DE3856300T2

DE3856300T2 - Gepulstes Lasergerät mit hoher Wiederholungsrate

Info

Publication number: DE3856300T2
Application number: DE3856300T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Hamamatsu-Shi Shizuoka Aoshima; Yutaka Hamamatsu-Shi Shizuoka Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1987-06-09
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2008-06-09
Also published as: US4864577A; EP0294787B1; EP0294787A2; JPS63306681A; JP2597845B2; EP0294787A3; DE3856300D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Impulslasergerät mit hoher Impulsfrequenz gemäß der mehrere Gattungen umfassenden Klausel aus Anspruch 1.
Ein derartiges Lasergerät ist aus OPTICS LETTERS, Januar 1984, Band 9, Nr. 1, "The soliton laser" von Molenauer und Sicten bekannt, wobei in der Rückkopplungseinrichtung eine Faser verwendet wird, die eine Einzelmodenpolarisierung aufrechterhält, um den aus einem Laserresonator emittierten Lichtimpuls zum Laserresonator zurückzusenden. Die Rückkopplungseinrichtung ist an den Hauptresonator angeschlossen, so daß der soliton-Zustand vorliegt, in dem sich die Form des wandernden Lichtimpulses periodisch durch die Geschwindigkeitsstreuung der negativen Gruppe der Faser ändert. Dadurch läßt sich die Impulsbreite verringern, d. h. die Form des aus dem Hauptresonator zur Faser gelangenden Lichtimpulses unterscheidet sich von der Form des Lichtimpulses, der aus der Faser wieder zum Hauptresonator zurückkehrt. Die Impulsbreitenreduzierung wird erreicht, indem über den Lichtimpuls im Hauptresonator der Lichtimpuls mit der anderen Form gelegt wird.
Beispiele für Impulslasergeräte mit hoher Impulsfrequenz sind ein aktives modengekoppeltes Lasergerät, bei dem ein akustisch-optisches (AO) Element, das in einen Laserresonator eingesetzt ist, mit einer Frequenz f&sub0; = c/(2L) moduliert wird, wobei L die Laserresonatorlänge ist, die mit dem Modenintervall identisch ist, so daß ein schneller Lichtimpuls mit einer kurzen Impulsdauer entsteht, sowie ein passives modengekoppeltes Gerät, bei dem eine sättigbare Absorber-Farbstofflösung in den Laserresonator eingebracht wird, so daß ein schneller Lichtimpuls mit kurzer Impulsdauer erzeugt wird. Bei dem oben beschriebenen aktiven modengekoppelten Lasergerät wird die Reflexion eines elektrischen Signals mit hoher Frequenz zur Modulation des AO-Elements mit einer Ultraschallwelle überwacht, und die elektrische Steuerung erfolgt dergestalt, daß die Reflexion des elektrischen Signals mit hoher Frequenz und auch der ausgegebene Lichtimpuls stabilisiert werden. Demgegenüber werden bei dem obigen passiven modengekoppelten Lasergerät die Konzentration der sättigbaren Absorber-Farbstofflösung und die Größe der austre tenden Energie so gesteuert, daß wiederum der ausgegebene Lichtimpuls stabilisiert wird.
Allerdings läßt sich bei dem aktiven modengekoppelten Lasergerät die Stabilisierung des ausgegebenen Lichtimpulses nur schwer erreichen, und auch die elektrische Steuerung zur Stabilisierung der an das AO-Element angelegten Ultraschallwelle ist recht kompliziert.
Darüber hinaus ist das passive modengekoppelte Lasergerät insofern von Nachteil, als sich bei der Stabilisierung des ausgehenden Lichtimpulses die Ausgangsenergiemenge in bezug auf die Konzentration der sättigbaren Absorber- Farbstofflösung nur schlecht einstellen läßt, denn aufgrund der abnehmenden Qualität des Farbstoffs wird die Einstellung der Konzentration der sättigbaren Absorber-Farbstofflösung schwierig.
Angesichts dessen besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein Impulslasergerät mit hoher Impulsfrequenz zu schaffen, welches ein einfach aufgebautes und leicht einstellbares Rückkopplungssystem aufweist, so daß ein stabiler Lichtimpuls entsteht, und bei dem sich der durchschnittliche Wirkungsgrad durch Reduzierung der Impulsbreite des Lichtimpulses erhöht.
Das vorstehende und andere Ziele der Erfindung wurden durch die Merkmale aus Anspruch 1 erreicht.
Im Vergleich zu Impulslasergeräten mit hoher Impulsfrequenz ohne Rückkopplungssystem gibt das erfindungsgemäße Impulslasergerät mit hoher Impulsfrequenz einen stabilen Lichtimpuls mit kurzer Impulsbreite aus und hat daher einen hohen Wirkungsgrad.
Fig. 1 ist ein Diagramm, teilweise ein Blockschaltbild, welches den Aufbau eines Beispiels eines Impulslasergerätes mit hoher Impulsfrequenz veranschaulicht;
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches ein anderes Lasergerät näher erläutert;
Fig. 3 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung eines wiederum anderen Lasergerätes;
Fig. 4 ist ein Diagramm zum besseren Verständnis wieder eines anderen Lasergerätes;
Fig. 5 ist das Diagramm einer Impulswellenform zur Beschreibung der Wirkungsweise des Lasergerätes aus Fig. 4;
Fig. 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines anderen Lasergerätes;
Fig. 7 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines weiteren Lasergerätes;
Fig. 8 ist ein Diagramm der Wellenform von Signalen, die während des Betriebs des Lasergerätes aus Fig. 7 vorliegen, und
Fig. 9 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung eines wiederum anderen Lasergerätes.
In Fig. 1 ist ein Beispiel eines passiven modengekoppelten Flüssigkeitslasergerätes dargestellt, zum Beispiel ein passiver modengekoppelter Laser, auf den das technische Konzept der Erfindung angewandt wird.
In Fig. 1 kennzeichnet die Ziffer 1 einen Auskoppelspiegel und die Ziffer 2 einen Reflexionsspiegel, die einen Teil eines Lichtimpulses übertragen. Die Spielgel 1 und 2 bilden einen Laserresonator 3 mit einer Resonatorlänge L, der einen "Hinweg" und "Rückweg" für einen Lichtimpuls bereitstellt. Zwischen dem Auskoppelspiegel 1 und dem Reflexionsspiegel 2 befinden sich ein Lasermedium 4 aus Rhodamin 6 G oder dergleichen und ein Modenkopplungselement 5 aus einem sättigbaren Absorber- Farbstoff. Desweiteren kennzeichnet die Ziffer 6 in Fig. 1 eine Pumpquelle zum Erregen des Lasermediums und die Ziffer 7 ein Rückkopplungssystem mit den Totalreflexionsspiegeln 8, 9 und 10. Das Rückkopplungssystem 7 ist so aufgebaut, daß ein außen von dem Reflexionsspiegel 2 des Laserresonators 3 emittierter Lichtimpuls um eine vorgegebene optische Weglänge d&sub1; verzögert wird und anschließend mit Hilfe des Reflexionsspiegels 2 den Lichtimpuls im Laserresonator 3 überlagert. Die optische Verzögerungs-Weglänge d&sub1; wird so gewählt, daß der folgende mathematische Ausdruck erfüllt wird:
d&sub1; = 2 nL(n = 1, 2, 3, .......),
wobei L die Länge des Laserresonators ist. Zudem kennzeichnet die Ziffer 11 in Fig. 1 einen Lichtimpuls, der durch den Auskoppelspiegel 1 des Laserresonators 3 ausgegeben wird.
Nunmehr wird die Wirkungsweise des derart konstruierten Lasergerätes beschrieben.
Wenn das Lasermedium 4 von der Pumpquelle 6 angeregt wird, entsteht ein Lichtstrahl mit mehrfacher Längsmodenoszillation, und aufgrund der nichtlinearen Übertragungseigenschaften des Modenkopplungselements 5 wird automatisch ein modengekoppelter Lichtimpuls mit geringer Impulsdauer und hoher Geschwindigkeit erzeugt. Ein Teil des so entstandenen Lichtimpulses wird durch den Reflexionsspiegel 2 hindurch aus dem Laserresonator 3 heraus emittiert. Der auf diese Weise nach außen emittierte Lichtimpuls kehrt in den Laserresonator 3 zurück, nachdem er mit Hilfe der Totalreflexionsspiegel 8, 9 und 10 um d&sub1; (= 2nL) verzögert wurde, wodurch dieser Lichtimpuls den Lichtimpuls im Laserresonator überlagert. Deshalb weist das erfindungsgemäße Lasergerät ein stabileres Oszillationsverhalten auf, erzeugt weniger "Satellitenimpulse" und hat stabilere Lichtimpulse als passive modengekoppelte Flüssigkeitslasergeräte ohne Rückkopplungssystem. Unter dem Begriff "Satellitenimpulse" werden in der vorliegenden Beschreibung unerwünschte Nebenimpulse verstanden, die am Rand eines Impulses auftreten und eine Frequenz von C/2L haben, wobei C die Lichtgeschwindigkeit ist. Außerdem erzeugt das erfindungsgemäße Lasergerät Ausgangslichtimpulse mit kürzerer Impulsdauer, und es hat einen höheren Wirkungsgrad als konventionelle Lasergeräte.
Bei dem oben beschriebenen Lasergerät besteht das Rückkopplungssystem aus drei Totalreflexionsspiegeln. Allerdings kann das Rückkopplungssystem beispielsweise auch wie in Fig. 9 aufgebaut sein. In Fig. 9 besteht das Rückkopplungssystem 7d aus einem ersten Rückkopplungssystem 7d&sub1; mit zwei Totalreflexionsspiegeln 8a und 9a und einem Reflexionsspiegel 30, die einen Teil des Lichtimpuls übertragen, und aus einem zweiten Rückkopplungssystem 7d&sub2; mit drei Totalreflexionsspiegeln 8b, 9b und 10b zur Rückkopplung des den Reflexionsspiegel 30 passierenden Lichtimpulses zum ersten Rückkopplungssystem 7d&sub1;. Die Kennzeichnung 3d in Fig. 9 steht für einen Laserresonator und 11d für einen Ausgangslichtimpuls.
Bei dem oben beschriebenen Lasergerät wird der Lichtimpuls, der den Reflexionsspiegel passiert, zum Laserresonator zurückgeführt, so daß er den Lichtimpuls im Laserresonator überlagert. Doch das Lasergerät kann auch wie in Fig. 2 modifiziert werden. Bei dem Lasergerät aus Fig. 2 ist das Rückkopplungssystem 7a so aufgebaut, daß der vom Auskoppelspiegel 1 des Laserresonators 3a ausgegebene Lichtimpuls durch den Aufspaltspiegel 12 aufgespalten wird, und der entstehende Strahl, nämlich der Rückkopplungslichtstrahl, durch zwei Totalreflexionsspiegel 13 und 14 zum Laserresonator 3a zurückgeführt wird, so daß er den Lichtimpuls im Laserresonator 3a überlagert. Dabei entspricht die optische Verzögerungs-Weglänge d&sub2; jener Weglänge, welche der Lichtimpuls zurücklegt, wenn er von dem Auskoppelspiegel 1 über den Aufspaltspiegel 12 und den Totalreflexionsspiegel 13 zum Totalreflexionsspiegel 14 und von dort über den Aufspaltspiegel 12 zum Auskoppelspiegel 1 zurückkommt. Das Rückkopplungssystem 7a wird so eingestellt, daß die Formel d&sub2; = 2 nL (n = 1, 2, 3, ...) erfüllt wird. In Fig. 2 kennzeichnet 2a einen Totalreflexionsspiegel und 11a einen ausgegebenen Lichtimpuls.
Bei dem oben beschriebenen Lasergerät sind das Lasermedium und das Modenkopplungselement im Laserresonator angeordnet. Allerdings könnte das Lasergerät aus Fig. 2 auch mit einem Q-Schaltelement und/oder einem Resonatordämpfungselement versehen sein. In Fig. 4 ist ein Q-Schaltungs-Lasergerät mit Modenkopplung dargestellt, welches man durch Hinzufügen eines Q-Schaltelements zum Lasergerät aus Fig. 1 erhält, bei dem das technische Konzept der Erfindung Anwendung findet. In Fig. 4 sind die Komponenten, die bereits anhand von Fig. 1 beschrieben wurden, mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet. Ziffer 15 stellt ein Q-Schaltelement dar, z. B. ein Ultraschall-Q-Schaltelement oder ein elektrischoptisches Q-Schaltelement, 16 kennzeichnet eine Antriebsschaltung zum Ansteuern des Q-Schaltelements 15 und 3b einen Laserresonator. Wenn bei dem Lasergerät aus Fig. 4 der Modenkopplungsimpuls und der Q-Schaltimpuls im Betrieb wie in den Fig. 5(a) und 5(b) eingestellt werden, dann entsteht ein Ausgangslichtimpuls 11b wie in Fig. 5(c).
Fig. 7 zeigt ein Lasergerät mit Modenkopplung und Resonatordämpfung, das durch Einfügen eines Resonatordämpfungselements in das Lasergerät aus Fig. 1 entsteht, bei dem das technische Konzept der Erfindung zur Anwendung kommt. In Fig. 7 stellen die Ziffer 31 ein Resonatordämpfungselement mit einem Ultraschall- Lichtdeflektor, die Ziffern 33 und 34 Reflexionsspiegel und 3e einen Laserresonator dar. Wenn bei dem Lasergerät aus Fig. 7 die Dauer des Modenkopplungsimpulses und des Resonatordämpfungsimpulses so wie in den Fig. 8(a) und 8(b) eingestellt werden, dann wird ein Lichtimpuls 11e wie in Fig. 8(C) direkt aus dem Laserresonator 3e nach außen emittiert.
Das erfindungsgemäße technische Konzept läßt sich auf ein Lasergerät mit Modenkopplung und Resonatordämpfung anwenden, das durch Hinzufügen eines Q-Schaltelements zum modengekoppelten, resonatorgedämpften Lasergerät Resonatordämpfung entsteht.
Bei den oben beschriebenen Lasergeräten ist das erfindungsgemäße Konzept auf einen Flüssigkeitslaser, beispielsweise einen Farbstofflaser, angewandt worden. Allerdings ist die Erfindung nicht auf ihn bzw. durch ihn begrenzt. Das heißt, das erfindungsgemäße technische Konzept läßt sich ebenso bei einem Gaslaser, z. B. ein Ar-Ionen-Gaslaser, bei einem Festkörperlaser, z. B. ein Nd-YAG-Festkörperlaser, oder einem Halbleiterlaser, ein GaAlAs-Halbleiterlaser, nutzen.
Fig. 3 zeigt einen Halbleiterlaser, bei dem die Erfindung eingesetzt wird. Darin ist 3c ein Laserresonator mit einer Resonatorlänge 1. Der Laserresonator 3c umfaßt einen Halbleiter 17 und ein Modenkopplungselement 18 aus einem nichtlinearen optischen Medium. Bei dem nichtlinearen optischen Medium können ablenkende Teile als solche in der aktiven Schicht verwendet werden. Weiterhin kennzeichnet die Ziffer 19 in Fig. 3 eine Gleichstrom-Erregerquelle zur Injektion von geladenen Teilchen in den pn-Übergang des Halbleiters 17, damit dieser erregt wird, und die Ziffer 7c kennzeichnet ein Rückkopplungssystem mit einer Linse 20 und einem Totalreflexionsspiegel 21. Das Rückkopplungssystem 7c ist so ausgelegt, daß der aus dem Laserresonator 3c ausgegebene Lichtimpuls optisch um d&sub3; (= 2) verzögert wird und zum Laserresonator 3c zurückkehrt, so daß er den Lichtimpuls im Laserresonator 3c überlagert. In Fig. 3 bezeichnet 11c einen ausgegebenen Lichtimpuls.
In den oben beschriebenen Fällen kommt das erfindungsgemäße technische Konzept bei passiven modengekoppelten Lasergeräten zum Einsatz. Jedoch ist die Erfindung nicht darauf bzw. dadurch begrenzt. Das heißt, das erfindungsgemäße Wirkungsprinzip läßt sich auch bei einem Lasergerät nutzen, bei dem ein Modulator, z. B. ein Ultraschallmodulator oder ein Phasenmodulator, im Laserresonator angeordnet ist, und der Modulator wird mit einer Frequenz moduliert, die genauso groß wie das Längsmodenintervall ist.
Zudem läßt sich das erfindungsgemäße technische Konzept auf ein modengekoppeltes Synchron-Lasergerät anwenden, bei dem, wie allgemein bei der Modenkopplung eines Farbstofflasers üblich, die Pumpquelle ein Laserstrahl ist, welcher aktiv modengekoppelt ist, so daß die Länge des Laserresonators an die Länge des Pumplasers angeglichen wird.
In den oben beschriebenen Fällen wurde das technische Konzept der Erfindung bei einem modengekoppelten Lasergerät verwendet. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf bzw. dadurch begrenzt. Das heißt, sie ist auch auf Impulslasergeräte mit hoher Impulsfrequenz anwendbar, die nicht modengekoppelt sind, beispielsweise auf ein Halbleiter-Lasergerät wie in Fig. 6.
In Fig. 6 wird ein aktives Element, konkret ein Halbleiter 22, direkt mit einem Hochfrequenzsignal moduliert, welches von einer Hochfrequenzquelle 23 ausgegeben wird, so daß ein Lichtimpuls 11d von der Ausgangsseite des Halbleiters 22 ausgegeben wird. In Fig. 5 kennzeichnet 7d ein Rückkopplungssystem mit einer Linse 24 und einem Totalreflexionsspiegel 25. In dem Rückkopplungssystem 7d wird der von der entgegengesetzten Seite des Halbleiters 22 emittierte Lichtimpuls durch die Linse 24 hindurch zum Totalreflexionsspiegel 25 gelenkt, und der vom Spielgel 25 reflektierte Lichtimpuls gelangt durch die Linse 24 und die entgegengesetzte Seitenfläche des Halbleiters 22 zum Laserresonator zurück, wodurch er mit einer optischen Verzögerung da (= nC/f) den Lichtimpuls im Laserresonator überlagert. In dem mathematischen Ausdruck ist C die Lichtgeschwindigkeit, f die Frequenz der Hochfrequenzquelle und n eine positive Ganzzahl.
In den Rückkopplungssystemen aus den Fig. 1, 2, 3, 4, 5, 7 und 9 wird der Lichtimpuls mit den Totalreflexionsspiegeln in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Erfindungsgemäß kann anstelle des Totalreflexionsspiegels 10 aus Fig. 1, des Totalreflexionsspiegels 14 aus Fig. 2, des Totalreflexionsspiegels 21 aus Fig. 3, des Totalreflexionsspiegels 10 aus Fig. 4, des Totalreflexionsspiegels 25 aus Fig. 6, des Totalreflexionsspiegels 10 aus Fig. 7 und anstelle des Totalreflexionsspiegels 10b aus Fig. 9 ein nichtlinearer optischer Kristall, beispielsweise ein Bariumtitanatkristall, verwendet werden, so daß die phasenkonjugierte Welle aus dem nichtlinearen optischen Kristall als Rückkopplungslicht den Lichtimpuls im Laserresonator überlagert.
Wie oben ausgeführt, schickt das Rückkopplungssystem im erfindungsgemäßen Impulslasergerät mit hoher Impulsfrequenz den vom Laserresonator emittierten Lichtimpuls zum Laserresonator zurück, so daß er den Lichtimpuls im Laserresonator überlagert. Das Rückkopplungssystem ist einfach aufgebaut und läßt sich auch einfach einstellen. Deshalb kann das erfindungsgemäße Lasergerät durch das bloße Einstellen der optischen Verzögerungs-Weglänge des Rückkopplungssystems einen stabileren Lichtimpuls mit kürzerer Impulsbreite ausgeben als konventionelle Lasergeräte ohne Rückkopplungssystem. Darüber hinaus ist bei dem erfindungsgemäßen Gerät der durchschnittliche Wirkungsgrad höher als herkömmlichen Geräten.
Für Fachleute liegen weitere Vorteile und Abwandlungsmöglichkeiten auf der Hand. Daher ist die Erfindung im weiteren Sinne auch nicht auf die speziellen Details, das dargestellte und beschriebene repräsentative Gerät und Verfahren beschränkt.

Claims

1. Impulslasergerät mit hoher Impulsfrequenz, welches umfaßt:

ein Lasermedium (4) und eine Pumpquelle (6) zum Erregen des Lasermediums,

einen Laserresonator, welcher einen Hin- und einen Rückweg für einen Lichtimpuls bildet, und

eine Rückkopplungseinrichtung (7a, c) zum Zurückschicken eines vom Laserresonator emittierten Lichtimpulses zum Laserresonator, wobei der Lichtimpuls einen Lichtimpuls im Laserresonator überlagert,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Rückkopplungseinrichtung (7a, c) einen nichtlinearen optischen Kristall zum Zurückführen des vom Laserresonator emittierten Lichtimpulses zum Laserresonator aufweist, wobei

eine phasenkonjugierte Welle von dem nichtlinearen optischen Kristall als Rückkopplungslicht den Lichtimpuls im Laserresonator überlagert.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät ein modengekoppeltes Lasergerät (22, 4, 17) ist, bei dem ein Gas-, Flüssigkeits-, Festkörper- oder Halbleiterlaser mit Hilfe eines Modenkopplungselements (5) modengekoppelt wird.

3. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät ein modengekoppeltes, gütegeschaltetes Lasergerät, bei dem ein Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperlaser mit Hilfe eines Q-Schaltelements (15) und eines Modenkopplungselements (5) gütegeschaltet und modengekoppelt wird.

4. Gerät nach Anspruch 1, wobei das Gerät ein modengekoppeltes, resonatorgedämpftes Lasergerät ist, bei dem ein Gas-, Flüssigkeits- oder Festkörperlaser mit Hilfe eines Resonatordämpfungselements (31) und eines Modenkopplungselements (5) resonatorgedämpft und modengekoppelt wird.