DE2221057A1

DE2221057A1 - Laser-oszillator-verstaerker-kombination zur erzeugung des grundmodus

Info

Publication number: DE2221057A1
Application number: DE19722221057
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Roess; Guenter Dr Zeidler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1972-04-28
Filing date: 1972-04-28
Publication date: 1973-11-08
Also published as: NL7305957A; IT983974B; BE798827A; JPS4955293A; CH551702A; US3852684A; LU67501A1; FR2181963B1; FR2181963A1

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den 28. Afti. Ib.- 2

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

VPA 72/7051

Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination zur Erzeugung des Grundmodus

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination zur Erzeugung des Grundmodus.

Bei vielen Lasern, besonders bei Festkörperlasern, wird das Licht nicht in einer beugungsbegrenzten, wohldefinierten Welle, d.h. im Grundmodus, abgestrahlt, sondern es treten im Strahlungsdiagramm Moden höherer transversaler Ordnungen auf mit Nullstellen und Nebenzipfeln bei einer insgesamt erhöhten Winkeldivergenz.

Für einige technische Anwendungen des Lasers, z.B. in der Materialbearbeitung, bei der Holografie und in optischen Ortungssystemen, ist es wichtig, daß das Laserlicht in einer wohldefinierten Welle mit der kleinstmöglichen Winkeldivergenz abgestrahlt wird. Dies ist nur dann der Fall, wenn im Laserresonator der Grundmodus allein angeregt wird.

Es sind verschiedene Methoden bekannt (s. beispielsweise das Buch "Laser" von Kleen/Müller, Springerverlag, 1969, S. 80 - 84), wie durch Eingriffe in den optischen Resonator der Grundmodus isoliert werden kann. Gemeinsam ist diesen Vorschlägen, daß bei der technischen Realisierung durch Modenselektion auch die Ausgangsleistung wesentlich verringert wird und bei 'Hochleistungslasern Zerstörungen an stark beanspruchten Bauelementen entstehen können.

Des v/eiteren ist es bei Hochleistungslasern ein bis heute noch nicht befriedigend gelöstes Problem, die ganze im Laseroszillator zur Verfügung stehende, im invertierten Lasermaterial

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gespeicherte, Energie im Grundmodus abzustrahlen. Es ist heute üblich, einem Grundmodenlaseroszillator, der wegen der Eingriffe im Resonator nur eine recht geringe Leistung abgibt, einen oder mehrere Laserverstärker nachzuschalten. Dabei muß in Kauf genommen werden, daß die im Laseroszillator gespeicherte Energie nur zu einem geringen Teil ausgenützt wird.

Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination zur Erzeugung des Grundmodus anzugeben, die bei kleinerem technischen Aufwand einen erheblich besseren Wirkungsgrad aufv/eist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß im Strahlengang eine Anpassungsoptik angeordnet ist, die derart aufgebaut ist, daß ein Teil des aktiven Materials ein Grundmodenoszillator ist und der Rest des aktiven Materials ein Verstärker ist.

Das aktive Material kann dabei ein homogen aufgebauter Stab sein, dessen axialer Teil der Grundmodenoszillator ist, und dessen ihn koaxial umgebender Teil der Verstärker ist.

Der optische Resonator des Grundmodenoszillators besteht vorzugsweise aus zwei planparellclen Spiegeln oder aus zwei konfokalen Spiegeln mit einer Preenelzahl in der Größenordnung von 1.

Vorzugsweise ist die Auskopplung des optischen Resonators so hoch, daß erst bei einer hoher; Verstärkung pro Durchgang die Laserschwelle überschritten wird.

Die Anpassungsoptik ist vorzugsweise derart aufgebaut, daß sie die vom Grundmodenoszillator ausgekoppelte Strahlung in den Verstärker einkoppe3t.

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Die erfindungsgemäße Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination weist den Vorteil auf, daß durch die Verwendung des gleichen Materials sowohl als Oszillator als auch als Verstärker die im Lasermaterial gespeicherte Energie vollständig ausgenützt wird, so daß der Wirkungsgrad erheblich verbessert wird. Außerdem ist gegenüber den bekannten Oszillator-Verstärker-Kombinationen der technsiche Aufwand geringer, da nur ein aktives Material mit seinen teuren Komponenten, wie Pumpeinrichtung und Speisegerät für die Pumpeinrichtung, benötigt wird. Des weiteren kann die erfindungsgemäße Kombination relativ klein konstruiert werden. Während bei einem üblichen Grundmodenlaser ein langer Resonator oder ein langbrennweitiges Teleskop benötigt wird, kann in der erfindungsgemäßen Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination der Oszillatorteil durch eine geeignete Beschränkung des verstärkenden Volumens mechanisch klein aufgebaut werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden.

Die Figuren 1 bis 7 zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele ·■ · von erfindungsgemäßen Laser-Oszillator-Verstärker-Kombinationen mit ihren Anpassungsoptiken.

Bei dem in Figur 1 dargestellten Schnitt durch eine Laser-Oszillator- Verstärker- Kombination ist mit 1 ein zylindersymmetrisches, stabförmiges, homogenes Festkörperlasermaterial bezeichnet, das von einer nicht dargestellten Pumpanordnung optisch gepumpt werden kann. Mit 3 und 4 sind zwei transparente Spiegelträger bezeichnet, die jeweils auf ihrer dem Festkörperlasermaterial zugewandten Seite vergütet sind. Die Spiegel 5 undo bilden einen planparallelen Perot-Fabry-Resonator, der durch seine geometrischen Abmessungen den Oszillatorteil 2 des Festkörperlasermaterials 1 definiert. Der Spiegel 5 weist einen Reflexionsfaktor von 1 auf, während der Spiegel 6 teildurch-

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lässig ist. Die rotationssymrnetriscbe Anpassungsoptik besteht in diesem Fall aus einer Sammellinse 7, die ein ebenes Linsenzentrum mit zwei planparallelen Flächen 8 und 9 aufweist. Der Durchmesser der planparallelen Flächen 8 und 9 entspricht dem der beiden Spiegel 5 und 6. Ein auf einem Träger 10 aufgebrachter konvexer Spiegel 12 sorgt dafür, daß die aus dem Oszillatorteil

2 ausgekoppelte Strahlung, die durch die gestrichelten Linien dargestellt ist, in den restlichen, als Verstärker dienenden Teil des Lasermaterials 1 derart zurückgeführt wird, daß im Lasermaterial der gesamte noch zur Verfügung stehende Querschnitt von einer wohldefinierten, nahezu ebenen V/elle durchsetzt wird. Durch den transparenten Spiegelträger 3 wird dann die verstärkte Laserstrahlung ausgekoppelt.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination. In diesem Fall ist der vollständig reflektierende Resonatorspiegel 5 direkt an der Stirnseite des aktiven Lasermaterials 1 angebracht. Die Anpassungsoptik besteht aus einem rotationssymmetrischen transparenten Körper 11, der im Zentrum seiner dem aktiven Lasermaterial 1 zugewandten konvexen Fläche einen ebenen anpolierten,, verspiegelten Bezirk 6 aufweist, der zusammen mit dem Spiegel 5 den Perot-Fabry-Resonator für den Oszillatorteil 2 bildet. Mit 12 ist wiederum der konvexe Spiegel bezeichnet, der die vom Oszillatorteil ausgekoppelte Strahlung in den als Verstärkerteil dienenden Rest des aktiven Materials 1 zurückführt. Mit 13 ist ein Modulator bezeichnet und mit 14 ein Steuergerät.

Bei den in den Figuren 3? 4, 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispielen stellen die Spiegel 5 und 6 jeweils einen konfokalen Resonator dar, während die Anpassungsoptik aus brechenden und reflektierenden Kugelflächen besteht. Im Falle der Figur

3 wird die Zurückführung der aus dem Oszillatorteil 2 ausgekoppelten Strahlung durch einen konkav gekrümmten Spiegel 16 bewirkt, der von einem Träger 15 gehalten wird.

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Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 4 sind die beiden Spiegel 6 und 16 auf einem gemeinsamen, rotationssymmetrischen, transparenten Körper 17 aufgebracht.

Im Falle der Figuren 5 und 6 sind die Endflächen des zylindersymmetrischen, stabförmigen Lasermaterials 1 entsprechend gekrümmt und die Resonatorspiegel 5 und 6 direkt auf ihnen aufgebracht. Der von einem Träger 18 gehaltene Spiegel 16 kann dabei konvex oder konkav gekrümmt sein.

Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das verstärkende Lasermaterial 21 flach oder schichtförmig ausgebildet ist, wie es beispielsweise bei einer Laserdiode der Fall ist. In diesem Fall wird ein faserförmiger Bezirk 22 mit kleinen Spiegeln 25, 26 zu einem Oszillator ergänzt, während der übriggebliebene Teil der Schicht 21 als Verstärker dient. Durch eine geeignete Anpassungsoptik, beispielsweise zwei Spiegel 23» 24 oder auch dielektrische Wellenleiter, wird erreicht, daß der als Verstärker dienende Teil der Schicht mehrfach von dem gestrichelt dargestellten Lichtstrahl durchlaufen wird.

Bei den dargestellten Beispielen mit konfokalem Resonator ist dafür zu sorgen, daß dieser Resonator eine Fresnelzahl in der Größenordnung von 1 aufweist. Höhere Moden haben dann eiflen gegenüber dem Grundmodus erhöhten Beugungsverlust und können nahe an der Schwelle nicht anschwingen. Die Auskopplung des Oszillatorteils ist dann so hoch zu wählen, daß erst bei einer hohen Verstärkung pro Durchgang die Laserschwä-le überschritten und der Grundmodus erzeugt wird. Nur dann ist eine weitere Verwendung des gleichen Lasermaterials als Nachverstärker vorteilhaft. Bei räumlich inhomogen gepumpten Lasern kann dieser Effekt der hohen Verstärkung im Nachverstärker nahe an der Schwelle des Oszillators unterstützt werden, wenn der Laseroszillator einen schwächer gepumpten Materialbezirk benützt.

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Claims

Pat entansprüche

1. Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination zur Erzeugung des Grundmodus, bestehend aus einem optischen Resonator und einem aktiven Material, dadurch gekennzeichnet , daß im Strahlengang eine Anpassungsoptik angeordnet ist, die derart aufgebaut ist, daß ein Teil des aktiven Materials ein Grundnodenoszillator ist und der Rest des aktiven Materials ein Verstärker ist.

2. Laser-Oszillator-Verstärker-Kombination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das aktive Material ein homogen aufgebauter Stab ist, dessen axialer Teil der Grundniodenoszillator ist und dessen ihn koaxial umgebender Teil der Verstärker ist.

3. Lase.r-Osr.xVLcrtur-Verstärker-Kombination nach Anspruch 1, daf.^: üch gekennzeichnet , daß der optische Rtii-.c. lator des Grundmodenoszillators aus zwei planparallelen Spiegeln besteht.

4. Laser-Oszillatoj--Verstärken -Kombination nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η ζ ο i >.. h net , daß der optische Resonator des Grimdmodenoszxiliators aus zwei konfokalen Spiegeln begeht und eine i^;'resnelzahl in der Größenordnung von 1 aufweifL,

5. Laser-Oszillator-Vers"t^:i ι ^;;r-r-Kombination nach Ansprüchen

3 und A, dadurch g e .». <.-■■ η u ζ e i c h η e t , daß die Auskopplung des optischer Rο^orators so hoch ist, daß erst bei einer ho3ien Verstärkung pro Durchgang die Laserschwelle überschritten wird.

6. Laser-Oszillator-Verstärker-Koii-bination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Anpassungsoptik derart aufgebaut ist, daß sie die vom Grundmodenoszillator ausgekoppelte Strahlung in den Verstärker einkoppelt. 309845/0727

;: Λ/ι v/

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