ters. Die beiden kohärenten Teilbündel 34 und 36 erzeugen in einem stimu­ lierten Volumen 28 in der Farbstofflösung 20 ein Interferenzmuster der oben beschriebenen Art.

Gemäß einem wesentlichen Merkmal der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung des vorliegenden Farbstofflasers ist im Srahlengang des Anregungsstrahlungsbündels 14 zwischen der Anregungsstrahlungsquelle 12 und dem Beugungsgitter 22 eine Zylinderlinse 32 so angeordnet, daß die Achse der Zylinderfläche senkrecht zu den Gitterlinien des Beugungsgitters 22 verläuft. Die Brennweite der Zylinderlinse ist so gewählt, daß sie das parallele Anregungsstrahlungsbündel 14 und damit die aus ihm erzeugten Teilbündel 34 und 36 in eine Brennlinie im Inneren des Lasermediums 20 fokussiert.

Die Verwendung eines Beugungsgitters, insbesondere eines holo­ graphischen Gitters, als Bündelteiler hat den großen Vorteil, daß nicht nur schmalbandige Anregungsstrahlungsquellen verwendet werden können, son­ dern auch Laser, die ein relativ breites Frequenzband emittieren, wie bei­ spielsweise der Stickstofflaser. Verwendet man solche breitbandig emittieren­ den Laser mit einem gewöhnlichen Bündelteiler, so ergibt sich kein ausge­ prägtes Interferenzmuster, da sich Interferenzmuster der verschiedenen Wellenlängen, die im Anregungsstrahlungsbündel enthalten sind, überlagern und insgesamt nur ein verwaschenes Muster ergeben, das für den vorliegenden Farbstofflaser nicht gut brauchbar ist. Bei Verwendung eines Beugungs­ gitters werden dagegen die unterschiedlichen Wellenlängen in Anregungs­ strahlungsbündel in etwas verschiedene Richtungen gebeugt und bei richtiger Wahl des Abstandes y zwischen den Spiegeln 24 und 26 und des Abstandes x zwischen dem Beugungsgitter 22 und dem Lasermedium 20 vereinigen sich die Teilstrahlen alle zu einem Interferenzmuster mit 100%iger Modulationstiefe. Dies wird bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dadurch erreicht, daß die Geometrie so gewählt wird, daß unabhängig von der Wellenlänge der An­ regungsstrahlung stets A = d/2 ist, wobei d die Gitterkonstante des Beu­ gungsgitters 22 bedeutet.

Bei Verwendung von Farbstofflösungen als Lasermedium, die in einem gewissen Fre­ quenzband zu emittieren vermögen, gibt es verschiedene Möglichkeiten der Einstellung bzw. Änderung der Wellenlänge des Ausgangsstrahlungsbündels 30 des Lasers:

• 1. Änderung der Modulationsperiode A der Interferenzmusters entsprechend der bereits erwähnten Beziehung λ _o = 2 nAwas durch Verdrehen der Spiegel 24 und 26 um die eingezeichneten Achsen 24 a bzw. 26 a jeweils um einen gleichen Winkelbetrag in entgegengesetzte Richtungen bewirkt werden kann. Bei Verwendung einer 10^-3-molaren Lösung von Rhodamin 6G in Ethanol ergibt eine Verdrehung der Spiegel um einen Winkel von 1 mrad eine Änderung der Wellenlänge um 0,8 nm.
• 2. Änderung der Modulationsperiode A durch Änderung des Abstandes y und/oder des Abstandes x. Hierbei ergibt sich bei dem obenerwähnten Beispiel eine Änderung der Wellenlänge um 0,3 bzw. 0,4 nms pro Millimeter Änderung von y bzw. x. Der Abstimmbereich ist hierbei jedoch auf etwa ±0,1 nm begrenzt.
• 3. Änderung des Brechungsindex n der als aktives Lasermedium dienenden Farb­ stofflösung, indem entsprechende Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische verwendet werden.
• 4. Änderung des Brechungsindex n durch Änderung der Temperatur des aktiven Lasermediums. Zum Beispiel ändert sich bei dem Farbstofflaser, der Ethanol als Lö­ sungsmittel enthält, die Wellenlänge um 0,17 nm, wenn die Temperatur um 1°C geändert wird.
• 5. Änderung des Brechungsindex n des aktiven Lasermediums durch Druckänderung. Zu diesem Zweck kann beispielsweise die Küvette eines Farbstofflasers als Druckküvette ausgebildet sein und durch Druckänderung eines auf der Farb­ stofflösung lastenden Gases, beispielsweise Stickstoff, eine Brechungs­ indexänderung des Lösungsmittels über dessen Kompressibilität hervorgerufen werden. Bei einer Mischung aus 80% Dimethylsulfoxid und 20% Ethanol als Lösungsmittel ergibt sich beispielsweise eine Änderung der Laserwellen­ länge um 0,0144 nm pro Bar Druckänderung.
• 6. Änderung des Einfallswinkels der vom Bündelteiler kommenden Teilstrahlen, was durch ein Prisma 38 bewirkt werden kann, was, wie Fig. 2 zeigt, in den Strahlengängen der Teilbündel 34, 36 im wesentlichen symmetrisch vor der die Farbstofflösung enthaltenden Küvette 18 angeordnet ist. Das Prisma 38 kann als Hohlprisma ausgebildet sein und dann mit verschiedenen Gasen und/oder Gasen mit unterschiedlichen Drücken zur kontinuierlichen Wellenlängenabstimmung gefüllt werden oder mit Flüssig­ keiten unterschiedlichen oder variierenden Brechungsindex.

Selbstverständlich können die oben beschriebenen verschiedenen Maßnahmen zur Wellenlängenänderung bzw. -einstellung miteinander kombiniert werden, falls dies wünschenswert ist.

Claims (6)

1. Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung mit:

• a) einem Anregungslaser (12), der Anregungsstrahlungsimpulse liefert, deren zeitliche Halbwertsbreite kleiner als 20 ns ist,
• b) einem Bündelteiler (22), der das vom Anregungslaser (12) erzeugte Anregungsstrahlungsbündel (14) in zwei kohärente Teilbündel (34, 36) zerlegt,
• c) einer Umlenkspiegelanordnung (24, 26), die die Teilbündel (34, 36) so in das aktive Lasermedium (20) reflektiert, daß die Teilbündel (34, 36) im Lasermedium (20) eine Interferenzstreifenteilung vorgegebener räumlicher Periode und damit eine entsprechende Stimulationsdichteverteilung im Lasermedium (20) erzeugen,

dadurch gekennzeichnet, daß der Anregungslaser (12) so be­ trieben wird, daß die Intensität der Anregungsstrahlungs­ impulse die Laserschwelle des Lasermediums um höchstens 20% überschreitet.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bündelteiler (22) ein Beugungsgitter ist.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Zylinderlinse (32), die das Anregungsstrahlungsbündel (14) über den Bündelteiler (22) und die Umlenkspiegelanordnung (24, 26) in das Lasermedium (20) fokussiert.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Zylinderlinse (32) senkrecht zu Gitterstrichen des Beugungsgitters (22) verläuft.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Teilbündel (34, 36) zwischen der Umlenkspiegelanordnung (24, 26) und dem aktiven Lasermedium (20) ein bezüglich der Teilbündel im wesentlichen symmetrisches Prisma (38, Fig. 2) angeordnet ist.