DE2913270A1

DE2913270A1 - Laser optical system forming pulsed light beam - has Pockel cell oscillator between resonant mirrors and in line with quarter wave plate and linear polariser

Info

Publication number: DE2913270A1
Application number: DE19792913270
Authority: DE
Inventors: Wolf Dipl Ing Bickel
Original assignee: Krautkraemer GmbH
Current assignee: Krautkraemer GmbH
Priority date: 1979-04-03
Filing date: 1979-04-03
Publication date: 1980-10-23

Abstract

The laser optical system consists of a laser optical element (6) with its optical axis coincident with an opaque resonating mirror (2) on one side and, on the other side, a quarter-wave plate (5), a linear polariser (4), a laser-active medium (1) and a partly transparent resonating mirror (3). The laser active medium (1) is typically an Nd glass or Nd doped YAG crystal, the linear polarisium is of calcite and the quarter-wave plate of quartz. The laser optical element is constructed as a Pockel cell with side electrodes and a central KDP crystal. (Potassium-dihydrogen-phosphate). The cell has an electrical voltage applied to cause it to function as an oscillator and emit pulses of laser light for the irradiation of solid or liquid materials.

Description

LASERANORDNUNG MIT EINEM ELEKTROOPTISCHEN GÜTESCHALTERLASER ARRANGEMENT WITH AN ELECTRO-OPTICAL SWITCH

UND VERFAHREN ZUM BETRIEB DIESER ANORDNUNG Die vorliegende Erdindung betrifft eine Laseranordnung mit einem elektrooptischen Güteschalter, der aus einem zwischen dem laser-aktiven Medium und dem jeweils undurchlässigen Resonatorspiegel angeordneten elektrooptischen Bauelement und einem zwischen diesem Bauelement und dem laser-aktiven Medium angeordneten Linearpolarisator besteht. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Betrieb dieser Anordnung und auf eine Verwendung der Anordnung zur Erzeugung kurzer akustischer Impulse.AND METHOD OF OPERATING THIS ARRANGEMENT The present earth connection relates to a laser arrangement with an electro-optical Q switch, which consists of a between the laser-active medium and the respective impermeable resonator mirror arranged electro-optical component and one between this component and the laser-active medium arranged linear polarizer consists. The invention relates also refer to a method for operating this arrangement and a use the arrangement for generating short acoustic pulses.

Elektrooptische Güteschalter der vorstehend beschriebenen Art sind beispielsweise aus dem Buch: W. Koechner "Solid-State Laser Engineering", Springer Verlag 1976, S.411 ff.Electro-optical Q-switches of the type described above are for example from the book: W. Koechner "Solid-State Laser Engineering", Springer Verlag 1976, p. 411 ff.

bekannt. Bei dieser bekannten Anordnung muß an dem elektrooptischen Bauelement - bei dem es sich beispielsweise um eine Pockelszelle oder um eine Kerrzelle handeln kann -während des gesamten Pumpvorganges des laser-aktiven Mediums eine Spannung liegen. Dadurch wird erreicht, daß der Laser während des Pumpens kein Licht abgibt. Denn die Spannung wird jeweils so gewählt, daß aufgrund der in der Ke-rrzelle erzeugten Doppelbrechung zwischen ordentl ichem und außerordentlichem Lichtstrahl eine Phasendifferenz von »/4 besteht. Das in die Kerrzelle eintretende 1 inearpolarisierte Licht wird dann zirkularpolarisiert, an dem Resonatorspiegel reflektiert, gelangt wiederum in die Kerrzelle und tritt dort als linearpolarisiertes Licht mit einer zur ursprüngichen Schwingunysebene senkrechten Schwingungsebene aus.known. In this known arrangement must on the electro-optical Component - which is, for example, a Pockels cell or a Kerr cell can act during the entire pumping process of the laser-active medium Tension. This ensures that the laser does not emit any light while it is pumping gives away. Because the voltage is chosen so that due to the in the Ke-rrzelle generated birefringence between ordinary and extraordinary ray of light there is a phase difference of »/ 4. The 1 entering the Kerr cell is inearpolarized light is then circularly polarized, reflected on the resonator mirror, arrives again into the Kerr cell and enters there as linearly polarized light with one to the original Vibration level vertical vibration level.

Lediglich während des relativ kurzen Auyenblicks, in dem ein Laserl lcht-Impuls erzeugt werden soll, 1 legt keine Spannung an der Kerrzelle, so daß das 1 inearpolarisierte Licht ohne Anderung der Schwingungsebene wieder in den Polarisator gelangt.Only during the relatively short outside view, in which a laser If the light pulse is to be generated, 1 does not apply any voltage to the Kerr cell, so that the 1 inearpolarized light back into the polarizer without changing the plane of oscillation got.

Aus der erwähnten Literaturstelle ist ebenfalls eine Anordnung bekannt, bei der an das elektro-optische Element nur dann eine Spannung gelegt werden muß, wenn der Laserlicht-lmpuls erzeugt werden soll. Bei dieser Anordnung sind jedoch relativ hohe Spannungen erforderlich, weil die Phasendifferenz zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Lichtstrahl nach durchlaufen der Kerrzelle j,/2 betragen muß. Außerdem ist bei diesem Güteschalter noch ein zweiter Linearpolarisator erforderlich.An arrangement is also known from the cited literature reference, in which a voltage only has to be applied to the electro-optical element, when the laser light pulse is to be generated. However, with this arrangement relatively high voltages required because of the phase difference between the ordinary and the extraordinary light beam after passing through the Kerr cell are j, / 2 got to. In addition, a second linear polarizer is required for this Q-switch.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laseranordnung mit einem Güteschalter der einyangs beschriebenen Art so weiterzuentwickeln, daß an dem elektrooptischen Bauelement nur während einer möglichst kurzen Zeit eine Spannung liegt, die darüberhinaus einen möglichst kleinen Wert aufweisen soll.It is the object of the present invention to provide a laser arrangement to further develop with a Q-switch of the type described at the beginning so that on the electro-optical component only for as short a time as possible Voltage, which should also have the lowest possible value.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem elektrooptischen Bauelement und dem Linearpolarisator eineh./4-Platte angeordnet ist.This object is achieved in that between the electro-optical component and the linear polarizer einh./4 plate is.

Das Verfahren zum Betrieb einer derartigen Anordnung erfolgt dann derart, daß an das elektrooptische Bauelement nur dann eine Spannung gelegt wird, wenn die im laser-aktiven Medium gespeicherte Energie als Lichtimpuls abgegeben werden soll; die dabei erforderliche Spannung wird so gewählt, daß sich aufgrund der durch diese Spannung verursachten Doppelbrechung, zwischen ordentl ichem und außerordenl ichem Lichtstrahl eine Phasendifferenz von/4 ergibt.The method for operating such an arrangement then takes place in such a way that a voltage is only applied to the electro-optical component when the energy stored in the laser-active medium is emitted as a light pulse shall be; the voltage required is chosen so that due to the birefringence caused by this tension, between ordentl A phase difference of / 4 results for the external and external light beam.

Die Erfindung besitzt gegenüber den bekannten Anordnungen vor allem den Vorteil, daß aufgrund der geringen Spannung, die jeweils nur etne kurze Zeit an dem elektrooptischen Bauelement liegt, die Lebensdauer der elektrooptischen Bauelemente wesentlich zunimmt. Dieses hat sich besonders bei hohen Impulsfolgefrequenzen als vorteilhaft erwiesen. Außerdem erfordert die neue Anordnung keinen zusätzlichen Polar i sator.The invention has over the known arrangements above all the advantage that due to the low voltage, each only a short time is on the electro-optical component, the service life of the electro-optical components increases significantly. This has proven to be particularly good at high pulse repetition rates proved beneficial. In addition, the new arrangement does not require any additional Polar i sator.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erdindung ergeben sich aus den folgenden, anhand von Figuren beschriebenen Ausführungsbeispielen: Es zeigt: Fig. 1 schematisch eine Laseranordnung mit Güteschalter nach der Erfindung; Fig. 2 den Querschnitt einer Pockelszelle mit integrierter ~d/4-Platte; und Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der Pumplicht-Intensität (3 a), der an dem elektrooptischen Bauelement liegende Spannung (3 b) und des von dem Laser abgegebenen Lichtes (3 c).Further details and advantages of the earth connection can be found in the the following exemplary embodiments described with reference to figures: It shows: Fig. 1 schematically shows a laser arrangement with a Q switch according to the invention; Fig. 2 the Cross-section of a Pockels cell with integrated ~ d / 4 plate; and FIG. 3 shows the temporal Course of the pump light intensity (3 a), that lying on the electro-optical component Voltage (3 b) and the light emitted by the laser (3 c).

In Fig. 1 ist ein laser-aktives Medium 1, das z.B. aus Neodymglas oder noedymdotiertem Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) bestehen kann, zwischen einem lichtundurchlässigen Pesonatorsoiegel 2 und einem teildurchlässigen Auskopplungsspiegel 3 dargestellt. Der zwischen dem laser-aktiven Medium 1 und dem Resonatorspiegel 2 angeordnete Güteschalter besteht aus einem Linearpolarisator 4 (z.B. aus Kalkspat) einer"L/4 Platte 5 (z.B. aus Quarz) und einer Pockelszelle 6, die beispielsweise einen Kalium-Dihydrogen-Phosphat(KDPiKristall enthält. Die Pump,einrichtung und sonstige zum Betrieb des Lasers erforderliche Geräte sind nicht dargestellt.In Fig. 1 there is a laser-active medium 1, for example made of neodymium glass or noedym-doped yttrium aluminum garnet (YAG) can exist between one opaque Pesonatorsoiegel 2 and a partially transparent output mirror 3 shown. The one between the laser-active medium 1 and the resonator mirror 2 arranged Q-switch consists of a linear polarizer 4 (e.g. made of calcite) a "L / 4 plate 5 (e.g. made of quartz) and a Pockels cell 6, which for example contains a potassium dihydrogen phosphate (KDPiKristall. The pump, device and other devices required to operate the laser are not shown.

Ein von dem laser-aktiven Medium 1 ausgesandter Lichtstrahl tritt hinter dem Polarisator 4 als 1 inearpolarisierter Licht strahl in die z/4-Platte 5 ein und wird von dieser zu zirkularpolarisiertem Licht umgewandelt, das dann durch die Pockelszelle 6 hindurchgeht, von dem Resonatorspiegel 2 reflektiert wird und von der A/4-Platte 5 wieder in linearpolarisiertes Licht, mit einer zur ursprünglichen Schwingungsebene senkrechten Schwingungsebene umgewandelt wird.A light beam emitted by the laser-active medium 1 occurs behind the polarizer 4 as 1 inearpolarized light beam into the z / 4 plate 5 and is converted by this into circularly polarized light, which then passes through the Pockels cell 6 passes through, is reflected by the resonator mirror 2 and from the A / 4 plate 5 again into linearly polarized light, with one to the original Vibration plane vertical vibration plane is converted.

Wird nun eine Spannung an die Pockelszelle 6 gelegt, die zwischen ordentl ichem und außerordentlichem Strahl eine Phasendifferenz von 1/4 verursacht, so wird die Wirkung der Sl/4-Platte 4 kompensiert. Es gelangt das reflektierte Licht wieder in das laser-aktive Medium 1 und die Laseranordnung wirkt als Oszilator.If a voltage is now applied to the Pockels cell 6, the between causes a phase difference of 1/4 in ordinary and extraordinary rays, so the effect of the Sl / 4 plate 4 is compensated. The reflected light gets there back into the laser-active medium 1 and the laser arrangement acts as an oscillator.

Die gleiche Wirkung erreicht man auch dann, wenn die Platte 5 anstatt zwischen dem Polarisator 4 und der Pockelszelle 6, zwischen letzterer und dem Resonatorspiegel 2 angeordnet wird.The same effect can also be achieved if the plate 5 instead between the polarizer 4 and the Pockels cell 6, between the latter and the resonator mirror 2 is arranged.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die ;L/4-Platte 5 mechanisch mit der Pockelszelle verbunden ist. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Dabei ist mit 7 das Gehäuse der Pockelszelle mit 11 der KDP-Kristall, mit 9 die nur schematisch angedeuteten Elektroden, mit 5 die ft/4-Platte und mit 8 das Austrittsfenster der Zelle bezeichnet worden.It has proven to be advantageous if the L / 4 plate 5 is mechanically is connected to the Pockels cell. A corresponding arrangement is shown in FIG. With 7 the housing of the Pockels cell is with 11 the KDP crystal, with 9 the only schematically indicated electrodes, with 5 the ft / 4 plate and with 8 the exit window of the cell.

Fig. 3a bis 3c geben den zeitlichen Zusammenhang zwischen dem Pumpvorgang (Fig. 3a), dem Verlauf der an die Pockelszelle gelegten Spannung (Fig. 3b) und dem ausgestrahlten Laserimpuls (Fig. 3c) wieder. Während eines Zeitraums t2-to von etwa 100>s wird das laser-aktive Medium mit Pump-Licht bestrahlt. Kurz vor Ende des Pumpvorganges wird dann zum Zeitpunkt tal t1 die mit U24 bezeichnete Spannung an die Pockelszelle gelegt, die dann zum Aufbau des in Fig. 3c dargestellten Laserimpulses führt.FIGS. 3a to 3c show the time relationship between the pumping process (Fig. 3a), the course of the voltage applied to the Pockels cell (Fig. 3b) and the emitted laser pulse (Fig. 3c) again. During a period t2-to of about The laser-active medium is irradiated with pump light for 100> s. Just before the end of the During the pumping process, the voltage designated by U24 is applied at time t1 placed the Pockels cell, which is then used to build up the laser pulse shown in Fig. 3c leads.

Die vorliegende Erfingung hat sich besonders in Vorrichtungen zur Erzeugung hochfrequenter akustischer Schwingungen in Form kurzer akustischer Impulse hoher Energien bewährt.The present invention is particularly useful in devices for Generation of high-frequency acoustic oscillations in the form of short acoustic impulses high energies proven.

Da die Wirkungsweise derartiger Vorrichtungen beispielsweise aus der DE-PS 1 772 530 bekannt ist, kann eine entsprechende Beschreibung hier entfallen.Since the operation of such devices, for example, from the DE-PS 1 772 530 is known, a corresponding description can be omitted here.

Sofern statt der obenerwähnten YAG-Laser, Rubin-Laser benutzt werden, kann aufgrund der bereits vorhandenen Polarisation des Laserlichtes, der Linearpolarisator 4 (Fig. 1) auch entfallen.If ruby lasers are used instead of the YAG lasers mentioned above, can due to the already existing polarization of the laser light, the linear polarizer 4 (Fig. 1) are also omitted.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Claims laser arrangement with an electro-optical Q-switch, the one between the laser-active medium and the respectively impermeable Resonator mirror arranged electro-optical component and between this Component and the laser-active medium ar) ordered linear polarizer, d a d u r c h e k e n n -z e i c h n e t that either between the electro-optical Component (6) and the linear polarizer (4) or between the electro-optical component (6) and the opaque resonator mirror (2) a / 4-plate (5) is arranged.

2. Arrangement according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the / 4 plate (5) as a window of the electro-optical component (6) is trained.

3. A method of operating the arrangement according to claim 1 or 2, d a d u r c h e k e n n n n z e i c h n e t that the electro-optical component (6) A voltage is only applied when the stored in the laser-active medium (1) Energy is to be emitted as a light pulse; and that the tension required is chosen such that due to the birefringence caused by the stress, a phase difference of / t / 4 between ordinary and extraordinary steel results.

4. Use of the arrangement according to claim 1 and the method according to Claim 2 for generating short, high-energy acoustic pulses by irradiation a solid or liquid material with laser light.