DE3726896A1 - Passiver gueteschalter fuer gepulsten laser - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen passiven Güteschal­ ter für gepulste Laser mit intensitätsabhängigen Resona­ torverlusten gemäß Oberbegriff des Anspruch 1.

Unter der Einwirkung eines Strahlungsfeldes auf ein Sy­ stem von angeregten Atomen (Molekülen oder Ionen) kommt neben spontaner auch noch eine andere Art der Emission zustande. Sie ist für den Laser von entscheidender Bedeu­ tung und heißt induzierte Emission oder stimulierte Emis­ sion.

Eine Licht-Verstärkung der Strahlung durch stimulierte Emission ist nur dann möglich, wenn Besetzungsinversion vorliegt, wenn also eine erhöhte Anzahl von Atomen auf einem höheren Energieniveau vorhanden ist. Zur Erzeugung der Inversion ist immer eine Pumpquelle erforderlich, die das Lasermedium in ein höheren Energieniveau hebt. Eine Möglichkeit, dem System Energie zuzuführen, ist durch den Elektronenstoß in einer Gasentladung gegeben. Diese Pumpmethode ist charakteristisch für die Gruppe der Gas-Laser. Bei Festkörpern und Flüssigkeiten ist es schwierig, die Energie durch Elektronenstoß zuzuführen. Hier wird meist die Pumpenergie in Form von Licht zuge­ führt. Festkörper- und Flüssigkeitstoß-Laser arbeiten häu­ fig im Impulsbetrieb. Die Inversion wird in diesen Syste­ men durch optisches Pumpen beispielsweise mit Blitzlam­ pen erzeugt.

Weiterhin gibt es auch Halbleiter-Laser. Bei diesen wer­ den invertierte Zustände direkt durch den elektrischen Strom erzeugt. Halbleiter-Laser können kontinuierlich und im Impulsbetrieb arbeiten.

Der zum Betrieb eines Laser-Oszillators erforderliche op­ tische Resonator besteht beispielsweise aus zwei einan­ der gegenüberstehenden Spiegeln. In den meisten Fällen werden wegen der geringeren Verluste Interferenz-Spiegel verwendet, und zwar sind sie entweder als Planspiegel oder als sphärische Spiegel ausgeführt.

Bei Lasern in der normalen Betriebsweise baut sich Laser­ strahlung auf, sobald die durch Pumpen erzeugte Beset­ zungsinversion den Schwellwert geringfügig überschritten hat. Der dadurch bedingte, anschließende Inversionsabbau führt zu einem unkontrollierten Pulsen (Spiking).

Die Verfahren zur Verhinderung des Spiking und/oder zur Erhöhung der Laserspitzenleistung verändern die Güte des Resonators so, daß nur für kurze Zeit eine hinreichend große Rückkopplung und damit ein zeitlich begrenzter La­ serbetrieb möglich wird. Sie werden deshalb auch als Q- Switching (Schaltung der Güte Q des Resonators) bezeich­ net.

Die Vorgänge bei einem Impuls-Laser mit einem Resonator, der zeitlich in seiner Güte verändert wird, laufen sche­ matisch so ab, daß zunächst mit dem Pumplicht hinrei­ chend viele Atome in das angeregte Laser-Niveau gehoben werden. Eine lange Lebensdauer der Atome in diesem Ni­ veau ist vorteilhaft, weil dann ein größerer Zeitraum für den Pumpvorgang und die Schaltvorgänge im Resonator zur Verfügung steht. Wenn sich eine hinreichend große Be­ setzungsinversion aufgebaut hat, die in der Regel deut­ lich über der Schwellwertinversion liegt, wird die Güte des Resonators so geschaltet, daß sich in ihm eine ste­ hende Welle aufbauen kann. Diese wird dann in einer rela­ tiv kurzen Zeit durch stimulierte Emission extrem hoch verstärkt, weil durch den Schalthub der Güteschaltung ei­ ne nennenswerte Nettoverstärkung pro Resonatorumlauf ein­ gestellt wird. Es entsteht anstelle der unregelmäßigen Impulsfolge ein einheitlicher Impuls oder - wenn die Gü­ te des Resonators periodisch verändert wird - eine Folge von einheitlichen Impulsen am Ausgang des Lasers. Weiter­ hin läßt sich durch die zunächst erhöhten Resonatorverlu­ ste während des Pumpvorganges eine erhöhte Besetzungsin­ version erreichen, was zu einer größeren Spitzenintensi­ tät und kürzeren Impulsdauer der Laserstrahlung führt (sogenannte Riesenimpulse).

Bei den Güteschaltern unterscheidet man grundsätzlich zwei Arten, nämlich sogenannte aktive und sogenannte pas­ sive Güteschalter. Im ersteren Fall wird die Resonator- Güte durch Beeinflussung eines Schalters von außen verän­ dert, so daß die Lasertätigkeit mit deutlich höherer Net­ toverstärkung pro Umlauf im Resonator einsetzt als in ei­ nem gepulsten Laser ohne Güteschaltung. Als Beispiele seien elektronische Güteschaltung mit Hilfe eines elek­ tro-optischen oder magneto-optischen Schalters (Kerrzel­ le, Pockelszelle usw.) genannt sowie mechanische Güte­ schalter etwa in Form eines Drehspiegels oder rotieren­ der Reflexionsprismen. Bei der passiven Güteschaltung verändert sich durch nichtlineare, intensitätsabhängige Effekte im Resonator die Nettoverstärkung für die im La­ serresonator umlaufende Strahlung. Die nichtlineare Erhö­ hung der Nettoverstärkung stellt den Schalthub der passi­ ven Güteschaltung dar. Hier eignen sich nach dem Stand der Technik drei verschiedene physikalische Effekte:

• a) Die nichtlineare Absorption eines sättigbaren Absor­ bers, der meist durch Farbstoffmoleküle in flüssiger oder fester Lösung gebildet wird. Der hinreichend hohe Absorp­ tionsquerschnitt dieser Moleküle führt für intensive Strahlung in einem schmalen Spektralbereich zu einer Ent­ leerung des Energie-Grundzustands, so daß ein physikali­ sches Ausbleichen mit einer entsprechenden Transmissions­ erhöhung auftritt. Der Schalthub dieses Güteschalters wird durch Einstellen der Absorbertransmission für die Laserwellenlänge (bei kleinen Intensitäten) festgelegt.
• b) Beim optischen Kerreffekt werden Änderungen im Polari­ sationszustand der Laserstrahlung beim Durchlaufen des nichtlinearen Mediums (meist eine Flüssigkeit, etwa CS₂, Nitrobenzol) durch den nichtlinearen optischen Brechungs­ index erzeugt, die durch geeignete Polarisationsanordnun­ gen in Transmissionsänderungen umgesetzt werden. Das Ein­ stellen eines Schalthubes ist hier schwieriger und er­ folgt durch Wahl der geeigneten Weglänge im Medium in Verbindung mit dem Justieren der Polarisationsoptik.

Für Laser im sichtbaren Spektralbereich und in nahen In­ frarot hat sich die passive Güteschaltung durch Farb­ stoffmoleküle nach a) gut bewährt, da sie im Vergleich zur aktiven Güteschaltung einen geringeren Herstellungs­ aufwand erfordert und auch im Einzelfall günstigere Emis­ sionsdaten des Lasers - wie schmalere spektrale Bandbrei­ te und kürzere Impulsdauer - ermöglicht. Als Nachteil dieses Verfahrens ist neben den Kosten für den teilweise aufwendigen Herstellungsprozeß insbesondere die mangeln­ de chemische Stabilität der Farbstoffmoleküle anzufüh­ ren. Diese Eigenschaften erfordert zum einen (insbesondere im langwelligen Spektralbereich) technischen Aufwand für geeignete Abschirmung von Störstrahlung und weitere Vor­ kehrungen, um eine geeignete Lebensdauer des Güteschal­ ters zu erreichen. Zum anderen stehen im langwelligen In­ frarot (Wellenlänge Lambda größer 1,1 Mikrometer) geeig­ nete Farbstoffmoleküle in der Regel nicht zur Verfügung, welche die technischen Anforderungen für den praktischen Einsatz des Güteschalters erfüllen. Beispielsweise ist für den augensicheren Laser im Spektralbereich bei 1,5 Mikrometer ein solcher nichtlinearer Absorber bisher kom­ merziell nicht zum Einsatz gekommen. Für diesen Laser ist bisher nur eine aktive Güteschaltung mit entspre­ chend hohem technischen Aufwand eingesetzt worden. Ein grundsätzlicher Nachteil des Güteschalters durch nichtli­ neare Absorption ist seine Beschränkung auf den Wellen­ längenbereich der Absorptionsbande der jeweiligen Farb­ stoffmoleküle, wodurch das Abstimmen der Laserwellenlän­ ge beschränkt wird. Güteschalter nach b) sind zwar grund­ sätzlich bekannt, aber nur wenig eingesetzt worden, was durch den hohen Intensitätsbedarf und komplizierten Auf­ bau erklärt werden kann.

• c) Für Laseranordnungen mit hohen Resonatorverlusten ist es weiterhin prinzipiell bekannt, eine Güteschaltung mit stimulierter Brillouin-Streuung zu verwenden. Dabei baut das intensive Laserlicht in dem nichtlinearen Medium ein hochfrequentes Schallfeld mit so großen Amplituden auf, daß die effiziente Rückwärtsstreuung des Laserlichts ei­ ne nennenswerte Erhöhung des Reflexionsvermögens des nichtlinearen Mediums darstellt. Wegen des hohen Intensi­ tätsbedarfs, der schlechten Reproduzierbarkeit stimulier­ ter Streuungsprozesse und insbesondere wegen der gerin­ gen Resonatorgüte der verwendeten Laseranordnungen ist dieses Verfahren bislang praktisch nicht benutzt worden. Die in der Literatur beschriebenen Laseranordnungen wei­ sen hohen Schwellwerte für die Lasertätigkeit mit einem entsprechend hohen Pumpbedarf auf. Eine Verbesserung der optischen Rückkopplung, d. h. höhere Resonatorgüte ist nicht ohne weiteres möglich wegen des konkurrierenden Prozesses der stimulierten Anti-Stokes-Brillouin-Streu­ ung, welche dem erwünschten Prozeß der stimulierten Stokes-Brillouin-Streuung entgegenwirkt. Verwendung von Spiegeln hoher Reflektivität zwecks Verbesserung der Re­ sonatorgüte und Absenkung des Laser-Schwellwertes führt gleichzeitig zu einem Anwachsen dieses konkurrierenden inversen Streuprozesses, so daß die Effizienz der stimu­ lierten Streuung und damit der Güteschaltung herabge­ setzt wird. Die Realisierung eines gütegeschalteten La­ sers mit relativ hoher Resonatorgüte mit Hilfe des physi­ kalischen Effektes der stimulierten Brillouin-Streuung erscheint daher zunächst als wenig aussichtsreich. Die Lösung dieser grundsätzlichen Schwierigkeit ist dabei für die praktische Anwendung bei vertretbaren Resonator­ verlusten und damit annehmbaren Pumpenergien Vorausset­ zung. Dies gilt insbesondere für Lasermaterialien mit vergleichsweise bescheidener Lichtverstärkung durch sti­ mulierte Emission wie etwa beispielsweise Er-dotierte La­ sermaterialien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine passive Güteschaltung für gepulste Laser weiter zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf den Stand der Technik beispielsweise erläutert.

Wie die obigen Schilderungen zum Stand der Technik erken­ nen lassen, stehen geeignete Farbstoffmoleküle für den Betrieb eines passiven Güteschalters durch nichtlineare Absorption im langwelligen Infrarot-Bereich häufig nicht zur Verfügung, welche die technischen Anforderungen für den praktischen Einsatz des Güteschalters erfüllen. Es ist beispielsweise für den augensicheren Laser im Spek­ tralbereich bei 1,5 Mikrometer ein solcher nichtlinearer Absorber kommerziell nicht verfügbar. Weiterhin ist der passive Güteschalter durch Farbstoffmoleküle für Laser mit großem Durchstimmbereich nicht geeignet.

Erfindungsgemäß erfolgt die passive Güteschaltung durch die intensitätsabhängige Reflexion (Rückwärtsstreuung) in einem Medium mittels stimulierter Brillouin-Streuung und/oder stimulierter thermischer Brillouin-Streuung in Verbindung mit an sich bekannten optischen Bauelementen, dem Resonator-Endspiegel und beispielsweise weiteren op­ tischen Bauteilen, welche geeignet eingestellte lineare optische Verluste aufweisen. Bei niedriger Laserintersi­ tät, wenn die stimulierte Streuung noch nicht eingesetzt hat, wird durch die Anordnung eine optische Rückkopplung R kleiner 1 bewerkstelligt, die jedoch groß genug ist, um insgesamt in Verbindung mit den weiteren Bauteilen (Frontspiegeln, Lasermedium usw.) eine hinreichende Reso­ natorgüte und damit nicht zu hohen Schwellwert für Laser­ tätigkeit einzustellen. Wenn sich die Laserstrahlung auf­ gebaut hat, setzt die stimulierte Rückstreuung ein, das nichtlineare Reflexionsvermögen des Brillouinmaterials steigt bis zu einem Wert nahe 1 an. Dadurch verkürzt sich die effektive Resonatorlänge und die verlustbehafte­ ten Bauelemente zwischen dem Bereich der stimulierten Rückstreuung und dem Endspiegel werden abgekoppelt, wo­ durch ein Schalthub der Güteschaltung von näherungsweise 1 -R erreicht wird. Ein geeigneter Wert von 1 -R für viele Einsatzbeispiele liegt beispielsweise bei 0,1 bis 0,3.

Während die Vorteile der stimulierten thermischen Bril­ louin-Streuung für die Güteschaltung bisher nicht er­ kannt wurden, hat sich bei entsprechenden Versuchen ge­ zeigt, daß eine nennenswerte Effizienz-Verbesserung der stimulierten Brillouin-Streuung durch den zusätzlichen Mechanismus der stimulierten thermischen Brillouin-Streu­ ung erreicht werden kann, wobei ein Absorptionskoeffi­ zient Alpha größer oder gleich 0,05/cm gewählt wird. Da­ durch wird folgendes erreicht:

• 1. Der maximale Verstärkungskoeffizient durch stimulier­ te Streuung wird erhöht und läßt sich durch den Ab­ sorptionskoeffizienten des Mediums einstellen.
• 2. Die Frequenzabhängigkeit des Verstärkungskoeffizien­ ten wird verändert. Für die stimulierte thermische Brillouin-Streuung ist die Verstärkung breitbandiger, so daß für die benachbarten longitudinalen Resonator­ moden die Frequenzanpassung mit der stimulierten Streuung leichter möglich wird.
• 3. Die Absorption in der Brillouin-Küvette reduziert die Rückkopplung durch den Resonatorspiegel. Dadurch wird der Konkurrenzprozeß der stimulierten Anti-Stokes- Streuung im Vergleich zum erwünschten Prozeß der sti­ mulierten Stokes-Streuung behindert.

Gleichzeitig wird der der Effekt der Güteschaltung auch dadurch verstärkt, daß die Absorptionsverluste im Medi­ um durch die intensitätsabhängige Eindringtiefe geschal­ tet werden. Die oben beschriebenen Punkte führen zu ei­ ner wesentlichen Effizienzverbesserung des nichtlinearen Streumechanismus der Güteschaltung.

Die Güteschaltung wird erreicht durch bewußte Inkaufnah­ me von bisher als störend empfundenen Nebeneffekten, näm­ lich von linearen Transmissions- und/oder Reflexionsver­ lusten, in Verbindung mit der stimulierten Brillouin- Streuung und/oder thermischen Brillouin-Streuung.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Laserintensität in das Brillouin-Medium durch Verwen­ dung von abbildenden Elementen (beispielsweise Linsen, Hohlspiegel) fokussiert. Dies läßt sich zweckmäßig auch zu einer Bündelaufweitung und damit geringeren Strah­ lungsbelastung des Endspiegels ausgestalten. Dadurch er­ gibt sich ein reduzierter Aufwand bei der Spiegelherstel­ lung und eine verminderte Gefahr von Strahlungsschäden. Weiterhin ergibt sich ein einjustierbarer Abstand der ab­ bildenden Bauelemente zum Einstellen des Modenvolumens ("effektive Resonatorkrümmung").

Durch die sogenannte Selbstphasenkonjugation der nichtli­ nearen Rückwärtsstreuung ergibt sich eine selbstjustie­ rende Eigenschaft der stimulierten Brillouin-Streuung und/oder der stimulierten thermischen Brillouin-Streuung für den Laserresonator. Dies führt zu einer automati­ schen Kompensation von Baufehlern der optischen Komponen­ ten des resonatorinternen Fernrohrs und des nichtline­ aren Mediums. Daraus ergeben sich reduzierte Anforderun­ gen an die optische Qualität dieser Bauelemente und klei­ ne Divergenz des Laserbündels trotz Baufehler der Kompo­ nenten. Weiterhin läßt sich eine Winkeldejustierung des Endspiegels für die Einstellung des Schalthubes verwen­ den.

Durch Kombination der beschriebenen Güteschalter, die sich durch geringen technischen Aufwand auszeichnen, mit bekannten Güteschaltern ergeben sich Verbesserungen der Impulsparameter (steilere Impulsflanken, verkürzte Im­ pulsdauer, verbesserte Strahldivergenz, erhöhte Spitzen­ leistung).

Claims (8)

1. Passiver Güteschalter für gepulsten Laser mit intensi­ tätsabhängigen Resonatorverlusten, dadurch gekennzeich­ net, daß die Güteschaltung durch nichtlineare Reflexion mittels stimulierter Brillouin-Streuung und/oder stimu­ lierter thermischer Brillouin-Streuung mit einem Absorp­ tionskoeffizienten Alpha größer/gleich 0,05/cm erfolgt und der Schalthub der Güteschaltung durch lineare Verlu­ ste des Laserresonators einstellbar ist.

2. Güteschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Schalthubs durch Anpassung der Weglänge eines absorbierenden Mediums erfolgt, das gleichzeitig der Erzeugung der stimulierten thermischen Brillouin-Streuung dient.

3. Güteschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einstellung des Schalthubs durch Anpas­ sung der Konzentration einer absorbierenden Flüssigkeits­ mischung erfolgt.

4. Güteschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Schalthubs mit Hilfe einer Blende erfolgt, die das resonatorinterne Laserbündel insbesondere in Bereichen mit großem Bündel­ querschnitt, beispielsweise vor dem Endspiegel, teilwei­ se abblendet.

5. Güteschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der endliche Durchmesser des Endspiegels als solche Blende dient.

6. Güteschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für die Einstellung des Schalthubes die Transmission der Laserstrahlung durch ein oder mehrere optische Filter zwischen der Brillouin-Anordnung und dem Endspiegel verwendet wird.

7. Güteschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß für die Einstellung des Schalt­ hubes eine Dejustierung (Verkippung) und/oder ein Refle­ xionsverlust des Endspiegels verwendet wird.

8. Güteschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekenn­ zeichnet durch Verwendung resonatorinterner Linsen und/ oder Konkavspiegel zur Erzielung hoher Intensitäten, wo­ bei die Transmissionsverluste an den Oberflächen dieser Bauteile zusätzliche der Einstellung des Schalthubes des Güteschalters dienen.