DE102012014856B4

DE102012014856B4 - Optische Verstärker-Anordnungen

Info

Publication number: DE102012014856B4
Application number: DE102012014856.9A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Keming Du
Current assignee: DU, KEMING, DR., DE
Priority date: 2012-07-29
Filing date: 2012-07-29
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2032-07-30
Also published as: DE102012014856A1

Abstract

Optische Verstärker-Anordnung, die ein Verstärkungsmedium (1) und zwei Faltungsspiegel (2, 3) umfasst, wobei das Verstärkungsmedium ein Verstärkungsvolumen (1) mit einem rechteckigen Querschnitt mit einer langen Kante und einer kurzen Kante hat, wobei die Krümmungsradien der beiden Faltungsspiegel (2, 3) so bestimmt werden und die beiden Faltungsspiegel (2, 3) so zueinander angeordnet werden, 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, so dass der zu verstärkende Strahl (11) mehrfach durch das rechteckige Verstärkungsvolumen passiert und verstärkt wird, gekennzeichnet durch, einen weiteren Spiegel (4), der den verstärkten Strahl (11) so reflektiert, dass der Strahl (11) noch mal mehrfach das rechteckige Verstärkungsmedium durchläuft und dabei weiter zu dem Ausgangstrahl (99) verstärkt wird, wobei mittels der Faltungsspiegel (2, 3) sich der zu verstärkende Strahl (11) nach seinem Eintritt in die Verstärkeranordnung in der Ebene, die parallel zur langen Kante des Verstärkungsvolumens (1) steht, zunächst im Querschnitt reduziert und nach Reflexion durch den weiteren Spiegel (4) aufgeweitet 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.
US 6442186 B1 offenbart einen eigenständigen, geschlossenen und stabilen Laserresonator mit einem internen Teleskop. Dabei werden ein hochreflektierender Endspiegel und ein teiltransmittierender Spiegel verwendet. Zwischen den beiden Spiegeln wird ein Teleskop verwendet. Es handelt sich um eigenständigen Resonator zur Erzeugung von Laserstrahlen in einem Oszillator, nicht aber zur Verstärkung von Laserstrahlen.
US 2006/0193362 A1 offenbart eine optische Anordnung zur Verstärkung von Laserstrahlung, wobei zwei plane Spiegel, die definierten zueinander geneigt sind bzw. nicht parallel zueinander angeordnet sind, zur Erzeugung von Multistrahlgängen verwendet werden.
DE 196 09 851 A1 offenbart einen eigenständigen und geschlossenen Laseroszillator mit einem stabilen Resonator, der von einem Endspiegel und einem teiltransmittierenden Auskoppelspiegel gebildet wird. Mit zwei planen Spiegeln wird der Laserstrahl gefaltet, um ein Lasermedium mit einem rechteckigen Querschnitt auszunutzen.
DE 101 16 076 A1 offenbart optische Anordnungen zur Verstärkung von Laserstrahlen. Dabei weist ein verstärkendes Medium mehrere Verstärkungskanäle auf. Im Fall wenn die optischen Anordnungen als Verstärker verwendet werden, läuft der zu verstärkende Laserstrahl je einmal durch die Verstärkungskanäle durch. Ein Spiegel zur Umkehrung des Strahls für einen zweiten Durchgang ist nicht vorgesehen.
DE 10 2010 047 041 A1 offenbart eine optische Anordnung zur Verstärkung von Laserstrahlen. Dabei weist ein verstärkendes Medium einen rechteckigen Querschnitt auf. Der zu verstärkende Strahl mit einem kleinen Querschnitt wird mittels Faltungsspiegeln gefaltet und läuft einmal durch das Verstärkungsvolumen durch. Dabei wird der Laserstrahl verstärkt und gleichzeitig im Querschnitt vergrößert. Zur Ausfilterung von verstärkter spontaner Emission wird eine Filteranordung vewendet. Ein Spiegel zur Umkehrung des Strahls für einen zweiten Durchgang zwecks Steigerung der Verstärkung und Unterdrückung der verstärkten spontaner Emission ist nicht vorgesehen.
US 6 654 163 B1 offenbart eine optische Anordnung zur Verstärkung von Laserstrahlen. Dabei weist ein verstärkendes Medium einen rechteckigen Querschnitt auf. Der zu verstärkende Strahl mit einem kleinen Querschnitt wird mittels Faltungsspiegeln gefaltet und läuft einmal durch das Verstärkungsvolumen hindurch. Dabei wird der Laserstrahl verstärkt und gleichzeitig im Querschnitt vergrößert. Ein Spiegel zur Umkehrung des Strahls für einen zweiten Durchgang zwecks Steigerung der Verstärkung und Unterdrückung der verstärkten spontaner Emission ist nicht vorgesehen.
DE 10 2010 064 147 A1 offenbart einen Bandleiter-Laserverstärker mit einer Mehrzahl übereinander gestapelter flächenhaft ausgedehnter Verstärkungsräume. Die Verstärkungsräume werden mittels Dachkantenspiegel verbunden. Die Faltung des verstärkenden Strahls erfolgt mittels zwei planen Spiegeln.
DD 253 715 C2 offenbart einen CO2 Gaslaser mit einem eigenständigen und geschlossenen Resonator, der aus einem Auskoppelspiegel und zwei planen Spiegel besteht.
US 6061377 A offenbart eine Verstärkeranordnung, bei der ein Verstärkungsvolumen an seinen zwei Enden jeweils zwei antiparallel zueinander geschnittene Seitenflächen aufweist, die jeweils zum Ein- oder Austritt des zu verstärkenden Strahls dienen. Das Verstärkungsvolumen weist somit keinen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei wird der eintretende Laserstrahl durch mehrfache Reflexion innerhalb des Verstärkungsvolumens an dessen Grenzflächen längs des Verstärkungsvolumens geführt. Der zu verstärkende Strahl tritt allein an den speziell geschnittenen Seitenflächen aus bzw. ein, um so zu Spiegeln zu gelangen, die per Reflexion für ein mehrfaches Durchlaufen des Verstärkungsvolumens sorgen. Eine Faltung des zu verstärkenden Strahls ist nicht offenbart.
Eine auf dem INNOSLAB-Konzept basierende multistufige Verstärkeranordnung zeigt . Die Kernelemente bei einem INNOSLAB-Verstärker sind die beiden gekrümmten Spiegel 2 und 3 und das quaderförmigen Verstärkungsmedium 1. Der zu verstärkende Strahl 11 wird in die Verstärkeranordnung eingekoppelt. Die beiden Spiegel 2 und 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 2 und 3 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 und 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 und 3. Vorzugsweise wird das Verstärkungsmedium quaderförmig ausgebildet. Das Verstärkungsmedium wird so gepumpt, dass ein Verstärkungsvolumen mit einem rechteckigen Querschnitt, der eine lange und eine kurze Kante hat, im Verstärkungsmedium entsteht. Die Krümmungsradien und Anordnung der beiden Faltungsspiegel 2 und 3 werden so bestimmt, um mehrfache Durchgänge durch das Verstärkungsmedium in der Faltungsebene (Ebene in ), 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 und 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 und 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 zu 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 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, 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 ein Verstärkungsmedium (1) und zwei Faltungsspiegel (2, 3) umfasst, wobei das Verstärkungsmedium ein Verstärkungsvolumen (1) mit einem rechteckigen Querschnitt mit einer langen Kante und einer kurzen Kante hat, wobei die Krümmungsradien der beiden Faltungsspiegel (2, 3) so bestimmt werden und die beiden Faltungsspiegel (2, 3) so zueinander angeordnet werden, 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, so dass der zu verstärkende Strahl (11) mehrfach durch das rechteckige Verstärkungsvolumen passiert und verstärkt wird, gekennzeichnet durch, einen weiteren Spiegel (4), der den verstärkten Strahl (11) so reflektiert, dass der Strahl (11) noch mal mehrfach das rechteckige Verstärkungsmedium durchläuft und dabei weiter zu dem Ausgangstrahl (99) verstärkt wird, wobei mittels der Faltungsspiegel (2, 3) sich der zu verstärkende Strahl (11) nach seinem Eintritt in die Verstärkeranordnung in der Ebene, die parallel zur langen Kante des Verstärkungsvolumens (1) steht, zunächst im Querschnitt reduziert und nach Reflexion durch den weiteren Spiegel (4) aufgeweitet 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 (41) ein elektrooptischer Modulator ist, der aus einer Pockels-Zelle und einem polarisierenden Element besteht.