NO144235B

NO144235B - DEVICE FOR A PULSED, Q SWITCH LASER

Info

Publication number: NO144235B
Application number: NO770815A
Authority: NO
Inventors: John Erik Goeran Dahl; Karl Johan Olov Hasselskog; Anders Stefan Severinsson
Original assignee: Ericsson Telefon Ab L M
Priority date: 1976-03-09
Filing date: 1977-03-08
Publication date: 1981-04-06
Also published as: IT1084825B; SE404571B; FR2344154A1; NO770815L; YU62177A; GB1546024A; FI62915B; SE7603135L; YU41062B; FI62915C; NO144235C; CH612800A5; FI770515A

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ved en såkalt Q-svitsjet laser, spesielt beregnet for.en lett transportabel avstandsmåler. The present invention relates to a device for a so-called Q-switched laser, especially intended for an easily transportable distance meter.

Den laserpuls man får fra en optisk pumpet krystall-laser, har The laser pulse you get from an optically pumped crystal laser has

et meget uregelmessig utseende og oppviser pulstopper under en stor del av varigheten av lyspulsen anvendt for pumpingen. a very irregular appearance and exhibits pulse peaks during a large part of the duration of the light pulse used for the pumping.

I avstandsmålere er det imidlertid nødvendig at laserpulsens energi konsentreres i kun én meget kort puls for at man skal få tilstrekkelig nøyaktighet i målingen. Dette kan oppnås ved at den optiske kavitet som dannes av laserens endespeil, In distance meters, however, it is necessary that the energy of the laser pulse is concentrated in only one very short pulse in order to obtain sufficient accuracy in the measurement. This can be achieved by the optical cavity formed by the laser's end mirror,

ikke gjøres virksom før ved slutten av blitzlyspulsen, dvs. is not activated until the end of the flash light pulse, i.e.

når laserkrystallen er maksimalt eksitert. En vanlig frem-gangsmåte for å oppnå dette er å gjøre det ene speilet bevege-lig, vanligvis roterende, og å synkronisere bevegelsen med strømmatingen til den blitzlampe som anvendes for å frembringe blitzlyspulsene. En slik anordning er imidlertid klumpet og følsom for mekaniske påkjenninger. Den egner seg derfor ikke for transportabel utrustning. when the laser crystal is maximally excited. A common procedure for achieving this is to make one mirror movable, usually rotating, and to synchronize the movement with the power supply to the flash lamp used to produce the flash light pulses. However, such a device is bulky and sensitive to mechanical stresses. It is therefore not suitable for transportable equipment.

Man har også funnet ut at visse organiske fargestoffer virker dempende på lys med de bølgelengder som kan frembringes av krystall-lasere. En beholder med fargestoffer oppløst i hensiktsmessig væske, som plasseres i strålegangen mellom ende-speilene, absorberer lys med laserbølgelengden og forhindrer låsing. Det engelske ord "låsing" har her betydningen: "som oppviser lasereffekt". Den stråling ved hjelp av stimulert emisjon som laserelementet avgir under blitzlyspulsen, absor-beres av fargestoffet. Dette innebærer at fargestoffets ato- It has also been found that certain organic dyes have a dampening effect on light with the wavelengths that can be produced by crystal lasers. A container of dyes dissolved in a suitable liquid, which is placed in the beam path between the end mirrors, absorbs light of the laser wavelength and prevents locking. The English word "locking" has the meaning here: "which exhibits a laser effect". The radiation by means of stimulated emission which the laser element emits during the flash light pulse is absorbed by the dye. This means that the dye's ato-

mer eksiteres til en høyere energitilstand. Ettersom levetiden i denne energitilstand er relativt lang, vil mot slutten av blitz- more excited to a higher energy state. As the lifetime in this energy state is relatively long, towards the end of the flash

lyspulsen størsteparten av fargestoffets absorberende atomer the light pulse most of the dye's absorbing atoms

være eksitert, og fargestoffet blir transparent for laserbølge-lengden. Dermed oppfylles betingelsen for låsing, og laserkrystallen de-eksiteres raskt under utsendelse av en kort, veldefi-nert laserpuls. Når laserpulsen har opphørt, skal også fargestoffet raskt gå tilbake til sin grunntilstand slik at forløpet skål kunne gjentas. Ettersom fargestoffets dempning styres automatisk av laserstrålingen selv, trengs ingen ytre styrean-ordninger. En anordning av dette slag for å tilveiebringe kon-sentrerte laserpulser betegnes vanligvis som passiv Q-svitsj. be excited, and the dye becomes transparent to the laser wavelength. Thus, the condition for locking is met, and the laser crystal is quickly de-excited during the emission of a short, well-defined laser pulse. When the laser pulse has ceased, the dye should also quickly return to its basic state so that the process could be repeated. As the attenuation of the dye is controlled automatically by the laser radiation itself, no external control devices are needed. A device of this kind for providing concentrated laser pulses is usually referred to as passive Q-switching.

Passive Q-svitsjer av ovennevnte type har visse ulemper når Passive Q-switches of the above type have certain disadvantages when

det gjelder transportabelt utstyr. Fargestoffbeholderen er temperaturfølsom og ømtålig for støt og må bygges robust,og får således høy vekt og stort volum. Man har for-søkt å løse dette problem ved å bake fargestoffet inn i en folie fremstilt av et hensiktsmessig plastmateriale som er transparent for den ønskede laserbølgelengde. En slik passiv Q-svitsj er f.eks. beskrevet i den offentliggjorte tyske patentansøkning nr. 2 141 537. it applies to transportable equipment. The dye container is temperature-sensitive and sensitive to impacts and must be built robustly, and thus has a high weight and large volume. Attempts have been made to solve this problem by baking the dye into a foil made of a suitable plastic material which is transparent to the desired laser wavelength. Such a passive Q-switch is e.g. described in the published German patent application No. 2 141 537.

Det har imidlertid vist seg at hvis en slik folie anvendes However, it has been shown that if such a foil is used

som Q-svitsj, blir resultatet dårligere enn hvis fargestoffet i løs form befinner seg i en glassbeholder. Undersøkelser har vist at uregelmessigheter i filmens overflate forårsaker spredning av lyset og dermed lav virkningsgrad for laseren. as a Q-switch, the result is worse than if the dye is in loose form in a glass container. Investigations have shown that irregularities in the film's surface cause scattering of the light and thus low efficiency of the laser.

På grunn av at filmens form påvirkes av temperaturen, har lys-spredningen og dermed laserens funksjon også vist seg å være avhengig av temperaturen. Dette er en stor ulempe, idet en transportabel avstandsmåler vanligvis skal kunne arbeide innen et meget stort temperaturområde. Because the shape of the film is affected by the temperature, the light scattering and thus the function of the laser has also been shown to be dependent on the temperature. This is a major disadvantage, as a transportable distance meter must usually be able to work within a very large temperature range.

Ifølge oppfinnelsen er det mulig å tilveiebringe en pulset Q-svitsjet laser av den type hvor strålegangen i laserens kavitet dempes av et fargestoff som har høy absorpsjonskoeffisient for laserbølgelengden inntil fargestoffet ved slutten av eksiteringspulsen er blitt pumpet til en energitilstand der fargestoffet er transparent, hvor fargestoffet er innbakt i en bærefolie av transparent materiale, uten at man får de ovennevnte ulemper. Oppfinnelsens kjennetegn vil According to the invention, it is possible to provide a pulsed Q-switched laser of the type where the beam path in the laser's cavity is attenuated by a dye that has a high absorption coefficient for the laser wavelength until the dye at the end of the excitation pulse has been pumped to an energy state where the dye is transparent, where the dye is baked into a carrier film of transparent material, without the above-mentioned disadvantages. The characteristics of the invention will

fremgå av de vedlagte patentkrav. appear from the attached patent claims.

Foruten de ovennevnte fordeler er det mulig ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen å forenkle hele laseres oppbygning og dermed ytterligere redusere laserens volum og vekt. In addition to the above-mentioned advantages, it is possible with the aid of the device according to the invention to simplify the entire structure of the laser and thereby further reduce the volume and weight of the laser.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere i tilknytning til vedlagte tegninger, hvor The invention will now be described in more detail in connection with the attached drawings, where

fig. 1 viser en skjematisk skisse av en krystall-laser med en Q-svitsj ifølge oppfinnelsen, fig. 1 shows a schematic sketch of a crystal laser with a Q-switch according to the invention,

fig. 2 viser en Q-svitsj, gjennomskåret, og fig. 2 shows a Q-switch, in section, and

fig. 3-6 viser gjennomskåret forskjellige utførelsesformer av anordningen ifølge fig. 2. fig. 3-6 show cross-sections of different embodiments of the device according to fig. 2.

I fig. 1 betegner 11 et laserelement bestående av en stav, f.eks. av syntetisk rubin (bølgelengde 6943 Å) eller neo-dymium (bølgelengde 106 00 Å) . Laserelementet pumpes på optisk måte ved hjelp av en blitzlampe 12, som mates av en strøm-kilde 13. Lyset fra blitzlampen konsentreres ved hjelp av ikke viste reflektorer mot laserelementet 11. Utenfor laserstavens endeflater er det plassert to speil 14 og 15, hvis normaler er parallelle med stavens lengdeakse. Disse speil 14, 15 danner en optisk kavitet. Det ene speilet 14 er ikke totalreflekterende, men slipper igjennom en viss del av det innfallende laserlyset. Mellom laserstavens 11 ene ende og speilet 15 er det et legeme 16 som inneholder et fargestoff som vanligvis absorberer lys med laserens bølgelengde. På In fig. 1 denotes 11 a laser element consisting of a rod, e.g. of synthetic ruby (wavelength 6943 Å) or neo-dymium (wavelength 106 00 Å) . The laser element is pumped optically by means of a flash lamp 12, which is fed by a power source 13. The light from the flash lamp is concentrated by means of reflectors not shown towards the laser element 11. Outside the end faces of the laser rod are placed two mirrors 14 and 15, whose normals are parallel to the longitudinal axis of the rod. These mirrors 14, 15 form an optical cavity. The one mirror 14 is not totally reflective, but lets through a certain part of the incident laser light. Between one end of the laser rod 11 and the mirror 15, there is a body 16 which contains a dye which usually absorbs light with the laser's wavelength. On

den andre side skal fargestoffets atomer ha eksitert tilstand, hvor absorpsjonen er så lav at betingelsen for lasring oppfylles, og denne tilstand skal vare så lenge at laserpulsen fullstendig de-eksiterer laserelementet. Stoffer av denne type er beskrevet i f.eks. US-patent 3 74 3 964. Fargestoffet er innelukket i en folie av et materiale som er transparent ved den aktuelle laserbølgelengden. on the other hand, the dye's atoms must have an excited state, where the absorption is so low that the condition for lasing is met, and this state must last long enough for the laser pulse to completely de-excite the laser element. Substances of this type are described in e.g. US patent 3 74 3 964. The dye is enclosed in a foil of a material which is transparent at the relevant laser wavelength.

Legemets 16 oppbygning fremgår i detalj av fig. 2. Folien The structure of the body 16 is shown in detail in fig. 2. The foil

som inneholder fargestoffet, betegnes her 17. Folien er innlagt which contains the dye, is denoted here 17. The foil is inserted

mellom to planparallelle plater 18, 19 av transparent materiale, gjerne glass. Mellom folien 17 og glassplatene 18, 19 anbringes et materiale 20 som ved anbringelsen har en slik viskositet at alle ujevnheter i folien utfylles. Materialet har hovedsaklig samme brytningskoeffisient som folien 17. På denne måte får man minst mulig forstyrrelse i strålegangen gjennom Q-svitsj-legemet 16. Materialet kan f.eks. være et lim som etter herding holder det hele sammen i en fast forbindelse. between two plane-parallel plates 18, 19 of transparent material, preferably glass. Between the foil 17 and the glass plates 18, 19, a material 20 is placed which, when placed, has such a viscosity that all irregularities in the foil are filled. The material has essentially the same refractive index as the foil 17. In this way, the least possible disturbance is obtained in the beam path through the Q-switch body 16. The material can e.g. be an adhesive that, after curing, holds the whole thing together in a firm connection.

For at refleksjoner i platenes 18, 19 frie overflater 21, 22 ikke skal redusere den optiske kavitetens godhetstall, forsynes disse flater hensiktsmessig med antireflekslag 23, 25 ifølge fig..3. Disse lag, som tilpasses laserbølgelengden, frem-stilles på kjent måte. In order that reflections in the free surfaces 21, 22 of the plates 18, 19 do not reduce the figure of merit of the optical cavity, these surfaces are appropriately provided with anti-reflection layers 23, 25 according to fig..3. These layers, which are adapted to the laser wavelength, are produced in a known manner.

Speilet 15, som ligger inntil Q-svitsjen 16, kan unnværes hvis flaten 22 som vender mot dette speil ifølge fig. 4, forsynes med et speilende lag 25. Dette speilende lag utgjøres for-trinnsvis av et i og for seg kjent såkalt dielektrisk speil The mirror 15, which is next to the Q-switch 16, can be dispensed with if the surface 22 which faces this mirror according to fig. 4, is provided with a mirroring layer 25. This mirroring layer preferably consists of a known per se so-called dielectric mirror

bygget opp av et antall tynne, dielektriske lag. Brytnings-indeksen for disse lag alternerer mellom to forskjellige verdier. made up of a number of thin dielectric layers. The refractive index for these layers alternates between two different values.

For å hindre at det intense lyset fra blitzlampen 11 ødelegger fargestoffet i folien 17, kan det være fordelaktig å lage platen 18 som vender mot laserelementet, av et materiale som absorberer kortbølge-lys, men slipper igjennom langbølget laser-lys. In order to prevent the intense light from the flash lamp 11 from destroying the dye in the foil 17, it may be advantageous to make the plate 18 which faces the laser element from a material which absorbs short-wave light, but allows long-wave laser light to pass through.

For å redusere behovet for å innstille speilet 14 og den speilende overflaten 25 i fig. 4 til nøyaktig parallellitet, In order to reduce the need to adjust the mirror 14 and the mirroring surface 25 in fig. 4 to exact parallelism,

kan man erstatte platen 19 med et kubushjørneprisme 26 ifølge fig. 5.. Et slikt prisme, som består av et avskåret kubus-hjørne, har den egenskap at lys som faller inn mot flatene (f.eks. 26, 27) som støter sammen i hjørnet totalreflekteres i samme retning som det innfallende lyset. Det er derfor ikke nødvendig å justere Q-svitsjens posisjon med noen større nøy-aktighet, noe som gjør den mekaniske oppbygningen av laseren vesentlig billigere og mindre plasskrevende. the plate 19 can be replaced with a cube corner prism 26 according to fig. 5.. Such a prism, which consists of a truncated cube corner, has the property that light falling on the surfaces (e.g. 26, 27) that collide in the corner is totally reflected in the same direction as the incident light. It is therefore not necessary to adjust the position of the Q-switch with any greater precision, which makes the mechanical construction of the laser significantly cheaper and less space-consuming.

I'en ytterligere utførelsesform ifølge fig. 6 anbringes folien In a further embodiment according to fig. 6 the foil is placed

17 direkte mot enden av selve laserstaven med mellomlegg av 17 directly towards the end of the laser rod itself with a spacer of

et ?atfyllingsmateriale (lim) 20. Det ene legemet 16 kan da unnværes, og man får en meget kompakt enhet. Det andre lege- a filling material (glue) 20. The one body 16 can then be dispensed with, and a very compact unit is obtained. The second medical

met kan da utgjøres av enten en planparallell plate ifølge fig. 3 eller 4, eller av et kubushjørnespeil ifølge fig. 5. met can then be made up of either a plane-parallel plate according to fig. 3 or 4, or of a cube corner mirror according to fig. 5.

Claims

1. Device for a pulsed, Q-switched laser of the type where the beam path in the laser's optical cavity is attenuated by a dye that has a high absorption coefficient for the laser wavelength

.until the dye at the end of the excitation pulse has been pumped to an energy state where the laser wavelength has sufficiently low attenuation for locking to take place, in that the dye is baked into a foil of a material which is transparent to the laser wavelength, characterized in that the foil (17) is placed between two transparent bodies (18, 19, 26) with an interlayer of a material (20) with essentially the same refractive index as the foil (17) and with a sufficiently low viscosity during firing to fill in irregularities in the foil.

2. Device as stated in claim 1, characterized in that at least one (18) of said transparent bodies (18, 19, 26) consists of a plane-parallel glass plate.

3. Device as stated in one of the preceding claims, characterized in that the free surface of at least one of the bodies is anti-reflective treated.

4. Device as stated in one of the preceding claims, characterized in that the body facing away from the laser element (11) has the free surface provided with a mirroring layer (25).

5. Device as stated in one of the preceding claims, characterized in that the body (18) which is closest to the laser element is made of a material which attenuates light with a shorter wavelength than the laser light.

6. Device as set forth in one of claims 1-3, characterized in that the body (26) facing away from the laser element is made as a cube corner prism.

7. Device as stated in one of claims 1-4, characterized in that the body facing the laser element (11) is made up of the laser element itself.