DE3924857A1

DE3924857A1 - Laser mit erweitertem regelbereich

Info

Publication number: DE3924857A1
Application number: DE19893924857
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Wondrazek
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Dornier Medizintechnik GmbH
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1991-02-07

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Laser, dessen Laserkristall zwischen zwei Spiegel angeordnet ist gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE-PS 36 17 084 der Anmelderin ist ein solcher Laser bekanntgeworden, der in der Weise konzipiert ist, daß das Lasermedium in mindestens zwei Emissionswellenlängen aktivierbar ist und auf einfache Weise zwischen den unterschiedlichen Emissionswellenlängen umschaltbar ist.

Nun ist es aber für viele Laseranwendungen - wie beispielsweise in der Industrie oder Medizin - notwendig, daß die Ausgangsleistung eines Lasers über einen großen Bereich stabil und regelbar ist. Hierbei wird der Stabilitätsbereich durch die Resonatorkonfiguration - also durch die Spiegelradien und Spiegelabstände etc. - sowie durch die thermische Linse des Lasermaterials bestimmt. Das heißt, die Leistungskurve des Lasermaterials im Stabilitätsbereich bestimmt die Laser-Ausgangsleistung. Bisher wurde der Leistungsbereich der Laser durch Einbringen einer Modenblende verändert. So eine Modenblende muß jedoch äußerst exakt justiert werden. Außerdem wird bei der Einkopplung in Lichtleiter der Einkoppelwinkel und damit der Ausstrahlwinkel aus der Faser durch die Modenblende verändert und außerdem die Leistungsdichte sprungartig verändert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Elemente zur Leistungsbereichs- und Intensitätsänderung keine Justierung mehr erfordern, ferner über den gesamten Strahlquerschnitt wirksam sind und die Strahlqualität hiermit nicht verändert wird, sowie eine Regelung der Ausgangsleistung auch bei einer sehr kleinen Pumpleistungsspanne möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm bezüglich der Laserleistung und Pumpleistung mit Parametern verschiedener Resonatorkonfigurationen,

Fig. 2 eine Diagrammkombination der multimoden Strahldivergenzen verschiedener Resonatoren,

Fig. 3 ein Schemabild eines Laserresonators mit eingebrachtem optischen Verlustelement,

Fig. 3a ein Schemabild über die Kombination von zwei Verlustelementen zur Eliminierung des Strahlversatzes eines planparallelen optischen Verlustelementes,

Fig. 3b ein Schemabild einer weiteren Konfiguration eines optischen Verlustelementes,

Fig. 3c ein Schemabild eines dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Verlustelementes,

Fig. 3d ein Schemabild eines verschiebbaren Auskoppelspiegels mit einer variabel verlaufenden Reflexionsschicht,

Fig. 3e ein Schemabild von einem optischen Verlustelement und einem Auskoppelspiegel, die jeweils mit einer kontinuierlich variabel verlaufenden Reflexionsschicht versehen sind,

Fig. 4 ein Schemabild des optischen Verlustelementes, das aus zwei Polarisatoren zusammengesetzt ist,

Fig. 4a ein Schemabild des optischen Verlustelementes, das aus zwei Polarisatoren und einer λ/2-Platte zusammengesetzt ist,

Fig. 4b ein Schemabild des optischen Verlustelementes, das aus zwei Polarisatoren und dazwischen geschaltetem Pockelselement gebildet ist,

Fig. 4c ein Schemabild eines optischen Verlustelementes, das aus zwei Polarisatoren und dazwischen geschaltetem Flüssigkristall (LCD) gebildet ist.

Will man Laser mit einer hohen Ausgangsleistung I₂ erreichen, so muß der Resonator so gestaltet sein, daß die Pumpleistung P₂ möglichst groß ist, wie aus der Fig. 1 ersichtlich. Damit ist aber auch die Pumpleistung P₁ festgelegt. Häufig entspricht P₁ bereits einer sehr hohen Laserleistung I_1. Dies besagt nun, daß bei der Pumpleistung P₁ sich die Laserleistung von Null - also dem Instabilitätsbereich - auf I₁ - also den Stabilitätsbereich - in einer sehr kleinen Pumpleistungsspanne ändert. In diesem kleinen Pumpleistungsbereich ist eine Regelung der Ausgangsleistung sehr schwierig und Laserleistungen kleiner als I₁ können kaum realisiert werden.

Die Fig. 1 zeigt Modifikationen der Leistungskurve für Laserleistungen kleiner als I₁. Hierbei zeigt die gestrichelt gezeichnete Linie die Leistungskurve, wie sie sich mit einer eingeschobenen Modenblende ergibt. Die Modenblende hat eine Reihe von Nachteilen, wie sie teilweise bereits eingangs beschrieben worden sind. Die strichpunktierte Linie entspricht der Leistungskurve mit optischem Verlustelement im Resonator und die punktierte Linie zeigt die Leistungskurve bei erhöhter Auskopplung. Die durchgezogene Linie veranschaulicht die typische Leistungskurve eines passiven Laserresonators, wobei sich die mit der Pumpleistung ändernden optischen Eigenschaften des Lasermaterials 11 nicht berücksichtigt sind. Der Laser 10 emittiert ab der Schwelle P_Schwelle Licht und ist bei jeder Pumpleistung gleich stabil.

Bei Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften des aktiven Materials ist der Laser 10 nur in einem beschränkten durch die Resonatorkonfiguration bestimmten Pumpbereich stabil. Dies geht aus den Kurven der Fig. 2 (a, b) hervor. Die Brechkraft D ist direkt proportional der Pumpleistung P. Das heißt, bei einer Steigerung der Pumpleistung erreicht man den Stabilitätsbereich bei P₁ (ansteigende Flanke), durchläuft diesen Bereich und verläßt ihn bei P₂ (abfallende Flanke). Der Stabilitätsbereich kann beim Stand der Technik nun nur durch Änderung der Resonatorkonfiguration verändert werden. Dies aber ist während des Laserbetriebes nur durch einen sehr großen Justieraufwand möglich. Die in Fig. 2 gezeigten Strahldivergenzen verschiedener Resonatoren beziehen sich in den beiden Bildhälften a und b auf einen Nd-YAG-Laserstab.

In den Fig. 3 bis 3e ist nun skizziert, wie in einfacher Weise die Leistung verändert werden kann und ein erweiterter Regelbereich auch bei kleinen Intensitäten I₁ erreichbar ist. Hierzu wird vorgeschlagen, in den Strahlengang zwischen dem Laserkristall 11 und eventuell einem verschiebbar angeordneten Auskoppelspiegel 13 planparallele optische Verlustelemente 15 gegebenenfalls unter einem Winkel α geneigt zur Strahlachse A verschiebbar und/oder verdrehbar anzuordnen. Als Verlustelemente 15 können nun planparallele Absorptionsfilter, Polarisatoren oder dielektrisch beschichtete planparallele Reflexionsplatten verwendet werden.

Zur Eliminierung des Strahlversatzes empfiehlt sich eine Kombination aus zwei in einem bestimmten Winkel und Abstand zueinander stehenden Filter 15a, 15b, wie dies in der Fig. 3a skizziert ist. Bei geringer Belastung reicht ein aus einem planparallelen Absorptionsfilter 15a gebildetes Verlustelement 15. Bei höherer Belastung empfiehlt sich eine dielektrisch beschichtete planparallele Reflexionsplatte 16, die leicht geneigt ist, um Störungen des Lasers zu vermeiden.

In der Fig. 3b ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verlustelementes 15c gezeigt, das sich aus einem planparallelen Antireflexkörper 17 und einer die Körperfläche nur teilweise bedeckenden bzw. überziehenden Reflexionsschicht 16 zusammensetzt. Dieses Verlustelement 15c wird zum Bereichswechsel planparallel verschoben.

In der Fig. 3c ist eine andere Konfiguration eines Verlustelementes gezeigt, das als Würfelstrahlteiler 15d ausgebildet ist. Hierbei setzt sich der Würfel aus zwei Antireflexkörper 17 zusammen, deren Kontaktflächen einen reflektierenden Teilbereich 16a aufweisen.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3d zeigt das Ausführungsbeispiel, bei dem der verschiebbare Auskoppelspiegel 13 mit einer variablen Reflexionsschicht 22a versehen ist.

Eine weitere Ausführungsform geht aus der Fig. 3d hervor, die eine planparallele Platte 15e aufweist, welche mit einer kontinuierlich variablen Reflexionsschicht 22a versehen ist. Es empfiehlt sich weiterhin, den verschiebbaren Auskoppelspiegel 13 des Resonators mit einer kontinuierlich variablen Reflexionsschicht 22a zu versehen.

Zur Variation der Auskopplung ist noch anzuführen, daß bei Verwendung eines planen Auskoppelspiegels 13 eine planparallele Bewegung dieses Spiegels den Laserresonator nicht stört. Eine Nachjustierung entfällt. Werden Segmente dieses Spiegels mit verschiedenen Reflexionsschichten 16 oder 22a belegt, ist eine Änderung der Leistungskurve in einfachster Weise und aufwandslos ermöglicht.

Nun ist bekannt, daß sich durch die thermischen Eigenschaften des Lasermaterials mit der Pumpenergie nicht nur die Ausgangsleistung, sondern auch die Strahleigenschaften - wie Divergenz, Modenzahl etc. - ändern. Dies ist jedoch sehr häufig unerwünscht, insbesondere bei Geräten für die Industrie und die Medizin. Ein Ausgleichen der thermischen Linse eines Laserkristalls ist jedoch nur sehr schwer möglich. Mit dem hier vorliegenden Erfindungsgedanken läßt sich jedoch die Ausgangsleistung durch eine kontinuierliche Variation der Leistungskurve bei fester Pumpleistung relativ einfach verändern. Dies geschieht ebenfalls durch variable Verlustelemente im Resonator oder durch variable Veränderung des Auskoppelgrades. Durch die nachstehend näher erläuterten Maßnahmen läßt sich also auch die Leistungskurve bei fester Pumpleistung und damit konstanter thermischer Linse ohne Nachjustierung des Laserresonators variieren, im einfachsten Fall durch Einbringen eines Verlustelementes in Form einer planparallelen Platte 15e mit kontinuierlich variabler Reflexionsschicht 22a.

In den Fig. 4 bis 4c sind verschiedene weitere Ausführungsbeispiele hierfür gezeigt. Eine kontinuierlich variable Transmission wird gemäß Fig. 4 durch gegeneinander gerichtetes Drehen zweier Polarisatoren 18a und 18b erzeugt. Wird jedoch bereits ein polarisierter Laser 11 verwendet, genügt selbstverständlich ein einziger Polarisator 18a. Dies gilt auch für alle nachfolgenden Ausführungsbeispiele.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a wird zwischen den beiden Polarisatoren 18a und 18b eine λ/2-Platte 19 drehbar angeordnet. Daß Polarisatoren und Platte auf derselben Achse A liegen, dürfte als selbstverständlich angesehen werden können. Wie vorstehend bereits erwähnt, genügt es bei Verwendung eines polarisierten Lasers 11 zwischen ihm und nur einem Polarisator 18a diese λ/2-Platte 19 zu positionieren.

In der Fig. 4b wird eine andere Version gezeigt. Hier wird zur Beibehaltung der Strahlparameter eines Lasers bei variabler Ausgangsleistung die Spannung an einer Pockelszelle 20 variiert, wobei diese Zelle ebenfalls zwischen die beiden Polarisatoren 18a, 18b positioniert wird (elektrooptischer Effekt).

Die Anordnung, bei der durch Variation der Spannung an einem Flüssigkristall (LCD) 21, der zwischen die beiden Polarisatoren 18a und 18b gesetzt ist, die Ausgangsleistung verändert wird, ist in Fig. 4c skizziert.

Claims

1. Laser (10), dessen Laserkristall (11) zwischen zwei Spiegel (12, 13) angeordnet ist und mittels einer Pumplichtquelle (14) angeregt wird, wobei der Leistungsbereich des Lasers (10) durch Einbringung optischer Elemente veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang zwischen Laserkristall (11) und dem Auskoppelspiegel (13) optische Verlustelemente (15), wie Absorptionsfilter, Polarisatoren oder dielektrisch beschichtete Reflexionsplatten gegebenenfalls unter einem Winkel α geneigt zur Strahlachse (A) verschiebbar und/oder verdrehbar angeordnet sind.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Eliminierung des Strahlversatzes als optisches Verlustelement eine Kombination aus zwei in bestimmtem Winkel zueinander stehenden optischen Elementen (15a, 15b) eingesetzt wird.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Verlustelement eine Planplatte (15c) als Antireflexkörper (17) ausgebildet und teilweise mit einer Reflexionsschicht (16) versehen ist, welche zum Stabilitätsbereichswechsel planparallel verschoben wird.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Verlustelement eine planparallele Platte (15e) verwendet wird, die mit einer kontinuierlich variablen Reflexionsschicht (22a) versehen ist.

5. Laser nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Verlustelement als Würfelstrahlteiler (15d) aus Antireflexkörper (17), die einen reflektierenden Teilbereich (16a) aufweisen, ausgebildet ist.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als optisches Verlustelement ein oder zwei Polarisatoren (18a, 18b) verwendet werden, die gegeneinander verdrehbar gelagert sind.

7. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem polarisierten Laser (11) und einem Polarisator (18a) oder zwischen zwei Polarisatoren (18a, 18b) eine λ/2-Platte (19) drehbar angeordnet ist.

8. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem polarisierten Laser (11) und einem Polarisator (18a) oder zwischen zwei Polarisatoren (18a, 18b) eine Pockelszelle (20) angeordnet ist.

9. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem polarisierten Laser (11) und einem Polarisator (18a) oder den beiden Polarisatoren (18a, 18b) ein Flüssigkristall (LCD) (21) angeordnet ist.

10. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der verschiebbare Auskoppelspiegel (13) mit einer variablen Reflexionsschicht (22a) versehen ist.