DE2212241C3 - Laser mit einem Resonator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser, dessen 30 «««^.^^'Ϊ^^^^Κ"'^

Resonator zwei reflektierende Flächen aufweist, von spiegel 20 und «.enthalt. Fur ein Lasermediurn -S

denen eine eine Konkavfläche ist, mit einem zwischen von etwa 10 cm Lange betragt der Abstand zw.s.h,η

den beiden reflektierenden Flächen gelegenen stab- diesen Spiegeln W™*™^*™J£^^

förmigen stimulierbaren Element und mit einem ergibt sich ein Profil des,TEM^f^™⁶" Linsenglied zwischen diesem und der Konkavfläche, 35 wie es durch die gestrichelten Linien 26 und 28 dar-

wobei das Linsenglied eine Brennweite besitzt, die gestellt ist. Anordnungen dieser Art die kürzere

kleiner als sein Abstand von der Konkavfläche ist. Spiegelrad™ und Spiege abstände verwenden arbei-

Bei einem bekannten Laser der vorstehend be- ten wegen der beträchtlichen Modenrad.usverande-

schriebenen Art (vgl. DT-OS 14 39 402) ist die zweite rung, die dann vom einen Ende des Lasermedmnis reflektierende Fläche ein Planspiegel, so daß ein 4<> bis zum anderen Ende auftntt, mit schlechtem \Vir-

Parallelstrahlenbändel das stimulierbare Element in kungsgrad. Zusätzlich arbeiten solche kürzeren An-

dessen ganzem Querschnitt durchsetzt und sodann Ordnungen nahe der ^stabilitätsgrenze.

z.B. über eine konfokale Linsen-Konkavspiegel- Aufgabe der Erfindung ist es,_ einerι ein achen

anordnung auf einen größeren Bündelradius gebiacht Laser zu erhalten, der kompakt is· und stabil im

wird. Zweck der bekannten Anordnung ist vor allem +5 TEM_ftn-Mode bei gleichzeitiger Unterdrückung von

der, die Energiedichte der stimulierten Strahlung auf Moden höherer Ordnung und bei geringen Beugungs-

dem Reflektor zur Vermeidung von Reflektorschäden Verlusten betrieben werden kann,

herabzusetzen. Nachteilig bei dieser Anordnung sind Diese Aufgabe ist erfindungsgemaß fur den Laser

jedoch vergleichsweise hohe Beugungsverluste, und der einleitend beschriebenen Art dadurch gelost, daß

sie eignet sich auch nicht zur Anregung des TEM_0n- 5° die zweite reflektierende Fläche eine Konvexflache

Mode. ist, deren Krümmungsradius groß gegen die Länge

Weiterhin ist ein Gaslaser mit einem Resonator des aktiven Elementes, aber klein genug bemessen

bekannt (vgl. DT-AS 12 10 079), bei dem wenig; tens ist, um über jegliche im stimulierbaren Medium

einer der beiden Resonatorspiegel gegenüber dem existierende thermische Fokussierung zu dominieren,

stimulierbaren Medium konkav ausgebildet ist und 55 und daß der Abstand des Linsengheds von der Kon-

dessen in der Nähe des konvex ausgebildeten zweiten kavfläche so gewählt ist, daß der optische Bundel-

Spiegels gelegener Krümmungsmittelpunkt einen Ab- radius (1/^-Intensität) innerhalb des stimulierbaren

stand vom zweiten Spiegel aufweist, der klein gegen- Elementes etwa gleich der Hälfte des Radius des

über diesem Krümmungsradius ist, so daß ein Strah- stimulierbaren Elementes ist.

lengang mit einem Querschnitt entsteht, der in der 60 Die Erfindung soll im folgenden an Hand eines in Nähe des zweiten Spiegels klein ist gegenüber dem Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erQuerschnitt beim ersten Hohlspiegel. läutert werden.

Ein optimales Arbeiten eines Festkörperlasers im Die Anordnung umfaßt ein stimulierbares Laser-TEM_nn-Transversalmode erfordert, daß der optische medium 35 (beispielsweise einen Stab aus mit Neo-Bündelradius (l/e*-Intensität) in dem stimulierbaren 65 dym dotiertem Yttriumaluminiumgranat [Nd:YAG]), Lasermedium etwa die Hälfte des Radius des Li.ser- eine Anregungsquelle 37, eine konvexe Spiegelfläche mediums beträgt. Wenn diese Bedingung näherungs- 30 mit einem Krümmungsradius R_n, eine positive weise erfüllt ist, schwingt der TEM_0ft-Mode mit mini- Linse 31 mit einer Brennweite / und eine konkave

Spiegelfläche 32 mit einem Radius R_p, die in einem lung von hochqualifizierten Spiegeln mit kleinen

Abstand ρ von der Linse 31 angeordnet ist. Die Be- Krümmungsradien. Eine andere praktische Grenze

ziehung / < ρ muß erfüllt sein. beim Erreichen kurzer Resonatoraufbauten ist durch

Als Beispiel sind die Elemente 30 und 31 in F i g. 3 den zunehmend schmaler werdenden Bündelradius als an den jeweiligen Enden des Stabes 35 geformt 5 und die sich daraus ergebende höhere Lichtintensität (beispielsweise geschliffen) dargestellt. Obwohl ein gegeben, die sich an der Spiegelfläche 32 bildet. Mit solcher integrierter Aufbau generell von Vorteil ist, kleiner werdendem Bündelradius wächst die Mögist es selbstverständlich, daß mechanisch getrennte lichkeit, eine Zerstörung der Fläche 32 durch Hitze-Elemente mit dem Stab 35 kombiniert werden kön- einwirkung herbeizuführen,
nen, um einen äquivalenten Aufbau zu ergeben. io Der Radius R_n, der in F i g. 3 gezeigten konvexen

Das Profil des TEM₀₀-Moden im Lasermedium 35 Spiegelfläche 30 ist groß im Vergleich zur Länge des

der F i g. 3 ist durch gestrichelte Linien 36 und 38 Laserstabes 35. Er muß aber genügend klein sein,

dargestellt. Wie in F i g. 3 gezeigt ist, umfaßt der um eine im Stab 35 vorhandene thermische Fokussie-

durch die Linien 36 und 38 dargestellte Strahl einen rung zu beherrschen.

fokussierten oder eingeschnürten Teil zwischen der 15 Erfindungsgemäß ist bei der in F i g. 3 gezeigten Linse 31 und der Spiegelfläche 32. (Der so bezeich- Anordnung der Modenradius (l/e²-Intensität) im nef; Strahl soll repräsentativ für die entweder im Laserstab 35 bei festen Werten von R_n, R_p und / Dauerstrich- oder im Pulsbetrieb arbeitende Anord- durch Verändern des Abstandes ρ so eingestellt, daß nung sein.) Da ein fokussierter Strahl erzeugt wird, er etwa gleich der Hälfte des Radius des stimulierist die dargestellte Anordnung gut geeignet, mit einem 2° baren Elementes ist.

Modulatorelement oder einem nichtlinearen Element Eine besondere, als Beispiel gedachte Auswahl der (das beispielsweise an der Stelle des gestrichelt ge- Werte, die dazu geeignet ist, einen wirkungsvollen zeichneten Elementes 39 angeordnet ist) kombiniert und stabilen TEM_ft0-Modenbetrieb in der Anordnung zu werden, um eine Intraresonator-Modulatoreinheit nach F i g. 3 für einen Nd : YAG-Laserstab von oder -Umsetzereinheit zu bilden. Beispielsweise er- 25 2,5 mm Durchmesser und 10 cm optischer Länge zu möglicht eine Anordnung der in Fig. 3 gezeigten erreichen, ist folgende: R_n= 100 cm, /= 10 cm, Art ein akustisch-optisches Resonatordämpfen und p= 13,5 cm und R_p — 2,5 cm. Für diese spezielle Gütewertschalten, was von den vorliegenden Erfin- Auswahl der Werte betrug die Gesamtlänge der gedern in »Q-Switching and Cavity dumping of zeigten Resonatoranordnung lediglich 19 cm. Im Nd : YAG Lasers«, Journal Applied Physics, 42 3° echten Betrieb betrug der Bündelradius für eine beil 971), 3, S. 1031 bis 1034, beschrieben worden ist. stimmte Einstellung der Anregungsbedingungen an Im allgemeinen ist der durch die Anordnung der der Strahleinschnürung (dem schmälsten Querschnitt) Fig. 3 fokussierte Strahl vorteilhaft für die Verwen- zwischen den Elementen 31 und 32 der gezeigten dung in Verbindung mit elektro-optischen Modula- Anordnung 64 [im. Messungen zeigten, daß die Antoren und nichtlinearen optischen Bauelementen wie 35 Ordnung dabei 0,6 Watt Dauerstrich-TEM_nn-Modenparametrischen Oszillatoren und Harmonischen- Ausgangsleistung bei einem gesamten Leistungswir-Generatoren. kungsgrad von 0,14⁰O erzeugte. Im Gegensatz dazu

Es gibt eine endlose Zahl von Parameter-Kombi- ergab ein herkömmlicher Resonator von 35 cm Länge

nationen, die denselben Modenradius in denn in mit zwei konkaven 3-Meter-Spicgeln lediglich

Fig. 3 gezeigten Laserstab 35 festlegen. Kürzer aus- 40 0,45 Watt Ausgangsleistung, und zwar unter den

gedruckt, können mehr kompakte Aufbauten durch gleichen Anregungsbedingungen und unter Venvcn-

Auswählen kleiner Werte von / und R_n verwirklicht dung eines stimulierbaren Nd : YAG-Laserstabes glei-

wcrden. Praktisch ist die Grenze kurzer Resonator- eher Qualität mit flachen und parallelen reflexmil-

aufbauten gegeben durch Probleme bei der Herstel- dernd beschichteten Enden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. malen Beugungsverlusten bei gleichzeitiger Unterdrückung von Transversalmoden höherer Ordnung. Patentanspruch: Insbesondere diese Eigenschaft ist es, die den Betrieb

   Laser, dessen Resonator zwei reflektierende ^imJ^"^^Sritek!Sit,'mit denen ein Flächen aufweist, von denen eine eine Konkav- es w β _{TEM Moden}radius in dem stirnfläche ist, mit einem zwischen den beiden reflek- ff^ Medium _einer Festkörper-Laseranordnung tierenden Flächen gelegenen stabförmig stimu- ^^„^ können. Nach einer dieser Methoden, lierbaren Element und mit einem Linsenglied feiern wc _m . _{sind konvexe} Spieselzwischen diesem und der Konkavfläche wobei die m ι ig. s ^^ ^ _stimulierba-_rcn das Linsenglied eine Brennweite besitzt, die klei- « g™5° J⁰':, _ν™_ε1ιεη Die erfolereiche Arbeitsner als sein Abstand von der Konkavflache ist, M^^^JSSÄnui« Mn* vom Vorhandadurchgekennzeichnet.daßdie zweite »«eise einer ^S01f ^" /\ _Foku_Ssierune im an"ereereflektierend! Fläche eine Konvexfläche (30) is, ^^^,^"Α^^Ώ "im Medium deren Krümmungsradius (R_n) groß gegen die ten ™^u™ ^_Μ -Transversalmode, wie es durch Länge des aktiven Elementes (35) aber klein ge- is em ^d^SlLinien 16 und 18 dargestellt ist. nug bemessen ist, um über jegliche im stimulier- ^f ^heUen Un e _l ^ ^^ baren Medium existierende thermische Fokussie- Diese Anordnung nai u ientsorechend den rung zu dominieren, und daß der Abstand (p) des sich an der Grenze der StaMita^ (entsprechen^ den Linsenglieds von der Konkavfläche so gewählt ist, Stabiütätskntenen, ^die/_n ⁿ.,^ÄM _I°^_eV Rand? heraus daß der optische Bündelradius (1/^-Intensität) *» nators« von H. Kogelnik Läse BandA heraus innerhalb des stimulierbaren Elementes etwa gegeben von A. ^Lev1^'^f^^f J ^

   eisr^{te des Radius des stimulierbaren} iäsSsä^ä

   tiementes ist. ^ ^ _Ausgangslei_stung; 2. ist die thermische Fo-

   a₅ kussierungswirkung unvollkommen und 3. ist der Be-

   trieb auf eine fest eingestellte Eingangsleistung beschränkt. ,, W

   Eine andere bekannte, in Fig. 2 dargestellte Methode umfaßt die Verwendung eines Resonators, der