DE2349935A1 - Lasergenerator - Google Patents

Description

Patentanwälte

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410-21.497P- ' 4. 10. 1973

COMMISSARIAT A !,'ENERGIE ATOMIQUE, Paris (Frankreich)

Lasergenerator

Die Erfindung betrifft einen Lasergenerator mit begrenztem bzw. eingeengtem Spektrum und abstimmbarer Wellenlänge.

Es ist bereits erwogen worden, ein Fabry-Perot-Etalon in den
Resonator eines Lasers einzubauen, um dessen Emissionsspektrum zu begrenzen und durch Neigen des Etalons eine variable Emissionswellenlänge zu erzielen.

Ein derartiges Vorgehen ist besonders geeignet für Gas-Laser, bei denen die Spektralbreite der Verstärkung verhältnismäßig niedrig ist.

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410-(B4546.3)-Hd-r (8) .

Im wesentlichen setzt die Modenselektion mit Hilfe eines Fabry-Perot Etalons voraus, daß das Intervall zwischen zwei vom Etalon gesendeten aufeinanderfolgenden Frequenzen größer als etwa die halbe Breite des Verstärkungsprofils des Laser- oder aktiven Mediums ist.

Es kann leicht verifiziert werden, daß mit

e = Dicke des Etalons,

η = Brechzahl des Etalon-Werkstoffs,

c = Lichtgeschwindigkeit und

ΔA = Abstand zwischen zwei Wellenlängen, die vom Etalon um die

Wellenlänge A ausgesandt werden, und = dasselbe Intervall in Frequenzeinheiten,

die verschiedenen Größen durch folgende Gleichungen verknüpft sind: Af = c/2en ; Δλ = λ² . _c/2en.

Wenn es sich um Laser handelt, für die das Verstärkungsprofil

—3 relativ schmal ist, z.B. größenordnungsmäßig einige 10 MHz be-

-2 s? trägt, was wellenlängenmäßig einer Linienbreite von einigen 10 A entspricht, ist es möglich, ein Spektralintervall zwischen zwei ausgesandten. Moden, das von dieser Größenordnung ist, mit einem Fabry-Perot-Etalon einer Dicke von 2 cm zu erhalten. Umgekehrt,

—2 ο wenn die Profilbreite bedeutend größer als einige 10 A ist, was insbesondere der Fall ist bei bestimmten Festkörper- und Farbstoff -

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Lasern, ist es nicht mehr möglich, ein Fabry-Perot-Etalon zu erhalten, das nur einen schmalen Frequenzbereich aus dem gesamten Verstärkungsprofil herausschneiden Kann. Wenn z.B. die Breite des Verstärkungsprofils 200 A beträgt, muß das freie Spektralintervall des Etalon-Selektors ca. 100 A betragen, und die Dicke e fällt auf 30 um. Wenn es auch nicht unmöglich ist, ein derartiges Plättchen in aller Genauigkeit zu fertigen, so ist trotzdem ersichtlich, daß die Realisierung sehr schwierig ist, weil die Eigenschaften eines Fabry-Perot-Etalons zu einem großen Teil von der Parallelität seiner Flächen, deren Oberflächenzustand sowie von der Gesamtorientierung des Etalons abhängen, also sämtlich von Eigenschaften, die schwierig mit einem Plättchen so geringer Dicke zu unterhalten sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Easer mit einem Modenselektor zu schaffen, der die Erzielung einer Emission mit begrenztem Spektrum und abstimmbarer Wellenlänge gestattet und der die Nachteile der oben beschriebenen bisherigen Einrichtung überwindet.

Die Erfindung ist besonders geeignet für Laser mit Breitbandverstärkung, insbesondere Rubin-, Neodym- und Farbstofflaser, obwohl die Erfindung auch bei bestimmten Gaslasern, insbesondere Ionen-Lasern, anwendbar ist. ^;

Ein Lasergenerator begrenzten Spektrums und abstimmbarer · Wellenlänge, mit einem anregbaren Lasermedium in einem von zwei Spiegeln gebildeten Resonator ist gemäß der Erfindung gekennzeichnet durch zwischen dem Lasermedium und einem der beiden Spiegel ·

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angeordnete selektiv durchlässige Einrichtung, die aufweist einerseits ein Plättchen mit parallelen Flächen, das aus einem doppelbrechenden Material parallel zur optischen Achse ausgeschnitten ist» wobei die beiden Flächen mit Reflexionsbelägen bedeckt sind, und andererseits einen Polarisator, dessen Polarisationsrichtung einen Winkel von 45 zu den neutralen Fasern des Plättchens bildet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch das Prinzip der Auswahl einer Wellenlänge aus einem breiten Verstärkungsprofil,

Fig. 2 eine Einrichtung mit selektiver Durchlässigkeit unter Verwendung eines doppelbrechenden Fabry-Perot-Etalons,

Fig. 3 die Äquivalenz zwischen einem doppelbrechenden Fabry-Perot-Etalon mit einem Polarisator und zwei Fabry-Perot-Etalons unterschiedlicher Dicke, r

Fig. 4 zwei Kurven der Verluste, die durch Einsatz von zwei Fabry-Perot-Etalons unterschiedlicher Dicke entstehen, und

Fig. 5 schematisch einen Laser mit abstimmbarer Wellenlänge, der die Einrichtung selektiver Durchlässigkeit von Fig. verwendet.

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In Fig. 1 ist schematisch das Prinzip der Begrenzung bzw. Einengung des Emissionsspektrums eines Lasers und der Abstimmung der Wellenlänge der Emissionsstrahlung dargestellt.

In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Frequenz F aufgetragen, während auf der Ordinate sowohl der Verstärkungsfaktor G des Laserverstärkungsmediums als auch die Verluste P des Resonators aufgetragen sind, in dem eine Einrichtung selektiver Durchlässigkeit eingesetzt ist; der Einfachheit halber kann vorausgesetzt werden, daß die den Laserresonator bildenden Spiegel den gleichen Reflektionskoeffizient gleich Eins haben und daß die Verluste dieses Resonators nur auf eine Einrichtung selektiver Durchlässigkeit zurückzuführen sind, die für die Selektion eines.schmalen Frequenzintervalls vorgesehen ist. Eine Kurve G stellt die Änderungen des Verstärkungsfaktors des Laserverstärkungsmediums in Abhängigkeit von der Frequenz dar; die Breite am Grund dieser Kurve ist gleich AF. Wenn mit L die Resonatorlänge bezeichnet wird, beträgt das Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Resonanzmoden c/2L, was die Frequenzfolge der Longitudinalmoden definiert, die mit F , F , F usw. bezeichnet sind. Wenn die selektiv durchlässige Einrichtung durch ein Fabry-Perot-Etalon der Länge 1 gebildet ist, beträgt das freie Spektralintervall zwischen zwei durchgelassenen Frequenzen c/21. In Fig. 1 ist für die Frequenz F der Längsmode mit der Ordnungszahl η die Verstärkung des Verstärkermediums größer als die Verluste P des Resonators, so daß Schwingungen möglich sind; bei jeder anderen Frequenz sind die Verluste größer als die Verstärkung, so daß keine Schwingungen stattfinden.

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Damit eine einzige Längsmode in einem derartigen System schwingen kann, muß also einerseits die Breite des ausgewählten Frequenzbandes in der Aussparung der Kurve P kleiner als das Zwischenmodenintervall c/2L und anderer seits das freie Intervall c/21 größer als </\ F/2 sein. Ein Zahlenbeispiel gestattet, die Schwierigkeiten bei der Realisierung eines herkömmlichen einzigen Fabry-Perot-Etalons zu verstehen, das diese beiden Bedingungen erfüllt.

Bei einer Länge des Laserresonators von 50 cm beträgt das Inter-

-2 f

vall zwischen Longitudinalmoden 10 A, und wenn z.B. eine Breite Δ λ ^von 200 A. angenommen wird, errechnet sich die notwendige Feinheit bzw. Oberflächengüte des Fabry-Perot-Etalons zu:

κ ^c/21 - -i°— - in⁴

C / 2L ₁₀-2

Die Feinheit eines Fabry-Perot-Etalons, das mit Reflexionsschichten vom Reflexionskoeffizient R versehen ist, errechnet sich zu:

1 - R '

—4 was bedeutet, daß der Reflexionskoeffizient R gleich R = 1 - 3 · 10 0,9997 sein muß. Ein derartiger Reflexionskoeffizient kann unmöglich ohne beträchtliche Verluste realisiert werden. Andererseits wäre die

_ 4 erforderliche Planheit größenordnungsmäßig 2 Λ /10 , was ebenfalls mit den vorhandenen Technologien nicht erreicht werden kann.

Umgekehrt, wenn nur die Parameter der Feinheit und Planheit

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betrachtet werden, wäre es möglich, eine selektive Kurve wie die Kurve P mittels zweier Fabry-Perot-Etalons zu erhalten, deren Fein-

heit 10 beträgt; tatsächlich führt diese lösung zu Reflexionskoeffizienten R = 0,97 und zu Planheitskoeffizienten von A/50. Man weiß aber außerdem, daß eines der beiden Fabry-Perot-Etalons eine äußerst dünne Stärke aufweisen muß, und zwar von ca. 30 um nach dem oben gegebenen Zahlenbeispiel, was zu einer anderen praktischen Unmöglichkeit führt. ' '. ■ '

Die erfindungsgemäße selektiv durchlässige Einrichtung erlaubt nun, eine derartige Selektivität unter Vermeidung der oben dargelegten Schwierigkeiten zu erzielen. Diese Einrichtung ist in Fig. 2 dargestellt. Gemäß Fig. 2 fällt ein üchtbündel 10 nacheinander auf einen Polarisator 12 und ein Plättchen 14 mit parallelen Flächen und der Dikke e, wobei die Flächen mit Reflexionsbelägen 16 und 18 versehen sind. Das Plättchen 14 ist aus einem doppelbrechenden Material der mittleren Brechzahl η parallel zur optischen Achse dieses Materials geschnitten. Die Polarisationsrichtung des Polarisators 12 beträgt 45 zu der neutralen Faser des Plättchens 14. Das Lichtbündel 10 unterliegt einer Folge von Reflexionen an den Flächen 16 und 18, die zur Bildung von reflektierten Teilbündeln 0, 2, 4 usw. (die aus dem Resonator austreten und für die Verluste verantwortlich sind, die durch den Einsatz des Etalons hervorgerufen werden) und von durchgelassenen Teilbünde ha 1, 3, 5 usw. führen, deren Gesamtheit ein Gesamtbündel 20 bildet.

Die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet wie folgt:

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Daseinfallende Bündel 10 durchsetzt den Polarisator 12, der eine Polarisationsrichtung bevorzugt, der aber nicht notwendigerweise ein Totalpolarisator sein muß, wie noch erläutert werden wird. Der Einfachheit halber sei vorausgesetzt, daß die Polarisation der einfallenden Strahlung hinter dem Polarisator 12 vollständig und gemäß dem Pfeil 22 gerichtet ist, d. h. in der Zeichenebene liegt. Es sei ferner angenommen, daß der Polarisator vernachlässigbare Verluste zeigt. Wenn das Plättchen 14 nicht doppelbrechend wäre, würde es sich wie ein klassisches Mehrwellen-Interferometer oder Fabry-Perot-Etalon verhalten. Diese interferometrische Einrichtung führt zu einer maximalen Durchlässigkeit für eine Folge von Frequenzen, die um ein freies Spektralintervall beabstandet sind, das gleich c/2en ist.

Die Existenz einer Doppelbrechung im Plättchen 14 überlagert diesem rein interferometrischen Phänomen ein zweites Phänomen polarimetrischer Natur: Damit die Teilbündel 1, 3, 5 usw. konstruktiv interferieren können, müssen sie alle dieselbe Polarisation aufweisen. Nun haben die Teilbündel 1, 3, 5 usw. einmal, zweimal, fünfmal usw. das Plättchen 14 durchsetzt. Mit Δη = Brechzahlindex entlang zwei neutralen Fasern des doppelbrechenden Plättchens 14 errechnet sich der Phasenverschiebungswinkel Ay zwischen zwei aufeinanderfolgenden Teilbündeln zu:

Die Folge der Wellenlängen, für die die Bündel 1, 3, 5 usw. dieselbe Polarisation haben, ist daher definiert durch die Bedingung:

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2%

Mit k = ganzzahlig erhalt man bei Betrachtung der durchgelassenen Frequenzen F:

F = k

das freie Spektralintervall ist also

Bei polarimetrischer Betrachtungsweise kann man also davon ausgehen, daß das doppelbrechende Plättchen 14 einem Plättchen der optischen Dicke e ^n entspricht, das aus einem homogenen Material besteht und dessen interferometrisches Verhalten man untersucht.

Zusammenfassend und im Hinblick auf Fig. 3 kann gesagt werden, daß das doppelbrechende Plättchen 14 der Dicke e, der Brechzahl η und der Doppelbrechung An, das dem Polarisator 12 (vgl. Fig. 3a) zugeordnet ist, einem System von zwei Fabry-Perot-Etalons FP₁ und FP (Fig. 3b) entspricht, die die optischen Dicken e An bzw. en haben. Das Interesse an einer derartigen Einrichtung ist offensichtlich:

' —2 Da der Wert von Δη klein ist (für Quarz z. B. An = 10 ), führt das Fabry-Perot-Etalon FP zu großen freien Spektralintervallen, ohne daß Plättchen sehr geringer Dicke gefertigt werden müssen; außerdem kann jedes der beiden Fäbry-Perot-Etalons FP und FP zugängliche

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Werte von Feinheit und Planheit aufweisen, wie weiter oben erläutert wurde.

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Die Selektivität "der Anordnung von Polarisator und doppelbrechendem Etalon erhält man, indem die Verlustkurven, die durch den Einsatz der Fabry-Perot-Etalons FP und FP in den Läserresonator erhalten werden, überlagert werden. Diese Kurven sind in Fig. 4a und 4b abgebildet. Fig. 4a zeigt die Frequenzabhängigkeit der Verluste P , die vom Ersatz-Fabry-Perot-Etalon FP hervorgerufen werden, das zu einem freien Spektralintervall der Größe c/2eA führt. Die Kurve von Fig. 4b zeigt die Verluste des klassischen Fabry-Perot-Etalons der Dicke e, das zu einem bedeutend kleineren freien Spektralintervall der Größe c/2en führt. Die Selektion einer Schwingungsmode vollzieht sich also, wenn eine der Frequenzen F einer der Aussparungen der ersten Kurve einer der Frequenzen F einer der Aussparungen der zweiten Kurve entspricht. Da eine derartige Situation an sich unwahrscheinlich ist, ist vorzugsweise eine Einrichtung zur Einstellung des doppelbrechenden Etalons vorgesehen, um die beiden Selektivitätskurven abzustimmen. Diese Einrichtung kann von verschiedenem Aufbau sein:

1. Ausgehend von einer Stellung, wo das Plättchen 14 senkrecht zur Richtung der einfallenden Strahlung 10 steht, erzeugt eine Drehung des Plättchens um eine Achse parallel zur Polarisationsrichtung 22 ein Verschieben der Durchlässigkeitsfrequenzen des Fabry-Perot-Etalons FP₀; von dieser Stellung ausgehend ändert eine Drehung um eine Achse senkrecht zur geänderten Polarisationsrichtung auch die Wellenlängen, die durch das System FP„ und durch das System FP durchgelassen werden j die Rechnung zeigt übrigens, daß diese zweite Änderung der Wellenlänge eine lineare Funktion der

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- Il -

Drehung um diese Achse senkrecht zur Polarisationsrichtung ist. Man besitzt so ein erstes Mittel zum Einstellen der Kurve von Fig. 4b auf die von Fig. 4a.

2. Wenn die Temperatur des Plättchens geändert wird, ändert man dessen Doppelbrechung und so die vom Ersatz-Etalon FP durchgelassenen Wellenlängen ohne Änderung der vom Etalon FP durchgelassenen. Man kann also so die Kurve 4a auf die Kurve 4b einstellen .

3. Durch Ausüben eines einstellbaren Drucks auf das doppelbrechende Plättchen'ändert man ebenfalls dessen Doppelbrechung und das zugehörige Durchlässigkeitsspektrum.

4. Ein einstellbares doppelbrechendes Element kann dem festen doppelbrechenden Plättchen 14 hinzugesetzt werden. Dieses Element kann entweder ein doppelbrechendes Plättchen sein, auf das ein Druck ausgeübt oder dessen Temperatur geändert wird, oder ein isotropes Plättchen, auf das ein Druck ausgeübt wird, oder eine elektrooptische Kerr- oder Pockels-Zelle.

Die vollständige Anordnung eines Lasers mit begrenztem Spektrum und abstimmbarer Wellenlänge gemäß der Erfindung ist in Fig. gezeigt. Ein aktives oder Lasermedium 30, das geeignet durch eine Einrichtung 32 "gepumpt" bzw. angeregt wird, befindet sich in einem Resonator, der durch Spiegel 34 und 36 gebildet ist. Die selektiv durchlässige Einrichtung,. die weiter oben beschrieben wurde, be-

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findet sich zwischen dem Lasermedium 30 und einem der Spiegel, z. B. dem Spiegel 36. Diese Anordnung umfaßt das Plättchen 14, das mit seinen Reflektionsbelägen versehen ist, und den Polarisator 12. Das Plättchen kann auf einem Halter 40 montiert sein, der entlang zweier cartesischer Achsen senkrecht zur Laserachse ausrichtbar ist. Das doppelbrechende Plättchen kann in einem Thermostatgefäß 42 enthalten sein. Das vom so aufgebauten Lasergenerator abgegebene Bündel 38 hat ein begrenztes Spektrum und eine Wellenlänge, die abstimmbar ist entweder durch Drehung des Plättchens 14 mittels des Halters 40, durch Änderung der Temperatur des Thermostatgefäßes 42 oder durch irgendein anderes Mittel wie weiter oben beschrieben.

Der Polarisator 12, der sich im - Laserresonator befindet, braucht keine Totalpolarisation vorzunehmen. Bekanntlich genügt es, im Laserresonator geneigte homogene Plättchen vorzusehen, um total die induzierte bzw. angeregte Strahlung in der Einfallsebene dieser Plättchen zu polarisieren. Das Plättchen 12 kann z. B. aus geschmolzenem Quarz bzw. Siliziumoxid oder Kieselerde bestehen. Das doppelbrechende Plättchen 14 kann aus Quarz oder Spat gefertigt sein. Die Reflexionsbeläge auf den Flächen dieses Plättchens können alternierende multidielektrische Beläge sein.

Das Lasermedium kann ein Festkörper (Rubin, neodym-dotiertes Glas) oder eine Flüssigkeit (Farbstofflaser) oder ein Gas (Ionenlaser) sein.

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Claims (10)

1. 2343935

   Patentansprüche

   ί 1.)Lasergenerator begrenzten Spektrums und abstimmbarer Wellenlänge, mit einem anregbaren Lasermedium in einem von zwei Spiegeln gebildeten Resonator, gekenn ze ichnet durch eine zwischen dem Lasermedium (30) und einem der beiden Spiegel (34, 36) angeordnete· selektiv durchlässige Einrichtung, die aufweist einerseits ein Plättchen (14) mit parallelen Flächen, das aus einem doppelbrechenden Material parallel zur optischen Achse ausgeschnitten ist, wobei die beiden Flächen mit Reflexionsbelägen (16, 18) bedeckt sind, und andererseits einen Polarisator (12), dessen Polarisationsrichtung einen Winkel von 45 zu den neutralen Fasern des Plättchens bildet „
2. 2. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisator (12) ein transparentes Plättchen ist, das gegen die Generator-Achse geneigt ist (Fig. 5).
3. 3. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (14) mit den parallelen Flächen an einem Halter (40) befestigt ist, der entlang zweier cartesischer Achsen in einer Transversalebene ausrichtbar ist, um die Emissionswellenlänge des Generators abzustimmen.
4. 4. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (14) in einem Thermostatgefäß (42) regelbarer Temperatur angeordnet ist.

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5. 5. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiv durchlässige Einrichtung Mittel zur Ausübung eines einstellbaren Druckes auf das Plättchen (14) mit den parallelen Flächen aufweist.
6. 6. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektiv durchlässige Einrichtung ein zweites doppelbrechendes Plättchen mit parallelen Flächen aufweist, das im wesentlichen parallel zum ersten Plättchen angeordnet ist, sowie Mittel zur Änderung der Doppelbrechung des zweiten Plättchens.
7. 7. Lasergenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Plättchen aus einem elektrooptischen Material besteht, und daß das Mittel zum Ändern der Doppelbrechung durch einstellbare elektrische Spannungsquellen gebildet ist.
8. 8. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsbeläge (16, 18) auf den Flächen des Plättchens (14) einen Reflexionskoeffizient von mehr als 80 % haben.
9. 9. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (30) ein neodymdotiertes Glas ist.
10. 10. Lasergenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermedium (30) eine flüssige Lösung ist, in der ein Farbstoff aufgelöst ist.

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