DE4002162C1 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen schmalbandig abstimmbaren Laser,
insbesondere einen schmalbandig abstimmbaren Farbstofflaser, mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
Ein solcher Laser ist aus der US 48 64 578 bekannt. Dort handelt
es sich allerdings um einen kontinuierlich arbeitenden Farb
stofflaser, der eine Bandbreite von 1 MHz aufweist. Die vorlie
gende Erfindung hingegen wird bevorzugt bei gepulsten Lasern
eingesetzt mit einer Bandbreite von 1,2 GHz, also drei Größen
ordungen höher.
Aus der DD 2 28 117 A1 ist eine Resonatoranordnung für einen
durchstimmbaren Laser bekannt, bei der ein einziges reflektie
rendes Bauteil so gestaltet ist, daß eine gute spektrale Filte
rung bei hoher Wellenlängenselektivität und Schmalbandigkeit er
reicht wird. Es erfolgt eine kontinuierliche Abstimmung der Wel
lenlänge durch Druckvariation. Der Laserstrahl wird durch ein
Prismensystem aufgeweitet.
Aus einem Aufsatz von R. König, S. Mory und A. Rosenfeld in der
Zeitschrift J. Phys. E.: Sci. Instrum. 20 (1987), S. 200-203
ist ein gepulster Farbstofflaser bekannt, bei dem der Strahl im
Resonator mittels Prismen aufgeweitet wird und die Wellenlänge
durch Drehung eines Gitters und/oder eines FP-Etalon abgestimmt
wird.
Auch aus dem Aufsatz von OLCAY, M.R. et al.: Tuning of a narrow
linewidth pulsed dye laser with a Fabry-Perot and diffraction
grating over a large wavelength range. In: Applied Optics, Vol.
24, 1985, No. 19, S. 3146-3150 ist ein gepulster Farbstoff
laser bekannt, der mittels eines FP-Etalon und eines Gitters
über einen weiten Wellenlängenbereich abstimmbar ist.
Aus der DE 37 44 323 A1 ist ein Laser bekannt, bei dem zum
Stabilisieren der Frequenz des Laserstrahls ein Teil desselben
in ein Fabry-Perot- Interferometer eingegeben wird, um ein Stell
signal zum Einstellen eines wellenlängenselektiven Elementes
abzuleiten. Das Ringsystem des Fabry-Perot-Interferometers wird
auf einen Festkörper-Strahlungswandler abgebildet, um es mit
einem gespeicherten Bezugssignal zu vergleichen und daraus ein
Stellsignal für das wellenlängenselektive Element des Lasers zu
gewinnen.
Der vorliegenden Erfindung liegt ein anderes Problem als die
Stabilisierung der Frequenz eines Laserstrahls zugrunde.
Zum Einengen der Bandbreite eines gepulsten Lasers, wie insbe
sondere eines Farbstofflasers, ist es bekannt, zusätzlich zum
Abstimmgitter des Lasers ein Etalon im Laser-Resonator anzu
ordnen. Aufgrund seiner selektiven Transmissionseigenschaften
engt das Etalon die Bandbreite des Laserstrahles erheblich ein.
Beim Abstimmen eines solchen Lasers ist es erforderlich, das
Gitter und das Etalon miteinander zu synchronisieren. Diese
beiden wellenlängenselektiven Elemente (Etalon und Gitter)
müssen so relativ zueinander positioniert werden, daß die
Transmission des Etalons der durch das Gitter vorgegebenen
Wellenlänge entspricht. Statt eines Etalons sind auch andere
wellenlängenselektive Elemente bekannt, wie Fabry-Perot-Inter
ferometer, doppelbrechende Kristalle etc.
Bei Verwendung eines Etalons erfolgt die Synchronisierung mit
dem Gitter durch ein geringfügiges Kippen des Etalons zur
Laserstrahlachse.
Wird nun die Wellenlänge des Lasers abgestimmt (verändert),
müssen sowohl das Gitter als auch das im Resonator angeordnete
Etalon (sogenanntes Intra-Cavity-Etalon) synchron zueinander
verkippt werden. Mit den bei einer solchen synchronen Einstel
lung von wellenlängenselektiven Elementen (z. B. Gitter und
Etalon) auftretenden Problemen beschäftigt sich die vorliegende
Erfindung.
Aufgrund der beim synchronen Bewegen des Gitters und des Eta
lons auftretenden sogenannten "Walk-off"-Verluste, die vom
Etalon im Resonator verursacht sind, ist ein kontinuierliches
Abstimmen der Laserwellenlänge beim Stand der Technik jedoch
nur über einen sehr kleinen Bereich von ca. 1 nm möglich.
Überdies führen kleinste Abweichungen von der Linearität des
Gitter- und Etalonantriebs zu einer Desynchronisierung, so daß
der Laser im Extremfall auf zwei benachbarten Transmissions
stellen des Etalons gleichzeitig anschwingt.
Die Erfindung setzt sich das Ziel, einen schmalbandig abstimm
baren Laser zu schaffen, der eine genaue Abstimmung ohne
Leistungsverluste über einen relativ großen Wellenlängenbereich
ermöglicht.
Der diese Aufgabe erfindungsgemäß lösende Laser ist im Patent
anspruch gekennzeichnet.
Die Erfindung ermöglicht so die Feststellung einer Desynchro
nisierung der beiden wellenlängenselektiven Elemente (z. B.
Gitter und Etalon), um daraus ein Regelsignal zum Einstellen
von zumindest einem der beiden Elemente zu gewinnen und in
dessen Antrieb zurückzukoppeln, so daß ein synchrones Abstimmen
der Laserwellenlänge gewährleistet ist.
Außerdem ermöglicht es die Erfindung, einzelne Abstimmbereiche
des Lasers, insbesondere des Farbstofflasers, in einfacher
Weise aneinanderzureihen, so daß ein automatisches Abstimmen
der Laserwellenlänge mit dem Etalon über den gesamten Wellen
längenbereich eines Farbstoffes (z. B. 30 nm) ermöglicht ist.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß eine De
synchronisierung von Gitter und Etalon nicht nur zu einer
Verringerung der Lichtintensität im Laserstrahl führt, sondern
auch zu einer, wenn auch geringfügigen, Änderung der Lage des
Laserstrahls im Laser-Resonator. Eine solche Lage- und/oder
Richtungsänderung des Strahls läßt sich mit Hilfe eines geeig
net ausgekoppelten Referenzstrahls feststellen und hieraus kann
ein Regelsignal für die Synchronisierung der beiden wellenlän
genselektiven Elemente abgeleitet werden.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnung näher erläutert: Es zeigt:
Fig. 1 schematisch einen gepulsten Farbstofflaser mit Oszil
lator und Vorverstärker einschließlich eines Rechners
und einer gesonderten Steuerung für den Farbstoff
laser;
Fig. 2 erfindungswesentliche Einzelheiten des Farbstofflasers
gemäß Fig. 1 und
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß
gesteuerten Farbstofflasers.
Fig. 1 zeigt einen gepulsten, durch einen Excimerlaser gepump
ten Farbstofflaser, dessen Resonator durch ein Gitter 10 und
einen Endspiegel 12 gebildet ist. Im Resonator ist eine Farb
stoff-Küvette 14 angeordnet, in der ein Farbstoff enthalten
ist, in welchem eine Besetzungsinversion durch Pumpen, hier
mittels eines Excimerlasers, erzeugt wird.
Der Laser weist weiterhin einen sogenannten Strahlaufweiter 16
auf, der im Strahlengang des Resonators angeordnet ist und zum
Aufweiten des Laserstrahls dient, wodurch das Auflösungsvermö
gen des Gitters 10 in bekannter Weise verbessert werden kann.
Weiterhin ist im Resonator in als solches bekannter Weise ein
Etalon 18 zur Einengung der Bandbreite des Laserstrahls ange
ordnet.
Zum Abstimmen, d. h. zur Änderung der Wellenlänge des Lasers,
wird das Gitter 10 mittels einer mechanischen Steuerung (nicht
gezeigt) in bekannter Weise geschwenkt. Durch Änderung des
Winkels zwischen dem Laserstrahl und dem Gitter wird die Wel
lenlänge der reflektierten Strahlung eingestellt. Das Etalon 18
muß dabei synchron mit dem Gitter 10 gekippt werden.
Fig. 2 zeigt hierfür wesentliche Einzelheiten des Farbstoff
lasers gemäß Fig. 1. In den Figuren sind einander entsprechende
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Strahlaufweiter 16 besteht aus den Prismen P1, P2, P3, P4
und P5. Ein vom Endspiegel 12 reflektierter Laserstrahl wird
vom Prisma P1 in Richtung auf das Prisma P2 gebrochen und ist
nach Verlassen des Prismas P5 gemäß den Fig. 1 und 2 erheb
lich aufgeweitet.
Neben dem durch die Prismen P1 bis P5 laufenden Laserstrahl
zeigen die Fig. 1 und 2 noch einen an der Fläche F1 des
Prismas P1 (Fig. 2) in Richtung auf das Gitter 10 reflektierten
Strahl 20′, der am Gitter 10 reflektiert wird, von dort auf
anderem Wege als der zwischen dem Gitter 10 und dem Endspiegel
12 oszillierende Resonatorstrahl durch die Farbstoff-Küvette 14
hindurchtritt und als Laserstrahl 20 aus dem Resonator ausge
koppelt wird. Die Auskopplung des Strahls 20 aus dem Resonator
entspricht der DE-PS 29 18 863. An der Stelle, an welcher der
Strahl 20 durch die Farbstoff-Küvette 14 tritt, wird eine
zusätzliche Strahlverstärkung in der Küvette bewirkt. Hierzu
werden die Farbstoff-Moleküle in der Küvette auch an derjenigen
Stelle gepumpt, an welcher der Strahl 20 die Küvette passiert.
Zum Synchronisieren des Etalons 18 in bezug auf das Gitter 10
wird gemäß den Fig. 1 und 2 (s. insbesondere Fig. 2) eine
planparallele Platte P im Resonator-Strahlengang zwischen den
Prismen P1 und P2 angeordnet. An der planparallelen Platte P
wird ein Teil des vom Gitter 10 durch das Etalon 18 reflek
tierten Oszillatorstrahls ausgekoppelt. Der so ausgekoppelte
Teilstrahl 25 (Fig. 2) durchläuft zunächst ein Prisma P6, um
die durch das Prisma P1 erzeugte Aufweitung und Dispersion zu
kompensieren. Der Teilstrahl 25 wird dann an der verspiegelten
Basisfläche F2 eines Prismas P7 umgelenkt und als Referenz
strahl 24 auf einen Festkörper-Strahlungswandler 22, wie bei
spielsweise eine Doppel-Fotodiode oder ein sogenanntes Dioden
array gerichtet. Der so aus dem Resonator ausgekoppelte Refe
renzstrahl 24 wird nicht durch Laserlicht gestört, das von der
Vor- und Endverstärkerstufe des Farbstofflasers in den Resona
tor zurückgestreut wird. Mit 26 ist ein hier nicht weiter inte
ressierender Teilstrahl bezeichnet.
Werden nun zum Abstimmen der Wellenlänge des Lasers das Gitter
10 und das Etalon 18 verstellt, so bewirkt eine Desynchronisie
rung von Gitter und Etalon eine Verschiebung der Lage des Refe
renzstrahls 24 in bezug auf den Festkörper-Strahlungswandler
22, die dort unmittelbar festgestellt werden kann. Ein entspre
chendes elektrisches Signal wird vom Festkörper-Strahlungs
wandler 22 über eine Leitung 28 zu einem Analog-Digital-Wandler
30 übertragen und in einen Rechner PC zur weiteren Verarbeitung
eingegeben. Entsprechend der Verlagerung des Ortes des Refe
renzstrahles 24 in bezug auf eine Soll-Position errechnet der
Rechner PC ein Steuersignal, mit dem dann der Kippwinkel des
Gitters 10 oder des Etalons 18 so eingestellt wird, daß der Re
ferenzstrahl 24 wieder seine Soll-Stellung erreicht. Die Abwei
chung der Richtung des Referenzstrahles 24 in bezug auf seine
Soll-Stellung kann mittels des Festkörper-Strahlungswandlers 22
festgestellt werden und liefert sowohl eine Information über
die Richtung der Desynchronisierung (Phase) als auch eine In
formation über den Betrag der Desynchronisierung, was der
Rechner PC auswertet.
Über eine IEEE-Schnittstelle wird ein vom Rechner PC errechne
tes Regelsignal zum Einstellen des Kippwinkels des Etalons 18
zur eigentlichen Steuerung 32 für das Gitter und das Etalon
übertragen. Solche mechanischen Steuerungen sind als solches
bekannt.
Fig. 3 zeigt eine Abwandlung des in den Fig. 1 und 2 ge
zeigten Ausführungsbeispiels einer Lasersteuerung, wobei kein
gesonderter Rechner PC vorgesehen ist, sondern das auf der
Leitung 28 vom Festkörper-Strahlungswandler 22 kommende Meß
signal (welches ein Maß für die Desynchronisierung ist) direkt
über einen A/D-Wandler 30 in die integrierte Lasersteuerung 32
eingegeben wird. Über eine Leitung 34 wird dann das Steuersig
nal zum Synchronisieren des Etalons 18 und des Gitters 10
direkt eingegeben.
Claims (1)
- Schmalbandig abstimmbarer Laser, insbesondere ein schmalbandig abstimmbarer Farbstofflaser, mit
- - einer Einrichtung (P, P6; P7) zum Auskoppeln eines Referenz strahles (24) aus dem Laser-Resonator (10, 12),
- - zumindest zwei wellenlängenselektiven Elementen (10, 18) zur schmalbandigen Abstimmung des Lasers,
- - einem Festkörper-Strahlungswandler (22), auf den der Refe renzstrahl (24) trifft, um dessen Änderungen zu messen und ein Steuerungssignal zur Steuerung der Winkelorientierung zumin dest eines wellenlängenselektiven Elementes (10, 18) des Lasers abzuleiten, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Referenzstrahl (24) zum Synchronisieren von zumindest zwei wellenlängenselektiven Elementen (10, 18) dient, wobei eine Verlagerung des Auftreffortes des Referenzstrahles (24) auf den Festkörper-Strahlungwandler (22) ermittelt wird, um daraus das Steuersignal abzuleiten.
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