DE60014011T2

DE60014011T2 - Festkörperlaser

Info

Publication number: DE60014011T2
Application number: DE60014011T
Authority: DE
Inventors: Shuhei Chiyoda-ku Yamamoto; Yasuharu Chiyoda-ku Koyata; Yoshihito Chiyoda-ku Hirano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-12-03
Filing date: 2000-06-15
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2020-06-16
Also published as: US6567453B1; EP1107403A2; EP1107403B1; JP2001168429A; DE60014011D1; EP1107403A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper-Laseroszillator, der Festkörper-Laserstäbe verwendet. Insbesondere betrifft diese Erfindung einen Festkörper-Laseroszillator mit einem transversalen Monomode-Resonator hoher Durchschnittsleistung, der Nd:YAG-Stäbe verwendet, um durch eine Laserdiode hoher Durchschnittsleistung angeregt zu werden.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein aktives Medium in einem transversalen Monomode-Oszillator wird durch eine Anregungslichtquelle wie eine Laserdiode oder eine Blitzlampe angeregt. Das angeregte aktive Medium oder jede optische Komponente wird verwendet, um eine transversale Monomode-Laseroszillation zu erzielen. Dies führt zu einem trans versalen Monomode-Ausgangssignal. Es gibt viele Maßnahmen zum Anregen eines aktiven Mediums. Eine der Maßnahmen ist die Endanregung.
Endanregung ist ein Anregungsverfahren zum Anregen eines Lasermediums, das im Wesentlichen entlang der optischen Achse eines Resonators angeordnet ist. Das Anregen wird von dem Ende des Lasermediums aus durchgeführt, wobei hauptsächlich eine Laserdiode für die Anregung verwendet wird. Von der Laserdiode, die im Wesentlichen entlang der optischen Achse des Resonators angeordnet ist, ausgegebenes Anregungslicht fällt im Wesentlichen senkrecht auf ein Ende eines aktiven Mediums, das mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet ist, die für das Licht mit derselben Wellenlänge wie der Wellenlänge des Anregungslichts nicht reflektierend ist. Das Licht wird dann in das aktive Medium absorbiert. Das aktive Medium wird hierdurch angeregt. Der Resonator besteht aus dem angeregten aktiven Medium, Totalreflexionsspiegeln, einem Teilreflexionsspiegel und einer beliebigen optischen Komponente. Die Totalreflexionsspiegel befinden sich vor und hinter dem aktiven Medium, wobei sie im Wesentlichen entlang der optischen Achse des Resonators angeordnet sind, und haben eine Eigenschaft des totalen Reflektierens von Licht mit derselben Wellenlänge wie der Wellenlänge des Laserlichts. Der Teilreflexionsspiegel reflektiert einen Teil des Lichts mit derselben Wellenlänge wie der Wellenlänge des Laserlichts. Das angeregte aktive Medium bewirkt, dass Elektronen mit Hochenergiezuständen einen Übergang zu einem niedrigeren Energiezustand durchführen, der ein stabiler Zustand ist. Zu dieser Zeit werden Photonen emittiert. Die Totalreflexionsspiegel und der Teilreflexionsspiegel, die in dem Resonator enthalten sind, bewirken einen Umlauf der Photonen. Diese durch das aktive Medium durchgeführte stimulierte Emission bewirkt, dass Laserlicht mit einer bestimmten Wellenlänge verstärkt wird. Ein Teil des Laserlichts wird von dem Teilreflexionsspiegel emittiert.
Gemäß dem Endanregungsverfahren wird die Richtwirkung der Laserdiode verwendet, um das Festkörper-Lasermedium so anzuregen, dass ein transversaler Monomode-Resonanzlaserstrahl allein sich ausbreitet. Folglich wird eine transversale Monomode-Laseroszillation höchst wirksam erreicht. Jedoch ist ein Ausgangssignal, das von einem einzelnen Streifen in der Laserdiode erzeugt wird, begrenzt, da das Ende der Laserdiode zerstört ist. Um ein Hochleistungs-Ausgangssignal zu erhalten, muss die Anzahl von Laserdioden erhöht werden. Dies führt zu einer Verschlechterung der Richtwirkung der Laserdiode. Folglich wird es schwierig, das Festkörper-Lasermedium so anzuregen, dass der transversale Monomode-Resonanzlaserstrahl allein fortgepflanzt wird. Da weiterhin das Anregungslicht auf eine mikroskopische Fläche auf dem Ende des Festkörper-Lasermediums konvergiert wird, ist die Leistungsdichte des Anregungslichts im Allgemeinen hoch. Wenn die Durchschnittsleistung des Anregungslichts angehoben wird, kann das Festkörper-Lasermedium durch das Anregungslicht thermisch zerstört werden. Bestehende transversale Monomode-Oszillatoren, die das Endanregungsverfahren anwenden, waren daher begrenzt auf Anwendungsgebiete, in denen Laserlicht mit niedriger Durchschnittsleistung benötigt wird.
Festkörperlaser mit hoher Durchschnittsleistung wenden daher die Seitenanregung an. Die Seitenanregung ist ein Anregungsverfahren zum Anregen eines aktiven Mediums in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse eines Resonators unter Verwendung einer Anregungsquelle wie einer Laserdiode oder Blitzlampe.
Ein von einem Lasermedium abhängiger Transversalmodus wird durch Resonanzbedingungen bestimmt. Ein transversaler Monomodus wird als eine Sorte von Mustern betrachtet, das von einem Laserlicht gezeigt wird, dessen Strahlenradius des Querschnitts des Laserlichts mit der Strahlenachse hiervon als eine Mitte am kleinsten ist. Transversalmoden niedriger Ordnung und hoher Ordnung werden betrachtet als Sorten von Mustern, die von Laserlicht mit größeren Strahlenradien gezeigt werden. Es wird nun angenommen, dass das Lasermedium selbst als eine Modusauswahlöffnung zu dienen gedacht ist. Wenn die Größe eines angeregten Lasermediums äquivalent dem Strahlenradius des den transversalen Monomodus zeigenden Laserlichts ist, werden die Transversalmoden hoher Ordnung nicht ausgewählt, sondern der transversale Monomodus wird ausgewählt. Demgemäß wird, wenn die Größe des angeregten Lasermediums größer als der Strahlenradius des transversalen Mononomode-Laserlichts ist, ein Transversalmodus hoher Ordnung ausgewählt. Zu dieser Zeit, wird eine Laseroszillation erzielt, um Laserlicht zu erzeugen, das einen Multimodus zeigt, der eine Kombination mehrerer Wellenlängenmoden enthaltend den transversalen Monomodus, Moden niedriger Ordnung und Moden hoher Ordnung ist. Ein Laserausgangssignal ist daher ein Multimoden-Laserlicht. Multimoden-Laserlicht ist schlechter in der Richtwirkung als das transversale Monomode-Laserlicht. Da das Multimoden-Laserlicht fortgepflanzt wird, breitet es sich stark aus. Das Multimoden-Laserlicht ist dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein Versucht durchgeführt wird, das Multimoden-Laserlicht auf eine Linse oder dergleichen zu konvergieren, der Querschnitt des Multimoden- Laserlichts nicht verengt wird. Verglichen mit einem transversalen Monomodenlaser hat daher ein Multimodenlaser wenig Wert für den Zweck der Ausbildung einer Laserausrüstung, die die Fortpflanzung von Laserlicht oder die Durchführung einer Bearbeitung mit konvergiertem Laserlicht verwendet.
Um transversales Monomodelicht mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen, muss der Strahlenradius des in einem Resonator fortgepflanzten transversalen Monomodelichts äquivalent der Größe eines Lasermediums sein.
Um die Durchschnittsleistung von transversalem Monomode-Laserlicht zu verbessern, muss ein Lasermedium mit Anregungslicht hoher Leistung angeregt werden. Wenn das Lasermedium mit Licht hoher Durchschnittsleistung angeregt wird, wird Wärme in dem Lasermedium aufgrund des Anregungslichts erzeugt. Die Erzeugung von Wärme verzerrt das Lasermedium optisch. Die thermische Verzerrung führt zu einem Verlust des Laserlichtumlaufs innerhalb eines Resonators, während es verstärkt wird. Eine Verstärkung von von dem Resonator zu erzeugenden Laserlicht wird proportional zu der Leistung von Anregungslicht erhöht. Jedoch nimmt, solange wie die transversale Monomode-Laseroszillation betroffen ist, wenn die Größe der thermischen Verzerrung klein ist, ein auf der thermischen Verzerrung beruhender Verlust proportional zu dem Quadrat der Größe der thermischen Verzerrung zu. Wenn das Lasermedium mit Anregungslicht hoher Leistung angeregt wird, nimmt der Verlust stärker zu als eine Erhöhung der Verstärkung von von dem Resonator erzeugtem Laserlicht. Die maximale Leistung von Laserlicht ist daher begrenzt. Um wirksam eine Laseroszillation durchzuführen, damit transversales Monomodelicht mit hoher Durchschnittsleistung erzeugt wird, ist es er forderlich, die thermische Verzerrung des Lasermediums zu minimieren.
Im Allgemeinen wird ein stabförmiges Festkörper-Lasermedium als ein Festkörper-Laserstab bezeichnet. Wenn der Festkörper-Laserstab angeregt wird, wird Wärme erzeugt. Der Festkörper-Laserstab wird daher mit einem Kühlmittel gekühlt, das an seiner Seite angeordnet ist. Wärme wird über den Querschnitt des Festkörper-Laserstabs verteilt. Dies führt zu einer Temperaturdifferenz, die eine Verteilung von Brechungsindizes bewirkt. Insbesondere wirkt, wenn der Festkörper-Laserstab durch ein isotropes Medium realisiert ist, das aus einem isotropen Kristall aus Yttrium-Aluminium-Granat (Y₃A₁₅O₁₂) mit einem daran angefügten Atom aus Neodym (Nd) besteht (nachfolgend Nd:YAG), der Festkörper-Laserstab als eine konvexe Linse (die als eine Wärmelinse bezeichnet werden kann) relativ zu dem Laserlicht. Wenn die Leistung von Anregungslicht erhöht wird, wird der Wärmelinseneffekt intensiviert (die Brennweite des Festkörper-Laserstabs wird kürzer).
Wenn ein Lasermedium irgendeine Art von Doppelbrechung bewirkt, liefert der von dem Lasermedium ausgeübte Wärmelinseneffekt auch einen Doppellinseneffekt. Für das Entwerfen eines Resonators, der in der Lage ist, transversales Monomodelicht zu erzeugen, müssen die Stabilitätskriterien des Resonators unter Berücksichtigung des Doppellinseneffekts bestimmt werden. Nd:YAG ist ein isotroper Kristall. Jedoch tritt eine Doppelbrechung auf aufgrund eines fotoelastischen Effekts, der sich auf eine von der Temperaturverteilung herrührende Belastung bezieht. Insbesondere tritt, wenn ein stabförmiges Lasermedium verwendet wird, eine Doppelbrechung aufgrund radialer Polarisation oder peripherer Polarisation auf.
Um den vorgenannten Nachteil zu beseitigen, werden zwei in gleicher Weise angeregte stabförmige Lasermedien, d.h., zwei in gleicher Weise angeregte Festkörper-Laserstäbe verwendet, und ein optischer 90°-Rotator wird zwischen den Stäben angeordnet. Die von den Stäben angebotenen Brennweiten, die durch den Wärmelinseneffekt beeinträchtigt sind, werden hierdurch gemittelt. Diese Technik hat sich als wirksam erwiesen.
Eine Resonator, der wirksam ist, um transversales Monomodelicht hoher Leistung mit hohem Wirkungsgrad zu erzeugen, muss in einer solchen Weise entworfen werden, dass, wenn ein als eine Modusauswahlöffnung dienender Nd:YAG-Stab von seiner Seitenfläche aus angeregt wird, der Strahlenradius von aus dem Stab kommenden Lichts optimal wird mit Anwendung von Anregungslicht maximaler Leistung. Andererseits wird, wenn die Leistung des Anregungslichts erhöht wird, der Wärmelinseneffekt intensiviert. Zu dieser Zeit wird ein Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne, in welcher die Stabilitätskriterien des Resonators gesetzt sind, im umgekehrten Verhältnis zum Quadrat des Strahlenradius kleiner. Es wird schwierig, die Stabilitätskriterien in dem kleinen Bereich von Werten beizubehalten, trotz Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung. Um eine transversale Monomode-Laseroszillation zu erreichen, muss der Strahlenradius so groß sein wie der Durchmesser des als die Modusauswahlöffnung dienenden Stabs. Daher ist es schwierig, eine Laseroszillation zu erreichen durch Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung, da die Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung den Wärmelinseneffekt intensiviert. Eine transversale Monomode- Laseroszillation ist daher begrenzt auf eine Laseroszillation, die für die Erzeugung von Laserlicht niedriger Leistung durchzuführen ist mit Anwendung von Anregungslicht niedriger Leistung, da der Wärmelinseneffekt mit Anwendung von Anregungslicht niedriger Leistung unterdrückt bleibt.
Als ein Lösungsmittel wird eine Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung wie eine Linse oder ein gekrümmter Spiegel in einem Resonator angeordnet. Hierdurch beabsichtigt, einen Aktionspunkt in der Stabilitätsdomäne zu verschieben, der die Stabilitätskriterien des Resonators anzeigt, in einen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne, der die Stabilitätskriterien hiervon anzeigt für das Einwirken auf die Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung. In diesem Fall kann, da der intensive Wärmelinseneffekt, der von der Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung stammt, kompensiert ist, eine Laseroszillation durch Anwendung von Anregungslicht niedriger Leistung nicht erzielt werden. Darüber hinaus wird, wenn der Wärmelinseneffekt intensiviert wird, der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne, in der die Stabilitätskriterien des Resonators gesetzt werden können, im umgekehrten Verhältnis des Quadrats des Strahlenradius von Laserlicht kleiner. Wenn daher Anregungslicht hoher Leistung angewendet wird, sind die Stabilitätskriterien des Resonators auf einen kleineren Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne beschränkt. Eine Differenz von Schwellenwertleistung des Anregungslichts zu der Leistung, die zu einem maximalen Laserausgangssignal führt, wird verringert. Eine leichte Veränderung der Leistung des Anregungslichts kann vermutlich eine große Änderung im Laserausgangssignal bewirken. Unter diesem Gesichtspunkt wurde gedacht, dass eine Laseroszillation zum Erzeu gen von transversalem Monomodelicht mit hoher Durchschnittsleistung schwierig zu realisieren ist, da der intensive Wärmelinseneffekt, der durch die Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung bewirkt wird, kompensiert werden muss.
11 zeigt die Ausbildung eines bekannten Resonators für transversalen Monomodus, der beispielsweise in "Solid-state Laser Engineering", geschrieben von Walter Koechner (4. Ausgabe, Springer Series in Optical Science, Band 1, S. 215) beschrieben ist. In 11 gezeigt sind ein Resonator 101 für transversalen Monomodus, eine erste Anregungsquelle 103-1, eine zweite Anregungsquelle 103-2, ein erster Festkörper-Laserstab 104-1, ein zweiter Festkörper-Laserstab 104-2, ein optischer 90°-Rotator 105, ein Reflexionsmittel 107, ein Teilreflexionsmittel 108, eine Brewster-Platte 109, transversales Monomodelicht 130 und transversales Monomode-Ausgangslicht 131.
Gemäß 1 sind der erste Festkörper-Laserstab 104-1 und der zweite Festkörper-Laserstab 104-2 gegenseitig koaxial parallel zueinander angeordnet. Der erste Festkörper-Laserstab 104-1 und der zweite Festkörper-Laserstab 104-2 absorbieren Anregungslicht, das von der ersten Anregungsquelle 103-1 und der zweiten Anregungsquelle 103-2 emittiert ist, die sich jeweils neben den zugeordneten Festkörper-Laserstäben befinden. Der erste Festkörper-Laserstab 104-1 und der zweite Festkörper-Laserstab 104-2 werden so angeregt. Der optische 90°-Rotator 105 ist zwischen dem ersten Festkörper-Laserstab 104-1 und dem zweiten Festkörper-Laserstab 104-2 und koaxial mit den Festkörper-Laserstäben angeordnet. Der erste Festkörper-Laserstab 104-1 und der zweite Festkörper-Laserstab 104-2 sind durch Nd:YAG-Laser realisiert. Wenn die Festkörper-Laserstäbe von den Anregungsquellen angeregt werden, bewirken sie einen Wärmelinseneffekt oder einen Wärmedoppellinseneffekt. Der Einschluss der beiden Festkörper-Laserstäbe und des optischen 90°-Rotators ermöglicht die Kompensation des Wärmedoppellinseneffekts.
Die Reflektionsmittel 107 und die Teilreflexionsmittel 108 sind koaxial mit Festkörper-Laserstäben und senkrecht außerhalb der beiden Festkörper-Laserstäbe angeordnet. Die Reflexionsmittel 107 haben eine konvexe reflektierende Oberfläche, während die Teilreflexionsmittel 108 eine konkave teilreflektierende Oberfläche haben. Die Reflexionsmittel 107 und die Teilreflexionsmittel 108 kompensieren die von den beiden Festkörper-Laserstäben bewirkten Wärmelinseneffekte. Ein Teil des transversalen Monomodelichts, das zwischen den Reflexionsmitteln 107 und den Teilreflexionsmitteln 108 umläuft und durch die Festkörper-Laserstäbe verstärkt wurde, wird von den Teilreflexionsmitteln 108 durchgelassen. Folglich wird das transversale Monomode-Ausgangslicht 131 als ein Laserausgangssignal des transversalen Monomoderesonators 101 erhalten. Die Brewster-Platte 109 befindet sich auf der optischen Achse des transversalen Monomoderesonators, während es um einen Brewster-Winkel mit Bezug auf die optische Achse des transversalen Monomoderesonators geneigt ist. Das transversale Monomodelicht hat eine hiervon ausgewählte linear polarisierte Lichtkomponente. Das transversale Monomode-Ausgangslicht 131 ist daher linear polarisiertes Licht.
Bei dem in 11 gezeigten Stand der Technik sind ein Abstand zwischen dem ersten Festkörper-Laserstab 104-1 und den Reflexionsmitteln 107, ein Abstand zwi schen dem zweiten Festkörper-Laserstab 104-2 und den Teilreflexionsmitteln 108, die Krümmung der konvexen Oberfläche der Reflexionsmittel 107 und die Krümmung der konkaven Oberfläche der Teilreflexionsmittel 108 beliebig geändert. Somit wird der Strahlenradius des aus den Festkörper-Laserstäben austretenden Monomodelichts nahezu gleich dem Radius der Festkörper-Laserstäbe gemacht. Der transversale Monomoderesonator ist somit zur Erzeugung von transversalem Monomodelicht ausgebildet.
Jedoch ist bei der vorbeschriebenen Ausbildung der Wärmedoppellinseneffekt nicht vollständig kompensiert aus einigen Gründen. Einer der Gründe besteht darin, dass die Ausbildung des Resonators asymmetrisch ist. Der Wärmelinseneffekt wird in einer radialen Richtung und einer peripheren Richtung relativ zu einem Querschnitt jedes Festkörper-Laserstabs bewirkt. Da der radial und der periphere Wärmelinseneffekt bewirkt werden, werden die Stabilitätskriterien des Resonators so gesetzt, dass sie in unterschiedliche Bereiche von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen. Es wird angenommen, dass die Leistung des Anregungslichts, das für die Festkörper-Laserstäbe anzuwenden ist, niedrig ist, und dass die durch die Festkörper-Laserstäbe bewirkten Wärmelinseneffekte schwach sind. In diesem Fall kann der Strahlenradius von aus den Festkörper-Laserstäben austretenden transversalen Monomodelicht so groß wie der Radios der Festkörper-Laserstäbe gemacht werden, um ein transversale Monomode-Ausgangssignal zu erhalten. Wie vorstehend erwähnt ist, sind die Stabilitätskriterien des Resonators in den unterschiedlichen Bereichen von Werten in der Stabilitätsdomäne unter Berücksichtigung des radialen und des peripheren Wärmelinseneffekts gesetzt. Die unterschiedlichen Bereiche von Werten in der Sta bilitätsdomäne sind in großem Maße überlappend. Nachdem der radiale und der periphere Wärmelinseneffekt kompensiert sind, kann eine transversale Monomode-Laseroszillation erreicht werden mit den Stabilitätskriterien, die so gesetzt sind, dass sie in einen gemeinsamen Bereich zwischen dem überlappenden Bereich von Werten fallen. Demgegenüber wird angenommen, dass die Leistung von Anregungslicht, das für die Festkörper-Laserstäbe anzuwenden ist, hoch ist und dass die durch die Festkörper-Laserstäbe bewirkten Wärmelinseneffekte intensiv sind. Um ein transversales Monomode-Ausgangssignal zu erhalten, wird der Strahlenradius von aus den Festkörper-Laserstäben austretendem transversalem Monomodelicht so groß wie der Radius der Festkörper-Laserstäbe gemacht. Wie vorstehend erwähnt ist, sind, da die Wärmelinseneffekte intensiv sind, die Stabilitätskriterien des Resonators auf einen kleinen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne beschränkt. Darüber hinaus müssen die Stabilitätskriterien des Resonators so gesetzt werden, dass sie in verschiedene Bereiche von Werten in der Stabilitätsdomäne unter Berücksichtigung des radialen und des peripheren Wärmelinseneffekts fallen. Da die verschiedenen Bereiche von Werten etwas überlappen, ist ein gemeinsamer Bereich zwischen den überlappenden Bereichen von Werten sehr klein. Folglich sind die Stabilitätskriterien des transversalen Monomoderesonators auf den sehr kleinen Bereich von Werten beschränkt. Es daher schwierig, eine Laseroszillation zu erzielen.
Die Stabilitätskriterien des transversalen Monomoderesonators werden in den kleinen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne so gesetzt, dass der Resonator bei Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung optimal arbeitet. Daher ist eine Differenz zwischen der Leistung von Anregungslicht, die eine Laseroszillation ermöglicht, und der Leistung von Anregungslicht, die erforderlich ist, um ein maximales Laserausgangssignal zu erhalten, sehr klein. Ein Laserausgangssignal ist daher ziemlich empfindlich bei einer kleinen Veränderung der Leistung des Anregungslichts, und weniger stabil.
Wie vorstehend erwähnt ist, sind unter der Annahme, dass der in 11 gezeigte bezogene transversale Monomoderesonator verwendet wird zur Bildung eines Festkörper-Laseroszillators, nachdem die intensiven Wärmelinseneffekte, die durch die Festkörper-Laserstäbe als Antwort auf die Anwendung von hoher Anregungsleistung bewirkt werden, kompensiert sind, die Stabilitätskriterien des Resonators auf einen engen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne beschränkt. Folglich ist eine Laseroszillation schwierig zu erzielen. Selbst wenn eine Laseroszillation versucht wird, ist ein Laserausgangssignal empfindlich gegenüber einer leichten Veränderung der Leistung des Anregungslichts und wenig stabil.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Festkörper-Laseroszillator vorzusehen, der in der Lage ist, transversales Monomode-Ausgangslicht mit hoher Durchschnittsleistung auf einer hochstabilen Basis zu erzeugen, wobei die Stabilitätskriterien einer Resonators so gesetzt sind, dass sie in einen weiten Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen. Hier besteht ein transversaler Monomoderesonator aus zwei Festkörper-Laserstäben, zwei Festkörper-Laserstabmodulen, einem optischen 90°-Rotator, zwei Wärmelinsen- Kompensationsvorrichtungen, einer Reflexionsvorrichtung, einer Teilreflexionsvorrichtung, einer Leistungszuführung für das Betreiben einer Anregungsquelle, einer Stromzuführungsleitung, einer Stromzuführungs-Steuervorrichtung, einer Steuerstromleitung, einer Parametereingabevorrichtung und einer Setzsignalleitung.
Angesichts der vorstehenden Aufgabe weist der Festkörper-Laseroszillator mit einem transversalen Monomoderesonator gemäß der vorliegenden Erfindung auf: jede Anzahl von Festkörper-Laserstäben, die koaxial parallel zueinander angeordnet sind, im angeregten Zustand Licht abstrahlen und das Licht durch stimulierte Emission verstärken; jede Anzahl von Festkörper-Laserstab-Anregungsmitteln zum Anregen der jeden Anzahl von Festkörper-Laserstäben; jede Anzahl von optischen 90°-Rotatoren, die koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und zwischen der jeden Anzahl von Festkörper-Laserstäben angeordnet sind, wobei sie eine Komponente des in der axialen Richtung erzeugten Lichts drehen; jede Anzahl von Wärmelinsen-Kompensationsmitteln, die koaxial mit den Festkörper-Laserstäben angeordnet sind und sich an jeder beliebigen Position befinden; eine Reflexionsvorrichtung und eine Teilreflexionsvorrichtung, die koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und außerhalb aller Festkörper-Laserstäbe und Wärmelinsen-Kompensationsmittel angeordnet sind, um die axial erzeugte Komponente des Lichts fortzupflanzen; und eine Anregungsquellen-Treibervorrichtung zum Betreiben der in den Festkörper-Laserstab-Anregungsvorrichtungen enthaltenen Anregungsquellen durch einen Treiberstrom, wobei eine Komponente der Lichtkomponente, die zwischen der Reflexionsvorrichtung und der Teilreflexionsvorrichtung fortgepflanzt wird, durch die Teilreflexionsmittel durchgelassen und als transversales Monomode-Laserlicht ausgegeben wird. Weiterhin ist eine Vorrichtung zum Empfangen von innerhalb des Resonators oszillierendem Laserlicht so vorgesehen, dass durch Rückkopplung eines erfassten Wertes des Laserlichts der Treiberstrom gesteuert wird auf der Grundlage der Zunahme und Abnahme der Wärmelinse aufgrund einer Änderung des Laserlichts.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird augenscheinlicher anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gegeben wird, in denen:
1 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators, der kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, aber nützlich für deren Verständnis ist;
2 ist ein Diagramm, das Laserausgangssignal eines transversalen Monomoderesonators mit hoher Durchschnittsleistung gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 1 sowie das Verhältnis des Strahlenradius des aus einem Festkörper-Lasermedium austretenden transversalen Monomodelichts zu dem Radius des Festkörper-Lasermediums zeigt;
3A bis 3D sind Diagramme, die die Zeit des schrittweisen Anstiegs und die Zeit eines kontinuierlichen Anstiegs eines Treiberstroms mit einer Geschwindigkeit, die durch die Nei gung einer Kurve angezeigt ist, zeigen;
4 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 zeigt ein anderes Beispiel für die Ausbildung einer Steuervorrichtung für das Schalten eines optischen Pfades, die in dem in 6 gezeigten Festkörper-Laseroszillator enthalten ist;
8 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt ein anderes Beispiel für die Ausbildung einer Steuervorrichtung für das Schalten eines optischen Pfades, die in dem in 8 Festkörper-Laseroszillators enthalten ist;
10 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
11 zeigt die Konfiguration eines bekannten transversalen Monomoderesonators.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
1 zeigt ein Beispiel für die Konfiguration eines Festkörper-Laseroszillators, der kein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist. In 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Festkörper-Laseroszillator, 2 bezeichnet einen transversalen Monomoderesonator mit hoher Durchschnittsleistung, 3 bezeichnet Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule enthaltend ein erstes Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-1 und ein zweites Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-2. Die Bezugszahl 4 bezeichnet Festkörper-Laserstäbe 4 enthaltend einen ersten Festkörper-Laserstab 4-1 und einen zweiten Festkörper-Laserstab 4-2. Die Bezugszahl 5 bezeichnet einen optischen 90°-Rotator, 6 bezeichnet eine Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung enthaltend eine erste konkave Linse 6-1 und eine zweite konkave Linse 6-2. Die Bezugszahl 7 bezeichnet eine Reflexionsvorrichtung, 8 ist eine Teilreflexionsvorrichtung, 20 ist eine Anregungsquellen-Treibervorrichtung, 21 ist eine Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung, 22 ist eine Zuführungsstrom-Steuervorrichtung, 23 ist eine Parametereingabevorrichtung, 30 ist ein transversales Monomodelicht, 31 ist ein transversales Monomode-Ausgangslicht, 40 sind Zuführungsstromleitungen, 41 ist eine Steuersignalleitung, 42 ist eine Setzsignalleitung.
In 1 ist ein Festkörper-Laseroszillator 1 gezeigt, der hauptsächlich aus einem transversalen Monomoderesonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung und einer Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20 besteht. Der transversale Monomoderesonator 2 besteht aus Festkörper-Laserstab-Anregungsmodulen 3, Festkörper-Laserstäben 4, einem optischen 90°-Rotator 5, einer Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung 6, einer Reflexionsvorrichtung 7 und einer Teilreflexionsvorrichtung 8. Die Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20 besteht aus einer Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21, einer Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22, einer Parametereingabevorrichtung 23, Zuführungsstromleitungen 40, einer Steuersignalleitung 41 und einer Setzsignalleitung 42. Die Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule 3 bestehen aus einem ersten Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-1 und einem zweiten Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-2. Die Festkörper-Laserstäbe 4 bestehen aus einem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 und einem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2. Die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung 6 wird durch eine erste konkave Linse 6-1 und eine zweite konkave Linse 6-2 realisiert.
Wie vorstehend beschrieben ist, enthalten die Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule 3 das erste Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-1 und das zweite Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-2. Die Festkörper-Laserstäbe 4 enthalten den ersten Festkörper-Laserstab 4-1 und den zweiten Festkörper-Laserstab 4-2. Die Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule 3 sind Vorrichtungen mit einer Anregungsquelle, die Licht abstrahlt, das zum Anregen der Festkörper-Laserstäbe 4 verwendet wird. Die Anregungsquelle kann durch eine Laserdiode realisiert sein. Ein durch die Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 zugeführter Treiberstrom wird über die Zuführungsstromleitungen 40 zu den Festkörper-Laserstab-Anregungsmodulen 3 geliefert. Der zugeführte Treiberstrom bewirkt, dass die Anregungsquellen Licht abstrahlen. Die Festkör per-Laserstäbe 4 absorbieren Anregungslicht und werden hierdurch angeregt. Eine Besetzungsumkehr tritt in den angeregten Festkörper-Laserstäben 4, wodurch eine Fluoreszenz stattfindet.
Der erste Festkörper-Laserstab 4-1 und der zweite Festkörper-Laserstab 4-2 sind koaxial und parallel zueinander angeordnet. Bei dem nachfolgend beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl der Festkörper-Laserstäbe 4 und der Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit zwei. Jedoch ist die Anzahl der Festkörper-Laserstäbe 4 und der Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule 3 nicht auf zwei beschränkt. Alternativ kann jede Anzahl von Festkörper-Laserstäben koaxial und parallel zueinander angeordnet sein, und jede Anzahl von Festkörper-Laserstab-Anregungsmodulen 3 kann enthalten sein. Darüber hinaus sind die Reflexionsvorrichtung 7 und die Teilreflexionsvorrichtung 8, die in dem transversalen Monomoderesonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung enthaltene Resonatorspiegel sind, senkrecht zu der Richtung der Achsen der Festkörper-Laserstäbe 4 angeordnet. Die Reflexionsvorrichtung 7 und die Teilreflexionsvorrichtung 8 sind in der axialen Richtung außerhalb der beiden Festkörper-Laserstäbe 4 angeordnet. Die Reflexionsvorrichtung 7 hat die Eigenschaft zum hochwirksamen Reflektieren von Licht mit derselben Wellenlänge wie der von Laserlicht, und sie kann realisiert werden durch einen vollständig reflektierenden Spiegel mit einer vollständig reflektierenden Beschichtung, die auf eine Oberfläche hiervon aufgebracht ist und vollständig Licht mit derselben Wellenlänge wie der von Laserlicht reflektiert. Die Teilreflexionsvorrichtung 8 hat die Eigenschaft zum Reflektieren eines Teils von Licht, das dieselbe Wellenlänge wie Laserlicht hat. Die Teilreflexionsvorrichtung 8 kann realisiert sein durch einen Teilreflexionsspiegel mit einer Teilreflexionsbeschichtung, die auf eine Oberfläche hiervon aufgebracht ist und einen Teil des Lichts mit derselben Wellenlänge wie der von Laserlicht reflektiert.
Eine von den angeregten Stäbe abgestrahlte Lichtkomponente pflanzt sich in einer Richtung parallel zu der Richtung der Achsen der beiden Festkörper-Laserstäbe 4 und senkrecht zu der Reflexionsvorrichtung 7 und der Teilreflexionsvorrichtung 8 fort. Die Lichtkomponente läuft um aufgrund der Reflexionsvorrichtung 7 und der Teilreflexionsvorrichtung 8 und geht viele Male durch die Festkörper-Laserstäbe 4 hindurch. Dies bewirkt, dass eine stimulierte Emission in den angeregten Stäben stattfindet. Ein Lichtausgangssignal wird daher verstärkt. Schließlich wird ein großes Lichtausgangssignal erhalten. Die Festkörper-Laserstäbe 4 werden mit Licht konstanter Leistung angeregt. Wenn ein Lichtausgabesignal erhalten wird, nimmt eine durch die Festkörper-Laserstäbe 4 erzeugte. Verstärkung ab. Folglich sind ein Verlust von Licht, der auftritt, während das Licht in dem Resonator umläuft, und eine Abnahme der Verstärkung, die durch Vorsehen eines Lichtausgangssignals bewirkt wird, gut ausgeglichen mit einer durch Anregung bewirkten Zunahme der Verstärkung. Eine Komponente des durch die Teilreflexionsvorrichtung durchgelassen Lichtausgangssignals wird als ein Laserausgangssignal zugeführt.
Ein in einer radialen Richtung relativ zu einem Querschnitt der Festkörper-Laserstäbe 4 wirkender Wärmelinseneffekt ist unterschiedlich gegenüber einem in der peripheren Richtung wirkender Wärmelinseneffekt.
Der Wärmelinseneffekt kann als ein Wärmedoppellinseneffekt bezeichnet werden. Ein durch die Festkörper-Laserstäbe 4 hindurchgegangenes und durch diese verstärktes Ausgangslicht ist dem Astigmatismus unterworfen. Um den Astigmatismus zu verringern, ist der optische 90°-Rotator 5 zwischen dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 und dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 in der Richtung der Achsen der Festkörper-Laserstäbe angeordnet. Folglich wird in einer radialen Richtung durch den ersten Festkörper-Laserstab 4-1 polarisiertes Laserlicht durch den zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 in einer peripheren Richtung polarisiert. Mit anderen Worten, das Laserlicht wird innerhalb des ersten Festkörper-Laserstabs 4-1 dem radialen Wärmelinseneffekt unterzogen und in dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 dem peripheren Wärmelinseneffekt unterzogen. In gleicher Weise wird durch den ersten Festkörper-Laserstab 4-1 in der peripheren Richtung polarisiertes Laserlicht durch den zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 in der radialen Richtung polarisiert. Das Laserlicht wird innerhalb des ersten Festkörper-Laserstabs 4-1 dem peripheren Wärmelinseneffekt unterzogen und in dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 dem radialen Wärmelinseneffekt unterzogen. Aufgrund der beiden in gleicher Weise angeregten Festkörper-Laserstäbe 4 und des optischen 90°-Rotators 5, der zwischen den beiden Festkörper-Laserstäben 4 angeordnet ist, werden die Wärmedoppellinseneffekte, die in den radialen und peripheren Richtungen auftreten, ausgeglichen. Wenn ein Anregungslicht hoher Leistung zugeführt wird, wird der Strahlenradius so groß wie der Radius der Stäbe gemacht. Obgleich die Stabilitätskriterien des Resonators auf einen engen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne beschränkt sind, können die Stabilitätskriterien so gesetzt werden, dass sie in denselben Bereich von Werten ungeachtet der peripheren und radialen Wärmelinseneffekte fallen. Folglich können die Stabilitätskriterien des Resonators so gesetzt werden, dass sie in den größtmöglichen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen.
Wenn ein gesamtes Lasermedium gemäß dem Seitenanregungsverfahren angeregt wird, anders, als wenn es gemäß dem Endanregungsverfahren durchgeführt wird, ist es unmöglich, den transversalen Monomodus durch Begrenzen einer Verstärkung auszuwählen. In einem Resonator, der ein gemäß dem Seitenanregungsverfahren anzuregendes Lasermedium verwendet, ist eine Öffnung mit derselben Größe wie den Strahlenradius des Monomodenlichts in dem Resonator definiert. Der transversale Monomodus wird somit ausgewählt durch Verwendung einer Differenz eines Lichtverlusts zwischen Moden. Die Öffnung, die die Modusauswahlöffnung ist, wird mit dem Ende des Lasermediums selbst so realisiert, dass angeregte Energie aus dem Lasermedium mit dem höchstmöglichen Wirkungsgrad herausgezogen werden kann.
Für den Entwurf eines Resonators, bei dem ein Nd:YAG-Stab gemäß der Seitenanregung angeregt wird, wird eine Laseroszillation erreicht zum wirksamen Erzeugen von transversalem Monomodemlicht hoher Leistung, das Ende des Stabs selbst ist definiert als die Modusauswahlöffnung, und der Strahlenradius von aus dem Stab austretendem Licht wird optimal durch Anwendung von Anregungslicht mit maximaler Leistung. Wenn die Leistung von anregendem Licht erhöht wird, wird der Wärmelinseneffekt intensiviert. In diesem Fall wird ein Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne, in der die Stabilitätskriterien des Resonators gesetzt sind, in umgekehrtem Verhältnis zu dem Quadrat des Strah lenradius kleiner. Wenn der Strahlenradius so groß wie der Radius der Öffnung des Lasermediums gemacht ist, sind die Stabilitätskriterien des Resonators auf einen kleinen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne beschränkt. Es wird schwierig, die Stabilitätskriterien zufrieden stellend zu halten trotz Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung. Wenn eine Laseroszillation durchgeführt wird, um transversales Monomodenlicht zu erzeugen, muss der Strahlenradius so groß wie der Radius der Öffnung des Stabes, die das Ende des Stabes ist, sein. Die Laseroszillation kann daher nicht als Antwort auf die Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung erreicht werden, da die Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung den Wärmelinseneffekt intensiviert.
Als ein Lösungsmittel ist die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung 6 zum Kompensieren des Wärmelinseneffekts in den Resonator eingeschlossen. Hierdurch wird es möglich, einen Aktionspunkt in der Stabilitätsdomäne, der die Stabilitätskriterien des Resonators anzeigt, zu einem Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne zu verschieben, der den Stabilitätskriterien für den Betrieb bei der Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung genügt. Wenn die Festkörper-Laserstäbe 4 durch ND:YAG-Stäbe gebildet sind, sind die von den Stäben bewirkten Wärmelinseneffekte äquivalent einem Effekt einer konvexen Linse. Die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung 6 kann daher durch konkave Linsen realisiert werden. Alternativ kann die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung 6 durch zwei konvexe Linsen realisiert werden, die wirksam sind bei der Übertragung eines optischen Bildes. Die Anzahl der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen 6 ist nicht auf zwei beschränkt. Alternativ kann jede Anzahl Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen an je der Position und koaxial zu den Festkörper-Laserstäbe angeordnet werden.
Der in 1 gezeigte transversale Monomodenresonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung ist ein symmetrischer Resonator. Mit dem in der Mitte des Resonators angeordneten optischen 90°-Rotator 5 ist der Abstand von der Mitte zu dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 gleich dem Abstand hiervon zu dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2. Der erste Festkörper-Laserstab 4-1 und der zweite Festkörper-Laserstab 4-2 werden in gleicher Weise angeregt. Gleichermaßen ist der Abstand von der Mitte des Resonators, in der sich der optische 90°-Resonator 5 befindet, zu der ersten konkaven Linse 6-1 gleich dem Abstand hiervon zu der zweiten konkaven Linse 6-2. Darüber hinaus ist der Abstand von der Mitte der Reflexionsvorrichtung 7 gleich dem Abstand hiervon zu der Teilreflexionsvorrichtung 8. Obgleich die Wärmedoppellinseneffekte in den Festkörper-Laserstäben 4 auftreten, d.h., der radiale Wärmelinseneffekt und der periphere Wärmelinseneffekt treten in der radialen und der peripheren Richtung relativ zu einem Querschnitt der Stäbe auf, können die Stabilitätskriterien des Resonators so gesetzt werden, dass sie in denselben Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen. Somit können die Stabilitätskriterien so gesetzt werden, dass sie in den größtmöglichen Bereich von Werten fallen.
Wenn die Festkörper-Laserstäbe 4 unter Verwendung von Anregungslicht hoher Leistung angeregt werden, um Laserlicht mit hoher Durchschnittsleistung zu erzeugen, werden die in den Festkörper-Laserstäben auftretenden Wärmelinseneffekte stark intensiviert. Ein Strahlenradius, der das Vorsehen eines transversalen Monomoden-Ausgangssignals zulässt, stimmt mit einem Strah lenradius überein, der durch die Festkörper-Laserstäbe 4 bestimmt ist. Folglich sind die Stabilitätskriterien des Resonators auf einen sehr kleinen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne beschränkt. Nachdem die Wärmelinseneffekte oder die Wärmedoppellinseneffekte kompensiert sind, kann der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne zu einem Bereich von Werten verschoben werden, in welchem die Stabilitätskriterien als Antwort auf die Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung fallen. Nichts desto weniger ist der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne, innerhalb der die Stabilitätskriterien des Resonators gesetzt werden können, sehr klein.
Unter der Annahme, dass die Festkörper-Laserstäbe 4 durch Nd:YAG-Stäbe realisiert sind, wenn Laserlicht der Wellenlänge von 1,064 μm erzeugt wird, werden die Wärmelinseneffekte unterdrückt im Vergleich damit, wenn die Laseroszillation nicht durchgeführt wird. Die abgeleitete Wärmemenge, wenn die Laseroszillation nicht durchgeführt wird, wird als 22,2% der Wärme, die von in dem Lasermedium absorbiertem Anregungslichtstand, berechnet. Die während der Laseroszillation abgeleitete Wärmemenge wird als 24,1 berechnet, solange wie die Laseroszillation durchgeführt wird, um Laserlicht der Wellenlänge von 1064 nm unter Verwendung von Anregungslicht der Wellenlänge von 808 nm zu erzeugen. Es wird daher geschätzt, dass die während der Laseroszillation abgeleitete Wärmemenge etwas größer. Die während der Laseroszillation bewirkten Wärmelinseffekte können daher gleich denjenigen oder etwas intensiver als diejenigen sein, die bewirkt werden, wenn die Laseroszillation nicht durchgeführt wird. Jedoch haben Experimente gezeigt, dass die während der Laseroszillation bewirkten Wärmelinseneffekte um etwa 15 bis 30% schwächer sind als die jenigen, die bewirkt werden, wenn die Laseroszillation nicht durchgeführt wird.
Nachdem die Laseroszillation erzielt ist, wenn die Energie aus den Festkörper-Laserstäben 4 herausgezogen wird, klingen die Wärmelinseneffekte ab. Diese Erscheinung macht es möglich, die Stabilitätskriterien eines Resonators, der in einem transversalen Monomodeoszillator mit hoher Durchschnittsleistung enthalten ist, so zu setzen, dass die Stabilitätskriterien in einen weiteren Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen, obgleich der Bereich von Werten noch eng ist. Dieser Vorteil ist grafisch in 2 angezeigt. In 2 zeigt die Abszissenachse die Leistung von zu den Festkörper-Laserstäben zuzuführendem Anregungslicht an. Die erste Ordinatenachse (linke Achse) zeigt eine Laserausgangsleistung des transversalen Monomodenresonators 2 mit hoher Durchschnittsleistung an. Die zweite Ordinatenachse (rechte Achse) zeigt das Verhältnis des Radius des Lasermediums zu dem Strahlenradius des aus dem Lasermedium austretenden transversalen Monomodenlichts an. Wenn der Strahlenradius des transversalen Monomodenlichts größer als der Radius der Festkörper-Laserstäbe ist (das Verhältnis des Strahlenradius des transversalen Monomodenlichts zu dem Radius des Lasermediums übersteigt 1), ist der in dem Resonator auftretende Verlust von Licht sehr groß. Eine Laseroszillation wird nicht erreicht. Unter der Annahme, dass die Leistung von Anregungslicht äquivalent der Schwellenwertleistung ist (P = Pth), sind die Stabilitätskriterien des Resonators auf einen sehr engen Bereich von Werten (A) in der Stabilitätsdomäne beschränkt. Es wird angenommen, dass die Leistung von Anregungslicht in einem solchen Maße erhöht ist, dass die Stabilitätskriterien des Resonators nicht so gesetzt werden müssen, dass sie in einem Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen, der einen Bereich von Werten überschreitet, in welchen die Stabilitätskriterien fallen, wenn eine Laseroszillation nicht durchgeführt wird (P = P1). In diesem Fall werden, nachdem ein Laserausgangssignal erhalten ist, die intensiven Wärmelinseneffekte, die von den Festkörper-Laserstäben 4 bewirkt werden, wenn eine Laseroszillation nicht durchgeführt wird, unterdrückt. Folglich muss der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne zu einem Bereich von Werten (B) in der Stabilitätsdomäne verschoben werden, um dem Betrieb bei der Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung zu genügen. Somit wird die Leistung von Anregungslicht in einem solchen Maße erhöht, dass die Stabilitätskriterien des Resonators nicht so gesetzt werden müssen, dass sie augenblicklich in einem Bereich von Werten, der einen Bereich von Werten überschreitet, in den die Stabilitätskriterien fallen, fallen. Folglich wird ein größeres Laserausgangssignal erhalten. Daher werden die durch die Festkörper-Laserstäbe bewirkten Wärmelinseneffekte unterdrückt, und der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne wird zu dem Bereich von Werten verschoben, in welchen die Stabilitätskriterien als Antwort auf die Anwendung von Anregungslicht höherer Leistung fallen. Wenn ein großes Laserausgangssignal erhalten wird, nimmt eine durch die Festkörper-Laserstäbe 4 erzeugte Verstärkung ab. Das Ausgangssignal wird daher schließlich gesättigt. Wenn die Leistung von Anregungslicht, das ein maximales Laserausgangssignal (Pmax) vorsieht, weiter erhöht wird, werden die Wärmelinseneffekte nicht länger unterdrückt, da das Laserausgangssignal nicht erhöht wird. Ein Bereich (C) von Werten in der Stabilitätsdomäne braucht nicht zu einem Bereich von Werten verschoben zu werden, in den die Stabilitätskriterien als Ant wort auf die Anwendung von Anregungslicht höherer Leistung fallen. Da der Bereich von Werten sehr eng ist, wird der Strahlenradius sehr groß bei einer geringfügigen Zunahme der Leistung des Anregungslichts. Da der Strahlenradius groß ist, tritt ein hoher Lichtverlust auf während des Umlaufs in dem Resonator. Folglich wird das Laserausgangssignal herabgesetzt. Durch die Herabsetzung des Laserausgangssignals wird der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne zu einem Bereich von Werten verschoben, indem die Stabilitätskriterien als Antwort auf die Anwendung von Anregungslicht niedrigerer Leistung fallen. Folglich wird das Laserausgangssignal scharf reduziert.
Wie vorstehend erwähnt ist, werden die dynamischen Wärmelinseneffekte, die von den Festkörper-Laserstäben bewirkt und abhängig von einer Änderung in dem Laserausgangssignal sind, verwendet. Um eine transversale Monomoden-Laseroszillation zu erzielen, müssen die Stabilitätskriterien des Resonators so gesetzt sein, dass sie in einen engen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen. Nichts desto weniger kann der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne maximiert werden.
Im Allgemeinen wird ein Festkörper-Laserstab mit Seitenanregung von der Seitenfläche des Laserstabs aus gekühlt. Von dem Laserstab abgeleitete Wärme wird zu der gekühlten Seitenfläche geführt und nimmt dann ab. Unter diesem Gesichtspunkt wird eine Zeitkonstante τ, die als ein erforderlicher Zeitindex dient, bis der Laserstab zu einem stetigen Zustand zurückkehrt, ausgedrückt in Beziehung zu dem Material des Laserstabs, des Radius eines Querschnitts hiervon und einer Wärmeausbreitungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur wie folgt: τ = ro 2·cγ/Kworin r_o den Radius eines Querschnitts des Festkörper-Laserstabs bezeichnet, c die spezifische Wärme eines Materials, aus dem der Festkörper-Laserstab besteht, bezeichnet, γ die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem der Festkörper-Laserstab besteht, bezeichnet, und K die Temperatur des Materials, aus dem der Festkörper-Laserstab besteht, bezeichnet. Unter der Annahme, dass der Festkörper-Laserstab durch einen Nd:YAG-Stab mit einem Radius von 2,0 mm realisiert ist und die Temperatur 300 K beträgt, ist τ gleich 0,96 s. Darüber hinaus ist unter der Annahme, dass der Festkörper-Laserstab durch einen Nd:YAG-Stab mit einem Radius von 7,5 mm realisiert ist und die Temperatur 300 K beträgt, τ gleich 13,5 s. Wenn die Leistung des Anregungslichts erhöht wird oder ein Laserausgangssignal erhalten wird, ändert sich die von dem Festkörper-Laserstab abgeleitete Wärme. In diesem Fall bewirkt der Festkörper-Laserstab einen Wärmelinseneffekt mit stetigem Zustand in einer Zeit, die äquivalent der Zeitkonstanten τ ist. Die Leistung von Anregungslicht wird daher in einem solchen Maße angehoben, dass die Stabilitätskriterien des Resonators nicht so gesetzt werden müssen, dass sie in einen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen, der in einen Bereich von Werten fällt, in welchem die Stabilitätskriterien augenblicklich aufgrund des Wärmelinseneffekts fallen. Danach wird, wenn die der Zeitkonstanten τ äquivalente Zeit verstrichen ist, die Leistung des Anregungslichts weiter angehoben (ein Laserausgangssignal wird erhöht). Anderenfalls kann die Leistung von Anregungslicht angehoben werden, bis die Stabilitätskriterien des Resonators in den Bereich von Werten fallen, in welchem Stabilitätskriterien augenblicklich gesetzt werden aufgrund der Wärmelinseneffekte, indem die Zeit äquivalent der Zeitkonstanten τ genommen wird. Somit können die Stabilitätskriterien so gesetzt werden, dass sie in einen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne fallen, die getroffen werden müssen für einen Betrieb bei der Anwendung von Anregungslicht höherer Leistung.
Die in 1 gezeigten Ausbildung enthält die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22, die zum Steuern der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 so in der Lage ist, dass die Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 einen Treiberstrom, der zum Betreiben der Anregungsquellen verwendet wird, schrittweise anheben kann. Die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22 hebt den Treiberstrom schrittweise an. Alternativ kann die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22 den Treiberstrom mit einer bestimmten Geschwindigkeit kontinuierlich erhöhen. Selbst wenn die Anregungsquellen kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich betätigt werden, kann dieselbe Steuerung gegeben werden. 3A bis 3D zeigen einen schrittweisen Anstieg des Treiberstroms und einen kontinuierlichen Anstieg von diesem mit einer bestimmten Geschwindigkeit. 3A und 3C zeigen Diagramme, die den schrittweisen Anstieg des Treiberstroms anzeigen, während 3B und 3D Diagramme zeigen, die den kontinuierlichen Anstieg von diesen mit einer bestimmten Geschwindigkeit anzeigen. 3A und 3B zeigen Fälle, bei denen die Anregungsquellen kontinuierlich betätigt werden, während 3C und 3D Fälle zeigen, bei denen die Anregungsquellen quasi-kontinuierlich betätigt werden. Ein Treiberstrom Ith mit einem Schwellenwertpegel, der ermöglicht, dass der transversale Monomodenresonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung eine Laseroszillation erzielt, wird zu den Festkörper-Laserstäben 4 geführt. Der Treiberstrom wird um einen bestimmten Pegel in Intervallen einer Zeit τ nach dem Durchgang einer Entspannungszeit τ, die erforderlich ist, nachdem die Festkörper-Laserstäbe 4 Wärme ableiten, angehoben. Der Anstieg des Treiberstroms ist kleiner als die Breite des Bereichs von Werten in der Stabilitätsdomäne, in die die Stabilitätskriterien des transversalen Monomoderesonators 2 mit hoher Durchschnittsleistung augenblicklich fallen. Es wird nun angenommen, dass der Treiberstrom kontinuierlich mit einer bestimmten Geschwindigkeit erhöht wird. In diesem Fall wird der Treiberstrom eines Schwellenwertpegels, Ith, der ermöglicht, dass der transversale Monomodenresonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung eine Laseroszillation erzielt, zu den Festkörper-Laserstäben 4 geführt. Wenn die Entspannungszeit oder die Zeitkonstante τ, die die Festkörper-Laserstäbe 4 benötigen, um in den stetigen Zustand zurückzukehren, nachdem die Wärmeableitung verstrichen ist, wird der Treiberstrom mit einer bestimmten Geschwindigkeit oder einer niedrigeren Geschwindigkeit angehoben. Die Geschwindigkeit wird bestimmt durch die Breite des Bereichs von Werten in der Stabilitätsdomäne, in die die Stabilitätskriterien des transversalen Monomodenresonators 2 mit hoher Durchschnittsleistung augenblicklich fallen, und die Zeitkonstante τ. Dasselbe gilt für die Fälle, in denen die Anregungsquellen quasi-kontinuierlich betätigt werden. Steuerparameter, d.h., Treiberbedingungen sind ein augenblicklicher Anstieg ΔI des Treiberstroms, die Zeitkonstante τ und der Schwellenwertstrom Ith. Die Steuerparameter können beliebig bezeichnet werden unter Verwendung der Parametereingabevorrichtung 20 und über die Setzsignalleitung 42 zu der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22 übertragen werden.
Wie vorstehend beschrieben ist, besteht gemäß dem vorgenannten Ausführungsbeispiel der Festkörper-Laseroszillator 1 hauptsächlich aus dem transversalen Monomoderesonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung und der Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20. Der transversale Monomoderesonator 20 mit hoher Durchschnittsleistung besteht aus den beiden Festkörper-Laserstäben 4, den beiden Festkörper-Laserstabmodulen 3, dem optischen 90°-Rotator 5, den beiden Wärmelinsen-Kompensierungsvorrichtungen 6, der Reflexionsvorrichtung 7 und der Teilreflexionsvorrichtung 8. Die beiden Festkörper-Laserstäbe 4 sind koaxial parallel zueinander angeordnet. Die beiden Festkörper-Laserstabmodule 3 haben jeweils eine Anregungsquelle und regen die Festkörper-Laserstäbe 4 an. Der optische 90°-Rotator 5 ist koaxial mit den Festkörper-Laserstäben 4 angeordnet und befindet sich an einem Mittelpunkt zwischen den beiden Festkörper-Laserstäben 4. Die beiden Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen 6 befinden sich koaxial mit den Festkörper-Laserstäben 4 und sind außerhalb der Festkörper-Laserstäbe 4 angeordnet, während von diesen um denselben Abstand getrennt sind. Die Reflexionsvorrichtung 7 und die Teilreflexionsvorrichtung 8 sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben 4 und außerhalb der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen 6 angeordnet, während sie von diesen um denselben Abstand getrennt sind. Die Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20 besteht aus der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21, den Zuführungsstromleitungen 40, der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22, der Steuersignalleitung 41, der Parametereingabevorrichtung 23 und der Setzsignalleitung 42. Ein von der Anregungsquellen-Trei berleistungszuführung 21 zugeführter Treiberstrom wird mittels der Zuführungsstromleitungen 40 zu den Modulen 3 übertragen. Die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22 steuert die in der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 zu setzenden Treiberbedingungen. Ein von der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22 ausgegebenen Steuersignal wird zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 mittels der Steuersignalleitung 41 übertragen. Die unter Verwendung der Parametereingabevorrichtung 23 bezeichneten Treiberbedingungen werden mittels der Setzsignalleitung 42 zu der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22 übertragen. Wie vorstehend beschrieben ist, ist der transversale Monomoderesonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung ein symmetrischer Resonator. Die Wärmedoppellinseneffekte, d.h., die radialen Wärmelinseneffekte und die peripheren Wärmelinseneffekte, die in der radialen und der peripheren Richtung relativ zu den Querschnitten der Stäbe auftreten, werden von den Festkörper-Laserstäben 4 bewirkt. Nichtsdestoweniger können die Stabilitätskriterien des Resonators in demselben Bereichen von Werten in der Stabilitätsdomäne gesetzt werden. Folglich können Stabilitätskriterien in dem größtmöglichen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne gesetzt werden. Transversales Monomoden-Ausgangslicht 31 kann mit hoher Durchschnittsleistung auf einer hochstabilen Basis mit den Stabilitätskriterien des Resonators, die in dem großen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne gesetzt sind, geliefert werden.
Erstes Ausführungsbeispiel
4 zeigt die Konfiguration eines Festkörper-Laseroszillators gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 4 ist ein Fest körper-Laseroszillator 1A gezeigt, der hauptsächlich aus einem transversalen Monomoderesonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung und einer Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20A besteht. Die Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20A enthält einen Strahlenteiler 9, eine Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2, eine Lichtempfangsvorrichtung 24, eine Steuersignalleitung 41, eine Ausgangssignalleitung 43, eine Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 und Zuführungsstromleitungen 40. Die Bezugszahl 32 bezeichnet Abtastlicht. Die anderen Komponenten sind identisch mit denjenigen des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels. Dieselben Bezugszahlen sind den Komponenten zugewiesen, und die Beschreibung der Komponenten wird weggelassen.
Transversales Monomodelicht 31, das von dem transversalen Monomoderesonator 2A mit hoher Durchschnittsleistung geliefert wird, wird teilweise von dem Strahlenteiler 9 reflektiert. Abtastlicht 32, das reflektiertes Licht ist, wird von der Lichtempfangsvorrichtung 24 empfangen. Ein dem empfangenen Licht proportionales elektrisches Signal wird über die Ausgangssignalleitung 43 zu der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 übertragen. Die Lichtempfangsvorrichtung 24 ist beispielsweise durch eine Fotodiode realisiert, die mit einer hohen Geschwindigkeit arbeitet. Das dem Abtastlicht 32 proportionale elektrische Signal wird verwendet, um eine Differentiation innerhalb der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 durchzuführen. Wenn das transversale Monomodelicht 31 im Verlauf der Zeit zunimmt, nimmt ein aus der Differentiation resultierendes Signal, d.h., ein Differentialsignal, einen positiven Pegel an. Wenn das transversale Monomodelicht 31 im Verlauf der Zeit abnimmt, nimmt das Differenzialsignal einen negativen Pegel an. Innerhalb der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 wird ein zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 geführter Treiberstrom der Differentiation unterzogen. Wenn der Treiberstrom zunimmt, nimmt ein Signal, das sich aus der Differentiation ergibt, d.h., ein Differenzialsignal einen positiven Wert an. Wenn der Treiberstrom abnimmt, nimmt das Differenzialsignal einen negativen Wert an.
Wenn das Differenzialsignal des Treiberstroms und das Differenzialsignal des dem Abtastlicht proportionalen elektrischen Signals positiv sind, sendet die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 ein Steuersignal über die Steuersignalleitung 41 zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21, um den Treiberstrom zu erhöhen. Wenn das Differenzialsignal des Treiberstroms positiv ist, aber das Differenzialsignal des dem Abtastlicht proportionalen elektrischen Signals negativ ist, wird ein Steuersignal über die Steuersignalleitung 41 zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 gesandt, um den Treiberstrom herabzusetzen. Wenn das Differenzialsignal des Treiberstroms negativ ist, aber das Differenzialsignal des zu dem Abtastlicht proportionalen elektrischen Signals positiv ist, wird ein Steuersignal über die Steuerleitung 41 zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 gesandt, um den Treiberstrom herabzusetzen. Wenn das Differenzialsignal des Treiberstroms und das Differenzialsignal des zu dem Abtastlicht proportionalen elektrischen Signals negativ sind, wird ein Steuersignal über die Steuersignalleitung 41 zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 gesandt, um den Treiberstrom zu erhöhen.
Nachdem die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 ein Steuersignal, das eine Erhöhung oder Verringerung des Treiberstroms anweist, zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 übertragen hat, variiert das transversale Monomode-Ausgangslicht 31. Danach verstreicht eine bestimmte Zeit, bevor das dem Abtastlicht 32 proportionale elektrische Signal der Differentiation unterzogen wird. Das Differenzialsignal des Treiberstroms und das Differenzialsignal des dem Abtastlicht proportionalen elektrischen Signals werden daher um eine geeignete Zeit verzögert. Danach wird festgestellt, ob das Differenzialsignal des Treiberstroms und das Differenzsignal des dem Abtastlicht proportionalen elektrischen Signals positiv oder negativ sind. Die Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20 misst eine durch eine Zunahme oder Abnahme des Treiberstroms bewirkte Zunahme oder Abnahme des transversalen Monomode-Ausgangslichts 31 und führt das Messergebnis zurück. Folglich kann eine Laseroszillation erzielt werden mit den Stabilitätskriterien des transversalen Monomoderesonators 2A mit hoher Durchschnittsleistung, die nicht von dem engen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne abweichen. Wenn sich jedoch die von den Festkörper-Laserstäben 4 bewirkten Wärmelinseneffekte ändern aufgrund der Zuführung eines Laserausgangssignals, kann der Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne verschoben werden. Selbst in diesem Fall kann das transversale Monomode-Ausgangslicht 31 erzeugt werden mit den Stabilitätskriterien des Resonators, die nicht von der Stabilitätsdomäne abweichen.
Wie vorstehend erwähnt ist, besteht gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20 aus dem Strahlenteiler 9, der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21, der Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2, der Lichtemp fangsvorrichtung 24, der Steuersignalleitung 41 und der Ausgangssignalleitung 43. Die Anregungsquellen-Treibervorrichtung arbeitet mit dem Abtastlicht 32. Eine Zunahme oder Abnahme des transversalen Monomode-Ausgangslichts 31, die von einer Zunahme oder Abnahme des Treiberstroms abgeleitet ist, wird gemessen und zurückgeführt. Eine Laseroszillation kann erzielt werden, wobei die Stabilitätskriterien des Resonators nicht von der Stabilitätsdomäne abweichen. Das transversale Monomode-Ausgangslicht 31 mit hoher Durchschnittsleistung kann auf einer hochstabilen Basis erzeugt werden, wobei die Stabilitätskriterien des Resonators in einem großen Bereich von Werten in der Stabilitätsdomäne gesetzt sind.
Zweites Ausführungsbeispiel
5 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 5 ist ein Festkörper-Laseroszillator 1B gezeigt mit einer ersten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2, einer zweiten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-3, einer Differentiationssignalleitung 47 und einer Beurteilungssignalleitung 48. Die Bezugszahl 33 bezeichnet entwichenes Licht.
Der transversale Monomoderesonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung hat die Reflexionsvorrichtung 7 und die Teilreflexionsvorrichtung 8 als Resonatorspiegel. Von dem Teilreflexionsspiegel 8 übertragenes Licht wird als transversales Monomode-Ausgangslicht 31 geliefert. Die Reflexionsvorrichtung 7 hat die Eigenschaft des hochwirksamen Reflektierens von Licht, das dieselbe Wellenlänge wie Laserlicht hat. Jedoch ist das Reflexionsvermögen nicht 100, sondern in der Größenordnung von 99,5 bis 99,95. Entwichenes Licht 33, das proportional zu dem transversalen Monomodelicht 30 ist, wird daher von der ein hohes Reflexionsvermögen zeigenden Reflexionsvorrichtung 7 ausgegeben, obgleich die Menge des entwichenen Lichts 33 sehr klein ist. Das entwichene Licht 33 wird durch die Lichtempfangsvorrichtung 24 in ein elektrisches Signal umgewandelt, die beispielsweise durch eine Lichtempfangsvorrichtung, die mit einer hohen Geschwindigkeit arbeitet, realisiert ist, und wird dann über die Ausgangssignalleitung 43 zu der zweiten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-3 übertragen. Das zu dem entwichenen Licht 33 proportionale elektrische Signal wird in der zweiten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-3 der Differentiation unterzogen. Wenn das transversale Monomode-Ausgangslicht 31 im Verlauf der Zeit zunimmt, nimmt ein sich aus der Differentiation ergebendes Signal, d.h., ein Differenzialsignal, einen positiven Pegel an. Wenn das transversale Monomode-Ausgangslicht 31 im Verlauf der Zeit abnimmt, nimmt das Differenzialsignal einen negativen Pegel an.
Innerhalb der ersten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 wird ein zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 zu liefernder Treiberstrom der Differentiation unterzogen. Wenn der Treiberstrom zunimmt, wird ein positives Signal über die Differentiationssignalleitung 47 zu der zweiten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-3 ausgegeben. Wenn der Treiberstrom abnimmt, wird ein negatives Signal dorthin ausgegeben. Die zweite Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-3 stellt in derselben Weise wie ein bei dem ersten Ausführungsbeispiel verwendetes Gegenstück fest, ob das Differenzialsignal des Treiberstroms und das Differenzialsignal des zu dem entwichenen Licht 33 proportionalen elektrischen Signals positiv oder negativ sind. Die Ergebnisse der Feststellung werden über die Beurteilungssignalleitung 48 zu der ersten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 ausgegeben. Auf der Grundlage der Ergebnisse der Feststellung überträgt die erste Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 ein Steuersignal über die Steuersignalleitung 41 zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21, um den Treiberstrom zu erhöhen oder herabzusetzen. Die zweite Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-3 vergleicht somit das Differenzialsignal des Treiberstroms mit dem Differenzialsignal des zu dem entwichenen Licht 33 proportionalen elektrischen Signals. Ein Laserausgangssignal kann daher in derselben Weise wie der bei dem ersten Ausführungsbeispiel gesteuert werden. Selbst bei diesem Ausführungsbeispiel überträgt ähnlich wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 ein Steuersignal, das eine Zunahme oder Abnahme des Treiberstroms anweist, zu der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21. Das transversale Monomode-Ausgangslicht 31 wird als Antwort auf das Steuersignal verändert. Danach verstreicht eine bestimmte Zeit, bevor das zu dem empfangenen entwichenen Licht 33 proportionale elektrische Signal der Differentiation unterzogen wird. Aus diesem Grund werden das Differenzialsignal des Treiberstroms und das Differenzialsignal des zu dem entwichenen Licht proportionalen elektrischen Signals um eine geeignete Zeit verzögert, bevor festgestellt wird, ob sie positiv oder negativ sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung aus zwei Zuführungsstrom-Steuervorrichtungen 22-2 und 22-3 zusammengesetzt. Alternativ kann die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung eine einzelne Zuführungsstrom-Steuervorrichtung sein.
Wie vorstehend erwähnt ist, besteht gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel eine Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20B aus der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21, der ersten und der zweiten Zuführungsstrom-Steuervorrichtung 22-2 und 22-3, der Lichtempfangsvorrichtung 24, der Steuersignalleitung 41, der Ausgangssignalleitung 43, der Differentiationssignalleitung 47 und der Beurteilungssignalleitung 48. Die Anregungsquellen-Treibervorrichtung 20B arbeitet mit dem entwichenen Licht 33. Das zweite Ausführungsbeispiel hat daher dieselben Vorteile wie das erste Ausführungsbeispiel. Weiterhin wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel das entwichene Licht 33 unter Verwendung der Lichtempfangsvorrichtung 24 gesammelt und zur Steuerung verwendet. Die Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators 1 mit dem transversalen Monomoderesonator 2 mit hoher Durchschnittsleistung kann daher vereinfacht werden.
Drittes Ausführungsbeispiel
6 zeigt die Ausbildung eines Festkörper-Laseroszillators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 6 ist ein Festkörper-Laseroszillator 1C gezeigt, der hauptsächlich aus einem transversalen Monomoderesonator 2-1 mit hoher Durchschnittsleistung, einem transversalen Multimodenresonator 2-2 mit hoher Durchschnittsleistung, einer ersten Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad, einer zweiten Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad, einer Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 und einer Schaltsteuervorrichtung 25 für einen optischen Pfad besteht. Die Schaltsteuervorrichtung 25 für einen optischen Pfad besteht aus einer ersten Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1a, einer zweiten Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1b und einer Hochspannungs-Leistungszuführungs-Steuereinheit 25-2. Der Festkörper-Laseroszillator 1C enthält auch Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule 3, Festkörper-Laserstäbe 4, einen optischen 90°-Rotator 5, Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen 6, eine erste Reflexionsvorrichtung 7-1, eine zweite Reflexionsvorrichtung 7-2, eine Teilreflexionsvorrichtung 8-1 und eine zweite Teilreflexionsvorrichtung 8-2. Die Festkörper-Laserstab-Anregungsmodule 3 bestehen aus einem ersten Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-1 und einem zweiten Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-2. Die Festkörper-Laserstäbe 4 bestehen aus einem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 und einem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2. Die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen 6 sind durch eine erste konkave Linse 6-1 und eine zweite konkave Linse 6-2 realisiert. Die erste Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad besteht aus einem Polarisierer 10-1, einer ersten Pockels-Zelle 10-2a und einer zweiten Pockels-Zelle 10-2b. Die zweite Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad besteht aus einem Polarisierer 11-1 und einer Halbwellenplatte 11-2. Der Festkörper-Laseroszillator 1C enthält weiterhin Zuführungsstromleitungen 40, eine erste Hochspannungs-Stromleitung 44-1 und eine zweite Hochspannungs-Stromleitung 44-2. Die Bezugszahlen 30, 31, 34 und 35 bezeichnen transversales Monomodelicht, transversales Monomode-Ausgangslicht, transversalen Multimodenlicht und transversalen Multimoden-Ausgangslicht.
Der Festkörper-Laseroszillator 1C besteht aus dem transversalen Monomoderesonator 2-1 mit hoher Durchschnittsleistung, dem transversalen Multimodenresona tor 2-2 mit hoher Durchschnittsleistung, der ersten Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad, der zweiten Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad, der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21 und der Schaltsteuervorrichtung 25 für einen optischen Pfad. Der transversale Monomoderesonator 2-1 hat dieselbe Ausbildung wie der transversale Monomoderesonator 2 bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Wärmelinseneffekte oder insbesondere die Wärmedoppellinseneffekte, die von den Festkörper-Laserstäben 4 bewirkt werden, werden kompensiert durch Verwendung der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen 6 und des optischen 90°-Rotators 5. Somit kann transversales Monomodelicht hoher Leistung durch Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung erzeugt werden. Bei der in 6 gezeigten Ausbildung sind die Schaltvorrichtungen 10 und 11 für einen optischen Pfad entlang der optischen Achse des transversalen Monomoderesonators 2-1 mit hoher Durchschnittsleistung mit den beiden Festkörper-Laserstäben 4 zwischen sich angeordnet. Die erste Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad und der erste Festkörper-Laserstab 4-1 grenzen an die zweite Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad und dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 an. Die Schaltvorrichtungen 10 und 11 für einen optischen Pfad übertragen und oder reflektieren Laserlicht. Die zweite Reflexionsvorrichtung 7-2 ist entlang der Strahlenachse von Licht angeordnet, das von der ersten Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad reflektiert wurde, senkrecht zu dem reflektierten Licht in der Richtung des reflektierten Lichts. Die zweite Teilreflexionsvorrichtung 8-2 ist auf der Strahlenachse von Licht angeordnet, das von der zweiten Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad reflektiert wurde, senkrecht zu dem reflektierten Licht in der Richtung des reflektierten Lichts. Anderenfalls kann die zweite Teilreflexionsvorrichtung 8-2 mit der ersten Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad assoziiert sein, und die Reflexionsvorrichtung 7 kann mit der zweiten Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad assoziiert sein.
Licht kann sich entlang eines optischen Pfades fortpflanzen, das die zweite Reflexionsvorrichtung 7-2, die erste Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad, den ersten Festkörper-Laserstab 4-1, den optischen 90°-Rotator 5, den zweiten Festkörper-Laserstab 4-2, die zweite Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad und die zweite Teilreflexionsvorrichtung 8-2 verbindet. Ein Resonator, in welchem sich Licht entlang des optischen Pfades fortpflanzt, kann so ausgebildet sein, dass er kleine Gesamtlänge hat. Der Strahlenradius von transversalem Monomodelicht, das von den Festkörper-Laserstäben zu erzeugen ist, kann daher ausreichen kleiner gemacht werden als der Radius der Laserstäbe. Folglich können die Festkörper-Laserstäbe 4 Transversalmoduslicht höherer Ordnung mit einem größeren Strahlenradius erzeugen. Dies ermöglicht eine transversale Multimodenoszillation. Der transversale Multimodenresonator 2-2 mit hoher Durchschnittsleistung besteht aus den beiden Festkörper-Laserstäben 4, dem optischen 90°-Rotator 5, der ersten Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad, der zweiten Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad, der zweiten Reflexionsvorrichtung 7-2 und der zweiten Teilreflexionsvorrichtung 8-2. Resonanzlicht in dem Resonator ist transversales Multimodenlicht 34. Von der zweiten Teilreflexionsvorrichtung 8-2 übertragenes Licht ist transversales Multimoden-Ausgangslicht 35. Der transversalen Multimodenresonator 2-2 mit hoher Durchschnittsleistung hat eine kur ze Gesamtlänge. Die Stabilitätskriterien des Resonators 2-2 können daher so gesetzt werden, dass sie in die Stabilitätsdomäne fallen ungeachtet dessen, ob die Leistung des Anregungslichts niedrig oder hoch ist. Folglich wird das transversale Multimoden-Ausgangslicht 35 als ein Ausgangslicht geliefert, dessen Leistung proportional der Leistung von Anregungslicht ist und das sich auf einer stabilen Basis verändert.
Wenn Laserlicht von dem transversalen Monomodus ist, breitet sich das Laserlicht etwas aus, wenn es sich fortpflanzt. Wenn das Laserlicht auf eine Linse oder dergleichen konvergiert ist, ist es auf einen Punkt mit einem kleinen Radius konvergiert. Diese Charakteristik von Laserlicht ist nützlich auf verschiedenen Anwendungsgebieten von Lasern. Wenn jedoch eine Anregungsquelle Licht mit hoher Durchschnittsleistung emittiert, ist die Stabilitätsdomäne eines Resonators auf einen kleinen Bereich in der Stabilitätsdomäne beschränkt aufgrund der thermischen Verzerrung eines Lasermediums. Eine Laseroszillation ist daher schwierig zu erzielen. Wenn demgegenüber Laserlicht vom transversalen Multimodus ist, wird, wenn das Laserlicht sich fortpflanzt der Strahlenradius hiervon größer als der des transversalen Monomoduslichts. Wenn das transversale Multimodenlicht auf eine Linse oder dergleichen konvergiert wird, konvergiert zu einem Punkt mit einem großen Radius. Jedoch können, wenn eine Laseroszillation durchgeführt wird, um transversales Multimodenlicht zu erzeugen, selbst wenn die durchschnittliche Leistung des transversalen Multimodenlichts hoch ist, die Stabilitätskriterien des Resonators so gesetzt werden, dass sie in einen großen Bereich in der Stabilitätsdomäne fallen. Ein Laserausgangssignal kann daher auf einer stabilen Ba sis im Verhältnis zu der Leistung des Anregungslichts erhalten werden. Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird der transversale Multimodenresonator 2-2 mit hoher Durchschnittsleistung, dessen Stabilitätskriterien so gesetzt werden können, dass sie in einen großen Bereich in der Stabilitätsdomäne fallen, verwendet, um eine Laseroszillation zu erzielen. Das Laserausgangssignal ist. vorgesehen, um die durch die Festkörper-Laserstäbe 4 bewirkten Wärmelinseneffekte zu unterdrücken. Danach werden die Schaltvorrichtungen 10 und 11 für einen optischen Pfad verwendet, um optische Pfade zu schalten, wodurch der transversale Monomoderesonator 2-1 aktiviert wird. Wenn der transversale Multimodenresonator 2-2 aktiv ist, wurden die Wärmelinseneffekte auf einer stabilen Basis unterdrückt, da das Laserausgangssignal erhalten wurde. Wenn der transversale Monomoderesonator 2-1 dann wieder aktiviert ist, wird der Treiberstrom nach und nach etwas erhöht, bis die Wärmelinseneffekte sich ändern. Es ist nicht erforderlich, den Treiberstrom so zu steuern, dass schließlich ein großes Laserausgangssignal erhalten wird. Darüber hinaus kann transversales Monomodelicht mit hoher Durchschnittsleistung augenblicklich erzeugt werden.
Wie durch strichlierte Linien in 6 angezeigt ist, kann die erste Schaltvorrichtung 10 für einen optischen Pfad aus dem Polarisierer 10-1, der erste Pockels-Zelle 10-2a, der zweiten Pockels-Zelle 10-2b und der Schaltsteuervorrichtung 25 für einen optischen Pfad zusammengesetzt sein. Darüber hinaus kann die Schaltsteuervorrichtung 25 für einen optischen Pfad aus der ersten Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1a, der zweiten Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1b, der Hochspannungs-Leistungszuführungs-Steuereinheit 25-2, der ersten Hochspannungs-Stromleitung 44-1 und der zweiten Hochspannungs-Stromleitung 44-2 zusammengesetzt sein. Die erste und die zweite Pockels-Zelle 10-2a und 10-2b sind Arten von Lichtmodulatoren, die einen elektrooptischen Kristall haben und das meiste des Pockels-Effekts bewirken. Wenn eine Spannung an dem Kristall angelegt wird, wird die Richtung der Polarisation von durch den Kristall hindurchgehendem Licht geändert. Die erste Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1a und die zweite Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1b legen eine bestimmte Spannung an die erste Pockels-Zelle 10-2a und die zweite Pockels-Zelle 10-2b an. Durch Anlegen der bestimmten Spannung wird die Richtung der Polarisation von Licht, das einmal durch die Pockels-Zelle hindurchgeht, um eine Viertel-Wellenlänge geändert. Ohne das Anlegen der bestimmten Spannung wird die Richtung der Polarisation von hindurchgehendem Licht nicht geändert.
Durch das Einfügen der Polarisierer wird polarisiertes Licht, das sich in dem transversalen Monomoderesonator fortpflanzt, linear polarisiertes Licht, um durch den Polarisierer 10-1 hindurchzugehen. Polarisiertes Licht, das sich in dem transversalen Multimodenresonator fortpflanzt, ist linear polarisiertes Lieht, um von dem Polarisierer 10-1 reflektiert zu werden. Wenn die Spannung an die erste Pockels-Zelle 10-2a angelegt ist, gelangt Licht von dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 zu dem Polarisierer 10-1. Das linear polarisierte Licht des zu dem Polarisierer gelangenden Lichts geht durch den Polarisierer 10-1 hindurch. Das Licht geht zweimal durch die erste Pockels-Zelle 10-2a hindurch, da es von der Reflexionsvorrichtung 7-1 reflektiert wird. Das linear polarisierte Licht wird daher insgesamt um 90° gedreht und kehrt zu dem Polarisierer 10-1 zurück. Das linear po larisierte Licht, das durch den Polarisierer 10-1 hindurchgehen soll, wird um 90° gedreht. Dies bedeutet, dass das Licht von dem Polarisierer 10-1 reflektiert wird. Folglich pflanzt sich das Laserlicht außerhalb des transversalen Monomoderesonators fort. Der transversale Monomoderesonator ist somit deaktiviert. Das transversale Monomode-Ausgangslicht 31 wird daher nicht erzeugt. Darüber hinaus wird, wenn keine Spannung an die erste Pockels-Zelle 10-2a angelegt ist, die Richtung der Polarisation des durch die erste Pockels-Zelle 10-2a hindurchgehenden Lichts nicht geändert. Das Licht wird dann von der Reflexionsvorrichtung 7-1 reflektiert und geht daher zweimal durch die erste Pockels-Zelle 10-2a hindurch. Die Richtung der Polarisation des Lichts bleibt intakt und das Licht geht daher durch den Polarisierer hindurch. Der transversale Monomoderesonator wird somit aktiviert.
In gleicher Weise gelangt Licht, wenn eine transversale Multimoden-Laseroszillation bezeichnet ist, wenn eine Spannung an die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt ist, von dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 zu dem Polarisierer 10-1, und eine Komponente des Lichts wird von dem Polarisierer 10-1 reflektiert. Das linear polarisierte Licht der Komponente wird von dem Polarisierer 10-1 reflektiert. Das Licht geht zweimal durch die zweite Pockels-Zelle 10-2b hindurch, da es von der Reflexionsvorrichtung 7-2 reflektiert wird. Das linear polarisierte Licht wird daher insgesamt um 90° gedreht und kehrt zu dem Polarisierer 10-1 zurück. Das linear polarisierte Licht, das von dem Polarisierer 10-1 zu reflektieren ist, wird um 90° gedreht. Dies bedeutet, dass das Licht von dem Polarisierer 10-1 durchgelassen wird. Folglich pflanzt sich Laserlicht außerhalb des transversalen Multimodenre sonators fort. Der transversale Multimodenresonator ist daher nicht aktiviert. Das transversale Multimoden-Ausgangslicht 34 wird nicht erzeugt. Demgegenüber geht, wenn keine Spannung an die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt ist, Licht durch die Pockels-Zelle 10-2b hindurch. Die Richtung der Polarisation des Lichts wird daher nicht geändert. Die Richtung der Polarisation des Lichts, das zweimal durch die zweite Pockels-Zelle 10-2b aufgrund der Anwesenheit der Reflexionsvorrichtung 7-2 hindurchgegangen ist, bleibt intakt, um dem Licht zu ermöglichen, von dem Polarisierer reflektiert zu werden. Der transversale Multimodenresonator wird daher aktiviert.
Wenn eine Spannung an die erste Pockels-Zelle 10-2a angelegt ist, und keine Spannung an die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt ist, wird transversales Monomodelicht nicht ausgegeben, sondern transversales Multimodenlicht wird ausgegeben. Demgegenüber wird, wenn keine Spannung an die erste Pockels-Zelle angelegt ist und eine Spannung an die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt ist, nur das transversale Monomodelicht ausgegeben. Die Hochspannungs-Leistungszuführungs-Steuereinheit 25-2 wird verwendet, um das Schalten des Anlegens und des Nichtanlegens einer Spannung von der Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1a oder der zweiten Hochspannungs-Leistungsführung 25-1b an die Pockels-Zelle zu steuern. Somit kann ein Laserausgangssignal des Festkörper-Laseroszillators 1C von transversalem Monomodelicht zu transversalem Multimodenlicht oder umgekehrt gewechselt werden.
Wenn eine Spannung sowohl an die erste Pockels-Zelle 10-2a als auch die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt ist, wenn kein Laserlicht ausgegeben wird, nimmt die in den Festkörper-Laserstäben 4, die Licht absor bieren, akkumuliert Energie zu. Wenn die angelegte Spannung danach abgeschaltet wird, wird die akkumulierte Energie freigegeben. Dies führt zu einem Laserausgangssignal, dessen Spitzenleistung plötzlich hoch wird. Wenn das Laserausgangssignal erhalten wird, nimmt die in den Festkörper-Laserstäben 4 akkumulierte Energie ab. Das Laserausgangssignal nimmt entsprechend ab. Wenn die angelegte Spannung abgeschaltet wird, wird ein Laserausgangssignal, dessen Spitzenleistung hoch ist und dessen Impulsdauer kurz ist, erhalten. Wenn das Anlegen und das Nichtanlegen der Spannung somit hoch wiederholt werden, kann ein Laserausgangssignal, dessen Impulsdauer kurz ist und dessen Spitzenleistung hoch ist, stark wiederholt erhalten werden. Dieser Vorgang kann als Q-Umschalten bezeichnet werden. Die Spannung wird kontinuierlich an die erste Pockels-Zelle 10-2a angelegt, und die Spannung wird an die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt. Wenn gepulstes Laserlicht wiederholt erzeugt wird ohne Anlegen der Spannung, wird Q-geschaltetes transversales Multimodenlicht ausgegeben. Darüber hinaus wird die Spannung kontinuierlich an die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt und die Spannung wird an die erste Pockels-Zelle 10-2a angelegt. Wenn gepulstes Laserlicht wiederholt ohne Anlegen der Spannung erzeugt wird, wird Q-geschaltetes transversales Monomodelicht ausgegeben.
Die zweite Schaltvorrichtung 11 für einen optischen Pfad besteht aus dem Polarisierer 11-1 und der Halbwellenplatte 11-2. Licht, das von dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 zu dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 gelangt, hat durch den optischen 90°-Rotator 5 seine Polarisationsrichtung um 90° geändert. Unter der Annahme, dass das Licht einmal durch die Halbwellenplatte 11-2 hindurchgeht, und dessen Polarisati onsrichtung sich um 90° geändert hat, ist die Halbwellenplatte 11-2 zwischen dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2 und dem Polarisierer 11-1 und senkrecht zu und koaxial mit den Festkörper-Laserstäben angeordnet. Folglich wird linear polarisiertes Licht, das von dem Polarisierer 10-1 durchzulassen ist, auch von dem Polarisierer 11-1 durchgelassen. Linear polarisiertes Licht, das von dem Polarisierer 10-1 zu reflektieren ist, wird auch von dem Polarisierer 11-1 reflektiert.
Wie vorstehend beschrieben ist, wird, wenn keine Spannung an eine Pockels-Zelle angelegt ist, die Richtung der Polarisation des durch die Pockels-Zelle hindurchgehenden Lichts nicht geändert. Wenn eine Spannung an die Pockels-Zelle angelegt ist, wird die Richtung der Polarisation hiervon geändert. Die Pockels-Zelle kann eine andere Eigenschaft zeigen. Insbesondere kann, wenn keine Spannung an die Pockels-Zelle angelegt ist, die Richtung der Polarisation von durch die Pockels-Zelle hindurchgehendem Licht um eine Viertel-Wellenlänge geändert werden. Wenn die Spannung hieran angelegt ist, kann die Richtung der Polarisation von durch die Pockels-Zelle einmal hindurchgehendem Licht überhaupt nicht geändert oder um eine halbe Wellenlänge geändert werden. In diesem Fall ist, wenn keine Spannung angelegt ist, ein Resonator inaktiv und es wird kein Laserausgangssignal erhalten. Wenn die Spannung angelegt ist, ist der Resonator aktiv und das Laserausgangssignal wird erhalten.
Die Schaltsteuervorrichtung 25 für einen optischen Pfad kann, wie in 7 gezeigt ist, aus einer Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1 und einer Spannungsausgabe-Schaltvorrichtung 25-3 zusammengesetzt sein. In diesem Fall entwickelt die Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1 immer ein Spannungszulassungslicht, das durch eine Pockels-Zelle hindurchgeht, um um eine Viertel-Wellenlänge gedreht zu werden. Die Spannungsausgangs-Schaltvorrichtung 25-3 schaltet eine Spannungsausgangsbestimmung von der ersten Hochspannungs-Stromleitung 44-1 zu der zweiten Hochspannungs-Stromleitung 44-2 oder umgekehrt. Somit kann eine Spannung entweder an die erste Pockels-Zelle 10-2a oder die zweite Pockels-Zelle 10-2b angelegt werden. Entweder transversales Monomodenlicht oder transversales Multimodenlicht wird ausgegeben. Die Verwendung der Spannungsausgangs-Schaltvorrichtung 25-3 macht es möglich, die Anzahl von Hochspannungs-Leistungszuführungen auf eins zu reduzieren. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung.
Wie vorstehend erwähnt ist, besteht gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Festkörper-Laseroszillator 1C aus dem ersten Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-1, dem zweiten Festkörper-Laserstab-Anregungsmodul 3-2, dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1, dem zweiten Festkörper-Laserstab 4-2, dem optischen 90°-Rotator 5, der ersten konkaven Linse 6-1, der zweiten konkaven Linse 6-2, der ersten Reflexionsvorrichtung 7-1, der zweiten Reflexionsvorrichtung 7-2, der ersten Teilreflexionsvorrichtung 8-1, der zweiten Teilreflexionsvorrichtung 8-2, dem Polarisierer 10-1, der ersten Pockels-Zelle 10-2a, der zweiten Pockels-Zelle 10-2b, dem Polarisierer 11-1, der Halbwellenplatte 11-2, der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung 21, der Hochspannungs-Leistungsführung 25-1, der ersten Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1a, der zweiten Hochspannungs-Leistungszuführung 25-1b, der Hochspannungs-Leistungszuführungs-Steuereinheit 25-2, der Spannungsausgangs-Schaltvorrichtung 25-3, den Zuführungsstromleitungen 40, der ersten Hochspannungs-Stromleitung 44-1 und der zweiten Hochspannungs-Stromleitung 44-2. Transversales Monomodenlicht mit hoher Durchschnittsleistung kann augenblicklich ausgegeben werden. Darüber hinaus können transversales Multimodenlicht, transversales Monomodelicht, Q-geschaltetes transversales Multimodenlicht und Q-geschaltetes transversales Monomodelicht selektiv ausgegeben werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
8 zeigt die Ausbildung eines transversalen Monomode-Laseroszillators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 8 ist eine erste Schaltvorrichtung 10A für einen optischen Pfad gezeigt, bestehend aus einem Polarisierer 10-1, einer ersten akustooptischen Vorrichtung 10-3a, einer zweiten akustooptischen Vorrichtung 10-3b, einer Schaltsteuervorrichtung 25A für einen optischen Pfad, einer ersten Stromleitung 45-1 und einer zweiten Stromleitung 45-2. Die Schaltsteuervorrichtung 25A für einen optischen Pfad besteht aus einer ersten Treiberleistungszuführung 25-4a für eine akustooptische Vorrichtung, einer zweiten Treiberleistungszuführung 25-4b für eine akustooptische Vorrichtung und einer Treiberleistungszuführungs-Steuereinheit 25-5 für eine akustooptische Vorrichtung. Die Schaltsteuervorrichtung 25A für einen optischen Pfad kann aus einer Treiberleistungszuführung 25-4 für eine akustooptische Vorrichtung und eine Treiberstrom-Schaltvorrichtung 25-6 zusammengesetzt sein. Die anderen Komponenten sind identisch mit denjenigen des dritten Ausführungsbeispiels. Dieselben Bezugszahlen sind den identischen Komponenten zugewiesen und die Beschreibung der Komponenten wird weggelassen.
Eine akustooptische Vorrichtung ist eine Vorrichtung, die das meiste der Bragg-Beugung dem akustooptischen Effekt zuschreibt. Wenn eine akustische Welle in einer akustooptischen Vorrichtung erzeugt wird, wird durch die akustooptische Vorrichtung hindurchgehendes Licht aufgrund der Beugung von Ultraschallwellen gebeugt. Gebeugtes Licht enthält abgesehen von Licht 0ter Ordnung Licht höherer Ordnung. Das Licht 0ter hat dieselbe Strahlenachse wie das auf die akustooptische Vorrichtung auftreffende Licht. Das Licht höherer Ordnung hat seine Fortpflanzungsrichtung räumlich verändert und pflanzt sich in einer Richtung fort, die verschieden von der Richtung des Lichts 0ter Ordnung ist. Wenn die akustooptische Vorrichtung sich in einer geeigneten Position befindet, kann das Licht 0ter Ordnung minimiert werden und das Licht höherer Ordnung kann maximiert werden. Durch die akustooptische Vorrichtung hindurchgehendes Licht pflanzt sich in einer Richtung fort, die verschieden von der optischen Achse eines Resonators ist. Folglich wird eine Laseroszillation nicht erzielt und es wird kein Laserausgangssignal erhalten.
Wie in 8 gezeigt ist, ist die erste akustooptische Vorrichtung 10-3a zwischen dem Polarisierer 10-1 und einer Reflexionsvorrichtung 7-1 und entlang der optischen Achse des transversalen Monomoderesonators angeordnet. Die zweite akustooptische Vorrichtung 10-3b ist zwischen dem Polarisierer 10-1 und. der Reflexionsvorrichtung 7-2 und entlang der optischen Achse des transversalen Multimodenresonators angeordnet. Die erste Treiberleistungszuführung 25-4a für eine akustooptische Vorrichtung zum Treiben der ersten akustooptischen Vorrichtung 10-3a und die zweite Trei berleistungszuführung 25-4b für eine akustooptische Vorrichtung zum Treiben der zweiten akustooptischen Vorrichtung 10-3b werden durch die Treiberleistungszuführungs-Steuereinheit 25-5 für eine akustooptische Vorrichtung gemäß einer beliebigen Zeit betrieben. Wenn die erste akustooptische Vorrichtung 10-3a betrieben wird, aber die zweite akustooptische Vorrichtung 10-3b nicht betrieben wird, wird eine transversale Monomode-Laseroszillation nicht erzielt, sondern eine transversale Multimoden-Laseroszillation wird erzielt. Ein transversales Multimodenlicht wird daher ausgegeben. Demgegenüber wird, wenn die erste akustooptische Vorrichtung 10-3a nicht betrieben wird, sondern die zweite akustooptische Vorrichtung 10-3b betrieben wird, eine transversale Multimoden-Laseroszillation nicht erzielt, sondern eine transversale Monomode-Laseroszillation wird erzielt.
Wenn die erste akustooptische Vorrichtung 10-3a und die zweite akustooptische Vorrichtung 10-3b betrieben werden, wird kein Laserausgangssignal erhalten. Zu dieser Zeit nimmt in den Festkörper-Laserstäben 4, in denen Anregungslicht absorbiert wird, zu sammelnde Energie zu. Wenn die angelegte Spannung abgeschaltet wird, wird die akkumulierte Energie freigegeben. Ein Laserausgangssignal, dessen Spitzenleistung augenblicklich hoch wird, wird erhalten. Wenn das Laserausgangssignal erhalten wird, nimmt die in den Festkörper-Laserstäben 4 akkumulierte Energie ab. Dies bewirkt, dass das Laserausgangssignal abnimmt. Wenn das Betreiben einer akustooptischen Vorrichtung angehalten wird, wird ein Laserausgangssignal, dessen Spitzenleistung hoch und dessen Impulsdauer kurz ist, erhalten. Wenn das Betreiben dieser Art von akustooptischer Vorrichtung und das Nichtbetreiben hiervon wiederholt werden, wird ein Laserausgangssignal, des sen Impulsdauer kurz ist und dessen Spitzenleistung hoch ist, wiederholt erhalten. Dieser Vorgang kann als Q-Schalten bezeichnet werden. Folglich wird, obgleich die erste akustooptische Vorrichtung 10-3a kontinuierlich betrieben wird und die zweite akustooptische Vorrichtung 10-3b betrieben wird, gepulstes Laserlicht, das zu erzeugen ist, ohne dass eine akustooptische Vorrichtung betrieben wird, wiederholt ausgegeben. Q-geschaltetes transversales Multimodenlicht wird somit ausgegeben. Demgegenüber wird, obgleich die zweite akustooptische Vorrichtung 10-3b kontinuierlich betrieben wird und die erste akustooptische Vorrichtung 10-3a betrieben wird, gepulstes Laserlicht, das zu erzeugen ist, ohne dass eine akustooptische Vorrichtung betrieben wird, wiederholt ausgegeben. Q-geschaltetes transversales Monomodelicht wird somit ausgegeben.
Die Schaltsteuervorrichtung 25A für einen optischen Pfad kann, wie in 9 gezeigt ist, aus einer Treiberleistungszuführung 25-4 für eine akustooptische Vorrichtung und der Treiberstrom-Schaltvorrichtung 25-6 zusammengesetzt sein. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung.
Wie vorstehend erwähnt ist, enthält gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Laseroszillator die erste Schaltsteuervorrichtung 10A für. einen optischen Pfad, bestehend aus dem Polarisierer 10-1, der ersten akustooptischen Vorrichtung 10-3a, der zweiten akustooptischen Vorrichtung 10-3b, der Schaltsteuervorrichtung 25A für einen optischen Pfad, der ersten Stromleitung 45-1 und der zweiten Stromleitung 45-2. Die Schaltsteuervorrichtung 25A für einen optischen Pfad besteht aus der ersten Treiberleistungszuführung 25-4a für eine akustooptische Vorrichtung, der zwei ten Treiberleistungszuführung 25-4b für eine akustooptische Vorrichtung und der Treiberleistungszuführungs-Steuereinheit 25-5 für eine akustooptische Vorrichtung, oder aus der Treiberleistungszuführung 25-4 für eine akustooptische Vorrichtung und der Treiberstrom-Schaltvorrichtung 25-6. Transversales Monomodelicht mit hoher Durchschnittsleistung kann augenblicklich ausgegeben werden. Jedoch können transversales Multimodenlicht, transversales Monomodelicht, Q-geschaltetes transversales Multimodenlicht und Q-geschaltetes transversales Monomodelicht selektiv ausgegeben werden.
Fünftes Ausführungsbeispiel
10 zeigt die Ausbildung eines Monomode-Laseroszillators gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In 10 ist eine erste Schaltvorrichtung 10B für einen optischen Pfad gezeigt, die zusammengesetzt ist aus einem Polarisierer 10-1, einer ersten Viertelwellenplatte 10-4a, einer zweiten Viertelwellenplatte 10-4b, einer ersten Drehvorrichtung 10-5a und einer zweiten Drehvorrichtung 10-5b, einer Schaltsteuervorrichtung 25B für einen optischen Pfad mit einer Drehvorrichtungs-Steuereinheit 25-7, einer ersten Stromleitung 46-1 und einer zweiten Stromleitung 46-2.
Wie in 10 gezeigt ist, ist die erste Viertelwellenplatte 10-4a zwischen dem Polarisierer 10-1 und der Reflexionsvorrichtung 7-1 und senkrecht zu dem transversalen Monomoderesonator entlang der optischen Achse des transversalen Monomoderesonators angeordnet. Die zweite Viertelwellenplatte 10-4b ist zwischen dem Polarisierer 10-1 und der Reflexionsvorrichtung 7-2 und senkrecht zu dem transversalen Mul timodenresonator entlang der optischen Achse des transversalen Multimodenresonators angeordnet. Die erste Drehvorrichtung 10-5a und die zweite Drehvorrichtung 10-5b haben die Fähigkeit, die erste Viertelwellenplatte 10-4a oder die zweite Viertelwellenplatte 10-4b zu drehen, und sie können durch motorgetriebenen Rotatorhalter realisiert sein. Die erste Drehvorrichtung 10-5a und die zweite Drehvorrichtung 10-5b halten die äußeren Oberflächen der ersten Viertelwellenplatte 10-4a bzw. der zweiten Viertelwellenplatte 10-4b, aber sie blockieren nicht die optischen Achsen des Monomoderesonators und des Multimodenresonators.
Wenn die kristallographische Achse einer Viertelwellenplatte mit der Richtung der Polarisation von auftreffendem Laserlicht ausgerichtet ist, wird die Richtung der Polarisation von durch die Viertelwellenplatte hindurchgehendem Licht geändert. Wenn demgegenüber die kristallographische Achse einer Viertelwellenplatte einen Winkel von 45° mit Bezug auf die Richtung der Polarisation von auftreffendem Laserlicht hat, wird die Richtung der Polarisation von durch die Viertelwellenplatte hindurchgehendem Licht geändert. Wenn das durch die Viertelwellenplatte hindurchgehende Licht von einer Reflexionsvorrichtung reflektiert wird und wieder durch die Viertelwellenplatte hindurchgeht, wird die Richtung der Polarisation um 90° gegenüber der Richtung der Polarisation des Lichts, das überhaupt nicht durch die Viertelwellenplatte hindurchgegangen ist, geändert. Dies ergibt ein linear polarisiertes Licht. Es wird nun angenommen, dass die kristallographische Achse der ersten Viertelwellenplatte 10-4a einen Winkel von 45° relativ zu der Richtung der Polarisation von auftreffendem Laserlicht hat und die kristallographische Achse der zweiten Viertelwellenplatte 10-4b einen Winkel von 0° relativ zu der Richtung der Polarisation von auftreffendem Laserlicht hat. In diesem Fall wird eine Lichtkomponente, die von dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 zu dem Polarisierer 10-1 gelangt, von dem Polarisierer 10-1 durchgelassen. Das linear polarisierte Licht der Komponente geht zweimal durch die erste Viertelwellenplatte 10-4a hindurch, da es von der Reflexionsvorrichtung 7-1 reflektiert wird. Dies bewirkt, dass die Richtung der Polarisation um 90° geändert wird. Wenn das Licht wieder auf den Polarisierer 10-1 fällt, wird es reflektiert. Das Licht pflanzt sich somit außerhalb des transversalen Monomoderesonators fort. Der transversale Monomoderesonator ist deaktiviert. Es wird kein Laserausgangssignal erhalten. Eine Lichtkomponente, die von dem ersten Festkörper-Laserstab 4-1 zu dem Polarisierer 10-1 gelangt, wird von dem Polarisierer 10-1 reflektiert. Obgleich linear polarisiertes Licht der Komponente zweimal durch die zweite Viertelwellenplatte 10-4b hindurchgeht, da sie von der Reflexionsvorrichtung 7-2 reflektiert wird, wird die Richtung der Polarisation des Lichts nicht geändert. Wenn das Licht wieder auf den Polarisierer 10-1 fällt, wird es von diesem reflektiert. Transversales Multimodenlicht wird dann ausgegeben. In gleicher Weise wird angenommen, dass die kristallographische Achse der ersten Viertelwellenplatte einen Winkel von 0° relativ zu der Richtung der Polarisation von auftreffendem Laserlicht hat und die kristallographische Achse der zweiten Viertelwellenplatte einen Winkel von 45° relativ zu der Richtung der Polarisation von auftreffendem Laserlicht hat. In diesem Fall wird der transversale Monomoderesonator aktiviert, aber der transversale Multimodenresonator ist deaktiviert. Transversales Monomodelicht wird daher ausgegeben. Die Drehvorrichtungs- Steuereinheit 25-7 ist eingefügt zum Steuern eines Drehwinkels, um den die erste Drehvorrichtung 10-5a und die zweite Drehvorrichtung 10-5b die erste Viertelwellenplatte 10-4a bzw. die zweite Viertelwellenplatte 10-4b drehen. Folglich können der transversale Monomoderesonator und der transversale Multimodenresonator selektiv aktiviert werden.
Die Stabilitätskriterien eines transversalen Monomoderesonators mit hoher Durchschnittsleistung sind auf einen engen Bereich in der Stabilitätsdomäne begrenzt. Wenn daher Festkörper-Laserstäbe durch Anwendung von augenblicklichem Anregungslicht hoher Leistung angeregt werden, ist der transversale Monomoderesonator nicht in der Lage, den Stabilitätskriterien zu genügen. Demgegenüber hat ein transversaler Multimodenresonator mit hoher Durchschnittsleistung eine kurze Länge und die Stabilitätskriterien des transversalen Multimodenresonators sind so gesetzt, dass sie in einen weiten Bereich in der Stabilitätsdomäne fallen. Der transversale Multimodenresonator kann daher ein Laserausgangssignal liefern, dessen Intensität proportional zu der Leistung von Anregungslicht ist. Die Drehvorrichtungs-Steuereinheit 25-7 ist daher vorgesehen, um einen Drehwinkel einzustellen, um den die Viertelwellenplatten gedreht werden, um den transversalen Multimodenresonator zu aktivieren. Transversales Multimodenlicht allein pflanzt sich somit fort. Wenn transversales Multimodenlicht als Ergebnis der transversalen Multimoden-Laseroszillation ausgegeben wird, werden die von den Festkörper-Laserstäben bewirkten Wärmelinseneffekte unterdrückt. Es wird angenommen, dass die Wärmelinseneffekte, die zu einem bestimmten Pegel unterdrückt wurden, durch die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtung 6, die in dem transversalen Monomoderesonator enthalten ist, kompensiert werden können. Die Drehvorrichtungs-Steuereinheit 25-7 steuert dann die Drehung der ersten Viertelwellenplatte und der zweiten Viertelwellenplatte derart, dass sie Winkel von 0° bzw. 45° relativ zu der Richtung der Polarisation von auftreffendem Laserlicht haben. Folglich wird der transversale Monomoderesonator augenblicklich aktiviert und transversales Monomodelicht hoher Leistung wird augenblicklich ausgegeben.
Wie vorstehend erwähnt ist, besteht gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel die erste Schaltsteuervorrichtung 10B für einen optischen Pfad aus dem Polarisierer 10-1, der ersten Viertelwellenplatte 10-4a, der zweiten Viertelwellenplatte 10-4b, der ersten Drehvorrichtung 10-5a, der zweiten Drehvorrichtung 10-5b, der Schaltsteuervorrichtung 25B für einen optischen Pfad, der ersten Stromleitung 46-1 und der zweiten Stromleitung 26-2. Die Schaltsteuervorrichtung 25B für einen optischen Pfad enthält die Drehvorrichtungs-Steuereinheit 25-7. Transversales Monomodelicht mit hoher Durchschnittsleistung wird augenblicklich ausgegeben. Jedoch können transversales Multimodenlicht und transversales Monomodelicht selektiv ausgegeben werden.
Ein transversaler Monomoderesonator mit hoher Durchschnittsleistung kann wie diejenigen nach dem ersten bis fünften Ausführungsbeispiel aus zwei Festkörper-Laserstäben, zwei Festkörper-Laserstabmodulen, einem optischen 90°-Rotator, zwei Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen, einer Reflexionsvorrichtung und einer Teilreflexionsvorrichtung bestehen. Die Festkörper-Laserstäbe sind koaxial parallel zueinander angeordnet. Die Festkörper-Laserstabmodule haben jeweils eine Anregungsquelle und regen die Festkörper-Laserstäbe an. Der optische 90°-Rotator befindet sich an einem mittleren Punkt zwischen den beiden Festkörper-Laserstäben und ist koaxial mit den Festkörper-Laserstäben angeordnet. Die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und außerhalb der Festkörper-Laserstäbe angeordnet, wobei sie um einen gleichen Abstand von den Festkörper-Laserstäben getrennt sind. Die Reflexionsvorrichtung und die Teilreflexionsvorrichtung sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und außerhalb der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet, wobei sie um einen gleichen Abstand von den Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen getrennt sind. Alternativ kann der transversalen Monomoderesonator mit hoher Durchschnittsleistung aus jeder Anzahl von Festkörper-Laserstäben, jeder Anzahl von Festkörper-Laserstabmodulen, jeder Anzahl von optischen 90°-Rotatoren, jeder Anzahl von Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen, einer Reflexionsvorrichtung und einer Teilreflexionsvorrichtung bestehen. Die Festkörper-Laserstäbe sind koaxial parallel zueinander angeordnet. Die Festkörper-Laserstabmodule haben jeweils eine Anregungsquelle und regen die Festkörper-Laserstäbe an. Die optischen 90°-Rotatoren sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und zwischen jeder Anzahl der Festkörper-Laserstäbe angeordnet. Die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen befinden sich koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und sind an jeglichen Positionen angeordnet. Die Reflexionsvorrichtung und die Teilreflexionsvorrichtung sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und außerhalb aller Festkörper-Laserstäbe und Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet. Darüber hinaus können die reflektierenden Oberflächen der Reflexionsvorrichtung und der Teilreflexionsvorrichtung flache Oberfläche, konvexe Oberflächen oder konkave Oberflächen sein. Verglichen mit dem Fall, in welchem die Festkörper-Laserstäbe, die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen und die Reflexionsvorrichtung und die Teilreflexionsvorrichtung gegenseitig symmetrisch mit einem optischen 90°-Rotator als eine Mitte angeordnet sind, sind die Stabilitätskriterien des Resonators augenblicklich beschränkt auf einen engen Bereich in der Stabilitätsdomäne. Wenn jedoch ein Treiberstrom, der in Intervallen der Zeit τ anzuheben ist, kleiner gemacht wird, kann der Bereich in der Stabilitätsdomäne zu einem anderen Bereich verschoben werden, in den die Stabilitätsdomäne fällt, ansprechend auf die Anwendung von Anregungslicht hoher Leistung. Insgesamt können die Stabilitätskriterien des Resonators so gesetzt werden, dass sie in einen weiten Bereich fallen.
Darüber hinaus haben die transversalen Monomoderesonatoren mit hoher Durchschnittsleistung, die in Beziehung auf das dritte bis fünfte Ausführungsbeispiel beschrieben wurden, jeweils die Festkörper-Laserstäbe, die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen, eine erste Schaltvorrichtung für einen optischen Pfad und eine zweite Schaltvorrichtung für einen optischen Pfad, und eine Reflexionsvorrichtung und eine Teilreflexionsvorrichtung, die symmetrisch zueinander mit dem optischen 90°-Rotator als eine Mitte angeordnet sind. Alternativ können die transversalen Monomoderesonatoren mit hoher Durchschnittsleistung jeweils aus jeder Anzahl von Festkörper-Laserstäben, jeder Anzahl von Festkörper-Laserstabmodulen, jeder Anzahl von optischen 90°-Rotatoren, jeder Anzahl von Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen, jeder Anzahl von Schaltvorrichtungen für einen optischen Pfad, einer Reflexionsvorrichtung und einer Teilreflexionsvorrichtung bestehen. Die Festkörper-Laserstäbe sind koaxial pa rallel zueinander angeordnet. Die Festkörper-Laserstabmodule haben jeweils eine Anregungsquelle und regen die Festkörper-Laserstäbe an. Die optischen 90°-Rotatoren sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und zwischen der jeden Anzahl von Festkörper-Laserstäben angeordnet. Die Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben angeordnet und befinden sich an jeder Position. Die Schaltvorrichtungen für einen optischen Pfad sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben angeordnet und befinden sich an jeder Position. Die Reflexionsvorrichtung und die Teilreflexionsvorrichtung sind koaxial mit den Festkörper-Laserstäben und außerhalb aller Festkörper-Laserstäbe, Schaltvorrichtungen für einen optischen Pfad und Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet. Die reflektierenden Oberflächen der Reflexionsvorrichtung und der Teilreflexionsvorrichtung können flache Oberflächen, konvexe Oberflächen oder konkave Oberflächen sein.
Der Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
Wie beschrieben wurde, hat der Festkörper-Laseroszillator gemäß der vorliegenden Erfindung den Vorteil, dass Laserlicht mit hoher Durchschnittsleistung auf einer hochstabilen Basis geliefert werden kann, wobei die Stabilitätskriterien eines Resonators so gesetzt sind, dass sie einen weiten Bereich der. Stabilitätsdomäne fallen.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Treiberstrom schrittweise oder kontinuierlich mit einer bestimmten Geschwindigkeit angehoben werden kann. Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Laseroszillation ordnungsgemäß erzielt werden kann, indem nur geeignete Parameterwerte eingegeben werden, aber die Stabilitätskriterien eines Resonators nicht von der Stabilitätsdomäne abweichen. Darüber hinaus können die Parameter auf jegliche Werte gesetzt werden gemäß verschiedenen Bedingungen oder Verwendungszwecken. Dies ist ziemlich hilfreich.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein den Anregungsquellen zuzuführender Treiberstrom so gesteuert wird, dass er ansteigt oder abfällt, durch Rückführung eines von Abtastlicht erfassten Wertes. Eine Laseroszillation kann daher erzielt werden mit den Stabilitätskriterien eines Resonators, die nicht von der Stabilitätsdomäne abweichen. Darüber hinaus weichen, selbst wenn ein Bereich in der Stabilitätsdomäne, in die die Stabilitätskriterien fallen, verschoben ist aufgrund einer Änderung der Wärmelinseneffekte, die Stabilitätskriterien nicht von der Stabilitätsdomäne ab. Ein Laserlicht mit hoher Durchschnittsleistung kann auf einer hochstabilen Basis geliefert werden.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass ein Anregungsquellen zuzuführender Treiberstrom gesteuert wird, um anzusteigen oder abzufallen, durch Rückführung eines anhand von entwichenem Licht erfassten Wertes. Eine Laseroszillation kann erzielt werden mit den Stabilitätskriterien eines Resonators, die nicht von der Stabilitätsdomäne abweichen. Dar über hinaus weichen, selbst wenn ein Bereich in der Stabilitätsdomäne, in die die Stabilitätskriterien fallen, verschoben ist aufgrund einer Änderung der Wärmelinseneffekte, die Stabilitätskriterien nicht von der Stabilitätsdomäne ab. Laserlicht mit hoher Durchschnittsleistung kann auf einer hochstabilen Basis geliefert werden. Weiterhin kann, da nur entwichenes Licht empfangen wird, die Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators vereinfacht werden.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Laserausgangssignale umgeschaltet werden können und Laserlicht mit hoher Durchschnittsleistung auf einer hochstabilen Basis geliefert werden kann. Eine transversale Multimoden-Laseroszillation wird zuerst erzielt mit den Stabilitätskriterien eines Resonators, die so gesetzt sind, dass sie in einen weiten Bereich in der Stabilitätsdomäne fallen. Wärmelinseneffekte werden hierdurch unterdrückt. Nachdem die Wärmelinseneffekte auf einen stabilen Pegel heruntergedrückt sind, wird eine transversale Multimoden-Laseroszillation zu einer transversalen Monomode-Laseroszillation umgeschaltet. Somit kann transversales Monomodelicht mit hoher Durchschnittsleistung augenblicklich geliefert werden.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verwendung von Pockels-Zellen eine Vereinfachung der Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators ermöglicht. Wenn eine Spannung an einem elektrooptischen Kristall der Pockels-Zelle gelegt wird, wird die Richtung der Polarisation von durch den Kristall hindurchgehendem Licht geändert. Darüber hinaus kann die Richtung der Polarisation von Licht in Abhängigkeit davon geändert werden, ob die Spannung angelegt ist oder nicht.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass transversalen Multimodenlicht und transversales Monomodelicht umgeschaltet werden können, indem nur eine der Pockels-Zellen ausgewählt wird, an die eine Spannung angelegt wird.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators vereinfacht werden kann. Darüber hinaus können transversales Multimodenlicht und transversales Monomodelicht leicht umgeschaltet werden, indem bloß eine von Pockels-Zellen ausgewählt wird, an die eine Spannung angelegt wird.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verwendung von akustooptischen Vorrichtungen eine Vereinfachung der Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators ermöglicht. Darüber hinaus kann Licht einfach gebeugt werden in Abhängigkeit davon, ob die akustooptischen Vorrichtungen betrieben werden oder nicht.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass transversales Multimodenlicht und transversalen Monomodelicht einfach umgeschaltet werden können, indem bloß eine von akustooptischen Vorrichtungen betrieben wird.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators vereinfacht werden kann. Darüber hinaus können transversales Multimodenlicht und transversalen Monomodelicht einfach umgeschaltet werden, indem bloß eine von akustooptischen Vorrichtungen ausgewählt wird, die betrieben wird.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verwendung von Viertelwellenplatte eine Vereinfachung der Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators ermöglicht. Darüber hinaus kann die Richtung der Polarisation von Licht proportional zu einem Drehwinkel geändert werden um den eine Viertelwellenplatte gedreht wird.
Ein anderer Vorteil eines Festkörper-Laseroszillators gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Ausbildung des Festkörper-Laseroszillators vereinfacht werden kann.

Claims

Festkörper-Laseroszillator mit einem Resonator, welcher aufweist: jede Anzahl von Festkörper-Laserstäben (4), die koaxial parallel zueinander angeordnet sind, im angeregten Zustand Licht abstrahlen und das Licht durch stimulierte Emission Verstärken, wobei im angeregten Zustand eine Wärmelinse erzeugt wird; jede Anzahl von Festkörper-Laserstab-Anregungsmitteln (3) zum Anregen der Anzahl von Festkörper-Laserstäben (4); jede Anzahl von optischen 90°-Rotatoren (5), die koaxial mit den Festkörper-Laserstäben (4) und zwischen der Anzahl von Festkörper-Laserstäben (4) angeordnet sind, wobei sie eine Komponente des in der axialen Richtung erzeugten Lichts drehen; jede Anzahl von Wärmelinsen-Kompensationsmitteln (6), die koaxial mit den Festkörper-Laserstäben (4) angeordnet sind und sich an jeder beliebigen Position befinden; eine Reflexionsvorrichtung (7) und eine Teilreflexionsvorrichtung (8), die koaxial mit den Festkörper-Laserstäben (4) angeordnet sind und sich außerhalb aller Festkörper-Laserstäbe (4) und Wärmelinsen-Kompensationsmittel (6) befinden, um durch Fortpflanzen der axial erzeugten Komponente des Lichts ein Laserlicht zu erzeugen; und eine Anregungsquellen-Treibervorrichtung (20) zum Treiben der in jeder der Festkörper-Laserstab-Anregungsvorrichtungen (3) enthaltenen Anregungsquelle durch einen Treiberstrom, worin eine Komponente der Lichtkomponente, die sich zwischen der Reflexionsvorrichtung (7) und der Teilreflexionsvorrichtung (8) fortpflanzt, durch die Teilreflexionsvorrichtung (8) durchgelassen und als transversales Monomode-Laserlicht ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein transversaler Monomode-Resonator ist und dass eine Vorrichtung (24) zum Empfang von in dem Resonator oszillierendem Laserlicht so vorgesehen ist, dass durch Rückführung eines erfassten Wertes des Laserlichts der Treiberstrom auf der Grundlage der Zunahme und Abnahme der Wärmelinse aufgrund einer Änderung des Laserlichts gesteuert wird.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 1, bei dem die Wärmelinse, die schwächer ist, wenn eine Oszillation des Laserlichts vorhanden ist, als wenn keine Oszillation vorhanden ist, erzeugt wird, wenn die Festkörper-Laserstäbe (4) angeregt sind, und bei dem die Anregungsquellen-Treibervorrichtung (20) enthält: eine Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung (21) zum Erzeugen eines Treiberstroms, der zum Treiben jeder Anregungsquelle verwendet wird; und eine Zuführungsstrom-Steuervorrichtung (22) zum Steuern der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung (21) gemäß einer vorbestimmten Zeitkonstante, um den Treiberstrom zu erhöhen.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 2, bei dem die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung (22) einen Treiberstrom so zuführt, dass er ein Schwellenpegel wird, so dass der Treiberstrom in Zeitintervallen der Zeitkonstanten ansteigt, nachdem eine Zeit entsprechend der Zeitkonstanten verstrichen ist.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 2, bei dem die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung (22) einen Treiberstrom so zuführt, dass er ein Schwellenpegel wird, so dass der Treiberstrom konstant erhöht wird mit einer Geschwindigkeit, die identisch mit oder niedriger ist als diejenige, die durch eine Resonanzdomäne und die Zeitkonstante bestimmt ist, nachdem eine Zeit entsprechend der Zeitkonstanten verstrichen ist.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 2, bei dem die Anregungsquellen-Treibervorrichtung (20b) weiterhin enthält: eine Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung (21) zum Erzeugen eines zum Treiben jeder Anregungsquelle verwendeten Treiberstroms; eine Lichtempfangsvorrichtung (24) zum Empfangen eines Teils des Laserlichts, Umwandeln des Teils des Laserlichts in ein elektrisches Signal und Ausgeben des elektrischen Signals; und eine Zuführungsstrom-Steuervorrichtung (22-2, 22-3) zum Steuern der Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung (21) gemäß dem von der Lichtempfangsvorrichtung (24) ausgegebenen elektrischen Signal, wobei die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung (22-2, 22-3) jeweils die Differenz zwischen dem von der Lichtempfangsvorrichtung (24) ausgegebenen elektrischen Signal und dem von der Anregungsquellen-Treiber leistungszuführung (21) erzeugten Treiberstrom bildet und die Anregungsquellen-Treiberleistungszuführung (21) auf der Grundlage des Differenzergebnisses steuert.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 5, bei dem die Anregungsquellen-Treibervorrichtung (20a) weiterhin einen Strahlenteiler (9) enthält, der sich auf der Strahlenachse des Laserlichts befindet, um einen Teil des Laserlichts zu reflektieren und als ein Abtastlicht auszugeben, worin die Lichtempfangsvorrichtung (24) das Abtastlicht von dem Strahlenteiler (9) empfängt, es in ein elektrisches Signal umwandelt und das elektrische Signal ausgibt.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 5, nach dem eine Lichtempfangsvorrichtung (24) als einen Teil des Laserlichts Verlustlicht, das aus der Reflexionsvorrichtung (7) im Verhältnis zu dem Laserlicht entweicht, empfängt, das Verlustlicht in ein elektrisches Signal umwandelt und das elektrische Signal ausgibt.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Zuführungsstrom-Steuervorrichtung (22-2, 22-3) gemäß dem Differenzergebnis: den Treiberstrom erhöht, wenn ein Differenzsignal des Treiberstroms positiv (+) ist und ein Differenzsignal des Abtastlichts positiv (+) ist; den Treiberstrom verringert, wenn ein Differenzsignal des Treiberstroms positiv (+) ist und ein Differenzsignal des Abtastlichts negativ (–) ist; den Treiberstrom verringert, wenn ein Differenz signal des Treiberstroms negativ (–) ist und ein Differenzsignal des Abtastlichts positiv (+) ist; und den Treiberstrom erhöht, wenn ein Differenzsignal des Treiberstroms negativ (–) ist und ein Differenzsignal des Abtastlichts negativ (–) ist.
Festkörper-Laseroszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiterhin aufweisend: eine erste Schaltvorrichtung (10) für einen optischen Pfad, die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab und zwischen dem ersten Festkörper-Laserstab und einer der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet ist und eine axial erzeugte Komponente des von dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab abgestrahlten Lichts durchlässt und reflektiert; eine zweite Schaltvorrichtung (11) für einen optischen Pfad, die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab und zwischen dem zweiten Festkörper-Laserstab und der anderen der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet ist und die axial erzeugte Komponente des von dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab abgestrahlten Lichts durchlässt und reflektiert; eine zweite Reflexionsvorrichtung (7-2), die koaxial mit und senkrecht zu der von der ersten Schaltvorrichtung für einen optischen Pfad reflektierten Lichtkomponente angeordnet ist; eine zweite Teilreflexionsvorrichtung (8-2), die koaxial mit und senkrecht zu der von der zweiten Schaltvorrichtung für einen optischen Pfad reflektierten Lichtkomponente angeordnet ist; und eine Schaltsteuervorrichtung (25), die mit der ersten Schaltvorrichtung für einen optischen Pfad verbunden ist, um das Schalten von optischen Pfaden zu steuern, wobei eine Komponente der Lichtkomponente, die sich zwischen der Reflexionsvorrichtung und der Teilreflexionsvorrichtung fortpflanzt, von der Teilreflexionsvorrichtung durchgelassen und als transversales Monomode-Ausgangslicht ausgegeben wird; eine Komponente der Lichtkomponente, die sich zwischen der zweiten Reflexionsvorrichtung und der zweiten Teilreflexionsvorrichtung fortpflanzt, von der zweiten Teilreflexionsvorrichtung durchgelassen und als transversales Multimode-Ausgangslicht ausgegeben wird; und die Laserausgangssignale, die das transversale Monomode-Ausgangslicht und das transversale Multimode-Ausgangslicht sind, unter Verwendung der Schaltsteuervorrichtung für einen optischen Pfad umgeschaltet werden.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 9, bei dem die erste Schaltvorrichtung (10) für einen optischen Pfad enthält: eine erste Polarisationsvorrichtung (10-1), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab angeordnet ist; eine erste Pockels-Zelle (10-2a), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab und zwischen der ersten Polarisationsvorrichtung und einer der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet ist; und und eine zweite Pockels-Zelle (10-2b), die auf der Strahlenachse der von der ersten Polarisationsvorrichtung reflektierten Lichtkomponente und zwischen der ersten Polarisationsvorrichtung und der zweiten Reflexionsvorrichtung angeordnet ist; und worin die zweite Schaltvorrichtung (11) für einen optischen Pfad enthält: eine zweite Polarisationsvorrichtung (11-1), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab angeordnet ist; und eine Halbwellenplatte (11-2), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab sowie zwischen dem zweiten Festkörper-Laserstab und der zweiten Polarisationsvorrichtung angeordnet ist.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 10, bei dem die Schaltsteuervorrichtung (25) für einen optischen Pfad eine erste Hochspannungs-Leistungszuführung (25-1a) zum Anlegen einer Spannung an die erste Pockels-Zelle, eine zweite Hochspannungs-Leistungsquelle (25-1b) zum Anlegen einer Spannung an die zweite Pockels-Zelle und eine Hochspannungs-Leistungsquellensteuereinheit (25-2) zum Steuern der Treiberbedingungen für die erste Hochspannungs-Leistungsquelle und die zweite Hochspannungs-Leistungsquelle enthält.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 10, bei dem die Schaltsteuervorrichtung (25) für einen optischen Pfad eine Hochspannungs-Leistungsquelle (25-1) zum Anlegen einer Spannung an jede von der ersten Pockels-Zelle und der zweiten Pockels-Zelle und Hochspannungs-Ausgangsschalteinheit (25-3) zum Schalten von Bestimmungsorten für ein Ausgangssignal der Hochspannungs-Leistungsquelle enthält.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 9, bei dem die erste Schaltvorrichtung (10a) für einen optischen Pfad eine erste Polarisationsvorrichtung, die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab angeordnet ist, eine erste akustooptische Vorrichtung (10-3a), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab sowie zwischen der ersten Polarisationsvorrichtung und einer von den Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet ist, und eine zweite akustooptische Vorrichtung (10-3b), die auf der Strahlenachse einer von der ersten Polarisationsvorrichtung reflektierten Lichtkomponente sowie zwischen der ersten Polarisationsvorrichtung und der zweiten Reflexionsvorrichtung angeordnet ist, enthält, und worin die zweite Schaltvorrichtung für einen optischen Pfad eine zweite Polarisationsvorrichtung, die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab angeordnet ist, und eine Halbwellenplatte, die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab sowie zwischen dem zweiten Festkörper-Laserstab und der zweiten Polarisationsvorrichtung angeordnet ist, enthält.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 13, bei dem die Schaltsteuervorrichtung (25a) für einen optischen Pfad eine Treiberleistungsquelle (25-4a) für die erste akustooptische Vorrichtung zum Treiben der ersten akustooptischen Vorrichtung, eine zweite Treiberleistungsquelle (25-4b) für eine akustooptische Vorrichtung zum Treiben der zweiten akustooptischen Vorrichtung und eine Treiberleistungsquellen-Steuereinheit (25-5) für eine akustooptischen Vorrichtung zum Steuern der Treiberbedingungen für die erste und die zweite Treiberleistungsquelle für eine akustooptische Vorrichtung enthält.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 13, bei dem die Schaltsteuervorrichtung (25a) für einen optischen Pfad eine Treiberleistungsquelle (25-4) für eine akustooptische Vorrichtung zum Treiben der ersten und der zweiten akustooptischen Vorrichtung sowie eine Treiberstrom-Schalteinheit (25-6) zum Schalten von Bestimmungsorten für einen von der Treiberleistungsquelle für eine akustooptische Vorrichtung ausgegebenen Treiberstrom enthält.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 9, bei dem die erste Schaltvorrichtung (10b) für einen optischen Pfad eine erste Polarisationsvorrichtung (10-1), die koaxial mit dem ersten und dem ersten Festkörper-Laserstab angeordnet ist, eine erste Viertelwellenplatte (10-4a), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab sowie zwischen der ersten Polarisationsvorrichtung und einer der Wärmelinsen-Kompensationsvorrichtungen angeordnet ist; eine zweite Viertelwellenplatte (10-4b), die auf der Strahlenachse einer von der ersten Polarisationsvorrichtung reflektierten Lichtkomponente sowie zwischen der ersten Polarisationsvorrichtung und der zweiten Reflexionsvorrichtung angeordnet ist, eine erste Dreheinheit (10-5a) zum Drehen der ersten Viertelwellenplatte und eine zweite Dreheinheit (10-5b) zum Drehen der zweiten Viertelwellenplatte enthält, und bei dem die zweite Schaltvorrichtung (11) für einen optischen Pfad eine zweite Polarisationsvorrichtung (11-1), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab angeordnet ist, und eine Halbwellenplatte (11-2), die koaxial mit dem ersten und dem zweiten Festkörper-Laserstab sowie zwischen dem zweiten Festkörper-Laserstab und der zweiten Polarisationsvorrichtung angeordnet ist, enthält.
Festkörper-Laseroszillator nach Anspruch 16; bei dem die Schaltsteuereinheit (25b) für einen optischen Pfad eine Drehsteuereinheit (25-7) zum Steuern der Drehungen der ersten und der zweiten Dreheinheit enthält.