DE69907618T2 - Störunanfälliges Lasersystem - Google Patents

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem mit einem Verstärkungsmedium zum Verschaffen und Verstärken eines Laserstrahlenbündels innerhalb eines optischen Resonators.
  • Moleküle und insbesondere Gasmoleküle werden hauptsächlich mit Hilfe von Spektroskopie untersucht. Zwei verschiedene spektroskopische Verfahren, d. h. Infrarotabsorption und Raman-Streuung werden im Allgemeinen für die Überwachung von Gasen in der Luftröhre angewendet. Der allgemeinste und am weitesten verbreitete Messtyp ist die Infrarotabsorption, da sie ein robustes und einfaches System mit zuverlässiger Genauigkeit bietet. Nachteilig ist jedoch, dass die Infrarotabsorption nicht flexibel ist, um auch für andere Moleküle eingesetzt zu werden. Raman-Streuung überwindet diesen Nachteil, weil jedes Molekül sein eigenes charakteristisches Streusignal liefert. Zusätzlich und im Unterschied zur Infrarotabsorption kann die Wellenlänge des Anregungslichtes flexibel gewählt werden. Der Nachteil der Raman-Streuung liegt jedoch in ihrer geringeren Wirkung, d. h. dass eine Anregungsleistung eines Lichtstrahlenbündels nur ein sehr niedriges Raman-Signal erzeugt (eine Anregungsleistung von 1 Watt wird z. B. ein Raman-Signal von 1 pW erzeugen).
  • Für medizinische Zwecke, wie z. B. das Überwachen von Atem- und Narkosegas, ist Raman-Streuung untersucht worden, wie z. B. von von Wagenen et al. in "Gas analysis by Raman scattering", Journal of Clinical Monitoring, Band 2, Nr. 4, Oktober 1986 gezeigt wird.
  • Wegen der geringeren Wirkung der Raman-Streuung sollte die optische Ausgangsleistung des Anregungslichtes so hoch wie möglich gewählt werden. Zusätzlich sollte die Quelle des Anregungslichtes eine schmalbandige Quelle mit guter Wellenlängen- und Leistungsstabilität sein, um eine gute Auflösung der Molekülspektren zu erhalten. Daher werden im Allgemeinen Laserquellen als Anregungslichtquellen verwendet, wobei aus Gründen der Kompaktheit, Lebensdauer und Preis Halbleiterlaser normalerweise günstiger sind als Festkörper- oder Gaslaser. Halbleiterlaser weisen jedoch im Gegensatz zu Festkör per- und Gaslasern den Nachteil einer niedrigen inneren zirkulierenden optischen Leistung und einer niedrigen ausgekoppelten optischen Leistung auf.
  • US-A-5.065.401 offenbart ein Verfahren zur Verringerung eines Impulsjitters einer Multimodenlaserdiode, die ein Weitbereichlaser oder ein Laserarray ist.
  • US-A-4.972.424 offenbart ein Verfahren, bei dem die optische Länge des Resonators mechanisch mit Hilfe eines Piezokristalls verändert wird. In dem Monitor gibt es ein Verstärkungsmedium, z. B. einen CO2-Wellenleiterlaser. Durch Überwachen der Ausgangsleistung ändert eine Servosteuerung die optische Resonatorlänge mit Hilfe eines definierten Algorithmus.
  • Eine bekannte Lösung zum Erhöhen der Anregungsleistung für Raman-Streuung wird in US-A-5.153.671 und US-A-5.245.405 für ein Gasanalysesystem offenbart. Eine Gasanalysezelle, die Raman-Streuung nutzt, ist in einem einzelnen optischen Resonanzhohlraum positioniert. Der Gasfluss wird in den Hohlraum geleitet und innerhalb der Gasanalysezelle analysiert. 1A zeigt im Prinzip ein solches Lasersystem 10 in dem Gasanalysesystem von US-A-5.153.671. Das Lasersystem 10 umfasst einen Laserhohlraum 20 zwischen einem ersten Spiegel 30 und einem zweiten Spiegel 40. Ein Verstärkungsmedium 50 verschafft und verstärkt ein Laserstrahlenbündel 60, das innerhalb des Laserhohlraums 20 als Anregungsstrahlenbündel in einer Gasanalysezelle 70 dient. Der erste Spiegel kann auch Teil des Verstärkungsmediums 50 sein.
  • Bei einer verfeinerten Lösung zum Erhöhen der Anregungsleistung, insbesondere wenn Halbleiterlaser als Anregungsquellen für Raman-Streuung verwendet werden, wird die optische Ausgangsleistung des Anregungslasers in einen externen Resonator eingekoppelt, wie z. B. in US-A-5.642.375 oder US-A-5.684.623 der gleichen Anmelderin gezeigt wird. 1B zeigt im Prinzip ein solches gekoppeltes Lasersystem 80. Das gekoppelte Lasersystem 80 umfasst den Laserhohlraum 20 zwischen dem ersten Spiegel 30 und dem zweiten Spiegel 40 und das Verstärkungsmedium 50, das das Laserstrahlenbündel 60 verschafft und verstärkt. Ein externer Hohlraum 90 ist zwischen dem zweiten Spiegel 40 und einem dritten Spiegel 95 vorgesehen und ist mit dem Laserhohlraum 20 optisch gekoppelt. Das Laserstrahlenbündel 60 dient als Anregungsstrahlenbündel in der Gasanalysezelle 70 innerhalb des externen Hohlraums 90. Durch Verwendung von Spiegeln mit geringen Verlusten und unterschiedlichen Reflexionskoeffizienten für die Spiegel 30, 40 und 95, wie z. B. in US-A-5.642.375 beschrieben, kann eine sehr hohe aufgebaute optische Leistung innerhalb des Resonators des externen Hohlraums 90 erreicht werden. Beispielsweise ist ein Halbleiterlaserstrahlenbündel 60 von 10 Milliwatt imstande, den externen Hohlraum 90 bis auf mehrere 100 Watt zu pumpen. US-A-5.432.610 offenbart weiterhin ein passives rein optisches Verriegeln einer Laserdiode auf einem externen Resonator.
  • Bei Verwendung eines solchen externen gepumpten Resonators, wie als Lasersystem 80 in 1B dargestellt, zum Untersuchen einer unbekannten Gasprobe in dem externen Hohlraum 90 wird insbesondere eine genügende optische Leistung verschafft werdenen, um ein Raman-Signal gut bis über die Empfindlichkeitsgrenze optischer Sensoren anzuregen. Optische Sensoren können schlicht Photodioden, ladungsgekoppelte Anordnungen oder andere Bildsensoren für speziellere Anwendungen sein.
  • Sowohl im dem Einzelhohlraumlasersystem 10 als auch in dem Lasersystem 80 mit gekoppeltem Hohlraum stellt die Gasanalysezelle 70 die prinzipielle Möglichkeit des Untersuchens einer Gasprobe dar, wobei die Gasprobe in einer speziellen (gesonderten) Umgebung oder direkt in dem jeweiligen Hohlraum analysiert werden kann. Untersuchen der Gasprobe kann entweder "offline" erfolgen, d. h. die Gasprobe wird genommen und später analysiert (d. h. in einer definierten Umgebung) oder "online", d. h. die Gasprobe wird direkt der Gasanalysezelle 70 zugeführt und analysiert. Der letztgenannte Fall erlaubt insbesondere das Überwachen einer Gasströmung wie z. B. eines Atem- oder Narkosegases. Online-Gasüberwachung erfordert jedoch verstärkte Bemühungen hinsichtlich der Stabilisierung des Lasersystems.
  • Wenn keine Änderungen der verwendeten aktiven und passiven Bauelemente des Lasersystems vorliegen, d. h. des Lasersystems 10 oder 80, und solange die Umgebungsbedingungen unverändert bleiben, wird das Lichtstrahlenbündel 60 (in dem Laserhohlraum 20 von 1A oder in dem externen Hohlraum 90 in 1B) nahezu auf konstanter Leistung bleiben. Das in dem Laserhohlraum 20 zirkulierende Lichtstrahlenbündel 60 und der externe Hohlraum 90 umfassen eine oder mehrere (longitudinale) optische Moden, die durch die Komponenten des Lasersystems und die speziellen Umgebungsbedingungen innerhalb des jeweiligen Hohlraums/der Hohlräume bestimmt werden. Zu jeder optischen Mode gehören eine definierte Wellenlänge und eine definierte Phasenverschiebung auf dem Hin- und Rückweg. Das Verstärkungsmedium 50 unterstützt die optische(n) Mode(n), die zu den geforderten Wellenlängen passt (passen) und verschafft die notwendige Phase, was somit bei den (der) unterstützten optischen Mode(n) zu einem aufgebauten Lichtstrahlenbündel 60 mit hoher Intensität führt.
  • Man muss verstehen, dass Halbleiterlaser im Allgemeinen nur eine einzige optische Mode gleichzeitig unterstützen, während anderer Lasertypen (z. B. Gaslaser) mehr als eine optische Mode gleichzeitig unterstützen können. Der Einfachheit halber sollen im Weiteren nur Halbleiterlaser betrachtet werden, die nur eine optische Mode gleichzeitig unterstützen. Es ist jedoch deutlich, dass die Prinzipien, wie sie hier erläutert werden, ebenso für Laser gelten, die gleichzeitig Multimoden unterstützen.
  • Bei dem System von 1B mit gekoppeltem Hohlraum muss zwischen den beiden Resonatoren ein Verriegelungsmechanismus erfolgen. Um wesentliche Verstärkung und Stabilität in dem externen Hohlraum zu erreichen, muss die Rückkopplung des externen Hohlraums zum Laserhohlraum eingestellt werden, sodass die Laserdiodenstrahlung kohärente Strahlung mit einer Bandbreite und einer Wellenlänge emittiert, die aktiv den externen Hohlraum 90 bei der Hohlraumresonanzfrequenz unterstützt. Dieser Prozess wird im Weiteren "optische Verriegelung" genannt.
  • Wenn eine Änderung der verwendeten aktiven und passiven Komponenten (z. B. der optischen Weglänge) des Lasersystems auftritt und/oder die Umgebungsbedingungen sich ändern, passt die derzeitig unterstützte optische Mode nicht mehr zu der erforderlichen Wellenlänge und Phasenverschiebung und das Lasersystem muss eine andere optische Mode "finden", die zu den veränderten Resonanzbedingungen innerhalb des Lasersystems passt. So kann das Laserstrahlenbündel 60 plötzlich verlöschen (wenngleich vorübergehend), bis eine neue optische Mode aufgebaut ist, die zu den veränderten Hohlraumeigenschaften passt. Dies führt zu einer (signifikanten und in den meisten Fällen unerwünschten) zeitlichen Veränderung der optischen Leistung des optischen Strahlungsbündels 60.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer zeitlichen Veränderung der optischen Leistung in dem externen Hohlraum 90 in einer Anordnung gemäß 1B. Die Leistungsänderungen in dem Messbeispiel von 2 wurden möglicherweise durch Temperatur- oder andere Umgebungsschwankungen induziert, die Modifikationen in der optischen Länge des Lasersystems 80 bewirken. Bei Anwendung auf Raman-Streuung führt die Leistungsveränderung zu verschiedenen Ergebnissen für die Raman-Streuungsmessung infolge einer Veränderung der Anregungsleistung.
  • Eine bekannte Möglichkeit zum Verhindern von Umgebungsstörungen wird in US-A-5.245.405 für die oben besprochene Gasanalysezelle offenbart. Ein Drucksteuerungssystem beseitigt Druckschwankungen in der Gaszelle ungeachtet von Änderungen hinsichtlich Beschränkung, Gasviskosität und Barometerdruck. Das Aufrechterhalten eines konstanten Druckes in der Gaszelle macht das System stabiler, da optische Justierung durch die Gaszelle gasdruckempfindlich ist. Andere bekannte Lösungen schlagen vor, mechanische Pumpen anzuordnen, um die Gasströmung zu weit wie möglich von der Gasanalysezelle entfernt vorzusehen, um Störungen durch die Pumpe weitgehend zu verringern. Obwohl alle diese Lösungen sich auf Gasanalysezwecke beziehen, haben sie sich in diversen Fällen als unpraktisch erwiesen, da die Gasströmung insbesondere für Atemgase kaum kontrollierbar ist und immer für eine Quelle von Störungen sorgt, z. B. infolge von Veränderungen in den Gasverbindungen.
  • Eine Lösung für einen aktiv verriegelten externen optischen Resonator 90 ist eine externe Servosteuerungsschleife, die die Eigenschaften des Laserhohlraums 20 in einer solchen Weise verändert, dass dieser Hohlraum 20 auf eine einzelne externe Hohlraummode mit einer konstanten optischen Leistung verriegelt bleibt. Parameter zum Ändern der Eigenschaften des Laserhohlraums 20 sind Strom und Temperatur des aktiven Lasermediums 50 sowie mechanische Änderungen des Laserhohlraums 20. Diese Lösung erfordert jedoch sehr spezielle Gegenmaßnahmen zum Garantieren von stabilen Bedingungen, und wegen der erforderlichen Auflösung kann eine derartige Servosteuerungsschleife sehr aufwändig und kostspielig werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Der vorliegenden Erfindung, wie in den Ansprüchen 1 bis 8 definiert, liegt als Aufgabe zugrunde, ein Lasersystem zu verschaffen, das gegen Veränderungen der optischen Komponenten und/oder gegen Umweltstörungen weniger empfindlich ist. Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen werden mit den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
  • Gemäß der Erfindung wird das Lasersystem aktiv gezwungen, zwischen verschiedenen optischen Moden zu springen oder mit anderen Worten, das Lasersystem umfasst Mittel, um eine Vielzahl verschiedener optischer Moden zu verschaffen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Lasersystemen, in denen verschiedene optische Moden zufällig (d. h. passiv) auftreten, verschafft das erfindungsgemäße Lasersystem aktiv die Vielzahl verschiedener optischer Moden und zwingt so das Laserstrahlenbündel, (vorzugsweise kontinuierlich) zwischen den vorgesehenen optischen Moden zu springen.
  • Solange die verwendeten aktiven und passiven Komponenten des Lasersystems und/oder die Umgebungsbedingungen unverändert bleiben, ist die mittlere optische Leistung des Laserstrahlenbündels 60 in dem erfindungsgemäßen Lasersystem, das das Laserstrahlenbündel zwingt, zwischen verschiedenen optischen Moden zu springen, mit Bezug auf die nahezu konstante (Gleichgewichtszustand) optische Leistung des Laserstrahlenbündels 60 für eine einzelne optische Mode in dem herkömmlichen Lasersystem verringert. Wenn jedoch die verwendeten aktiven und passiven Komponenten des Lasersystems und/oder die Umgebungsbedingungen sich ändern, wird die optische Leistung des Laserstrahlenbündels 60 in dem herkömmlichen Lasersystem plötzlich dramatisch abnehmen, bis eine neue optische Mode "gefunden" und aufgebaut ist, was somit zu signifikanten Leistungsschwankungen führt. Da das erfindungsgemäße Lasersystem bereits eine Vielzahl optischer Moden verschafft, ist die Wahrscheinlichkeit, dass das erfindungsgemäße Lasersystem eine "neue" passende optische Mode "findet", deutlich erhöht, sodass das erfindungsgemäße Lasersystem sich im Allgemeinen viel schneller von Veränderungen der optischen Komponenten und/oder Umgebungsstörungen "erholen" wird. Da außerdem die mittlere optische Leistung des unveränderten erfindungsgemäßen Lasersystems im Allgemeinen kleiner ist als die optische Leistung (Gleichgewichtszustand) des unveränderten herkömmlichen Lasersystems und damit die Unterschiede der optischen Leistung infolge von Störungen kleiner sind als in dem erfindungsgemäßen Lasersystem, kann die optische Leistung in dem erfindungsgemäßen Lasersystem signifikant stabilisiert werden. Ein Zwingen des Lasersystems, zwischen verschiedenen optischen Moden vorzugsweise häufiger zu springen, als "Störungen" des Lasersystems auftreten, ermöglicht somit das Stabilisieren der optischen Leistung in dem Resonator.
  • Bei den meisten Lasersystemen wird die Verstärkung des Laserstrahlenbündels 60 für jede optische Mode unterschiedlich sein. Daher kann sich die optische Leistung von Mode zu Mode verändern. Das Verhalten der optischen Leistung des Laserstrahlenbündels 60 kann weiter stabilisiert werden, indem die Anzahl aktiv induzierter Sprünge zwischen optischen Moden erhöht wird, insbesondere in Bezug auf leistungsmittelnde Perioden des Lasersystems. Im Falle von Raman-Anwendungen, beispielsweise für Atem- oder Narkosegasüberwachung wird die Anzahl induzierter Sprünge zwischen optischen Moden während einer Zeitdauer, in der das Raman-Spektrum gemittelt wird, vorzugsweise groß gewählt. Somit kann die mittlere optische Leistung während dieser Zeitdauer stabilisiert werden.
  • Es gibt mehrere Möglichkeiten, das Lasersystem aktiv zu zwingen, zwischen verschiedenen optischen Moden zu springen, wie z. B. das Verändern der Phase des Lichtstrahlenbündels oder das Verändern der optischen Länge des Lasersystems. Andere Möglichkeiten könnten ebenso verwendet werden, jedoch hat sich das Verändern der Phase und/oder optischen Länge als am "praktischsten erwiesen.
  • Das Verändern der Phase des Lasers, beispielsweise durch Hinzufügen von Phase zu dem Lichtstrahlenbündel, kann beispielsweise durch Verändern (oder durch Dithern) des Stroms und/oder der Temperatur eines Halbleiterlasers als Verstärkungsmedium 50 erreicht werden, oder durch Verändern der Brechzahl und somit der Phase des Lichtes mit Hilfe elektrischer oder mechanischer Kräfte. Die Temperaturveränderung des Halbleiterlasers erfolgt vorzugsweise bei direkt auf eine Kühl- und/oder Heizanordnung montiertem Halbleiter. Phasenänderungen des Halbleiterlasers können somit induziert werden, da die Brechzahl des Halbleiterlasers stark von der Temperatur anhängt.
  • Ein Verändern der optischen Länge kann beispielsweise durch Variieren (oder Dithern) der Brechzahl ausgeführt werden, z. B. durch Verändern des Hohlraumdruckes oder der physikalischen Hohlraumlänge(n), z. B. durch Bewegen eines oder mehrerer Hohlraumspiegel oder durch Verändern der mechanischen Länge(n) auf andere Weise. Die Veränderung der optischen Längen in einem System mit gekoppeltem Resonator, wie beispielsweise in 1B gezeigt, kann in nur einem der Resonatoren und/oder in allen ausgeführt werden.
  • Insbesondere zum Verändern der optischen Länge können "natürliche" oder inhärente Quellen von Störungen absichtlich in dem verwendeten Lasersystem genutzt werden, um das Lasersystem aktiv zu zwingen, zwischen verschiedenen optischen Moden zu springen. Beispielsweise können in einem Lasersystem, in dem eine Pumpe ein zu überwachendes Gas zur Gasanalysezelle 70 pumpt, die inhärenten Störungen genutzt werden, die durch das Pumpen zur Veränderung des Hohlraumdruckes bewirkt werden. Während beispielsweise in US-A-5.245.405 die Pumpe bewusst soweit wie möglich von der Gasanalysezelle 70 entfernt angeordnet ist, um Störungen zu vermeiden, schlägt die Erfindung vor, beispielsweise eine Pumpe absichtlich nahe (näher) bei der Gasanalysezelle 70 in einer solchen Weise anzuordnen, dass das Lasersystem aktiv gezwungen wird, zwischen verschiedenen optischen Moden zu springen.
  • Es ist deutlich, dass bei einem Lasersystem mit Mehrfachhohlraum, bei dem die optische Länge des Systems durch eine Vielzahl einzelner optischer Längen bestimmt wird, das Verändern der optischen Länge des Systems erreicht werden kann, indem eine oder mehrere der einzelnen optischen Längen verändert werden. Das bedeutet, dass z. B. in einem gekoppelten Lasersystem, wie in 1B dargestellt, die optische Länge sowohl des Aufbauhohlraums (externer Hohlraum 90) als auch des Laserhohlraums 20 (z. B. als Hohlraum zwischen dem hinteren Spiegel des Diodenlasers und dem Eingangsspiegel des Aufbauhohlraums) oder sogar beide verändert werden können. Dies kann beispielsweise durch Verändern der Brechzahl des Gases in entweder einem oder beiden Hohlräumen erfolgen.
  • In strengem Gegensatz zu herkömmlichen Lasersystemen, bei denen das System durch sorgfältiges Steuern der Umgebung und Einschränken der Bandbreite des Systems auf nur eine einzelne Mode stabilisiert wird, wird das erfindungsgemäße Lasersystem aktiv "gestört", sodass das erfindungsgemäße Lasersystem gezwungen wird, zwischen optischen Moden zu springen, und somit bewusst in einer kontinuierlichen optischen Multimode läuft. Das bedeutet, dass im Fall von (externen) Instabilitäten das erfindungsgemäße Lasersystem zu einer anderen stabilen Mode springen kann, um das Lasern fortzusetzen, während bei herkömmlichen Lasersystemen das Lasern unmittelbar stoppen wird. Obwohl die beste Leistungsfähigkeit (z. B. in Bezug auf die erreichbare optische Leistung in dem Hohlraum) eines optischen Lasersystems erreicht werden kann, wenn nur eine einzige optische Mode von dem System unterstützt wird, verschafft jedoch das erfindungsgemäße System mit optischen Multimoden eine höhere Gesamtstabilität, sodass die Anforderungen an Umgebungs- und mechanische Stabilität sowie an optische Filter verringert werden können, mit einem deutlichen Einfluss auf die Preisleistung des Lasersystems z. B. für Gasüberwachungszwecke.
  • Es sei bemerkt, dass die Prinzipien der Erfindung auch für Lasersysteme gelten, die gleichzeitig eine Vielzahl von optischen Moden unterstützen (z. B. Gaslaser). In diesem Fall wird das Lasersystem gezwungen, gleichzeitig zwischen einer oder mehreren verschiedenen optischen Moden zu springen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Anzahl optischer Moden, die von dem erfindungsgemäßen Lasersystem unterstützt werden, auf eine diskrete Anzahl optischer Moden reduziert, um die Bandbreite des Lasersystems zu beschränken. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem jeweilige Wellenlängenfilter wie z. B. Prisma, Gitter und/oder Etalon vorgesehen werden. Es ist zu bedenken, dass die Anforderungen an Stabilität und Bandbreite des Lasersystems sich widersprechen, sodass für jede Anwendung ein gewisser Kompromiss gefunden werden muss. Bei einer speziellen Ausführungsform, die Raman-Streuung verwendet, hat sich gezeigt, dass das Vorsehen von vier optischen Moden (die lasern können), einen guten und akzeptablen Kompromiss zwischen diesen Anforderungen darstellt.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Zum besseren Verständnis sind weitere Aufgaben und viele mit der vorliegenden Verbindung verbundene Vorteile in der Zeichnung dargestellt und werden im Weiteren näher beschrieben. Merkmale, die nahezu gleich sind oder nahezu in gleicher Weise aufgebaut werden können, werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
  • 1A und 1B Lasersysteme in dem Gasanalysesystem nach dem Stand der Technik,
  • 2 ein Beispiel für eine zeitliche Veränderung der optischen Leistung in dem externen Hohlraum 90 in der Anordnung nach 1B,
  • 3 eine erste Ausführungsform der Erfindung und entsprechende Messergebnisse und
  • 4 das zeitliche Verhalten der optischen Leistung in dem externen Resonator und ein langfristiges Messergebnis in einem erfindungsgemäßen Lasersystem.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 3A zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung, bei der das Verändern der Phase des Lasers durch Verändern des Stroms und/oder der Temperatur eines Halbleiterlasers als Verstärkungsmedium 50 erreicht werden kann. Die Ausführungsform von 3A beruht auf der Ausführungsform von 5, wie in US-A-5.642.375 der gleichen Anmelderin und einem der vorliegenden Erfinder beschrieben. Die dargestellte Ausführungsform nutzt ein gekoppeltes Lasersystem 80, wie in 1B dargestellt, jedoch kann das Lasersystem 10 von 1A ebenso verwendet werden.
  • In 3A ist das Verstärkungsmedium 50 in die Struktur eines Halbleiterdiodenlasers 300 eingebaut. Die hintere Facette des Lasers 300 ist reflektierend beschichtet und bildet die Oberfläche 30. Eine Emissionsfacette 310 des Diodenlasers 300 ist antireflexionsbeschichtet (AR), wobei das Reflexionsvermögen vorzugsweise im Bereich von weniger als 10–3 liegt. Die Spiegel (Substrate) 40 und bzw. 95 sind mit reflektierenden Oberflächen 320 und 330 beschichtet. Diese Oberflächen haben geeignete Krümmungen, um eine stabile räumliche Mode in dem externen Hohlraum 90 (zwischen den Oberflächen 320 und 330) zu unterstützen. Modeanpassungsoptiken 340 (z. B. Linsen und/oder Prismen), die dem Fachkundigen wohl bekannt sind, können verwendet werden, um die Diodenemission räumlich in den externen Hohlraum 90 einzupassen. Eine dem Laserhohlraum 20 zugewandte Oberfläche 350 des Spiegels (Substrats) 40 ist vorzugsweise antireflexionsbeschichtet, mit einem Reflexionsvermögen im Bereich von etwa 0,04 bis 0,001. Alternativ kann die Oberfläche 350 eine Schrägung unter einem Winkel zum Lichtweg 60 sein, um deren Lichtreflexion zum Verstärkungsmedium hin zu reduzieren.
  • Eine frequenzbegrenzende Einrichtung 360 ist vorzugsweise zwischen der Modeanpassungsoptik 340 und dem Spiegel 40 platziert. Auf diese Weise erzeugt die frequenzbegrenzende Einrichtung 360 bei Verwendung einer minimalen Anzahl von Komponenten den größten Effekt. Ein solches System kann unter Verwendung eines Philips Diodenlasers vom Typ CQL 801D als das Verstärkungsmedium 50 ausgeführt werden, wobei dessen Emissionsfacette 310 beschichtet ist, um ein Reflexionsvermögen im Bereich von 10–5 bis 10–4 zu erhalten. Die Modeanpassungsoptik 340 besteht vorzugsweise aus einer antireflexionsbeschichteten Linse (AR) mit einer numerischen Apertur (NA) von 0,48 und einer Brennweite von 4,8 mm, einem anamorphen Prismenpaar (3 : 1) und einer Linse mit einer Brennweite von 25 cm. Die Oberflächen 320 und 330 können einen Krümmungsradius von 17 cm haben, mit Reflexionsvermögen R320 = 0,999 und R330 = 0,99999. Die Länge des externen Hohlraums 90 kann 10 cm betragen. Andere Details zu den bevorzugten Ausführungsformen können US-A-5.642.375 entnommen werden.
  • Die frequenzbegrenzende Einrichtung 360 in 3 wird verwendet, um die unerwünschten Frequenzen heraus zu filtern, um die Frequenzbandbreite des Laserstrahlenbündels 60 zu verkleinern. Die frequenzbegrenzenden Anordnungen 360 können eines oder eine Kombination von Gittern, Etalon, Lyot-Filtern oder dielektrischen Stapelfiltern enthalten. Die hintere Fläche des Diodenlaserverstärkungsmediums 300 kann mit einem verteilten Bragg-Reflektor beschichtet sein, der ebenfalls die zulässigen Frequenzen in dem Lasersystem begrenzt. Beispiele für geeignete frequenzbegrenzende Anordnungen 360 werden sehr ausführlich in US-A-5.642.375 beschrieben.
  • 3B und 3C beschreiben Messergebnisse, die aus einer Ausführungsform nach 3A abgeleitet worden sind. Die mittlere Leistung, die aus dem externen Hohlraum 90 geleckt ist, ist auf der Y-Achse dargestellt und wurde als Funktion (auf der X-Achse dargestellt) der Temperatur (3B) oder des Stroms (3C) des Diodenlaserverstärkungsmediums 300 gemessen.
  • Die gestrichelte Linie 370 in 3B gibt das Verhalten des Leistungslecks gegenüber der Diodentemperatur ohne Dithern des Stromes der Diode 300 wieder. Die ausgezogene Linie 375 stellt im Gegensatz dazu eine Leistung/Temperatur-Kurve dar, bei der der Strom der Diode 300 mit einem 100-Hz-Dreieckssignal mit 16 mA Spitze-Spitze gedithert worden ist. Beide Linien 375 und 380 wurden für einen Strom der Diode 300 von 86 mA gemessen.
  • 3C gibt Verhaltensformen der Leistung als Funktion des Diodenstroms wieder. Die gestrichelte Linie 380 stellt das Leistungsverhalten dar, wenn der Diodenstrom nicht gedithert ist. Die Linien 385, 390 und 395 zeigen Leistungsverhaltensformen, bei denen der Diodenstrom mit 16 mA, 12 mA oder 8 mA Spitze-Spitze gedithert ist.
  • Der Effekt des Ditherns wird aus 3B und 3C deutlich. In beiden 3B und 3C änderte sich die mittlere Leistung ohne Dithern stark bei Umgebungsänderungen (d. h. Diodenstrom und Temperatur). Mit Dithern konnten die Änderungen großenteils geglättet werden (besonders deutlich in 3B).
  • Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die optische Länge des optischen Resonators (d. h. in einem Lasersystem gemäß 1A oder 1B) verändert worden. 4A und 4B stellen Messergebnisse dar, bei denen die Brechzahl des Laserhohlraums durch Veränderung des Hohlraumdruckes abgewandelt worden ist. Es versteht sich, dass im Falle gekoppelter Lasersysteme eine Veränderung der Brechzahl jedes Laserhohlraums auch die Brechzahl des gekoppelten Lasersystems verändern wird.
  • 4A zeigt das zeitliche Verhalten der optischen Leistung in dem externen Resonator in einem Lasersystem 80 gemäß 1B. Im Gegensatz zu dem Messergebnis, wie es in 2 für das gleiche Lasersystem wiedergegeben wird, ist die Brechzahl der optischen Resonatorlänge mit Hilfe von Luftdruckpulsierung von 60 Hz innerhalb des externen Hohlraums 90 verändert worden. Ein Vergleich von 4A mit 2 zeigt, dass die Resonatorintensität durch Dithern des Hohlraumdruckes signifikant stabilisiert werden kann.
  • 4B zeigt ein langfristiges Messergebnis für ein Lasersystem 80 gemäß 1B. Die Gasanalysezelle 70 ist zum Überwachen eines Atemgases für medizinische Zwecke vorgesehen. Alle Systemparameter des Lasersystems 80 werden nahezu konstant gehalten, außer dem Druck in der Gasanalysezelle, der während der ersten 14 Minuten nahezu konstant gehalten wird und nach 14 Minuten mit einer Frequenz von ungefähr 60 Hz gedithert wird. Während Zeitdauern T1, T2, T3 und T4 wurde ein Atemgas durch die Gasanalysezelle 70 geleitet, was zu einer signifikanten Veränderung der Resonatorintensi täten während dieser Zeitdauern führte. Wie aus 4B ersichtlich ist, hat die Veränderung der Resonatorintensität sich nach 14 Minuten durch Dithern des Drucks in dem externen Hohlraum 90 erheblich stabilisiert. Insbesondere während der Zeitdauern, in denen das Atemgas durch die Gasanalysezelle 70 geleitet wurde, hat sich die Resonatorintensität während der Perioden T3 und T4 in Bezug auf die Perioden T1 und T2 ohne Dithern dramatisch stabilisiert.
  • Die Ausführungsform von 4 kann weiterhin frequenzbegrenzende Einrichtungen 360 umfassen, um die Bandbreite des Laserstrahlenbündels 60 zu begrenzen. Es versteht sich, dass die Frequenzbegrenzung, entweder in 3A oder in anderen Ausführungsformen gemäß 1, für den Zweck der Erfindung, die optische Leistung des Laserstrahlenbündels gegen (Umgebungs-)Störungen zu stabilisieren, nicht notwendig ist, sondern nur einen nützlichen Parameter bildet, der für gewisse Anwendungen gefordert wird, wie für die z. B. Raman-Streuung, die eine bestimmte (Frequenz-) Bandbreite des Laserstrahlenbündels 60 erfordert.
  • INSCHRIFT DER ZEICHNUNG
  • Fig. 1A, 1B, 3A
    LASER CAVITY LASERHOHLRAUM
    EXTERNAL CAVITY EXTERNER HOHLRAUM
    Fig. 2, 4A
    INTENSITY INTENSITÄT
    TIME (h) ZEIT (h)
    Fig. 3B
    POWER LEAKING (μW) LEISTUNGSLECK (μW)
    DIODE TEMPERATURE (C) DIODENTEMPERATUR (°C)
    NO DITHER KEIN DITHERN
    Fig. 3C
    POWER LEAKING (μW) LEISTUNGSLECK (μW)
    DIODE CURRENT (mA) DIODENSTROM (mA)
    NO DITHER KEIN DITHERN
    Fig. 4B
    INTENSITY INTENSITÄT
    TIME (min) ZEIT (min)
    GAS IN RESONATOR GAS IM RESONATOR

Claims (8)

  1. Lasersystem (10; 80) mit einem Verstärkungsmedium (50) zum Verschaffen und zum Verstärken eines Laserstrahlenbündels (60) innerhalb eines optischen Resonators (20, 90), gekennzeichnet durch Mittel zum aktiven Verschaffen einer Vielzahl von verschiedenen optischen Moden zum Stabilisieren der Intensität des Laserstrahlenbündels (60) mit Mitteln, um das Laserstrahlenbündel (60) zu zwingen, zwischen verschiedenen optischen Moden häufiger zu springen, als dass Umgebungsstörungen auftreten, und durch Mittel, um zwischen optischen Moden mit Frequenzen, die größer sind als leistungsmittelnde Frequenzen zum Überwachen einer mittleren Leistung des Laserstrahlenbündels in dem Lasersystem, aktiv Sprünge zu induzieren.
  2. Lasersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Moden verschaffende Mittel Mittel umfasst, um das Laserstrahlenbündel (60) zu zwingen, kontinuierlich zwischen verschiedenen optischen Moden zu springen.
  3. Lasersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Mittel zum aktiven Induzieren von Sprüngen in einer Weise betrieben wird, dass die Anzahl induzierter Sprünge zwischen optischen Moden während einer Zeitdauer erhöht wird, in der ein Raman-Spektrum, das aus dem Laserstrahlenbündel (60) abgeleitet ist, gemittelt wird.
  4. Lasersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Moden verschaffenden Mittel Mittel umfassen zum Verändern der Phase des Laserstrahlenbündels (60) und/oder Mittel zum Verändern der optischen Länge des optischen Resonators (20, 90).
  5. Lasersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Verändern der Phase des Laserstrahlenbündels (60) Mittel zum Verändern eines Stroms und/oder einer Temperatur des Verstärkungsmediums (50) und/oder Mittel zum Verändern einer Brechzahl und somit der Phase des Laserstrahlenbündels (60) umfasst.
  6. Lasersystem nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Verändern der optischen Länge des optischen Resonators (20, 90) Mittel zum Verändern der Brechzahl umfasst, vorzugsweise Mittel zum Verändern des Drucks und/oder der physikalischen Länge des optischen Resonators (20, 90).
  7. Verfahren zum Stabilisieren eines Laserstrahlenbündels (60) in einem Lasersystem (10; 80) mit einem Verstärkungsmedium (50) zum Verschaffen und Verstärken eines Laserstrahlenbündels (60) innerhalb eines optischen Resonators (20, 90), um aktiv eine Vielzahl von verschiedenen optischen Moden zum Stabilisieren der Intensität des Laserstrahlenbündels (60) zu verschaffen; um aktiv Sprünge zwischen optischen Moden mit Frequenzen größer als leistungsmittelnde Frequenzen zum Überwachen einer mittleren Leistung des Laserstrahlenbündels in dem Lasersystem zu induzieren und zum Erhöhen der Anzahl induzierter Sprünge zwischen optischen Moden während einer Zeitdauer, in der ein aus dem Laserstrahlenbündel abgeleitetes Raman-Spektrum gemittelt wird, und um das Laserstrahlenbündel (60) zu zwingen, zwischen verschiedenen optischen Moden häufiger zu springen, als dass Umgebungstörungen auftreten.
  8. Gasüberwachungssystem, vorzugsweise zum Überwachen eines Atem- und/oder Narkosegases, mit einem Lasersystem (10; 80) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Verschaffen eines Raman-Spektrums des zu überwachenden Gases.
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