DE102012222544A1

DE102012222544A1 - Lasersystem mit Resonator

Info

Publication number: DE102012222544A1
Application number: DE201210222544
Authority: DE
Inventors: Sebastian Nutsch
Original assignee: High Finesse Laser And Electronic Systems GmbH
Current assignee: High Finesse Laser And Electronic Systems GmbH
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2014-06-12

Abstract

Ein Lasersystem 100 zur Abgabe von Laserlicht hat einen optischen Resonator und ein in einem Resonatorstrahlengang des Resonators angeordnetes optisch anregbares Verstärkermedium (160). Der optische Resonator hat einen ersten Resonatorspiegel (110) und eine rückreflektierende Interferometeranordnung (120), die einen Strahlteiler (130) mit einer teilreflektierenden Strahlteilerfläche (132) sowie mindestens einen Interferometerspiegel (140) umfasst, die gemeinsam einen Interferometerstrahlengang definieren. Die Strahlteilerfläche (132) ist derart ausgerichtet, dass ein von dem ersten Resonatorspiegel (110) rückreflektierter Anteil (A1) des Laserlichts in einem Auftreffbereich (A) an der Strahlteilerfläche in einen reflektierten ersten Teilstrahl (R1) und einen transmittierten ersten Teilstrahl (T1) aufgeteilt wird, die den Interferometerstrahlengang gegensinnig zurück zum Auftreffbereich durchlaufen. Das optische Verstärkermedium (160) in einem von den ersten Teilstrahlen (R1, T1) gegensinnig durchlaufenen Abschnitt des Interferometerstrahlengangs angeordnet.

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, dessen Komponenten so angeordnet sind, dass Licht in einem Resonatorraum eine Resonanzüberhöhung erfährt. Das Laserlicht bzw. ein großer Anteil des Laserlichts kann beispielsweise vielfach im Resonatorstrahlengang zwischen Resonatorspiegeln hin- und herreflektiert werden. Das im Resonatorstrahlengang angeordnete Verstärkermedium wird dabei vielfach vom Laserlicht durchstrahlt. Der optische Abstand zwischen den den Resonatorraum begrenzenden Resonatorspiegeln bestimmt dabei die Frequenz bzw. das Frequenzspektrum des von dem Lasersystem abgegebenen Laserlichts.
Manche Lasersysteme 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 Lichtwellenlängenbereich durchstimmbar ist.
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 Lichtwellenlänge bzw. nur ein sehr enges Lichtwellenlängenspektrum hat. Die abgegebene Lichtwellenlänge soll sich dabei möglichst genau einstellen lassen.
Insbesondere für Anwendungen in der Forschung werden Lasersysteme gesucht, die stabil auf nur wenigen Moden laufen. Für manche Anwendungen werden Lasersysteme gesucht, die einen Einmodenbetrieb erlauben. Einmodenbetrieb wurde in einem kommerziellen Ringresonatordesign unter Verwendung einer Reihe aufwändiger optischer Komponenten erzielt (P. A. Schulz: „Single-frequency Ti:Al2O3 ring laser" IEEE Journal of Quantum Electronics, 24(6), Seiten 1039–44, 1988). Dieser Aufbau ist jedoch relativ aufwändig und teuer. Durch jede Grenzfläche an den optischen Komponenten im Resonator entstehen Verluste, welche die Ausgangsleistung reduzieren. Außerdem beeinflussen Komponenten, die wellenlängenabhängig sind, den Durchstimmbereich. Zweimodenbetrieb konnte in einem günstigeren und kompakten Aufbau realisiert werden (C. Zimmermann, V. Vuletic, A. Hemmerich, L. Ricci, and TW Hänsch: "Design for a compact tunable Ti: sapphire laser" Optics Letters, 20(3) Seiten 297–299, 1995). Dieser Aufbau ist eine günstige Alternative zu einem Ringresonator, sofern die zweite Mode keinen störenden Einfluss auf das Experiment hat.
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 Lichtwellenlänge erzeugt werden kann. Insboesondere soll das Lasersystem für einen Einmodenbtrieb geeignet sein.
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.
Ein Lasersystem mit einem derartigen Aufbau ermöglicht den Betrieb als Einmoden-Stehwellenlaser.
Das Lasersystem hat mindestens einen optischen Resonator und ein im Resonatorstrahlengang des Resonators angeordnetes optisch anregbares Verstärkermedium. Zum optischen Resonator gehört ein erster Resonatorspiegel und eine Interferometeranordnung, welche ähnlich wie ein weiterer Resonatorspiegel wirkt und daher hier als rückreflektierende Interferometeranordnung bezeichnet wird. Die rückreflektierende Interferometeranordnung hat einen Strahlteiler mit einer teilreflektierenden Strahlteilerfläche sowie mindestens zwei Interferometerspiegel, die gemeinsam einen Interferometerstrahlengang definieren. Die Strahlteilerfläche ist in Bezug auf einen vom ersten Resonatorspiegel rückreflektierten Anteil des Laserlichts so ausgerichtet, dass dieses Laserlicht in einem Auftreffbereich einer Strahlteilerfläche in einen reflektierten ersten Teilstrahl und einen transmittierten ersten Teilstrahl aufgeteilt wird, die den Interferometerstrahlengang gegensinnig zurück zum Auftreffbereich durchlaufen. Zusammen mit dem ersten Resonatorspiegel ergibt sich ein Interferometer, das unter dem Namen „Sagnac-Michelson-Interferometer” bekannt ist. Das optische Verstärkermedium ist in einem von diesen ersten Teilstrahlen gegensinnig durchlaufenden Abschnitt des Interferometerstrahlengangs angeordnet. Durch diese Anordnung kann erreicht werden, dass aus einer Vielzahl prinzipiell möglicher Moden im Verstärkermaterial sich durch „mode competition” eine einzige Mode gegen alle anderen Moden durchsetzt, so dass das Lasersystem auf einer einzigen Mode laufen kann.
Der Strahlteiler sollte dabei einen auf die Strahlteilerfläche auftreffenden Laserstrahl in Teilstrahlen mit im Wesentlichen gleicher Intensität aufteilen und die Polarisation im Wesentlichen unverändert lassen. Die Polarisation sollte im Wesentlichen unverändert bleiben, damit die Teilstrahlen nach dem Umlauf im Interferometerstrahlengang miteinander interferieren können.
Der Strahlteiler kann beispielsweise durch ein Prisma aus einem für das Laserlicht transparenten dispersiven Material gebildet sein, wobei die Strahlteilerfläche durch eine erste Prismenfläche des Prismas gebildet werden kann.
Alternativ ist es z. B. auch möglich, anstelle eines Prismas ein optisches Interferenzgitter, einen akustooptischen Modulator oder einen dielektrischen Strahlteiler zu verwenden. Ein dielektrischer Strahlteiler hat normalerweise ein transparentes Substrat und eine an einer Substratoberfläche angebrachte dielektrische Beschichtung, wobei die mit Beschichtung versehene, vorzugsweise ebene Substratoberfläche als Strahlteilerfläche dient.
Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Verstärkermaterial durch einen kristallinen Festkörper gebildet, der eine ebene Grenzfläche hat, welche als Strahlteilerfläche dient. Es ist somit möglich, aber nicht zwingend, dass der Strahlteiler eine vom optischen Verstärkermedium gesonderte optische Komponente ist.
Grundsätzlich kann das Verstärkermedium an jeder geeigneten Stelle innerhalb des Interferometerstrahlengangs angeordnet sein. Vorzugsweise wird die Anordnung des Verstärkermediums jedoch so gewählt, dass eine Position innerhalb des Interferometerstrahlengangs, an der alle Lichtwellen der Teilstrahlen unabhängig von ihrer Frequenz einen Bauch aufweisen, innerhalb des Verstärkermediums liegt. In diesem Fall liegt der Bereich maximaler Überlappung sämtlicher Moden innerhalb des Verstärkermediums, d. h. in demjenigen Bereich, in welchem Modenkonkurrenz stattfinden kann. Eine derartige Anordnung ist günstig für die Erzielung eines Einmoden-Betriebs.
Es ist auch möglich, ein Lasersystem mit zwei unabhängig voneinander arbeitenden Subresonatoren zu schaffen, welche dieselbe Interferometeranordnung und dasselbe Verstärkermedium nutzen. Das Lasersystem einer entsprechenden Ausführungsform hat einen zweiten Resonatorspiegel, der in Bezug auf die Strahlteilerfläche so angeordnet ist, dass ein von dem zweiten Resonatorspiegel rückreflektierter Anteil des Laserlichts in dem Auftreffpunkt an der Strahlteilerfläche in einen reflektierten zweiten Teilstrahl und einen transmittierten zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, wobei der reflektierte zweite Teilstrahl gleichsinnig mit dem transmittierten ersten Teilstrahl und der transmittierte zweite Teilstrahl gleichsinnig mit dem reflektierten ersten Teilstrahl den Interferometerstrahlengang zurück zum Auftreffbereich durchlaufen.
Aufgrund von Phasensprüngen bzw. Phasenverschiebungen an gewissen Grenzflächen im Interferometerstrahlengang kann erreicht werden, dass ein erster Subresonator, der den ersten Resonatorspiegel enthält, und ein zweiter Subresonator, der den zweiten Resonatorspiegel enthält, unabhängig voneinander unter Nutzung des gleichen Verstärkermaterials arbeiten, da die in den beiden Subresonatoren entstehenden Stehwellen ihre Bäuche in unterschiedlichen, gegeneinander versetzten Bereichen des Verstärkermaterials haben und somit dessen Verstärkung unabhängig voneinander ausnutzen können. Ein solches Lasersystem kann zwei unabhängig voneinander verstimmbare Laserstrahlen mit jeweils Einzelmodenqualität erzeugen.
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
1 zeigt eine schematische Draufsicht eines Titan:Saphir-Lasers gemäß einer ersten Ausführungsform;
2 zeigt eine schematische Draufsicht eines Titan:Saphir-Lasers gemäß einer zweiten Ausführungsform;
3 zeigt eine schematische Draufsicht eines Titan:Saphir-Lasers gemäß einer dritten Ausführungsform; und
4 zeigt eine schematische Draufsicht eines Titan:Saphir-Lasers gemäß einer vierten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In 1 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 160, 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 Lichtwellenlängenbereich 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 P durch eine erste Gehäuseöffnung 104 hindurch in den Innenraum des Gehäuses 102 eingestrahlt.
Der Ti:Sa-Kristall 160 ist im Resonatorstrahlengang eines optischen Resonators angeordnet, welcher als Stehwellenresonator konfiguriert ist.
Der Resonator besteht im Beispielsfall aus einem ersten Resonatorspiegel 110, der als erster Auskoppler für einen ersten Nutzstrahl N1 dient, und einer rückreflektierenden Sagnac-Michelson-Interferometeranordnung 120. Die Interferometeranordnung weist einen Strahlteiler 130 mit einer teilreflektierenden ebenen Strahlteilerfläche 132, einen ersten Interferometerspiegel 140 und einen zweiten Interferometerspiegel 150 auf, die gemeinsam einen Interferometerstrahlengang definieren. Die Interferometerspiegel dienen als Faltspiegel.
Der Strahlteiler wird durch ein Prisma aus einem für das Laserlicht transparenten dispersiven Material gebildet. Die Strahlteilerfläche wird durch eine ebene erste Prismenfläche 132 des dachförmigen Prismas gebildet, welche im Winkel zu einer zweiten Prismenfläche 134 und einer dritten Prismenfläche 136 steht. Das Prisma besteht aus einem für das Laserlicht transparenten, dispersiven Prismenmaterial. Im Beispielsfall besteht das Prisma aus einem synthetischen Quarzglas, das im Lichtwellenlängenbereich 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 Lichtwellenlängenabhängigkeit des Berechungsindex (Dispersion) ist das Prisma ein dispersives Element. Alle Prismenflächen des dachförmigen Prismas sind unbeschichtet.
Die Spiegelflächen des als Einkoppelspiegel dienenden ersten Interferometerpiegels 140 und zweiten Interferometerspiegels 150 sind jeweils konkav geformt, während die Spiegelfläche des ersten Resonatorspiegels 110 eben ist. Die Spiegel besitzen jeweils eine dielektrische, hoch reflektive Schicht und reflektieren im Bereich zwischen 670 nm und 1100 nm mit einem Reflexionsgrad von über 99%. Die der ersten Gehäuseöffnung 104 zugewandte Rückseite des ersten Interferometerspiegels 140 ist mit einer Antireflexschicht für das Pumplicht P versehen, um dieses möglichst verlustarm in den Resonator hineinzulassen.
Die Strahlteilerfläche (erste Prismenfläche) 132 ist derart ausgerichtet, dass ein von dem ersten Resonatorspiegel 110 rückreflektierter Anteil A1 des Laserlichts in einem Auftreffbereich A an der Strahlteilerfläche in einen reflektierten ersten Teilstrahl R1 und einen transmittierten ersten Teilstrahl T1 aufgeteilt wird, die den Interferometerstrahlengang gegensinnig zurück zum Auftreffbereich durchlaufen. Am Strahlteiler findet idealer Weise eine 50:50-Aufteilung der Strahlintensität statt, so dass die Teilstrahlen möglichst genau gleiche Intensität haben. Das optische Verstärkermedium 160 ist in einem von den ersten Teilstrahlen R1, T1 gegensinnig durchlaufenen Abschnitt des Interferometerstrahlengangs zwischen den Interferometerspiegeln 140, 150 angeordnet. Der Interferometerstrahlengang hat eine vom Auftreffpunkt zum Auftreffpunkt zurück gemessene optische Weglänge L. Das Verstärkermedium ist so angeordnet, dass sich kristallines Verstärkermaterial auch an einer Position befindet, die genau auf dem halben optischen Weg eines Umlaufs im Interferometer liegt, also bei L/2.
Der Resonator ist prinzipiell geeignet für Modenkonkurrenz in einem Stehwellenresonator. Daher erwartet man durchstimmbaren Einmodenbetrieb in einem kompakten und stabilen Aufbau ohne einige der üblichen Komplikationen eines Ringresonators, wie sie z. B. durch einen optischen Isolator bedingt sein können. Die Funktion kann wie folgt beschrieben werden.
Licht, welches vom ersten Resonatorspiegel 110 her kommend auf das Prisma 130 fällt, erzeugt in der Interferometeranordnung 120 zwei laufende Lichtwellen bzw. zwei erste Teilstrahlen. Eine Lichtwelle, die einen reflektierten ersten Teilstrahl R1 bildet, entsteht durch Reflektion am Auftreffpunkt A an der Strahlteilerfläche 132 des Prismas und durchläuft das Interferometer im Uhrzeigersinn (rechter Umlauf). Die andere Lichtwelle entsteht durch Transmission an der Strahlteilerfläche des Prismas und läuft als transmittierter erster Teilstrahl T1 im Gegenuhrzeigersinn (linker Umlauf) durch den Interferometerstrahlengang. Beide Lichtwellen durchlaufen im Interferometer dieselbe optische Weglänge L.
Die im Uhrzeigersinn umlaufende Lichtwelle R1 erleidet bei der Reflektion am optisch dünneren Medium (Luft) keinen Phasensprung. Die beiden Lichtwellen werden am freien Ausgang EX1 des Interferometers, der nicht zurück zum ersten Resonatorspiegel 110 führt, überlagert. Dabei wird die rechts umlaufende Lichtwelle (reflektierter erster Teilstrahl R1) an der Strahlteilerfläche 132 des Prismas 130 reflektiert und erleidet aufgrund der Reflektion am optisch dichteren Medium des Prismenkörpers einen Phasensprung von 180°. Die links umlaufende Lichtwelle (transmittierter erster Teilstrahl T1) wird ohne Phasenverschiebung durch die Strahlteilerfläche transmittiert. Beide ausgekoppelten Felder überlagern sich destruktiv und es wird keine oder nur wenig Lichtenergie am freien Ausgang EX1 des Interferometers ausgekoppelt.
Die destruktive Interferenz ist unabhängig von der Frequenz des Lichts und von der optischen Weglänge L des Interferometers (optische Gesamtlänge des Dreiecks, welches von den drei Elementen des Interferometers gebildet wird). Weiterhin entsteht im Interferometer eine optische Stehwelle mit einem Bauch bei der halben optischen Länge des Interferometers, also bei L/2, da dort die rechts und links umlaufenden Lichtwellen jeweils gleiche optische Wegstrecken zurückgelegt haben und konstruktiv überlagern. Die Lage des Bauchs ist ebenfalls unabhängig von der Frequenz des Lichts. Es ergibt sich ein Laserresonator mit frequenzunabhängiger Position der optischen Stehwelle im Verstärkerkristall.
Der Resonator (bestehend aus dem ersten Resonatorspiegel 110 (Auskoppler) und dem Interferometer 120, hat Resonanzen bei Frequenzen, die das natürliche Vielfache einer Grundfrequenz (des ”Freien Spektralbereichs”) sind. Zusammen mit dem optischen Verstärkermedium 160 im Interferometer erhält man ein Lasersystem.
Das Lasersystem kann grundsätzlich bei mehreren Resonanzfrequenzen des Resonators oszillieren. Der gleichzeitige Betrieb vieler solcher Frequenzmoden wird allerdings dadurch erschwert, dass die Lichtfelder aller Moden im Kristall (Verstärkermaterial) annähernd dieselbe räumliche Verteilung haben und daher miteinander um die Verstärkung konkurrieren (mode competition). Es „gewinnt” dabei die stärkste Mode und vereint alle Verstärkung (gain) auf sich. Die anderen Moden können daher nicht anschwingen. Es wird erwartet, dass ein solcher Laser auf einer einzigen Mode läuft.
Genau bei halber optischer Länge (L/2) haben alle Moden einen Bauch. Bewegt man sich aus der Mitte des Kristalls heraus, kann sich die relative Lage der Knoten und Bäuche der verschiedenen Moden verschieben. Verschiedene Moden können dann unterschiedliche Bereiche im Kristall verwenden und die Modenkonkurrenz ist nicht vollständig. Bei nicht zu großem Frequenzunterschied der Moden ist dieser Effekt aber klein.
Das vom Lasersystem 100 abgegebene bzw. ausgekoppelte Laserlicht bildet einen ersten Nutzstrahl N1, der das Gehäuse durch eine zweite Gehäuseöffnung 106 verlässt. Das Laserlicht ist linear polarisiert, und zwar mit einer Polarisationsvorzugsrichtung parallel zum Gehäuseboden (Zeichenebene). Das Licht des Pumpstrahls P ist in der durch den Resonatorstrahlengang aufgespannten Ebene polarisiert. Der Verstärkerkristall 160 hat eine dem ersten Interferometerspiegel 140 optisch zugewandte erste Lichtdurchtrittsfläche und eine dem zweiten Interferometerspiegel 150 optisch zugewandte zweite Lichtdurchtrittsfläche. 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.
Es ist möglich, das Lasersystem aus 1 zu einem Lasersystem zu erweitern, welches zwei unabhängig voneinander verstimmbare Nutzstrahlen mit Einzelmodenqualität erzeugt. In 2 ist ein entsprechendes Lasersystem 200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die bereits beim ersten Ausführungsbeispiel vorhandenen Komponenten und sonstigen Merkmale tragen die gleichen Bezugszeichen wie in 1.
Der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels wird um einen zweiten Resonatorspiegel 180 erweitert, der als zweiter Auskoppler für einen zweiten Nutzstrahl N2 dient. Der zweite Resonatorspiegel ist so angeordnet, dass er das Licht des bisher offenen Ausgangs EX1 des Prismas zum Auftreffbereich A an der Strahlteilerfläche 132 zurückspiegelt.
Der zusätzliche zweite Resonatorspiegel beeinflusst das in 1 gezeigte erste Lasersystem praktisch nicht, da wegen der destruktiven Interferenz der ersten Teilstrahlen R1, T1 kein oder nur wenig Licht dieses Lasersystems am offenen Ausgang EX1 des Prismas austritt. Es entsteht aber ein unabhängiges zweites Lasersystem. Dies ist ersichtlich, wenn man den ersten Resonatorspiegel gedanklich wegnimmt. Man erhält dann eine zu 1 analoge Situation und folgende Funktionalität Licht, welches vom zweiten Resonatorspiegel 180 her kommend als reflektierter Anteil A2 auf das Prisma 130 fällt, erzeugt in der Interferometeranordnung 120 zwei laufende Lichtwellen bzw. zwei zweite Teilstrahlen. Eine Lichtwelle, die einen reflektierten zweiten Teilstrahl R2 bildet, entsteht durch Reflektion am Auftreffpunkt A an der Strahlteilerfläche 132 des Prismas und durchläuft das Interferometer im Gegenuhrzeigersinn (linker Umlauf). Die andere Lichtwelle entsteht durch Transmission an der Strahlteilerfläche des Prismas und läuft als transmittierter zweiter Teilstrahl T2 im Uhrzeigersinn (rechter Umlauf) durch den Interferometerstrahlengang. Beide Lichtwellen durchlaufen im Interferometer dieselbe optische Weglänge.
Die im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Lichtwelle R2 erleidet bei der Reflektion am optisch dichteren Medium des Prismenkörpers einen Phasensprung von 180°. Die beiden Lichtwellen werden am Ausgang des Interferometers, der zum ersten Resonatorspiegel 110 führt, überlagert. Dabei wird die rechts umlaufende Lichtwelle (transmittierter zweiter Teilstrahl T2) ohne Phasensprung durch die Strahlteilerfläche 132 und die zweite Prismenfläche 134 transmittiert. Die links (im Gegenuhrzeigersinn) umlaufende Lichtwelle (reflektierter zweiter Teilstrahl R2) dringt durch die dritte Prismenfläche 136 in das Prisma ein und wird an der Strahlteilerfläche 132 reflektiert, erleidet dabei aber aufgrund der Reflektion am optisch dünneren Medium (Luft) keinen weiteren Phasensprung mehr. Beide ausgekoppelten Felder überlagern sich destruktiv und es wird keine oder nur wenig Lichtenergie in Richtung des ersten Resonatorspiegels ausgekoppelt.
Im zweiten Lasersystem ist der Phasensprung am Prisma somit anders: Licht, das vom zweiten Resonatorspiegel 180 (zweiter Auskoppler) kommend auf das Prisma fällt, erzeugt eine rechtslaufende Lichtwelle durch phasensprungfreie Transmission am Prisma. Eine linkslaufende Lichtwelle entsteht durch Reflektion mit 180° Phasensprung am Prisma. Wegen dieses Phasensprungs interferieren die beiden Lichtwellen der zweiten Teilstrahlen T2, R2 im Zentrum des Verstärkerkristalls 160 destruktiv und man erhält einen Knoten dort, wo das erste Lasersystem (1) einen Bauch hat.
Es werden somit zwei Subresonatoren geschaffen. Die beiden Subresonatoren erzeugen am Ort des Verstärkerkristalls verschiedene Stehwellen, die sich wie sin² x und cos² x ergänzen. Beide Lasersysteme verwenden dadurch unterschiedliche Bereiche innerhalb des Verstärkerkristalls und konkurrieren daher nicht untereinander. Das zweite Lasersystem, zu dem der zweite Resonatorspiegel 180 als Auskoppler gehört, erzeugt außerdem kein oder nur wenig Licht in Richtung des ersten Resonatorspiegels 110, da wiederum beide umlaufenden Lichtwellen des zweiten Lasersystems hinter dem Prisma in Richtung des ersten Resonatorspiegels destruktiv interferieren.
Es sind zahlreiche Varianten von Lasersystemen möglich, die die hier dargestellten Grundprinzipien nutzen. In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Lasersystems 300 gezeigt, welches als Variante des Lasersystems 200 aus 2 angesehen werden kann. Entsprechende optische Komponenten tragen daher die gleichen Bezugszeichen wie in 2, erhöht um 200.
Ein Unterschied zur Ausführungsform von 2 besteht darin, dass in der Interferometeranordnung 320 zusätzlich zu dem ersten Interferometerspiegel 340 und dem zweiten Interferometerspiegel 350, zwischen denen der Verstärkerkristall 360 angeordnet ist, noch ein weiterer Interferometerspiegel 355 vorgesehen ist. Dieser Planspiegel faltet den Interferometerstrahlengang so, dass sich an allen Interferometerspiegeln günstigere Inzidenzwinkel (Einfallswinkel) des auftreffenden Laserlichts ergeben. Außerdem kann eine kompaktere Bauform der Interferometeranordnung erzielt werden.
Ein weiterer Unterschied besteht in der Ausgestaltung des Strahlteilers 330. Dieser könnte, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, durch ein Prisma gebildet sein. Im Ausführungsbeispiel von 3 ist der Strahlteiler jedoch ein dielektrischer Strahlteiler 330. Der Strahlteiler weist eine für das Laserlicht transparente Planplatte 335 auf. Diese steht schräg im Strahlengang und bewirkt dadurch einen Parallelversatz der hindurchtretenden Strahlen. Die als Strahlteilerfläche 332 vorgesehene Substratseite trägt eine dielektrische Beschichtung 333. Der dielektrische Strahlteiler ist so ausgelegt, dass an der ebenen Strahlteilerfläche eine 50:50 Aufteilung der Strahlintensität des auftreffenden Strahls stattfindet, so dass die Teilstrahlen möglichst gleiche Intensität haben.
Allerdings ist bei Verwendung eines dielektrischen Strahlsteilers diejenige Position im Interferometerstrahlengang, an der die Lichtwellen der gegenläufigen Teilstrahlen unabhängig von ihrer Frequenz einen Bauch haben, im Allgemeinen nicht bei der Hälfte der optischen Weglänge (d. h. bei L/2) zu finden, sondern kann demgegenüber entlang des Interferometerstrahlenganges verlagert sein. Dies kann wie folgt verstanden werden. An der Strahlteilerfläche des unbeschichteten Prismas erfährt ein Strahl, der am optisch dichteren Medium reflektiert wird, einen Phasensprung von 180°, während der transmittierte Teilstrahl die Strahlteilerfläche ohne Phasensprung bzw. ohne Phasenverschiebung durchtritt. Der transmittierte und der reflektierte Teilstrahl unterscheiden sich somit durch eine Phasendifferenz von 180°. Bei einem dielektrischen Strahlteiler kann im Allgemeinen nur gesagt werden, dass die relative Phasenverschiebung zwischen dem reflektierten und dem transmittierten Teilstrahl 180° beträgt. Abhängig von der Art der Beschichtung kann beispielsweise der reflektierte Teilstrahl einen Phasensprung von 150° erfahren, während der transmittierte Teilstrahl einen Phasensprung von 30° erfährt. Dementsprechend liegt diejenige Position im Interferometerstrahlengang, an der die Lichtwellen unabhängig von ihrer Frequenz einen (gemeinsamen) Bauch haben, nicht mehr in der Mitte der optischen Weglänge des Interferometerstrahlengangs (bei L/2), sondern kann asymmetrisch im Interferometerstrahlengang liegen. Die Position dieses Punktes hängt allgemein von der Art der Phasenbeeinflussung durch den Strahlteiler ab.
Auch bei der Ausführungsform von 3 ist die Anordnung des Verstärkermediums 360 so gewählt, dass dieser Punkt, an dem die Lichtwellen unabhängig von ihrer Frequenz einen Bauch haben, innerhalb des Verstärkermediums 360 liegt.
Bei allen Ausführungsformen ist es jedoch auch möglich, dass die Position, in der alle Lichtwellen der gegenläufig verlaufenden Teilstrahlen einen Bauch haben, außerhalb des Verstärkermediums liegt. Auch in diesem Fall kann in der Regel erhöhte Modenkonkurrenz erreicht werden, so dass ein Single-Mode-Betrieb innerhalb gewisser Grenzen erwartet werden kann. Wenn jedoch die Position, in der alle Lichtwellen einen gemeinsamen Bauch haben, innerhalb des Verstärkermediums liegt, ist in der Regel ein Single-Mode-Betrieb einfacher zu erzielen.
Im Übrigen wird für die Funktionsweise der Ausführungsform von 3 auf die Beschreibung im Zusammenhang mit den 1 und 2 verwiesen.
Bei den bisher anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Strahlteiler eine vom Verstärkerkristall gesonderte optische Komponente. Außerdem sind die Resonatorspiegel jeweils vom Strahlteiler und vom Verstärkerkristall gesonderte optische Komponenten. Weiterhin sind der erste und der zweite Interferometerspiegel, und gegebenenfalls auch mindestens ein weiterer Interferometerspiegel zur Faltung des Strahlengangs, jeweils als vom Verstärkerkristall und vom Strahlteiler gesonderte optische Komponenten ausgeführt. Hierdurch ergeben sich viele Einstellmöglichkeiten, um die Qualität der abgegebenen Laserstrahlung auf bestimmte Zieleigenschaften einzustellen. Es ist jedoch nicht zwingend, dass der Strahlteiler und/oder die Interferometerspiegel und/oder die Resonatorspiegel durch voneinander gesonderte optische Komponenten gebildet werden.
Bei dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Lasersystems 400 wird ein speziell zugeschnittener und teilweise beschichteter Titan-Saphir-Kristall 460 als Verstärkermedium genutzt. Eine mit optischer Präzision präparierte ebene Seitenfläche des Kristalls bildet die Strahlteilerfläche 432. Eine im schrägen Winkel dazu ausgerichtete, ebenfalls plane Seitenfläche ist mit einer hoch reflektierenden Beschichtung beschichtet und bildet den ersten Resonatorspiegel 410. Zwei sphärisch gekrümmte Eckbereiche des Verstärkerkristalls sind an ihrer Außenseite mit einer reflektierenden Beschichtung beschichtet und bilden mit ihrer konkaven Innenseite den ersten Interferometerspiegel 440 bzw. den zweiten Interferometerspiegel 450 der Interferometeranordnung 420. Der zweite Resonatorspiegel 480 mit einer planen Spiegelfläche wird durch eine vom Verstärkerkristall gesonderte optische Komponente gebildet.
Die Funktion dieses teilweise monolithischen Lasersystems ist ähnlich wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben. Auch hier werden zwei unabhängig voneinander arbeitende Lasersysteme bereitgestellt, die zwei Nutzstrahlen N1, N2 jeweils mit Einzelmodenqualität erzeugen.
Ein vom ersten Resonatorspiegel 410 in das Verstärkermedium rückreflektierter Anteil A4 des Laserlichts wird an der ebenen Strahlteilerfläche 432 in zwei Teilstrahlen R4 und T4 mit im Wesentlichen gleichen Intensität aufgeteilt. Diejenige Lichtwelle, die einen reflektierten Teilstrahl R4 bildet, entsteht durch Reflektion am Auftreffpunkt A der Strahlteilerfläche 432 und durchläuft den Interferometerstrahlengang im Uhrzeigersinn. Der transmittierte erste Teilstrahl T4 verlässt den Verstärkerkristall am Auftreffpunkt A und tritt an einer planen Schrägfläche 461 des Titan-Saphir-Kristalls unter dem Brewster-Winkel wieder in das Verstärkermedium ein. Diese Lichtwelle verläuft als transmittierter erster Teilstrahl T4 im Gegenuhrzeigersinn durch den Interferometerstrahlengang. Die Reflektion am Auftreffpunkt A, welche zur Erzeugung des reflektierten ersten Teilstrahls R4 führt, erzeugt keinen Phasensprung, da die Reflektion am optisch dünneren Medium (z. B. Luft) stattfindet. Bei erneutem Auftreffen am Auftreffpunkt A erfährt der dann Richtung erstem Resonatorspiegel 410 transmittierte Teil ebenfalls keinen Phasensprung. Der in Richtung des zweiten Resonatorspiegels 480 am optisch dichteren Medium des Verstärkerkristalls reflektierte Anteil erfährt jedoch einen Phasensprung um 180°.
Der transmittierte erste Teilstrahl T4, welcher im Gegenuhrzeigersinn umläuft, erleidet an keinem Umlenkpunkt einen Phasensprung, so dass sich die zum ersten Resonatorspiegel 410 rückreflektierten Anteile der beiden ersten Teilstrahlen T4 und R4 konstruktiv überlagern und ein Anteil den Resonator als erster Nutzstrahl N1 verlässt. In Richtung des zweiten Resonatorspiegels 480 kommt es dagegen zu einer destruktiven Interferenz der beiden ersten Teilstrahlen T4, R4.
Eine umgekehrt analoge Situation ergibt sich für denjenigen Anteil A5 des Laserstrahls, der vom zweiten Resonatorspiegel 480 in Richtung Auftreffpunkt A rückreflektiert wird. Hier erfährt der in Richtung der Schrägfläche 461 an der Strahlteilerfläche 432 reflektierte Anteil R5 einen 180°-Phasensprung, während der in das Verstärkermaterial gebrochene Anteil (transmittierter zweiter Teilstrahl T5) bei der Brechung keinen Phasensprung erleidet. Der transmittierte zweite Teilstrahl T5 verläuft im Uhrzeigersinn durch den Verstärkerkristall und trifft schließlich wieder am Auftreffpunkt A auf, von wo er teils in Richtung des zweiten Resonatorspiegels 480 reflektiert (mit 180°-Phasensprung) und teils in Richtung des ersten Resonatorspiegels in das Verstärkermedium transmittiert wird. Die in Richtung des ersten Resonatorspiegels 410 verlaufenden Teilstrahlen interferieren aufgrund des 180°-Phasenunterschieds destruktiv, während in Richtung des zweiten Resonatorspiegels 480 eine konstruktive Interferenz zur Bildung des zweiten Nutzstrahls N2 vorliegt.
Auch bei dieser Ausführungsform befindet sich die Hälfte L/2 der optischen Weglänge des Interferometerstrahlengangs im Inneren des Verstärkermaterials. Dort bildet sich ein Bauch einer optischen Stehwelle. Ähnlich wie bei den anderen Ausführungsbeispielen konkurrieren viele Lasermoden um die Verstärkung (mode competition), wobei im Normalfall nur die stärksten Mode die gesamte Verstärkung auf sich vereinigt und alle anderen Moden nicht anschwingen können. Auch bei dieser Ausführungsform wird für beide Nutzstrahlen (erster Nutzstrahl N1, zweiter Nutzstrahl N2) eine Einzelmodenqualität erwartet.
Der Abstand der longitudinalen Moden des Laserlichts im Resonatorstrahlengang ist gegeben durch δv_FSR = c/(2·LR), wobei c die Lichtgeschwindigkeit und LR die optische Länge des Resonators darstellen. Die optische Länge LR des Resonators entspricht der Summe aus der optischen Weglänge L des Interferometers und dem Doppelten der optischen Weglänge LSS zwischen der Spiegelfläche des zugehörigen Resonatorspiegels (z. B. erster Resonatorspiegel 110 beim ersten Subresonator, zweiter Resonatorspiegel 180 beim zweiten Subresonator in 2) und der Strahlteilerfläche. Analoges gilt für alle Ausführungsformen.
Die Lichtwellenlänge des „freilaufenden” Ti:Sa-Lasers (ohne frequenzselektive Elemente) ergibt sich aus dem Produkt der Spiegelreflexionskoeffizienten und dem Fluoreszenzspektrum, wobei das Auskoppelspektrum des Auskoppelspiegels vorzugsweise so angepasst wird, dass das Produkt aus Fluoreszenzspektrum und Spiegelreflexionskoeffizient möglichst flach im Bereich von 670 nm und 1100 nm ist. Somit wird keine Mode durch den frei laufenden Resonator bevorzugt. Daher schwingen viele Moden zwischen 670 nm und 1100 nm gleichzeitig an. Das Strahlprofil des Ausgangsstrahls ist gaußförmig.
Durch den Einsatz von einem oder mehreren frequenzselektiven Elementen ist eine Modenauswahl möglich.
Als frequenzselektives Element kann beispielsweise ein Etalon, z. B. in Form eines dünnen Glasplättchens, oder ein Lyot-Filter außerhalb des Interferometerstrahlengangs in den zu beeinflussenden Resonatorstrahlengang eingefügt werden. Beim Ausführungsbeispiel von 2 könnte beispielsweise ein Etalon zwischen dem ersten Resonatorspiegel 110 und dem Strahlteiler 130 angeordnet sein, um die Frequenz des ersten des ersten Lasersystems bzw. des ersten Nutzstrahls N1 unabhängig von der Frequenz des zweiten Lasersystems einzustellen. Ein entsprechender Einbauplatz zur Beeinflussung der Frequenz des zweiten Lasersystems wäre zwischen dem Strahlteiler und dem zweiten Resonatorspiegel 180. Alternativ oder zusätzlich könnte ein Resonator durch ein Auskoppel-Etalon ergänzt werden.
Bei den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 wird ein Prisma als Strahlteiler verwendet. Dies ist nicht zwingend. Grundsätzlich kann jeder nicht-polarisationsselektive Strahlteiler verwendet werden, der das beschriebene Phasensprungverhalten bzw. Phasenverschiebungsverhalten zeigt. Beispielsweise kann anstelle des Prismas ein akustooptischer Modulator (AOM) oder ein dielektrischer Strahlteiler (vgl. 3) genutzt werden. Beim Beispiel von 4 wirkt eine ebene Außenfläche des Verstärkerkristalls als Strahlteilerfläche. Der Strahlteiler ist somit der Verstärkerkristall selbst. Dies zeigt, dass der Strahlteiler keine von den anderen Komponenten gesonderte optische Komponente sein muss.
Es können auch andere Festkörper als Verstärkermedium genutzt werden, z. B. dielektrische Kristalle, die mit Seltenen Erden dotiert sind, z. B. mit Neodym (Nd), Erbium (Er) oder Praseodym (Pr).
Das Verstärkermedium kann auch ein in einem Lösungsmittel gelöster Farbstoff oder ein Gas sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

P. A. Schulz: „Single-frequency Ti:Al2O3 ring laser” IEEE Journal of Quantum Electronics, 24(6), Seiten 1039–44, 1988 [0006]
C. Zimmermann, V. Vuletic, A. Hemmerich, L. Ricci, and TW Hänsch: ”Design for a compact tunable Ti: sapphire laser” Optics Letters, 20(3) Seiten 297–299, 1995 [0006]

Claims

Lasersystem zur Abgabe von Laserlicht mit: einem optischen Resonator und einem in einem Resonatorstrahlengang des Resonators angeordneten optisch anregbaren Verstärkermedium (160, 360, 460), dadurch gekennzeichnet, dass der optische Resonator einen ersten Resonatorspiegel (110, 310, 410) und eine rückreflektierende Interferometeranordnung (120, 320, 420) aufweist, die einen Strahlteiler (130, 330, 460) mit einer teilreflektierenden Strahlteilerfläche (132, 332, 432) sowie mindestens zwei Interferometerspiegel (140, 150, 340, 350, 355, 440, 450) umfasst, die gemeinsam einen Interferometerstrahlengang definieren, wobei die Strahlteilerfläche (132, 332, 432) derart ausgerichtet ist, dass ein von dem ersten Resonatorspiegel (110, 310, 410) rückreflektierter Anteil (A1, A4) des Laserlichts in einem Auftreffbereich (A) an der Strahlteilerfläche in einen reflektierten ersten Teilstrahl (R1, R4) und einen transmittierten ersten Teilstrahl (T1, T4) aufgeteilt wird, die den Interferometerstrahlengang gegensinnig zurück zum Auftreffbereich durchlaufen, wobei das optische Verstärkermedium (160, 360, 460) in einem von den ersten Teilstrahlen (R1, T1, R4, T4) gegensinnig durchlaufenen Abschnitt des Interferometerstrahlengangs angeordnet ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, worin das Verstärkermedium (160, 360, 460) derart im Interferometerstrahlengang angeordnet ist, dass eine Position innerhalb des Interferometerstrahlengangs, an der alle Lichtwellen der Teilstrahlen unabhängig von ihrer Frequenz einen Bauch aufweisen, innerhalb des Verstärkermediums liegt.
Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, worin der Strahlteiler so ausgelegt ist, dass ein auf die Strahlteilerfläche auftreffender Laserstrahl in Teilstrahlen mit im Wesentlichen gleicher Intensität aufgeteilt wird und die Polarisation unverändert bleibt.
Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, worin der Strahlteiler ein Prisma (130) aus einem für das Laserlicht transparenten dispersiven Material aufweist und die Strahlteilerfläche durch eine erste Prismenfläche (132, 332) des Prismas gebildet wird.
Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, worin der Strahlteiler ein dielektrischer Strahlteiler (330) mit einem Substrat (335) und einer an einer Substratoberfläche angebrachten dielektrischen Beschichtung ist, wobei die mit Beschichtung versehene Substratoberfläche als Strahlteilerfläche (332) dient.
Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, worin das Verstärkermedium durch einen kristallinen Festkörper (460) gebildet wird, der eine ebene Grenzfläche hat, welche als Strahlteilerfläche (432) dient.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Lasersystem (100, 300, 400) zwei unabhängig voneinander arbeitenden Subresonatoren aufweist, welche dieselbe Interferometeranordnung (120, 320, 420) und dasselbe Verstärkermedium (160, 360, 460) nutzen.
Lasersystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen zweiten Resonatorspiegel (180, 380, 480), der in Bezug auf die Strahlteilerfläche (132, 332, 432) so angeordnet ist, dass ein von dem zweiten Resonatorspiegel rückreflektierter Anteil (A2, A5) des Laserlichts in dem Auftreffbereich (A) an der Strahlteilerfläche in einen reflektierten zweiten Teilstrahl (R2, R5) und einen transmittierten zweiten Teilstrahl (T2, T5) aufgeteilt wird, wobei der reflektierte zweite Teilstrahl (R2, R5) gleichsinnig mit dem transmittierten ersten Teilstrahl (T1, T4) und der transmittierte zweite Teilstrahl (T2, T5) gleichsinnig mit dem reflektierten ersten Teilstrahl (R1, R4) den Interferometerstrahlengang zurück zum Auftreffbereich durchlaufen.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Lasersystem (100, 300, 400) im Betrieb zwei unabhängig voneinander verstimmbare Laserstrahlen jeweils mit Einzelmodenqualität erzeugt.
Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Verstärkermedium ein Kristall (160, 360, 460) aus einem durch Pumplicht (P) zur Erzeugung von Laserlicht anregbaren kristallinen Verstärkermaterial ist, wobei der Kristall vorzugsweise ein mit Titanionen dotierter Saphir-Kristall ist.