DE69414524T2

DE69414524T2 - Festkörperlaser hoher Helligkeit mit Zickzack-Verstärker

Info

Publication number: DE69414524T2
Application number: DE69414524T
Authority: DE
Inventors: George M. San Pedro California 90731 Harpole; Rodger C. Canyon Country California 91351-1724 Hilyard; Carolyn S. Malibu California 90265 Hoefer; Hagop Injeyan (Nmi), Glendale, California 91208; Randall J. Santa Monica California 90403 St. Pierre
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2014-09-10
Also published as: JP2746845B2; US5640406A; DE69414524D1; EP0652616A1; US5555254A; EP0652616B1; JPH07193307A; US5646773A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Festkörper-Laserquelle hoher Helligkeit gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Eine solche Laserquelle ist aus der US-A-4,725,787 bekannt.
Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf Systeme zur Erzeugung von Laserstrahlen extrem hoher Helligkeit gerichtet. Festkörperlaser mit einer durchschnittlichen Leistung bis zu 100 W (Watt) und sogar noch höherer Leistung werden für vielfältige militärische, industrielle und zivile Anwendungen, die Röntgen-Photolitographie, Laserbearbeitung und -bohren, Kommunikation im Raum und unter Wasser sowie medizinische Anwendungen einschließen, benötigt.
Die Helligkeit eines Laserstrahls ist proportional zur durchschnittlichen Leistung und umgekehrt proportional zum Quadrat der Strahlqualität, wobei die Strahlqualität wiederum in Beziehung zu einem beugungsbegrenzten Strahl definiert ist, d. h. ein beugungsbegrenzter Strahl hat eine ideale Strahlqualität von 1,0. Eine schlechtere Strahlqualität von beispielsweise 1,5 resultiert in einer Helligkeit von 1/(1,5)² oder 44,4% der Helligkeit des beugungsbegrenzten Strahls. Da die Helligkeit proportional zum Quadrat der Strahlqualität abnimmt, ist es von äußerster Wichtigkeit, die Strahlqualität zu kontrollieren, wenn hohe Helligkeit ein Auslegungsziel ist.
Eine Reihe von Laserarchitekturen, die in verschiedenen früheren Patenten offenbart worden sind, verwendet eine Konfiguration mit phasenkonjugiertem Master-Oszillator/Leistungsverstärker (PC MOPA); dennoch sind sie nicht in der Lage, einen Strahl der gewünschten Helligkeit zu erzeugen, oder sie haben andere Nachteile. Demzufolge besteht immer noch ein erheblicher Bedarf an einer verbesserten Festkörperlaser-Architektur, die hervorragende Strahlqualität und somit einen extrem hellen Strahl bereitstellt. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf, wie nachstehend erläutert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Festkörper-Laserquelle hoher Helligkeit wie in Anspruch 1 beschrieben bereitgestellt.
Bevorzugte Ausführungsformen dieser Laserquelle sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 ein optisches schematisches Diagramm einer Konfiguration mit phasenkonjugiertem Master-Oszillator/Leistungsverstärker (PC MOPA), das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwirklicht;
Fig. 2a eine Stirnansicht einer bei der Konfiguration nach Fig. 1 verwendeten Master-Oszillatorstabanordnung;
Fig. 2b eine Draufsicht der bei der Konfiguration nach Fig. 1 verwendeten Master-Oszillatorstabanordnung;
Fig. 3 ein optisches schematisches Diagramm eines bei der Konfiguration nach Fig. 1 verwendeten Master-Oszillatorresonators;
Fig. 4 eine Stirnansicht eines Laserkopfes (Verstärker) gemäß der Erfindung;
Fig. 4a eine perspektivische Ansicht eines für den Laserkopf nach Fig. 4 verwendeten Diodenanordnungsmoduls;
Fig. 5 eine fragmentarische Draufsicht eines bei der Konfiguration nach Fig. 1 verwendeten Zickzack-Verstärkers;
Fig. 6 ein schematisches Diagramm, das die Funktionsweise einer Phasenkonjugationszelle darstellt;
Fig. 7a, 7b und 7c optische schematische Diagramme, die drei alternative Techniken zum Extrahieren von Energie aus der erfindungsgemäßen Laserkonfiguration darstellen;
Fig. 8 ein optisches Schema einer bevorzugten Konfiguration zur Strahlformung im erfindungsgemäßen Master-Oszillator;
Fig. 9 eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die Bildweiterleitungsteleskope und mehrere Verstärker verwendet; und
Fig. 10 eine graphische Darstellung, die die Änderung der extrahierten Energie bzw. Strahlqualität in Abhängigkeit von der Energie des Master-Oszillators zeigt.

BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS

Wie die Zeichnungen zur Veranschaulichung zeigen, betrifft die vorliegende Erfindung eine Festkörper-Laserarchitektur zum Erzeugen eines Laserstrahl mittlerer bis hoher Leistung und extrem hoher Helligkeit sowie eine damit verwandte Laserverstärkerstruktur. Obwohl in zahlreichen Variation die Konfiguration mit phasenkonjugiertem Master-Oszillator/Leistungsverstärker (PC MOPA) verwendet worden ist, waren bisher alle von geringerer als hervorragender Strahlqualität und wiesen demzufolge niedrige Helligkeitspegel auf.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendet eine MOPA-Konfiguration einen Zickzack-Verstärker und liefert einen Strahl extrem hoher Qualität, etwa das 1,1-fache des Beugungs grenzwertes, und entsprechend hoher Helligkeit. Die Helligkeit ist definiert als:
dabei: Pave = durchschnittliche Strahlqualität;
λ = Wellenlänge und
BQ = Strahlqualität.
Die in Fig. 1 dargestellte Gesamtarchitektur enthält einen durch das Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Master-Oszillator, ein Strahlformungsteleskop 12, einen Polarisator 14, einen Zickzack-Verstärker 16, ein Bildweiterleitungsteleskop 17, eine Viertelwellenplatte 18 und einen Phasenkonjugationsspiegel 20. Der Master-Oszillator 10, der mit einem Faraday-Isolator 24 zusammenwirkt, erzeugt einen niederenergetischen optischen Strahl hoher Qualität, dessen Leistung für zahlreiche Zwecke unzureichend ist. Der Strahl des Master-Oszillators wird zuerst durch das Strahlformungsteleskop 12 zur weiteren Konditionierung des Strahls geschickt und tritt in den Zickzack-Verstärker 16 ein. Der Verstärker 16, der aus einer Kette von Verstärkern bestehen kann, verstärkt den Strahl bei seinem ersten Durchgang, und der Strahl wird dann als Bild zum Phasenkonjugationsspiegel 20 weitergeleitet. Es ist nahezu sicher, daß der Verstärker Phasenaberrationen der optischen Wellenfronten des Strahls verursacht, wenn dieser das Verstärkermedium durchläuft. Wie jedoch hinreichend bekannt ist, kann die Phasenkonjugation zur Beseitigung dieser Aberrationen genutzt werden, indem eine phasenkongugierte Form des Strahls durch den Verstärker zurückgeschickt wird.
Das Extrahieren eines Austrittsstrahls aus der in Fig. 1 dargestellten Architektur erfolgt mittels der Viertelwellenplatte 18 und des Polarisators 14. Die Viertelwellenplatte dreht den Polarisationswinkel des Strahls mittels zweier Durchgänge durch die Platte. Genauer gesagt, wird die lineare Polarisation des Strahls beim ersten Durchgang durch die Viertelwellenplatte 18 zu einer zirkularen Polarisation gewandelt. Beim Rückdurchgang wird der zirkular polarisierte Strahl wieder zu linear polarisiertem Licht, jedoch mit einer Polarisationsrichtung orthogonal zu der des ursprünglichen Strahls, gewandelt. Da der den Verstärker 16 beim Rückdurchgang verlassende verstärkte Strahl eine bezüglich des Eintrittsstrahls in den Verstärker orthogonale Polarisation hat, kann der Polarisator 14 zum Extrahieren des Austrittsstrahls verwendet werden. Ein alternatives Extraktionskonzept bedient sich einer optionalen Frequenzverdopplungsanordnung 26, die grünes Licht aus dem sichtbaren Bereich des Spektrums extrahiert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung ist der Zickzack- Verstärker 16. Obwohl Verstärker dieses Typs seit einigen Jahren bekannt sind, sind sie inhärent nicht fähig, eine außerordentlich gute Strahlqualität zu liefern. Ein Grund dafür sind die Temperaturgradienten, die sich während des Betriebs des Verstärkers entwickeln. Wie in Fig. 4, 4a und 5 dargestellt, besteht ein Zickzack-Verstärker aus einer Platte eines Materials wie z. B. Yttrium-Aluminium-Granatkristall (YAG), durch den ein Lichtstrahl mittels wiederholter Reflexionen von gegenüberliegenden Seitenwänden der Platte geschickt wird. Ein Teil der Platte ist durch das Bezugszeichen 30 gekennzeichnet. Bei herkömmlichen Zickzack-Verstärkern trifft ein Eintrittsstrahl auf eine Kantenfläche der Platte unter einem Winkel auf, der so gewählt ist, daß er sich in Richtung seines ersten Reflexionspunktes an einer Seitenwand brechen kann. Mit 32 gekennzeichnete Diodenanordnungen sind an gegenüberliegenden Seiten der Platte 30 angeordnet und stellen die Energie für den Verstärkungsprozeß bereit. Dieser optische Pumpprozeß verursacht außerdem eine ungleichmäßige Erwärmung der Platte 30. Kühlung erfolgt mittels Wasserkanälen 34, die unmittelbar neben den Seitenwänden der Platte und zwischen den Seitenwänden und keilförmigen Fenstern 36 aus Saphir oder einem ähnlichen Material gebildet sind. Vor der vorliegenden Erfindung wurde Kühlwasser in Richtung senkrecht zur Richtung der Strahlausbreitung durch den Verstärker gepumpt, d. h. entlang der kürzeren oder der Höhenabmessung der Seitenwände.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung fließt Kühlwasser in Längsrichtung, d. h. entlang der längeren Abmessung der Platte 30, wie durch die Pfeile in Fig. 5 gekennzeichnet, um die Temperaturgradienten entlang der Höhenabmessung auf ein Minimum zu begrenzen. Der Zickzack-Weg des Strahls tendiert im Verlauf des Fortschreitens in Längsrichtung dazu, die Temperatureffekte in Querrichtung herauszumitteln.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt der Erfindung tritt der Strahl unter einem nahezu rechten Einfallswinkel (d. h. senkrecht) in den Verstärker ein. Dies hält die durch externe Reflexion von der Plattenkante verursachte Polarisation auf einem Minimum und ermöglicht daher, den verstärkten Strahl von der Vorrichtung mittels der Viertelwellenplatte 18 und des Polarisators 14 zu extrahieren. Wie am deutlichsten aus Fig. 5 zu ersehen ist, ist eine Kantenfläche 40 unter einem nicht- rechten Winkel an die Seitenwände der Platte angeformt. Der spitze Winkel zwischen der Kantenfläche 40 und der Seitenwand ist so gewählt, daß der Winkel, den der Strahl mit der Senkrechten zur Seitenwand bildet, größer ist als der kritische Einfallswinkel für die interne Reflexion von den Seitenwänden. Der Lichtstrahl wird deshalb mit wenig oder keiner Brechung in die Verstärkerplatte 30 eintreten und zuerst von einer Seitenwand reflektiert, wie durch die Strahlwege 42 und 44 gekennzeichnet. Die Wege 42 und 44, die die Außenränder des Strahls kennzeichnen, verlaufen unter mehrfachen Reflexionen von den Seitenwänden entlang der Platte 30. Aus Fig. 5 läßt sich ersehen, daß der erste Einfallswinkel auf eine Seitenwand relativ zur Plattendicke so gewählt ist, daß Schattenstreifen in regelmäßigen Abständen entlang jeder Seitenwand gebildet werden. So sind beispielsweise die Schattenstreifen 46 und 48 Totzonen, auf die kein Teil des Strahls auftrifft. Der Rückweg durch den Verstärker folgt exakt dem Strahlweg beim ersten Durchgang, so daß die Totzonen nach dem zweiten Durchgang erhalten bleiben.
Gemäß einem weiteren wichtigen Aspekt der Erfindung werden ausgewählte abgeschattete Totzonen als die Positionen für Segmente eines Paares Wasserdichtungen 50 und 52 verwendet. Jede Dichtung ist ein O-Ring oder hat eine ähnliche Konfiguration und ist zwischen der Platte 30 und den keilförmigen Fenstern 36 angeordnet. Jede der Dichtungen 50 und 52 folgt einem etwa rechtwinkligem Weg mit Längssegmenten (Fig. 4) und Quersegmenten (Fig. 5), die mit entsprechenden Aperturen (nicht dargestellt) versehen sind, damit Wasser in die und aus den Kanäle(n) 34 fließen kann. Die Bedeutung der Position der Quersegmente hängt mit der Dauerhaftigkeit der Dichtungen zusammen, wenn diese einer optischen Beschädigung durch intensives Licht ausgesetzt sind. Die Längssegmente lassen sich auf einfache Weise oberhalb und unterhalb der aktiven Zone des Verstärkers anordnen, aber die Position der Quersegmente stellt ein Problem dar, da der Strahl wiederholt auf die Seitenwände der Platte 30 auftrifft. Die Erfindung bietet jedoch eine Lösung des Problems, indem die Quersegmente der Dichtungen 50 und 52 in den bewußt abgeschatteten Totzonen wie 46 und 48 angeordnet werden. Deshalb kommt die gesamte Länge jeder der Dichtungen 50 und 52 in einer Zone zu liegen, die ständig gegen den Lichtstrahl abgeschattet ist, und eine optische Beschädigung der Berührungsfläche zwischen der Platte 30 und den Dichtungen 50 und 52 ist praktisch ausgeschaltet.
Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung beruht auf der Verwendung der keilförmigen Fenster 36 zwischen den Dioden anordnungen 32 und der Verstärkerplatte 30. Abgesehen von der Funktion als transparente Außenwände der Wasserkanäle 34 liefern die Fenster auch einen optischen Ausgleich für die Spalte zwischen den Diodenanordnungen 32, um eine gleichmäßigere Pumpwirkung in senkrechter Richtung zu erzielen.
Eine der Schwierigkeiten beim Betrieb von Zickzack-Verstärkern entsteht durch das Vorhandensein von "parasitären" Effekte in Form von Licht, das einen unbeabsichtigten Weg nimmt und den Betrieb des Verstärkers stört. So können beispielsweise parasitäre Strahlen, die ungefähr in Längsrichtung verlaufen, von einer Stirnfläche der Platte 30 reflektiert werden und senkrecht auf eine Seitenwand der Platte auftreffen. Dies könnte zum Entstehen eines Lasereffektes in den Verstärkern führen, wobei Licht wiederholt zwischen den Seitenwänden senkrecht hin- und herreflektiert wird. Um diese Art parasitären Effekt auf einem Minimum zu halten, enthält der erfindungsgemäße Verstärker eine antireflexive Beschichtung auf den Stirnflächen der Verstärkerplatte 30 und auf einer Zone der Seitenwand zwischen der Stirnwand und der Dichtung 52, wo der Strahl zuerst auftrifft.
Ein anderer Typ eines parasitären Problems ergibt sich durch Strahlen, die wiederholt zwischen gegenüberliegenden oberen und unteren Kantenflächen der Platte 30 reflektiert werden. Wie in Fig. 4 dargestellt werden parasitäre Effekte dieses Typs durch eine weitere antireflexive Beschichtung 60 auf den oberen und unteren Kantenflächen unterdrückt. Bei der Beschichtung 60 kann es sich um Kupferoxid oder um schwarzen Lack handeln.
Die Verstärkerstruktur enthält außerdem eine Einrichtung zum Steuern der Temperatur der oberen und unteren Kantenflächen der Platte 30. Jede der oberen und unteren Kantenflächen der Platte 30 hat einen sich senkrecht in die Platte und waagrecht entlang ihrer Länge erstreckenden Temperaturregelschlitz 62, 64. Die Temperatur in den Schlitzen 62, 64 wird entweder mittels einer in den Schlitzen fließenden Flüssigkeit oder mittels eines in einem leitfähigen Medium in oder nahe der Schlitze eingebetteten Heizstabes geregelt. Einer dieser Mechanismen dient zur Steuerung des Temperaturprofils in senkrechter Richtung, damit sich das Profil in der nicht gepumpten Zone der Platte demjenigen in der gepumpten Zone annähern kann.
Bei der Phasenkonjugationszele 20 handelt es sich um eine herkömmliche Zelle für die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) mit einem geeigneten SBS-Medium wie flüssigem Freon 113 oder gasförmigem Stickstoff. Wie hinreichend bekannt ist, kehrt der SBS-Prozeß die Wellenfront eines Eintrittsstrahls um. (Teile der Wellenfront, die nacheilten, werden voreilend und umgekehrt). Aberrationen, die der Wellenfront während des ersten Durchgangs durch den Verstärker 16 aufgeprägt wurden, werden deshalb negiert und während des zweiten Durchgangs nach der Reflexion von der Phasenkonjugationszelle 20 praktisch entfernt. Diese Technik eliminiert die Aberrationen natürlich nur, wenn zwischen dem ersten und zweiten Durchgang im Aberrationsmedium, d. h. in der Verstärkerplatte, keine wesentlichen Änderungen stattgefunden haben. In den Verstärker eingebrachte Aberrationen werden hauptsächlich durch Temperaturgradienten verursacht, die sich relativ langsam ändern und deshalb durch das Phasenkonjugationskonzept wirksam beseitigt werden.
Das Prinzip der Phasenkonjugation ist schematisch in Fig. 6 dargestellt. Der vom Master-Oszillator 10 erzeugte und vom Polarisator 14 übertragene Strahl ist mit idealer Wellenfront dargestellt, deren Aberration durch den Verstärker 16 verursacht wird. Nach dem ersten Durchgang durch den Verstärker 16 passiert der Strahl die Viertelwellenplatte 18 und wird durch eine geeignete Linse 70 in die SBS-Zelle 20 fokussiert. Nach Reflexion und Phasenkonjugation ist die Aberration des Strahls immer noch gegeben, jedoch im Sinne einer entgegengesetzten Phase, so daß die Aberrationen im Verstärker 16 beseitigt werden und der aberrationsfreie Strahl mittels des Polarisators 14 aus der Vorrichtung extrahiert wird.
Fig. 7a, 7b und 7c zeigen alternative Techniken zum Extrahieren eines Austrittsstrahls aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Wie bereits erläutert, besteht die bevorzugte Vorgehensweise in der Verwendung der Viertelwellenplatte 18 zusammen mit dem Polarisator 14. Ist diese Vorgehensweise jedoch nicht anwendbar, etwa weil der Verstärker einen doppeltbrechenden Kristall verwendet, der nur in einem Polarisationsmodus wirksam arbeitet, kann eine alternative Extraktionstechnik angewendet werden. Anstelle der Viertelwellenplatte 18 enthält die Vorrichtung einen elektrooptischen (EO) Schalter oder Faraday- Rotator 71, der unmittelbar nach dem Polarisator 14 angeordnet ist. Grundsätzlich dreht der Schalter oder Rotator 71 den Polarisationswinkel nur des Rückstrahls, d. h. des beim zweiten Durchgang aus dem Verstärker kommenden Strahls. Wird ein EO- Schalter verwendet, so ist dessen Funktion in der Weise zeitlich gesteuert, daß der Schalter nur dann aktiviert wird, wenn ein Rückpuls des Strahls erwartet wird. Bei jedem Puls des Eintrittsstrahls ist der Schalter inaktiv und beeinflußt den Strahl nicht; der Polarisationswinkel des Rückpulses wird jedoch gedreht, so daß er orthogonal zu demjenigen des Eintrittsstrahls ist. Ein als das optische Element 71 verwendeter Faraday-Rotator bewirkt eine Drehung des Polarisationswinkels sowohl des Eintritts- als auch des Rückstrahls um 45º. Der Rückstrahl hat deshalb eine relativ zum Eintrittsstrahl orthogonale Polarisation, und der Polarisator arbeitet wie zuvor beschrieben, um den Austrittsstrahl zu extrahieren.
In Fällen, in denen eine erhebliche thermisch induzierte Doppelbrechung im Verstärkermedium vorhanden ist, ist es wün schenswert, die Doppelbrechung zu beseitigen oder zu reduzieren, da die Doppelbrechung bei der Auskopplung zu Verlusten führt und den Master-Oszillator 10 und die Strahlformungsoptik 12 beschädigen kann. Durch Ersetzen der Viertelwellenplatte 18 mit einem Faraday-Rotoator 71' (Fig. 7b) wird die Doppelbrechung, die sich beim ersten Durchgang durch das Verstärkermedium gebildet hat, beim Rückdurchgang korrigiert, wodurch die Polarisationsreinheit des Strahls wiederhergestellt wird. Der Faraday-Rotator 71' dreht den Polarisationswinkel um insgesamt 90º, was nicht nur die Effekte jeglicher Doppelbrechung im Verstärker 16 beseitigt, sondern auch die Auskopplung durch den Polarisator 14 gestattet.
Bei der Konfiguration gemäß Fig. 7b ist das in die SBS-Zelle 20 einfallende Licht hauptsächlich linear polarisiertes Licht. Manche SBS-Medien, beispielsweise Flüssigkeiten, haben eine wesentlich niedrigere optische Durchbruch-Schwelle für linear polarisiertes Licht als für zirkular polarisiertes Licht, das bei Verwendung einer Viertelwellenplatte vorliegt. Eine niedrige Durchbruch-Schwelle begrenzt den Energiebereich, über den des SBS-Zelle 20 verwendet werden kann, so daß das Ziel einer hohen Ausgangsenergie und Helligkeit möglicherweise nicht erreicht wird.
In Fällen, in denen hohe Energien erforderlich sind, wäre die Verwendung von zirkular polarisiertem Licht in der SBS-Zelle 20, wie es von der Viertelwellenplatte 18 in der Konfiguration von Fig. 1 bereitgestellt wird, vorzuziehen, aber zusätzlich eine Technik vorzusehen, um die Effekte der thermisch induzierten Doppelbrechung im Verstärkermedium erheblich zu verringern. Zu diesem Zweck kann eine alternative Extraktionstechnik verwendet werden, um die Doppelbrechung um den Faktor 2 zu verringern, indem die Polarisationsreinheit des Strahls an der SBS-Zelle 20 wiederhergestellt wird.
Fig. 7c zeigt eine optische Konfiguration, die durch die Doppelbrechung orthogonal polarisiertes Licht unter Verwendung einer Kombination aus zwei Polarisatoren 72, 73, zwei Spiegeln 74, 75, zwei Halbwellenplatten 76, 77 und einem Faraday-Rotator 78 entfernt. Licht vom Verstärker 16 und dem Bildweiterleitungsteleskop 17 kann als zwei Komponenten enthaltend betrachtet werden: eine aus dem Eintrittsstrahl abgeleitete linear polarisierte Komponente, die nicht durch die Doppelbrechung im Verstärker beeinflußt ist, und eine kleinere Komponente, die aufgrund der Doppelbrechungseffekte linear unter einem rechten Winkel polarisiert ist. Das Licht vom Bildweiterleitungsteleskop 17 trifft zuerst auf den Polarisator 72 auf, der die erste Komponente, die wahrscheinlich z. B. 90% oder mehr des Lichtes ausmacht, durchläßt und die durch Doppelbrechung entstandene orthogonal polarisierte Komponente reflektiert. Zum besseren Verständnis sei angenommen, daß der Eintrittslichtstrahl, d. h. die vom Polarisator 72 übertragene Hauptkomponente, horizontal und die vom Polarisator 72 reflektierte Doppelbrechungskomponente vertikal polarisiert ist. Die vertikal polarisierte Lichtkomponente wird vom Spiegel 74 reflektiert, durchläuft die passive Halbwellenplatte 76 und den Faraday-Rotator 78 und wird durch Reflexion vom anderen Polarisator 73 "abgeworfen". Die Kombination aus Halbwellenplatte 76 und Faraday-Rotator 78 erzeugt in Vorwärtsrichtung (in der Zeichnung nach rechts) einander aufhebende Drehungen des Rotationswinkels. Die Doppelbrechungskomponente bleibt deshalb vertikal polarisiert und wird vom Polarisator 73 reflektiert.
Der Polarisationswinkel des Hauptstrahls bzw. des horizontal polarisierten Strahls wird von der unteren Halbwellenplatte 77 zu vertikal polarisiert, dann vom Spiegel 75 und erneut vom Polarisator 73 reflektiert. Danach wird der Hauptstrahl von der Viertelwellenplatte 18 zu zirkular polarisiertem Licht gewandelt und tritt in die SBS-Zelle 20 ein. Nach Reflexion von der SBS-Zelle 20 wird der Hauptstrahl von der Viertelwel lenplatte 18 zu horizontal polarisiertem Licht gewandelt und dann an den Polarisator 73 übertragen. Auf ihrem Rückweg trifft die Hauptstrahlkomponente auf den Faraday-Rotator 78 und die andere Halbwellenplatte 76, und die beiden Komponenten vereinigen sich in dieser Richtung, um eine Drehung des Polarisationswinkels um 90º zu erzeugen. Der Hauptstrahl wird deshalb vertikal polarisiert und vom Spiegel 74 und dem Polarisator 72 reflektiert.
Der zum Verstärker 16 zurückgekehrte Strahl ist deshalb bezüglich des Eintrittsstrahls orthogonal polarisiert und frei von jeder Doppelbrechungskomponente. Beim Rückweg durch den Verstärker 16 wird die Polarisation erneut aufgrund des Doppelbrechungseffektes weniger "rein", aber die Konfiguration nach Fig. 7c erzielt dennoch eine 50%-ige Verringerung der Doppelbrechung. Entspricht die Doppelbrechungskomponente beispielsweise bis zu 10% jedes Verstärkerdurchgangs, verringert die Erfindung den Gesamteffekt der Doppelbrechung von 20% auf 10%.
Der Master-Oszillator 22 kann jede geeignete Ausführung haben, die einen nahezu beugungsbegrenzten Pulsausgang erzeugt, das bevorzugte Ausführungsbeispiel ist jedoch in Fig. 2a, 2b und 3 dargestellt. Das Verstärkermedium des Master-Oszillators ist ein Yttrium-Aluminium-Granat- (YAG) -Stab 80, der seitlich von zweidimensionalen Diodenanordnung 82 gepumpt wird, und der mit Kühlkörpern 84 für den Stab versehen ist, die oberhalb und unterhalb des Stabes angeordnet sind. Der Stab 80 hat eine hochreflexive (HR) Beschichtung 86 auf seiner zylindrischen Oberfläche gegenüber den Diodenanordnungen 82 und eine antireflexive (AR) Beschichtung 88 auf der gegenüberliegenden Oberfläche neben den Diodenanordnungen. Darüber hinaus ist eine Beschichtung 90 zur Unterdrückung parasitärer Effekte vorgesehen, um parasitäre Effekte außerhalb der Achse wie mit 92 gekennzeichnet zu unterdrücken. Wie in der optischen Auslegung des Master-Oszillators (Fig. 3) dargestellt, ist der Master-Oszillator in einem Resonator-Hohlraum angeordnet, der durch einen Totalreflektor 94 und einen Auskoppler 96 begrenzt ist. Der Resonator wird von einem Impflaser 97 injektionsgeimpft und mittels eines Polarisators 98 und einer Pockels- Zelle 100 in den Güteschaltbetrieb gebracht, um Ausgangspulse einer gewünschten Rate bereitzustellen. Die Konfiguration gibt einen nahezu beugungsbegrenzten Puls im Güteschaltbetrieb mit hervorragender zeitlicher, Amplituden- und Richtungsstabilität aus.
Wie in Fig. 8 dargestellt, erfolgt die Strahlformung (12) durch den Faraday-Isolator 24 und ein oder mehrere Teleskope 102, 104. Der Faraday-Isolator 24 schützt den Master-Oszillator 22 gegen Leckenergie über den Polarisator 14 aufgrund der Doppelbrechung im Verstärker 16. In der Konfiguration nach Fig. 7c dient der Faraday-Isolator 24 somit dazu, Doppelbrechungskomponenten, die während des Rückwegs des Strahls durch den Verstärker 16 eingebracht worden sind, zu entfernen. Die Teleskope 102, 104 vergrößern den Strahl vom Master-Oszillator, so daß ein gleichförmiger Strahl in den Verstärker injiziert werden kann.
Fig. 9 zeigt, wie die Erfindung unter Verwendung hinreichend bekannter Bildweiterleitungsprinzipien und mehrerer Verstärker 16.1, 16.2 und 16.3 implementiert werden kann. Raumfilter 110.1 und 110.2 sind zwischen benachbarten Verstärkerstufen angeordnet und mit übergroßen Aperturen (das 20- bis 100-fache des Beugungsgrenzwerts) ausgeführt und dienen zur Beseitigung verstärkter spontaner Emissionen (ASE) und parasitärer Schwingungen zwischen Verstärkern. Afokale Bildweiterleitungsteleskope, die durch Linsen 112 gekennzeichnet sind, leiten den Strahl von Stufe zu Stufe weiter und dienen dazu, die Brechungseffekte aufgrund harter Aperturen wie die Verstärker zu beseitigen. Außerdem verbessern sie die Kopplungseffizienz zwischen den Verstärkern und halten die Gleichförmigkeit des Strahls aufrecht. Die Konfiguration nach Fig. 9 stellt ein praktischeres Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, ist aber nicht als einschränkend zu sehen.
Fig. 10 ist eine graphische Darstellung, die die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. Insbesondere zeigt der Graph die Änderung der extrahierten Energie und Strahlqualität in Abhängigkeit von der Energie des Master-Oszillators. Die Strahlqualität ist mit dem 1,1-fachen des Beugungsgrenzwerts über einen weiten Bereich der Energieniveaus des Master-Oszillators relativ konstant. Bei dieser Strahlqualität wurden durchschnittliche Leistungen bis zu 100 W registriert, womit ein extrem heller Strahl hoher Qualität bereitgestellt wird.
Aus obiger Beschreibung ergibt sich, daß die vorliegende Erfindung einen deutlichen Fortschritt auf dem Gebiet der Laser hoher Helligkeit wie auch auf dem Gebiet der Zickzack-Verstärker darstellt. Die Erfindung stellt insbesondere eine Laserarchitektur für extrem hohe Helligkeit und hohe Strahlqualität sowie einen Zickzack-Verstärker ohne die Nachteile anderer dem Stand der Technik entsprechender Verstärker bereit.

Claims

1. Festkörper-Laserquelle hoher Helligkeit, die folgendes aufweist:

einen Master-Oszillator (10), der einen gepulsten Eintrittsstrahl mit einer nahezu beugungsbegrenzten Strahlqualität erzeugt;

einen Plattenverstärker (16), der so angeordnet ist, daß er den Strahl vom Master-Oszillator (10) empfängt und während eines ersten Durchgangs durch den Verstärker (16) verstärkt;

eine Phasenkonjugationszelle (20), die so angeordnet ist, daß sie den verstärkten Eintrittsstrahl vom Verstärker (16) empfängt und den Strahl in phasenkonjugierter Form wieder in den Verstärker (16) zum zweiten Durchgang reflektiert, wodurch Aberrationen, die während des ersten Durchgangs in den Verstärker eingebracht wurden, während des zweiten Durchgangs praktisch aufgehoben werden; und

eine Einrichtung (14) zum Extrahieren eines verstärkten Strahls nach dem Druchgang durch den Verstärker (16),

dadurch gekennzeichnet, daß

der Verstärker ein Zickzack-Plattenverstärker (16) ist, der eine Einrichtung (34) zum Kühlen der Seitenwände der Platte (30) des Verstärkers aufweist, indem eine Flüssigkeit entlang der längeren Abmessung der Platte fließt, um die Temperaturgradienten entlang der Höhenabmessung zu minimieren, der Laserstrahl in die Verstärkerplatte unter einem nahezu rechten Einfallswinkel eintritt, um die polarisationsabhängige Reflexion von der Kantenfläche (40) der Platte, auf die der Eintrittsstrahl auftrifft, zu minimieren, wobei der spitze Winkel zwischen der Kantenfläche (40) der Platte, auf die der Eintrittsstrahl auftrifft, und der Seitenwand der Platte, auf die der Eintrittsstrahl nach dem Eintritt in die Platte zunächst reflektiert wird, so gewählt ist, daß der Winkel, den der Strahl mit der Senkrechten auf die Seitenwand einschließt, größer ist als der kritische Einfallswinkel für die interne Reflexion von den Seitenwänden, wodurch der extrahierte verstärkte Strahl eine hohe Strahlqualität und eine extrem hohe Helligkeit hat.

2. Laserquelle nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Extrahieren eines verstärkten Strahls folgendes enthält:

eine Viertelwellenplatte (18), die zwischen dem Zickzack- Verstärker (16) und der phasenkonjugierten Zelle (20) angeordnet ist, um eine Drehung des Polarisationswinkels des beim zweiten Durchgang in den Verstärker eintretenden Lichtstrahls zu bewirken; und

einen Polarisator (14), der zwischen dem Master-Oszillator (10) und dem Zickzack-Verstärker (16) angeordnet ist, wobei der Polarisator (14) Licht vom Master-Oszillator an den Verstärker überträgt, jedoch den unterschiedlich polarisierten Rückstrahl vom Verstärker auskoppelt.

3. Laserquelle nach Anspruch 1, bei der die Einrichtung zum Extrahieren eines verstärkten Strahls folgendes enthält:

einen am Ausgang des Master-Polarisators (10) angeordneten Polarisator; und

eine zwischen dem Polarisator (14) und dem Verstärker (16) angeordnete Einrichtung zum Drehen des Polarisationswinkels des Rückstrahls vom Verstärker, wobei der Polarisator Licht vom Master-Oszillator an den Verstärker überträgt, jedoch den unterschiedlich polarisierten Rückstrahl vom Verstärker auskoppelt.

4. Laserquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der

die Laserquelle außerdem einen Faraday-Rotator (71') enthält, der zwischen einem Bildübertragungsteleskop (17) und der Phasenkonjugationszelle (20) angeordnet ist;

der Eintrittsstrahl linear polarisiert wird und der Faraday-Rotator den Polarisationswinkel als Resultat der beiden Durchgänge durch ihn um insgesamt 90º dreht und jegliche während des ersten Durchgangs eingebrachte Doppelbrechung während des zweiten Durchgangs wirksam beseitigt wird;

die Einrichtung zum Extrahieren des verstärkten Strahls einen zwischen dem Master-Oszillator (10) und dem Zickzack- Verstärker (16) angeordneten Polarisator (14) enthält; und

der Faraday-Rotator (71') einen orthogonal polarisierten Rückstrahl erzeugt und deshalb auch als Teil der Einrichtung zum Extrahieren des verstärkten Rückstrahls dient, der vom Polarisator (14) ausgekoppelt wird.

5. Laserquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, die des weiteren folgendes aufweist:

eine neben der Phasenkonjugationszelle (20) angeordnete Viertelwellenplatte (18) zum Wandeln von linear polarisiertem Licht des Eintrittsstrahls zu zirkular polarisiertem Licht zur wirksameren Verwendung in der Phasenkonjugationszelle und zum Wandeln von zirkular polarisiertem Licht, das von der Phasenkonjugationszelle reflektiert wird, zu orthogonal polarisiertem linearem Licht für den Rückstrahl; und

Einrichtungen (36, 62, 64) zum Verringern des Effektes der Doppelbrechung, die im Zickzack-Verstärker eingebracht wurde;

und bei der die Einrichtung zum Extrahieren des verstärkten Strahls einen Polarisator (14) enthält, um den orthogonal polarisierten Rückstrahl auszukoppeln.

6. Laserquelle nach Anspruch 5, bei der die Einrichtung zum Verringern des Effektes der Doppelbrechung folgendes enthält:

eine Einrichtung zum Beseitigung jeglicher durch Doppelbrechung verursachter Komponente des verstärkten Eintrittsstrahls, zum Übertragen einer Hauptkomponente des verstärkten Eintrittsstrahls an die Viertelwellenplatte und zum Übertragen eines reflektierten Strahls zurück zum Verstärker, dessen Polarisationswinkel orthogonal zu demjenigen der Hauptkomponente des Eintrittsstrahls ist.

7. Laserquelle nach Anspruch 5, bei der die Einrichtung zum Verringern des Effektes der Doppelbrechung folgendes enthält:

eine zwischen dem Zickzack-Verstärker und der Viertelwellenplatte (18) angeordnete erste polarisationsempfindliche Einrichtung (72) zum Übertragen einer Hauptkomponente des verstärkten Eintrittsstrahls entlang eines ersten optischen Weges und zum gleichzeitigen Reflektieren einer orthogonalen Doppelbrechungskomponente des verstärkten Eintrittsstrahls entlang eines zweiten optischen Weges;

eine im ersten optischen Weg angeordnete optische Einrichtung (77) zum Drehen des Polarisationswinkels der Hauptkomponente um 90º;

eine im zweiten optischen Weg angeordnete Einrichtung (78) zum Übertragen von Licht in Vorwärtsrichtung ohne Änderung des Polarisationswinkels und zum Drehen des Polarisationswinkels um 90º von Licht, das den zweiten optischen Weg in Rückwärtsrichtung durchläuft, wodurch die Doppelbrechungskomponente des Eintrittsstrahls den zweiten optischen Weg unbeeinflußt durchläuft; und

eine an der Kreuzung des ersten und zweiten optischen Weges angeordnete zweite polarisationsempfindliche Einrichtung (73), in der die Hauptkomponente des Eintrittsstrahls vom ersten optischen Weg in die Viertelwellenplatte reflektiert wird, die Doppelbrechungskomponente in die Umgebung reflektiert und verworfen wird und der Rückstrahl von der Viertelwellenplatte entlang dem zweiten optischen Weg zurückübertragen wird;

und bei der der Rückstrahl durch die optische Einrichtung im zweiten optischen Weg einer 90º-Drehung des Polarisationswinkels unterworfen und von der ersten polarisationsempfindlichen Einrichtung zurück zum Verstärker reflektiert wird.

8. Laserquelle nach Anspruch 7, bei der

die erste und zweite polarisationsempfindliche Einrichtung (72, 73) Polarisatoren sind, die linear polarisiertes Licht in eine Richtung reflektieren und linear polarisiertes Licht in eine orthogonale Richtung übertragen.

9. Laserquelle nach Anspruch 7, bei der der erste und zweite optische Weg jeweils einen Spiegel (74, 75) enthält.

10. Laserquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Einrichtung zum Extrahieren eines verstärkten Strahls

eine Frequenzverdopplungsanordnung (26) enthält, die zwischen dem Master-Oszillator und dem Zickzack-Verstärker angeordnet ist, um ein Auskoppeln des optischen Lichtes von der Quelle zu bewirken.

11. Laserquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der

mindestens eine Diodenanordnung (32) in unmittelbarer Nachbarschaft zu mindestens einer der Seitenwände angeordnet ist, um Spannung für den Verstärker bereitzustellen.

12. Laserquelle nach Anspruch 11, bei der die Einrichtung für das Fließen der Flüssigkeit in Längsrichtung folgendes enthält:

ein transparentes Fenster (36), das neben und parallel zu jeder Seitenwand angeordnet ist, so daß es einen Kanal (34) für das Fließen der Kühlflüssigkeit bildet; und

eine Dichtung (50, 52) zwischen dem transparenten Fenster und der Seitenwand, wobei die Dichtung Quersegmente hat, die in Totzonen der Seitenwand, in die kein Licht einfällt, angeordnet sind; wobei der Einfallswinkel des Lichts auf jede Sei tenwand im Inneren bezüglich der Strahlbreite so gewählt wird, daß Totzonen (46, 48) entstehen, in die kein Licht einfällt.

13. Laserquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der

die Platte des weiteren antireflexive Beschichtungen (60) auf ihren Stirnwänden und auf Abschnitten der Seitenwände enthält, auf die der Eintrittslichtstrahl zuerst auftrifft, wodurch parasitäre Lichtstrahlen, die ungefähr parallel zur Längsrichtung verlaufen, durch die antireflexiven Beschichtungen unterdrückt werden.

14. Laserquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Zickzack-Verstärker außerdem folgendes aufweist:

Wärmeregelungsstäbe (62, 64), die an der oberen und unteren Kantenfläche der Verstärkerplatte angeordnet sind, um die Temperaturgradienten in senkrechter Richtung zu verbessern; und

antireflexive Beschichtungen (60) auf der oberen und unteren Kantenfläche, um parasitäre Lichtstrahlen mit einer vertikalen Komponente zu unterdrücken.