DE102011085614A1

DE102011085614A1 - Lasersystem mit Resonator

Info

Publication number: DE102011085614A1
Application number: DE201110085614
Authority: DE
Inventors: Sebastian Nutsch; Claus Zimmermann
Original assignee: HighFinesse GmbH
Current assignee: HighFinesse GmbH
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2011-11-02
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-11-03
Also published as: DE102011085614B4

Abstract

Ein Lasersystem (100) zur Abgabe von Laserlicht hat einen ersten Resonatorspiegel (110) und einen zweiten Resonatorspiegel (120), welcher relativ zu dem ersten Resonatorspiegel so angeordnet ist, dass Laserlicht einen zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel gebildeten Resonatorraum mehrfach durchläuft. In dem Resonatorraum ist ein optisch anregbares Verstärkermedium (140) im Strahlweg des Laserlichts angeordnet. Weiterhin ist in dem Resonatorraum ein Prisma (150) angeordnet, das aus einem für das Laserlicht transparenten, dispersiven Prismenmaterial besteht. Das Prisma hat eine schräg zur Strahlrichtung des Laserlichts ausgerichtete erste Prismenfläche (151) und eine zweite Prismenfläche (152), die in Bezug auf die erste Prismenfläche derart schräg ausgerichtet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche gebrochener Anteil des Laserlichts an der zweiten Prismenfläche gebrochen und in Richtung des zweiten Resonatorspiegels (120) gelenkt wird. Dabei bildet das Laserlicht aufgrund von Dispersion des Prismenmaterials einen Fächer von Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge, die in unterschiedlichen, von der Wellenlänge der Teilstrahlen abhängigen Einfallswinkeln auf den zweiten Resonatorspiegel treffen. Es ist eine Kippeinrichtung (180) zur Verkippung des zweiten Resonatorspiegels um eine Kippachse (182) vorgesehen, die senkrecht zu einer durch die Teilstrahlen des Fächers aufgespannten Einfallsebene verläuft. Durch Verkippen des zweiten Resonatorspiegels ist die Wellenlänge des vom Lasersystem abgegebenen Nutzstrahls (N) einstellbar.

Description

HINTERGRUND
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasersystem zur Abgabe von Laserlicht mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Eine wesentliche optische Baugruppe solcher Lasersysteme ist der sogenannte optische Resonator, bei dem der erste und der zweite Resonatorspiegel so angeordnet sind, dass Licht in einem zwischen den Resonatorspiegeln gebildeten Resonatorraum eine Resonanzüberhöhung erfährt. Das Laserlicht bzw. ein großer Anteil des Laserlichts kann beispielsweise vielfach zwischen den Resonatorspiegeln hin- und herreflektiert werden. Das im Strahlweg des Laserlichts angeordnete Verstärkermedium wird dabei vielfach vom Laserlicht durchstrahlt. Der optische Abstand zwischen den beiden den Resonatorraum begrenzenden Resonatorspiegeln (erster und zweiter Resonatorspiegel) bestimmt dabei die Frequenz bzw. das Frequenzspektrum des von dem Lasersystem abgegebenen Laserlichts.
Manche Lasersysteme dieser Art nutzen innerhalb des Resonators ein optisch anregbares Kristallmaterial, also einen Festkörper, der durch Einstrahlen von Lichtenergie angeregt werden kann. Solche Anordnungen, bei denen der Kristall aus einem durch Pumplicht zur Erzeugung von Laserlicht anregbaren kristallinen Verstärkermaterial besteht, werden üblicherweise als Festkörperlaser bezeichnet.
Ein Beispiel für einen Festkörperlaser ist der Titan:Saphir-Laser, also ein Lasersystem, bei dem ein Titan:Saphir-Kristall (Ti:Sa-Kristall) als laseraktives Verstärkermedium genutzt wird. Dieses kristalline Verstärkermaterial besitzt ein sehr breites Emissionsspektrum von ca. 670 nm bis 1100 nm mit einem Maximum bei ca. 800 nm, wodurch ein Lasersystem mit einem Ti:Sa-Kristall prinzipiell in einem sehr großen Wellenlängenbereich durchstimmbar ist.
Das Verstärkermedium kann auch ein Gas sein. Eine bekannte Bauform von Gaslasern ist ein CO₂-Laser oder Kohlenstoffdioxidlaser, bei dem das Verstärkermedium Kohlenstoffdioxid ist, welches elektrisch mit Hilfe einer Glimmentladung angeregt wird. Der Kohlenstoffdioxidlaser zählt neben den Festkörperlasern zu den am häufigsten und leistungsstärksten industriell eingesetzten Lasern.
Häufig ist es gewünscht, dass das von einem durchstimmbaren Lasersystem abgegebene Laserlicht, d.h. der Nutzstrahl, im Vergleich zum Emissionsspektrum des Verstärkermediums relativ schmalbandig ist, also nur eine bestimmte Wellenlänge bzw. nur ein sehr enges Wellenlängenspektrum hat. Die abgegebene Wellenlänge soll sich dabei möglichst genau einstellen lassen.
Eine Möglichkeit zur Unterdrückung ungewollter Lasermoden besteht darin, in einen Resonator ein Interferometer als frequenzselektives Element zu integrieren. Das Patent US 4,682,893 zeigt in einem Ausführungsbeispiel (2) einen Kohlendioxidlaser, bei dem zur Erzielung einer durchstimmbaren Laseremission mit schmaler spektraler Bandbreite ein Interferometer mit einem Prisma als Strahlteiler integriert ist. Das Interferometer dient dabei als Auskoppeleinheit (output coupler) zum Auskoppeln von Laserlicht aus dem Resonator. Das vom gasförmigen Verstärkermedium kommende Laserlicht trifft dabei auf die Eintrittsfläche des Prismas in einem Eintrittswinkel, der im Wesentlichen im Brewster-Winkel entspricht, so dass das Laserlicht möglichst verlustarm in das Prisma eingekoppelt wird. Nach gegebenenfalls mehreren internen Reflexionen an Prismenflächen und an Spiegeln des Interferometers tritt der Nutzstrahl aus dem Prisma aus. Durch Rotation eines in Littrow-Konfiguration betriebenen Beugungsgitters in Kombination mit einer Verschiebung eines der Spiegel des Interferometers parallel zur Einfallsrichtung des Laserstrahls soll es möglich sein, die Laserfrequenzen durch verschiedene Frequenzen des von 9μm bis 11μm reichenden Spektralbereichs durchzustimmen.
Das Patent DE 103 05 268 B4 beschreibt eine Laseranordnung mit resonatorinterner Frequenzkonvertierung. Der Laserresonator hat einen ersten Arm, der von einem ersten Reflektor, einem aktiven Verstärkermedium und einem Auskoppler gebildet wird, und einen zweiten Arm, der von einem zweiten Reflektor, einem Frequenzkonverter und dem Auskoppler gebildet wird, so dass ein frequenzkonvertierter Ausgangsstrahl mittels des Auskopplers ausgekoppelt wird. Der Laserresonator hat eine Länge, die der Summe der Längen des ersten Arms und des zweiten Arms entspricht. Der Auskoppler ist als optisches Prisma ausgeführt, in welches der frequenzkonvertierte Ausgangsstrahl eingekoppelt und an einer Auskoppelfläche in Richtung der Ausgangsachse ausgekoppelt wird. Diese Ausgangsachse und die optische Achse des ersten Arms sind parallel zueinander. Das optische Prisma ist dabei derart ausgeführt, dass der frequenzkonvertierte Ausgangsstrahl nach einer internen Reflexion an zumindest einer Totalreflexionsfläche an der Auskoppelfläche auskoppelbar ist, wobei die Ausgangsachse und die optische Achse des ersten Arms übereinstimmen.
AUFGABE UND LÖSUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, das über einen breiten Spektralbereich durchstimmbar ist, wobei ein schmalbandiger Nutzstrahl aus Laserlicht mit präzise vorgebbarer Wellenlänge erzeugt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die Erfindung ein Lasersystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 bereit. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Gemäß einer Formulierung der Erfindung hat das Prisma, welches aus einem für das Laserlicht transparenten, dispersiven Prismenmaterial besteht, eine schräg zur Strahlrichtung des Laserlichts ausgerichtete erste Prismenfläche und eine zweite Prismenfläche, die in Bezug auf die erste Prismenfläche derart schräg ausgerichtet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche gebrochener Anteil des Laserlichts an der zweiten Prismenfläche gebrochen und in Richtung des zweiten Resonatorspiegels gelenkt wird. Der gebrochene Anteil des Laserlichts durchtritt also das Prisma zwischen der ersten und der zweiten Prismenfläche. Aufgrund von Dispersion des Prismenmaterials bildet das Laserlicht nach dem Austritt aus der zweiten Prismenfläche einen Fächer von Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge, die in unterschiedlichen, von der Wellenlänge der Teilstrahlen abhängigen Einfallswinkeln auf den zweiten Resonatorspiegel treffen. Weiterhin ist eine Kippeinrichtung zur Verkippung des zweiten Resonatorspiegels um eine Kippachse vorgesehen, wobei diese Kippachse senkrecht zu einer durch die Teilstrahlen des Fächers aufgespannten Einfallsebene verläuft.
Diese Anordnung erlaubt eine äußerst präzise Einstellung der Wellenlänge des vom Lasersystem abgegebenen Nutzstrahls. Eine Frequenzselektion bzw. Wellenlängenauswahl kann bei dieser Anordnung einfach dadurch erzielt werden, dass der zweite Resonatorspiegel zur Auswahl einer Wellenlänge eines Wellenlängenspektrums des Laserlichts mittels der Kippeinrichtung in eine Retroreflexionsstellung verkippt wird, in der der Teilstrahl der ausgewählten Wellenlänge in sich selbst reflektiert wird. Durch Verkippung des zweiten Resonatorspiegels ist diese Rückreflexionsbedingung für unterschiedliche Wellenlängen einstellbar. Diejenige Wellenlänge, für die die Rückflexionsbedingung erfüllt ist, wird vom zweiten Spiegel auf dem gleichen Weg in das Prisma rückreflektiert, auf dem es zum zweiten Resonatorspiegel gelangt ist. Andere Wellenlängen erfüllen dagegen die Rückreflexionsbedingung nicht oder nicht ausreichend und werden daher in Richtungen reflektiert, die nicht zu einer optimalen Rückkopplung in das Prisma führen. Dadurch werden alle anderen Wellenlängen ausgesondert bzw. unterdrückt.
In der Praxis wird hierbei nicht eine einzige Wellenlänge ausgewählt, sondern ein schmales Wellenlängenspektrum um eine zentrale Wellenlänge. Dieses schmale Wellenlängenspektrum wird hier als „eine Wellenlänge“ bezeichnet.
Außer dem verkippbaren, d.h. in seiner Winkelstellung veränderbaren zweiten Resonatorspiegel muss keine weitere Komponente des Lasersystems bezüglich seiner optischen Wirkung verstellt werden, so dass einerseits die Realisierbarkeit der Wellenlängenauswahl konstruktiv relativ einfach ist und andererseits eine hochpräzise Wellenlängenselektion möglich ist.
Die Verkippung des zweiten Resonatorspiegels kann auf unterschiedliche Weisen erfolgen. Beispielsweise kann ein mechanischer Stelltrieb vorgesehen sein, der direkt oder indirekt auf einen Spiegelträger oder auf ein Spiegelelement wirkt. Vorzugsweise hat die Kippeinrichtung ein elektrisch ansteuerbares Aktuatorsystem zur Verkippung des zweiten Resonatorspiegels. Dadurch ist eine Steuerung der Wellenlängenselektion besonders einfach durch elektrische Signale oder Spannungen möglich, insbesondere auch während des Betriebs des Lasersystems. Beispielsweise kann das Aktuatorsystem mindestens ein piezoelektrisches Element aufweisen, also einen elektrisch ansteuerbaren Aktuator, der als Reaktion auf die Änderung einer anliegenden elektrischen Spannung seine äußeren Dimensionen in definierter Weise ändern kann.
Vorzugsweise hat das Aktuatorsystem mehrere unabhängig voneinander ansteuerbare Aktuatoren. Beispielsweise können drei in einer Dreiecksanordnung angeordnete Aktuatoren vorgesehen sein. Dadurch wird eine präzise und auch gegen Temperatureinflüsse relativ unempfindliche Einstellung des Kippwinkels möglich.
Um einen gewünschten Kippwinkel mit hoher Genauigkeit einstellen zu können, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, dass die Kippeinrichtung einen Positionssensor zur Erfassung eines die Kippstellung des zweiten Resonatorspiegels repräsentierenden Positionssignals aufweist. Dieses kann in einem Regelkreis zu einer Steuereinheit rückgekoppelt werden, so dass ein gewünschter Kippwinkel mit hoher Absolutgenauigkeit eingestellt und auf Dauer eingehalten werden kann.
Für die Geometrie des Prismas sind unterschiedliche Lösungen möglich. Vorzugsweise ist die zweite Prismenfläche so ausgerichtet, dass der gebrochene Anteil des Laserlichts im Wesentlichen im Brewster-Winkel auf die zweite Prismenfläche trifft. Vorzugsweise sollte die Abweichung vom Brewster-Winkel nicht größer als 5° sein. Dadurch können die Reflexionsverluste an der zweiten Prismenfläche sowohl beim Austritt des gebrochenen Anteils aus dem Prisma als auch beim Eintritt des rückreflektierten Anteils zurück in das Prisma klein gehalten werden.
Bei manchen Ausführungsformen hat der Resonator nur zwei Spiegel, die den Resonatorraum begrenzen, nämlich den ersten Resonatorspiegel und den zweiten Resonatorspiegel. Einer der Spiegel kann als Einkoppelspiegel, der andere als Auskoppelspiegel dienen. Es kann noch ein Faltspiegel zur Faltung des Strahlengangs innerhalb des Resonatorraums vorgesehen sein. Das kann u.a. zur Astigmatismuskorrektur beitragen und auch aus Bauraumgründen günstig sein.
Bei manchen Ausführungsformen ist ein dritter Resonatorspiegel vorgesehen, der in Bezug auf die erste Prismenfläche derart angeordnet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche reflektierter Anteil des von dem ersten Resonatorspiegel kommenden Laserlichts auf den dritten Resonatorspiegel fällt und in Einfallsrichtung von diesem rückreflektiert wird.
Auf diese Weise ist ein Lasersystem mit zwei gekoppelten Resonatoren realisierbar. Ein erster Resonator wird durch den ersten Resonatorspiegel und den zweiten Resonatorspiegel begrenzt. Ein zweiter Resonator wird durch den ersten Resonatorspiegel und den dritten Resonatorspiegel begrenzt. Die Kopplung der Resonatoren findet an der ersten Prismenfläche statt, die als Strahlteilerfläche wirkt. Bei dieser Anordnung wirkt die Dispersion des Prismenmaterials nur in einem der Resonatoren, nämlich in dem ersten Resonator, der von dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel begrenzt wird. Der zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem dritten Resonatorspiegel gebildete zweite Resonator führt das Laserlicht dagegen so, dass dieses nicht durch das Prisma verläuft, sondern lediglich an der ersten Prismenfläche reflektiert wird.
Das Verhältnis der Intensitäten zwischen dem durch die erste Prismenfläche in das Prisma gebrochenen Anteil des Laserlichts und dem an der ersten Prismenfläche reflektierten Anteil des Laserlichts kann in weiten Grenzen variiert werden. Vorzugsweise wird ein erster Einfallswinkel für das auf die erste Prismenfläche treffende Laserlicht so eingestellt, dass der an der ersten Prismenfläche reflektierte Anteil und der an der ersten Prismenfläche gebrochene Anteil des Laserlichts ein Intensitätsverhältnis zwischen 10:90 und 90:10 haben, wobei das Intensitätsverhältnis vorzugsweise zwischen 40:60 und 60:40 liegt. Bei manchen Ausführungsformen wird ein Intensitätsverhältnis von ca. 50 zu 50 eingestellt, so dass beide Resonatoren im Wesentlichen gleichberechtigt sind. Hierdurch kann eine besonders gute Modulation erzielt werden.
Bei manchen Varianten mit drittem Resonatorspiegel ist eine Kippeinrichtung zur Verkippung des dritten Resonatorspiegels um eine Kippachse vorgesehen, die senkrecht zu einer Umlaufebene des Laserlichts verläuft. Diese Kippeinrichtung kann Bestandteil der Wellenlängeneinstelleinrichtung sein. Durch Verkippen des dritten Resonatorspiegels kann ebenfalls eine Wellenlängenselektion erfolgen.
Eventuell kann dann auf eine Verkippung des zweiten Resonatorspiegels und/oder auf eine entsprechende Kippeinrichtung verzichtet werden.
Für den ersten Resonator und/oder für den zweiten Resonator kann eine Einstelleinrichtung zur Einstellung der Resonatorlänge des ersten bzw. des zweiten Resonators vorgesehen sein. Die Einstelleinrichtungen können unabhängig voneinander arbeiten. Dadurch kann ein Längenverhältnis der beiden Resonatoren eingestellt bzw. verstellt werden. Vorzugsweise ist dazu dem zweiten Resonatorspiegel und/oder dem dritten Resonatorspiegel eine Verschiebungseinrichtung zur Verschiebung des zweiten bzw. des dritten Resonatorspiegels im Wesentlichen parallel zur Einfallsrichtung des jeweils auftreffenden Laserlichts zugeordnet. Die Kippeinrichtung und die Verschiebungseinrichtung eines Resonatorspiegels können integriert sein.
Bei Lasersystemen mit drei Resonatorspiegeln kann eine Erfindung auch mit der folgenden Formulierung beschrieben werden:
Lasersystem zur Abgabe von Laserlicht mit:
einem ersten Resonatorspiegel;
einem zweiten Resonatorspiegel, welcher relativ zu dem ersten Resonatorspiegel so angeordnet ist, dass Laserlicht einen zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel gebildeten Resonatorraum mehrfach durchläuft;
einem optisch anregbaren Verstärkermedium, das in dem Resonatorraum im Strahlweg des Laserlichts angeordnet ist;
einem in dem Resonatorraum angeordneten Prisma, das aus einem für das Laserlicht transparenten, dispersiven Prismenmaterial besteht, wobei das Prisma eine schräg zur Strahlrichtung des Laserlichts ausgerichtete erste Prismenfläche und eine zweite Prismenfläche aufweist, die in Bezug auf die erste Prismenfläche derart schräg ausgerichtet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche gebrochener Anteil des Laserlichts an der zweiten Prismenfläche gebrochen und in Richtung des zweiten Resonatorspiegels gelenkt wird; und
einem dritten Resonatorspiegel, der in Bezug auf die erste Prismenfläche derart angeordnet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche reflektierter Anteil des Laserlichts auf den dritten Resonatorspiegel fällt und in Einfallsrichtung rückreflektiert wird.
Gemäß dieser Formulierung der Erfindung weist das Lasersystem zwei gekoppelte Resonatoren auf, wobei ein erster Resonator durch den ersten Resonatorspiegel und den zweiten Resonatorspiegel begrenzt wird, ein zweiter Resonator durch den ersten Resonatorspiegel und den dritten Resonatorspiegel begrenzt wird, und eine Kopplung des ersten und des zweiten Resonators an der ersten Prismenfläche erfolgt, die als Strahlteilerfläche wirkt, wobei die Dispersion des Prismenmaterials nur in dem ersten Resonator wirkt und der zweite Resonator das Laserlicht so führt, dass es nicht durch das Prisma verläuft, sondern nur an der ersten Prismenfläche reflektiert wird.
Für mindestens einen der zusätzlich zum ersten Resonatorspiegel vorgesehenen Resonatorspiegel (zweiter und/oder dritter Resonatorspiegel) kann eine Kippeinrichtung zur Verkippung des entsprechenden Resonatorspiegels um eine Kippachse vorgesehen sein, die senkrecht zu einer Umlaufebene des Laserlichts verläuft. Durch Verkippen des zweiten und/oder des dritten Resonatorspiegels kann eine Wellenlängenselektion bzw. eine Einstellung einer gewünschten Wellenlänge erfolgen, so dass die Kippeinrichtung Bestandteil einer Wellenlängeneinstelleinrichtung ist.
Einzelheiten der Komponenten dieser Lasersysteme (Resonatorspiegel, Prisma, Kippeinrichtung etc) können wie oben oder unten beschrieben ausgestaltet und angeordnet sein.
Diese und weitere Merkmale gehen außer den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt eine schematische Draufsicht eines Titan:Saphir-Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform mit zwei gekoppelten Resonatoren und dachförmigem Prisma;
1B zeigt eine vergrößerte Detaildarstellung der Ausführungsform aus 1A;
2 zeigt ein Diagramm, das die Durchstimmbarkeit des Lasersystems nach 1 durch Verkippung der Resonatorspiegel illustriert;
3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Titan:Saphir-Lasers gemäß einer zweiten Ausführungsform mit zwei gekoppelten Resonatoren und keilförmigem Prisma; und
4 zeigt eine schematische Draufsicht eines Titan:Saphir-Lasers gemäß einer dritten Ausführungsform mit einem einzigen Resonator und keilförmigem Prisma.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1A ist schematisch eine Draufsicht auf ein Lasersystem 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Bei dem Lasersystem handelt es sich um einen Titan:Saphir-Laser, also um einen Festkörperlaser, bei dem ein Titan:Saphir-Kristall als laseraktives Verstärkermedium verwendet wird. Die wesentlichen optischen Komponenten der Anordnung sind in einem quaderförmigen Gehäuse 102 untergebracht, das die darin untergebrachten optischen Komponenten einschließt und schützt.
Ein wesentliches Element des Lasersystems ist ein mit Titanionen dotierter Saphir-Kristall 140, der im Folgenden auch kurz mit Ti:Sa-Kristall bezeichnet wird. Aufgrund der Verwendung dieses optisch anregbaren kristallinen Verstärkermaterials zählt das Lasersystem zu den Festkörperlasern. Das kristalline Verstärkermaterial besitzt ein sehr breites Emissionsspektrum von ca. 670 nm bis 1100 nm mit einem Maximum bei ca. 800 nm, wodurch ein Lasersystem mit einem Ti:Sa-Kristall in einem sehr großen Wellenlängenbereich durchstimmbar ist.
Das Absorptionsspektrum des Ti:Sa-Kristalls erstreckt sich von ca. 370 nm bis ca. 670 nm. Zum optischen Pumpen wird im Beispielsfall ein frequenzverdoppelter Nd:YVO₄-Laser verwendet. Der Neodym-Yttrium-Vanadat-Kristall dieses Festkörperlasers wird von Laserdioden gepumpt und emittiert bei 1064 nm. Das emittierte Licht wird danach frequenzverdoppelt, wodurch man Laserlicht bei 532 nm erhält. Dieses Pumplicht wird als Pumpstrahl 160 durch eine erste Gehäuseöffnung 104 hindurch in den Innenraum des Gehäuses 102 eingestrahlt. Gekühlt wird der Ti:Sa-Kristall unterstützt mit handelsüblicher Wärmeleitpaste durch thermischen Kontakt mit einer am Gehäuseboden befestigten Kristallhalterung.
Der Ti:Sa-Kristall 140 ist im Resonatorstrahlengang eines optischen Resonators angeordnet, welcher als Stehwellenresonator konfiguriert ist. Der Resonator hat einen ersten Resonatorspiegel 110 und einen zweiten Resonatorspiegel 120, der in Bezug auf den ersten Resonatorspiegel 110 so angeordnet ist, dass Laserlicht in einem zwischen den Resonatorspiegeln gebildeten Resonatorraum in einen Resonatorstrahlengang vielfach hin- und herreflektiert werden kann. Ein Faltspiegel 105 trägt zur Korrektur des Astigmatismus im Strahlprofil bei und ermöglicht auch einen kompakten Aufbau.
Die Spiegelflächen des als Einkoppelspiegel dienenden ersten Resonatorspiegels 110 und des Faltspiegels 105 sind jeweils konkav geformt, während die Spiegelflächen des zweiten Resonatorspiegels 120 eben sind.
Die Spiegel (erster Resonatorspiegel 110, zweiter Resonatorspiegel 120, Faltspiegel 105) besitzen jeweils eine dielektrische, hoch reflektive Schicht und reflektieren im Bereich zwischen 750 nm und 850 nm mit einem Reflexionsgrad von über 99%. Die der ersten Gehäuseöffnung 104 zugewandte Rückseite des ersten Resonatorspiegels 110 ist mit einer Antireflexschicht für das Pumplicht 160 versehen, um dieses möglichst verlustarm in den Resonatorraum hineinzulassen.
Das vom Lasersystem abgegebene bzw. ausgekoppelte Laserlicht bildet einen Nutzstrahl N, der das Gehäuse durch eine zweite Gehäuseöffnung 106 verlässt. Das Laserlicht ist linear polarisiert, und zwar mit einer Polarisationsvorzugsrichtung parallel zum Gehäuseboden (Zeichenebene). Das wird dadurch erreicht, dass auch das Licht des Pumpstrahls 160 durch geeignete Einrichtungen in der durch den Resonatorstrahlengang aufgespannten Ebene polarisiert ist. Der Verstärkerkristall 140 hat eine dem ersten Resonatorspiegel 110 optisch zugewandte erste Lichtdurchtrittsfläche 142 und eine dem zweiten Resonatorspiegel 120 optisch zugewandte zweite Lichtdurchtrittsfläche 144. Die mit optischer Qualität plan bearbeiteten Lichtdurchtrittsflächen sind gegenüber der Strahlrichtung des Laserstrahls im Brewsterwinkel von 60.53° schräg gestellt, wobei sich der Brewserwinkel im Wesentlichen über den Brechnungsindex n_p = 1.77 des doppelbrechenden Kristallmaterials für p-polarisiertes Licht bei 800 nm berechnet. Der Verstärkerkristall wirkt durch die gewählte Platzierung im Resonator wie ein Brewsterfenster und lässt dadurch die parallel zum Gehäuseboden verlaufende (waagerechte) Polarisation fast verlustfrei passieren, während die dazu senkrechte Polarisationsrichtung stark gedämpft wird.
Der Abstand der longitudinalen Moden des Laserlichts im Resonatorstrahlengang ist gegeben durch δv_FSR = c/2L, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L die Länge des Resonators darstellen. Unter Berücksichtigung der optischen Dichte des Verstärkerkristalls 140 beträgt die optische Weglänge im Resonator etwa 88 mm, wodurch sich ein freier Spektralbereich (Frequenzabstand zwischen benachbarten Moden) von ca. 1.7 GHz ergibt.
Die Wellenlänge des „freilaufenden“ Ti:Sa-Lasers (ohne frequenzselektive Elemente) ergibt sich aus dem Produkt der Spiegelreflexionskoeffizienten und dem Fluoreszenzspektrum, wobei beide Kurven ihr Maximum bei etwa 800 nm haben. Da dieses Maximum sehr flach ist, schwingen viele Moden gleichzeitig an. Die Moden liegen im Bereich von 785 nm bis 800 nm mit einem Maximum bei 790 nm. Das Strahlprofil des Ausgangsstrahls ist gaußförmig.
Durch den Einsatz von frequenzselektiven Elementen ist eine Modenauswahl möglich. Um ungewollte Moden zu unterdrücken, ist ein Michelson-Interferometer als frequenzselektive Einrichtung in den Resonator integriert. Das Michelson-Interferometer dient als Auskoppeleinheit und hat ein Prisma 150 als Strahlteilerelement (vgl. auch 1B). Folgender Aufbau ist realisiert.
Das Prisma 150 ist in dem Resonatorraum zwischen dem Faltspiegel 105 und dem zweiten Resonatorspiegel 120 angeordnet. Das Prisma besteht aus einem für das Laserlicht transparenten, dispersiven Prismenmaterial. Im Beispielsfall besteht das Prisma aus einem synthetischen Quarzglas, das im Wellenlängenbereich zwischen 700 nm und 800 nm einen Brechungsindex n zwischen ca. 1.455 und 1.453 hat. Solche Quarzgläser werden z.B. unter der Marke Suprasil^® (Heraeus) vertrieben. Aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex (Dispersion) ist das Prisma ein dispersives Element. Alle Prismenflächen des dachförmigen Prismas sind unbeschichtet.
Das in 2 vergrößert dargestellte Prisma 150 hat eine ebene erste Prismenfläche 151, die schräg zur Strahlrichtung des vom Faltspiegel kommenden Laserlichts ausgerichtet ist und hier als Strahlteilerfläche dient. Der am Auftreffpunkt A des vom Faltspiegel kommenden Laserstrahls L1 vorliegende erste Einfallswinkel W1 ist mit ca. 85° so eingestellt, dass der an der ersten Prismenfläche reflektierte Anteil L3 und der an der ersten Prismenfläche in das Innere des Prismas gelenkte, gebrochene Anteil L2 des Laserlichts etwa gleiche Intensität, also ein Intensitätsverhältnis von ca. 50:50, haben.
Ein dritter Resonatorspiegel 130 ist in Bezug auf die erste Prismenfläche 151 derart angeordnet, dass ein an der ersten Prismenfläche reflektierter Anteil des Laserlichts auf die hochreflektierende Spiegelfläche des dritten Resonatorspiegels fällt und in Einfallsrichtung zum Auftreffpunkt A rückreflektiert wird. Hierzu steht die ebene Spiegelfläche des dritten Resonatorspiegels 130 in der gezeigten Konfiguration senkrecht zum reflektierten Anteil des Laserlichts.
Das Prisma 150 hat eine ebene zweite Prismenfläche 152, die in Bezug auf die erste Prismenfläche 151 derart schräg ausgerichtet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche gebrochener Anteil L2 des Laserlichts in Richtung des zweiten Resonatorspiegels 120 gelenkt wird. Die zweite Prismenfläche 152 ist so ausgerichtet, dass der gebrochene Anteil des Laserlichts im Wesentlichen im Brewster-Winkel WB (ca. 55.5° an der Seite mit dem niedrigeren Brechungsindex) auf die zweite Prismenfläche trifft und diese ohne nennenswerte Reflexionsverluste durchtritt.
Aufgrund der Dispersion des Prismenmaterials bildet das Laserlicht nach Austritt aus dem Prisma einen Fächer von Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, die in unterschiedlichen, von der Wellenlänge der Teilstrahlen abhängigen Einfallswinkeln auf die ebene Spiegelfläche des zweiten Resonatorspiegels 120 treffen. Drei ausgewählte Teilstrahlen T1, T2, T3 mit entsprechenden Wellenlängen λ(T1) > λ(T2) > λ(T3) sind dargestellt.
Der Dispersionseffekt des Prismas wird in einer besonderen Weise zur Wellenlängenselektion bzw. zur Einstellung einer ausgewählten Wellenlänge des Nutzstrahls genutzt.
Das Lasersystem umfasst eine elektrisch gesteuerte Kippeinrichtung 180 zur Verkippung des zweiten Resonatorspiegels 120 um eine Kippachse 182, die senkrecht zu einer durch die Teilstrahlen T1, T2, T3 des Fächers aufgespannten Einfallsebene verläuft. Die Kippachse ist somit orthogonal zu der Umlaufebene des Laserlichts ausgerichtet, welche durch den gefalteten und verzweigten (geteilten) Laserstrahl aufgespannt wird. Mittels der Kippeinrichtung kann die ebene Spiegelfläche des zweiten Resonatorspiegels gezielt so ausgerichtet werden, dass sie für eine bestimmte ausgewählte Wellenlänge bzw. einen engen Spektralbereich um diese Wellenlänge in eine Retroreflexionsstellung gebracht werden kann, die sich dadurch auszeichnet, dass der zu der ausgewählten Wellenlänge gehörende Teilstrahl in sich selbst reflektiert wird, was einem Einfallswinkel von 0° bzw. senkrechtem Lichteinfall entspricht. Die Kippeinrichtung ist Bestandteil einer Wellenlängenselektionseinrichtung des durchstimmbaren Lasersystems.
Die Kippeinrichtung hat ein Aktuatorsystem 184, das als Dreibein-Piezoantriebssystem mit drei unabhängigen Piezoaktoren ausgelegt ist. Diese sind in Bezug auf eine Zentralachse der Anordnung in 120°-Winkelabständen angeordnet, so dass sich prinzipiell sowohl die Ausrichtung der Kippachse als auch die Kippwinkel frei einstellen lassen. Hier wird jedoch nur die Kippachse 182 genutzt. Ein Vorteil der Dreibeinanordnung besteht darin, dass auch bei schwankenden Umgehungstemperaturen ein einmal eingestellter Kippwinkel mit hoher Genauigkeit erhalten bleibt, sodass die Wellenlängenselektion unempfindlich gegenüber Temperaturdrift wird.
Um einen gewünschten Kippwinkel KW2 mit hoher Genauigkeit einstellen zu können, umfasst die Kippeinrichtung einen Positionssensor 186 zur Erfassung eines die Kippstellung des zweiten Resonatorspiegels 120 repräsentierenden Positionssignals. Dieses wird in einem Regelkreis zu einer Steuereinheit 108 des Lasersystems rückgekoppelt, so dass ein gewünschter Kippwinkel mit hoher Absolutgenauigkeit eingestellt und auf Dauer eingehalten werden kann. Der Kippwinkelbereich beträgt mehrere Milliradiant (mrad), z.B. 4 bis 5 mrad.
Bei Bedarf kann der Spiegelträger alternativ oder zusätzlich zur Kippung auch linear bewegt bzw. verschoben werden, insbesondere im Wesentlichen parallel zum einfallenden Laserlicht. Dazu können alle Piezoelemente um den gleichen Betrag verlängert oder verkürzt werden. Das Aktuatorsystem fungiert dann als Einstelleinrichtung zur Einstellung bzw. Veränderung der Resonatorlänge des ersten Resonators. Dadurch lässt sich der freie Spektralbereich des ersten Resonators einstellen.
Das Prisma hat weiterhin eine dritte Prismenfläche 153, die in Bezug auf die erste Prismenfläche 151 und die zweite Prismenfläche 152 so ausgerichtet ist, dass ein von dem dritten Resonatorspiegel 130 reflektierter und danach an der ersten Prismenfläche 151 gebrochener Teilstrahl im Wesenlichen im Brewster-Winkel WB auf die dritte Prismenfläche trifft. Die dritte Prismenfläche dient als Austrittsfläche des Nutzstrahls. Ein Anteil des vom zweiten Resonatorspiegel 120 in sich selbst retroreflektierte Laserstrahls kann unter bestimmten Bedingungen die Resonatoranordnung nach Durchtritt durch die zweite Prismenfläche 152 und interner Reflexion an der ersten Prismenfläche 151 auf dem gleichen Wege verlassen.
Für den dritten Resonatorspiegel 130 ist eine Kippeinrichtung 190 vorgesehen, die eine geregelte Verkippung dieses Resonatorspiegels um einen Kippwinkel KW3 um eine Kippachse 192 ermöglicht, welche senkrecht zur Umlaufebene des Laserlichts im Resonator verläuft. Die Kippeinrichtung ist ebenfalls an die Steuereinrichtung 108 angeschlossen und kann ähnlich oder genauso aufgebaut sein wie die Kippeinrichtung 180. Somit ist auch eine Längenverstellung der Resonatorlänge des zweiten Resonators möglich, und zwar unabhängig vor der Resonatorlänge des ersten Resonators. Mit Hilfe der Verstelleinrichtungen 180, 190 kann somit auch ein Längenverhältnis der Resonatorlängen bzw. ein Armlängenverhältnis der beiden Arme des Michelson-Interferometers gezielt verändert werden. Die „Arme“ des Interferometers laufen dabei einerseits zwischen Auftreffpunkt A und dem zweitem Resonatorspiegel (erster Arm) und andererseits zwischen dem Auftreffpunkt A und dem dritten Resonatorspiegel (zweiter Arm).
Die Funktion des Lasersystems sowohl hinsichtlich der Auswahl einer bestimmten Wellenlänge (Wellenlängenselektion) als auch hinsichtlich der Möglichkeit, nur Laserlicht aus einem schmalen Wellenlängenbereich abzugeben (Schmalbandigkeit) kann wie folgt verstanden werden. Das kristalline Verstärkermaterial liegt im Resonatorstrahlengang beider miteinander gekoppelten Resonatoren, wobei die Strahlengänge der Resonatoren am Auftreffpunkt A auf der Strahlteilerfläche des Prismas (erste Prismenfläche) miteinander gekoppelt sind. Die gekoppelten Resonatoren können optimal nur bei einer solchen Frequenz bzw. Wellenlänge stabil laufen, bei der die Verluste der Resonatoranordnung minimal sind. Andere Moden, für die die Verluste nicht minimal sind, werden dagegen mehr oder weniger stark unterdrückt. Verluste sind dann minimal, wenn ein möglichst geringer Strahlungsanteil den Resonator ausgehend vom Auftreffpunkt A als Nutzstrahl verlässt, also ausgekoppelt wird. In Richtung des Nutzstrahls sollte somit möglichst vollständige destruktive Interferenz vorliegen. Dies entspricht einer möglichst weitgehenden konstruktiven Interferenz in Richtung des Faltspiels 105.
Hierbei betrachte man diejenigen Strahlungsanteile, die einerseits vom dritten Spiegel 130 Richtung Auftreffpunkt A rückreflektiert werden und andererseits diejenigen Strahlungsanteile, die vom zweiten Resonatorspiegel 120 in Richtung des Auftreffpunkts A zurück reflektiert werden.
Um am Auftreffpunkt A eine möglichst vollständige Interferenz (konstruktiv oder destruktiv) zu erzielen, sollten mehrere Interferenzbedingungen möglichst gut erfüllt sein.
Eine erste Interferenzbedingung betrifft eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen den miteinander interferierenden Strahlen. Diese muss bekanntlich für eine destruktive Interferenz einer Phasenverschiebung von π (entsprechend 180°) entsprechen. Die relative Phasenlage der miteinander interferierenden Teilstrahlen ist u.a. abhängig vom durchlaufenden optischen Weg und kann über die Armlängen im ersten und zweiten Resonator so eingestellt werden, dass eine destruktive Interferenz für eine gewünschte Wellenlänge (Phasenverschiebung π) möglich ist.
Eine zweite Interferenzbedingung besteht darin, dass die miteinander interferierenden Strahlen möglichst gleiche oder jedenfalls ähnliche Amplituden haben sollten, so dass bei richtiger Phasenverschiebung im Prinzip auch komplette Auslöschung der Intensität möglich ist. Zumindest annähernd gleiche Amplituden sind bei der gewählten Anordnung „automatisch“ gegeben. Dies kann mit Hilfe des Intentitätsverhältnisses zwischen reflektierter und transmittierter Intensität an der Strahlteilerfläche (erste Prismenfläche) verstanden werden. Ist der Einfallswinkel der vom Faltspiegel kommenden Strahlung beispielsweise so gewählt, dass 70% der Intensität zum dritten Resonatorspiegel reflektiert und nur 30% ins Innere des Prisma transmittiert werden, so erhält man (unter der Voraussetzung vollständiger Reflektionen an den Resonatorspiegeln und keiner Absorptionsverluste) bei den von den Spiegeln 120, 130 rückreflektierten Strahlen das gleiche Intensitätsverhältnis. Die 30% der Gesamtintensität, die vom zweiten Resonatorspiegel rückreflektiert werden, werden nun an der Strahlteilerfläche mit einem Reflexionsgrad von 70% in Richtung Auskopplung (d.h. in den Nutzstrahl) reflektiert. Die vom dritten Resonatorspiegel 130 reflektierten 70% werden dagegen mit 30% durch das Prisma hindurch in den Nutzstrahl ausgekoppelt. Für beide Strahlengänge ergibt sich daher das gleiche Intensitätsprodukt aus Transmission und Reflexion (0.7·0.3 = 0.3·0.7), so dass die Interferenzbedingung gleicher Amplituden zumindest näherungsweise automatisch erfüllt wird.
Bei der vorliegenden Anordnung wird noch eine dritte Interferenzbedingung genutzt. Diese besagt, dass eine vollständige konstruktive oder destruktive Interferenz nur dann möglich ist, wenn auch die k-Vektoren der am Punkt A interferierenden Teilstrahlen die gleiche Richtung haben. Selbst bei gleichen Amplituden und richtiger Phasenbeziehung ist eine konstruktive oder destruktive Interferenz zwischen zwei Strahlen nicht vollständig möglich, wenn sie nicht auch in die gleiche Richtung laufen, also gleiche k-Vektoren haben. Jede Winkelabweichung von einem gleichgerichteten Verlauf reduziert prinzipiell das Ausmaß der Interferenz.
Durch Verwendung des Prismas 150 als dispersiven Strahlteiler in Verbindung mit dem um die Kippachse 182 verkippbaren zweiten Resonatorspiegel ist es nun möglich, diejenige Wellenlänge auszuwählen bzw. einzustellen, für die am Auftreffpunkt A optimale destruktive Interferenz in Richtung Auskopplung vorliegen soll. Zur Erläuterung sei hierzu vor allem auf 2 verwiesen. Der vom Faltspiegel in Richtung Auftreffpunkt A kommende Laserstrahl L1 enthalte unterschiedliche Frequenzanteile bzw. Wellenlängenanteile aus mehreren im Resonator möglichen Moden. Die Richtungen bzw. k-Vektoren der verschiedenen Wellenlängen sind vor dem Auftreffen auf den Auftreffpunkt A gleich. Am Auftreffpunkt wird der eintreffende Laserstrahl in einen zum dritten Resonatorspiegel 130 reflektierten Anteil L3 und einen in das Prisma hinein gebrochenen Anteil L2 aufgeteilt. Die Reflexion an der ersten Prismenfläche 151 ändert die k-Vektoren der reflektierten Strahlenteile praktisch nicht, so dass diese k-Vektoren auch noch im vom dritten Resonatorspiegel 130 rückreflektierten Strahl am Auftreffpunkt A gleich sind. Erst der dann in das Prisma gebrochene Anteil, der zum Nutzstrahl beiträgt, erfährt die Dispersionswirkung des Prismenmaterials, so dass sich die k-Vektoren dort auffächern. Der zurück in den Resonator reflektiert Anteil hat weitere parallele k-Vektoren.
Der in das Prismenmaterial hinein gebrochene Anteil L2 wird aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex des Prismenmaterials in Teilstrahlen unterschiedlicher Richtungen bzw. unterschiedlicher k-Vektoren aufgefächert (siehe Teilstrahlen T1, T2 und T3). Da die erste und dritte Prismenfläche jeweils senkrecht zu der durch den umlaufenden Laserstrahl gebildeten Umlaufebene liegen, liegen auch die Teilstrahlen des Fächers in dieser Ebene und treffen mit unterschiedlichen Inzidenzwinkeln auf die ebene Spiegelfläche des zweiten Resonatorspiegel 120. Dieser wird nun mit Hilfe der Kippeinrichtung 180 so um die Kippachse 182 verkippt, dass nur für eine bestimmte Wellenlänge bzw. einem bestimmten k-Vektor ein senkrechter Lichteinfall vorliegt (Inzidenzwinkel 0°), so dass der auftreffende Teilstrahl in sich selbst rückreflektiert wird. In der Situation von 2 ist dies für den mittleren Teilstrahl T2 der Fall. Dieser Strahlungsanteil läuft dementsprechend auf dem gleichen mit durchgezogener Linie dargestellten Strahlweg zurück zum Auftreffpunkt A und wird dort teilweise in Richtung Faltspiegel 105 gebrochen und zu einem anderen Anteil zur Bildung des Nutzstrahls in das Innere des Prismas reflektiert. Die Teilstrahlen mit größerer Wellenlänge (T1) bzw. kleinerer Wellenlänge (T3) haben andere k-Vektoren, so dass die Rückreflexionsbedingung am zweiten Resonatorspiegel 120 für diese Wellenlängenanteile nicht gilt.
Dementsprechend hat nur die durch Verkippung des zweiten Resonatorspiegels 120 ausgewählte Wellenlänge (Teilstrahl T2) nach Reflexion an der ersten Prismenfläche 151 im Auftreffpunkt A den gleichen k-Vektor wie derjenige Strahlungsanteil, der vom Auftreffpunkt A in Richtung dritten Resonatorspiegels 130 und von diesem zum Auftreffpunkt A rückreflektiert und dann in das Prismenmaterial gebrochen wird. Die bestmögliche destruktive Interferenz (entsprechend minimalen Resonatorverlusten) kann also nur für diese Wellenlänge eintreten.
Alternativ oder zusätzlich kann auch der dritte Resonatorspiegel verkippt werden, um die Wellenlänge des Nutzstrahls durchzustimmen. Laserbetrieb erhält man jeweils auf den Wellenlängen, bei denen die Verluste für den Resonator am geringsten sind und die am Strahlteiler ausgekoppelten Wellen somit destruktiv interferieren. Dazu ist es erforderlich, dass die k-Vektoren der Strahlen, die am Strahlteiler (erste Prismenfläche) transmittiert werden (vom dritten Resonatorspiegel kommend) und die k-Vektoren, die am Strahlteiler vom zweiten Resonatorspiegel kommend reflektiert werden, dieselbe Richtung besitzen.
2 zeigt ein Diagramm, das die Durchstimmbarkeit des Lasersystems nach 1 durch Verkippung der Resonatorspiegel illustriert. Auf der x-Achse ist die Kippwinkeldifferenz ΔKW zwischen dem jeweils aktuellen Kippwinkel KW2 bzw. KW3 und dem jeweiligen Kippwinkelwert bei unverkipptem Resonatorspiegel (Neutralstellung) angegeben. Auf der y-Achse ist die Wellenlänge λ des Nutzstrahls (in [nm]) angegeben. Bei dem experimentellen Lasersystem der beschriebenen Art betrug die abgegebene Wellenlänge bei unverkipptem zweiten und dritten Resonatorspiegel (Kippwinkeldifferenz zur Neutralstellung jeweils 0°) ca. 780 nm. Die Wellenlänge konnte durch Verkippen des zweiten Resonatorspiegels (Kurve RS2) im Kippwinkelbereich zwischen –1 mrad und +1.5 mrad zwischen ca. 740 nm und ca. 900 nm durchgestimmt werden. Der Durchstimmbereich bei Verkippen des dritten Resonatorspiegels (Kurve RS3) war etwas geringer. Im Kippwinkelbereich zwischen –2.5 mrad und +1,5 mrad konnte zwischen ca. 760 nm und ca. 800 nm durchgestimmt werden.
Wird somit in einem Laserresonator ein Interferometer mit dispersivem Strahlteiler eingesetzt, erhält man die Möglichkeit, durch Verkippen von einem oder mehreren Spiegeln die Wellenlänge wegen der daraus resultierenden Verkippung des k-Vektors zu verändern, da in der optimalen Interferenz, gleiche Richtungen der k-Vektoren der miteinander interferierenden Teilstrahlen vorausgesetzt, die k-Vektoren der verschiedenen im Laserstrahl enthaltenen Wellenlängen aufgrund der Dispersion des Prismenmaterials aufgespalten werden.
Wichtig dabei ist, dass die Dispersion des Prismenmaterials nur auf den Resonatorstrahlengang von einem der beiden gekoppelten Resonatoren wirkt.
Durch die Anordnung ist es möglich, dass das Lasersystem nur für eine einzige Farbe (bzw. für einen sehr engen Wellenlängenbereich) stabil oszilliert, weil die k-Vektoren bezüglich dieser Wellenlänge gut genug übereinstimmen, damit in Richtung der Auskopplung eine möglichst gute destruktive Interferenz vorliegt.
Es sind zahlreiche bauliche und funktionale Varianten möglich. In 3 ist schematisch eine Draufsicht auf ein Lasersystem 300 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das Lasersystem 300 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 einerseits durch die Form des Prismas und andererseits durch die Strahlführung in den gekoppelten Resonatoren. Gleiche oder entsprechende Einzelheiten wie in 1 tragen die gleichen Bezugszeichen, erhöht um 200.
Auch beim Lasersystem 300 sind zwei miteinander gekoppelte Resonatoren vorgesehen. Ein erster Resonatorstrahlengang verläuft zwischen dem ersten Resonatorspiegel 310 und dem zweiten Resonatorspiegel 320. Der zugehörige erste Resonatorstrahlengang führt durch das aus dispersivem Prismenmaterial bestehende Prisma 350 und ist dementsprechend der Dispersion unterworfen. Der zweite Resonatorstrahlengang (des zweiten Resonators) verläuft zwischen dem ersten Resonatorspiegel 310 und dem dritten Resonatorspiegel 330. Der erste Resonatorspiegel begrenzt also sowohl den ersten als auch den zweiten Resonatorraum. Die Strahlung im zweiten Resonatorstrahlengang unterliegt nicht der Dispersion. Stattdessen wird der Laserstrahl an der als Strahlteilerfläche dienenden, ebenen ersten Prismenfläche 351 des Prismas 350 sowohl auf dem Weg zwischen Faltspiegel 305 und dritten Resonatorspiegel 330, also auch auf dem Rückweg reflektiert. Die Kopplung der beiden Strahlengänge (bzw. ihrer Aufteilung) erfolgt am Auftreffpunkt A.
Ein Unterschied zur Ausführungsform von 1 besteht darin, dass hier der Faltspiegel 305 als Einkoppelspiegel zum Einkoppeln von Pumplicht 360 in den Resonator dient. Ein anderer Unterschied besteht darin, dass hier der erste Resonatorspiegel 310 als Auskoppelspiegel für den Nutzstrahl N dient. Dementsprechend sind die Spiegelflächen und Rückseiten dieser Spiegel zum Teil anders beschichtet als bei Ausführungsform von 1.
Ein dritter Unterschied besteht in der Form des Prismas 350. Dieses hat die Form eines flachen Keils, bei dem lediglich die ebene erste Prismenfläche 351 und die schräg dazu stehende ebene zweite Prismenfläche 352 vom Strahlengang des ersten Resonators durchlaufen werden. Der zwischen der ersten Prismenfläche 351 und der zweiten Prismenfläche 352 eingeschlossene Keilwinkel 353 beträgt ca. 7°, damit an der zweiten Prismenfläche der Brewster-Winkel auftritt.
Genau wie bei der Ausführungsform von 1 ist der zweite Resonatorspiegel 320 um eine senkrecht zur Umlaufebene des Laserstrahls ausgerichtete Kippachse 382 verkippbar und parallel zum einfallenden Laserlicht verschiebbar. Hierzu ist eine elektrisch ansteuerbare Kippeinrichtung 380 vorgesehen, die auch als Verschiebungseinrichtung dient. Entsprechende Einrichtungen 390 sind am dritten Resonatorspiegel 330 vorgesehen.
Die Einstellung der gewünschten Wellenlänge erfolgt bei dieser Ausführungsform prinzipiell genauso wie bereits im Zusammenhang mit 1 und 2 beschrieben, weshalb auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Auch hier kann am dritten Resonatorspiegel eine Kippeinrichtung und/oder eine Einstelleinrichtung für die Resonatorlänge vorgesehen sein.
In 4 ist eine schematische Draufsicht auf eine andere Ausführungsform eines Lasersystems 400 gezeigt. Dieses hat im Unterschied zu den anderen bildlich dargestellten Ausführungsbeispielen nur einen einzigen Resonator, der als Stehwellenresonator arbeitet. Die Laserstrahlung wird hier mehrfach zwischen einem ersten Resonatorspiegel 410 und einem zweiten Resonatorspiegel 420 hin- und her reflektiert und durchläuft dabei einen Ti:Sa-Kristall 440, der als Verstärkermedium dient. Um eine kompakte Anordnung zu erhalten, ist im Resonatorstrahlengang ein Faltspiegel 405 angeordnet. Der zweite Resonatorspiegel 420 dient als Auskoppelspiegel für den Nutzstrahl N, der erste Resonatorspiegel dient als Einkoppelspiegel für den Pumpstrahl 460.
Im Strahlweg zwischen dem Faltspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel 420 befindet sich ein keilförmiges Prisma 450 aus einem dispersiven Prismenmaterial. Die ebene erste Prismenfläche 451 und die ebenfalls ebene zweite Prismenfläche 452 schließen einen Prismenwinkel 453 von ca. 45° ein. Die erste Prismenfläche 451 ist derart schräg zu dem vom Faltspiegel 405 kommenden Laserstrahl ausgerichtet, dass der erste Einfallswinkel W1 am Auftreffpunkt A etwa dem Brewster-Winkel an dieser Grenzfläche entspricht. Dadurch wird erreicht, dass ein Großteil des parallel zur Einfallsebene polarisierten Laserlichts in das Innere des Prismas gelangt und in Richtung der zweiten Prismenfläche 452 gebrochen wird. Auch diese steht im Wesentlichen Brewster-Winkel zum durchtretenden Strahl, so dass auch bei der Brechung an der zweiten Prismenfläche nur relativ geringe Intensitätsverluste resultieren.
Aufgrund der Dispersion des Prismenmaterials ist das Laserlicht nach zweifacher Brechung aufgefächert, wobei die Strahlanteile mit unterschiedlichen Wellenlängen nun unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen (k-Vektoren) haben und dementsprechend mit unterschiedlichen Einfallswinkeln auf die ebene Spiegelfläche des zweiten Resonatorspiegels 420 fallen.
Damit über Verkippung des zweiten Resonatorspiegel 420 eine gewünschte Wellenlänge (bzw. ein sehr schmaler Wellenlängenbereich) ausgewählt bzw. eingestellt werden kann, ist dieser ähnlich wie bei den anderen Ausführungsführungsformen mit Hilfe einer Kippeinrichtung 480 um eine Kippachse 482 verschwenkbar, welche senkrecht zu derjenigen Ebene ausgerichtet ist, in der die Teilstrahlen T1, T2, T3 des durch das Prisma aufgefächerten Laserstrahls verlaufen. Bei dieser Anordnung ist die Resonanzüberhöhung im Resonator für diejenige Wellenlänge am stärksten, für die am zweiten Resonatorspiegel 120 die Rückflexionsbedingung gilt, für die also der auftreffende Teilstrahl T2 in sich selbst zurückreflektiert wird (durchgezogener Strahlengang). Die anderen Wellenlängen werden gegenüber der ausgewählten Wellenlänge stärker gedämpft.
Anhand des Ausführungsbeispiels von 4 wird ersichtlich, dass ein dispersives Prisma im Resonatorstrahlengang eines einfachen Resonators auch ohne Bildung eines Interferometers und ohne Kopplung mit einem zweiten Resonator mit Vorteil nutzbar ist. In diesem Fall wird mit Hilfe des Prismas 450 in Verbindung mit dem verkippbaren Spiegel 420 erreicht, dass der Resonator für unterschiedliche (durch Verkippung des zweiten Resonatorspiegels auswählbare) Wellenlängen geschlossen ist, während für andere, nicht ausgewählte Wellenlängen stärkere Verluste erzeugt werden.
Bei den bildlich dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Verstärkermedium ein Kristall aus einem durch Pumplicht zur Erzeugung von Laserlicht anregbaren kristallinen Verstärkermaterial. Die Erfindung kann auch bei anderen Lasertypen mit Resonator verwendet werden, z.B. bei Gaslasern (z.B. Kohlenstoffdioxidlasern) oder Farbstofflasern (dye laser).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4682893 [0007]
DE 10305268 B4 [0008]

Claims

Lasersystem (100) zur Abgabe von Laserlicht mit: einem optischen Resonator, der einen ersten Resonatorspiegel (110, 310, 410) und einen zweiten Resonatorspiegel (120, 320, 420) aufweist, welcher relativ zu dem ersten Resonatorspiegel so angeordnet ist, dass Laserlicht einen zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel gebildeten Resonatorraum mehrfach durchläuft; einem optisch anregbaren Verstärkermedium (140, 340, 440), das in dem Resonatorraum im Strahlweg des Laserlichts angeordnet ist; einem in dem Resonatorraum angeordneten Prisma (150, 350, 450), das aus einem für das Laserlicht transparenten, dispersiven Prismenmaterial besteht, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma eine schräg zur Strahlrichtung des Laserlichts ausgerichtete erste Prismenfläche (151, 351, 451) und eine zweite Prismenfläche (152, 352, 452) aufweist, die in Bezug auf die erste Prismenfläche derart schräg ausgerichtet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche gebrochener Anteil (L2) des Laserlichts an der zweiten Prismenfläche gebrochen und in Richtung des zweiten Resonatorspiegels (120, 320, 420) gelenkt wird, wobei das Laserlicht aufgrund von Dispersion des Prismenmaterials einen Fächer von Teilstrahlen (T1, T2, T3) unterschiedlicher Wellenlänge bildet, die in unterschiedlichen, von der Wellenlänge der Teilstrahlen abhängigen Einfallswinkeln auf den zweiten Resonatorspiegel treffen, und dass eine Kippeinrichtung (180, 380, 480) zur Verkippung des zweiten Resonatorspiegels um eine Kippachse (182, 382, 482) vorgesehen ist, die senkrecht zu einer durch die Teilstrahlen des Fächers aufgespannten Einfallsebene verläuft.
Lasersystem nach Anspruch 1, worin der zweite Resonatorspiegel (120, 320, 420) zur Auswahl einer Wellenlänge eines Wellenlängenspektrums des Laserlichts mittels der Kippeinrichtung (180, 380, 480) in eine Retroreflexionsstellung verkippbar ist, in der der Teilstrahl (T2) der ausgewählten Wellenlänge in sich selbst reflektiert wird.
Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, worin die Kippeinrichtung (180, 380, 480) ein elektrisch ansteuerbares Aktuatorsystem (184) zur Verkippung des zweiten Resonatorspiegels (120, 320, 420) aufweist, wobei das Aktuatorsystem vorzugsweise mindestens ein piezoelektrisches Element aufweist.
Lasersystem nach Anspruch 3, worin das Aktuatorsystem (184) mehrere unabhängig voneinander ansteuerbare Aktuatoren aufweist, insbesondere drei in einer Dreiecksanordnung angeordnete Aktuatoren.
Lasersystem nach Anspruch 3 oder 4, worin die Kippeinrichtung einen Positionssensor (186) zur Erfassung eines die Kippstellung des zweiten Resonatorspiegels (120) repräsentierenden Positionssignals aufweist, welches vorzugsweise in einem Regelkreis zu einer Steuereinheit (108) des Lasersystems rückgekoppelt wird.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die zweite Prismenfläche (152, 352) so ausgerichtet ist, dass der gebrochene Anteil (L2) des Laserlichts im Wesentlichen im Brewster-Winkel auf die zweite Prismenfläche trifft.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen dritten Resonatorspiegel (130, 330), der in Bezug auf die erste Prismenfläche (151, 351) derart angeordnet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche reflektierter Anteil (L3) des Laserlichts auf den dritten Resonatorspiegel (130, 330) fällt und in Einfallsrichtung rückreflektiert wird.
Lasersystem nach Anspruch 7, worin ein erster Einfallswinkel (W1) für das auf die erste Prismenfläche (151) treffende Laserlicht (L1) so eingestellt ist, dass der an der ersten Prismenfläche reflektierte Anteil (L3) und der an der ersten Prismenfläche gebrochene Anteil (L2) des Laserlichts ein Intensitätsverhältnis zwischen 10:90 und 90:10 haben, wobei das Intensitätsverhältnis vorzugsweise zwischen 40:60 und 60:40 liegt.
Lasersystem nach Anspruch 7 oder 8, worin eine Kippeinrichtung (190) zur Verkippung des dritten Resonatorspiegels (130) um eine Kippachse (192) vorgesehen ist, die senkrecht zu einer Umlaufebene des Laserlichts verläuft.
Lasersystem nach Anspruch 7, 8 oder 9, worin dem zweiten Resonatorspiegel (120) eine Verschiebungseinrichtung (180) zur Verschiebung des zweiten Resonatorspiegels im Wesentlichen parallel zur Einfallsrichtung des auftreffenden Laserlichts und dem dritten Resonatorspiegel (130) eine Verschiebungseinrichtung (190) zur Verschiebung des dritten Resonatorspiegels im Wesentlichen parallel zur Einfallsrichtung des auftreffenden Laserlichts zugeordnet ist, wobei die Einstelleinrichtungen unabhängig voneinander steuerbar sind.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Prisma eine dritte Prismenfläche (153) aufweist, die in Bezug auf die erste Prismenfläche (151) und die zweite Prismenfläche (152) so ausgerichtet ist, dass ein von dem dritten Resonatorspiegel (130) reflektierter und danach an der ersten Prismenfläche (151) gebrochener Teilstrahl im Wesentlichen im Brewster-Winkel auf die dritte Prismenfläche trifft.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Verstärkermedium ein Kristall (140, 340, 440) aus einem durch Pumplicht (160, 360, 460) zur Erzeugung von Laserlicht anregbaren kristallinen Verstärkermaterial ist, wobei der Kristall vorzugsweise ein mit Titanionen dotierter Saphir-Kristall ist.
Lasersystem (100) zur Abgabe von Laserlicht mit: einem ersten Resonatorspiegel (110, 310); einem zweiten Resonatorspiegel (120, 320), welcher relativ zu dem ersten Resonatorspiegel so angeordnet ist, dass Laserlicht einen zwischen dem ersten Resonatorspiegel und dem zweiten Resonatorspiegel gebildeten Resonatorraum mehrfach durchläuft; einem optisch anregbaren Verstärkermedium (140, 340), das in dem Resonatorraum im Strahlweg des Laserlichts angeordnet ist; einem in dem Resonatorraum angeordneten Prisma (150, 350), das aus einem für das Laserlicht transparenten, dispersiven Prismenmaterial besteht, wobei das Prisma eine schräg zur Strahlrichtung des Laserlichts ausgerichtete erste Prismenfläche (151, 351) und eine zweite Prismenfläche (152, 352) aufweist, die in Bezug auf die erste Prismenfläche derart schräg ausgerichtet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche gebrochener Anteil (L2) des Laserlichts an der zweiten Prismenfläche gebrochen und in Richtung des zweiten Resonatorspiegels (120, 320) gelenkt wird; und einem dritten Resonatorspiegel (130, 330), der in Bezug auf die erste Prismenfläche (151, 351) derart angeordnet ist, dass ein an der ersten Prismenfläche reflektierter Anteil (L3) des Laserlichts auf den dritten Resonatorspiegel (130, 330) fällt und in Einfallsrichtung rückreflektiert wird.
Lasersystem nach Anspruch 13, worin für mindestens einen der zusätzlich zum ersten Resonatorspiegel (110, 310) vorgesehenen Resonatorspiegel eine Kippeinrichtung (180, 190, 380, 390) zur Verkippung des entsprechenden Resonatorspiegels um eine Kippachse vorgesehen ist, die senkrecht zu einer Umlaufebene des Laserlichts verläuft.