DE3013300A1

DE3013300A1 - Oscillator laser amplifier - has parallel electrode system with optical processing through switching stage

Info

Publication number: DE3013300A1
Application number: DE19803013300
Authority: DE
Inventors: Heinrich 6900 Heidelberg Karning; Franz Dipl.-Phys. 6901 Waldhilsbach Prein
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1980-04-05
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1981-10-15

Abstract

An oscillator laser amplifier provides pulse processing through two parallel channels. The laser (1) has a gas space (5) containing a distributed electrode system (10-14). The end walls (8,9) provide mounting for optical elements in the form of a mirror (18) and a partially reflecting lense (19). The electrodes have discharge surfaces (3,4,12,13). The laser emission is reflected (18) and passes through the electrode channel (10,11) and is reflected off two mirrors (23,24) and through a Brewster window (20) mounted in the end wall. An active switching stage (7) of either an electro-optical crystal or a acousto-optical crystal is located between the two mirrors.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung, bestehend aus zumindestThe invention relates to a laser arrangement consisting of at least

einem von einem Gehäuse umgebenen Gasraum mit einem Elektrodensystem, das in eine Mittelelektrode mit wenigstens zwei der elektrischen Entladung dienende Oberflächen und wenigstens zwei diesen Flächen gegenüberliegende Außenelektroden aufgegliedert ist, wobei an den Gehäusestirnseiten in Höhe der Freiräume zwischen den Elektroden teils den Laserstrahl in Richtung auf die andere Seite total reflektierende, teils (teil-)durchlässige optische Elemente zur Auskopplung des Laserstrahis befestigt sind.a gas space surrounded by a housing with an electrode system, the one serving in a center electrode with at least two of the electrical discharge Surfaces and at least two outer electrodes opposite these surfaces is broken down, with on the housing front sides in the amount of free spaces between the electrodes partly totally reflecting the laser beam in the direction of the other side, partially (partially) transparent optical elements attached for coupling out the laser beam are.

Eine solche Laseranordnung ist z.B. Gegenstand der DE-OS 27 53 304, während in "Applied Physics Letters", Vol. 24, No. 7,vom 1. April 1974, Seiten 306/7, in dem Fachaufsatz "Generation of bandwidth-limited pulses from a TEA C02 laser using p-type germanium" von A.F. Gibson, M.F. Kimmitt und B. Norris ein Oszillator-Laser-Verstärker behandelt ist.Such a laser arrangement is, for example, the subject of DE-OS 27 53 304, while in "Applied Physics Letters", Vol. 24, No. 7, dated April 1, 1974, pages 306/7, in the paper "Generation of bandwidth-limited pulses from a TEA C02 laser using p-type germanium "by A.F. Gibson, M.F. Kimmitt and B. Norris an oscillator laser amplifier is treated.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Möglichkeit, bei einem wenigstens zwei für sich existente Kanäle enthaltenden Laser die Form des Laserimpulses beeinflussen zu können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die von den Elektrodenpaaren gebildeten Kanäle über den aus dem einen Kanal ausgekoppelten und in den anderen Kanal eingekoppelten Laserstrahl in Reihe geschaltet sind und im ausgekoppelten, die beiden Kanäle verbindenden Bereich des Laserstrahls mindestens e i n die Pulsformung zeitlich und/oder geometrisch beeinflussendes Element geschaltet ist. Dadurch wird es möglich, die Strahlaufbereitung in einfacher Weise zu beeinflussen, so daß hinter diesem zweiten Kanal ein in gewünschter Weise geformter Laserimpuls entsteht.The object of the invention is to create a possibility in the case of a laser containing at least two channels that exist per se, the shape to be able to influence the laser pulse. This object is achieved according to the invention solved that the channels formed by the electrode pairs via the one Channel decoupled and coupled into the other channel laser beam in series are switched and in the decoupled area of the connecting the two channels Laser beam at least one which influences the pulse shaping in terms of time and / or geometry Element is switched. This makes it possible to prepare the beam in a simpler way Way to influence, so that behind this second channel a desired way shaped laser pulse is created.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist hierbei, das die Pulsform beeinflussende Element im ausgekoppelten, die beiden Kanäle verbindenden Bereich anzuordnen, so daß die Strahl aufbereitung noch vor Durchlauf des zweiten Kanals erfolgt.A preferred embodiment here is that which influences the pulse shape To arrange element in the decoupled area connecting the two channels, so that the beam preparation takes place before the second channel passes.

Was die praktische Anwendung anbetrifft, ist es hierbei sinnvoll, wenn der erste Kanal einen optisch abgeschlossenen Laser-Oszillator und der mit ihm in Reihe geschaltete weitere Entladungskanal einen Laser- Verstärker darstellt. Bei einer solchen Fallgestaltung läßt sich mit dem wirksamen Element eine zeitliche oder geometrische Auswahl treffen, um dann in den Verstärker nur noch zum Zeitpunkt optimaler Verstärkung den Laserstrahl einzukoppeln bzw. nur den günstigsten Bereich des verstärkenden Mediums im Verstärker auszunutzen. In diesem Zusammenhang kann die Verwendung von mit unterschiedlichen Drücken, Temperaturen und Gasmischungen arbeitendem Laser-Oszillator und Laser-Verstärker sinnvoll sein, bei denen als weitere Möglichkeit der Pumpvorgang zeitlich wählbar und voneinander unabhängig durchführbar gestaltet sein kann. Ferner kann der Laser-Verstärker einen (instabilen) Resonator aufweisen und der Laser-Oszillator ein Injektionslaser sein.As far as practical application is concerned, it makes sense here to if the first channel has an optically sealed laser oscillator and the one with further discharge channel connected in series with a laser amplifier represents. In such a case, the effective element make a temporal or geometrical selection, then only in the amplifier couple the laser beam or only the to use the most favorable area of the amplifying medium in the amplifier. In this Context can be the use of with different pressures, temperatures and gas mixtures working laser oscillator and laser amplifier make sense, where as a further possibility the pumping process can be selected in terms of time and from one another can be designed independently feasible. Furthermore, the laser amplifier can be a Have (unstable) resonator and the laser oscillator be an injection laser.

Hierbei ist es zweckmäßig, wenn an den Gehäusestirnselten des ersten Kanals+ein totalreflektierendes und ein zumindest teildurchlässiges optisches Element und an den Gehäusestirnseiten des mit ihm in Reihe geschalteten weiteren Kanals je ein Brewster-Fenster vorgesehen ist.It is useful if on the housing ends of the first Channel + a totally reflective and an at least partially transparent optical element and on the housing front sides of the further channel connected in series with it a Brewster window is provided for each.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß das die Pulsformung zeitlich beeinflussende Element aus einem aktiv wirkenden optischen Schalter (Q-switch) oder einem passiven Güteschalter besteht. Für den aktiven Fall bietet sich ein elektro- oder ein akustooptischer Kristall und für den passiven ein sättigbarer Absorber an. Zweckmäßigerweise nimmt man für den elektrooptischen Kristall Cadmium-Telurid, während für den Absorber Ge oder SF6 oder heißes C02 in Frage kommen. Selbstverständlich ist auch die VerWendung anderer, im einzelnen nicht weiter aufgezählte aktiver und passiver Güteschalter vorstellbar.A further development of the invention provides that the pulse shaping Time-influencing element from an actively operating optical switch (Q-switch) or a passive Q-switch. For the active case, there is an electric or an acousto-optic crystal and, for the passive one, a saturable absorber at. It is advisable to use cadmium teluride for the electro-optical crystal, while Ge or SF6 or hot C02 are possible for the absorber. Of course is also the use of others, not listed in detail, more active and passive Q-switch imaginable.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung ist darauf gerichtet, daß für die geometrische Pulsformung ein den Laserimpuls aufweitendes, fokussierendes, drehendes oder polarisierendes Element, oder z.B. eine adaptive Optik zum Verändern der Phasenflächen, Verwendung findet.Another development of the invention is aimed at that for the geometrical pulse shaping a focusing, widening and focusing of the laser pulse rotating or polarizing element, or e.g. adaptive optics for changing the phase surfaces, is used.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sieht vor, daß das die Pulsform beeinflussende Element innerhalb oder außerhalb des Gesamtgehäuses angeordnet ist.Another feature of the invention provides that this is the pulse shape influencing element is arranged inside or outside of the overall housing.

+) Brewster-Fenster und/oder - Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert, wobei die in den beiden Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigt Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der das reflektierende und das zumindest teildurchlässige optische Element des Oszillators in den Stirnseiten des-Gehäuses eingelassen sind und Fig. 2 eine Anordnung gemäß Fig. 1, bei der das reflektierende und das zumindest teildurchlässige Fenster außerhalb des Gehäuses angeordnet sind.+) Brewster window and / or - The following will be two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail using a drawing, the parts corresponding to one another in the two figures having the same reference numerals exhibit. It shows Fig. 1 an arrangement according to the invention, in which the reflective and the at least partially transparent optical element of the oscillator in the end faces des housing are embedded and FIG. 2 shows an arrangement according to FIG. 1, in which the reflective and the at least partially transparent window outside the housing are arranged.

Die Figur zeigt den Laser 1, dessen Gehäuse 2 den Gasraum 5 umgibt, in dem das aufgeteilte Elektrodensystem 10 bis 14 angeordnet ist. Die beiden Stirnwände 8 und 9 des Gehäuses dienen im wesentlichen der Halterung der optischen Elemente 17 bis 21. Das Gehäuse 2 kann dabei in Längsachsenrichtung - gemäß der ausgezogenen Linienführung - von den beiden Stirnwänden 8 und 9 begrenzt sein. In diesem Fall wird der Laserstrahl in seinem Faltungsbereich, der gleichzeitig auch der Umformung dient, extern geführt. Die gestrichelte Linienführung dagegen deutet an, daß auch dieser Bereich in das Gehäuseinnere mit einbezogen werden kann.The figure shows the laser 1, the housing 2 of which surrounds the gas space 5, in which the divided electrode system 10 to 14 is arranged. The two end walls 8 and 9 of the housing are essentially used to hold the optical elements 17 to 21. The housing 2 can in the longitudinal axis direction - according to the solid line Lines - be bounded by the two end walls 8 and 9. In this case the laser beam is in its folding area, which is also the deformation at the same time serves, externally managed. The dashed lines, however, indicate that also this area can be included in the interior of the housing.

Das mit nach außen führenden Zuleitungen versehene Elektrodensystem 10 bis 14 besteht aus der in der Längsachse des Gehäuses angeordneten Mittelelektrode 11,. die an ihrer Außenkontur zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Entladungsflächen 12 besitzt, die jeweils mit einer ihr im Bereich der inneren Längswand des Gehäuses gegenüberliegenden Elektrode 10 und 14 bzw. deren Entladungsflächen 3 und 4 zusammenwirken.The electrode system provided with leads leading to the outside 10 to 14 consists of the center electrode arranged in the longitudinal axis of the housing 11 ,. the two discharge surfaces pointing in opposite directions on their outer contour 12 possesses, each with one of them in the area of the inner longitudinal wall of the housing opposing electrodes 10 and 14 or their discharge surfaces 3 and 4 interact.

In Höhe der Freiräume zwischen den Elektroden 10 und 11 ist an der Innenseite der Stirnwand 8 ein totalreflektierendes Element 18, das z.B. ein Spiegel sein kann, befestigt oder eingelassen, während in der Stirnwand 9 ein zumindest teildurchlässiges optisches Element 19, z.B. ebenfalls ein entsprechend ausgebildeter Spiegel, die Wand ersetzt bzw. an dieser Stelle für die Laserstrahlung durchlässig ist. Zwischen den Elektroden 11 und 14 ist in den Stirnwänden 8 und 9 ein Brewster-Fenster 20 bzw. 21 eingelassen.At the level of the free spaces between the electrodes 10 and 11 is on the Inside of the end wall 8 a totally reflective element 18, e.g. a mirror can be attached or embedded, while in the end wall 9 at least one partially transparent optical element 19, e.g. also a correspondingly designed one Mirror that replaces the wall or at this point for the laser radiation is permeable. Between the electrodes 11 and 14 is in the end walls 8 and 9 a Brewster window 20 or 21 let in.

Hinsichtlich der Funktion vorstehender Anordnung gilt, daß der -Laserstrahl 17 an dem Spiegel 18 100%-ig reflektiert wird, den von den Elektroden 10 und 11 gebildeten Entladungskanal - z.B. einen Laser-Oszillator -durchläuft, an dem ihm gegenüberliegenden ausgekoppelt und anschließend über den unter 450 zum Strahlengang angeordneten Spiegel 3 um 900 in das die Pulsformung zeitlich oder geometrisch beeinflussende Element 7 gelenkt wird. Diese Lage von Element 7 ist die bevorzugte Ausführungsform.With regard to the function of the above arrangement applies that the laser beam 17 is 100% reflected at the mirror 18, which is from the electrodes 10 and 11 formed discharge channel - e.g. a laser oscillator - passes through which it opposite and then decoupled via the under 450 to the beam path arranged mirror 3 by 900 in the time or geometrically influencing the pulse shaping Element 7 is steered. This position of element 7 is the preferred embodiment.

Grundsätzlich kann es jedoch im gesamten Bereich des Strahlengangs angeordnet werden.In principle, however, it can be in the entire area of the beam path to be ordered.

Für den Fall, daß ein die Pulsform zeitlich beeinflussendes Element 7 benötigt wird, was in der Fachsprache auch als mode-locking bezeichnet wird, kann ein aktiv oder passiv wirkender optischer Güteschalter, ein sogenannter Q-switch, vorgesehen sein. Der aktive Schalter kann dabei als wirksames Teil einen elektrooptischen Kristall aus CdTe oder einen akustooptischen Kristall, und der passive Schalter einen sättigbaren Absorber aus Ge, SF6 oder heißem C02 besitzen. In letzterem Fall hat der Kristall selbst die Eigenschaft durch Sättigungsabsorption als optischer Schalter zu wirken, während in ersterem diese Eigenschaft durch optisches Triggern bewirkt wird. Man kann hierbei z.B. mit einer Laserfunkenstrecke die Triggerung des elektrooptischen Schalters durchführen, um dadurch die Transmission zu ändern. Wenn dagegen ein die Pulsform geometrisch beeinflussendes Element 7 benötigt wird, bedeutet dies, daß der Laserpuls aufgeweitet oder von einer schmalen in eine breitere Form übergeführt werden soll. Auch eine Drehung oder Polarisierung, oder - mittels adaptiver Optiken - ein Verändern der Phasenflächen des Laserstrahls ist durchführbar.In the event that an element influencing the pulse shape over time 7 is required, which is also known as mode-locking in technical jargon an actively or passively acting optical Q-switch, a so-called Q-switch, be provided. The active switch can be an electro-optical part as an effective part Crystal made of CdTe or an acousto-optic crystal, and the passive switch Have a saturable absorber made of Ge, SF6 or hot C02. In the latter case the crystal itself has the property of saturation absorption as being more optical Switch to act, while in the former this property by optical triggering is effected. You can trigger the trigger with a laser spark gap, for example of the electro-optical switch to change the transmission. If, on the other hand, an element 7 that geometrically influences the pulse shape is required, this means that the laser pulse is widened or from a narrow one to a wider one Form should be transferred. Also a rotation or polarization, or - by means of adaptive optics - the phase surfaces of the laser beam can be changed.

Dabei können die umlenkenden Elemente als adaptive Spiegel ausgebildet sein.The deflecting elements can be designed as adaptive mirrors be.

Nach Verlassen des Elements 7 wird der in der vorbeschriebenen Weise geformte Laserstrahl über den ebenfalls unter 450 zum Strahlengang angeordneten Spiegel 4 nochmals um 900 - in die zur Ausgangsrichtung entgegengesetzte Richtung - umgelenkt und gelangt anschließend über das in der Stirnwand 9 eingelassene Brewster-Fenster20 in den von den Elektroden 11 und 14 gebildeten Kanal, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Verstärker wirkt. Von hier wird der Laserstrahl sodann durch das in der gegenüberliegenden Stirnwand 8 eingelassene Brewster.Fenster21 in Pfeilrichtung 22 ausgekoppelt.After leaving the element 7 is the in the manner described above shaped laser beam over the also arranged under 450 to the beam path mirrors 4 deflected again by 900 - in the opposite direction to the original direction and then passes through the Brewster window 20 let into the end wall 9 in the channel formed by the electrodes 11 and 14, which in the present exemplary embodiment acts as an amplifier. From here the laser beam is then passed through the one in the opposite one Front wall 8 recessed Brewster windows 21 uncoupled in the direction of arrow 22.

Figur 2 unterscheidet sich von Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß in den Seitenwänden 8 und 9 die optischen Elemente 18 und 19 durch die Brewster-Fenster 18' und 19' ersetzt sind. Die optischen Elemente 18 und 19 sind bei diesem Ausführungsbeispiel außerhalb des Gehäuses 2 - jeweils unmittelbar neben dem zugehörigen Brewster-Fensterl8' bzw. 19' - angeordnet.FIG. 2 differs from FIG. 1 essentially only in that that in the side walls 8 and 9, the optical elements 18 and 19 through the Brewster window 18 'and 19' are replaced. The optical elements 18 and 19 are in this embodiment outside the housing 2 - in each case immediately next to the associated Brewster window l8 ' or 19 '- arranged.

Insgesamt gesehen wird durch zwei jeweils optisch abgeschlossene hintereinandergeschaltete Kanäle und den dazwischen gekoppelten Schalter 7 in einfacher Weise die Möglichkeit geschaffen, den Laserstrahl der Impulsform 15 (extern) zu beeinflussen, indem eine zeitliche oder geometrische Umformung vorgenommen wird. Im Verstärkerkanal wird dann nur noch derjenige Laser-Anteil verstärkt, der das Verstärkermedium optimal ausnutzt, so daß am Ausgang schließlich die Impulsform 16 anliegt, deren Anstieg wesentlich steiler ist als der ursprünglich vom Oszillatorkanal erzeugte Laserimpuls.Overall, there are two optically closed, one behind the other Channels and the switch 7 coupled between them in a simple manner the possibility created to influence the laser beam of the pulse shape 15 (external) by a temporal or geometric reshaping is carried out. In the amplifier channel then only that part of the laser is amplified which optimally uses the amplifier medium exploited, so that the pulse shape 16 is finally present at the output, its rise is much steeper than the laser pulse originally generated by the oscillator channel.

Claims

Oscillator laser amplifier PATENT APPLICATION 1 Laser arrangement, consisting from at least one gas space surrounded by a housing with an electrode system, the one serving in a center electrode with at least two of the electrical discharge Surfaces and at least two outer electrodes opposite these surfaces is broken down, with on the housing front sides in the amount of free spaces between the electrodes partly totally reflecting the laser beam in the direction of the other side, partially (partially) transparent optical elements attached for coupling out the laser beam are, that is, that those of the electrode pairs (10, 11 or 11, 14) formed channels via the channel (10, 11) coupled out and in the other channel (11, 14) coupled laser beam (17) connected in series are and in the beam path of the laser at least one i n the pulse shaping in terms of time and / or geometrically influencing element (7) is connected.

2. Laser arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t that the element (7) influencing the pulse shape in the decoupled, the area connecting the two channels is arranged.

3. Laser arrangement according to claim 1 and 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the first channel is an optically sealed laser oscillator and the other channel connected in series with it represents a laser amplifier.

4. Laser arrangement according to one of the preceding claims, g e k e n n -z e i c h n e t through the use of different pressures and temperatures and gas mixtures working laser oscillator and laser amplifier.

5. Laser arrangement according to one of the preceding claims, d a d u notices that in laser oscillator and laser amplifier the time of the pumping process can be selected and carried out independently of one another.

6. Laser arrangement according to one of the preceding claims, d a d u notify that the laser amplifier has an (unstable) Has resonator and the laser oscillator is an injection laser.

7. Laser arrangement according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n n z e i c h n e t that on the housing front sides (8; 9) of the first Canal's Brewster window and / or one totally reflective and one at least partially transparent optical element (18 or 19) and on the housing front sides of the with him in series switched further channel each a Brewster window (20; 21) is provided.

8. Laser arrangement according to one of the preceding claims, d a d u It is noted that that which influences the pulse shaping in terms of time Element (7) from an actively acting optical switch (Q-switch) or a passive one Quality switch exists.

9. Laser arrangement according to claim 8, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the active electro-optical switch (7) is an electro-optical Crystal or an acousto-optic crystal and the passive optical switch (7) is a saturable absorber.

10. Laser arrangement according to claim 9, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the electro-optic crystal made of cadmium teluride and the saturable one The absorber consists of Ge or SF6 or hot CO2.

11. Laser arrangement according to one of claims 1 to 6, d a d u r c h e k e n n n e i c h n e t that the laser pulse is used for the geometrical pulse shaping expanding, focusing, rotating or polarizing element (7) use finds.

12. Laser arrangement according to claim 11, since you r c h g e k e n n -z e I do not believe that adaptive optics are used to change the phase surfaces.

13. Laser arrangement according to one of the preceding claims, d a d It is indicated that the element influencing the pulse formation (7) is arranged inside or outside of the overall housing (2).