DE2634679A1 - Laser - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN _

DIPL.-PHYS. ROBERT MÜNZHUBER 26 OHU /s3

W1DENMAYERSTRASSE b O 8000 MÜNCHEN 22 TEL. (089) 22 25 30 ■ 29 51 92

■λ -no-7^ χ»··/·τ_ 2. August 1976

A 17876 Mu/xb ^

Firma SANDERS ASSOCIATES, INC., Daniel Webster Highway, South Nashua, N.H. 03060, USA

Laser

Die Erfindung betrifft einen Scheibenlaser, bei dem das Pumplicht auf die Scheibenfläche fällt.

Ein Laser besteht im wesentlichen aus einem Stab aus Lasermaterial, der/zwischen zwei Parallelspiegeln angeordnet ist. Dabei reflektiert der eine Spiegel vollständig, während der andere sowohl parallel reflektiert als auch einen teilweisen Durchgang der Strahlung ermöglicht. In das Lasermaterial wird Pumplicht eingestrahlt, wodurch im Laserstab durch Photonenemission von in einem hohen Energiezustand befindlichen Ionen die Laserenergie erzeugt wird. Das Pumplicht erhöht die Zahl von Ionen, welche aus einem niedrigen Energiepegel in einen hohen Energiepegel gelangen. Die Energie des Pumplichtes vermindert die Besetzung des unteren Energiezustandes der Ionen und führt zu einer Inversion der Energiezustände, wobei dann einige der Ionen des höheren Energiezustandes unter spontanter Lichtemission in den unteren Energiezustand zurückfallen, wobei ein Teil des spontan emittierten Lichts zwischen den Spiegelflächen hin- und herreflektiert werden,

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■in' O -ι.

Telegrammadresse Patentsenior

wodurch eine weitere Lichtemission durch andere Ionen des oberen Energiezustandes stimuliert wird. Die stimulierenden Emissionen, welche durch den Laserstab hindurch hin- und herreflektiert werden, erzeugen ein sehr intensives Laserlicht, welches durch den halbdurchlässigen Spiegel schließlich nach außen gelangt.·

Eines der Probleme, die bei der Erzeugung von Laserstrahlen auftreten, besteht darin, daß das Pumplicht in dem hochfrequent arbeitenden Lasermaterial· Hitze erzeugt und deshalb meist besondere Vorkehrungen zur Ableitung übermäßiger Wärme getroffen werden müssen. Eine übermäßige Erhitzung kann nämlich die Wirksamkeit vermindern, im Laserstab zu einem ungewünschten Linseneffekt führen oder gar die Gefahr mit sich bringen, daß der Stab bricht. Eine Methode zur Vermeidung des Überhitzungsproblems besteht darin, den Laserstab in eine Reihe von Scheiben zu zerschneiden. Dabei kann dann die Dimension jeder Scheibe so klein gehalten werden, daß keine thermischen Brüche auftreten können. Auch ist es dann möglich, ein Kühlfluid an jeder Scheibe vorbeizuleiten und somit die Erwärmung der Scheiben zu vermindern.

Die bloße Aufteilung des Stabes in Scheiben erbringt jedoch auch gewisse Probieme. Vor allem wird die Pumpenergie nur auf die Randkante der Scheiben, nicht aber auf deren Scheibenfläche geleitet, wodurch beträchtliche Zylinderspannungen in den Scheiben erzeugt werden, wobei es vergleichsweise schwierig ist,diese Spannungen zu kompensieren. Weiterhin ist der Wirkungsgrad derartiger Scheiben, die nur an ihren Randkanten angeregt werden, sehr gering.

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Um den Wirkungsgrad von Scheibenlasern zu verbessern, ist bereits vorgeschlagen worden, den Scheiben einen bestimmten Anstellungswinkel gegenüber dem Laserstrahl zu geben und Prismen zwischen die Scheiben einzusetzen, derart, daß das Pumplicht direkt auf die Oberflächen der Scheiben fällt. Diese Methode führt jedoch zu einer bevorzugten Polarisationsrichtung im Laserraum. Werden einachsige oder zweiachsige Laserkijrstalle als Lasermaterial verwendet, so müssen die Kristallachsen bezüglich des Brewster¹sehen Winkels entsprechend orientiert werden, weil sonst beträchtliche Verluste infolge Doppelbrechung in Kauf genommen werden müssen. Wie Flächen der Prismen, durch welche der Laserstrahl hindurchgeht, verlaufen nicht senkrecht zum Laserstrahl,und deshalb muß die Herstellung dieser Prismen mit äußerster Exaktheit erfolgen, beispielsweise müssen die Flächen hochwertig poliert werden, um sicherzustellen, daß die Prismen nicht zu einer Dispersion des Laserstrahls Anlaß geben.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Laser der oben erwähnten Art zu schaffen, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist, bei welchem das Pumplicht ohne die Gefahr einer Polarisierung des Laserraumes oder einer Dispersion des Laserstrahls auf die Scheibenoberfläche gelangt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zumindest eine Scheibe aus Lasermaterial im Laserraum senkrecht zum Laserstrahl und benachbart dieser Scheibe im Laserraum ein Prisma angeordnet sind, welches das Pumplicht auf die Scheibenfläche der Laserscheibe umlenkt. Nachdem also bei der Erfindung das Pumplicht auf die Scheibenflächen gelangt, ist ein Betrieb mit hohem

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Wirkungsgrad möglich,und weil die Scheiben senkrecht zum Laserstrahl stehen, kann keine Polarisation des Laserraumes auftreten. Die Flächen der sich im Laserraum befindlichen Prismen stehen ebenfalls senkrecht zum Laserstrahl (parallel zu den Laserscheiben) so daß keine Streuung bzw. Dispersion des Laserstrahls auftreten kann.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und anhand der Zeichnung. Auf der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

'ig. 1: eine Erläuterungsskizze eines bekannten Scheibenlasers, bei dem das Pumplicht auf die Scheibenrandkanten trifft,

Fig. 2: eine Skizze eines bekannten Scheibenlasers, bei dem die Laserscheiben gegenüber dem Laserstrahl schräg verlaufen und Prismen vorgesehen sind, welche das Laserlicht auf die Scheibenflächen der Scheiben · leiten,

Fig. 3: eine Skizze eines Scheibenlasers nach der Erfindung, Fig. 4: eine Skizze einer Laserscheibe mit Prisma nach Fig. 3,

Fig. 5: eine Skizze zur Erläuterung des Vorgangs der Umlenkung des Laserlichts auf die Scheibenflächen der Laserscheiben von Fig. 3,

Fig. 6: eine grafische Darstellung des Wirkungsgrades des Lasers von Fig. 3,

Fig. 7: eine Darstellung der Laserscheibe und des Prismas von Fig. 3 zur Erläuterung des Auftreffens des Pumpenlichts auf die Scheibe,

Fig. 8: eine Erläuterungsskxzze, bei der der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Scheibenlasers mit demjenigen eines

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vorbekannten Scheibenlasers verglichen wird, und Fig. 9: eine Vergleichsskizze der Projektion des Pumplichts auf die Laserscheibe bei einem Laser nach der Erfindung und bei einem vorbekannten Laser.

Fig. 1 zeigt einen vorbekannten Laser mit einer Vielzahl von Laserscheiben 10, welche in einem Laserraum angeordnet sind, der durch zwei Spiegel 12 und 14 begrenzt wird. Einer der beiden Spiegel 12 oder 13 reflektiert vollständig während der andere Spiegel für die Wellenlängen des Laserstrahls halbdurchlässig ist.Pumpenergie wird durch zwei Blinklampen 16 und 18 zugeführt. Die Schwierigkeit bei diesem bekannten Lasertyp besteht darin, daß die Scheiben 10 nur an ihren Randkanten mit Pumplicht bestrahlt werden, wodurch große Zylinderspannungen in den Scheiben auftreten. Eine Kompensation dieser Spannungen ist äußerst schwierig. Infolge der Randkantenbestrahlung hat dieser Laser nur einen geringen Wirkungsgrad.

Um einige der Probleme des Lasers nach Fig. 1 zu überwinden, ist der Scheibenlaser nach Fig. 2 vorgeschlagen worden. Der Scheibenlaser nach Fig. 2 weist eine Vielzahl geneigter (im allgemeinen im Brewster'sehen Winkel) Laserscheiben 20 auf, die in Zick-Zack-Anordnung im Laserraum untergebracht sind, wobei der Laserraum durch die Spiegel 22 und 24 begrenzt wird . Eine Vielzahl von Prismen 26 ist zwischen den Scheiben 20 angeordnet, und das Pumplicht wird von zwei Blinklampen 28 und 30 erzeugt. Einige der Probleme, die beim Laser nach Fig 1 auftreten, sind tatsächlich beim Laser nach Fig. 2 vermieden, und zwar dadurch, daß die Prismen das Pumplicht direkt auf die Scheibenflächen der Scheiben 20 lei-

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ten. Der wesentliche Nachteil des Lasers nach Fig. 2 besteht jedoch darin, daß im Laserraum eine bevorzugte Polarisationsrichtung besteht. Wenn einachsige oder zweiachsige Laserkristalle für die Scheiben 2 0 verwendet werden, so müssen die Kristallachsen der Scheiben entsprechend dem Brewster¹sehen Winkel ausgerichtet sein, weil sonst hohe Verluste infolge von Doppelbrechung auftreten. Die Flächen 21 und 23 der Prismen 20 stehen nicht senkrecht zum Laserstrahl,' so daß die Gefahr besteht, daß der Laserstrahl gestreut wird; um letzteres zu verhindern, sind deshalb teure Herstellungsverfahren für die Prismen erforderlich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform treten die oben in Verbindung mit den bekannten Lasern nach Fig. 1 und 2 besprochenen Probleme nicht auf. Dieser Scheibenlaser enthält eine Vielzahl von Laserscheiben 32, welche in dem durch die Spiegel 34 und 36 begrenzten Las er raum untergebracht sind. Übliche Scheibenmaterialien sind HoOYLF, Nd:YAG oder Nd:glass, wobei jedoch auch andere Feststofflasermaterialien verwendet werden können. Zwischen diesen Scheiben sind Prismen 38 angeordnet. Die Flächen 37 und 39 der Prismen 38, welche durch die Laserscheiben 32 begrenzt sind, stehen senkrecht zum Weg des Laserstrahls, womit eine hohe Qualität der Prismen nicht erforderlich ist, weil die Streuungsprobleme auf ein Minimum heruntergesetzt sind. Die Scheiben 32 befinden sich in Abstandhaltern oder Scheibenhaltern 40. Das Pumplicht wird von zwei Blinklampen 42 und 44 erzeugt. Wenn auch auf der Zeichnung 2 Lampen dargestellt sind, so kann auch nur eine einzige Lampe oder es können auch mehr als zwei Lampen Verwendung finden. Auch die Zahl von Laserscheiben 32 kann je nach dem Anwen-

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dungszweck verwendet werden,und die Erfindung ist immer dann anwendbar, wenn zumindest eine derartige Scheibe 32 vorhanden ist. Die Mittel zur Halterung und zur Justierung der Scheiben, Prismen, Lampai und dergleichen sind auf der Zeichnung nicht dargestellt, weil es sich um bekannte Mittel handelt. Beispielsweise können die Scheibenhalter und die Prismen in einer Küvette untergebracht sein, und zwar mit Abständen zwischen den Oberflächen.

Der Laser nach Fig. 3 hat gegenüber den-jenigen der Fig. 1 und 2 beträchtliche Vorteile. Die Tatsache, daß die Scheiben auf der gesamten Scheibenfläche Pumplicht erhalten, macht den Laser wesentlich wirkungsvoller als denjenigen nach Fig. 1, bei welchem das Pumplicht ja nur auf die Scheibenränder gelangt. Der erfindungsgemäße Laser hat aber auch viele Vorteile gegenüber demjenigen von Fig. 2. So sind die Scheiben beim Laser nach Fig. 3 senkrecht zum Laserstrahl angeordnet, wodurch wesentlich mehr Scheiben (Lasermaterial) in einem vorgegebenen Volumen untergebracht werden können. Weil die Scheiben senkrecht zur Laserstrahlung angeordnet sind, wird der Laserraum auch nicht polarisiert; die Scheibenflächen liegen nicht im Brewster¹sehen Winkel.

Nachdem die Scheiben an ihrer Scheibenfläche bepumpt werden, ist es nicht erforderlich, daß die Scheibenfassungen durchlässig sind, vorzugsweise werden jedoch die Scheibenfassungen aus durchlässigem Material gefertigt, so daß auch auf die Randkanten der Scheiben Pumplicht fällt.

Bei S.cheibenlasern ist ein gleichmäßiger Anregungsvorgang wesentlich zur Erreichung geringer Strahlungsstörungen. Ein Laser mit

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auf die Scheibenflächen fallendem Pumplicht gemäß Fig. 3 ist somit der einzige Weg zur Erreichung einer gleichmäßigen Beleuchtung der Scheiben. Nachfolgend wird nun beschrieben, wie die Wirksamkeit des Lasers von Fig. 3 weiter verbessert bzw. optimiert werden kann.

Bei den nachfolgenden Berechnungen wird davon ausgegangen, daß alle Pumplichtstrahlen die Pumplampen senkrecht zu deren Achse verlassen. Diese Annahme stellt selbstverständlich kein wirkliches Modell der tatsächlichen Pumplampen dar. Andererseits jedoch vereinfacht diese Annahme die Berechnungen wesentlich und umfaßt auch die meisten Pumplichtstrahlen. In der Praxis ist es so, daß mehr als 80% der die Lampen verlassenden Strahlen auch tatsächlich auf die Scheiben treffen.

Die Pumpwirksamkeit einer derartigen Anordnung ist eine komplizierte Funktion des Prismenwinkels <k, der Scheibendicke t ,, der Prismendicke χ usw. Eine numerische Annäherung kann jedoch grafisch gefunden werden. Für die unten folgenden Berechnungen ist angenommen, daß der Scheibenhalter einen Durchmesser entsprechend dem Vierfachen der Scheibenradien hat, wie dies aus Fig. 4 hervorgeht. Der Wirkungsgrad ist definiert durch

_ 2x + t
E= α

^2X0 ^{+ l}d

wobei χ die Position des Strahlers ist, welcher, infolge der Brechung, den Mittelpunkt der Scheibe gerade streift, und χ die Dicke des Prismas ist.

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Reflektierte Strahlen sind nicht verloren und treffen auf eine andere Scheibe der Anordnung (Fig. 5).

Diese Definition des Wirkungsgrades stellt lediglich sicher, daß jeder Strahl, welcher die Lampe verläßt, auch tatsächlich auf eine Scheibe trifft, zumindest wenn ein zweidimensionales Lampenmodell benutzt wird.
Die Prismendicke χ ergibt sich aus

x_o = r_d tg O< ,

die Strahlposition χ aus

3r, tg (90° - Q - C( ) d ^ r

^{X =}

1 + tg (90° - Q -^ ) der Brechungswinkel θ ergibt sich aus dem Gesetz von Snell:

n. n,

sin 9 = sin 9. = —-— cos o/ .

τη. in ^

r r

Es ist ersichtlich, daß sehr große Prismenwinkel (90°) zu einem geringen Wirkungsgrad führen. Sehr kleine Winkel andererseits erg± >en keine gleichmäßige Beleuchtung der Oberflächen der Scheiben. Die minimale Prismendicke für einen maximalen Wirkungsgrad ergibt sich gemäß Fig. 4 zu

3r ctg (9

x = r , tan CK =
ο d

1+ ctg(9 ³ r

Diese transzendente Gleichung ergibt einen Minimumwert für <>£, weil oC über das Snell'sehe Gesetz in einer Beziehung zu θ steht. Fig. 6 zeigt den Wirkungsgrad als Funktion des Prismenwinkels oC . Dieser Winkel, wobei E = 1, stellt den optimalen Prismenwinkel dar und ergibt sich zu

^ ΙΛ . —co

opt

709811/0670 -10-

entsprechend einer Prismendicke von

χ = 0,26 cm.

wenn

Die Pumprate (Wand/cm³) hat dann einen Maximalwert,/die Scheibendicke der halben Prismendicke entspricht. Dieses Maximum tritt auf, wenn die Pumpstrahlen auf den Prismenscheitel treffen, und zwar gerade die entgegengesetzte Kante der Scheibe streifen. Die Minimaldicke kann aus den beiden ähnlichen Dreiecken (Fig. 7) gefunden werden

2r_ r d d

χ t ο α, mm

t = (x IZ). dmin ο

Die Pumprate innerhalb der Scheiben für den Laser nach Fig. 3 entspricht etwa dem doppelten derjenigen des Lasers von Fig. 2 bei gleichen Scheibendicken. Die äquivalente Scheibendicke ist diejenige, welche gleichem Strahlenweg des Pumplichts innerhalb der Scheibe entspricht, wobei der Tatsache Rechnung getragen ist, daß das Pumplicht unter einem Winkel zur Scheibenoberfläche fortschreitet. Aus Fig. 8 ist zu ersehen, daß der Strahlenweg des Pumplichts in der Scheibe des Lasers nach Fig. 3 folgendermaßen berechenbar ist

während sie für den Laser nach Fig. 2 darstellbar ist durch

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-11-

wenn somit d (Laser nach Fig. 3) = d (Laser von Fig. 2), dann ergibt sich für die Dicke der Laserscheibe nach Fig. 2:

die Energiedichte innerhalb der Scheibe ist definiert durch:

U₇-,. _ _T „. „ _x Scheibenlängenproj ektion

Fxg. 3 Laser, Fxg. 2 Laser = -=-τ:—rr- τ^—^— ^J

^ ^ Scheibenvolumen

dabei ist angenommen, daß die gesamte Pumpleistung nutzbar ist, weil die Scheibe proportional der Länge der Projektion der Scheibe auf die Lampe (Fig. 9) ist. Für den Laser nach Fig. 3 ist die projizierte Länge der Lampe

während für den Laser von Fig. 2 gilt

I /"?\ ν I? r +t eic

/j

Der zusätzliche Faktor 2 ergibt sich aus der Tatsache, daß zwei Lampen verwendet werden.

Die Volumen der Scheiben sind

_/ 2 ^Xo ,
V = (7/r ) ') für den Laser von

V =7^₇ ^r _d esc/? für den Laser von Fig. 2

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U = —-für den Laser von Fig.

,r

2 ~

_TT _ d _ 2 cos/3 _L

^υ ~ 2 2 2~ ^{für den Laser von}

_z r _dc_Sc/? TTr _d φ _{d Fig}.₂

damit ergibt sich U (FIG. 3) _

U (FIG. 2) - 1. 41 ^{= 3}·

Angaben für den Teil des Laserraums, welcher durch Lasermaterial ausgefüllt ist, werden nachfolgend für beide Lasersysteme angegeben (Fig. 8). Für den Laser nach Fig. 1 beträgt dieser Anteil

fei

für den Laser von Fig.

r², (esc/ ) ^tZ

ι = ^d

2r, + tz CSC/-P

2*

f =

folglich ergibt sich

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f (FIG. 3) f (FIG. 2)

die totale Pumprate für die Einheitsmenge jedes Systems ist proportional zu fU,,,. _. zu fU_/L,. „> . Das Verhältnis der Ge-

\rig. α) i-big. a)

samtpumpraten für die Einheitlänge ergibt sich somit zu f ^fVlG. 3)

^y ~fU

(FIG. 2)

= (3.55) (0.6) = 2.13

Der Laser von Fig. 3 weist somit eine wesentlich höhere totale ■ Pumprate auf als diese mit einem Laser nach Fig. 2 zu erreichen ist. Folglich ergibt sich eine höhere Ausgangsleistung bei gleichem Laservolumen.

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Claims (6)

263A679 PATENTANSPRÜCHE

1. / Laser, bestehend aus einem Laserraum, zumindest einer Scheibe aus aktivem Lasermaterial, die senkrecht zur Achse der Laserstrahlung angeordnet ist, und einem Strahler, welcher Pumplicht geeigneter Wellenlänge aussendet, gekennzeichnet durch ein Brechungselement (38), welches das Pumplicht auf zumindest eine der Scheibenoberflächen der Laserscheibe (32) umlenkt.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brechungselement ein Prisma ist, das neben einer der Scheibenoberflächen der Laserscheibe angeordnet ist.

3. Laser nach Anpruch 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Laserscheiben, die senkrecht zur Achse des Laserstrahls angeordnet sind, und durch eine Vielzahl von Prismen, welche auf beiden Seiten jeder Laserscheibe angeordnet sind und die Pumpstrahlung auf die Scheibenflächen der Laserscheiben umlenken.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Laserscheiben angrenzenden Oberflächen der Prismen senkrecht zur Achse des Laserstrahls stehen.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpstrahler eine Blinklampe ist.

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6. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Blinklampen als Pumplicht vorgesehen sind.

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