DE4102409A1 - Laser mit frequenzangepasstem schallwellenspiegel - Google Patents

Description

Gattung des Anwendungsgegenstands

Die Erfindung betrifft einen Laser mit einem Schallwellen-Spiegel, der durch die Laserstrahlung selbst erzeugt wird. Die Frequenzverschiebung bei der Reflexion an dem Schallwellenspiegel wird durch geeignete Wahl der Resonanzlänge neutralisiert. Der Schallwellenspiegel kann als Güteschalter und phasenkonjugierendes Element dienen, mit dem Phasenstörungen im Laserresonator eliminiert werden.

Angaben zur Gattung

In dem erfundenen Laser wird einer der Resonatorspiegel durch stimulierte Brillouinstreuung (SBS) der Laserstrahlung erzeugt. Bei dem SBS-Prozeß führt die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit einem geeigneten Material zur Bildung einer Schallwelle. An dieser wird die Strahlung reflektiert, wobei sie eine Frequenzverschiebung erfährt, die der Schallfrequenz entspricht.

Die Länge des Resonators wird so gewählt, daß der Frequenzabstand der optischen Eigenschwingungen dieser Frequenzverschiebung oder einem Vielfachen davon entspricht, so daß diese zu einer Energieübertragung von einer Eigenschwingung in eine andere führt. Dies ergibt eine reproduzierbare Laseremission.

Wegen der zunehmenden Amplitude der Schallwelle wächst deren Reflektionsgrad an, so daß der Laser gütegeschaltet werden kann. Die durch den SBS-Prozeß erzeugte Schallwelle wirkt gleichzeitig als phasenkonjugierender Spiegel, durch den interne Phasenstörungen z. B. thermische Linsen in Festkörperlaser-Materialien oder Schlieren in Gasentladungslasern kompensiert werden.

Stand der Technik mit Fundstellen

Es ist bekannt, daß Laser mit Schallwellenspiegeln aufgebaut werden können, wobei der SBS-Prozeß zur Anregung der Schallwellen ausgenutzt wird. Die erste Beschreibung von derartigen Rubin- und Neodymglaslasern wird von D. Pohl in der Zeitschrift "Physics Letters" Jahrgang 1967, Band 24A, Seiten 239 bis 240 gegeben. Die dort beschriebenen Laser (Wellenlänge λ) verwenden Schallwellenspiegel in Flüssigkeiten, bei denen die Schallgeschwindigkeit v und Frequenzverschiebung Δν_B so groß sind (z. B. Δν_B=2v/λ=3 GHz entsprechend 1 cm^-1 bei CS₂), daß eine Frequenzneutralisierung durch geeignete Längenwahl schwierig ist und deshalb nicht vorgenommen wurde. Die Laseremission ist daher örtlich und zeitlich instabil und derartige Laser haben daher bisher keine weitere Anwendung gefunden.

Von Pohl wurde auch bereits die Verbesserung der Reproduzierbarkeit der Laserimpulse und die Herabsetzung des Schwellwerten für die Pumpenergie durch Verwendung eines Primärresonators beschrieben. Wegen der großen Brillouinverschiebung der verwendeten Flüssigkeiten, mußte im Primärresonator ein komplizierter Resonanzreflektor verwendet werden, während in der hier beschriebenen Anordnung ein einfacher Spiegel ausreicht.

Auch spätere Untersuchungen (Zusammenfassung in "Sov. J. Quantum Electronics" Jahrgang 1985, Band 15, Seiten 1583 und 1597) verwendeten Flüssigkeiten als Schallwellenspiegel und es wurde keine Frequenzneutralisation vorgenommen. Es wurden auch Primärresonatoren mit einfachen Spiegeln eingesetzt, jedoch war bisher die Länge des Primärresonators auf die Schallwellenfrequenz nicht abgestimmt.

Kritik des Standes der Technik

Die bisherigen entwickelten Laser mit Schallwellenspiegel sind für praktische Anwendungen z. B. zur Materialbearbeitung und Chirurgie nicht geeignet, da die zeitliche und örtliche Intensitätsverteilung stark schwankt.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Laser mit Schallwellenspiegeln aufzubauen, die reproduzierbare zeitliche Pulsformen und stabile örtliche Intensitätsverteilungen liefern. Der Schallwellenspiegel soll dabei als Güteschalter oder/und Phasenkonjugator wirken.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Länge l des Lasers so gewählt wird, daß die Schallfrequenz ν_B gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Eigenfrequenzabstandes ist

Wie in Abb. 1 dargestellt, ist l der Abstand zwischen dem Schallwellenspiegel und dem normalen Spiegel S1 des Laserresonators. M ist das Lasermaterial und Z ist eine mit geeignetem Material gefüllte Zelle, in der sich der Schallwellenspiegel SW aufbaut. Die Schallwelle hat die Frequenz ν_B

Abb. 1: Schema des SBS-Lasers

Um die Licht-Schall-Wechselwirkungslänge kleiner als die Kohärenzlänge zu halten und/oder die Baulänge des Systemes zu verringern, kann die Laserstrahlung durch eine Linse L1 in das Zellenmaterial fokussiert werden. Die Anordnung kann noch eine weitere Linse L2 und einen Hilfsspiegel S2 besitzen, der dann zusammen mit S1 einen sogenannten Primärresonator mit S1 bildet. Die Güte des Primärresonators kann z. B. durch Graugläser G oder den Reflexionsgrad des Spiegels S2 kontrolliert werden.

Wenn die Bedingung (1) erfüllt ist, kann sich im Laser ein Wellenfeld ausbilden, das aus mehreren Eigenschwingungen mit dem Frequenzabstand c/2l besteht. Die Reflexion dieses Lichtwellenfeldes an dem Schallwellenspiegel ergibt ein etwas verschobenes Eigenfrequenzspektrum (Abb. 2).

Die maximale Breite des Eigenfrequenzspektrums ist gegeben durch die Verstärkungsbandbreite des Lasermaterials. Ist diese Breite groß im Vergleich zur Schallwellenfrequenz, so ist die Verschiebung des Eigenfrequenzspektrums vernachlässigbar und das Eigenfrequenzspektrum wird durch den Schallwellenspiegel kaum beeinflußt, d. h., die bei der Reflexion auftretende Frequenzverschiebung ist neutralisiert und braucht nicht weiter berücksichtigt zu werden.

Abb. 2: Frequenzspektrum (a) des SBS-Lasers bestehend aus Eigenfrequenzen mit dem Abstand c/2l. Nach Reflexion am Schallwellenspiegel entsteht ein um Δν_B frequenzverschobenes Spektrum (b)

Ist dagegen die Bedingung (1) nicht erfüllt, so führt die Reflexion an dem Schallwellenspiegel zu neuen Frequenzen, die nicht mehr Eigenfrequenzen des Lasers sind. Die Emission wird dann instabil.

Eine weitere Voraussetzung für einen stabilen Laserbetrieb ist, daß sich der Schallwellenspiegel zuverlässig aufbaut. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Laseroszillation zunächst in einem Primärresonator der Länge L angeregt wird, wie in Abb. 1 dargestellt. In dem Primärresonator werden durch stimulierte Emission stehende Wellen mit Frequenzen ν_k = k*(c/2L) angeregt, wobei k eine ganze Zahl ist. Diese Wellen interferieren und erzeugen jeweils paarweise Strahlungsdichten, die mit den Differenzfrequenz ν_k+m = m*(c/2L) oszillieren.

Diese elektrischen Strahlungsdichten regen Schallwellen durch photoelastische Wechselwirkung an. Die Amplitude der gewünschten Schallwelle mit der Frequenz ν_B wird maximal, wenn die Anregungsfrequenz m*(c/2L) mit der Frequenz ν_B übereinstimmt, d. h. Resonanz vorliegt.

Wenn diese Bedingung (2) erfüllt ist, ergibt sich eine minimale Pumpleistung zum Aufbau der Schallwelle und diese wird reproduzierbar angeregt.

Für die effektive Anregung eines Schallwellenspiegels muß die örtliche Periode der angeregten Strahlungsdichte mit der Schallwellenlänge Λ = λ/2 übereinstimmen. Dies ist möglich, wenn zwei gegenläufige Wellen mit der Frequenzdifferenz ν_B interferieren.

Wenn gleichzeitig die Bedingungen (1) und (2) erfüllt sein sollen, müssen die Länge L des Primärresonators und die Länge l des Hauptresonators in Verhältnis ganzer Zahlen stehen

Einfach zu realisierende Fälle L=2*l oder L=l. Der nutzbare Längenbereich zum Aufbau der Teilresonatoren ist bedingt durch die Bandbreiten der stimulierten Brillouinstreuung und des Lasers und liegt in der Größenordnung von 10 cm. Es kann günstiger sein, eine leichte Verstimmung (um 1 bis 3 cm) zwischen den beiden Resonatorlängen einzuführen, da bei genau gleichen Längen eine Auslöschung der Wellenfelder stattfinden kann. Der nutzbare Längenbereich erlaubt eine derartige Verstimmung ohne Verluste.

Zusammengefaßt wird die Anregung des Schallwellenspiegels durch Interferenz zweier gegenläufiger Wellen mit der Frequenzdifferenz ν_B und photoelastische Wechselwirkung als Wellenmischen bezeichnet.

Die Schallwelle mit der Frequenz ν_B besitzt eine Amplitude und damit einen Reflexionsgrad, die mit der Zeit anwachsen. Deshalb baut sich Lasertätigkeit auch in dem Hauptresonator auf. Wenn der Reflexionsgrad des Schallwellenspiegels größer wird als der effektive Reflexionsgrad des Spiegels S2 unter Einbeziehung des Grauglases G, dann findet die Lasertätigkeit hauptsächlich im Hauptresonator statt.

Nach dem Einschalten des Lasers wächst die optische Strahlungsdichte, die sich im Primär- und im Hauptresonator aufbaut, an. Bei genügend großer Intensität des vom Hauptresonator in die Zelle Z einfallenden Lichtes, kann eine Verstärkung der Schallwelle durch stimulierte Brillouinstreuung (SBS) stattfinden. SBS bedeutet, daß die Schallwellenamplitude durch die einfallende Lichtwelle verstärkt wird. Es handelt sich ebenfalls um Schallwellenverstärkung durch Wellenmischen. Dieser Prozeß findet hier zwischen der einfallenden und der reflektierten Welle statt, die aus der einfallenden Welle entsteht oder durch diese verstärkt wird und nicht zusätzlich eingestrahlt werden muß. Stimulierte Brillouinstreuung führt dazu, daß die Lasertätigkeit fast ganz auf den Hauptresonator übergehen kann. Falls der Hauptresonator von vornherein genügend Lichtleistung liefert, z. B. durch spontane Emission oder Lasertätigkeit zwischen S1 und L1 kann auf den Primärresonator, d. h. auf L2 und S2, verzichtet werden.

Erzielbare Vorteile

Der beschriebene Schallwellenspiegel besitzt gegenüber normalen Spiegeln aus Glas oder ähnlichen Materialien den Vorteil, daß er mit sehr hohen Energiedichten belastbar ist, wenn z. B. gasgefüllte Zellen Z verwendet werden. Lichtinduzierte Gasdurchbrüche führen nicht zu einer dauernden Zerstörung sondern heilen von selbst aus. Außerdem können Schallwellenspiegel als Güteschalter und Phasenkonjugator eingesetzt werden, wie im folgenden beschrieben wird.

Güteschaltung (Q-switch) ist eine Technik, Riesenimpulse in Lasern zu erzeugen. Energie, die z. B. durch optisches Pumpen zugeführt wird, soll zunächst in dem aktiven Medium gespeichert werden, wobei die Resonatorgüte Q niedrig bleibt, um das Einsetzen der Lasertätigkeit zu verhindern. Wenn die Besetzungsinversion ihr Maximum erreicht hat, wird die Güte Q plötzlich hoch geschaltet, so daß die gespeicherte Energie in kurzer Zeit emittiert wird. Das führt zur Erzeugung eines kurzen Impulses, dessen Spitzenleistung bis zu einigen Größenordnungen über der Normalemission liegen kann.

Zur Steuerung der Güte Q wird ein Verschluß im Resonator benötigt, der Güteschalter (Q-switch) genannt wird. Zur schnellen Güteschaltung im Nanosekundenbreich werden meistens sättigbare Absorber oder elektrooptische Güteschalter, wie z. B. Pockels-Zellen verwendet.

Der beschriebene Laser braucht keine solchen Elemente. Der Schallwellenspiegel selbst dient als Güteschalter, da seine Reflexion mit der Zeit anwächst. Kurze Impulse von einigen 10^-8 s Breite können erzeugt werden. Die Pulsbreite ist stabil, hängt aber von der Konstruktion des Lasers ab. Da der Schallwellenspiegel aus einer einfachen Gas- oder Flüssigkeitszelle mit geeigneter Fokussierungsoptik besteht, ist die Güteschaltungstechnik in dem neuen Laser sehr kostengünstig im Vergleich mit elektrooptischen Güteschaltern. Flüssigkeitszellen können ähnlich einfach aufgebaut werden, wie sättigbare Absorber. Sie haben aber den Vorteil, daß sie für breite Spektralbereiche eingesetzt werden können, während sättigbare Absorber meist nur für bestimmte Lasertypen geeignet sind.

Der neue Laser ist zusätzlich dadurch ausgezeichnet, daß ein auf SBS beruhender Schallwellenspiegel eine phasenkonjugierte Reflexion liefert. Ein derartiger Schallwellenspiegel wird deshalb auch phasenkonjugierender Spiegel genannt (PCM). Diese Spiegel sind zur Kompensation von Phasenstörungen in Lasern geeignet (siehe z. B. D.A. Rockwell in der Zeitschrift IEEE J. Quant. Electronics Jahrgang 1988 Band 24 Seite 1124). Zum Beispiel treten in Hochleistungsfestkörperlasern häufig Phasenstörungen durch thermische Linsen auf, die im aktiven Medium durch das optische Pumpen und die dadurch erzeugte Wärme hervorgerufen werden. Bei Anwesenheit der Phasenstörungen wird die Wellenfront einer im Laser umlaufenden Lichtwelle nach Durchlauf des aktiven Mediums verzerrt.

Bei Reflexion an dem PCM wird die Welle genau in sich zurückgeworfen, d. h., die vom phasenkonjugierenden Spiegel reflektierte Welle verhält sich zur einfallenden Welle zeitumgekehrt. Dadurch werden die Phasenstörungen nach nochmaligem Durchlaufen des aktiven Mediums korrigiert. Aus diesem Grund bleibt die Leistung eines Lasers mit phasenkonjugierenden Spiegel durch die thermische Linse unbeeinflußt, auch wenn der Laser mit verschiedenden Wiederholfrequenzen betrieben wird.

Ausführungsbeispiel

Als Beispiel wird die Konstruktion eines Nd:YAG-Lasers mit einem Schallwellenspiegel in einer SF₆-Gaszelle beschrieben (Abb. 1). Der Laser besteht aus zwei konventionellen Spiegeln S1 (R=30%) und S2 (R=100%), dem Nd:YAG-Stab mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Länge von 60 mm sowie einer Gaszelle mit einem inneren Teleskop aus zwei Linsen L1 und L2 der Brennweiten 3 cm und 2 cm (oder der Brennweiten 6 cm und 3 cm). Die Gaszelle wird mit Schwefelhexafluorid mit einem Druck von 20 bar gefüllt.

Nach Zündung der Anregungslampe setzt zunächst im Primärresonator normale Lasertätigkeit zwischen S1 und S2 ein. Die Leistung ist jedoch gering, da die Güte des Primärresonators durch Einsetzen eines Grauglases mit einer Transmission von 20% klein gewählt wird. Die Länge L des Primärresonators ergibt nach der Bedingung (1) mit m=2 und ν_B= 250 MHz bei einer Wellenlänge von 1064 nm zu L=120 cm. Die optische Strahlungsdichte im Fokusbereich innerhalb des Gases regt eine Schallwelle SW an. Wegen des zunehmenden Schallwellenreflexionsgrades erreicht der Hauptresonator zwischen M1 und SW eine hohe Güte in einem kurzen Zeitraum, so daß ein Riesenimpuls emittiert wird. Das Grauglas G verringert die Güte im Primärresonator, damit mehr Energie für die Lasertätigkeit des Hauptresonators gespeichert wird und ein sauberer Einzelimpuls emittiert wird.

Wenn die Länge l des Hauptresonators zwischen S1 und SW nach der Bedingung (2) mit n= 1 zu 60 cm gewählt wird, dann folgt eine stabile zeitliche Emission mit regelmäßiger Transversal-Struktur im Form eines Gaußschen TEM₀₀-Mode. Wenn die Bedingung (2) verletzt ist, ergibt sich eine chaotische Transversal-Struktur. Der TEM₀₀-Mode hat eine Strahldivergenz kleiner als 3×10^-4 rad. Eine Modenblende wird zur Selektion des TEM₀₀-Mode nicht unbedingt gebraucht, erweist sich jedoch als zusätzlich stabilisierend. Höhere Transversalmoden können durch geeignete Justierung der Anordnung unterdrückt werden.

Literatur

[1] W. Koechner, "Solid-State Laser Engineering", Springer-Verlag, 1988
[2] D. A. Rockwell, IEEE J. Quant. Electronics, 24, 1124 (1988)

Claims (7)

1. Laser mit Schallwellenspiegel, der durch die Laserstrahlung aufgebaut wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallfrequenz gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Eigenfrequenzabstandes des Laserresonators ist.

2. Laser mit Schallwellenspiegel, der durch die Laserstrahlung in einem Primärresonator angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallfrequenz gleich einem ganzzahligen Vielfachen des Eigenfrequenzabstandes des Primärresonators ist.

3. Laser mit Schallwellenspiegel, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktion gleichzeitig nach Ansprüchen 1 und 2 aufgebaut ist.

4. Laser nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenspiegel als Güteschalter zur Erzeugung kurzer Lichtimpulse dient.

5. Laser nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenspiegel als Phasenkonjugator zur Elimination von Phasenstörungen innerhalb des Laserresonators dient.

6. Neodym-YAG-Laser nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenspiegel in einer mit Aceton oder einer anderen Flüssigkeit gefüllten Zelle angeregt wird.

7. Neodym-YAG-Laser nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenspiegel in einer mit SF₆, Xe oder einem anderen Gas gefüllten Zelle angeregt wird.