DE69317923T2

DE69317923T2 - Verstellbare Wellenlängenlasereinrichtung

Info

Publication number: DE69317923T2
Application number: DE69317923T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Haruyasu Ito
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1992-02-10
Filing date: 1993-02-09
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: EP0556016A1; DE69317923D1; JPH05226749A; EP0556016B1; US5357532A; JP3176682B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft eine Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge.

Verwandter Stand der Technik

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das den typischen grundsätzlichen Aufbau einer herkömmlichen Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge darstellt. Ein Resonator 100 umfaßt zwei Resonatorspiegel 101, 104 sowie ein dazwischen angeordnetes Lasermedium 102 und eine Wellenlängenwahleinrichtung 103. Das Lasermedium 102 wird mittels einer Anregungseinrichtung 110 angeregt, wobei durch die zwei Resonatorspiegel 101, 104 Laserresonanz erzeugt wird. Die Wellenlänge der Laserresonanz wird durch die Wellenlängenwahleinrichtung 103 bestimmt und über einen optischen Ausgangsanschluß 120 nach außen ausgegeben.
Fig. 2 zeigt einen dem Blockschaltbild in Fig. 1 entsprechenden tatsächlichen Aufbau. Die Anregungseinrichtung 110 setzt sich wie folgt zusammen. Eine Laserdiode 111, eine Kollinatorlinse 112, ein anamorphotisches Prismenpaar 113, ein Polarisationsstrahlenteiler 114 und eine Fokussierungslinse 115 sind aufeinanderfolgend auf der optischen Achse der Laserdiode 111 bereitgestellt. Weiterhin sind senkrecht zu der optischen Achse der zuvor beschriebenen Laserdiode 111 eine Laserdiode 116, eine Kollimatorlinse 117 und ein anamorphotisches Prismenpaar 118 auf der optischen Achse der Laserdiode 116 aufeinanderfolgend bereitgestellt. Ferner ist der vorstehend genannte Polarisationsstrahlenteiler 114 auf der optischen Achse der Laserdiode 116 bereitgestellt.
Ein Laserstrahl von der Anregungseinrichtung 110, d.h. ein Laserstrahl von der Fokussierungslinse 115, fällt auf ein Lasermedium 201 mit einem Resonatorspiegel 201a auf dessen Einfallebene und wird von einem Hohlspiegel 202 reflektiert.
Danach fällt der auf diese Weise reflektierte Laserstrahl durch ein Prisma 203 auf einen Planspiegel 204 eines Ausgangsanschlusses, der zudem auch als Resonatorspiegel dient.
Wie gezeigt ist die Wellenlängenwahleinrichtung in einem Strahlengang zwischen dem Resonatorspiegel 201a und dem Planspiegel 204 angeordnet, die als Resonatorspiegelpaar des Lasers dienen. Um bei einer derartigen Vorrichtung die Wellenlänge eines Ausgangslichts zu verstellen, wird das Prisma 203 oder der zudem auch als Resonatorspiegel dienende Planspiegel 204 des Ausgangsanschlusses gedreht.
Allerdings ist es bei einer derartigen herkömmlichen Vorrichtung schwierig, Laserresonanz zu erzeugen, da die Wellenlängenwahleinrichtun g innerhalb des Resonators vorgesehen ist. Wenn die Verstärkung des Lasermediums oder die Anregungsenergie gering ist, treten zudem Fälle auf, bei denen die Erzeugung einer Laseroszillation schwierig ist.
Weiterhin wird zum Ändern der Wellenlänge des Ausgangslichts das Prisma gedreht, doch wenn der Drehwinkel des Prismas 203 einen vorbestimmten Bereich überschreitet, wird die Oszillation in der Vorrichtung unterbrochen. Demgemäß ist es bei der Durchführung eines Experiments oder dergleichen unter Verwendung einer derartigen Laserlichtquelle sehr hinderlich, wenn die Notwendigkeit besteht, im verstellbaren Bereich in einem der längsten oder der kürzesten Wellenlänge nahen Abschnitt zu arbeiten.
Andererseits besteht zum Erhalt eines durch den Resonator spiegel hindurch abgegebenen optischen Ausgangssignals der Wunsch nach einem Resonatorspiegel mit einer konstanten Lichtdurchlässigkeit über ein breites Wellenlängenband.
Jedoch ist die Verwirklichung eines derartigen besonderen Spiegels nicht einfach zu bewerkstelligen. Die Figuren 3A und 38 zeigen tatsächliche spektrale Ausgangskennlinien eines Lasers für den Fall, daß Spiegel A und B für den zudem auch als Resonatorspiegel dienenden Planspiegel 204 des Ausgangsanschlusses verwendet werden (in diesem Fall wird angenommen, daß der Hohlspiegel 202 in Fig. 2 ein breitbandig totalreflektierender Spiegel ist). Fig. 3A zeigt den Fall, bei dem der Spiegel A benutzt wird, und Fig. 3B den Fall, bei dem Spiegel B benutzt wird.
Der Spiegel A hat eine "flache" bzw. einheitliche spektrale Durchlässigkeitskennlinie. Bei Verwendung dieses Spiegels A kann die Ausgangswellenlänge fortlaufend, beispielsweise über einen Bereich von 65 nm zwischen 825 nm und 890 nm, verändert werden. Doch ist es mit diesem Spiegel A unmöglich, eine Laserausgangsleistung über ein breites Band zu gewährleisten. Dagegen ist der Spiegel B mit der Absicht hergestellt worden, daß er in einem so breitem Band wie möglich eine Kennlinie mit geringer Durchlässigkeit aufweist. Bei Verwendung dieses Spiegels B kann eine Ausgangswellenlänge über beispielsweise einen Bereich von 92 nm zwischen 820 nm und 912 nm erhalten werden. Allerdings trat Laseroszillation nur an den im Diagramm mit einem Punkt gekennzeichneten Wellenlängen auf. Deswegen war es schwierig, die Resonanzwellenlänge fortlaufend zu ändern. Die Durchlässigkeitskennlinie des Spiegels B wird als nicht so einheitlich und der Durchlässigkeitsfaktor des Spiegels B als zu groß bei der Wellenlänge angesehen, bei der keine Laseroszillation stattfindet.
Wie vorstehend angegeben, ist es gewöhnlich schwierig, einen Spiegel mit breitbandig konstanter, aber geringer Durchlässigkeit herzustellen. Wenn versucht wird, eine konstante Durchlässigkeit zu gewährleisten, ergibt sich ein schmales Band. Wenn im Gegensatz dazu versucht wird, ein breites Band zu verwirklichen, ist die Durchlässigkeit nicht konstant. Infolgedessen tritt bei einem herkömmlichen Laser das nicht zu umgehende Problem auf, daß die spektrale Ausgangskennlinie stark von den Eigenschaften des Resonatorspiegels abhängt. Darüber hinaus ist bei den spektralen Ausgangskennlinien gemäß den Figuren 3A und 3B während einer Laseroszillation die Spektralbreite bei jeweiligen Wellenlängen mit ungefähr 4 um (Halbwertsbreite) verhältnismäßig breit.
Es wird Bezug genommen auf die WO-A-91/05385, EP-A-O 457 523 und auf die Druckschrift IBM Technical Disclosure Bulletin, Bd. 14, Nr.3 (August 1971), S. 951. In der WO-A-91/05385 und dem Artikel aus dem technischen Mitteilungsblatt für Offenlegungen von IBM sind die Laser einstellbar.
Es wird ebenfalls auf die US-A-3 739 295 Bezug genommen, die einen einstellbaren Laser beschreibt, bei dem die Richtung des Ausgangslichts unveränderlich bezüglich der Frequenz und frei von Hintergrundfluoreszenz ist. Der Resonator umfaßt ein Gitter zur Einstellung des Lasers, einen Reflektor, der mit dem Gitter einen Hilfsresonator bildet, und einen dazwischen angeordneten Strahlenteiler zur Ausgabe eines Teils des vom Gitter durch eine Öffnung in Richtung des Reflektors zurückkehrenden Lichts. Im Hauptresonator sind Fokussierspiegel angeordnet, um den Strahl durch einen Farbstoffresonator hindurch zu fokussieren.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung gestaltet eine Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge aus, die einen Hauptresonator mit zwei Hauptresonatorspiegeln und ein zwischen den Hauptresonatorspiegeln angeordnetes Lasermedium, einen Nebenresonator mit einer Wellenlängenwahleinrichtung zur Auswahl einer gewünschten Laserwellenlänge, wobei der Nebenresonator mit dem Hauptresonator durch eine Eingangs-/ Ausgangseinrichtung optisch gekoppelt ist, so daß ein Laserstrahl von dem Hauptresonator an den Nebenresonator ausgegeben werden kann und eine Rückkopplung eines Laserstrahls mit in dem Nebenresonator eingestellter Wellenlänge zu dem Hauptresonator erfolgt, eine Anregungseinrichtung zur Anregung des Lasermediums und einen optischen Ausgangsanschluß zur Bereitstellung eines Laserausgangslichts von der Laservorrichtung umfaßt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Vorrichtung weiterhin eine Modulationseinheit zur Modulation der Amplitude des Laserausgangslichts bei einer Frequenz aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches eines Frequenzabstands zwischen longitudinalen Lasermoden ist, und die Länge des Nebenresonators geteilt durch die Länge des Hauptresonators entweder N oder 1/N beträgt, wobei N eine ganze Zahl ist.
Da bei der vorstehenden Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge keine Notwendigkeit besteht, eine Wellenlängenwahleinrichtung innerhalb des Hauptresonators bereitzustellen, ist eine Laseroszillation einfach. Dementsprechend kann im Falle, daß die Verstärkung des Lasermediums oder die Anregungsenergie gering ist, Resonanz erzeugt werden. Da der Hauptresonator zu jeder Zeit in einen Resonanzzustand versetzt werden kann, kann zudem ein Ausfall der Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge verhindert werden. Demgemäß bedeutet eine Verwendung dieser Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge keine Behinderung während der Durchführung eines von einer derartigen Vorrichtung Gebrauch machenden Experiments.
Unter besonderer Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen stellt die Erfindung eine Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge bereit, die einen breitbandig verstellbaren Wellenlängenbereich aufweist und bei der die gewünschte Ausgangswellenlänge auf einfache Weise geändert werden kann.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand einer ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnung beschrieben, wobei diese nur aus Gründen der Erläuterung gegeben sind und folglich nicht als Einschränkung der Erfindung angesehen werden können.
Der weitere Umfang der Anwendbarkeit der Erfindung geht aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung hervor. Die Beschreibung und die einzelnen Beispiele sind, obwohl sie bevorzugte Ausführungsformen angeben, nur aus Gründen der Erläuterung gegeben, da für einen Fachmann anhand der ausführlichen Beschreibung verschiedene Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung ersichtlich sein werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des grundsätzlichen Aufbaus gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 ein Beispiel eines tatsächlichen Aufbaus gemäß dem Stand der Technik;
die Figuren 3A und 3B jeweils spektrale Ausgangskennlinien gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 ein Blockschaltbild des grundsätzlichen Aufbaus einer Laservorrichtung mit verstellbarer Wellenlänge, das zum Verständnis dieser Erfindung beiträgt;
Fig. 5 den Aufbau eines ersten Beispiels, das zum Verständnis dieser Erfindung beiträgt;
Fig. 6 eine spektrale Ausgangskennlinie 1 des Lasers;
Fig. 7 eine spektrale Ausgangskennlinie 2 des Lasers;
Fig. 8 eine spektrale Ausgangskennlinie 3 des Lasers;
die Figuren 9 bis 12 jeweils verschiedene weitere Beispiele von Anregungseinrichtungen;
die Figuren 13 bis 16 jeweils verschiedene weitere Beispiele des Hauptresonators;
die Figuren 17 bis 23 jeweils verschiedene weitere Beispiele des Nebenresonators;
Fig. 24 ein weiteres Beispiel, das sich auf den optischen Ausgangsanschluß bei dem Beispiel gemäß Fig: 11 bezieht;
Fig. 25 ein weiteres Beispiel des optischen Ausgangsanschlusses;
die Figuren 26 und 27 jeweils weitere Beispiele einer Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge;
Fig. 28 eine erfindungsgemäße Ausführungsform;
Fig. 29 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform und
Fig. 30 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform

BESCHREIBUNG DER BEISPIELE UND BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFQRMEN

Fig. 4 zeigt eine Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge, die zum Verständnis dieser Erfindung beiträgt. Eine Anregungseinrichtung 1 regt ein Lasermedium 2a in einem Hauptresonator 2 an. Der Hauptresonator 2 weist zwei Resonatorspiegel 2b, das dazwischen angeordnete Lasermedium 2a und einen Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c auf. Der Hauptresonator 2 ist hier als ein Resonator mit einem Lasermedium definiert, der in der Lage ist, selbsttätig Resonanz und Verstärkung zu zeigen, d.h. auf den Erhalt eines Anregungslichts hin zu oszillieren. Durch die Anregungseinrichtung 1 und den Hauptresonator 2 kann eine Laseroszillation erzeugt werden.
Ein Nebenresonator 3 weist eine Wellenlängenwahleinrichtung 3a und eine optische Rückkopplungseinrichtung 3b auf und hat die Aufgabe, Laserausgangslicht von dem Hauptresonator 2 in Spektralbestandteile aufzutrennen, um sie zu dem Hauptresonator rückzukoppeln. Der Nebenresonator 3 ist hier als ein Resonator definiert, der im Anschluß an den Arbeitsgang des Hauptresonators 2 in Funktion tritt und deswegen keine Funktion als selbsttätiger Verstärker hat. Dabei ist der Nebenresonator 3 derart ausgelegt, daß er den Resonanzzustand nur innerhalb des Nebenresonators 3 erfüllt. Ferner ist es wünschenswert, einen derartigen Aufbau zu verwenden, daß die Resonanzbedingung selbst bei einer Kombination des Nebenresonators 3 und des Hauptresonators 2 erfüllt ist.
Es ist anzumerken, daß eine Resonanz des Nebenresonators 3 zwischen nachstehend beschriebenen optischen Komponenten stattfindet, die als ein Resonanzspiegelpaar arbeiten. Die optische Rückkopplungseinrichtung 3b arbeitet als einer der Resonanzspiegel. Der andere Resonanzspiegel ist in Abhängigkeit davon festgelegt, welcher Aufbau verwendet wird. Bei diesem Beispiel arbeitet der Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c oder der Resonatorspiegel 2b des Hauptresonators 2 als der andere Resonanzspiegel. Darüber hinaus kann innerhalb des Nebenresonators 3 abhängig von dem Gesamtaufbau der Vorrichtung beispielsweise ein (nicht dargestellter) Resonatorspiegel getrennt bereitgestellt werden, damit dieser als der andere Resonanzspiegel arbeitet.
Bei der aus der Anregungseinrichtung 1, dem Hauptresonator 2 und dem Nebenresonator 3 bestehenden Vorrichtung ist zur Entnahme von Ausgangslicht eines bezüglich der Wellenlänge eingestellten Laserstrahls nach außen ein optischer Ausgangsanschluß 4 bereitgestellt. Es ist anzumerken, daß dieser optische Ausgangsanschluß 4 von der Arbeitsweise her zudem auch als eine der vorstehend genannten unterschiedlichen Einrichtungen dienen kann.
Das Lasermedium 2a oder einer der beiden Resonatorspiegel 2b kann zudem auch die Funktion des optischen Eigangs-/Ausgangsanschlusses 2c des Hauptresonators 2 übernehmen. Andererseits kann dazwischen auch ein Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c getrennt bereitgestellt sein. Weiterhin kann entweder die Anregungseinrichtung 1, der Hauptresonator 2 oder der Nebenresonator 3 zudem auch die Funktion des optischen Ausgangsanschlusses 4 übernehmen. Andererseits kann zwischen den vorstehend genannten Komponenten auch ein optischer Ausgangsanschluß getrennt angeordnet sein.
Nachstehend sind verschiedene Beispiele erläutert.
Fig. 5 zeigt einen tatsächlichen Aufbau eines ersten Beispiels. Zuerst ist kurz der Aufbau der Anregungseinrichtung 1 beschrieben. Eine Laserdiode 11, eine Kollimatorlinse 12, ein anamorphotisches Prismenpaar 13, ein Polarisationsstrahlenteiler 14 und eine Fokussierungslinse 15 sind aufeinanderfolgend auf der optische Achse der Laserdiode 11 bereitgestellt. Weiterhin sind unter Verwendung des Polarisationsstrahlenteilers 14 eine Laserdiode 16, eine Kollimatorlinse 17 und ein anamorphotisches Prismenpaar 18 auf der optische Achse der vorstehenden Laserdiode 11 bereitgestellt. Die Laserdiode 11 und die Laserdiode 16 erzeugen ein Ausgangslicht mit senkrecht zueinander stehender linearer Polarisation. Deswegen sind diese Ausgangslichtstrahlen durch den Polaristionsstrahlenteiler 14 wirksam gekoppelt und regen das Lasermedium 21 an.
Bei dem ersten Beispiel ist der Fall offenbart, bei dem als Anregungseinrichtung 1 Lichtanregung durch einen Laserdiodenstrahl benutzt wird. Anstelle des vorstehenden Laserdiodenstrahls kann zur Anregung auch ein Strom, eine Entladung, ein Gaslaserstrahl wie zum Beispiel eines Ar-Lasers oder dergleichen, ein Blitzlicht und ein Flüssigkeitslaserstrahl wie zum Beispiel eines Farbstofflasers oder dergleichen verwendet werden.
Nachstehend ist kurz der Aufbau des Hauptresonators 2 und des Nebenresonators 3 beschrieben. Ein Anregungslicht von einer Anregungseinrichtung 1, d.h. ein Anregungslicht von der Fokussierungslinse 15, tritt in ein Lasermedium 21 von der linken Begrenzungsoberfläche 21a ein und regt das Lasermedium 21 an. Die linke Begrenzungsoberfläche 21a dient bezüglich einer Resonanzwellenlänge des Lasers als Resonanzspiegel. Ein von dem angeregten Lasermedium 21 abgestrahltes Licht befindet sich zwischen der linken Begrenzungsoberfläche 21a und einem reflektierenden Hohlspiegel 22 in Resonanz, wodurch ein Laserstrahl erzeugt wird. Eine Kollimatorlinse 31, ein Strahlenteiler 41 und ein Brewster-Prisma 32 sind aufeinanderfolgend auf der optischen Achse des durch den reflektierenden Hohlspiegel 22 hindurchgetretenen Lichtstrahls angeordnet. Durch das Brewster-Prisma 32 wird der Laserstrahl dispergiert, so daß er eine spektrale Verteilung aufweist. Das heißt, die spektrale Verteilung hat für alle jeweiligen Wellenlängen unterschiedliche Brechungswinkel. Ein totalreflektierender Spiegel 33 ist auf der optischen Achse einer gewünschten Wellenlänge derart angeordnet, daß er im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse steht. Bei diesem Beispiel liegt die Reflexionsoberfläche des Strahlenteilers 41 zur optischen Achse des Laserstrahls in einem Winkel von im wesentlichen 45º.
Für das Lasermedium in dem Hauptresonator 2 wurde Cr³&spplus;:LiSrAlF&sub6; als Festkörperlasermedium verwendet. Darüber hinaus können anstelle dessen verschiedene Medien benutzt werden. Beispielsweise kann ein Farbstofflasermedium oder ein Gaslasermedium oder dergleichen für diese Zwecke eingesetzt werden.
Wie vorstehend beschrieben ist einer von zwei Resonanzspiegeln des Hauptresonators 2 durch einen Beschichtungsvorgang auf die linke Begrenzungsoberfläche 21a des Lasermediums 21 aufgebracht. Der andere Spiegel ist der reflektierende Hohlspiegel 22, wobei dieser reflektierende Hohlspiegel 22 eine Kennlinie aufweist, bei der ein Teil des Lichts durch diesen hindurchgelassen wird. Der reflektierende Hohlspiegel 22 arbeitet also als der Resonatorspiegel 2b und auch als Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c, auf den in Fig. 4 Bezug genommen ist. Der Nebenresonator 3 besteht aus einer Kollimatorlinse 31, einem Brewster-Prisma 32 und einem totalreflektierenden Spiegel 33. Es ist anzumerken, daß die durch den Nebenresonator 33 eingestellte Resonanz durch den totalreflektierenden Spiegel 33 und die konkave Oberfläche des reflektierenden Hohlspiegels 22 erzeugt wird. Darüber hinaus ist innerhalb des Nebenresonators 3 ein Strahlenteiler 41 bereitgestellt. Dieser Strahlenteiler 41 arbeitet als der optische Ausgangsanschluß 4, auf den in Fig. 4 Bezug genommen ist.
Nachstehend ist eine tatsächliche Betriebsweise des ersten Beispiels gemäß Fig. 5 beschrieben. Die Laserdioden 11 und 16 erzeugen zur Anregung eines Lasermediums ein Ausgangslicht mit einer Wellenlänge von etwa 670 nm. Das Ausgangslicht der Laserdiode 11 hat eine zur Zeichnungsebene parallele Polarisationsrichtung und das Ausgangslicht der Laserdiode 16 eine zur Zeichnungsebene senkrechte Polarisationsrichtung. Die Kollimatorlinsen 12 und 17 wandeln Ausgangslichtstrahlen von den jeweiligen Laserdioden 11 und 16 jeweils in Strahlen parallelen Lichts um. Die anamorphotischen Prismenpaare 13 und 18 wandeln jeweils der Laserdiode eigene elliptische Strahlen in zirkulare Strahlen um. Der Polarisationsstrahlenteiler 14 fügt Ausgangslichtstrahlen von den jeweiligen Laserdioden 11 und 16 zusammen, um unter Mitwirkung der Fokussierungslinse 15 Lichtstrahlen in den Hauptresonator 2 einzuführen. Es ist wünschenswert, daß eine AR-Beschichtung bzw. Vergütung auf den Polarisationsstrahlenteiler 14 und die Fokussierungslinsen 12, 17 usw. aufgebracht wird.
Das Lasermedium 21 (Cr³+:LiSrAlF&sub6;) ist ein bezüglich der Wellenlänge verstellbares Festkörperlasemedium. Ein Anregungslicht von der Anregungseinrichtung 1 tritt in das Lasermedium 21 durch die linke Begrenzungsoberfläche 21a ein. Die linke Begrenzungsoberfläche 21a erlaubt, daß ein Licht mit 670 nm wirksam durch diese hindurchgelassen und ein Licht mit 865 nm von ihr reflektiert wird. Die linke Begrenzungsoberfläche 21a erlaubt einem Anregungslicht wirksam in das Lasermedium 21 einzufallen und schließt ein induziertes Emissionslicht ein bzw. begrenzt es. Weiterhin ist die rechte Begrenzungsoberfläche 21b des Lasermediums 21 AR-beschichtet, so daß ein Licht mit 865 um nicht von ihr reflektiert wird. Auf diese Weise kann ein Verlust an Laserresonanzstrahlen innerhalb des Hauptresonators 2 verringert werden. Der reflektierende Hohlspiegel 22 weist eine konkave und eine ebene Oberfläche auf. Die konkave Oberfläche ist derart beschichtet, daß sie einen Reflexionsgrad von 99% aufweist, und weist einen Krümmungsradius von 10 cm auf. Die ebene Oberfläche ist AR-beschichtet. Der reflektierende Hohlspiegel 22 dient bei dieser Laservorrichtung als ein Resonatorspiegel. Folglich kann diese Laservorrichtung oszillieren, d.h. sie kann selbst dann in Resonanz sein und den Laserstrahl verstärken, wenn kein Nebenresonator 3 vorgesehen ist. Ferner dient der reflektierende Hohlspiegel 22 zudem auch als optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c.
Das Brewster-Prisma 32 dient der verlustarmen Wellenlängeneinstellung. Der totalreflektierende Spiegel 33 koppelt Licht zu dem Hauptresonator 2 zurück. Es ist wünschenswert, daß zwecks einer hohen Übertragung bei der Wellenlänge des Laserstrahls die Rückseite des totalreflektierenden Spiegels 33 und die Kollimatorlinse 31 usw. beschichtet sind.
Der Strahlenteiler 41 entnimmt dem reflektierten Licht zwei Strahlen als Ausgangsstrahlen. Das heißt, dieser Strahlenteiler 41 arbeitet als der optische Ausgangsanschluß 4. Als Strahlenteiler 41 kann eine Glasplatte benutzt werden. Dabei ist es wünschenswert, daß die Rückseite der Glasplatte, auf deren Oberfläche (d.h. die Vorderseite der Glasplatte) eine Beschichtung aufgebracht ist, AR-beschichtet ist.
Eine weitergehende ausführliche Erläuterung ist mit Bezug auf Fig. 5 gegeben. Das Lasermedium 21 in Form von Cr³+ :LiSrAlF&sub6; ist ein Würfel von 5 mm, der mit 3% Cr³+ dotiert ist. Die Resontorlänge des Hauptresonators 2 ist auf ungefähr 10 cm eingestellt. Die Resonatorlänge entspricht dem Abstand zwischen der linken Begrenzungsoberfläche 21a und der konkaven Oberfläche des reflektierenden Hohlspiegels 22. Wenn die Eingangsintensität eines Anregungslichts in den Hauptresonator 2 226 mW beträgt, hat ein Ausgangsstrahl im Fall eines Lasers mit nur dem Hauptresonator 2 eine maximale Ausgangsleistung von 52,6 mW, eine Schwerpunktwellenlänge von 849,1 nm und eine spektrale Bandbreite von 4,3 nm. Die Resonatorlänge des Nebenresonators 3 ist auf ungefähr 30 cm eingestellt worden. Die Resonatorlänge entspricht dem Abstand zwischen der konkaven Oberfläche des reflektierenden Hohlspiegels 22 und dem totalreflektierenden Spiegel 33. Ein endgültiger Ausgamgsstrahl wird durch Reflexion eines Strahls durch eine innerhalb des Nebenresonators 3 anzuordnende als Strahlenteiler 41 genutzte Glasplatte nach außen entnommen. Dabei ist der Winkel so eingestellt worden, daß der Reflexionsgrad der Glasplatte 7% betrug. Es ist zu beachten, daß dieser Reflexionsgrad das Reflexionsvermögen der vorderen Oberfläche und der Rückseite der Glasplatte umfaßt.
Fig. 6 zeigt den Verlauf der spektralen Ausgangskennlinie, die durch die Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Beispiel erhalten wurde. Die spektrale Bandweite des Ausgangslichts ist mit ungefähr 2 nm bei jeweiligen Wellenlängen schmaler. Fig. 6 kann ebenfalls entnommen werden, das als Ausgangsleistung der Gesamtheit dieser Laservorrichtung über einen einstellbaren Bereich von 100 nm zwischen 822 nm und 922 nm eine Ausgangsleistung von mehr als 2 mW zur Verfügung steht, wobei der fortlaufend einstellbare Wellenlängenbereich größer als bei sonstigen Festkörperlasern ist. Wie bereits in Fig. 5 gezeigt, wird ein Ausgangsstrahl der Laservorrichtung in zwei Richtungen erhalten. Eine Änderung der Wellen länge eines Ausgangsstrahls wird durch Drehen des als Resonanzspiegel zur optischen Rückkopplung dienenden totalreflektierenden Spiegels 33 in eine in der Figur durch einen Pfeil bezeichneten Richtung durchgeführt. Eine derartige Wellenlängenänderung kann auch durch Drehen des Brewster- Prismas 32 ausgeführt werden.
Fig. 7 zeigt die spektrale Ausgangskennlinie, bei der der Winkel des auf die Glasplatte auffallenden Lichts derart geändert ist, daß der Reflexionsgrad 2,0% beträgt. In diesem Fall ist die Ausgangsleistung niedriger, doch es wurde über einen einstellbaren Bereich von 110 nm von einer Wellenlänge von 820 nm bis 930 nm eine Ausgangsleistung von mehr als 1 mW erhalten.
Fig. 8 zeigt eine spektrale Ausgangskennlinie einer Laservorrichtung für den Fall, bei dem von einem 8 um dünnen mehrlagigen dielektrischen Film als Strahlenteiler 41 Gebrauch gemacht ist. Die Kurven A und B zeigen jeweils Verläufe, die schwach abhängig von der spektralen Reflexionskennlinie des dünnen membranartigen Films sind. Der einstellbare Wellenlängenbereich beträgt im Fall der Kurve A 90 nm und im Fall der Kurve B 86 nm. Wenn der einstellbare Wellenlängenbereich auf eine bestimmte Wellenlänge eingeschränkt wird, wird eine höhere Ausgangsleistung erhalten. Ferner kann der als optischer Ausgangsanschluß 4 benutzte Strahlenteiler 41 ein Trennwürfel sein.
Auf der Grundlage des ersten Beispiels sind nachstehend abgewandelte Beispiele der Hauptbauteile offenbart.
Zunächst ist auf weitere Beispiele für die Anregungseinrichtung 1 Bezug genommen.
Fig. 9 zeigt ausschließlich den Aufbau der Anregungseinrichtung. Dieser Aufbau ist kurz beschrieben. Eine Laserdiode 511, eine Kollimatorlinse 512, ein anamorphotisches Prismenpaar 513 und eine Fokussierungslinse 514 sind aufeinanderfolgend auf der optischen Achse der Laserdiode 511 angeordnet. Ein durch die Fokussierungslinse 514 gebündeltes Anregungslicht tritt in ein (nicht dargestelltes) Lasermedium des Hauptresonators ein. Obwohl bei dem ersten Beispiel die Anregung durch zwei Laserdioden ausgeführt wird, kann gemäß Fig. 9 die Anregung auch durch eine einzelne Laserdiode 511 durchgeführt werden. Falls die Anregung anstelle der Laserdiode 511 durch einen Ar-Laser oder dergleichen ausgeführt wird, können die Kollimatorlinse 512, das anamorphotische Prismenpaar 513 und die Fokussierungslinse 514 usw. weggelassen werden. Das trifft auch auf andere Anregungseinrichtungen zu, die nachstehend beschrieben sind.
Ein weiteres Beispiel ist in Fig. 10 dargestellt. Anstelle der Fokussierungslinse 514 gemäß Fig. 9 kann zur Fokussierung eines Anregungslichts ein Hohlspiegel 515 verwendet werden, wodurch ein (nicht dargestelltes) Lasermedium angeregt wird. Selbstverständlich kann ein Verfahren genutzt werden, bei dem ein Laserkristall transversal angeregt wird.
In Fig. 11 ist ein weiteres Beispiel dargestellt. Bei diesem Beispiel kann anstelle der Fokussierungslinse 514 gemäß Fig. 9 zum Bündeln eines Anregungslichts, damit es ein Lasermedium 25 beleuchtet, eine zylindrische Linse 516 verwendet werden. Des weiteren ist es nicht nötig, ein Anregungslicht zu bündeln, falls das Licht stark ist. In diesem Fall ist es erforderlich, daß sich die Laserdiode 511 so nah wie möglich an dem Lasermedium 25 befinden. Eine Anregungseinrichtung 1, bei der sich die Laserdiode 511 an einem als Resonanzspiegel 26a dienenden Abschnitt, auf den eine Beschichtung mit einem hohen Reflexionsgrad aufgebracht ist, in Kontakt mit dem Lasermedium 26 befindet, zeigt Fig. 12.
Weitere sich auf den Hauptresonator beziehende Ausführungsformen sind in den Figuren 13 bis 16 offenbart.
Gemäß der Darstellung in Fig. 13 ist ein Resonanzspiegel 27a durch Aufbringung einer Beschichtung auf einer Begrenzungsoberfläche eines Lasermediums 27 ausgebildet und ein Hohlspiegel 517 auf der optische Achse eines von der anderen Begrenzungsoberfläche des Lasermediums 27 ausgehenden Laserstrahls angeordnet. Weiterhin ist ein Planspiegel 518 auf der optische Achse eines durch den Hohlspiegel 517 reflektierten Laserstrahls angeordnet. Dabei kann der (in Fig. 4 angesprochene) optische Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c zur Eingabe/Ausgabe eines Laserstrahls von einem Hauptresonator in einen Nebenresonator und umgekehrt (wobei beide nicht dargestellt sind) derart verwendet werden, daß dieser gemäß der Darstellung in Fig. 13 zudem auch entweder als der Resonanzspiegel 27a, als der Hohlspiegel 517 oder als der Planspiegel 518 dient.
Darüber hinaus wird bei Verwendung des Hohlspiegels als Eingangs-/Ausgangsanschluß zumindest von einem der zwei Laserstrahlen Gebrauch gemacht.
Wenn gemäß der Darstellung in Fig. 14 ein zwischen zwei Hohlspiegeln 519 und 520 anzuordnendes Lasermedium 521 bereitgestellt ist, so daß ein Hauptresonator gebildet ist, kann entsprechend entweder der Hohlspiegel 519 oder der Hohlspiegel 520 als der (in Fig. 4 angesprochene) optische Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c benutzt werden. Gemäß Fig. 15 sind an den Positionen der jeweiligen Spitzen eines Dreiecks zwei Hohlspiegel 522 und 523 und ein Planspiegel 524 angeordnet, wobei ein Lasermedium 525 zwischen den zwei Hohlspiegeln 522 und 523 angeordnet ist. Weiterhin kann der Planspiegel 524 als optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c (gemäß Fig. 4) benutzt werden, so daß der Hauptresonator 2 (gemäß Fig. 4) gebildet ist. In diesem Fall wird wenigstens einer der beiden Strahlen als Ausgangsstrahl verwendet. Ferner können die Hohlspiegel 522 und 523 reflektierende Spiegel parabolischer Bauart sein.
Gemäß der Darstellung in Fig. 16 kann zwischen einem Lasermedium 526 und einem Hohlspiegel 527 ein Strahlenteiler 528 im wesentlichen unter einem Brewster-Winkel angeordnet sein, um diesen Strahlenteiler 528 als den (in Fig. 4 angesprochenen) optischen Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c zu benutzen. Dabei wird zumindest einer der beiden Strahlen als Ausgangsstrahl verwendet. In diesem Fall ist es wünschenswert, daß die andere Oberfläche des Strahlenteilers 528 um eine AR- Beschichtung ergänzt wird. Darüber hinaus kann es sich bei dem Strahlenteiler 528 um eine Glasplatte handeln.
Innerhalb jedes Resonators der in den Figuren 13 bis 15 gezeigten Beispiele kann ein Strahlenteiler angeordnet sein, um diesen als Eingangs-/Ausgangsanschluß zu nutzen. In diesem Fall ist es nicht notwendig, daß die Resonanzspiegel durchlässig sind, und es reicht aus, auf diesen ausschließlich eine Beschichtung mit hohem Reflexionsgrad aufzubringen. Das Beschichten vereinfacht sich aus diesem Grund.
Die Figuren 17 bis 23 zeigen weitere Beispiele, die sich bei dem Nebenresonator auf die Wellenlängenwahleinrichtung und die optische Rückkopplungseinrichtung beziehen. Es ist anzumerken, daß auf die Beschreibung der Kollimatorlinse 31 und des Strahlenteilers 41, die bei dem Nebenresonator gemäß Fig. 5 vorgesehen sind, verzichtet ist, sofern keine Notwendigkeit besteht, im einzelnen auf diese Bauelemente Bezug zu nehmen.
Es kann ein Aufbau gemäß der Darstellung in Fig. 17 verwendet werden, bei dem ein Laserstrahl vom Hauptresonator in ein Durchlaßgitter 529 eintritt, so daß ein gebrochener Laserstrahl durch einen totalreflektierenden Spiegel 530 reflektiert wird. Diesem Aufbau entsprechend unterscheidet sich der Brechungsswinkel abhängig von der Wellenlänge eines auf das Durchlaßgitter 529 auffallenden Laserstrahls. Entsprechend erfährt Licht bei einer bestimmten Position bzw. einem bestimmten Winkel Totalreflexion, wodurch eine Wellenlängenwahl ermöglicht wird. Bei diesem Aufbau ist als die Wellenlängenwahleinrichtung das Durchlaßgitter 529 und als die optische Rückkopplungseinrichtung der totalreflektierende Spiegel 530 benutzt.
Weiterhin kann ein Aufbau gemäß der Darstellung in Fig. 18 verwendet werden, bei dem ein Laserstrahl von dem Hauptresonator unter einem geeigneten Winkel direkt in ein reflektierendes Gitter 531 eintritt, so daß dieser dadurch reflektiert wird. Diesem Aufbau entsprechend unterscheidet sich der Reflexionswinkel abhängig von der Wellenlänge eines auf das reflektierende Gitter 531 auffallenden Laserstrahls. Entsprechend wird ein Laserstrahl bei einem bestimmten Winkel reflektiert, wodurch eine Wellenlängenwahl ermöglicht wird. Bei diesem Aufbau dient das reflektierende Gitter 531 sowohl als die Wellenlängenwahleinrichtung als auch als die optische Rückkopplungseinrichtung.
Weiterhin können ein doppelbrechendes Filter 532 und ein totalreflektierender Spiegel 533 aufeinanderfolgend auf der optischen Achse eines Laserstrahls vom Hauptresonator angeordnet sein. Es ist ein doppelbrechendes Filter 532 verwendet, das die Wellenlänge in Abhängigkeit von einem Drehwinkel verstellt, wodurch eine Wellenlängenwahl ermöglicht wird. Dabei ist es wünschenswert, daß das doppelbrechende Filter 532 in einem Brewster-Winkel angeordnet ist.
Des weiteren kann als die Wellenlängenwahleinrichtung ein Etalon- oder ein Interferenzfilter usw. oder ein Aufbau, bei dem diese kombiniert oder mehrstufig verbunden sind, verwendet werden. Weiterhin kann ein Aufbau verwendet werden, bei dem bei Erhalt zweier Strahlen vom Eingangs-/Ausgangsanschluß gemäß der Darstellung in den Figuren 15 und 16 einer der Strahlen wie üblich ausgegeben wird und der andere Strahl mit diesem Strahl zusammengeführt wird, um einen "zusammengefügten" bzw. überlagerten Strahl auszugeben.
Darüber hinaus kann ein Aufbau verwendet werden, bei dem ein Strahl wie üblich entnommen wird und der andere Strahl unter Verwendung eines totalreflektierenden Spiegeis reflektiert wird, so daß eine Rückkopplung ausgegebenen Lichts in Form eines reflektierten Strahls erfolgt.
Als nächstes ist ein Beispiel angegeben, bei dem ein Resonanzspiegel des Hauptresonators nicht als einer der Resonanzspiegel des Nebenresonators Gebrauch findet. Gemäß der Darstellung in Fig. 20 ist ein Hauptresonator aus einem durch eine (nicht dargestellte) Anregungseinrichtung angeregtes Lasermedium 534, wobei eine Begrenzungsoberfläche 534a des Lasermediums 534 um eine reflektierende Beschichtung ergänzt ist, durch einen totalreflektierenden Spiegel 535 und einen Strahlenteiler 536 gebildet. Des weiteren sind an den jeweiligen Spitzen eines Vierecks totalreflektierende Spiegel 537a bis 537d und zwischen den totalreflektierenden Spiegeln 537b und 537c ein doppelbrechendes Filter 538 angeordnet, wodurch eine Wellenlängenwahl erfolgt. Ein Laserstrahl vom Lasermedium 534 wird durch einen zwischen dem totalreflektierenden Spiegeln 537a und 537d angeordneten Strahlenteiler 536 hindurch eingeführt.
Es treten auch Lichtstrahlen in einer Bewegungsrichtung auf, die entgegensetzt zu der durch die Pfeile bezeichneten Bewegungsrichtung des Lichts ist. Die Wellenlängen können hinsichtlich beider Lichtstrahlen gleich eingestellt sein. Darüber hinaus kann in der Mitte eines Strahlengangs ein optischer Isolator eingebracht sein, damit das Licht nur in einer Bewegungsrichtung genutzt wird. Im Falle des Aufbaus gemäß Fig. 20 ist die Rückkopplungseinrichtung des Nebenresonators durch alle der totalreflektierenden Spiegel 537a bis 537d gebildet.
In Fig. 21 ist ein abgeändertes Beispiel des Aufbaus zwischen dem Brewster-Prisma 32 und dem totalreflektierenden Spiegel 33 gemäß der Darstellung in Fig. 5 gezeigt. Gemäß dieser Figur wird ein Laserstrahl vom Hauptresonator 2 durch ein Brewster-Prisma 541 dispergiert, so daß dieser eine spektrale Verteilung aufweist. Folglich hat die spektrale Verteilung für alle Wellenlängen unterschiedliche Brechungswinkel. Auf der optischen Achse einer gewünschten Wellenlänge sind aufeinanderfolgend eine Fokussierungslinse 542, ein Lichtwellenleiter 543, eine Linse 544 und ein totalreflektierender Spiegel 545 angeordnet. Während die optische Rückkopplungseinrichtung gemäß Fig. 5 einen totalreflektierenden Spiegel 33 aufweist, umfaßt die optische Rückkopplungseinrichtung gemäß Fig. 21 eine Kombination von Fokussierungslinse 542, Lichtwellenleiter 543, Linse 544 und totalreflektierendem Spiegel 545. Zum Zwecke der Wellenlängenänderung kann ein Verfahren eingesetzt werden, bei dem eine Anordnung mit einer einstückig ausgebildeten Kombinations-Lichtrückkopplungseinrichtung oder bei dem das Prisma 541 gedreht wird.
Ein weiteres Aufbaubeispiel ist in Fig. 22 gezeigt. Ein Laserstrahl vom Hauptresonator 2 wird durch ein Brewster- Prisma 546 in Lichtstrahlen jeweiliger Wellenlänge dispergiert. Eine Schlitzblende 547, eine Fokussierungslinse 548 und ein Lichtwellenleiter 549 sind bezüglich des vorstehend genannten Spektrums aufeinanderfolgend angeordnet. Bei diesem Beispiel ist auf der der Einfallseite des Lichtwellenleiters 549 gegenüberliegenden Begrenzungsoberfläche 549a eine derartige Beschichtung aufgebracht, daß Licht eine Totalreflexion erfährt. Dabei ist die Fokussierungslinse 548 derart eingestellt, daß durch das Prisma 546 dispergierte Lichtstrahlen in den Lichtwellenleiter 549 eintreten. Entsprechend diesem Aufbau kann eine Wellenlängenwahl durch Bewegen der zwischen dem Prisma 546 und der Fokussierungslinse 548 angeordneten Schlitzblende 547 durchgeführt werden. Eine solche Wellenlängenänderung kann auch durch Drehen des Brewster-Prismas 546 erfolgen.
Darüber hinaus kann gemäß der Darstellung in Fig. 23 anstelle des totalreflektierenden Spiegels als optische Rückkopplungseinrichtung ein Kristall zur Erzeugung phasenkonjugierter Strahlen, beispielsweise ein BaTiO&sub3;-Kristall 550, zur optischen Rückkopplung dieser phasenkonjugierten Strahlen verwendet werden. Gemäß Fig. 23 ist auf dieser optischen Achse ein doppelbrechendes Doppelfilter 551 als die Wellenlängenwahleinrichtung angeordnet.
Mit Ausnahme des vorstehend genannten ersten Beispiels sind Beispiele für den optischen Ausgangsanschluß nachstehend offenbart.
Es kann ein derartiger Aufbau Verwendung finden, daß wenn ein optischer Ausgangsanschluß in dem Nebenresonator vorgesehen ist, die totalreflektierenden Spiegel gemäß den Figuren 17, 19, 20, 21 und 22 als reflektierende Spiegel ausgestaltet sind, die Licht teilweise durch sich hindurchlassen, um daraus ein Ausgangslicht zu erhalten. In dem Fall, daß wie in dem Darstellungen der Figuren 17, 19, 20, 21, 22 und 23 zwischen dem Hauptresonator und der total reflektierenden Oberfläche ein optisches Material mit einer Fläche vorgesehen ist, die nicht senkrecht zu der optischen Achse steht (beispielsweise das Durchlaßgitter 529 gemäß Fig. 17), werden ergänzend Strahlen reflektierten Lichts erzeugt, die grundsätzlich nicht genutzt werden. Durch Nutzen derartiger Nebenstrahlen reflektierten Lichts kann das optische Material als der optische Ausgangsanschluß verwendet werden. Weiterhin können Nebenstrahlen beispielsweise gemäß Fig. 5 an der Linsenoberfläche reflektierten Lichts genutzt werden. In diesem Fall kann ein Schema verwendet werden, bei dem eine Zerstreuungslinse als eine plan-konvexe Linse aufgebaut ist, bei der die konvexe Seite AR-beschichtet ist, um ein an der planen Begrenzungsoberfläche reflektiertes Licht zu verwenden. Zudem ist es wünschenswert, daß auf die plane Begrenzungsoberfläche eine reflektierende Beschichtung aufgebracht ist.
Es kann auch ein Aufbau verwendet werden, bei dem, falls der optische Ausgangsanschluß 4 dem Hauptresonator 2 zugeordnet ist, wenn wie in den Figuren 15 oder 16 usw. zwei Strahlen für den optischen Eingang/Ausgang 2c des Hauptresonators 2 genutzt werden können, einer der Strahlen für den optischen Eingangs-/Ausgangsanschluß 2c und der andere Strahl für den optischen Ausgangsanschluß 4 genutzt wird. (In diesem Absatz beziehen sich die vorstehenden Bezugszeichen auf Fig. 4.)
Ebenfalls kann ein Aufbau verwendet werden, bei dem, wenn die Hohlspiegel 517, 519 und 520 sowie der Planspiegel 518 gemäß den Figuren 13 und 14 usw. reflektierende, für Licht teilweise durchlässige Spiegel sind, der reflektierende Spiegel jeweils als der optische Eingangs-/Ausgangsanschluß des Hauptresonators genutzt wird, und der andere, nicht als der optische Eingangs-/Ausgangsanschluß benutzte Spiegel ein reflektierender, für Licht teilweise durchlässiger Spiegel ist, so daß dieser als der optische Ausgangsanschluß genutzt wird.
Ein abgewandeltes Beispiel des optischen Ausgangsanschlusses einer eine Anregungseinrichtung gemäß Fig. 11 verwendenden Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge ist in Fig. 24 gezeigt. Ein durch die (in Fig. 11 dargestellte) Anregungseinrichtung 1 angeregtes Lasermedium 25 befindet sich zwischen zwei Planspiegeln 552 und 553. Auf der Verlängerung der optischen Achse des Planspiegels 553 ist ein Brewster- Prisma 554 und auf der einen Brechungswinkel gewünschter Wellenlänge aufweisenden optischen Achse ein totalreflektierender Spiegel 555 angeordnet. Der Planspiegel 552 dient sowohl als Resonatorspiegel als auch als optischer Ausgangsanschluß, und der Planspiegel 553 dient sowohl als Resonatorspiegel als auch als optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß.
Fig. 25 zeigt den Fall, daß der optische Ausgangsanschluß innerhalb der Anregungseinrichtung vorgesehen ist. Es ist anzumerken, daß die Beschreibung einer Fokussierungslinse und einer Linse zum Ändern von Licht in ein paralleles Licht weggelassen ist. Ein Anregungslicht von einer Laserdiode 556 wird durch ein Prisma 557 gebrochen und tritt dann nacheinander in einen Planspiegel 558, ein Lasermedium 559 und einen Planspiegel 560 ein. Der Hauptresonator setzt sich aus den Planspiegeln 558 und 560 und dem dazwischen angeordneten Lasermedium zusammen. Ein durch den Planspiegel 560 durchgelassener Laserstrahl wird durch ein Brewster-Prisma 561 gebrochen und dann durch einen totalreflektierenden Spiegel 562 auf der einen Brechungswinkel gewünschter Wellenlänge aufweisenden optischen Achse reflektiert. Das auf diese Weise erhaltene reflektierte ticht kehrt auf dieser optischen Achse ein zweites Mal zurück. Ein aus dem Innern des Hauptresonators kommender, teilweise durch den Planspiegel 558 hindurchgelassener Laserstrahl wird durch das Prisma 557 gebrochen und dann durch den auf dieser optischen Achse angeordneten totalreflektierenden Spiegel 562 nach außen ausgegeben. Es ist zu beachten, daß weil die Wellenlänge des Anregungslichts von der Laserdiode 556 und die Wellenlänge eines bezüglich der Wellenlänge eingestellten Laserstrahls voneinander verschieden sind, diese Wellenlängen durch das Prisma 557 unterschieden werden, weswegen diese folglich ausgegeben werden können, ohne demselben Strahlengang zu folgen.
Wenn zwei Strahlen von dem optischen Ausgangsanschluß erhalten werden, kann ein Aufbau mit einem totalreflektierenden Spiegel verwendet werden, um diese nur auf einer Seite auszugeben. Ein abgeändertes Beispiel gemäß Fig. 5, bei dem auf nur einer Seite zwei Strahlen ausgegeben werden, ist in Fig. 26 dargestellt. Der Aufbau gemäß Fig. 26 ist mit Ausnahme dessen, daß zusätzlich ein totalreflektierender Spiegel 42 zum Reflektieren eines von zwei von dem Strahlenteiler 41 ausgegebenen Strahlen vorgesehen ist, der gleiche Aufbau wie in Fig. 5.
Entsprechend dieser Vorrichtung wird ein Strahl durch den totalreflektierenden Spiegel 42 reflektiert, wobei das reflektierte Licht ein zweites Mal in den Strahlenteiler 41 eintritt. Ein Teil des auffallenden Strahls wird mit dem anderen Strahl zusammengeführt und als optisches Ausgangslicht nach außen ausgegeben. Der Rest wird dagegen wieder dem Nebenresonator zugeführt.
Gemäß der Darstellung in Fig. 27 kann der Laser zudem eine derartige ringförmige Anordnung haben, daß der Hauptresonator und der Nebenresonator kombiniert sind. Das Lasermedium 25 wird durch eine Anregungseinrichtung mit einem Aufbau gemäß Fig. 11 angeregt. Auf einer Begrenzungsoberfläche 25a des Lasermediums 25 ist eine reflektierende Beschichtung aufgebracht, die dem Laserstrahl teilweise durch sich hindurchläßt Die auf diese Weise beschichtete Begrenzungsoberfläche 25a arbeitet als einer der Resonatorspiegel des Hauptresonators, aber auch als ein optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß zur Eingabe/Ausgabe eines Laserstrahls von und zu dem Nebenresonator.
Ein von der anderen Begrenzungsoberfläche des Lasermediums 25 ausgegebener Laserstrahl wird durch einen totalreflektierenden Spiegel 564 reflektiert und tritt dann in einen Planspiegel 565 ein. Der Planspiegel 565 arbeitet als der andere Resonatorspiegel des Hauptresonators, aber auch als ein optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß zur Eingabe/Ausgabe eines Laserstrahls von und zu dem Nebenresonator.
Ein durch den Planspiegel 565 hindurchgelassener Laserstrahl tritt in einen Planspiegel 566 einer teildurchlässigen Bauart ein. Ein von dem Planspiegel 566 reflektierter Laserstrahl tritt in ein Brewster-Prisma 567 ein, durch das er gebrochen wird. Der auf diese Weise gebrochene Laserstrahl tritt in die Begrenzungsoberfläche 25a des Lasermediums 25 ein. Der Planspiegel 566 arbeitet als optische Rückkopplungseinrichtung, aber auch als optischer Ausgangsanschluß zur Ausgabe des Laserstrahls nach außen. Darüber hinaus arbeitet das Brewster-Prisma als Wellenlängenwahleinrichtung. Folglich setzt sich der Nebenresonator aus dem Planspiegel 566 und dem Brewster-Prisma 567 zusammen.
Es ist anzumerken, daß obwohl nur der Strahlengang eines von der anderen Begrenzungsoberfläche des Lasermediums 25 ausgegebenen Laserstrahls bezüglich einer Richtung im Uhrzeigersinn beschrieben wurde, es selbstverständlich einen Strahlengang eines von einer Begrenzungsoberfläche 25a durchgelassenen Laserstrahls in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn sowie Strahlengänge gibt, bei denen Licht durch jeweilige Spiegel reflektiert wurde.
Die vorstehend beschriebenen Beispiele sind bei jeweiligen Komponenten auf verschiedene Weisen kombiniert, wodurch ein Laser mit einstellbarer Wellenlänge gebildet werden kann.
Wenn angenommen wird, daß die Resonatorlänge (Lsub) des Nebenresonators ein Vielfaches einer ganzen Zahl oder ein Quotient aus eins und einem ganzzahligen Vielfachen der Resonatorlänge (Lmain) des Hauptresonators ist, kann eine Amplitude mit einem ganzzahligem Vielfachen eines Frequenzintervalls zwischen longitudinalen Moden angelegt werden, d.h. mit einem ganzzahligem Vielfachen (1, 2, 3, ...) von f, wobei f durch f = C/2Lmain bestimmt ist. (Wenn der Hauptresonator ringförmig ist, wird f durch f = C/Lmain ausgedrückt.) Im Falle eines Resonators der Fabry-Perot-Bauart entspricht die Resonatorlänge im wesentlichen dem Abstand zwischen zwei Hohlspiegeln. Nachstehend ist eine Laservorrichtung beschrieben, die gemäß einer "relaxierten Lage" (according to relaxed aspect) Amplitudenmodulation ausführen kann.
Es ist eine Modulationseinheit vorgesehen, die ein E-O- Element (elektrooptischer Modulator) oder ein A-O-Element (akustooptischer Modulator) verwendet, wodurch eine Laservorrichtung erhalten werden kann, die eine Amplitudenmodulation ausführt. In Fig. 28 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der ein Festkörperlasermedium als solches als A-O-Element bzw. Modulator benutzt wird.
Auf der optischen Achse einer Laserdiode 570 sind aufeinanderfolgend eine Kollimatorlinse 571, ein anamorphotisches Prismenpaar 572 und eine Fokussierungslinse 573 angeordnet.
Ein Anregungslicht von der Fokussierungslinse 573 fällt von einer linken Begrenzungsoberfläche 574a auf ein Lasermedium 574. Auf die linke Begrenzungsoberfläche 574a ist eine derartige Beschichtung aufgebracht, daß Licht hinsichtlich der Wellenlänge eines Resonanzlaserstrahls des Hauptresonators reflektiert wird und hinsichtlich der Wellenlänge eines Anregungslichts durchgelassen wird. Ein von der rechten Begrenzungsoberfläche des Lasermediums 574 abgestrahlter Laserstrahl tritt über einen Hohlspiegel 575 in einen Planspiegel 576 ein. In diesem Fall arbeiten die linke Begrenzungsoberfläche 574a und der Planspiegel 576 als Resonanzspiegel des Hauptresonators, wobei der Planspiegel 576 auch als optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß und als ein Resonanzspiegel des Nebenresonators arbeitet.
Auf der optischen Achse eines durch den Planspiegel 576 durchgetretenen Laserstrahls ist ein Brewster-Prisma 577 angeordnet. Durch dieses Brewster-Prisma 577 werden Laserstrahlen mit für jede Wellenlänge unterschiedlichen Brechungswinkeln bereitgestellt. Auf der optischen Achse einer gewünschten Wellenlänge ist ein Planspiegel 578 im wesentlichen senkrecht zu dieser optischen Achse angeordnet. Bei dieser Ausführungsform dient der Planspiegel 578 zudem auch als ein optischer Ausgangsanschluß zur Ausgabe eines Laserstrahls mit gewünschter Wellenlänge nach außen.
Der vorstehend genannte Aufbau und die Arbeitsweise entsprechen den zuvor beschriebenen Beispielen. Der dieser Ausführungsform der Erfindung entsprechende Aufbau gemäß Fig. 28 ist dadurch gekennzeichnet, daß zudem ein Piezoelement 579 mit dem Lasermedium 574 gekoppelt ist. Ein Signal der vorstehend erwähnten Frequenz f/2 wird durch eine Steuerungseinrichtung 580 an das Piezoelement angelegt, damit die Laservorrichtung eine Amplitudenmodulation mit der Frequenz f ausführen kann.
Darüber hinaus kann unter Ausnutzung der optischen Nichtlinearität des Lasermediums selbst von einer Kerr-Optik- Modenkopplung Gebrauch gemacht werden. In diesem Fall vollführt die Laservorrichtung eine Selbstmodenkopplung, so daß ein Pulslaser ausgebildet ist.
Fig. 29 zeigt als eine abgewandelte Ausführungsform von Fig. 28 eine Ausführungsform, bei der das Piezoelement 579 mit einem Ausgamgsspiegel 581 gekoppelt ist, statt mit dem Lasermedlum 574 verbunden zu sein. Bei diesem Beispiel muß der zudem auch als optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß des Hauptresonators dienende Ausgangsspiegel 581 dick sein, um diesen als A-O-Element zu verwenden, wobei eine Modulationseinheit in dem Nebenresonator geschaffen ist. In dieser Figur entsprechen die anderen Komponenten denen in Fig. 28. Des weiteren kann wie bei den Beispielen gemäß den Figuren 21 und 22 unter Ausnutzung eines Interferenzeffekts bei Licht von additiver Modenkopplung Gebrauch gemacht werden. In diesem Fall vollführt die Laservorrichtung eine Selbstmodenkopplung, so daß ein Pulslaser ausgebildet ist.
Als ein weiteres, für das Verständnis der Erfindung nützliches Beispiel ist ein Aufbau vorgestellt, bei dem, wenn zwei Strahlen von dem optische Ausgangsanschluß erhalten werden, die Lichtintensität eines der Strahlen durch einen photoelektrischen Wandler in ein Strom- oder Spannungssignal umgewandelt wird, um einen Laserstrahl auf der Grundlage dieses Signals zu stabilisieren. Der Aufbau des Beispiels ist in Fig. 30 dargestellt. Dieser Aufbau unterscheidet sich von dem Aufbau gemäß Fig. 28 insofern, als daß die Modulationseinheit (Piezoelement 579, Steuerungseinrichtung 580) aus dem Aufbau gemäß Fig. 28 entfernt ist, der Planspiegel 578 durch einen totalreflektierenden Spiegel 582 ersetzt ist und zwischen dem Planspiegel 576 und dem Brewster-Prisma 577 ein Strahlenteiler 583 als optischer Ausgangsanschluß angeordnet ist. Weiterhin wird die Lichtintensität eines von zwei Ausgangslichtstrahlen von dem Strahlenteiler 583 durch einen photoelektrische Wandler 584 in ein Strom- oder Spannungssignal umgewandelt, um die Laserdiode 570 auf der Grundlage dieses Signals durch einen Regelschaltkreis 585 zu regeln.
Ein Ausgangssignal von dem photoelektrischen Wandler 584 wird über dem Regelschaltkreis 585 zu der als Anregungslichtquelle dienenden Laserdiode 570 zur Änderung eines Ausgangslichts der Laserdiode 570 rückgekoppelt, um auf diese Weise das optische Ausgangssignal zu stabilisieren. Darüber hinaus kann ein Aufbau Verwendung finden, bei dem einem (nicht dargestellten) Piezoelement ein Ausgangssignal eingegeben wird, um den sowohl als optischer Resonatorspiegel als auch als optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß des Hauptresonators dienenden Planspiegel 576 oder den als optische Rückkopplungseinrichtung des Nebenresonators dienenden totalreflektierenden Spiegel 582 in Richtung der optischen Achse zu verändern, damit zumindest eine der Resonatorlängen Lmain und Lsub geändert wird, um auf diese Weise das optische Ausgangssignal zu stabilisieren.
Darüber hinaus kann das vorstehend beschriebene Beispiel gemäß Fig. 30 mit den Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden, um den auf diese Weise erhaltenen technischen Inhalt auf die Beispiele gemäß den Figuren 4 bis 27 anzuwenden. Beispielsweise kann ein Aufbau verwendet werden, bei dem bei Verwendung einer unvollständigen Selbstanregungs-Pulsmodulation eine Rückkopplung zu der Laserdiode 570 bei dem Aufbau gemäß Fig. 30 vorgesehen ist, damit auf diese Weise eine deutlichere Pulserzeugung erfolgt.
Die spektrale Ausgangskennlinie 1 gemäß Fig. 6 stellt eine Kennlinie dar, die in dem Fall erhalten wird, daß als Spiegel für die optische Rückkopplungseinrichtung des Nebenresonators bei Erhalt der Kennlinie gemäß Fig. 38 Spiegel B verwendet wird und als ein Hohlspiegel für sowohl den Hauptresonatorspiegel des Hauptresonators als auch für den optischen Eingangs-/Ausgangsanschluß bei Erhalt der Kennlinie gemäß Fig. 3A ein Spiegel verwendet wird, auf dem die gleiche Beschichtung wie die des Spiegels B aufgebracht ist.
Wie vorstehend angegeben kann ein Laser mit einer breitbandig fortlaufend einstellbaren Wellenlänge konstruiert werden, da die Laserausgangsleistung nicht stark von der spektralen Kennlinie des Resonatorspiegels des Hauptresonators oder der optischen Rückkopplungseinrichtung abhängt. Weiterhin kann dessen Ausgangskennlinie eine recht einheitliche Kennlinie sein, wobei eine hohe Ausgangsleistung an beiden Enden des einstellbaren Wellenlängenbereichs erhalten werden kann. Weiterhin kann die spektrale Bandbreite des Ausgangslichts 1 - 2 nm betragen, welche schmaler als bei dem Stand der Technik ist.
Da der Hauptresonator jederzeit oszilliert (Resonanz mit Verstärkung), können zudem, falls innerhalb des Nebenresonators ein optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß angeordnet ist, viele Strahlen entnommen werden. Einer dieser Strahlen kann zur Stabilisierung verwendet werden.
Zum Abschluß sind nachstehend in zwischen den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und dem Stand der Technik vergleichender Darstellung die Wirkungen bzw. Vorteile zusammengefaßt. Falls eine Wellenlängenwahl unter Verwendung eines Prismas durchgeführt wird, kann verglichen mit dem Fall, daß ein Prisma wie bei dem Stand der Technik innerhalb des Hauptresonators angeordnet wird, mit den Vorrichtungen gemäß den Ausführungsformen eine stabile optische Ausgangsleistung, ein breiteres Band und ein schmaleres Spektrum verwirklicht werden. Da der Hauptresonator jederzeit oszilliert (Resonanz mit Verstärkung), ist zudem die Justierung einfach. Bei dem Stand der Technik kann die Resonanz des Resonators unterbrochen werden, wenn die Wellenlängenänderung des Ausgangslichts während eine Experiments außerhalb des verstellbaren Wellenlängenbereichs liegt. Deswegen ist der Aufwand für die Justierung der Vorrichtung groß, bis die Laserresonanz zum zweiten Mal erzeugt werden kann, wodurch das Problem einer Unterbrechung des laufenden Experiments oder ähnliche Probleme auftreten können. Insbesondere stellt dies im Falle eines Lasermediums mit geringer Verstärkung ein ernstes Problem dar.
Weiterhin kann der optische Verlust klein gehalten werden, weil der Hauptresonator einen denkbar einfachen Aufbau ohne optische Elemente zur Wellenlängenwahl aufweist. Diese Laservorrichtung ist insbesondere dann wirkungsvoll, wenn die Verstärkung des Lasermediums oder die Intensität des Anregungslichts gering ist. Da diese Vorrichtung auf andere Laservorrichtungen mit einstellbarer Wellenlänge angewendet werden kann, sind darüber hinaus verschiedene Anwendungen denkbar.

Claims

1. Laservorrichtung mit einstellbarer Wellenlänge mit:

einem Hauptresonator mit zwei Hauptresonatorspiegeln (574a, 576, 581a) und einem zwischen den Hauptresonatorspiegeln angeordneten Lasermedium (574);

einem Nebenresonator mit einer Wellenlängenwahleinrichtung (577) zur Auswahl einer gewünschten Laserwellenlänge, wobei der Nebenresonator mit dem Hauptresonator durch eine Eingangs-/Ausgangseinrichtung (576, 581) optisch gekoppelt ist, so daß ein Laserstrahl von dem Hauptresonator an den Nebenresonator ausgegeben wird und eine Rückkopplung eines Laserstrahls mit in dem Nebenresonator eingestellter Wellenlänge zu dem Hauptresonator erfolgt;

einer Anregungseihrichtung (570) zur Anregung des Lasermediums; und

einem optischen Ausgangsanschluß (578) zur Bereitstellung eines Laserausgangslichts von der Laservorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorrichtung zudem eine Modulationseinheit (579) zur Modulation der Amplitude des Laserausgangslichts bei einer Frequenz aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches eines Frequenzintervalls zwischen longitudinalen Lasermoden ist, und

die Länge des Nebenresonators geteilt durch die Länge des Hauptresonators entweder N oder 1/N beträgt, wobei N eine ganze Zahl ist.

2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem optischen Eingangs-/Ausgangsanschluß um einen der Hauptresonatorspiegel (581a) handelt.

3. Laservorrichtung nach Anspruch 2, wobei der als optischer Eingangs-/Ausgangsanschluß dienende Hauptresonatorspiegel (581a) eine Charakteristik aufweist, gemäß der ein Anteil eines Laserstrahls durch diesen hindurchgelassen wird.

4. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anregungseinrichtung eine Laserdiode (570) zur Anregung des Lasermediums durch Lichtanregung aufweist.

5. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Hauptresonator ein Resonator der Fabry-Perot- Bauart ist.

6. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Lasermedium ein Festkörperlasermedium umfaßt.

7. Laservorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Festkörperlasermedium Cr³+:LiSrAlF&sub6; ist.

8. Laservorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei einer der Hauptresonatorspiegel (574a) eine reflektierende Schicht auf einer Oberfläche des Festkörperlasermediums aufweist.

9. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei der Wellenlängenwahleinrichtung um ein dreieckiges Prisma (577) handelt.

10. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der optische Ausgangsanschluß eine in dem Hauptresonator oder dem Nebenresonator enthaltene Oberfläche eines optischen Elements zur Bereitstellung des Laserausgangsstrahls aus Strahlen reflektierten Lichts eines an der Oberfläche des optischen Elements ergänzend erzeugten Laserstrahls ist.

11. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Ausgangsanschluß den Laserausgangsstrahl aus zwei in entgegengesetzte Richtungen gerichteten Strahlen gewinnt, wobei der Ausgangsanschluß einen reflektierenden Spiegel (42) zur Reflexion eines der Strahlen aufweist, um diesen Strahl derart auszugeben, daß er dem anderen Strahl überlagert wird.

12. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine nicht reflektierende Schicht auf zumindest einer Oberfläche eines Elements des Hauptresonators und/oder des Nebenresonators aufgebracht ist, an der eine Reflexion nicht notwendig ist.

13. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Lasermedium (574) ein A-O-Element ist und die Modulationseinheit (579) mit dem Lasermedium verbunden ist.

14. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laservorrichtung durch Ausnutzen einer optischen Nichtlinearität des Lasermediums eine Selbstanregungs- Modenkopplung ausführt, die Kerr-Optik-Modenkopplung beinhaltet.

15. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei ein Spiegelelement (581a), das von einem A-O-Element (581) aus einem transparenten optischen Medium getragen wird, gleichzeitig als der Nebenresonatorspiegel und als einer der Hauptresonatorspiegel dient und die Modulationseinheit (579) mit dem A-O-Element verbunden ist.

16. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die optische Rückkopplungseinrichtung ein Dispersionsmedium aufweist, um durch Ausnutzen von Lichtinterferenz eine Selbstanregungs-Modenkopplung auszuführen.

17. Laservorrichtung nach Anspruch 16, wobei das Dispersionsmedium einen Lichtwellenleiter zur Ausführung einer additiven Pulsmodenkopplung umfaßt.

18. Laservorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche zudem mit einem photoelektrischen Wandler (584) zur Überwachung von Licht von dem optischen Ausgangsanschluß und einer auf ein Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers ansprechenden Regelungseinheit (585) zur Regelung der Laservorrichtung, um eine stabile Laserstrahlintensität zu erreichen.

19. Laservorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Regelungseinheit (585) im Ansprechen auf das Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers (584) eine Regelung der Anregungsenergie der Anregungseinrichtung (570) ausführt.

20. Laservorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Regelungseinheit im Ansprechen auf das Ausgangssignal des photoelektrischen Wandlers aufgrund einer Regelung entweder die Resonatorlänge des Hauptresonators oder die Resonatorlänge des Nebenresonators oder beide Resonatorlängen verändert.