DE4311454C2 - Raman-Laser und dessen Verwendung - Google Patents
Raman-Laser und dessen VerwendungInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Raman-Laser, der
insbesondere zur Erzeugung von augensicherer Laserstrahlung
geeignet ist.
Aus der DE 91 13 379 U1 ist ein Raman-Laser mit Pumplaser und
externem Raman-Halbresonator bekannt, bei dem zur
Wegangleichung der fokussierten Strahlung des Pumplasers
und der zurückgestreuten, ramanverschobenen Strahlung eine Konvex/Konkavlinse als Fokussiereinheit vorgesehen ist. Zur Resonatorkonfiguration des Pumplasers ist nichts ausgesagt.
und der zurückgestreuten, ramanverschobenen Strahlung eine Konvex/Konkavlinse als Fokussiereinheit vorgesehen ist. Zur Resonatorkonfiguration des Pumplasers ist nichts ausgesagt.
Aus der DE 41 11 835 A1 ist ein Intracavity-Raman-Laser mit
instabilem Pumplaserresonator bekannt, bei dem die Pumpstrahlung
und die Ramanstrahlung auf der Seite des ramanaktiven
Mediums immer den identischen geschlossenen Weg nehmen.
Ein weiterer Raman-Laser mit externem Raman-Halbresonator, bei dem die
Strahlungsverläufe ebenfalls selbstjustierend angepaßt, sind,
ist aus der EP 0 199 793 B1 bekannt.
In diesen Schriften ist zur Modencharakteristik des
Pumplasers nichts ausgesagt.
In der Veröffentlichung "An Unstable Resonator Nd : YAG-
Laser, D.C. Hannah, L.C. Laycock, Optical and Quantum
Electronics 11 (1979), pp. 153-160" wird ein instabiler
Resonator für einen gütegeschalteten Nd : YAG-Laser
vorgestellt und eine Reihe von Anwendungen für einen
derartigen Resonator, u. a. die Erzeugung induzierter Raman-
Strahlung, vorgeschlagen. Zur Realisierung einer instabilen
Resonatorgeometrie werden jeweils Auskoppelspiegel
verwendet, die ein kreisringförmiges Reflexionsprofil
aufweisen. Daraus resultiert im Nahfeld des Pumplasers
ebenfalls ein kreisringförmiges Strahlprofil. Ein
derartiges Strahlprofil wirkt sich ungünstig auf die
Strahlqualität des Pumplaser-Strahles bzw. dessen
Fokussierbarkeit in die Ramanzelle aus. Will man eine
kompakte Raman-Laser-Anordnung mit einer hohen Leistung der
induzierten Raman-Strahlung realisieren, so sind die
beschriebenen Pumplaser-Resonatoren demzufolge mit
Nachteilen hinsichtlich der resultierenden Strahlqualität
der induzierten Raman-Strahlung behaftet. Mit den
beschriebenen Pumplaser-Resonator-Konfigurationen ist
lediglich eine Strahlqualitätskenngröße M² für den
Pumplaser-Strahl realisierbar, die ca. 3-6mal schlechter
ist als die Strahlqualitätskenngröße eines stabilen
Resonators im Monomode-, d. h. TEM₀₀-Betrieb, wie etwa auch
im Lehrbuch "Optische Resonatoren, N.Hodgson, H.Weber,
Springer-Verlag, 1992" auf Seite 179 ausgeführt ist.
Aus der Veröffentlichung "The Stimulated Raman Scattering
Threshold for a Nondiffraction-Limited Pump Beam, J.C. van
den Heuvel et al., IEEE Journal of Quantum Electronics,
Vol. 28, No. 9, pp. 1930-1936" ist ebenfalls bekannt, daß
die Strahlqualität des Pumplasers in einem Ramanlaser
Auswirkungen auf die in der Raman-Zelle stattfindenden
Streuprozesse und demzufolge auf die induzierte Raman-
Strahlung hat. Insbesondere ist eine Abhängigkeit der
Schwellen-Pumpleistung der Ramanzelle von der Laserstrahl-
Kenngröße M² des Pumplasers zu beobachten. Diese
Abhängigkeit wurde in dieser Arbeit durch eine Variation
der Strahlqualitätskenngröße M² mittels einer Modenblende
im Pumplaser-Resonator überprüft. Die beschriebene
Modifikation der Strahlqualitätskenngröße M² stellt jedoch
lediglich für einen experimentellen Labor-Aufbau eine
annehmbare Lösung dar. Für leistungsstärkere Raman-Laser
ist dies keine energetisch günstige Lösung, da die nötige
Pumpenergie für die gewünschte Ausgangsleistung bei der
erforderlichen Strahlqualität zu groß wäre.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen
Raman-Laser zu schaffen, der kompakt aufgebaut ist und insbesondere
einen Pumplaser-Resonator aufweist, der eine gute
Strahlqualität des Pumplaserstrahles bei einem günstigen
Wirkungsgrad des Pumplasers liefert. Ferner soll eine gute
Fokussierbarkeit des Pumplaserstrahles- sowie eine hohe
Umwandlungseffizienz in der Ramanzelle gewährleistet sein.
Der Raman-Laser soll vorzugsweise augensichere
Laserstrahlung für den Einsatz in der Entfernungsmeßtechnik
liefern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Raman-Laser mit den
Merkmalen des Anspruches 1.
Im Vergleich zu konventionellen instabilen Resonator-
Geometrien ist bereits im Nahfeld ein glattes und kompaktes
Strahlprofil ohne größere Nebenmaxima realisiert, d. h.
nahezu Betrieb im TEM₀₀-Mode bei der Strahlqualitäts
kenngröße M² des Pumplaser-Strahles in der Größenordnung
1-1,3.
Eine erhöhte Gesamteffizienz des erfindungsgemäßen Raman
lasers ist des weiteren gewährleistet, da der Pumplaser
strahl und die am Ramanreflektor rückreflektierte Raman
strahlung in einen gemeinsamen Brennpunkt fokussiert
werden, d. h. primärer und sekundärer Raman-Fokus fallen
zusammen.
Vorteilhaft ist der instabile Pumplaser-Resonator mit einem
Auskoppelspiegel mit radial abhängigem, stetig verlaufendem
Reflektivitätsprofil ausgestattet. Insbesondere die gute
Strahlqualität und die daraus resultierende gute
Fokussierbarkeit wirken sich günstig auf die Qualität der
induzierten Raman-Strahlung aus.
Im Vergleich zu stabilen Pumplaser-Resonator-Geometrien ist
des weiteren ein Monomode-Betrieb bei gleichzeitig hoher
Pumplaser-Effizienz möglich, da keine zusätzliche transver
sale Modenselektion durch Modenblenden mehr erforderlich
ist.
In Nah- und Fernfeld des erfindungsgemäßen Raman-Lasers ist
insgesamt ein verbessertes Strahlprofil gegenüber üblichen
stabilen Pumplaser-Resonatorgeometrien zu beobachten. Dies
zeigt sich in der entsprechenden Strahlqualitätskenngröße
der induzierten Raman-Strahlung, die etwa um einen Faktor 2
kleiner ist als die Strahlqualitätskenngröße der indu
zierten Ramanstrahlung bei der Verwendung stabiler
Pumplaser-Resonatorgeometrien, die im Multimode-Betrieb
arbeiten.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Raman-Lasers ermöglicht
zudem eine extrem kleine Anordnung, da bereits bei
relativ kurzer Resonatorlänge die gewünschte transversale
Modenselektion erfolgt. Damit ist ein kompakter Geräte-
Aufbau, beispielsweise zur Verwendung in einem elektro
optischen Entfernungsmeßgerät gemäß Anspruch 15 möglich.
Dessen Sende-Optik kann aufgrund der geringen Divergenz der
induzierten Ramanstrahlung bei gleichzeitiger hoher
Sendeleistung zudem bedeutend weniger aufwendig
dimensioniert werden als etwa bei einem stabilen Pumplaser-
Resonator.
Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen
Raman-Lasers ergeben sich aus der nachfolgenden Be
schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten
Zeichnungen.
Dabei zeigt
Fig. 1 die prinzipielle Anordnung der einzelnen
Elemente im erfindungsgemäßen Raman-Laser;
Fig. 2 bis 4 jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Raman-Lasers;
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für den Verlauf des
radial abhängigen, stetigen Reflexions
profiles auf dem Auskoppelspiegel des
instabilen Pumplaser-Resonators.
In Fig. 1 ist die prinzipielle Anordnung der einzelnen
Elemente im erfindungsgemäßen Raman-Laser dargestellt. Der
Pumplaser mit instabiler Resonator-Geometrie umfaßt u. a.
einen Festkörper-Stab (1) als Lasermedium sowie einen für
die Pumplaser-Wellenlänge hochreflektierenden Endspiegel
(2) und einen teildurchlässigen Auskoppelspiegel (3) mit
einem stetig verlaufenden radial abhängigen Reflexions
profil R(r). Der Festkörper-Stab (1) wird in bekannter Art
und Weise optisch angeregt. Die über den Auskoppelspiegel
(3) den Pumplaser verlassende Laserstrahlung (8) wird mit
Hilfe eines Kollimationselementes (4) kollimiert und über
das als Fokussierelement (6) ausgebildete Eintrittsfenster
der Ramanzelle (5) in den in der Ramanzelle (5) liegenden
Brennpunkt (9) fokussiert, der im folgenden als primärer
Raman-Fokus bezeichnet wird. In der Ramanzelle (5) wird die
Pumplaser-Wellenlänge aufgrund der erfolgenden Streu
prozesse im Ramanmedium um einen definierten Wellenlängen
betrag verschoben. Die Ramanzelle (5) liefert bei entspre
chender Wahl der Pumplaser-Wellenlänge induzierte Raman
strahlung in einem augensicheren Wellenlängenbereich. Die
Ramanzelle (5) ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit
einem geeigneten Material, z. B. Methan, unter einem defi
nierten Druck gefüllt und beidseitig mit Linsen (6, 7) als
Ein- und Austrittsfenster abgeschlossen. Die Brennweiten
der beiden Linsen (6, 7) sind vorzugsweise so abzustimmen,
daß ein paralleler, induzierter Laserstrahl die Ramanzelle
(5) verläßt.
Um auch die in Richtung des Kollimationselementes (4)
rückgestreute Ramanstrahlung (10) zu nutzen und somit eine
Effizienzerhöhung des erfindungsgemäßen Raman-Lasers zu er
reichen, ist die der Ramanzelle (5) zugewandte Seite des
Kollimationselementes (4) als Ramanreflektor (11) ausge
bildet, d. h. für die Raman-Wellenlänge hochreflektierend
beschichtet. Die am Ramanreflektor (11) in Richtung Raman
zelle (5) rückreflektierte Raman-Strahlung wird in den
sekundären Raman-Fokus fokussiert, der im Ausführungsbei
spiel der Fig. 1 mit dem primären Raman-Fokus (9)
zusammenfällt.
Der instabile Pumplaser-Resonator ist nunmehr so dimensio
niert, daß er nahezu im TEM₀₀-Mode arbeitet, bzw. eine
Strahlqualitätskenngröße M² zwischen 1 und 1,3 aufweist.
Dies wird u. a. durch die Verwendung eines stetig ver
laufenden, radial abhängigen Reflexionsprofiles R(r) des
Auskoppelspiegels (3) erreicht. Die Strahlqualitäts
kenngröße M² des Pumplaser-Strahles ist dabei definiert als
auf den TEM₀₀-Fall normiertes Produkt aus Strahltaille x₀
und Fernfeld-Divergenz Θ:
M²:= (<x₀²<<Θ²</<x₀₀²<<Θ₀²<)0,5< = 1
Eine Definition dieser dimensionslosen Größe ist z. B. in
der Veröffentlichung "Some Historical and Technical Aspects
of Beam Quality, H.Weber, Optical and Quantum Electronics
24 (1992), pp. 861-864" zu finden.
M² läßt gemäß der Veröffentlichung "Laser Beam Width,
Divergence and Beam Propagation Factor - An International
Standardization Approach, D.Wright et al., Optical and
Quantum Electronics 24 (1992), pp. 99300" der ISO
(International Standardization Organisation) über einen
experimentellen Aufbau ermitteln durch
M² = (π * DL * DF)/(4 * λ * F),
wobei
DL: Strahldurchmesser vor einer Fokussierlinse,
DF: Strahldurchmesser in Brennebene der Fokussierlinse,
λ: Wellenlänge,
DL: Strahldurchmesser vor einer Fokussierlinse,
DF: Strahldurchmesser in Brennebene der Fokussierlinse,
λ: Wellenlänge,
F: Brennweite der Fokussierlinse.
Die Strahlqualitätskenngröße M² kann als invariante Größe
verstanden werden, die den Laserstrahl charakterisiert. M²
= 1 bedeutet dabei Betrieb im TEM₀₀-Mode, M² < 1 ist
anschaulich als Multimode-Betrieb oder Betrieb in einem
höheren Transversalmode zu verstehen.
Die resultierende Strahlqualität, d. h. das näherungsweise
gaußförmige Intensitätsprofil über den Strahlquerschnitt,
bewirkt eine gute Fokussierbarkeit in die Ramanzelle (5)
sowie eine entsprechend gute Strahlqualität der induzierten
Ramanstrahlung.
In der Anordnung nach Fig. 1 ist bei einer entsprechenden
Strahlqualität des Pumplasers nun nicht von vornherein
gewähleistet, daß primärer und sekundärer Raman-Fokus in
der Ramanzelle zusammenfallen. So kann aufgrund eines
Selbstfokussierungs-Effektes eine Verschiebung des primären
Raman-Fokus (9) auf der optischen Achse in Richtung des
Eintrittsfensters erfolgen. Diese Verschiebung kann je nach
Qualität des Pumplaser-Strahles in der Größenordnung
einiger mm liegen. Das Eintrittsfenster ist jedoch darauf
ausgelegt, die rückreflektierte Raman-Strahlung in den
ursprünglichen Brennpunkt zu fokussieren. Soll deshalb eine
möglichst effiziente Nutzung der induzierten Raman-
Strahlung erreicht werden, so ist es vorteilhaft, wenn
gewährleistet ist, daß primärer und sekundärer Raman-Fokus
auf jeden Fall in einem Punkt liegen bzw. zusammenfallen.
Entsprechende Ausführungsformen für derartig modifizierte
Anordnungen des erfindungsgemäßen Raman-Lasers, die die
Einhaltung dieser Forderung gewährleisten, werden anhand
der Ausführungsbeispiele in den Fig. 2-4 erläutert.
In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Raman-Lasers dargestellt, in dem die
letztgenannte Forderung erfüllt ist. Als Lasermaterial des
Pumplasers dient ein Nd-dotierter YAG-Kristallstab (21),
der eine Länge von ca. 5 cm und einen Durchmesser von etwa
4 mm aufweist und in bekannter Art und Weise optisch gepumpt
wird. Der Auskoppelspiegel (23) ist unmittelbar auf der der
Ramanzelle (25) zugewandten Seite des Nd : YAG-Kristallstabes
(21) aufgebracht. Das Reflexionsprofil des
Auskoppelspiegels (23) für die Pumplaser-Wellenlänge
1,064 µm weist einen stetigen, radial abhängigen Verlauf
R(r) auf, wobei die Reflektivität R nach außen hin abnimmt.
Im Ausführungsbeispiel wird ein super-gaußförmiger Verlauf
des radial abhängigen Reflexionsprofiles mit einem
Exponenten m = 2,8 bei einem Spiegel-Durchmesser von 2,6 mm
gewählt; der explizite Verlauf des Reflexionsprofiles R(r)
wird anhand von Fig. 4 noch näher erläutert. Als Material
für die Reflexionsschicht dient Ta₂O₅, das aufgedampft
wurde. Vorteilhafte Durchmesser für das Auskoppelspiegel-
Reflexionsprofil liegen zwischen 2 mm und 3 mm.
Der Pumplaser-Endspiegel (22) besteht aus einer Plan-
Konkavlinse, die hochreflektierend für die Pumplaser-
Wellenlänge 1,064 µm verspiegelt ist. Der Krümmungsradius
der konkaven Seite beträgt 4 m. Die Radien der konkaven
Seite des Pumplaser-Endspiegels (22) liegen
vorteilhafterweise im Bereich 2-4 m. Unmittelbar benachbart
zur planen Seite des plan-konkaven Pumplaser-Endspiegels
(22) ist eine sättigbare Absorberfolie (29) als passiver
Güteschalter angeordnet. Die Absorberfolie (29) wird über
eine Planplatte (28), die für die Pumplaser-Wellenlänge
1,064 µm durchlässig ist, gegen die plane Seite des
Pumplaser-Endspiegels (22) gepreßt. Die verwendete
sättigbare Absorberfolie (29), beispielsweise ein Q-Switch
Acetate Sheet von Kodak, dient zum Realisieren kurzer
Laserpulse von ca. 5 ns.
Krümmungsradien des Pumplaser-Endspiegels (22) im Bereich
von 2-4 m, sowie die Dimensionierung des stetig verlaufenden
Reflexionsprofiles auf dem Auskoppelspiegel (23) gemäß Fig. 4
bewirken innerhalb des erfindungsgemäßen Raman-Lasers
eine gute Ausleuchtung des Lasermaterials, während
gleichzeitig der Betrieb im Quasi-TEM₀₀-Mode bzw. eine
Strahlqualitätskenngröße M² im Bereich 1-1,3 garantiert
ist.
Der Pumplaser-Strahl (33) der Wellenlänge 1,64 µm weist im
dargestellten Ausführungsbeispiel eine geringe Divergenz
von etwa 4,5 mrad auf.
Der Pumplaser-Strahl (33) gelangt über ein erstes optisches
Korrekturelement (24) auf das als Fokussierelement (26)
mit sammelnder optischer Wirkung ausgebildete
Eintrittsfenster der Ramanzelle (25). Das erste optische
Korrekturelement (24), ausgeführt als Meniskuslinse, hat
für den durchtretenden Pumplaser-Strahl (33) keine optische
Wirkung. Das Fokussierelement (26) bewirkt die Fokussierung
des Pumplaser-Strahles (33) in den primären Raman-Fokus
(34) der Ramanzelle (25), der im dargestellten
Ausführungsbeispiel aufgrund des vorher erwähnten
Selbstfokussierungs-Effektes um einen definierten Betrag δ
in Richtung Fokussierelement (26) verschoben ist. Die der
Ramanzelle (25) zugewandte Seite des ersten optischen
Korrekturelementes (24) ist des weiteren als Ramanreflektor
(30) hochreflektierend für die induzierte Raman-Strahlung
ausgelegt, d. h. hochreflektierend für die Wellenlänge 1,540 µm.
Dies wird über eine geeignete Beschichtung des ersten
optischen Korrekturelementes (24) erreicht. Die vom
Ramanreflektor (30) rückreflekierte Raman-Strahlung (31)
wird über das Fokussierelement (26) in den sekundären
Raman-Fokus (34) in der Ramanzelle fokussiert. Um auf jeden
Fall zu gewährleisten, daß primärer und sekundärer Raman-
Fokus zusammenfallen, ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel die für die rückreflektierte Raman-
Strahlung (31) optisch wirksame Fläche des ersten optischen
Korrekturelementes (24) mit dem Ramanreflektor (30) so
dimensioniert, daß die rückreflektierte Raman-Strahlung auf
jeden Fall in den primären Raman-Fokus (34) fokussiert
wird.
Hierbei ist die Dimensionierung des Ramanreflektors (30)
bzw. des ersten optischen Korrekturelementes (24) auf die
Verschiebung δ des primären Raman-Fokus (34) in Richtung
Fokussierelement (26) auszulegen. Primärer und sekundärer
Raman-Fokus (34) liegen im dargestellten
Ausführungsbeispiel dann nicht mehr in der Mitte der
Ramanzelle (25), sondern um den entsprechenden Betrag δ in
Richtung Fokussierelement (26) verschoben. Für eine
Verschiebung δ = 8 mm, ergibt sich ein Krümmungsradius von
473 mm für den Ramanreflektor (30), ebenso wie für die dem
Pumplaserstrahl (33) zugewandte Fläche des optischen
Korrekturelementes (24) bei einer Dicke d = 5 mm und der
verwendeten Glassorte BK7. Für den Abstand zwischen dem
ersten optischen Korrekturelement (24) und dem
Eintrittsfenster (26) der Ramanzelle (25) wurden 10 mm
gewählt.
Vor dem Austrittsfenster (27) der Ramanzelle (25) ist
des weiteren ein zweites optisches Korrekturelement (32) mit
zerstreuender optischer Wirkung angeordnet, das eine
Kollimation der austretenden Raman-Strahlung bewirkt. Für
das beschriebene Ausführungsbeispiel wurde für das zweite
optische Korrekturelement (32) eine Brennweite f = -530 mm
gewählt, der Abstand zwischen dem Austrittsfenster (27) und
dem zweiten optischen Korrekturelement (32) beträgt d = 10 mm.
Die Position dieses optischen Elementes (32) ist dabei
entlang der optischen Achse variabel, um damit eine
möglichst exakte Kollimation der emittierten Raman-
Strahlung zu ermöglichen.
Die im dargestellten Ausführungsbeispiel verwendete
Ramanzelle (25) weist eine Baulänge von 120 mm auf und
enthält Methan unter einem Druck von ca. 80 bar.
Abgeschlossen wird die Ramanzelle (25) durch zwei Linsen
mit sammelnder optischer Wirkung als Ein- und
Austrittsfenster (26, 27) mit den Brennweiten f = 62,4 mm. Die
Brennweiten der beiden Linsen (26, 27) sind so gewählt, daß
die Ramanzelle (25) für die Raman-Wellenlänge auf
"Unendlich" abgestimmt ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Raman-Lasers ist in Fig. 3 dargestellt. Der Aufbau des
instabilen Pumplaser-Resonators sowie der verwendeten
Ramanzelle ist dabei identisch mit dem des
Ausführungsbeispieles aus Fig. 2. Für die identischen Teile
wurden dabei die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in
Fig. 2. Anders gelöst wird in diesem Ausführungsbeispiel
jedoch das Einhalten der Forderung, daß primärer und
sekundärer Raman-Fokus zusammenfallen sollen. In diesem
Ausführungsbeispiel ist hierzu ein planer Ramanreflektor
(45) als separates Element im Strahlengang zwischen einem
optischen Korrekturelement (44) und dem Fokussierelement
(26) angeordnet. Das optische Korrekturelement (44)
korrigiert die erfolgende Verschiebung des primären Raman-
Fokus (40) in der Ramanzelle (25) derart, daß der
Pumplaserstrahl (41) exakt in die Mitte der Raman-Zelle
(25) fokussiert wird. Hierzu erfolgt durch das optische
Korrekturelement (44) mit zerstreuender optischer Wirkung
eine Aufweitung des Pumplaserstrahles (41) in Abhängigkeit
von der zu erwartenden Verschiebung des primären Raman-
Fokus (40). Die vom Ramanreflektor (45) in Richtung
Ramanzelle (25) rückreflektierte Ramanstrahlung (42) wird
vom Fokussier-Element (26) in den sekundären Raman-Fokus
(40) in der Zellenmitte fokussiert. Als optisches
Korrekturelement (44) wurde eine plan-konkave Linse
gewählt, deren konkave Seite einen Krümmungsradius von
237 mm aufweist, die Dicke beträgt 5 mm, die Brennweite f =-468 mm,
als Glassorte wurde BK7 verwendet. Auch diese
Anordnung gewährleistet, daß primärer und sekundärer Raman-
Fokus (40) zusammenfallen, woraus eine erhöhte Effizienz
des erfindungsgemäßen Raman-Lasers resultiert.
Alternativ zum dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 3
können der Ramanreflektor und das, optische Korrekturelement
selbstverständlich in einem einzigen Element kombiniert
werden, indem der Ramanreflektor als Beschichtung auf der
der Ramanzelle zugewandten planen Seite der plan-konkav-
Linse angeordnet ist.
Ferner ist es möglich, die verwendete Ramanzelle (25) bzw.
deren Eintrittsfenster auf eine definierte Verschiebung des
primären Raman-Fokus derart auszulegen, daß die Forderung
nach zusammenfallendem primären und sekundären Raman-Fokus
durch eine geeignete Dimensionierung des Eintrittsfensters
erfüllt wird. Ein derartiges Ausführungsbeispiel wird
anhand von Fig. 4 beschrieben. Der Aufbau des instabilen
Pumplaser-Resonators ist dabei identisch mit denen der
Ausführungsbeispiele aus Fig. 2 und Fig. 3. Für die
identischen Teile wurden dabei die gleichen Bezugszeichen
verwendet wie in Fig. 2 und 3.
Das entsprechend dimensionierte Eintrittsfenster (56) der
Ramanzelle (55) gewährleistet, daß der erwähnte
Selbstfokussierungs-Effekt bzw. die resultierende
Verschiebung des primären Raman-Fokus (50) kompensiert
wird. Es entfällt demzufolge das separate optische
Korrekturelement (44) im Strahlengang des
Ausführungsbeispieles aus Fig. 3, woraus eine weitere
Vereinfachung des Aufbaus des erfindungsgemäßen Raman-
Lasers resultiert. Ferner ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel der Fig. 4 die Innenseite des
Eintrittsfensters (56) als Ramanreflektor (54) ausgebildet.
Der Ramanreflektor weist für eine Fokus-Verschiebung δ = 8 mm
einen Krümmungsradius von 61,53 mm auf, während die dem
Pumplaser-Strahl (41) zugewandte Seite des
Eintrittsfensters (56) einen Krümmungsradius von 25 mm
besitzt. Es resultiert eine Brennweite des
Eintrittsfensters (56) von 78,6 mm. Das Austrittsfenster
(57) der Ramanzelle (55) ist genauso dimensioniert wie in
den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen.
In Fig. 5 ist das radial abhängige, stetig verlaufende
Reflexionsprofil R(r) des Auskoppelspiegels des instabilen
Pumplaser-Resonators graphisch dargestellt. Der Mittelpunkt
des Auskoppelspiegels liegt bei der Radialkoordinate r = 0.
Gewählt wurde eine Reflexionsschicht mit einem stetigen,
radial abhängigem Reflexionsprofil, das prinzipiell der
Beziehung
R(r) = R₀ * exp (-2 * (r/a)m)
genügt, wobei R die Reflektivität und r die radiale
Koordinate bezeichnet. R₀ ist der Maximalwert der
Reflektivität, der Parameter m bestimmt die jeweilige
"Flankensteilheit", a bezeichnet den Reflektivitätsprofil-
Radius, bei dem die Reflektivität auf R₀/e² (ca. 13%)
abgesunken ist. In Fig. 5 liegt m etwa bei 6, d. h. hier
liegt ein Super-Gaußprofil vor. Für m = 2 spricht man von
einem Gaußprofil.
Geeignete Werte von m liegen etwa zwischen 2 und 7. Bei der
Wahl des Parameters m ist zu beachten, daß ein größeres m
wegen einer besseren Ausnutzung des, aktiven Mediums durch
die anschwingenden Moden zwar eine größere Ausgangsleistung
zur Folge hat, jedoch auch eine schlechtere Strahlqualität
verursacht, d. h. eine verringerte Fokussier-Effizienz
bewirkt. Bei einer Wahl von m zwischen 2 und 7 ist ein
akzeptabler Kompromiß zwischen diesen konkurrierenden
Effekten erreichbar.
Das Maximum R₀ der Reflektivität für 1,064 µm liegt im
Ausführungsbeispiel bei etwa 35% +/-10%. Als Material wird
Ta₂O₅ gewählt, das auf den Nd : YAG-Stab aufgedampft wurde.
Claims (15)
1. Raman-Laser, bestehend aus
- - einem Pumplaser mit instabilem Pumplaser- Resonator, wobei der Pumplaser-Resonator einen Pumplaserstrahl (8, 33, 41) nahezu im TEM₀₀-Mode mit einer Strahlqualitätskenngröße M² zwischen 1 und 1,3 liefert,
- - mindestens einem Fokussierelement (6, 26, 56), zum Fokussieren des Pumplaserstrahles (8, 33, 41), in einen primären Raman-Fokus (34, 40, 50) einer außerhalb des Pumplaser-Resonators angeordneten Ramanzelle (5, 25, 55),
- - mindestens einem Ramanreflektor (11, 30, 45, 54), der die in Richtung auf den Pumplaser rückgestreute Raman-Strahlung (10, 31, 42, 52) in Richtung auf einen sekundären Raman-Fokus (34, 40, 50) umlenkt,
- - wobei die optischen Wirkungen des mindestens einen Fokussierelements (6, 26, 56) und des mindestens einen Raman-Reflektors (11, 30, 45, 54) in Abhängigkeit von einer zu erwartenden oder einer resultierenden Verschiebung (6) des primären Raman-Fokus (34, 40, 50) auf der optischen Achse so dimensioniert sind, daß der primäre und der sekundäre Raman-Fokus (34, 40, 50) in der Rahmanzelle (5, 25, 55) immer zusammenfallen.
2. Raman-Laser nach Anspruch 1, wobei zwischen dem
Pumplaser und dem Fokussierelement (26) ein erstes
optisches Korrekturelement (24) angeordnet ist, dessen
dem Fokussierelement (26) zugewandte Seite als
Ramanreflektor (30) ausgebildet ist und derartige
optische Eigenschaften aufweist, daß ein
Rückreflektieren der Raman-Strahlung (31) in den
primären Raman-Fokus (34) erfolgt, während es für den
durchtretenden Pumplaser-Strahl (33) keine optische
Wirkung aufweist, und des weiteren hinter dem
Austrittsfenster (27) der Ramanzelle (25) ein zweites
optisches Korrekturelement (32) angeordnet ist, das
entlang der optischen Achse verschiebbar ist und ein
Kollimieren der emittierten Raman-Strahlung
ermöglicht.
3. Raman-Laser nach Anspruch 1, wobei zwischen dem
Pumplaser und dem Fokussierelement (26) ein optisches
Korrekturelement (44) und der Ramanreflektor (45)
angeordnet sind und das optische Korrekturelement (44)
für den Pumplaserstrahl (41) eine zerstreuende
optische Wirkung in Abhängigkeit von der zu erwartenden
Verschiebung des primären Raman-Fokus (40) aufweist,
so daß sowohl der Pumplaserstrahl (41) als auch die am
Ramanreflektor (45) rückreflektierte Raman-Strahlung
(42) im gleichen Punkt fokussiert werden.
4. Raman-Laser nach Anspruch 1, wobei die Ramanzelle (55)
ein Eintrittsfenster aufweist, das sowohl als
Fokussierelement (56) für den Pumplaserstrahl (41) als
auch als Raman-Reflektor (54) für die rückgestreute
Raman-Strahlung (52) wirkt.
5. Raman-Laser nach einem-der Ansprüche 1-4, wobei der
instabile Pumplaser-Resonator einen Auskoppelspiegel
(3, 23) mit einem stetig verlaufenden, radial
abhängigen Reflektivitätsprofil für die Pumplaser-
Wellenlänge umfaßt.
6. Raman-Laser nach Anspruch 5, wobei das radial
abhängige Reflektivitätsprofil des Pumplaser-
Auskoppelspiegels (3, 23) der Beziehung
R(r) = R₀ * exp (-2 * (r/a)m)genügt, wobei R die Reflektivität, r die radiale
Koordinate, R₀ den Maximalwert der
Reflektivität,
der Parameter m die jeweilige Flankensteilheit und a
den Reflektivitätsprofil-Radius, bei dem die
Reflektivität auf R₀/e² (ca. 13%) abgesunken ist,
bezeichnen.
7. Raman-Laser nach Anspruch 6, wobei der Parameter in
zwischen 2 und 7 liegt.
8. Raman-Laser nach Anspruch 7, wobei R₀ zwischen 30% und
50% liegt.
9. Raman-Laser nach Anspruch 8, wobei der Pumplaser-
Auskoppelspiegel (3, 23) aus einer aufgedampften
Ta₂O₅-Schicht besteht.
10. Raman-Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei als Laser-Medium des Pumplasers ein stabförmiger
Nd : YAG-Kristall (1, 21) dient, der bei einer
Wellenlänge von 1,064 µm Laserstrahlung emittiert.
11. Raman-Laser nach Anspruch 10, wobei der
Auskoppelspiegel (23) des Pumplasers an einem Ende des
stabförmigen Nd : YAG-Kristalles (1, 21) angeordnet ist.
12. Raman-Laser nach Anspruch 11, wobei der Endspiegel (2,
22) des Pumplasers plan-konkav ausgeführt ist und die
dem stabförmigen Nd : YAG-Kristall (1, 21) zugewandte
konkave Seite hochreflektierend für die Pumplaser-
Wellenlänge ist und der Radius der konkaven
Endspiegel-Fläche des Pumplasers zwischen 2 m und 4 m
liegt.
13. Raman-Laser nach Anspruch 12, wobei auf der benachbart
zu der dem stabförmigen Nd : YAG-Kristall zugeordneten
planen Seite des Endspiegels (22) eine sättigbare
Absorberfolie (29) zur Güteschaltung angeordnet ist,
zu der wiederum benachbart eine für die Pumplaser-
Wellenlänge transparente Planplatte (28) angeordnet
ist.
14. Raman-Laser nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die Ramanzelle (5, 25, 55) mit Methan gefüllt
ist und bei Verwendung von 1,064 µm-Pumpstrahlung
induzierte Ramanstrahlung mit der Wellenlänge 1,54 µm
liefert.
15. Verwendung des Raman-Lasers nach einem der
vorangehenden Ansprüche in einem elektrooptischen
Entfernungsmeßgerät.
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