DE3728129A1

DE3728129A1 - Laser arrangement consisting of an astable optical resonator and an additional partially-reflective surface

Info

Publication number: DE3728129A1
Application number: DE19873728129
Authority: DE
Inventors: Norman Dipl Phys Hodgson
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-08-22
Filing date: 1987-08-22
Publication date: 1988-03-31

Abstract

A large mode volume and high beam quality can be achieved using astable optical resonators. However, good beam quality is possible only if the output losses are low, so that these resonators can be used efficiently only in the case of active media having high gain. By arranging an additional partially reflective surface within or outside the astable resonator, the output losses can be reduced without adversely affecting the beam quality. This reduction in the losses results primarily from excitation of the convergent wave. Using this arrangement, even lasers having active media of large diameter and a low small signal gain can be implemented with high efficiency with diffraction-limited beam quality.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser arrangement according to the preamble of Claim 1.

Die Laseranordnung soll die effiziente Ausnutzung von aktiven Medien beliebigen Durchmessers ermöglichen, wobei der Auskoppelgrad eines astabilen optischen Resonators so verringert werden kann, daß zu be liebiger Kleinsignalverstärkung maximale Ausnutzung, hohe Modendiskri minierung und Strahlqualität beugungsbegrenzter Güte erreicht werden.The laser arrangement is intended to make efficient use of active media allow any diameter, the degree of coupling a astable optical resonator can be reduced so that be sweet small signal amplification maximum utilization, high fashion discretion Mining and beam quality of diffraction limited quality can be achieved.

Es ist bekannt, daß der optische Resonator eines Lasers so dimensio niert werden muß, daß das Strahlungsfeld das aktive Medium ganz aus füllt und der Auskoppelgrad der Kleinsignalverstärkung angepaßt ist (IEEE QE-16, No.5, 546 (1980)). Auf diese Weise wird die dem aktiven Me dium zugeführte Anregungsleistung optimal ausgenutzt, wobei auch ge währleistet sein muß, daß die Strahlqualität gewisse Anforderungen, wie geringe Strahldivergenz und zentriertes lntensitätsprofil, erfüllt.It is known that the optical resonator of a laser is so dimensio must be renated that the radiation field is the active medium completely fills and the degree of coupling out of the small signal amplification is adapted (IEEE QE-16, No.5, 546 (1980)). In this way, the active Me dium supplied excitation power optimally used, with ge must be guaranteed that the beam quality certain requirements, such as low beam divergence and centered intensity profile, fulfilled.

Bei Benutzung von stabilen optischen Resonatoren wird die Anpassung des Auskoppelgrads an die Kleinsignalverstärkung durch entsprechende Wahl des Reflexionsgrades des Auskoppelspiegels erzielt. Jedoch lassen sich die Anforderungen eines hohen Strahlvolumens und hoher Strahl qualität nicht miteinander vereinbaren, ohne daß der Resonator sehr lang oder für technische Anwendungen zu empfindlich auf äußere Ein flüsse, wie z.B. Erschütterungen, reagiert (Applied Optics 19, No.4, 598 (1980)).When using stable optical resonators, the adjustment the degree of coupling out to the small signal amplification by appropriate Choice of the reflectance of the coupling-out mirror achieved. However, let the requirements of a high jet volume and high jet Do not agree quality without the resonator very much long or too sensitive to external input for technical applications rivers, such as Shocks, reacted (Applied Optics 19, No.4, 598 (1980)).

Mit astabile optischen Resonator hingegen können Strahlquerschnit te beliebigen Durchmessers im aktiven Medium und gleichzeitig hohe Strahlqualität erzielt werden, denn die hohe Modendiskriminierung führt zum Anschwingen nur eines transversalen Modes (Applied Optics 13, No.2, 353 (1974)). Allerdings ist die hohe Strahlqualität mit einem hohen Auskoppelgrad verbunden, so daß bei den meisten aktiven Me dien die Kleinsignalverstärkung nicht hoch genug ist, um den astabi len Resonator effizient einsetzen zu können. Bisher konnte der hohe Auskoppelgrad nicht verringert werden, obwohl bekannt ist, daß im astabilen Resonator eine weitere Strahlform existieren kann, die das Licht in Form einer konvergierenden Kugelwelle stark auf die optische Achse zentriert und somit die Auskoppelverluste verringern kann. Dieser Strahlverlauf wird im normalen Betrieb nicht erreicht, kann je doch, möglicherweise, durch Streuung an Spiegelkanten auftreten (Sov. Jour. Quant. Electr. 1, No.3, 263 (1971)).With a stable optical resonator, however, beam cross sections can any diameter in the active medium and at the same time high Beam quality can be achieved because of the high fashion discrimination leads to the oscillation of only one transverse mode (Applied Optics 13, No.2, 353 (1974)). However, the high beam quality with one high degree of decoupling connected, so that with most active Me serve the small signal gain is not high enough to the astabi len resonator to use efficiently. So far the high Auskoppelgrad not be reduced, although it is known that in astable resonator another beam shape can exist that the Light in the form of a converging spherical wave strongly on the optical Centered axis and can thus reduce the coupling losses. This beam path is not reached in normal operation, may yet, possibly, occur due to scattering on mirror edges (Sov. Jour. Quant. Electr. 1, No.3, 263 (1971)).

Somit gibt es zur Zeit keine Laseranordnung, die aktive Medien belie bigen Durchmessers und geringer Kleinsignalverstärkung bei beu gungsbegrenzter Strahlqualität optimal ausnutzen.Thus there is currently no laser arrangement that supplies active media big diameter and low small signal gain at beu Make optimal use of the limited beam quality.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Auskoppelverluste asta biler optischer Resonatoren ohne Einbußen in der Strahlqualität und der Modendiskriminierung zu verringern.The invention has for its object the outcoupling losses asta cheaper optical resonators without sacrificing beam quality and to reduce fashion discrimination.

Dies wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß der astabile optische Resonator durch eine zusätzliche teilreflektierende Fläche ergänzt wird. Die Wirkung der Fläche besteht in der teilweisen Rückkopplung der La serstrahlung in den Resonator in Form einer konvergierenden Kugel welle. Dabei kann die Fläche innerhalb oder außerhalb des Resonators durch ein teilreflektierendes optisches Element oder eine teilreflektie rende Oberfläche des aktiven Mediums oder des Strahlentnahmespiegels realisiert sein.This is solved according to the invention in that the astable optical Resonator is supplemented by an additional partially reflective surface. The effect of the area is the partial feedback of the La radiation into the resonator in the form of a converging sphere wave. The surface can be inside or outside the resonator through a partially reflective optical element or a partially reflective surface of the active medium or the radiation extraction mirror be realized.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch Wahl der Höhe des Reflexionsgrades der zusätzlichen Fläche die Auskoppelverluste des astabilen Resonators verringert werden können um optimale Auskopp lung und hohe Strahlqualität zu erreichen. Desweiteren ermöglicht eine zusätzliche radiale Abhängigkeit des Reflexionsgrades eine Veränderung des Strahlprofils.The advantage of the invention is that by choosing the amount of Reflectivity of the additional area the coupling losses of the astable resonators can be reduced to optimal decoupling and high beam quality. Furthermore, a additional radial dependence of the degree of reflection a change of the beam profile.

Einige Ausführungsbeispiele und Wirkungsweisen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrie ben.Some embodiments and modes of operation of the invention are in the drawings and are described in more detail below ben.

Fig. 1a Fig. 1a

Astabiler optischer Resonator mit einem hochreflektierendem Spiegel (1) und einem Strahlentnahmespiegel (3), bestehend aus einem mit antire flektierenden Beschichtungen (8, 9) versehenen Substrat (5) mit zentra lem hochreflektierenden Bereich (7). Durch Anordnung eines weiteren Spiegels (4) aus einem Substrat (6) mit teilreflektierender (10) und an tireflektierender Beschichtung (11) wird ein Teil der Strahlung (-) in den Resonator in Form einer konvergierenden Kugelwelle (---) zurück gekoppelt. Diese Welle ist Eigenlösung des Resonators und besitzt dem nach dieselbe Modenstruktur wie die ursprüngliche Strahlung. Das Licht fokussiert auf die optische Achse bis zur Beugungsgrenze, läuft dann wieder auseinander und verläßt den Resonator schließlich als di vergierende Welle. Die große Anzahl von Resonatorumläufen bis zur er neuten Auskopplung führt zu einer erhöhten Aufenthaltsdauer der Pho tonen im Resonator und damit zur Verringerung des Auskoppelgrades. Durch geeignete Wahl der Krümmungsradien der beiden Seiten des teil reflektierenden Spiegels (4), läßt sich gleichzeitig die Fokussierung der Laserstrahlung einstellen.Astable optical resonator with a highly reflective mirror ( 1 ) and a beam extraction mirror ( 3 ), consisting of a substrate with anti-reflective coatings ( 8 , 9 ) ( 5 ) with a central highly reflective area ( 7 ). By arranging a further mirror ( 4 ) made of a substrate ( 6 ) with partially reflecting ( 10 ) and tireflecting coating ( 11 ), part of the radiation (-) is coupled back into the resonator in the form of a converging spherical wave (---). This wave is the resonator's own solution and therefore has the same mode structure as the original radiation. The light focuses on the optical axis up to the diffraction limit, then diverges again and finally leaves the resonator as a diverging wave. The large number of resonator revolutions up to the new coupling leads to an increased duration of the photons in the resonator and thus to a reduction in the degree of coupling. By a suitable choice of the radii of curvature of the two sides of the partially reflecting mirror ( 4 ), the focusing of the laser radiation can be adjusted at the same time.

Fig. 1b Fig. 1b

Gemessene, normierte Intensitätsverteilung im Fernfeld eines in Fig. 1a beschriebenen astabilen Resonators ohne teilreflektierenden Spiegel (4). Die Messung wurde an einem gepulsten Nd-YAG-System durchgeführt. Die Auskoppelverluste betragen 92%.Measured, standardized intensity distribution in the far field of an astable resonator described in FIG. 1a without partially reflecting mirror ( 4 ). The measurement was carried out on a pulsed Nd-YAG system. The decoupling losses are 92%.

Fig. 1c Fig. 1c

Gemessene, normierte Intensitätsverteilung im Fernfeld des unter Fig. 1b angesprochenen astabilen Resonators mit zusätzlichem Spiegel gemäß Fig. 1a mit einem Reflexionsgrad von 16%. Dadurch senkt sich der Aus koppelverlust von 92% auf 80% ohne Einfluß auf das Fernfeld.Measured, standardized intensity distribution in the far field of the astable resonator mentioned in FIG. 1b with an additional mirror in accordance with FIG. 1a with a reflectance of 16%. This reduces the coupling loss from 92% to 80% without affecting the far field.

Fig. 2 Fig. 2

Anstelle des zusätzlichen Spiegels (4) in Fig. 1a kann der Strahlentnah mespiegel (3) auf einer Seite teilreflektierend beschichtet sein (8 oder 9). Die Wirkungsweise entspricht der in Fig. 1a.Instead of the additional mirror ( 4 ) in FIG. 1a, the beam extraction mirror ( 3 ) can be coated on one side with partial reflection ( 8 or 9 ). The mode of operation corresponds to that in Fig. 1a.

Fig. 3a Fig. 3a

Eine zu Fig. 1a alternative Möglichkeit der Verlustverringerung besteht in der Anordnung des teilreflektierenden Spiegels (4) zwischen aktivem Medium (2) und Strahlentnahmespiegel (3). Durch spezielle Wahl der Krümmungsradien der beiden Seiten des teilreflektierenden Spiegels (4) und der damit erzielten Linsenwirkung wird erreicht, daß sowohl der Teil der Laserstrahlung der nach Durchgang des Spiegels (4), als auch der Teil, der von der Zone (7) und ohne Durchgang durch das aktive Medium nach Reflexion an der teilreflektierenden Schicht (10) den Reso nator verläßt, gleiche Strahldivergenz besitzen. Zusätzliche Wahl der Stellung des Spiegels (4) im Resonator führt zu phasenrichtiger Über lagerung im Fernfeld.An alternative to FIG. 1a of reducing the loss is to arrange the partially reflecting mirror ( 4 ) between the active medium ( 2 ) and the radiation extraction mirror ( 3 ). Through a special choice of the radii of curvature of the two sides of the partially reflecting mirror ( 4 ) and the lens effect thus achieved, it is achieved that both the part of the laser radiation after passage of the mirror ( 4 ) and the part of the zone ( 7 ) and without passage through the active medium after reflection at the partially reflecting layer ( 10 ) leaves the resonator, have the same beam divergence. Additional choice of the position of the mirror ( 4 ) in the resonator leads to phase overlay in the far field.

Fig. 3b Fig. 3b

Gemessene, normierte lntensitätsverteilung im Fernfeld eines astabilen Resonators gemäß Fig. 3a ohne zusätzlichen Spiegel (4). Der an einem gepulsten Nd-YAG-System gemessene Auskoppelverlust betrug 91.5%.Measured, standardized intensity distribution in the far field of an astable resonator according to FIG. 3a without an additional mirror ( 4 ). The coupling loss measured on a pulsed Nd-YAG system was 91.5%.

Fig. 3c Gemessene, normierte lntensitätsverteilung im Fernfeld des unter Fig. 3b beschriebenen Resonators mit zusätzlichem Spiegel (4) mit Reflexions grad 16% zwischen aktivem Medium und Strahlentnahmespiegel. Durch Einfügen des teilreflektierenden Spiegels sinkt der Auskoppelverlust, ohne merkbaren Einfluß auf das Fernfeld, von 91.5% auf 50%. FIG. 3c Measured normalized intensity distribution in the far field of the under Figure 3b. Resonator described with additional mirror (4) having reflection degree of 16% between the active medium, and beam sampling mirror. By inserting the partially reflecting mirror, the coupling loss drops without noticeable influence on the far field from 91.5% to 50%.

Fig. 4 Astabiler optischer Resonator mit zusätzlichem teilreflektierenden Spie gel zwischen aktiven Medium 2 und dem Strahlentnahmesystem (13, 14). Die Strahlentnahme erfolgt hierbei durch einen vor einem hochreflektie renden Spiegel (13) positionierten, mit antireflektierender Beschich tungen (16, 17) versehenen lichtdurchlässigen Träger (18), dessen Rand zone (15) hochreflektierend ist. Die Neigung des Trägers zur optischen Achse bestimmt die Richtung der Auskopplung. Die Verringerung der Verluste erfolgt wie unter Fig. 3a. Fig. 4 Astable optical resonator with additional partially reflecting mirror between active medium 2 and the radiation extraction system ( 13, 14 ). The beam is removed by a mirror ( 13 ) positioned in front of a highly reflecting mirror ( 16 , 17 ) provided with antireflective coatings ( 16 ), a translucent carrier ( 18 ) whose edge zone ( 15 ) is highly reflective. The inclination of the carrier to the optical axis determines the direction of the coupling. The losses are reduced as in FIG. 3a.

Claims

1. Laser arrangement of an astable optical resonator with an additional partially reflecting surface, characterized in that it is arranged on one side of the beam extraction mirror ( 3 ) and the laser radiation in the direction of the optical axis is partially reflected.

2. Laser arrangement according to claim 1, characterized in that the partially reflecting surface on the side facing away from the active medium ( 2 ) of the beam extraction mirror ( 3 ) is arranged in the form of a partially reflecting optical element ( 4 ).

3. Laser arrangement according to claim 2, characterized in that one or both surfaces ( 10 , 11 ) of the partially reflecting optical element ( 4 ) pierced by the optical axis are curved.

4. Laser arrangement according to claim 1, characterized in that the partially reflecting surface is realized by a partially reflecting surface ( 8 , 9 ) of the radiation extraction mirror ( 3 ).

5. Laser arrangement according to claim 4, characterized in that the partially reflecting surface bearing side of the beam extraction mirror ( 3 ) is curved.

6. Laser arrangement according to claim 1, characterized in that the partially reflecting surface on the active medium ( 2 ) facing side of the beam extraction mirror ( 3 ) is arranged in the form of a partially reflecting optical element ( 4 ).

7. Laser arrangement according to claim 6, characterized in that the partially reflecting surface bearing or both sides of the partially reflecting optical element ( 4 ) pierced by the optical axis are curved.

8. Laser arrangement according to claim 1, characterized in that the partially reflecting surface is realized by a partially reflecting surface of the radiation extraction mirror ( 3 ) facing side of the active medium ( 2 ).

9. Laser arrangement according to claim S, characterized in that the partially reflecting surface of the active medium ( 2 ) is curved.

10. Laser arrangement according to one of claims 6-9, characterized in that the beam extraction mirror from a highly reflective mirror ( 13 ) and a front aperture ( 14 ) with highly reflective render edge zone ( 15 ) and translucent central area be, the beam extraction not in the direction of the optical axis.

11. Laser arrangement according to one of claims 1-10, characterized records that in addition a mechanical, electro-optical or acousto-optical modulator is mounted in the arrangement that the Laser output power modulated up to 100%.

12. Laser arrangement according to one of claims 1-11, characterized in that between the partially reflecting surface and Strahlentnah mespiegel ( 3 ) a further active medium for increasing the output power or output energy is arranged.

13. Laser arrangement according to one of claims 1-12, characterized records that the additional partially reflecting surface a radial dependent reflectance.