DE102006005325A1 - Prismenkombination und ihre Verwendung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prismenkombination, die mindestens vier Spiegelflächen aufweist, die so angeordnet sind, dass die jeweils durch den auf die betreffende Spiegelfläche einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebenen einheitlich senkrecht oder parallel zum Vektor des elektrischen Feldes des einfallenden linear polarisierten Laserstrahls stehen, wobei in der Reihenfolge der Spiegelflächen eine Spiegelfläche bezüglich der vorhergehenden Spiegelfläche so angeordnet ist, dass sich die Polarisation bezüglich der durch den auf diese Spiegelfläche einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebene um 90° dreht, wobei die Ein- und die Austrittsflächen der Prismenkombination so gestaltet sind, dass der Laserstrahl jeweils senkrecht eintreten und senkrecht wieder austreten kann. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung dieser Prismenkombination zur Korrektur des Astigmatismus eines Laserstrahls, insbesondere zur Korrektur der astigmatischen Verhältnisse in einem Ringresonator, unabhängig von der Stärke des Astigmatismus und der Stärke der thermischen Linse, so dass im Ringresonator auf weitere astigmatische Korrekturoptiken verzichtet werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Prismenkombination und ihre Verwendung zur Korrektur des Astigmatismus eines Laserstrahls. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung der Prismenkombination zur Korrektur des Astigmatismus, den der Laserstrahl in einem Ringresonator beim mehrfachen Durchlaufen einer thermischen Linse in einem Lasermedium erfährt.
• Hochleistungs-Lasermedien, darunter Titan:Saphir und Nd:YAG, bilden allgemein eine thermische Linse aus, die dadurch entsteht, dass die z.B. durch Licht aus Blitzlampen in das Lasermedium eingebrachte Pumpenergie im gesamten Volumen absorbiert wird, während die entstehende Wärme nur über die Randflächen der häufig zylinderförmigen Lasermedien an das umgebende Kühlmittel (z. B. Wasser) abgegeben werden kann. Dadurch bildet sich im Lasermedium ein zu den Randflächen hin gerichteter negativer Temperaturgradient aus, wodurch mechanische Spannungen, eine Deformation des Lasermediums und ein über das Lasermedium räumlich veränderlicher Brechungsindex entstehen.
• Zylinderförmige Lasermedien bilden dabei bzgl. eines durch die Stirnflächen geführten Laserstrahls eine thermische Linse aus, die einer bikonvexen sphärischen Linse ähnelt. Jedoch kann eine thermische Linse einen starken Astigmatismus aufweisen, dessen Stärke von der räumlichen Verteilung der Pumplichteinstrahlung und der Kristallparameter des Lasermediums abhängt. Übliche Fabry-Perot-Laserresonatoren besitzen daher eine Korrekturoptik in Form von einzelnen Linsen, von Linsenkombinationen oder von gekrümmten Spiegeln, die eine Kompensation der von der thermischen Linse hervorgerufenen optischen Effekte erlauben.
• In einem Ringresonator, in dem ein Laserstrahl auf demselben optischen Weg in derselben Richtung wiederholt das Lasersystem passiert, ist die Kompensation der von der thermischen Linse hervorgerufenen optischen Effekte, insbesondere des Astigmatismus, weitaus schwieriger, da sich bereits geringe Abweichungen von der idealen Korrektur mit jedem Umlauf des Laserstrahls weiter verstärken. Ziel einer Korrekturoptik für eine thermische Linse ist die gleichzeitige Aufrechterhaltung der Kollimierung und des Durchmessers des Laserstrahls.
• Im Falle einer nicht-astigmatischen thermischen Linse kann dazu eine für die betreffende thermische Linse geeignete Kombination aus einer sphärischen Konvexlinse und einer sphärischen Konkavlinse oder ein entsprechend gekrümmter Spiegel eingesetzt werden.
• Weist die thermische Linse jedoch einen Astigmatismus auf, kann eine einfache Linsenkombination aus sphärischen Linsen allein den von der thermischen Linse hervorgerufenen Astigmatismus nicht kompensieren. Bisher müssen zum Ausgleich astigmatischer Laserresonatoren speziell für das jeweilige Problem geformte Linsen oder Spiegel verwendet werden.
• Aus H. Kogelnik, E. Ippen, A. Dienes und C. Shank, Astigmatically compensated cavities for cw dye lasers, IEEE Journal of Quantum Electronics QE-8, S. 373ff, 1972, ist der Einsatz eines Rhombus bekannt, der so im Strahlengang orientiert wird, dass der Strahl die Ein- und Austrittsflächen nahe am Brewster-Winkel passiert. Dieses Verfahren wurde gemäß T.F. Johnston, R. H. Brady und W. Proffitt, Powerful single-frequency ring dye laser spanning the visible spectrum, Applied Optics 21, S. 2307–2316, 1982, in einem kommerziell erhältlichen Farbstofflaser mit Ringresonator zur Kompensation des Astigmatismus eingesetzt.
• Für andere Resonatortypen wurde dieses Verfahren von D.M. Kane in Astigmatism compensation in off-axis laser resonators with two or more foci, Optics Communications 71, S. 113–118, 1989, und Ti : sapphire laser cavity mode and pump-laser calculations, Applied Optics 33, S. 3849–3856, 1994, erweitert. Gemäß H.J. Onisto, R.L. Cavasso-Filho, A. Scalabrin und F.C. Cruz, Frequency doubled and stabilized all-solid-state Ti:sapphire lasers, Optical Engineering 41, S. 1122–1127, 2002, wird auch in aktuellen Titan:Saphir-Lasern eine Modifikation dieses Verfahrens eingesetzt, wobei der Laserkristall selbst die Funktion des Rhombus übernimmt.
• Sich verändernde Betriebsbedingungen wie Pumpleistung, Pumpgeometrie oder Wellenlänge ziehen veränderliche Verhältnisse bei der thermischen Linse und dessen Astigmatismus nach sich. Speziell zugeschnittene Korrekturoptiken weisen daher stets den Nachteil auf, dass sie bei einer Änderung der thermischen Linse oder der astigmatischen Verhältnisse sich nicht einfach an die geänderte Situation anpassen lassen, sondern jeweils neu dimensioniert werden müssen. Beispielsweise kann in einem handelsüblichen Nd:YAG-Laser nicht ohne weiteres die Pumpleistung durch die Blitzlampen verändert werden, da eine Anpassung an die dadurch veränderte eventuell astigmatische thermische Linse nicht mit den vorhandenen Optiken möglich ist.
• Auch der Einsatz eines Korrekturrhombus löst das Problem nicht zufriedenstellend, da außer einer Drehung des Rhombus keine weitere Möglichkeit der Anpassung an eine geänderte Situation gegeben ist. Insbesondere in leistungsstarken blitzlampengepumpten Festkörperlasern mit langen Laserstäben bietet die Variante, den Laserstab selbst als Korrekturrhombus einzusetzen, kaum Anpassungsmöglichkeiten. Die gesamte Pumpkammer müsste gegenüber dem restlichen Laserresonator bewegt werden, was praktisch nur mit sehr großem Aufwand möglich ist.
• Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Prismenkombination und ihre Verwendung zur Korrek tur des Astigmatismus eines Laserstrahls vorzuschlagen, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Insbesondere soll eine Prismenkombination bereitgestellt werden, das das Bild eines Laserstrahls um 90° dreht, ohne dass sich hierdurch die Ebene des Laserstrahls ändert, und das deshalb dazu verwendet werden kann, die astigmatischen Verhältnisse in einem Ringresonator unabhängig von der Stärke des Astigmatismus und der Stärke der thermischen Linse zu korrigieren, ohne dass weitere astigmatische Korrekturoptiken im Ringresonator benötigt werden.
• Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Prismenkombination durch die Merkmale des Anspruchs 1 und im Hinblick auf ihre Verwendung durch den Anspruch 3 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
• Eine erfindungsgemäße Prismenkombination besitzt vier oder auch mehr Spiegelflächen, die bezüglich der Polarisation des linear polarisierten einfallenden Laserstrahls so zueinander angeordnet sind, dass die jeweils durch den auf die betreffende Spiegelfläche einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebenen einheitlich senkrecht oder parallel zum Vektor des elektrischen Feldes des einfallenden linear polarisierten Laserstrahls stehen. Nur in dieser Anordnung bleibt die lineare Polarisation des Lichtes erhalten, da nur senkrecht und parallel polarisiertes Licht ihre Polarisationsrichtung bei Reflektion beibehalten.
• Die Polarisationsdrehung der erfindungsgemäßen Prismenkombination entsteht dadurch, dass in der Reihenfolge der Spiegelflächen bezüglich der vorhergehenden Spiegelfläche plötzlich eine Spiegelfläche so gedreht ist, dass die Polarisation bezüglich der durch den auf diese Spiegelfläche einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebene um 90° gedreht wird.
• Um dispersive Effekte zu vermeiden, sind die Ein- und die Austrittsflächen der Prismenkombination so gestaltet, dass der Laserstrahl jeweils senkrecht in das Prismenmedium eintreten und senkrecht wieder austreten kann.
• Trifft ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, an geeigneter Stelle auf eine erfindungsgemäße Prismenkombination, so wird dessen Bild um 90° gedreht, ohne dass sich hierdurch die Ebene des Laserstrahls ändert. Gleichzeitig dreht sich die Polarisation des Lichtstrahls um 90°, und der Lichtstrahl wird ebenfalls um 90° abgelenkt.
• In einer besonderen Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Prismenkombination drei miteinander verbundenen 90°-Teilprismen auf. Jeweils eine Kathetenfläche des zweiten und des dritten Teilprismas sind an die Hypotenusenfläche des ersten Teilprismas angebracht und die jeweils andere Kathetenfläche des zweiten und dritten Teilprismas senkrecht zueinander angeordnet. Die letzteren Kathetenflächen sind zumindest teilweise entspiegelt, um eine bessere Ein- und Auskopplung des Laserstrahls zu ermöglichen.
• In dieser Ausgestaltung dienen die Hypotenusenfläche des zweiten Teilprismas als erste Spiegelfläche, die Kathetenflächen des ersten Teilprismas als zweite und als dritte Spiegelfläche, und die Hypotenusenfläche des dritten Teilprismas als vierte Spiegelfläche.
• Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Prismenkombination, die beim Strahldurchgang gleichzeitig Bild und Polarisation des Laserstrahls um 90° dreht und dabei den Laserstrahl rechtwinklig ablenkt, kann der Astigmatismus eines Laserstrahls, der das Prisma mehrfach durchläuft, korrigiert werden. Insbesondere lässt sich hiermit ein besonders vorteilhafter Ringresonator mit einem astigmatischen Ausgleich für eine thermische Linse aufbauen.
• Generell korrigiert eine derartige bilddrehende Optik im Resonator astigmatische thermische Linsen und lässt sich somit für alle Ringlasertypen, die sonst auf spezielle Ausgleichsoptiken zurückgreifen müssen, verwenden.
• Bei jedem Durchgang dreht die Prismenkombination das Strahlbild um 90°, so dass die beiden astigmatischen Brennweiten bei jedem Strahlumlauf vertauscht werden und sich wie bei einem astigmatismusfreien Resonator eine mittlere Brennweite einstellt, und zwar völlig unabhängig von der Stärke des Astigmatismus der thermischen Linse. Die polarisationsdrehende Eigenschaft der Prismenkombination kann darüber hinaus in Verbindung mit einer Pockelszelle besonders vorteilhaft zum Aufbau eines Polarisationsschalters genutzt werden, um mit Hilfe eines doppelbrechenden Prismas (z.B. ein Glan-Prisma) Licht ein oder aus zu koppeln.
• Dadurch entfällt ein sonst notwendiges polarisationsdrehendes verlustbringendes optisches Element wie z.B. ein Fresnel-Rhombus. Mit seiner Eigenschaft, den Strahl rechtwinklig abzulenken, ersetzt die Prismenkombination zugleich eine Umlenkoptik in einer Ecke des Ringresonators.
• Durch Einsatz des erfindungsgemäßen Prismas werden speziell angefertigte astigmatische Korrekturoptiken überflüssig. Somit kann auf Veränderungen der astigmatischen thermischen Linse in einem Festkörperlaser mit einfachen nicht-astigmatischen Korrekturoptiken reagiert werden. Insbesondere kann auf eine spezielle Anpassung an einen eventuell veränderlichen Astigmatismus verzichtet werden. Darüber hinaus vereinigt das Prisma (die Prismenkombination) die Funktionen der Strahlumlenkung und der Polarisationsdrehung in sich, womit bereits wesentli che Konstruktionselemente für den Aufbau eines Ringresonators (Umlenkoptik) und eines Polarisationsschalters bereitgestellt werden.
• Da der Ausgleich des Astigmatismus des Lasermediums so erfolgt, dass auf eine speziell angepasste antiastigmatische Optik aus Linsen oder Spiegeln verzichtet werden kann, wird lediglich eine einfache Linsenkombination für die Korrektur einer nicht-astigmatischen thermischen Linse für diejenige Brennweite benötigt, die dem Mittelwert aus den beiden astigmatischen Brennweiten entspricht.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
• 1 Eine erfindungsgemäße Prismenkombination dreht Strahlbild und Polarisation jeweils um 90°. Der Strahl wird zudem rechtwinklig abgelenkt. Die Ebene des Laserstrahls ändert sich nicht.
• 2 Ringresonator mit einer erfindungsgemäßen Prismenkombination und einem nicht-konfokalen, nicht-astigmatischen Korrekturteleskop.
• 1 zeigt eine erfindungsgemäße Prismenkombination 310, die sich aus drei 90°-Teilprismen zusammensetzt. Auf die Kathetenfläche 317 des zweiten Teilprismas 312 senkrecht auftreffendes Laserlicht 2 wird zunächst an der Hypotenusenfläche des zweiten Teilprismas 312, die als erste Spiegelfläche dient, dann nacheinander an den beiden Kathetenflächen des ersten Teilprismas 311, die als zweite und als dritte Spiegelfläche dienen, und an der Hypotenusenfläche des dritten Teilprismas 313, die als vierte Spiegelfläche dient, reflektiert und verlässt schließlich die Prismenkombination 310 senkrecht zur Kathetenfläche 318 des dritten Teilprismas 313, die senkrecht zur Katehetenfläche 317 steht, als Laserlicht 2', dessen Strahlbild, Polarisation und Richtung in Bezug auf das auf die Prismenkombination auftreffende Laserlicht 2 jeweils um 90° gedreht sind. Die Prismenkombination 310 besteht aus drei miteinander verbundenen 90°-Teilprismen 311, 312, 313, wobei jeweils eine Kathetenfläche sowohl des zweiten Teilprismas 312 als auch des dritten Teilprismas 313 an die Hypotenusenfläche des ersten Teilprismas 311 angebracht sind.
• In 2 ist ein Ringresonator 20 dargestellt, der eine erfindungsgemäße Prismenkombination 31 umfasst. Ein eingehender Laserpuls 1 durchläuft zunächst ein Teleskop 11 zur Aufweitung des eingehenden Laserstrahls 1 und ein weiteres Prisma 12 zur Umlenkung des eingehenden Laserstrahls 1, bevor der mittels eines Strahlteiler-Prisma 32 (z. B. Glan-Prisma) in den Ringresonator 20 eingekoppelt wird. Das Strahlteiler-Prisma 32 ist gleichzeitig Teil des elektrooptischen Schalters 30, der ferner die erfindungsgemäße Prismenkombination 31 und eine Pockelszelle 33 umfasst, und dient darüber hinaus ebenfalls zur Auskoppelung eines Teils 3 des Laserstrahls. Der rechteckige Ringresonator selbst wird durch die drei Umlenkoptiken (Prismen) 21, 21', 21'' und der erfindungsgemäßen Prismenkombination 31 gebildet, das hier als vierte Umlenkoptik dient, und enthält darüber hinaus Linsen 22, 22', ein konfokales Teleskop 23 mit Raumfilter und ein Lasermedium 24, das eine thermischen Linse aufweist, wobei das konfokale Teleskop 23 mit Raumfilter und das Lasermedium 24 in den beiden Fokalpunkten angeordnet sind, sowie eine Ausgleichsoptik 25 für die Korrektur des nicht-astigmatischen Anteils der thermischen Linse.
• Der mit der erfindungsgemäßen Prismenkombination astigmatisch korrigierte Ringresonator 20 wird in einem Wasserdampf-LIDAR erfolgreich eingesetzt. Hierzu wird ein Hochleistungs-Titan: Saphir-Laser mit variabler Pumpleistung mit einem Resonator 20 betrieben. Erst der Einsatz der erfindungsgemäßen bilddrehen den Prismenkombination 31 ermöglicht den astigmatismusfreien Betrieb mit hohen Pulsenergien bis derzeit 250 mJ. Die polarisationsdrehende Eigenschaft der Prismenkombination 31 wird darüber hinaus in Kombination mit einer Pockelszelle 32 und einem Glan-Prisma 33 als Polarisationsschalter zum Ein- und Auskoppeln der Laserpulse in den Resonator 20 benutzt. Mit seiner weiteren Eigenschaft, den Strahl rechtwinklig abzulenken, ersetzt die Prismenkombination 31 darüber hinaus eine Umlenkoptik im rechteckigen Ringresonator 20.
• Für diese Ausführung wurden abstimmbare Einmoden-Pulslaser mit hoher Ausgangspulsenergie eingesetzt. Die mittels optisch parametrischer Oszillatoren (OPO) erzeugten Laserpulse mit einer Energie von ca. 0,5 mJ müssen auf eine Pulsenergie von etwa 500 mJ verstärkt werden. Dazu wurde ein blitzlampengepumpter Titan:Saphir-Laser eingesetzt, der in den rechteckigen Ringresonator 20 eingebaut wurde. Die Laserpulse aus den OPOs wurden in den Ringresonator 20 eingekoppelt und durchlaufen diesen mehrfach, in der Regel bis zu 20 Mal. Bei jedem Passieren des Titan:Saphir-Stabes erfahren die Laserpulse eine Verstärkung durch die im Kristall gespeicherte Energie. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die im Kristall gespeicherte Energie aufgebraucht ist.

1

in den Ringresonator 20 eingehender Laserstrahl

2, 2'

Laserstrahl im Ringresonator 20

3

aus dem Ringresonator 20 ausgekoppelter Laserstrahl

11

Teleskop zur Aufweitung des eingehenden Laserstrahls 1

12

Prisma zur Umlenkung des eingehenden Laserstrahls 1

20

Ringresonator

21, 21', 21''

Umlenkoptiken (Prismen) zur Bildung des Ringresonators 20

22, 22'

Linsen

23

konfokales Teleskop mit Raumfilter

24

Lasermedium mit thermischer Linse

25

Ausgleichsoptik für nicht-astigmatische thermische Linse

30

elektrooptischer Schalter

31, 310

erfindungsgemäße Prismenkombination

311, 312, 313

90°-Teilprismen

317

Kathetenfläche des Teilprismas 312

318

Kathetenfläche des Teilprismas 313

32

Strahlteiler-Prisma (z. B. Glan-Prisma)

33

Pockelszelle

Claims (7)

1. Prismenkombination, die mindestens vier Spiegelflächen aufweist, die so angeordnet sind, dass die jeweils durch den auf die betreffende Spiegelfläche einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebenen einheitlich senkrecht oder parallel zum Vektor des elektrischen Feldes des einfallenden linear polarisierten Laserstrahls stehen, wobei in der Reihenfolge der Spiegelflächen eine Spiegelfläche bezüglich der vorhergehenden Spiegelfläche so angeordnet ist, dass sich die Polarisation bezüglich der durch den auf diese Spiegelfläche einfallenden und ausfallenden Laserstrahl aufgespannten Ebene um 90° dreht, wobei die Ein- und die Austrittsflächen der Prismenkombination so gestaltet sind, dass der Laserstrahl jeweils senkrecht eintreten und senkrecht wieder austreten kann.
2. Prismenkombination nach Anspruch 1, das aus drei miteinander verbundenen 90°-Teilprismen (311, 312, 313) besteht, wobei jeweils eine Kathetenfläche des zweiten und des dritten Teilprismas (312, 313) an die Hypotenusenfläche des ersten Teilprismas (311) angebracht sind und die jeweils andere Kathetenfläche (317, 318) des zweiten und dritten Teilprismas (312, 313) senkrecht zueinander stehen.
3. Verwendung der Prismenkombination nach Anspruch 1 oder 2 zur Korrektur des Astigmatismus eines Laserstrahls, der das Prisma mehrfach durchläuft.
4. Verwendung der Prismenkombination nach Anspruch 3 in einem Ringresonator (20), in dem der Laserstrahl (2) auf einem geschlossenen Weg mehrfach umläuft.
5. Verwendung der Prismenkombination nach Anspruch 4, wobei sich auf dem geschlossenen Weg ein Lasermedium (24) befindet, das eine thermische Linse aufweist, die vom Laserstrahl (2) mehrfach durchlaufen wird.
6. Verwendung der Prismenkombination nach Anspruch 5, wobei in den geschlossenen Weg ferner eine Ausgleichsoptik (25) zur Korrektur der nicht-astigmatischen Anteile der thermischen Linse eingebracht ist.
7. Verwendung der Prismenkombination nach Anspruch 6, wobei der Ringresonator (20) ferner ein Einkoppelelement zum Einkoppeln eines eingehenden Laserstrahls (1), mindestens drei Umlenkoptiken, die durch ihre Anordnung den Laserstrahl (2) auf einem geschlossenen Weg halten, einen elektrooptischen Schalter (30), der in den geschlossenen Weg eingebracht ist, und ein Auskoppelelement zur Auskopplung eines Teils (3) des Laserstrahls umfasst, wobei die Prismenkombination (31) als eine der drei Umlenkoptiken dient und gleichzeitig Teil des elektrooptischen Schalters (30) ist, der ferner ein Strahlteiler-Prisma (32) und eine Pockelszelle (33) umfasst.