DE3536358A1 - Laser-vorrichtung - Google Patents

Description

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Ferranti pic

Beschreibung

Laser-Vorrichtungen werden benutzt zum Erhalt kohärenter monochromatischer Strahlung im sichtbaren oder nahe dem sichtbarten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Der Ausgang eines Lasers kann kontinuierlich oder gepulst sein, in einer beträchtlichen Vielzahl von Wellenlängen und mit einer Energie im Bereich von Milliwatt bis zu Kilowatt. Im wesentlichen besteht ein Laser aus einem aktiven Medium, das durch eine geeignete Energiequelle stimuliert wird, um einen Strahlungsausgang zu erzeugen. Das aktive Medium kann ein Feststoff sein, eine Flüssigkeit oder ein Gas und es ist innerhalb eines optischen Hohlraums angeordnet, der durch zwei reflektierende Elemente, wie z.B. Spiegeln, begrenzt ist. Der Ausgang eines solchen Lasers wird gewöhnlich erhalten, indem eines der reflektierenden Elemente bis zu 10% der Energie innerhalb des optischen Hohlraums durchläßt, während das andere Element gewöhnlich 100%-reflektierend ist. Das teilweise durchlässige Reflektorelement ist gewöhnlich ein Spiegel mit einem mehrschichtigen Oberzug hoher Dichte, der die Reflexion des Spiegels bestimmt. Ein solcher überzug ist teuer in der Herstellung, er führt zu Verlusten und zu Reflexionen und er kann durch die Energie des Laserausgangs beschädigt werden.

Es ist häufig erwünscht, wenn nicht wesentlich, daß der Ausgang des Lasers linear polarisiert ist. Dies bedingt die Verwendung eines Polarisatorelementes im optischen Hohlraum des Lasers. Dieser kann in verschiedener Weise ausgebildet sein, er führt aber unvermeidlich zu weiteren Verlusten.

Um stärkere Ausgangsimpulse von einem Laser zu erhalten, wird die als Q-Schaltung bekannte Technik verwendet. Hier wird im optischen Hohlraum des Lasers ein Polarisations-Schalter benutzt, derart, daß die Polarisationsebene innerhalb des Hohlraums verändert werden kann. Dies ergibt Impulse kurzer Dauer mit höherer Energie, wenn das aktive Lasermedium

eine ausreichend lange Lebendauer hat, um eine starke Populations-Umkehrung durch das Injizieren von Energie zu erreichen. Der Q-Schalter, der zu einer plötzlichen Steigerung des Q-Faktors in dem Laserhohlraum führt, gibt die Energie in Hochleistungsimpulsen ab. Die Injektion von Energie kann bewirkt werden durch kontinuierliche Erregung des Lasermediums oder durch gepulste Erregung. Die Bezeichnung "kontinuierliche Erregung" wird benutzt um anzuzeigen, daß die Erregung solange dauern muß wie es erforderlich ist, um eine ausreichend große Populationsumkehrung im Medium zu erzeugen. Die hohe Energie im Laserhohlraum kann mittels einer Technik abgeführt werden, die als Hohlraumententleerung oder Hohlraumschnellentleerung (cavity dumping) bekannt ist. Hierzu ist in dem optischen Hohlraum des Lasers ein Polarisationselement angeordnet, z.B. ein Brewster-Fenster. Die Ineffizienz eines solchen Elementes beim Herausführen der Energie aus dem Hohlraum ist derart, daß der maximale Ausgang der erreichbar ist, etwa 60-70% der Energie beträgt, die im Laserhohlraum verfügbar ist. Außerdem folgt der Ausgangsstrahl eines solchen Lasers nicht der optischen Achse des Lasers, sondern er liegt in einem Winkel zu dieser, was mindestens unbequem oder unerwünscht ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laser-Vorrichtung zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile vermeidet.

Nach der Erfindung ist hierzu eine Laservorrichtung vorgesehen mit einem Paar reflektierender Elemente, die zusammen einen optischen Laserhohlraum bilden mit einem aktiven Lasermedium in dem optischen Hohlraum, das stimuliert wird, um eine Laserwirkung zu erzeugen, wobei wenigstens eines der reflektierenden Elemente ein Gitter-Polarisator ist und wenigstens eines der reflektierenden Elemente für die Strahlung teilweise durchlässig ist, die in dem Laserhohlraum bei der Stimulierung des aktiven Lasermediums erzeugt wird.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Laservorrichtung vorgesehen, die in dem optischen Hohlraum ein elektro-optisches, doppelt-brechendes Polarisations-Schaltelement enthält.

Vorzugsweise ist das aktive Lasermedium ein gasförmiges Medium, das durch eine elektrische Entladung stimuliert werden kann, um eine Strahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu erzeugen.

Ein Gitterpolarisator ist ein optisches Element, gebildet aus einer Gruppe von parallelen Linien oder Streifen aus metallischem Material, die auf einem Substrat angeordnet sind, das selbst für die Laserstrahlung durchlässig ist. Die Breite und der Abstand der Linien, die das Gitter formen, bestimmt das Reflexionsvermögen des Polarisators und die Wellenlänge, in welcher er benutzt wird. Strahlung, die auf den Gitterpolarisator fällt, wird von diesem polarisiert in einer Ebene senkrecht zu den Linien, die das Gitter bilden, d.h. in seiner Durchlaßebene. Strahlung, die in einer Ebene polarisiert ist, die parallel zu diesen Linien liegt, die das Gitter bilden, wird reflektiert. Strahlung, die in irgendeiner anderen Ebene polarisiert oder die nicht plan-polarisiert ist, kann teilweise reflektiert und teilweise durchgelassen werden, und jede Strahlung, die reflektiert wird, wird senkrecht zu der Durchlaßebene des Gitterpolarisators polarisiert.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch einen Laser nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 2 und 3 zeigen schematisch weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lasers.

Fig. 1 zeigt den optischen Hohlraum eines Lasers, bestehend aus einem Paar reflektierender Elemente in Form eines Spiegels 1 an einem Ende und eines Gitterpolarisators 2 am anderen Ende, die normal zu einer optischen Achse 3 angeordnet sind. In dem optischen Hohlraum ist eine Verstärkungszelle 4 angeordnet, die ein aktives gasförmiges Medium ent-

hält, z.B. ein Gemisch aus Kohlendioxid-Helium-Stickstoff-Gas. Die Zelle ist mit Einrichtungen zum Stimulieren des Gasgemisches versehen, um eine Laserwirkung und damit eine Strahlung im infraroten oder im weiteren infraroten Bereich des Spektrums zu erzeugen. Die Stimuliereinrichtung kann eine Energieversorgung 5 umfassen, zur Erzeugung einer Gasentladung zwischen einem Paar von Elektroden. Andere Mittel zum Stimulieren eines gasförmigen Mediums sind bekannt. In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist der Spiegel 1 teilweise durchlässig, so daß er bis herauf zu etwa 10% der auf ihn vom Hohlraum her fallenden Strahlung abgibt (transmit). Der Gitterpolarisator ist 100%-reflektierend für Strahlung, die senkrecht zu seiner Durchlaßebene polarisiert ist.

Im Betrieb kann die von der Zelle 4 abgegebene Strahlung jede Polarisationsform haben. Strahlung, die auf den Gitterpolarisator 2 fällt und die senkrecht zu der Durchlaßebene polarisiert ist, wird reflektiert, während Strahlung, die in anderen Ebenen polarisiert ist, teilweise oder vollständig durch den Gitterpolarisator durchgelassen wird. Die Strahlung, die in dem optischen Hohlraum verbleibt, ist daher plan-polarisiert, ebenso wie der Ausgang, der durch den Ausgangsspiegel 1 erhalten wird. Ein Laser dieser Ausführungsform benötigt keinen anderen Polarisator innerhalb des optischen Hohlraums, womit ein Energieverlust infolge eines solchen Polarisators vermieden wird.

Die AusfUhrungsform nach Fig. 1 kann auch verwendet werden, wenn der Spiegel 1 total reflektierend ist und wenn der Gitterpolarisator 2 für einen Ausgangsstrahl durchlässig gemacht wird in einem Anteil von z.B. bis zu 10% der Strahlung, die senkrecht zu seiner Durchlaßebene polarisiert ist. Der Gitterpolarisator bildet damit den Ausgangsreflektor des Lasers.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, in welcher beide reflektierende Elemente 1 und 2 Gitterpolarisatoren sind. Ihre Durchlaßebenen liegen parallel und einer davon bildet den Ausgangsreflektor.

Bei einer Verwendung des Gitterpolarisators als Ausgangsreflektor wird ein Ausgangsspiegel nicht mehr erforderlich.

Fig. 3 zeigt einen Laser in der Form nach Fig. 1 mit einem zusätzlichen optischen Element im optischen Hohlraum. Dieses ist ein elektro--optischer, doppelt-brechender Polarisations-Schalter 6, ein sogenannter Q-Schalter. Dieser kann die Form eines Kristalls haben aus einem Material, wie z.B. Galliumarsenid oder Kadmium-Teilurid, an den ein elektrisches Feld angelegt werden kann, um die Polarisation der durch den Kristall laufenden Strahlung zu verändern. In der gezeigten Anordnung ist der Polarisationsschalter 6 so orientiert oder ausgerichtet, daß eine maximale Polarisations-Modulation relativ zur Durchlaßebene des Gitterpolarisators erreicht wird. Es wird angenommen, daß der Polarisationsschalter 6 derart angeordnet ist, daß, wenn eine geeignete Spannung an ihn angelegt wird, eine Phasendifferenz von 90° zwischen den Hauptkomponenten der austretenden Strahlung erzeugt wird.

Wie zuvor, kann die von der Zelle 4 auf den Gitterpolarisator 2 zu emittierte Strahlung jede Polarisationsform haben, sie wird jedoch plan-polarisiert infolge der Wirkung des Gitterpol an" sators 2. Diese plan-polarisierte Strahlung läuft zurück durch die Zelle 4 und den Polarisationsschalter 6, ehe sie durch den Spiegel 1 zurückreflektiert wird. Die beiden Durchgänge durch den Polarisationsschalter 6 führen zu einer Drehung von 180° in der Polarisationsebene der Strahlung, so daß diese durch den Gitterpolarisator 2 austritt. In dieser Situation, bei abgeschaltetem Polarisationsschalter 6, kann eine Laserwirkung nicht auftreten, da praktisch der Hohlraum an einem Ende offen ist.

Wenn der Polarisationsschalter 6 angeschaltet wird, durch Wegnahme der an ihn angelegten Spannung, besteht die Wirkung des Schalters darin, eine Null-Phasen-Verzögerung zu erzeugen, so daß Strahlung, die vom Spiegel 1 reflektiert wird, in einer Ebene polarisiert wird, die vom Gitterpolarisator 2 total reflektiert wird. Dies führt zu einem schnellen Aufbau von Energie in der üblichen Weise bei einem Q-geschalteten Laser, und man erhält den normalen Ausgang. Wenn die Energie einen Spitzenwert erreicht hat, wird der Schalter 6 wieder abgeschaltet. Die Polarisationsebene der Strahlung wird erneut verändert, derart, daß die gesamte Energie durch den Gitterpolarisator durchgelassen wird, um den Laserausgangsimpuls zu

bilden, den sogenannten Hohlraum-Entleerungsimpuls, der längs der optischen Achse 8 emittiert wird.

Der Vorteil bei der Verewndung eines Gitterpolarisators in der vorbeschriebenen Weise liegt darin, daß er einen sehr großen Anteil der Strahlung innerhalb des Hohlraums, über 90%, abgibt. Es können daher mehr und stärkere Impulse als bisher erzeugt werden. Es ist ferner nicht erforderlich, eine separates PoTarisationselement, wie z.B. ein Brewster-Fenster zu verwenden, womit Verluste reduziert werden. Das Timing beim Betrieb des Polarisationsschalters 6 ist zu beachten, um eine maximale Energie bzw. einen Impuls mit maximaler Energie zu erhalten. Es ist daher zweckmäßig, den Gitterpolarisator so auszubilden, daß etwas an Energie durch ihn durchgelassen wird, wenn der Schalter 6 eingeschaltet ist. In diesem Fall verhält sich der Polarisator wie ein teildurchlässiger Spiegel und es kann ein geeigneter Energie-Monitor benutzt werden, um den Aufbau der Energie in dem Laserhohlraum zu messen. Dieser Q-Impuls kann benutzt werden für andere Zwecke, beispielsweise kann bis zu etwa 10% der Energie auf diese Weise entzogen bzw. abgeführt werden. Es ist daher möglich, als nutzbare Ausgänge sowohl einen Q-Impuls zu erhalten, wenn der Polarisationsschalter 6 eingeschaltet ist und einen Hohlraumentleerungs-Impuls (cavity-dumped pulse), wenn der Schalter ausgeschaltet ist. Die Strahlung in den beiden Impulsen hat orthogonale Polarisationsebenen und obwohl sie beide längs der optischen Achse das Lasers emittiert werden, können sie getrennt und längs verschiedener äußerer Bahnen durch die Verwendung eines Analysators gerichtet und geführt werden. Alternativ kann der Spiegel 1 teilweise durchlässig gemacht werden, so daß der Q-Impuls vom einen Ende des Laserhohlraums emittiert wird und der Hohlraum-Entleerungsimpuls vom anderen Ende. Der Spiegel 1 kann praktisch durch eine reflektierende Schicht auf der Stirnfläche des Polarisationsschaltkristalls 6 gebildet werden.

Jede Ausführungsform eines gepulsten oder eines kontinuierlich erregten Lasers, dessen optischer Hohlraum durch zwei Endreflektoeren definiert ist, von denen einer teilweise durchlässig ist, kann in dieser Hohlraum-Entleerungsmethode (cavity-dumped mode) betrieben werden, wenn ein

Reflektor durch einen Gitterpolarisator ersetzt wird. Der Polarisatorschalter 6 ist dann noch erforderlich, und wenn dieser Schalter eingeschaltet ist, arbeitet der Laser in normaler Betriebsweise. Der normale Ausgang kann erhalten werden, entweder durch einen teil durchlass!gen Spiegel 1, wie oben beschrieben, oder durch einen teil durchlassigen Gitterpolarisator 2. In jedem der beiden Fälle kann die Ausgangsenergie etwa 10% der Energie im Laserhohlraum nicht übersteigen. Wenn der Polarisationsschalter 6 dann abgeschaltet wird, wird die Polarisierung der Strahlung im Hohlraum verändert, wie oben, so daß nahezu die gesamte Energie im Hohlraum einen Impuls bildet. Trotz des Fehlens der normalen Q-Schaltoperation enthält dieser Impuls bis zum 9-, bis 10-fachen der Energie des normalen Laserausgangs. Der Impuls läuft längs der Laserachse, entweder in derselben oder entgegengesetzter Richtung zum normalen Ausgang, abhängig davon, ob der normale Ausgang durch den Spiegel 1 oder durch den Gitterpolarisator 2 erhalten wird. In jeder der beiden vorbeschriebenen Betriebsweisen kann dieser Ausgangsimpuls (cavity-dumped pulse) vom normalen Laserausgang getrennt werden (auch wenn dieser normale Ausgang ein Q-Impuls ist) infolge der unterschiedlichen Polarisation der beiden Ausgänge. Es kann ein geeigneter Polarisations-Analysator benutzt werden, um den gewünschten Ausgang auszuwählen, oder einen Ausgang längs einer anderen optischen Bahn außerhalb des Lasers abzulenken oder zu führen.

Es sind verschiedene Arten von Polarisations-Schaltkristallen bekannt, von denen einige das Anlegen einer Spannung für die Einschaltung erfordern, während andere das Anlegen einer Spannung für das Ausschalten benötigen. Um nicht die Spannung über lange Perioden anlegen zu müssen, um den Schalter abgeschaltet zu halten, ist es möglich, eine Viertelwellenplatte in dem optischen Hohlraum anzurodnen, um eine zusätzliche Polarisation der Strahlung zu erzeugen. Wenn eine Viertelwellenplatte benutzt wird, erzeugt sie eine zirkuläre Polarisation, wenn ihre optische Achse unter einem Winkel von 45° zur Durchlaßebene des Gitterpolarisators liegt, und damit ist die Ausrichtung des Q-Schaltkristalls bezüglich der Durchlaßebene des Polarisators nicht wichtig. Der Polarisator-Schaltkristall wird dann eingeschaltet, wenn eine Spannung an ihn angelegt wird.

Bei der Verwendung eines Gitterpolarisators sollte darauf geachtet werden, daß der Polarisator ausreichend robust ist. Gitterpolarisatoren, die nach üblichen Techniken hergestellt werden, können durch die Impulse beschädigt werden, die von einem 10-Watt-Kohlendioxid-Laser erzeugt werden. Es wurde jedoch gefunden, daß sehr viel robustere Gitterpolarisatoren hergestellt werden können unter Verwendung der Lift-off-Technik, wie sie üblicherweise bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen verwendet werden. Diese
Techniken sind beschrieben in einem Artikel mit dem Titel "Lift-off
techniques for Fine Line Metal Patterning" von J.M. Frary und P. Seese, veröffentlicht in "Semiconductor International", Dezember 1981, Seiten 72-£

Claims (8)

■■■ ' ' A 15 011 Ferranti pic Patentansprüche

1. Laser-Vorrichtung mit einem Paar reflektierender Elemente, die zusammen einen optischen Laserhohlraum bilden, mit einem aktiven Lasermedium in dem optischen Hohlraum, das stimulierbar ist, um eine Laserwirkung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der reflektierenden Elemente ein Gitterpolarisator ist, und daß wenigstens eines der reflektierenden Elemente teilweise für Strahlung durchlässig ist, die in dem Laserhohlraum durch Stimulierung des aktiven Lasermediums erzeugt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das teilweise durchlässige reflektierende Element ein Gitterpolarisator ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide reflektierende Elemente Gitterpolarisatoren sind, deren Durchlaßebenen parallel zueinander liegen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Polarisationsschalter in dem optischen Hohlraum angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisations-Schalter ein elektro-optischer, doppelt-brechender Q-Schalter ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Lasermedium ein gasförmiges Medium ist, das durch eine elektrische Entladung stimuliert wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive gasförmige Medium Strahlung im infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert.

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8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, daß der Gitterpolarisator mittels einer bekannten Lift-off-Technik hergestellt ist.