DE4111835A1

DE4111835A1 - RAMANLASER

Info

Publication number: DE4111835A1
Application number: DE19914111835
Authority: DE
Inventors: Heinrich Karning; Markus Rech
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1991-04-11
Filing date: 1991-04-11
Publication date: 1992-10-15
Also published as: FR2689695A1; GB2256083A; GB9207389D0; GB2256083B; FR2689695B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laservorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Im besonderen gehört sie zu der Sorte der Ramanlaser, die von Lasern - z. B. Nd:YAG-Lasern - gepumpte Raman-Konverter verwenden.The invention relates to a laser device according to the preamble of claim 1. In particular, it belongs to the type of Raman laser that of lasers - e.g. B. Nd: YAG lasers - use pumped Raman converters.

Auf vielen Gebieten der Technik wie zum Beispiel der Entfernungsmessung oder beim Radar wird Strahlung von Lasern verwendet. Um hierbei eine Ge fährdung von Personen auszuschließen, die von direkten oder reflektierten Laserstrahlen getroffen werden, arbeitet man mit Wellenlängen im sogenannten augensicheren Bereich.In many areas of technology such as distance measurement or radiation from lasers is used for radar. To get a Ge Exclude risk to persons who are from direct or reflected Laser beams are hit, one works with wavelengths in the so-called eye safe area.

Die Bezeichnung "augensicher" wird für Strahlung benutzt, die keine Schäden am menschlichen Auge hinterläßt. Bei Laserstrahlung mit Wellenlängen zwischen 400 nm und 1400 nm treten an der Netzhaut Schäden auf, weil die Strahlung in diesem Bereich durch die Linse des Auges auf die Netzhaut fokussiert wird. Dagegen wird die Strahlung bei Wellenlängen oberhalb von 1400 nm innerhalb oder in der Nähe der Oberfläche der Hornhaut absorbiert, so daß vom Auge viel höhere Strahlungsenergien vertragen werden, bevor eine Zerstörung von Gewebeteilen der Hornhaut einsetzt.The term "eye safe" is used for radiation that does not damage on the human eye. With laser radiation with wavelengths between 400 nm and 1400 nm damage occurs on the retina because the radiation in this area is focused on the retina through the lens of the eye. In contrast, the radiation at wavelengths above 1400 nm is within or absorbed near the surface of the cornea so that from the eye much higher radiation energies can be tolerated before being destroyed Tissue parts of the cornea.

Ramanlaser benutzen eine Zelle mit einem ramanaktiven Medium, um Laserstrah lung einer Wellenlänge in eine Strahlung mit einer anderen Wellenlänge umzu wandeln. Das ramanaktive Medium wird entsprechend der gewünschten Wellen länge der verschobenen Laserstrahlung ausgewählt. Methan (CH₄) mit einer Frequenzverschiebung von 2916 cm^-1 ermöglicht die Umwandlung der nicht augensicheren 1,064-µm-Strahlung des Nd:YAG-Lasers in die augensichere Wellenlänge von 1,54 µm. Raman lasers use a cell with a Raman-active medium to convert laser radiation of one wavelength into radiation with a different wavelength. The ramanactive medium is selected according to the desired wavelength of the shifted laser radiation. Methane (CH ₄ ) with a frequency shift of 2916 cm ^-1 enables the conversion of the 1.064 µm non-eye-safe radiation of the Nd: YAG laser into the eye-safe wavelength of 1.54 µm.

Der Raman-Streuprozeß ist intensitätsabhängig. Dadurch führt jede Ver änderung der Pumpstrahlungsintensität zu einer Verschlechterung des Um wandlungswirkungsgrades der gewünschten Wellenlänge. Dejustagen, Ver kippungen oder Kurven auf den Spiegeln des Ramanresonators führen zu Ab weichungen des Strahles von der optischen Achse oder zu Verschiebungen des Fokuspunktes innerhalb der Ramanzelle.The Raman scattering process is intensity-dependent. This leads each ver Change in the pump radiation intensity to a deterioration in the order conversion efficiency of the desired wavelength. Misalignments, ver Tilting or curves on the mirrors of the Raman resonator lead to Ab deviations of the beam from the optical axis or to displacements of the Focus point within the Raman cell.

Weiterhin können auch konkurrierende Streuprozesse wie die stimulierte Brillouinstreuung (SBS) zu einer deutlichen Verschlechterung des Umwand lungswirkungsgrades führen. Die SBS entsteht normalerweise immer in einem bestimmten Maß innerhalb des Ramanmediums, besonders bei dejustierter Optik. Die Ramanumwandlung und die SBS stehen unabhängig vom Medium in direktem Zu sammenhang. Die Schwellenbedingung für die stimulierte Ramanstreuung (SRS) muß unter der der SBS liegen, so daß die SRS zuerst stattfindet und die Energie der Pumplaserstrahlung für die gewünschte Ramanumwandlung genutzt wird. Dejustierte Optik führt zusätzlich zu einem Anstieg der SRS-Schwelle durch nicht zusammenfallende fokussierte Strahlen des Pumplasers und re flektierte Strahlen des ramanverschobenen Lasers. Die SBS wird zum Pumplaser zurückreflektiert und kann Auswirkungen auf seine Strahlform haben oder sogar zu Zerstörungen an optischen Komponenten führen. Daraus ergibt sich eine optisch kritische Justage und die Notwendigkeit eines mechanisch präzisen Aufbaues.Furthermore, competing scattering processes such as the stimulated one Brillouin Scattering (SBS) significantly worsens the conversion efficiency. The SBS usually always arises in one certain dimension within the Raman medium, especially with misaligned optics. The Raman transformation and the SBS are in a direct relationship regardless of the medium context. The threshold condition for stimulated Raman scattering (SRS) must be below that of the SBS so that the SRS takes place first and the Energy of the pump laser radiation used for the desired Raman conversion becomes. Misaligned optics also lead to an increase in the SRS threshold due to non-coincident focused rays of the pump laser and right reflected rays of the raman-shifted laser. The SBS is reflected back to the pump laser and can affect its Have a beam shape or even destroy optical components. This results in an optically critical adjustment and the necessity a mechanically precise structure.

Eine gattungsgemäße Laservorrichtung ist aus DE 31 14 815 C2 bekannt, der die EP 00 63 205 B1 entspricht. Hier wird lediglich ein einziger die Raman strahlung totalreflektierender Spiegel verwendet, weshalb man in diesem Fall von einem Halbresonator spricht. Mit Hilfe eines optischen Isolators - Dünnfilm-Polarisator und λ/4-Platte -, der im Bereich zwischen dem laser aktiven Medium und der Ramanzelle angeordnet ist, läßt sich die Rückkopp lung der Brillouin-Streustrahlung, die häufig für Beschädigung oder gar Zer störung des Pumplasers bzw. seiner optischen Elemente verantwortlich ist, verhindern. Außerdem ist in Strahlendurchtrittsrichtung hinter der Raman zelle ein dichroitischer Spiegel vorgesehen, der die noch verbleibende Pump laserstrahlung ablenkt. Diese ansonsten durchaus brauchbare Vorrichtung zeigt jedoch durch die erwähnten zusätzlichen Auskoppelelemente einen ge wissen Aufwand und dadurch größere optische Verluste.A generic laser device is known from DE 31 14 815 C2 corresponds to EP 00 63 205 B1. Here only one becomes the Raman radiation totally reflecting mirror used, which is why in this Case speaks of a semi-resonator. With the help of an optical isolator - Thin film polarizer and λ / 4 plate - which is in the area between the laser active medium and the Raman cell is arranged, the feedback the Brillouin scattered radiation, which is often used for damage or even destruction fault in the pump laser or its optical elements, prevent. It is also behind the Raman in the direction of radiation passage cell, a dichroic mirror is provided, which is the remaining pump deflects laser radiation. This otherwise quite usable device shows however by the additional coupling elements mentioned a ge know the effort and thus greater optical losses.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Möglichkeit, den bekannten Ramanlaser hinsichtlich seines Aufbaus einfacher zu konzipieren und hierbei vor allem den Aufwand der stabilen und präzisen Einstellung der optischen Komponenten zu vermeiden, ohne daß es hierbei zu einer Verschlech terung des Umwandlungswirkungsgrades kommt. Diese Aufgabe wird bei einer Laservorrichtung der eingangs näher beschriebenen Gattung erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale ge löst. Bei dieser Art von Laser befindet sich die Ramanzelle innerhalb des Pumplaserresonators, der deshalb in dieser Ausführungsform im Laborjargon auch als Intracavity Backward Ramanresonator bezeichnet wird. Von Vorteil ist hierbei, daß für die Erzeugung der ramanverschobenen Strahlung die gesamte im Pumplaserresonator verfügbare Strahlung ausgenutzt werden kann. Ein totalreflektierender Spiegel für die Pumplaserstrahlung auf der Seite des laseraktiven Mediums und ein totalreflektierender Spiegel für Pumplaser- und ramanverschobene Strahlung auf der Seite der Ramanzelle bilden den Resonator für den Pumplaser und den Halbresonator für die ramanverschobene Strahlung. Die Verstärkung der Strahlung des Pumplasers findet aufgrund der beiden totalreflektierenden Spiegel mit einem sehr hohen Wirkungsgrad inner halb des laseraktiven Mediums statt, während die Verstärkung der raman verschobenen Strahlung innerhalb der Ramanzelle dann einsetzt, wenn die erforderliche Schwelle durch die Pumplaserstrahlung überschritten wird. Dies wird durch Fokussierelemente gemäß Anspruch 1 und 3 erreicht. Von Vor teil ist ferner eine automatische Justage zwischen dem Pumplaserresonator und dem Raman-Halbresonator, so daß die Entstehung von SBS-Strahlung unter drückt wird. Zugleich erlaubt die Erfindung den Aufbau eines kompakten Lasers mit hervorragender Effizienz und hoher Güte unter Verwendung einfacher Optik.The object of the invention is to provide a way to known Raman laser easier to design in terms of its structure and above all the effort of the stable and precise adjustment of the to avoid optical components without this leading to a deterioration the conversion efficiency comes. This task is at a Laser device of the type described in more detail at the outset according to the invention by the features specified in the characterizing part of claim 1 ge solves. With this type of laser, the Raman cell is located inside the Pump laser resonator, which is therefore in this embodiment in laboratory jargon is also referred to as an intracavity backward Raman resonator. Advantageous is that for the generation of the raman-shifted radiation all radiation available in the pump laser resonator can be used. A totally reflecting mirror for the pump laser radiation on the side of the laser-active medium and a totally reflecting mirror for pump laser and Raman-shifted radiation on the side of the Raman cell form the Resonator for the pump laser and the semi-resonator for the raman-shifted one Radiation. The amplification of the radiation from the pump laser takes place due to the two totally reflecting mirrors with a very high efficiency inside half of the laser-active medium takes place while amplifying the raman shifted radiation within the Raman cell begins when the required threshold is exceeded by the pump laser radiation. This is achieved by focusing elements according to claims 1 and 3. From before part is also an automatic adjustment between the pump laser resonator and the Raman half resonator, so that the generation of SBS radiation under is pressed. At the same time, the invention allows the construction of a compact laser with excellent efficiency and high quality using simple optics.

Um nun die gesamte erzeugte Strahlung der ersten Wellenlänge zur Konversion nutzen zu können und um in der Verwendung als "Ramanspiegel" für das Raman medium die gewünschte Wellenlängenkonversion zu erhöhen, ist eine Weiter bildung der Erfindung nach Anspruch 2 vorteilhaft. Desgleichen gewährleisten die Inhalte der Ansprüche 3 und 10, daß die optischen Wege beider fokussier ter Strahlung - erster und zweiter Wellenlänge - innerhalb des Ramanmediums bzw. zwischen dem zweiten Spiegel und dem Ramanmedium im wesentlichen iden tisch sind, um einerseits die erwünschte Wellenlängenkonversion durch stimu lierte Ramanstreuung zu erhöhen und andererseits einer Beschädigung oder Zerstörung optischer Komponenten durch unerwünschte Streustrahlung und konkurrierende Streuprozesse vorzubeugen. Als zweckmäßig kann sich ferner eine Variante gemäß Anspruch 5 erweisen, weil sich dadurch eine kürzere Baulänge bei gleicher Gasstrecke ergibt und sich außerdem optische Flächen einsparen lassen, was zu geringeren Verlusten führt. In diesem Zusammenhang ist sodann auch auf die Ausführungsform des Anspruchs 11 hinzuweisen, die unter Abwandlung der geometrischen Abmessungen zu einer stabilen Kompakt bauweise führt. Auch die restlichen Unteransprüche enthalten Weiterbil dungen der Erfindung.Now the entire radiation of the first wavelength for conversion to be able to use and to use as a "Raman mirror" for Raman medium to increase the desired wavelength conversion is another education of the invention according to claim 2 advantageous. Ensure the same the contents of claims 3 and 10 that the optical paths of both focus ter radiation - first and second wavelength - within the Raman medium or essentially between the second mirror and the Raman medium are on the one hand to achieve the desired wavelength conversion by stimu lated Raman spread and on the other hand damage or Destruction of optical components due to unwanted scatter radiation and to prevent competing scattering processes. Can also be useful prove a variant according to claim 5, because this is a shorter Overall length for the same gas route results and there are also optical surfaces save, which leads to lower losses. In this context is then to point out the embodiment of claim 11, the while changing the geometric dimensions to a stable compact construction leads. The remaining subclaims also contain further information end of the invention.

Im folgenden werden an Hand einer Zeichnung Ausführungsbeispiele der Er findung näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander ent sprechenden Teile dieselben Bezugszahlen aufweisen. Es zeigtIn the following, embodiments of the He Finding explained in more detail, the ent in the individual figures speaking parts have the same reference numerals. It shows

Fig. 1 die schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus, Fig. 1 is a schematic representation of the basic structure,

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit gekreuzten Dachkant prismen als Reflektoreinheiten, Fig. 2 shows the device of FIG. 1 with crossed roof prisms as a reflector units,

Fig. 3 die erfindungsgemäße Vorrichtung mit gefaltetem Pump laserresonator und einem Hohlspiegel anstelle der einen Reflektoreinheit und Fig. 3 shows the device according to the invention with a folded pump laser resonator and a concave mirror instead of a reflector unit and

Fig. 4 eine Vorrichtung ähnlich derjenigen von Fig. 1, jedoch mit einem sogenannten instabilen Resonator. Fig. 4 shows a device similar to that of Fig. 1, but with a so-called unstable resonator.

In Fig. 1 wird der erfindungsgemäße Ramanlaser 1 dargestellt, bei dem sich das Ramanmedium 14 innerhalb des Pumplaserresonators 3 befindet, so daß die gesamte im Pumplaser 2 erzeugte Strahlung 7 einer ersten Wellenlänge zur Um wandlung zur Verfügung steht. Aus Gründen einer besseren Klarheit wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Nd:YAG Laser verwendet, der bei einer Wellenlänge von 1,064 µm arbeitet, obgleich es in anderen Ausführungsbei spielen möglich ist, auch andere Lasermedien zu benutzen und damit andere Wellenlängen einer Primärstrahlung zu erzeugen, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde. In Fig. 1, the Raman laser 1 according to the invention is shown, in which the Raman medium 14 is located within the pump laser resonator 3 , so that the entire radiation 7 generated in the pump laser 2 of a first wavelength is available for conversion. For the sake of clarity, an Nd: YAG laser is used in the present exemplary embodiment, which operates at a wavelength of 1.064 μm, although in other embodiments it is possible to use other laser media and thus to generate other wavelengths of primary radiation without thereby leaving the scope of the invention.

Das Nd:YAG-Medium 4 des Pumplasers 2 ist zwischen zwei totalreflektierenden Spiegeln 5 und 6 positioniert, die zusammengenommen mit den dazwischen liegen den optischen Elementen den Pumplaserresonator 3 bilden. Bei diesem Aufbau wird die gesamte Strahlung 7; 7′ innerhalb der beiden Spiegel gehalten. Sie können eine optische Fläche mit reflektierender Vergütung darstellen oder aber ein polierter Spiegel, ein totalreflektierendes Dachkant- oder Tripelprisma oder eine andere Reflektoreinheit bekannter Art sein.The Nd: YAG medium 4 of the pump laser 2 is positioned between two totally reflecting mirrors 5 and 6 which, taken together with the optical elements in between, form the pump laser resonator 3 . With this structure, the entire radiation 7 ; 7 'held within the two mirrors. They can represent an optical surface with reflective coating, or they can be a polished mirror, a totally reflecting roof prism or triple prism or another known reflector unit.

Um die angestrebte hohe Strahlungsintensität des Pumplasers 2 zu erreichen, muß sich ein optischer Güteschalter 8 innerhalb des Pumplaserresonators 3 befinden. Der Güteschalter kann eine sättigbare oder ausbleichbare Flüssig keit oder Folie, ein sättigbarer Kristall oder eine andere Einheit bekannter Art sein, die optisch ausbleichen, um bei einer vorbestimmten Energiedichte oder optischen Intensität Durchlässigkeit zu erreichen. Ebenso kann ein elektrooptischer Güteschalter wie Pockelszelle, Kerrzelle, ect. Verwendung finden. Dadurch läßt sich eine hohe Inversion aufbauen, bis der Güteschal ter optisch transparent und zu diesem Zeitpunkt die Resonatorgüte hoch wird, so daß ein Riesenimpuls hoher Leistung entsteht.In order to achieve the desired high radiation intensity of the pump laser 2 , an optical Q-switch 8 must be located inside the pump laser resonator 3 . The Q-switch can be a saturable or bleachable liquid or film, a saturable crystal or other unit of known type that optically fades to achieve transmission at a predetermined energy density or optical intensity. An electro-optical Q-switch such as Pockels cell, Kerr cell, ect. Find use. This allows a high inversion to build up until the quality switch is optically transparent and at this point the resonator quality becomes high, so that a huge pulse of high power is produced.

Die im Pumplaserresonator 3 entstehende 1,064-µm-Strahlung 7 durchläuft die Fokussierelemente 9 und 10 - hier Linsen - innerhalb derer sich die Raman zelle 11 mit den Fenstern 12 und 13 befindet, die als Ramanmedium 14 Methan-Gas (CH₄) unter hohem Druck enthält. Auf ihrem Weg passiert die Strahlung keinen Auskoppelspiegel, der teilreflektierend für die Pump laserstrahlung ist, um die für die Ramankonversion notwendige hohe Leistungs dichte zu erzeugen.The 1.064-µm radiation 7 which arises in the pump laser resonator 3 passes through the focusing elements 9 and 10 - here lenses - within which the Raman cell 11 with the windows 12 and 13 is located, which as the Raman medium 14 methane gas (CH ₄ ) under high pressure contains. On its way, the radiation does not pass a coupling-out mirror that is partially reflective of the pump laser radiation in order to generate the high power density required for the Raman conversion.

Der Wirkungsgrad der Umwandlung der 1,064-µm-Strahlung in Strahlung der Wellenlänge von 1,54 µm durch den Streuprozeß an den Molekülen des Raman mediums 14 innerhalb der Ramanzelle 11 ist abhängig von der Leistungsdichte der einfallenden 1,064-µm-Strahlung, der Verstärkung des Ramanmediums und der Länge des Wandlungsbereichs im Ramanmedium. Unterhalb einer bestimmten Schwelle wird die Strahlung, die sich innerhalb des Fokusbereichs 15 der Zelle 11 befindet, nicht effizient in die neue Wellenlänge von 1,54 µm umgewandelt. Diese Schwelle kann durch einen längeren Wandlungsbereich verkleinert werden. Deshalb reflektiert der Spiegel 6 die Strahlung der Wellenlängen von 1,064 µm und 1,54 µm, so daß die hierbei entstehende stimulierte Ramanstreuung 16 (SRS) durch Rückwärts-SRS der einfallenden Pumplaserstrahlung 7 verstärkt wird. Durch die Verwendung und Justage eines gemein samen, die Wellenlängen 1,064 µm und 1,54 µm totalreflektierenden Spiegels und gemeinsamer Fokussierelemente wird erreicht, daß die optischen Wege der beiden fokussierten Strahlungen der Wellenlängen 1,064 µm und 1,54 µm innerhalb der Ramanzelle 11 identisch sind und unerwünschte Streustrahlungen und konkurriende Streuprozesse wie die SBS-Strahlung zugunsten der ge wünschten Konversion unterdrückt werden.The efficiency of the conversion of the 1.064-µm radiation into radiation of the wavelength of 1.54 µm by the scattering process on the molecules of the Raman medium 14 within the Raman cell 11 is dependent on the power density of the incident 1.064-µm radiation, the amplification of the Raman medium and the length of the region of change in the Raman medium. Below a certain threshold, the radiation, which is located within the focus area 15 of the cell 11, is not efficiently converted into the new wavelength of 1.54 μm. This threshold can be reduced by a longer change range. Therefore, the mirror 6 reflects the radiation of the wavelengths of 1.064 μm and 1.54 μm, so that the stimulated Raman scattering 16 (SRS) that arises here is amplified by reverse SRS of the incident pump laser radiation 7 . Through the use and adjustment of a common, the wavelengths 1.064 µm and 1.54 µm total reflecting mirror and common focusing elements ensures that the optical paths of the two focused radiations of the wavelengths 1.064 µm and 1.54 µm within the Raman cell 11 are identical and unwanted stray radiation and competing scattering processes such as SBS radiation are suppressed in favor of the desired conversion.

Der verstärkte ramanverschobene Strahl 17 wird mit Hilfe des dichroitischen Strahlteilers 18, der zwischen den beiden total reflektierenden Spiegeln 5 und 6 sowie zwischen dem laseraktiven Medium 4 und dem Ramanmedium 14 an geordnet ist, als Ramanlaser-Ausgangsstrahl 19 ausgekoppelt.The amplified ram-shifted beam 17 is coupled out using the dichroic beam splitter 18 , which is arranged between the two totally reflecting mirrors 5 and 6 and between the laser-active medium 4 and the Raman medium 14 , as a Raman laser output beam 19 .

In diesem Ramanlaser 1 wird die Umwandlung im wesentlichen durch die soge nannte Backward-SRS innerhalb des Ramanmediums 14 hervorgerufen; diese Streuung wird durch eine Rückkopplung der vorwärtsgestreuten ramanverscho benen Strahlung 16 gesteigert. Dieser Konverter kann auch als eine Art "Halbresonator-Wandler" verstanden werden, bei dem nur ein einzelner Spiegel zur Rückkopplung der ramanverschobenen Strahlung genutzt wird.In this Raman laser 1 , the conversion is essentially caused by the so-called backward SRS within the Raman medium 14 ; this scattering is increased by a feedback of the forward scattered ramanverscho ben radiation 16 . This converter can also be understood as a type of "semi-resonator converter", in which only a single mirror is used for the feedback of the Raman-shifted radiation.

Durch Kopplung des Pumplaserresonators 3 mit dem Raman-Halbresonator über den gemeinsamen, die Wellenlängen 1,064 µm und 1,54 µm totalreflektierenden Spiegel 6 wird aufgrund der Pulskompression des Pumplasers und des raman verschobenen Strahlers eine hohe Güte der beiden Resonatoren erreicht, so daß eine hohe Stabilität der Ausgangsenergie und der Pulsbreite des Raman lasers vorliegt.By coupling the pump laser resonator 3 with the Raman half resonator via the common mirror 6 , the wavelengths 1.064 µm and 1.54 µm totally reflecting, a high quality of the two resonators is achieved due to the pulse compression of the pump laser and the raman shifted radiator, so that a high stability the output energy and the pulse width of the Raman laser is present.

Um den Ramanlaser 1 unempfindlich gegen mögliche Verkippungen der total reflektierenden Spiegel 5 und 6 zu machen und damit besondere Stabilität zu erreichen, werden in Fig. 2 zwei gekreuzte Dachkantprismen 5′ und 6′ als Reflektoreinheiten benutzt. Aufgrund der unterschiedlichen Brechungs indizes für die Strahlungen der Wellenlängen 1,064 µm und 1,54 µm werden in diesem Fall als fokussierende Einheiten achromatische Linsen 9′ und 10′ benutzt, die sich auf jeder Seite der Ramanzelle 11 befinden. Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, können diese Linsen auch die Fenster 12 und 13 der Ramanzelle 11 ersetzen. Diese Unempfindlichkeit gegen Dejustage zeigt u. a. eine besondere Stabilität des Ramanlasers hinsichtlich Energie und Strahlqualität, und dies selbst bei Verkippungen des Resonators.In order to make the Raman laser 1 insensitive to possible tilting of the totally reflecting mirrors 5 and 6 and thus to achieve particular stability, two crossed roof prisms 5 'and 6 ' are used as reflector units in FIG . Due to the different refractive indices for the radiations of the wavelengths 1.064 µm and 1.54 µm, achromatic lenses 9 'and 10 ' are used as focusing units in this case, which are located on each side of the Raman cell 11 . In another embodiment, not shown in the drawing, these lenses can also replace the windows 12 and 13 of the Raman cell 11 . This insensitivity to misalignment shows, among other things, that the Raman laser is particularly stable in terms of energy and beam quality, even when the resonator is tilted.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wurde anstelle von Achromaten oder anstelle von Linsen aus einem beugungsoptischen Element und des gekreuzten Dachkant prismas 61 eine Kombination mit dem Fokussierelement 9 zu dem Hohlspiegel 20 vorgenommen. Außerdem erfolgt im Bereich zwischen erstem Fokussierelement 9 und ND:YAG-Medium 4 über zwei unter 45° zur optischen Achse angeordnete Strahlteiler 22 eine Faltung des Strahlengangs und damit des Pumplaser resonators 3. Die divergierende ramanverschobene Strahlung wird hier durch die Linse 9 und eine jeweils zusätzliche, hinter dem Strahlteiler 22 angeordnete Linse 23 kollimiert. Die Auskopplung des verstärkten, ramanverschobenen Strahls 19 kann alternativ über die beiden Wege I oder II erfolgen.In the embodiment of FIG. 3, a combination with the focusing element 9 to form the concave mirror 20 was made instead of achromatic lenses or instead of lenses made of an optical diffraction element and the crossed roof edge prism 61 . In addition, in the area between the first focusing element 9 and the ND: YAG medium 4 , the beam path and thus the pump laser resonator 3 are folded via two beam splitters 22 arranged at 45 ° to the optical axis. The diverging ram-shifted radiation is collimated here by the lens 9 and an additional lens 23 arranged behind the beam splitter 22 . The decoupling of the amplified, raman-shifted beam 19 can alternatively take place via the two paths I or II.

Bei der Begrenzung der Laseroszillation im Pumplaser- und Ramanresonator 3 bzw. 11 in einen transversalen Grundmode wird im allgemeinen nur ein kleines Volumen des laseraktiven Mediums 4 und des Ramanmediums 14 genutzt, wodurch sich eine Begrenzung der Pumplaser- und der Ramanlaserenergie ergibt. In Fig. 4 wird sodann ein Ramanlaser 1 mit einem "instabilen Resonator" darge stellt, der durch den die Pumplaserstrahlung 7′ totalreflektierenden Spiegel 21, den die Pumplaser- und die ramanverschobene Strahlung totalreflektierenden Spiegel 20 und die Linse 9 gebildet wird. Somit wird der Querschnitt des Pumplaser- und des Ramanlaserstrahls nicht durch den Resonator, sondern nur durch die Außenfläche des laseraktiven Mediums 4 begrenzt. Dadurch läßt sich auch für den transversalen Grundmode das gesamte aktive Volumen des laser aktiven Mediums 4 und somit auch ein größeres aktives Volumen des Raman mediums 14 nutzen. Dies zeigt sich in einer höheren Ausgangsenergie und ver besserter Divergenz verglichen mit einem "stabilen Resonator".When the laser oscillation in the pump laser and Raman resonator 3 or 11 is limited to a transverse basic mode, only a small volume of the laser-active medium 4 and the Raman medium 14 is generally used, which results in a limitation of the pump laser and Raman laser energy. In Fig. 4 is then a Raman laser 1 with an "unstable resonator" Darge, which is formed by the pump laser radiation 7 'totally reflecting mirror 21 , the pump laser and the raman-shifted radiation totally reflecting mirror 20 and the lens 9 . Thus, the cross section of the pump laser and the Raman laser beam is not limited by the resonator, but only by the outer surface of the laser-active medium 4 . As a result, the entire active volume of the laser-active medium 4 and thus also a larger active volume of the Raman medium 14 can also be used for the transverse basic mode. This is reflected in a higher output energy and improved divergence compared to a "stable resonator".

In allen Fällen nimmt die Primärstrahlung der Wellenlänge 1,064 µm und die ramanverschobene 1,54-µm-Strahlung auf der Seite des ramanaktiven Mediums 14 immer den identischen geschlossenen Weg, so daß eine automatische Justage der Optik bei optimal justiertem Pumplaserresonator 3 gewährleistet ist. Der Ramanprozeß ist in diesem Fall sehr effizient und dominiert über die SBS. Da somit nur eine sehr kleine SBS-Strahlung existiert bzw. in Richtung laseraktivem Medium 4 zurückreflektiert wird, werden Zerstörungen an der Optik verhindert. In all cases, the primary radiation of the wavelength 1.064 μm and the ram-shifted 1.54 μm radiation on the side of the Ramanactive medium 14 always take the identical closed path, so that an automatic adjustment of the optics with an optimally adjusted pump laser resonator 3 is ensured. The Raman process is very efficient in this case and dominates over the SBS. Since only a very small SBS radiation thus exists or is reflected back in the direction of laser-active medium 4 , damage to the optics is prevented.

Da der größere Teil der Ramanstreuung in der Rückwärtsrichtung entsteht, auf diesem Weg aber gerade der Pumplaserstrahl 7 abgeschwächt wird, bevor er den Fokusbereich 15 erreicht, ist Lasertätigkeit bei höheren Energien erlaubt, bevor ein elektrischer Funkendurchbruch in dem Fokusbereich pas siert.Since the greater part of the Raman scattering arises in the backward direction, but in this way the pump laser beam 7 is weakened before it reaches the focus area 15 , laser activity at higher energies is permitted before an electrical spark breakdown occurs in the focus area.

In der Praxis wird ein gütegeschalteter, blitzlampengepumpter Nd:YAG-Laser als Pumplaser verwendet, der mit einem unter hohem Druck stehenden Methan- Gas (CH₄) als Ramanmedium einen ramanverschobenen Ausgangsstrahl mit 45 mJ pro Puls und einer Pulsbreite von 4 ns produziert. Die Pumpenergie für den Nd:YAG-Laser beträgt dann 8.5 J. Im Vergleich zu den bisher bekannten Raman lasern bedeutet dies eine deutliche Verbesserung hinsichtlich der Effizienz.In practice, a Q-switched, flashlamp-pumped Nd: YAG laser is used as the pump laser, which produces a ram-shifted output beam with 45 mJ per pulse and a pulse width of 4 ns using a high-pressure methane gas (CH ₄ ) as Raman medium. The pump energy for the Nd: YAG laser is then 8.5 J. Compared to the Raman lasers known to date, this means a significant improvement in terms of efficiency.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß der vorgeschlagene erfindungsgemäße Ramanlaser mit einer erheblich verbesserten Effizienz und einer perfek tionierten automatischen Justage zwischen Pumplaserresonator 3 und Raman resonator arbeitet. Dadurch wird die Komplexität der Justage verringert und ein kompakter einheitlicher Aufbau möglich. Die optische Stabilität dieses Ramanlasers zeigt sich in einer Puls-zu-Puls-Stabilität von 3%.In summary, it can be said that the proposed Raman laser according to the invention works with a considerably improved efficiency and a perfected automatic adjustment between the pump laser resonator 3 and the Raman resonator. This reduces the complexity of the adjustment and enables a compact, uniform structure. The optical stability of this Raman laser is shown in a pulse-to-pulse stability of 3%.

In der Praxis bevorzugt der beschriebene Aufbau ein gasförmiges Raman medium 14 wie z. B. Methan. Ebenso kann das verwendete Ramanmedium auch eines der vielen Gase, Flüssigkeiten oder Festkörper sein, die SRS-Strah lung bei einer gewünschten Wellenlänge erzeugen. Beispiele für solch andere Ramanmedien sind CO, H₂, D₂, NH₃ und eine Vielzahl von Gläsern. Das spe ziell verwendete Medium wird durch die gewünschte Wellenlänge, die Pump laserwellenlänge sowie Leistungsanforderungen bestimmt. Methode und Auf bau der Erfindung erlauben die Verwendung des Ramanlasers für eine Viel zahl von Raman- und laseraktiven Medien des Pumplasers.In practice, the structure described prefers a gaseous Raman medium 14 such. B. Methane. Likewise, the Raman medium used can also be one of the many gases, liquids or solids that generate SRS radiation at a desired wavelength. Examples of such other Raman media are CO, H ₂ , D ₂ , NH ₃ and a variety of glasses. The specific medium used is determined by the desired wavelength, the pump laser wavelength and power requirements. Method and construction of the invention allow the use of the Raman laser for a variety of Raman and laser active media of the pump laser.

Die voranstehende Beschreibung der bevorzugten Anordnungen der vorliegenden Erfindung wurde zum Zweck der Darstellung und Beschreibung gewählt. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung vollständig und genau auf diese Form fest zulegen, da viele Modifikationen und Variationen vor allem im Hinblick auf Mehrwellenlängensysteme denkbar sind. Die beschriebenen Ausführungsbei spiele wurden ausgewählt, um das Grundprinzip der Erfindung zu beschreiben, das dahingehend verstanden werden soll, daß zahlreiche Modifikationen mög lich sind, ohne daß dadurch der Rahmen der in Rede stehenden Erfindung ver lassen würde.The foregoing description of the preferred arrangements of the present Invention has been chosen for purposes of illustration and description. It is the invention is not intended to be exhaustive and accurate to this form to grow as many modifications and variations especially with regard to Multi-wavelength systems are conceivable. The execution described games were selected to describe the basic principle of the invention, that should be understood to mean that numerous modifications are possible Lich, without thereby ver the scope of the invention in question would let.

Claims

1. Laser device with

a) a laser-active medium ( 4 ) for generating laser radiation of a first wavelength within a pump laser resonator ( 3 ), which is delimited at its end opposite to the direction of radiation by a totally reflecting mirror ( 5 ; 5 '; 21 ) and optionally a Q-switch ( 8 ) used
b) a Raman cell ( 11 ) with Raman medium ( 14 ) which adjoins in the radiation passage direction and is delimited by entry and exit windows ( 12 or 13 ) and which can be excited by focused radiation from the laser-active medium ( 4 ),
c) two focusing elements arranged on a common optical axis ( 9 ; 9 ';10; 10 '; 20 ), within which the Raman cell ( 11 ) is arranged so that in the focus area ( 15 ) the high power density required for Raman conversion the pump laser radiation of the first wavelength arises, and
d) an optical element ( 18 ) between laser-active medium ( 4 ) and Raman resonator ( 11 ) for the purpose of coupling out unwanted radiation ( 17 ), characterized in that
e) a second totally reflecting mirror ( 6 ; 6 '; 20 ) in the beam passage direction behind the last focusing element ( 10 ; 10 ') is angeord net or coincides with it and thereby the Raman cell ( 11 ) from the pump laser resonator ( 3 ) is included and
f) with a beam splitter ( 18 ; 22 ), the ram-shifted useful radiation ( 19 ) reflected by the second mirror ( 6 ; 6 '; 20 ) can be coupled out of a second wavelength.

2. Device according to claim 1, characterized in that the second mirror ( 6 ; 6 '; 20 ) is essentially 100% reflective for both wavelengths.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized in that in the region between the Raman cell ( 11 ) and the second mirror ( 6 ; 6 ') a common for both wavelengths second focusing element ( 10 ; 10 ') is provided.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the totally reflecting mirror ( 5 '; 6 ') are designed as a roof prism, triple mirror, mirror with reflective coating or phase-conjugating mirror.

5. The device according to claim 2, characterized in that the second mirror ( 20 ) is designed as a focusing concave mirror with reflecting the coating and is arranged instead of the second window ( 13 ) of the Raman cell ( 11 ).

6. The device according to claim 1 or one of the following, characterized in that convex lenses or achromatic lenses or lenses in the form of an optical diffraction element are used as focusing elements ( 9 ; 9 ';10; 10 '; 20 ).

7. The device according to claim 1 or one of the following, characterized in that the coupling-out optical element ( 18 ) is a dichroic beam splitter or a polarization coupling, which is connected in the coupling-out direction, if necessary, a collimator ( 23 ).

8. The device according to claim 1 or one of the following, characterized in that the dichroic beam splitter ( 18 ; 22 ) is essentially reflective for one of the two wavelengths and transmissive to the other.

9. The device according to claim 8, characterized in that the first dichroic beam splitter ( 18 ) has a transmission of <99.5% for the first wavelength and a reflection of <98.5% for the second wavelength or the second dichroic beam splitter ( 22 ) has a transmission of <98.5% for the second wavelength and a reflection of <99.5% for the first wavelength.

10. The device according to claim 1 and 2, characterized in that the first mirror ( 5 ; 5 '; 21 ) is totally reflective only for the first wavelength and the focusing elements ( 9 ; 9 ';10; 101 ) to both mirrors ( 5th ; 5 ';6; 6 ';20; 21 ) are relatively aligned.

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optical beam path and thus the pump laser resonator ( 3 ) in the region between the laser-active medium ( 4 ) and the first focusing element ( 9 ) is folded out via deflecting beam splitters ( 22 ) and the ram-shifted useful radiation ( 19 ) is decoupled from the folding area.

12. Device according to one of the preceding claims, characterized in that as a quality switch ( 8 ) a saturable or from bleachable liquid or film, a saturable crystal or an electro-optical quality switch in the form of a Pockels or Kerr cell or an acousto-optic modulator in the form of a Bragg cell Is used.

13. A method for laser wave conversion according to one of the preceding claims, characterized in that

a) the pump laser radiation ( 7 ) of the first wavelength without first passing a coupling mirror, which is partially reflective for the pump laser radiation, by stimulated Raman scattering in the forward direction and by means of the second mirror ( 6 ; 6 '; 20 ) also in the reverse direction re Pump laser radiation is converted as soon as the required threshold is exceeded,
b) the forward-scattered raman-shifted laser radiation ( 16 ) by means of the backward scattering of the raman-shifted radiation ( 17 ) using the total reflective second mirror ( 6 ; 6 '; 20 ) and focusing element ( 10 ; 10 '; 21 ) common for both wavelengths will and
c) the ram-shifted laser radiation ( 19 ) of the second wavelength is coupled out with the aid of the dichroic beam splitter ( 18 ) in the region between the laser-active medium ( 4 ) and Raman medium ( 14 ).