DE4428171A1

DE4428171A1 - Laser resonator arrangement

Info

Publication number: DE4428171A1
Application number: DE19944428171
Authority: DE
Inventors: Roland Roth; Erich Weimel
Original assignee: NWL LASERTECHNIK
Current assignee: NWL LASERTECHNIK
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-15
Also published as: WO1996005636A1

Abstract

Described is a laser resonator with two end-mirrors connected a fixed distance apart by means of a spacer unit. The invention is characterized by the fact that the spacer unit is connected up to a heating/cooling unit which enables its temperature to be kept constant.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserresonatoran ordnung mit zwei Endspiegeln, die durch eine Verbindungs anordnung fest voneinander beabstandet sind.The invention relates to a laser resonator arrangement with two end mirrors, which are connected by a connection arrangement are fixedly spaced apart.

Die dem Gattungsbegriff zugrundeliegenden Spiegelresona toren sind in ihrem physikalischen Verhalten durch die Eigenschaften ihrer innerhalb des Resonators ausbilden den Moden, d. h. durch Feldverteilungen, Lage und Abstände der Eigenfrequenzen etc., zu beschreiben. So werden in Spiegelresonatoren zwischen longitudinalen, und transversalen Resonatormoden unterschieden, deren Ausprägungen im einzelnen nicht zuletzt durch die Art und Anordnung der Resonatorspiegel bestimmt werden. So kann das transversale Modenverhalten durch das spezielle Design der Laserendspiegel beeinflußt werden, wohingegen eine longitudinale Modenselektion im wesentlichen durch eine Minimierung der Resonatorlänge L herbeigeführt werden kann.The mirror resona on which the generic term is based gates are in their physical behavior by the Develop their properties within the resonator the fashions, d. H. through field distributions, location and Distances of the natural frequencies etc. to be described. So are in mirror resonators between longitudinal, and transverse resonator modes, whose Expressions in detail not least through Art and arrangement of the resonator mirrors can be determined. So can the transverse mode behavior by the special design of the laser end mirror can be influenced, whereas a longitudinal mode selection in essentially by minimizing the resonator length L can be brought about.

Zur Reduzierung des longitudinalen Modenverhaltens auf nur eine einzige zu verstärkende Resonatormode muß bei spielsweise ein optimaler Resonatorspiegelabstand hoch präzise eingehalten werden. Hierzu soll folgendes Bei spiel zur Verdeutlichung dienen:To reduce the longitudinal mode behavior to only a single resonator mode to be amplified is required for example, an optimal resonator mirror spacing high are precisely adhered to. The following is intended for this serve to illustrate:

Für einen He-Ne-Laser mit einer typischen Dopplerbreite von 1,5 GHz muß die Resonatorlänge auf rund 10 cm reduziert werden. Die Einstimmung des oszillierenden Modes auf das Zentrum des Verstärkungs profiles wird durch eine Feinabstimmung der Resonator länge erreicht. Mit der Forderung des Verhältnisses zwischen dem gegenseitigen Modenabstand zweier benach barter longitudinaler Moden zur mittleren Frequenz von 3,5 × 10/^-6 muß die Resonatorlänge mit einer Genauig keit von 3,5 × 10^-5% stabil gehalten werden, damit sich die Frequenz des oszillierenden Modes um ca. 10% aus der Linienmitte verlagert.For a He-Ne laser with a typical Doppler width of 1.5 GHz, the resonator length must be reduced to around 10 cm. The tuning of the oscillating mode to the center of the gain profile is achieved by fine tuning the length of the resonator. With the requirement of the relationship between the mutual mode spacing of two adjacent longitudinal modes to the mean frequency of 3.5 × 10 / ^-6 , the resonator length must be kept stable with an accuracy of 3.5 × 10 ^-5 %, so that the frequency of the oscillating mode shifted by approx. 10% from the center of the line.

An dem vorstehend genannten Beispiel ist zu erkennen, daß die Beabstandung der Resonatorspiegel höchst genau einzustellen ist, um Anforderungen der longitudi nalen Modenselektion zu genügen.The above example shows that that the spacing of the resonator mirrors is highly accurate is set to meet the requirements of the longitudinal nalen fashion selection to suffice.

So sind zur Beabstandung der beiden sich gegenüber liegenden Resonatorendspiegel Materialien zur gegen seitigen Befestigung zu verwenden werden, die weitgehend keine Volumenausdehnungseffekte im Sinne einer Längenveränderung, die sich nachteilhaft auf die präzis eingestellte Resonatorlänge auswirkt, besitzen. In an sich bekannter Weise werden für die wesentlichen Teile des Resonators Invar-Gestänge verwandt, die aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen, die zwischen 0 und 200°C praktisch keine Wärmeausdehnung zeigen.So the two are spaced apart lying resonator end mirror materials to the opposite side attachment to be used that largely no volume expansion effects in the sense of a Length change that adversely affects the precise set resonator length, have. In an become known for the essential parts of the resonator Invar linkage, which consists of a Iron-nickel alloy exist that are between 0 and 200 ° C show practically no thermal expansion.

Mit Hilfe der Invar-Resonatorbauteile ist es möglich, die Resonatorendspiegel fest voneinander beabstandet anzubringen, so daß die eingangs erwähnten Genauig keiten in der Spiegelbeabstandung eingehalten werden können.With the help of the Invar resonator components it is possible to the resonator end mirror spaced apart to attach, so that the Precisely mentioned the mirror spacing can.

So sind beispielsweise sogenannte Scanning- Laserinterferometer bekannt, die ein Resonatorgehäuse aus dem vorgenannten Material aufweisen, bei dem die gegenüberliegenden Laserendspiegel zusätzlich auf einer Piezokeramik befestigt sind, so daß je nach Anste uerung der Piezoelemente die Resonatorlänge in kontrollierter Weise, temperaturunabhängig zur Er zeugung bestimmter longitudinaler Moden eingestellt werden können.For example, so-called scanning Laser interferometer known that a resonator housing from the aforementioned material, in which the opposite laser end mirror additionally on one Piezoceramic are attached so that depending on the address control of the piezo elements the resonator length in controlled way, temperature independent to Er generation of certain longitudinal modes set can be.

Resonatoren, die zur Temperaturstabilität der Resonator länge Invar aufweisen, haben jedoch den Nachteil, daß das Invar selbst ein teures Material in der Herstellung und zudem problematisch in der Verarbeitung ist. So ist Invar aufgrund seiner Porösität sehr stark bruchge fährdet, und nur bedingt für Verarbeitungsvorgänge ge eignet. Laserresonatoren, die ein derartiges Material aufweisen, sind daher sehr teuer.Resonators used for temperature stability of the resonator have length Invar, but have the disadvantage that the Invar itself is an expensive material to manufacture and is also problematic in processing. So Invar is very fragile due to its porosity endangered, and only to a limited extent for processing operations is suitable. Laser resonators made of such a material have are therefore very expensive.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laserresonatoranordnung mit zwei Endspiegeln, die durch eine Verbindungsanordnung fest voneinander beabstandet sind, derart anzugeben, daß sowohl die Resonatorlänge weitgehend unabhängig ist von äußeren Temperaturein flüssen und zum anderen die Herstellungskosten einer derartigen Laserresonatoranordnung erheblich günstiger ist als bei vergleichsweisen Anordnungen.The invention has for its object a Laser resonator arrangement with two end mirrors that pass through a connection arrangement firmly spaced apart are to be indicated such that both the resonator length is largely independent of external temperatures flows and on the other hand the manufacturing costs of one Such laser resonator arrangement considerably cheaper than with comparative arrangements.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Vorteilhafte Ausbil dungen sind den Ansprüchen 2ff. zu entnehmen.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1. Advantageous training are claims 2ff. refer to.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Laserreso nator aus konventionellen Materialien wie beispiels weise Stahl zu bauen. Zwar unterliegen die bekannten Resonatorgehäusematerialien einer erheblichen Wärme ausdehnung, doch dies ist nur dann der Fall, wenn die Materialtemperatur ansteigt. Mit Hilfe von einer Wärme- bzw. Kältequelle, die an vorzugsweise der Verbindungsanord nung beider voneinander fest beabstandeter Spiegel ge koppelt ist, kann zumindest dieser Teil, der den Abstand der Laserresonatorendspiegel definiert auf einer vorgebbaren konstanten Temperatur gehalten werden.The invention is based on the idea of the laser reso nator made of conventional materials such as to build wise steel. The known ones are subject to Significant heat resonator housing materials expansion, but this is only the case if the Material temperature rises. With the help of a heating or Cold source, preferably on the connection arrangement tion of both mirrors spaced apart from one another is coupled, at least this part that the Distance of the laser resonator end mirror defined on a predeterminable constant temperature will.

Erfindungsgemäß wird daher eine Laserresonatoranord nung mit zwei Endspiegeln, die durch eine Verbindungs anordnung fest voneinander beabstandet sind, derart aus gebildet, daß die Verbindungsanordnung eine Wärme- bzw. Kältequelle aufweist, so daß die Verbindungseinheit gleichbleibend, einstellbar temperierbar ist. According to the invention, a laser resonator arrangement is therefore provided with two end mirrors connected by a connection arrangement are firmly spaced from each other formed that the connection arrangement a heat or Has cold source, so that the connection unit constant, adjustable temperature control.

Die Verbindungsanordnung weist vorteilhafterweise Stahlstäbe auf, die im Inneren wenigstens einen Hohl kanal besitzen, durch die ein Wärme- bzw. Kältemedium leitbar ist.The connection arrangement advantageously has Steel bars on the inside of at least one hollow own channel through which a heating or cooling medium is conductive.

Aufgrund der im Resonatorinneren entstehenden Wärme werden durch die für die Kühlung vorgesehenen Kühl kanäle Kühlflüssigkeit geleitet, vorzugsweise Wasser, so daß die durch die Wärmebildung im Resonatorinneren erhitzten Stahlstäbe auf einer weitgehend gleichen Temperatur gehalten werden können. Aufgrund der durch den Kühleffekt der Kühlflüssigkeit bewirkten gleich bleibenden Temperierung der Stahlstäbe unterliegen diese auch keiner nachteiligen Wärmeausdehnung, so daß die Resonatorlänge konstant bleibt.Due to the heat generated inside the resonator are provided by the cooling intended for cooling channels of coolant, preferably water, so that by the heat build up inside the resonator heated steel bars on a largely the same Temperature can be maintained. Because of through brought about the cooling effect of the coolant subject to permanent tempering of the steel rods this also has no adverse thermal expansion, so that the resonator length remains constant.

Für die gleichbleibende Temperierung der Verbindungs einheit aufgrund der immerwährenden Kühlung mit Hilfe der Kühlflüssigkeit ist vorteilhafterweise eine Tempe ratursensoreinheit vorgesehen, die in Abhängigkeit des Temperaturverhaltens der Stahlstäbe den Kühlmittelfluß bezüglich des Kühlmitteldurchsatzes sowie auch der Kühlmitteltemperatur regelt.For constant temperature control of the connection unit due to the constant cooling with the help the cooling liquid is advantageously a temperature rature sensor unit provided depending on the Temperature behavior of the steel bars the coolant flow regarding the coolant throughput as well as the Coolant temperature regulates.

Alternativ zur Lösung der vorbeschriebenen Kühlmittel technik ist die Verbindungsanordnung ebenso mit einer elektrisch ansteuerbaren Temperaturregeleinheit thermisch ankoppelbar, beispielsweise durch das Hinzu fügen von Peltierelementen, die sowohl den Stahlstab heizen, bzw. kühlen können. Mit Hilfe dieser Technik ist es zudem möglich, auf kurzzeitige Te mperaturschwankungen, die aus Inhomogenitäten der Wärmebildung des aktiven Mediums herrühren können, sehr schnell entgegen zu wirken. As an alternative to the solution of the coolants described above technology is also the connection arrangement with a electrically controllable temperature control unit can be thermally coupled, for example by adding add Peltier elements to both the steel rod can heat or cool. With the help of this technique it is also possible to take short-term Te temperature fluctuations resulting from inhomogeneities can result from the heat generation of the active medium, to counteract very quickly.

Auch ist eine Kombination der Kühlung der Stahlstäbe möglich, die aus Kühlmittelkanälen und aus einer elektrisch ansteuerbaren Temperaturregeleinheit besteht.Also a combination is the cooling of the steel bars possible that from coolant channels and from a there is an electrically controllable temperature control unit.

Claims

1. Laser resonator arrangement with two end mirrors, which are spaced apart from one another by a connection arrangement, characterized in that the connection arrangement has a heat or cold source, so that the connection unit is constant, adjustable temperature bar.

2. Laser resonator arrangement according to claim 1, characterized in that the connection arrangement consists of steel rods, which at least inside have a hollow channel through which a heat or Refrigerant is conductive.

3. Laser resonator arrangement according to claim 2, characterized in that the heating or cooling medium is a liquid.

4. Laser resonator arrangement according to claim 3, characterized in that the liquid is a has constant temperature.

5. Laser resonator arrangement according to claim 1, characterized in that the connecting unit There are steel rods that control an electrically bare temperature control unit is thermally coupled.

6. laser resonator arrangement according to claim 5, characterized in that the temperature control unit has a Peltier element.

7. Laser resonator arrangement according to one of claims 1 until 6, characterized in that the connection unit Steel bars having coolant channels are the additionally an electrically controllable Te have temperature control unit.