DE2622767A1

DE2622767A1 - Abstimmbarer laser-resonator mit longitudinaler einkopplung der pumpstrahlung

Info

Publication number: DE2622767A1
Application number: DE19762622767
Authority: DE
Inventors: Siegfried Polze
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1975-07-21
Filing date: 1976-05-21
Publication date: 1977-02-10
Also published as: FR2319222A1

Description

Abstimmbarer Laser-Resonator mit longitudinaler Einkopplung der Pumpstrahlung

Die Erfindung betrifft einen abstimmbaren Laser-Resonator mit longitudinaler Einkopplung der Pumpstrahlung, der insbesondere für Farbstofflaser geeignet ist.

Die longitudinale Einkopplung -von Pumpstrahlung in optisch angeregte Laser, d. h. die Einkopplung in Richtung der Resonatorachse wird angewendet, wenn eine gute Anpassung der Modenvolumina der im Resonator induzierten Laserstrahlung und der Pumpstfahlung, die meist selbst Laserstrahlung ist, angestrebt wird. Dabei ist die Pumpstrahlung kurzwelliger als die induzierte Strahlung. Dieser Wellenlängenunterschied wird zur Einkopplung genutzt, indem einer der Resonatorspiegel mit einem wellenlängenabhängigen Reflexionsvermögen ausgestattet wird, derart, daß in dem Wellenlängenbereich der Pumpstrahlung ein vermindertes Reflexionsvermögen vorhanden ist und die Pumpstrahlung durch diesen Spiegel in den Resonator eingekoppelt wird. Der andere Resonatorspiegel wird in diesem Fall zur Auskopplung der induzierten Strahlung verwendet. Der Wellenlängenunterschied von Pumstrahlung und induzierter Strahlung wird auch in Resonatoren ausgenutzt, die zur Abstimmung mit einem Prisma ausgerüstet sind. Bei hinreichender Länge der Resonatoren wird die Pumpstrahlung dicht neben einem der Resonatorspiegel derart auf das

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Prisma gerichtet, daß infolge der unterschiedlichen Brechung hinter dem Prisma Koinzidenz zwischen der Pumpstrahlun-5 und der induzierten Strahlung besteht. Fällt andererseits der Pumpstrahl leicht geneigt an einem Resonatorspiegel vorbei direkt auf eine Brewsterküvette mit dem aktiven Medium, so wird durch die Brechung an den Küvettenbegrenzungen der Richtungsunterschied zwischen dem induzierten Laserstrahl und dem Pumpstrahl zwar vermindert, aber nicht vollständig aufgehoben.

Es ist auch bekannt, daß bei optisch gepumpten Lasern als welienlängsnseiektives Mittel Gitter verwendet werden, wobei das Gitter im allgemeinen anstelle des einen Endreflektors des Resonators in Autokollimation bezüglich der ersten oder höheren BeugungsOrdnung eingesetzt wird.

Die Wirkungsweise der wellenlängenselektiven Mittel ist Im übrigen unabhängig davon, ob im Resonator zusätzliche, die Resonatorachse faltende, gegebenenfalls abbildende Spiegel angeordnet sind.

Bei dem nur aus Spiegeln bestehenden Resonator kann zwar beim Einkopplungsspiegel die Reflexion für die Pumpwellenlänge sehr niedrig gehalten werden, jedoch ist nicht gleichzeitig für einen größeren Wellenlängenbereich der induzierten Strahlung ein gleichmäßig hohes Reflexionsvermögen realisierbar. Wird die Pumpstrahlung über ein im Resonator als dispergieiendes Element eingesetztes Prisma geführt, so kann infolge

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der Wellenlängenabhängigkeit der Brechung nur mit monochromatischer Strahlung gepumpt werden. Zur Wellenlängenabstimmung kann das Prisma nicht gedreht werden, wie es an sich erforderlich wäre, sondern nur der Resonatorspiegel in dem einen Resonatorzweig. Dadurch ist der Abstimmbereich eingeschränkt.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, bei longitudinal optisch angeregten Lasern effektive Lasertätigkeit über einen größeren Abstimmbereich zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonator zu realisieren, der vollständige Anpassung der Modesvolumina der Pumpstrahlung und der induzierten Laserstrahlung ermöglicht und schmalbandig durchstimmbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen abstimmbaren Resonator mit longitudinaler Einkopplung der Pumpstrahlung, bestehend aus mindestens einem Spiegel und einem Reflexions-Beugungsgitter, wobei erfindungsgemäß die Pumpstrahlung über das Reflexions-Beugungsgitter in den Resonator eingekoppelt ist. Die Einkopplung erfolgt entweder über die 0. Beugungsordnung des bezüglich der Resonatorachse und der Wellenlänge der induzierten Strahlung in der 1. BeugungsOrdnung in Autokollimation angeordneten Gitters oder über die BeugungsOrdnung, die die in Autokollimation befindliche induzierte Strahlung einnimmt, jedoch aus der Richtung, die sich nach der

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Gittergleichung ergibt, so daß die gebeugte Pumpstrahlung in der Achse der induzierten Strahlung verläuft.

Bei der Einkopplung der Pumpstrahlung über die 0. Beugungsordnung, d. h. nach dem Reflexionsgesetz, ist "Voraussetzung, daß das Gitter für die Pumpstrahlung in dem in Frage kommenden Winkelbereich nur eine sehr geringe Effektivität aufweist, weil sonst ein wesentlicher Teil in Richtung der Pumplichtquelle zurückgebeugt werden würde. -Andererseits ist für den Wellenlängen'ereich der induzierten Strahlung in Autokollimation eine möglichst hohe Effektivität erforderlich. Das geforderte Effektivitätsverhalten bezüglich der Pumpstrahlung und der induzierten Strahlung ist seitens der Gitter erfüllbar, wenn die Polarisationsrichtungen unterschiedlich sind und insbesondere die Polarisationsrichtung der induzierten Strahlung senkrecht zu den Gitterfurchen und die der Pumpstrahlung parallel zu den Gitterfurchen orientiert ist. Die bei der Abstimmung des Lasers auftretende Richtungsänderung der 0. Beugungsordnung kann bezüglich der Pumplichtquelle durch Anordnung eines Planspiegels kompensiert werden, der in bekannter Weise gemeinsam mit dem Gitter um eine im Schnittpunkt von Gitter- und Spiegeloberfläche befindlichen Achse gedreht wird.

Bei der Einkopplung der Pumpstrahlung über die Beugungsordnung, die die in Autokollimation befindliche induzierte Strahlung aufnimmt, ergibt sich für die Pumpstrahlung ein von dem Autokollimationswinkel der induzierten Strahlung verschiedener Einfallswinkel, der zur technischen

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Verwirklichung der Einkopplung der Pumpstrahlung hinreichend ist. In diesem Fall muß die Beugungseffektivität
für die induzierte Strahlung und die Pumpstrahlung hoch sein. Es ist vorteilhaft, wenn die Polarisationsrichtungen beider Strahlungen senkrecht zu den Gitterfurchen orientiert sind.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Gitterkonstante kleiner ist als die kürzeste im System auftretende Wellenlänge.

Die Anwendung kleiner Gitterkonstanten bat außerdem eine hohe Dispersion zur Folge, die eine schmalbandige Emission des Lasers ermöglicht.

Als Reflexions-Beugungsgitter mit dem verlangten
Effektivitätsverhalten und dem erforderlichen kleinen
Gitterkonstanten können mit Vorteil holografisch hergestellte Gitter eingesetzt werden.

Die Erfindung ermöglicht eine vollständige Anpassung der Modenvolumina von Pump- und Laserstrahlung im
Resonator. Dabei ist es nicht notwendig, die Resonatorelemente in einer die Lasertätigkeit negativ beeinflussenden Weise zu verändern. Bei dem erfindungsgemäßen Einsatz der Gitter wird außerdem eine sehr schmalbandige
Emission des Lasers realisiert. Bei der Einkopplung über die 0. Beugungsordnung ist gleichzeitiges Pumpen mit mehreren Wellenlängen möglich. Überdies ist der Abstimmbereich nicht eingeschränkt.

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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen optischen Resonator mit Einkopplung der Pumpstrahlung über die 0. Beugungsordnung,

Fig. 2 einen optischen'Resonator mit Einkopplung der Pumpstrahlung über die 1. BeugungsOrdnung.

In Fig. 1 ist ein optischer Resonator mit der Achse 1-1 dargestellt, der aus dem Planspiegel 2, dem drehbar angeordneten Reflexionsbeugungsgitter 3 und der das aktive Medium symbolisierenden Brewster-Farbstoffküvette 4 besteht. Die Pumolichtquelle ist mit 5 gekennzeichnet. Die zur Modenanpassung an sich erforderliche abbildende Optik ist nicht dargestellt. Das Gitter ist gegen die Resonatorachse um den Autokollimationswinkel i, der

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sich nach der Gittergleichung sin i = «— aus der Gitter-

S konstanten g und der Wellenlänge Λ. der induzierten Strahlung ergibt, gedreht. Die 0. Beugungsordnung der induzierten Strahlung verläßt das Gitter nach dem Reflexionsgesetz, bildet also mit der Gitternormalen 6 ebenfalls den Winkel i und gibt die Richtung und die Achse vor, in die die Strahlung der Pumplichtquelle 5 justiert werden muß. Bei der Abstimmung des Resonators muß der Autokollimationsvsinkel i verändert werden. Ein für diese Anordnung geeignetes holografisch hergestelltes Gitter mit der Gitterkonstanten 0,335/Um, entsprechend 3OO L/mm, weist dabei

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folgende Effektivitätseigenschaften auf: Für die Strahlung der Pumplichtquelle, beispielsweise ein Argon-Laser, der ca. 80 % der Strahlungsenergie bei den Wellenlängen 488 und 514 nm emittiert, ist die Effektivität bezüglich des AutokollimationsMvinkels i und parallel zu den Gitterfurchen orientierte Polarisation unter 6 %, so daß das Gitter für die Pumpstrahlung im wesentlichen als Spiegel wirkt. Für die im Resonator induzierte Laserstrahlung, die senkrecht zu den Gitterfurchen polarisiert ist, beträgt die Effektivität dagegen mehr als 85 %, so daß ein relativ verlustarmer und dabei sehr schmalbandiger Resonator vorhanden ist. Durch die kleine Gitterkonstante existiert für diesen Resonator eine langwellige Grenze bei ca. 650 nm. Diese Grenze kann durch Verwendung eines Gitters mit einer Gitterkonstanten von 0,4,um, entsprechend 2500 L/mm, bis ca. 760 nm verschoben werden. Bei diesem Gitter treten jedoch für die Pumpstrahlung etwas höhere Verluste auf, da die diesbezügliche Beugungseffektivität bis auf 10 % ansteigt. Jedoch ist diese Gitterkonstante immer noch so klein, daß keine die Strahlungsbilanz verschlechternden anderen Beugungsordnungen als die betrachteten auftreten können.

In Fig. 2 ist ein Resonator dargestellt, bei dem die Einkopplung der Pumpstrahlung über die 1. Beugungsordnung erfolgt. Dabei liegt die Gittergleichung

Λο

sin i + sin i = ■ zugrunde. Da das Gitter für die s g

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induzierte Strahlung mit der größeren Wellenlänge ^- . in Autokollimation steht, andererseits der Beugungswinkel der Pumρstrahlung trotz der kürzeren Wellenlänge A-

gleich i sein soll, ist der Einfallswinkel der Pumpstrahlung kleiner, so daß Pumpstrahlung außerhalb der Resonatorachse eingekoppelt werden kann. Auch in diesem Ausführungsbeispiel können Gitter mit den "bereits genannten Gitterkonstanten verwendet werden. Da "bei der Ausgestaltung der Effektivitätseigenschaften lediglich die eine, für die induzierte und die Pumpstrahlung, "beispielsweise eine der genannten Argonwellenlängen, gleiche Polarisationsrichtung zu berücksichtigen ist, stehen Gitter mit Effektivitäten von über 90 % für beide Strahlungsarten zur Verfügung. Außerdem ist der Einsatz von Gittern mit 2000 L/mm und ähnlicher Effektivitätscharakteristik möglich.

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Claims

1. Abstimmbarer Laser-Resonator mit longitudinaler Einkopplung von Pumpstrahlung, insbesondere für Farbstofflaser, bestehend aus mindestens einem Spiegel und einem Reflexions-Beugungsgitter, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpstrahlung über das Reflexions-Beugungsgitter in den Resonator eingekoppelt wird, und zwar entweder über die 0. Beugungsordnung des bezüglich der induzierten Strahlung in der 1. Beugungsordnung in Autokollimation angeordneten Gitters oder über die BeugungsOrdnung, die die in Autokollimation befindliche induzierte Strahlung einnimmt.

2. Abstimmbarer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einkopplung der Pumpstrahlung über die 0. BeugungsOrdnung die Polarisationsrichtung der induzierten Strahlung senkrecht zu den Gitterfurchen liegt und daß das Gitter für diese Polarisationsrichtung und den Wellenlängenbereich der indzierten Strahlung maximale Effektivität aufweist, und daß die Polarisationsrichtung der Pumpstrahlung parallel zu den Gitterfurchen verläuft und die Effektivität des Gitters für diese Polarisationsrichtung und den Wellenlängenbereich der Pumpstrahlung und in bezug auf den Autokollimationswinkelbereich der induzierten Strahlung minimale Effektivität aufweist.

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3. Abstimmbarer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einkopplung der Pumpstrahlung über die Beugungsordnung, die die in Autokollimation befindliche induzierte Strahlung einnimmt, die Pumpstrahlung und die induzierte Strahlung senkrecht zu den Gitterfurchen polarisiert sind und die Effektivität des Gitters für diese Polarisationsrichtung und beide Wellenlängenbereiche optimal ist.

4. Abstimmbarer Resonator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstante des Gitters kleiner ist als die kürzeste im System auftretende Wellenlänge.

5. Abstimmbarer Resonator nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eingesetzten Reflexions-Beugungsgitter holografische Gitter sind.

11. August 1976
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