DE2900669C3

DE2900669C3 - Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge

Info

Publication number: DE2900669C3
Application number: DE19792900669
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr. 7032 Sindelfingen Hügel
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5300 Bonn; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1979-01-10
Publication date: 1982-02-11
Also published as: DE2900669B2; DE2900669A1

Description

Die Erfindung betriff; eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 2.

Zur Erzielung einer Besetzungsinversion in einem bestimmten Laserübergang kann es erforderlich sein, das obere Laserniveau dadurch zu pu.npen, daß es mittels eines intensiven Strahlungsfeldes mit einem stark besetzten Energieniveau gekoppelt wird (optisches Pumpen). Liegt dieses stark besetzte Energieniveau oberhalb des oberen Laserniveaus und ist der Strahlungsübergang zwischen beiden Niveaus erlaubt, so muß die Pumpstrahlung nicht von außerhalb des Mediums zugeführt werden, vielmehr ist es möglich, zwischen diesem Energieniveau und dem oberen Laserniveau durch Anordnung eines geeigneten optischen Resonators einen zweiten Laserübergang zu bewirken, durch den ein für den Pumpprozeß des interessierenden Laserniveaus ausreichend hohes Strahlungsfeld entsteht.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise in Appl. Phys. Lett. 31, 1977, Seite 730-752 für ein N₂:CO₂:He-Lasersystem vorgeschlagen worden. Bei dieser bekannten Vorrichtung wurde mittels eines rotierenden oder feststehenden total-reflektierenden Spiegels und eines Spiegels, der zur Strahlungsauskopplung mit einem Loch versehen ist, ein starkes Strahlungsfeld im Wellenlängenbereich von 9,4 bzw. 10,6 μιτι durch entsprechende Vibrationsübergänge des CCh-Moleküls erzeugt. Gleichzeitig diente derselbe Resonator der Erzeugung von Laserstrahlung mit Wellenlängen von 14 bzw. 16 μιτι. Ein starkes Strahlungsfeld im 10,6-μπι-Lascrübergang bewirkt optisches Pumpen des (10⁰O)- Vibrationsnivcaus mit resultierendem Laserübergang nach (01¹O) bei 14 μηι. Wird der 10,6^un-Laserübergang z. B. durch einen selektiven Absorber im Resonator unterdrückt, so bewirkt der nunmehr schwingende 9,44im-Übergang das Pumpen des (02°0)-Vibrationsnivcaus mit resultierendem Laserübergang ebenfalls nach (01¹O) bei 16 μηι. Im kontinuierlichen Betrieb wird dabei zusätzlich das untere Vibrationsniveau (01¹O) durch Beifügung von geringen Mengen Wasserstoff entvölkert.

Bei der bekannten Vorrichtung werden Metallspiegel zur Reflexion der im Resonator entstehenden Strahlung verwendet. Zwar ist die Auskopplung der Strahlung durch ein Loch in dem Spiegel in relativ einfacher Weise durchführbar, jedoch weist diese Anordnung einige schwerwiegende Nachteile auf. Die Auskopplung der Strahlung durch ein Loch ist für die Qualität des Laserstrahls ungünstig. Durch die Verwendung von Metallspiegeln besitzt der Resonator für die Strahlung beider Wellenlängen annähernd dieselbe Güte, es ist daher nicht möglich, ihn für den jeweiligen Übergang

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unabhängig vom anderen zu optimieren.

Neben der erwünschten Laserstrahlung wird auch die Strahlung des Pumpüberganges ausgesandt. Diese kann unter Urnständen die Anwendung der erwünschten Laserstrahlung störend beeinflussen. Es kann daher erforderlich werden, die störende Strahlung außerhalb des Laserresonators von der erwünschten Strahlung abzutrennen und zu absorbieren. Bei hohen Strahlungsleistungen können die hierzu notwendigen Vorrichtungen recht aufwendig sein.

Eine Wellenlängenselektion, d. h. eine Feinabstimmung innerhalb der Laserübergänge ist nicht möglich, da die Ausbildung eines Laserspiegels als Reflexionsgitter nicht die voneinander unabhängige Abstimmung in beiden Übergängen erlaubt. Bei Abstimmung des einen Überganges wäre die Auskopplung des anderen Überganges nicht kontrollierbar.

Schließlich ist das bekannte Verfahren in .Spektralbereichen, in denen das metallische Reflexionsvermögen nicht ausreicht, unbrauchbar, also beispielsweise im Ultraviolettbereich und im Vakuumultraviolettbereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzubilden, daß die Laserbedingungen für beide Strahlungen unabhängig voneinander optimierbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I oder des Anspruchs 2 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Reflexionsanordnung kann dabei verschieden aufgebaut sein.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Patentanspruch 1 weist die Reflexionsanordnung ein einziges Spiegelelement mit einer dielektrischen Beschichtung auf der dem aktiven Medium zugewandten Seite und einer weiteren dielektrischen Beschichtung auf der dieser gegenüberliegenden Seite auf.

Vorteilhaft ist auch eine zweite Anordnung gemäß Patentanspruch 2, bei welcher die Reflexionsanordnung zwei getrennte Spiegelelemente umfaßt, die jeweils an ihrer dem aktiven Medium zugewandten Seite eine dielektrische Beschichtung tragen.

In beiden Fällen ist jede der beiden Beschichtungen für eine der beiden Strahlungen weitgehend durchlässig und für die andere so stark reflektierend, daß sich zusammen mit der Reflexion der anderen Beschichtung für diese Strahlung die optimale Reflexion ergibt.

Vorzugsweise tragen die Spiegel auf der vom aktiven Medium abgewandten Seite eine Antireflexionsschicht für die Strahlung, die von der Beschichtung des jeweiligen Spiegels durchgelassen wird. Dies stellt eine an sich bekannte Maßnahme dar (DE-OS 25 22 338).

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei f'nem Laserresonator dieser Art ist es wesentlich, daß sich die Strahlungsfelder unterschiedlicher Wellen- 5^ länge möglichst im gesamten Volumen des aktiven Mediums gleichmäßig überdecken, da auf diese Weise die maximale Wechselwiikung der Moleküle des aktiven Mediums sowohl mit der Pumpstrahlung als auch mit der erwünschten Laserstrahlung erreicht wird.

Die sich im Resonator ausbildende Modenstruktur, also die Verteilung der Strahlung im Resonatorvolumen, ist bei gegebener Resonatorgcometrie eine Funktion der Wellenlänge. Reflektiert man also Strahlungen verschiedener Wellenlänge in herkömmlicher Weise an einer einzigen Spiegelfläche, so müssen sich im Resonator zwei unterschiedliche Modenstrukturen entwickeln, die sich jedoch dann nur teilweise überlappen und keinen optimalen Betrieb erlauben. So läßt sich beispielsweise errechnen, daß im TEMoo-Mode die Überlappung von Strahlungsfeldern mit Wellenlängen von 10,6 μιτ\ bzw. 14 μπι nur etwa 75% beträgt, d. h. fast 25% des möglichen Laserstrahlungsquerschnitts wird unzureichend optisch gepumpt und der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung ist also deutlich herabgesetzt.

Verwendet man jedoch gemäß der Lehre der Ansprüche 1 oder 2 zwei getrennte Spiegelflächen auf der Vorder- und Rückseite eines Spiegelelementes bzw. auf der Vorderseite von zwei getrennten Spiegelelementen, so lassen sich die Krümmungsradien derart wählen, daß trotz verschiedener Wellenlänge die Modenstrukturen beider Strahlungen gleich werden, daß man also eine praktisch vollständige Überlappung der beiden Strahlungsfelder erreicht.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird es also möglich, die Strahlungsübergänge getrennt zu optimieren. Man kann damit beispielsweise in einem der Laserübergänge ein möglichst hohes Strahlungsfeld erzeugen, und init diesem den anderen Laserübergang optisch pumpen. Ohne diese Optimierungsmöglichkeit ginge der Anteil, welcher vom Pumpstrahlungsfeld aus der Resonatoranordnung ausgekoppelt wird, bei dem Pumpprozeß verloren. Dieser Verlust würde sich in einer geringeren Ausgangsleistung im gewünschten Laserübergang niederschlagen.

Mit diesem Verfahren ist es beispielsweise möglich, bei der Verwendung des oben beschriebenen Lasersystems Laserübergänge bei einer Wellenlänge von 16 μπι zu erzeugen, die für die Trennung der Uranisotope ²³⁵U und ²³⁸U von großer Bedeutung sind, wenn diese Isotope in Form der Verbindung UF₆ vorliegen (Laserfocus, Vol. 14,1978, Nr. 4, S. 36).

Um den Laser genau auf einen geeigneten Rotations-Vibrationsübergang des UFb-Moleküls im 16-μηι-Bereich abzustimmen, damit die isotopenselektive Anregung mit genügend hoher Effizienz erfolgt, ist es günstig, z. B. mit Hilfe eines Beugungsgitters im Resonator die optimal geeignete Laserlinie bevorzugt anschwingen zu lassen.

Darüber hinaus kann es von Vorteil sein, einen entsprechenden Übergang in einer der Sequenzbanden (Rev. Sei. Instr. Vol. 48, 1977, Nr. 8, S. 1031 - 1033 unter Zuhilfenahme des dort beschriebenen Verfahrens anzuwenden. Die Vibrations-Rotations-Linien sind bei den Sequenzbanden geringfügig gegenüber jenen der Grundbande verschoben, so daß eine bessere Koinzidenz mit dem der UF₆-Übergänge möglich erscheint.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines ersten bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Laseranordnung und

Fig.2 eine Ansicht ähnlich Fig. 1 einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Laseranordnung.

Die in Fig. I dargestellte Vorrichtung besteht aus einem total·reflektierenden Spiegel 1 und einem Spiegelelement 2, zwischen denen sich ein laseraktives Medium 3 befindet, das beispielsweise CO₂-GaS sein kann. Das Spiegelelement 2 besteht aus einem Substrat 4. v> jlches vorzugsweise aus CdTe besteht, das sowohl auf seiner Vorderseite als auch auf seiner Rückseite je eine dielektrische Beschichtung 6 bzw. 7 trägt. Die Reflexionseigenschaften dieser Beschichtungen sind derart gewählt, daß jede Beschichtung für eine der

beiden Strahlungen durchlässig ist, während sie für die andere Strahlung die für den Laserbetrieb optimalen Reflexionseigenschaften aufweist. Wenn die Besehichttingen für eine der beiden Strahlungen nicht vollständig durchlässig sind, dann isl es vorteilhaft, wenn die andere Schicht diese nur teilweise durchgelasscnc Strahlung nur so stark reflektiert, daß die Reflexion an beiden Beschichtungen zusammengenommen die für den Laserbetrieb optimale Reflexion ergibt. Damit bei diesem Ausführungsbeispiel die Resonatorachsen annähernd übereinstimmen, d. h. damit der Resonator justierbar wird, müssen die Vorder- und die Rückfläche des teilweise durchlässigen Spiegelelements 2 sehr genau parallel liegen.

Der Pumpübergang für den H-jim-Laserübergang lieg; bei !0.6 μνη und jener für der, !fc-^irn-Laserübergang bei 9.4 μηι. Durch entsprechende Optimierung der jeweiligen Rcflexionseigcnschaften der dielektrischen Beschichtung lassen sich die Wellenlänge der Pumpstrahlung und damit auch die Wellenlänge der gewünschten Laserstrahlung auswählen. Im übrigen ist zur Selektion einer der beiden Pumpsirahlungen zusätzlich möglich, die jeweils andere Pumpstrahlung im Resonator durch Einbringen eines geeigneten Absorbers zu absorbieren.

Die Beschichtungen selbst können gegebenenfalls aus mehreren dielektrischen Schichten aufgebaut sein, das Substrat kann entweder ganz oder teilweise, auch in geeignet gestalteten geometrischen Mustern, mit der dielektrischen Beschichtung bedeckt sein.

Eine weitere in I-i g. 2 dargestellte Ausführungsform umfaßt neben dem total-reflektierenden Spiegel 1 ein erstes Spiegelelement 12 sowie ein davon getrenntes zweites Spiegclelcmen! !6. die beide aus einem Substrat 14 bzw. 18 bestehen, das auf seiner dem total-reflektierenden Spiegel 1 zugewandten Seite eine dielektrische Beschichtung 13 bzw. 17 und auf seiner gegenüberliegenden Seite eitu· Antireflexionsschicht 15 bzw. 59 trägt. Das aktive Medium 3 ist zwischen dem total-reflektierenden Spiegel 1 und dem ersten Spiegelelement 12 angeordnet.

Bei einer ersten Ausführungsfurm ist die Beschichtung 13 für eine der beiden Strahlungen vollkommen durchlässig, während sie für die andere Strahlung eine optimale Reflexion aufweist. Demgegenüber zeigt die dielektrische Beschichtung 17 für die von der Schicht 13 durchgelassene Strahlung optimale Reflexion.

Bei einem abgewandelten Ausführungsbeispiel, bei dem die Beschichtungen 13 und 17 nicht für eine der Strahlungen vollkommen durchlässig sind, können die Rcflexionseigcnschaften der Schichten so aufeinander abgestimmt werden, daß sich durch die Reflexion einer Strahlung an den Schichten 13 und 17 insgesamt die optimale Reflexion ergibt.

Die Antireflexionsschichten 15 und 19 auf der Rückseite der Spicgelelemcntc 12 und 16 dienen der Vermeidung von Reflexionsvcilusten. Dabei läßt die

κι Antireflexionsschicht 15 die von der dielektrischen Beschichtung 13 durchgchisscnc Strahlung im wesentlichen reflexionsfrci aus dom Spicgelclement 12 austreten, die Antireflexionsschicht 19 die von der dielektrischen Beschichtung 17 durchgelassene Strahlung.

Von besonderer Bedeutung sind die Antireflexionsschichlcn, wenn die Fläche auf der Rückseite des .Spiegelclements, auf die sie aufgebracht sind, um einen kleinen Keilwinkel gegen die Fläche auf der Vorderseite des Spiegelelements geneigt isl. was bei Laserspiegeln üblicherweise der [-"all ist. Ohne die Antireflexionsschicht tritt infolge des Keilwinkcls ein Slreuvcrlust auf, welcher nur durch eine erhebliche Verringerung des Keilwinkcls beseitigt weiden könnte.

Daneben ist zu berücksichtigen, daß entweder alle drei Laserspiegel mit einer Justiervorrichtung ausgestattet sein müssen, oder aber, wenn der Spiegel 12 in einer vorjustierten Einrichtung untergebracht ist. nur die Spiegel 1 und 16 justierbar zu sein brauchen.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Anordnung

3d erlaubt darüber hinaus je nach den Eigenschaften des laseraktiven Mediums die Wahl, ob die Pumpstrahlung von den Beschichtungen 6 bzw. 13 und die erwünschte Laserstrahlung von den Beschichtungen 7 bzw. 15 reflektiert werden oder ob die Reflexion umgekehrt erfolgt. So wird man z. B. bei hoher Strahlungsintensität im Pumpübergang und ausreichender Verstärkung im gewünschten Laserübergang die zuerst beschriebene Anordnung wählen. Dadurch wird erreicht, daß nur die dielektrischen Beschichtungen 6 bzw. 13 mit der hohen Strahlungsleistung beaufschlagt werden, nicht jedoch jene, welche für den anderen Übergang optimiert sind.

Bei geringer Verstärkung im gewünschten Lascrübcrgang jedoch wird man umgekehrt verfahren, d. h. die dielektrischen Beschichtungen 6 bzw. 13 werden für diesen Übergang optimiert. Dann ist dieser Übergang im Resonator frei von weiteren, verlustbehafteten optischen Elementen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge mit einem beide Strahlungsfelder erzeugenden, aktiven Medium (3), welches sich in einer Resonatoranordnung befindet, die mindestens einen total reflektierenden Spiegel (I) und eine Strahlung beider Wellenlängen reflektierende, einen Teil der im iu Resonator erzeugten Strahlung durchlassende Reflexionsanordnung aufweist, die mindestens ein Spiegelelement (2) mit einer dielektrischen Beschichtung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Reflexionsanordnung ein einziges Spiegelelement (2) mit einer dielektrischen Beschichtung (6) auf der dem aktiven Medium (3) zugewandten Seite und einer weiteren dielektrischen Beschichtung (7) auf der dieser gegenüberliegenden Seite aufweist und

b) jede der beiden dielektrischen Beschichtungen (6, 7) für eine der beiden Strahlungen weitgehend durchlässig ist und für die andere so stark reflektierend, daß sich zusammen mit der Reflexion der anderen dielektrischen Beschichtung (7, 6) für diese Strahlung die optimale Reflexion ergibt.

2. Vorrichtung zur räumlichen Überlagerung von Strahlungsfeldern verschiedener Wellenlänge mit einem beide Strahlungsfelder erzeugenden, aktiven Medium (3), welches sich in einer Resonatoranordnung befindet, die mindestens einen total reflektierenden Spiegel (1) und eine Strahlung beider Wellenlängen reflektierende, einen Teil der im Resonator erzeugten Strahlung durchlassende Reflexionsanordnung aufweist, die mindestens ein Spiegelelement mit einer dielektrischen Beschichtung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Reflexionsanordnung zwei getrennte Spiegelelemente (12,16) umfaßt, die jeweils an ihrer dem aktiven Medium (3) zugewandten Seite eine dielektrische Beschichtung (13 bzw. 17) tragen und

b) jede der beiden dielektrischen Beschichtungen (13, 17) für eine der beiden Strahlungen weitgehend durchlässig ist und für die andere so stark reflektierend, daß sich zusammen mit der Reflexion der anderen dielektrischen Beschichtung (17, 13) für diese Strahlung die optimale Reflexion ergibt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I oder

2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden dielektrischen Beschichtungen (6, 7; 13, 17) für jeweils eine der beiden Strahlungen vollständig durchlässig ist und für die andere optimale Reflexionseigenschaften zeigt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelelemente (12, 16) auf der vom Resonator abgewandten Seite eine Antireflexionsschicht (15 bzw. 19) für die Strahlung aufweisen, die von der Beschichtung (13 bzw. 17) des jeweiligen Spiegelelements (12 bzw. 16) durchgelassen wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, b5 dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4; 14, 18) der mit einer oder mehreren dielektrischen Bcschichlungen (5, 6, 7; 13, 17) versehenen .Spiegelele

mente (2; 12,16) CdTe ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der reflektierenden Schichten eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 16μηΊ, die andere eine Strahlung mit einer Wellenlänge von 9,4 μπι reflektiert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator für einen oder beide Laserübergänge ein stabiler Resonator und/oder ein instabiler Resonator mit Arbeitspunkt im ersten Quadranten des Stabilitätsdiagramms ist.