DE7522531U

DE7522531U - Laser mit einem laserresonator

Info

Publication number: DE7522531U
Application number: DE7522531U
Authority: DE
Original assignee: Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon Buhrle AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1974-08-28
Filing date: 1975-07-15
Publication date: 1977-06-02
Also published as: FR2283569B1; CH582433A5; IT1042024B; NL169126C; GB1489821A; IL47919A; NL7507653A; DE2531648A1; US4024466A; FR2283569A1; IL47919A0

Description

LASER MIT LASERRESONATOR

Die Neuerung betrifft einen Laser mit Laserresonator enthaltend zwei Spiegel, die eine Planität von weniger als VlO der Wellenlänge des Laserlichtes und zueinander eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen, einen Laserstab und eine elektrooptische Modulationseinheit zwischen den beiden Spiegeln, wobei die elektrooptische Modulationseinheit aus einem Polarisationselement und einem Bauelement besteht, das einen elektrooptischen Kristall aufweist, an dessen gegenüberliegenden Seiten Elektroden angeordnet sind.

Es sind einerseits Einrichtungen dieser Art bekannt, deren optische Flächen mit Antireflexionsschichten versehen werden, um die auftretenden r.eflexionsverluste möglichst klein zu halten. Die Antireflexionsschichten haben aber den Nachteil, dass sie unter

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der hohen Belastung der Laserstrahlung im Laserresonator beschädigt werden, und dass sie auf hygroskopische elektrooptische Kristalle, insbesondere KDP und KD„P (Kalium-Didenterium-Phosphat) nur schwer aufzutragen sind und daher nur eine kurze Lebensdauer aufweisen.

Es sind anderseits Einrichtungen dieser Art bekannt, bei denen die beiden Spiegel sehr genau bearbeitet und sehr genau zueinander ausgerichtet werden, um die auftretenden Reflexionsverluste klein zu halten.

Die vorliegende Neuerung bezweckt nun, einerseits die Reflexionsverluste ohne Antireflexionsschichten möglichst klein zu halten und den Wirkungsgrad des Laserresonators durch die Schaffung weiterer Teilresonatoren im Inneren des Laserstrahles zu verbessern.

Die vorliegende Neuerung ist dadurch gekennzeichnet, dass auch die beiden reflektierenden Flächen des Kristalles und des Polarisationsprismas eine Planität von weniger als ein Zehntel der Wellenlänge des Laserlichtes und zueinander eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen, zur Erhöhung der gespeicherten Energie im Laserresonator und der Ausgangsleistung.

Ein Ausführungsbeispiel ist im folgenden anhand der beigefugten Zeichnung ausführlich beschrieben, es zeigt:

Fig. 1 schematisch den Aufbau des Laser-resonators; Fig. 2 einen Schnitt durch ein Bauelement mit dem elektrooptischen Kristall der Modulationseinrichtung, und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Brewster-Polarlsator der Modulationseinrichtung.

Qemfiss Pig. 1 weist der Laserresonator einen ersten vollständig reflektierenden Spiegel 10 und einen zweiten teilweise reflektierenden Spiegel 11 auf. Für den vollständig reflektierenden Spiegel i3t der Reilexionsgrad nahe R=I, und für den teilweise reflektierenden Spiegel variiert der Reflexionsgrad R /wischen Ο,Ί - 0,9. Zwischen diesen beiden Spiegeln 10 und 11 alnü eine Modulationeeinrichtung mit

a) einem Bauelement 12 - dos einen elektrooptischen Kristall 15 enthält - und mit

b) einem Brewster-Polarisator 15» Polarisationsprisma oder dielektrischen Polariaator

sew ie ein Laseretab 14 angeordnet, die im folgende), ausführlich beschrieben sind.

Das Bauelement mit dem elektrooptischen Kristall Die elektrooptlsche Modulationseinrichtung wird auch als Pockelszelle bezeichnew und verhält sich ähnlich wie eine Kerrzelle. Das Bauelement 12 der Modulationseinrichtung weist einen Kristall 15 auf, vorzugsweise wird ein KDgP (Kalium-Didenterium-Phosphat)-Kristall in Wtlrfelform verwendet, der eine Kantenlänge von 0,5 -1 Zoll aufweist. PUr einen Strahldurchmesser bis zu 8 mm genügt eine Kantenlänge von 0,5"» für einen Strahldurchrncsser von LJ> tnm ist ein Würfel von 0,75" Ka^tenliinge erforderlich und lür ein«,η Strahldurchmesser bis zu 20 nun ist ein Kristallwürfel von l" Kantenlänge notwendig.

Der KD₂P-Krista11 15 ist stark hygrostat' πch , es ist daher notwendig, ihn durch besondere Massnahrnen vor Feuchtigkeit zu schützen.

Wichtig let ferner, dass die Flächen, an denen der Laserstrahlein- und auetritt genau bearbeitet sind. Die Abweichung von der Planitüt darf nur Ä/10, d.h. etwa 10"-⁵ cm betragen unu die Abweichung von der Pianpörailelität ουίΐ nicht grosser als 5 Bogeneekunden Bein. Ausserdem 3Oi.len dic3c Flächen parallel zu den

; Flachen der Spiegel IO und 11 sein. d.h. die Abweichung soll

auch hier nicht grosser als 5 Boßensekundeu sein.

Der Kriatall 15 befindet aich in einem inneren Gehäuse io, das vorzugsweise aus Teflon hergestellt 1st. Die Lange dieses Gehäuses 16 ist etwas kleiner als die Länge des Krlstalles 13, wodurch ein einwandfreier Kontakt zweier vergoldeter Elektroden 17 mit einer auf die entsprechenden Kristallflüchen aufgedampften Ooldschicht erreicht wird.

In Nuten des inneren Gehäuses 16 sind Dichtungsringe 18 angeordnet, an denen die Elektroden 17 dichtend anliegen. In Uuten der Elektroden 17 sind weitere Dichtungsringe ly angeordnet, an denen Quarzglasfenster 20 dichtend anliegen. Damit der Kontakt zwischen den Elektroden 17 und der Ooldschlcht am Kristall L'j einwandfrei gewährleistet ist, sind die Nuten 18 am inneren Gehäuse 16 etwas breiter als die Nuten 19 an den Elektroden 17-

Die Messing-Elektroden 17 sind auf beiden Seiten fein poliert, bevor die dünne Ooldschlcht aufgetragen wird.

Durch die Dichtungsringe 18 und 19 wird eine Dichtung erreicht, welche den Kristall 15 einwandfrei vor Feuchtigkeit schlitzt.

Was Über die Bearbeitung des Kristalles gesagt wurde, gill auch

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für die Bearbeitung der Quarzglasfenster 20. Die Abweichung von der Planltät darf nur tylO, d.h. etwa 10"^ cm'betragen, und die Abweichung von der Plariparellelltät soll nicht grosser als 5 Bogensekunden sein. Ausserden» sollten diese Flächen der Quarzglasfenster 20 parallel zu den Flächen der Spiegel 10 und 11 sein, d.h. die Abweichung sollte auch hier nicht, grosser als 5 Bogensekunden sein. Um diese genaue Einstellung der Quarzglasfenster 20 zu vermeiden, können stattdessen auf beiden Selten Antireflexionsschichten aufgedampft werden. In diesem Falle darf die Abweichung dieser Flächen von der PlanparaHellcät im optischen Resonator einige Grad betragen. Das Ziel der Erfindung ist es Jedoch, Antireflexionsschichten zu vermeiden.

Der Kristall 13 mit dem inneren Gehäuse 16, den Elektroden 17 und den Fenstern 20 befindet sich in einem äusseren Gehäuse 21, das ebenfalls aus Teflon hergestellt let, wodurch eine zuverlässige Isolation gegenüber einem metallischen Gehäuse 22 gewährleistet ist. Diese Isolation ist notwendig, da an die Elektroden 17 Span«- ( nungen bis zu 6 Kilovolt angelegt werden und die Schaltzeiten unter 10 Nanosekunden liegen. Das aus3ere Gehäuse 21 Isυ durch einen Deckel 2? verschlossen. Damit die Quarzglasfenster 20 nicht vollständig am Gehäuse 21. bzw. am Deckel 2J> anliegen, sind Nuten 24 vorgesehen, wodurch eine gewisse Federwirkung erreicht wird. In diese Nuten 2h können ebenfalls Dichtungsringe eingelegt werden.

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Der Polarisator

Als Polarisator kann entweder ein Brewster-Polarisator gemäas Pig. 3 oder ein anderer geeigneter Polarisator. z.B. ein Glan-

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Polarisator-Frlaroa oder ein dielektrischer Polarisator verwendet toerden. Der Wirkungsgrad des Breweter-Polarisators liegt bei 60$.

Der Brewster-Polarisator weist fllnf Plättchen 25 aus optischem Glas auf. Diese Plättchen 25 sind um den sogenannten Brewster-Winkel^a· 29° 16' geneigt. Der Polarisationsgrad 1st von der Anzahl der Plättchen sowie.vom Brechungsindex des optischen Glases abhängig. Es genügen fünf Plättchen, da der Laserstrahl aus dem Laserstab 14 schon teilweise polarisiert ist, da eine grössere ^ Anzahl Plättchen keinen grossen Gewinn bringt, und da jedes Plättchen 25 eine Dämpfung des Laserresonators bringt und daher ein Kompromiss geschlossen werden muss.

Die Glasplättchen 25 sind mit der gleichen Genauigkeit wie die Quarzglasfenster 20 zu bearbeiten. Zwischen den Plättchen 25 sind genau hergestellte Aluminiumfolien angeordnet, welche einen genauen Abstand zwischen den Plättchen und eine genaue Parallelität der Plättchen gewährleisten.

/ Die Plättchen 25 befinden sich in einen Rohr 26 und werden zwischen zwei Hülsen 27 und 28 gehalten.

Das Rohr 26 weist an seinem linken Ende einen Flansch 30 auf, an dem sich die Hülse 27 abstutzt. An dieser Hülse liegen die flint' Plättchen 25 mit den dazwischen angeordneten Aluminiumfolien an. Durch die Hülse 28 werden die Plättchen 25 aneinander gepresst. Eine Mutter 29, die in das rechte Ende des Rohres 26 eingeschraubt ist, drückt die Hülse 28 gegen die Plättchen 25.

Die Wirkungsweise des beschriebenen Laserresonators ist wie folgt:

Der Laserstab Ik bildet zusammen mit einer nicht dargestellten Lichtquelle ein aktives Medium, das Licht durch Anregung von Atomen zunächst regellos in alle Raumrishtungen auosendet. Ein Teil diesea Lichtes fällt senkrecht auf einen der beiden Spiegel IO und 11 und dieaer Spiegel 10 oder 11 reflektiert ÖäS Licht zurück in den Laseratab Ik. Dieses reflektierte Licht wird im Laaeratab Ik veretärkt und vom anderen Spiegel 11 oder 10 reflektiert, läuft wieder durch den Laserstab lh und wird nochmals veretärkt usw. Innerhalb kürzester Zelt baut sich zwischen den beiden Spiegeln 10« 11 aus der spontanen Emission eine •ehr intensive Strahlungsdichte auf. Da der eine Spiegel nur teilreflektierend und ausserdem teilweise transparent ist, kann ein Teil dee Lichtes aua dem Resonator austreten.

Bei hohen Lichtintensitäten arbeitet der Laserresonator nicht mehr als linearer Verstärkert die Verstärkung nimmt ab. Es stellt eich echliesslich ein Gleichgewicht ein zwischen den Verlusten durch Streuung, Reflexion und Beugung des Lichtes und der Verstärkung. Im atatlonären Betrieb wird das Licht gerade soviel veretärkt wie es durch die genannten Verluste geschwächt wird.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Verluste mögliehet klein zu halten. Diesea Ziel wird dadurch erreicht, dass zusätzlich zu dem genannten Resonator, der aus den beiden Spiegeln 10, 11 und dem Laserstab Ik besteht, weitere Resonatoren, d.h. Teilresonatoren gebildet werden. Ein solcher Tellre^onator besteht aus zwei reflektierenden Flächen. Reflektierende Flächen sind am Kristall 15.am Polarisatlone-Prisma Vj und an den

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Quarzglasfenstern 20 vorhanden. Palls diese reflektierenden Flächen sehr genau parallel zu den Flächen der Spiegel 10, 11 und parallel zueinander ausgerichtet werden, und falls die Planität dieser Flächen sehr genau ist, dann gclingi es, die zusätzlichen Verluste durch Streuung und Reflexion, die durch den Einbau der Modulationseinrichtung in den ^Taserresonatcr erzeugt werden, durch die Teilresonatoren auszugleichen und den Wirkungsgrad der ganzen Laseranordnung zu verbessern.

Bei der Bestimmung des Reflexionsgrades für den teilweioe reflektierenden Spiegel sind die Teilresonatoren zu berücksichtigen.

Claims

Dipl.-lng. Heinz Lesser. Dipl-Ing OtIo Flügel. Patentanwälte D-8 München 81. CosimastraRe 81 Werkzeugmaschinenfabrik Oerlikon-Bührle AG Zürich/Schweiz - 9 - L 10.621/kbl/a SCHUTZANSPRÜCHE

1. Laser mit einem Laserresonator, der axial angeordnet in einem Gehäuse zwei Spiegel, die eine Planität von weniger als ein Zehntel der Wellenlänge des Laserlichtes und zueinander eine Planparallelität von weniger als fünf Bogen-3ekwnden aufweisen, einen Laserstab und eine eiektrooptische Modulationseinheit zwischen den beiden Spiegeln, wobei die elektrooptisch Modulationseinheit aus einem Polarisationselement und einem Bauelement besteht, das einen elektrooptischen Kristall aufweist, an dessen gegenüberliegenden Seiten Elektroden angeordnet sind, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß auch die beiden reflektierenden Flächen des Kristalles (15) und die Flächen des Polarisationsprismas (13) eine Planität von weniger als ein Zehntel der Wellenlänge des Laserlichtes und zueinander eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen.

2. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden reflektierenden Flächen des Kristalles (15) und die Flächen des Polarisationsprismas (13) zu den reflektierenden Flächen der Spiegel (10, 11) des Laserresonators eine Planparallelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen.

3. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekenn-, zeichnet, daß sämtliche optischen Flächen der Modulationseinrichtung (12, 13) zueinander eine Planparellelität von weniger als fünf Bogensekunden aufweisen.

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Dipl-Ing. Heinz Lesser Dipl-Ing Olio Flügel, Patentanwälte D-8 München 81. Cosimostrnile ai

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4. Laser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sämtliche optische Flächen der Einzelelemente (10, 11, 12, 13, 14) des Laser" zueinander eine Pianpa-.'allalität von weniger als fünr Bogensekunden aufweisen.

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