DE102012014856A1

DE102012014856A1 - Optische Verstärker-Anordnungen

Info

Publication number: DE102012014856A1
Application number: DE201210014856
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Keming Du
Current assignee: DU, KEMING, DR., DE
Priority date: 2012-07-29
Filing date: 2012-07-29
Publication date: 2014-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: DE102012014856B4

Abstract

Diese Erfindung betrifft optische Verstärker-Anordnungen, die aus einem Verstärkungsmedium (1) und zwei Faltungsspiegeln (2, 3) bestehen. Das Verstärkungsmedium hat ein Verstärkungsvolumen (1), das einen rechteckigen Querschnitt mit einer langen und einer kurzen Kante, aufweist. Die Krümmungsradien der beiden Faltungsspiegel (2, 3) werden so bestimmt und die beiden Faltungsspiegel (2, 3) werden so zueinander angeordnet, dass der zu verstärkende Strahl (11) zwischen den beiden Faltungsspiegeln (2, 3) in der Ebene, die parallel zur langen Kante des Verstärkungsvolumen steht, gefaltet wird. Der zu verstärkende Strahl (11) passiert mehrfach das rechteckige Verstärkungsvolumen und wird dabei verstärkt. Ein weiterer Spiegel (4) wird verwendet, der den verstärkten Strahl so reflektiert, dass er noch mal mehrfach durch das rechteckige Verstärkungsmedium durchläuft und dabei weiter zu dem Ausgangstrahl (99) verstärkt wird.

Description

Leistung und Pulsenergie eines Oszillators sind durch thermische Störungen und optische Beschädigungen limitiert. Zur Erhöhung der Leistung und Energie werden Oszillatoren mit Verstärker-Anordnungen verwendet. Dabei wird der Strahl von einem Oszillator in einen Verstärker bzw. eine Verstärkeranordnung eingekoppelt und dabei verstärkt.
Es gibt verschiedene Verstärkeranordnungen, wie z. B. Durchgangsverstärker und regenerative Verstärker. Beim Durchgangsverstärker ist der erreichbare Verstärkungsfaktor limitiert. Ein deutlich größerer Verstärkungsfaktor kann mit einem regenerativen Verstärker erzielt werden. Aufgrund der einschränkenden Beziehungen zwischen der Pulslänge und Umlaufzeit ist die Verwendung der regenerativen Verstärker bei ps- und fs-Laserstrahlen limitiert.
Eine auf dem INNOSLAB-Konzept basierende multistufige Verstärkeranordnung zeigt . Die Kernelemente bei einem INNOSLAB-Verstärker sind die beiden gekrümmten Spiegel (2, 3) und das quaderförmigen Verstärkungsmedium (1). Der zu verstärkende Strahl (11) wird in die Verstärkeranordnung eingekoppelt. Die beiden Spiegel (2, 3) werden so ausgelegt und so zu einander angeordnet, dass der zu verstärkende Strahl das Verstärkungsmedium mehrfach durchläuft und dabei verstärkt wird, und dass der Querschnitt des Strahls nach jeden Durchgang vergrößert wird. Vorzugsweise werden die beiden Spiegel so angeordnet, dass sich ein konfokaler Off-Axis Resonator in der Ebene der mehrfachen Durchgänge ergibt. Auch bei dieser Verstärker-Anordnung ist der erreichbare Verstärkungsfaktor begrenzt. Aufgrund der verstärkten spontanen Emission limitiert dies deren Verwendung zur Verstärkung von Laserstrahlen mit sehr geringer Leistung.
Diese vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische Verstärker-Anordnungen, mit denen hohe Verstärkungsfaktoren auch bei Laserstrahlen von sehr geringer Leistung, bei zugleich niedrig gehaltener verstärkter spontaner Emission, erreicht werden können.
Die Kernidee der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein weiterer Spiegel (4) verwendet wird, und der zu verstärkende Strahl (11) von der Seite der Ausgangsstrahl (99) in die Verstärker-Anordnung eingekoppelt wird. Damit erhöht sich die Intensität des Strahls im Bereich nahe zur Achse des durch die Faltungsspiegel (2, 3) gebildet instabilen Resonators. Dadurch wird das Verstärkungsmedium besser gesättigt und die verstärkte spontane Emission unterdrückt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
und zeigt eine optische Verstärker-Anordnung, die aus einem Verstärkungsmedium (1) und zwei Faltungsspiegeln (2, 3). Vorzugsweise wird das Verstärkungsmedium quaderförmig ausgebildet. Das Verstärkungsmedium wird so gepumpt, dass ein Verstärkungsvolumen rechteckigem Querschnitts, der eine lange und eine kurze Kante hat, im Verstärkungsmedium entsteht. Die Krümmungsradien und Anordnung der beiden Faltungsspiegel (2, 3) werden so bestimmt um mehrfache Durchgänge durch das Verstärkungsmedium in der Faltungsebene (Ebene in 1a), die parallel zur langen Kante des Verstärkungsvolumens steht, zu generieren. Der zu verstärkende Strahl (11) wird von der Seite des Ausgangsstrahls (99) in die Verstärker-Anordnung eingekoppelt. Er passiert mehrmals das rechteckige Verstärkungsvolumen und wird dabei verstärkt. Ein weiterer Spiegel (4) wird verwendet. Von dem Spiegel (4) wird der verstärkte Strahl reflektiert, so dass er noch mal mehrfach das rechteckige Verstärkungsmedium durchläuft und dabei weiter zu dem Ausgangstrahl (99) verstärkt wird.
Es ist vorteilhaft, dass die beiden Faltungsspiegel (2, 3) so ausgelegt und angeordnet werden, dass ein Off-Axis instabiler Resonator in der Faltungsebene gebildet wird. Darüber hinaus verspricht es höhere Strahlqualität, wenn der instabile Resonator konfokal ausgelegt wird.
Wie in dargestellt ist, entsteht eine effiziente Extraktion der Pumpleistung, indem in der Ebene, die parallel zu der kurzen Kante steht, die Krümmungsradien der Spiegel (2, 3, 4) unter Berücksichtigung der thermischen Wirkung des Verstärkungsmediums so ausgelegt werden, dass ein stabiler Resonator in dieser Ebene gebildet wird. Desweiteren kann bei Bedarf eine zylindrische Linse oder eine Gruppe von Optiken zur Bildung des stabilen Resonators in dieser Ebene verwendet werden. Die Abmessung und Divergenz des zu verstärkenden Strahls (11) wird in der stabilen Ebene so geformt, dass sie an die transversalen Moden des stabilen Resonators angepasst sind.
Idealerweise wird der Spiegel (4) so angeordnet, dass der Strahl senkrecht auf ihn trifft. Damit wird der Strahl umgekehrt und läuft zum zweiten Mal mehrfach durch das Verstärkungsmedium. Um den Ausgangsstrahl (99) von dem zu verstärkenden Strahl trennen, wird eine Lambda/4-Verzögerungsplatte (5) und ein polarisierendes Element (6) im Strahlgang verwendet, wie in dargestellt. Beispielhaft hat in dieser Abbildung der zu verstärkende Strahl (11) eine Polarisation (65), die in der Papierebene steht. Die Lambda/4-Verzögerungsplatte (5) dreht die Polarisation des Ausgangstrahls um 90°. Wie es mit dem Punkt (66) dargestellt, steht die Polarisation des Ausgangsstrahl (99) senkrecht zu der Papierebene. Mit dem polarisierenden Element wird der Ausgangsstrahl (99) von dem zu verstärkenden Strahl (11) ausgekoppelt.
Als polarisierendes Element kann ein Dünnschichtpolarisator, ein doppelbrechender Beam-Displacer, ein doppelbrechendes Prisma oder ein Aufbau aus doppelbrechenden Medien wie Kristallen sein.
Für ein doppelbrechendes Verstärkungsmedium ist es für eine effiziente Verstärkung von großer Bedeutung, wenn die Polarisation des Strahls in der Ebene steht, die parallel zur Kristallachse mit der maximalen Verstärkung ist. Dies kann gewährleistet werden, indem ein Faraday-Rotator (21), ein polarisationsänderndes Element (22) und ein polarisierendes Element (6) im Strahlgang verwendet werden, wie es in dargestellt ist. Der Faraday-Rotator (21) und das polarisationsänderndes Element (22) werden in Form von optischen Isolatoren konfiguriert, dass der Ausgangsstrahl (99) eine Polarisation aufweist, die senkrecht zur Polarisation des zu verstärkenden Strahls (11) steht.
Beispiele von polarisationsändernden Elementen sind Verzögerungsplatten aus doppelbrechenden Medien bzw. Kristallen, Polarisationsrotator wie Quarz-Rotator, etc.
zeigt eine weitere Ausführungsform der optischen Verstärker-Anordnung. In dieser Ausführung wird der Spiegel (4) so angeordnet, dass der Strahl nicht senkrecht auf ihn auftrifft, so dass der reflektierte Strahl und der einfallende Strahl einen kleinen Winkel bilden. Aus diesem Grund breiten sich der Ausgangsstrahl (99) und der zu verstärkenden Strahl (11) nicht exakt antiparallel zueinander aus.
Dieser Effekt kann zur Trennung der beiden Strahlen (11) und (99) genutzt werden. Dabei werden eine Optik (31) und ein Spiegel (32) verwendet werden. Für den Fall, dass in der Faltungsebene ein konfokal instabiler Resonator gebildet wird, wird zuerst der zu verstärkende Strahl (11) so geformt wird, dass er einen Fokuspunkt (12) in der Nähe des Fokus von der Optik (31) hat. Der Spiegel (32) wird in der Nähe des Fokus von der Optik (31) angeordnet. Er lenkt den zu verstärkenden Strahl (11) in die Verstärker-Anordnung um. Der Ausgangsstrahl (99) direkt aus dem Verstärker ist im Wesentlichen kollimiert. Hinter der Optik (31) wird der Ausgangsstrahl (99) fokussiert. Der Fokus liegt in der Fokusebene der Optik (31). Aufgrund des Spitzwinkels zwischen den beiden Strahlen sind die Fokus der beiden Strahl in der Fokusebene der Optik (31) lateral getrennt und können deswegen mittels eines Spiegels oder Prisma getrennt werden. wobei mittels der Optik (31) der Ausgangsstrahl (99) fokussiert wird, so dass in der Nähe des Spiegels (32) der Ausgangsstrahl einen Fokuspunkt (98) aufweist.
Für den Fall, wo die konfokale Konfiguration des Resonators nicht vorliegt, wird zur Trennung der beiden Strahlen die Fokusposition des zu verstärkenden Strahls (11) in Bezug auf axialer Position in der Nähe des Fokus vom dem Ausgangsstrahl (99) gelegt.
Ein limitierender Faktor ist immer noch die verstärkte spontane Emission. Um die Einflüsse der verstärkten spontanen Emission und parasitären Moden zu begrenzen bzw. zu vermeiden und um das Verhältnis zwischen der verstärkten Leistung und der Rauschleistung zu verbessern, wird ein Modulator (41) zwischen den beiden Spiegeln (2) und (3) angeordnet. Der Modulator dient als Shutter und wird zeitlich so angesteuert, dass er geöffnet wird, wenn Laserpulse kommen. Ohne Laserpulse wird der Modulator den optischen Weg sperren und somit die spontane Emission und die Bildung von parasitären Moden verhindern.
Als Modulator kann ein akustooptischer Modulator, oder ein akustooptischer Deflektor, oder ein elktrooptischer Deflektor, oder ein elektrooptischer Modulator aus Pockel-Zelle und einem polarisierenden Element oder ein elektrooptischer Deflektor sein.

Claims

Optische Verstärker-Anordnung, die aus einem Verstärkungsmedium (1) und zwei Faltungsspiegeln (2, 3), wobei das Verstärkungsmedium ein Verstärkungsvolumen (1) rechteckigem Querschnitts mit einer langen und einer kurzen Kante hat, wobei die Krümmungsradien und Anordnung der beiden Faltungsspiegel (2, 3) so bestimmt werden, dass der zu verstärkende Strahl (11) zwischen den beiden Faltungsspiegel (2, 3) in der Ebene, die parallel zur langen Kante des Verstärkungsvolumen steht, gefaltet wird, so dass der zu verstärkende Strahl (11) mehrfach durch das rechteckige Verstärkungsvolumen passiert und verstärkt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Spiegel (4) verwendet, der den verstärkten Strahl so reflektiert, dass er noch mal mehrfach durch das rechteckige Verstärkungsmedium durchläuft und dabei weiter zu dem Ausgangstrahl (99) verstärkt wird.
Optische Verstärker-Anordnung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ebene, die parallel zu der kurzen Kante steht, die Krümmungsradien der Spiegel (2, 3, 4) unter Berücksichtigung der thermischen Wirkung des Verstärkungsmediums so ausgelegt werden, dass ein stabiler Resonator in dieser Ebene gebildet wird, und dass die Abmessung und Divergenz des zu verstärkenden Strahls (11) in der stabilen Ebene so geformt wird, dass sie an die transversalen Moden des stabilen Resonators angepasst sind.
Optische Verstärker-Anordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung des Ausgangsstrahls (99) von dem zu verstärkenden Strahl (11) eine Lambda/4-Verzögerungsplatte (5) und ein polarisierendes Element (6) in dem Strahlgang verwendet werden, wobei die Lambda/4-Verzögerungsplatte (5) die Polarisation des Ausgangstrahls um 90° dreht, so dass der Ausgangsstrahl (99) und der zu verstärkenden Strahl (11) durch das polarisierendes Element (6) aufgeteilt werden.
Optische Verstärker-Anordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung des Ausgangsstrahls (99) von dem zu verstärkenden Strahl (11) ein Faraday-Rotator (21), ein polarisationsänderndes Element (22) und ein polarisierendes Element (6) in dem Strahlgang verwendet werden, wobei der Faraday-Rotator (21) und das polarisationsänderndes Element (22) so konfiguriert werden, dass der Ausgangsstrahl (99) eine Polarisation aufweist, die senkrecht zur Polarisation des zu verstärkenden Strahls (11) steht.
Optische Verstärker-Anordnung nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (4) so angeordnet wird, dass der Strahl nicht senkrecht auf den Spiegel (4) auftritt, so dass der reflektierte Strahl und der einfallende Strahl einen kleinen Winkel bilden und dass zur Trennung des Ausgangsstrahls (99) von dem zu verstärkenden Strahl (11) eine Optik (31) und ein Spiegel (32) verwendet werden, wobei der zu verstärkende Strahl (11) so geformt wird, dass er einen Fokuspunkt (12) in der Nähe des Fokus von der Optik (31) hat, wobei der Spiegel (32) in der Nähe des Fokus von der Optik (31) angeordnet wird, wobei mittels der Optik (31) der Ausgangsstrahl (99) fokussiert wird, so dass in der Nähe des Spiegels (32) der Ausgangsstrahl einen Fokuspunkt (98) aufweist.
Optische Verstärker-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses ein Modulator (41) in den Mehrfachstrahlgang angeordnet wird.
Optische Verstärker-Anordnung nach dem Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Modulator ein elektrooptischer Modulator ist, der aus einer Pockels-Zelle und einem polarisierenden Element besteht.