DE2017341C2 - Lasereinrichtung - Google Patents

Description

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den im folgenden im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen erläutert

Fig. 1 zeigt die einfachste geometrische Ausbildung eines AusführungsbeiEpiels der Erfindung;

F i g. 2 zeigt schematisch eine Stirnansicht der Laseranordnung nach F i g. 1;

F i g. 3,4 und 5 zeigen verschiedene A.iregungsanordnungen zum exfokalen Pumpen mit Hilfe von elliptischen Spiegeln;

F i g. 6 zeigt schematisch die Isothermen, die in einejn Laserkörper gemäß F i g. 1 erhalten werden;

F i g. 7 und 8 zeigen andere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Wie aus der folgenden Beschreibung hervorgeht, bewirkt die Laseranordnung, daß man bei ihrem Betrieb mit hohen Pumpfrequenzen die Wirkung der Erwärmung des Lasermaterials herabsetzen oder kompensieren kann. Dabei wird in dieser Beschreibung die Pumpfrequenz nicht durch eine bestimmte Anzahl von Anregungsimpulsen pro Minute, sondern durch eine von der Anregungsquelle abgegebene Wärmemenge pro Zeiteinheit angegeben, wobei nach dem Erreichen eines stationären Zustandes die Temperatur und/oder das Temperaturprofil im Inneren des Lasermaterials sich von dem Zustand während eines einzelnen Anregungsimpulses so stark unterscheiden, daß die Betriebs-Kennwerte des Lasers verändert v/erden. In Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und einer weniger günstigen Spannungsabhängigkeit der optischen Eigenschaften und einem weniger günstigen Ausdehnungskoeffizienten ist bei einer gegebenen Eingangsleistung pm Anregungsimpuls die Pumpfrequenz, bei welcher der vorstehend angegebene Zustand erreicht wird, niedriger als bei einem Material mit günstigeren Kennwerten. Dies gilt insbesondere für das hier verwendete Glas im Vergleich mit nichtkristallinen Lasermaterialien, die jedoch ebenfalls verwendbar sind.

Der verwendete stabförmige Laserkörper weist, im Gegensatz zu einem kreisförmigen, einen rechteckigen Querschnitt auf. Man kann auf diese Weise einen Laserstab erhalten, der eine gewünschte Querschnittsfläche bei relativ kleiner wirksamer Dicke hat, so daß die Kühlung über den ganzen Querschnitt des Siabes wirksam und mit erhöhtem Wirkungsgrad erfolgen kann. So ist z. B. die Querschnittsfläche einer Platte von 3 mm χ 10 mm der Querschnittsfläche eines Stabes mit einem kreisförmigen Querschnitt von 6 mm Durchmesser äquivalent. Infolge der geringeren Dicke (d. h. z. B. 3 mm) ist die Platte jedoch bei einer gegebenen induzierten optischen Leistung und gegebenen Spannungen für eine viel höhere durchschnittliche Eingangsleistung geeignet, bzw. es treten bei einer gegebenen durchschnittlichen Eingangsleistung niedrigere Spannungen auf. Bei einem Querschnitt mit einem genügend großen Seitenverhältnis (über 3:1) kann man die Wirkung der Plattenenden vernachlässigen und annehmen, daß die Temperaturgradienten nicht wie bei einem Stab von kreisförmigem Querschnitt zweidimensional oder radial, sondern eindimensional oder eben sind. Als Seitenverhältnis wird das Verhältnis a/b bezeichnet, wobei a die Breite und b die Dicke der Platte ist Das Seitenverhältnis muß mindestens 2 :1 sein, damit die erwünschte Wirkung eintritt Größere Seitenverhältnisse werden bevorzugt Man kann dagegen keinen Stab von quadratischem Querschnitt verwenden, weil sich in ihm die Temperaturgradienten zum Mittelpunkt hin krümmen und einen annähernd kreisförmigen Verlauf anzunehmen trachten, so daß der erwünschte, im wesentlichen

65 ebene Temperaturgradient nicht eraelbar ist Mit ebenen oder im wesentlichen ebenen Temperaturgradienten läßt sich, wie nachstehend erläutert wird, eine erheblich einfachere und leichtere Kompensation erzielen.

Insbesondere können einfachere Polarisatoren verwendet werden, wenn die Temperaturgradienten eindimensional oder eben sind. Die Achse der temperaturbedingten Doppelbrechungen ist zu den Längsseiten des Rechtecks parallel. Dies ist beispielsweise in Fi g. 6 dargestellt, aus der hervorgeht, daß in der Stirnfläche einer Platte 80 gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel mehrere schematisch angedeutete, parallele Temperaturgradienten 81 auftreten. Die im Bereich der Ränder, beispielsweise bei 82, vorhandene Nichllinearität kann vernachlässigt werden, weil die Laserwirkung am Rand im allgemeinen von geringerer Bedeutung ist, als näher zur Mitte. Alle wichtigen Temperaturgradienten sind daher eben, zu den Breitseiten parallel und für eine elektro-optische, polarisierende Modulation geeignet

Da die Achsen der induzierten Doppelbrechungen eben und zu den Breitseiten parallel verlaufen, sind sie mit den auf eine ebene Polarisation zurückzuführende Zwängen für die Hohlraumschwingungs-Moden verträglich.

Das einfachste Ausführungsbeispiel ist in F i g. 1 und 2 gezeigt Es weist eine Blitzlampe auf. Im rechten Winkel zu der Blitzlampe 10 ist als stabförmiger Laserkörper eine Platte 11 angeordnet Man kann eine Ebene durch die Mittellinie der Blitzlampe und die Dickenmitte der Platte legen. Die Platte und die Lampe sind von einem im Querschnitt kreisförmigen, zylindrischen Spiegel 12 umgeben, der aus Silber- oder Goldfolie bestehen kann. Eine derartige Anordnung ermöglicht ein exfokales Pumpen. Das Pumpen erfolgt symmetrisch und führt nicht zu einem Verziehen der Platte, -wie es bei nur einseitigem Pumpen auftreten könnte. Ein auf das Randpumpen zurückzuführendes Verziehen ist von geringerer Bedeutung und kann durch eine geeignete Abdekkung vermieden werden.

F i g. 3 zeigt eine andere Anordnung, in der eine Blitzlampe 30 und eine rechteckige Platte 31 in einem im Querschnitt elliptischen Zylinder 32 angeordnet sind. Man kann eine Ebene durch die beiden Brennpunkte der elliptischen Querschnittsfläche des Zylinders, die Dickenmitte der Platte und die Mittellinie der Lampe legen.

Die in F i g. 3 gezeigte Anordnung eignet sich besonders für eine Wasserkühlung, bei der die Platte und die Lampe voneinander getrennt sein müssen. Bei einem kreiszylindrischen Spiegel gemäß F i g. 2 müssen die Blitzlampe und der Längsrand der Platte 11 nahe beieinanderliegen. Beide in F i g. 2 und 3 gezeigten Systeme sind jedoch exfokal und bilden eine Lichtquelle in einer Ebene ab, so daß die Tendenz zum Auftreten örtlich konzentrierter Besetzungsumkehrungen oder heißer Stellen in einem Teil der Platte herabgesetzt wird.

F i g. 4 und 5 zeigen Abwandlungen der Anordnung nach F i g. 3. In F i g. 4 sind zwei zylindrische Spiegel 40 und 41 mit Ellipsen als Querschnittsflächen, zwei Blitzlampen 42 und 43 und eine einzige Platte 44 dargestellt. Die beiden Spiegel 40 und 41 in Form von elliptischen Zylindern berühren einander in der Mitte der beiden einander gegenüberliegenden Längsränder der Platte 44. Die Platte 44 ist so breit, daß sie den Abstand zwischen den einander benachbarten Brennpunkten 45 und 46 der beiden Ellipsen überbrückt. Wie in F i g. 2 ist eine Außenfläche jeder der Lampen 42 und 43 einem der Brennpunkte der beiden Spiegel benachbart.

Wie bei den Blitzlampen nach F i g. 3 geht eine gemeinsame Ebene durch die Mittellinien der Blitzlampen, alle Brennpunkte und die Dickenmitte der Platte. F i g. 5 zeigt zwei Spiegel 50 und 51 in Form von einander schneidenden elliptischen Zylindern. Die Schnittpunkte sind spiegelbildlich im Abstand von einander entgegengesetzten Flächen der Platte 52 angeordnet Es sind zwei Blitzlampen 53 und 54 vorgesehen. Eine gemeinsame Ebene geht durch die Mittellinien der Lampen, die Dickenmitte der Platte und die Brennpunkte der beiden Ellipsen. Die Überlappung ist kleiner als bei einer Doppelellipse, die eine Linie in eine Linie abbildet bei der die Ellipsen in der den Brennpunkt enthaltenden Ebene verbunden sind, so daß der Wirkungsgrad herabgesetzt wird.

Wenn njan ein kristallines Lasermateria! mit einer bevorzugten Verstärkung in einer Polarisationsrichtung verwendet müssen die Kristallachsen entsprechend angeordnet sein. Beispielsweise muß eine Rubinplatte so geschnitten sein, daß die optische Achse in einer zur Längsseite des Querschnittes rechtwinkligen Ebene liegt Der ordentliche Lichtstrahl hat in dem Rubin eine quer zu dessen Breite verlaufende Polarisation.

Wenn die induzierten Doppelbrechungen so gering sind, daß sie auf den Wirkungsgrad des Lasers bei jeder willkürlich gewählten Polarisation keinen Einfluß haben, kann es vorteilhaft sein, wenn die Polarisationsebene unter einem Winkel von 45° zu den Seiten der Platte angeordnet ist Die induzierte Doppelbrechung kann gering gehalten werden, wenn man einen Glasplattenlaser mit sehr niedrigen Pumpfrequenzen oder einen Rubinplattenlaser mit einer durchschnittlichen Eingangsleistung unterhalb ihres Höchstwertes betreibt weil bei einem derartigen Pegel der Verstärkungsfaktor, der bei einem Rubin eine Funktion der Temperatur ist auf jeden Fall niedrig ist

Die Vorteile bestehen darin, daß gegebenenfalls eine einfache Diskriminierung von außeraxialen Schwingungs-Moden und intensiven Fluoreszenzstrahlen erzielt werden kann, die auf Reflexionen an den Seiten der Platte zurückzuführen sind, weil die Totalreflexion im Innern zu einer Veränderung des Foiarisationszustandes führt wenn der Polarisationsvektor des auffallenden Lichts zu der Ebene der Grenzfläche nicht parallel ist oder in der von dem Strahlengang und seiner Projektion auf die Grenzfläche gebildeten Ebene liegt Die Diskriminierung wird in einem Glaslaser durch den außen angeordneten Polarisator und in einem Rubin durch den Dichroismus des Materials selbst gegebenenfalls mit der Unterstützung durch einen Polarisator, herbeige- so führt Bei einer Totalreflexion im Innern der Platte bleibt dsr Poisrisatjonszustajid dagegen unverändert, wenn die Eingangspolarisation zu den Seiten des Rechtecks parallel oder rechtwinklig ist In einem Stab mit rundem Querschnitt können stets Schwingungen oder Strahlen auftreten, bei denen eine Totalreflexion im Innern ohne Änderung des Polarisationszustandes auftreten kann. Aus diesem Grunde verwendet man Oberzüge und Oberflächenbehandlungea usw.

Fi g. 7 und 8 zeigen nich !abbildende Systeme mit einem plattenförmigen Laserkörper, dessen Querschnitt das vorstehend angegebene Seitenverhältnis hat F i g. 7 zeigt einen plattenförmigen Laserkörper 90 mit einer wendeiförmigen Blitzlampe 91, die ihn umgibt und berührt Fig.8 zeigt einen plattenförmigen Laserkörper 100 und zwei Blitzlampen 101 und 102 in einem symmetrischen, zylindrischen Spiegel 103. Durch die Mittellinien der Blitzlampen und des Spiegels und die Dickenmitte des Laserkörpers geht eine gemeinsame Ebene. Gegenüber den vorher beschriebenen Anordnungen ist der Wirkungsgrad der Anordnungen nach F i g. 7 und 8 im allgemeinen stark herabgesetzt, beispielsweise auf etwa die Hälfte oder ein Drittel.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 2 pulster optischer Anregung, mit einem plattenförmigen Patentansprüche: Laserkörper, dessen rechteckiger Querschnitt ein Sei tenverhältnis von mehr als 2 :1 aufweist Eine Laserein-

1. Lasereinrichtung mit gepulster optischer Anre- richtung dieser Art ist aus der Druckschrift »Soviet gung mit einem plattenförmigen Laserkörper, des- 5 Journal of Applied Spectroscopy« November 1967, S. sen rechteckiger Querschnitt ein Seitenverhältnis 763—766 bekannt

von mehr als 2 :1 aufweist dadurch gekenn- Im Betrieb einer Laseranordnung wird in dem Laser-

zeichnet, körper eine große Wärmemenge erzeugt die eine K.üh-

daß sich der plattenförmige Laserkörper (11; 31; 44; lung notwendig macht Selbst bei Anwendung der be-

52; 63,62; 80; 90; 100) stabförmig entlang einer Ach- io sten Kühlanordnung treten jedoch in Richtung der Dik-

se erstreckt entlang der beim Laserbetrieb eine ke oder des Durchmessers des gepumpten Laserkörpers

Fortpflanzung von Laserenergie erfolgt und Temperaturgradienten auf, die zu Doppelbrechungen

daß die Anregungslichtquellen (10; 30; 42,43; 53,54; führen. Diese sind unerwünscht weil sie eine Entpolari-

61; 91; 101, 102) und/oder die den Anregungslicht- sation des durch den Laserkörper tretenden oder in ihm

quellen zugehörigen Reflektoreinrichtungen (12; 32; 15 schwingenden Lichtes verursachen können. Es ist näm-

40, 41; 50, 51; 60; 103) symmetrisch bezüglich einer lieh ein hoher Polarisationsgrad erwünscht weil für die

die Dickenmitte des Laserkörpers durchsetzenden Signalsteuerung elektro-optische Modulatoren erfor-

Symmetrieebene angeordnet sind. derlich sind, die linear polarisiertes Licht benötigen. Der

2. Lasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- elektro-optische Modulator arbeitet nämlich sehr kennzeichnet daß das Seitenverhältnis des Platten- 20 schnell und ist für eine sehr genaue Synchronisation querschnitts mindestens 3 :1 beträgt geeignet wie sie für die Signalsteuerung in der Laseran-

3. Lasereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- Ordnung erforderlich ist Die Erfindung beruht in erster durch gekennzeichnet, daß der Laserkörper (11; 31; Linie auf der Erkenntnis, daß die Schwierigkeiten, die

. 44; 52; 62) und die Anregungslichtquellen (10; 30; 42, durch temperaturgradientenbedingte Doppelbrechun-

43; 53,54; 61; 101,102) sich parallel zu einer gemein- 25 gen verursacht werden, im wesentlichen dadurch besei-

samen Achse in einer zylindrischen Reflektorein- tigt werden können, daß ein allgemein rechteckiger

richtung (12; 32; 40,41; 50,51; 60; 103) erstrecken. Plattenlaser auf geeignete Weise gepumpt wird.

4. Lasereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe kennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung (32; 40, zugrunde, eine gattungsgemäße Lasereinrichtung zu 41:50,51; 60; 103) im Querschnitt elliptisch ist. 30 schaffen, bei der die durch temperaturgradientenbe-

5. Lasereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge- dingte Doppelbrechungen hervorgerufenen Schwierigkennzeichnet, daß die Reflektoreinrichtung aus zwei keiten vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfineinander berührenden oder schneidenden Reflektor- dungsgemäß dadurch gelöst, daß sich der plattenförmielementen (40, 41; 50, 51) mit elliptischen Quer- ge Laserkörper stabförmig entlang einer Achse erschnitt besteht daß der Laserkörper (44; 52) den 35 streckt, entlang der beim Laserbetrieb eine Fortpflan-Abstand zwischen einander benachbarten Brenn- zung von Laserenergie erfolgt und daß die Anregungspunkten dieser beiden elliptischen Reflektorelemen- lichtquellen und/oder die den Anregungslichtquellen zute (40,41; 50,51) überbrückt und daß eine gemeinsa- gehörigen Reflektoreinrichtungen symmetrisch bezügme Ebene durch die Mittenebene der beiden Reflek- lieh einer die Dickenmitte des Laserkörpers durchsettorelemente (40,41; 50,51) des Laserkörpers (44; 52) 40 zenden Symmetrieebene angeordnet sind.

und der Anregungslichtquelle (42,43; S3,54) geht. Der eingangs genannten Druckschrift »Soviet Journal

6. Lasereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- of Applied Spectroscopy« No. 1967, S. 763—766 sind durch gekennzeichnet, daß die Anregungslichtquelle Angaben über Laserstrahlrichtung und eine Symmetriewendeiförmig in Längsrichtung um den Laserkörper ebene der Anregung dieser Druckschrift jedoch nicht (90) herumgewickelt ist. 45 entnehmbar, gleiches gilt für die Aufgabenstellung. Aus

7. Lasereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- dem Artikel »Soviet Physics JETP 19 (1964) Nr. 4, Seiten kennzeichnet daß der Laserkörper (100) sich quer 800—803« geht des weiteren eine Lasereinrichtung mit durch einen zylindrischen Reflektor (103) in dessen optischer Anregung hervor, die mit dem Anmeldungs-Mittenebene erstreckt und daß in dem Reflektor gegenstand einen plattenförmigen Laserkörper sowie zwei Anregungslichtquellen (101, 102) auf beiden 50 die Emissionsrichtung gemeinsam hat, jedoch keine Seiten des Laserkörpers (100) und symmetrisch zu Aussagen über die Richtung der Anregung bezüglich diesem angeordnet sind. irgendwelcher Symmetrieebenen enthält und nicht er-

8. Lasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 kennen läßt, daß das Seitenverhältnis mehr als 2 :1 bebis 7, dadurch gekennzeichnet daß der Laserkörper tragen soll.

aus Glas besteht, welches mit Oxiden von seltenen 55 Durch die erfindungsgemäße Laseranordnung kön-

Erden dotiert ist. nen die Schwierigkeiten, die in einem angeregten Laser

9. Lasereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 infolge von temperaturgradientenbedingten Doppeibis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkörper brechungen auftreten, im wesentlichen vermieden wereine Rubinplatte ist, die so geschnitten ist, daß ihre den, da die beim Laserbetrieb in dem plattenförmigen optische Achse in einer zur längeren Seite des Plat- 60 Laserkörper erzeugten Isothermen sich im wesentlitenquerschnitts rechtwinkligen Ebene liegt und der chen parallel zur Ebene der größeren Seitenflächen des ordentliche Strahl in dem Rubin eine in Richtung der Laserstabs erstrecken, so daß die eine Polarisationsebe-Breite der Platte orientierte Polarisation besitzt. ne der Laserenergie parallel zu den erzeugten Isothermen und die andere Polarisationsebene senkrecht dazu

65 verläuft.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Lasereinrichtung mit ge- Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung wer-