DE2531648A1

DE2531648A1 - Laser mit einem laserresonator

Info

Publication number: DE2531648A1
Application number: DE19752531648
Authority: DE
Inventors: Gregor Cremosnik
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1974-08-28
Filing date: 1975-07-15
Publication date: 1976-03-11
Also published as: FR2283569B1; CH582433A5; IT1042024B; NL169126C; GB1489821A; IL47919A; NL7507653A; DE7522531U; US4024466A; FR2283569A1; IL47919A0

Description

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Weiterleitung erhalten

Patentanwälte
Dipl.-lng. H. Lesser 25316^8

O. Flügel

Werkzeugmaschinenfabrik Ocriikon-Bührle AG

8O5O Zürich

Laser mit einem Laserresonator

Die Erfindung betrifft einen Laser mit cineni Laserre3onator, der zwischen zwei Spiegeln einen Laserstab und eine elektrooptische Modulationseinrichtung aufweist, die au3 einem Poiarisatlons-Elerr.ent und einem Bauelement besteht, das einen elektrooptischen Kristall enthält, an dessen gegenüberliegenden Seiten Elektroden angeordnet sind.

Es sind einrichtungen dieser Art bekannt, deren optische Flüchen mit Antlref lexionsschichtcn versehen werden , um die a<-··."tretenden Reflexionsverluste möglichst klein ^u halten. Die AntirefIcxiori3-schichten haben aber den Nachteil. dasa sie unter der hohen De-

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lastung der Laserstrahlung im Laserresonator beschädigt werden, und dass sie auf hygroskopische elektrooptisch^ Kristalle, insbesondere KDP und KD„P (Kalium-Didenterium-Phosphat) nur schwer aufzutragen sind und daher nur eine kurze Lebensdauer aufweisen.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden und eine Einrichtung zu schaffen, bei der die Reflexionsverluste ohne Antireflexionsschichten möglichst klein gehalten werden können.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden reflektierenden Flächen des Kristalles und des Polarisationsprismas eine Planität von weniger als ein Zehntel der Wellenlänge des Laserlichtes und zueinander eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen zur Erhöhung der gespeicherten Energie im Laserresonator und der Ausgangsleistung. Ausserdem sind die genannten Elemente der Modulationseinrichtung zu den Spiegeln genau auszurichten. Der Reflexionsgrad des Laserausgangsspiegels wird so angepasst, dass zusammen mit den Teilreflexionen an den optischen Flächen der Modulationseinrichtung ein optimaler Laserausgangsstrahl erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel ist im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung ausführlich beschrieben., es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Aufbau des Laserresonators; Fig. 2 einen Schnitt durch ein Bauelement mit dem elektrooptischen Kristall der Modulationseinrichtung, und

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Fig. 3 einen Schnitt durch einen Brewoter-Polarlsator der Modulatlonseinrichtung.

Gemäss Fig. 1 weist der Laserresonator einen ersten vollständig reflektierenden Spiegel 10 und einen zweiten teilweise reflektierendtn Spiegel 11 auf. Für den vollständig reflektierenden Spiegel ist der Reflexionsgrad nahe R=I, und für den teilweise reflektierenden Spiegel variiert der Reflexionsgrad R zwischen 0,4 - 0,9· Zwischen diesen beiden Spiegeln 10 und 11 sind eine Modulatlonseinrichtung mit

a) einem Bauelement 12 - dos einen elektrooptischen Kristall 13 enthält - und mit

b) einem Brewster-Polarlsator 15, Polarisationsprisma oder dielektrischem Polarisator

sowie ein Laserstab lh angeordnet, die im folgendem ausführlich beschrieben sind.

Das Bauelement mit dem elektrooptischen Kristall Die elektrooptische Modulationseinrichtung wird auch als Pockelszelle bezeichnet und verhält sich ähnlich wie eine Kerrzelle. Das Bauelement 12 der Modulationseinrichtung weist einen Kristall 15 auf, vorzugsweise wird ein KDpP (Kaliurn-Didenterium-Phüsphat)-Krlstall in Würfelform verwendet, der eine Kanuenlänge von 0,5 1 Zoll aufweist. Für einen Strahidurchmesser bis zu 8 mm genügt eine Kantenlüngc von 0,5", für einen Strahldurchmesser von 12 mm ist ein Würfel von 0,75" Kantenlänge erforderlich und iür ein^n Strahldurchmeöser bis zu 20 mm ist ein Kristallwürfel von l" Kantenlänge notwendig.

Der KD₀P-Krista11 15 ist stark hygroskopisch, es ist daher notwendig, Ihn durch besondere Massnahmen vor Feuchtigkeit zu schützen.

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Wichtig ist ferner, dass die Flächen, an denen der Laserstrahlein- und austritt genau bearbeitet sind. Die Abweichung von der Planität darf nur λ/ΙΟ, d.h. etwa ΙΟ"-⁵ cm betragen und die Abweichung von der Planparallelität soll nicht grosser als 5 Eogensekunden sein,- Ausserdem sollen diese Flächen parallel zu den Flächen der Spiegel 10 und 11 sein, d.h. die Abweichung soll auch hier nicht grosser als 5 Bogensekunden sein.

Der Kristall 15 befindet sich in einem inneren Gehäuse 16, daa vorzugsweise" aus Teflon hergestellt ist. Die Länge dieses Gehäuses l6 ist etwas kleiner als die Länge oes Kristalles 15» wodurch ein einwandfreier Kontakt zweier vergoldeter Elektroden 17 mit einer auf die entsprechenden Kristallflächen aufgedampften Goldschicht erreicht wird.

In Nuten des inneren Gehäuses l6 sind Dichtungsringe l8 angeordnet , an denen die Elektroden 17 dichtend anliegen. In Nuten der Elektroden 17 sind weitere Dichtungsringe 19 angeordnet, an denen Quarzglasfenster 20 dichtend anliegen. Damit der Kontakt zwischen den Elektroden 17 und der Goldschicht am Kristall 15 einwandfrei gewährleistet ist, sind die Nuten l8 am inneren Gehäuse l6 etwas breiter als die Nuten 19 an den Elektroden 17·

Die Messing-Elektroden 17 sind au]¹ beiden Seiten fein poliert, bevor die dünne Goldschicht aufgetragen wird.-

Durch die Dichtungsringe 18 und 19 wird eine Dichtung erreicht, welche den Kristall 15 einwandfrei vor Feuchtigkeit schützt.

Was über die Bearbeitung des Kristalles gesagt wurde, gilt auch

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für die Bearbeitung der Quarzglasfenster 20. Die Abweichung von der Planität darf nur Λ/10, d.h. etwa 10""⁵ cm betragen, und die Abweichung von der Planparallelität soll nicht grosser als 5 Bogensekunden sein, /,usserdem sollten diese Flächen der -iuarzglasfenster 20 parallel zu den Flächen der Spiegel 10 und 11 sein, d.h. die Abweichung sollte auch hler nicht grosser als 5 Bogensekunden sein. Um diese genaue Einstellung der Quarzglasfenster 20 zu vermelden, können stattdessen auf beiden Seiten Antireflexior.s schichten aufgedampft werden. In diesem Falle darf die Abweichung dieser Flächen von der Planparalleliuät im optischen Resonator einige Grad betragen. Das Ziel der Erfindung 1st es jedoch, Antireflexionsschicht^! zu vermeiden.

Der Kristall 15 mit dem inneren Gehäuse l6, den Elektroden 17 und den Fenstern 20 befindet sich In einem äusseren Gehäuse 21, das ebenfalls aus Teflon hergestellt 1st . wodurch eine zuverlässige Isolation gegenüber einem metallischen Gehäuse 22 gewährleistet ist. Diese Isolation ist notwendig, da an die Elektroden 17 Spannungen bis zu 6 Kilovolt angelegt werden und die Schaltzeiten unter 10 Nanosekunden liegen. Das äussere Gehäuse 21 isu durch einen Deckel 23 verschlossen. Damit die Quarzglasfenster 20 nicht vollständig am Gehäuse 21. bzw. am Deckel 23 anliegen, 3ind Nuten 2h vorgesehen, wodurch eine gewisse Federwirkung erreicht wird. In diese Nuten 2h können ebenfalls Dichtungsringe eingelegt werden.

Der Polarisator

Als Polarisator kann entweder ein Brewster-Polarisator gemäss FIg. 3 oder ein anderer geeigneter Polarisator, z.B. ein Glan-

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Polarisator^Prisrna oder ein dielektrischer Polarisator verwendet werden. Der Wirkungsgrad des Drewater-Polarisatora liegt bei 60%.

Der Brewster-Polarlsator weiat fünf Plättchen 25 aus optischem Glas auf. Diese Plättchen 25 sind um den sogenannten Brewster-Winkel /η= 29° 16' geneigt. Der Polarisationsgrad 1st von der Anzahl der Plättchen sowie.vom BrechungsIndex des optischen Glases abhängig. Es genügen fünf Plättchen, da der Laserstrahl aus dem Laserstab 14 schon teilweise polarisiert ist, da eine grössere Anzahl Plättchen keinen grossen Gewinn bringt, und da jedes Plättchen 25 eine Dämpfung des Laserresonator3 bringt und daher ein Kompromiss geschlossen werden muss.

Die Glasplättchen 25 sind mit der gleichen Genauigkeit wie die Quarzglasfenster 20 zu bearbeiten. Zwischen den Plättchen 2^:j sind genau hergestellte Aluminiumfolien angeordnet, welche einen genauen Abstand zwischen den Plättchen und eine genaue Parallelität der Plättchen gewährleisten.

Die Plättchen 25 befinden sich in einen Rohr 26 und werden zwischen zwei Hülsen 27 und 28 gehalten.

Das Rohr 26 weist an seinem linken Ende einen Flansch 30 auf, an dem sich die Hülse 27 abstützt. An dieser Hülse liegen die fünf Plättchen 25 mit den dazwischen angeordneten Aluminiumfolien an. Durch die Hülse 28 werden die Plättchen 25 aneinander gepresst. Eine Mutter 29, die in das rechte Ende des Rohree 26 eingeschraubt ist, drückt die Hülse 28 gegen die Plättchen 25·

Die Wirkungsweise des beschriebenen Laserresonacors ist wie folgt:

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Der Laserstab iA biiöei Aiaamraen u\U einer McM Lichtquelle ein aktives Medium, das Licht durch Anregung von Atomen zunächst regellos in alle Raumrichtungen aussendet. Ein Teil dieses Lichtes fällt senkrecht auf einen der beiden Spiegel 10 und 11 und dieser Spiegel 10 oder 11 reflektiert das Licht zurück in den Lasers tab 14. Dieses reflektierte Licht wird im Laserstab I^ verstärkt und vorn anderen Spiegel 11 oder 10 reflektiert, läuft wieder durch den Laserstab lh und wird nochmals verstärkt usw. Innerhalb kürzester Zeit baut sich zwischen den beiden Spiegeln 10, 11 aus der spontanen Emission eine sehr intensive Strahlungsdichte auf. Da der eine Spiegel nur teilreflektierend und aus3erdem teilweise transparent ist, kann ein Teil des Lichtes aus dem Resonator austreten.

Bei hohen Lichtintensitäten arbeitet der Laserresonator nicht mehr al3 linearer Verstärker; die Verstärkung nimmt ab. Es stellt sich schliesslich ein Gleichgewicht ein zwischen den Verlusten durch Streuung, Reflexion und Beugung des Lichtes und der Verstärkung. Im stationären Betrieb wird das Licht gerade soviel verstärkt wie es durch die genannten Verluste geschwächt wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Verluste möglichst klein zu halten. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass zusätzlich zu dem genannten Resonator, der aus den beiden Spiegeln 10, 11 und dem Laserstab 14 besteht, weitere Resonatoren, d.h. Teilresonatoren gebildet werden. Ein solcher Teilresonator besteht aus zwei reflektierenden Flächen. Reflektierende Flächen sind am Kristall l^.atn Polarisauion&Prisma IJ und an den

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Quarzglasfenstern 20 vorhanden. Polls diese reflektierenden Flächen sehr genau parallel zu den Flächen der Spiegel 10, 11 und parallel zueinander ausgerichtet werden, und falls die Planität dieser Flächen sehr genau ist, dann gelingt es, die zusätzlichen Verluöte durch Streuung und Reflexion, die durch den Einbau der Modulationseinrichtung in den Laserresonator erzeugt werden, durch die Teilresonatoren auszugleichen und den Wirkungsgrad der ganzen Laseranordnung zu verbessern.

Bei der Bestimmung de3 Rei'lcxionsgrades für den teilweise reflektierenden Spiegel sind die Teilresonatoren zu berücksichtigen.

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Claims

g M 253164» Patentansprüche

1. ,Laser mit einem Laserresonator, der zwischen zwei Spiegeln einen Laserstab und eine elektrooptisch^ Modulationseinrichtung aufweist, die aus einem Polarisations-Element und einem Bauelement besteht, das einen elektrooptischen Kristall aufweist, an dessen gegenüberliegenden Seiten Elektroden angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden reflektierenden Flächen des Kristalles (15) und des Polarisationsprismas (13) eine Planität von weniger als ein Zehntel der Wellenlänge des Laserlichtes und zueinander eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen zur Erhöhung der gespeicherten Energie im Laserresonator und der Ausgangsleistung.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden reflektierenden Flächen des Kristalles (15) und des Polarisationsprismas (13) zu den reflektierenden Flächen der Spiegel (10, 11) des Laserresanators eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche optischen Flächen der Modulationseinrichtung (12, 13) zueinander eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen.

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A. Lnser nach Anspruch 1 , dauurcn ^ekeiii,.ueichn<-i . cass der- Reions^rad des einen LaGcrspicr.eia (il) ciotrj Laserr-fcjsoi.aLor th £0 na mi ι. f Ii Tcilresoruiuorcn nnjjcpaosl l3t.

ORIGINAL INSPEC-rn 8-1 1/0602