-
Laseranordnung mit Kompensation der thermisch induzierten Doppelbrechung
Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit Kompensation er thermisch induzierten
Doppelbrechung.
-
Bei einen optisch gepumpten Festkörperlaser werden infolge der Erwärmung
durch die Pumpstrahlungsquelle im laseraktiven Material nechanische Spannwagen erzeugt.
Dadurch kann das ursprünglich optisch homogene Material doppelbrechend werden, In
einem Nd: XAG-Stab von kreisförmigem Querschnitt beispielsweise läßt sich der Tensor
des optichen Brechungsindex in jedes Punkt dos Stabes darstellen durch ein Ellip-@id,
dessen Hauptachsen in radialer, tangentialer und axia-1 r Richtung relativ zum Stab
liegen.
-
Die erwünschte Schwingungsform in diesem Laser ist von linearer Polarisation.
Die thermisch induzierte Doppelbrechung verursacht jedoch Depolarisation und damit
Verluste fr die erwünschte Shcwingungsform. Durch eine Kompensation der therisch
induzierten Doppelbrechung lassen sich diese Verluste verringern.
-
Zur Sompensation der thermisch induzierten Doppelbrechung sind schon
einige Verfahren bekannt. So können zusätzlich zum Na: YAG-Stab optische Bauelemente
in den Laserresonator eingebracht werden, die in der Lage sind, die thermisch induzierte
Doppelbrechung zu kompensieren. Dazu müssen sie eine den Betrage nach gleiche thermisch
induzierte Doppelbrechung zeigen wie der Nd: YAG-Stab jedoch mit umgekehrtem Vorzeichen,
Derartige Bauelemente sind j jedoch sehr schwer herzustellen.
-
Ein weiteres Verfahren zur Kompensation der thermisch induzierten
Doppelbrechung verwendet gleichzeitig zwei Nd: YAG-StäDe-, die hintereinander im
gleichen Resonator angeordnet werden Zwischen den beiden Nd: YAG-Stäben wird eine
transparente Platte aus optisch aktivem Material angebracht, die die Po'arisationsebene
um einen Winkel von 9C° dreht.
-
Eine Phasendifferenz zwischen den Polarisationskomponenten in den
beiden Hauptachsen, die infolge der thermisch induzierten Doppelbrechung in ersten
Nd:YAG-Stab aufgetreten
ist, wird dadurch im zweiten Stab kompensiert.
Beschrieben wird dieses Verfahren z.B. in: 1. A, Stein: "the effect of thermallv
induced stress'birefrigence on the transverse mode structure of lasers." Microfilm
copy Nr. 71-29, 111; University Microfilm; Ann Arbor, Michigan.
-
2. DAS 1489 670 Auch bei diesem Verfahren ergibt sich ein hcher Aufwand
dadurch, daß zur Kompensation der Doppelbrechung ein zweiter Nd: YAG-Stab vorgesehen
werden muß.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermisch induzierte
Doppelbrechung auf möglichst einfache Weise zu kompensieren.
-
Die gewünschte Kompensation der thermisch induzierten Doppelbrechung
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in einen Laserresonator, der aus einem
teildurchlässigen Spiegel und einen totalreflektierenden Dachkantprisma gebildet
wird, nebe einen Nd: YAG-Stab, der das laseraktive Material darstellt, zusätzlich
optische Bauelemente eingebracth werden,
die im, Resonator die Ausbildung
einer Schwingungsform erzwingen, die sich dadurch auszeichnet, daß die aus dem Laser
ausgekoppelte Strahlung linear polarisiert ist, und die weiterhin die Polarisation
der im Resonator umlaufenden Strahlung um einen geeigneten Betrag cerart drehen,
daß die bein ersten Durchgang durch das laseraktive Material infolge der thermisch
induzierten Doppelbrechung verursachte unerwünschte Depolarisation beim Rücklauf
durch das laseraktive Material rach Reflexion am Dachkantprisma gerade rückgängig
gemacht wird.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die thermisch induzierte Doppelbrechung durch weneige zusätzliche in den Resonator
eingebrachte optische Bauteile kompensiert werden kann, und daß insbesondere ein
zweiter 17d: YAG-Stab eingespart wird.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar gestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
-
Das laseraktive Material, beispielsweise ein Nd: YAG-Stab 3, befindet
sich in einem Resonator, der aus einen totalreflektierennen Dachkantprisma 1 und
einem teildurchlässigen dielektrischer Spiegel 6 gebildet wird. Durch diesen Spiegel
wird die Laserstrahlung ausgekoppelt. Eine im Brewsterwinkel um eine senkrecht auf
der Zeichenebene stehende Achse 7 gegen die
Resonatorlängsachse
geneigte planparallele Platte 5 erzwingt in Resonator eine Schwingungsform, die
an der Stelle der planparallelen Platte 5 in Richtung der auf der Zeichenebene senkrecht
stehenden Achse 7 polarisiert ist, da andere Schwingungsformen hohe Reflexionsverluste
erleiden. Statt einer einzigen planparallelen Platte können auch mehrere planparallele
Platten verwendet werden oder andere optische Bauteile, die insel lineare Polarisation
in dir beschriebenen Richtung begünstigen. An beiden Stirnseiten des Nd: YAG-Stab
sind zwei gleiche planparallele Platten 2 und 4 aus optisch aktivem Material ausgebracht,
die jeweils die Polarisationsebene der auf sie treffenden Strahlung bei einmaligem
Durchgang um einen Wirkel von 45° verdrehen. Zwischen Platte 2 und Prisma 1 befindet
sich eine Phasenverzögerungsplatte 10, deren Funk -ticn in folgenden noch erläutert
wird.
-
nur Erklärung der Anordnung wird ein Lichtstrahl betrachtet der vom
Punkt 8 auf dem teilduchlässigen Resonatorspiegel ausgeht und sich in der gezeigten
Pfeilrichtung ausbreitet.
-
Die Polarisation bleibt bis zum Erreichen der planparallelen Platte
4 parallel zu der senkrecht auf der Zeichenebene ste-Mende Achse 7.
-
Hier wird die Polarisationsebene -beispielsweise im Uhrzeigersinn
- um 45° gedreht. Im Nd: YAG-Stab wird der Strahl in seine Polarisationskomponenten
zerlegt, die parallel und
senkrecht zum Stabradius gerichtet sind.
Infolge der thermlsch induzierten Doppelbrechung erleiden beide Komponenten während
des Durchgangs durch den Nd: YAG-Stab eine Phasenverschiebung. Nach Austritt der
Strahlung aus dem lTd: YAG-Stab erfolgt durch die planparallele Platte 2 aus optisch
aktiven Material eine weitere Drehung der Polarisationsebene um einen Winkel von
45°. Anschließend durchläuft der Strahl die Phasenverzögerungsplatte 10, erleidet
zweimalige Totalreflexion in dem Dachkantprisma 7 und-läuft durch die Platte 10
zurück.
-
Um den Zweck der Erfindung zu erreichen, muß der Strahl an dieser
Stelle denselben Polarisationszustand haben, den er vor dem ersten Eintritt in die
Platte 10 hatte. Dies wird erreicht durch geeignete Wahl der Platte 10. Bei der
Totalreflexion an jeder Dachfläche des Prismas ergibt sich eine relative Verschiebung@zwischen
der Phase der Polarisationskomponente senkrecht zur Dachkante und derjenigen, die
parallel dazu
| gerichtet ist, nach der Formel |
| 6, cos . rpt ' |
| tan = Yi SlnNC -\nr |
| -sin wV i |
= Einfallswinkel des Lichts auf die reflektierende Fläche n = Brechungsindex des
als Prisma verwendeten Materials.
-
Als Einfallswinkel Al ist hier 450 einzusetzen. Dicke und Orientierung
der Phasenverzögerungsplatte werden nun so gewählt, daß für die Laserstrahlung eine
gegeseitige Verzögerung
der betreffenden Polarisationskomponenten
von - # pro Durchlauf bewirkt wird. Auf der ganzen betrachteten Wegstrecke ist dann
die Summe der Phasenverschiebung gleich Null.
-
=ne weitere Drehung der Polarisationsebene um einen Win--el von 450
erfolgt, wenn der Strahl nach Reflexion am Dachkantprisma 1 wiederum die plannparallele
Platte 2 durchdringt. Sofern die Kante des Prismas 1 parallel ist Achse 7 und außerdem
mit der Längsachse des Laserstabs einen Schnittpunkt bildet, erscheint die ursprüngliche
Radialkomponente bein Rücklauf im Punkt 9 an der Stirnseite des Nd: YAG-Stabes als
Tangentialkomponente der Polarisation.
-
Aus der ursprünglichen Tangentialkomponente wurde dagegen eine Radialkomponente.
Die auf dem Hinweg durch eie therriscn induzierte Doppelbrechung verursachte Phasenverschlebung
im Laserkristall wird jetzt auf dem Rückweg durch den Laserkristall wieder aufgehoben.
Beim Durchdringen der planparallelen Platte @4 aus optisch aktivem Material wird
die Polarisationsebene wiederum so gedreht, daß die ursprünglich am Ausganpunkt
8 vorhandene Polarisation wieder vorgefunden wird.
-
In einen weiteren Ausführungsbeispiel läßt sich auch noch die planparallele
Platte 4 einsparen; die Achse 7 und die @ante des Prismas 1 müssen in diesem Ball
einen Winkel von bilden.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Kompensation der thermisch induzierten
Doppelbrechung ist nicht beschränkt auf Festkörerlaser, die Nd: YAG als laseraktives
Material verwenden.
-
Die ist geeignet für alle Festkörperlaser, bei denen thermisch induzierte
Doppelbrechung auftritt. Die geschilderte Kompensation ist auch in den Fällen wirksam,
bei denen das laseraktive Material nicht die Form eines Kreis zylinders aufweist.
Es ist nur gefordert, daß die von der Resonstorlängsachse und der Kante des Prismas
aufgespannte Ebene zugleich eine Symmetrieebene des laseraktiven Materials darstellt.
Auch zusätzlich in den Resonator eingebrachte Elemente zur Modenselektion, Modulation
oder Frequenzverkopplung stören die Kompensation nicht.