DE1921937B2 - Anregungsanordnung fuer einen laser - Google Patents

Anregungsanordnung fuer einen laser

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anregungsanordnung für einen Laser, der als optischer Sender die kohärente Strahlung von 1,5 μπι aus einem mit jeweils dreiwertigem Ytterbium- und Erbium-Ionen dotierten stabförmigen stimulierbaren Medium ausstrahlt und zu dessen Anregung dreiwerte Neodym-Ionen ausgenützt werden.
Es ist bekannt, die Leistung eines Festkörper-Lasers mit Erbium-dotiertem Lasermaterial durch den Einbau von den Pumpvorgang der dreiwertigen Erbium-Ionen unterstützenden Ytterbium-Ionen zu erhöhen. Das dreiwertige Ytterbium absorbiert jedoch -nur einen Teil einer im sichtbaren Bereich arbeitenden Anregungslichtquelle. Zur Überwindung dieses Nachteils ist es bekannt (französische Patentschrift 1 461 043), zum Sensibilisieren der Yttertr im-Ionen dreiwertige Neodym-Ionen einzubauen, die im sichtbaren Bereich gut absorbieren. Bei der Absorption werden die Nd3+-Ionen in einen nichtstabilen Zustand angeregt und gehen von diesem Zustand durch strahlungslosen Übergang in einen metastabilen Anregungszustand über. Die sich in diesem Zustand befindenden Neodym-Ionen bewirken dann durch Stoß eine Anregung benachbarter Yb3+-Ionen in einen metastabilen Zustand.
Durch Stoß wird dann die Energie der Ytterbium-Ionen auf die Erbium-Ionen übertragen, die unter Aussendung von Strahlung in den Grur.dzustand zurückgehen. Der Einbau von Neodym-Ionen hat jedoch den Nachteil, daß die Neodym-Ionen schon in geringer Konzentration den Laservorgang der Erbium-Ionen zum erlöschen bringen.
Es ist ferner bekannt (Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 21a, Nr. 3, 1966, JS. 336 bis 340), Neodym-Laser durch die kohärente Emission von Rubin-Lasern anzuregen. Dadurch wird bei der bekannten Anordnung der Wirkungsgrad des Neodym-Lasers erhöht.
" Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anregungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welche ein großer Wirkungsgrad des Lasers, insbesondere auch bei Zimmertemperatur und für eine Emissionswellenlänge von 1,5 μτη, erreicht wird, wobei nur ein kleiner Teil der von der Anregungslichtquelle ausgestrahlten Energie durch Erwärmen des anzuregenden Laserstabes verlorengehen soll.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Anregung durch die Strahlung eines zusätzlichen optischen Oszillators aus einem optischen Resonator, der ein mit Nd3+-Ionen dotiertes stimulier-
bares Medium einschließt, derart erfolgt, daß zumin- Erbiums. Der anschließende Übergang zwischen den
dest eine Komponente dieser Anregungsstrahlung in Niveaus 4/ ,„ und 4/15., erzeugt die Laserausgangs-
die Richtung der optischen Längsachse des optisch Strahlung.
rachgeschalteten optischen Resonators des anzu- Wie bereits erklärt wurde, absorbiert Ytterbium regenden optischen Senders fällt und daß optische 5 nicht alle der mit einem Blitzlicht erzeugten Wellen-Mittel vorgesehen sind, die aus dem optischen Reso- längen. Zur Vergrößerung der Absorption der von nator des anzuregenden optischen Senders eine Nutz- dem Anregungslicht ausgehenden Wellenlängen ist in Strahlung von 1,5 μιη austreten lassen, die Anregungs- den bekannten Materialien ein geringer Anteil von Strahlung von L06//m jedoch in das anzuregende Necdym im Ytterbium-Erbium-Träger eingebettet, stimulierbare Medium zurückreflektieren. i0 Jedoch kann das Necdym auch schon in verhältnis-
Bei der erfindungsgemäfien Anordnung werden die mäßig geringer Konzentration die Fluoreszenz der
Nd3+-Ionen zunächst in einen instabilen Zustand ange- benachbarter! Erbiumionen unterbrechen,
regt, gehen von dort strahlungslos in einen meta- Wendet man einen Ytterbium-Erbium-dotierten
stabilen Zustand und von diesem unter Strahlungs- Stab an, wie er in der genannten deutschen Patentan-
aussendung in einen weiteren Zwischenzustand und 15 meldung P 14 89 673.2 beschrieben ist, auf deren
schließlich durch strahlungslosen Übergang in den Lehren in der vorliegenden Anmeldung Bezug ge-
Grundzustand über. Die frei werdende Strahlung wird nommen wi"d, und regt den Ytterbium-Erbium-Stab
zur Anregung der Ytterbium-Ionen in dem Ytterbium- mit Laserenergie der Wellenlänge 0,92 oder 1,06 μιη
Erbium-Laserstab verwendet. Auf diese Weise wird aus einem optisch gekoppelten Neodym-dotierten
vermieden, daß die Necdym-Ionen den Laservorgang aa Laserlichtgenerator an, so ergibt sich eine verstärkte
der Erbium-Ionen zum Erlöschen bringen. ~ Absorption der Anregungsstrahlung durch die Ytter-
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Aus- biumionen, und da die Neodymionen nicht direkte
f ührungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren Nachbarn der Erbiumionen sind, ist das Unterbrechen
näher erläutert. Von den Figuren zeigt des Laservorganges der Erbiumionen durch die Neo-
F i g. 1 eine Darstellung einer erfindungsgemäfien 25 dymionen vermieden. Die Anmelderin hat festgestellt,
Anregungsanordnung, " daß die Wirksamen des Anregens bei der Wellenlänge
F i g. 2 eine Darstellung einer abgewandelten Aus- Ι,Οόμιη durch Erwärmen des Ytterbium-Erbium-Stabes
führungsform der Erfindung und erhöht werden kann, wie auch der Absorptionskoeffi-
F i g. 3 eine Darstellung einer weiteren abgewan- zient der Ytterbiumionen für 1,06 μιτι größer wird,
delten Ausführungsform der Erfindung. 30 Erfindungsgemäß regt das Laserlicht der Wellen-
Bei der Erfindung ist Erbium als Laserion ausge- länge 0,92 oder 1 06 μιη die Ytterbiumionen auf das wählt und in einem Trägerstab eingebettet, der im höhere Niveau 2F& 2 an, und die Ytterbiumionen überwesentlichen für die Lichtenergie der Laseremissions- tragen die Energie" auf die Erbiumionen, von denen Wellenlänge des Erbiums durchlässig ist. Erbium ist in letztlich die Laserausgangsstrahlung ausgeht,
laserfähigen Mengen vorhanden. Wenn eine Besetzungs- 35 Bei der erfindungsgemäßen Laseranordnung wird umkehr der Erbiumionen erreicht ist, ist ein Strahlungs- ein Ytterbium-Erbium-dotierter Trägerstab verwendet, übergang von einem ausgewählten Energieniveau des der durch ein Laserstrahlenbündel der Wellenlänge Erbiums zu einem niedrigeren Niveau möglich. Trotz 0,92 oder 1,06 μιη angeregt wird. Dieses Laserstrahlender in dem Einbettungsmaterial vorliegenden Absorp- bündel entstammt einem Neodym-dotierten stimuliertionsverhältnisse für Laserstrahlung wird in dem Ein- 40 baren Medium. Wenn ein Stab mit Ytterbium- und bettungsmaterial eine Besetzungsumkehr der Erbium- Erbiumionen dotiert ist, werden die Elektronen des ionen aufrechterhalten, so daß bei der Wellenlänge der Ytterbiums durch die auf das Ytterbium auftreffende stimulierten Emission der Erbiumionen eine hin- Energie auf ein höheres Niveau angeregt. Ytterbium reichende Verstärkung der stimuliert emittierten Licht- überträgt die Energie auf Erbium und ermöglicht energie gegenüber allen Lichtenergieverlusten vorliegt. 45 so das Auftreten einer Besetzungsumkehr bei den
Zusätzlich ist eh, Lasergenerator mit Neodymionen Erbiumionen.
als Laserionen vorgesehen. Dreiwertiges Neodym ist Die Methode des Anregens eines Ytterbiumin dem Trägermaterial dieses Generators eingebaut. Erbium-Stabes mittels Laserenergie kann auch bei Der Träger ist im wesentlichen für die Lichtenergie einem Laserverstärker angewendet werden. So kann der Laseremissionswellenlänge des dreiwertigen Neo- 50 ein Laserpuls, der von einem Erbiumlaseroszillator dyms durchlässig. Das Neodym ist in einer Konzen- herrührt, in einen Ytterbium-Erirum-Verstärker getration vorhanden, die eine genügend große Besetzungs- leitet werden, wobei der Verstärker mit Laserenergie umkehr zwischen den zwei Energieniveaus bewirkt, von einem Neodymlaserlichtgenerator angeregt worden um so eine genügende Ausbeute der Laserwellenlänge ist. Jede Laseranordnung, in der eine Besetzungsumder stimulierten Emission zu beschaffen, um alle Licht- 55 kehr des Erbiums in einem Ytterbium-Erbium-Träger Verluste im Neodymlasermaterial auszugleichen. und bei der die Inversion durch Anregen mit einem
Wie es die deutsche Patentanmeldung P 14 89 672.2 getrennten Neodymlaser erzeugt wird, soll im Rahmen
(offengelegt am 19. 6.1969) der Anmelderin erklärt, der Erfindung liegen.
ist es möglich, eine größere Wirksamkeit durch die Drei Anordnungen für Laseroszillatoren sind in den
Verwendung von Ytterbiumionen als Sensibilisatoren 60 Fig. 1 bis 3 gezeigt.
für Erbium zu erhalten. Dreiwertiges Ytterbium kann In F i g. 1 umfaßt die Laseranordnung 10 einen
mit einer Energiequelle von einem Ausgangsgrund- ersten optischen Resonator 12, der durch die Re-
niveau 2fV2 auf ein höheres Niveau 2^2 angeregt flektoren ^1 und R2 begrenzt wird, und einen zweiten,
werden. Es kann dann eine Energieübertragung vom durch die Reflektoren R2 und R3 begrenzten optischen
höheren Niveau .!es dreiwertigen Ytterbiums zum 65 Resonator 14. Innerhalb des optischen Resonators 12
höheren Niveau 4/n,2 des dreiwertigen Erbiums statt- ist ein mit dreiwertigem Neodym dotierter Stab 16
finden. Darauf folgt ein slrahlungsloser Übergang vom angeordnet. Im Resonator 14 befindet sich ein mit
Niveau 4/n,., des Erbiums zum Niveau 4jls/.2 des dreiwertigem Ytterbium und dreiwertigem Erbium
dotierter Stab 18. Eng um den Neodymlaserstab 16 herum angeordnet ist eine Entladungsblitzlampe 20. Diese Blitzlampe liefert die Anregungsenergie und erzeugt eine Besetzungsumkehr der Neodymionen im Stab 16. An dem von dem optischen Resonator 14 abgekehrten Ende des Resonators 12 befindet sich der Reflektor R1. Der Reflektor R1 reflektiert Licht der Wellenlänge 1.06 (im angenähert 100°/„ig. Der Reflektor A2 trennt die beiden optischen Resonatoren 12 und 14. Der Reflektor R2 ist dichroitisch und hauptsächlich für die Lichtenergie der Wellenlänge 1,5 μπι zu 100 °/„ reflektierend, während er weniger stark Licht der Wellenlänge 1,06 μΐη reflektiert, so daß die l,06^m-Energie angekoppelt werden kann. Beispielsweise reflektiert der Reflektor R2 SQ0I0 oder weniger bei der Wellenlänge 1,06 μηι. Die Lichtenergie wird durch stimulierte Emission des dreiwertigen Neodyms im Stab 16 erzeugt und schwingt zwischen den Reflektoren R1 und R2 hin und her mit einer Ausgangsstrahlung, die durch den Pfeil 22 angezeigt wird. Die durch den Pfeil 22 dargestellte Energie tritt in den Stab 18 ein, regt die dreiwertigen Ytterbiumionen an, die dann die Energie auf die benachbarten Erbiumionen übertragen und eine Besetzungsumkehr der Erbiumionen hervorrufen. Am Ende des Resonators 14, entgegengesetzt zu R1, befindet sich der Reflektor R3. Der Reflektor A3 ist wie der Reflektor A2 dichroitisch. Er ist für die Wellenlänge 1,06 μΐη zu 100 °/„ reflektierend, so daß die Energie mit l.Ofiiim. Hie durch den Stab 18 hindurchgelaufen ist, in den Stab zurückgeworfen wird, um die Anregung zu erhöhen, aber er ist nur zu 60°/„ reflektierend für die Wellenlänge 1,5 μηι. So kann die aus dem dreiwertigen Erbium ausgelöste Strahlung, die im optischen Resonator 14 zwischen den Reflektoren R2 und A3 hin- und herschwingt, als Ausgangsstrahlurig der Wellenlänge 1,5 μηι, die durch den Pfeil 24 dargestellt ist, diesen Resonator 18 verlassen.
In F i g. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform gezeigt. Ein mit dreiwertigem Ytterbium und dreiwertigem Erbium dotierter Stab 18 ist durch ein rechtwinkliges Prisma mit der brechenden Kante 26 abgeschlossen, dessen eine Fläche 5, parallel zur Stirnfläche des Stabes 16 verläuft. Der Stab 18 ist im zweiten Resonator 14 unter einem Winkel von 45° zum Stab 16 angeordnet. Laserlicht der Wellenlänge 1,06 μηι trifft nun in den Stab 18 unter einem Winkel von 45° zur Achse 28 des Stabes 18 ein. Die Länge L des Stabes 18 ist als ein ganzzahliges Vielfaches der Breite D gewählt. Dadurch pflanzt sich das Laserlicht vom Neodymstab 16 entlang des durch die gestrichelte Linie 3D angezeigten Weges fort zur ebenen Stirnfläche und zurück zum Dachkantprisma, senkrecht auf die Fläche S2 auftreffend. Der Reflektor A4 ist parallel
ίο zu S2 angeordnet und reflektiert die Strahlung in den Stab 18 zurück, wie durch die gestrichelten Linien 30 angedeutet wird. Das Laserlicht, das sich auf einem durch die gestrichelte Linie 30 angezeigten Weg fortpflanzt, wird die Ytterbiumionen auf diesem Weg
is anregen, und die Ytterbiumionen übertragen die Energie und erzeugen bei den Erbiumionen eine Besetzungsumkehr. Das Dachkantprisma 26 wirkt durch die Totalreflexion als Reflektor, der das von der stimulierten Emission der Erdiumionen her-
ao rührende Licht parallel zur Einfallsrichtung reflektiert. Auf diese Weise wird der Resonator 14 vom Dachkantprisma 26 und vom Reflektor R3 begrenzt mit einer Ausgangsstrahlung der Wellenlänge 1,5 μηι, die durch den Pfeil 24 symbolisiert ist.
»5 F i g. 3 zeigt eine der F i g. 2 ähnliche Ausführungsform, nur ist nur eine Fläche S3 unter einem Winkel von 45° bei 32 angeschliffen. Die Fläche S3 ist parallel zur benachbarten Stirnfläche des Stabes 16. Die Laserenergie von !,06 {im tritt in den Stab 18 senkrecht zur Fläche S3 ein und pflanzt sich entlang des durch die gestrichelte Linie dargestellten Weges fort und regt entlang des Weges 30 die Ytterbiumionen an. Es findet dann eine der oben beschriebenen Übertragung analoge Energieübertragung zwischen den Ytterbiumionen und den Erbiumionen statt. Der Reflektor R4 ist parallel zur geometrischen Achse 28 und zu einer Mantelfläche des Stabes 18 angeordnet. Der Reflektor A4 ist im wesentlichen ein hundertprozentiger Reflektor für Energie der Wellenlänge 1,5 μίτι und bildet zusammen mit dem Reflektor R3 den Resonator des Stabes 18. Die kohärente Strahlung, die bei der stimulierten Emission der Erbiumionen im Stab 18 erzeugt wird, schwingt entlang des durch die Wellenlinie 34 gekennzeichneten Weges und ist in Richtung des Pfeils 24 der F i g. 3 ausgekoppelt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Anregungsanordnung für einen Laser, der als optischer Sender die kohärente Strahlung von 1,5 μΐη aus einem mit jeweils dreiwertigen Ytterbium- und Erbium-Ionen dotierten stabförmigen stimulierbaren Medium ausstrahlt und zu dessen Anregung dreiwertige Neodym-Ionen ausgenützt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregung durch die Strahlung eines zusätzlichen optischen Oszillators (12) aus einem optischen Resonator (R1, R2), der ein mit Nd3+-Ionen dotiertes stimulierbares Medium (16) einschließt, derart erfolgt, daß zumindest eine Komponente dieser Anregungsstrahluiig (22) in die Richtung der optischen Längsachse des optisch nachgeschalteten optischen Resonators (R2, R3 in F i g. 1; R3, J?4 in l· i g. 2 und 3) des anzuregenden optischen Senders (14) fällt und daß optische Mittel (R3) vorgesehen sind, die aus dem optischen Resonator (R2, R3 in F i g. 1; R3, Rt in F i g. 2 und 3) des anzuregenden optischen Senders (14) eine Nutzstrahlung (24) von 1,5 am austreten lassen, die Anregungsstrahlung (22) von 1,06 μηι jedoch in das anzuregende stimulierbare Medium (18) zurückreflektieren.
2. Anregungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (R2) zur optischen Kopplung Her aus dem ersten optischen Resonator austretenden Anregungsstrahlung der Wellenlänge 1,06 μΐη mii. der zweiten optischen Resonator aus einem beiden Resonatoren gemeinsamen dichroitischen Filter (R2) gebildet sind, das für die Wellenlänge 1,06 μΐη nur wenig durchlässig ist und das bei der Wellenlänge 1,5 μηι reflektiert.
3. Anregungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (12) und der zweite (14) optische Resonator eine gemeinsame optische Achse haben.
4. Anregungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen des Neodym-dotierten Laserstabes X 6) und des Ytterbium-Erbium-dotierten Laserstabes (18) einen Winkel von 45° einschließen.
5. Anregungsanordnung l.ach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ytterbium-Erbiumdotierte Laserstab (18) an seinem anregungsseitigen Ende von einem rechtwinkligen Prisma abgeschlossen ist, dessen eine Stirnfläche (S1) normal zur Fortpflanzungsrichtung der 1,06 μπι AnlEgungsstrahlung liegt, daß parallel zur anderen Stirnfläche (S2) ein die 1,06 μηι Strahlung reflektierender Spiegel (Rt) angeordnet ist und daß die Länge (L) des Ytterbium-Erbium-ciotierten Laser-Stabes (18) gleich einem ganzzahligen Vielfachen seines Durchmessers (D) ist.
6. Anregungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite optische Resonator (14) ausgangsseitig von einem Spiegel (R3) begrenzt ist, der in geringem Maße für die Strahlung der Wellenlänge 1,5 μίτι durchlässig ist und nahe und parallel der normalen Stirnfläche des stimulierbaren Mediums (18) angeordnet ist.
7. Anregungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ytterbium-Erbiumdotierte Laserstab (18) anregungsseitig eine Ein trittsfläche (S3) aufweist, die normal zur Fortpflanzungsrichtung der Anregungsstrahlung (22) liegt und einen Winkel von 45° zur optischen Achse des Ytterbium-Erbium-dotierten Laserstabes (18) aufweist.
8. Anregungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite optische Resonator (R3, .R4) anregungsseitig von einem parallel zur optischen Achse des Ytterbium-Eibium-dotierten Laserstabes (18) angeordneten Spiegel (A4), der unter 45° zur Eintrittsfläche (S3) ausgerichtet ist und ausgangsseitig von einem für 1,5 μΐη in geringem Maße durchlässigen Spiegel (S3) begrenzt ist.
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