DE102017120540B9

DE102017120540B9 - Selektiver verstärker

Info

Publication number: DE102017120540B9
Application number: DE102017120540.3A
Authority: DE
Inventors: Takunori Taira; Vincent YAHIA
Original assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Current assignee: Inter University Research Institute Corp National Institute of Natural Sciences
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: GB201714318D0; US10056730B2; GB2554998B; JP2018041834A; DE102017120540B4; JP6261057B1; US20180069368A1; FR3055748A1; DE102017120540A1; GB2554998A; FR3055748B1

Abstract

Selektiver Verstärker, der zum Verstärken eines Laserstrahls eines ausgewählten Teils von Moden, die in einem Mehrmodenlaserstrahl (8, 8A) enthalten sind, ausgebildet ist, mit:einem Oszillatorverstärkungsmedium (6), das zum Erzeugen des Mehrmodenlaserstrahls ausgebildet ist;einem Verstärkerverstärkungsmedium (62; 38; 42); undeinem Generator (32), der zum Erzeugen eines Erregerstrahls (34, 34A) für eine Verstärkung ausgebildet ist, wobei der Erregerstrahl für eine Verstärkung so ausgebildet ist, dass durch diesen in dem Verstärkerverstärkungsmedium ein invertierter Verteilungszustand erzeugt wird, wenn er in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben wird,bei demdas Oszillatorverstärkungsmedium und das Verstärkerverstärkungsmedium aus einem Monokristall oder einer polykristallinen Keramik sind undder Mehrmodenlaserstrahl (8, 8A) und der Erregerstrahl (34, 34A) für eine Verstärkung unter einer Beziehung, bei der eine optische Achse des Mehrmodenlaserstrahls und eine optische Achse des Erregerstrahls für eine Verstärkung miteinander übereinstimmen und ein effektiver Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung in dem Verstärkerverstärkungsmedium kleiner oder gleich einem effektiven Strahldurchmesser des Laserstrahls des ausgewählten Teils von Moden in dem Verstärkerverstärkungsmedium ist, in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben werden,wodurch ein Laserstrahl mit einem Teil von Moden, die in dem Mehrmodenlaserstrahl enthalten sind, verstärkt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Technik, die einen Laserstrahl eines Teils von Moden in einem Mehrmodenlaserstrahl verstärkt.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Ein Laserstrahlgenerator gibt üblicherweise einen Mehrmodenlaserstrahl mit mehreren Moden in einem Bereich von einer Mode niedriger Ordnung bis zu einer Mode hoher Ordnung aus. In Abhängigkeit von einer Aufgabe desselben kann ein Laserstrahl mit einer starken Intensität bei einer bestimmten Mode oder bestimmten Moden benötigt werden. Beispielsweise kann ein Laserstrahl benötigt werden, bei dem lediglich eine Grundmode eine starke Intensität aufweist und Moden höherer Ordnung eine niedrige Intensität aufweisen. Wenn die Grundmode die anderen Moden eines Laserstrahls dominiert, können ein Aufbau und Einstellungen eines optischen Systems, das den Laserstrahl verarbeitet, vereinfacht werden. Ferner kann eine Lichtintensität pro Flächeneinheit erhöht werden, indem ein Durchmesser eines Lichtkondensors verringert wird. Verschiedene technische Gebiete, beispielsweise Lasermikroherstellungsprozesse, Lasermessungen und optische Kommunikation, benötigen einen Laserstrahl, bei dem lediglich eine bestimmte Mode oder bestimmte Moden eines Bereichs bestimmter Ordnungen dominant sind.
Zum Erhalten eines Laserstrahls mit dominater Grundmode aus einem Mehrmodenlaserstrahl mit mehreren Moden, die von einer Grundmode bis zu Moden mit höherer Ordnung reichen, wird zum Abschneiden von Moden, die nicht die Grundmode sind, eine Irisblende in einen Propagationspfad des Laserstrahls eingesetzt. Dieses Verfahren ist in 1 gezeigt. Eine Halbleiterlaservorrichtung 2 emittiert einen Erregerstrahl 4, und ein Oszillatorverstärkungsmedium 6 wird durch den Erregerstrahl 4 zum Ausgeben des Laserstrahls 8 erregt. Der Laserstrahl 8 weist einen Laserstrahl 8a einer Grundmode und zusätzlich dazu ferner einen Laserstrahl 8b einer Mode höherer Ordnung, deren Ordnung zwei oder mehr beträgt, auf. Der Laserstrahl 8 in der Grundmode, der von dem Oszillatorverstärkungsmedium emittiert wird, breitet sich aus, ohne sich im Wesentlichen aufzuweiten, während sich der Laserstrahl 8b in der Mode hoher Ordnung ausbreitet, während er sich aufweitet. Eine Irisblende 10 weist eine Öffnung, die ermöglicht, dass der Laserstrahl, der sich ohne Aufweitung ausbreitet, durchgehen kann, und die verhindert, dass der Laserstrahl, der sich unter Aufweitung ausbreitet, durchgeht. Der Laserstrahl 8b in der Mode hoher Ordnung breitet sich aus, während er sich aufweitet, und daher geht er nicht durch die Öffnung. Der Laserstrahl 8c, der die Öffnung passiert hat, ist der Laserstrahl der Grundmode, und der Laserstrahl mit dominanter Grundmode kann erhalten werden. In der vorliegenden Beschreibung wird das Erhalten des Laserstrahls, in dem eine bestimmmte Mode oder bestimmte Moden eines bestimmten Bereichs von Ordnungen dominant ist/sind, aus einem Mehrmodenlaserstrahl mit mehreren Moden im Bereich von der Grundmode bis zu den Moden höherer Ordnung als Modensäubern bezeichnet. Wie in 1 gezeigt, kann ein Säubern im Hinblick auf die Grundmode unter Verwendung der Irisblende 10, die mit der Öffnung versehen ist, durchgeführt werden. Gemäß diesem Verfahren wird jedoch um den Laserstrahl 8c, der die Öffnung passiert hat, auf unerwünschte Weise gestreutes Licht 8d erzeugt. Da das gestreute Licht 8d nicht entfernt werden kann, ist diese Prozedur nicht ausreichend für ein „Modensäubern“. Bezugszeichen 12, 14 und 16 zeigen Lichtkontrastmuster, die durch Beobachten einer lateralen Querschnittsform des Laserstrahls an den entsprechenden Positionen erhalten werden.
Gemäß einem optischen System in 2 kann eine ausreichende Modensäuberung durchgeführt werden, während eine Erzeugung von gestreutem Licht unterdrückt wird. In dem optischen System in 2 werden eine Kondensorlinse 18 und eine Kollimatorlinse 20 hinzugefügt. Die Erzeugung des gestreuten Lichts kann unter Verwendung einer Kombination aus der Kondensorlinse 18, der Irisblende 10 und der Kollimatorlinse 20 zum Ermöglichen eines Fouriertransformationsprozesses (Bild-Relais) vermieden werden. Bei dieser Technik tritt an einem Lichtkonzentrationspunkt ein Luftzusammenbruch auf, wenn ein starker Laserstrahl verwendet wird. Zum Verhindern des Luftzusammenbruchs an dem Lichtkonzentrationspunkt mit solch einem Laser hoher Intensität muss sich der Lichtkonzentrationspunkt in einer Vakuumumgebung befinden, und daher wird ein Vakuumbehälter 24 mit Fenstern 22, 26 benötigt. In dem Verfahren gemäß 2 wird, auch wenn der Laserstrahlgenerator kompakt ist, zusätzlich der Vakuumbehälter 24, der die Größe desselben überschreitet, benötigt, so dass der Vorteil des kompakten Laserstrahlgenerators verloren geht. Bezugszeichen 12, 28 zeigen Lichtkontrastmuster, die durch Beobachten der lateralen Querschnittsform eines Laserstrahls an den entsprechenden Positionen erhalten werden, und ein Bezugszeichen 30 zeigt den Laserstrahl mit dominater Grundmode, der der Modensäuberung unterzogen worden ist.
US 5 181 630 A beschreibt eine Technik, die eine Modensäuberung unter Verwendung eines Modenfilters wie eines Faserkonus oder einer Faserwicklung durchführt. Die Technik der US 5 181 630 A benötigt spezielle Fasern wie den Faserkonus oder die Faserwicklung.
US 5 187 759 A offenbart einen Multimodenverstärker mit hoher Verstärkung, bei dem die Erregung von Pumpmoden in dem Kern einer Multimodenfaser gesteuert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Beschreibung offenbart eine Technik, die eine Modensäuberung ohne Verwendung einer Irisblende, eines optischen Fouriertransformationssystems, eines Vakuumbehälters oder spezieller Fasern durchführt.
Ein in der vorliegenden Beschreibung offenbarter selektiver Verstärker verstärkt einen Laserstrahl eines Teils von Moden, die in einem Mehrmodenlaserstrahl enthalten sind. Der Teil von Moden kann eine einzelne Mode oder mehrere Moden eines bestimmten Bereichs von Ordnungen sein. Dieser selektive Verstärker weist ein Oszillatorverstärkungsmedium, das zur Erzeugung des Mehrmodenlaserstrahls ausgebildet ist, ein Verstärkerverstärkungsmedium und einen Generator, der zum Erzeugen eines Erregerstrahls für eine Verstärkung ausgebildet ist, auf. Der Erregerstrahl für eine Verstärkung ist so ausgebildet, dass er einen invertierten Verteilungszustand zeigt, wenn er in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben wird. Sowohl der Mehrmodenlaserstrahl als auch der Erregerstrahl für eine Verstärkung werden in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben. Dabei ist eine Beziehung eingestellt, gemäß der eine optische Achse des Mehrmodenlaserstrahls und eine optische Achse des Erregerstrahls für eine Verstärkung übereinstimmen. Ferner ist ein effektiver Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung in dem Verstärkerverstärkungsmedium kleiner als ein effektiver Strahldurchmesser des Mehrmodenlaserstrahls in dem Verstärkerverstärkungsmedium.
Ein Laserstrahl eines Teils von Moden, die in dem Mehrmodenlaserstrahl enthalten sind, breitet sich in einem Strahlbereich des Erregerstrahls für eine Verstärkung aus, und daher wird der Laserstrahl des Teils von Moden effektiv verstärkt. Eine Laserstrahl mit Moden höherer Ordnung, die in dem Mehrmodenlaserstrahl enthalten sind, breitet sich außerhalb des Strahlbereichs des Erregerstrahls für eine Verstärkung aus, und daher wird der Laserstrahl mit Moden höherer Ordnung kaum verstärkt. Es wird eine selektive Verstärkung erhalten.
Der hierin beschriebene effektive Strahldurchmesser bezeichnet einen Strahldurchmesser, bei dem 99% der optischen Leistung des Strahls innerhalb des Durchmessers enthalten sind. Wenn der Erregerstrahl für eine Verstärkung ein Laserstrahl mit einer Mode hoher Ordnung ist, ist der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung im Wesentlichen gleich 1/e² Strahldurchmesser. Bezüglich des Laserstrahls der Grundmode, der in dem Mehrmodenlaserstrahl enthalten ist, wird der effektive Strahldurchmesser des Laserstrahls der Grundmode π×1/e² Strahldurchmesser (siehe S. 666 von LASERS, A. E. Siegman, University Science Books, 1986). Wenn 1/e² Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung kleiner ist als π×1/e² Strahldurchmesser des Laserstrahls der Grundmode, wird ein Laserstrahl mit einer verstärkten Intensität in der Grundmode von dem Verstärkerverstärkungsmedium ausgegeben. Durch Auswahl von 1/e² Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung kann ein Teil von Moden, der zu verstärken ist, ausgewählt werden.
Das Oszillatorverstärkungsmedium und das Verstärkerverstärkungsmedium können separate Bauteile sein, sie können jedoch auch ein integrales Bauteil sein. Ein Teil eines Verstärkungsmediums kann als das Oszillatorverstärkungsmedium verwendet werden, und ein anderer Teil desselben kann als das Verstärkerverstärkungsmedium verwendet werden. Dabei sind das Oszillatorverstärkungsmedium und das Verstärkerverstärkungsmedium integriert.
Die optische des Mehrmodenlaserstrahls und die optische Achse des Erregerstrahls für eine Verstärkung müssen nicht übereinstimmen, Ausbreitungsrichtungen desselben können jedoch in einer selben Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Beispielsweise kann eine Beziehung gegeben sein, gemäß der das Verstärkerverstärkungsmedium mit einem Paar von parallelen Endflächen versehen ist und der Mehrmodenlaserstrahl von einer Endfläche aus in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben werden kann und der Erregerstrahl für eine Verstärkung von der anderen Endfläche aus in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben werden kann.
Der Mehrmodenlaserstrahl kann sich in demVerstärkerverstärkungsmedium nur in einer Richtung ausbreiten, oder er kann in demselben hin und zurück laufen. Der Erregerstrahl für eine Verstärkung kann ebenfalls in einer Richtung durch das Verstärkerverstärkungsmedium laufen, er kann hin und zurück laufen, oder er kann mehrere Male hin und her laufen. Der Erregerstrahl für eine Verstärkung kann von der zuvor erwähnten einen Endfläche emittiert werden, oder er kann von der zuvor erwähnten anderen Endfläche emittiert werden. Ein optisches System, das den Erregerstrahl für eine Verstärkung, der von dem Verstärkerverstärkungsmedium emittiert wurde, erneut zu dem Verstärkerverstärkungsmedium zurücklenkt, kann ebenfalls vorgesehen sein.
Der verstärkte Laserstrahl kann von der zuvor erwähnten anderen Endfläche emittiert werden, oder er kann von der zuvor erwähnten einen Endfläche emittiert werden.
Wenn der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung in dem Verstärkerverstärkungsmedium kleiner oder gleich einem effektiven Strahldurchmesser des Laserstrahls in der Grundmode ist, kann ein Laserstrahl, der die Grundmode selektiv verstärkt hat, ausgegeben werden.
Wenn der effective Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung in dem Verstärkerverstärkungsmedium kleiner als ein effektiver Strahldurchmesser des Mehrmodenlaserstrahls in dem Verstärkerverstärkungsmedium ist, wird ein Laserstrahl mit einem Teil von Moden, die in dem Mehrmodenlaserstrahl enthalten sind, verstärkt. Eine Mode niedriger Ordnung oder Moden mit einem effektiven Strahldurchmesser, der kleiner oder gleich dem effektiven Strahldurchmesser des Erregerstrahls zur Verstärkung ist, wird bzw. werden selektiv verstärkt.
Beispielsweise kann ein Fall auftreten, in dem ein Laserstrahl mit einer Ordnung TEM_nm (dabei beginnen n und m bei 0. Eine Mode mit größeren Werten von n, m ist eine Mode höherer Ordnung) verstärkt werden muss. In diesem Fall kann der Laserstrahl mit der Ordnung (n, m) ausgewählt und verstärkt werden, indem eine Strahlraumverteilung des Laserstrahls in der Mode der Ordnung (n, m) in dem Verstärkerverstärkungsmedium und eine Strahlraumverteilung des Erregerstrahls für eine Verstärkung in dem Verstärkerverstärkungsmedium so ausgebildet sind, dass sie miteinander überlappen. Beispielweise kann, da eine Mode TEM₀₀ eine Gaußsche Grundmode (im Folgenden „Grundmode‟) wird, dieser durch einen Erregerstrahl für eine Verstärkung mit einem hellem Zentrum und einer kreisförmigen lateralen Querschnittsform verstärkt werden. In einer Mode TEM₀₁ weist diese eine Strahlraumverteilung mit einem lateralen Querschnitt in Ringform auf. In diesem Fall kann sie durch einen Erregerstrahl für eine Verstärkung mit einer ringförmigen lateralen Querschnittsforn verstärkt werden.
Ein Kontrast zwischen einer Mode einer benötigten Ordnung und Moden mit Ordnungen, die nicht benötigt werden, kann durch Verstärken der Mode der benötigten Ordnung und Nichtverstärken der Moden mit den Ordnungen, die nicht benötigt werden, erhöht werden. Dies ist äquivalent zu einer Säuberung des Laserstrahls. Ein modengesäuberter Laserstrahl kann durch selektives Verstärken einer spezifischen Mode des Laserstrahls, in dem mehrere Moden gemischt sind, erhalten werden. Das heißt, zum Erhalten eines Laserstrahls mit einer dominanten Mode TEM₀₀ aus dem Mehrmodenlaserstrahl kann ein Zentrum des Mehrmodenlaserstrahls selektiv verstärkt werden. Zum Erhalten eines Laserstrahls mit einer dominanten Mode TEM₀₁ aus dem Mehrmodenlaserstrahl kann der Mehrmodenlaserstrahl durch einen ringförmigen Erregerstrahl für eine Verstärkung erregt werden.
Materialien und Zusammensetzungen des Oszillatorverstärkungsmediums und des Verstärkerverstärkungsmediums sind nicht besonders beschränkt, solange sie einen invertierten Verteilungszustand und eine induzierte Emission aufweisen. Beispielsweise können sie Festkörper wie ein Monokristall oder eine polykristalline Keramik sein. Eine Verwendung eines Festkörperverstärkungsmediums kann die Konfiguration der Vorrichtung vereinfachen. Ferner kann derselbe Effekt bei einer optischen Parameterlichtverstärkung unter Verwendung eines nichtlinearen optischen Mediums erwartet werden.
Gemäß der in der vorliegenden Beschreibung offenbarten Technik kann ein Laserstrahl mit einer dominanten spezifischen Mode oder dominanten spezifischen Moden erhalten werden, und eine Qualität des Laserstrahls kann verbessert werden. Beispielsweise wird eine Leistung pro Flächeneinheit des Laserstrahls bei verschiedene Anwendungen, beispielsweise Laserbearbeitungsvorrichtungen, Laserzündvorrichtungen für Brennkraftmaschinen, Terahertzwellengeneratoren, nichtlinearen Wellenlängenmodulationsvorrichtungen für Hochfrequenzwellenerzeugung und Parametererzeugung, Messvorrichtungen oder medizinischen Vorrichtungen, erhöht. Alternativ dazu kann eine für eine optische Kommunikation zur Verfügung stehende Informationskapazität erhöht werden.
Ein Verstärker gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Merkmale des Patentanspruchs 1 auf. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Figurenliste

1 zeigt eine konventionelle Vorrichtung zur Auswahl einer Grundmode;
2 zeigt eine andere konventionelle Vorrichtung zur Auswahl der Grundmode;
3(a) und 3(b) zeigene selektive Verstärker einer Ausführungsform 1;
4(a) und 4(b) zeigen selektive Verstärker einer Ausführungsform 2;
5 zeigt einen selektiven Verstärker einer Ausführungsform 3;
6 zeigt einen selektiven Verstärker einer Ausführungsform 4;
7 zeigt einen selektiven Verstärker einer Ausführungsform 5;
8 zeigt einen selektiven Verstärker einer Ausführungsform 6;
9 zeigt einen selektiven Verstärker einer Ausführungsform 7;
10 zeigt eine Verstärkervorrichtung, die bei dem selektiven Verstärker der Ausführungsform 7 verwendet wird;
11 zeigt eine Verstärkervorrichtung, die bei dem selektiven Verstärker der Ausführungsform 7 verwendet wird;
12 zeigt eine Beziehung zwischen einem Mehrmodenlaserstrahl und einem Erregerstrahl für eine Verstärkung bezüglich ihrer Abstände von einer optischen Achse und ihrer Intenistäten;
13 zeigt eine Beziehung zwischen einer Dauer des Erregerstrahls für eine Verstärkung und einem Verstärkungsfaktor desselben;
14 zeigt die Dauer des Erregerstrahls für eine Verstärkung und Strahlprofile nach einer selektiven Verstärkung;
15(a) bis 15(c) zeigen die Dauer des Erregerstrahls für eine Verstärkung und die Strahlprofile nach der selektiven Verstärkung;
16(A) und 16(B) zeigen die Strahlprofile vor und nach der selektiven Verstärkung;
17 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verstärkungsfaktor und einem Kontrast;
18 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verstärkungsfaktor und dem Strahldurchmesser eines selektiv verstärkten Laserstrahls.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG
Einige Merkmale von im folgenden beschriebenen Ausführungsformen werden aufgeführt.
(Merkmal 1) Ein Mehrmodenlaserstrahl kann in einer Richtung durch ein Verstärkerverstärkungsmedium laufen (gehen).
(Merkmal 2) Der Mehrmodenlaserstrahl kann durch das Verstärkerverstärkungsmedium hin und zurück laufen
(Merkmal 3) Ein Erregerstrahl für eine Verstärkung kann in einer Richtung durch ein Verstärkerverstärkungsmedium laufen (gehen).
(Merkmal 4) Der Erregerstrahl kann durch das Verstärkerverstärkungsmedium hin und zurück laufen.
(Merkmal 5) Der Mehrmodenlaserstrahl und der Erregerstrahl für eine Verstärkung können von einer selben Oberfläche aus eingegeben werden.
(Merkmal 6) Der Mehrmodenlaserstrahl und der Erregerstrahl für eine Verstärkung können von gegenüberliegenden Oberflächen aus in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben warden.
(Merkmal 7) Gemäß Definitionen werden ein Strahlradius w und ein Strahldurchmesser 2×w des Laserstrahls als zweite Momente in einer Lichtintensitätspezialverteilung definiert. Somit wird der Strahlradius des Laserstrahls in der Grundmode w, wenn eine Lichtintensität an einer Position, die in einer radialen Richtung einen Abstand w von einer optischen Achse entfernt ist, bezüglich einer Lichtintensität dieses Grundmodenlaserstrahls auf der optischen Achse 1/e² ist. In diesem Fall wird w als 1/e²-Radius bezeichnet, der effektive Strahlradius ist gleich 1/e²-Radius, und der effektive Strahldurchmesser ist gleich 1/e²-Durchmesser.
Im Falle einer Gaußschen Grundmode wird jedoch eine Lichtintensitätsverteilung des Laserstrahls in Bereichen, die sich über den 1/e²-Radius von der optischen Achse erstrecken, nicht sofort Null, und weist stattdessen eine Gaußverteilung auf. Wenn beispielsweise der Grundmodenlaserstrahl durch ein feines Loch mit einem Durchmesser von 2×w geht, geht ein nicht unerheblicher Teil seiner Komponenten verloren. Ein Durchmesser einer Öffnung, die benötigt wird, damit 99% der optischen Leistung erhalten wird, wird π×w (siehe S. 666 von LASERS, A. E. Siegman, University Science Books, 1986). Bei dem Laserstrahl der Gaußmode ist der effektive Strahldurchmesser gleich π×w (π×1/e²-Durchmesser).
Bei einer Laserstrahlverstärkung kann Licht mit einer Mode höherer Ordnung (mit anderen Worten, mit einer niedrigen Strahlqualität) zur Verstärkung einer spezifischen Mode zum Erhalten eines Laserstrahls mit hoher Qualität verwendet werden. Das heißt, ein Laserstrahl mit Moden höherer Ordnung kann als der Erregerstrahl für eine Verstärkung verwendet werden. In Fällen mit Licht von Moden höherer Ordnung weist dessen Grenze einer Intensitätverteilung eine rasche Änderung auf, und somit fällt die Lichtintensität dramatisch ab, anstatt wie bei der Grundmode bei dem 1/e²-Radius ein Gefälle aufzuweisen, im Einklang mit der Definition des zweiten Moments (siehe C21 oder C22 in 12).
Aus den obigen Feststellungen ergibt sich, dass ein effektiver Strahldurchmesser des Grundmodenlaserstrahls, wie er hierin beschrieben ist, einen Durchmesser (π×w) mit 99% einer Grundmodenkomponente bezeichnet. Diesbezüglich ist ein effektiver Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung im Wesentlichen gleich dem 1/e²-Durchmesser. Wenn der effektive Strahldurchmesser (1/e²-Durchmesser) des Erregerstrahls für eine Verstärkung 2.15×w (w=1/e²-Durchmesser des Grundmodenlaserstrahls) ist, ist der effektive Strahldurchmesser (2.15×w) des Erregerstrahls für eine Verstärkung kleiner als der effektive Strahldurchmesser (3.14×w) des Grundmodenlaserstrahls, was zur Folge hat, dass die Grundmode selektiv verstärkt wird.
(Merkmal 8) Der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung kann auf 2.3 ×w (w=1/e²-Durchmesser des Grundmodenlaserstrahls) oder weniger eingestellt werden. Dadurch kann im Wesentlichen derselbe Kontrast wie für den Fall des Merkmals 7 erhalten werden.
(Merkmal 9) Der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung kann auf 1.43×w (w=1/e²-Durchmesser des Grundmodenlaserstrahls) eingestellt werden. Der effektive Strahldurchmesser (1.43×w) des Erregerstrahls für eine Verstärkung ist kleiner als der effektive Strahldurchmesser (3.14×w) des Grundmodenlaserstrahls, was zur Folge hat, dass die Grundmode selektiv verstärkt werden kann.
(Merkmal 10) Der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für die Verstärkung kann auf 1.57×w (w=1/e²-Durchmesser des Grundmodenlaserstrahls) oder weniger bezüglich des effektiven Strahldurchmessers (3.14×w) des Grundmodenlaserstrahls eingestellt werden. Dadurch kann im Wesentlichen derselbe Kontrast wie für das Merkmal 9 erhalten werden.
(Merkmal 11) Ein gepulster Mehrmodenlaserstrahl kann in einem Zustand, in dem das Verstärkerverstärkungsmedium unter Verwendung des gepulsten Erregerstrahls für eine Verstärkung erregt wird, in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben werden.
(Merkmal 12) Ein Verstärkungsfaktor der Verstärkung kann 2 oder mehr betragen.
Ausführungsformen
(Selektiver Verstärker der Ausführungsform 1)
In den 3(a) und 3(b) ist das Bezugszeichen 2 eine Halbleiterlaservorrichtung, die zum Emittieren eines Erregerstrahls 4 für eine Oszillation ausgebildet ist. Ein Bezugszeichen 6 ist ein Oszillatorverstärkungsmedium, das zum Emittieren eines Mehrmodenlaserstrahls 8, wenn der Erregerstrahl 4 für eine Oszillation eingegeben und erregt wird (mit einem darin ausgebildeten invertierten Verteilungszustand), ausgebildet ist.
Eine linke Endfläche des Oszillatorverstärkungsmediums 6 ist mit einem Film beschichtet, der den Erregerstrahl 4 für eine Oszillation nicht reflektiert, den Laserstrahl 8 jedoch reflektiert. Ein Bezugszeichen 52 ist ein Spiegel, der zum Reflektieren des Erregerstrahls 4 für eine Oszillation und Reflektieren eines Teils des Laserstrahls 8, jedoch nicht eines anderen Teils des Laserstrahls 8 ausgebildet ist. Ein Laseroszillationssystem wird von der linken Endfläche des Oszillatorverstärkungsmediums und dem Spiegel 52 ausgebildet. Der Laserstrahl 8 breitet sich von dem Spiegel 52 aus nach rechts aus. Der Laserstrahl 8 ist ein Mehrmodenlaserstrahl. Ein PBS (Polarisationsstrahlteiler) 50 ist in das Laseroszillationssystem eingesetzt, und der Mehrmodenlaserstrahl 8, der von einer λ/2-Platte 54 aus nach rechts läuft, ist linear polarisiert. Ein Bezugszeichen 8α gibt an, dass eine Polarisationsebene vertikal zu einer Blattoberfläche ist. Eine rechte Endfläche des Oszillatorverstärkungsmediums 6 ist mit einem Film beschichtet, der weder den Erregerstrahl 4 für die Oszillation, noch den Laserstrahl 8 reflektiert, und der PBS 50 besteht aus einem Material, das weder den Erregerstrahl 4 für eine Oszillation, noch den Laserstrahl 8 reflektiert. Die rechte Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 6 kann mit einem Film beschichtet sein, der den Erregerstrahl 4 für eine Oszillation reflektiert, jedoch nicht den Laserstrahl 8, wobei dann die Reflexionsfähigkeit des PBS 50 und des Spiegels 52 im Hinblick auf den Erregerstrahl 4 für eine Oszillation nicht beschränkt ist.
Ein PBS 56 und ein PBS 58 reflektieren den Laserstrahl 8, dessen Polarisationsebene vertikal zu der Blattoberfläche ist. Der Laserstrahl 8 geht durch eine λ/4-Platte 60 und wird in ein Verstärkerverstärkungsmedium 62 eingegeben.
Ein Bezugszeichen 32 ist eine Halbleiterlaservorrichtung, die zum Emittieren eines Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung ausgebildet ist, und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung wird in das Verstärkerverstärkungsmedium 62 eingegeben. Der Laserstrahl 8 und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung werden von gegenüberliegenden Endflächen aus in einem Zustand, in dem ihre optischen Achsen miteinander übereinstimmen, in das Verstärkerverstärkungsmedium 62 eingegeben.
Eine linke Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 62 ist mit einem Film beschichtet, der so ausgebildet ist, dass er den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung nicht reflektiert, jedoch den Laserstrahl 8 reflektiert, und eine rechte Endfläche desselben ist mit einem Film beschichtet, der zum Reflektieren des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung, jedoch nicht des Laserstrahls 8 ausgebildet ist. Der Laserstrahl 8 läuft in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 hin und zurück, indem er an der linken Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 62 reflektiert wird, und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung läuft in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 hin und zurück, indem er an der rechten Endfläche des Verstärkermediums 62 reflektiert wird. Wenn der Laserstrahl 8 in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 hin und zurück läuft, läuft der Erregerstrahl 34 für die Verstärkung ebenfalls hin und zurück. Dadurch kann ein hoher Verstärkungsfaktor erhalten werden.
Eine Beziehung zwischen einem effektiven Strahldurchmesser des Grundmodenlaserstrahls 8 in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 (Ersterer) und einem effektiven Strahldurchmesser des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 (Letzterer) besteht darin, dass Ersterer größer als Letzterer ist, was im Folgenden unter Bezugnahme auf 12 beschrieben wird. Wenn sich der Mehrmodenlaserstrahl 8 in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 ausbreitet, wird eine in dem Mehrmodenlaserstrahl 8 enthaltene Grundmode selektiv verstärkt. Der verstärkte Laserstrahl 40 der Grundmode breitet sich von der rechten Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 62 aus nach rechts aus. Der Laserstrahl 8 und der Laserstrahl 40 gehen insgesamt zweimal durch die λ/4-Platte 60, und daher ist die Polarisationsebene des Laserstrahls 40, der von der λ/4-Platte 60 nach rechts läuft, um 90° gedreht. Ein Bezugszeichen 40β gibt an, dass die Polarisationsebene parallel zu der Blattoberfläche ist. Der Laserstrahl 40 (40β) mit der Polarisationebene, die parallel zu der Blattoberfläche ist, verläuft geradlinig, ohne von dem PBS 58 reflektiert zu werden. Der Laserstrahl 40 (40β), der von dem PBS 58 nach rechts läuft, ist ein Laserstrahl, in dem die Grundmode, die in dem Mehrmodenlaserstrahl 8 enthalten ist, selektiv verstärkt worden ist. Die in den 3(a) und 3(b) gezeigte Vorrichtung gibt den Laserstrahl 40 (40β) aus, bei dem lediglich die Grundmode, die in dem Mehrmodenlaserstrahl 8 enthalten ist, selektiv verstärkt worden ist.
Wie in 3(b) gezeigt, kann ein Teil eines Verstärkerverstärkungsmediums 5 als das Oszillatorverstärkungsmedium 6 verwendet werden, und ein anderer Teil desselben kann als das Verstärkerverstärkungsmedium 62 verwendet werden. Das heißt, das Oszillatorverstärkungsmedium 6 und das Verstärkerverstärkungsmedium 62 können integriert sein.
(Ausführungsform 2)
Selektive Verstärker einer Ausführungsform 2, die in 4(a) und 4(b) gezeigt ist, weisen jeweils einen sättigbaren Absorber 64 auf, der zur Funktion als ein Q-Schalter ausgebildet ist, der in ein Laseroszillationssystem eingesetzt ist, das aus der linken Endfläche des Oszillatorverstärkungsmediums 6 und einem Spiegel ausgebildet ist, und ein gepulster Laserstrahl 8A wird von einer rechten Endfläche des sättigbaren Absorbers 64 emittiert. Bei dieser Ausführungsform ist ein Film, der dem Spiegel 52 in 3(a) und 3(b) entspricht, auf die rechte Endfläche des sättigbaren Absorbers 64 aufgebracht. Bauteile, die bereits erläutert wurden, werden mit denselben Bezugszeichen versehen, und eine doppelte Beschreibung derselben wird weggelassen.
Ein Halbleiterlaservorichtung 32A wird durch eine gepulste Spannung betrieben und erzeugt einen gepulsten Erregerstrahl 34A für eine Verstärkung. Der gepulste Erregerstrahl 34A für eine Verstärkung wird in das Verstärkerverstärkungsmedium 62 eingegeben. Eine Pulsbreite (Dauer) des gepulsten Laserstrahls 8A ist im Vergleich zu einer Pulsbreite (Dauer) des gepulsten Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung kurz. Ferner kann eine Zeitdauer von einer Erregungsstartzeit des gepulsten Erregerstrahls 34A für eine Verstärkung bis zu einem Abfall des Transmissionsgrads des sättigbaren Absorbers 64 gesteuert werden. Die Erregung wird durch den gepulsten Erregerstrahl 34 für eine Vestärkung gestartet, durch den in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 der invertierte Verteilungszustand erzeugt wird, und dann wird der gepulste Laserstrahl 8A in einem Zustand, der den invertierten Verteilungszustand aufweist, eingegeben, um eine induzierte Emission für eine Verstärkung zu bewirken. Ein stärkerer invertierter Verteilungszustand wird bei einem größeren Zeitunterschied zwischen einer Erregungsstartzeit des gepulsten Erregerstrahls 34A für eine Verstärkung und einer Eingabezeit des gepulsten Laserstrahls 8A ausgebildet, und ein Verstärkungsfaktor der Verstärkung wird höher. Der Verstärkungsfaktor bezeichnet hierin einen Wert, der durch Teilen einer Energie des verstärkten Laserstrahls durch eine Energie des Grundmodenlaserstrahls vor der Verstärkung erhalten wird. Ein zusätzlicher Buchstabe „A“ in 4(a) und 4(b) zeigt an, dass der Strahl gepulst ist.
Bei dieser Ausführungsform wird der Verstärkungsfaktor gemessen, während die Zeitdifferenz zwischen der Erregungstartzeit des gepulsten Erregerstrahls 34A für eine Verstärkung und der Eingabezeit des gepulsten Laserstrahls 8 geändert wird. Dazu wird der sättigbare Absorber 64, dessen Transmissionsgrad bei externer Stimulierung abfällt, verwendet. Das heißt, es wird ein aktiver Q-Schalter verwendet. Bei einer praktischen Implementierung kann alternativ ein sättigbarer Absorber 64, der als passiver Q-Schalter arbeitet, verwendet werden.
Wie in 4 (b) gezeigt, kann auch bei dieser Ausführungsform ein Teil des Verstärkungsmediums 5 als das Oszillatorverstärkungsmedium 6 verwendet werden und ein anderer Teil desselben kann als das Verstärkerverstärkungsmedium 62 verwendet warden. Das heißt, das Oszillatorverstärkungsmedium 6 und Verstärkerverstärkungsmedium 62 können integriert sein.
Ein experimentelles Ergebnis, das unter Verwendung der Ausführungsformen, die in 4(a) und 4(b) gezeigt sind, erhalten wird, wird im Folgenden erläutert.
Eine Kurve C1 in 12 zeigt ein Strahlprofil des Laserstrahls 8, der sich in dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 ausbreitet, wobei eine horizontale Achse einen Abstand von der optischen Achse angibt und eine vertikale Achse die Lichtintensität pro Flächeneinheit ist. Eine Lichtintensität pro Flächeneinheit definiert einen Wert auf der optischen Achse als 1.00. Ein Durchmesser φ1, der in der Zeichnung gezeigt ist, ist ein Durchmesser, in dem 99% der Grundmodenkomponente enthalten sein muss, was bei diesen Ausführungsformen 2040µm war.
Es können mehrere Arten von Verfahren zum Definieren des Strahldurchmessers verwendet werden. Eine Messung des 1/e²-Radius wird durch die ISO für den Gaußschen Grundstrahl empfohlen, und auf dem technischen Gebiet wird dies als Standard betrachtet. Der 1/e²-Radius ist ein Abstand einer Position von der optischen Achse des Laserstrahls, bei der die Lichtintensität pro Flächeneinheit an der Position 1/e² der Lichtintensität pro Flächeneinheit auf der optischen Achse wird. Bei den vorliegenden Ausführungsformen war der der 1/e²-Radius 650µm. Die Grundmodenkomponente ist zu dem Äußeren des 1/e²-Radius hin verteilt, und der Radius, der 99% der Grundmodenkomponente enthält, ist größer als der 1/e²-Radius. Ein effektiver Strahldurchmesser φ1 mit 99% der Grundmodenkomponente weist eine Beziehung π×(1/e²-Radius) auf. Bei den vorliegenden Ausführungsformen wird zuerst der 1/e²-Radius gemessen, und dann wird der effektive Strahldurchmesser (φ1) der Grundmode erhalten. Das Vorliegen der Beziehung φ1=π×(1/e²-Radius) ist in LASERS, A. E. Siegman, University Science Books, 1986 beschrieben.
Eine Kurve C21 in 12 zeigt ein Strahlprofil eines ersten Erregerstrahls für eine Verstärkung, der in einem ersten Experiment verwendet wird. Bei diesem Experiment wird eine optische Faser mit einem Durchmesser von 900 Mikrometer zwischen der Halbleiterlaservorrichtung 32, die den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung emittiert, und dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 verwendet, und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung, der durch die optische Faser geführt wird, wird durch ein vergrößerndes optisches System in das Verstärkerverstärkungsmedium 62 eingegeben. Das Strahlprofil, das durch die optische Faser geleitet wird, weist keine Gaußverteilung auf, sondern nimmt an einer Position, die einen vorbestimmten Abstand von der optische Achse entfernt ist, rasch ab. Ein Durchmesser φ21 mit 99% des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung war 1400µm. Das heißt, während der effektive Strahldurchmesser des Grundmodenlaserstrahls π×w ist, war ein effektiver Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung als 2.15×w.definiert.
Der effektive Strahldurchmesser φ21 (1400µm) des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung, der in dem Experiment verwendet wurde, ist schmaler als der effektiven Strahldurchmeser φ1 (2040µm) des Grundmodenlaserstrahl. In diesem Fall wird ein Laserstrahl in dem Grundmodenlaserstrahl, der innerhalb des effektiven Strahldurchmessers φ21 des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung vorhanden ist, selektiv verstärkt.
In einem zweiten Experiment, das im Folgenden beschrieben wird, wird eine optische Faser mit einem Durchmesser von 600 Mikrometer zwischen der Halbleiterlaservorrichtung 32 und dem Verstärkerverstärkungsmedium 62 verwendet, und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung, der durch diese optische Faser geführt wird, wird durch das vergrößernde optische System in das Verstärkerverstärkungsmedium 62 eingegeben. Eine Kurve C22 in 12 zeigt ein Strahlprofil eines zweiten Erregerstrahls für eine Verstärkung, der in dem zweiten Experiment verwendet wurde. Ein Durchmesser φ22 mit 99% des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung war 930µm. Das heißt, während der effektive Strahldurchmesser des Grundmodenlaserstrahls π×w ist, wurde ein effektiver Strahldurchmesser des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung als 1.43×w definiert. Der effektive Strahldurchmesser φ22 (930µm) des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung, der in dem zweiten Experiment verwendet wurde, ist schmaler als der effektive Strahldurchmesser φ1 (2040µm) des Grundmodenlaserstrahls. Dadurch wird ein Laserstrahl in dem Grundmodenlaserstrahl, der innerhalb des effektiven Strahldurchmessers φ22 des Erregerstrahls für eine Verstärkung vorhanden ist, selektiv verstärkt.
13 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verstärkungsfaktor und der Zeitdifferenz (Erregungsdauer) zwischen der Erregunsgstartzeit des gepulsten Erregerstrahls 34A für eine Verstärkung und der Eingabezeit des gepulsten Laserstrahls 8A. Eine Kurve C4 zeigt ein Messergebnis für einen Fall, in dem der Durchmesser φ22 des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung 930µm ist, und eine Kurve C5 zeigt ein Messergebnis für einen Fall, in dem der Durchmesser φ21 des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung 1400µm ist. Da der Fall φ22=930µm (Kurve C4) offenbar eine höhere Lichtintensität pro Flächeneinheit aufweist als der Fall φ21=1400µm (Kurve C5), ist der Verstärkungsfaktor ebenfalls höher. Wie aus den Kurven C4, C5 ersichtlich ist, nimmt der Verstärkungsfaktor mit längerer Erregungsdauer zu. Der invertierte Verteilungszustand bildet sich während der Erregungsdauer aus. Wenn die Erregungsdauer eine Lebensdauer eines hohen Niveaus erreicht, bildet sich der invertierte Verteilungszustand nicht weiter aus, und der Verstärkungsfaktor erreicht so eine Sättigung.
14 zeigt ein Ergebnis eines Erfassens einer lateralen Querschnittsform des verstärkten Laserstrahls 40A durch eine CCD- Kamera nach einer selektiven Verstärkung unter Verwendung des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung mit dem Durchmesser φ21 von 1400µm. t_p in der Zeichnung gibt die Zeitdifferenz zwischen der Erregungsstartzeit des gepulsten Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung und der Eingabezeit des gepulsten Laserstrahls 8A (das heißt, die Erregungsdauer) an. Eine längere Erregungsdauer t_p führt zu einem größeren Verstärkungsfaktor.
15(a) zeigt ein Ergebnis eines Erfassens der lateralen Querschnittsform des verstärkten Laserstrahls 40A durch die CCD-Kamera nach der selektiven Verstärkung unter Verwendung des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung mit dem Durchmesser φ22 von 930µm. 15(b) zeigt eine laterale Querschnittsform des Mehrmodenlaserstrahls 8A, wenn t_p Null ist (das heißt, vor der Verstärkung) und ein Laserstrahl 154 mit einer Mode hoher Ordnung um eine Region 152 hoher Intensität bei einem Zentrum vorhanden ist. 15(c) zeigt eine laterale Querschnittsform des verstärkten Laserstrahls 40A, wenn t_p 500µsec ist (mit einem Verstärkungsfaktor von 3.2 gemäß 13). Die Strahlfläche 154 der Mode hoher Ordnung, die in 15(b) vorhanden war, ist verschwunden, und daraus ist ersichtlich, dass eine Säuberung hinsichtlich der Moden hoher Ordnung durchgeführt worden ist. Ferner ist eine Größe einer Region 156 hoher Intensität im Zentrum kleiner als 152 in 15(b). Dies entspricht der Tatsache, dass die Komponente der Mode hoher Ordnung, die in einem Außenbereich der Kurve C1 in 12 enthalten war, entfernt worden ist. Wie aus 15(b), 15(c) ersichtlich ist, wird die Modensäuberung durch die selektive Verstärkung verbessert. Ferner ist aus den Änderungen von t_p in 14 und 15(a) ersichtlich, dass die Modensäuberung mit größeren Verstärkungsfaktoren für die Verstärkung effizienter wird. Ferner ist aus 13 und einem Vergleich von 14 und 15 (a) ersichtlich, dass die Modensäuberung mit schmalerem effektiven Strahldurchmesser für den Erregerstrahl für eine Verstärkung effizienter wird. Zum selektiven Extrahieren lediglich der Grundmode ist es vorteilhaft, den effektiven Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung zu verschmälern und den Verstärkungsfaktor zu erhöhen.
16(A) und 16(B) zeigen die Strahlprofile des Laserstrahls vor und nach der Verstärkung. 16(A) zeigt Fälle, in denen der Durchmesser φ21 des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung 1400µm ist, und 16(B) zeigt Fälle, in denen der Durchmesser φ22 des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung 930µm ist. Eine Kurve C1 zeigt das Strahlprofil des Laserstrahls 8 vor der selektiven Verstärkung und ist gleich der Kurve C1 in 12. C7 bis C9 und C10 bis C12 zeigen die Strahlprofile des Laserstrahls 40A nach der selektiven Verstärkung. Der Verstärkungsfaktor ist für die Kurven C7 bis C9 und C10 bis C12 unterschiedlich. Durch die selektive Verstärkung gehen Kurven in den Außenbereichen zu Kurven über, die abnehmen, wenn der Abstand von der Strahlachse zunimmt. Die äußere Kurve von C1 nimmt nicht stetig ab, wenn der Abstand zunimmt, während die äußeren Kurven von C7 bis C9 und C10 bis C12 stetig abnehmen, wenn der Abstand zunimmt. Dies entspricht der Kontraktion der Region 152 hoher Intensität zu 156 in 15(b) und 15(c). Diese Änderung wird ausgeprägter, wenn der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung schmaler wird und der Verstärkungsfaktor zunimmt.
Der Kontrast wurde anhand der Graphen in 16(A) und 16(B) gemessen. Der Kontrast wurde definiert als „Intensität pro Flächeneinheit des Laserstrahls vor der selektiven Verstärkung/ Intensität pro Flächeneinheit des Laserstrahls nach der selektiven Verstärkung“ an einer Position (Position C6), an der ein erster Peak ausserhalb der optischen Achse in dem Strahlprofil C1 des Laserstrahls vor der selektiven Verstärkung auftritt. In dem Graphen in 16(A) nimmt der Kontrast von 5 auf 16.7 zu, wenn der Verstärkungsfaktor von 1.95 auf 2.92 zunimmt. Für den Fall, in dem der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung bezüglich des effektiven Strahldurchmessers (π×w) des Grundmodenlaserstrahls auf 2.15×w eingestellt ist, wird der Kontrast deutlich, indem der Verstärkungsfaktor auf größer gleich 2 eingestellt wird. Für einen Fall, in dem der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung auf 2.3×w eingestellt wird, wird der Kontrast ebenfalls deutlich, wenn der Verstärkungsfaktor auf größer gleich 2 eingestellt wird.
In dem Graphen in 16(B) nimmt der Kontrast von 5 auf 250 zu, wenn der Verstärkungsfaktor von 2.34 auf 3.32 erhöht wird. Für den Fall, in dem der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung auf 1.43×w bezüglich des effektiven Strahldurchmesser (π×w) des Grundmodenlaserstrahls eingestellt wird, wird der Kontrast sehr deutlich, wenn der Verstärkungsfaktor größer gleich 2 eingestellt wird. Für einen Fall, in dem der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung auf 1.57×w eingestellt wurde, wurde der Kontrast ebenfalls erheblich deutlicher, wenn der Verstärkungsfaktor größer gleich 2 eingestellt wurde.
17 zeigt eine Beziehung zwischen dem Verstärkungsfaktor und dem Kontrast. Eine vertikale Achse in 17 gibt den Kontrast wie oben angegeben an und bedeutet, dass der Kontrast zur oberen Seite hin deutlicher wird. Da ein in dem Experiment verwendeter Strahl nicht notwendigerweise bilateral symmetrisch ist, wurden Messungen sowohl für die linke als auch die rechte Seite der optischen Achse ausgeführt. Eine Kurve C16 zeigt einen Kontrast auf der rechten Seite, der mit dem Erregererstrahl für eine Verstärkung von 930µm erhalten wurde, und dieser Kontrast wird zusammen mit der Zunahme des Verstärkungsfaktors deutlicher. Eine Kurve C14 zeigt einen Kontrast auf der linken Seite an, der durch den Erregerstrahl mit 930µm erhalten wird, und dieser Kontrast wird zusammen mit der Erhöhung des Verstärkungsfaktors deutlicher. Eine Kurve C15 zeigt einen Kontrast auf der rechten Seite, der durch einen Erregerstrahl für eine Verstärkung mit 1400µm erhalten wurde, und dieser Kontrast wird zusammen mit der Zunahme des Verstärkungsfaktors deutlicher. Eine Kurve C13 zeigt einen Kontrast auf der linken Seite, der mit dem Erregerstrahl für eine Verstärkung mit 1400µm erhalten wurde, und dieser Kontrast wird mit der Zunahme des Verstärkungsfaktors deutlicher. Aus einem Vergleich von C15, C16 und einem Vergleich von C13 und C14 ist offensichtlich, dass der Kontrast bei demselben Verstärkungsfaktor mit schmalerem Durchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung deutlicher wird.
18 zeigt den Durchmesser des Laserstrahls 40A nach der selektiven Verstärkung. Kurven C17 und C18 zeigen den 1/e²-Durchmesser. Auf der anderen Seite zeigen Kurven C19 und C20 einen Mesialdurchmesser. Der Mesialdurchmesser ist ein Durchmesser, bei dem die Lichtintensität pro Flächeneinheit eine Mesialgröße der Lichtintensität auf der optischen Achse aufweist. Die Kurven C17 und C19 zeigen den Fall für den Erregerstrahl für eine Verstärkung mit 1400µm, und die Kurven C18 und C20 zeigen den Fall für den Erregerstrahl für eine Verstärkung mit 930µm. Der selektiv verstärkte Laserstrahl ist stärker um die optische Achse konzentriert, wenn der Erregerstrahl für eine Verstärkung schmaler und der Verstärkungsfaktor höher ist, was dazu führt, dass Moden höherer Ordnung entfernt werden.
(Ausführungsform 3)
Bei einer Ausführungsform 3, die in 5 gezeigt ist, geht der Laserstrahl 8, 40 ledigleich einmal durch ein Verstärkerverstärkungsmedium 38. In diesem Fall kann eine Konfiguration der Vorrichtung vereinfacht werden.
Wellenlängen des Erregerstrahls 4 für eine Oszillation und des Laserstrahls 8 sind unterschiedlich zueinander. Eine obere Endfläche des Oszillationsverstärkermediums 6 ist mit einem Film beschichtet, der den Erregerstrahl 4 für eine Oszillation nicht reflektiert, jedoch den Laserstrahl 8 reflektiert, und eine untere Endfläche des Oszillationsverstärkermediums 6 ist mit einem Film beschichtet, der den Erregerstrahl 4 für eine Oszillation und einen Teil des Laserstrahls 8 reflektiert, jedoch ermöglicht, dass ein anderer Teil des Laserstrahls 8 durch diesen geht. Ferner sind Wellenlängen des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung und des Laserstrahls 8 ebenfalls unterschiedlich zueinander. Der Spiegel 36 reflektiert den Laserstrahl 8, jedoch nicht den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung. Eine linke Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 38 ist mit einem Film beschichtet, der weder den Laserstrahl 8, noch den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung reflektiert, und eine rechte Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 38 ist mit einem Film beschichtet, der den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung reflektiert, jedoch nicht den Laserstrahl 8. Das Laseroszillationssystem, das in dem Oszillatorverstärkungsmedium 6 vorgesehen ist, ist so ausgebildet, dass es im Wesentlichen in der Grundmode oszilliert, es wird jedoch auch ein Laserstrahl mit Moden höherer Ordnung emittiert.
Die optische Achse des Mehrmodenlaserstrahls 8 und die optische Achse des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung, die in das Verstärkerverstärkungsmedium 38 einzugeben sind, stimmen überein. Der effektive Strahldurchmesser des Laserstrahls 8 ist größer als der effektive Strahldurchmesser des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung. Innerhalb des Verstärkerverstärkungsmediums 38 wird ein Bereich, in dem der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung durchgeht, erregt und befindet sich in dem invertierten Verteilungszustand. Wenn der Laserstrahl 8 in diesem Zustand eingegeben wird, wird dadurch eine induzierte Emission erzeugt, und Licht 40 mit höherer Lichtintensität als der Laserstrahl 8 wird emittiert. Dieses Phänomen wird in einem Bereich erzeugt, in dem sowohl der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung als auch der Laserstrahl 8 eingegeben werden. Der Laserstrahl, der in dem Laserstrahl 8 innerhalb eines Durchmessers, der kleiner als der effektive Strahldurchmessers des Erregerstrahls 34 für eine Verstärkung ist, enthalten ist, wird durch den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung und das Verstärkerverstärkungsmedium 38 verstärkt. Der Laserstrahl 40, in dem eine ausgewählte Mode oder ausgewählte Moden verstärkt ist bzw. sind, wird von dem Verstärkerverstärkungsmedium 38 emittiert.
(Ausführungsform 4)
Eine Ausführungsform 4 wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben. Bei der in 6 gezeigten Ausführungsform ist eine rechte Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 42 mit einem Film beschichtet, der weder den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung, noch den Laserstrahl 8 reflektiert. Dadurch werden der selektiv verstärkte Laserstrahl 40 und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung, der einmal durch das Verstärkerverstärkungsmedium 42 gegangen ist, von der rechten Endfläche des Verstärkerverstärkungsmediums 42 emittiert. Da ein Spiegel 44 den selektiv verstärkten Laserstrahl 40, jedoch nicht den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung reflektiert, separiert dieser selektiv den verstärkten Laserstrahl 40 und den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung.
Bei einem Vergleich der Ausführungsformen 3 und 4 läuft der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung bei der Ausführungform 3 hin und zurück durch das Verstärkerverstärkungsmedium 38, während bei der Ausführungsform 4 der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung lediglich einmal in einer Richtung durch das Verstärkerverstärkungsmedium 42 geht. Mit der erstgenannten Ausführungsform bildet sich in dem Verstärkerverstärkungsmedium 38 eine starke invertierte Verteilung aus, die letzgenannte Ausführungsform erzielt jedoch eine schwache invertierte Verteilung. Die erstgenannte Ausführungsform ermöglicht eine größere Zunahme des Verstärkungsfaktors. Ferner benötigt die erstgenannte Ausführungsfonn nicht den Spiegel 44, der den selektiv verstärkten Laserstrahl 40 und den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung separiert.
(Ausführungsform5)
Bei den Ausführungsformen 3 und 4 traten der Laserstrahl 8 und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung von einer selben Richtung aus in das Verstärkerverstärkungsmedium 38 oder 42 ein, sie können jedoch auch von entgegengesetzten Richtungen aus eintreten.
Wie in 7 gezeigt, tritt der Laserstrahl 8 von einer linken Seite aus in ein Verstärkerverstärkungsmedium 46 ein, und der Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung tritt von einer rechten Seite aus in das Verstärkerverstärkungsmedium 46 ein. Da ein Spiegel 48 den Erregerstrahl 34 für eine Verstärkung, jedoch nicht den selektiv verstärkten Laserstrahl 40 reflektiert, wird auf der rechten Seite des Spiegels 48 lediglich der selektiv verstärkte Laserstrahl 40 erhalten.
(Ausführungsform 6)
Gemäß dieser Technik kann zusätzlich zu einer Säuberung der Grundmode ein Laserstrahl in einem spezifischen Ordnungsbereich TEM_nm (beginnend mit 0, wobei Moden höherer Ordnung größere Zahlenwerte für n und m aufweisen) selektiv verstärkt werden. In diesem Fall wird, wie in 8 gezeigt, ein Erregerstrahl 34B für eine Verstärkung mit einem ringförmigen lateralen Querschnitt verwendet. Wenn ein derartiger Erregerstrahl für eine Verstärkung die Ringform aufweist, kann ein Laser, der zu dem spezifischen Ordnungsbereich gehört (beispielsweise TEM₀₁*), ausgebildet und verstärkt werden.
(Ausführungsform 7)
Der selektive verstärkte Laserstrahl kann weiter verstärkt werden. 9 zeigt eine Vorrichtung, die den Laserstrahl 40, der durch den selektiven Verstärker in 3 oder 4 selektiv verstärkt wurde, in einen Verstärker 72 eingibt und einen Laserstrahl 88, der durch den Verstärker weiter verstärkt wurde, aus dem PBS 58 entnimmt. Ein Bezugszeichen 74 zeigt einen Erregerstrahl für den Verstärker, wobei eine rechte Endfläche des Verstärkers 72 mit einem Film beschichtet ist, der den Laserstrahl 40, jedoch nicht den Erregerstrahl 74 reflektiert, und eine linke Endfläche desselben mit einem Film beschichtet ist, der den Laserstrahl 40 nicht reflektiert, jedoch den Erregerstrahl 34 reflektiert. Sowohl der Laserstrahl 40 als auch der Erregerstrahl 74 laufen in dem Verstärker 72 hin und zurück.
Wenngleich dies in 9 nicht gezeigt ist, ist eine λ/4-Platte zwischen dem Verstärker 72 und dem PBS 58 angeordnet, und eine Polarisationsebene des Laserstrahls, der sich von dem PBS 58 nach rechts ausbreitet, und eine Polarisationsebene des Laserstrahls, der sich von dem PBS 58 nach links ausbreitet, weisen eine Beziehung auf, bei der sie bezüglich einander um 90° gedreht sind. Dadurch breitet sich lediglich der Laserstrahl 88, der mit dem Verstärker 72 weiter verstärkt wurde, selektiv von dem PBS 58 nach unten aus.
10 zeigt ein Beispiel für den Verstärker. Verstärkerverstärkungsmediumsplatten 80 und transparente Wärmeabführplatten 78 sind alternierend gestapelt. Bei diesem Verstärker 72 wird der Laserstrahl 88 durch das Phänomen induzierter Emission erzeugt, wenn der Laserstrahl 40 in dem Zustand, in dem die invertierte Verteilung aufgrund der Ein-gabe des Erregerstrahls 74 für eine Verstärkung auftritt, in diesen eintritt. Der Laserstrahl 88 weist eine stärkere Lichtintensität als der Laserstrahl 40 auf und ist somit verstärkt. Einzelheiten des Verstärkers 72 sind in der Beschreibung der JP 2017 - 220 652 A beschrieben, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Beispielsweise kann Nd:YAG für die Verstärkerverstärkungsmediumplatten 80 verwendet werden, und Saphir kann für die transparenten Wärmeabführplatten 78 verwendet werden. In diesem Fall besteht keine Notwendigkeit, eine spezielle Beschichtung auf Endflächen dieser Bauteile vorzusehen. Die Verstärkerverstärkungsmediumpaltte 80, die sich an jedem Ende befindet, kann Luft ausgesetzt sein. Ferner kann eine weitere Modensäuberung in dem Verstärker 72 durchgeführt werden, indem die effektiven Strahldurchmesser des Laserstrahls 40 und des Erregerstrahls 74 für eine Verstärkung angepasst werden.
11 zeigt ein anderes Beispiel für einen Verstärker, bei dem ein Erregerstrahl 84 für eine Verstärkung von der Seitenfläche aus in die Verstärkerverstärkungsmediumplatte 80 eingegeben wird. Wenngleich aufgrund der Eingabe von der Seitenfläche aus keine selektive Verstärkung von Moden erfolgen kann, wird der modengesäuberte Laserstrahl 40 verstärkt. Somit kann der Verstärker aus 11 als der Verstärker 72 verwendet werden.
Es sei bemerkt, dass die hierin beschriebene Erfindung nicht auf die zuvor erwähnten Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von der Lehre der Erfindung abzuweichen, wobei diese Modenfikationen in den Schutzbereich der Erfindung fallen sollen.
Technische Merkmale, die in der Beschreibung und den Zeichnungen erläutert sind, können für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen nützlich sein und sind nicht auf die Kombinationen beschränkt, die ursprünglich beansprucht werden. Ferner kann die Technik, die in der Beschreibung und den Zeichnungen erläutert wird, gleichzeitig mehrere Aufgaben lösen, und eine technische Bedeutung derselben ergibt sich bereits aus der Lösung einer der Aufgaben.
Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.

Claims

Selektiver Verstärker, der zum Verstärken eines Laserstrahls eines ausgewählten Teils von Moden, die in einem Mehrmodenlaserstrahl (8, 8A) enthalten sind, ausgebildet ist, mit: einem Oszillatorverstärkungsmedium (6), das zum Erzeugen des Mehrmodenlaserstrahls ausgebildet ist; einem Verstärkerverstärkungsmedium (62; 38; 42); und einem Generator (32), der zum Erzeugen eines Erregerstrahls (34, 34A) für eine Verstärkung ausgebildet ist, wobei der Erregerstrahl für eine Verstärkung so ausgebildet ist, dass durch diesen in dem Verstärkerverstärkungsmedium ein invertierter Verteilungszustand erzeugt wird, wenn er in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben wird, bei dem das Oszillatorverstärkungsmedium und das Verstärkerverstärkungsmedium aus einem Monokristall oder einer polykristallinen Keramik sind und der Mehrmodenlaserstrahl (8, 8A) und der Erregerstrahl (34, 34A) für eine Verstärkung unter einer Beziehung, bei der eine optische Achse des Mehrmodenlaserstrahls und eine optische Achse des Erregerstrahls für eine Verstärkung miteinander übereinstimmen und ein effektiver Strahldurchmesser des Erregerstrahls für eine Verstärkung in dem Verstärkerverstärkungsmedium kleiner oder gleich einem effektiven Strahldurchmesser des Laserstrahls des ausgewählten Teils von Moden in dem Verstärkerverstärkungsmedium ist, in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben werden, wodurch ein Laserstrahl mit einem Teil von Moden, die in dem Mehrmodenlaserstrahl enthalten sind, verstärkt wird.
Selektiver Verstärker nach Anspruch 1, bei dem das Oszillatorverstärkungsmedium (6) und das Verstärkerverstärkungsmedium (62) integriert sind.
Selektiver Verstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Verstärkerverstärkungsmedium ein Paar von parallelen Endflächen aufweist und der Mehrmodenlaserstrahl von einer Endfläche in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben wird und der Erregerstrahl für eine Verstärkung von der anderen Endfläche in das Verstärkerverstärkungsmedium eingegeben wird.
Selektiver Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der ausgewählte Teil von Moden eine Grundmode ist.
Selektiver Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine laterale Querschnittsform des Erregerstrahls für eine Verstärkung eine Ringform aufweist.