DE1905979A1 - Vorrichtung zur mechanischen Impulssteuerung (Q-Switching) von Lasergeraeten - Google Patents

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

Patentanwalt

Stuttgart-Feuerbach

Kurze Straße 8

J.E.M.Cornillault-3
Ser.No.:

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Vorrichtung zur mechanischen Impulssteuerung (Q-Switching) von Lasergeräten

Die Priorität der Anmeldung in Frankreich vom 2Oo Februar 1968 Nr. PV I¹K) A78 ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf Lasergeräte, die durch ein sich sehr schnell drehendes Prisma impulsgesteuert werden»

Es ist bekannt, daß ein Kristallaser ein aktives Element, beispielsweise einen Rubin, enthält,'das in einsBi optischen Hohlraum angeordnet ist, der an einer Seite einen total reflektierenden Spiegel und an der anderen Seite einen teilweise transparenten Spiegel enthält, der den Ausgang daB Gerätes darstellt. Das aktive Element empfangt die von einer pumpenden Lichtquelle gelieferte Energie.

Die beiden Spiegel ergeben einen interferometrischen Fabry-Perot-Hohlraum, in dem bei Erregung des aktiven Elements durch die Pumpenquelle die Haupt-Mode schwingen.

Sowie auf diese Weise Laserimpulse erzeugt werden, deren Zahl und Amplitude von der Pumpenquelle und ihren Veränderungen abhängen, erfolgt oft eine Iapulseteuerung des Lasers unter der Steuerung

Sdt/P

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.eines im Hohlraum angeordneten rotierenden Prismas.

Es ist bekannt, daß ein solcher.Laser Impulse erzeugt, sobald die Pumpenenergie den Schwellwert für den Läserbetrieb beachtlich übersteigt. In einigen Ausführungen erscheint ein zweiter Impuls, wenn die Pumpenenergie um 50 % höher als der Schwell-· wert ist. Im Gegensatz hierzu wird bei niedrigen Temperaturen ~ diese Spanne (um 10 bis 20 % oberhalb der Schwelle) verringert, die die Einstellung der Energiequelle sehr kritisch macht.·

In verschiedenen Veröffentlichungen, wie der Artikel "An improved method of mechanical Q-switching using total international re-^; flections", veröffentlicht im September Τ96Λ in der Zeitschrift "Applied Optics", Seite 163, ist dargelegt, daß dieses Phänomen, auf die niedrige Rotationsgeschwindigkeit der Prismen zurückgeführt wird, die im allgemeinen zwischen 20 000 und 3Ö ÖÖÖ Umdrehungen pro Minute liegt. Wegen dieser niedrigen Geschwindigkeit sind Öffnen und Schließen des Hohlraums nicht^: sehr schnell, was' zu sehr niedrigen Verlusten führt, so daß der Hohlraum' während " einiger hundertstel Nanosekunden schwingen kann. Die Ausgangsspitze des Impulses ist dann begrenzt und es treten mehrere Impulse auf, von denen der erste nicht notwendigerweise der mit der höchsten Leistung ist. '

Me Erzeugung von Mehrfachimpulsen über eine Periode von einigen Hundertsteln Nanosekunden ist eine sehr lästige Erscheinung, wenn sie beispielsweise für Laser mit hoher Meßgenauigkeit verwendet werden soll. Tatsächlich entspricht auch ein Abstand vom 15 η einer Zeit von 100 ns zwischen der Übertragungszeitdes Laserimpulses und der Empfangszeit des durch den Gegenstand reflektierten Impulses, während die mögliche Resolution mit einem "Laserstrahl viel niedriger liegt.

IJm eine einzelne Impulssteuerung Zu₁ erhalten -\ kannman -die- Drehgeschwindigkeit des Prismas erhöhen, muß aber sehr hohe Geschwindigkeiten von über 500 000 Umdrehungen pro Minute erreichen.

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Dies führt zur Verwendung einer Luftturbine und ergibt eine t. umfangreiche unhandliche Einheit, die praktisch nur im Laboratorium verwendet werden kann.

' Ein anderes Verfahren besteht in einer genaueren optischen Aus- :· richtung im interferometrischen Hohlraum, beispielsweise dadurch,

daß dort ein Element mit einem TJbertragungs- (oder Reflektions-) ;, faktor vorgesehen wird, der auch bei kleinen Winkeln stark vom ;;> Strahlungswinkel· abhängt.

f" In der genannten Arbeit wurde vorgeschlagen, in eine optische ■■:. Bahn eine Lummer-Gehrke-Platte mit Mehrfachreflektionen einzuschal-V ten, wobei nur die zwischen der eingangs- und der Ausgangsfläche Z übertragenen Strahlen verwendet werden. Bei einem geeigneten Platten- - ' winkel ist die Ausrichtung kritisch und wird noch kritischer, wenn

die Zahl der Reflektionen hoher ist, d.h. wenn die in Bezug auf die V. Achse schwach geneigten Moden unterdrückt werden, so daß die Platte '■'■- einem Mode-Tilter äquivalent ist, dessen Durchgangsband zentriert ·'' auf den Axialmode enger wird, wenn die Zahl der Eeflektionen ansteigt ο Trotzdem hat dieses System den Nachteil, daß die Verwendung = "' eines Hohlraumes nicht möglich ist, dessen Eingang und Ausgang aus- ;/ gerichtet sind. Dies bedingt Einstellschwierigkeiten beim Ausrich-■■^: ten des Systems. Durch geeignete Anordnung zweier identischer Platten kann man eine Ausrichtung des Eingangs mit dem Ausgang erhalten, aber beide müssen dann durch symmetrisches Verschieben gleichzeitig eingestellt werden, was einen komplizierten und genauen Mechanismus mit Halterungen für die Platten, Spindeln und einer Einrichtung für die Abstandseinstellung erforderte

Bei der Anordnung nach der Erfindung wird eine Zweiplatteneinrichtung mit kollinearem Eingang und Ausgang benutzt, die keine Einstellung durch Verbinden zweier mit einer gemeinsamen Halterung verbundenen Platten erfordert, so daß der Mode-Filter aus einer Monoblockeinheit besteht* deren Auerichtung durch Konstruktion erzielt wird und die nur genau im interferometrischen Hohlraum an-

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geordnet sein muß.

Aufgabe der Erfindung 1st somit die Verbesserung eines kritischen Übertragungsprismas in einem interferfsmetrischen Hohlraum eines impulsgesteuerten (Q-switched) Lasers und die Erfindung ist gekennzeichnet .durch zwei parallelpipedische Platten, die in spitzem Winkel zueinander verlaufen und dauernd physikalisch und optisch an ihren einen Endflächen so miteinander verbunden sind, daß sie ein einziges Verbundprisaia ergeben, wobei die Achse des Hohlraumes durch die anderen Endflächen der Platten hindurchgeht.

Die beiden Platten können an ihren einen Endflächen unmittelbar miteinander verbunden sein und die Eingangs- und-die Ausgangsfläche des so durch diese Platten gebildeten Verbundprisiaas können senkrecht zur Achse des Hohlraumes verlaufen. Die Endflächen sind zweckmäßig optisch polierte, druckgeformte Flächen, wobei eine um eine senkrechte Achse drehbar« Basis vorgesehen ist.

Es kann ein zweites Prisma vorgesehen sein, mit dem die Platten an ihren Endflächen verbunden sind, wobei die Winkel der Platten ·εο gewählt sind, daß Eingangs- und Ausgangsflachen im Brewster-Winkel zur Achse des Hohlraumes verlaufen. Das V_erbundprisma wird zweckmäßig an der um eine senkrechte Achse drehbare Basis befestigt.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. In diesen sind:

Figur 1 ein Mode-Filter bekannter Art;

die Figuren 2a und 2b ein einfaches Ausführungsbeispiel ®ines Mode-Filters nach der Erfindung, dargestellt in Seitenansicht und Draufsicht und

Figur 3 ein zweites AusführungsbelBpiel eines solchen Filters.

Figur 1 zeigt einen Mode-Filter bekannter Art, ?d«r aus zwei Iiummer-(Jehrke-Platten 3 und k besteht, die eich innerhalb des interferometrischen Hohlraumes befinden, der aus dem rotierenden Prisma 2

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und dem halbtransparenten Spiegel 5» sowie dem Kristall 1 besteht. Die Platten 3 ^un<* *·" gewährleisten dank ihrer Mehrfachreflektionen eine äußerst kritische Ausrichtung. Da ihr Winkel so eingestellt ist, daß ihre Heflektionen bei einem wenig größeren Winkel als dem kritischen Winkel auftreten, streifen die Strahlen, die nicht parallel zur Achse des Hohlraumes verlaufen, die Fläche nach einigen Reflektionen bei einem kleineren Winkel als dem kritischen Winkel und fallen somit heraus·

Wenn n1 und n2 die Brechungsindizes der beiden Medien (n2 > ni) bezeichnen, ist der kritische Winkel λ der Einfallswinkel i eines Lichtstrahls im Medium des Index n2 an der Trennfläche dieser Medien und gleich ein λ ³ ^r. Bei einem Einfallswinkel i < λ tritt eine Brechung ein und bei Ι^λ eine Gesamtreflektion an der Trennfläche dieser beiden Medien.

Die Figuren 2a und 2b -zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Monoblock-Modefilters nach der Erfindung, bei dem die Heflektionen in derselben Weise wie im vorhergehenden Beispiel bei einem viel größeren als dem Begrenzungswinkel auftreten. Die beiden Platten 3 und *f sind' identisch und an den Flächen 6 miteinander verbunden.

Der Wert des Winkels hängt von dem für die Herstellung der Platten verwendeten Material wie auch von der Wellenlänge ab. Seine Abweichung in Bezug auf den kritischen Winkel kennzeichnet die Leistung des Systems. Die Dämpfung der Mode nimmt zu, wenn diese Differenz abnimmt.

Das zusammengesetzteStück, das als kritisches Übertragungsprisma bezeichnet wird, kann aus verschiedenen Materialien, wie Silikonglae oder Grown-Borsilikat, bestehen, mit dem genau geschnittene Elemente erhalten werden können.

Die Parameter werden in bekannter Weise durch Messen und Errechnen erhalten.Der Brechungsindex nL für die Wellenläng· XL des Lasers

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wird durch die bekannte Formel erhalten!

^) (X₀-X,) (X--XJ (λ--}
1 2 3 L 2 3

(X₂-X₅Jn₁ + (Xj₁-X₂)

worin η , n_ und n., die Brechungsindizes der für bekannte Wellenlängen X₁ X_ und X^ gemessenen Platte sind, di'e beispielsweise die Natrium-Linie D, die Wasserstofflinie G und die Kalium-Linie A¹ sein können. ■

Für Grown-Borsilikatglas B 1664 und λ L = 6943 A ergibt sich nL β 1,512224.

Der kritische Winkel für diese Wellenlänge ist 0 1= 4i° 24·.

Bei einer gegebenen Laserart wurde beobachtet, daß die Mehrfachimpulse einen Abstand von mindestens 200 ns besitzen. Es ist somit notwendig, daß der Mode-Filter eine genügende Dämpfung bewirkt, damit die übertragung eines Impulses bei einem Zeitintervall von 200 ns in Bezug auf die Ausrichtzeit unmöglich wird.

Wenn das Prisma mit 400 Umdrehungen in der Sekunde umläuft, entspricht ein Zeitintervall von 200 ns einer Umdrehung von ca> 2 Bogenaiinuten. Der kritische Prismenwinkel kann dann gleich 41° 24^f + 2¹ oder A « 4i° 26· gewählt werden.

Beim kritischen Übertragungsprisma der Figuren 2a und 2b treten Eeflektionsverluste (ungefähr 4 %) über die Eingangsfläche 9 und die Ausgangsfläche 10 auf, wenn das Prisma nicht richtig ausgerichtet ist, d.h. wenn die Ebene des Prismas mit der Achse des Hohlraumes einen Winkel <fi mit einem von Null abweichenden Wert bildet (Figur 2b). Die Ausrichtung dieses Prisma©im Hohlraum ist verhältnismäßig schwierig.

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Figur 3 zeigt einen zweiten Ausführungsweg nach der Erfindung, bei dem die Strahlen unter einem kleineren als dem Brewster-Winkel β ein- und austreten, der die Eeflektionsverluste aufhebt und dadurch erzeugt das verwendete Kristall polarisiertes Licht mit einem elektrischen Vektor E in der Ebene der Figur.

Dieser Filter enthält zwei identische Lummer-Gehrke-Blätter 3 und 4, die mit den transparenten Flächen eines Prismas 8 verbunden sind. Aus dem beschriebenen Beispiel ist zu ersehen, daß die einfallenden und die heraustretenden Strahlen mit der Achse 7 kolinear sind. Die Winkel B und G werden in derselben Weise wie der Winkel <λ der Figur 2 berechnet und unter denselben Bedingungen und mit demselben Winkel in Bezug auf den kritischen Winkel erhält man:

B = 7^° 56' C= 33° 30«

Bei den optischen Blöcken der Figuren 2 und 3 kann das Verbundprisma nicht durch Kleben hergestellt werden, da alle Leime einen kleinen Teil der Lichtenergie absorbieren und schließlich verbrennen. Das Verbundprisma wird somit nur durch Verbinden optischer polierter Flächen hergestellt, aber der Block wird im allgemeinen auf eine Grundplatte geklebt.

5 Patentansprüche
1 Zeichnung, 3 Fig.

Claims (5)

1. Patentansprüche

   .1.) Kritisches Übertragungsprisma in einem interferometrischen Hohlraum eines impulsgesteuerten (Q-swiched) Lasers, gekennzeichnet durch zwei parallelpipedische Platten (3»*0, die in einem spitzen Winkel zueinander verlaufen und dauernd physikalisch und optisch an ihren einen Endflächen so miteinander verbunden sind, daß sie ein einziges Verbundprisma ergeben, £ wobei die Achse (7) des Hohlraumes Ci,2,5) durch die anderen Endflächen (9,10) der Platten hindurchgeht.
2. 2. Prisma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden . Platten (3,^) unmittelbar an ihren einen Endflächen (6) mitein- , ander verbunden sind und die Eingangs- und die Ausgang&fläche des durch diese Platten gebildeten Verbundprismas senkrecht zur Achse (7) des Hohlraumes (i_r2,5) verlaufen.
3. ~** Prisma nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endflächen (6) optisch polierte, druckgeformte Flächen sind und daß eine um eine senkrechte Achse drehbare Basis (8) vorgesehen ist. -
4. k. Prisma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Prisma (8) vorgesehen ist, mit dem die Platten (3 »*£")-"'an ihren einen Endflächen (6) verbunden sind, und die Winkel der Platten so gewählt sind, daß Eingangs- und Ausgangsflächen im Brewster-. Winkel zur Achse (7) des Hohlraumes verlaufen.
5. 5. Prisma nach den Ansprüchen 3 ^und ^, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundprisma an der um eine senkrechte Achse drehbare Basis (8) befestigt ist»

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