DE2022320A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Verstaerkung eines Lasers - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Verstaerkung eines Lasers

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DE2022320A1
DE2022320A1 DE19702022320 DE2022320A DE2022320A1 DE 2022320 A1 DE2022320 A1 DE 2022320A1 DE 19702022320 DE19702022320 DE 19702022320 DE 2022320 A DE2022320 A DE 2022320A DE 2022320 A1 DE2022320 A1 DE 2022320A1
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Description

DR.-ING. RICHARD GLAWE
MÜNCHEN
PATENTANWÄITE
01PL.-ING. KLAUS DELFS · DIPL-PH/S. DR. WALTER MGLl
HAMBURG MONGHEN
8000 MOnchen 22 » llebherretraee 20 . Tel. (0811) 22 «48 2000 Hamburg 52 · WaltafroB« 12 . Tel. (0411) 892255
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Verfahren und Vorrichtung zum Steuern der Verstärkung eines lasers
Die Erfindung bezieht siöh auf ein Verfahren unä eine Vorriohtung zum Steuern der Veu&tärkung eines Lasers mit einem laserfestkörper, und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kompensieren der temperäturabhängigen Verstärkuingsschwankungen in dem lesertnaterial.
Bin laserkrista11 wird von der !Cemperatur in star-
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kern Maße beeinflußt, und dies gilt insbesondere für einen Rubinlaser, Dies hängt von den Atomeigensohaften
meta des Laserkristalls ab. So nimmt die Dauer des stabilen Zustandes in dem laserkristall mit zunehmender Temperatur ab, während gleichzeitig die Yerstärkung der stimulierten Emission (der "Laserwirkung") abnimmt. Aus diesem G-rund ist bei hohen Temperaturen eine hohe Exzitationsenergie (Pumpenergie) erforderlich. Wenn der laser in einem größten Temperaturbereich, beispielsweise von - 50° 0 bis + 60° G arbeiten soll und die Exzitations energie ausreichend groß gewählt wird, so daß der Laser an der oberen Grenze des Temperaturbereichs zufriedenstellend arbeitet, dann ist diese Exzitationsenergie bei niedrigen Temperaturen zu hoch. Dies führt insbesondere in Q-gepulsten Lasern zu Schwierigkeiten, da aufgrund der hohen Yerstärkung bei niedrigen Temperaturen Doppelimpulse erzeugt werden, wenn die angelegte Pumpenergie zu groß iat. Damit man Einzelimpulse erhält, was besonders dann erwünscht ist, wenn der Laser zur Entfernungsmessung verwendet wird, kann die Pumpenergie bei niedrigen Temperaturen herabgesetzt werden, jedooh haben dann die erzeugten Einzelimpulse eine niedri- ^ ge Energie. Damit man Einzelimpulse mit großer Energie auch bei niedrigen Temperaturen erhält, muß die optische Verstärkung des Lasers gegenüber der optisoheu Yerstärkung bei höheren Temperaturen herabgesetzt werden.
— 2 —
• °- ·. 009847/1630
Der -vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuerung und Regelung der optischen Verr Stärkung, eines Lasers zu ermöglichen, und insbesondere eine solche Regelung, daß die optische Verstärkung mit abnehmender Temperatur abnimmt. Me Erfindung geht aus "von einem laser mit einem Laserfestkörper und einem Resonator mit einem die void Laserfestkörper ausgesandte Strahlung in diesen zurüclcreflektierenden Spiegelsystem, wobei der Laser mittels eines optischen Pumpsysteras gepumpt wird.
Die Erfindung nützt die Tatsache aus, daß das durch das Pumpen mit einem optischen Pumpsystem erzeugte Exzitationsuiveau in verschiedenen Teilen des Laserfestkörpers verschieden ist. In den meisten Lasern mit optischem Pumpsystem ist die Verteilung dar erregten Atome in dem Laser.stab derart, daß die Erregung in der Mitte des Stabes am größten ist, während das Exzitationsniveau in der Hähe der Oberfläche des Stabes kaum aus- M
reicht, um eine Laserwirkung zu erzeugen. Die Verteilung der Exzitation in dem Laserstab hängt ab von der Geometrie des Purapsysteras und dem Grad der Dotierung (doping) des Lasermaterials. Wenn beispielsweise das Pumpsystem mit einem elliptischen Reflektor versehen int und der Laserstab so angeordnet ist, daß seine Mittelachse mit einer Pokallinie des Reflektors zusammen-.11HlIt, und eine stabförmige Pumpenlampe längs der einde-
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ren IOkallinie des Reflektors angeordnet ist, dann fällt,, das Exzitationsnlveau von einem Maximum in der Mitte des Stabes nahezu gleichförmig in allen Richtungen radial nach außen bis zur Oberfläche des Stabes ab.
Das Exzitationsniveau bestimmt die optische Verstärkung, und deshalb wird auch diese innerhalb des Laserfestkörpers in derselben Weise wie das Exzitationsniveau variieren. G-etnäß der Erfindung wird diese Ersoheinung in der Weise ausgenutzt, daß man das Spiegelsystem des Resonators mechanisch derart bewegt, daß die von dem Laserfestkörper ausgestrahlten Strahlungsbündel nach ihrer Reflektion am Spiegelsystem durch solche Teile des Laserfestkörpers zurückkehren, deren Exzitationsniveau dem gewünschten Verstärkungsfaktor angepaßt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Spiegelsystem automatisch in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Laserfestkörpers derart bewegt, daß die Verstärkung mit abnehmender Temperatur abnimmt.
Bei Q-gepulsten Lasern besteht der total reflektierende Spiegel des Resonators gewöhnlich aus einem feststehenden oder rotierenden Prisma, dessen Hauptschnitt ein rechtwinklig gleichschenkliges Dreieak ist. Ein solches Prisma ist auch als das Porro-Prisma bekannt. Mittels eines derartigen Prismas kann eine Verstärkungsregelung gemäß der Erfindung sehr leicht da-
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durch erfolgen, daß man das Prisma derart beweglich macht, daß seine 30°..Kante im rechten Winkel zur Längsrichtung des Laserstabes verschiebbar ist, wodurch man Veränderungen der optischenVerstärkungerzielen kann, wie dies im folgenden noch näher beschrieben wird. .'Die Verschiebung des Prismas kann durch Antriebsmittel erfolgen, die von temperaturerapfindlichen Einrichtungen gesteuert werden, so daß die Verstärkung entsprechend der Temperatur variiert wird, ' ■ ■ ^ ·· ■■■ .,.■■■■:■ ' ; ■··: ■■■■■■:,'■:■'.■: :
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert,
.'Yig,-.' 1 und 2 illustrieren schematisch das Prinzip der Erfindung.
. 3 und 4 zeigen schematisch zwei verschiedene Ausfiihrungsformen von Anordnungen zum automatischen Regeln der Verstärkung des Lasers in Abhängigkeit von der ^ Temperatur.
Pig. 1 und 2 zeigen einen Laserstab 1, der beispielsweiso aus einem stabförmigen Rubinkristall bestehen kann. An dom einen Ende des Laserstabes 1 ist ein total reflektierendes Prisma 2 der vorstehend beschriebenen Art angeordnet. Uie anderen, zu einem vollständigen Lasersy- sbera gehörenden Elemente wie z.B. daB Pumpsystem und
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der am anderen Ende des Lasers angeordnete halbdurchlässige Spiegel v/erden als Elemente bekannter Bauart angenommen und sind deshalb in der Zeichnung nicht dargestellt.
Oberhalb des Laserstab'es 1 ist in Mg. 1 und 2 ein Diagramm angegeben, welches zeigt, wie der Verlauf des Exzitationsniveaus und damit der optischen Verstärkung über den Querschnitt des Laserstabes ist, V/ie man aus diesem Diagramm erkennt, hat das Exzitationsniveau W ein Maximum längs der Mittelachse des Laserstabes und fällt mit zunehmendem Abstand von dieser Mittellinie praktisch symmetrisch ab.
In Mg. 1 liegt die 90° Kante des Prismas in der Verlängerung der Mittelachse des Laserstabes 1, d.h. die 90° Kante fällt mit dem Exzitationsmaximura des Laserstabes zusammen. Wenn sich das Prisma in dieser Stellung befindet, wird ein vom Laserstab 1 ausgestrahltes Strah-φ lungsbündel von dem Prisma 2 in den Laserstab längs eines Weges zurückreflektiert, auf welchem das Exzitationsniveau etwa dasselbe ist wie dasjenige längs des Weges des ausgesandten Strahlungsbündels durch den Laserstab. Hierdurch erhält man eine maximale optische Verstärkung in dem Laserstab. Wenn der Laser bei einer hohen temperatur arbeitet, sollte deshalb das Prisma 2 die in Mg. 1 gezeigte Lage bezüglich des Laserstabes 1 einnehmen, damit
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der Laser rait der geringstmoglichon Pumpenergie zufriedenstellend arbeitet.
Bei niedrigen Temperaturen jedoch hat die in lig. 1 dargestellte liagedes Prismas 2 eine so hohe optisohe Verstärkung zur Folge», daß bei gleichbleibender Pump- energie Poppelimpulse "vom Laser erzeugt werden. Einzelirapulse können durch Herabsetzen der Pumpenergie erhalten werden, jedoch haben in diesem lall die erzeugten Einzelimpulse eine zu niedrige Energie.
· ". . "..""■■■" ■■.■"-■■■"
Semäß der Erfindung v/ird die optische Verstärkung bei niedrigen Temperaturen dadurch herabgesetzt, daß man das Prisma 2 so .verschiebt, daß seine 90° Kante nicht mehr mit dem Zentrum der Exzitation zusammenfällt. Dies ist in Fig. 2 dargestellt, welche das Prisma 2 in einer solchen Lage zeigt, daß sich seine 90° Kante in einem rechtwinkligen Abstand d von der Exzitationsmittellinie des Laserstabes !befindet. ~--m
Wenn in einem Prisma der dargestellten Art eine Totalreflektion stattfindet, verläuft der reflektierte Strahr parallel zum einfallenden Strahl. Der Abstand 2v/ischen dem einfallenden und dem reflektierten Strahl hängt ab von dem Abstand zwischen dem einfallenden Strähl und der fJ0° Kante des Prismas und beträgt das Zweifache öieseB Abstandes. Me Verschiebung des Pristnas relativ ·
zur vBAa'ttatlonsmittellinie flea La-serstabes, v/ie sic in 009847/1630
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1"1Lg. 2 gezeigt ist, bewirkt deshalb, daß ein vor dem Eintritt in das Prisma durch die Exzitationsmittellinie ■verlaufender Strahl nach der Reflection am Prisma den Laserstab 1 längs eines Weges mit niedrigerer Exzitation durchlauft. Die Verstärkung des Lichtes bei seinem doppelten Durchgang durch den Laserstab (welche proportional au dem Produkt der Verstärkungen während der beiden Einzeldurchläui'e ist) ist in diesem Fall niedriger als in dem Fall, in dem die 90° Kante des Prismas mit der Exzitationsmittellinie des Laserstabes zusammenfällt. Diese Abnahme der Verstärkung macht es möglich, Einzelitnpulse rait hoher Energie auch bei niedrigen Temperaturen zu erzeugen.
Damit die Forderungen nach niedriger Pumpenergie bei hohen Temperaturen und einer hohen Energie von Einzelimpulsen bei niedrigen Temperaturen erfüllt wird, muß die Lage des Prismas 2 mit der Temperatur variiert werden. Zu diesem Zweck kanu das Prisma 2 an einem Halter befestigt sein, der beispielsweise von iVaud mittels einer Stellschraube verschiebbar ist. Jedoch kann die erforderliche Lagenänderung des Prismas 2 in Abhängigkeit von der Temperatur auch automatisch mittels einer geeigneten temperatürempfindlichen Einrichtung hervorgerufen v/erden. Ι'1!·:. 3 und 4 aeigen Ausführiuigsbeispiule einer derartigen .uiuriclituug.
Oüi-dor in J1I,;. 3 dargos üeLJ ten uiordnung 1st dar; 009847/1630 BAD ORIGINAL
Prisma 2 an einem Halter 3 befestigt, der an Gelenkp unkt en 6 und 7" an zwei Bimetall·!'edern 4 und !5 aufgehängt ist, die an einer festen Basis 9 befestigt sind. Die Anordnung ist so- getroffen, daß das Prisma die in Pi-g. 1 gezeigte Lage bezüglich des laserstabes bei der Fiaximalteraperatur, bei der laser arbeiten soll, einnimmt. Wenn die Temperatur abnimmt, biegen sich die Bimetallfedern 4 und 5, so daß das Prisma 2 aus dieser Stellung heraus verschoben wird.
Bei der in Pig. 4 gezeigten Anordnung ist das Prisma ebenfalls an einem Halter 3 befestigt, der auf einer festen Unterlage 15 "verschiebbar ist.. Ein länglicher Behälter 9 ist neben dem Laserstab 1 angeordnet. Der Behälter 9 ist mit einer Flüssigkeit 10, vorzugsweise Quecksilber, gefüllt. Der Behälter 9 steht über oin Rohr 11 mit einem Zylinder 12 in Verbindung, in welchem ein Kolben 13 verschiebbar ist, dessen Kolbenstange mit dem Prismenhalter 3 verbunden ist. Eine Druckfeder 14 ist zwischen dem einen Ende de3 Prismenhalters und einem festen Anschlag 14 angeordnet. Wenn sich die •Temperatur ändert, ändert sich auch das Volumen der Ji'lUssigkeit 10, wodurch der Prisraenhalter 3 unter der Wirkung deo ltolbens 13 und der 'Feder 14 verschöben wird. Hev.n haLbkontinuierlioheu Betrieb, wuiin die l'omperatur 'uj.'j i<aseratuboü bo träohtlioh über c'it-jr Tfmgebungatempera-
1 Logon icann, iiollto dor Behälter 9
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vorzugsweise nahe am Lasers tab 1 angeordnet sein, wodurch die [Temperatur des Laserstabes besser erfaßt werden kann als mit der Anordnung gemäß !"ig. 3.
Bei Q-gepulsten Lasern wird häufig das total reflektierende Prisma 2 für das Pulsieren verwendet, wobei man das Prisma um eine zur 90 Kante des Prismas rechtwinklige Achse rotieren läßt. In diesem Pal! kanu der Rotationsantrieb für das Prisma zusammen mit dem Prisma auf einem geeigneten Halter angeordnet sein, der in der oben beschriebeneu Weise in Abhängigkeit von der Temperatur verschoben wird.
Die Mittel zum Verschieben des Prismas in Abhängigkeit von den Teraperaturschwankungen können selbstverständlich auf zahlreiche andere Arten ausgeführt sein als die in den Piguren 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen.
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Claims (1)

  1. 202232Q +1
    P at ent ans ρ r ü c he
    πi Verfahren, zum Steuern der Verstärkung eines;. Lasers, der einen Laserfestkörper und einen Resonator mit einem die vom Laserfestkörperemittierte Strahlung in diesen zurückreflektierendenSpiegelsystem aufweist, wöbo'i/ler Laser mittels eines optischen Purapsystems aufgepumpt v/i rd und hierdurch ein· in verschiedenen Teilen des Laserfestkörpers -verschiedenes Exzitationsniveau erzeugt wird, dadurch g e Ic e η η ζ e i c h η e t, daß das Spiegelsystem raechanisch derart bewegt wird, daß -vom Laser emittierte StrahlungsMndel nach ihrer liefiektion am Spiegelsystem durch solche Teile des La-
    :. : ■-■= ■■:' ■-■■■■■.■■■■ : ■■:■ ■■-■■■
    Gerfestkörpers.:zurückkehren, die ein der gewünschten •/"er Stärkung .angepaßtes iJxzitationsniveau haben.
    fi. VerfaJiren nach Anspruch 1, dadurch g e ■,: cn η s ei ohne t, dai3 das Spiegolsystem in Ab-"hiinginkoit von den Ten)peraturschv/aiikun;;en in der Umge-' bung des Lara erfestlcörpars derart bewegt -'wird, daß die
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    Verstärkung mit abnehmender Temperatur abnimmt.
    3. Vorrichtung zum Steuern der Verstärkung eines Lasers gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der -Laser besteht aus einem Laserfestkörper, einem Resonator mit einem die vom Laserfestkörper emittierte Strahlung in diesen zurückreflektierenden Spiegelsystem und einem Pumpsystem zum optischen Pumpen des Lasers, wodurch ein in verschiedenen Seilen des Laserfestkörpers verschiedenes Exzitationsniveau erzeugt wird, gekennzeichnet, durch Mittel zum Verschieben des Spiegelsystems derart, daß der Eintrittspunkt eines reflektierten Strahlenbündels in den Laserfestkörper veränderbar ist.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß das Spiegelsystem ein Prisma (2) enthält, dessen Hauptschnitt ein rechtwinklig gleichschenkliges Dreieck ist, und daß das Prisma durch Verschiebungsmittel· derart verschiebbar ist, daß seine 90° Kante im rechten Winkel zur Mittellinie des Laserfestkörpers (1) verschoben wird.
    5. Vorrichtung naoh Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebungsraittel eine teraperaturempfindliche Einrichtung (4» 5 in Fig,· 3j 9 - 13 in Pig, 4) enthalten, die die Tem-
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    peratur in der·Umgebung des Laserfestkörpers (1) erfaßt und die Verschiebung des Spiegelsystems (2) in Abhängigkeit von dieser Temperatur steuert.
    6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, da.durch gekennzeichnet, daß die Verschiebungsmittel· mit der temperaturerapfindlichen Einrichtung so angeordnet sind, daß bei einer verhältnismäßig hohen Temperatur in der Umgebung des Laserfestkörpers das
    Prisma in solcher lage gehalten ist, daß seine 90° f
    Kante sich vor einem Bereich maximalen Exzitationsniveaus in dem Laserfestkörper (1) befindet (Pig. 1) und bei abnehmender Temperatur aus dieser Lage heraus verschoben wird (Fig. 2).
    7. Vorrichtung nach 'Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die teraperaturempfindliche Einrichtung aus einem Bimetallsystem besteht (Pig. 3). ■ -
    8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturempfindliche Einrichtung einen Behälter (9) mit einer ; Flüssigkeit (10), z.B. Queoksilbar, und einen Zylinder ; mit Kolben (13) umfaßt, der mit dem Behälter verbunden und durch die Flüssigkeit betätigt wird, wenn sich das Volumen der Flüssigkeit duroh Teraperaturänderungen ändert.
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    Leerseite
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