DE2348454A1

DE2348454A1 - Laseranordnung mit temperaturkompensation

Info

Publication number: DE2348454A1
Application number: DE19732348454
Authority: DE
Inventors: Viktor Baumgartner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-09-26
Filing date: 1973-09-26
Publication date: 1975-04-10
Also published as: DE2348454B2; DE2348454C3

Description

23A8454

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den 2B.SER 1973

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

73/6692

Laseranordnung mit Temperaturkompensation

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Sender- oder Verstärkeraiiordnung, bestehend aus einem zylindrischen Hohlspiegel, in dem zueinander parallel ein stabförmiges stimulierbares Medium und eine stabförmige Anregungslichtquelle vorgesehen sind, und einem das stimulierbare Medium in sich aufnehmenden optischen Resonator vom Fabry-Perot-Typ.

Die Qualität von Laservorrichtungen, insbesondere Riesenimpulslasern_{ hängt in hohem Maße von Anordnung und Ausbildung der Spiegel der Anregungsanordnung ab. Bei ungleichmäßiger Ausleuchtung bzw. Erwärmung ergibt sich im Betrieb eine ungleichmäßige Τεπιρβ^ΐυΓνεΓΐεϋΐΜ^ im stimulierbaren Medium, die zu dessen thermischer Verformung und damit zu ■ störenden, den wirksamen Strahleυerschnitt und den Wirkungsgrad vermindernden Strahlauswanderungen aus dem Resonator führt. Bei leistungsstarken Laseranordnungen muß deshalb eine Ausleuchtung bzw. Erwärmung des stimulierbaren Mediums angestrebt werden, die möglichst keine Rückwirkung auf den Strahlengang hat.

Diese Erkenntnis führte u. a. zur Konstruktion rotationssymmetrischer Anordnungen, wie z.B. dem rotationsellipsoiden Anregungssystem, bei dein die thermischen Gradienten im stimulierbaren Medium Kreissymmetrie aufweisen. Dadurch wird eine thermische Verbiegung der Längsachse und eine daraus resultierende Strahlablenkung weitgehend verhindert.

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Anregungsanordnungen mit rotationselliptischen Spiegeln sind jedoch relativ großräumig und daher für bestimmte Anwendungen, bei denen es u.a. auf geringes Gewicht und kleine Abmessungen ankommt, zu aufwendig. Bei kompakten kleinen Lasersystemen ist man deshalb dazu übergegangen, von billigeren Anregungsanordnungen mit kreis- oder zylinderelliptischen Spiegelsystemen Gebrauch zu machen, die Jedoch mit relativ schlechter Beleuchtungs- und Temperatur-Symmetrie arbeiten und bei denen deshalb die unerwünschte Strahlauswanderung aus dem Resonator durch thermische Krümmung des stimulierbaren Mediums gegeben ist.

Bei bekannten Laseranordnungen dieser Art (DT-OS 1 914 921) wird diese Strahlauswanderung aus dem Resonator innerhalb eines gegebenen Temperaturbereichs dadurch in gewissen Grenzen verhindert, daß einer von den beiden Reflektoren ein vollreflektierendes 90°-Prisma mit einer Ausrichtung seiner Dachkante parallel zur Achse der thermischen Krümmung des stimulierbaren Mediums ist.

Wie die Praxis zeigt, bereitet es Jedoch bei kompakt aufgebauten Laservorrichtungen dieser Art, bei denen aus Platzgründen auf eine aufwendige Kühlvorrichtung verzichtet werden muß und bei denen relativ hohe Betriebstemperaturen mit großen Schwankungen auftreten, erhebliche Schwierigkeiten, das Problem der hierbei im erhöhten Maße auftretenden Strahlauslenkung innerhalb des geforderten Temperaturbereiches zu lösen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine optische Sender- oder Verstärkeranordnung der eingangs erwähnten Art eine weitere Lösung anzugeben, die unter Gewährleistung eines kompakten Aufbaus die bei bekannten Ausführungsformen

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dieser Art auftretenden geschilderten Schwierigkeiten überwindet.

Ausgehend von einer optischen Sender- oder Verstärkeranordnung, bestehend aus einem zylindrischen Hohlspiegel, in dem zueinander parallel ein stabförmiges stimulierbares Medium und eine stabförmige Anre.gungslichtquelle vorgesehen sind, und einem das. stimulierbare Medium in sich aufnehmenden optischen Resonator vom Fabry-Perot-Typ, dessen einer von den beiden Reflektoren ein voll reflektierendes 90°-Prisma mit einer Ausrichtung seiner Dachkante parallel zur Achse der thermischen Krümmung des·stimulierbaren Mediums und dessen anderer Reflektor ein teilreflektierender Auskoppelspiegel ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die die Anordnung umfassenden verschiedenen Bauteile an einem ihnen gemeinsamen Grundrahmen befestigt sind, der hierbei ein geschlossenes, die Anordnung in sich aufnehmendes, temperaturkompensiertes zylindrisches Gehäuse ist. ■ _K

Der Erfindung liegt die wesentliche Erkenntnis zugrunde, daß sich neben der bekannten Temperaturkompensation mit optischen Mitteln eine wesentliche Verbesserung des Temperaturverhaltens dann durch Anwendung einer zusätzlichen mechanischen Temperaturkompensation ergibt,, wenn von einem als temperaturkompensierten zylindrischen Gehäuse ausgeführten gemeinsamen Grundrahmen Gebrauch gemacht wird. Die u.a. an diesem Grundrahmen befestigten beiden Reflektoren des Resonators ermöglichen, daß der Abstand und die Parallelität beider Reflektionsebenen innerhalb des in der Praxis geforderten Temperaturbereichs in einfacher Weise konstant gehalten werden können.

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Zum wiederholten bzw. periodischen Auslösen von Impulsen ist es üblich, das 90°-Prisma um eine zur Achse der thermischen Krümmung des stimulierbaren Mediums senkrechte Achse drehbar anzuordnen. In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, die Stirnfläche des stimulierberen Mediums auch auf Seiten des 90°-Prismas und die Basisfläche des 90°-Prismas bezüglich der Resonator achse unter dem Brewsterwinkel verlaufen zu lassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Oszillatoranordnung ist der Auskoppelspiegel als Resonanzreflektor ausgeführt, zwischen dem und dem stimulierbaren Medium ein optisches Zwischenglied angeordnet ist, dessen eine Stirnfläche unmittelbar an den Resonanzreflektor angrenzt und dessen andere Stirnfläche hinsichtlich der Resonatorachse unter dem Brewsterwinkel verläuft und einen so geringen Abstand von einer der gegenüberliegenden, ebenfalls unter dem Brewsterwinkel verlaufenden Stirnseiten des stimulierbaren Mediums hat, daß eine gegenseitige Berührung bei maximaler Betriebstemperatur gerade noch unterbleibt.

Sofern bei der genannten Ausführungsform lediglich von einem feststehenden 90°-Prisma Gebrauch gemacht werden soll, ist es sinnvoll, das Prisma fest mit dem stimulierbaren Medium zu verbinden, bzw. durch entsprechende Formgebung der einen Stirnfläche des stimulierbaren Mediums unmittelbar durch dieses zu bilden. In diesem Falle kann, eine Laseranordnung für Impulsbetrieb vorausgesetzt, in vorteilhafter Weise der Auskoppelspiegel, vorzugsweise ein.Resonanzreflektor, mit einem optischen Güteschalter zu einer Baueinheit vereinigt sein. Hierbei ist zwischen

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dieser Baueinheit und dem stimulierbaren Medium ein optisches Zwischenglied angeordnet, dessen eine Stirnfläche unmittelbar an den optischen Güteschalter angrenzt und dessen andere Stirnfläche, die unter dem Brewsterwinkel verläuft, einen so geringen Abstand von der gegenüberliegenden, ebenfalls unter dem Brewsterwinkel verlaufenden Stirnseite des stimulierbaren Mediums hat, daß eine gegenseitige Berührung bei der maximalen Betriebstemperatur gerade noch unterbunden ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 5 bis 7 angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von in der Zeich-r nung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 eine erste Ausführungsform nach der Erfindung, Fig. 2 eine zweite Ausführungsform nach der Erfindung.

Bei der einen Riesenimpulslaser darstellenden Laseranordnung nach Fig. 1 ist in einem zylindrischen Invargehäuse 1, dessen Wärmeausdehnung im Bereich der Betriebstemperatur vernachlässigbar gering ist, ein als zylindrischer Hohlspiegel ausgeführter Anregungsspiegel 2 in koaxialer Ausrichtung angeordnet. Innerhalb des Anregungsspiegeis sind zueinander parallel ein stabförmiges stimulierbares Medium 3 mit Brewster-Stirnflachen 4, 4a und eine stabförmige Anregungslichtquelle 5 vorgesehen. Das stimulierbare Medium ist im Ausführungsbeispiel von einem Resonator vom Fabry-Perot-Typ aufgenommen, dessen Dachkante parallel zur Achse der thermischen Krümmung des stimulierbaren Mediums ausge-

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richtet ist. Dadurch wird erreicht, daß ein durch thermische Krümmung des stimulierbaren Mediums aus der Resonatorachse ausgelenkter Strahl wieder in das stimulierbare Medium zurückreflektiert wird. Die Basisfläche 7 des 90°-Prismas verläuft hinsichtlich der Resonatorachse ebenfalls unter dem Brewsterwinkel. Das 90°-Prisma ist zum wiederholten bzw. periodischen Auslösen von Impulsen um eine zur Achse der thermischen Krümmung des stimulierbaren Mediums senkrechte Achse drehbar in dem zylindrischen Invargehäuse befestigt. Der Antrieb der Drehachse 8 des 90°-Prismas erfolgt über einen außen am zylindrischen Invargehäuse befestigten Antriebsmotor 9.

Der andere Reflektor des Fabry-Perot-Resonators ist als fest mit dem Invargehäuse verbundener Resonanzreflektor ausgeführt, zwischen dem und dem stimulierbaren Medium ein optisches Zwischenglied 11 angeordnet ist, dessen eine Stirnfläche 12 unmittelbar an den Resonanzreflektor angrenzt und dessen andere Stirnfläche 13t die hinsichtlich der Resonatorachse unter dem Brewsterwinkel verläuft, einen so geringen Abstand von der gegenüberliegenden Stirnfläche 4a des stimulierbaren Mediums hat, daß eine gegenseitige Berührung bei maximaler Betriebstemperatur gerade noch unterbunden ist.

Durch den geringen Abstand beider Brewster-Stirnflächen wird einerseits eine Strahlenquerschnittsverkleinerung, verursacht durch Strahlenwanderung, aus der Resonatoraqhse vermieden und andererseits eine gestreckte Bauform der Laseranordnung bei minimalen Querschnittsabmessungen erreicht.

Bei der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist das Material des 90°-Prismas des stimulierbaren Mediums

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und des optischen Zwischengliedes so gewählt, daß sowohl deren Brechungsindex (n) als auch deren Temperaturkoeffizient des Brechungsindexes (^) gleich sind und daß dabei der Temperaturkoeffizient des Brechungsindexes (^) vernachlässigbar klein ist. Ein Material, das diese Bedingungen erfüllt, ist beispielsweise Laserglas LS 650 der Fa. Schott & Gen. Mainz, dessen Temperaturkoeffizient des Brechungsindexes einen Wert von 1,9 10" aufweist.

In der ebenfalls einen Riesenimpulslaser darstellenden Laseranordnung nach Fig. 2 ist das 90⁰-Prisma 6 direkt an einem Ende des stimulierbaren Mediums 3 angebracht. Der als Resonanzreflektor 10 ausgeführte Auskoppelspiegel ist mit einem z.B. eine Pockelszelle darstellenden optischen Güteschalter 14 zu einer Baueinheit vereinigt, die fest mit dem zylindrischen Invargehäuse 1 verbunden ist. Zwischen dem optischen Güteschalter und dem stimulierbaren Medium ist ein optisches Zwischenglied 11 angeordnet, dessen eine Stirnfläche 12 unmittelbar an den optischen Güteschalter angrenzt und dessen andere Stirnfläche 13, die unter dem Brewsterwinkel verläuft, einen so geringen Abstand von der gegenüberliegenden, ebenfalls unter dein Brewsterwinkel verlaufenden Stirnseite Aa des stimulierbaren Mediums hat, daß eine gegenseitige Berührung bei der maximalen Betriebstemperatur gerade noch unterbunden

ο ' ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das 90 -Prisma zusammen mit dem stimulierbaren Medium fest mit dem zylindrischen Invargehäuse verbunden. Hinsichtlich der verwendeten optischen Materialien müssen gleiche Anforderungen wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gestellt werden, so daß auch hier beispielsweise das handelsübliche Laserglas LG 650 zur Anwendung gelangen kann.

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Beide Ausführungsbeispiel ermöglichen eine Leistungsanpassung durch Änderung der Länge und damit des Materialvolumens des austauschbaren stimulierbaren Mediums. Da hierbei kein Resonatoraustausch erfolgen soll, muß die Gesamtlänge von stimuiierbarem Medium und optischem Zwischenglied konstant gehalten werden. Dies wird in den Ausführungsbeispielen dadurch erreicht, daß das optische Zwischenglied ebenfalls austauschbar angeordnet ist, und daß seine Länge in entgegengesetzter Weise zu der des stimulierbaren Mediums verändert wird.

7 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Optische Sender- oder Verstärkeranordnung, bestehend aus einem zylindrischen Hohlspiegel (2), in dem zueinander parallel ein stabförmiges stimulierbares Medium (3) und eine stabförmige Anregungslichtquelle (5) vorgesehen sind, und einem das stimulierbare Medium (3) in sich aufnehmenden optischen Resonator vom Fabry-Perot-Typ, dessen einer von den .beiden Reflektoren ein voll reflektierendes 90°-Prisma (6) mit einer Ausrichtung seiner Dachkante parallel zur Achse der thermischen Krümmung des stimulierbaren Mediums (3) und dessen anderer Reflektor ein teilreflektierender Auskoppelspiegel ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Anordnung umfassenden verschiedenen Bauteile an einem ihnen gemeinsamen Grundrahmen befestigt sind, der hierbei ein geschlossenes, die Anordnung in sich aufnehmendes, temperaturkompensiertes zylindrisches Gehäuse (1) ist.
2. Optische Sender- oder Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (4) des stimulierbar en Mediums (3) auf selten des 90°-Prismas (6) und die Basisfläche (7) des 90°-Prismas (6) bezüglich der Resonatorachse unter dem Brewsterwinkel verlaufen und daß das 90°-Prisma (6) um eine zur Achse der thermischen Krümmung des stimulierbaren Mediums (3) senkrechte Achse drehbar angeordnet ist.
3· Optische Sender- oder Verstärkeranordnung nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auskoppelspiegel als Resonanzreflektor (10) ausgeführt ist, zwischen dem und dem stimulierbaren Medium (3) ein optisches Zwischenglied (11) angeordnet ist, dessen eine Stirnfläche (12)

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unmittelbar an den Resonanzreflektor (10) angrenzt und dessen andere Stirnfläche (13), die hinsichtlich der Resonatorachse unter dem Brewsterwinkel verläuft, einen so .geringen Abstand von der gegenüberliegenden, ebenfalls unter dem Brewsterwinkel verlaufenden Stirnfläche (4a) des stimulier.baren Mediums (3) hat, daß eine gegenseitige Berührung bei maximaler Betriebstemperatur ' gerade noch unterbunden ist.
4. Optische Sender- oder Verstärkeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das 90°-Prisma (6) fest mit dem stimulierbaren Medium (3) verbunden bzw. durch entsprechende Formgebung der einen Stirnfläche des stimulierbaren Mediums unmittelbar durch dieses ausgebildet ist, daß ferner der Auskoppelspiegel, vorzugsweise ein Resonanzreflektor (10) mit einem optischen Güteschalter (14) zu einer Baueinheit vereinigt (15) ist und daß zwischen dieser Baueinheit (15) und dem stimulierbaren Medium ein optisches Zwischenglied (11) angeordnet ist, dessert eine Stirnfläche (12) unmittelbar an den optischen Güteschalter (14) angrenzt und dessen andere Stirnfläche (13), die unter dem Brewsterwinkel verläuft, einen so geringen Abstand von der gegenüberliegenden, ebenfalls unter dem Brewsterwinkel verlaufenden Stirnfläche (4a) des stimulierbaren Mediums (3) hat, daß eine gegenseitige Berührung bei der maximalen Betriebstemperatur gerade noch unterbunden ist.
5. Optische Sender- oder Verstärkeranordnung nach Anspruch oder.4, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex (n) und der Temperaturkoeffizient des Brechungsindexes (4?) des 90°-Prismas (6), des stimulierbaren Mediums (3) und des optischen Zwischengliedes (11) gleich gewählt sind.

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6. Optische Sender- oder Verstärkeranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das stimulierbare Medium (3) aus einem Material besteht, das einen praktisch vernachlässigbar geringen Temperaturkoeffizienten (|nr) seines Brechungsindexes aufweist. . '
7. Optische Sender oder Verstärkeranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Gesamtlänge von stimulierbarem Medium (3) und optischem Zwischenglied (11) das Materialvolumen des .stimulierbaren Mediums (3) im Sinne einer Leistungsanpassung in gewissen Grenzen veränderbar ist.

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