DE2003856B2 - Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit innerhalb eines optischen Resonators angeordnetem neodymdotiertem Glas oder Einkristall, einer Pumplichtquelle und einem das Licht der Pumplichtquelle auf das stimulierbare Medium konzentrierenden Spiegelsystem, bei dem mindestens ein Spiegel des optischen Resonators als Resonanzreflektor ausgebildet ist, der Strahlung einer Wellenlänge λι = 1,064 μΐη durchläßt, aber Strahlung einer Wellenlänge Xi = 1,318 μιτι stark reflektiert. Ein derartiger Laser ist beispielsweise durch die Literaturstelle »Physical Review«, Vol. 131, Nr. 5, Sept. 1963, S. 2038 bis 2040 bekannt. Als Resonanzreflektor wird hierbei eine Platte mit einer Vielzahl dielektrischer Schichten verwendet.

Ein Laser, dessen stimulierbares Medium aus neodymdotiertem Glas oder Einkristall besteht, zeichnet sich dadurch aus, daß eine Inversion schon bei sehr kleinen Pumpanregungen eintritt. Die Anwendung kann überdies in einem weiten Temperaturbereich unter gleichen Bedingungen erfolgen.

Ein allgemeiner Nachteil der Verwendung von Lasergeräten, insbesondere von solchen mit hoher Leistung, liegt für den mit derartigen Geräten in Berührung kommenden Menschen in einer latenten Gefahr der Schädigung seiner Augennetzhaut. Durch die mit einem Laser erzeugte monochromatische und stark gebündelte Strahlung können nach der Fokussierung durch die Augenlinse auf der Netzhaut örtlich so hohe Eiicigicdiciuen auftreten, daß die Netzhaut an der getroffenen Stelle koaguliert. Die Gefahr der Netzhaütschädigung ist jedoch, wie aus der Literaturstelle

856

»Journal of Investigative Ophthalmology«, Vol. 1, Nr. 6, 1962, S. 776 bis 783, ersichtlich ist, stark von der Wellenlänge der auf das Auge treffenden Strahlung abhängig. Diese um Zehnerpotenzen unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges beruht auf der stark von der Wellenlänge der Strahlung abhängigen Absorption in den der Netzhaut vorgelagerten optischen Teilen des Auges. Aus der eben genannten Literaturstelle geht auch hervor, daß Strahlung mit der Wellenlänge Xi = 1,3 μπι vor der Netzhaut wesentlich stärker absorbiert wird als Strahlung der Wellenlänge λι = 1,06μΐη. Die Gefahr einer Netzhautkoagulation ist also bei einem bei der Wellenlänge λ2= 1,3 μπι angeregten stimulierbaren Medium eines Lasers wesentlich geringer als bei der üblicherweise in einem neodymdotierten Glas oder Einkristall angeregten Wellenlänge λι = 1,06 μπι.

Die Herstellung des Resonanzreflektors bei dem bekannten Laser erfordert einen großen Aufwand, weil mehrere Schichten zweier verschiedener Stoffe jeweils abwechselnd mit genau vorbestimmter Dicke übereinander angeordnet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Möglichkeit anzugeben, bei einem Laser der eingangs genannten Art nur die eine Wellenlänge anzuregen und die andere zu unterdrücken.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Resonanzreflektor ein Mehrplatten-Resonanzreflektor ist, dessen die einzelnen Platten trennenden Luftspalte eine Dicke von einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge λι und von einem ungeradzahligen Vielfachen des annähernd vierten Teils der Wellenlänge Xi aufweisen und dessen Platten eine etwa dem Tausendfachen der Dicke des Luftspaltes entsprechende optische Dicke aufweisen.

Durch diese Maßnahme wird auf einfache Weise erreicht, daß das Reflexionsvermögen des Mehrplatten-Resonanzreflektors für die Strahlung der unerwünschten Wellenlänge λι klein und für die für das Auge ungefährliche Strahlung der Wellenlänge Xi groß wird. Ab einem bestimmten Verhältnis der beiden Reflexionsvermögen wird die Strahlung der schwach reflektierten Wellenlänge nahezu völlig unterdrückt und nur noch die Strahlung der bevorzugten Wellenlänge Xi angeregt. Die Wellenlänge Xi = 1,318 μηι ist diejenige Wellenlänge mit der größten Verstärkung in der Umgebung von 1,3 μηι.

Eine günstige Dimensionierung des Mehrplatten-Resonanzreflektors ist dadurch gegeben, daß die Dicke eines zwischen den Platten des Mehrplatten-Resonanzreflektors befindlichen Luftspaltes 1,596 μιτι beträgt.

Der zahlenmäßige Abstand des Reflexionsvermögens des Mehrplatten-Resonanzreflektors für die beiden Wellenlängen λι und Xi kann dadurch noch vergrößert werden, daß die im Strahlengang der stimulierten Strahlung liegenden Außenflächen des Mehrplatten-Resonanzreflektors mit einer Antireflexschicht für die Wellenlänge Ai = 1,064 μηι versehen sind.

Ein Laser mit einem Mehrplatten-Resonanzreflektor ist aus der DT-AS 14 89 973 bekannt, wobei zwei Glasoder Saphirplatten, deren Dicke von 6,35 mm sich um weniger als ein Achtel der Wellenlänge unterscheidet, zwischen sich einen Luftraum etwa gleicher Dicke einschließen. Die Reflexionseigenschaften dieses Resonanzreflektors sind aber nicht geeignet, die Laserlinien eines Neodym-Lasers in der gewünschten Weise zu trennen.

An Hand der in der Zeichnung dargestellten

Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht eines Mehrplatten-Resonanzreflektors nach der Erfindung,

F i g. 2 die stirnseitige Ansicht einer Platte des Mehrplatten-Resonanzreflektorjnach Fig. 1,

F i g. 3 und 4 Diagramme des über der Wellenlänge aufgetragenen periodischen Verlaufes des Reflexionsvermögens des Mehrplatten- Resonanzreflektors nach Fig. 1.

Der Mehrplatten-Resonanzreflektor nach Fig. 1 besteht aus drei kreisförmigen Platten 1 mit planparallelen Stirnflächen. Die Platten 1, die hintereinander angeordnet ύηά, grenzen mit ihren Stirnflächen über ringförmige Schichten 2 aneinander. Ihre Dicke h\ beträgt 1,596 μίτι. Diese Dicke entspricht einer Dicke des Luftspaltes vom l,5fachen des Wertes der Wellenlänge Ai = 1,064 μπι bzw. dem annähernd l,25fachen Wert der Wellenlänge λι =1,318 u.m. Der in der Zeichnung dargestellte Luftspalt ist im Hinblick auf eine vernünftige zeichnerische Darstellung relativ zur Dicke einer Platte wesentlich breiter angegeben. Das Verhältnis der Luftspaltdicke Λι zur optischen Dicke der Platten 1, die durch das Produkt aus ihrer geometrischen Breite Λ2 und dem Brechungsindex π des Materials gegeben ist, beträgt etwa 1 :1000.

Die in F i g. 2 dargestellte Aufsicht auf die Stirnseite der linken Platte 1, entsprechend der Schnittlinie Aß in Fig. 1, verdeutlicht den sich zwischen den einander benachbarten Stirnflächen zweier Platten 1 ε-jf Grund der ringförmigen Zwischenschicht 2 bildenden Luftspalt 3. Diese ringförmige Zwischenschicht ist durch einen auf der Platte aufgedampften ringförmigen Film gebildet. Die auf diese Zwischenschicht aufzusetzende Platte kann beispielsweise aufgesprengt werden.

Wie sich zeigen läßt, ist das Spitzenreflexionsvermögen Rnisx eines Mehrplatten-Resonanzreflektors der dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegenden Art durch die Beziehung

R.

- /r

π = 1,45 ergibt sich für Rmax ein Wert von 0,13. Dieser zahlenmäßige Abstand des Reflexionsvermögens von 0,13 auf 0,65 für die beiden Wellenlängen Ai und A2 genügt, um die Strahlung der unerwünschten Wellenlänge Ai in der Laseranordnung nahezu völlig zu unterdrücken und die für das Auge ungefährliche Strahlung der Wellenlänge λζ anzuregen.

Im übrigen verläuft der Reflexionsfaktor, wie die F i g. 3 und 4 zeigen, in Abhängigkeit von der Wellenlänge nahezu periodisch. Der Abstand AXi benachbarter Sperrbereiche in der Gegend der Wellenlänge A2 und der Abstand Αϊ.\ benachbarter Reflexionsmaxima in der Gegend der Wellenlänge Ai ist durch die folgenden Formeln gegeben:

35

40

gegeben. Somit ist das maximale Reflexionsvermögen lediglich von der Anzahl der Platten k und vom Brechungsindex η des verwendeten Plattenmaterials abhängig. Für den hier angegebenen Anwendungsfall, die unerwünschte Wellenlänge eines Lasers mit neodymdotiertem stimulierbarem Medium zu unterdrücken, genügt eine Plattenzahl von k = 3. Für k = 3 und den für Quarzglas gültigen Brechungsindex von η = 1,45 ergibt sich für Rmax ein Wert von 0,65 für die Wellenlänge A2 = 1,318 μιη. Das Spitzenreflexionsvermögen Rma\ des Mehrplatten-Resonanzreflektors in der Gegend der Wellenlänge Ai = 1,064 μιη ist bei einem Plattenabstand von 1,596 μιη durch die Formel

gegeben. Für den Brechungsindex von Quarzglas

Iknlu '

u.₂r

Die verwendete Plattendicke hi — 2 mm führt zu folgenden Werten:

4Ai = 0,65 · 10-¹⁰m;
AXi = 3,0 ■ 10-'°m.

Die F i g. 3 und 4 zeigen den Verlauf des Reflexionsvermögens für die interessierenden Spektralbereiche in der Gegend der Wellenlänge Ai und Xi. Die Reflexionsmaxima sind jeweils annähernd äquidistant und von gleicher Höhe. In der Umgebund der Wellenlänge A2 = 1,318 μιη interessieren für die Praxis nur die hohen Reflexionsmaxima in den Sperrbereichen. Zwischen zwei Sperrbereichen liegen wegen der Anzahl k = 3 der Platten drei Nullstellen des Reflexionsvermögens und damit zwei Maxima. Im gewählten Zeichenmaßstab der Fig.4 ist nur eines dieser beiden Maxima zu erkennen. Die Lage des zweiten, wesentlich kleineren Maximums ist jeweils durch ein Feld oberhalb der Abszissenskala gekennzeichnet. Durch eine Änderung der Plattenzahl k ändert sich lediglich das Spitzenreflextonsvermögen in der Nähe der Wellenlänge A2 = 1,318 μηι, ohne daß sich das Spitzenreflexionsvermögen in der Nähe der Wellenlänge Ai ändert. Für k = 4 ergibt sich für die Umgebung der Wellenlänge A2 ein Spitzenreflexionsvermögen von Rmax = 0,80. Garinge Abweichungen /72 von der vorgegebenen Plattendikke /72 bewirken keine grundsätzliche Änderung des Verhaltens der Reflexionskurven, sondern nur eine Parallelverschiebung όΔ längs der auf der Abszisse aufgetragenen Wellenlänge, die sich nach folgender Beziehung berechnen läßt:

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche: 20

1. Laser mit innerhalb eines optischen Resonators angeordnetem neodyir.dotiertem Glas oder Einkristall, einer Pumplichtquelle und einem das Licht der Pumplichtquelle auf das stiinulierbare Medium konzentrierenden Spiegelsystem, bei dem mindestens ein Spiegel des optischen Resonators als Resonanzreflektor ausgebildet ist, der Strahlung einer Wellenlänge λι = 1,064 μπι durchläßt, aber Strahlung einer Wellenlänge Xi = 1,318 μιτι stark reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzreflektor ein Mehrplatten-Resonanzreflektor ist, dessen die einzelnen Platten (1) trennenden Luftspalte (2) eine Dicke von einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge /.1 und von einem ungeradzahligen Vielfachen des annähernd vierten Teils der Wellenlänge Xi aufweisen und dessen Platten (1) eine etwa dem Tausendfachen der Dicke des Luftspaltes (2) entsprechende optische Dicke aufweisen.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke eines zwischen den Platten (1) des Mehrplatten-Resonanzreflektors befindlichen Luft-Spaltes (2) 1,596 μΐη beträgt.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die im Strahlengang der stimulierten Strahlung liegenden Außenflächen des Mehrplatten-Resonanzreflektors mit einer Antireflexschicht für die Wellenlänge λι = 1,064 μΐη versehen sind.