DE4102409C2 - Laser mit frequenzangepaßtem Schallwellenspiegel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Laser ist aus der DE 38 35 347 A1 bekannt.

Es ist bekannt, daß Laser mit Schallwellenspiegeln aufgebaut werden können, wobei der SBS- Prozeß zur Anregung der Schallwellen ausgenutzt wird. Eine Übersicht kann dem Artikel von D. A. Rockwell in "IEEE J. Quant. Electronics", 24 (1988), S. 1124 und folgende, entnommen werden. 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, und in der Offenlegungsschrift DE-OS 16 14 325 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 = 2 v/λ = 3 GHz entsprechend 0,1 cm^-1 bei CS₂), daß Frequenz- bzw. Längenanpassungen gemäß Patentanspruch 1 schwierig sind und deshalb nicht vorgenommen wurden. Die Laseremission ist daher örtlich und zeitlich instabil, und derartige Laser haben deshalb bisher keine weitere Anwendung gefunden.

Von Pohl wurde in der DE-OS 16 14 325 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 jedoch im Primärresonator ein komplizierter Resonanzreflektor verwendet werden, um longitudinale Lasermoden mit einem Frequenzabstand zu erzeugen, der zu einer resonanten Anregung von Schallwellen führt. Dagegen reicht bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein einfacher Spiegel aus.

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.

Von Pashinin und Shklovsky wurde in "J. Opt. Soc. Am.", B. 5 (1988), S. 1957, ein Aufbau mit einem Primärresonator aus konventionellen Spiegeln beschrieben, wobei jedoch die Länge dieses Resonators nicht entsprechend Anspruch 1 gewählt wurde, so daß keine resonante Schallwellenanregung erfolgte. Zum Aufbau der Schallwelle waren daher hohe Intensitäten erforderlich, die durch einen zusätzlichen Güteschalter (Element 2 in Fig. 8) im Primärresonator erzeugt wurden. Der Aufbau von Pashinin und Shklovsky ist daher von vornherein komplizierter. Auch Längenanpassungen des Lasers mit Schallwellenspiegel wurden von Pashinin und Shklovsky nicht realisiert.

Auch Kovalev et al. beschrieben in "Sov. Tech. Phys. Lett.", 14 (1988), S. 520, einen Laser mit einem phasenkonjugierenden Schallwellenspiegel. Diese Anordnung ist im Prinzip identisch mit der o. g. von Pashinin und Shklovsky. Kovalev et al. haben auch beschrieben, daß in Lasersystemen mit phasenkonjugierendem Schallwellenspiegel Strahlung geringer Divergenz erzeugt wird. Das von Kovalev et al. beschriebene Lasersystem erfordert jedoch ebenfalls einen zusätzlichen Güteschalter und ist daher relativ kompliziert.

Der Einsatz von Schallwellenspiegeln als Güteschalter für Festkörperlaser wurde von Pohl in DE-OS 16 14 325 und Chen und Eichler in DE 38 35 347 A1 angegeben. Die Verwendung von Flüssigkeiten als Brillouin-Medium wurde von Narum et. al. in "IEEE J. Quant. Electronics", QE-22 (1986), S. 2161, und von Gasen als Brillouin-Medium von Mullen et. al. in "Optics Communications", 63 (1987), s. 123, vorgestellt. Jedoch werden in diesen Schriften keine Längenanpassungen beschrieben.

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.

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.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Es zeigt:

Abb. 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Abb. 2a das Frequenzspektrum des Hauptresonators, bestehend aus Eigenfrequenzen mit dem Abstand c/2l,

Abb. 2b ein um Δν_B frequenzverschobenes Frequenzspektrum nach Reflexion am Schallwellenspiegel SW.

Wie in Abb. 1 dargestellt, ist l der optische Abstand zwischen dem Schallwellenspiegel SW und dem normalen Spiegel S1 des Laserresonators. Die Position des Schallwellenspiegels ist dabei z. B. durch eine Strahltaille des Laserlichtes gegeben. Die Strahltaille kann durch Fokussierung mit einer Linse, z. B. L1, in das Material, in dem die Schallwelle aufgebaut wird, erzeugt werden. 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 Δν_B.

Um die für die Anregung der Schallwelle notwendige Intensität aufzubringen, 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 bildet. Die Güte des Primärresonators kann z. B. durch Graugläser G oder den Reflexionsgrad des Spiegels S2 kontrolliert werden.

Wenn die Frequenz- bzw. Längenanpassung dem Hauptresonator entsprechend

erfolgt 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), wobei die Frequenzverschiebung Δν_B gerade einem ganzzahligen Vielfachen des Eigenfrequenzabstandes entspricht.

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

Ist dagegen die Frequenz- bzw. Längenanpassung des Hauptresonators nicht erfolgt, 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 optischen 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 Differenzfrequenzen ν_k+m-ν_k = 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 erfüllt ist, ergibt sich eine minimale Pumpleistung zum Aufbau der Schallwelle, und diese wird reproduzierbar angeregt.

Für die effektive Anregung eines Schallwellenspiegels muß dazu 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.

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

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:

Ein einfach zu realisierender Fall ist L=2l. 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.

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.

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 hochgeschaltet, 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 SF₆ 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 des Primärresonators ergibt sich 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 mit n = 1 zu 60 cm gewählt wird, dann folgt eine stabile zeitliche Emission mit regelmäßiger Transversal-Struktur im Form einer Gaußschen TEM00-Mode. Wenn die Bedingung (1) verletzt ist, ergibt sich eine chaotische Transversal-Struktur. Die TEM00-Mode hat eine Strahldivergenz kleiner als 3×10^-4 rad. Eine Modenblende wird zur Selektion der TEM00-Mode nicht unbedingt gebraucht, erweist sich jedoch als zusätzlich stabilisierend. Höhere Transversalmoden können durch geeignete Justierung der Anordnung unterdrückt werden.

Claims (7)

1. Laser mit einem Primärresonator (S1, S2) und einem Hauptresonator (S1, SW), wobei der Primärresonator aus einem Endspiegel (S2) und aus einem Auskoppelspiegel (S1) besteht und das laseraktive Medium (M) und ein Brillouin-Medium zwischen dem laseraktiven Medium (M) und dem Endspiegel (S2) enthält, in dem durch stimulierte Brillouin-Rückstreuung ein Schallwellenspiegel (SW) initiiert wird, und wobei der Hauptresonator (S1, SW) durch den Auskoppelspiegel (S1) und den Schallwellenspiegel (SW) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß daß die Schallfrequenz ν_B gleich einem ganzzahligen Vielfachen m des Eigenfrequenzabstandes des Primärresonators (S1, S2) ist und die Schallfrequenz ν_B gleich einem ganzzahligen Vielfachen n des Eigenfrequenzabstandes des Hauptresonators (S1, SW) ist, so daß insgesamt die Beziehung erfüllt ist, wobei m, n voneinander verschiedene ganze Zahlen sind sowie L und l die optischen Längen des Primärresonators (S1, S2) bzw. des Hauptresonators (S1, SW) bedeuten.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenspiegel (SW) als Güteschalter zur Erzeugung kurzer Laserimpulse dient.

3. Laser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schallwellenspiegel (SW) als Phasenkonjugator zur Elimination von Phasenstörungen innerhalb des Hauptresonators (S1, SW) dient.

4. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brillouin- Medium ein Gas ist.

5. Laser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas SF₆ oder Xe ist.

6. Laser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brillouin- Medium eine Flüssigkeit ist.

7. Laser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Aceton ist.