DE2003856C3

DE2003856C3 -

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Publication number: DE2003856C3
Application number: DE19702003856
Authority: DE
Filing date: 1970-01-28
Publication date: 1976-09-23

Description

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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 Ai = 1,064 μπ\ durchläßt, aber Strahlung einer Wellenlänge Ki = 1,318 μπι 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 verwendetThe invention relates to a laser with neodymium-doped glass or single crystal arranged within an optical resonator, a pump light source and a mirror system concentrating the light from the pump light source on the stimulable medium, in which at least one mirror of the optical resonator is designed as a resonance reflector, the radiation of a wavelength Ai = 1.064 μπ \ passes, but strongly reflects radiation of a wavelength Ki = 1.318 μπι. Such a laser is known, for example, from the literature "Physical Review", Vol. 131, No. 5, Sept. 1963, pp. 2038-2040. A plate with a large number of dielectric layers is used as the resonance reflector

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.A laser, whose stimulable medium consists of neodymium-doped glass or single crystal, draws is characterized by the fact that an inversion occurs even with very small pump excitations. The application can moreover take place in a wide temperature range under the same conditions.

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 Energiedichten auftreten, daß die Netzhaut an der getroffenen Stelle koaguliert. Die Gefahr der Netzhautschädigung ist jedoch, wie aus der Literaturstelle »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 ki = 1,3 um vor der Netzhaut wesentlich stärker absorbiert wird als Strahlung der Wellenlänge Ai = 1,06 μπι. Die Gefahr einer Netzhautkoagulation ist also bei einem bei der Wellenlänge A2 = 1,3 μπι angeregten stimulierbaren Medium eines Lasers wesentlich geringer als bei der üblicherweise in einem neodymdotierten Glas oder Einkristall angeregten Wellenlänge Ai = 1,06 μπι.A general disadvantage of the use of laser devices, in particular those with high power, is a latent risk of damage to the retina of the eyes for those who come into contact with such devices. Due to the monochromatic and strongly bundled radiation generated by a laser, after focusing through the eye lens on the retina, such high energy densities can occur locally that the retina coagulates at the affected area. However, as can be seen from the literature reference "Journal of Investigative Ophthalmology", Vol. 1, No. 6, 1962, pp. 776 to 783, the risk of retinal damage is strongly dependent on the wavelength of the radiation striking the eye. This sensitivity of the human eye, which varies by powers of ten, is based on the absorption, which is strongly dependent on the wavelength of the radiation, in the optical parts of the eye in front of the retina. It can also be seen from the literature reference just mentioned that radiation with the wavelength ki = 1.3 μm is absorbed much more strongly in front of the retina than radiation with the wavelength Ai = 1.06 μm. The risk of retinal coagulation is therefore significantly lower with a stimulable medium of a laser that is excited at the wavelength A2 = 1.3 μm than with the wavelength Ai = 1.06 μm that is usually excited in a neodymium-doped glass or single crystal.

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.The production of the resonance reflector in the known laser requires a lot of effort, because several layers of two different materials, each alternating with a precisely predetermined thickness on top of one another must be arranged.

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.The invention is based on the object of specifying a simple possibility in a laser of the Initially mentioned type of stimulating only one wavelength and suppressing the other.

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 ganzzahli gen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge λι und von einem ungeradzahligen Vielfachen des annähernd vierten Teils der Wellenlänge Ai aufweisen und dessen Platten eine etwa dem Tausendfachen der Dicke des Luftspaltes entsprechende optische Dicke aufweisen.This object is achieved according to the invention in that the resonance reflector is a multi-plate resonance reflector whose air gaps separating the individual plates have a thickness of an integer gen multiples of half the wavelength λι and an odd multiple of approximately have fourth part of the wavelength Ai and its Panels have an optical thickness corresponding to about a thousand times the thickness of the air gap.

Durch diese Maßnahme wird auf einfache Weise erreicht, daß das Reflexionsvermögen des Mehrplatten-Resonanzreflektors für die Strahlung der unerwünschten Wellenlänge Ai klein un- 'ür die für das Auge ungefährliche Strahlung der Wellenlänge λι 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 Ki angeregt. Die Wellenlänge Ki = 1,318 μηι ist diejenige Wellenlänge mit der größten Verstärkung in der Umgebung von 1.3 μηι.By this measure it is achieved in a simple manner that the reflectivity of the multi-plate resonance reflector for the radiation of the undesired wavelength Ai is small and for the radiation of the wavelength λι which is harmless to the eye is large. From a certain ratio of the two reflectivities, the radiation of the weakly reflected wavelength is almost completely suppressed and only the radiation of the preferred wavelength Ki is excited. The wavelength Ki = 1.318 μm is the wavelength with the greatest amplification in the vicinity of 1.3 μm.

Eine günstige Dimensionierung des MehrplaUen-Resonanzreflektors ist dadurch gegeben, daß die Dicke eines zwischen den Platten des Mehrplatten Resonanzreflektors befindlichen Luftspaltes 1.596 um beträgt.A favorable dimensioning of the multi-plate resonance reflector is given by the thickness of a resonance reflector between the plates of the multi-plate located air gap is 1,596 µm.

Der zahlenmäßige Abstand des Reflexionsvermögens des Mehrplatten-Resonanzreflektors für die beiden Wellenlängen A' und Ki kann dadurch noch vergrößert werden, daß die im Strahlengang der stimulierten Strahlung liegenden Außenflächen des Mehrplatten-Resonanzreflektors mit einer Antireflexschicht für die Wellenlänge λι = 1,064 μηι versehen sind.The numerical spacing of the reflectivity of the multi- plate resonance reflector for the two wavelengths A 'and Ki can be further increased by providing the outer surfaces of the multi-plate resonance reflector in the beam path of the stimulated radiation with an anti-reflective coating for the wavelength λι = 1.064 μm.

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 »ich um weniger als ein Achtel der Wellenlänge unterscheidet, zwischen sich einen Luftraum etwa gleicher Dicke einschließen. Die Reflexionseigenschal te η dieses Resonanzreflektors sind aber nicht geeignet, die Laserlinien eines Neodym-Lasers in der gewünschten Weise zu trennen.A laser with a multi-plate resonance reflector is known from DT-AS 14 89 973, with two glass or Sapphire plates whose thickness of 6.35 mm »i um less than an eighth of the wavelength differs, between them an air space of about the same thickness lock in. The reflection properties η of this resonance reflector but are not suitable for adjusting the laser lines of a neodymium laser in the desired manner separate.

An Hand der in der Zeichnung dargestelltenUsing the one shown in the drawing

Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is to be explained in more detail by way of exemplary embodiments. It shows

Fig. 1 eine Seitenansicht eines VTvhrplatten-Resonanzreflektors nach der Erfindung,Fig. 1 is a side view of a V-plate resonant reflector according to the invention,

Fig.2 die stirnseitige Ansicht einer Platte des Mehrplatten-Resonanzreflektorsnach Fig. 3,FIG. 2 shows the end view of a plate of the multi-plate resonance reflector according to FIG. 3,

F i g. 3 und 4 Diagramme des über der Wellenlänge aufgetragenen periodischen Verlaufes des Reflexionsvermögens des Mehrplatten-Resonanzreflektors nach Fig. 1.F i g. 3 and 4 are diagrams of the periodic course of the reflectivity of the multi-plate resonance reflector plotted against the wavelength Fig. 1.

Der Mehrplatttn-Resonanzreflektor nach F i g. 1 besteht aus drei kreisförmigen Platten 1 mit planparallelen Stirnflächen. Die Platten 1, die hintereinander angeordnet sind, grenzen mit ihren Stirnflächen über ringförmige Schichten 2 aneinander. Ihre Dicke h\ beträgt 1,596 μΐη. 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 μπι. Der in der Zeichnung dargestellte Luftspalt ist im Hinblick *uif eine vernünftige zeichnerische Darstellung relativ zur Dicke einer Platte wesentlich breiter angegeben. Das Verhältnis der Luftspaltdicke h\ zur optischen Dicke der Platten 1, die durch das Produkt aus ihrer geometrischen Breite te und dem Brechungsindex π des Materials gegeben ist, beträgt etwa 1 : 1000.The multi-plate resonance reflector according to FIG. 1 consists of three circular plates 1 with plane-parallel end faces. The plates 1, which are arranged one behind the other, adjoin one another with their end faces via annular layers 2. Its thickness h \ is 1.596 μm. This thickness corresponds to a thickness of the air gap of 1.5 times the value of the wavelength Ai = 1.064 μπι or approximately 1.25 times the value of the wavelength λι = 1.318 μπι. The air gap shown in the drawing is given in view of a reasonable graphic representation relative to the thickness of a plate much wider. The ratio of the air gap thickness h \ to the optical thickness of the plates 1, which is given by the product of their geometric width te and the refractive index π of the material, is approximately 1: 1000.

Die in Fig.2 dargestellte Aufsicht auf die Stim£.;ite der linken Platte 1, entsprechend der Schnittlinie AB in Fig. 1, verdeutlicht den sich zwischen den einander benachbarten Stirnflächen zweier Platten 1 auf 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.The plan view of the end of the left plate 1 shown in FIG. 2, corresponding to the section line AB in FIG annular intermediate layer is formed by an annular film vapor-deposited on the plate. The plate to be placed on this intermediate layer can, for example, be blown open.

Wie sich zeigen läßt, ist das Spitzenreflexionsvermögen /?mj> eines Mehrplatlen-Resonanzreflektors der dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegenden Art durch die BeziehungAs can be seen, this is the peak reflectivity /? mj> of a multi-plate resonance reflector of the the nature of the subject matter of the invention by the relationship

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 neodymdoliertem 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 Rnm ein Wert von 0,65 für die Wellenlänge L· — 1,318 μπι. D\s Spitzenreflexionsvermögen /?ma>' des Mehrplatten-Resonanzreflektors in der Gegend der Wellenlänge Ai = 1,064 μπι ist bei einem Plattenabstand von 1.596 μΐη durch die Formelgiven. Thus, the maximum reflectivity depends only on the number of plates k and on the refractive index η of the plate material used. For the application specified here, to suppress the undesired wavelength of a laser with neodymium-doped stimulable medium, a number of plates of k - 3 is sufficient. For k = 3 and the refractive index of η - 1.45 valid for quartz glass, the value for Rnm is 0 , 65 for the wavelength L · - 1.318 μπι. The peak reflectivity /? Ma>'of the multi-plate resonance reflector in the region of the wavelength Ai = 1.064 μm is given by the formula at a plate spacing of 1.596 μm

- ir - ir

gegeben. Für den Brechungsindex von Quarzglas π = 1,45 ergibt sich für Rim*' ein Wert von 0,13. Dieser zahlenmäßige Abstand des Reilexionsvermögens von 0,13 auf 0,65 für die beiden Wellenlängen Ai und X2 genügt, um die Strahlung der unerwünschten Wellenlänge Ai in der Laseranordnung nahezu völlig zu unterdrücken und die für das Auge ungefährliche Strahlung der Wellenlänge A2 anzuregen.given. For the refractive index of quartz glass π = 1.45, the value for Rim * 'is 0.13. This numerical difference in the reflectivity from 0.13 to 0.65 for the two wavelengths Ai and X2 is sufficient to almost completely suppress the radiation of the undesired wavelength Ai in the laser arrangement and to excite the radiation of wavelength A2 which is harmless to the eye.

Im übrigen verläuft der Reflexionsfaktor, v/ie die Fig.3 und 4 zeigen, in Abhängigkeit von der Wellenlänge nahezu periodisch. Der Abstand Αλί benachbarter Sperrbereiche in der Gegend der Wellenlänge Xi und der Abstand Δλ\ benachbarter Reflexionsmaxima in der Gegend der Wellenlänge Ai ist durch die folgenden Formeln gegeben:Otherwise, the reflection factor, as shown in FIGS. 3 and 4, runs almost periodically as a function of the wavelength. The distance Αλί between neighboring blocked regions in the region of the wavelength Xi and the distance Δλ \ between neighboring reflection maxima in the region of the wavelength Ai is given by the following formulas:

2'knh-,2'knh-,

Inh-,Content,

as Die verwendete Plattendicke /72
folgenden Werten:as The sheet thickness used / 72
following values:

2 mm führt m 2 mm leads m

Δλ2Δλ2

0,65
3,00.65
3.0

10-¹⁰ITi;10- ¹⁰ ITi;

Die F i g. 3 und 4 zeigen den Verlauf des Reflexionsvermögens für die interessierenden Spektralbereiche in der Gegend der Wellenlänge Ai und A2. Die Reflexionsmaxima sind jeweils annähernd äquidistant und von gleicher Höhe. In der Umgebund der Wellenlänge A2 = 1,318 μίτι 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 keflexionsvermögens und damit zwei Maxima. Im gewählten Zeichenmaßstab der F i g. 4 ist nur eines dieser beiden Maxima zu erkennen. Die Lage des zweiten, wesentlich kleineren Maximums isv jeweils durch einen Pfeil oberhalb der Abszissenskala gekennzeichnet. Durch eine Änderung der Plattenzahl k ändert sich lediglich das Spitzenreflexionsvermögen in der Nähe der Wellenlänge A2 = 1,318 μπι, 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 Ä» = 0,80. Geringe Abweichungen te von der vorgegebenen Plattendikke h: bewirken keine grundsätzliche Änderung des Verhaltens der Reflexionskurven, sondern nur eine Parallelverschiebung όλ längs der auf der Abszisse aufgetragenen Wellenlänge, die sich nach folgender Beziehung berechnen läßt:The F i g. 3 and 4 show the course of the reflectivity for the spectral ranges of interest in the area of the wavelengths Ai and A2. The reflection maxima are each approximately equidistant and of the same height. In the area of the wavelength A2 = 1.318 μίτι, only the high reflection maxima in the blocked areas are of interest in practice. Because of the number k = 3 of the plates, there are three zero points of the reflectivity and thus two maxima between two blocked areas. In the selected drawing scale of FIG. 4 only one of these two maxima can be seen. The position of the second, much smaller maximum is indicated by an arrow above the abscissa scale. A change in the number of plates k only changes the peak reflectivity in the vicinity of the wavelength A2 = 1.318 μm without changing the peak reflectivity in the vicinity of the wavelength Ai. For k = 4, a peak reflectivity of λ »= 0.80 results for the vicinity of the wavelength A2. Small deviations te from the specified plate thickness h: do not cause any fundamental change in the behavior of the reflection curves, but only a parallel shift όλ along the wavelength plotted on the abscissa, which can be calculated using the following relationship:

/1,/1,

Hierzu 2 Blau ZeichnungenFor this purpose 2 blue drawings

Claims

Patent claims:

1.Laser with neodymium-doped glass or single crystal arranged within an optical resonator, a pump light source and a mirror system concentrating the light from the pump light source on the stimulable medium, in which at least one mirror of the optical resonator is designed as a resonance reflector, the radiation to a wavelength Ai = 1.064 μπι lets through, but strongly reflects radiation of a wavelength A2 = 1318 μπι, characterized in that the resonance reflector is a multi-plate resonance reflector whose air gaps (2) separating the individual plates (1) have a thickness of an integral multiple of half the wavelength /. ι and of an odd multiple of the approximately fourth part of the wavelength λι and the plates (1) have an optical thickness corresponding to about a thousand times the thickness of the air gap (2).

2. Laser according to claim I _1, characterized in that the thickness of an air gap (2) located between the plates (1) of the multi-plate resonance reflector is 1.596 μm

3. Laser according to claim 1 or 2, characterized in that the in the beam path stimulated radiation lying outer surfaces of the multi-plate resonance reflector with an anti-reflective layer for the wavelength Ai = 1.064 μπι are provided.