DE3721218C2

DE3721218C2 - Mit verteilter Rückkopplung arbeitender Laser

Info

Publication number: DE3721218C2
Application number: DE3721218A
Authority: DE
Inventors: Sandor Dipl Phys Dr Szatmari; Fritz Prof Dipl Phys Schaefer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1987-06-26
Filing date: 1987-06-26
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2007-06-27
Also published as: US4866730A; JPS6422080A; DE3721218A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mit verteilter Rückkopplung arbeitenden Laser gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er aus der DE 29 00 728 A1 bekannt ist.

Aus der DE 29 00 728 A1 ist insbesondere ein Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung zur Erzeugung ultrakurzer Laserimpulse bekannt. Obwohl, der dort beschriebene Farbstofflaser mit verteilter Rückkopplung durch Verwendung eines optischen Gitters als Strahlteiler gegenüber den früher verwandten mit einem einfachen Strahlteiler den erheblichen Vorteil hat, daß die erzeugte Farstofflaser-Wellenlänge nicht mehr von der Pumplaser-Wellenlänge abhängt, so zeigte sich doch als ein praktischer Nachteil, daß die Lage der Ebene, in der das Interferenzmuster zur Erzeugung der verteilten Rückkopplung entsteht, wellenlängenab hängig ist. Dieser Nachteil wird bei einer Anordnung vermieden, die in der älteren Deutschen Patentanmeldung vorgeschlagen worden ist, die zur DE 36 33 469 A1 geführt hat. Durch die Verwendung eines zweiten Gitters sind sowohl die Periode als auch die räumliche Position des Interfe renzmusters völlig unabhängig von der Pumpwellenlänge ein Nachteil dieser Anordnung ist jedoch die Notwendig keit eines zweiten Gitters, durch das nicht nur der sächliche Aufwand erhöht wird, sondern auch ein erhöhter Zeitaufwand für das Justieren der Anordnung notwendig wird und ein erheblich verminderter Wirkungsgrad der Gesamtanordnung durch die zweimalige Beugung mit hohen Lichtverlusten entsteht.

Die Erfindung löst die Aufgabe, mit geringem Aufwand die oben geschilderten Nachteile der bekannten und vorgeschlagenen Anordnungen zu vermeiden und zugleich noch eine Wellenlängen-Abstimmbarkeit der erzeugten Laseremission übler einen großen Bereich durch einfaches Verschieben eines Bauteils zu ermöglichen, durch einen gattungsgemäßen Laser mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung läßt sich am einfachsten mit einem Mikroskopobjektiv realisieren.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, die eine besonders einfache Einstellung der Wellenlänge der vom aktiven Lasermedium emittierten Läserstrahlung ermöglicht.

Eine sehr einfache Ausführungsform von verschiedenen Realisationsmöglichkeiten der erfinderischen Idee wird anhand von Fig. 1 erläutert. Ein von links kommender Pumplaserstrahl (10) wird mit einem Teleskop (11) so aufgeweitet, daß er eine ausreichende Fläche eines Transmissions-Beugungsgitters (12) ausleuchtet. Dieses Gitter (12) kann ein einfaches Strichgitter mit abwechselnd durchlässigen und undurchlässigen Strichen sein, die beispielsweise durch Aufdampfen von Metall erzeugt werden können.

Die Gitterperiode kann in einem für dieses Herstel lungsverfahren bequem zugänglichen Bereich von etwa 10 bis 100 Linienpaaren/mm liegen. Durch entspre chendes Einstellen des Teleskops (12) wird das das Gitter beleuchtende Lichtbündel (10a) leicht konvergent gemacht, so daß in einer gewissen Entfernung (in der Praxis z. B. 16 cm) die verschiedenen Beu gungsordnungen in einer Brennebene fokussiert werden. In der Zeichnung sind nur die abgebeugten Strahlen, die zur Bildung der 0., +1. und -1. Ordnung beitragen, eingezeichnet. Die Strahlen treten dann in ein Mikroskopobjektiv (13) ein, dessen optisches System nur schematisch durch einen Doppelpfeil angedeutet ist und dessen eintrittsseitige Hauptebene von der Brennebene einen Abstand gleich der Brennweite des Mikroskopobjektivs hat. Hier wird auch durch eine opake Maske (14) die 0. Ordnung ausgeblendet′ Die beiden ersten Ordnungen erzeugen nun in einer als aktives Lasermedium dienenden Farbstofflösung direkt hinter dem Eintrittsfenster einer Farbstoffkü vette (15), die die Farbstofflösung durch Interferenz des Bündels der +1. und des der -1. Ordnung eine streifenförmige Interferenzfigur, d. h. praktisch ein verkleinertes Abbild des Gitters (12), so daß bei Verwendung eines geeigneten Farbstoffes in einem Lösungsmittel von geeignetem Brechungsindex durch die verteilte Rückkopplung des so erzeugten Amplitudengitters eine Farbstofflaseremission (L) verursacht wird.

Die oben beschriebene Anordnung hat eine Reihe von Vorteilen:

1. Da Mikroskopobjektive normalerweise chromatisch korrigiert sind, ist das Bild in seiner Lage und Größe von der Wellenlänge des beleuchtenden Pumplaserstrahles völlig unabhängig.
2. Die Anordnung stellt nur geringe Anforderungen an die sphärische Korrektur des Objektivs, da nun zwei symmetrische Lichtbündel, die durch eine vorgegebene numerische Apertur charakterisiert sind, zur Erzeugung des Bildes des Gitters benutzt werden.
3. Für die Erzeugung von Subpikosekunden-Laserimpulsen wird ein Bild von nur etwa 0,1 mm Länge benötigt. Um eine ausreichende Zahl von Linienpaaren zu erzeugen, muß das Gitter (12) auf etwa 4 bis 6 mm Länge beleuchtet sein. Das bedeutet, daß bereits ein Mikroskopobjektiv mittlerer Vergrößerung von etwa 40- bis 60-fach und einem Bildfeld von 0,2 × 0,3 mm² für diesen Zweck ausreicht.
4. Auch die bei einfachen Mikroskopobjektiven übliche, geringe Bildkrümmung hat offensichtlich keinen, Einfluß auf die hier beschriebene Wirkungsweise der Anordnung.
5. Die benötigte numerische Apertur wird im wesentlichen durch die kürzeste benötigte Laserwellenlänge bei einem vorgegebenen Gitter (12) mit bestimmter Zahl von Linienpaaren/mm vorgegeben. Es läßt sich zeigen, daß für die hier beschriebene Anordnung gilt wobei λ_p die Pumpwellenlänge bedeutet, η den Brechungsindex der Farbstofflösung und λ_min die kürzeste zu erzeugende Farbstofflaser- Wellenlänge.
Durch Einsetzen typischer Werte, z. B.λ_p = 360 nm, η = 1, 3, λ_min = 380 nm,sieht man sofort, daß eine numerische Apertur von weniger als 1,3 stets ausreichend sein wird, wobei bei längerer Laserwellenlänge die Anforderungen an die numerische Apertur entsprechend abnehmen.

Obwohl die meisten Mikroskopobjektive für einen festen, im allgemeinen zwischen 16 und 20 cm liegenden Bildabstand korrigiert sind, reicht die Bildqualität für den vorliegenden Zweck auch bei einer gewissen Veränderung des Bildabstandes, d. h. hier des Abstandes zwischen dem Gitter (12) und dem Mikroskopobjektiv (13), noch aus, um Farbstofflaser-Emission durch verteilte Rückkopplung zu erzielen. Durch Variation des Bildabstandes durch Verschieben des Mikroskop objektivs mit der auf seine Lichtaustrittsfläche aufgesetzten Küvette um maximal einige Zentimeter läßt sich die Gitterkonstante im Bild und damit die Laserwellenlänge kontinuierlich variieren. Versuche haben gezeigt, daß bei Verwendung von mehreren Farbstoffen die Wellenlänge (bei festgehal tenem Brechungsindex der Farbstofflösung) bis zu einem Faktor 1,5 variiert werden kann. Wird weiterhin auch noch der Brechungsindex des Lösungsmittels variiert, so läßt sich ein Abstimmbereich von einer Oktave erreichen, d. h. von einer kürzesten Wellenlän ge von etwa 380 nm bis 760 nm im nahen Infraroten. Um Infrarot-Laseremission zu bekommen, genügt es, die Maske (14) (Fig. 1) zu entfernen, da dann das unter Verwendung der 0. Ordnung entstehende Bild eine um den Faktor 2 verlängerte Periode aufweist und damit Laseremission bei der doppelten Wellenlänge ermöglicht.

Eine besonders bequeme Methode der Wellenlängen abstimmung der Laseremission ist in Fig. 2 dargestellt. Hier wird durch ein Vario- oder Zoom-Objektiv (17) eine Zwischenabbildung (16) des Gitters (12) erzeugt. Diese Zwischenabbildung (16) steht jetzt im korrigier ten Bildabstand des Mikroskopobjektivs (13). Durch Einstellen der veränderlichen Vergrößerung des Zoom-Objektivs (17) kann die Periode in der Zwischenab bildung (16) in weiten Grenzen variiert und damit die Wellenlänge der Farbstofflaser-Emission besonders bequem eingestellt werden.

Zum Erzeugen des benötigten Streifenmusters kann anstelle eines Gitters (12) auch die Reflexion von einem Glaskeil mit entsprechendem Keilwinkel, durch den Interferenzstreifen gleicher Dicke erzeugt werden, (oder zwei mit ggf. veränderbarem Keilwinkel in Bezug aufeinander angeordneten Glasplatten) dienen. Auch andere interferometrische Einrichtungen oder holographische Gitter können zum Erzeugen der benötigten Zwischenbilder oder der streifenförmigen Pumpstrahlungsmuster im Lasermedium verwendet werden.

Handelsübliche Mikroskopobjektive dürften die bequemste und preisgünstigste Möglichkeit zur Realisierung der Erfindung darstellen, selbstverständlich können statt dessen auch andere wirkungsgleiche Arten von Objektiven, die nicht speziell für Mikroskope bestimmt sind, verwendet werden. Anstelle von Farbstofflösungen können bei bestimmten Anwendungen auch Halbleiter als laseraktives Medium verwendet werden, da sie insbesondere bei längeren Wellenlängen in vieler Hinsicht ähnliche optische Eigenschaften haben wie Farbstofflösungen.

Claims

1. Mit verteilter Rückkopplung arbeitender Laser, mit

- einem aktiven Lasermedium,
- einem Strahlengang für ein Pumpstrahlungsbündel (10);
- einer optischen Einrichtung (12) und
- einem zwischen der optischen Einrichtung (12) und dem Lasermedium angeordneten abbildenden optischen System (13), welches in Kombination mit der optischen Einrichtung (12) ein streifenförmiges Pumpstrahlungsmuster im Lasermedium erzeugt,

dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (13) ein verkleinert abbildendes Objektivsystem enthält.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektivsystem ein Mikroskopobjektiv ist.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektivsystem ein Mikroskopobjektiv mit einem nominellen Vergrößerungsfaktor zwischen 40 und 60 ist.

4. Laser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (12) ein Beugungsgitter mit strichförmigen Beugungselementen ist.

5. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (13) eine abbildende Einrichtung (17) zum Erzeugen eines streifenförmigen Zwischenbildes (16) in einer Objektebene des Objektivsystems enthält.

6. Laser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die abbildende Einrichtung (17) ein Vario-Objektiv mit veränderlicher Vergrößerung enthält.

7. Laser nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (12) eine, interferometrische Einrichtung ist, die Interferenzstreifen gleicher Dicke erzeugt.

8. Laser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine vor dem abbildenden Objektivsystem angeordnete opake optische Maske (14) zur Ausblendung der nullten Beugungsordnung.