DE2613347A1

DE2613347A1 - Lasergenerator

Info

Publication number: DE2613347A1
Application number: DE19762613347
Authority: DE
Inventors: Albert Brule; Michele Leblanc; Guy Ripart
Original assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Current assignee: Compagnie Industriel des Lasers CILAS SA
Priority date: 1975-04-03
Filing date: 1976-03-29
Publication date: 1976-10-14
Also published as: SE405915B; BE839372A; GB1515985A; IT1058549B; CH607379A5; JPS51123093A; FR2306550B1; NO761100L; SE7603907L; US4099141A; NL7603544A; FR2306550A1

Description

Fo 9839 D 2 9. März 1976

OipL-lng. Jürgen WEINMILLER 261 3 3 A

P AXEN T ASS ESSOR

SOSF*! GmbH

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Zeppelinstr. 63

COMPAOTIE INDUSTRIELLE DES LASERS Route de Nozay, 91460 MARCOUSSIS Frankreich

LASERGENERATOR

Die Erfindung betrifft Lasergeneratoren.

Es sind Lasergeneratoren bekannt, die im wesentlichen einen optischen Resonanzraum, den sog. Perot-Fabry¹sehen Raum, der durch zwei Spiegel begrenzt wird, ferner ein in diesem Resonanzraum untergebrachtes aktives Material sowie Mittel zur Erregung dieses aktiven Materials umfassen, mit denen in diesem Resonanzraum eine Schwingung erzeugt werden kann. Man weiß auch, daß die Divergenz der von derartigen Generatoren gelieferten Laserstrahlen mit zunehmender Länge des Resonanzraums geringer wird.

Will man einen nur wenig divergierenden Laserstrahl erzeugen, so muß die Länge des Resonanzraums vergrößert werden, wodurch sich für die entsprechenden Lasergeräte sehr große Abmessungen ergeben.

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Um die Länge derartiger Generatoren zu verringern, hat man Lasergeneratoren mit einem gefalteten Resonanzraum geschaffen, wie er beispielsweise schematisch in Fig. 1 dargestellt wird. Zu diesem Laser gehören ein Stab aus einem aktiven Material 1, der in einem von zwei Spiegeln 2 und 3 begrenzten optischen Resonanzraum angeordnet ist, sowie Mittel (hier nicht dargestellt) zur Erregung dieses Materials, die in dem Resonanzraum eine Strahlung hervorrufen. Ein zur Ebene des Spiegels 2 senkrecht verlaufender Strahl 4 trifft, nachdem er nacheinander auf Umkehrspiegeln 6, 7 und 8 reflektiert wurde, entlang der Richtung 5 auf den Spiegel 3 senkrecht zu dessen Ebene. Der Spiegel 3 ist halb lichtdurchlässig, damit ein Laserstrahl 9 den Resonanzraum verlassen kann. Die Umkehrspiegel sind wie in der Figur angegeben so angeordnet, daß ein gefalteter Resonanzraum gebildet wird, der aus mehreren aufeinanderfolgenden Abschnitten besteht. Es ist klar, daß dis Längsabmessung dieses ^Kesonanzraums wesentlich kleiner ist als bei einem gleichwertigen geradlinigen Resonanzraum. Jeder Spiegel des Lasers sitzt auf einem Halter j diese Halter werden in geeigneter Weise ausgerichtet und sind auf einer Referenzfläche des Lasergehäuses befestigt.

Derartige bekannte Laser gemäß Fig. 1 weisen bestimmte Nachteile auf.

Ihre optische Einstellung ist schwierig zu erreichen. Schon bei Lasern mit langem geradlinigem Resonanzraum müssen die Spiegel vollkommen parallel zueinander ausgerichtet sein, damit vermieden wird, daß die Strahlung den Resonanzraum verläßt. In den Lasern mit gefaltetem Resonanzraum, wie er in Fig. 1 darge-

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stellt ist, müssen alle Spiegel 6, 7, 8 und 3 sehr genau eingestellt werden, da sonst der Strahl 5 auf dem Spiegel 3 unter einem von 90 verschiedenen Winkel eintrifft und der von diesem Spiegel reflektierte Strahl den Resonanzraum verläßt.

Außerdem ist die optische Einstellung dieser Laser nicht dauerhaft stabil, insbesondere wenn der Lasergenerator schwierigen Umweltbedingungen ausgesetzt wird (Temperaturunterschiede, Stoße, Vibrationen), was bei für militärische Anwendungszwecke vorgesehenen Lasern der Fall ist.

Die Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu beheben und einen Lasergenerator mit gefaltetem Resonanzraum zu schaffen, dessen optische Regelung sehr einfach ist und auch unter schwierigen Betriebsbedingungen stabil bleibt.

Gegenstand der Erfindung ist ein Lasergenerator mit einem gefalteten optischen Resonanzraum, der durch zwei ebene Spiegel begrenzt wird, von denen ein erster Spiegel vollkommen reflektiert und ein zweiter Spiegel teilweise lichtdurchlässig ist, mit einem in dem Resonanzraum untergebrachten aktiven Material und mit Mitteln zur Erregung dieses aktiven Materials, mit denen in dem Resonanzraum eine Strahlung hervorgerufen wird, wobei ein Teil der Strahlung durch den zweiten Spiegel den Resonanzraum verläßt, um einen Laserstrahl zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ebenen Spiegel nebeneinander praktisch in derselben Ebene angeordnet sind, wobei die reflektierenden Flächen dieser Spiegel auf einer gemeinsamen Seite dieser Ebene liegen, und daß der Lasergenerator einen spiegelnden Trieder aufweist, der so angeordnet ist, daß durch aufeinanderfolgende Reflexionen auf den

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Seiten dieses Trieders die von einem der beiden ebenen Spiegel kommende Strahlung auf den anderen Spiegel geleitet wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von fünf Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 stellt schematisch einen Lasergenerator bekannter Bauart dar, wie er weiter oben beschrieben wurde.

Fig. 2 stellt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasergenerators dar.

Fig. 3 zeigt ein zum in Fig. 2 gezeigten Lasergenerator gehörendes Teil.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Generators.

Fig. 5 stellt eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Generators dar.

In Fig. 2 ist ein Lasergenerator gezeigt, der im wesentlichen einen gefalteten optischen Resonanzraum aufweist. Die Länge dieses Resonanzraums wird durch zwei aufeinanderfolgende geradlinige Abschnitte 10 und 11 bestimmt. Begrenzt wird der Resonanzraum durch zwei Spiegel 12 und 13, wobei der Spiegel 12 vollkommen reflektiert, während der Spiegel 13 teilweise lichtdurchlässig ist. Ein aktives Material 14, beispielsweise ein mit Neodym dotierter Glasstab, liegt im Innern des Resonanzraums. Mittel (hier nicht dargestellt) zur Erregung des aktiven Materials 14 erzeugen in diesem Resonanzraum eine Strahlung, von der ein Teil durch den Spiegel 13 nach außen treten kann, um einen Laserstrahl 15 zu bilden.

Gemäß einer erfindungsgemäßen Anordnung liegen die Spiegel 12 und 13 nebeneinander praktisch in einer Ebene 16. Die

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reflektierenden Flächen dieser Spiegel befinden sich auf einer gemeinsamen Seite dieser Ebene, wobei diese Seite natürlich gleichzeitig auch diejenige ist, auf der sich die Abschnitte IO und befinden. Die beiden Spiegel 12 und 13 können auf einem Halter befestigt sein; bei diesem Halter handelt es sich beispielsweise um eine optische Scheibe 17, von der ein Teil der Vorderfläche derart behandelt ist, daß die Strahlung vollkommen reflektiert wird, wodurch sich dann der Spiegel 12 ergibt, während ein anderer Bereich so behandelt ist, daß lediglich ein Teil der auftreffenden Strahlung reflektiert wird, während der andere Teil durchgelassen wird; dieser Bereich ist dann der Spiegel 13.

Ein spiegelnder Trieder, der schematisch unter dem Bezugszeichen 18 dargestellt ist, ist so angeordnet, daß die vom Spiegel 12 kommende Strahlung 10 durch aufeinanderfolgende Reflexionen auf seinen ebenen Flächen zum Spiegel 13 reflektiert wird.

Fig. 3 zeigt eine räumliche Ansicht eines solchen spiegelnden Trieders. Er umfaßt drei ebene Flächen 19, 20 und 21, die paarweise zueinander senkrecht stehen und einen rechteckigen Trieder mit der Spitze 22 bilden. Diese ebenen Flächen bestehen entweder aus Glas oder aus Metall und sind innen poliert, damit die konkave Oberfläche des Trieders reflektierend ist. Fällt ein Lichtstrahl 23 an der Stelle 24 auf die reflektierende Fläche des Trieders 18, so wird der Lichtstrahl an der Stelle 25 an der Fläche 20 und an der Stelle 26 an der Fläche 21 reflektiert und verläßt als Strahl 27 den Trieder. Es ist bekannt, daß die Lichtstrahlen 23 und 27 dann zueinander parallel verlaufen, wobei diese Parallelität in großem Maße vom Einfallswinkel des Lichtstrahls auf der Fläche 19 unabhängig ist.

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ORIGfNAL INSPECTED

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Ein Lichtstrahl 10 wird also senkrecht zur Ebene des Spiegels 12 durch den Trieder 18 entlang einem parallel zum Strahl 10 verlaufenden Strahl 11 zum Spiegel 13 geworfen. Da sich der Spiegel 13 in derselben Ebene befindet wie der Spiegel 12, trifft der Strahl 11 notwendigerweise senkrecht auf die Ebene des Spiegels 13.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 erfordert keine genaue optische Einstellung, und ihre Betriebsweise unterliegt keiner Gefahr, durch Temperatüränderungen, Stöße oder Vibrationen beeinträchtigt zu werden, da die Parallelität der Strahlen 10 und 11 von der Ausrichtung des Trieders 18 weitgehend unabhängig ist.

In der Praxis jedoch erfordert die Erzielung einer genauen Parallelität zwischen den Strahlen 10 und 11 eine sehr hohe Präzision bei der Herstellung der Reflexionsflächen des Trieders, woraus sich ein hoher Herstellungspreis ergibt. Mit einem der normalen Fabrikation entstammenden spiegelnden Trieder bilden die Strahlen 10 und 11 untereinander einen zwar nur sehr kleinen Winkel, der jedoch bereits ausreicht, das einwaidfreie Arbeiten des Resonanzraums zu gefährden.

Zum Ausgleich dieses Winkelfehlers kann in den Resonanzraum eine optische Vorrichtung eingeführt werden, die die Strahlung um einen Winkel ablenken kann, der im Werte gleich und in der Richtung dem Fehlerwinkel entgegengesetzt ist. Bei dieser optischen Vorrichtung kann es sich beispielsweise um ein Diasporameter handeln, das zwei optische Prismen aufweist, die mit einer ihrer Flächen aufeinander liegen, wobei jedes dieser Prismen um eine durch ihre Frontflächen verlaufende Achse gedreht werden kann, In Fig. 2 ist im Resonanzraum ein Diasporameter dargestellt, das

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zwei Prismen 28 und 29 umfaßt, die von einer Frontseite zur anderen von der Strahlung durchlaufen werden, wobei ihre Rotationsachse mit der Achse der Strahlung zusammenfällt. Auf diese Weise kann man eine vorbestimmte Abweichung der Strahlung erreichen, die ganz genau einen evtl. vom Trieder 18 eingeführten Winkelfehler ausgleicht, indem die Lage der Prismen 28 und 29 um ihre Rotationsachse in geeigneter Weise eingestellt wird.

Dieser Winkelfehler kann aber auch dadurch kompensiert werden, daß einer der Spiegel im ^esonanzraum im Verhältnis zum anderen geneigt wird. Hierzu kann der Halter des vollkommen reflektierenden Spiegels derart bearbeitet werden, daß dieser Spiegel die gewünschte Neigung aufweist. Auch kann der Halter des vollkommen reflektierenden Spiegels auf einem Kugelgelenk 20 montiert werden, wie es in Fig. 4 gezeigt wird.

Zwar kann die Kompensation des durch den Trieder eingeführten Winkelfehlers eine genaue optische Einstellung eines der Spiegel im optischen Resonanzraum erforderlich machen. Jedoch ist dies die einzige durchzuführende genaue Feineinstellung, während die bekannte Vorrichtung aus Fig. 1 vier derartige genaue Einstellungen benötigt.

Zudem ist die aufeinander bezogene Ausrichtung der Spiegel 12 und 13 im Resonanzraum, die in fester Stellung nebeneinander liegen, wesentlich weniger empfindlich gegenüber von außen kommenden Störungen, als wenn sie an den beiden Enden eines sehr langen geradlinigen Hohlraums angeordnet wären.

Wird die Winkelkompensation mit Hilfe eines Diasporameters durchgeführt, so wird dieses so vorgesehen, daß eine relativ starke Drehung der Prismen eine sehr geringe Ablenkung der

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ORIGINAL INSPECTED

Lichtstrahlen hervorruft : ein ungewolltes Verstellen dieser Prismen hat dann nur einen geringen Einfluß auf den Wert des Ablenkungswinkels.

Mit Hilfe der oben beschriebenen Mittel zur Kompensation des durch den Trieder eingeführten Winkelfehlers kann darüber hinaus jeder andere Winkelfehler ausgeglichen werden, der beispielsweise durch einen Fehler in der Parallelität der Frontflächen des Stabs aus aktivem Material oder einer optischen Pockelzelle hervorgerufen wird, die evtl. zur Auslösung eines Laserimpulses im Resonanzraum untergebracht ist.

In Fig. 5 wird eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die insbesondere dann empfehlenswert ist, wenn man einen Lasergenerator für einen Laserstrahl sehr geringer Divergenz erhalten möchte, wie im Fall gemäß Fig. 2 sind die Spiegel 12 und 13 auch hier nebeneinander in einer Ebene angeordnet, jedoch wird die von den Spiegeln 12 und 13 kommende Strahlung durch aufeinanderfolgende Reflexionen auf zwei Umkehrspiegeln 31 und 32 zum spiegelnden Trieder 18 zurückgeworfen. Der Trieder 18, der Spiegel 12 und der Spiegel 13 können dann vorteilhafterweise auf einem gemeinsamen Halter 33 befestigt sein. Der optische Resonanzraum umfaßt somit vier aufeinanderfolgende und untereinander parallel Abschnitte 34, 35, 36 und 37, wodurch die Gesamtlänge des auseinandergefalteten Resonanzraums leicht 60 bis 100 cm erreichen kann.

Bei dieser Anordnung sieht man, daß selbst, wenn die Ausrichtung der Spiegel 31 und 32 unter dem Einfluß äußerer Störwirkungen leicht verändert wird, der Resonanzraum seine Wirksamkeit auch dann beibehält, da die Strahlen 34 und 37 zwangsläufig

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untereinander parallel und zur Ebene 16 der Spiegel 12 und 13 senkrecht liegen. Bevor eine Verstellung der Umkehrspiegel dem einwandfreien Betrieb des Lasergenerators abträglich wird, müßte die Strahlung bereits neben die Nutzfläche der Spiegel fallen oder außerhalb des aktiven Lasermaterials verlaufen; dann würde es sich jedoch bereits um sehr große Verstellungen von der Größenordnung einer Bogenminute handeln, während von außen einwirkende ' Störgrößen im allgemeinen Verstellungen in der Größenordnung einer Bogensekunde herbeiführen.

In einer besonderen Ausführungsform der in Pig. 5 dargestellten Vorrichtung können die beiden Umkehrspiegel 31 und 32 aus den beiden reflektierenden Flächen eines optischen total reflektierenden Prismas (hier nicht dargestellt) bestehen.

Die Mittel zum Ausgleich des durch den Trieder eingeführten Winkelfehlers, die unter Bezugnahme auf die in Pig. 2 dargestellte Vorrichtung beschrieben wurden, können selbstverständlich in derselben Weise auch auf die in Fig. '*5 dargestellte Vorrichtung Anwendung finden.

Der erfindungsgeraäße Lasergenerator kann in all den Fällen eingesetzt werden, wo unter schwierigen Umweltbedingungen ein Laserstrahl mit geringer Divergenz erzeugt werden soll und wo eine geringe Längenabmessung des Geräts notwendig ist. Dieser Lasergenerator kann insbesondere bei der Herstellung von Entfernungsmessern und zu Beleuchtungszwecken verwendet werden.

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Claims

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- 10 PATEOTANS PRÜCHE

1 -f Lasergenerator mit einem gefalteten optischen Resonanzraum, der durch zwei ebene Spiegel begrenzt wird, von denen ein erster Spiegel vollkommen reflektiert und ein zweiter Spiegel teilweise lichtdurchlässig ist, mit einem in dem Resonanzraum untergebrachten aktiven Material und mit Mitteln zur Erregung dieses aktiven Materials, mit denen in dem Resonanzraum eine Strahlung hervorgerufen wird, wobei ein Teil der Strahlung durch den zweiten Spiegel den Resonanzraum verläßt, um einen Laserstrahl zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ebenen Spiegel (12, 13) nebeneinander praktisch in derselben Ebene (16) angeordnet sind, wobei die reflektierenden Flächen dieser Spiegel auf einer gemeinsamen Seite dieser Ebene liegen, und daß der Lasergenerator einen spiegelnden Trieder (18) aufweist, der so angeordnet ist, daß durch aufeinanderfolgende Reflexionen auf den Seiten (19, 20, 21) dieses Trieders die von einem der beiden ebenen Spiegel (12, 13) kommende Strahlung (10, 11) auf den anderen Spiegel geleitet wird.

2 - Lasergenerator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ebenen Spiegel (12,13) auf einem gemeinsamen Halter (17) befestigt sind.

3 - Lasergemrator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden ebenen Spiegel (12,13) so angeordnet sind, daß ihre Ebenen untereinander einen kleinen vorbestimmten Winkel einschließen.

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4 - Lasergenerator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (28, 29) aufweist, mit denen im optischen Resonanzraum des Strahls (11) um einen vorbestimmten Winkel abgelenkt werden kann.

5 - Lasergenerator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er darüber hinaus zwei Umkehrspiegel (31, 32) aufweist, die so angeordnet sind, daß sie die von den beiden ebenen Spiegeln (12, 13) stammende Strahlung (37, 34) zum Trieder (18) zurückwerfen, so daß der Resonanzraum zwischen den beiden ebenen Spiegeln (12,13) vier aufeinanderfolgende Abschnitte (37, 36, 35, 34) umfaßt, die praktisch untereinander parallel verlaufen.

6 - Lasergenerator gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (17) aus einer optischen Scheibe (17) besteht, deren eine Fläche einen ersten Abschnitt umfaßt, auf dem die Strahlung (10) vollkommen reflektiert wird, so daß auf diese Weise der erste Spiegel (12) gebildet wird, sowie einen zweiten Bereich, an dem der von ihm empfangene Strahl (11) teilweise reflektiert wird und teilweise durchgelassen wird, so daß auf diese Weise der zweite Spiegel (13) gebildet wird.

7 - Lasergenerator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Umkehrspiegel (31,32) aus jeweils einer der reflektierenden Flächen eines total reflektierenden optischen Prismas bestehen.

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8 - Lasergenerator gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trieder (18) und die beiden ebenen Spiegel (12, 13) auf einem gemeinsamen Halter (33) befestigt sind.

9 - Lasergenerator gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß er Mittel (30) umfaßt, mit denen die Ausrichtung eines der beiden ebenen Spiegel (12, 13) im Verhältnis zum anderen veränderbar ist.

10 - Lasergenerator gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ablenkung der Strahlung im £esonanzraum um einen kleinen vorbestimmten Winkel zwei optische Prismen (28, 29) umfassen, die nacheinander von einer Frontseite zur anderen von dem Strahl (11) durchlaufen werden, wobei eine Frontseite dieser Prismen einer Fronseite des anderen Prismas gegenüberliegt, sowie Mittel vorgesehen sind, mit denen diese Prismen (28, 29) im Verhältnis zueinander um die Achse des Strahls (11) drehbar sind.

11 - Lasergenerator gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung der Ausrichtung eines der beiden ebenen Spiegel (12, 13) im Verhältnis zum anderen ein Kugelgelenk (30) umfassen.

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