DE102021105188A1

DE102021105188A1 - Verfahren und Anordnung zur Erhöhung der Strahlqualität und Stabilität eines optischen Resonators

Info

Publication number: DE102021105188A1
Application number: DE102021105188.6A
Authority: DE
Inventors: Marc Eichhorn; Christelle Kieleck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2022-09-08
Also published as: US20240146013A1; IL305196A; WO2022184826A1; EP4302369A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anordnung, mit denen eine Kompensation thermisch induzierter depolarisierender Effekte in einem optischen Resonator sowie ggf. eine Einstellung eines Auskoppelgrades in bzw. aus einem optischen Resonator und/oder eine Resonator-interne Bildrotation ermöglicht wird. Als ein Endspiegel des Resonators wird dabei ein mehrfach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma eingesetzt, das ein erstes Dachkant-Flächenpaar aus zwei zueinander rechtwinkligen Dachkant-Flächen sowie wenigstens eine intern totalreflektierende zweite Fläche oder ein zweites Dachkant-Flächenpaar aufweist. Bei diesem Prisma wird parallel zur optischen Achse des Resonators eintretende Laserstrahlung unter einem Winkel α an der zweiten Fläche oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar totalreflektiert, bevor sie am ersten Dachkant-Flächenpaar totalreflektiert und nach einer erneuten Totalreflexion an der zweiten Fläche oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar parallel zur optischen Achse des Resonators wieder aus dem Retroreflex-Prisma austritt. Über die Ausrichtung des Prismas oder die Anzahl und Orientierung bzw. Schnittwinkel der die Laserstrahlung totalreflektierenden Flächen lässt sich die gewünschte Kompensation oder Bildrotation, zum Teil auch in Kombination mit Ausrichtung und Position einer zusätzlichen Verzögerungsoptik, eines zusätzlichen Retroreflex-Prismas oder eines Polarisators, erreichen.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Stabilität eines optischen Resonators und zur Erhöhung der Strahlqualität. Es ist geeignet zur Kompensation thermisch induzierter depolarisierender Effekte in einem optischen Resonator, insbesondere einer im aktiven Medium eines Laser-Resonators auftretenden Doppelbrechung, zur Verbesserung der Strahlqualität bei einem optisch-nichtlinearen Prozess in einem optischen Resonator durch Bildrotation, sowie ggf. zur Einstellung des Auskoppelgrades über einen Polarisator aus einem optischen Resonator. Die Erfindung betrifft auch einen gemäß dem Verfahren ausgebildeten optischen Resonator.
Für Anwendungen von Festkörperlasern oder optisch-parametrischen Oszillatoren (OPO) unter schwierigen Umweltbedingungen, beispielsweise im militärischen Einsatz, sind robuste und stabile Lösungen für die optischen Resonatoren erforderlich. Gleichzeitig treten bei erhöhten Laserleistungen thermische Effekte auf, die zumindest teilweise kompensiert werden müssen. Im Bereich optronischer Gegenmaßnahmen mit Lasern, der Lasermaterialbearbeitung oder in Laserbeleuchtern und Zielmarkierern kommt es beispielsweise bei der Verwendung isotroper Lasermedien wie YAG insbesondere bei Leistungssteigerung zu stressinduzierter Doppelbrechung. Dies verursacht bei polarisierten Lasern eine Verschlechterung der Strahlqualität und gegebenenfalls eine optische Zerstörung laserinterner Komponenten. Im Bereich nicht-linearer Konverter, beispielsweise optisch-parametrischer Oszillatoren, tritt, beispielsweise bei der Verwendung großer Strahldurchmesser, wie sie zur Erzeugung hoher Leistungen und Pulsenergien zur Umgehung optischer Zerstörschwellen nötig sind, bei kritischer Phasenanpassung der Effekt auf, dass die Strahlqualität in der nicht-kritischen Ebene gegenüber der kritischen Ebene verschlechtert ist.
Stand der Technik
In Lasern für militärische Anwendungen werden oft Retroreflektoren als Resonatorendspiegel eingesetzt, welche durch die Retroreflexion eine selbstjustierende Eigenschaft aufweisen und daher robust aufgebaut werden können. Zur Lösung der obigen Problematik sind Lösungen bekannt, bei denen dieser Aufbau mit weiteren Methoden kombiniert wurde. Die bisher bekannten Maßnahmen erhöhen jedoch die Komplexität und die Anzahl der verwendeten Komponenten und beeinträchtigen damit die Zuverlässigkeit der Laser.
Zur Kompensation der Doppelbrechung im aktiven Medium eines Laser-Resonators sind bisher folgende Lösungen bekannt. In S. Konno et al., Appl. Phys. Lett. 70 (20), 2650 (1997) wird die Nutzung eines 90°-Quarz-Rotators zwischen zwei weitgehend identisch gepumpten Lasermedien beschrieben. Durch diesen Aufbau wird die Depolarisation beim Durchgang durch das erste Medium durch Vertauschung der beiden Polarisationsrichtungen im zweiten Medium aufgehoben. Allerdings werden hierfür zwei eigenständige Lasermedien benötigt, welche zusätzlich nahezu identisch gepumpt werden müssen. Durch die höhere Anzahl an Komponenten erhöhen sich die Ausfallwahrscheinlichkeit, die Kosten und die Komplexität der Anordnung.
J. Sherman, Applied Optics, Vol. 37, No. 33, 7789 (1998) beschreibt eine Anordnung, bei der ein 45°-Faraday-Rotator zwischen einem gepumpten Lasermedium und einem Rückreflektor eingesetzt wird, durch den die vom Laserstrahl in Vorwärtsrichtung aufgenommene Depolarisation durch das aktive Medium im Rückwärtsdurchgang aufgehoben wird. Allerdings bedingt das Leistungslimit des Faraday-Rotators eine Leistungsbegrenzung der Laseranordnung.
Eine weitere Möglichkeit der Doppelbrechungskompensation besteht in der Nutzung eines λ/4-Verzögerungsplättchens zwischen einem gepumpten Lasermedium und einem speziell beschichteten Porro-Retroreflektor, wie dies beispielsweise in J. Richards, Applied Optics, Vol. 26, No. 13, 2514 (1987) beschrieben ist. Die vom Laserstrahl in Vorwärtsrichtung aufgenommene Depolarisation durch das aktive Medium wird dabei durch die zusammenkommende Wirkung aus λ/4-Plättchen und Bildinversion im Rückwärtsdurchgang aufgehoben. Der Porro-Retroreflektor muss dabei durch eine spezielle dielektrische Beschichtung dergestalt angepasst werden, dass keine Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen auftritt („Zero-Phase-Shift-Porro“). Diese Lösung erfordert daher eine spezifische Beschichtung des Porro-Retroreflektors, die höhere Kosten verursacht. Durch leichte Abweichungen und Toleranzen der Schichtdicken dieser Beschichtung kann zudem eine Rest-Depolarisation auftreten.
Die US 4 408 334 A beschreibt die Nutzung eines speziell hergestellten Verzögerungsplättchens mit einer spezifisch angepassten Verzögerung zwischen einem gepumpten Lasermedium und einem unbeschichteten Porro-Retroreflektor. Die vom Laserstrahl in Vorwärtsrichtung aufgenommene Depolarisation durch das aktive Medium soll dabei durch die zusammenkommende Wirkung aus Verzögerungsplättchen, Phasenverschiebung des Porro-Retroreflektors und Bildinversion im Rückwärtsdurchgang aufgehoben werden. Auch diese Lösung verursacht jedoch zusätzliche Kosten durch das speziell für diese Anwendung herzustellende Verzögerungsplättchen, das nicht dem Standard entspricht.
Zur Kompensation der Strahlqualitätseffekte von OPOs sind ebenfalls unterschiedliche Lösungsansätze bekannt. A.V. Smith et al., JOSA B, Vol. 19, No. 8, 1801 (2002) schlagen vor, die Verschlechterung der Strahlqualität eines optisch-parametrischen Prozesses in der nicht-kritischen Ebene gegenüber der kritischen Ebene zu kompensieren, indem der OPO-Kristall in einem Ringresonator betrieben wird, der eine Bildrotation von 90° pro Umlauf erzeugt. Auf diese Weise wirkt sich in jedem Umlauf die Strahlqualität verbessernde Wirkung des OPO-Kristalls abwechselnd auf beide lateralen Dimensionen des Strahls aus. Diese Lösung erfordert jedoch eine spezielle, hoch-präzise gefertigte Resonatorstruktur, durch die die Flexibilität im Design verlorengeht. Durch das Ringdesign ist die Resonatorlänge vergrößert, wodurch die Schwelle steigt.
In der DE 10 2011 115 543 B4 wird ein Ringresonator mit sechs Spiegeln vorgeschlagen, die in drei unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, um eine Bildrotation zu erzeugen, die erst nach wenigstens fünf Umläufen 360° beträgt. Auch mit einem derartigen Resonator wird eine Verbesserung der Strahlqualität erreicht. Allerdings treten auch hier die gleichen Nachteile wie bei der vorangehend erläuterten Lösung auf.
A.V. Smith et al., JOSA B, Vol. 18, No. 5, 706 (2001) schlagen eine Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität eines optisch-parametrischen Prozesses in der nicht-kritischen Ebene gegenüber der kritischen Ebene vor, indem der OPO-Kristall in einem Stehwellenresonator betrieben wird, der eine Bildrotation von 90° pro Umlauf erzeugt. Dazu werden zwei Porro-Prismen als Resonator-Reflektoren genutzt, welche um exakt 45° gegeneinander verdreht sind. Dadurch wirkt sich in jedem Umlauf die Strahlqualitätsverbessernde Wirkung des OPO-Kristalls abwechselnd auf beide lateralen Dimensionen des Strahls aus. Da die Polarisation bei dieser Lösung durch die Porro-Prismen nicht verändert werden darf, muss zusätzlich ein λ/2-Plättchen eingesetzt werden, um die Polarisation in eine Eigenpolarisationsebene des Prismas zu drehen. Zusätzlich müssen zur Auskopplung der Laserstrahlung nicht genauer spezifizierte Methoden zur frustrierten Totalreflexion genutzt werden, was technisch aufwändig und komplex ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Anordnung anzugeben, mit denen eine Kompensation einer im aktiven Medium eines Laser-Resonators auftretenden Doppelbrechung oder einer Verschlechterung der Strahlqualität eines nichtlinearen Prozesses in einem optischen Resonator in einfacher und robuster Weise ohne zusätzliche Phasen-schiebende Beschichtungen der eingesetzten Komponenten ermöglicht wird.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Anordnung gemäß den Patentansprüchen 1 und 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Anordnung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung wird ein besonders ausgebildetes mehrfach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma als wenigstens eines der den optischen Resonator bzw. Laser-Resonator bildenden, die Laserstrahlung reflektierenden Elemente eingesetzt. Der Aufbau und die Ausrichtung dieses Prismas, insbesondere die Anzahl und Orientierung bzw. Schnittwinkel der die Laserstrahlung totalreflektierenden Flächen des Prismas, werden dabei - je nach Anwendung auch in Kombination mit Ausrichtung und Position einer zusätzlichen Verzögerungsoptik, eines zusätzlichen Retroreflex-Prismas oder eines Polarisators - anhand der jeweiligen Aufgabenstellung, also beispielsweise Doppelbrechungskompensation, Bildrotation in einem OPO-Resonator oder spezifische Auskopplung mit minimaler Anzahl an Komponenten, gewählt. Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung werden dabei die speziellen Phasenschiebungs-Eigenschaften dieses Prismas ausgenutzt.
Die vorgeschlagene Anordnung stellt einen optischen Resonator dar, der in bekannter Weise durch mehrere die Laserstrahlung reflektierende Elemente gebildet wird, die als Resonatorspiegel dienen. Der optische Resonator weist dabei wenigstens ein aktives oder optisch nicht-lineares Medium auf und kann beispielsweise als Stehwellen-Resonator ausgebildet sein. Wenigstens eines der die Laserstrahlung reflektierenden Elemente wird bei dem vorgeschlagenen Resonator durch ein mehrfach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma gebildet, das in der einfachsten Ausgestaltung ein erstes Dachkant-Flächenpaar aus zwei zueinander rechtwinkligen Dachkantflächen und eine intern totalreflektierende zweite Fläche oder ein zweites Dachkant-Flächenpaar aus zwei zueinander rechtwinkligen Dachkantflächen aufweist. Das erste Dachkant-Flächenpaar bildet den retroreflektierenden Teil des Retroreflex-Prismas. Das erste Dachkant-Flächenpaar und die zweite Fläche oder das zweite Dachkant-Flächenpaar sind dabei so angeordnet, dass parallel zur optischen Achse des Resonators in das Retroreflex-Prisma eintretende Laserstrahlung unter einem Winkel α an der zweiten Fläche oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar totalreflektiert wird, bevor sie am ersten Dachkant-Flächenpaar totalreflektiert, im Falle eines Stehwellenresonators retroreflektiert, und nach einer erneuten Totalreflexion unter dem Winkel α an der zweiten Fläche oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar parallel zur optischen Achse des Resonators wieder aus dem Retroreflex-Prisma austritt. Die durch die zwei zueinander rechtwinkligen Dachkantflächen des zweiten Dachkant-Flächenpaars gebildete (zweite) Dachkante liegt dabei in der Einfallsebene der an diesem Dachkant-Flächenpaar reflektierten Laserstrahlung. Unter der optischen Achse des Resonators wird dabei in der vorliegenden Patentanmeldung die Achse oder - bei einem Ringresonator - Kombination von Achsen verstanden, auf der bzw. denen die Laserstrahlung im Resonator umläuft.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der vorgeschlagenen Anordnung wird der Winkel α je nach gewünschtem Phasenverschiebungs-Effekt zwischen s- und p-Polarisation (s: Vektor der elektrischen Feldstärke senkrecht zur Einfallsebene; p: Vektor der elektrischen Feldstärke parallel zur Einfallsebene) gewählt. In Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung und dem zu erzeugenden Effekt wird das mehrfach totalreflektierende Retroreflex-Prisma so ausgebildet, dass die durch die Dachkantflächen des ersten Dachkant-Flächenpaars gebildete erste Dachkante entweder senkrecht oder parallel zur Einfallsebene der Laserstrahlung auf die zweite Fläche oder das zweite Dachkant-Flächenpaar oder unter einem anderen Winkel β zu dieser Einfallsebene ausgerichtet ist, wobei 0° < β < 90°.
Gegenüber einem üblichen Porro-Prisma, welches nur den Dachreflektor, also das erste Dachkant-Flächenpaar aufweist, erlaubt die auf dem Hin- und Rückweg zusätzlich auftretende Totalreflexion an der zweiten Fläche bzw. dem zweiten Dachkant-Flächenpaar eine durch die Wahl des Reflexionswinkels α frei einstellbare zusätzliche Phasenverschiebung zwischen der ursprünglich einfallenden s- und p-Polarisation nach Rückreflexion. Dadurch lassen sich zusätzliche Eigenschaften wie beispielsweise die Phasenverschiebungen zusätzlich nötiger Verzögerungsplatten in eine einzelne Komponente integrieren oder die Prismen-intrinsischen Phasenverschiebungen variieren. Unter einem Porro-Prisma wird hier ein Prisma verstanden, das lediglich den Dachreflektor und keine weiteren totalreflektierenden Flächen aufweist.
Durch die Nutzung des zweiten Dachkant-Flächenpaars anstelle der zweiten Fläche wird durch das Prisma eine Rückreflex-Parallelität nicht nur in einer, sondern in beiden transversalen Achsen erreicht.
In einer Weiterbildung der vorgeschlagenen Anordnung und des vorgeschlagenen Verfahrens wird das mehrfach totalreflektierende Retroreflex-Prisma so ausgebildet, dass es eine weitere intern totalreflektierende Fläche aufweist. Diese dritte Fläche ist so angeordnet, dass die in das Retroreflex-Prisma eintretende Laserstrahlung zwischen dem zweiten Dachkant-Flächenpaar und dem ersten Dachkant-Flächenpaar unter einem Winkel α2 an der dritten Fläche totalreflektiert wird. Durch den Winkel α2 steht ein weiterer Anpassungsparameter für die Phasenverschiebung zwischen s- und p-Polarisation zur Verfügung.
Der Winkel α sowie gegebenenfalls die Winkel α2 und/oder β sind in einer Ausgestaltung des optischen Resonators als Laser-Resonator mit einem aktiven Medium so gewählt, dass die beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Lasers auftretende Doppelbrechung - je nach Ausgestaltung entweder ohne oder in Kombination mit einer Viertelwellen-Verzögerungsoptik im Resonator - durch das Retroreflex-Prisma ohne zusätzliche Phasen-schiebende Beschichtung kompensiert wird. Die für die zu erzeugende Phasenverschiebung erforderlichen Winkel können dabei unter Berücksichtigung der verfügbaren Prismenmaterialien, die eine Totalreflexion der Laserstrahlung bei den Winkeln α sowie gegebenenfalls α2 und an den Dachkant-Flächenpaaren ermöglichen, über die Fresnelschen Formeln ermittelt werden. In einer Ausgestaltung des optischen Resonators mit einem optisch nichtlinearen Medium für einen optisch nichtlinearen Prozess, bspw. als OPO, wird wenigstens ein weiteres Retroreflex-Prisma als Spiegel im Resonator eingesetzt, bei einem Stehwellenresonator als Endspiegel am anderen Ende des Resonators. Bei dem weiteren Retroreflex-Prisma kann es sich um ein mehrfach-totalreflektierendes Retroreflex-Prisma gemäß der vorliegenden Erfindung oder auch nur um ein einfaches Porro-Prisma handeln. Rotationswinkel der beiden Prismen um die optische Achse des Resonators sind dabei so eingestellt, dass eine Bildrotation pro Umlauf erreicht wird, durch die eine Verschlechterung der Strahlqualität beim optisch-nichtlinearen Prozess kompensiert wird, auch dies ohne zusätzliche Phasen-schiebende Beschichtung der Prismen. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Bildrotation pro Umlauf in einem Winkelbereich von 60° bis 150°. Eine derartige Anordnung zur Bildrotation kann auch in einem optischen Resonator mit einem aktiven Medium vorteilhaft eingesetzt werden.
Das vorgeschlagene Verfahren sowie die vorgeschlagene Anordnung ermöglichen damit eine robustere und einfachere Lösung zur Kompensation der Doppelbrechung in einem Laser-Resonator oder der Verschlechterung der Strahlqualität in einem OPO. Insbesondere erfordert die vorgeschlagene Lösung keine zusätzliche Phasen-schiebende Beschichtung des Prismas und auch keine speziell ausgebildeten - also von Standardelementen abweichenden - Verzögerungselemente. Vielmehr können bei Bedarf Standard-Verzögerungsplatten eingesetzt werden. Das Verfahren und die Anordnung eignen sich insbesondere für Laser und nicht-lineare Konverter mit optischen Resonatoren, insbesondere für kompakte und robuste Bauweise für plattformgetragene Lasersysteme bspw. im militärischen Einsatz.
Figurenliste
Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Anordnung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen

1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des beim vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung eingesetzten Retroreflex-Prismas;
2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung des beim vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung eingesetzten Retroreflex-Prismas;
3 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung des beim vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung eingesetzten Retroreflex-Prismas;
4 ein viertes Beispiel für eine Ausgestaltung des beim vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung eingesetzten Retroreflex-Prismas; und
5 ein fünftes Beispiel für eine Ausgestaltung des beim vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Anordnung eingesetzten Retroreflex-Prismas.

Wege zur Ausführung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. der für die Durchführung des Verfahrens ausgebildeten Anordnung kommen speziell ausgebildete Retroreflex-Prismen zum Einsatz, welche aus einem Porro-ähnlichen 90°-Dach-Retroreflektor, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als erstes Dachkant-Flächenpaar bezeichnet, und mindestens einer weiteren internen totalreflektierenden Fläche bestehen. 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Ausgestaltung eines derartigen Prismas in Seitenansicht (obere Abbildung) und Draufsicht (untere Abbildung). Dieses Prisma weist das erste Dachkant-Flächenpaar 1 als retroreflektierenden Teil sowie eine zweite intern totalreflektierende Fläche 2 auf, im Folgenden auch einfach als zweite Fläche 2 bezeichnet, wie dies im oberen Teil der 1 angedeutet ist. Das erste Dachkant-Flächenpaar 1 und die zweite Fläche 2 sind dabei so angeordnet und ausgerichtet, dass ein parallel zur optischen Achse des Resonators in das Retroreflex-Prisma eintretender Laserstrahl 3 zunächst unter einem Winkel α an der zweiten Fläche 2 total reflektiert wird und dann senkrecht auf das erste Dachkant-Flächenpaar 1 auftrifft, an diesem retroreflektiert wird und unter dem Winkel α wiederum an der zweiten Fläche 2 totalreflektiert wird, bevor es parallel zur optischen Achse des Resonators wieder aus dem Retroreflex-Prisma austritt. Durch diesen Aufbau wird eine Reflexions-Polarisationsreihenfolge s-p-p-s oder p-s-s-p für bezüglich der Einfallsebene auf die zweite Fläche 2 senkrecht (s) oder parallel (p) polarisierte Laserstrahlung erhalten. Dies bedeutet, dass eine in „s“ polarisierte einfallende Feldkomponente bei den insgesamt vier Totalreflexionen bis zu ihrer Rückkehr beim Verlassen des Prismas bei den jeweiligen einzelnen Totalreflexionen zunächst an Fläche 2 eine Phasenverschiebung gemäß „s“, dann an den Flächen 1 insgesamt zweimal eine Phasenverschiebung gemäß „p“ und zuletzt an Fläche 2 wieder eine Phasenverschiebung gemäß „s“ polarisierter Laserstrahlung erfährt. Bei einer als „p“ einfallendem Feldkomponente sind die in dieser Reihenfolge durchlaufenden Phasenverschiebungen vertauscht, d.h. zunächst „p“, dann zweimal „s“ und zuletzt „p“.
Bei der Ausgestaltung der 1 ist die von dem ersten Dachkant-Flächenpaar 1 gebildete Dachkante 4 parallel zur Einfallsebene des Laserstrahls 3 auf die zweite Fläche 2 orientiert. In einer anderen Ausgestaltung, wie sie in 2 dargestellt ist, ist diese Dachkante 4 gegenüber der Ausrichtung in 1 um 90° gedreht, verläuft also senkrecht zur Einfallsebene des Laserstrahls 3 auf die zweite Fläche 2. 2 zeigt hierbei wieder in der oberen Abbildung eine Seitenansicht und in der unteren Abbildung eine Draufsicht auf das Retroreflex-Prisma. In dieser Ausgestaltung ergibt sich eine Reflexions-Polarisationsreihenfolge von s-s-s-s oder p-p-p-p für bezüglich der Einfallsebene auf die zweite Fläche 2 senkrecht oder parallel polarisierte Laserstrahlung.
Die erste Dachkante 4 kann auch unter einem anderen Winkel β (0°< β < 90°) gegenüber der Einfallsebene der Laserstrahlung auf die zweite Fläche 2 orientiert sein, wie dies schematisch in 3 in perspektivischer Ansicht einzelner Bestandteile des Prismas angedeutet ist. Dieser Winkel β stellt einen zusätzlichen Parameter der Beeinflussung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Polarisationen dar.
In den 1 bis 3 ist dabei die in sich zurückreflektierte Strahlmitte des Laserstrahls 3 dargestellt, in den nachfolgenden 4 und 5 jeweils zusätzlich der Verlauf eines abseits der Strahlmitte (die hier über beide Dachkanten verläuft) propagierenden in sich zurückreflektierten Strahlteils des Laserstrahls.
4 zeigt eine weitere mögliche Ausgestaltung des beim vorgeschlagenen optischen Resonator bzw. dem vorgeschlagenen Verfahren eingesetzten Retroreflex-Prismas. Bei diesem Beispiel ist die zweite Fläche durch eine zweite 90°-Dachkante, in der vorliegenden Patentanmeldung als zweites Dachkant-Flächenpaar 5 bezeichnet, ersetzt. Dadurch wird die Retroreflex-Achse des retroreflektierenden ersten Dachkant-Flächenpaars 1 um einen Winkel von 90° verdreht, wie dies auch in der perspektiven Darstellung der 4 angedeutet ist. Die durch das zweite Dachkant-Flächenpaar 5 gebildete Dachkante 6 definiert hierbei die Einfallsebene des Laserstrahls 3 bei der Reflexion an diesem Dachkant-Flächenpaar. Durch die Nutzung dieses weiteren Dachs anstelle einer planen Reflexionsebene zur internen Umlenkung um 90° erhält man ein 6-fach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma. Dabei vertauschen sich die Polarisationsebenen bei den ersten beiden Reflexionen am zuerst getroffenen Dach (zweites Dachkant-Flächenpaar 5), wodurch sich die Phasenverschiebungen der Totalreflexionen an diesem Dachkant-Flächenpaar 5 gegenseitig kompensieren. Dies tritt auch bei den beiden letzten Reflexionen an diesem Dachkant-Flächenpaar 5 vor Austritt des retroreflektierten Strahls aus dem Prisma auf. Somit verhält sich dieses Prisma bezüglich seiner Phasenverschiebung analog zu einem normalen Porro-Prisma, einzig herrührend von den Reflexionen am Dachkant-Flächenpaar 1. Jedoch wird eine Rückreflex-Parallelität nicht nur in einer, sondern in beiden transversalen Achsen erreicht.
5 zeigt schließlich eine weitere beispielhafte Ausgestaltung eines Retroreflex-Prismas in perspektivischer Darstellung, wie es bei dem vorgeschlagenen Verfahren bzw. dem vorgeschlagenen optischen Resonator zum Einsatz kommen kann. Bei diesem Prisma wird im Vergleich zur Ausgestaltung der 4 zwischen den beiden Dachstrukturen zusätzlich eine weitere Reflexionsebene durch die totalreflektierende dritte Fläche 7 eingesetzt. Der Laserstrahl 3 wird an dieser Fläche um einen Winkel a2 reflektiert. Durch Nutzung dieser weiteren planen Reflexionsebene zur internen Umlenkung um vorzugsweise 90°, wie in 5 dargestellt, wird ein 8-fach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma erhalten. Dabei vertauschen sich die Polarisationsebenen bei den ersten beiden Reflexionen am zuerst getroffenen Dach (zweites Dachkant-Flächenpaar 5), wodurch sich die Phasenverschiebungen gegenseitig kompensieren. Dies tritt auch bei den beiden letzten Reflexionen an diesem zweiten Dachkant-Flächenpaar 5 vor dem Austritt des retroreflektierten Strahls aus dem Prisma auf. Besonders vorteilhaft wird α2 gleich 45° gewählt, da sich die Phasenverschiebungen durch die Reflexionen im Hin- und Rückweg an der zusätzlichen Ebene (dritte Fläche 7) sowie durch das retroreflektierende Dach (erstes Dachkant-Flächenpaar 1) dann ebenfalls gegenseitig aufheben. Somit weist dieses Prisma bezüglich seiner Phasenverschiebung analog dem Prisma aus 1 mit α = 45° bei α2 = 45° keine Gesamt-Phasendifferenz auf, jedoch wird eine Rückreflex-Parallelität nicht nur in einer, sondern in beiden transversalen Achsen erreicht.
In einem ersten Anwendungsbeispiel wird das vorgeschlagene Verfahren zur Doppelbrechungskompensation in einen Laser-Resonator eingesetzt. Hierzu wird ein 4-fach oder 8-fach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma als einer der Resonatorendspiegel benutzt, wie es in 1 oder 5 dargestellt ist. Die Winkel α und α2 betragen dabei jeweils 45°. Zusätzlich wird im Laser-Resonator eine Viertelwellen-Verzögerungsoptik (z.B. λ/4-Plättchen) eingesetzt, deren schnelle Achse um 45° gegenüber der entlang des Strahlenwegs in Rück-Reflexion auf die Viertelwellen-Verzögerungsoptik projizierte Dachkante 4, d.h. der Bildinversionsachse, gedreht ist. Durch die gleiche Anzahl an s- und p-Totalreflexionen mit jeweils 45° Einfallswinkel in dem Retroreflex-Prisma verursacht dieses Prisma für jede Polarisationsrichtung unabhängig vom Prismenmaterial die gleiche Gesamt-Phasenverschiebung, so dass es sich wie ein „Zero-Phase-Shift-Porro“ verhält. Somit erfährt Laserstrahlung mit einer Polarisation entlang der +/-45°-Linie, d.h. entlang der schnellen oder der langsamen Achse der Viertelwellen-Verzögerungsoptik, keine Polarisationsänderung durch diese, wird jedoch durch die Bildinversion des Retroreflex-Prismas um 90° gedreht. Laserstrahlung mit einer auf das Prisma einfallenden Polarisation entlang der 0° oder der 90°-Linie, d.h. parallel oder orthogonal zu der in Rück-Reflexion des Strahlenwegs auf die Prismen-Eintrittsfläche projizierten Dachkante 4, d.h. entlang der 0° oder 90° zur Bildinversionsachse des Prismas verlaufenden Achse, wird durch die Viertelwellen-Verzögerungsoptik in zirkular-polarisierte Laserstrahlung umgewandelt. Da in Rückreflexion über das Prisma in diesem Fall keine Polarisationsänderung bewirkt wird, wird die Polarisation dieser Laserstrahlung beim zweiten Durchgang durch die Viertelwellen-Verzögerungsoptik in eine lineare Polarisation umgewandelt, die um 90° gedreht zur ursprünglichen Polarisation ist. Somit wird linear polarisierte Laserstrahlung unabhängig von der Orientierung seiner Polarisation um 90° gedreht zurückreflektiert, wodurch beim Doppeldurchgang durch das Lasermedium die Doppelbrechung kompensiert wird.
Bei dieser Ausgestaltung ist somit im Gegensatz zu einem „Zero-Phase-Shift-Porro“ gemäß dem obigen Stand der Technik keine materialabhängige Spezialbeschichtung für die Doppelbrechungskompensation erforderlich. Der Einfluss der Beschichtungstoleranzen auf die Phasenverschiebung sowie die Wellenlängenabhängigkeit der Phasenverschiebung tritt daher nicht auf. Gleichzeitig kann bei dieser Ausgestaltung jedes Prismenmaterial gewählt werden, bei welchem unter 45° internem Einfallswinkel Totalreflexion auftritt. Dies bietet die Freiheit, das Prismenmaterial nach minimaler Absorption im Spektralbereich der Laserstrahlung oder nach einer besonders hohen optischen Zerstörschwelle auszuwählen, welche insbesondere nicht durch eine zusätzliche Beschichtung auf der totalreflektierenden Seite reduziert wird.
Im einem zweiten Anwendungsbeispiel wird ein Retroreflex-Prisma gemäß 3 als einer der Resonatorendspiegel zur Doppelbrechungskompensation in einem Laser-Resonator eingesetzt. Mit diesem Prisma wird der gleiche Effekt wie bei dem ersten Anwendungsbeispiel erzielt, wenn die Winkel α und β dieses Prismas in der Nähe von +/- 45° gewählt werden und keine Viertelwellen-Verzögerungsoptik im Resonator eingesetzt wird. Die genauen Werte der Winkel α und β ergeben sich dabei je nach Brechungsindex des Prismenmaterials aus der Bedingung, dass die Phasendifferenz Δφ zwischen der p- und der s-Totalreflexion bezogen auf die Fläche 2 $Δ φ = - 2 {cos}^{- 1} (\frac{1}{\sqrt{2}} cos \frac{Δ φ_{D}}{2})$
sein muss und der Rotationswinkel $β = \frac{1}{2} {sin}^{- 1} (\frac{1}{\sqrt{2} sin \frac{Δ φ_{D}}{2}})$
gewählt wird. Dabei ist Δφ_D die durch die Totalreflexion am Dach, also dem ersten Dachkant-Flächenpaar, entstehende Phasendifferenz. Es ist bei diesem Prisma vorteilhaft, hochbrechende Materialien zu verwenden, da dann die beiden Winkel α und β nahe 45° liegen.
In einem dritten Anwendungsbeispiel wird ein Retroreflex-Prisma gemäß der 1 bis 5 zur Einstellung des Auskoppelgrades der Laserstrahlung in einem Laser- oder OPO-Resonator eingesetzt. Das Retroreflex-Prisma wird hierbei wiederum als ein Endspiegel des optischen Resonators verwendet. Vor diesem Retroreflex-Prisma wird im Resonator ein Polarisator angeordnet, welcher zur partiellen Auskopplung der Laserstrahlung dient. Durch Einstellen eines Rotationswinkels ϕ des Prismas (um die optische Achse des Resonators) oder durch geeignete Wahl der Winkel α und β oder α und α2 lässt sich der Auskoppelgrad einstellen, da dadurch die relative Phasenlage zwischen den Polarisationen bestimmt und somit eine Änderung des Polarisationszustands der rückreflektierten Laserstrahlung erreicht wird. Der dabei senkrecht zu der vom Polarisator her einfallenden Polarisation polarisierte Anteil der rückreflektierten Laserstrahlung wird als Ausgangslaserstrahl ausgekoppelt.
In einem vierten Anwendungsbeispiel wird ein Retroreflex-Prisma gemäß der 1 bis 5 zur Kompensation der Verschlechterung der Strahlqualität eines optisch-parametrischen Prozesses in einem Laser- oder OPO-Resonator eingesetzt. Das Retroreflex-Prisma wird hierbei wiederum an einem Ende eines StehwellenResonators als Endspiegel genutzt. Optional kann zwischen diesem und dem nicht-linearen Medium ein Polarisator angeordnet werden, welcher zur partiellen Auskopplung der Laserstrahlung dient. Durch Einstellen eines Rotationswinkels ϕ des Prismas (um die optische Achse des Resonators) lässt sich nun (optional) der Auskoppelgrad einstellen und gleichzeitig eine Spiegelung des transversalen Strahlbildes um eine um ϕ gegenüber der Vertikalen geneigte Achse erzeugen. Durch Kopplung mit einem weiteren mehrfach-totalreflektierenden Retroreflex-Prisma oder einem einfachen Porro-Prisma als Endspiegel am anderen Ende des Resonators, welches beispielsweise eine vertikale Bildspiegelung in Rückreflexion erzeugt, wird das gesamte Strahlbild pro Umlauf um 2ϕ gedreht.
Bei Verwendung von Prismen mit nur einem 90°-Dach sind dabei Anordnungen besonders vorteilhaft, bei denen die Bildspiegelungsachsen beider Prismen signifikant, am besten >30° zueinander verdreht sind. Dadurch wirkt sich die selbststabilisierende Retroreflex-Eigenschaft der Prismen in einer Ebene signifikant auf beide transversalen Achsen des Resonators aus, so dass ein robuster Justage-unempfindlicher Aufbau resultiert. Verwendet man 6-fach oder 8-fach totalreflektierende Prismen wie in 4 oder 5, so können in Bezug auf die selbststabilisierende Retroreflex-Eigenschaft die Bildspiegelungsachsen beider Prismen beliebig orientiert sein, da jedes Prisma bereits selbst in beiden Achsen stabilisierend wirkt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die auftretende Bildrotation von 2ϕ pro Umlauf in einem Winkelbereich von 60° bis 150° gewählt wird, da dies zu einer schnellen Korrelation der transversalen Strahlphasen in wenigen Umläufen und somit zu einer guten Strahlqualität führt.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine verbesserte Kontrolle über die Phasendifferenzen beim Durchgang durch retroreflektierende Prismen in optischen Resonatoren erreicht. So können Retroreflex-Prismen mit spezifischer Phasendifferenz ohne zusätzliche Phasen-schiebende Beschichtungen realisiert werden. Diese sind daher auch über weitere Wellenlängenbereiche nutzbar, da üblicherweise die Materialdispersion gängiger optischer Medien eine geringere Wellenlängenabhängigkeit in Bezug auf die Phasenschiebung ausweist als sie durch spezifische Beschichtungen erzeugt werden. Es können Retroreflektoren realisiert werden, die in beiden transversalen Achsen stabilisierend wirken, ohne dabei die Nachteile der Polarisationsänderung von Tripel-Spiegel-Reflektoren zu besitzen. Durch geeignete Anordnung mit Verzögerungsoptiken im Resonator kann eine einfache, kompakte und robuste Darstellung einer Doppelbrechungskompensation erreicht werden. Durch geeignete Anordnung im Resonator kann auch eine einfache, kompakte und robuste Darstellung einer beliebigen Bildrotation des umlaufenden Strahlbildes in einem linearen Resonator ermöglicht werden, wobei - wenn gewünscht - unabhängig davon mit Verzögerungsoptiken die Auskopplung über Polarisation einstellbar ist.
Bezugszeichenliste

1: erstes Dachkant-Flächenpaar (90°-Dach)
2: zweite Fläche
3: einfallende bzw. austretende Laserstrahlung
4: erste Dachkante
5: zweites Dachkant-Flächenpaar (90°-Dach)
6: zweite Dachkante
7: dritte Fläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4408334 A [0007]
DE 102011115543 B4 [0009]

Claims

Verfahren zur Kompensation thermisch induzierter depolarisierender Effekte in einem optischen Resonator und/oder zur Einstellung des Auskoppelgrades eines Ausgangslaserstrahls über einen Polarisator aus einem optischen Resonator und/oder zur Erzeugung einer Resonator-internen Bildrotation, - bei dem als wenigstens eines mehrerer Laserstrahlung (3) reflektierender Elemente, die den optischen Resonator bilden, ein mehrfach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma eingesetzt wird, das wenigstens - - ein erstes totalreflektierendes Dachkant-Flächenpaar (1) aus zwei zueinander rechtwinkligen Dachkantflächen als retroreflektierenden Teil, und - - eine intern totalreflektierende zweite Fläche (2) oder ein zweites totalreflektierendes Dachkant-Flächenpaar (5) aus zwei zueinander rechtwinkligen Dachkantflächen aufweist, - - die so angeordnet sind, dass parallel zu einer optischen Achse des Resonators in das Retroreflex-Prisma eintretende Laserstrahlung (3) unter einem Winkel α an der zweiten Fläche (2) oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar (5) totalreflektiert wird, bevor sie am ersten Dachkant-Flächenpaar (1) totalreflektiert und nach einer erneuten Totalreflexion unter dem Winkel α an der zweiten Fläche (2) oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar (5) parallel zur optischen Achse des Resonators wieder aus dem Retroreflex-Prisma austritt, - und bei dem die Kompensation der thermisch induzierten depolarisierenden Effekte und/oder die Einstellung des Auskoppelgrades über die Anordnung der totalreflektierenden Flächen im Retroreflex-Prisma und Ausrichtung des Retroreflex-Prismas bezüglich der optischen Achse des Resonators, gegebenenfalls auch in Kombination mit einer Verzögerungsoptik im optischen Resonator, und/oder die Erzeugung einer Resonator-internen Bildrotation über die Anordnung der totalreflektierenden Flächen im Retroreflex-Prisma und Ausrichtung des Retroreflex-Prismas bezüglich der optischen Achse des Resonators in Kombination mit einem weiteren Retroreflex-Prisma erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 zur Kompensation einer im aktiven Medium eines Laser-Resonators auftretenden Doppelbrechung.
Verfahren nach Anspruch 1 zur Kompensation einer Verschlechterung der Strahlqualität bei einem optisch-nichtlinearen Prozess in einem optischen Resonator, insbesondere eines optisch-parametrischen Prozesses in einem optisch-parametrischen Oszillator.
Anordnung mit einem optischen Resonator für Laserstrahlung, der durch mehrere die Laserstrahlung (3) reflektierende Elemente gebildet wird und wenigstens ein aktives oder optisch nichtlineares Medium aufweist, wobei zumindest eines der die Laserstrahlung (3) reflektierenden Elemente durch ein mehrfach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma gebildet wird, das wenigstens - ein erstes totalreflektierendes Dachkant-Flächenpaar (1) aus zwei zueinander rechtwinkligen Dachkantflächen als retroreflektierenden Teil, durch das eine erste Dachkante (4) gebildet wird, und - eine intern totalreflektierende zweite Fläche (2) oder ein zweites totalreflektierendes Dachkant-Flächenpaar (5) aus zwei zueinander rechtwinkligen Dachkantflächen, durch das eine zweite Dachkante (6) gebildet wird, aufweist, - die so angeordnet sind, dass parallel zu einer optischen Achse des Resonators in das Retroreflex-Prisma eintretende Laserstrahlung (3) unter einem Winkel α an der zweiten Fläche (2) oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar (5) totalreflektiert wird, bevor sie am ersten Dachkant-Flächenpaar (1) totalreflektiert und nach einer erneuten Totalreflexion unter dem Winkel α an der zweiten Fläche (2) oder dem zweiten Dachkant-Flächenpaar (5) parallel zur optischen Achse des Resonators wieder aus dem Retroreflex-Prisma austritt.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Resonator eine Verzögerungsoptik angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am gegenüberliegenden Ende des optischen Resonators ein Porro-Prisma oder ein weiteres mehrfach totalreflektierendes Retroreflex-Prisma angeordnet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dachkante (4) senkrecht zur Einfallsebene der Laserstrahlung (3) auf die zweite Fläche (2) oder das zweite Dachkant-Flächenpaar (5) ausgerichtet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dachkante (4) parallel zur Einfallsebene der Laserstrahlung (3) auf die zweite Fläche (2) oder das zweite Dachkant-Flächenpaar (5) ausgerichtet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dachkante (4) unter einem Winkel β zur Einfallsebene der Laserstrahlung (3) auf die zweite Fläche (2) oder das zweite Dachkant-Flächenpaar (5) ausgerichtet ist, wobei 0° < β < 90°.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das mehrfach totalreflektierende Retroreflex-Prisma eine intern totalreflektierende dritte Fläche (7) aufweist, die so angeordnet ist, dass die in das Retroreflex-Prisma eintretende Laserstrahlung (3) zwischen dem zweiten Dachkant-Flächenpaar (5) und dem ersten Dachkant-Flächenpaar (1) unter einem Winkel α2, vorzugsweise von 45°, an der dritten Fläche (7) totalreflektiert wird.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dachkante (4) unter einem Winkel β zur Einfallsebene der Laserstrahlung (3) auf die dritte Fläche (7) ausgerichtet ist, wobei 0° < β < 90°.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dachkante (4) senkrecht zur Einfallsebene der Laserstrahlung (3) auf die dritte Fläche (7) ausgerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Dachkante (4) parallel zur Einfallsebene der Laserstrahlung (3) auf die dritte Fläche (7) ausgerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 8 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Resonator ein aktives Medium und eine Viertelwellen-Verzögerungsoptik mit einer schnellen und einer langsamen Achse angeordnet sind, wobei die Winkel α und gegebenenfalls α2 45° ± 5° sind und die schnelle Achse der Viertelwellen-Verzögerungsoptik unter 45°± 5° zur Einfallsebene der Laserstrahlung (3) auf die zweite Fläche (2) oder das zweite Dachkant-Flächenpaar (5) ausgerichtet ist.
Anordnung nach Anspruch 9 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Resonator ein aktives Medium angeordnet ist, wobei die Winkel α und β in einem Bereich von 45° ± 20° eingestellt sind und gegebenenfalls der Winkel α2 45° ± 20° beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Resonator ein aktives oder optisch nichtlineares Medium angeordnet ist, das Retroreflex-Prisma um einen Rotationswinkel ϕ um die optische Achse des Resonators gedreht ist, durch den sich bei Reflexion am Retroreflex-Prisma eine Spiegelung eines transversalen Strahlbildes der Laserstrahlung (3) um eine um den Winkel ϕ gegenüber der Vertikalen geneigte Achse ergibt, und im optischen Resonator ein Porro-Prisma oder ein weiteres Retroreflex-Prisma angeordnet ist, das eine weitere Spiegelung des transversalen Strahlbildes erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Retroreflex-Prisma und das Porro-Prisma oder das weitere Retroreflex-Prisma so angeordnet sind, dass sich pro Umlauf der Laserstrahlung (3) im optischen Resonator eine Bildrotation des transversalen Strahlbildes um einen Winkel in einem Winkelbereich von 60° bis 150° ergibt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass im optischen Resonator ein Polarisator zur partiellen Auskopplung der Laserstrahlung (3) aus dem Resonator angeordnet ist.