DE102010031996A1

DE102010031996A1 - Optischer Resonator und Verfahren zu dessen Betrieb

Info

Publication number: DE102010031996A1
Application number: DE201010031996
Authority: DE
Inventors: Dr. Hädrich Sven
Original assignee: Sirah Laser & Plasmatechnik; SIRAH LASER- und PLASMATECHNIK GmbH
Current assignee: Sirah Laser & Plasmatechnik; SIRAH LASER- und PLASMATECHNIK GmbH
Priority date: 2010-07-22
Filing date: 2010-07-22
Publication date: 2012-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung bei denen zum Betrieb eines gepulsten optischen Resonators (3, 4, 5, 6, 7), insbesondere Laserresonators, die Frequenzanteile der einzelnen Laserpulse auf eine statistische Verteilung innerhalb des Linienprofils des Resonators (3, 4, 5, 6, 7) durch eine aktive Modulierung der Resonatorlänge eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen gepulst betriebenen Resonator, insbesondere Laserresonator umfassend ein optisches Resonatormedium, insbesondere Lasermedium oder Wellenlängenkonversionsmedium, das zwischen das Laserstrahlungsfeld rückkoppelnden optischen Elementen angeordnet ist und ein Verfahren zu dessen Betrieb, insbesondere zur Verbesserung der spektralen Eigenschaften eines gepulst betriebenen Resonators.
Es ist im Stand der Technik bekannt, dass sich bestimmte optische Resonatortypen, wie zum Beispiel gepulste Farbstofflaser oder Festkörperlaser oder auch Resonatoren zur Wellenlängenkonversion, wie z. B. Optische Parametrische Oszillatoren (OPO's) nur ungenügend mit nur einer einzigen aktiven longitudinalen Mode betreiben lassen. Dadurch ist die Laserstrahlung solcher Resonatortypen nicht optimal monochromatisch. Die Laserstrahlung kann Frequenzanteile der verschiedenen Moden in einem einzelnen Laserpuls und/oder wechselnde Frequenzanteile in aufeinanderfolgenden Pulsen enthalten.
Die Verteilung zwischen den Frequenzanteilen ist durch unkontrollierte Eigenschaften des optischen Resonators, wie optische Weglänge, Brechungsindizes, oder Verstärkungsprofile oder Konversionsprofile bestimmt. Daher ist die Verteilung der Laserenergie zwischen den Moden unvorhersehbar und weist keine statistische Verteilung auf.
Insbesondere im Fall von optischen Resonatoren, z. B. Laserresonatoren, in denen sich diese zuvor genannten Größen nur sehr langsam ändern, z. B. in Titan:Saphir basierten oder auch anderen festkörperbasierten oder farbstoffbasierten Laserresonatoren, oder auch in optischen parametrischen Oszillatoren sind die Laserfrequenzen zwischen den longitudinalen Moden praktisch nicht erreichbar.
Falls die mit solchen bekannten Laserresonatoren erzeugte Laserstrahlung auf zu probende Systeme angewendet wird die zwischen den verschiedenen Frequenzen der longitudinalen Moden zu unterscheiden vermögen, kommt es zu ungewollten Nebeneffekten durch die nicht gleichförmige Frequenzverteilung innerhalb eines Einzelpulses und die große Ähnlichkeit der Frequenzverteilung aufeinanderfolgender Laserpulse eines solchen Resonators.
Zum Beispiel sind bei Aufbauten bzw. Systemen, in denen Spektren aufgenommen werden, diese Spektren stark verrauscht, wobei dieses Rauschen nur schwer oder gar nicht mittels mathematischen Methoden eliminiert werden kann, da das Rauschen keiner mathematisch handhabbaren Statistik gehorcht. Bei Anwendungen, die einen schmalbandigen optischen Übergang anregen oder pumpen, kommt es zu unvorhersehbaren Änderungen in der Effizienz dieses Vorgangs.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Resonator, insbesondere Laserresonator und ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Resonators bereitzustellen, mit denen Messungen an beliebig optisch manipulierten Systemen z. B. optisch angeregten Systemen zu einer mathematisch handhabbaren statistischen Verteilung der Messwerte führen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Frequenzanteile der einzelnen Laserpulse des optischen Resonators auf eine statistische Verteilung innerhalb des Linienprofils des Resonators durch eine aktive Modulierung der Resonatorlänge eingestellt werden.
Durch die aktive Modulierung der optischen Weglänge des Resonators kann gemäß der Erfindung erreicht werden, dass die spektralen Eigenschaften des Resonators für jeden Laserpuls absolut unabhängig sind vom vorangegangenen Puls und die Frequenzanteile einer Mehrzahl von Pulsen optimal statistisch innerhalb des gesamten Linienprofils des Resonators verteilt sind. Es wird so eine Variation der Frequenzen der aus dem Resonator emittierten Laserpulse erzeugt, die einer statistischen Verteilung innerhalb des Linienprofils des Resonators gehorcht, da in der Statistik die Energie des Resonators auch auf Bereiche zwischen konkurrierenden longitudinalen Moden verteilt wird. Erfindungsgemäß wird das Anschwingen aller Moden mit gleicher Wahrscheinlichkeit ermöglicht, sowie die Position der Moden aktiv variiert.
Dabei kann ein optischer Resonator der Erfindung durch einen Laserresonator mit einem aktiven Lasermedium gebildet sein oder auch durch einen optischen Resonator mit einem Medium zur Wellenlängenkonversion, wie es z. B. von optischen parametrischen Oszillatoren bekannt ist. Wesentlich ist, dass sich das Medium des Resonators in einem die Laserstrahlung rückkoppelnden Resonatoraufbau befindet, z. B. zwischen Spiegeln oder anderen reflektierenden Elementen.
Vorteilhafterweise erschließt ein solcher Betrieb des Resonators die Möglichkeit mit üblichen statistischen Verfahren, wie Bildung des Mittelwerts die mit jeden Puls aufgenommenen Messergebnisse auszuwerten und so die Artefakte aus einer nicht statistischen Modenverteilung zu minimieren.
Der Vorteil der Erfindung gegenüber einem Resonator ohne aktive Modulation der optischen Weglänge ist in den folgenden Punkten zu finden:

1. Die Frequenzen der Laserpulse sind innerhalb der Linienbreite völlig statistisch verteilt.
2. Bereits eine kleine Anzahl von Laserpulsen entspricht in seiner Frequenzverteilung dem mittleren Linienprofil des Resonators und lässt sich mit statistischen Methoden auswerten.
3. Spektren oder sonstige Messungen können innerhalb kürzerer Zeit gemessen werden, da pro Messstelle über weniger Laserpulse gemittelt werden muss.
4. Beim kontinuierlichen Verstellen der Wellenlänge eines Resonators werden alle Frequenzen gleichmäßig erzeugt.

Gemäß der Erfindung kann der Resonator für ein abstimmbares gepulstes Lasersystem, z. B. ein Farbstofflasersystem oder auch ein Festkörperlasersystem ein laseraktives Medium umfassen, wie z. B. eine Farbstofflösung innerhalb einer Küvette oder eines Strahls oder auch einen Laserkristall. Ebenso kann der Resonator ein zum Zweck der Wellenlängenkonversion optisch gepumptes Medium, insbesondere einen Kristall umfassen.
In einer bevorzugten Anwendung kann der Resonator in der Wellenlänge abstimmbar sein und beispielsweise einen dispersiven Teil umfassen, der aus dem gesamten Verstärkungsbereich des Resonatormediums einen spektralen Teilbereich auswählt, in dem die Laserstrahlung erzeugt wird.
In einer möglichen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass ein optisches Element des Resonators, insbesondere ein Spiegel, besonders bevorzugt ein Auskoppelspiegel mittels eines Aktors in Richtung der Strahlausbreitung mechanisch bewegt wird. Beispielsweise kann jegliches optisches Element verschoben werden oder eine dispersive Einheit verstellt werden.
Die Bewegung lediglich in Richtung der Strahlausbreitung hat den Vorteil nur die optische Weglänge, nicht aber die sonstige Justage des Resonators und damit die Güte durch die Bewegung zu beeinflussen.
Diese mechanische Bewegung kann z. B. durch einen elektrisch angesteuerten Aktor, wie einen Piezokristall erfolgen, auf dem das optische Element, z. B. einer der Spiegel, bevorzugt der Auskoppler montiert ist. Bevorzugt kann ein ringförmiger Piezokristall verwendet werden, der den Auskoppelspiegel trägt, so dass der Laserpuls durch die innere Ausnehmung des Piezo und durch den Spiegel ausgekoppelt werden kann.
In einer anderen Ausführung kann eine Modulation der optischen Weglänge auch durch eine Modulation der optischen Dichte eines Elements oder der ganzen Umgebung des Resonators erfolgen, z. B. elektro-optisch oder magneto-optisch oder durch eine Druckvariation.
Die Modulation der optischen Weglänge soll bevorzugt keine Korrelation zur die Pulsbildung beeinflussenden Güteschaltung des Resonators aufweisen, also weder zu optischen Pumppulsen, noch zu periodisch geschalteten Güteschaltern jeglicher Art. So wird erzielt, das es bei aufeinander folgenden Pulsen keine aufgrund einer Korrelation wiederkehrenden Weglängen des Resonators gibt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und der bisherigen Stand der Technik ist in den nachfolgenden Abbildungen gezeigt. Es zeigen:
: Ein Farbstofflasersystem mit einer Weglängenmodulation durch Bewegung des Auskoppelspiegels;
: die longitudinale Modenverteilung aufeinander folgender Laserpulse ohne Weglängenmodulation
: ohne Modulation aufgenommene Messwerte
: die longitudinale Modenverteilung aufeinander folgender Laserpulse mit Weglängenmodulation
: mit Modulation aufgenommene Messwerte
In dem in dargestellten System wird beispielhaft und für die Erfindung nicht beschränkend ein Farbstofflasersystem dargestellt, bei dem eine Farbstofflösung 4 als laseraktives Medium verwendet wird und die Frequenzselektion durch eine Kombination aus einer Prismenaufweitung 5 und zweier holographischer Gitter 6 und 7 erfolgt.
Die Farbstofflösung wird optisch durch einen Pumplaser 1 gepumpt, der durch Zylinderlinsen 2a und 2b geeignet auf die Farbstoffküvette, die die Farbstofflösung enthält, abgebildet wird. Der im Resonator erzeugte Laserstrahl 9 wird durch einen teildurchlässigen Spiegel 3 ausgekoppelt. Durch die hohe Dispersion der Gitter ist es möglich, die Anzahl der im Resonator anschwingenden longitudinalen Moden gering zu halten und z. B. auf 1–3 longitudinale Moden zu reduzieren. Dies gilt ebenso für jegliche andere Resonatoraufbauten.
zeigt die spektrale Situation zwischen den longitudinalen Moden und der spektralen Einschränkung durch die Gitter- und Prismenkombination 12. Moden 10a, 10b, 10c, 10d, die von den dispersiven Elementen unterdrückt werden schwingen nicht an und tragen nicht zum Laserspektrum bei. Die Moden 11a, 11b im spektralen Durchlassbereich der dispersiven Elemente können anschwingen und zum Laserpuls beitragen.
Die Frequenzposition aller longitudinalen Moden ist durch die optische Weglänge des Resonators bestimmt. Falls sich diese nur geringfügig ändert ist für die aufeinander folgenden Schüsse A, B, C und D die Resonatorlänge sehr ähnlich, aber nicht identisch und die Frequenz der Moden quasi stationär. Eine längere Mittelung über die spektralen Intensitäten ist in Folge dessen geprägt von der Position der longitudinalen Moden.
zeigt die Messung des Effektes an einem realen Lasersystem. Dabei wurde für einzelne Laserpulse die dominante Frequenz bestimmt und in die Graphik eingetragen. Die ungleichmäßige spektrale Verteilung der einzelnen Laserpulse ist evident. Die Frequenz der Laserpulse wechselt von Laserpuls zu Laserpuls zwischen den einzelnen longitudinalen Moden. Dabei wird über den Zeitraum von mehreren Minuten eine einzelne Mode bevorzugt. Im Verlauf der Zeit wechselt die Präferenz auf eine benachbarte Mode. Die Frequenzen zwischen den Moden sind statistisch unterrepräsentiert.
Um erfindungsgemäß das Anschwingen aller Moden mit gleicher Wahrscheinlichkeit zu ermöglichen, sowie die Position der Moden aktiv zu variieren wird gemäß der Erfindung ein die Weglänge beeinflussendes optisches Element des Resonators, in dieser Anwendung einer der Endspiegel, vorzugsweise der Auskoppler auf einem in Richtung des Laserstrahls axial wirkenden piezoelektrischen Aktor 8 montiert.
Der Aktor wird mit einem elektrischen Signal moduliert. Dies kann mit jedem beliebigen periodischen oder nicht periodischen Signal erfolgen, bevorzugt mit einem Signal, das nicht mit der Periode der Pumplaserpulse korreliert.
Dadurch ist die effektive Laserresonatorlänge bei jedem Pumplaserpuls unterschiedlich. Da die spektrale Lage der Moden an die Laserresonatorlänge gebunden ist, liegt für jeden Pumplaserpuls eine andere Laserresonatorlänge vor und das bevorzugte Anschwingen einer einzelnen Mode wird effektiv verhindert.
zeigt, wie jeder Einzelpuls E, F, G und H eine komplett unterschiedliche Laserresonatorlänge für die longitudinalen Moden vorfindet und entsprechende Pulse emittiert werden. Bei Mittelung der einzelnen Laserpulse wird die spektrale Verteilung der Pulse nur noch vom einhüllenden Laserprofil 12 bestimmt, insbesondere welches sich aus der Überlagerung des Verstärkungsprofils des Lasermediums und der Verluste durch die optischen Elemente, wie die dispersiven Elemente und die Spiegel ergibt,
zeigt wie dieser Effekt auch am realen Lasersystem beobachtet werden kann. Im Ergebnis wird durch die Modulation der Laserresonatorwellenlänge eine statistische Verteilung der Emissionfrequenz der einzelnen Laserpulse erreicht.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines gepulsten optischen Resonators (3, 4, 5, 6, 7), insbesondere Laserresonators, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzanteile der einzelnen Laserpulse auf eine statistische Verteilung innerhalb des Linienprofils des Resonators (3, 4, 5, 6, 7) durch eine aktive Modulierung der Resonatorlänge eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (3) des Resonators (3, 4, 5, 6, 7), insbesondere ein Spiegel (3) besonders bevorzugt ein Auskoppelspiegel (3) mittels eines Aktors (8) in Richtung der Strahlausbreitung (9) mechanisch bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Aktor (8) ein Piezoaktor (8) mit einem elektrischen Signal angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Modulation der optischen Weglänge durch eine Modulation der optischen Dichte eines Elements oder der ganzen Umgebung des Resonators (3, 4, 5, 6, 7) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation der optischen Weglänge keine Korrelation zur die Pulsbildung beeinflussenden Güteschaltung des Resonators (3, 4, 5, 6, 7) aufweist, insbesondere die Modulation keine Rückkopplung aufweist.
Verfahren zur Durchführung von Messungen an einem durch Laserpulse optisch manipulierten System, bei denen die Messwerte in Abhängigkeit von Laserpulsen aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer statistischen Verteilung der Messwerte die Frequenzanteile der einzelnen Laserpulse auf eine statistische Verteilung innerhalb des Linienprofils des Resonators (3, 4, 5, 6, 7) durch eine aktive Modulierung der Resonatorlänge des die Laserpulse erzeugenden Resonators eingestellt werden.
Optischer gepulst betriebener Resonator (3, 4, 5, 6, 7) umfassend ein optisches Resonatormedium (4), insbesondere Lasermedium (4) oder Wellenlängenkonversionsmedium, das zwischen das Laserstrahlungsfeld rückkoppelnden optischen Elementen (3, 7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Frequenzanteile der einzelnen Laserpulse auf eine statistische Verteilung innerhalb des Linienprofils des Resonators (3, 4, 5, 6, 7) die Resonatorlänge aktiv moduliert ist.