DE2212241A1 - Laser mit einem Resonator - Google Patents

Description

Western Electric Company, Incorporated Chesler 2-4 New-York, N.Y., UiS.A* . Laser mit einem Resonator

Die Erfindung "betrifft einen Laser mit einem Resonator, der durch räumlich voneinander getrennte reflektierende Flächen bestimmt ist, und mit einem zwischen den reflektierenden Flächen angeordneten stimulierbarem Medium.

Optimales Arbeiten eines Festkörperlasers im Transversal-TEMQQ-Mode erfordert, daß der optische Bündelradius (1/e -Intensität) in dem stimulierbaren Lasermedium etwa die Hälfte des Radius des Lasermediums beträgt. Wenn diese Bedingung näherungsweise erfüllt ist, schwingt der TEM-Iü^Ulde mit minimalen Beugungsverlusten bei gleichzeitiger Unterdrückung von Transversal-Moden höherer Ordnung.

Es sind einige Methoden bekannt, um einen geeignet breiten TEM-_0Q-Modenradius in dem stimulierbaren Medium einer Festkörper-Laseranordnung zu erreichen. Eine von diesen Methoden umfasst die Bildung von konvexen Spiegelflächen an den jeweiligen Enden des Mediums. Die erfolgreiche Arbeitsweise einer solchen Anordnung hängt von dem Vorhandensein einer thermischen Fokuaäerung im angeregten Medium ab. Diese Anordnung hat drei Nachteile» (1) Die Anordnung befindet sich an der Grenz· der Stabilität (entsprechend den Stabilitäts-

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kriterien, diff^Modes in Optical Resonators" von H. Kogelnik, Laser, Band I, herausgegeben von A. Levine, M. Dekker, Inc. New York, 1966, spezifiziert sind), und thermische und mechanische Störglieder erzeugen merkliche Schwankungen in der Ausgangsleistung; (2) die thermische Fokusierungswirkung 1st unvollkommen; und (3) der Betrieb der Anordnung 1st auf eine festeingestellte Eingangsleistung beschränkt.

Eine andere bekannte Methode umfasst die Verwendung eines nahezu konzentrischen Resonators, der räumlich voneinander getrennte Plan- und Konkavspiegel enthält. Für ein Lasermedium von etwa 10 cm Länge beträgt der Abstand zwischen diesen Spiegeln typischerweise etwa 70 cm. Anordnungen dieser Art, die kürzere Spiegelradien und Spiegelabstände verwenden, arbeiten wegen der beträchtlichen Modenradiusveränderung, die dann von einem Ende des Lasermediums bis zum anderen Ende auftritt, mit schlechtem Wirkungsgrad. Zusätzlich arbeiten solche kürzeren Anordnungen nahe der Instabilitätsgrenze.

Die vorausgehenden Probleme, einen einfachen Festkörperlaser zu erhalten, der kompakt, stabil und wirkungsvoll ist, wird erfindungsgemäß durch einen Laser gelöst, bei welchem eine Linse zwischen dem stimulierbaren Medium und einer der reflektierenden Resonatorflächen angeordnet ist unä^e8ie Beziehung f < ρ erfüllt, wobei f die Brennweite der Linse und ρ den Abstand zwischen der Linse und der reflektierenden Flächen bedeutet.

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Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 und 2 jeweils eine bekannte Laser-Anordnung; Fig. 3 eine spezielle, als Beispiel aufzufassende

Laser-Anordnung gemäß der vorliegenden

Erfindung; und
Fig. 4 eine äquivalente Darstellung der Anordnung

von Fig. 3.

Eine bekannte Methode, um einen relativ breiten TEM-Q_Q-Modenradius im stimulierbaren Medium einer Festkörper-Laseranordnung zu erreichen, ist in vereinfachter Form in Fig. 1 dargestellt. Wie gezeigt ist, sind die jeweiligen Enden 10 und 12 eines FestkörpertLasermediums 15 so geformt, daß sie konvexe Spiegelflächen bilden. Wenn durch eine geeignete Vorrichtung (nicht gezeigt) auf herkömmliche Weise eine Anregung erfolgt, kann die dargestellte Anordnung einen relativ breiten TEM-₀₀-BÜndelradius in dem Medium 15 erzielen. Das Profil des TEM-QQ-Moden im Medium 15 ist etwa durch gestrichelte Linien 16 und 18 dargestellt.

Wie oben erwähnt wurde, hängt die erfolgreiche Arbeitsweise einer bekannten Anordnung der in Fig. 1 gezeigten Art von dem Vorhandensein einer thermischen Fokussierung (herrührend

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von einem Temperaturgradienten) in dem angeregten Medium 15. Eine solche Fokussierungswirkung ist Jedoch unvollkommen,und versucht praktisch die Fokuaslerungswirkung in vorgeschriebenen Grenzen zu erzwingen, was dazu führt, daß die Arbeitsweise der Anordnung auf eine festeingestellte Eingangsleistung begrenzt ist. Auch während des Betriebes besitzt die dargestellte Anordnung eine Stabilität, die an der Grenze liegt. Darüber hinaus beeinträchtigen thermische und mechanische Störglieder die Wirkungsweise der Anordnung dadurch, daß sie merkliche Schwankungen der Ausgangsleistung bewirken.

Eine andere bekannte Laseranordnung, die in Fig. 2 dargestellt ist, weist einen nahezu konzentrischen Resonator auf, der durch eine Planarspiegelflache 20 und eine Konkavspiegelfläche 22 gebildet wird. Eine solche Anordnung bewirkt einen TEM-qq-Moden (durch gestrichelte Linien 26 und 28 dargestellt), der sich im Lasermedium 25 in der Nähe der Spiegelfläche 22 zu einer relativ breiten Abmessung ausdehnt. Wiederum wird angenommen, daß eine thermische FokupeLerwirkung im Medium 25 vorhanden ist, so daß der effektive Radius der Fläche 22 nur wenig größer als der Abstand zwischen den Flächen 20 und 22 ist.

Der primäre Nachteil der Anordnung nach Fig. 2 btsteht in deren relativ großer Länge. In einem typischen Fall, bei welchem die Länge des Lasermediums 25 nur etwa 10 cm betrug,

5 Π P 3 3 Q / 1 1 1 fi

war für eine wirkungsvolle Arbeitsweise ein Abstand zwischen den Spiegelflächen 20 und 22 von etwa 70 cm nötig.

Von der in Fig. 2 dargestellten Art können kürzere Resonatoren gebaut werden. Da jedoch die Spiegel eines solchen Resonators näher aneinanderrückt werden, und da der Krümmungsradius dessen konkaver Flächerverkleinert wird, wird die Anordnung relativ wirkungslos. Dies ergibt sich infolge der beträchtlichen Änderung des Modenradius, die sich dann in dem Medium 25 von einem bis zum anderen Ende einstellt. Außerdem arbeiten solche kürzeren Resonatoren in der Nähe der Instabilitätsgrenze.

In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Laseranordnung dargestellt. Die gezeigte Anordnung ergibt einen kompakten Aufbau zum Erhalt eines breiten TEM-₀₀-Modenradiu8. Die Anordnung, welche sich durch gute Stabilität auszeichnet, umfasst ein stimulierbares Lasermedium 35 (beispielsweise einen Stab aus mit Neodym dotiertem Yttriumaluminiumgranat (Nd:YAlG)), eine Anregungsquelle 37, eine konvexe Spiegelfläche 30 mit einem Krümmungsradius R_n, eine positive Linse 31 mit einer Brennweite f und eine konkave Spiegelfläche mit einem Radius R , die in einem Abstand ρ von der Linse angeordnet ist. Erfindungsgemäß muß die Beziehung f < ρ erfüllt sein.

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Als Beispiel sind die Elemente 30 und 31 in Fig. 3 als an den jeweiligen Enden des Stabes 35 geformt (beispielsweise geschliffen) dargestellt. Obwohl ein solcher integrierter Aufbau generell von Vorteil ist, ist es selbstverständlich, daß mechanisch getrennte Elemente mit dem Stab 35 kombiniert werden können, um einen equivalenten Aufbau zu ergeben.

Das Profil des TEM-Q_Q-Moden im Lasermedium 35 der Fig. 3 ist durch gestrichelte Linien 36 und 38 dargestellt. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfasst der durch die Linien 36 und 38 dargestellte Strahl einen fokusierten oder eingeschnürten Teil zwischen der Linse 31 und der Spiegelfläche 32. (Der so bezeichnete Strahl soll repräsentativ für die entweder im Dauerstrich- oder im Pulsbetrieb arbeitende Anordnung sein.) Da ein fokuaterter Strahl erzeugt wird, ist die dargestellt Anordnung gut geeignet, mit einem Modulatorelement oder einem nichtlinearen Element (das beispielsweise an der Stelle des gestrichelt gezeichneten Elementes 39 angeordnet 1st) kombiniert zu werden, um eine Intraresonator-Modulatoreinheit oder -Umsetzereinheit zu bilden. Beispielsweise ermöglicht eine Anordnung der in Fig. 3 gezeigten Art einer akkustisch-optisches Resonatordämpfen und Gütewertschalten, was von den vorliegenden Erfindern in "Cavity dumping and Q-Switching of Nd:YAlG Lasers¹*, Journal Applied Physics, Februar 1970, beschrieben worden ist. Im allgemeinen ist der durch die Anordnung der Fig. 3 fokueierte Strahl vorteilhaft für die Verwendung in Verbindung mit elektroopitschen

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Modulatoren und nichtlinearen optischen Bauelementen wie parametrischen Oszillatoren und Harmonischen-Generatoren.

Es gibt eine endlose Zahl von Parameter-Einstellungen, die den selben Modenradius in dem in Fig. 3 gezeigten Laserstab 35 festlegen. Kürzer ausgedrückt, können mehr kompakte Aufbauten durch Auswählen kleiner Werte von f und R verwirklicht werden. Praktisch ist die Grenze kurzer Resonatoraufbauten gegeben durch Probleme bei der Herstellung von hochqualifizierten Spiegeln mit kurzen Krümmungsradien. Eine andere praktische Grenze beim Erreichen kurzer Resonatoraufbauten ist durch den zunehmend schmaler werdenden Bündelradius und die sich daraus ergebende höhere Lichtintensität gegeben, die sich an der Spiegelfläche 32 bildet. Mit kleiner werdendem Bündelradius wächst die Möglichkeit, eine Zerstörung der Fläche 32 durch Hitzeeinwirkung herbeizuführen.

Im allgemeinen sollte der Radius R_n, der in Fig. 3 gezeigten konvexen Spiegelfläche 30 groß sein im Vergleich zur Länge des Laserstabes 35. Vorzugsweise sollte er aber genügend klein sein, um eine im Stab 35 vorhandene thermische Fokusierung zu beherrschen.

Ein praktischer Vorteil der in Fig. 3 gezeigten Anordnung besteht darin, daß Feineinstellungen des Modenradius im Laserstab 35 bei festen Werten von R , R und f leicht

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durchgeführt werden können, und zwar lediglich durch Verändern des Abstandes p. Die Möglichkeit, auf diesem Weg eine solche Einstellung durchzuführen, vereinfacht den Aufbau der gezeigten Anordnung und erhöht die Flexibilität bei der Verwendung der Anordnung in verschiedenen Anwendungen von praktischem Interesse.

Eine besondere, als Beispiel gedachte Auswahl der Werte, die dazu geeignet ist, einen wirkungsvollen und stabilen TEM_QQ-Modenbetrieb in der Anordnung nach Fig. 3 für einen Nd:YA^G-Laserstab von 2,5 mm Durchmesser und 10 cm optischer Länge zu erreichen, 1st folgende: R 3 100 cm, f = 10 cm, ρ = 13,5 cm und R^ = 2,5 cm. Für diese spezielle Auswahl der Werte betrug die Gesamtlänge der gezeigten Resonatoranordnung lediglich 19 cm. Im echten Betrieb betrug der Bündelradius für eine bestimmte Einstellung der Anregungsbedingungen an der Strahleinschnürung (dem schmälsten Querschnitt) zwischen den Elementen 31 und 32 der gezeigten Anordnung 64 /um. Messungen zeigte?, daß die Anordnung dabei 0,6 Watt Dauerstrich-TEM_QQ-Moden-Ausgangsleistung bei einem gesamten Leistungswirkungsgrad von 0,14% erzeugte. Im Gegensatz dazu ergab ein herkömmlicher Resonator von 35 cm Länge mit zwei konkaven Drei-Meter-Spiegeln lediglich 0,45 Watt Ausgangsleistung, und zwar unter den gleichen Anregungsbedingungen und unter Verwendung eines stimulierbaren NösYAlG-Laserstabes gleiche?

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Qualität mit flachen und parallelen reflexmildernd beschichteten Enden.

Nur zu Zwecken der Analyse ist es nützlich zu erkennen, daß die in Fig. 3 dargestellte Laseranordnung auf die in Fig. 4 dargestellte Form umentwickelt werden kann. Die Grundlage zur Umentwicklung der Anordnung nach Fig. 3 besteht darin, daß deren Spiegelfläche 32 als durch die Linse 31 in eine Spiegelfläche 42 (Fig. 4) abgebildet betrachtet werden kann, die in einem Abstand d von der Spiegelfläche 40 angeordnet ist. Diese Transformation wird durch die üblichen Gesetze der geometrischen Optik bestimmt, die den Radius und die Lage der Spiegelfläche ergeben. Die Flächen 40 und 42 bilden einen linsenlosen Resonator, dessen Eigenschaften durch Anwendung bekannter Formeln einfach kalkuliert werden können. (Siehez.B. "Modes in Optical Resonators" von H. Kogelnik, Laser, Band I, herausgegeben von A. Levine, M. Dekker, Inc., New York, 1966.) Der linsenlose Resonator muß nicht auf irgendeine besondere kurze Länge begrenzt werden und erlaubt somit eine vorteilhafte Konstruktionsfreiheit, um Anforderungen an-'Stabilität und Modenabmasse zu erreichen.

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Claims (4)

1. Patentansprüche

   Γ1.J Laser mit einem Resonator, der durch eine konvexe reflektierende und eine konkave reflektierende Fläche, die voneinander räumlich getrennt sind, bestimmt ist, und mit einem zwischen den reflektierenden Flächen angeordneten stimulierbarem Medium,

   dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse (31) zwischen dem stimulierbaren Medium (35) und der konkaven reflektierenden Fläche- angeordnet ist und die Beziehung f < ρ erfüllt, wobei f die Brennweite der Linse und ρ den Abstand zwischen der Linse (31) und der konkaven reflektierenden Fläche (32) bedeutet.
2. 2. Laser nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe reflektierende Fläche (30) und die Linse (31) mit den Enden des stimulierbaren Mediums (35} integriert sind.
3. 3* Laser nach Anspruch 1 oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium neodymdotierter Yttriumalumlnium-granat ist.

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4. 4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsquelle (37) vorgesehen ist, um das stimulierbare Medium zu einem Betrieb im TEM₀₀-Transversal-Mode anzuregen.

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