DE19732759A1 - Laser acousto-optical modulator device for solid state laser - Google Patents
Laser acousto-optical modulator device for solid state laserInfo
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Abstract
Description
Laser können mit Hilfe aktiver Schalter im optischen Resonator in ihrer Güte moduliert werden. Hierdurch kann im aktiven Medium durch den optischen Pumpprozeß eine hohe Inversion aufgebaut werden, indem der Resonator durch den aktiven Schalter zunächst gesperrt wird. Nach dem Öffnen des Schalters wird die gespeicherte Inversion in einem kurzen Impuls emittiert. Insbesondere Festkörperlaser (z. B. Nd : YAG-Laser, Rubin-Laser) lassen sich sehr effizient Güteschalten, da die Lebensdauer des oberen Laserniveaus im Vergleich zur Resonatorumlaufzeit sehr groß ist.Lasers can be modulated in their quality with the help of active switches in the optical resonator become. This can result in a high level in the active medium due to the optical pumping process Inversion can be built up by the resonator through the active switch first is blocked. After opening the switch, the saved inversion is in one short pulse emitted. Solid state lasers in particular (e.g. Nd: YAG laser, Ruby laser) Q-switches can be switched very efficiently because the lifespan of the upper laser level in the Compared to the resonator orbit time is very large.
Zur aktiven Güteschaltung von kontinuierlich-gepumpten Nd : YAG-Lasern ist die Verwendung von akustooptischen Modulatoren (AOM) als aktives Schaltelement weit verbreitet. Dabei wird in einem geeigneten Festkörpermaterial (z. B. Quarz) eine akustische Schwingung mit einer Frequenz von einigen 10 Megahertz (typisch 27 MHz) eingekoppelt, die ein entsprechendes Brechungsindexgitter erzeugt. Durch Beugung des Laserstrahles an diesem Gitter kann Laserleistung in die höheren Beugungsordnungen gebeugt werden und somit dem Laserstrahl in der 0.-Ordnung Verluste aufgeprägt werden. Diese Verluste können durch Modulation der akustischen Leistung mit Frequenzen im Kilohertz-Bereich ein- und ausgeschaltet werden, womit die gewünschte Emission von kurzen Pulsen erzielt werden kann.For the active quality control of continuously pumped Nd: YAG lasers is the Wide use of acousto-optical modulators (AOM) as an active switching element spread. An acoustic is used in a suitable solid material (e.g. quartz) Vibration coupled in with a frequency of a few 10 megahertz (typically 27 MHz), which generates a corresponding refractive index grating. By diffraction of the laser beam laser grating can be diffracted into the higher diffraction orders and thus losses are imposed on the laser beam in the 0th order. These losses can by modulating acoustic power with frequencies in the kilohertz range be switched on and off, whereby the desired emission of short pulses is achieved can be.
Das Problem dabei ist, daß die Beugungseffizienz von AOM's nicht immer ausreichend ist, um ein Anschwingen des Lasers vor dem eigentlichen Schaltvorgang zu verhindern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Kleinsignalverstärkung des aktiven Mediums, z. B. durch Verwendung von mehreren seriell angeordneten aktiven Medien, sehr groß ist und sich darüber hinaus bei niedrigen Folgefrequenzen (Puls-zu Puls-Abstand < Lebensdauer des oberen Laserniveaus) eine hohe Anfangsverstärkung für den Puls aufbaut. The problem with this is that the diffraction efficiency of AOM's is not always sufficient to prevent the laser from vibrating before the actual switching process. This is particularly the case when the small signal amplification of the active medium, for. B. by using several active media arranged in series, is very large and furthermore at low repetition frequencies (pulse-to-pulse distance <lifespan of the upper laser level) builds up a high initial gain for the pulse.
Einer Erhöhung der Beugungseffizienz eines AOM's durch höhere Treiberleistungen sind Grenzen gesetzt, da es zu thermischen Effekten im AOM kommen kann. Die Verwendung mehrerer AOM's im Resonator zur Verbesserung des Sperrverhaltens ist möglich, erhöht aber den technischen Aufwand für das Lasersystem.An increase in the diffraction efficiency of an AOM is due to higher driver powers Set limits as there can be thermal effects in the AOM. The usage several AOMs in the resonator to improve the blocking behavior is possible, but increases the technical effort for the laser system.
Die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei konventionellen Anordnungen die Zahl der Durchgänge des Laserstrahles durch den akustooptischen Modulator (zwei Durchgänge pro Resonatorumlauf) nicht ausreicht, um eine effiziente Beugung zu ermöglichen. Dies hat eine reduzierte Effizienz des Lasers bzw. eine instabile Emission von Laserpulsen bei bestimmten Kombinationen von Pumpleistung (bzw. Verstärkung) und Repetitionsfrequenz zur Folge.The invention specified in claim 1 is based on the problem that conventional arrangements the number of passes of the laser beam through the acousto-optic modulator (two passes per resonator cycle) is not sufficient to to allow efficient diffraction. This has a reduced efficiency of the laser or an unstable emission of laser pulses with certain combinations of pump power (or amplification) and repetition frequency.
Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Durch Verwendung von zusätzlichen Laserspiegeln und/oder die Polarisation beeinflussende optische Komponenten (Polarisator, Verzögerungsplatte) wird die Zahl der Durchgänge durch den AOM pro Resonatorumlauf von Zwei auf mindestens Vier erhöht. Die Beugungseffizienz erhöht sich dadurch entsprechend. Die Verwendung von passiven optischen Komponenten zur Erhöhung der Beugungseffizienz ist erheblich billiger und weniger aufwendig als die Verwendung mehrerer AOM's im Resonator.This problem is solved by the features listed in claim 1. By Use of additional laser mirrors and / or polarization influencing optical components (polarizer, delay plate) is the number of passes increased by the AOM per resonator revolution from two to at least four. The Diffraction efficiency increases accordingly. The use of passive optical components to increase diffraction efficiency is considerably cheaper and less expensive than the use of several AOMs in the resonator.
Durch die erhöhte Beugungseffizienz erweitert sich der Arbeitsbereich des Lasers bezüglich Repetitionsrate und Pumpleistung.Due to the increased diffraction efficiency, the working range of the laser is expanded Repetition rate and pump power.
Zwei mögliche Ausführungsformen der Vorrichtung sind in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.Two possible embodiments of the device are shown in FIG. 1 and FIG. 2 and are explained in more detail below.
Es zeigenShow it
Fig. 1: Nicht-kollineare Anordnung des AOM's zur Realisierung von vier Durchgängen durch den AOM pro Resonatorumlauf. Fig. 1: Non-collinear arrangement of the AOM's for realizing four passes through the AOM per resonator cycle.
Fig. 2: Kollineare Anordnung des AOM's zur Realisierung von vier Durchgängen durch den AOM pro Resonatorumlauf mit Hilfe polarisierender Elemente. Fig. 2: Collinear arrangement of the AOM for realizing four passes through the AOM per resonator cycle with the aid of polarizing elements.
In Fig. 1 befindet sich das aktive Medium (2) in einem optischen Resonator, der durch die Spiegel (1a-1c) gebildet wird. Von diesen sind die Spiegel 1a und 1c die Resonator- Endspiegel, Spiegel 1b dient der Faltung des Resonators. Der akustooptische Modulator (3) wird so positioniert, daß er, bedingt durch die Faltung des Strahlenganges durch den Spiegel 1b bei einem vollständigem Resonatorumlauf viermal durchstrahlt wird (statt zweimal ohne Faltung). Dabei ist darauf zu achten, daß der Faltungswinkel möglichst klein gehalten werden muß, damit die sogenannte Bragg-Bedingung für maximale Beugungseffizienz möglichst gut für beide Strahlen erfüllt ist.In Fig. 1, the active medium ( 2 ) is in an optical resonator, which is formed by the mirror ( 1 a- 1 c). Of these, the mirrors 1 a and 1 c are the resonator end mirrors, mirror 1 b serves to fold the resonator. The acousto-optic modulator (3) is positioned so that, due to the folding of the optical path by the mirror 1 b at a complete resonator round is irradiated four times (instead of twice without folding). It is important to ensure that the folding angle must be kept as small as possible so that the so-called Bragg condition for maximum diffraction efficiency is fulfilled as well as possible for both beams.
Bei akustooptischen Modulatoren, deren Beugungseffizienz kritisch von der Bragg-Bedingung abhängt, führt die nicht-kollineare Anordnung nach Fig. 1 nicht zu der gewünschten Erhöhung der effektiven Beugungseffizienz. In diesem Falle kann durch Ausnutzung der Polarisationsrichtung eine kollineare Anordnung gewählt werden (Fig. 2), bei der der Einfallswinkel auf den AOM für beide Strahlen gleich ist.In acousto-optical modulators, whose diffraction efficiency depends critically on the Bragg condition, the non-collinear arrangement according to FIG. 1 does not lead to the desired increase in the effective diffraction efficiency. In this case, a collinear arrangement can be selected by using the direction of polarization ( FIG. 2), in which the angle of incidence on the AOM is the same for both beams.
Hierzu wird in den Laserresonator, der wieder durch die Spiegel (1a-1c) sowie durch das aktive Medium (2) gebildet wird, ein Polarisator (4) und eine Viertel-Wellen- Verzögerungsplatte (5) eingebracht. Der AOM (3) wird zwischen dem Polarisator und dem Spiegel (1b) positioniert. Die optische Achse der Verzögerungsplatte (5) wird unter einem Winkel von 45° relativ zur Polarisationsrichtung des Polarisators (4) orientiert. Ein von links nach rechts, parallel zur Papierebene polarisierter Strahl passiert den AOM (3) zunächst durch die Rückreflexion am Spiegel (1b) zweifach. Durch die 90°-Drehung der Polarisation durch die Verzögerungsplatte (5) wird der Strahl am Polarisator (4) ausgekoppelt. Mit Hilfe des Spiegels (1c) wird der nun senkrecht polarisierte Strahl in sich zurückreflektiert, passiert den AOM (3) zwei weitere Male und transmittiert den Polarisator (4) durch Rückdrehung der Polarisation in die Papierebene. Bei einem vollständigen Resonatorumlauf wird der AOM (3) daher doppelt so oft durchlaufen als bei einer konventionellen Anordnung.For this purpose, a polarizer ( 4 ) and a quarter-wave delay plate ( 5 ) are introduced into the laser resonator, which is again formed by the mirrors ( 1 a- 1 c) and by the active medium ( 2 ). The AOM ( 3 ) is positioned between the polarizer and the mirror ( 1 b). The optical axis of the delay plate ( 5 ) is oriented at an angle of 45 ° relative to the polarization direction of the polarizer ( 4 ). A beam polarized from left to right, parallel to the plane of the paper, first passes through the AOM ( 3 ) twice as a result of the back reflection at the mirror ( 1 b). Due to the 90 ° rotation of the polarization through the delay plate ( 5 ), the beam is coupled out at the polarizer ( 4 ). With the help of the mirror ( 1 c), the now vertically polarized beam is reflected back in itself, passes through the AOM ( 3 ) two more times and transmits the polarizer ( 4 ) by turning the polarization back into the plane of the paper. With a complete resonator circulation, the AOM ( 3 ) is therefore run through twice as often as with a conventional arrangement.
Claims (4)
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2010127658A1 (en) * | 2009-05-07 | 2010-11-11 | Lpkf Laser & Electronics Ag | Array having an acousto-optic switch comprising an acousto-optic modulator |
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DE2138469A1 (en) * | 1970-08-07 | 1972-02-10 | Hewlett Packard Co | Optical resonator with an output coupling device |
JPH0330380A (en) * | 1989-06-27 | 1991-02-08 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Solid laser oscillator |
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1997
- 1997-07-30 DE DE1997132759 patent/DE19732759C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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Non-Patent Citations (1)
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COHEN, M.G.: In US-Z.: IEEE Journal of Quantum Electronics, 1973, Vol. QE-9, No. 6, S. 633-634 * |
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WO2010127658A1 (en) * | 2009-05-07 | 2010-11-11 | Lpkf Laser & Electronics Ag | Array having an acousto-optic switch comprising an acousto-optic modulator |
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