DE19609166A1

DE19609166A1 - Serielle Laserverstärker-Anordnung mit optischem System zur Kompensation starker thermischer Linsenvariation

Info

Publication number: DE19609166A1
Application number: DE1996109166
Authority: DE
Inventors: Hans Joachim Prof Dr Eichler; Andreas Haase; Oliver Mehl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-09
Filing date: 1996-03-09
Publication date: 1997-09-11

Description

Gattung des Anwendungsgegenstands

Die Erfindung betrifft Laserverstärkeranordnungen aus mehreren seriell angeordneten Festkörper-Laserverstärkerstäben im Multipaßbetrieb mit optischen Systemen zwischen den Verstärkerstufen und einem phasenkonjugierenden Spiegel. Durch die optischen Systeme wird der Extraktionswirkungsgrad über einen großen Pumpleistungsbereich der Verstärker optimal gehalten, und gleichzeitig werden Zerstörungen innerhalb der Verstärkerkette durch Fokussierungen vermieden. Durch Verwendung phasenkonjugierender Spiegel können die Phasenstörungen der Verstärkerkristalle kompensiert werden, so daß die Ausgangsstrahlparameter, wie Strahlqualität und Strahlausbreitung, bei Variation der mittleren Ausgangsleistung konstant bleiben. Der Einsatz von aktiven Medien ohne Depolarisationsverluste führt zu einer Nutzung der gesamten verstärkten Strahlung.

Angaben zur Gattung

In der erfundenen Laserverstärkeranordnung wird das, z. B. von einem Masteroszillator, in die Verstärkerkette mit hoher Strahlqualität eintretende Licht durch optische Systeme von einem Verstärker in den nächsten transformiert. Die Transformation ist bezüglich des Extraktionswirkungsgrades und der Vermeidung von Zerstörungen in den Verstärkerstäben für einen großen Durchstimmbereich der Verstärkerpumpleistungen optimiert. Das optische System wird erfindungsgemäß durch eine geeignete Anordnung von Linsen realisiert, die jeweils auf die Parameter der verwendeten Verstärker angepaßt werden. Durch Benutzung von aktiven Materialien ohne thermisch induzierte Doppelbrechung wird die Optimierung dieses optischen Systems deutlich vereinfacht.

Stand der Technik mit Fundstellen

Es ist bekannt, daß mehrere Festkörper-Laserverstärker in serieller Anordnung im Doppelpaß betrieben werden können (W. Koechner, "Solid-State Laser Engineering", fourth ed. 1996, S. 166ff). Hierbei werden die Verstärker mit Dioden gepumpt, um die Phasenstörungen gering zu halten. Ein konventioneller Spiegel reflektiert die Strahlung nach dem ersten Paß wieder in die Verstärkerkette zurück. Ein 90° Rotator dient der Kompensation der streßinduzierten Doppelbrechung. Da die Kompensation nicht vollständig ist, ist vor dem Masteroszillator noch eine zweite optische Isolierung notwendig.

Weiterhin ist bekannt, daß ein Teleskop zwischen den Verstärkern die Strahlung von einem auf den nächsten Verstärker ohne größere Verluste transportiert (Patentschrift WO 95/22187, Patentschrift 0 652 616 A1). Hierbei wird davon ausgegangen, daß die Brennweite der thermischen Linse jedes Verstärkers relativ groß ist (z. B. durch Einsatz von Slablaserkristallen).

Auch ist bekannt, daß ein Teleskop, kombiniert mit einem 90°-Rotator zwischen den Verstärkern zur Kompensation der streßinduzierten Doppelbrechung in den Verstärkerstäben führt (Q. Lü, N. Kugler, H. Weber, S. Dong, N. Müller, U. Wittrock, Opt. and Quantum Electron. 28 (1996) 57-69). Hierbei sind zwei identische und gleichartig gepumpte Verstärkerstäbe notwendig.

Ebenfalls ist bekannt, daß phasenkonjugierende Spiegel auf der Basis von Schallwellengittern zur Kompensation von Phasenstörungen eingesetzt werden können (W. Koechner, "Solid-State Laser Engineering", fourth ed. 1996, S. 631 ff).

Kritik des Standes der Technik

Bei bisherigen seriell angeordneten Laserverstärkersystemen ohne phasenkonjugierenden Spiegel können bezüglich der mittleren Ausgangsleistung entweder nicht oder nur gering durchgestimmt werden, da Beschädigungen der Verstärker durch Strahleinschnürungen auftreten. Außerdem ist die durch das aktive Medium erforderliche Depolarisationskompensation bei hoher mittlerer Leistung stets unvollständig, so daß zusätzliche Maßnahmen notwendig werden. Der Masteroszillator muß mit einer zweiten optischen Isolierung geschützt werden. Für eine Depolarisationskompensation sind zwei identische Laserstäbe zu benutzen.

Bei dem Einsatz eines phasenkonjugierenden Spiegels werden zwar die gesamten Phasenstörungen des ersten Verstärkerpasses kompensiert, aber die Wirkung der thermischen Linse von einem Verstärker auf den nächsten bei Variation der Pumpleistung, ist damit nicht kompensierbar. Die Gefahr der Zerstörung optischer Komponenten besteht damit weiterhin. Der zusätzliche Einbau eines Teleskops zwischen den Verstärkern führt zu einer Depolarisationskompensation, die aber nicht vollständig ist (s. o.). Dieses Teleskop kann nicht auf einen optimalen Wirkungsgrad bei starker thermischer Linsenwirkung optimiert werden ohne die Depolarisationskompensation deutlich zu verschlechtern.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, seriell angeordnete Laserverstärkerketten im Multipaßbetrieb so aufzubauen, daß sich die mittlere Ausgangsleistung bei Optimierung der Effizienz über einen weiten Pumpleistungsbereich durchstimmen läßt. Die Anordnung soll auch den Einsatz phasenkonjugierender Spiegel zur Verbesserung der Strahlqualität für hohe mittlerer Leistungen ermöglichen. Verluste in der mittleren Ausgangsleistung und der Strahlqualität sollen durch Vermeidung der streßinduzierten Depolarisation in den Verstärkerstäben vermieden werden.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß zwischen den Verstärkern einer seriellen Anordnung optische Systeme, bestehend aus zwei oder mehr Linsen, eingebracht werden. Zur Vermeidung der Depolarisation werden aktive Lasermaterialien verwendet, die keinerlei Streßdoppelbrechung zeigen.

Nach dem Durchgang der Strahlung von einem Masteroszillator durch den ersten Verstärker wird ein optisches System durchlaufen, das den Strahlverlauf durch den zweiten Verstärker trotz Variation der thermischen Linse optimiert. Die Optimierung besteht in einer Vermeidung von Foki im zweiten Verstärker und einer Maximierung des Füllfaktors, unabhängig von der mittleren Pumpleistung der Verstärker. Der Übergang vom N-ten auf den (N+1)-ten Verstärker wird durch ein ebensolches optisches System realisiert.

Das optische System ist den Verstärkerparametern anzupassen und dem Pumpleistungsbereich, für den es optimale Wirkungsgrade liefern soll.

Die für die Lösung des Problems eingesetzten optischen Systeme lassen sich in zwei Klassen einteilen: Zwei- und Vierlinser.

Fig. 1 zeigt ein zweilinsiges System angeordnet zwischen dem N-ten und (N+1)-ten Verstärker der linearen Kette. n ist die Verstärkerbrechzahl, l die Verstärkerlänge und Γ die Ausbreitungskonstante als Maß für die thermische Linsenwirkung. Je größer Γ, desto kleiner ist die Brennweite der thermischen Linse. D bezeichnet den Durchmesser der Verstärkerstäbe. Diese vier Größen zusammen bilden den Parametersatz zur Charakterisierung des Verstärkers.

Als Charakterisierung des optischen Systems bezeichnen d₁ und d₂ die Abstände der Linsen von den Kristallendflächen und f₁, f₂ die Linsenbrennweiten. L ist der Linsenabstand.

Für den Fall, daß beide Verstärker identisch in ihren Daten sind, lassen sich relativ einfache Formeln für das Linsendesign angeben. Hierbei läßt sich der Abstand d₁ noch frei wählen. Er wird so eingestellt, daß keine Zerstörung der Linsen bei einer Variation der Verstärkerpumpleistung und der dadurch hervorgerufenen Veränderungen des Strahldurchmessers einsetzt.

Der Strahlverlauf in den Verstärkerstäben ist nun so anzupassen, daß sich ein optimierter Extraktionswirkungsgrad bei gegebenem Pumpleistungsbereich ergibt. Dann gelten folgende Formeln:

Wie man an Gleichung (1.3) sieht, handelt es sich bei diesem optischen System um ein dejustiertes Teleskop. Γ₀ ist dabei der Wert der Ausbreitungskonstanten, für die eine perfekte Reproduktion des Strahldurchmessers von einer Verstärkerstufe zur nächsten erfolgt. Dieser Wert legt gleichzeitig den zulässigen Bereich der Ausbreitungskonstanten Γ_↑ bis Γ_↓ fest, für den die Verstärkeranordnung ohne Verlust der Strahlqualität oder mögliche Zerstörungen betrieben werden kann. Γ₀ und damit das optische System ist jeweils in Abhängigkeit von der Zahl der Verstärker neu anzupassen. Um das Lasersystem bis zur maximalen Pumpleistung und damit Ausgangsleistung zu betreiben, ist dieser Wert so anzupassen, daß die dabei auftretende maximale thermische Linsenwirkung noch im zulässigen Bereich liegt. Fig. 2 zeigt die zulässigen Ausbreitungskonstanten in Abhängigkeit der Zahl N der in der Anordnung vorhandenen Verstärker. Die dabei benutzten Daten lauten: n = 1.92, l = 151 mm.

Für Γ₀ in Abhängigkeit der oberen Grenze Γ_↑ und der Zahl N der Verstärker gilt näherungsweise folgende Relation, die numerisch lösbar ist:

F_↑ ist dabei die vom System noch zugelassene Strahlfläche (Begrenzung durch Verstärkeraperturen) und F₀ die in die Verstärkerkette eintretende Strahlfläche.

Der Wert der Untergrenze Γ_↓ ergibt sich dann als Lösung folgender Gleichung:

F_↓ ist dabei die noch zulässige minimale Strahlfläche in der Verstärkerkette, ohne daß eine Zerstörung von optischen Komponenten einsetzt.

Für den Fall, daß beide Verstärker nicht identisch in ihren Daten sind, sind analoge Rechnungen durchgeführt worden. Die dabei resultierenden Formeln sind komplexerer Natur und können zum Teil nur numerisch ausgewertet werden.

Ein weiterer wichtiger technischer Aspekt ist der durch die Verstärkerpumpkammern vorgegebene minimale mögliche Abstand d₁ zur 1. Linse. Erstens befinden sich die Endstücke dieser Stäbe zur Kühlung in einer Halterung. Zweitens sind vorhandene Blitzlampen zum optischen Pumpen stets länger als die Stäbe zu wählen. Je größer nun die Ausbreitungskonstante des Verstärkers, also je stärker die thermische Linsenwirkung, desto kleiner ist d₁ zu wählen (siehe Fig. 1), um die Linse vor einer Zerstörung durch Strahleinengung zu bewahren. Aufgrund des oben erwähnten Pumpkammeraufbaus ist damit eine obere Grenze für die noch durch einen Zweilinser kompensierbare Ausbreitungskonstante gegeben. Fig. 3 zeigt anschaulich diese Problematik. Dargestellt ist der berechnete Strahlverlauf für von einem Masteroszillator von links annähernd parallel einfallendes Lichtbündel für verschiedene Strahlradien. Der minimal mögliche Abstand d₁ zwischen der Stabendfläche und der 1. Linse beträgt 64 cm. Bei einer Ausbreitungskonstanten von 6 pro Meter wird der Strahl stets in die Linse fokussiert, was zu ihrer Zerstörung führt.

Abhilfe schafft hier der Einsatz einer zusätzlichen Linse zwischen dem Masteroszillator und dem 1. Verstärker. Damit wird vor diesem Verstärker eine Strahltaille erzeugt, so daß das Laserlicht vom Oszillator nicht parallel in den Stab einfällt. Fig. 4 zeigt die berechneten Strahlverläufe für nicht parallel einfallendes Laserlicht vom Oszillator (Einfall von links). Durch geeignete Wahl der Einfallsstrahlparameter ist eine Zerstörung der Linsen des dejustierten Teleskops ausgeschlossen. Bei der Optimierung hat man folgendermaßen vorzugehen:

Man gebe sich den Wert d₁ als Abstand zwischen der Kristallendfläche des Verstärkers zur Linse vor. Für eine gegebene Ausbreitungskonstante Γ₀ ist der Strahlverlauf im ersten Verstärker symmetrisch bzgl. des Verstärkermittelpunktes zu gestalten. Dabei ist der maximal auftretende Strahldurchmesser im Verstärkerstab kleiner als der Verstärkerdurchmesser zu wählen, um Begrenzungseffekte zu vermeiden. Die daraus resultierende Bedingung ergibt die Größe und Lage der Strahltaille vor dem ersten Verstärker. Die zugehörigen Gleichungen ergeben Polynome 4. Grades, dessen Lösungen numerisch auf ihre Gültigkeit hin untersucht werden müssen. Hat man die Lage und Größe der Strahltaille vor dem ersten Verstärker bestimmt, so läßt sich bei gegebenem Masteroszillator die notwendige Linse zur Erzeugung der Strahltaille berechnen. Entsprechende Formeln sind hinreichend bekannt (siehe z. B. N. Hodgson, H. Weber: "Optische Resonatoren", Springer Verlag 1992, S. 49ff). Das dejustierte Teleskop hinter dem ersten Verstärker zur Transformation des Laserlichtes in den zweiten Verstärker ist entsprechend der gewählten Ausbreitungskonstanten Γ₀ nach den Gleichungen (1.1) bis (1.5) zu wählen.

Ein anderes Problem betrifft zusätzlich in den Strahlengang zwischen den Verstärkern einzuführende optische Komponenten, z. B. zur Kompensation des Astigmatismus der thermischen Linse. Diese Komponenten benötigen zusätzlichen Platz zwischen den Verstärkern, was bei einem Zweilinser die maximale Ausbreitungskonstante weiter herabsetzt.

Abhilfe schafft hier der Einsatz eines optischen Systems bestehend aus vier Linsen (siehe Fig. 5). Ein erstes dejustiertes Teleskop mindert die Wirkung der thermischen Linse des N-ten Verstärkers. Es entsteht dahinter eine Zone, in der keinerlei Fokus bei Variation der Pumpleistung einsetzt. In diesen Bereich sind entsprechend zusätzliche optische Komponenten einbringbar, ohne die Gefahr einer Beschädigung derselben. Ein zweites dejustiertes Teleskop, welches im Allgemeinen vom ersten Teleskop abweichende Konstruktionsparameter aufweist, dient dem Aufbau eines zweiten Fokus, wodurch die Strahlung wieder gut in den (N+1)-ten Verstärker eingekoppelt werden kann.

Die hierfür resultierenden Formeln sind ebenfalls komplexerer Natur und nur numerisch lösbar, so daß die Beschreibung für die Auslegung eines solchen Systems nur in Umrissen erfolgen kann. Zweckmäßigerweise wird der Abstand K (Fig. 5) vorgegeben, entsprechend dem von einer zusätzlichen optischen Komponente benötigten Platz. Beide Teleskope sind dann so zu dejustieren, daß für eine Ausbreitungskonstante Γ₀ eine optimale Reproduktion des Strahls von einem Verstärker auf den nächsten vorliegt (analog zum Zweilinsensystem). Wieder ist dieser Wert in Abhängigkeit der Zahl N der Verstärker so anzupassen, daß die maximal auftretende Ausbreitungskonstante Γ_↑ im System einen optimalen Wirkungsgrad erzielt.

Fig. 5 zeigt eine entsprechende Auslegung. Dargestellt ist der Strahlverlauf vom ersten zum zweiten Verstärker für Ausbreitungskonstanten von 2 bis 5 pro Meter. Die dabei benutzten Verstärkerdaten sind dieselben, wie beim zweilinsigen System aus Fig. 1. Der Einbringbereich für optische Komponenten hat dabei eine Länge von K=18 cm.

Zur Realisierung eines Doppel- oder Multipaßbetriebs können zur Reflexion des Lichtes zurück in die Verstärker phasenkonjugierende Spiegel, z. B. auf Basis der stimulierten Brillouinstreuung eingesetzt werden. Der phasenkonjugierende Spiegel läßt den Strahl unabhängig von der Pumpleistung der Verstärker auf derselben Trajektorie durch die Verstärker zurücklaufen, so daß der optimale Extraktionswirkungsgrad erhalten bleibt. Gleichzeitig werden sämtliche beim ersten Paß auftretenden Phasenstörungen kompensiert und die Strahlqualität und Strahlgeometrie des Masteroszillators unabhängig von der mittleren Verstärker-Pumpleistung nach dem zweiten Verstärkerpaß reproduziert.

Erzielbare Vorteile

Das beschriebene Verfahren für den Aufbau eines seriellen Verstärkersystems mit optischen Systemen hat den Vorteil, auch starke thermisch induzierte Linsenwirkungen von einem Verstärker auf den nächsten so zu mildern, daß ein optimaler Wirkungsgrad trotz Variation der Verstärkerpumpleistung erreicht werden kann.

Die beschriebene Anordnung kann mit phasenkonjugierenden Spiegeln zur Rückreflexion des Lichtes in die Laserverstärker kombiniert werden. Dies erlaubt, die gesamten Phasenstörungen in der Verstärkerkette zu kompensieren und damit die Strahlqualität des Masteroszillators auf den verstärkten Strahl zu übertragen.

Der Einsatz aktiver Medien, die keinerlei thermisch induzierte Streßdoppelbrechung zeigen, erhöht die Strahlqualität und verhindert Verluste in der Ausgangsleistung im Multipaßbetrieb. Eine weitere optische Isolierung zum Schutz des Masteroszillators entfällt damit.

Ausführungsbeispiel

Als Beispiel wird die Konstruktion einer Nd : YALO Verstärkeranordnung mit optischem System und Doppelpaßbetrieb mit phasenkonjugierendem SBS-Spiegel auf der Basis der stimulierten Brillouinstreuung beschrieben (Fig. 6).

Als Masteroszillator wird ein Nd : YALO Ring-Oszillator verwendet, der bezüglich mittlerer Ausgangsleistung, Strahlqualität und Kohärenzlänge optimiert ist.

Die Laserverstärker bestehen aus Nd : YALO-Kristallen von 9.5 mm Durchmesser und 15 cm Länge. Jeder Stab wird mit zwei Blitzlampen in einer diffus reflektierenden Kavität optisch gepumpt. Die elektrische mittlere Pumpleistung pro Verstärkerkopf beträgt bis zu 10 kW. Bei einer mittleren Pumpleistung von 1.5 bis 10 kW variiert die Brennweite der thermischen Linse jedes Verstärkers von einem Meter bis zu 20 cm (gerechnet von den Hauptebenen der Verstärkerkristalle aus).

Die Strahlung des Masteroszillators wird über ein Teleskop und einen Polarisator (Pol) in die Verstärkerkette eingekoppelt. Eine erste Halbwellenplatte dient der Anpassung der Polarisationsrichtung des in die Verstärker einfallenden Lichtes an die Polarisationsrichtung für maximalen Verstärkung. Diese Platte kann gegebenenfalls weggelassen werden.

Das optische System besteht aus zwei Linsen L gleicher Brennweite von f= 100 mm in einem Abstand von 140 mm. Der Abstand der Linsen zu den jeweils nächstliegenden Kristallendflächen beträgt 64 mm.

Bei hohen Pumpleistungen entsteht aufgrund der natürlichen Anisotropie von Nd : YALO ein Astigmatismus der thermischen Linse. Eine zweite Halbwellenplatte kombiniert mit einer Verdrehung des zweiten Verstärkerstabes relativ zum ersten um 90° dient der Astigmatismuskompensation. Die Funktion des optischen Systems und des optimierten Extraktionswirkungsgrades wird durch diesen Effekt nicht beeinträchtigt. Beim Einsatz eines phasenkonjugierenden Spiegels ist eine derartige Kompensation zum Erreichen eines hohen Reflexionsgrades notwendig.

Fig. 7 zeigt den berechneten und optimierten Verlauf des Strahlradius durch das Verstärkersystem für eine Gesamtpumpleistung der Verstärker von 6 bis 18 kW entsprechend Ausbreitungskonstanten von 2 bis 5 pro Meter. Nach der Verstärkerkette befindet sich noch eine weitere Linse zur Fokussierung in einen phasenkonjugierenden Spiegel (SBS-Zelle). Die Fig. 8 zeigt zur Bestätigung der Rechnungen die experimentell mit einem He-Ne-Laser bestimmte Fokuslage hinter dem ersten Verstärker in Abhängigkeit von der Verstärkerpumpleistung, Fig. 9 die analog gemessene Lage des Fokus in der SBS-Zelle.

Der phasenkonjugierende Spiegel wird durch eine Flüssigkeitszelle mit hochreinem CS₂ gebildet. Das im ersten Paß verstärkte Laserlicht wird in diese Zelle mit einer entspiegelten Linse einer Brennweite von 80 bis 300 mm fokussiert.

Nach dem zweiten Paß wird der Strahl unabhängig von der Verstärkerpumpleistung auf derselben Trajektorie zurückgeschickt. Alle Phasenstörungen werden dadurch kompensiert. Fig. 10 zeigt die gemessenen transversalen Strahlprofile des Oszillators, an der phasenkonjugierenden SBS-Zelle und nach dem zweiten Verstärkerpaß am Ausgang des Systems.

Mittels einer optischen Isolierung, bestehend aus einem Faradayrotator mit Permanentmagnet und dem Polarisator (Pol) wird der verstärkte Strahl ausgekoppelt. Fig. 11 zeigt die gemessene Breite des Strahlprofils in 2.5 Metern Entfernung vom Polarisator in Abhängigkeit von der Pumpleistung. Trotz starker Variation der thermischen Linsen beider Verstärker ist das Strahlprofil näherungsweise konstant.

Da Nd : YALO keinerlei Depolarisationserscheinungen zeigt, muß der Masteroszillator vor einer Rückstreuung des verstärkten Strahls nicht geschützt werden.

In dieser Anordnung werden Laserpulse mit einer mittleren Repetitionsrate von 1.3 kHz erzeugt. Die Emission erfolgt dabei in Form von 120 µs langen Pulszügen (Bursts) mit einer Pulszahl von etwa jeweils 13 Pulsen. Die Wiederholfrequenz der Bursts beträgt 100 Hz. Dadurch wird die Spitzenleistung im Fokus zwischen dem optischen System soweit herabgesetzt, daß auf den Einsatz einer Vakuumzelle zur Vermeidung des optischen Durchbruchs verzichten werden kann.

Die mittlere Ausgangsleistung des Systems ist durchstimmbar von 1 W bis zu 211 Watt im Grundmodebetrieb (Fig. 12).

Claims

1. Laserverstärkeranordnungen, bestehend aus mehreren Verstärkern im Doppel- oder Multipaßbetrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärker in serieller Anordnung mit dazwischen geschalteten optischen Systemen betrieben werden. Das optische System besteht aus dejustierten Teleskopen, deren Brennweiten und Abstände untereinander und von den Laserverstärkern so eingestellt sind, daß der Extraktionswirkungsgrad trotz starker Variation der thermischen Linsenwirkung der Verstärker stets optimal ist und keine beschädigenden Strahleinengungen bei den Verstärkern auftreten.

2. Laserverstärkeranordnungen nach Anspruch 1, bei denen zur Reflexion des Lichtes zurück in die Laserverstärkerkette phasenkonjugierende Spiegel eingesetzt werden.

3. Laserverstärkeranordnungen nach Anspruch 1 oder 2, bei denen als phasenkonjugierende Spiegel Schallwellenspiegel eingesetzt werden.

4. Laserverstärkeranordnungen nach Anspruch 1, 2, oder 3, bei denen als Lasermaterial solche Festkörperstäbe verwendet werden, die keine Depolarisation im Betrieb zeigen.