DE2321903C2

DE2321903C2 - Laser mit einem instabilen Ringresonator

Info

Publication number: DE2321903C2
Application number: DE2321903A
Authority: DE
Inventors: Carl James Manchester Conn. Buczek; Peter Paul Farmington Conn. Chenausky; Robert Jerry South Windsor Conn. Freiberg
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1972-05-08
Filing date: 1973-04-30
Publication date: 1983-09-22
Also published as: CA990838A; JPS4962094A; FR2184044A1; FR2184044B1; GB1411036A; DE2321903A1; JPS5933993B2; SE388977B; US3824487A

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einem instabilen Ringresonator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Lasertechnik hat s'ch bis zu einem Punkt entwickelt, wo große Leistungen < nem großvolumigen Verstärkungsmedium in einem beugungsbegrenzten Strahl entnommen werden müssen. Geeignet für diesen Zweck ist ein bekannter Laser der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art (Soviet Physics Jetp 28 (1969), Nr. 1, S. 69 - 74). Dieser hat einen symmetrischen instabilen Ringreson£itor, weshalb bei ihm die Parameter, weiche die Trarsversalmodendiskriminierung bestimmen, und die Parameter, die die Teilauskopplung und das Modenvo umen bestimmen, voneinander abhängig sind, wodurch die Entwurfsflexibilität sehr gering ist. Da weiter die Teile der Ringweglänge des symmetrischen Ringresonators gleich groß sind, müssen zur Erfüllung der KoTfokalitätsbedingung die konfokalen reflektierenden Flächen auf einander diametral gegenüberliegenden Ecken des Ringweges liegen und müssen relativ große Krümmungsradien haben. Reflektierende Flächen oder Spiegel mit großen Krümmungsradius sind aber schwierig mit großer Genauigkeit herstellbar, und die Anforderungen an ihre genaue Ausrichtung sind si:hr groß, wenn sie in einem Resonator benutzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laser der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich konfokale reflektierende Flächen mit kleinerem Krümmungsradius verwenden lassen und dabei die Forderungen nach einer Transversalmodendiskriminierung erifüllt werden können, ohne das Modenvolumen und die Teilauskopplungseigenschaften des Ringresonators zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird durch das im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß in einem instabilen Ringresonator die Bestimmung des Modenvo

lumens, der Teilauskopplung und der Toleranzen der optischen Ausrichtung von der Transversalmodendiskriminierung für einen Laserstrahl unabhängig gemacht werden kann, wenn in einem Bereich der Ringweglänge der Querschnitt des Strahls verändert und in einem anderen Bereich, der eine andere Länge hat, dem Strahl Ene-gie zugeführt wird.

Eine fundamentale Eigenschaft des Lasers nach der Erfindung ist die gleichzeitige Optimie. ung des Transversalmodengefüges eines Strahles im Ringresonator und der Modenvolumen- und Hohlraumresonatorstahilitätskriterien. Der instabile Ringresonator nach der Erfindung ist ein asymmetrischer instabiler Ringresonator. Die Ringwegljnge des Ringresonators ist von den Krümmungsradien der konfokalen reflektierenden Flächen unabhängig. Durch die asymmetrische Ausbildung des Ringresonators läßt sich die Verwendung von konfokalen reflektierenden Flächen mit großen Krümmungsradien vermeiden, weshalb optische Fehlausrichtungen und Spiegelverzerrungen relativ unbedeutend sind. Weiter kann der Ringresonator nach der Erfindung einen Vergrößerungsfaktor, der viel größer als eins ist, erzeugen, was die unidirektionale Oszillation im Oszillator fördert und einen großen Leistungsanteil in der Hauptkeule im Fernfeld liefert. Ferner kann die Auskoppelvorrichtung an irgendeiner Stelle auf dem Resonatorringweg wo der innere Strahl parallel ist, angeordnet sein.

Der Kern der Erfindung ist somit die Trennung der Parameter, weiche die Transversalmodendiskriminierung in einem Ringresonator bestimmen, von den Parametern, v/elche die Teilauskopplung und das Modenvolumen des Lasers bestimmen. Diese Parametertrennung ist bei dem Ringresonator des Lasers nach der Erfindung möglich, weil dieser asymmetrisch ausgebildet ist. Den einen der Bereiche, aus denen die Ringweglänge in dem Ringresonator besteht, durchläuft der Laserstrahl als paralleler Strahl und den anderen Bereich durchläuft der Laserstrah¹ zwischen den beiden konfokalen reflektierenden Flächen und wird geometrisch vergrößert. Die tatsächliche Vergrößerung ist eine Funktion der relativen Krümmung der benutzten konfokalen reflektierenden Flächen. Der Laserstrahl wird durch Übertragung von Energie aus dem Verstärkungsmedium verstärkt, und die Energie wird aus dem Laserstrahl durch Ablenkung in dem Parallelstrahlbereich des Ringweges ausgekoppelt.

Der Ausdruck asymmetrisch bedeutet also, daß die optische Weglänge des Vergrößerungsbereiches von der optischen Weglänge des Parallelstrahlbereiches verschieden ist.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Schema eines Lasers mit einem asymmetrischen instabilen Ringresonator,

F i g. 2 ein Schema einer weiteren Ausführungsform des Ringresonators, in welcher die beiden konfokalen reflektierenden Flächen konkav bzw. konvex sind,

Fig. 3 ein Schema eines Ringresonators mit einem Mehrwegverstärker im Parallelstrahlbereich,

Figi4ein Schema der'hin- und herlaufenden Laserstrahlen in einem asymmetrischen instabilen Ringresonator und

F i g. 5 ein Schema noch einer weiteren Ausführungsform des Ringresonators, in welcher die beiden konfokalen reflektierenden Flächen jeweils konkav sind.

Ein vereinfachter instabiler asymmetrischer Ringresonator 10 ist in F i g. 1 dargestellt- Ein konvexer Spiegel 12 mit einem Krümmungsradius R! ist im Abstand L von einem konkaven Spiegel 14 mit einem Krümmungsradius R 2 angeordnet, und diese beiden Spiegel 5 begrenzen gemeinsam den Vergrößerungsbereich 15 des Resonatorumfanges. Ein volireflektierender Spiegel 16 mit einer ebenen reflektierenden Fläche ist das dritte Element in diesem einfachen System. Der Teil des Resonatorumfanges zwischen den Spiegeln 14, 16 und den Spiegeln 16, 12 bildet den Parallelstrahlbereich 17 des Resonators. Eine Hülle 18, welche ein Verstärkungsmedium wie etwa angeregtes Kohlendioxidgas enthält, ist zwischen den Spiegeln 14 und 16 angeordnet. Der Abstand L und die Krümmungsradien Ri und R 2 müssen die Gleichung

L =

(RZ -Rl)

(D

20

erfüllen.

Wenn diese Konfokalbedingung erfüllt ist, viird der vom Spiegel 14 reflektierte und in F i g. 1 im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Strahl im Bereich 17 parallel. Die Krümmungsradien R 1 und R 2 gehen von den Mittelpunkten A bzw. B aus. Wenn die Spiegel 12 und 14 so gedreht werden, daß ihre gekrümmten Flächen symmetrisch zur gemeinsamen Mittellinie CD liegen, fallen die Punkte A und B theoretisch im Punkt E auf der Mittellinie CD zusammen; in einem praktischen System fallen die Punkte, wenn sie auf die Mittellinie projiziert werden, für den Fall der Parallelstrahlbildung im Bereich 17 nicht genau zusammen. Weiter bestimmt das Verhältnis der Krümmungsradien den Vergrößerungsfaktor M des Resonators entsprechend der Gleichung

M =

R\

(2)

40

In ähnlicher Weise beschreibt der Vergrößerungsfaktor M die Beziehung zwischen dem Außendurehmesser Do des ringförmigen Strahles, welcher durch Beugung aus dem Resonator ausgekoppelt wird, und dem Durchmesser D₂ des Loches in diesem Strahl; der Durchmesser des Loches und der Durchmesser des Teiles des Strahles, v/elcher vom Spiegel 12 reflektiert wird, sind gleich groß.

Eine praktischere Ausführungsform des Ringresona- -,,> tors ist in Fig. 2 dargestellt. Ein konvexer Spiegel 12-4 und ein konkaver Spiegel 14/4 mit geeigneten Krümmungsradien und geeigneter Anordnung bilden ein Paar konfokaler Spiegel. Drei Planspiegel 16-4 vervollständigen der Resonator. Ein Paar Hüllen 18A. welche ein Verstärkungsmedium enthalten, bewirker, die Verstärkung des durch sie laufenden Laserstrahles. Ein Auskoppelspiegel 20 koppelt durch Ablenkung den äußeren Teil des Strahles 22 aus dem Resonator aus. Ein Unterdrückungsspiegel 24 ist vorgesehen, um einen unidirektionalen Betrieb des Resonators zu erzeugen, iWas weiter unten näher beschrieben ist. Einer der Hauptgründe zum Einsatz des Fünfspiegelresonators, wie er in Fi g. 2 dargestellt ist, an Stelle des grundlegenden Dreisptegelresonators, wie in Fig. 1 dargestellt ist, besteht darin, den Einfallswinkel auf den sphärischen Spiegeln 1&4 und 14/4 möglichst klein zu halten und dadurch cJie astigmatische Verzerrung, welche in dem Strahl auftreten könnte, möglichst klein zu halten.

Die asymmetrische und konfokale Anordnung von zwei gekrümmten Spiegeln, welche einen wesentlichen Teil des Resonators bilden, trennt jene Parameter, welche die Transversalmodendiskriminierung ermöglichen, vollständig von den Parametern, welche die Teilauskopplung und das Modenvolumen des Systems bestimmen, wodurch eine größere Flexibilität des Entwurfs gestattet wird. Der Resonatorumfang ist in einen Vergrößerungsbereich 15/4 und einen Parailelstrahlbereich 17/4 unterteilt worden. Im Vergrößerungsbereich 15/4 erfährt der Strahl eine Querschnittsveränderung, welche durch das Verhältnis der Krümmungsradien der Spiegel bestimmt ist. Der Vorteil eines Resonators mit asymmetrischen statt symmetrischen Eigenschaften wird sofort aus dem folgenden numerischen Beispiel kiar. Man nehme einen geometrisch quadratischen Resonator, in welchem jeder Schenkel des Sirahlenganges willkürlich als drei Längeneinheiten groß gewählt wird und in welchem C^: Verstärkungsfaktor gleich zwei ist. Bei symmetrische. Anordnung würden die gekrümmten reflektierenden Flächen auf diametral gegenüberliegenden Ecken des Quadrates liegen und durch einen sechs Längeneinheiten betragenden Teil Jer Ringweglänge (L) getrennt sein. Um die Bedingungen der Konfokalität (Gleichung 1) zu erfüllen, müßte der Krümmungsradius des konkaven Spiegels 24 Längeneinheiten und der Krümmungsradius des konvexen Spiegels 12 Längeneinheiten groß sein. Wenn der Resonator aber asymmetrisch wäre, befänden sich die reflektierenden Flächen an nebeneinander liegenden Ecken des Quadrates und wären durch eine Wegstrecke von drei Längeneinheiten getrennt. Bei einem Vergrößerungsbereich von drei Längeneinheiten und einem Parallelstrahlbereich von neun Längeneinheiten erhält man einen konfokalen Resonator mit einem Krümmungsradius des konkaven Spiegels von 12 Einheiten und einem Krümmungsradius des konvexen Spiegels von 6 Einheiten, d. h. genau die Hälfte der Radien der symmetrischen Resonatoranordnung mit gleichem Umfang. Spiegel mit großem Krümmungsradius sind schwer mit großer Genauigkeit herzustellen und erfordern strenge Ausrichtbedingungen, wenp sie in einem Resonator benutzt werden. Deshalb erleichtert jede Technik, welche die Anwendung von gekrümmten Spiegeln mit kleinerem Krümmungsradius erlaubt, den Bau und den Betrieb eines Resonators.

Eine andere Ausführungsform eines instabilen Ringresonators mit einem 2-Weg-Verstärker ist in F i g. 3 dargestellt. Eine konvexe reflektierende Fläche 12ßund eine konkave reflektierende Fläche 14S begrenzen den Vergrößerungsbereich 15fi und neun einzelne ebene refit ktLronde Flächen 16S. in der dargestellten Anordnung, vervollständigen den Resonator. Eine Hi¹IIe 18ß enthält ein zur Verstärkung des durchlaufenden Strahles 225 geeignetes Verstärkungsmedium. Ein ebener, ringförmiger reflektierender Spiegel 2OS koppelt durch Ablenkung einen Teil des Strahles aus dem Resonator aus. Der Ausdruck Auskopplung durch Ablenkung bedeutet, daß ein Teil der Energie dem !äußeren Rand des Strahles entnommen wird und einen * Ausgangsstrahl liefert, welcher einen kreisringförmigen Querschnitt hat, wobei das Loch in seinem Zentrum keine Energie enthä't, wenn man den Strahl im extremen Nahfeld betrachtet. Diese Auskopplu'ngsform unterscheidet sich von der Energieauskopplung aus einem Resonator mit teildurchlässigen Spiegeln, bei der

die Energie mehr oder weniger gleichförmig über den Querschnitt des Strahles verteilt entnommen wird.

Eine naheliegende Alternative zum instabilen Resonator mit gefaltetem Strahlengang, wie er in Fig.3 dargestellt ist, könnte ein linearer instabiler Resonator sein, in welchem das Modenvolumen erweitert wird, um mit dem Volumen des aktiven Verstärkungsmediums übereinzustimmen. Dieser Effekt kann erreicht werden, indem man den Krümmungsradius der gekrümmten Spiegel vergrößert jedoch haben solche Resonatoren alle eine hohe Frcsnel-Zahl. was bedeutet, daß die Diskriminierung aller möglichen Transversalmoden relativ schwierig ist. Solange die Fresnel-Zahl eines Hohlraumresonators relativ niedrig, auf einem Wert von ungefähr 0,5, gehalten wird, wird nur die Mode niedrigster Ordnungszahl eines Hohlraumresonators die kleinsten Verluste haben: wenn aber die Fresnel-Zahl auf Werte von etwa zwei und darüber zunehmen kann, können mehrere ivioden mit fast gleich großen Verlusten vorhanden sein, was die Transversalmodendiskriminierung schwieriger macht. Die äquivalente Fresnel-Zahl /Vpfolgt aus der Gleichung:

in welcher die Fresnel-Zahl /V definiert ist als:

4L).

wobei λ die Wellenlänge der in Betracht kommenden Strahlung ist.

Die unidirektionale Oszillation des Lasers mit instabilem Ringresonater kann auf verschiedenerlei We;se erfolger.. Eine einfache Technik besteht darin, das aktive Medium in axialer Richtung strömen zu lassen. Die Resonanz des Hohlraumresonators kann so abgeglichen werden, daß die nahe am Mittelpunkt der durch Doppler-Effekt verschobenen Verstärkung liegt, welche der zugehörigen Betriebsrichtung zugeordnet ist. Wenn das System keinen ausgeprägten Fluß in der optischen Achse hat oder wenn verschlossene Röhren benutzt werden, wird eine Richtungsanisotropie hineingebracht indem ein ausgerichteter, äußerer Reflektor, wie etwa der Spiegel 24 in Fig.2. in einem der Richtungswege angeordnet wird. Der Reflektor bewirkt eine nichtreziproke Kopplung zwischen den im Uhrzeigersinn und den im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen, hu Fall eines homogenen Verstärkungsmediums, wie etwa Kohlendioxid, wird die Oszillation in der ungewünschten Richtung unterdrückt Jedes dieser beschriebenen Verfahren ist für einen instabilen Resonator geeignet in dem die Verstärkung ungefähr gleich eins ist.

Wenn die Verstärkung ausreichend größer als eins ist, dann ist das Modenvolumen im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn wegen des Verstärkungs- oder Fokussiemngseffektes, welcher in Abhängigkeit von der Richtung, in der der Strahl den Vergrößerungsbereich durchläuft auftritt verschieden groß, was unter Bezugnahme auf Fig.4 näher beschrieben wird. Eine konvexe reflektierende Fläche V2C und eine konkave reflektierende Fläche ¹AC bestimmen den Vergrößerungsbereich, und ein ebener reflektierender Spiegel 16C vervollständigt den Resonator. Eine Hülle ISC, welche ein geeignetes Verstärkermedium enthält und ein Auskopplungsspiegel 2OC vervollständigen dieses einfache System. Im Betrieb wird die Vorwärtswcllc, welche durch ausgezogene Linien durgestellt ist vergrößert, wenn sie vom Spiegel l2Czum Spiegel 14C wandert. Die Vorwärtsweile tritt in die Hülle 18CaIs Parallelstrahl ein und füllt den das aktive Verstärkungsmedium enthaltenden Raum vollständig aus, Energie wird vom Verstärkungsmedium auf den Parallelstrahl übertragen, welcher dadurch verstärkt wird. Ein äußerer

ίο Ring des Strahles wird durch Ablenkung mittels des Spiegels 2QCaus dem Resonator ausgekoppelt, und der Kern des Strahles läuft weiter durch den die Spiegel Ifef und 12C enthaltenden Ring. Die Mode in diesem Bereich des Resonators ist kleiner als die Mode nach der Vergrößerung des Strahles, aber vor der Ablenkung desselben: die Mode ist auch aufgrund der Beugung etwas divergent, und /war wegen des kleinen Durchmessers wie es in F Ϊ g. 4 dargestellt ist. Wenn der Strahl vom Spiegel i2C reflektiert wird, wird er zwischen den konfokalen Spiegeln \2C und 14C" erneut vergrößert, und der Zyklus beginnt von neuem. Die Rückwärtswelle, welche durch getrichelte Linien dargestellt ist durchläuft die Öffnung in dem Kopplur.gsspiegel und tritt in die das aktive Verstärkungsmedium enthaltende Hülle

(3) 25 mit einem Durchmesser ein, welcher viel kleiner als das

Gesamtmodenvolumen ist. Das Verhältnis des Vorwärtsmodenvolumens zum Rückwärtsmodenvolumen ist ohne Ablenkung gleich dem Quadrat der Resonatorvergrößerung. Wenn die Rückwärtswelle zwischen dem

(4) 30 konkaven Spiegel und dem konvexen Spiegel läuft, wird

sie fokussiert und »licht zu einem exakt parallelen Strahl geformt, sondern sie wird gebeugt, während sie vom konvexen Spiegel zum ebenen Spiegel 16C läuft, im wesentlichen wegen ihres relativ kleinen Durchmessers. Die Leistung wird in der Gegenrichtung an der Rückseite des Spiegels 20Causgekoppelt.

Resonators, welche den unidirektionalen Betrieb ermöglicht ist, daß die Vorwärtswelle dem gesamten und damit wesentlich mehr vor. dem aktiven Medium ausgesetzt ist als die Rückwärtswelle. Folglich, wenn das Verstärkungsmedium homogen sättigbar ist kann die Vorwärtswelle jegliche Oszillation in der Rückwärtsrichtung unterdrücken. Diese Erscheinung wurde mit einem Kohlendioxidverstärkungsmedium in einem asymmetrischen konfokalen instabilen Resonator mit einem Umfang von 2.125 m. einem Verstärkungsfaktor von zwei, g\ =3/4, ,§2 = 3/2 und einem ringförmigen Kopplungsspiegel mit einem inneren Durchmesser von 12,7 mm demonstriert.

Ein anderer konfokaler instabiler Resonator ist in Fig.5 dargestellt. Der Resonator besteht aus einer konkaven reflektierenden Fläche 14£>, einer ebenen reflektierenden Fläche 16Dund einer weiteren konkaven reflektierenden Fläche 26. Der Unterschied zwischen dem Konkav-konkav-Resonator nach F i g. 5 und dem zuvor beschriebenen Konkav-konvex-Resonator ist daß ein interner Brennpunkt in dem in F i g. 5 dargestellten System vorliegt Bei Hochleistungsanordnungen kann dieser interne Brennpunkt einen Durchschlag des Mediums in einem Punkt bewirken, wo der Brennpunkt auftritt was zu nichtlinearen optischen Effekten innerhalb des Hohlraumresonators führt Jedoch hat das System den Vorteil, die Verwendung von Spiegeln mit einem kleineren Krümmungsradius zu erlauben, mit den damit verbundenen Vorteilen des einfacheren Aufbaus und Ausrichtens.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Laser mit einem instabilen Ringresonator, zu dem zwei konfokale reflektierende Flächen und mindes-tens eine ebene reflektierende Fläche gehören, und mit einer Vorrichtung zum Auskoppeln eines Teils des Laiserstrahls als paralleler Strahl mit ringförmiger Energieverteilung im Nahfeld, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den beiden konfokalen reflektierenden Flächen (12, 14; 12Λ UA; UB, UB; 12C, UC; UD, 26) liegende Teil (L) der Ringweglänge verschieden ist von der restlichen Ringweglänge.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den beiden konfokalen reflektierenden Flächen (12, 14; 12A UA; 12B, UB; UC, UC; UD, 26,1 liegende Teil (Z^der Ringweglänge kleiner als die halbe Ringwegiänge ist.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. daJi eine (14; 14Λ; 14ß; 14Q der beiden konfokalen reflektierenden Flächen konkav und die andere (12; UA-.UB, 12C;konvex ist

4. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide konfokalen reflektierenden Flächen (14D, 26) konkav sind.