DE4303681A1 - Durchstimmbarer Laser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen durchstimmbaren Laser laut Oberbegriff des Hauptanspruches.

Für viele physikalische Geräte werden Laser gebraucht, deren Wellenlänge über einen gewissen. Bereich Kontinuier­ lich durchstimmbar ist. Insbesondere ist es für viele An­ wendungen wichtig, daß beim Durchstimmen des Lasers keine Wellenlängensprünge oder nicht erreichbare Wellenlängen­ bereiche auftreten.

Ein Laser kann in vereinfachter Form als ein System aus zwei Spiegeln mit den Reflektionsvermögen R₁ und R₂ dar­ gestellt werden, zwischen denen Licht hin und her reflektiert wird. Der Raum zwischen den beiden Spiegeln ist mindestens teilweise mit dem Lasermedium ausgefüllt, welches das Licht verstärkt, aber auch gleichzeitig Licht absorbieren kann. Die Bedingung, daß in einem solchen System Laserschwingungen auftreten lautet:

R₁·R₂G/A1 (Gleichung 1)

Dabei ist G der Faktor, um den das Licht bei einem vollen Durchlauf zwischen den beiden Spiegeln hin und her ver­ stärkt wird, während A der Faktor ist, um den es bei dem gleichen Durchlauf durch Absorption geschwächt wird. Im allgemeinen sind die Größen R₁, R₂, G und A von der Wellenlänge abhängig. Es bildet sich die Laserschwingung dann bei einer Wellenlänge heraus, bei der die linke Sei­ te der obigen Gleichung ein Maximum erreicht. Allerdings kann der Laser nicht auf jeder beliebigen Wellenlänge schwingen. Eine Zusatzbedingung ist, daß beim Durchlauf durch den Resonator die hin und her reflektierten Wellen sich phasenrichtig addieren. Die Bedingung dafür lautet:

L = n·λ/2

Dabei ist L die optische Länge des Resonators zwischen den beiden Spiegeln, n eine ganze Zahl und λ die Wellen­ länge. Es entstehen also verschiedene Schwingungsmoden, sogenannte Longitudinal-Moden. Der Wellenlängenabstand dieser Longitudinal-Moden ist gegeben durch

Δλ = λ²/(2·L)

Da die optische Länge des Resonators in den meisten Fäl­ len weit größer ist als die Wellenlänge, ist der Modenab­ stand klein. In der Regel befinden sich im Verstärkungs­ bereich des Lasers, welcher durch die linke Seite der Gleichung 1 gegeben ist, eine große Zahl von Longitudi­ nal-Moden. Unter diesen Moden wird in der Regel der aus­ gewählt, bei dem die Verstärkung am höchsten ist, d. h. die Laserschwelle zuerst erreicht wird.

Um einen Laser innerhalb seines Verstärkungsbereichs durchzustimmen, wählt man meist einen der beiden Laser­ spiegel so, daß er nur innerhalb eines sehr engen Spek­ tralbereichs reflektiert. Ein typisches Beispiel für einen solchen Spiegel ist ein Beugungsgitter, das in Re­ flexion betrieben wird. Man verwendet dafür meistens die Littrow-Anordnung, bei der der gebeugte Lichtstrahl in die Richtung des einfallenden Strahls zurückgeworfen wird. Durch Drehen des Gitters um eine zu den Gitterli­ nien parallele Achse kann man den Beugungswinkel und da­ mit den Spektralbereich wählen.

Verwendet man einen Laserspiegel, der nur in einem engen Spektralbereich reflektiert, so kann der Laser auch nur innerhalb dieses engen Spektralbereichs arbeiten. Gleich­ zeitig muß aber auch die Bedingung erfüllt sein, daß die Schwingungsform des Lasers einem der longitudinalen Moden entspricht. Verwendet man ein Gitter als selektiv reflek­ tierenden Spiegel, so ist in der Regel die Halbwertsbrei­ te des durch das Gitter ausgewählten Spektralbereichs größer, als der Modenabstand der longitudinalen Moden. Unter den verschiedenen longitudinalen Moden wird wieder in der Regel derjenige ausgewählt, bei dem die Gesamt­ verstärkung des Systems am größten ist. Verändert man jetzt den Spektralbereich des Lasers durch Rotation des Gitters, ohne dabei die optische Länge des Lasers zu verändern, dann verschiebt sich die Verstärkungskurve des Lasers auf der Wellenlängenskala, während die longitudi­ nalen Moden unverändert bleiben. Der Laser springt infol­ gedessen immer von einem Mode zum nächsten. Die dazwi­ schenliegenden Wellenlängenbereiche werden vom Laser nicht angenommen. Es entstehen Modenlücken.

Will man einen Laser wirklich kontinuierlich durchstim­ men, so ist das Entstehen von Modenlücken nicht gestat­ tet. Das gilt insbesondere dann, wenn man Laser auf be­ stimmte Spektrallinien sehr genau abstimmen will. Um das zu erreichen ist ein Verfahren bekannt, bei dem gleich­ zeitig mit dem Durchstimmen der Laserverstärkung auch die optische Länge des Lasers verändert wird und zwar so, daß die optische Länge des Lasers der jeweils eingestellten Wellenlänge proportional ist. Unter dieser Bedingung ver­ ändert sich die Wellenlänge der longitudinalen Moden in gleicher Weise wie die Durchstimmung des Lasers. Dann hat auch immer der gleiche Longitudinal-Mode die maximale Verstärkung. Infolgedessen findet kein Modensprung statt und das Durchstimmen des Lasers erfolgt ganz kontinuier­ lich (McNicholl/Metcalf, Applied Optics, Vol. 24, Nr. 17, 1. September 1985, Seiten 2757 bis 2761 bzw. Favre, Electronics Letters, Volk. 22, No. 15, 17th July 1986, Seiten 795 bis 796).

Eine Anordnung zum Ausführen dieses Verfahrens unter Ver­ wendung eines drehbaren Reflexionsgitters in Littrow-An­ ordnung zeigt schematisch Fig. 1. Auf dem optischen Weg zwischen dem Reflexionsgitter 2 und einem Laserspiegel 1 befindet sich ein nicht dargestelltes Lasermedium. Die optische Länge des Lasers ist durch den Abstand der bei­ den Spiegel gegeben. Die optische Länge wird hier in ver­ einfachter Weise mit der geometrischen Länge L gleichge­ setzt. Bei den meisten Lasern muß natürlich der Bre­ chungsindex aller auf dem optischen Weg befindlichen Medien bei der Ermittlung der optischen Länge mit berück­ sichtigt werden.

Wird das Gitter beim Durchstimmen des Lasers um eine Achse 3 gedreht, die in der Schnittlinie der Gitterebene und der Ebene des Laserspiegels 1 liegt, so verändert sich die optische Länge L des Lasers genau proportional zu der vom Gitter eingestellten Wellenlänge. Das läßt sich anhand folgender Beziehungen erkennen. Die vom Gitter ausgewählte Wellenlänge ist bei Littrow-Anordnung gegeben durch die Gleichung:

λ = 2·d·sin(α)

Dabei ist d die Gitterkonstante und α der Winkel zwischen der Ebene des Gitters und der Ebene des anderen Spiegels. Die optische Länge des Resonators zwischen einer be­ stimmten Gitterlinie 4 und dem anderem Spiegel ist gege­ ben durch die Gleichung:

L = D·sin(α)

Dabei ist D der Abstand der Drehachse 3 von der bestimm­ ten Gitterlinie 4, z. B. der auf der optischen Achse des Lasers. Wie man sieht verändern sich beide Größen bei Veränderung des Winkels proportional. Diese Anordnung erfüllt also damit die Bedingung eines vollkontinuierli­ chen Durchstimmens des Lasers ohne Modensprünge. Daß die bestimmte Gitterlinie 4 bei Änderung des Winkel seitlich aus ihrer ursprünglichen Lage auswandert, ist ohne Bedeu­ tung, weil die Wellenfronten senkrecht auf der optischen Achse des Lasers stehen.

In der Praxis läßt sich diese Methode nicht ideal reali­ sieren. Das läßt sich leicht an einem Zahlenbeispiel er­ kennen. Es soll ein Halbleiterlaser mit einer Wellenlänge von ungefähr 800nm mit Hilfe eines Gitters in Littrow- Anordnung durchgestimmt werden. Wenn die optische Länge des Resonators zwischen hinterem Laserspiegel und Gitter 40 mm beträgt, so beträgt der Abstand der Longitudinal- Moden 0,008 nm. Ein Longitudinal-Mode ist dabei durch ca. 100 000 halbe Wellenlängen im Resonator des Lasers ge­ kennzeichnet. Das bedeutet, daß Dimensionsänderungen in der Größenordnung von 0,001% oder Winkelfehler in glei­ cher Größenordnung schon einen Modensprung bewirken. Derartige Genauigkeiten lassen sich in der Praxis kaum aufrechterhalten. Schon geringe Temperaturdifferenzen oder Justierabweichungen können dazu führen, daß beim Durchstimmen die Proportionalität zwischen selektierter Wellenlänge und Länge des Laserresonators nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erhalten bleibt. Man sieht daraus, daß in der Praxis die Anordnung von Fig. 1 zwar geeignet ist, Modensprünge weitgehend zu vermeiden, aber eine absolute Sicherheit, daß keine Modensprünge auf tre­ ten, besteht aufgrund mechanischer Ungenauigkeiten nicht. Wenn der Laser durch Veränderung des Winkels α durchgestimmt wird, und es treten dabei Modensprünge auf, so gibt es dabei grundsätzlich zwei Möglichkeiten, die in Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt sind. Entweder ändert sich die Wellenlänge beim Modensprung in der gleichen Richtung, in der durchgestimmt wird (Fig. 3), oder sie ändert sich in der entgegengesetzten Richtung (Fig. 2). Im ersten Fall entsteht eine Modenlücke, d. h., ein Wellenlängenbereich, der nicht erreicht werden kann. Im zweiten Fall entsteht ein Wellenlängenbereich, der beim Durchstimmen doppelt überdeckt wird.

Der erste Fall ist besonders dann unerwünscht, wenn man mit dem durchstimmbaren Laser bestimmte festliegende Atomspektrallinien erreichen will. Dann kann es nämlich sein, daß diese gerade in der Lücke liegen, welche nicht erreicht wird. Im zweiten Fall aber wird jede Wellenlänge mindestens einmal erreicht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen durchstimmbaren Laser laut Oberbegriff des Hauptanspruches so weiterzubilden und zu verbessern, daß bei eventuellen Modensprüngen auf jeden Fall Modenlücken vermieden werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem durchstimmbaren Laser laut Oberbegriff des Hauptanspruches durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Laser wird die optische Resona­ torlänge nicht mehr exakt proportional zu der mit dem abstimmbaren Spiegel ausgewählten Wellenlänge verändert, sondern diese Proportionalität wird nur annähernd einge­ halten. Von der Proportionalität wird so abgewichen, daß die Longitudinal-Moden ein wenig schneller durchgestimmt werden, als der Spektralbereich des reflektierenden Spie­ gels. Wird der Laser jetzt z. B. in Richtung zunehmender Wellenlänge durchgestimmt, so nimmt die Wellenlänge des ausgewählten Longitudinal-Modes schneller zu, als die Ab­ stimmung des Spiegels. Der Mode wandert infolgedessen aus dem Verstärkungsmaximum aus und eilt ihm voraus. Es fin­ det irgendwann ein Modensprung entgegen der Abstimmungs­ richtung auf den Mode statt, der inzwischen in das Ver­ stärkungsmaximum des reflektierenden Spiegels eingewan­ dert ist.

Beim erfindungsmäßigen Laser wird also sichergestellt, daß bei eventuellen Modensprüngen nur der in Fig. 2 dar­ gestellte Fall eintritt, niemals jedoch der Fall nach Fig. 3 mit Modenlücken.

Das erfindungsgemäße Prinzip läßt sich bei allen durch­ stimmbaren Lasern anwenden, die mit in der Wellenlänge abstimmbaren Resonatorspiegeln arbeiten, also beispiels­ weise auch bei Lasern, bei denen der Resonatorspiegel durch eine Interferometeranordnung oder durch ein Prisma gebildet wird. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Ver­ wendung eines Reflexionsgitters in Littrow-Anordnung, da hier die Abstimmung durch einfaches Verdrehen des Gitters erreicht wird und es genügt, einfach den Drehpunkt etwas zu verlagern.

Die Abweichung zwischen der relativen Änderung der Wel­ lenlänge für die Longitudinal-Moden und für den reflek­ tierenden Spiegel muß ausreichend groß sein, um alle Ab­ weichungen durch thermische Ausdehnungen oder Justier­ fehler zu übersteigen. In der Praxis wird es reichen, wenn die relative Änderung bei den Longitudinal-Moden zwischen 0,01 und 5% höher ist als bei dem selektiv re­ flektierenden Spiegel.

In der Anordnung nach Fig. 1 wird das erfindungsgemäße Verhalten dadurch erreicht, daß die Drehachse für Rota­ tion des Gitters nicht genau auf den Punkt 3 gelegt wird, sondern auf einen Punkt 5, welcher zwischen 0,01 und 5% weiter von der Achse des Lasers entfernt ist als der Punkt 3.

Claims (4)

1. Durchstimmbarer Laser mit mindestens einem in der Wellenlänge abstimmbaren Resonatorspiegel, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Resonatorlänge annähernd proportional zu der mit dem Resonatorspiegel ausgewählten Wellenlänge verändert wird und die relative Änderung der Resonatorlänge zwischen 0,01% und 5%, größer ist als die Änderung der durch den Resonatorspiegel ausgewählten Wellenlänge.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Resonatorspiegel ein Beugungsgitter umfaßt oder durch ein Beugungsgitter gebildet ist.

3. Laser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Resonatorspiegel ein Reflexionsgitter in Littrow-Anordnung ist und durch Verdrehen in der Wellenlänge abstimmbar ist.

4. Laser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Reflexionsgitter (2) um eine Drehachse (5) drehbar ist, die von der optischen Achse (6) des Lasers um 0,01% bis 5% weiter entfernt ist als die Schnittlinie (3) zwischen der Ebene (7) des Refle­ xionsgitters (2) und einer Ebene (8), welche die opti­ sche Achse (6) im Abstand der optischen Länge (L) des Laserresonators senkrecht schneidet.