DE4318616C2 - Kompakter instabiler Laser-Resonator - Google Patents

Kompakter instabiler Laser-Resonator

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Description

Die Erfindung betrifft einen kompakten instabilen Laser-Resonator zur Erzeugung eines stabilen Strahlprofils mit geringen Beugungsverlusten.
Zur Realisierung von Lasern, die unter möglichst hohem Wirkungsgrad ein möglichst großes Lasermedium-Volumen ausnutzen, ist seit Anfang der siebziger Jahre bekannt, instabile Resonator-Geometrien zu verwenden (A. E. Siegmann, Laser Focus, Mai 1971, S. 42 ff.). Um eine Modenselektion zu erreichen, d. h. den Laser beispielsweise lediglich in einer Fundamentalmode zu betreiben, wird in der Veröffentlichung "Passively Q-switched Transverse-Diode-Pumped Nd3+: YLF Laseroscillator" von R. Beach et al. (in OPTICS LETTERS, Vol. 17, Nr. 2 p., Januar 15, 1992 p. 124-126) vorgeschlagen, in einem derartigen Resonator einen flachen Auskoppelspiegel zu verwenden, der ein radial-abhängiges Reflexionsprofil aufweist. Ebenfalls vorgesehen ist eine passive Güteschaltung im Resonator mit einem LiF-Farbzentren-Kristall. Will man nun einen möglichst kompakten Laser-Aufbau mit einem hohen Gesamtwirkungsgrad bei gleichzeitiger Modenselektivität realisieren, so erweist sich die dargestellte Anordnung nicht als optimal. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen, daß eine Vielzahl von reflektierenden Flächen innerhalb des Resonator-Raumes vorhanden sind, die ein Ausbilden verschiedener konkurrierender Unterresonatoren mit sogenannten parasitären Moden verursachen. Darunter wiederum leidet die Strahlqualität.
Ein ähnlicher Resonator-Aufbau ist auch aus dem US-Patent US 4 918 704 bekannt. Dort ist ebenfalls ein instabiler Laser-Resonator dargestellt, der einen Auskoppelspiegel mit radial-abhängigem Reflexionsprofil aufweist. Vorgesehen ist des weiteren eine Güteschaltung. Mittels eines zusätzlichen Dioden- Lasers erfolgt in dieser Anordnung eine longitudinale Moden- Selektion, was für bestimmte Verwendungszwecke jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Die Vielzahl von vorhandenen reflektierenden Flächen im Resonator begünstigt auch in dieser Anordnung die Ausbildung verschiedener konkurrierender Teil- bzw. Unter-Resonatoren im Laser-Betrieb.
Aus dem Aufsatz "Simple Single Longitudinal Mode Q-Switched Nd:YAG Oscillator" von D. F. Voss et al. in Quantum Electronics Letters, IEEE Journal of Quantum Electronics. Vol. QE-21, No. 2, February 1985, S. 106-107 ist ein stabiler Laser-Resonator bekannt, bei welchem zur Unterdrückung konkurrierender Teil-Resonatoren ein Nd:YAG-Laserstab Endflächen aufweist, welche bezüglich der Resonator-Spiegel abgeschrägt sind.
Üblicherweise erfolgt ein Unterdrücken konkurrierender Teil- Resonatoren auch durch das schräge Anordnen des Auskoppelspiegels des Resonators, wie z. B. in "W. Koechner, Solid State Laser Engineering, 2nd edition, Springer Verlag, 1988" auf Seite 166 vorgeschlagen wird. Die sich in den zugehörigen Resonatoren ausbildenden Moden werden durch diese Maßnahmen aber oft nicht vollständig unterdrückt. Bei einer Fokussierung des Laserstrahles treten störende Nebenfoki auf. Derartige Nebenfoki können dann oft nur durch extremes Schrägstellen vollständigt beseitigt werden, was i. a. aber wieder einen negativen Einfluß auf das gewünschte Modenbild hat.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten, möglichst einfach aufgebauten Laser-Resonator zu schaffen, der sowohl einen hohen Wirkungsgrad als auch ein stabiles Strahlprofil gewährleistet.
Diese Aufgabe wird gelöst duch einen kompakten, instabilen Laser- Resonator mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Durch die hochexakt parallele Anordnung der Endflächen des Laser-Mediums zu den Resonator-Spiegeln wird verhindert, daß konkurrierende Moden den den Resonator schräg zur Resonator-Achse verlassen können. Dadurch ergibt sich im Laser-Betrieb ein homogenes Strahlprofil ohne störende Nebenfoki
Der erfindungsgemäße Laser-Resonator zeichnet sich des weiteren durch einen kompakten und sehr einfachen Aufbau aus. Weiterhin ist bei gleichzeitigem hohen Gesamt- Wirkungsgrad ein Betrieb mit stabilem, beugungsverlustarmem Strahlprofil möglich, in dem das Modenvolumen nahezu vollständig genutzt wird. Insbesondere ist eine Reduzierung der Baulänge bei gleichzeitigem Einhalten bestimmter Leistungsanforderungen realisierbar. Dadurch erlaubt es der erfindungsgemäße Aufbau, Impulsdauern im Bereich weniger ns zu erzeugen.
Eine mögliche Anwendung findet der erfindungsgemäße Laser- Resonator in einem Festkörper-Laser in der Ophthalmologie, z. B. bei Membranotomien aller Art. Daneben sind jedoch vielfältige weitere Einsatzgebiete möglich, in denen die oben genannten Anforderungen an einen kompakten Laser bzw. Laser- Resonator gestellt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Laser-Resonators ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Figuren.
Hierbei zeigt
Fig. 1 ein erstes, schematisiert dargestelltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laser-Resonators mit einem separaten Auskoppelspiegel;
Fig. 2 ein zweites, schematisiert dargestelltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laser-Resonators mit einem am Festkörperstab angeordneten Auskoppelspiegel;
Fig. 3 ein drittes, schematisiert dargestelltes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Laser-Resonators mit einem im Endspiegel integrierten Q-Switch-Kristall;
Fig. 4a und 4b jeweils ein mögliches auskoppelseitiges Reflexionsprofil.
Eine erste, mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen instabilen Laser-Resonators ist in Fig. 1 dargestellt. Als Laser-Medium dient hierbei ein Festkörperstab (3), z. B. ein Nd:YAG-Stab, der über eine - nicht dargestellte - Blitzlampe angeregt wird und bei einer Wellenlänge von 1,064 µm Laserstrahlung liefert. Der Festkörperstab (3) und die Blitzlampe sind hierzu in einer - ebenfalls nicht dargestellten - elliptischen Pumpkammer aus Cer-Quarz-Glas in den beiden Ellipsen-Brennpunkten angeordnet. Zur Wirkungsgrad-Erhöhung ist diese Pumpkammer an der spiegelnden Ellipsoidfläche mit einer Silberbeschichtung, an den beiden Stirn-Endflächen mit einer Goldbeschichtung versehen. Der eigentliche instabile Laser-Resonator besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem konvexen Endspiegel (1), der auf der konvexen, dem Lasermedium zugewandten, Oberflächen-Seite eine für die Laser-Wellenlänge hochreflektierende Schicht (12) aufweist. Der Auskoppelspiegel (4) besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Glasträger, der auf der dem Resonator-Innenraum zugewandten Seite (5) mit einer Reflexionsschicht (5) versehen ist, die ausgehend vom Mittelpunkt bzw. dem Durchstoßpunkt der optischen Achse (6) der Gesamtanordnung nach außen eine radial abnehmende Reflektivität besitzt. Einzelheiten zu dieser Reflexions- Schicht (5) werden anhand von Fig. 4a und 4b erläutert. Zwischen dem Laser-Medium (3) und dem hochreflektierend beschichteten Endspiegel (1) ist schräg zur optischen Achse (6), d. h. in einem Winkel ungleich 90°, eine sättigbare Absorberfolie (2) als passives Güteschaltungs-Element angeordnet. Die Anordnung der Absorberfolie (2) hat hierbei derart zu erfolgen, daß sich keine konkurrierenden Unter- Resonatoren zwischen der Absorberfolie (2) und den anderen reflektierenden Resonatorflächen ausbilden können. In Verbindung mit einem Nd:YAG-Stab kann beispielsweise ein EASTMAN KODAK Q-Switch Acetate Sheet verwendet werden, das eine extrem geringe optische Dichte von etwa 0,3-0,4 aufweist. Wird die jeweilige Absorberfolie (2) unter einem Winkel von 45° zur Resonator-Achse (6) angeordnet, so resultiert im dargestellten Ausführungsbeispiel definiert- polarisierte Strahlung des Lasers, was z. B. vorteilhaft bei der Energiemessung der emittierten Laser-Strahlung ausgenutzt werden kann. Bei dielektrisch beschichteten Umlenkspiegeln kann hierbei der restliche, transmittierte Strahlanteil zur Energiemessung verwendet werden. Es ist bei einem Laser mit definierter Polarisationsrichtung keinerlei Spezial- Beschichtung auf dem Umlenkelement erforderlich, die gewährleistet, daß der transmittierte Strahlanteil für alle statistisch möglichen Polarisationsrichtungen gleich ist. Ebenso vorteilhaft kann die definierte Polarisation des Lasers mit dem erfindungsgemäßen instabilen Resonator zur Strahlabschwächung etc. ausgenutzt werden.
Um das Auftreten der konkurrierender Moden in Unter- bzw. Teil-Resonatoren zu verhindern, die den Resonator unter leicht unterschiedlichen Winkeln verlassen, wird neben der schrägen Anordnung der Absorberfolie (2) dafür gesorgt, daß die Begrenzungsflächen (18, 19) des Auskoppelspiegels (4) ebenso wie die Endflächen (14, 15) des Lasermediums, d. h. des verwendeten Festkörperstabes (3), hochexakt parallel zueinander orientiert sind.
Der Glasträger des verwendeten Auskoppelspiegels (4) besitzt im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Parallelität der Begrenzungsflächen (18, 19) kleiner 10 Bogensekunden, ebenso wie die Begrenzungsflächen (14, 15) des Festkörperstabes (3), d. h. der Winkel den die jeweiligen Flächen miteinander einschließen ist kleiner als 10 Bogensekunden.
Zum exakt parallelen Ausrichten von Auskoppelspiegel (4) und Festkörperstab (3) bzw. zu dessen Endflächen (14, 15) ist des weiteren der Auskoppelspiegel (4) derart beweglich angeordnet, daß mit Hilfe von Justierelementen (20) eine exakt parallele Ausrichtung der Begrenzungsflächen (18, 19) des Auskoppelspiegels (4) zu den Endflächen (14, 15) des Festkörperstabes (3) möglich ist. Die bewegliche Anordnung des Auskoppelspiegels (4) und die zugehörigen Justierelemente (20) sind in Fig. 1 lediglich schematisiert angedeutet, es sind hierzu die verschiedensten Lager-Anordnungen möglich, die ein paralleles Ausrichten ermöglichen. Beispielsweise kann der Auskoppelspiegel (4) definiert um drei zueinander senkrechte Achsen beweglich gelagert sein. In einer weniger aufwendigen Ausführungsform ist es möglich, den Auskoppelspiegel in einer Endplatte und den Festkörperstab im Laser-Grundkörper anzuordnen, wobei diese beiden Teile innerhalb der Verbindungsschrauben-Lose zueinander justierbar und fixierbar sind.
Die hochexakt parallele Dimensionierung der Festkörperstab- Endflächen (14, 15), der Begrenzungsflächen (18, 19) des Auskoppelspiegels (4), das exakt parallele Ausrichten der Festkörperstab-Endflächen (14, 15) und der Auskoppelspiegel- Begrenzungsflächen (18, 19) mittels der Justierelemente (20) sowie die Schrägstellung der Absorberfolie (2) im Resonatorraum gewährleisten die zuverlässige Unterdrückung konkurrierender Unter-Resonatoren bzw. die Unterdrückung von Moden, die den Resonator unter verschiedenen Winkeln verlassen. Im Laser-Betrieb ergibt sich ein homogenes Strahl- Profil ohne störende Nebenfoki bei einfacher Fokussierung des Laser-Strahles.
Werden passiver Q-Switch, das radial-abhängige Reflexionsprofil (5) sowie die Baulänge und der Krümmungsradius des Endspiegels (1) optimal aufeinander abgestimmt, so sind mit Hilfe des erfindungsgemäßen instabilen Laser-Resonators Laser-Pulsdauern tp im Bereich tp < 3ns bei einem gleichzeitig hohen Wirkungsgrad zu realisieren.
Eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen instabilen Laser-Resonators wird anhand von Fig. 2 erläutert. Als Laser-Medium dient erneut ein Festkörper-Stab (9), beispielsweise ein Nd:YAG-Stab. Der Endspiegel (7) weist in diesem Ausführungsbeispiel eine ebenfalls konvexe Form auf und besitzt eine hochreflektierende Beschichtung (13) für die Laser-Wellenlänge 1,064 µm. Zwischen dem Festkörper-Stab (9) und dem Endspiegel (7) ist schräg zur optischen Achse (11) eine sättigbare Absorberfolie (8), d. h. ein passives Güteschaltungs-Element angeordnet. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 ist im zweiten Ausführungsbeispiel 2 kein separates Element als Auskoppelspiegel vorgesehen, vielmehr wird die radial- abhängige Reflexions-Schicht (10) unmittelbar an der auskoppelseitigen Endfläche (17) des Festkörper-Stabes (9) aufgebracht. Ebenfalls wird auch in diesem Ausführungsbeispiel durch die schräge Anordnung der Absorberfolie (8) im Resonator sowie die hochexakt parallele Dimensionierung der Endflächen (16, 17) des Festkörperstabes (9) gewährleistet, daß sich keine konkurrierenden Unter- Resonatoren ausbilden, sondern der Resonator ein stabiles Fundamentalmoden-Strahlprofil liefert. Diese Ausführungsform liefert eine weitere Reduzierung separater Elemente im Resonatorraum und damit einen kompakten Aufbau.
Eine weitere, alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen instabilen Laser-Resonators sieht die Verwendung bestimmter Kristallmaterialien als passive Güteschaltungs-Elemente anstelle der Absorberfolie vor. In Frage kommen hierfür Cr4+ :YAG, LiF(F2⁻) oder Cr4+:GSGG. Derartige Kristallmaterialien in Form einer dünnen, ca. 1 mm dicken Kristall-Schicht können dabei wie die Absorberfolie in den vorab dargestellten Ausführungsbeispielen als separates Element im Resonatorraum angeordnet werden.
Vorteilhafterweise ist die Kristall-Schicht zur Unterdrückung konkurrierender Unterresonatoren für die jeweilige Laser- Wellenlänge anti-reflektierend beschichtet. Dadurch können Reflexionsverluste im Resonatorraum vermieden bzw. Reflexionen an den Kristall-Grenzflächen unterdrückt werden. Alternativ kann die Kristallschicht auch in einer Ausführungsform, die nicht anti-reflektierend beschichtet ist, unter einem Winkel nahe dem Brewster-Winkel im Resonatorraum gegen die optische Achse angeordnet werden, um dadurch ein polarisiertes Anschwingen des Lasers zu realisieren.
Durch die Verwendung derartiger Kristallmaterialien ist eine weitere Vereinfachung des Resonator-Aufbaus dahingehend möglich, daß der hochreflektierende Resonator-Endspiegel und der jeweilige Q-Switch-Kristall, d. h. das Güteschaltungs- Element, in ein einziges Element integriert werden können. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 3 dargestellt. Neben dem Festkörperstab (21), beispielsweise ein Nd:YAG-Stab, mit dem auskoppelseitig angeordneten radial- abhängigen Reflexionsprofil (22) und den hochexakt parallelen Endflächen (23, 24) des Festkörperstabes (21), analog zu den vorab beschriebenen Ausführungsbeispielen, umfaßt der Resonator lediglich noch den hochreflektierenden Endspiegel (26), der zusammen mit einem Q-Switch-Kristall (25) als Trägersubstrat in ein einziges Element integriert wurde. Der Q-Switch-Kristall (25) besitzt hierbei eine als Laser-Endspiegel wirkende Fläche (26), die in Richtung des Lasermediums hochreflektierend für die jeweilige Wellenlänge ausgelegt ist und eine antireflektierend für diese Wellenlänge ausgelegte Fläche (27).
Vorteilhafterweise ist die Begrenzungsfläche (27) des Q-Switch-Kristalles (25) möglichst exakt parallel zur zugewandten Endfläche (23) des verwendeten Festkörperstabes (21) orientiert.
Zur Unterdrückung unerwünschter Reflexionen an den verschiedenen Begrenzungsflächen ist es innerhalb dieses Ausführungsbeispieles ferner möglich, zwischen der Endfläche des Festkörperstabes (21) und dem Q-Switch-Kristall mit der als Endspiegel wirkenden Fläche (26) eine Immersionsflüssigkeit anzuordnen.
Geeignete auskoppelseitige Reflexions-Profile, die eine radiale Abhängigkeit aufweisen, werden im folgenden anhand der Fig. 4a und 4b beschrieben. Dargestellt ist hierbei jeweils die Reflektivität R in Abhängigkeit von der Radialkoordinate r, deren Nullpunkt in der optischen Achse bzw. im Strahlmittelpunkt liegt. In den Fig. 4a und 4b sind sogenannte Gaußsche Reflexionsprofile dargestellt, die sich analytisch näherungsweise etwa wie folgt beschreiben lassen:
R (r) - R0 * exp (-2 * (r/a)m
Hierbei ist R0 der Maximalwert der Reflexion, der Parameter m bestimmt die jeweilige Flankensteilheit. In Fig. 4a gilt m=2, d. h. hier liegt ein einfaches Gaußprofil vor. Für Fig. 4b gilt m < 2, in diesem Fall spricht man von einem Super- Gaußprofil. Geeignete Werte von m liegen etwa zwischen 2 und 5.
Mit a wird in Fig. 4a und 4b jeweils derjenige Radius bezeichnet, bei dem die Maximalreflektivität R0 auf R0/e2 abgesunken ist. Der Parameter a wird für einen Laserstab- Durchmesser von 4 mm vorzugsweise in der Größenordnung zwischen 0,9 und 1,6 mm gewählt. Geeignete Maximalreflektivitäten R0 liegen etwa zwischen 25-45%. Zusammen mit einem passend gewählten Krümmungsradius des hochreflektierenden Endspiegels lassen sich so unerwünschte, höhere Moden gut diskriminieren.
Bei der jeweiligen Reflexionsschicht handelt es sich um eine oder mehrere, dünne λ/4-Schichten, die durch eine Blende mit dem Durchmesser 1,5a auf ein Substrat aufgedampft werden, wobei mit λ die jeweilige Laser-Wellenlänge bezeichnet sei. Als geeignetes Material für derartige Reflexionsschichten mit genügend hoher Zerstörschwelle dient beispielsweise Ta2O5. Durch die definierte Variation des Abstandes zwischen Blende und jeweiligem Substrat ist eine bestimmte radiale Abhängigkeit des Reflexionsprofiles realisierbar.

Claims (13)

1. Kompakter instabiler Laser-Resonator zur Erzeugung eines stabilen Strahlprofiles mit geringen Beugungsverlusten,
  • - mit einem auskoppelseitig radial-abhängigen Reflexionsprofil (5; 10; 22) und
  • - mit mindestens einem passiven Güteschaltungs-Element (2; 8; 25), welches zwischen einem Lasermedium (3; 9; 21) und einem Resonator-Spiegel (12; 13; 16) angeordnet ist,
  • - wobei die Resonator-Spiegel (12, 5; 13, 10; 26, 22) zu den das jeweilige Lasermedium (3; 9; 21) begrenzenden Endflächen (14, 15; 16, 17; 23, 24) hochexakt parallel ausgerichtet sind.
2. Instabiler Laser-Resonator nach Anspruch 1, wobei das Güteschaltungs-Element eine unter einem Winkel ungleich 90° zur optischen Achse (6; 11) angeordnete sättigbare Absorber-Folie (2; 8) oder ein Kristall (25) ist, dessen Begrenzungsflächen (27) hochexakt parallel zu den Resonator-Spiegeln (26, 22) ausgerichtet sind.
3. Instabiler Laser-Resonator nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Lasermedium ein Nd:YAG-Stab (3; 9; 21) ist.
4. Instabiler Laser-Resonator nach einem der Ansprüche 1-3, wobei mindestens ein Justierelement (20) für einen Resonator-Spiegel (4) vorgesehen ist, welches ein exakt paralleles Ausrichten des Resonator-Spiegels (4) zu den Endflächen (14, 15) des Lasermediums (3) ermöglicht.
5. Instabiler Laser-Resonator nach einem der Ansprüche 2-4, wobei die sättigbare Absorber-Folie (2; 8) in einem ein polarisiertes Anschwingen des Lasers bewirkenden Winkel zur optischen Achse (6; 11) im Resonator angeordnet ist.
6. Instabiler Laser-Resonator nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Endflächen (14, 15; 16, 17; 23, 24) unter einem Winkel kleiner als 10 Bogensekunden zueinander stehen.
7. Instabiler Laser-Resonator nach einem der Ansprüche 1-6, wobei die Reflektivität R des radial-abhängigen Reflexionsprofils (5; 10; 22) sich folgendermaßen analytisch beschreiben läßt: R (r) = R0 * exp (-2 * (r/a)mwobei r die Radialkoordinate bezeichnet, R0 als die maximale Mittenreflektivität sowie a und m als vorgebbare Parameter zur Anpassung an die jeweiligen Einsatzzwecke definiert sind.
8. Instabiler Laser-Resonator nach Anspruch 7, wobei die Parameter R0, a und m des radial-abhängigen Reflexionsprofiles (5; 10; 22) in den folgenden Bereichen liegen: R0 = [25% . . . 45%]
a = [0,9 mm . . . 1,6 mm]
m = [2 . . . 5].
9. Instabiler Laser-Resonator nach einem der Ansprüche 1-8, wobei ein planer Auskoppelspiegel (4) mit exakt parallelen Begrenzungsflächen (18, 19) vorgesehen ist, auf dessen dem Resonator-Innenraum zugewandten Seite (18) das radial- abhängige Reflexionsprofil (5) aufgebracht ist.
10. Instabiler Laser-Resonator nach einem der Ansprüche 1-9, wobei das radial-abhängige Reflexionsprofil (5; 10; 22) aus einer Ta2O5-Schicht besteht.
11. Instabiler Laser-Resonator nach einem der Ansprüche 1-10, wobei das Lasermedium ein Festkörperstab (9; 21) ist, auf dessen auskoppelseitiger Endfläche (17; 24) das radial- abhängige Reflexionsprofil (10; 22) angeordnet ist.
12. Instabiler Laser-Resonator nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4-11, insofern diese auf Anspruch 3 rückbezogen sind, wobei der Nd:YAG-Stab durch eine Blitzlampe gepumpt ist.
13. Verwendung eines instabilen Laser-Resonators nach einem der Ansprüche 1-12 in der Ophthalmologie.
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