DE2849007A1

DE2849007A1 - Flaechengepumpter laser mit durch beugung begrenztem ausgangsstrahl

Info

Publication number: DE2849007A1
Application number: DE19782849007
Authority: DE
Inventors: Jun William Burnett Jones
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-11-14
Filing date: 1978-11-11
Publication date: 1979-06-13
Also published as: JPS5481794A; GB2008314A; GB2008314B; FR2408927A1; FR2408927B1; JPS6337514B2; DE7833585U1; IL55912A

Description

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Flächengepumpter Laser mit durch Beugung begrenztem Aus gangs strahl

Die Erfindung bezieht sich auf flächengepumpte Laser und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung eines durch Beugung begrenzten Ausgangsstrahles aus dem Hohlraum eines flä'chengepumpten Lasers mit einer großen Fresnelzahl.

Bekanntlich begrenzen bei üblichen optisch-gepumpten Stablasern die thermisch-optischen Verzerrungen, die aus der Erwärmung in Verbindung mit dem optischen Pumpen resultieren, stark die transversale Eigenschwingung niedrigster Ordnung (Laserschwingungen oder Ausbreitungswellen sind bis zu einem gewissen Grade analog den Schwingungen oder Ausbreitungswellen von Mikrowellen-Hohlräumen, wie beispielsweise in einem Wellenleiter; beide Arten von Schwingungen oder Ausbreitungswellen können in verschiedenen Moden erzielt werden, und der sogenannte transversale Schwingungsmode niedrigster Ordnung wird üblicherweise vorgezogen). Diese Verzerrungen zeigen sich als ein thermischer Linseneffekt für den Laserstab aufgrund des thermischen Gradienten zwischen der normalerweise gekühlten Außenfläche des aktiven Mediums und seines relativ heißen Mittelbereiches und als ein Depolarisationseffekt, der durch die Beanspruchsverteilung in dem aktiven Medium bewirkt wird, die darin eine Doppelbrechung erzeugt. Während der thermische Linseneffekt für den Läserstab in etwa kompensiert werden kann, gilt dies für die Depolarisation nicht. Infolge des Depolarisationseffektes kann sich der transversale Schwingungsmode niedrigster Ordnung in dem aktiven Medium nicht aufbauen. Wenn die Verluste für die Moden höherer Ordnung nicht vergrößert werden können, schwingt der Laser deshalb natürlicherweise in den Moden höherer Ordnung. Eine Modendiskrimination kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, daß das Verhältnis der

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Größe der Hohlraumöffnung zur Hohlraumlänge genügend klein (d. h. kleine Fresnel-Zahl des Hohlraumes) gewählt wird, aber die optischen Wellenlängen sind so, daß das erforderliche Verhältnis extrem klein ist. Infolgedessen muß entweder die Öffnung des aktiven Mediums klein und das verwendete Volumen des aktiven Materials klein sein, was einen kleinen Wirkungsgrad zur Folge hat, oder bei einer brauchbaren Öffnungsgröße muß die Länge des Hohlraumresonators so groß sein, daß er unhandlich wird.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Mittel zu schaffen, um eine Modendiskriminatxon ohne einen kleinen Wirkungsgrad und ohne einen Hohlraumresonator mit einer erforderlichen übermäßigen Länge zu erzielen und das thermische Verzerrungsprobleme vermeidet, die anschließend noch in Verbindung mit Figur 1 näher erläutert werden.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein flächengepumpter Laser mit Vielfachreflexion zum Emittieren eines durch Beugung begrenzten Ausgangsstrahles in einer Längsebene eine langgestreckte Platte oder Tafel aus einem homogenen aktiven Medium auf, das wenigstens zwei sich in Längsrichtung erstreckende, optisch plane Flächen aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die effektive optische Länge des aktiven Mediums für einen hindurchtretenden Strahl optischer Energie in der Reflexionsebene größer ist als in einer Ebene, die senkrecht zu der Reflexionsebene verläuft und den Strahl enthält. Es sind Pumpmittel vorgesehen zum Aufbringen elektromagnetischer Strahlung auf wenigstens eine der optisch planen Flächen, um Atome des aktiven Mediums in einen meta^-stabilen Zustand zu bringen, wodurch eine Besetzungsinversion in dem Medium erzeugt wird. Das aktive Medium ist in einem Hohlraum angeordnet, der mit der optischen Energie schwingt, die durch das aktive Medium allgemein in einer Richtung parallel zu den zwei optisch planen Oberflächen des aktiven Mediums hindurchtritt, und der durch optisch plane reflektierende Mittel, die im Abstand zu dem einen Ende des aktiven Mediums angeordnet sind, und konkave

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kugelförmige reflektierende Mittel begrenzt ISt₁ die im Abstand zu dem gegenüberliegenden Ende des aktiven Mediums angeordnet sind, so daß der Hohlraum in der Reflexionsebene stabil ist, aber in der zur Reflexionsebene senkrechten und den Strahl enthaltenden Ebene instabil ist. Dieses stabile/instabile System wird im folgenden noch näher erläutert. Die optische Energie, die durch das aktive Medium in einer zu den zwei optisch planen Flächen des aktiven Mediums im wesentlichen parallelen Richtung emittiert wird, ist somit senkrecht auf die Oberfläche der planen reflektierenden Mittel und senkrecht auf die Oberfläche der kugelförmigen reflektierenden Mittel an deren Auftreffpunkt gerichtet.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 ist eine isometrische Ansicht von einem flächengepumpten Laser mit aktivem Medium.

Figur 2 ist eine schematische Seitenansicht mit einem flächengepumpten Läser gemäß der Erfindung.

In Figur 1 ist ein homogenes aktives Medium 10 mit einem rechtwinkligen Querschnitt gezeigt, wie es beispielsweise auch in der ÜS-PS 3 633 126 verwendet ist. In einem Ausführungsbeipie1 kann das Medium Neodym-dotiertes Silikatglas sein. Zwei optisch plane Flächen 11 und 12 verlaufen parallel zur Längsachse 13 des Körpers, um zahlreiche, innere Totalreflexionen eines kohärenten Strahles elektromagnetischer Strahlung zu erzeugen, die durch den Pfad 16 dargestellt ist. Zwei optisch plane paralle Endflächen 14 und 15 an jedem Längsende der Platte oder Tafel 10 des aktiven Mediums sind in dem Brewster-Winkel ß in bezug auf die Längsachse 13 ,gemessen in einer Ebene 17. angeordnet, die senkrecht durch die Flächen 11 und 12 des aktiven Läsermediums 10 läuft. Somit tritt jeder Strahl des kohärenten Strahlenbündels l6 in das aktive Läsermedium 10 in einem Auftreffwinkel relativ zu den. longitudinal gerichteten Flächen 11 und 12 ein, um das Strahlenbündel

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in der Ebene 17 zu beugen, so daß es in einem derartigen Winkel auf die Fläche 11 oder die Fläche 12 auf triff t, daß an diesen Flächen eine innere Totalreflexion auftritt. Durch die innere Totalreflexion an abwechselnd der Fläche 11 und der Fläche 12 folgt das Strahlenbündel einem Zick-Zack-Kurs in der Ebene 17 und tritt durch Beugung aus einer der Endflächen 14 und 15 in der Weise aus, daß das Strahlenbündel mit der Längsachse 13 zusammenfällt. Die Ebene 17, die die Reflexionsebene für das Strahlenbündel 16 ist, wenn dieses durch das Medium 10 hindurchtritt, ist als die p-Ebene bekannt. Die Ebene 18, die zur Ebene

17 senkrecht ist und ebenfalls die Längsachse 18 enthält, ist als die s-Ebene bekannt.

In einem flächengepumpten aktiven Lasermedium, wie beispielsweise die Platte oder Tafel 10, tritt eine optische Verzerrung auf, wenn die Platte während des Betriebes eine Erwärmung durchläuft. Obwohl diese Erwärmung praktisch keine resultierende Verzerrung in der p-Ebene 17 bewirkt, da die Platte 10 in der p-Ebene gut kompensiert ist, kann eine Verzerrung in der s-Ebene

18 entstehen aufgrund von Pump- und Erwärmungsungleichförmigkeit über der Breite der Tafel 10 (d. h. der Länge des Schnittes von einer der Endflächen 14 und 15 mit der Ebene 18). Indem die Laser-Resonanzkammer so hergestellt wird, daß der transversale Eigenschwingungsmode niedrigster Ordnung stark bevorzugt ist, ist es möglich, diese Verzerrung auf ein Minimum zu reduzieren oder insgesamt zu eliminieren.

Ein Weg zu Fertigung der Laserresonanzkammer zur Erzielung dieses Ergebnisses würde darin bestehen, einen instabilen Resonator zu verwenden, d. h. eine Resonanzkammer, in der die Strahlung divergiert, wenn sie zwischen den Kammerreflektoren hindurchläuft. An dem Ausgangsreflektor der Kammer tritt die Ausgangsenergie über den Reflektorumfang hinaus, da der Strahlquerschnitt größer ist als der Reflektor. Derjenige Teil der Strahlenergie, der von dem Ausgangsreflektor reflektiert wird zur Wiederverstärkung durch das aktive Medium, kann geometrisch so selektiert werden, daß nur eine gleichphasige Wellenfront zu-

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rückgeleitet wird. Aus diesem Grunde kann ein instabiler Resonator eine gleichphasige Wellenfront in der Resonanzkammer stark selektieren, wodurch es möglich ist, einen durch Beugung begrenzten Ausgangsstrahl aus einer Resonanzkammer mit einer großen Fresnel-Zahl zu erzeugen. Instabile Resonatoren sind allgemein bekannt· und beispielsweise von A.E. Siegman, Applied Optics, Nr. 13, Seiten 353-367 (Februar 197¹O beschrieben.

Ein Nachteil des instabilen Resonators besteht darin, daß die Rückkopplung aus dem Ausgangsreflektor nicht mehr als etwa 10 % betragen kann, wenn eine gute Modensteuerung und Stabilität erzielt werden sollen. Dies macht es erforderlich, daß der Gewinn durch das aktive Medium relativ hoch ist für einen Laseroszillatorbetrieb. Bei üblichen Anwendungsfällen von flächengepumpten Lasern ist das aktive Medium in einer festen Masse, ist optisch gepumpt und hat einen relativ kleinen Gewinn.

Ein Resonator, der in der Ebene einer kleinen Verzerrung stabil und in der Ebene, in der eine Verzerrung auftreten kann, instabil ist, macht effektiven Gebrauch von der Modenselektivität, die durch den instabilen Resonator geliefert wird, und gestattet gleichzeitig eine relativ große (beispielsweise 50 %) Rückkopplung aus dem Ausgangsreflektor. Darüber hinaus beträgt das Verhältnis der Plattenbreite (gemessen in der Ebene 18) zur Dicke (gemessen in der Ebene 17) für einen flächengepumpten Laser der

drei hxer beschriebenen Art üblicherweise / oder mehr. Dies hat eine intrakavitäre öffnung der Platte 10 zur Folge, die relativ kleiner in der Ebene einer kleinen Verzerrung (wodurch eine kleine Fresnel-Zahl der Kammer erzielt wird) und größer ist in der Ebene mit möglicher Verzerrung.(wodurch eine große Fresnel-Zahl der Kammer erzielt wird). Aus diesen Gründen ist eine stabile/instabile Resonanζkammer gut geeignet für eine Verwendung mit einem flächengepumpten Laser des Typs, wie er in der bereits eingangs genannten US-PS 3 633 126 beschrieben ist.

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Eine stabile/instabile Resonanzkammer für einen Laser-Oszillator ist auf einfache Weise auszuführen mit einer Vielfach-Reflexion aufweisenden flächengepumpten Läserplatte in ihrer üblichen Form, wie sie in Figur 2 gezeigt ist. Somit wird die einen rechtwinkligen Querschnitt aufweisende Platte 10 in der Weise hergestellt, daß die den Strahleneingang bildenden Endflächen I¹I und 15 in dem Brewster-Winkel in bezug auf die Längsachse 13 angeordnet sind. Das aktive Medium 10 wird üblicherweise durch die Flächen 11 und 12 hindurch durch Blitzlampen 23 bzw. 2k gepumpt, um Atome des aktiven Mediums zu einem metastabilen Zustand zu erregen und dadurch eine Besetzungsinversion darin zu erzeugen. Die effektive optische Länge der Platte 10 in der p-Ebene (die den Brewster-Winkel enthält) ist kleiner als in der s-Ebene. Deshalb kann durch Verwendung üblicher konvergierender Kammeroptiken mit einem konkaven kugelförmigen Kammerreflektor 21 und einem planen Ausgangsreflektor 22 die Trennung zwischen den Reflektoren 21 und 22 so eingestellt werden, daß die dadurch gebildete Laserresonanzkammer nur in der p-Ebene stabil ist und in der s-Ebene instabil ist, da die effektive Resonatorlange in der s-Ebene größer ist als die Länge, die für eine stabile Resonanzkammer erforderlich ist.

In dem speziellen Fall eines konkaven kugelförmigen Reflektors 21 und eines planen Ausgangsreflektors 22 ist die Trennung dieser Reflektoren so eingestellt;, daß deren optische Trennung in der p-Ebene kleiner ist als der Krümmungsradius des kugelförmigen Reflektors 21, und daß deren optische Trennung in der s-Ebene größer ist als der Krümmungsradius des kugelförmigen Reflektors. Diese Einstellung ist auf einfache Weise zu erzielen, da die optische Länge der Laserplatte mit den im Brewster-Winkel angeordneten Endflächen 14 und 15 in der p-Ebene kleiner ist als in der s-Ebene (um 4l % der Plattenlänge im Falle von Neodymdotiertem Glas). Die exakte Trennung der Spiegel wird so eingestellt, daß die Öffnung der p-Ebene der Platte durch die optische Energie in dem stabilen Resonatormode niedrigster Ordnung gefüllt ist. Die Breite des Ausgangsspiegels (d. h. die Ausdehnung in der s-Ebene) ist so eingestellt, daß die öffnung der

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Platte in der s-Ebene durch die optische Energie in dem instabilen Resonatormode gefüllt ist. Das Reflexionsvermögen des Ausgangsreflektors kann zur Erzielung eines optimalen Ausgangswirkungsgrades eingestellt sein. Kammerreflektoren sind nicht auf plane und konkave Kombinationen beschränkt; es können Reflektoren mit einer breiten Vielfalt von Krümmungen verwendet werden, so lange die Kriterien für die stabile/instabile Kammer erfüllt sind. Selbstverständlich muß die Krümmung der Reflektoren entsprechend ausgewählt sein, um die gewünschte physikalische Länge der Resonanzkammerj die gewünschte Fresnel-Zahl in der p-Ebene und den richtigen Grad an Instabilität in der s-Ebene zu erzielen.

Jedoch müssen die Enden der Laserplatte nicht notwendigerweise in dem Brewster-Winkel angeordnet sein. Es können vielmehr auch andere Strahleintrittswinkel verwendet werden; nichts^-destoweniger ist der Brewster-Winkel häufig der günstigste, da die Reflektionsverluste null sind, wenn in der p-Ebene polarisiertes Licht durch eine im Brewster-Winkel angeordnete Fläche hindurchtritt. Somit liefert die in Figur 2 dargestellte Einrichtung einen durch Beugung begrenzten Ausgangsstrahl, der in Längsrichtung entlang der Achse 13 gerichtet ist, aus einem mit Vielfach-Reflexion arbeitenden flächengepumpten Laser, indem darin der transversale Schwingungsmodejniedigster Ordnung bevorzugt wird, ohne daß eine wesentliche Einbuße in der Ausgangsleistung auftritt .

Es ist also ein flächengepumpter Laser-Oszillator mit einem Resonator beschrieben worden, der den transversalen Schwingungsmode niedrigster Ordnung stark bevorzugt. Es ist somit ein durch Beugung begrenzter Ausgangsstrahl aus einer Resonanzkammer eines flächengepumpten Lasers mit einer großen Fresnel-Zahl erhältlich, wobei der Resonator in der p-Ebene stabil und in der s-Ebene instabil ist.

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Claims

Ansprüche

1.) Plächengepumpter Laser mit Vielfach-Reflexion zur Emission eines durch' Beugung begrenzten Ausgangsstrahles in einer Längsrichtung,

einer langgestreckten Platte aus einem homogenen aktiven Lasermedium mit wenigstens zwei optisch pjanen Flächen, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, wobei die effektive optische Länge des aktiven Mediums für ein hindurchtretendes Strahlenbündel aus optischer Energie in der Reflexionsebene größer ist als in einer Ebene, die senkrecht zur Reflexionsebene verläuft und das Strahlenbündel enthält, und

einer Pumpeinrichtung zum Aufbringen elektromagnetischer Strahlung auf wenigstens eine der optisch planen Flächen zum Erregen der Atome des aktiven Mediums in einen metastabilen Zustand zur Erzeugung einer Besetzungsumkehr darin, gekennzeichnet durch eine optisch plane Reflektoreinrichtung (22), die im Abstand zu dem einen Ende des aktiven Mediums angeordnet ist, und·

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ORIGINAL INSPECTED

eine konkave kugelförmige Reflektoreinrichtung (21), die im Abstand zum entgegengesetzten Ende des aktiven Mediums angeordnet ist,

wobei die plane Reflektoreinrichtung (22) und die kugelförmige Reflektoreinrichtung (21) entgegengesetzte Enden einer Kammer bilden, die mit optischer Energie in Resonanz ist, die in einer zu den zwei optisch planen Flächen des aktiven Mediums im allgemeinen parallelen Richtung und senkrecht zu der Oberfläche der kugelförmigen Reflektoreinrichtung an dem Aufprallpunkt durch die Kammer hindurchtritt derart, daß die Kammer in der Reflexionsebene stabil, aber in der Ebene.senkrecht zu der Reflexionsebene instabil ist.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte (10) einen rechtwinkligen Querschnitt aufweist.

3. Laser nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Platte (10) eine Endfläche ( 14, 15) an jedem ihrer Längsenden aufweist, wobei jede Endfläche in dem Brewster-Winkel (ß) in der Reflexionsebene (17) in bezug auf die Längsachse (13) der Platte (10) angeordnet ist.

4. Laser nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die optisch plane Reflektoreinrichtung (22) eine vorbestimmte Größe besitzt und der Abstand zwischen der optisch planen Reflektoreinrichtung (22) und der konkaven kugelförmigen Reflektoreinrichtung (21) derart gewählt ist, daß ein Teil der Ausgangsenergie des Lasers über den Umfang der planen Reflektoreinrichtung hinausströmt.

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