DE2306282C3

DE2306282C3 - Laser mit Q-Schaltung

Info

Publication number: DE2306282C3
Application number: DE2306282A
Authority: DE
Inventors: Ronals Douglas Dunfermline Fife Schottland Ward
Original assignee: Ferranti Ltd Cheadle Cheshire; Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1972-02-11
Filing date: 1973-02-08
Publication date: 1983-12-15
Also published as: AU466196B2; CA987775A; NL173003B; AU5204173A; IT977226B; GB1358023A; FR2171352A1; NO137469C; DE2306282B2; DE2306282A1; NL7301956A; JPS5424639B2; JPS4894386A; NL173003C; US3831106A; SE388732B; FR2171352B1; NO137469B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser mit Q-Schaltung der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Gattung.

Ein derartiger Laser ist bereits bekannt (Applied Physics Letters, Band 9,1966, Nr.3, S. 125-127). Dabei wfcist der Laser mit Q-Schaltung an den Enden des optischen Hohlraumes zwei als Spiegel ausgebildete Reflektoren auf, ist der Q-Schalter eine Kerrzelle und wird der strahlenaufspaltende Polarisator von einem Prisma gebildet., Obwohl bei diesem Laser die Möglichkeit besteht, eine Überlastung des Q-Schalters zu vermeiden, bestehen große Schwierigkeiten, die beiden Spiegel in genauer Ausrichtung zueinander bzw. zur optischen Achse zu bringen. Vor allem solche Laser, die beim Transport oder im Betrieb mechanischen Stoßen ausgesetzt sind, können selbst bei der Herstellung genau ausgerichteter Reflektorspiegel fehlausgerichtet werden. Fehlausrichtungen sind jedoch Anlaß für ein ungenaues Arbeiten des Lasers mit Q-Schaltung, denn der Q-Schalter erlaubt dann nicht mehr ein vollständiges Blockieren oder vollständiges Durchlassen der auf ihn einfallenden Strahlung,
s Darüber hinaus ist ein Laser bekannt (DE-AS 12 93 331), bei dem der lichtstrahl· auf Prismen einfällt deren Hypotenusenflächen die Einfallsflächen bilden und deren Scheitellinien im wesentlichen unter rechtem Winkel zueinander verlaufen. Der zur Strahk-naufspal-

to tung dienende Polarisator bildet einen Teil eines dieser Prismen; bei einem Gas-Laser dieser Art schließt die schnelle Achse des als Kerrzelle ausgebildeten Q-SchaJ-ters einen Winkel von 45° zu einer der Scheitellinien der Prismen.

Laser mit Q-Schaltung werden häufig dann verwendet, wenn eine impulsförmige Ausgangsstrahlung erwünscht wird, wie dies beispielsweise beim Messen von Entfernungen der Fall ist Mit zunehmender Energie ergeben sich jedoch Schwierigkeiten vor allem dann, wenn der Q-Schalter ein Kristall aus einem Material mit solchen elektrooptischen Eigenschaften ist, daß es als »Lichtschalter« verwendet werden kann. Wie sich gezeigt hat, kann bei hohem Energieniveau das Material des Q-Schalkristalls durch die Strahlung beschädigt

.25 werden. Dieses Problem ist zwar dadurch lösbar, daß in den optischen Hohlraum zwischen den beiden Reflektoren eines Phasenplatte und ein zur Strahlenaufspaltung dienender Polarisator eingesetzt wird. Es tritt dann jedoch ein weiteres Problem hinzu, das in der exakten Ausrichtung und Fluchtung der Endreflektoren des optischen Hohlraums besteht Mechanische Stöße, wie vor allem beim Bewegen von Landvermessungsgeräten unvermeidlich, ändern vielfach die Stellung solcher als insbesondere Spiegel ausgebildeter Reflektoren, weshalb man gezwungen ist, Spezialaufhängungen vorzusehen, die das Gerät sehr verteuern.
. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den eingangs genannten Laser dahingehend zu verbessern, daß mit möglichst einfachen MifcHn eine Beeinträchtigung der genauen Ausrichtung der Reflektoren und der Funktion des Q-Schalters vermieden wird.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Laser durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Aus den Unteransprüchen ergeben sich zweckmäßige Ausgestaltungen.

Durch Verwendung spezieller Prismen anstelle von Spiegeln und durch die besondere Ausrichtung derselben und auch des doppelbrechenden Q-Schalters gelingt

so es, diese Aufgabe auf einfache Weise zu lösen. Selbst eine gewisse Fehlausrichtung wird bei dem erfindungsgemäßen Laser noch nicht zu den oben erwähnten, beim Stand der Technik anzutreffenden Nachteilen führen.
Die schnelle und die langsame Achse des Q-Schaltelementes sind die Achsen, welche die Polarisierungs-Richtungen in dem Kristall darstellen, in welchen die durch den Kristall hindurchgehende Strahlung sich entsprechend mit maximaler bzw. mit minimaler Geschwindigkeit ausbreitet

Die Durchgangsebene des Polarisators ist die Ebene, in der die durch den Polarisator In Richtung auf das benachbarte rechtwinkelige Prisma hindurchgehende Strahlung beim Austritt aus dem Polarisator polarisiert wird.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die schematisch in Seitenansicht einen Laserzeigt.

In der Zeichnung ist ein Laserstab L in einem optischen Hohlraum angeordnet, der durch zwei rechtwinklige Prismen Pi und PI begrenzt ist Die beiden Prismen sind mit ihren Hypotenusen-Flächen HX und H2 aufeinander zu gerichtet und im wesentlichen normal zu der optischen Achse X des Lasers angeordnet. Die Scheitslkanten A 1 und A 2, an denen der rechte Winkel der Prismen liegt, verlaufen im wesentlichen senkrecht zueinander. Eine Blitzröhre Fist nahe bei dem Lsserstab L angeordnet, wogegsn der übliche Reflektor, der den Stab und die Röhre umgibt, aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen worden ist. Die Blitzröhre F wird durch einen Impulskreis PC erregt Ein (^-Schaltelement Q ist in dem optischen Hohlraum zwischen dem Laserstab L und einem der Prismen angeordnet und so ausgerichtet, daß seine schnelle Achse parallel zu der Scheitellinie' von einem der Prismen verläuft. Hieraus folgt, daß seine langsame Achse parallel zu der Scheitellinie A 1 bzw. A 2 des anderen Prismas ausgerichtet ist. Das ^-Schaltelement ist ein elektrooptisches doppelbrechendes Element, in weichem der Grad der Doppelbrechung durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das Element verändert werden kann. Geeignete Materialien hierfür sind z. B. Kalium-di-Deuterium-Phosphat oder Lithium-Niobat

Zwischen dem Laserstab L und dem Q-Schaltelement Q ist ein Polarisator in Form eines Nicoischen Prismas N angeordnet Dieses Prisma ist so ausgerichtet, daß seine Durchgangsebene im wesentlichen einen Winkel von 45° sowohl zu der schnellen als auch zu der 3« langsamen Achse des Q-Schaltelementes bildet, womit es auch einen Winkel von 45° zu den Hypotenusen-Scheitellinien der beiden Prismen P1 und P2 bildet

Es wird nun der Betrieb des Lasers beschrieben, wenn das ζ>-Schaltelement in einem Zustand ist in welchem ein normaler Laserbetrieb erfolgt Die Blitzröhre Fwird durch den Impulskreis PC erregt, um einen intensiven Strahlungsstoß zu erzeugen, der an den Laserstab L über den nicht gezeigten Reflektor gelegt wird Diese hochintensive Strahlung führt zu Änderungen in den *o Besetzungen dir Energieniveaus der Atome des aktiven Lasermaterials, wobei die nachfolgende Rückkehr der Atome auf ihre ursprünglichen Energiestiifen zum Austritt einer Strahlung aus dem Laserstab L führt Diese Strahlung kann polarisiert sein oder nicht, abhängig von dem Material und der Form des Laserstabes.

Die auf das Nicoische Prisma N fallende Strahlung tritt polarisiert aus der Durchgangsebene des Prismas aus und geht durch das (^-Schaltelement Q. Die linear polarisierte Strahlung, die juf das Q-Element fällt, kann betrachtet werden, als habe sie zwei Komponenten, die längs der schnellen und der langsamen Achse polarisiert sind und sich längs der Achse X des Q-Schaltkristalls mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Die zwischen den beiden Komponenten auftretende Phasenverschiebung hängt ab von der Größe des an das Q-Element angelegten elektrischen Feldes.

Wegen der gewählten Orientierung der Prismen relativ zu dem (^-Schaltkristall fallen die beiden Komponenten auf die erste reflektierende Fläche des Prismas P2, derart, daß die Polarisierungsebene der einen Komponente in und die Polarisierungsebene der anderen Komponente normal zur Einfallebene liegt. Der Einfall auf die zweite reflektierende Fläche erfolgt ebenso.

Da die totale innere Reflexion eine Phasenverschiebung zur Folge hat. die urjerschiedlich ist für das Licht, das in der Einfallsebene polarisiert ist und das- Licht, das normal zur Einfallsebene polarisiert ist, wird durch jede Reflexion eine weitere differentieile Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponenten erzeugt

Aufgrund der gewählten Orientierung, die gewährleistet, daß die Vektoren der Komponenten entweder normal zu oder in der Einfallsebene Siegen und nicht geneigt zu dieser sind, können sie beide in Richtung der Einfallsebene und normal zu dieser zerlegt werden, wodurch zwei Vektoren entstehen mit unterschiedlicher Phase und gegebenenfalls auch Größe, wobei die differentiellen Phasenverschiebungen einfach additiv zu nehmen sind.

Die rückfallende Strahlung vom Prisma P2 läuft zurück durch das ζΧ-Schaltelement, wo eine weitere differentielle Phasenverschiebung hinzukommt Damit eine Laserwirkung entsteht, muß die Strahlung, die auf das polarisierende Prisma //fällt, in der Durchgangsebene des Polarisators linear polarisiert sein. Wenn dies nicht der Fall ist ergeben sich zwei Folgen.

1. kann ein Teil der Strahlung von dg* Trennebene des Polarisators reflektiert werden und einen unerwünschten Ausgangsstrahl bilden.

2. kann der hierdurch entstehende Energieverlust ausreichen, eine Laserwirkung zu verhindern.

Die linear polarisierte Strahlung, die durch das Nicoische Prisma N läuft, wird während ihres Durchganges durch den Laserstab L verstärkt und gelangt von dort in das Prisma Pi. Bei ihrem Durchgang durch das Prisma P i wird sie elliptisch polarisiert oder falls sie bereits bei ihrem Durchgang durch den Laserstab elliptisch polarisiert worden ist, wird die differentielle Phasenverschiebung verändert Die Strahlung läuft dann zurück durch den Laserstab L auf das Prisma N. Die Komponente der Strahlung, die auf das Nicoische Prisma fällt, die in der Durchgangsebene dieses Prismas polarisiert ist, wird durch das Prisma ungeschwächt hindurchgelassen und verbleibt im Laserresonator, so daß die Lasertätigkeit aufrechterhalten wird, während die Komponente der Strahlung, die in der senkrechten Ebene hierzu polarisiert ist aus dem optischen Raum hinaus reflektiert wird und den Ausgangsstrahl Zbildet

Um sicherzustellen, daß der Strahlungseinfal! auf den Polarisator richtig polarisiert ist muß die gesamte differentielle Phasenverschiebung, die bei dem zweimaligen Durchgang der Strahlung durch das Q-Schaltelement und beim Durchgang durch das Prisma P2 entsteht, entweder Null oder ein Vielfaches von 2 π sein. Soli die Lasertätigkeit vollständig angehalten werden, so sollte die von dem (^-Schaltelement auf den Polarisator fallende Strahlung linear polarisiert in einer Ebene senkrecht zur Durchgangsebene des Nicoischen Polarisators sein, so daß keine Strahlung durch dieses hindurchgeht Dies wird erreicht, wenn die gesamte differentielle Phasenverschiebung bei dem zweimaligen Durchgang der Strahlung durch das (^-Schaltelement und einmal durch das Prisma P2 ein ungerades vielfaches von π ist Diese Bedingungen ergeben sich aufgrund der relativen Ausrichtung der Prismen Pl und P2 und des Q-Schaltelementes. Andere Ausrichtungen des ζί-Schaltelementes und der Prismen v/ürdtn zu dem Problem führen, zwei Vektoren unterschiedlicher Phasen und Amplituden zusammenzufassen.

Bei einer anderen A usrichtung dieser Elemente kann, die an das (^-Element angelegte Schaltspannung unzweckmäßig hoch sein und die Spannungsänderung

zum Umschalten des Lasers von Ein nach Aus kann eine andere sein als die Halbwellen-Spannung, wobei zu bemerken ist, daß aus rein geometrischen Betrachtungen die Differenz der Phasenverschiebung infolge der Reflexion an den beiden Flächen des Prismas 180° beträgt.

Obgleich das Polarisations-Prisma in der beschriebenen Ausführungsform mit seiner Durchgangsfläche in einem Winkel von im wesentlichen 45° zu der schnellen und zu der langsamen Achse des (^-Elementes ausgerichtet ist, ist diese Ausrichtung nicht wesentlich. Der Polarisator kann in jedem Winkel zwischen 0° und 90° angeordnet werden, außer in Winkeln, die sehr nahe bei diesen beiden Grenzen liegen. Die Größe des Winkels hat einigen Einfluß auf den Anteil der Strahlung, die nach außen reflektiert wird, um den Ausgangsstrahl Z zu bilden. Durch eine geeignete Einstellung des Winkels kann daher die Ausgangsenergie des Lasers gesteuert werden. Anstelle eines Nicoischen Prismas kann auch ein anderer geeigneter Polarisator verwendet werden.

Die reflektierenden Flächen des Prismas PX können überzogen werden, um die Exzentrizität der elliptischen Polarisation zu steuern und damit den Anteil der Strahlung, die abgelenkt wird, um den Ausgangsstrahl Z zu bilden.

Für den Laserstab kann ein übliches Material verwendet werden, aber auch ein Behälter mit einer geeigneten Gasmischuung. In diesem Fall kann es notwendig sein, die Blitzröhre F durch andere Einrichtungen, z. B. Entladungselektroden zu ersetzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laser mit Q-Schaltung, bei dem in einem von zwei Reflektoren begrenzten optischen Hohlraum ein aktives, von einer Anregungseinrichtung anregbares Lasermaterial, ein elektrooptischer doppelbrechend wirkender Q-Schalter und zwischen diesem und dem Lasermaterial ein strahlenaufspaltender Polarisator derart angeordnet sind, daß die Einfallsflächen der Reflektoren im wesentlichen normal zur optischen Achse des Lasers verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß rechtwinklige dreiseitige Prismen (PX, P2) als Reflektoren verwendet und derart angeordnet sind, daß ihre Hypotenusenflächen (HX, H2) die Einfallsflächen der Reflektoren bilden und ihre Scheitellinien (Λ 1, A 2) im wesentlichen unter rechtem Winkel zueinander und zur optischen Achse (X) des Lasers verlaufen und daß der <?-Schalter (Q) derart angeordnet ist, daß dessen schnelle Achse im wesentlichen parallel zu einer der Scheitellinien (Λ 1, A 2) der Prismen (PX, P 2) verläuft und dessen schnelle und langsame Achsen in einem von 0° und 90° zur Durchgangsebene des Polarisators (N) beträchtlich abweichenden Winkel verlaufen.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsenergie des vom Polarisator (N) abgespaltenen Ausgangsstrahls (Z) durch Einstellen des Winkels zwischen der Durchgangsebene des Polarisstors (N) und der schnellen bzw. langsamen Achse des Q-Schaltelements steuerbar ist

3. Laser nach Anspjuch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsebene des Polarisators (N) im wesentlichen um 45° zu den schnellen und langsamen Achsen des Q-Schalters (QJversetzt angeordnet ist

4. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nicoisches Prisma als Polarisator (N) verwendet ist

5. Laser nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Prismenflächen zur Steuerung der Exzentrizität der elliptischen Polarisierung mit einem Überzug versehen sind.