DE4110189C2 - Mehrwellenlängen-Laseroszillator mit geometrisch gekoppelten Resonatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung basiert auf einem abstimmbaren Laser zur simultanen oder alter­ nierenden Erzeugung mehrerer Wellenlängen, bestehend aus einem abstimm­ baren laser-aktiven Medium, das zwischen mehrere Resonatoren eingebracht wird, die durch ein polygonales Prisma mit parallelen Seitenflächen geometrisch gekoppelt werden, welches einen simultanen oder durch Rotation des Prismas oder andere Bewegung einer Strahlablenkung einen alternierenden Betrieb ermöglicht, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das polygonale Prisma mit parallelen Seitenflächen bietet gegenüber anderen Techniken zur Strahlteilung vier wesentliche Vorteile:

• 1) Es wird keine optische Veränderung des Strahls im Resonator verursacht, da der Strahlversatz parallel zur optischen Achse erfolgt, was eine Auswahl der dispersiven Elemente, des Typs der Resonatoren (auch mit Filterung der Superstrahlung) [1] und der Wellenlänge ohne Einschränkungen durch achromatische Effekte ermöglicht.
• 2) Die Benutzung einer Kante des Prismas ermöglicht die Teilung des einfallen­ den Strahls in zwei parallele Strahlen und damit den simultanen Betrieb von zwei Resonatoren und somit die gleichzeitige Emission von zwei Wellenlängen.
• 3) Die simultane Betriebsweise (2) ist stabil, da die zur Einfallsrichtung parallele Aufteilung des Strahls eine gleichzeitige aber im laser-aktiven Medium räum­ lich getrennte Existenz der beiden Emissionsmoden ermöglicht, wodurch konkurrierende Verstärkungseffekte der beiden Wellenlängen im aktiven Medium wesentlich reduziert werden und damit eine Vergrößerung des Abstimmbereiches der beiden Resonatoren ermöglichen.
• 4) Durch eine leichte Nicht-Parallelität Δα auf einer oder mehreren Seiten des polygonalen Prismas (s. Bild 1C), kann die Zahl der aufgeteilten Strahlkomponenten und somit der verfügbaren Wellenlängen erhöht werden. Beim Durchgang durch die abgeschrägte Seitenfläche des Prismas verschiebt sich durch die Änderung des Einfallswinkels auf das dispersive Element des Resonators die Wellenlänge des Strahls. So können zum Beispiel bei Verwendung eines rotierenden Prismas mit quadratischem Querschnitt und einer um den Winkel Δα abgeschrägten Seitenfläche, mit dem zwei Resonatoren geometrisch gekoppelt werden, vier alternierende Wellenlängen erzeugt werden; zwei Wellenlängen entsprechend der Einstellung der dispersiven Elemente der beiden Resonatoren und zwei dazu leicht verschobenen Wellenlängen durch die Änderung des Einfallswinkels. Diese Anordnung ist vorteilhaft beim Einsatz in Systemen, die Paare von dicht beieinander liegenden Wellenlängen verwenden, wie beispielsweise das differentielle Absorptions-HDAR (DIAL).

Aufgrund der zahlreichen Anwendungen von abstimmbaren Lasern mit mehreren Wellenlängen, wie Multi-Photonen-Anregung, das CARS (Coherent Antistokes Raman Scattering) oder DIAL (Differental Absorption LIDAR) wurden in der Vergangenheit verschiedene Laser-Konfigurationen entwickelt, um gleichzeitig oder alternierend mehrere Wellenlängen mit dem gleichen Lasersystem zu erzeugen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Probleme bei der räumlichen und zeitlichen Überlagerung der verschiedenen Strahlen zu eliminieren, ganz abgesehen von dem ökonomischen Vorteil, den die Verwendung nur eines abstimmbaren Lasersystems darstellt.

Unter den bisherigen Verfahren erlaubte keine Konfiguration sowohl die simul­ tane als auch die alternierende Betriebsweise ohne erhebliche Effizienzverluste.

Der einfache Strahlversatz durch eine parallele Platte, wie er von Brechignac et al. [2] beschrieben wurde, erlaubt z. B. nur die alternierende Betriebsweise, die zu­ sätzlich durch eine lange Umschaltzeit eingeschränkt wird. Die hier beschriebene Erfindung der geometrischen Kopplung mehrerer Laserresonatoren durch ein polygonales Prisma erlaubt die Wahl zwischen den beiden Betriebsweisen ohne irgendeine Modifikation der Anordnung.

Aus der US-Zeitschrift "Appl. Opt.", 27 No. 10, (1988), S. 1906-1907 ist es bekannt, ein polygonales Prisma mit parallelen Seitenflächen einzusetzen, um hierüber verschiedene Resonatoren zu definieren und damit durch Rotation des Prismas einen - in der Wellenlängenauswahl - alternierenden Betrieb zu ermöglichen.

Ein Laseroszillator zur gleichzeitigen oder alternierenden Erzeugung von mehreren Wellenlängen, bestehend aus einem aktiven Medium, das auf mehreren Wellenlängen oder einem kontinuierlichen Spektrum emittiert und zwischen mehrere Resonatoren eingebracht ist, ist aus dem Buch "Dye Lasers", F. P. Schäfer (Ed.), 3. Aufl., 1990, Springer-Verlag, S. 36, 37, 68, 69, 76, 77, bekannt.

Maßnahmen zur Wellenlängenselektion (Keile, Prismen, doppelbrechende Filter, dispersive Gitter in Littrow- bzw. Littmann-Anordnung) sind darüberhinaus aus der US- Zeitschrift: "Appl.Opt.", 13, No. 10, (1974), S. 2321-2325 sowie der US-PS 4710937 bekannt.

Bisher bekannte Anordnungen weisen folgende Nachteile auf:

(1) Erheblich eingeschränkte Wahlmöglichkeit der verschiedenen Wellenlängen und der Typen der Resonatoren (Wahl nicht unabhängig, Wahl eingeschränkt auf dicht beieinanderliegende Wellenlängen, Nicht-Achromatismus), (2) unge­ naue Bestimmbarkeit der Wellenlängen, (3) Schwierigkeiten bei der Justierung der Strahlen, (4) unterschiedliche Polarisationsrichtungen, (5) erhebliche Verluste durch das Einfügen, oder schließlich in der simultanen Betriebsart (6) Instabilitäten und Verluste der Ausbeute durch signifikante Konkurrenz der beiden emittierten Moden.

Eine Grundlage der Erfindung ist ein polygonales Prisma mit parallelen Seitenflächen, welches ohne Veränderungen verschiedene Laserresonatoren geometrisch koppelt, ohne die oben beschriebenen Nachteile zu haben. Die Flächen der Prismen sind mit einer Anti-Reflex-Beschichtung versehen, um die möglichen Reflexionsverluste zu reduzieren. Die Anzahl der Oberflächen ist ein Kompromiß zwischen der Amplitude der optischen Parallelverschiebung und der Geschwindigkeit, mit der zwischen den Resonatoren durch Rotation des Prismas gewechselt werden kann. Zwei reguläre Polygone sind als Prismen be­ sonders geeignet: Ein Prisma mit quadratischer Grundfläche für große optische Verschiebungen, und ein Prisma mit hexagonaler Grundfläche für hohe Wechselgeschwindigkeiten. Ähnliche Konfigurationen können auch durch Spiegelung, Doppelbrechung, nicht lineare optische Schaltung, Plasmaschaltung, druckinduzierte doppelbrechende Schaltung, akusto-optische Schaltung, oder Schaltung auf fiberoptischen Matrizen realisiert werden.

Das Funktionsprinzip der Erfindung ist in Abb. 1 dargestellt: das aktive Medium (3) emittiert Laserstrahlung der Wellenlängen, die durch die Resonatoren, d. h. durch die Auskoppeleinheit (4) und die dispersiven Elemente 1a, 1b, . . . 1n be­ stimmt sind, wobei die Resonatoren simultan oder alternierend durch das rotie­ rende polygonale Prisma (2) ausgewählt werden. Das Prisma mit parallelen Flächen erzeugt eine Parallelverschiebung des einfallenden Strahl (Abb. 1B) mit einer Amplitude

(L ist die Distanz zwischen den parallelen Flächen, e der Einfallswinkel und N der relative Brechungsindex n₂/n₁), welche eine geometrische Auswahl des einen oder anderen dispersiven Elements erlaubt. Die Auswahl des Resonators und damit die Auswahl der emittierten Wellenlänge geschieht entweder alter­ nierend, beispielsweise durch die Rotation des Prismas um seine Längsachse oder simultan (Abb. 2). Abb. 1B zeigt die Beispiele der gebräuchlichsten Prismen mit hexagonalen bzw. quadratischen Grundflächen.

Um unterschiedliche Paare dicht benachbarter Wellenlängen zu erhalten, wird eine Fläche leicht um einen Winkel Δα gegenüber der Rotationsachse geneigt (Abb. 1C). Die geneigte Seite induziert nun eine feste Verstimmung der Ausgangswellenlänge durch Veränderung des Einfallswinkel des Strahls auf die dispersiven Elemente 1a . . . 1n um einen Wert ΔB = Δα - A sin (N sin (Δα)). Dadurch emittiert derselbe Resonator zwei unterschiedliche Wellenlängen (Grundwellenlänge und versetzt) in Abhängigkeit von der Position des rotie­ renden Prismas: fällt der Strahl durch die parallelen Flächen, so wird die Grundwellenlänge emittiert, fällt er durch die zueinander geneigten Flächen, wird die versetzte Wellenlänge emittiert. Diese Differenz kann z. B. durch Druckvariation verändert werden.

Das Funktionsprinzip der simultanen Betriebsart der Erfindung ist in Abb. 2 dar­ gestellt, als Beispiel ein Prisma mit quadratischen Grundflächen (Abb. 2A). Der vom aktiven Medium (3) emittierte Strahl wird durch das Prisma (2) geome­ trisch in zwei Strahlen geteilt, die die Resonatoren, welche aus der Auskoppeleinheit (4) und den dispersiven Elementen (1a) bzw. (1b) bestehen, be­ leuchtet. Die Auskoppeleinheit ist hier schematisch durch einen teilreflektieren­ den Spiegel dargestellt, jedoch sind auch ganz andere Formen der Strahlungsauskopplung möglich, wie z. B. die Reflexion zu einem der Prismen des Resonators oder an einer Kante. Die Laseremission geschieht nun simultan auf den zwei Wellenlängen, die durch die Resonatoren bestimmt sind. Abb. 2A zeigt, wie die geometrische Aufspaltung durch das angehaltene Prisma (2) im ak­ tiven Medium erfolgt, wodurch die Konkurrenz zwischen den Moden verhin­ dert wird, was einen ausreichend großen Abstimmbereich für beide Resonatoren und eine stabile Funktion gewährleistet. Die Relativenergie zwischen den beiden Wellenlängen wird durch Feinjustierung der Position eingestellt.

Der anteilmäßig auf jeder der beiden Flächen auftreffende Bruchteil des einfallenden Strahls variiert den Gütefaktor der beiden Resonatoren und favorisiert damit den einen oder anderen Resonator. Die Feineinstellung der Relativenergie zwischen den Wellenlängen erlaubt speziell die Kompensation der unterschiedlichen Verstärkungen der beiden Wellenlängen durch das aktive Medium. Es können auch irreguläre Polygone verwendet werden, wie z. B. ein Prisma mit quadratischer Grundfläche, bei dem jede Kante so abgeschliffen wurde, daß zu den vier großen parallelen Flächen weitere vier schmale parallele Flächen vorhanden sind (Abb. 2B). Stellt man nun den Laserstrahl auf eine abgeschnittene Kante, so trifft er auf drei Flächen, was eine Separation in drei Strahlen und damit eine gleichzeitige Emission von drei Wellenlängen simultan erlaubt.

Das in den Punkten 1-10 aufgeführte bewegte Prisma kann selbstverständlich auch dermaßen gespalten werden, daß sich dadurch ein Etalon-Effekt ergibt. Da der Einstellwinkel der Rotation relativ unkritisch ist, das Transmissions- Maximum des Etalons jedoch sehr kritisch von dem Einstellwinkel abhängt, kann somit auch eine hochauflösende Justierung im Verlauf der Rotationsbewegung des Prismas erzielt werden. Ein analoges Ergebnis kann selbstverständlich auch dadurch erzielt werden, daß durch Bedampfung einer Interferenzschicht auf dem Prisma ähnliche Etalon-Effekte erzielt werden.

Eine spektrale Verbesserung wird beispielsweise durch ein gemeinsames Etalon für die verschiedenen Resonatoren (z. B. zwischen dem rotierenden Prisma und dem Auskoppelelement) hervorgerufen. Die völlig unabhängig voneinander gewählten Wellenlängen der unterschiedlichen Resonatoren können mit ver­ schiedenen Moden des Etalons in Übereinstimmung gebracht werden, wodurch gleichsam die spektrale Verbesserung der unterschiedlichen Wellenlängen er­ reicht wird.

Ein entscheidender Vorteil der Erfindung ist die große Flexibilität im Bezug auf die Auswahl des aktiven Mediums und des Resonatortyps. Dadurch kann die Erfindung sowohl für Festkörper- und Gaslaser, die auf vielen diskreten Linien emittieren, als auch für kontinuierlich durchstimmbare Laser wie Farbstofflaser oder vibronische Festkörperlaser (Ti:A1₂O₃, Alexandrite, Co: MgF₂ . . . ) verwendet werden.

Dank der Parallelverschiebung des Strahls können alle Resonatortypen verwen­ det werden: Die Elemente 1a . . . 1n können auch gut aus einfachen dispersiven Elementen (Prismen, Etalons, doppelbrechende Filter, . . . ) und einem Spiegel am Ende des Resonators bestehen wie auch aus Gittern in Standardkonfiguration (Littrow, Teleskopaufweitung, Grazing Incidence etc.). Desgleichen sind auch komplexe Resonatoren wie z. B. der Resonator mit doppelter Gitterreflexion [1] oder die U-Form [3] besonders geeignet. Der letztgenannte Resonatortyp ist besonders attraktiv, da er eine aktive Unterdrückung der Superstrahlung (Amplified Spontaneous Emission, ASE) erlaubt. Die Abb. 3 und 4 zeigen die Funktion der Erfindung im Fall des Resonators mit zweifacher Passage des Gitters und im Fall des Resonators in U-Form.

Im Fall des Laseroszillators mit doppelter Gitterreflexion (Abb. 3), wie er von Lambda Physik GmbH (DE 2918863 C2, [1]) verwendet wird, ist das aktive Medium (3) in einem Littrow-Resonator, bestehend aus Resonatorendspiegel (5), Strahlaufweiter (4) und dem Gitter (1), eingeschlossen. Die Auskoppeleinheit be­ steht aus der partiellen Reflexion auf der Fläche eines der Prismen des Strahlaufweiters. Die Laseremission wird ein zweites Mal am selben Gitter reflektiert. Die Einfallswinkel auf das Gitter innerhalb und außerhalb des Resonators liegen dicht beieinander. Daher wirkt die Reflexion als Filter für die ASE. Die Umwandlung eines Oszillators in einen Laser mit mehreren geometrisch gekoppelten Resonatoren mit Hilfe der hier beschriebenen Erfindung ist sehr einfach. Es genügt die Einfügung des polygonalen rotierenden Prismas zwischen das aktive Medium (3) und den unterschiedlichen Gittern 1a . . . 1n (in der Abbildung sind nur zwei Gitter gezeigt). Das rotierende Prisma kann aber auch sehr gut zwischen Strahlaufweiter und aktives Medium oder zwischen den Gittern und dem Strahlaufweiter positioniert werden. Man erhält dadurch simultan oder alternierend mehrere Wellenlängen wie bei den Konfigurationen der Abb. 1 und 2, jedoch mit höherer spektraler Reinheit.

Im Fall des U-Resonators (Abb. 4) ist die Vorgehensweise analog mit Ausnahme des Poro Prismas (5) (oder zweier Spiegel), das den Resonatorendspiegel ersetzt und dadurch der Resonator aus zwei Reflexionen auf dem Gitter gebildet wird. Das Neue hierbei ist, daß die Verschiebung des Strahls durch das polygonale Prisma parallel erfolgt, so daß die Einfügung des Prismas und die Kopplung der Resonatoren 1a . . . 1n keinerlei Schwierigkeiten bereiten.

Literatur

[1] Lambda Physik GmbH: DE 29 18 863 C2
[2] N.D. Hung, P Brechignac, Applied Optics 27, 1906 (1988)
[3] A. Rosenfeld: DD 2 28 117 A1.

Claims (13)

1. Mehrwellenlängen-Laseroszillator mit geometrisch gekoppelten Resonatoren zur gleichzeitigen oder alternierenden Erzeugung von Strahlung bei mehreren Wellenlängen, bestehend aus einem aktiven Medium, das auf mehreren diskreten Wellenlängen oder einem kontinuierlichen Spektrum emittiert und zwischen mehrere Resonatoren eingebracht ist, wobei der alternierende Betrieb durch Rotation eines polygonalen Prismas erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung einer simultanen Betriebsweise der Strahlungserzeugung die Resonatoren (4; 1a, 1b . . . 1n) durch ein feststehendes polygonales Prisma (2) derart geometrisch gekoppelt sind, daß der Laserstrahl auf mindestens eine Kante und mindestens zwei Flächen des polygonalen Prismas (2) auftrifft, wodurch eine Strahlaufteilung auf die einzelnen Resonatoren (4; 1a, 1b, . . . 1n) erfolgt.

2. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Strahlung verwendete polygonale Prisma (2) an einer oder mehreren Seiten leicht abgeschrägt ist und damit die Erzeugung verschiedener Paare von nahe beieinanderliegenden Wellenlängen ermöglicht.

3. Laseroszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Strahlteilung verwendete polygonale Prisma abgeflachte Kanten aufweist, und damit durch Aufspaltung des eintretenden Strahls in drei austretende Strahlen den simultanen Betrieb auf drei verschiedenen Wellenlängen ermöglicht.

4. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die gekoppelten Resonatoren aus einer gemeinsamen Strahlauskopplung und jeweils einer Anordnung von dispersiven Prismen oder einem doppelbrechenden Filter und einem Spiegel als Abschluß der Kavität (1a, 1b, . . . 1n) bestehen.

5. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserresonatoren aus einer gemeinsamen Strahlauskopplung (4) und jeweils einer Anordnung von dispersiven Gittern in Littrow oder Littmann Anordnung bestehen (1a, 1b, . . . 1n).

6. Laseroszillator nach Anspruch 5 in Littrow- Anordnung, aber mit einem gemeinsamen Strahlaufweiter (4) für die verschiedenen Resonatoren, die sich nur durch verschiedene Gitter (1a, 1b) unterscheiden.

7. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, aber mit einer zweiten Reflexion des Strahls auf dem Gitter außerhalb des Oszillators, um die Superstrahlung zu unterdrücken, wobei das polygonale Prisma (2) einen doppelten Strahlversatz bewirkt.

8. Laseroszillator nach einen der Ansprüche 4, 5 oder 6, aber mit einer zweiten Reflexion des Strahls auf dem Gitter außerhalb des Oszillators, um die Superstrahlung innerhalb der Kavität zu unterdrücken, wobei das polygonale Prisma (2) einen doppelten Strahlversatz bewirkt.

9. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, wobei die Auskopplung des Strahls durch partielle Reflexion auf einem gemeinsamen Element der verschiedenen Kavitäten erreicht wird.

10. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, aber unter zusätzlicher Verwendung eines gemeinsamen Etalons für die verschiedenen Resonatoren, um die Linienbreite zu verringern, wobei jeder der Resonatoren auf die verschiedenen Moden des Etalons abgestimmt werden kann.

11. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die reflektierenden Systeme durch elektrooptisch-geschaltete Systeme und/oder nicht­ linear optisch -geschaltete Systeme und/oder plasmageschaltete Systeme und/oder druckabhängig doppelbrechend schaltende Systeme und/oder akustooptisch-geschaltete Systeme gebildet werden.

12. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Prisma (2) durch eine fiberoptische Matrix ersetzt ist.

13. Laseroszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einem in das sich bewegende Prisma durch Spaltung oder Aufdampfung integrierten Diskriminisationselement, das durch Feineinstellung des Winkels eine Feinjustierung der Laserwellenlänge bei deutlich erhöhter Auflösung ermöglicht.